米　娜，張玉書，蔡　福，紀(jì)瑞鵬，劉　明，于秀捷

(1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110166； 2.撫順市氣象局， 遼寧 撫順 113006；

3.遼寧省氣象信息中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

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東北地區(qū)玉米大豆水分利用效率研究

米娜1，張玉書1，蔡福1，紀(jì)瑞鵬1，劉明2，于秀捷3

(1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110166； 2.撫順市氣象局， 遼寧 撫順 113006；

3.遼寧省氣象信息中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

摘要：利用大安和朝陽(yáng)玉米研究站點(diǎn)、呼瑪和錦州大豆研究站點(diǎn)近20 a作物產(chǎn)量、發(fā)育期及土壤水分實(shí)測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合分期播種試驗(yàn)資料，研究了玉米大豆產(chǎn)量水分利用效率(WUEg)對(duì)降水、溫度的響應(yīng)特征，分析了兩種作物產(chǎn)量水分利用效率與群落水平水分利用效率(WUEb)的關(guān)系。結(jié)果表明：大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)玉米WUEg分別為1.75±0.47 kg·m(-3)和1.98±0.72 kg·m(-3)，呼瑪和錦州站點(diǎn)大豆WUEg分別為0.63±0.35 kg·m(-3)和0.55±0.18 kg·m(-3)；玉米站點(diǎn)WUEg與播種—成熟期間的降水量和ET均呈顯著的二次曲線關(guān)系(P<0.05)，WUEg與溫度關(guān)系不明顯；大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；歷史資料分析結(jié)果表明，隨著生育期期間平均氣溫的增加，大豆WUEg升高；在大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)，取得高水分利用效率與獲得高產(chǎn)所消耗的水量(即ET)并不一致，表明對(duì)于存在干旱脅迫的半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是一味追求水分利用效率(WUE)是提高產(chǎn)量的有效途徑，植物消耗的水量(ET)往往是決定作物產(chǎn)量的重要因素。

關(guān)鍵詞：有效的利用水；產(chǎn)量水分利用效率；群落水平水分利用效率；響應(yīng)特征；耗水量

東北地區(qū)(遼寧、吉林、黑龍江)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食商品率高達(dá)55%以上，商品糧占全國(guó)總量的1/4左右，居全國(guó)之首[1]。 特別是在《全國(guó)新增1 000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》中已經(jīng)明確了東北三省作為全國(guó)13個(gè)糧食生產(chǎn)核心區(qū)的地位。東北地區(qū)是我國(guó)春玉米和春播大豆的主產(chǎn)區(qū)，玉米播種面積約占全區(qū)糧食作物面積的60%，春播大豆區(qū)和黃淮海夏播大豆區(qū)是中國(guó)大豆種植面積最大、產(chǎn)量最高的兩個(gè)地區(qū)。東北地區(qū)農(nóng)作物種植主要依靠雨養(yǎng)[2]。在全球氣候變暖的背景下，東北地區(qū)的氣候具有顯著的變暖趨勢(shì)，降水總量在具有減少趨勢(shì)的背景下，降水事件還有向極端化發(fā)展的傾向，降水時(shí)間分布變得更不均勻，這可能引起更多更強(qiáng)的旱澇災(zāi)害，從而對(duì)東北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利的影響[3]，氣候變化通過影響雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤水分狀況，威脅糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性[4]。因此，當(dāng)前氣候變化情景下雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)所要面臨的主要問題是嚴(yán)酷的水資源限制。提高水分利用效率，發(fā)展高效用水農(nóng)業(yè)對(duì)解決全球缺水問題十分必要[5-6]。

