黃土高原不同降水區休閑期土壤貯水效率及其對冬小麥水分利用的影響

賈建英,趙俊芳,萬 信,韓蘭英,王小巍,梁 蕓,申恩青

1 西北區域氣候中心,蘭州 730020 2 中國氣象科學研究院,北京 100081

黃土高原不同降水區休閑期土壤貯水效率及其對冬小麥水分利用的影響

賈建英1,*,趙俊芳2,萬 信1,韓蘭英1,王小巍1,梁 蕓1,申恩青1

1 西北區域氣候中心,蘭州 730020 2 中國氣象科學研究院,北京 100081

土壤貯水是影響黃土高原冬小麥生產力的最重要因素,分析休閑期貯水效率對有效利用水資源具有重要意義。利用黃土高原旱作區4個農業氣象觀測站土壤水分長期觀測資料和冬小麥產量資料,探討了不同氣候區休閑期土壤貯水和耗水特征及對冬小麥水分利用的影響。結果表明：(1)黃土高原旱作區休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤區為9 1mm,貯水效率為30.7%,半干旱區為32 mm,貯水效率為16.5%,且不同降水年型、不同氣候區休閑期貯水量和貯水效率差別較大；(2)黃土高原旱作區1 m土層貯水量從土壤解凍至封凍期間基本呈波谷型分布,休閑期為主要貯水階段,冬小麥返青—開花期為休閑期貯水的主要消耗階段。半濕潤區休閑期土壤貯水量主要消耗在起身至開花期,半干旱區主要消耗在越冬至拔節期；(3)黃土高原旱作區播種—越冬前消耗0—40 cm土層貯水,越冬-起身期各土層貯水量都有消耗,起身—開花期半濕潤區主要消耗0—40 cm土層貯水量、半干旱區主要消耗0—60 cm土層貯水量,開花—成熟期半濕潤區主要消耗40 mm以下土層貯水量、半干旱區主要消耗60 cm以下土層貯水量；(4)黃土高原休閑期貯水效率與冬小麥產量顯著相關,半濕潤區水分利用效率遠高于半干旱區。黃土高原不同區域降水時空分布不均和土壤貯水能力的差異是造成不同氣候區休閑期水分貯存差異的主要原因,通過調整耕作方式、水肥管理、種植結構進一步實現冬小麥增產和水分高效利用。

黃土高原;休閑期；土壤貯水；冬小麥；水分利用效率

Abstract： Soil water storage is the primary factor affecting crop productivity in the Loess Plateau in western China. It is important to analyze soil water storage efficiency in the fallow period for utilizing water resources efficiently. In the present study, we collected data on soil water content and winter wheat production over multiple years from four agronomic observatory stations located in semi-arid and semi-humid areas. We also analyzed the effects of soil water storage and consumption in the fallow period on winter wheat water use efficiency and yield in different precipitation areas of the Loess Plateau. The results showed that: (1) in semi-humid and semi-arid areas, the average soil water storage and efficiency in the fallow period were 91 mm (30.7%) and 32 mm (16.5%) in 1 m depth, respectively, which were very different in different rainfall years. (2) The soil water storage in 1 m depth was trough type distribution from the soil thawed to frozen. The storage was mainly consumed in the fallow period and from standing to flowering in semi-humid areas and from over wintering to jointing in semi-arid areas. (3) Soil water storage in the fallow period of the Loess Plateau was consumed in 0—40 cm depth during the seeding period and was consumed in 1 m depth from over wintering to standing. In semi-humid areas, the storage was mainly consumed in 0—40 cm depth from standing to flowering and below 40 cm depth from flowering to maturity. In semi-arid areas, the storage was mainly consumed in 0—60 cm depth from standing to flowering and below 60 cm depth from flowering to maturity. (4) Soil water storage efficiency in the fallow period was significantly correlated with yield of winter wheat. In semi-humid areas, water use efficiency of winter wheat was higher than that in semi-arid areas. The difference of soil water storage in the fallow period in different climate regions of the Loess Plateau was due to uneven spatial and temporal distribution of precipitation and different soil water storage capacity by adjusting the modes of farming, water and fertilizer management, and planting structure to further increase winter wheat yield and water use efficiency.

