黃土旱塬區近40 年降水對冬小麥耗水和產量的影響

趙剛 王淑英 李尚中 張建軍 黨翼 王磊 李興茂 程萬莉 周剛 倪勝利 樊廷錄

摘要：冬小麥是黃土旱塬區重要口糧作物，產量受降水等因素影響較大，為研究降水對冬小麥耗水規律和產量的影響，收集、統計甘肅省農業科學院鎮原試驗站近40年冬小麥長期觀測數據，分析冬小麥產量、耗水量等指標隨降水變化的趨勢。結果表明，黃土旱塬區近40年冬小麥產量以每年51.2 kg·hm-2速度增加，但持續系數僅為0.43；10月中旬至11月中旬、3月中上旬、5月上旬和下旬降水量增加，產量隨之顯著增加；全生育期降水滿足率為64.4%，干旱年型僅為52.7%，不同生育時期中拔節-灌漿期滿足率最低。冬小麥生育期耗水量近40年呈降低趨勢，平均為361.3 mm，播種-返青期耗水占全生育期的34.3%，為全生育期耗水最大的時期；干旱年和平水年分別在出苗-拔節期和拔節-灌漿期降水滿足率最低，分別為36.9%和42.2%，此階段降水對冬小麥產量影響顯著。冬小麥產量相關的因素由高到低依次為耗水量>穗數>穗粒數>播前底墑>生育期降水量>全年降水量。近40年來黃土旱塬區冬小麥穩產性差，原因為播種-返青期耗水占全生育期比重較大，降水滿足率低，影響了冬小麥分蘗成穗和水分高效利用。以上結果表明，保證該區冬小麥關鍵生育期降水滿足率和休閑期降水高效蓄集，是冬小麥穩產高產的重要保障，研究結果對冬小麥產業可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：黃土旱塬；冬小麥；產量；耗水規律；降水

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0783

中圖分類號：S512.1；S314 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）03‐0164‐10

冬小麥是黃土旱塬區重要的糧食作物之一，確保其可持續發展對該區糧食安全意義重大。黃土旱塬區位于黃土高原南部半濕潤偏旱區或易旱區，該區地表水資源匱乏，地下水位深，農業用水全部依靠有限的自然降水，50%～70% 的降水集中在7—9月，降水與冬小麥生長需求嚴重錯位[1-3]，降水時期、降水量、蒸發量與冬小麥需水量、需水時期矛盾尖銳，導致冬小麥水分效率低下和產量低而不穩。因此，研究黃土旱塬區冬小麥產量與區域降水之間的關系和小麥生產耗水規律，對該區冬小麥增產和降水高效利用具有重要意義。

黃土旱塬區作物耗水規律直接影響土壤水庫變化[4‐5]，從而極大地影響作物產量[6‐7]。作物需水量是“土壤-作物-大氣”水分循環的重要參數[8]，關于作物耗水量變化趨勢通過模型做了大量研究[9‐10]。郭偉等[11]研究黃土高原地區冬小麥、玉米等作物需水變化，明確了各地作物需水量呈現出不同的變化；劉戰東等[12]研究指出，降雨級別影響土壤水庫；楊贊榮等[13]研究發現，冬小麥需水和降水量影響土壤含水量，并對冬小麥耗水規律進行了分析；程立平等[14‐15]研究了黃土旱塬區旱作冬小麥耗水貢獻和底墑充足條件下水分利用規律。但是，以往研究試驗時期短，沒有進行多年系統分析。本研究立足黃土旱塬區氣候特點，研究了近40年不同降水情況下冬小麥耗水規律及對其產量的影響，對進一步明確黃土旱塬區農田生態系統土壤水分循環規律和冬小麥產業持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在國家土壤質量鎮原觀測實驗站（35°30'N、107°29'E）進行。試驗地點位于甘肅省鎮原縣上肖鎮所在的黃土旱塬區，地勢平坦，海拔1197 m，屬于暖溫帶半濕潤偏旱區，區域內土壤為黑壚土，田間持水量22.3%，孔隙度50%，土質疏松，透氣性好，利于降水入滲和作物根系生長，地下水位120 m，不參與“植物-大氣-土壤”水分循環，為典型雨養農業區，冬小麥全生育期無灌溉。

