高溫伏旱區旱地農作系統水分供需平衡特征與生態適應性研究

張云蘭,王龍昌,鄒聰明,胡小東,薛蘭蘭

(1.西南大學農學與生物科技學院,重慶北碚 400715;2.廣西財經學院,南寧530003)

高溫伏旱是我國南方地區農業生產的重要制約因素,其嚴重區域主要包括四川、重慶、湖北、湖南和江西等省市,涉及農田面積0.133億hm2。近年來由于全球氣候變暖,高溫伏旱生態災害更有加重的趨勢,致使農田生態質量大幅下降。對于高溫伏旱區農業生態系統,在構成農作物生長發育的非生物環境農業生態諸因子中,降水生態因子無疑是主導性限制因子。也就是說,降水生態因子在數量和質量上的微小變化,都將對農作物的生長發育及產量形成產生深刻影響[1]。該農業系統的生產潛力很大程度上是由自然降水的豐欠及其時空分布狀況決定的。對于這一農業生態經濟系統類型,如何在更大程度上依靠現代科學技術和管理科學手段,通過積極、穩妥地發展生態適應性高的農業,同時采取有效的抗旱措施,充分發掘其巨大的生產潛力,大幅度提高生產水平,走向可持續發展道路,是一項很迫切的研究課題。本研究以高溫伏旱典型區域——重慶(奉節、萬州、沙坪壩)為研究基地,以農田作物種群優化和降水資源化為基本目標,研究旱地農作系統主要復作模式水分平衡特征與水分生態適應性,尋求一個既能有效保持水土,又能有效克服水分虧缺和提高土地生產力的新的結合點。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

重慶就區縣分布而言,長江、嘉陵江、涪江沿江地區是伏旱頻率高值區,發生頻率多在70%以上,其中,有兩個頻率高值中心,一個在中部的豐都、忠縣、涪陵一帶,另一個在西部沿江地區的江津、巴南、壁山、北碚、合川一帶,發生頻率在75%以上,豐都、江津、壁山發生頻率最高,達80%。本研究所選擇的區域(奉節、萬州、沙坪壩)伏旱率如附圖6所示。

奉節為低山溫和區。海拔600～1 000 m的區域,年平均氣溫15℃;最冷月平均氣溫3～5℃,極端最低氣溫一般不低于-10℃;最熱月平均氣溫23.0～25.5℃,極端最高氣溫35～38℃;年降水量一般為1 200～1 350 mm。萬州為中深丘溫暖區。海拔400～600 m之間的區域,年平均氣溫16.8℃;最冷月平均氣溫 5.0～6.5℃,極端最低氣溫一般不低于-6℃;最熱月平均氣溫25.5～27.0℃,極端最高氣溫38～40℃;年降水量一般為1 100～1 200 mm。區內氣溫較高,熱量較為豐富,高溫伏旱較重。沙坪壩為河谷平壩淺丘溫熱區。海拔400 m以內的區域,年平均氣溫18.3℃;最冷月平均氣溫6.0～8.2℃,極端最低氣溫一般不低于-4℃;最熱月平均氣溫27.0～29.5℃,極端最高氣溫40.0～44.1℃;年降水量大多在980～1 200 mm。區內氣溫高,熱量豐富,高溫伏旱嚴重[2]。

1.2 試驗區概況

西南大學教學試驗用地位于重慶市北碚區,地理位置29°51′N,106°27′E,屬亞熱帶季風濕潤氣候。試驗地坡度為15°,海拔244 m,年均總日照時數1 276.7 h,多年平均氣溫18℃,≥10℃積溫5 979.5℃,夏季最高氣溫達到40℃左右,無霜期達359d,多年平均降雨量1 133.7 mm,春、夏、秋、冬降雨量分別為為全年的25.5%、41.4%、27.9%、5.5%,年蒸發量 1 181.1 mm,伏旱發生頻率達93%。試驗地土壤為旱地紫色土,坡度較緩,地力相對均勻。土壤容重1.21 g/cm3,土壤田間持水量31%,p H值6.47,土壤有機質28.00 g/kg,全氮0.158 g/kg,全磷0.62 g/kg,全鉀70.41 g/kg。