KeyWords: Loess Plateau; fallow period; soil water storage; winter wheat; water use efficiency

黃土高原位于中國中部偏北,橫跨青、甘、寧、內蒙古、陜、晉、豫7省區,是中國傳統的旱作農業區。黃土高原屬(暖)溫帶(大陸性)季風氣候,氣候較干旱,降水時空分布不均,年平均降水量約為200—600 mm,且主要集中在夏秋季[1- 2]。黃土高原土層厚度在50—80 m之間,黃土顆粒細,土質松軟,是天然的“土壤水庫”[3- 5],深厚的黃土覆蓋為降水資源轉化為土壤水分創造了得天獨厚的條件[6- 8],研究夏秋季黃土高原土壤貯水能力及水分利用特征對有效利用水資源及科學管理有重要意義。

冬小麥是甘肅主要糧食作物之一,分散種植于隴東黃土高原、隴西黃土高原和隴南徽成盆地,其區域橫跨半干旱區、半濕潤區和濕潤區,干旱是最主要的影響因素[8- 9]。Su等[10]研究表明作物生育期的耗水量一部分來自播前土壤水分,一部分來自生育期降水。Casa等[11]研究表明種植時土壤水分對冬小麥水分利用效率有一定的影響。一些研究者也就黃土高原土壤水分下滲[12- 14]、蒸發[15- 16]以及休閑期不同耕作模式[17- 21]、不同水肥耦合處理[22-26]等措施對翌年旱作區冬小麥貯水增產效應進行了研究。李德帥等[13]利用2010年全年的觀測資料,對隴中黃土高原半干旱區土壤水分的年變化和日變化特征進行了研究。鄧振鏞等[4- 5]研究認為黃土高原冬小麥全生育期降水量只能滿足耗水量的65%—95%,有5%—35%的耗水量是從播前土壤貯水量補給的。因此,土壤貯水量是該區域冬小麥生產力最重要因素之一。羅俊杰等[27-28]通過夏季休閑期模擬底墑試驗得出,播前底墑對隴東旱作農業區冬小麥產量和水分利用效率有顯著的影響,通過提高底墑,對于穩定產量有較大貢獻。侯賢清等[18]通過試驗研究表明,夏閑期保護性耕作模式改善了麥田的土壤水分狀況,且顯著提高作物產量和水分利用效率。王全九等[22]利用不同的水肥耦合處理試驗,研究了不同水肥耦合處理下夏閑期降水對土壤水分補給量以及對翌年作物耗水量、水分利用效率、產量等的影響。以上結果均是在特定區域位點、特定時間取得,而利用長時間序列土壤水分觀測資料,針對黃土高原不同氣候區休閑期土壤貯水規律及對冬小麥水分利用影響的研究則較少。本文利用黃土高原不同氣候區4個農業氣象試驗(觀測)站土壤水分長期觀測資料,探討了休閑期土壤貯水和耗水特征及對冬小麥水分利用的影響,以期為黃土高原水資源的有效利用和科學管理提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料及來源

根據年降水量對當地農業滿足程度劃分水分氣候區的標準[3],本文選擇黃土高原旱作區半干旱區(年降水量300—450 mm)、半濕潤區(年降水量450—600 mm)氣候區的4個冬小麥農業氣象試驗(觀測)站固定觀測地段1 m土層實測土壤水分數據,所選測站環縣(農業氣象觀測站,年降水量409.2 mm)、通渭(農業氣象觀測站,年降水量390.6 mm)定為半干旱區,西峰(農業氣象試驗站,年降水量527.2 mm)、麥積(農業氣象試驗站,年降水量503.3 mm)定為半濕潤區,4個測站均位于黃土高原的甘肅省境內。測定時間：西峰、麥積為1981—2014年,環縣為1982—1997年(1997年以后,觀測地段改種其他作物),通渭為1984、1985、1990、1991、1993—1996、1998、2004、2010—2012年(該固定觀測地段在其他年份改種其他作物)。

4測站冬小麥平均發育期資料來源于4個農業氣象試驗(觀測)站1981—2014年冬小麥發育期觀測資料,為了與土壤水分觀測日期相對應,均按逢8舍入為準(表1),產量資料來源于《甘肅省農村統計年鑒》。