1981—2019 年近40 年平均年降水量為522.1 mm，降水年際間差異較大，變異系數為21.5%。冬小麥生育期為9月底至次年6月底，期間平均降水量約占全年46.7%，另53.3% 的降水集中在7—9月（圖1），此時恰逢冬小麥休閑期和高溫天氣，降水保蓄率不足40%。

1.2 數據來源及試驗方法

1.2.1 數據來源和試驗方法 1981—2000 年逐旬降水量來源于鎮原試驗站人工（量筒法）測定數據，2001—2019年為氣象站記錄數據；冬小麥產量、耗水量來源于鎮原試驗站實測積累數據。

為了保證研究準確性，除了原有積累數據外，本研究選用了2009—2019年定位試驗數據，分析冬小麥各生育期耗水情況。定位試驗設置為大區試驗（67 m2），冬小麥品種為當地主栽品種‘隴鑒386；施肥量為當地推薦量，即純氮180 kg·hm-2、P2O5 105 kg·hm-2；其他管理同當地大田。分別在冬小麥播前、返青期、拔節期、灌漿期和收獲期采用土鉆法取樣測定0—200 cm土層土壤水分。

1981—2019 年冬小麥產量為試驗田小區實打實收記產；冬小麥播前和收獲后分別用土鉆法測定試驗區0—200 cm土層含水量，轉化為播前和收獲土壤貯水量；2009—2019年分別在冬小麥返青期、拔節期、灌漿期加測0—200 cm土層土壤含水量。試驗地地勢平坦，降水不產生徑流，地下水埋藏較深，均不參與水分平衡。

利用土壤水分平衡方程計算作物耗水量（evapo transpiration，ET），公式如下。

1.2.2 不同時期冬小麥品種及產量 1981—2019年間不同時期的主栽冬小麥品種及其產量如表1所示。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2003軟件制圖和處理數據，采用SPSS Statiostics17.0 進行方差和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 降水量變化規律分析

全年降水量為小麥生長周期的降水量（本年7月至次年6月），1981—2019年全年降水量呈降低趨勢，平均為522.1 mm。生育期降水量為9月下旬至次年7月上旬的降水量，39年的平均降水量為240.0 mm，總體呈減少趨勢，占全年降水量46.0%，每10年減少量為14.7 mm（圖2）。

根據年度生育期降水量與39年的平均增減程度，將所有年份劃分為干旱年、平水年和豐水年3個類型。降水量大于15%的定為豐水年，小于-15% 的定為干旱年，介于15% 到-15% 的為平水年，其中15年為豐水年、9年為平水年、16年為干旱年，所占比例分別為38.5%、20.5%和41.0%；豐水年集中在2000 年以前，占豐水年的66.7%；2000年以后干旱年份占全部干旱年份的62.5%。

2.2 冬小麥產量變化趨勢

依據1981—2019年本區域長期實打實收測產數據分析，得出近40年間冬小麥產量呈增加趨勢（圖3），每年增加51.2 kg·hm-2。產量浮動區間為1 470.5～8 084.9 kg·hm-2，持續系數為0.43。20世紀80、90年代和21世紀00、10年代冬小麥平均產量分別為4 453.4、4 688.0、4 577.6和5 538.7kg·hm-2，每10年平均產量呈波動變化趨勢，20世紀80年代產量最低，90年代緩慢增加，21世紀初產量有所回落，10年代迅速增加。上述4個年代全年降水量分別為561.3、490.2、470.7和547.5 mm，20世紀80年代受限于栽培技術和品種增產效果不足，降水量雖然高，但產量低；20世紀90年代由于抗逆、高產品種和覆蓋、深翻保墑技術的應用，產量逐漸增加；進入21世紀00年代，降水減少，產量有所回落，說明降水減少對產量的副效應大于品種和技術進步產生的正效應；20世紀10年代降水增加，加之豐產抗旱品種和精量播種等技術的應用，增產效益顯著。

2.3 降水對冬小麥生長發育滿足率的影響

對39年間冬小麥生育期降水滿足率隨時間的變化規律進行分析（圖4）發現，隨著年限增加，降水滿足率呈顯著減小趨勢（P<0.05），每10年滿足率減小5.19個百分點，其中2000年以前滿足率基本呈持平狀態，2000年以后每10年降低8.93個百分點。因此，21世紀冬小麥栽培受干旱脅迫越來越嚴重。

