黃土旱塬區麥田休閑期降水與土壤貯水的變化特征

賈建英, 賀 楠, 韓蘭英, 萬 信, 王 興, 梁 蕓, 王小巍, 王 帆, 黃鵬程

(1.蘭州區域氣候中心, 蘭州 730020; 2.中國氣象局公共氣象服務中心, 北京 100081)

黃土高原是我國重要的旱作糧食生產區，由于地處半干旱氣候區和亞洲夏季風影響邊緣區，降雨量年際波動較大，有效降雨少且時空分布不均，導致糧食主要生長季干旱頻繁發生[1-2]。塬是黃土高原主體地貌，面積約5.3萬km2，以中壤土為主，黃土厚度50～80 m，最厚達150～180 m，具有結構疏松、透水、易耕、性熟等特點，深厚的土層有利于土壤水分蓄積[3-4]，降水被蓄存于土體之中，在干旱缺水季節可為作物提供保命水，最終通過土壤深層貯水來應對氣候干旱，具備顯著的儲蓄和調節水分功能，被稱為“土壤水庫”[5-6]。深厚的黃土覆蓋對穩定當地糧食生產起到了關鍵作用，“留住天上水，用好地下水”是適宜黃土高原氣候特點和土壤蓄水特征的水分利用措施之一[7-8]。冬小麥是黃土高原旱作農業區的主要糧食作物之一，近10 a平均種植面積約占糧食播種面積的28.2%。冬小麥全生育需水量為350～500 mm，但全生育期降水大多不足250 mm，只能滿足耗水量的65%～95%，干旱頻繁發生，素有“三年一小旱，十年一大旱”之說[9-11]。旱作冬小麥收割到下一季播種為夏季休閑期，休閑期(7—9月)降水占全年降水的60%以上，而深厚的黃土覆蓋為降水資源轉化為土壤水分提供了得天獨厚的條件，冬小麥有5%～35%的耗水量就是休閑期土壤貯水補給[12-14]。李超等[15]研究表明在黃土塬區降水季節分布特征下，播前底墑對冬小麥產量具有決定性作用，產量隨底墑線性增加。Guo等[16]在黃土高原雨養區的研究表明，7—9月降水量與次年冬小麥產量呈顯著相關關系。勞動人民在長期生產中也積累了“麥收隔年墑”、“三伏多雨好種麥”等寶貴經驗。可見休閑期充足的土壤貯水是黃土高原旱塬區冬小麥生產的重要保障，土壤水庫對保障和維持本區旱地冬小麥穩產高產具有重要作用[17-20]。

黃土高原土壤水分循環是較單一的降水下滲和蒸散上行過程[21-22]，因地下水埋深大部為50～100 m，一般可以不考慮入滲水分與地下水之間的相互作用[23]。王全九等研究表明，休閑期降水量對土壤水分的補給量有極顯著的影響。休閑期土壤水庫充水占主導地位，土壤貯水量顯著增加，即土壤水庫“水位”上升；從播種到收割，整個生長期土壤貯水量顯著下降，土壤水庫放水占主導地位[5-6,18]。黃土塬區冬小麥田在休閑期降水的轉化效率與生長季土壤水的消耗率呈現極顯著的指數相關，降水增加使得土壤水分的補給次數增多，減少了土壤水分的時空變異[19]。土壤水庫效應的發揮受降水年型的影響較大，枯水年、平水年降水量雖少，但對土壤水分的補充作用較豐水年明顯[8]。而氣候變化背景下的水分時空動態，尤其是脈沖式降水及其他極端天氣過程不確定性的增加，成為驅動半干旱地區系統結構和功能變化的關鍵因子，導致黃土高原的水循環過程產生劇烈的變化[24-25]。

本研究選取位于隴東黃土高原中北部典型旱塬區的董志塬為研究區域，結合近40年田間定位觀測試驗，重點分析休閑期降水與土壤水分的轉化特征及其影響因素，以期為黃土高原旱塬區雨養農業穩定發展提供理論依據。

