楊凌地區冬小麥-夏玉米水分供需適配性分析

姚德龍，高 繁，李志軍，胡田田

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100； 2.旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100;3.中國旱區節水農業研究院， 陜西 楊凌 712100)

關中平原是陜西糧食主產區，主要實行冬小麥-夏玉米輪作制。楊凌國家農業高新技術產業示范區(簡稱楊凌示范區)地處秦嶺北麓和黃土高原之間的渭河流域，屬大陸性季風氣候，是關中平原主要糧食產區之一。冬小麥生育期一般在10月中旬至翌年6月上旬，該時段光照條件相對穩定，降雨和溫度變化幅度較大，平均有效降水量在96.6 mm，遠低于冬小麥的需水量，需進行適時補充灌水[1]。夏玉米生育期一般在6月上旬至10月上旬，該時段高溫多雨，光照和熱量相對穩定，平均有效降水量在284.4 mm，但降雨時段分布不均勻，不能完全滿足夏玉米的正常需水[2]。因此，干旱成為冬小麥-夏玉米生長季的主要農業氣象災害，灌溉是該地區實現糧食持續穩產高產的重要保障。

近年來，關于楊凌地區冬小麥和夏玉米的研究多側重于栽培技術[3-4]、水肥效應[5-7]、生態環保[8]等方面，對冬小麥-夏玉米生育期內降水等氣象因素變化規律的研究較少[9]，分析生育期降水與作物需水適配性的研究更少。為進一步掌握楊凌區作物的水分供需特征，使研究結果更具有針對性，本研究結合有效降水的年際、年內分布和作物需水特征，分析二者的適配性，以期為建立冬小麥-夏玉米輪作系統的穩健型灌溉制度、指導作物合理灌水提供參考。

1 資料來源與分析方法

1.1 資料來源

數據資料采用陜西楊凌示范區1984—2015年冬小麥-夏玉米生育期內逐日氣溫、降水、相對濕度等資料，該觀測數據來源于西北農林科技大學氣象觀測站。

1.2 分析方法

1.2.1 冬小麥-夏玉米生育階段的劃分 根據楊凌示范區冬小麥生育期觀測資料，冬小麥播期一般在10月上、中旬。小麥分蘗期需水量增加，且需要充足的光照和適宜的溫度。進入越冬期，地上部分停止生長，而根系仍緩慢生長。拔節至孕穗是小麥需水關鍵期，小麥抽穗后進入生殖生長階段。基于小麥各生育階段的需水特征，并考慮到關中冬小麥-夏玉米輪作的生產實際，將楊凌地區冬小麥全生育期劃分為以下6個階段：播種～出苗(10月1日至11月10日)、出苗～越冬(11月11日至12月20日)、越冬～返青(12月21日至2月10日)、返青～拔節(2月11日至3月15日)、拔節～孕穗(3月16日至4月30日)、孕穗～成熟(5月1日至6月4日)。

楊凌示范區夏玉米播種時間一般在6月上旬，播期及出苗好壞受播前底墑的影響明顯。拔節以后玉米耗水量逐漸增加，完全進入生殖生長期后玉米耗水量達到最高峰，需水量最大，后期需水量逐漸減小[1]。鑒于此，將夏玉米生育期劃分為如下5個階段：播種～出苗(6月10日至6月20日)、出苗～拔節(6月21日至7月20日)、拔節～抽雄(7月21日至8月10日)、抽雄～灌漿(8月11日-9月10日)、灌漿～成熟(9月11日至9月30日)。

1.2.2 有效降水量的計算 有效降水量通常指自然降水量實際補給到作物根部土壤的凈降水量[10-11]。降水的有效性與降水量級直接相關，同時也與作物生長狀況、地表覆蓋情況、土壤的質地結構和當前土壤實際含水量有關，精確計算比較困難。因此，本文采取如下經驗公式[12-13]：

Pe=a×P

(1)

式中，Pe為有效降水量(mm)；P為總降水量(mm)；a為有效降水系數。由于小于5 mm的降水量為無效水，采用以下經驗系數：

(2)

分別計算冬小麥和夏玉米各生育階段的有效降水，以分析有效降水的變化及對冬小麥和夏玉米需水量的影響。

1.2.3 作物蒸發蒸騰量的計算 采用FAOPenman-Monteith公式計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)[14-18]：

