旱作冬小麥生育后期持續(xù)無降水對土壤水分的影響

程立平， 林 文， 趙玉明， 劉沛松

(1.平頂山學院，河南平頂山 467000； 2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

黃土高原南部的黃土塬區(qū)是我國北方重要的冬小麥產(chǎn)區(qū)，該區(qū)冬小麥生育期降水量僅占生育需水量的一半左右[1]，尤其是在拔節(jié)—抽穗—灌漿期高需水階段降水更少。黃土土層深厚，土壤水庫能夠蓄積雨季降水、調(diào)節(jié)水分，持續(xù)供應植物生長，有效地緩解了冬小麥生育期降水與需水之間的矛盾。該區(qū)有關(guān)土壤水分與冬小麥相互關(guān)系的研究有農(nóng)田生產(chǎn)力提升對土壤水分循環(huán)的影響[2-3]，底墑對冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)效應[4-6]，施肥與覆蓋等耕作管理對冬小麥生理性狀、產(chǎn)量、土壤水分及水分利用效率的影響[7-10]等幾個方面，并取得了一系列重要進展。也有一些學者研究了干旱脅迫對冬小麥生理特性、產(chǎn)量及水分利用效率的影響[11-13]，但是這些研究多為盆栽試驗，或者并未關(guān)注旱作冬小麥生育持續(xù)氣象干旱，特別是冬小麥抽穗以后持續(xù)無降水對土壤水分及產(chǎn)量的影響。基于此，本研究通過對比法研究冬小麥生育后期持續(xù)無降水條件下土壤水分動態(tài)變化及產(chǎn)量變化，以期為黃土區(qū)旱作冬小麥田間水分管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處陜西省長武縣，位于中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(地理位置35°14′ N，107°40′ E)所在的黃土塬上，塬面海拔 1 220 m，屬暖溫帶半濕潤易旱大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量580 mm，降水年際變化較大，且年內(nèi)分布不均，7—9月降水量占全年降水總量的55%以上。長武塬區(qū)為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，作物一年一熟，農(nóng)田輪作方式多為冬小麥—冬小麥—春玉米。研究區(qū)黃土堆積深厚，土壤為黑壚土，田間持水量和凋萎濕度分別為22%(質(zhì)量分數(shù)，下同)和9%，平均容重1.3 g/cm3，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土。黃土剖面土質(zhì)較為疏松，孔隙度在50%左右，通透性良好，利于水分入滲和植物根系生長。

1.2 研究方法

本試驗在長武站作物水肥平衡試驗場進行。試驗小區(qū)長×寬為4 m×3.5 m，四周用水泥砌1.5 m深墻，以阻斷水分交換，小區(qū)間留有0.5 m寬保護行。2015年9月24日選擇6個“一”字形排列小區(qū)播種小麥，播種量為150 kg/hm2，播前一次性深翻施氮肥(尿素，150 kg/hm2)、磷肥(P2O5，90 kg/hm2)。

2016年5月9日開始利用遮雨棚對4、5、6號小區(qū)進行人工遮雨處理，即雨前將遮雨棚推至小區(qū)，雨后推離，模擬持續(xù)氣象干旱脅迫；1、2、3號小區(qū)為對照，接納自然降水。于5月9日、5月19日、5月29日、6月10日和6月22日(小麥收割日)分別在樣地人工土鉆取土，用烘干法測定土壤水分含量，取樣深度4 m，取樣間隔20 cm。6月22日，按小區(qū)收獲，脫粒后曬干稱質(zhì)量，計算產(chǎn)量。

黃土塬區(qū)水量平衡計算公式一般被簡化為ET=P-W。

式中：W為土壤儲水量(mm)；θ為土壤含水量(質(zhì)量分數(shù)，%)；ρ為土壤容重(g/cm3)；h為土層厚度(cm)；ΔW為土壤儲水量的變化量(mm)；P為降水量(mm)；ET為蒸散量(mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及作圖

采用Excel 2007分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分剖面變化

遮雨樣地5月9日、5月19日、5月29日、6月10日、22日0～4 m 土壤剖面平均濕度分別為15.49%、14.79%、14.31%、14.17%、13.81%；對照樣地分別為15.71%、15.52%、15.31%、15.13%、14.76%。從圖1看出，5月9日2類小麥地0～4 m土壤水分剖面幾乎沒有差異，垂直方向上土壤水分含量在不同深度土層范圍內(nèi)隨深度變化表現(xiàn)出不同的變化特征：從地表到1.5 m土層深度，土壤水分含量從9%增加至15%以上；從1.5 m到2.5 m土層深度，土壤水分含量基本穩(wěn)定在15%～16%之間；2.5 m土層深度以下，土壤水分含量隨深度增加而增加，至4 m土層深度，土壤水分含量已達20%。

隨著時間推移，2塊小麥樣地土壤水分曲線均向左移動，但程度不同。從圖1看出，與5月9日相比，6月22日對照樣地僅在0～2.2 m土層范圍內(nèi)土壤水分曲線左移，而遮雨樣地由于缺少降水對土壤水分的補充，0～3.5 m土層范圍內(nèi)土壤水分減少，且減少程度較大。小麥收獲期2類樣地土壤水分曲線出現(xiàn)明顯的差異，在整個0～4 m土層范圍內(nèi)遮雨樣地土壤水分含量均低于對照小麥樣地，這是因為持續(xù)的氣象干旱脅迫使冬小麥消耗了更多更深的土壤水分。表明在生育后期持續(xù)無降水條件下，冬小麥能夠利用3.5 m深度土層土壤水分以維持自身生長發(fā)育。