2 研究內容與方法

2.1 降水年型及分布特征

通過降水量相對變化率 ,劃分降雨年型[3-6]：

式中：R——實際年降水量;ˉR——平均年降水量,取P≥25%為豐水年,P≤-25%為欠水年,-25%＜P＜25%(取降雨量最接近降雨平均值的年)為平水年。

2.2 復作模式需水量計算

2.2.1 土壤含水率的測定 試驗期間用烘干法測定0-80 cm土層的土壤含水率。稱量出鋁盒加濕土的質量(W濕),即鋁盒加烘干土的重量(W干);再稱量該鋁盒的重量(W盒),即可計算出土壤含水量[5](W%)。

2.2.2 土壤貯水量(W)計算W=d×h×W%×10式中：d——試驗地土壤容重(g/cm3);h——土層厚度(cm)[5-6]。

2.2.3 復作模式作物實際蒸散量計算 建立農田水量平衡模型[7]：

ETa=P+I+G-ΔW-Rs-Dp

式中：ETa——生育期田間耗水量(mm);P,I,G分別為生育期降水量、灌溉量和地下水上移補給量(mm);ΔW——作物生育期土壤貯水變化量,即生育期末的貯水量與生育期前的貯水量之差(mm);Rs,Dp——地表徑流量和深層滲透量(mm)。由于試驗地無灌溉,地下水位深于10 m以下,降雨滲透深度在土壤水分測定深度的范圍內,且試驗地地勢平緩,一般情況下不會產生徑流,

2.2.4 水分脅迫系數(K s)的計算

式中：S——根層土壤實際含水量;S*——根層土壤田間持水量;Sw——根層土壤凋萎系數(采用經驗值法)[3]。

2.2.5 復作模式需水量(ETc)計算[6]

2.2.6 復作模式作物系數Kc計算[5]

式中：ETc——參考作物蒸散量。

根據實驗條件,計算的小麥-玉米-甘薯、馬鈴薯-玉米-甘薯的作物系數,結合FAO提供的作物系數,擬定胡豆-玉米-甘薯、小麥-玉米-大豆、胡豆-玉米-大豆和油菜-玉米-甘薯的作物系數,再計算出復作模式在奉節、萬州和沙坪壩的需水量。

2.3 作物水分供需平衡

式中：d——作物生育期降雨滿足率;P——作物生育期降雨量;ETc——作物生育期需水量[7]。

2.4 水分生態適應性評價

式中：PESI——降水生態適應性指數;P——各生育期的降雨供給量;C——降雨徑流系數;P(1-C)——各生育期的有效降雨供給量;ETm——作物各生育期的需水量;ai——權重系數[7]。

3 結果與分析

3.1 研究區不同降雨年型月降雨量分布規律

從圖1(a)可以看出,奉節豐水年各月降雨量分布與重慶各月降雨分布趨勢相同。豐水年、平水年和欠水年在1-4月,1月1,12月的降雨分布相似,差距主要體現在5-9月,這5個月降雨總量最多的即為豐水年,降水量最少的即為欠水年。可以看出,奉節地區3種降雨年型是由各年5-9月的實際降雨量決定的。

由圖1(b)可以看出,萬州豐水年降雨量最大值出現在 7月,為 356.8 mm,占全年降雨量的22.62%;平水年最大降雨量在8月,為247.7 mm,占全年的21.74%;欠水年最大降雨量出現在6月,占全年的19.56%。3種降雨年型各月降雨量的差異主要體現在7-9月。

由圖1(c)可以看出,影響沙坪壩3種降雨年型的年降雨量差異的最明顯月份為7月。豐水年僅7月的降雨量就為553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量僅為 101.7 mm,占全年的9.97%,欠水年更少為26.5 mm,占全年的3.25%。

圖1 3種降雨年型30年的平均月降雨分布

3.2 復作模式作物系數及作物需水量

3.2.1 實驗條件下復作模式作物系數 通過西南大學實驗農場的田間實驗測得：小麥-玉米-甘薯生育期前后土壤貯水量分別為227.33 mm和234.81 mm,馬鈴薯-玉米-甘薯生育期前后分別為230.25 mm和241.31 mm;土壤水分脅迫系數中土壤實際含水量為24.5%,土壤田間持水量為31%,土壤容重為1.21 g/cm3,凋萎系數去經驗值15%。計算出作物實際耗水量、復作模式需水量和作物系數如表1。