1 研究區域及方法

1.1 研究區概況

西峰農業氣象試驗站為國家一級農業氣象試驗站，位于隴東黃土高原中北部的董志塬。董志塬為黃土高原最大的原面，黃土層厚達150～200 m，海拔1 200～1 400 m，地下水位50～100 m。該區屬大陸性半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，無霜期151.4 d，年日照時數為2 465 h，多年平均降水量555.3 mm，降水集中在 7—9月。土壤類型以黑壚和黃綿土為主，田間持水量在20.8%～24.2%，萎蔫系數在4.2%～5.4%。塬區總耕地面積6.1萬hm2，基本無灌溉條件，為典型旱作區，主要農作物為冬小麥和春玉米。

1.2 資料及來源

1981—2020年土壤水分觀測資料和冬小麥生育期觀測資料均來源于西峰農業氣象試驗站固定觀測地段，逐日氣象資料來源于甘肅省氣象信息中心。冬小麥生育期觀測時段為9月中、下旬(播種)至翌年6月下旬、7月上旬(收獲)，觀測方法均按《農業氣象觀測規范》。本研究依據冬小麥平均生育期，確定以6月19日至9月28日為冬小麥休閑期，并以8月8日為界將休閑期分割為前期和后期。

1.3 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)。其中1981—2014年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(%)；2015—2020年資料為經標定后投入業務應用的自動土壤水分觀測儀測定，選取每月逢8日0—100 cm共10個土層觀測資料。不同深度土壤水文常數為甘肅省氣象局每10 a測定1次，2000年以前只測容重和田間持水量，2000年以后開始測定凋萎濕度(表1)。

表1 2000-2020年西峰0-100 cm土壤水文常數

1.4 土壤水量計算方法

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為土壤容重(g/cm3);b為土壤含水量(%)。

貯水效率[5]：

WSE=D/R×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);R為同時期降水量(mm)。

2 結果與分析

2.1 休閑期降水特征

從圖1可知，1981—2020年黃土高原典型旱塬區冬小麥休閑期降水平均為333 mm，以14 mm/10 a的速率增加，但年際間差異較大，最多年份(2003年為565.5 mm)降水是最少年份(1991年132.7 mm)的4.3倍。20世紀80年代休閑期平均降水為341 mm，90年代最少，平均降水量為259 mm，21世紀以來降水呈持續增加趨勢，其中2001—2010年平均降水為357 mm，而2011—2020年平均降水達到近40 a最高值372 mm，較20世紀90年代增加113 mm。近40 a休閑期年平均降雨日數為40 d，其中年平均小雨、中雨、大雨和暴雨日數分別為29 d，8 d，2 d，1 d，冬小麥休閑期以小雨和中雨為主，占降雨日數的92.4%。小雨日數和降雨總日數呈減少趨勢，中雨、大雨、暴雨日數均呈弱增加趨勢。降雨強度增加是休閑期降水量增加的主要原因。

圖1 1981-2020年休閑期降水量及降水日數

從休閑期內降水分布來看，降水基本呈“雙峰型”分布(圖2)，分別在7月下旬和8月下旬達到峰值，同時期降水量分布比較離散，年際間差異較大，與降水年型密切相關。休閑期前期降水(167 mm)略多于后期降水(165 mm)。

圖2 1981-2020年休閑期不同時期平均降水量

2.2 休閑期土壤貯水特征

依據每10年測定的土壤水文常數計算，塬區1 m土層土壤水分達到凋萎濕度時的土壤貯水量為69～70.1 mm，達到田間持水量時的土壤貯水量為291～303 mm，也就是理論上1 m土層貯水量最多增加221～234 mm。由圖3可知，1981—2020年黃土旱塬區冬小麥田休閑期1 m土層呈明顯的充水過程，以9.5 mm/10 d的速率，貯水量平均增加97 mm。

圖3 1981-2020年休閑期不同時期1 m土層平均貯水增量

從圖1，圖4可以看出，受休閑期降水年型影響，不同年際間土壤貯水增量差異較大，2003年降水最多為565.5 mm，休閑期1 m土層貯水量從91.4 mm增加到310.1 mm，貯水量增加218.7 mm，基本達到1 m土層貯水量增加極限；而降水最少年1991年(132.7 mm)，休閑期前1 m土層貯水為249.2 mm，休閑期結束時為191.2 mm，消耗前期貯水58 mm。從年代際變化看，由于20世紀90年代降水最少，休閑期貯水量平均增加60 mm，而21世紀以來隨著降水增加，貯水量增加明顯，其中2001—2010年貯水量平均增加146 mm，而近10 a由于降水持續增加，休閑期前土壤貯水充足，休閑期內1 m土層貯水量增加量有限，多余水分下滲到深層黃土中。休閑期庫存的土壤水在冬小麥生長期降水不足時提供保命水，對穩定當地糧食生產起到了關鍵作用[17-19]。