據(jù)研究，目前世界范圍玉米作物的平均水分生產(chǎn)效率為1.8 kg·m-3，而目前玉米的水分利用效率最高水平可達(dá)2.7 kg·m-3，存在著巨大的提升潛力[5]。綜合以往文獻(xiàn)來看，在東北地區(qū)開展提高農(nóng)田作物水分利用效率的試驗(yàn)研究報(bào)道較少，鄒文秀等[7]報(bào)道了施肥對(duì)東北黑土區(qū)大豆水分利用效率的影響，更多的研究集中在了提高華北平原農(nóng)田作物水分利用效率適用技術(shù)的研究上，如張喜英[5]、梅旭榮等[8]提出了實(shí)現(xiàn)華北平原農(nóng)田節(jié)水增產(chǎn)增效的對(duì)策；劉庚山等[9]研究表明，留殘茬和秸稈覆蓋能明顯提高夏玉米葉片水平上的水分利用效率，最終提高產(chǎn)量上的水分利用效率；邵立威等[10]對(duì)華北夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的研究表明，種植密度為60 000～67 500株·hm-2的玉米產(chǎn)量高于75 000株·hm-2的密度產(chǎn)量，且選擇高產(chǎn)品種是提高水分利用效率的一個(gè)重要途徑，產(chǎn)量高的品種其水分利用效率也較高，兩者存在正相關(guān)關(guān)系。然而也有研究指出，在干旱脅迫下，有效的利用水(effective use of water，EUW)才是提高產(chǎn)量的重要途徑[11]。本研究利用東北地區(qū)有代表性的玉米大豆農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合分期播種試驗(yàn)資料，分析了玉米大豆水分利用效率對(duì)降水、溫度的響應(yīng)，闡明兩種作物產(chǎn)量水分利用效率與群落水平水分利用效率的關(guān)系，探討了玉米高產(chǎn)與高水分利用效率下玉米耗水特性，旨在明確提高作物產(chǎn)量的有效途徑，從而為氣候變化背景下保障東北地區(qū)的糧食安全提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1站點(diǎn)選取及數(shù)據(jù)來源

本研究在東北地區(qū)選取了具有較長(zhǎng)時(shí)段作物產(chǎn)量、發(fā)育期、土壤墑情觀測(cè)記錄的農(nóng)試站點(diǎn)，其站點(diǎn)詳情參見表1。數(shù)據(jù)取自農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)記錄報(bào)表，研究站點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：1990—2009年玉米產(chǎn)量、播種、成熟日期、土壤水分資料及1994—2009年大豆產(chǎn)量、播種、成熟日期、土壤水分資料等。

表1　農(nóng)試站點(diǎn)詳情介紹

大安農(nóng)田試驗(yàn)站位于吉林省西北部，地處松嫩平原腹地，1990—2009年在該區(qū)定點(diǎn)觀測(cè)玉米農(nóng)田，該區(qū)玉米通常在4月下旬至5月上旬播種，9月下旬成熟，根據(jù)1990—2009年的發(fā)育期記錄，玉米的平均生育期為137 d。朝陽(yáng)農(nóng)田試驗(yàn)站位于遼寧省西部，該區(qū)玉米每年5月上旬播種，9月中旬至下旬成熟，該區(qū)玉米的平均生育期為126 d。2009年該試驗(yàn)區(qū)遭遇了較嚴(yán)重的干旱，7月21日至8月16日期間的降水量?jī)H為0.2 mm，干旱使得大部分作物枯死，因此未能獲取2009年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

呼瑪農(nóng)田試驗(yàn)站位于大興安嶺東麓，1994—2009年在該區(qū)定點(diǎn)觀測(cè)大豆農(nóng)田，該區(qū)大豆通常在5月中旬播種，9月中下旬成熟，根據(jù)1994—2009年的發(fā)育期記錄，該區(qū)大豆的平均生育期為124 d。錦州農(nóng)田試驗(yàn)站位于朝陽(yáng)站東南110 km處，該區(qū)大豆4月底至5月上旬播種，9月下旬成熟，平均發(fā)育期145 d。