表1 試驗條件下復作模式作物系數

由表1可以看出,在實驗條件下,馬鈴薯-玉米-甘薯的耗水量、需水量都比小麥-玉米-甘薯高21.94%,作物系數高出22.64%。其主要原因是,單作條件下甘薯的作物系數為0.9,比小麥的0.7高。根據上述各種主要單作作物系數,結合馬鈴薯-玉米-甘薯、小麥-玉米-甘薯的作物系數,估算出其他4種復作模式作物系數即：胡豆-玉米-甘薯為1.2,油菜-玉米-甘薯為 1.4,小麥-玉米-大豆為1.24,胡豆-玉米-大豆為1.36,它反映了不同復作模式本身的生物學特性、當地作物產量、土壤水肥條件以及田間管理狀況等,其影響農田蒸散量。

3.2.2 研究區參考作物蒸散量 從圖2中所示3個研究區和北碚實驗區的平均年參考作物蒸散量,可以看出4個地區的大小順序是奉節＞北碚＞萬州＞沙坪壩,這與4個地區每天的參考作物蒸散量大小順序相通。其中奉節年均參考作物蒸散量最大,為1 056 mm,比北碚、萬州和沙坪壩分別高出 13.03%、21.46%和17.2%。

3.2.3 復作模式作物需水量 根據復作模式的作物系數和奉節、萬州、沙坪壩的參考作物蒸散量,求得研究區復作作物需水量如圖3,大小順序為：奉節＞萬州＞沙坪壩,并且奉節地區每種復作模式的需水量都比萬州和沙坪壩分別高出：21.46%和32.53%。就同一研究區而言,不同復作模式的作物需水量大小和作物系數有關,即作物系數大的復作模式,其需水量大,因為參考作物蒸散量相同,其大小順序為：油菜-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-甘薯。

3.3 復作條件下作物水分供需平衡特征

3.3.1 奉節復作條件下作物水分供需平衡特征 由表2可知,在同一降雨年型中,幾種主要復作模式的水分滿足率隨耕地坡度增加而減少。各年型中,復作模式水分滿足率的大小順序為：小麥-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯。在豐水年型中,小麥-玉米-甘薯在15°以下的耕地上水分滿足率都大于1,胡豆-玉米-甘薯、小麥-玉米-大豆和馬鈴薯-玉米-甘薯在10°以下的耕地上大于1。

圖2 四個地區30年平均參考作物蒸散量

圖3 研究區主要復作模式需水量分布

3.3.2 萬州復作條件下作物水分供需平衡特征 由表3可知,由于幾種主要復作模式的生育期都是歷時一年時間,所以在同一降水年型中,各種模式的獲得的有效降雨量相同,所以復作模式的水分滿足率隨其需水量增大而減小,且減小趨勢相同,大小順序為：小麥-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,和奉節相同。其原因是幾種復作模式的作物系數不同,作物系數大則需水量大。

3.3.3 沙坪壩復作條件下作物水分供需平衡特征由表4可知,水分滿足率變化趨勢和奉節、萬州基本一致。適合在平水年種植的模式為小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。但相對于奉節和萬州,沙坪壩欠水年型中,幾種復作模式的水分滿足率偏大,如：胡豆-玉米-甘薯水分滿足率比奉節增加4.94%,比萬州增加39.34%。可以看出在欠水年型中,沙坪壩種植復作模式由于奉節和萬州。在平水年型里,沙坪壩復作模式水分滿足率小于萬州。

表2 奉節主要復作模式降水滿足率

表3 萬州主要復作模式降水滿足率

3.4 復作條件下水分生態適應性研究

由圖4可知,這種復作模式在3個研究區水分生態適應性指數的大小順序為：沙坪壩＞萬州＞奉節。由于復作模式生育期為一整年,所以水分生態適應指數和復作模式需水量有關,且3個研究區的不同作物有相同的變化趨勢。就同一研究區來看,不同復作模式的水分生態適應性指數大小順序為：小麥-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,此順序和復作模式降水滿足率一致。且小麥-玉米-甘薯在奉節地區高出油菜-玉米-甘薯20%,在萬州地區高出17.44%,在沙坪壩地區高出17.24%。小麥-玉米-甘薯在沙坪壩的水分生態適應性指數最高為1.02,油菜-玉米-甘薯在奉節最低為0.73。