圖4 1981-2020年休閑期1 m土層貯水增量

2.3 休閑期降水與土壤貯水的轉化關系

大氣降水是黃土高原旱塬區土壤貯水的唯一來源，降水的量級、強度及時間配置均對土壤貯水有較大影響。從近40 a的1 m土層土壤水分定位觀測與同時期降水分析可知(圖5)，休閑期降水與1 m土層土壤貯水增量的轉化關系符合二元一次函數關系，決定系數達到0.514 3。當休閑期降水量在175 mm時，降水較常年同期偏少5成左右時，土壤基本無有效水分貯存，按照水量平衡關系原理[8,22]，可認為休閑期土壤平均蒸發量為175 mm，也可認為休閑期1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm；當降水小于該值時，土壤水庫通常表現為放水過程，即土壤蒸發消耗前期貯水，這種情況一般出現在極端干旱年。當休閑期降水達到463 mm，1 m土層貯水增加可達到理論最高值146 mm；當休閑期降水大于463 mm時，貯水量隨降水增加呈緩慢減少趨勢，這主要與麥收后土壤墑情和土壤水分下滲有關。

圖5 休閑期降水量(A)、中大雨日數(B)與1 m土層貯水增量關系

休閑期1 m土層土壤貯水增量不僅與休閑期降水總量關系密切，也與不同強度降水日數和降水時間分布關系較大(圖5B,表2)。休閑期貯水增量與降水總日數顯著相關，且隨降水強度增加相關性增加，與中、大雨總日數相關性最高，即25～50 mm日降水最利于土壤貯存水分，而小于10 mm的降水大部分被蒸發，不能被土壤存儲；當中、大雨日數≥10 d時，降水總日數≥40 d時，休閑期貯水增量均在平均值以上。通過不同休閑期降水量與貯水增量的相關分析發現，前期降水和貯水增量相關性不高，后期降水和貯水增量相關性較高，說明休閑期前期降水主要以土壤蒸發消耗，后期降水則大部貯存于土壤中。

表2 不同等級雨量日數、不同時期降水量與休閑期1 m土層土壤貯水量的相關性

2.4 休閑期貯水效率及其影響因素

貯水效率表征休閑期大氣降水轉化為土壤水的效率特征，休閑期貯水效率主要與麥收后土壤墑情和降水總量有關，同時還與地表覆蓋、耕作措施等關系密切。由于固定觀測地段休閑期麥田未作任何覆蓋或耕作處理，本文主要分析麥收后土壤墑情和休閑期內降水與貯水效率的關系。近40 a黃土典型旱塬區冬小麥田休閑期1 m土層土壤貯水效率為0.27，最高可達0.53(2005年)，最低值為-0.44(1991年)。

從圖6A可知，休閑期土壤貯水效率隨著麥收時土壤貯水量的增加而線性遞減，當麥收時1 m土層貯水量大于215 mm時，即大于田間持水量的71%～74%時，貯水效率為負值；麥收時1 m土層貯水量小于136 mm時，即小于田間持水量的45%～48%時，貯水效率較高，均在0.3以上。休閑期降水量與土壤貯水效率存在二次函數關系(圖6B)，當休閑期降水量小于175 mm時，貯水效率為負值；當休閑期降水量大于388 mm時，1 m土層貯水效率隨降水量增加而降低，表明當休閑期降水大于388 mm時，降水向更深層土壤下滲，由此認為休閑期隴東黃土高原1 m土層土壤水分得到充分補充的降水閾值為388 mm。