1.2分期播種試驗(yàn)設(shè)置

本研究2011和2012年在遼寧朝陽(yáng)和錦州設(shè)置了玉米和大豆分期播種試驗(yàn)，用以研究不同氣候條件下作物的水分利用效率狀況。玉米選用4個(gè)品種(丹玉39、丹玉99、良玉88、農(nóng)華101)，在錦州和朝陽(yáng)分別設(shè)置8個(gè)和7個(gè)播期(分別于4月10日，4月15日，4月20日，4月25日，4月30日，5月10日，5月20日，5月30日播種，朝陽(yáng)沒有4月10日的播期)；大豆選用2個(gè)品種(鐵豐29和遼豆15)，在錦州設(shè)置4個(gè)播期(分別于4月20日，4月30日，5月10日，5月20日播種)。

各農(nóng)試站點(diǎn)從作物播種開始至成熟，每5 d測(cè)定一次土壤含水量，土壤含水量采用稱重法測(cè)定，測(cè)定深度為0～100 cm，每隔10 cm測(cè)定一次。玉米成熟后按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》測(cè)定籽粒產(chǎn)量。

由于試驗(yàn)期間對(duì)玉米和大豆進(jìn)行了破壞性采樣，因此無法獲得試驗(yàn)小區(qū)的實(shí)際產(chǎn)量，本研究中用理論產(chǎn)量代替實(shí)際產(chǎn)量用于分期播種水分利用效率的計(jì)算。

1.3ET的計(jì)算

本研究中，ET采用如下方法估算

ET=CR+I+P+ΔW-D-R

(1)

式中，CR代表重力提升水，I代表灌溉，P代表降水，D代表地下滲漏，R代表地表徑流，ΔW代表1m土層深度的土壤水分含量變化(mm)。由于試驗(yàn)區(qū)域地勢(shì)平坦，因此忽略地表徑流。觀測(cè)記錄表明試驗(yàn)區(qū)地下水位大于4m，因此，滲漏和重力提升水也可以忽略不計(jì)。此外，試驗(yàn)區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，沒有灌溉，因此本研究中可采用ET=P+ΔW來計(jì)算ET值。

1.4水分利用效率定義

本文將產(chǎn)量水分利用效率(WUEg，kg·m-3)定義為玉米每消耗1 m3水所能生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，采用籽粒產(chǎn)量與整個(gè)生育期ET的比值來計(jì)算。群落水平的水分利用效率(WUEb，kg·m-3)是作物群體光合產(chǎn)物與作物總蒸騰量的比值，也可以看作群體生物量與作物蒸發(fā)蒸騰量(即蒸散量)ET的比值。

1.5線性方程及一元二次方程的擬合

利用Origin軟件對(duì)玉米大豆產(chǎn)量水分利用效率對(duì)溫度、降水及ET的響應(yīng)進(jìn)行線性擬合(y=ax+b)及一元二次方程(y=ax2+bx+c)擬合。利用公式x=-b/2a，求出使得WUEg達(dá)到最大值時(shí)的降水及ET值。

2結(jié)果與分析

2.1玉米、大豆產(chǎn)量水分利用效率對(duì)降水、溫度的響應(yīng)

大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)玉米產(chǎn)量水分利用效率對(duì)播種至成熟期間降水量的響應(yīng)如圖1a、b所示。對(duì)于大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)來說，在較干旱的年份和較濕潤(rùn)的年份里，玉米WUEg均表現(xiàn)出較低的值(圖1a，b)。當(dāng)播種—成熟期間的降水分別為325 mm(大安)、391 mm(朝陽(yáng))時(shí)，產(chǎn)量水分利用效率達(dá)最高值(圖1a、b，表2)。大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)WUEg與播種至成熟期降水量的關(guān)系可以用一個(gè)二次曲線函數(shù)來擬合，且關(guān)系顯著(P<0.05)(大安1997年、朝陽(yáng)2000和2002年的數(shù)據(jù)除外)(圖1a，b)。綜合2個(gè)站點(diǎn)(大安和朝陽(yáng))來看，玉米產(chǎn)量水分利用效率為0.8～2.9 kg·m-3，該值與我國(guó)華北平原夏玉米WUEg(1.6～2.3 kg·m-3)和西北地區(qū)春玉米WUEg(1.1～2.9 kg·m-3)的值基本相當(dāng)[12-13]。不同于玉米水分利用效率與降水量的關(guān)系，大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖1c、d)，即隨著播種至成熟期間降水量的增加，大豆WUEg表現(xiàn)為降低。與錦州大豆WUEg(0.4～0.8 kg·m-3，變異系數(shù)0.33)相比，呼瑪WUEg(0.1～1.3 kg·m-3，變異系數(shù)0.56)變異較大，可能與該地區(qū)熱量條件較差有關(guān)。

