作物生產(chǎn)、水分消耗與水分利用效率間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系_地理論文

1、作物生產(chǎn)、水分消耗與水分利用效率間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系_地理論文    文章摘要：                         提要在對(duì)水分消耗與產(chǎn)量（或同化物生產(chǎn)）關(guān)系剖析的基礎(chǔ)上，引入邊際水分利用效率與水分生產(chǎn)彈性系數(shù)概念，探討具有動(dòng)態(tài)特征的作物生產(chǎn)、水分消耗與水分利用效率間的內(nèi)在聯(lián)系。就作物產(chǎn)量層次上的水分利用效率而論

2、，當(dāng) Yf(ET) 表現(xiàn)為線性時(shí)，WUE 隨 ET 的變化趨勢(shì)直接受常數(shù)項(xiàng)的取值條件的影響；當(dāng) Yf(ET) 表現(xiàn)為二次拋物線時(shí)，隨著 ET 的增加，WUE 的最大值要先于 Y 的最大值而提前達(dá)到，使 WUE 達(dá)到最大值的 ET 值等于常數(shù)項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)之比的算術(shù)平方根，在其之前 ,WUE 漸增，在其之后 ,WUE 漸降。關(guān)鍵詞作物水分利用效率 水分生產(chǎn)彈性系數(shù) 節(jié)水農(nóng)業(yè)分類中圖法 S31作物水分利用效率 (WUE) 是作物水分關(guān)系研究中的一個(gè)重要的理論問題。包括旱地農(nóng)業(yè)在內(nèi)的整個(gè)節(jié)水農(nóng)業(yè)所追求的目標(biāo)之一就是盡可能高的 WUE 值。WUE 本身作為評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)已被廣泛

3、應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就作物水分利用效率做了很多工作16,8，然而有待深入探討的問題尚有不少，其中包括：現(xiàn)有的 WUE 指標(biāo)僅具有平均意義，不能夠確切反映產(chǎn)量（或同化物生產(chǎn)）隨水分消耗變化的動(dòng)態(tài)過程；大量試驗(yàn)一再表明，WUE 高值一般不是在供水充足、產(chǎn)量 (Y) 最高時(shí)獲得，而蒸散量或稱耗水量（ET）的增加，又往往引起 WUE 的下降，然而 WUE-ET-Y 間的內(nèi)在聯(lián)系并沒有得到充分揭示。個(gè)別工作已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水分利用效率實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)分析或邊際分析中的“平均產(chǎn)量”4，但其研究并沒有就此深入展開。本文結(jié)合理論分析與試驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)水分消耗與產(chǎn)量（或同化物生產(chǎn)）關(guān)系剖析的基礎(chǔ)上，引入邊際水分利用效率與水

4、分生產(chǎn)彈性系數(shù)概念，就作物生產(chǎn)、水分消耗與水分利用效率間的內(nèi)在的動(dòng)態(tài)聯(lián)系加以探討。1 研究思路與方法學(xué)術(shù)界對(duì)于作物水分利用效率概念的定義一般都可以從單位水分消耗所生產(chǎn)的同化物的角度上予以理解。水分消耗就作物個(gè)體或其主要光合器官如葉片而言，則是蒸騰量；若就作物群體講，則是蒸散量，因?yàn)榭瞄g蒸發(fā)與蒸騰常難以分別測(cè)定。同化物生產(chǎn)從短時(shí)間尺度如秒、小時(shí)看，是凈光合率問題；從長(zhǎng)時(shí)間尺度如某一生育期或全生育期看，則是干物質(zhì)積累量或產(chǎn)量（考慮經(jīng)濟(jì)系數(shù)）問題。例如，在群體水平上，考慮全生育期，WUE 可表示為下式：WUEY/ET(1)其中 Y 為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；ET 為全生育期蒸散量，即耗水量。作物產(chǎn)量與水分消耗量同

5、時(shí)受到品劉文兆：作物生產(chǎn)、水分消耗與水分利用效率間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系種因素、包括水肥供給在內(nèi)的栽培措施、大氣條件等的影響。給定其它因素，只考慮水肥供給條件的變化，那么產(chǎn)量與耗水量就成為水肥供給條件的函數(shù)。式 (1) 的結(jié)構(gòu)表明，WUE 是一種平均意義上的指標(biāo)，不同水肥供應(yīng)條件下，產(chǎn)量隨耗水量的變化特征并不能由 WUE 予以反映。作為問題研究的一個(gè)方面，在一定的肥力水平時(shí)，給予不同的供水處理，則水分消耗與供水條件相對(duì)應(yīng)，產(chǎn)量亦同時(shí)發(fā)生變化，設(shè) Y 與 ET 具有如下函數(shù)關(guān)系：種因素、包括水肥供給在內(nèi)的栽培措施、大氣條件等的影響。給定其它因素，只考慮水肥供給條件的變化，那么產(chǎn)量與耗水量就成為水肥供給條件的