(3)

式中，ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm·d-1)；Rn為輸入冠層凈輻射量(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為2 m高處日平均溫度(℃)；u2為2 m高處風速(m·s-1)；es為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線在某處的斜率(kPa·℃-1)；γ為干濕溫度計常數(kPa·℃-1)。

作物系數通常指主要作物生長發育期間作物需水量和參考作物需水量之間的比值，一般采用Kc表示，本文采用較為廣泛的單作物系數法進行計算[19-20]，公式如下：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中，ETc為作物供水充足條件下的蒸發蒸騰量(mm·d-1)；Kc為作物系數；ET0為參考作物需水量(mm·d-1)。

2 結果與分析

2.1 冬小麥和夏玉米的需水量和需水規律

FAO建議將作物的生育期劃分為如下4個階段，小麥和玉米各生育階段需水量見表1和表2。

表1 冬小麥生育期內需水量和需水規律Table 1 Water requirement of winter wheat during growth periods

2.2 冬小麥生育期內有效降水的變化特征

如圖1，1984—2015年楊凌示范區冬小麥生育期內有效降水呈減少趨勢，但變化不顯著(P=0.856)。32 a間冬小麥生育期內平均降水量為151.2 mm，平均有效降水量為96.6 mm。有效降水最大值出現在2014年，為215.1 mm；最小值為2000年(25.7 mm)，相差189.4 mm。冬小麥生育期有效降水占總降水量最高為90%(2012年)，最低為41%(2000年)，平均值占生育期總降水量的64%。32 a中有效降水量有18 a低于平均值，時間集中在1986—1996年以及2000—2003年。可見，楊凌示范區冬小麥生育期內有效降水量年際變化很大。

表2 夏玉米生育期內需水量和需水規律 Table 2 Water requirement of summer maize during growth periods

圖1 1984—2015年冬小麥生育期降水量及有效降水量年際變化

Fig.1 Annual variation of precipitation and effective precipitation of winter wheat during 1984—2015

表2表明，冬小麥各生育階段32 a的平均有效降水量表現出明顯差異：其中拔節～孕穗階段有效降水量最大，占全生育期有效降水量的39%；其次為孕穗～成熟階段，占全生育期有效降水量的28%；出苗～越冬和越冬～返青階段最小，分別為5 mm和3.9 mm，占全生育期有效降水量的5%和4%。1984—2015年楊凌示范區冬小麥各生育階段最大有效降水量變化很大，為15.8(越冬～返青)～138.9 mm(拔節～孕穗)；各生育階段最小有效降水量均為零，表明無有效降水的情況在冬小麥各生育階段時有發生。從有效降水的變異系數來看，出苗～越冬階段有效降水變化最大，為140%；其次是返青～拔節階段(130%)；越冬～返青階段有所減小，為120%；拔節～孕穗階段最小，為79%；孕穗～成熟階段有所增大，為101%；全生育期有效降水的變異系數遠小于各生育階段，但仍可達49%。可見，冬小麥全生育期及各生育階段的有效降水表現出明顯的不穩定性，尤以出苗～越冬～返青～拔節3個階段表現突出，而以拔節～孕穗、孕穗～成熟階段有效降水量較大且相對穩定。

表3 1984—2015年楊凌示范區冬小麥各生育階段的有效降水量 Table 3 Effective precipitation of winter wheat growth period in Yangling area during 1984—2015

2.3 冬小麥各生育階段水分供需的適配性分析

對比表1、表3可以看出，楊凌示范區冬小麥各生育階段有效降水量少且分布不均，遠不能滿足冬小麥特定生育階段的需水要求。那么，為了節約水資源、獲得更高的作物水分利用效率，應該在哪個生育階段進行補充灌溉呢？

有研究表明，土壤含水量在田間持水量的60%～70%時最適宜小麥出苗[21]。如果土壤過濕，無法整地，難以播種；土壤過于干燥，種子難以發芽，不利于播種和出苗。考慮到該區自然降雨主要集中在夏秋季(6—9月)，且當地土壤具有強大的蓄水能力，在播種～出苗階段，可以依靠9月份及以前的降雨，灌水的需求很小。