玉米和大豆站點(diǎn)產(chǎn)量水分利用效率對(duì)播種至成熟期平均氣溫的響應(yīng)如圖2所示。玉米產(chǎn)量水分利用效率隨溫度的變化并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，大安站點(diǎn)玉米生長(zhǎng)期間的平均溫度為19℃～21℃，朝陽(yáng)站點(diǎn)熱量條件好于大安，玉米生長(zhǎng)期間的平均溫度為21℃～24℃。2個(gè)站點(diǎn)WUEg與發(fā)育期期間的平均溫度關(guān)系不明顯，說明生長(zhǎng)季溫度能保證玉米的正常生長(zhǎng)，對(duì)WUEg不起主導(dǎo)作用。錦州和呼瑪站點(diǎn)大豆水分利用效率隨著播種至成熟期平均氣溫的增加而增高，但該趨勢(shì)在兩個(gè)站點(diǎn)均未通過顯著性檢驗(yàn)，還有待更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。

注：(a) 中實(shí)心方點(diǎn)代表1997年，(b) 中實(shí)心方點(diǎn)代表2002年，實(shí)心三角點(diǎn)代表2000年

The solid square in (a) represents the year of 1997. The solid square and triangle in (b) represent the years of 2002 and 2000，respectively.

圖1　玉米〔大安(a)、朝陽(yáng)(b)〕和大豆〔錦州(c)、呼瑪(d)〕產(chǎn)量水分利用效率對(duì)播種至成熟期降水量的響應(yīng)

圖2玉米〔大安(a)、朝陽(yáng)(b)〕和大豆〔錦州(c)、呼瑪(d)〕產(chǎn)量水平水分利用效率對(duì)播種至成熟期平均溫度的響應(yīng)

Fig.2Variations in water use efficiency at the level of maize yield (WUEg) to changes of mean temperatures from planting

to harvest at maize (Da'an: a; Chaoyang: b) and soybean (Jinzhou: c; Huma: d) sites.

2.2玉米產(chǎn)量及水分利用效率對(duì)ET的響應(yīng)

20年來(1990—2009年)大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)玉米ET值分別為200～580 mm及250～580 mm。在大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)，玉米產(chǎn)量水分利用效率與ET呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系，且關(guān)系顯著(P<0.05)，即隨著ET的增加WUEg升高，ET增加到一定值后，WUEg則隨著ET的增加而減小(圖3a，c)。對(duì)于大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)，使WUEg達(dá)到最大值的ET值分別為329 mm和404 mm(表2)。

大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)產(chǎn)量與ET的關(guān)系如圖3b，d所示，大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)玉米產(chǎn)量與ET呈現(xiàn)顯著的二次曲線關(guān)系(P<0.01)，該結(jié)果與董玉云等[14]對(duì)西部地區(qū)玉米的研究結(jié)果相一致，即玉米產(chǎn)量與玉米生育期總耗水量呈良好的拋物線關(guān)系。通過計(jì)算可知，使大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)產(chǎn)量達(dá)到最大值的ET分別為442 mm和469 mm(表2)。

在大安站點(diǎn)，使WUEg和產(chǎn)量達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的ET1和ET2分別為329 mm和442mm，將該值分別代入圖3b的擬合公式中，則求得的產(chǎn)量分別為6.67 t·hm-2和7.60 t·hm-2，ET2下獲得的產(chǎn)量比ET1增產(chǎn)14%，同樣在朝陽(yáng)站點(diǎn)，ET1和ET2分別為404 mm和469 mm，代入圖3d的擬合公式中，得到的產(chǎn)量分別為9.17 t·hm-2和9.84 t·hm-2，ET2下獲得的產(chǎn)量比ET1增產(chǎn)7%。

注：(a)(b)中實(shí)心方點(diǎn)代表1997年，(c)中實(shí)心方點(diǎn)代表2002年，實(shí)心三角點(diǎn)代表2000年

Note: The solid square in (a) and (b) represents the year 1997. The solid square and triangle in (c) represent the years 2002 and 2000, respectively.

