豫西旱地小麥—玉米種植模式下農田水分供應及水分利用效率研究

呂軍杰，張 潔，丁志強，李俊紅，姚宇卿，田文仲

(1 洛陽農林科學院，河南洛陽 471023； 2 中國農科院洛陽旱農試驗基地，河南洛陽 471023)

河南省是一個農業大省，耕地面積815萬公頃左右，其中旱地面積超過三分之一，旱地糧食產量的變化對全省糧食安全影響較大。保持旱地糧食生產的穩定對于促進全省糧食生產的持續發展意義重大。河南省旱地主要分布在西部地區。該地區屬半濕潤易旱氣候，常年降水量在600 mm左右，種植制度有1年1熟、1年2熟及2年3熟等。為了從土地上獲得更大經濟效益，1年2熟種植模式在生產上的面積越來越大(主要是小麥—玉米1年2熟種植模式)。研究表明，在本地區降水條件下水分供應表現為一季有余兩季不足，季節性干旱經常發生，作物產量變化較大，旱災發生頻率越來越高，絕收現象也時有發生，小麥、玉米同時豐收的現象極少，對本地區糧食生產的持續發展影響較大[1，2]。目前對1年1熟種植模式下旱地作物產量、水分供應及土壤水分變化方面研究較多，但對兩熟種植模式下的土壤水分供應及利用效率方面系統性研究不多。本文對2004～2018年小麥—玉米種植模式下的產量、土壤水分及降水等因素變化進行研究，并系統分析豫西旱作區小麥—玉米1年2熟種植模式下土壤水分的周年變化規律，為提高水分利用效率及生產的持續性、穩定性提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗設在中國農科院洛陽旱農試驗基地內。土壤為潮褐土，質地重壤，耕層容重1.53 g/cm3，田間持水量23.48%。土壤肥力較高，耕層有機質15.8 g/kg，堿解氮62.7 mg/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效鉀166.0 mg/kg。該區年均氣溫14 ℃，常年降水量600 mm左右(試驗年份361.5～732.9 mm，平均539 mm)，且70%集中在6～9月，年蒸發量1841.7 mm。種植模式為小麥—玉米(旱作)1年2熟。試驗始于2004年，到2018年已完成14年的連續監測。

1.2 試驗設計

試驗小區為無底水泥池，面積16 m2(4 m×4 m)，設3次重復。小麥播種量120～135 kg/hm2，玉米播種密度45 000株/hm2。小麥底施復合肥750 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，玉米在拔節期追施尿素300 kg/hm2。小麥播種期10月10～15日，收獲期5月底6月初，小麥收獲后貼茬播種玉米，玉米收獲期在9月中下旬。

1.3 試驗觀測記載項目

在小麥、玉米收獲期用烘干法測定0～200 cm(每20 cm一層)土壤含水量；在試驗區附近用雨量筒人工測定降水量；整區收獲脫粒測定作物產量。

土壤水分含量(%)=(土壤濕重-土壤干重)/土壤干重×100；

2 m土體水分含量(mm)=Σ[每層土壤水分含量×土壤容重(g/cm3)×2]；

水分利用效率(kg/m3)=單位面積產量(kg)/單位面積農田耗水量(m3)；

土壤水分變化量(mm)=播種時土壤水分含量(mm)-收獲時土壤水分含量(mm)；

作物耗水量(mm)=播種時土壤水分含量(mm)+降水量(mm)-收獲時土壤水分含量(mm)；

土壤相對含水量(%)=土壤含水量/田間持水量×100。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗年度降水情況

降水是旱區農業生產的唯一水分來源，降水的多少與分布直接影響農作物的產量，年度間降水的變化也是影響作物產量的重要因素。本地區小麥需水量420 mm，玉米需水量369 mm[2，3]，年降水量不能滿足1年2熟需要，表現為一季有余兩季不足[4，5]。圖1～3是試驗期間年降水變化及小麥、玉米生育期內降水變化情況。結果顯示：降水量年度變化較大，最低的年份僅有300 mm左右，高的近800 mm；年降水量高于常年的豐水年僅有4年，低于常年的有7年；試驗期間年平均降水539.9 mm，較洛陽市歷史上常年低了10%左右，表明降水量有減少的趨勢(圖1)。小麥和玉米生育期內平均降水分別為207.2 mm(76.5～322.1 mm)和327.8 mm(217.7～567.4mm)，均低于常年均值，顯著降低的分別有5年和7年，表明該地區干旱程度及影響有加重趨勢(圖2、3)。