2009—2019年冬小麥播種-返青期、返青-拔節期、拔節-灌漿期、灌漿-成熟期的降水滿足率分別為55.9%、59.5%、54.4% 和93.8%，全生育期平均滿足率為64.4%，灌漿-成熟期逐漸進入雨季，降水增多，滿足率增加，灌漿期之前，均低于全生育期平均值（圖5）。干旱年、平水年和豐水年冬小麥全生育期降水滿足率分別為52.7%、70.7%和69.6%；其中豐水年降水滿足率低于平水年，主要由于豐水年降水集中在冬小麥灌漿-成熟期，該階段降水滿足率達到了103.5%；而灌漿前期降水滿足率平均為60.5%，該階段平水年達到65.1%；干旱年播種-返青期、返青-拔節期平均降水滿足率分別為35.4%、38.4%，進入灌漿-成熟期為80.2%。

生育期降水滿足率呈顯著下降趨勢。近10年冬小麥降水滿足率平均為64.4%，出苗-灌漿期降水滿足率不足60%，冬小麥生長發育供水40%以上需要土壤水庫提供。干旱年全生育期降水滿足率為52.7%，干旱年、平水年和豐水年降水滿足率最低分別為出苗-返青-拔節期（36.9%）、拔節-灌漿期（42.2%）、返青-拔節期（57.5%）。

2.4 冬小麥產量與降水量的關系分析

降水量與冬小麥產量關系密切，為進一步明確降水對產量的貢獻，分析冬小麥產量和黃土旱塬區逐旬降水量之間的關系，由于12月至次年2月土壤處于封凍期，只分析了這3個月的逐月降水量與產量的關系。逐月降水量與產量關系結果顯示（表2），3和4月降水量與產量呈顯著正相關（P<0.05），其他月份降水量與冬小麥產量之間均無顯著相關性；逐旬分析顯示，11月中下旬、3月下旬、4月中旬、5月上旬和6月中旬降水量與產量均呈顯著正相關，此時分別為冬小麥越冬前、返青期、拔節期、灌漿期和乳熟期，表明這些時期降水對黃土旱塬區冬小麥產量形成均有重要作用。

冬小麥生育期為270 d左右，期間降水分布嚴重不均，根據降水時期與產量關系分為3個階段。第1階段為冬小麥越冬前11月中下旬，此階段降水與冬小麥產量呈顯著正相關。黃土高原地區冬前生長期是土壤耗水量第2耗水高峰[16]，越冬前冬小麥地上部分較小，根系生長較快，苗期主要利用淺層土壤水分[17]，可能是越冬前降水有效蓄集后被冬小麥充分利用，該生育階段降水對冬小麥產量形成至關重要。第2階段為3月下旬和4月中旬，該階段仍為返青期和拔節期，是冬小麥小穗、花芽開始分化的時期，決定冬小麥穗數。返青-拔節期灌溉使冬小麥產量顯著增加[18]，因此該階段降水補充，對冬小麥產量極其重要。第3階段為5月上旬和6月中旬，此階段冬小麥處在開花期和乳熟期，決定冬小麥千粒重。開花期灌溉使小麥籽粒產量增加[19]，對于黃土高原雨養農業區來說，開花期降水相對較少，土壤表層水分不足，此時恰好是冬小麥需水的生理生態臨界期[20]，因此，開花期降水對冬小麥產量至關重要；灌漿期降水同樣影響冬小麥產量，該時期降水有效增加小麥千粒重。灌漿期水分脅迫導致千粒重降低[21]，這與本研究觀點一致。隨著生育期不斷推移，降水量對冬小麥產量貢獻逐漸降低。