小麥出苗后不久即進入分蘗期，需水量增加。冬小麥分蘗期以0～20 cm土層含水量占田間持水量的60%～80%為宜。進入越冬期后，地上部分停止生長，而根系仍緩慢生長，且冬季干冷少雨，此時外來水分主要用于減輕地面蒸發，保持底墑。由32年降水資料可知，冬小麥出苗～越冬階段平均有效降水量僅為10 mm，而變異系數高達110%，小麥播種～返青階段需水量在126.5 mm左右，僅靠降水無法滿足小麥的正常需水。冬小麥在生產實踐中，通常在11月下旬至12月上旬越冬期來臨前進行40～50 mm的灌水[22]，充分說明了此階段需要適當的補充灌溉。

越冬～返青階段冬小麥營養生長時間較長，水肥要求較低，還具有較強的補償效應[23]，而且，適度的水分虧缺對冬小麥產量的影響并不明顯，甚至有利于根系的發育和水分利用率的提高[24-25]。另外，越冬前的灌水也可以蓄積一定的土壤水分。因此，雖然此階段有效降水少，但春季第一次灌水仍可推遲至拔節期進行。

返青至拔節階段，冬小麥開始復蘇，生長速度加快，加之春季氣溫回升，蒸發加強，小麥需水量開始迅速增加。冬小麥進入拔節期后，營養器官生長旺盛，同時生殖器官開始加速生長，此時持續的水分虧缺會造成干物質更多向支持生長的營養器官分配，導致穗部占比相對減少，將嚴重影響花粉粒發育，使穗粒數下降[26-27]。表1、表2表明，冬小麥返青～拔節階段平均有效降水量為13.5 mm，且變異性很大，而需水量為81.2 mm，降水無法滿足冬小麥正常生長需求。因而，返青～拔節階段應進行必要的補充灌溉，灌溉定額在60 mm左右[28]。

拔節后穗部器官逐步形成，營養生長與生殖生長共同進行，耗水量大。拔節到孕穗是小麥的需水關鍵期，此時若降水及時可促進小麥生長。抽穗后小麥進入全面生殖生長階段，進行揚花授粉并形成種子。此時植株生長很快，需水量加大，整個時期要求土壤含水量占田間持水量的80%～90%[9]。這一階段，雖然當地有效降水量較大且相對穩定(表3)，平均有效降水量為37.6 mm,但孕穗灌漿期干旱對產量影響較其它生育階段大[29]，且此階段需水量也最大，為206.6 mm，僅靠降雨無法滿足小麥的水分需求，若能適時地進行必要的補充灌溉，控制灌水定額在50 mm左右[1,30]，可促進小麥穩產高效。

2.4 夏玉米生育期內有效降水的變化特征

如圖2，1984—2015年楊凌示范區夏玉米生育期內有效降水呈遞增趨勢，但變化不顯著(P=0.91)。32年間夏玉米生育期內平均降水量為 351.1 mm，平均有效降水量為284.4 mm。有效降水最大值出現在2003年，降水量為607.7 mm，最小值為1994年(87.7 mm)，相差520 mm。夏玉米生育期有效降水占生育期總降水量最高為95%(1999年)，最低為60%(2002年)，平均值占生育期總降水量的81%。32 a間有16 a低于平均值。可見，楊凌示范區夏玉米生育期內有效降水量年際變化很大。

圖2 1984—2015年夏玉米生育期降水量及有效降水量年際變化

Fig.2 Annual variation of precipitation and effective precipitation for summer maize during 1984—2015

表4表明，夏玉米各生育階段32 a的平均有效降水量表現出明顯差異：其中出苗～拔節和抽雄～灌漿階段有效降水量最大，分別占全生育期有效降水量的25%和26%，其次是灌漿～成熟和拔節～抽雄階段，分別占全生育期有效降水量的21%和19%，播種～出苗階段最小，有效降水量為23 mm，占全生育期有效降水量的8%。表明除播種～出苗階段外，夏玉米各生育階段間有效降水分布比較均勻。1984—2015年楊凌示范區夏玉米各生育階段有效降水量最大值變化很大，為69.5 mm(播種～出苗)～192.3 mm(灌漿～成熟)；而播種～出苗和拔節～抽雄階段的最小有效降水量均為零，表明無有效降水的情況在夏玉米這2個生育階段也時有發生。從有效降水的變異系數來看，播種～出苗階段有效降水變化最大，為102%；其次是拔節～抽雄階段(81%)；出苗～拔節階段最小，為52%；抽雄～灌漿～成熟階段有所增大，均為67%。全生育期有效降水的變異系數遠小于各生育階段，但仍達43%。可見，夏玉米全生育期及各生育階段的有效降水表現出明顯的不穩定性，尤以播種～出苗和拔節～抽雄2個階段表現突出，但以出苗～拔節、抽雄～成熟階段有效降水量較大且相對穩定。