6、函數(shù)。式 (1) 的結(jié)構(gòu)表明，WUE 是一種平均意義上的指標(biāo)，不同水肥供應(yīng)條件下，產(chǎn)量隨耗水量的變化特征并不能由 WUE 予以反映。作為問題研究的一個(gè)方面，在一定的肥力水平時(shí)，給予不同的供水處理，則水分消耗與供水條件相對(duì)應(yīng)，產(chǎn)量亦同時(shí)發(fā)生變化，設(shè) Y 與 ET 具有如下函數(shù)關(guān)系：Yf(ET)(2)求 Y 對(duì) ET 的導(dǎo)數(shù)，即 dY/dET，其意在于說明 ET 取某一值時(shí)，耗水量發(fā)生單位變化所致的產(chǎn)量變化，這本身亦具有水分利用效率的意義，可以反映水分利用效率的動(dòng)態(tài)特征。在邊際分析中，式（2）中 Y 被稱為總產(chǎn)量或產(chǎn)量，Y/ET 為平均產(chǎn)量，dY/dET 為邊際產(chǎn)量。由式（1）知，在作物水分關(guān)系研

7、究中，Y/ET 即為具有平均意義的水分利用效率，與此概念相對(duì)應(yīng)，可將 dY/dET 稱為邊際水分利用效率 (marginal WUE)，簡(jiǎn)記為 MWUE，即有下式：MWUEdY/dET(3)取 WUE 對(duì) ET 的導(dǎo)數(shù)dWUE/dET(EWP1)WUE/ET (4)其中 EWP 為作物水分生產(chǎn)彈性系數(shù) (elasticity of crop water production)，其意在于說明產(chǎn)量變化的百分率與水分消耗變化的百分率之比，定義如下：EWPMWUE/WUE(5)由式 (4) 知，當(dāng) EWP 分別大于、等于或小于 1 時(shí)，dWUE/dET 則分別大于、等于或小于 0；此外，當(dāng) MWUE

8、等于 0 時(shí)，EWP 也等于 0，且兩者正負(fù)性相同。因此，由 EWP 的取值條件即可獲知 WUE 及 Y 隨 ET 的變化特征。所以，有如下的 WUE-ET-Y 關(guān)系的判定條件：(1) 當(dāng) EWP1 時(shí)，WUE 隨 ET 增加而增加，反之 EWP1，WUE 隨 ET 增加而減少。(2) 當(dāng) EWP0 時(shí)，Y 隨 ET 增加而增加，反之 EWP0，則 Y 隨 ET 增加而減少。(3) 當(dāng) EWP 分別等于 1 或 0 時(shí)，WUE 與 Y 分別取得最大值（如果曲線 Yf(ET) 下凹，或先上凹而后下凹）；當(dāng) EWP 恒等于 1，不隨 ET 而變化，則表明 WUE 為常數(shù)。當(dāng) WUE 達(dá)到最大值時(shí)，

9、MWUE 等于 WUE，必為正值，即 Y 并未達(dá)到最大，只有隨著 ET 的進(jìn)一步增加，MWUE 等于 0 時(shí)，Y 才取得最大值。可見，如果 WUE 的最大值與 Y 的最大值都存在，那么二者不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)；WUE 的最大值要先于 Y 的最大值提前達(dá)到。2 結(jié)果與討論2.1 Y-ET 關(guān)系表現(xiàn)為線型與二次拋物線型時(shí) WUE 的動(dòng)態(tài)特征關(guān)于作物產(chǎn)量與全生育期耗水量的關(guān)系，目前所見到的報(bào)道主要是二類，即線型與二次拋物線型。用方程表示，即有Ya1b1ET(6)及Ya2b2ETc2ET2(7)拋物線型關(guān)系一般是在有較寬的 ET 取值區(qū)間及樣本數(shù)目較多的條件下得到的，只有當(dāng) ET 大于某一值時(shí)才能有產(chǎn)量形成

10、的客觀事實(shí)和當(dāng) ET 超過一定值后隨著 ET 的增加產(chǎn)量的增加趨于緩慢的試驗(yàn)結(jié)果，決定了 a2 與 c2 均為負(fù)值。a1 的正負(fù)性取決于樣本條件，如果 a10，說明在式 (6) 的推求中水分嚴(yán)重脅迫時(shí)的試驗(yàn)樣本起了較大的作用。如果 a10，則表明水分輕微脅迫或無(wú)脅迫的試驗(yàn)樣本起了較大的作用。然而不論哪種情況，都說明式 (6) 所給出的 F 線性式子只是部分地表達(dá)了 Y 與 ET 的關(guān)系。依據(jù)前面對(duì)作物水分生產(chǎn)彈性系數(shù)的分析及 WUE-ET-Y 內(nèi)在聯(lián)系的判定可知：對(duì)線性的 Y-ET 關(guān)系而言，MWUE 不隨 ET 而變化，是個(gè)常量，當(dāng) a10 時(shí)，WUE 是以 MWUE 為一條漸近線的雙曲線的