2.5 冬小麥全生育期及階段耗水量變化

對1981—2019年冬小麥生育期耗水量變化趨勢進行分析（圖6）發現，39年間冬小麥平均耗水量為361.3 mm，隨著年份推移冬小麥耗水量呈顯著減小趨勢（P<0.05），耗水量每年減少3.3 mm。分階段來看，平均耗水量1981—2000 年為397.2 mm，2001—2019 年為342.1 mm；2000 年前耗水量平均每年減少4.6 mm。進入21世紀，耗水量與20 世紀以來的變化規律恰好相反，2001—2019年呈增加趨勢，平均每年增加3.8 mm，但增加量低于整體減少量，因此整體呈降低趨勢。進入21世紀，冬小麥平均產量增加300 kg·hm-2，加之氣候持續干暖化，無效蒸發增加，耗水量呈增加趨勢。但是，前20年耗水量減小趨勢較大，抵消了后19年耗水增加值，因此39年間耗水量整體呈減小趨勢。

根據定位試驗數據分析2010—2019年冬小麥不同生育期耗水量變化，由圖7可知，全生育期耗水量變異系數為27.9%；播種-返青期、返青-拔節期、拔節-灌漿期和灌漿-成熟期平均耗水量分別占全生育期的34.2%、17.1%、27.0% 和21.7%，變異系數分別為34.0%、52.6%、40.4% 和55.5%。干旱年、平水年和豐水年耗水量分別為281.6、369.3和429.1 mm，不論降水多少，播種-返青期耗水量占全生育期29.5%～38.2%，占比最高。播種-返青期耗水量較大，多年結果基本一致，冬小麥此時處在苗期，蒸騰小，耗水以蒸發損失為主。返青-成熟期耗水量年際間變化較大，在品種、栽培技術一致情況下，氣候條件成了影響耗水量變化的主要因子。因此，冬小麥生育期在減少苗期耗水的同時，保障土壤水庫穩定供應是冬小麥穩產、增產的關鍵。

2.6 冬小麥產量因素相關分析

由表3可知，產量與全年降水量、生育期降水量、穗粒數、穗數、耗水量、播前底墑之間均呈顯著正相關關系，相關性由高到低依次為耗水量>穗數>穗粒數>播前底墑>生育期降水量>全年降水量；全年降水量與穗數、耗水量之間呈顯著正相關；耗水量與穗數也成顯著正相關。各因素與產量的關聯度分析結果顯示，關聯序依次為穗數>穗粒數>耗水量>播前底墑>生育期降水量>全年降水量>千粒重。

3 討 論

在全球氣候變暖的情況下，近40年降水逐年降低，關于作物耗水量的變化趨勢觀點不同。Mo等[9]研究發現，1951—2006年華北地區作物耗水量呈增加趨勢；而劉曉英等[22]認為，1950—2000年華北地區主要作物耗水量呈下降趨勢。黃土高原地區冬小麥耗水量變化趨勢各研究結果不盡相同，武永利等[23]認為，山西1951—2005 年冬小麥耗水量呈下降趨勢；而郭偉等[11]認為，冬小麥耗水量均呈增加趨勢。本研究中，旱塬區近40年冬小麥耗水量呈降低趨勢，這與許多已有結果一致[22-24]；但是冬小麥產量變化趨勢與耗水量恰好相反，近40年每年產量以51.2 kg·hm-2速度增加，當地選育的耐寒新品種‘慶豐1號、抗銹病品種‘隴鑒196、高產抗旱品種‘隴鑒386等品種更替和覆蓋保墑、深翻蓄水等栽培方式轉變是冬小麥增產的主要方式，然而受自然氣候變化影響，產量變幅較大，持續系數僅為0.43。黃土旱塬區地下水位深，冬小麥生長耗水全靠天然降水，本研究發現，冬小麥產量與全年降水量呈顯著正相關，全年降水量與冬小麥產量關系更為密切。

黃土旱塬區為典型雨養農業區，冬小麥需水靠土壤水庫提供，然而地下水無法補給土壤水庫，降水成了土壤水庫唯一來源。旱塬區承載了區域內糧食安全重任，該區域冬小麥生育期處在旱季，尤其3—5月小麥生長旺盛季，降水僅為105.5 mm，耗水量為161.9 mm，導致區域土壤水庫虧缺加劇，進一步導致生態環境惡化[25]。黃土旱塬區降水逐年減少，尤其小麥生育期降水不足，本研究發現，近40年冬小麥耗水量逐年降低。冬小麥生育期降水量減少，因此土壤水庫成為冬小麥產量的保證，這與程立平等研究結果一致[15]。降水量無法補給土壤水庫，其水分長期虧缺導致深層水分出現干燥化，從而影響區域內一系列生態問題。