表1 4測站冬小麥平均生育期

1.2 土壤水分測定方法

土壤水分測定時段為每年3月上旬至11月上旬,每旬逢8日測定(8日、18日、28日),采用土鉆法進行土壤含水量的測定,測定深度為100 cm,每間隔10 cm 取一次樣土,測定4 個重復,烘干法測定土壤含水量(%)。

1.3 研究方法

土壤貯水量：

W=h×a×b×10/100

(1)

式中,W為土壤貯水量(mm)；h為土壤厚度(cm)；a為土壤容量(g/cm3)；b為土壤含水量(%)。

貯水效率[18]：

WSE=D/R1×100%

(2)

式中,WSE 為土壤貯水效率(%)；D為某時期一定土層中增加的貯水量(mm)；R1為同時期降水量(mm)。

土壤水分變化速率：

WCV=C/T

(3)

式中,WCV為土壤水分變化速率(mm/d),當WFV>0時為土壤貯水過程,WFV<0時為土壤耗水過程；C為某時期一定土層中貯水變化量(mm)；T為同時期的天數(d)。

水分利用效率[19]：

WUE=Y/ET=Y/(R2+ΔW)

(4)

式中, WUE 為水分利用效率(kg hm-2mm-1)；Y為小麥產量(kg/hm2)；ET為作物全年耗水量(mm)；R2為生育期降水量(mm); ΔW為計算時段內土壤貯水量的變化(mm)。

貯水量消耗百分率：

WCP=S/W0×100%

(5)

式中,WCP為某時期冬小麥對休閑期土壤貯水量消耗百分率(%)；S為某時期一定土層中減少的貯水量(mm)；W0為休閑期土壤貯水量(mm)。

貯水量占耗水量百分率：

WSP=S/ET1×100%

(6)

式中,WSP為某時期冬小麥對休閑期土壤貯水消耗量占同時期冬小麥總耗水量的百分率(%)；ET1為同時期冬小麥耗水量(mm),方法與式(4)中ET相同。

2 結果與分析

2.1 休閑期降水對黃土高原不同氣候區土壤貯水的影響

2.1.1 休閑期黃土高原降水特征分析

從4測站觀測年冬小麥休閑期、不同發育時期及全生育期多年平均降水量來看(圖1),西峰、通渭2測站休閑期降水與冬小麥全生育期降水相當,分別占全年降水量的49.8%、50.6%；麥積、環縣2測站休閑期降水分別顯著多于全生育期降水128、60 mm,分別占全年降水量的62.4%、57.0%。降水的季節分配與冬小麥生長發育時段不匹配,導致休閑期降水對黃土高原旱作區冬小麥生產至關重要。

圖1 4測站冬小麥不同時期平均降水量Fig.1 Average precipitation of winter wheat different stages at 4 observatory stations

2.1.2 不同降水年型對休閑期1m土層貯水的影響

休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤區為91 mm,貯水效率為30.7%；而半干旱區為32 mm,貯水效率為16.5%。不同氣候區、不同降水年型(降水偏多年降水距平百分率≥20%,降水偏少年降水距平百分率≤-20%,降水正常年介于兩者之間)休閑期貯水量和貯水效率差別較大(表2)。

表2 不同氣候區不同降水年型休閑期降水利用狀況

(1)半濕潤區,降水偏多年休閑期貯水量平均為148.9 mm,貯水效率為37.5%；降水偏少年休閑期貯水量僅為28.7 mm,貯水效率為21.2%；降水正常年介于兩者之間,貯水量和貯水效率分別為88.5 mm、29.2%。(2)半干旱區：2測站間不同降水年型差別也較大,降水偏多年休閑期貯水量環縣和通渭分別為110.0、36.6 mm,貯水效率分別為28.4%、16.3%；降水偏少年休閑期貯水量環縣為-64.0 mm,即休閑期降水量小于蒸發,貯水效率為-71.2%,通渭貯水量和貯水效率分別為15.4 mm、10.4%；降水正常年環縣貯水量和貯水效率分別為31.8 mm、14.5%,通渭貯水量和貯水效率分別為21.2 mm、14.1%。