圖6 麥收時1 m土層貯水量、休閑期降水量與貯水效率關系

3 討 論

休閑期降水對黃土旱塬區作物生長與土壤貯水有很大影響，所以充分利用夏閑期降水尤其重要。李廷亮等[26]指出夏閑期降水可補充晉南旱地麥田2 m土層冬小麥生長季所消耗的水分，貯水量隨降水量增加而增加，195.7 mm的降水量主要恢復了淺層土壤水分，357～400 mm的降水量恢復了0—120 cm土層土壤水分。廖允成等[27]研究表明，黃土旱塬夏閑期降水量超過350 mm時，可使2 m土層土壤水分得到較好恢復。劉朋召等[18]利用渭北旱塬區連續3 a冬小麥定位試驗研究表明，休閑期降雨與播前底墑呈線性相關，每增加1 mm夏季降雨，2 m土層底墑增加0.9 mm，冬小麥籽粒產量與休閑期降雨相關性最高。本研究結果表明，休閑期降水量與1 m土層貯水增量存在二次函數關系，貯水增量隨著降水增加而增加，降水增幅達到一定程度，貯水增量變小，1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm，土壤水分得到充分補充的降水閾值為388 mm。研究結果趨勢基本一致，差異主要與樣本資料時序長短和土層厚度不同有關。

休閑期貯水效率與麥收后土壤墑情和休閑期降水總量關系密切。王全九等[28]研究表明，收獲期土壤水分虧缺度在43.68%～52.63%之間時土壤水分的補給系數較高(51.84%～67.42%)，且二者存在良好的冪函數關系。本研究表明，休閑期土壤貯水效率隨著麥收時土壤貯水量的增加而線性遞減，當麥收時1 m土層貯水量小于田間持水量的45%～48%時，貯水效率較高，整體趨勢比較吻合。李廷亮等[26]研究表明晉南旱地2009—2011年麥田2 m土層休閑效率為6%～27%，本研究結果為隴東黃土高原近40 a夏季休閑期平均土壤貯水效率為0.27，變化幅度在-0.44～0.53之間，研究結果較為一致。

休閑期降水對黃土高原冬小麥生產至關重要，如何保蓄天上水，合理用好地下水，是確保旱作冬小麥可持續生產的關鍵。許多學者在休閑期地表覆蓋[29]、耕作措施[30-31]和水肥管理等[18,32]方面做了大量試驗研究[29-32]，研究結果均表明，通過一定的覆蓋栽培模式、耕作模式、施肥模式，對土壤蓄水保墑及小麥水分利用效率提高均有顯著影響，而這些措施效果均與休閑期降水關系密切。本研究利用隴東黃土高原旱作麥田40 a定位觀測，分析降水量級、強度及時間配置與土壤貯水的關系，以期為各種覆蓋、耕作和水肥管理措施的應用能提供一定的理論支撐。

4 結 論

(1) 近40 a隴東黃土高原休閑期降水以14 mm/10 a的速率增加，但年際間差異較大。降雨總日數和小雨日數呈減少趨勢，中雨、大雨日數呈弱增加趨勢。降雨強度增加對休閑期降水量增加的貢獻較大。

(2) 休閑期1 m土層呈明顯的充水過程，以9.5 mm/10 d的速率增加，貯水量平均增加97 mm，受休閑期降水年型影響，不同年際間差異較大。從年代際變化看，20世紀90年代降水最少，休閑期貯水增量最少，而21世紀以來隨著降水增加，貯水量增加明顯。

(3) 休閑期降水與1 m土層土壤貯水量的轉化關系符合二次函數關系模型，休閑期1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm，當休閑期降水達到463 mm時，1 m土層貯水增量可達到理論最高值146 mm。貯水增量與降水總日數顯著相關，與中、大雨總日數相關性最高。休閑期前期降水主要以土壤蒸發消耗，后期降水則大部貯存于土壤中。

(4) 近40 a黃土旱塬區冬小麥田休閑期1 m土層貯水效率為0.27，主要與麥收后土壤墑情和降水總量有關。貯水效率隨著麥收時土壤貯水量的增加而線性遞減，當麥收時1 m土層貯水量小于136 mm時，即小于田間持水量的45%～48%時，貯水效率較高；休閑期降水量與土壤貯水效率也存在二次函數關系，1 m土層土壤水分得到充分補充的降水閾值為388 mm。