冬小麥產量受氣候、土壤等多因素影響[26-28]。史國安等[27]研究認為，底墑水對產量的作用大于生育期降水。本研究分析了冬小麥各因素與產量的相關性，其中與播前底墑的相關系數為0.66（P<0.05），生育期降水量、全年降水量與產量顯著相關，全年降水量與穗數和耗水量顯著相關，全年降水量對小麥產量提升貢獻主要通過提高穗數實現。旱塬區降水集中在7—9月，此時降水有利于增加播前底墑。本研究結果顯示，播前底墑每增加1 mm 貯水量，產量則增加11.9 kg·hm-2，這與Zhang 等[18] 的研究一致，雨養小麥水分消耗的60%～80%來自于播前水分。播前土壤含水量為冬春干旱季節冬小麥生長耗水提供了保障，能有效促進冬小麥分蘗和返青前花芽分化，保證了單位面積穗數和穗粒數。因此，冬小麥播前底墑增加，夏休閑期降水蓄集是增加播前含水量的重要措施[29‐30]。穗數、穗粒數對產量貢獻較大，這與已有研究結果一致[31‐32]。旱塬區冬春季降水有限，在保證冬小麥主莖成穗情況下，分蘗成穗和促進花芽分化是產量提升的重要因素。因此，全年降水量顯著影響冬小麥耗水量、產量和穗數，通過耗水量和穗數提升增加產量。

品種改良和栽培措施調控是小麥產量提高的重要措施[33]。本研究區20世紀80年代主栽冬小麥耐寒、高產品種‘慶豐1號，進入90年代病害與干旱頻發，‘隴鑒196應運而生[34]；到21世紀育成高產、抗旱、條銹病免疫品種‘隴鑒386，產量達到4 500 kg·hm-2，支撐了該區冬小麥產量增加[35]；由開始耐寒高成穗品種向豐產、高抗品種轉變，品種更替每年增產幅度為26.9 kg·hm-2，貢獻率為52.6%。黃土旱塬區抗旱栽培措施是提高冬小麥產量的重要手段，休閑期綠色覆蓋[29]、夏覆膜周年覆蓋栽培[36]等技術有效增加生育期土壤含水量，增產效果顯著。本研究發現，關鍵生育期降水對產量貢獻為16.7～93.8 kg·hm-2，然而黃土旱塬區季節性降水差異大，如1994 年4 月降水為13.3 mm，本年產量僅為2 856.7 kg·hm-2。雖然品種和栽培技術持續促進了冬小麥產量增加，但是冬小麥產量持續性差，任何栽培措施和品種增產效果均受到降水因素的限制。Zhang等[18]研究提出，小麥耗水主要來自土壤水庫，如何高效利用有限降水資源，提高土壤水庫是冬小麥穩產關鍵。

近40年冬小麥生育期耗水呈降低趨勢，每年平均減少3.1 mm，尤其是進入21世紀，減少量為4.6 mm，這與陳博等[37]研究結果一致。冬小麥生育期耗水量為361.3 mm，與產量、穗數顯著相關，耗水量對產量的貢獻同樣依靠提升穗數來實現。不論哪種降水年型，播種-返青期耗水占比最高，此時恰好進入冬季，土壤封凍，冬小麥生長緩慢，但經歷時間較長，水分消耗較大，該期多年耗水量變異系數為34.0%，相對其他時期變化量最小，說明該階段冬小麥耗水量較大且相對穩定，但是此階段水分對冬小麥干物質形成作用不大，因此，如何降低播種-返青期無效蒸發，對水分利用效率提升具有重要意義。

在旱塬區降水資源逐漸減小的情況下，冬小麥產量增加，其原因不能只考慮生育期降水總量、降水時期等單一因素，因為冬小麥耗水量、產量不僅是氣候變化的作用，還是節水品種選育和抗旱栽培措施改善的綜合反饋作用。氣候變暖大背景下，隨著科技進步，降水資源化利用率逐漸增加，雨養農業的旱塬區降水資源對冬小麥耗水的影響可能有限，區域口糧嚴峻形勢可能來自人口增加和產業結構調整。

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（責任編輯：胡立霞）