2.2 休閑期土壤貯水與冬小麥耗水的關系

2.2.1 黃土高原不同氣候區1 m土層貯水量變化特征分析

圖2 4測站3月8日—11月8 日1 m土層多年平均貯水量 Fig.2 Average soil water storage in 1m depth from Mar 8 to Nov 8 at 4 observatory stations

黃土高原半濕潤區從土壤解凍至封凍期間1 m土層貯水量基本呈波谷型分布(圖2)：從冬小麥返青起身至拔節前,貯水量以0.54 mm/d的速率逐漸減少,拔節至開花期隨著冬小麥需水量增加,1 m土層貯水量以1.1 mm/d的速率迅速減少,開花至成熟期以0.27 mm/d的速率緩慢減少,休閑期是土壤貯水的關鍵時期,貯水量平均以0.97 mm/d速率不斷增加,為冬小麥的生長發育蓄足水分,播種至越冬前自然降水基本滿足冬小麥所需水分,土壤貯水量與播種前變化不大。

而半干旱區代表測站土壤解凍至封凍期間1 m土層貯水量變化曲線呈不明顯的波谷型分布,且兩代表測站變化特征有所不同：環縣返青至拔節期貯水量以0.12 mm/d的速率減少,拔節至開花期以0.52 mm/d的速率減少,開花至成熟期以0.15 mm/d的速率減少,休閑期1 m土層貯水量則以0.42 mm/d的速率增加,播種至越冬前貯水量變化不明顯；通渭返青至起身期貯水量以0.13 mm/d的速率減少,起身至拔節期以0.60 mm/d的速率減少,而拔節至成熟期則以0.10 mm/d的速率增加,休閑期貯水速率為0.38 mm/d,播種至越冬前貯水量變化也不明顯。

由此可見,黃土高原休閑期土壤貯水對冬小麥整個生育期都有重要作用,當自然降水不能滿足冬小麥需水量時,土壤貯水就如地下水庫不斷輸送水分滿足冬小麥生長所需水分。

2.2.2 休閑期1 m土層貯水對不同生育階段冬小麥耗水的貢獻

當冬小麥某一發育階段自然降水不能滿足作物需水量時,黃土高原休閑期土壤貯水便及時補給冬小麥所需水分,因而對黃土高原冬小麥不同生育階段都有重要作用,且不同發育階段貢獻不同(表3)。

表3 4測站貯水量不同發育時段耗水百分率及對冬小麥的貢獻

WCP: 冬小麥對休閑期土壤貯水量消耗百分率; WSP: 冬小麥對休閑期土壤貯水消耗量占同時期冬小麥總耗水量的百分率

半濕潤區休閑期土壤貯水量大、貯水效率高,貯水量主要消耗在起身至開花期,且在此階段貯水量占該生育階段冬小麥耗水量的一半左右：播種至越冬前2測站基本不消耗休閑期貯水量,麥積測站還能盈余部分降水貯存在土壤中；越冬至起身期麥積測站由于降水少,冬小麥耗水量61.7%來源于休閑期貯水,共消耗休閑期貯水量的37.6%,西峰測站消耗休閑期貯水量的20.9%,占該階段冬小麥耗水量的29.8%；起身至拔節期是黃土高原少雨時段,易發生春旱,2測站冬小麥50%左右耗水依賴于休閑期土壤貯水；拔節至開花期是冬小麥需水關鍵時期,也是全生育期耗水量的最大階段,黃土高原半濕潤區降水量逐漸增多,但依舊不能滿足冬小麥需水量,42%—46%的水分依賴于休閑期的貯水量,共消耗休閑期貯水量的32%—41%；開花至成熟期消耗休閑期貯水量的12%—20%,占該階段冬小麥耗水量的12%—17%。