圖3　大安(a,b)、朝陽(yáng)(c,d)站點(diǎn)玉米產(chǎn)量水平水分利用效率和籽粒產(chǎn)量對(duì)ET的響應(yīng)

注：*數(shù)據(jù)通過圖1、3中擬合方程y=ax2+bx+c中的-b/2a計(jì)算得到。

Note: Data were obtained by calculating -b/2afrom the equationy=ax2+bx+cin Figs. 1 and 3.

2.3玉米、大豆分期播種試驗(yàn)與歷史資料的比對(duì)

分期播種試驗(yàn)結(jié)果表明，在錦州和朝陽(yáng)站點(diǎn)當(dāng)播種至成熟期間的降水量為400 mm左右時(shí)，產(chǎn)量水分利用效率達(dá)最高(圖4)，且玉米產(chǎn)量水分利用效率與生育期內(nèi)平均溫度關(guān)系不明顯(圖略)，該結(jié)果與朝陽(yáng)玉米站點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)的研究結(jié)果相一致。

圖4丹玉39(a)、丹玉99(b)、良玉88(c)、農(nóng)華101(d)產(chǎn)量水分利用效率對(duì)播種至成熟期間降水量的響應(yīng)

Fig.4Correlations between precipitation from planting to harvest and water use efficiency at the level of maize yield (WUEg) for

hybrids of Danyu 39, Danyu 99, Liangyu 88 and Nonghua 101

大豆分期播種試驗(yàn)表明，隨著播種至成熟期間降水量的增加，產(chǎn)量水分利用效率降低(圖略)。產(chǎn)量水分利用效率對(duì)生育期內(nèi)平均溫度的響應(yīng)如圖5所示，大豆WUEg與生育期內(nèi)平均溫度呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即隨著生育期內(nèi)平均溫度的升高，WUEg表現(xiàn)為增加。以上結(jié)果與對(duì)大豆歷史數(shù)據(jù)的研究結(jié)果相一致。

圖5遼豆15(a)、鐵豐29(b)產(chǎn)量水平水分利用效率對(duì)播種至成熟期間均溫的響應(yīng)

Fig.5Correlations between mean temperature from planting to harvest and water use efficiency at the level of

soybean yield (WUEg) for hybrids of Liaodou 15 (a) and Tiefeng 29 (b)

2.4產(chǎn)量水分利用效率與群落水分利用效率的關(guān)系

從圖6、7可以看出，玉米和大豆WUEb和WUEg呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系(P<0.01)，如果設(shè)置線性關(guān)系截距為零，則玉米WUEb約為WUEg的2倍，對(duì)于大豆而言，WUEb約為WUEg的2.4倍。玉米和大豆WUEb和WUEg之間的正相關(guān)關(guān)系表明，較高的群落水平水分利用效率對(duì)于獲得較高的產(chǎn)量水分利用效率有利，最終對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的獲得有利。目前，對(duì)玉米和大豆WUEb和WUEg之間關(guān)系的研究并不多見，Qiu等[15]對(duì)冬小麥WUEb和WUEg之間關(guān)系的研究結(jié)果與本研究對(duì)玉米和大豆的研究結(jié)果類似。

3討論

圖6　玉米產(chǎn)量水平水分利用效率與群落

圖7大豆產(chǎn)量水平水分利用效率與群落水平水分利用效率的關(guān)系

Fig.7Correlation between water use efficiency at

the level of soybean yield (WUEg) and WUE at

the level of soybean biomass (WUEb)