表4 1984—2015年楊凌示范區夏玉米生育期有效降水量 Table 4 Effective precipitation of summer maize growth period in Yangling area during 1984—2015

2.5 夏玉米各生育階段水分供需的適配性分析

夏玉米苗期根系生長較快，而地上部分生長緩慢，比較耐旱。這一時期，人為控制土壤水分，進行抗旱鍛煉，可促使根系向深層發展，增加對深層土壤水分的利用。雖然夏玉米在播種-出苗階段有效降水量較少，平均值為23 mm(表4)，但此階段玉米需水量不大(31.4 mm)，如果能在小麥收獲后趁墑播種保證出苗，一般無需灌水，還有利于增強玉米中、后期抗旱能力。

玉米進入拔節期后，植株生長旺盛，雌雄穗開始分化形成，是生長發育最活躍的時期，蒸發蒸騰強烈，此時缺水會引起營養體生長不良，植株體型矮小[31-32]。夏玉米出苗～抽雄階段平均有效降水量分別為126.8 mm,小于此階段耗水量157.2 mm，可在大喇叭口這個產量形成的關鍵生育期進行補充灌溉。但灌水定額不宜過多，一般在50 mm左右[33-34]，防止深層滲漏，以達到節水效果。

玉米抽雄灌漿期，溫度高，日照時間長，需水量達到高峰，從開花前8～10 d開始，30天內的耗水量約占總耗水量的一半[35]。如果水分不足，將影響玉米開花授粉，造成減產；如果水分脅迫嚴重，還會造成雌雄花開花期脫落，花粉活力降低，嚴重影響產量[31]。由表1可知抽雄～灌漿階段夏玉米耗水量在166.6 mm左右，而此階段有效降水量平均僅 73.9 mm，因此需要補充灌溉，灌水定額宜60 mm左右[34]。

玉米乳熟～成熟階段，玉米莖葉逐漸衰老，果穗日趨定型，氣溫下降，耗水量為40.5 mm，而此時有效降水量60.7 mm且相對較穩定(表4)，多數年份有效降水量可以滿足玉米的需水量，因此不需要灌水。

3 結 論

1) 1984—2015年，楊凌示范區冬小麥在出苗～越冬階段有效降水變化最大，其次是返青～拔節階段。冬小麥全生育期及各生育階段的有效降水表現出不穩定性，除個別年份外，大多年份降水不能滿足冬小麥的需水要求；其中播種～返青階段有效降水量僅為18.9 mm，需水量在126.5 mm左右，根據小麥生理需水規律需冬前灌水45～50 mm；返青～拔節階段有效降水13.5 mm，且變異系數達130%，而需水量為81.2 mm，故拔節期可灌水60 mm；拔節～孕穗階段有效降水相對穩定，為37.6 mm，但小麥在此階段需水量達206.6 mm，根據小麥生理需求需灌水50 mm左右；若遇多雨年份，拔節期灌水可往后推遲，與灌漿期灌水并作一水澆灌。

2) 夏玉米各生育期有效降水的最大、最小年際差較大，全生育期有效降水變異系數小于各生育階段；其中播種～出苗期有效降水變化最大，變異系數達102%，其次是拔節～抽雄(81%)。夏玉米全生育期及各生育階段的平均有效降水總體表現出不穩定性，出苗～抽雄階段平均有效降水量為126.8 mm,此階段玉米需水量為157.2 mm；玉米抽雄～灌漿階段平均有效降水73.9 mm，而需水量為166.6 mm；根據玉米生理需水規律，一般年份可在夏玉米大喇叭口期灌水50 mm左右，抽雄灌漿期灌水60 mm。

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