半干旱區休閑期土壤貯水量相對少、貯水效率低,主要消耗在越冬至拔節期：播種至越冬前,消耗休閑期貯水量15%左右；越冬至起身期,冬小麥耗水量23%—30%來源于休閑期貯水,共消耗休閑期貯水量的23%—33%；起身至拔節期通渭測站冬小麥耗水量51.3%依賴于休閑期貯水量,共消耗休閑期貯水量的68.4%,環縣測站消耗休閑期貯水量的24.4%,占該階段冬小麥耗水量的37.8%；拔節—開花期、開花—成熟期,環縣測站分別消耗休閑期貯水量25.4%、12%,分別占該階段冬小麥耗水量的18.1%、6.8%,通渭測站由于生育期偏晚,拔節普遍進入夏季相對多雨時段,且本身休閑期貯水量已基本消耗殆盡,所以冬小麥拔節至成熟期所需水量主要依賴于自然降水。

2.2.3休閑期不同土層土壤貯水與冬小麥不同生育階段耗水的關系

圖3 半濕潤區(西峰測站)3月8日—11月8日不同土層多年平均貯水量Fig.3 Average soil water storage in different depths from Mar 8 to Nov 8 in Sub-humid areas

半濕潤區冬小麥不同發育時期,不同土層土壤水分變化特征為(圖3、4)：休閑期平均以0.21 mm/d速率貯水,20—40 cm土層貯水量最多,40 cm以下土層貯水量逐層遞減；播種—越冬前,0—40 cm土層為水分消耗階段,40 cm以下土層仍為貯水階段,且隨土層加深貯水量逐層增多,平均貯水速率為0.03 mm/d；越冬—起身期各土層平均以0.03 mm/d速率消耗休閑期貯水；起身—開花期為休閑期貯水量的主要消耗階段,起身—拔節期、拔節—開花期各土層分別以0.32、0.23mm/d速率消耗貯水；開花—成熟期主要消耗40 mm以下土層貯水量,平均消耗速率為0.12 mm/d,伴隨降水量的增多,0—20 cm土層開始貯水,20—40 cm土層基本維持水分供需平衡。

圖4 半濕潤區(西峰測站)冬小麥不同時期不同土層多年平均土壤水分變化速率Fig.4 Average soil moisture change rate of winter wheat different stages in different depths in Sub-humid areas

半干旱區冬小麥不同發育時期,不同土層水分變化特征則表現為(圖5，圖6)：休閑期平均以0.08 mm/d速率貯水,40—60 cm土層貯水量相對最多；播種—越冬前,主要以0—40 cm土層耗水為主,平均消耗速率為0.06 mm/d；越冬-起身期平均消耗速率為0.01 mm/d,起身—拔節期主要消耗0—60 cm土層貯水量,平均消耗速率為0.14 mm/d,拔節—開花期各土層平均消耗速率為0.07 mm/d；開花—成熟期平均消耗速率為0.03 mm/d,伴隨降水量的增多,0—20 cm土層開始貯水。

圖5 半干旱區(環縣測站)3月8日—11月8日不同土層多年平均貯水量Fig.5 Average soil water storage in different depths from Mar 8 to Nov 8 in Sub-arid areas

2.4休閑期貯水與不同氣候區冬小麥水分利用效率和產量的關系

由于降水時空差異和土壤持水性的不同,不同氣候區冬小麥全生育期耗水量不同,因而休閑期貯水占冬小麥耗水百分率、水分利用效率也不同(表4)：半濕潤區休閑期貯水占冬小麥全生育期耗水量的24%—32%,水分利用效率為7.16—9.73 kg hm-2mm-1；半干旱區休閑期貯水占冬小麥全生育期耗水量的13—17%,水分利用效率為3.37—3.93 kg hm-2mm-1。半濕潤區休閑期貯水量占冬小麥耗水百分率、水分利用效率均遠高于半干旱區。休閑期貯水效率與黃土高原冬小麥產量存在顯著相關性,因此在冬小麥產量預報等業務服務中,須將休閑期降水考慮進去。

圖6 半干旱區(環縣測站)冬小麥不同時期不同土層多年平均土壤水分變化速率Fig.6 Average soil moisture change rate of winter-wheat different stages in different depths in Sub-arid areas

氣候區Climateregion測站Observatorystation休閑期貯水占冬小麥耗水百分率Soilwaterstorageinfallowperiodaccountingofwinter-wheatwaterconsumption/%水分利用效率WUE/(kghm-2mm-1)貯水效率與產量相關性CorrelationbetweenWSEandyield半濕潤區西峰24.179.730.451**Sub-humidregion麥積32.287.160.419**半干旱區環縣17.093.370.677**Sub-aridregion通渭13.153.930.522**