大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)WUEg對(duì)播種至成熟期間降水量的響應(yīng)較為相似，較少和較多的降水量均導(dǎo)致較低的WUEg，該結(jié)果與調(diào)虧灌溉試驗(yàn)研究所得出的結(jié)論較為一致，調(diào)虧灌溉理論認(rèn)為，適度的水分虧缺往往會(huì)提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，這是因?yàn)樽魑飳?duì)適度水分虧缺產(chǎn)生了補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng)，這種補(bǔ)償效應(yīng)經(jīng)常表現(xiàn)在作物受旱后復(fù)水，若干生理功能超過一直充足供水的生理功能，如劉吉利等[16]研究表明，花生苗期結(jié)合蹲苗，進(jìn)行適當(dāng)干旱處理(控水5 d)后復(fù)水，葉片光合性能可迅速恢復(fù)到正常水平，不影響產(chǎn)量，而且可減少耗水量，有利于提高花生水分利用效率。另外在作物受旱期間，雖然生長(zhǎng)受到一定抑制，但可能強(qiáng)化了能量代謝和一些生物合成，增加了光合產(chǎn)物向經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化，提高了經(jīng)濟(jì)系數(shù)[5]。此外，一些灌溉控制試驗(yàn)在一定程度上也可以反映出降水對(duì)WUE的影響，在不同的年份里，灌溉量與夏玉米WUE之間的關(guān)系可以用二次曲線方程來擬合，這表明使得夏玉米獲得最大WUE的最佳灌溉量要低于試驗(yàn)中所設(shè)置的最大灌溉量[17]。綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率，生育期灌水量減少25%～30%并不降低玉米的產(chǎn)量，適度缺水反而有利于某些作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增加[18]。

本研究結(jié)果表明，大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)WUEg和產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的ET并不一致(表2)，產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的ET2高于WUEg最大值時(shí)的ET1，且大安站點(diǎn)ET2和ET1之間的差值(約110 mm)大于朝陽(yáng)站點(diǎn)(約70 mm)，相似的研究結(jié)果也體現(xiàn)在Du等[13]對(duì)玉米作物的研究，Du等對(duì)西北地區(qū)玉米的調(diào)虧灌溉研究結(jié)果顯示，ET2和ET1的值約分別為500 mm和450 mm。上述結(jié)果表明，在大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)，取得高水分利用效率與獲得高產(chǎn)所消耗的水量(即ET)是不一致的，也就是說作物水分利用效率達(dá)到最高值時(shí)，作物產(chǎn)量并沒達(dá)到最高(圖3)，由此可見，提高水分利用效率并不能作為產(chǎn)量提高的有效途徑，那么什么才是提高產(chǎn)量的有效途徑呢？Blum[11]指出干旱脅迫下，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是單純追求水分利用效率(WUE)才是提高產(chǎn)量的有效途徑。有效的利用水是指最大化地獲取土壤水分，同時(shí)使大部分可獲得的土壤水用于氣孔蒸騰，減少土壤蒸發(fā)造成的水分消耗[5]，擴(kuò)大作物根系在空間所占體積，使根系接觸更多的土壤水分，提高土壤水分對(duì)作物的有效性[5]。對(duì)小麥的試驗(yàn)研究表明，刪減根系處理后，小麥的水分利用效率提高了，但產(chǎn)量卻沒得到提高[19-20]。因此，有效的利用水與提高水分利用效率有本質(zhì)上的不同，因?yàn)楦叩乃掷眯释鶗?huì)違背有效的利用水原則[11]。Passioura[21]指出，作物消耗的水量、水分利用效率及收獲指數(shù)3個(gè)變量共同驅(qū)動(dòng)著作物產(chǎn)量，而Blum[11]則認(rèn)為真正決定產(chǎn)量的是消耗的水量以及收獲指數(shù)，水分利用效率僅僅是一個(gè)過程量。其中，收獲指數(shù)在很大程度上也受植物吸收的水及植物水分狀況的影響，因此在有干旱脅迫影響的狀況下，植物消耗的水量才是決定作物產(chǎn)量的重要(但不唯一)因素。本研究中，大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)所消耗的水量要大于WUEg最大值時(shí)消耗的水量，且這種差異在降水相對(duì)偏少的大安地區(qū)表現(xiàn)得比在朝陽(yáng)地區(qū)更加明顯(表2)。大安和朝陽(yáng)站點(diǎn)WUEg和產(chǎn)量與ET的關(guān)系從某種程度上支持了Blum1[11]的觀點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用Blum1[11]的觀點(diǎn)也可以解釋發(fā)生在兩個(gè)站點(diǎn)的研究結(jié)果。