圖1 不同年度降水量變化

圖2 小麥生育期內降水量變化

圖3 玉米生育期內降水量變化

2.2 小麥、玉米收獲時土壤水分變化

旱作區底墑(作物播種時土壤含水量)對播種出苗及產量影響較大。由表1可看出：小麥收獲期土壤水分為一年間最低值，2 m土體土壤相對貯水量(土壤貯水量占田間持水量的百分比)平均為56.78%(48.26%～68.53%)，最低時不足50%；玉米收獲期平均為67.19%(53.00%～99.70%)，土壤水分較小麥收獲時平均增加72.9 mm，增加的水分多分布在120 cm土壤層以內，深層土壤水分不能得到恢復；14年間玉米收獲期(雨季未)墑情也僅有4年較好(>70%)，而小麥收獲期有11年在60%以下，且其他年份均未超過70%，這與旱區土壤水分周年變化特點一致[6]。

2.3 小麥、玉米產量與不同水分源的相關性分析

旱地作物的水分來源有播種時的土壤貯水(底墑)與生育期內降水兩部分，這兩部分水分協調供應才能獲得高產。相關性分析結果表明：小麥產量與底墑及耗水量的相關性極顯著，而與生育期內降水相關性較差；玉米產量與底墑的相關性顯著，與降水及耗水量相關性較差；小麥產量與底墑的相關性高于玉米(表2)。

表1 小麥、玉米收獲期土壤水分變化

表2 小麥、玉米產量與不同水分源的相關系數

注：*表示顯著相關；**表示極顯著相關。

2.4 小麥、玉米高產的水分條件

適宜的水分供應是作物獲得高產的重要基礎。試驗結果表明：小麥耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是獲得高產的水分條件(高產標準：小麥>4500 kg/hm2，玉米>6000 kg/hm2)。小麥則要求底墑提供100 mm以上的有效水分(播種時土壤水分含量在450 mm以上)加上200 mm左右的生育期內降水，如2010、2012、2015年；玉米則需要較多的降水(>250 mm)，且降水的分布比降水量更為重要(這是耗水量大產量并不高及相近的耗水量產量差異較大的原因)，如2011、2014年降水量較大，產量較低，同樣的降水量產量差異較大，如2015、2013年(表3)。

表3 收獲期土壤水分(底墑)、耗水量及產量變化情況

2.5 小麥、玉米水分利用效率變化

水分利用效率與作物產量及耗水量密切相關，產量高耗水少水分利用效率就高。試驗結果表明：不同年份間小麥、玉米水分利用效率變化明顯；玉米平均為1.77 kg/m3(0.393～2.421 kg/m3)，小麥平均為1.31 kg/m3(0.500～1.914 kg/m3)，玉米水分利用效率高于小麥，平均高0.46 kg/m3，但變化幅度大于小麥(圖4)。

圖4 不同年份小麥、玉米水分利用效率變化

3 結論與討論

(1)降水是旱地土壤水分的唯一來源，因此必須針對本類旱區降水特點提高水分利用效率，通俗的講就是“保住天上水，用好地中墑”，即提高土壤對降水的貯蓄能力，減少無效耗水，提高水分利用效率?？蓱妹飧?、深松、深耕、覆蓋及改造微地型等技術提高降水利用率[1，5，9]；利用生物節水、培肥地力及播種技術等可提高水分利用能力及效率[10，11]。

(2)底墑水與降水相互作用。底墑是小麥豐產的基礎[7～9]；生育期內降水分布對玉米產量影響巨大。在豫西旱區小麥—玉米生產模式中，小麥耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是獲得較高產量的水分條件。

(3)作物水分利用效率年度間變化較大，玉米水分利用效率平均高出小麥0.46 kg/m3，進一步提高玉米產量有利于提高水分利用效率[11]。

(4)針對豫西降水特點及小麥、玉米與土壤水分及降水的關系，在旱作小麥—玉米1年2熟周年生產模式中應堅持“確保小麥兼顧玉米”的技術模式，即適當減少玉米水分消耗，為小麥生長提供較多土壤水分，緩解干旱對小麥生長的影響，以提高周年的作物產量及水分生產效率。