11、一支。當(dāng) a10 時(shí)，WUE 隨 ET 增加而增加；a10 時(shí) ,WUE 為常數(shù)且與 MWUE 相等；a10 時(shí)，WUE 隨 ET 增加而減少。對(duì)二次拋物線型的 Y-ET 關(guān)系而言，由于 c20，故 MWUE 隨 ET 的增加而線性降低，WUE 與 ET 間的關(guān)系為下凹的雙曲線的一支。當(dāng) ET時(shí) ,WUE 隨 ET 增加而增加，ET時(shí)，WUE 達(dá)到最大值；當(dāng) ET時(shí)，WUE 隨 ET 增加而減少。而當(dāng) ET-b2/(2c2) 時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大。2.2 實(shí)例分析以春玉米為例，我們?cè)邳S土塬區(qū)田間條件下通過不同供水處理對(duì)產(chǎn)量與耗水量關(guān)系進(jìn)行了研究，高肥及低肥水平下，Y-ET 關(guān)系均表現(xiàn)為二次拋物線型

12、7。同一水分供應(yīng)條件下，高肥田塊具有較高的 WUE 和 ET 值。高肥水平時(shí) WUE-ET-Y 間的內(nèi)在聯(lián)系如圖 1 示。試驗(yàn)?zāi)攴轂?1987 年，N 與 P2O5 的投入分別為 150kg/hm2 和 105kg/hm2。分析表明，當(dāng) ET472mm 時(shí)，WUE 達(dá)到最大為 16.3kg/hm2·mm，在其之前 ,WUE 漸增，在其之后 ,WUE 漸降。當(dāng) ET524mm 時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大為 8111kg/hm2。在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)，MWUE 均隨 ET 增加而減少，且當(dāng) ET 超過 524mm 時(shí)，EWP 小于零，即 MWUE 降為負(fù)值。在低肥條件下，當(dāng) ET436mm 時(shí)，WUE

13、 達(dá)到最大，為 11.6kg/hm2·mm，當(dāng) ET485mm，產(chǎn)量最大為 5298kg/hm2，其 WUE 與 MWUE 的變化趨勢(shì)與高肥時(shí)相似。圖 1 作物水分生產(chǎn)彈性系數(shù)水分用效率 - 產(chǎn)量耗水量間的內(nèi)在聯(lián)系 Fig.1 Interrelations of crop water production elasticity ,water use efficiency ,yield and water consumption3 結(jié)語(yǔ)以作物產(chǎn)量與全生育期耗水量的關(guān)系為基礎(chǔ)，考慮產(chǎn)量隨耗水量的變化率，引入邊際水分利用效率的概念，由其與一般意義上的水分利用效率之比構(gòu)成水分生產(chǎn)彈性系數(shù)這一

14、判定指標(biāo)，可揭示具有動(dòng)態(tài)特征的水分利用效率耗水量產(chǎn)量間的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng) Y-ET 關(guān)系表現(xiàn)為線性時(shí)，WUE 隨 ET 的變化趨勢(shì)直接受常數(shù)項(xiàng)的取值條件的影響；當(dāng) Y-ET 表現(xiàn)為二次拋物線時(shí)，隨著 ET 的增加，WUE 的最大值要先于 Y 的最大值而提前達(dá)到，使 WUE 達(dá)到最大值的 ET 值等于常數(shù)項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)之比的算術(shù)平方根，在其之前，WUE 漸增，在其之后，WUE 漸降。如果 Y-ET 關(guān)系表現(xiàn)為其它函數(shù)形式，則可通過對(duì)其具體的 EWP 的求算，據(jù)以分析 WUE-ET-Y 間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。作物產(chǎn)量層次上的水分利用效率是 WUE 研究的一部分。引入水分生產(chǎn)彈性系數(shù)以探討 WUE 的動(dòng)態(tài)特征的思想可以推而廣之于其它層次上的水分利用效率研究，包括某一生育時(shí)段的單位水分消耗的干物質(zhì)生產(chǎn)量及短時(shí)段的單位蒸騰下的凈光合量問題，其中各自水分生產(chǎn)函數(shù)的建立則是分析的基礎(chǔ)。給定作物品種及其它因素，那么生產(chǎn)實(shí)踐中所要求的是盡可能好的水肥條件供給。一定的 Yf(ET) 函數(shù)形式的建