4結(jié)論

利用東北地區(qū)代表站點(diǎn)玉米大豆長(zhǎng)期(20年)觀測(cè)資料，結(jié)合分期播種試驗(yàn)資料，開展了東北地區(qū)玉米大豆水分利用效率研究。玉米WUEg和產(chǎn)量與玉米生育期總耗水量(ET)呈現(xiàn)顯著的二次曲線關(guān)系，WUEg和產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的ET并不一致，表明對(duì)于存在干旱脅迫的半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是水分利用效率(WUE)是提高產(chǎn)量的有效途徑，植物消耗的水量(ET)往往是決定作物產(chǎn)量的重要因素。大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著生育期期間平均氣溫的增加大豆WUEg升高，此關(guān)系有待進(jìn)一步研究證實(shí)。玉米和大豆WUEb和WUEg之間的正相關(guān)關(guān)系表明，較高的群落水平水分利用效率對(duì)于獲得較高的產(chǎn)量水分利用效率有利，最終對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的獲得有利。

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Research on water use efficiencies of maize and soybean in northeast China

MI Na1, ZHANG Yu-shu1, CAI Fu1, JI Rui-peng1, LIU Ming2, YU Xiu-jie3

(1.InstituteofAtmosphericEnvironment,ChinameteorologicalAdministration(Shenyang),Shenyang,Liaoning110166,China;2.FushunMeteorologicalService,Fushun,Liaoning113006,China;3.LiaoningMeteorologicalInformationCentre,Shenyang,Liaoning110166,China)

Abstract：Based on data in recent 20 years about crop production, developmental period, and soil water content collected from the agro-meteorological experiment sites at Da'an and Chaoyang (maize sites), and Huma and Jinzhou (soybean sites) in northeast China, as well as the trail results by periodic seeding, response of grain water use efficiency (WUEg) to precipitation/temperature and also the relationship between WUEg and water use efficiency at the level of biomass (WUEb) were analyzed. The results showed that the average maize WUEg in multi-years at Da'an and Chaoyang were 1.75±0.47 kg·m(-3) and 1.98±0.72 kg·m(-3), respectively, and soybean WUEg at Huma and Jinzhou were 0.63±0.35 kg·m(-3) and 0.55±0.18 kg·m(-3), respectively. For maize, the relationship between WUEg and precipitation during planting to harvest exhibited a quadratic function at a significant level of P<0.05. The relationship between WUEg and mean temperature during growing period showed no obvious pattern. For soybean, WUEg was significantly negatively correlated with precipitation during growing period. Results from historic data showed that soybean WUEg was elevated with the increase of mean temperature during growing period, although the correlation between them was not significant. In addition, at Da'an and Chaoyang areas, high WUEg did not agree with the water consumption for high yield, suggesting that in semi-arid and semi-humid regions under drought stress, effective use of water (EUW) but not water use efficiency was the critical factor to determine crop yield. It can be concluded that water use is the main (not the exclusive) drive of yield under drought stress.

Keywords:effective use of water; water use efficiency; response characteristic; water use

中圖分類號(hào)：Q143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：米娜，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)與全球變化，生態(tài)系統(tǒng)過程模型，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)。 E-mail:mina7921@126.com。通信作者：張玉書，正研級(jí)高級(jí)工程師。 E-mail:yushuzhang@126.com。

基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2011IAE-CMA12)；公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201106029-6)；遼寧省科學(xué)技術(shù)廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)及成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(2014210003); 遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2014060)

收稿日期：2015-01-17

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.01

文章編號(hào)：1000-7601(2016)02-0001-08