表4 沙坪壩主要復作模式降水滿足率

圖4 研究區主要復作模式水分生態適應性指數分布

4 結論

奉節地區3種降雨年型是由各年5-9月的實際降雨量決定的。豐水年 5-9月的降水總量為1 093.9 mm,占全年降雨量的76.48%;平水年5-9月的降水總量為684.7 mm,占全年總和的67.34%;而欠水年同期只有494.1 mm,但全年總降雨量的64.39%。萬州3種降雨年型各月降雨量的差異主要體現在7-9月,豐水年7-9月的降雨量為854.3 mm,占全年的54.16%;平水年7-9月的降雨量為462.5 mm,占全年的54.16%,而欠水年此期的降雨量為462.5 mm,占全年的40.59%。沙坪壩3種降雨年型的年降雨量差異的最明顯月份為7月。豐水年僅 7月的降雨量就為 553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量僅為101.7 mm,欠水年更少為26.5 mm。就相同的復作模式而言,不同研究區作物需水量的大小順序為：奉節＞萬州＞沙坪壩;同一研究區不同復作模式作物需水量大小順序為：油菜-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-甘薯,其大小是由代表作物種類、產量特征、土壤水肥狀況及田間管理狀況的作物系數影響決定的。復作模式的生育期為全年,同一研究區里,幾種復作模式的水分滿足率大小和降水年型有關,其大小順序是豐水年＞平水年＞欠水年。奉節只有豐水年適宜在坡度較小的耕地上種植小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。萬州豐水年里可以在平整的土地上種植各種復作模式,平水年里適宜種植小麥-玉米-甘薯。沙坪壩平水年里適宜種植小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。針對高溫伏旱區的伏旱發生頻率高,持續時間長,降雨時空分布不均的特點,通過積極調整種植結構,調節播種時間,采用保護性耕作,抗旱品種培育、生物抗旱技術,大力修建蓄水工程,發展設施農業等措施改善水資源利用狀況,提高農業的可持續發展能力。

重慶地形、地貌復雜多樣,最高點海拔達2 796.8 m,最低處海拔僅73.1 m,其中山地占59.8%,丘陵占30.2%,平壩占10%。本研究選取了奉節、萬州、沙坪壩3個研究區,分別代表低山溫和區、低山丘陵區、河谷平壩淺丘溫熱區。還沒能完全覆蓋重慶所有高溫伏旱區的類型,在以后的研究中可以擴充研究對象。本研究分析了高溫伏旱區旱作系統作物水分供需平衡和水分生態適應性,都是結合降水資源來研究,高溫伏旱的另一方面溫度,考慮的比較少,有待于更全面和深入的研究,能夠得出更符合該地的作物種植模式。

[1] 高陽華,唐云輝,冉榮生.重慶市伏旱發生分布規律研究[J].貴州氣象,2002,26(3)：6-11.

[2] 江玉華,程炳巖,鄧承之,等.重慶市嚴重伏旱氣候特征分析[J].高原山地氣象研究,2005,10(2)：25-29.

[3] 康紹忠,劉曉明,熊運章.土壤-植物-大氣連續體水分傳輸理論及其應用[M].北京：水利水電出版社,1994.

[4] 謝賢群,吳凱.麥田蒸騰需水量的計算模式[J].地理學報,1997,52(6)：528-535.

[5] 李玉義,周憲龍,張海林,等.京郊山地旱作區作物水分生態適應性系統評價[J].華北農學報,2005,20(2)：59-62.

[6] 陳玉民,郭國雙.中國主要農作物需水量等值線圖研究[M].北京：中國農業科技出版社,1993.

[7] 王龍昌,謝小玉,王立祥,等.黃土丘陵區旱地作物水分生態適應性系統評價[J].應用生態學報,2004,15(5)：758-762.