**表示通過0.01水平顯著性檢驗；WSE, 貯水效率

3 結論與討論

(1)土壤貯水是影響黃土高原冬小麥生產力的最重要因素。鄧振鏞等[4]研究表明,黃土高原1 m土層最大貯水量和最適宜貯水量分別為270—331 mm和216—265 mm,但實際貯水量1 m土層為111—269 mm。羅俊杰等[27-28]研究表明,底墑充足可顯著提高冬小麥產量,不同生態類型冬小麥的平均產量在高底墑條件下分別比在中、低底墑條件下提高28%和23%,水分利用效率分別提高70%和75%。本研究表明,黃土高原旱作區休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤區為91 mm,貯水效率為30.7%；半干旱區為32 mm,貯水效率為16.5%。不同降水年型、不同氣候區休閑期貯水量和貯水效率差別較大。一方面是由于休閑期黃土高原降水量時空分布不均,半濕潤區的西峰、麥積休閑期降水量分別為272.8、318.2 mm,而半干旱區的環縣、通渭僅為225.3、163.8 mm；另一方面是由于兩個氣候區土壤貯水能力的差別,半濕潤區的西峰和麥積1 m土層最大貯水量分別為295、328 mm,半干旱區的環縣和通渭分別為271、277 mm；此外,還與當地的耕作方式、水肥管理措施等有關,進而影響了半濕潤區冬小麥水分利用效率和產量均遠高于半干旱區。

(2)客觀定量分析黃土高原不同氣候區休閑期土壤貯水規律和耗水特征,對充分利用休閑期降水具有重要意義。鄧振鏞等[5]研究表明,黃土高原冬小麥苗期主要利用淺中層土壤水,生殖生長階段主要利用中層和深層土壤水,而且愈往生長后期土層愈有加深的趨勢。本研究表明,黃土高原旱作區土壤貯水量從土壤解凍至封凍期間1 m土層基本呈波谷型分布。返青至成熟期為耗水階段,半濕潤區主要消耗在起身至開花期,半干旱區主要消耗在越冬至拔節期,土壤水分消耗速率與降水年型、冬小麥發育階段需水量相關,且不同土層消耗速率不同；休閑期至播種期為貯水階段,土壤貯水速率與土壤持水性、降水年型有關。

(3)科學的耕作措施,可改善土壤結構,充分利用自然降水,減少土壤水分的無效蒸發,從而達到貯水保墑,提高水分利用率的目的[17-21]。合理的水肥耦合抑制土壤蒸發,增加土壤貯水保墑能力,促進作物生長,提高作物產量[22-26]。在半濕潤區,如何多接納并保蓄休閑期天然降雨,充分發揮“伏秋雨春用”的作用,必須在耕作、肥力、管理等措施上做到位。在半干旱區氣候暖干年份要調整作物種植結構,適當控制冬小麥播種面積,擴大耐旱作物和飼草作物面積以及實行輪作倒茬等措施。

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EffectsofsoilwaterstorageefficiencyonwinterwheatwateruseefficiencyindifferentprecipitationareasduringthefallowperiodintheLoessPlateau,westernChina

JIA Jianying1,*, ZHAO Junfang2, WAN Xin1, HAN Lanying1, WANG Xiaowei1, LIANG Yun1, SHEN Enqing1

1NorthwestRegionalClimateCenter,Lanzhou730020,China2ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

國家公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201506016);國家公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201406036);甘肅省氣象局氣象科研項目(2015- 14)

2016- 06- 06; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606061081

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiajianying2014@163.com

賈建英,趙俊芳,萬信,韓蘭英,王小巍,梁蕓,申恩青.黃土高原不同降水區休閑期土壤貯水效率及其對冬小麥水分利用的影響.生態學報,2017,37(17):5704- 5712.

Jia J Y, Zhao J F, Wan X, Han L Y, Wang X W, Liang Y, Shen E Q.Effects of soil water storage efficiency on winter wheat water use efficiency in different precipitation areas during the fallow period in the Loess Plateau, western China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5704- 5712.