2.2 儲水量動態(tài)變化

從5月9日到冬小麥收獲，對照樣地和遮雨樣地土壤儲水量分別減少49.8、87.4 mm，遮雨樣地較對照樣地多消耗土壤儲水量37.6 mm。從圖2看出，對照樣地土壤儲水量在整個試驗期間內(nèi)平緩減少，日均減少1.14 mm；遮雨樣地土壤儲水量則在5月9日至5月29日減少較快，日均減少 3.07 mm，而5月29日至收獲期土壤儲水量平緩減少，日均減少 1.08 mm。其原因可能有2點：一是5月9日至5月29日屬于冬小麥抽穗—開花—灌漿期，是需水關(guān)鍵期，在無降水補充條件下，只能通過消耗土壤儲水來滿足生長需要，在此期間 1.5～2.5 m土層范圍內(nèi)土壤水分狀況較好，有足夠水分供冬小麥利用；二是灌漿期后到成熟期小麥需水減少，土壤水分主要通過物理蒸發(fā)支出，而此時淺層土壤水分狀況差，土壤物理蒸發(fā)小。

2.3 蒸散量動態(tài)變化

5月9日起至冬小麥收獲研究區(qū)累積降水量達78 mm(圖3)。遮雨樣地由于無降水補充，蒸散量等于土壤儲水量的減少量87.4 mm；而對照樣地蒸散量為降水量與土壤儲水量的減少量之和(127.8 mm)，較遮雨樣地高40.4 mm。但是在不同試驗階段2塊樣地蒸散量大小關(guān)系不同，由試驗期間2塊樣地蒸散量累積變化曲線看出，5月29日之前遮雨樣地累積蒸散量大于對照樣地；5月29日之后對照樣地累積蒸散量開始大于遮雨樣地(圖3)。

2.4 生育后期持續(xù)無降水對冬小麥產(chǎn)量的影響

遮雨樣地冬小麥平均產(chǎn)量為4 450 kg/hm2，對照樣地冬小麥平均產(chǎn)量為4 600 kg/hm2，雖然遮雨樣地冬小麥產(chǎn)量低于對照樣地，但是方差分析表明二者并無顯著差異。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，旱作冬小麥生育后期持續(xù)無降水補充的遮雨樣地較對照樣地多消耗37.6 mm土壤儲水，但是總蒸散量小于40.4 mm，且冬小麥產(chǎn)量并無顯著差異。由此表明旱作冬小麥生育后期持續(xù)干旱能夠提高土壤儲水的利用率和水分利用效率。

3 討論

黃土塬區(qū)土壤水庫以底墑水的形式提供了旱作冬小麥一半左右的生育需水量，從而使該區(qū)冬小麥具有較好的穩(wěn)產(chǎn)性和豐產(chǎn)潛力，即農(nóng)諺“麥收隔年墑”[1]。本研究中冬小麥播期0～4 m土層平均水分含量為18%以上，底墑充足。有研究表明，黃土旱塬底墑和生育期降水與冬小麥產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)，但是冬小麥生育期降水的產(chǎn)量效應小于底墑的效應[4]。因此遮雨樣地雖然從5月9日起并無降水輸入，但是其產(chǎn)量與對照樣地并無顯著差異，表明在底墑充足條件下生育后期持續(xù)無降水并不會對旱作冬小麥產(chǎn)量造成影響。但是該結(jié)果并不是說底墑是決定小麥產(chǎn)量的唯一因素，沒有一定量的生育期降水，也難以實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)[5]；本研究僅從5月9日開始遮雨，而之前所有樣地正常接納雨水也說明了這一點。底墑充足能誘導根系相對較多地向土壤縱深下扎，形成了上層相對較少、深層相對較多的根系構(gòu)型，增加了小麥根系汲取土壤水分的深度[14]，從而使深層土壤儲水在冬小麥全生育期持續(xù)發(fā)揮水分調(diào)節(jié)功能，保證了冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)性。由此也造成了土壤水庫庫容的過量消耗，形成土壤水分虧缺[1]。

本研究中旱作冬小麥生育后期持續(xù)無降水的遮雨樣地利用了3.5 m深度土壤水分，較對照樣地多消耗37.6 mm土壤儲水，因此遮雨樣地所形成的土壤水分虧缺，無論是在影響深度還是在虧缺程度上，都超過了對照樣地。在雨季同樣降水量的情況下，遮雨樣地降水入滲深度顯著變淺，入滲層之下的土壤水分虧缺層可能形成土壤干層[15]。土壤干層具有以下特點：一是土壤干層濕度介于萎蔫濕度和土壤穩(wěn)定濕度之間；二是位于降雨入滲深度以下土體某一深度范圍內(nèi)；三是干燥化程度因植物種類和生長年限而定[15-16]。研究區(qū)土壤濕度低于田間穩(wěn)定濕度時(田間持水量的70%、15.4%)即認為形成土壤干層[17]，由本研究看出，冬小麥收獲期遮雨樣地下0～3 m土層土壤濕度均低于田間穩(wěn)定濕度，而對照樣地僅在 2.2 m 以上土層的土壤濕度低于田間穩(wěn)定濕度。Liu等利用皮爾遜Ⅲ型統(tǒng)計曲線對長武旱作小麥地下降水最大入滲深度進行統(tǒng)計，結(jié)果表明降水入滲至2、2.5、3 m深度的重現(xiàn)期分別為3.1、5.4、9.8年[18]。表明黃土塬區(qū)冬小麥生育后期持續(xù)無降水條件下，即使播前底墑充足，旱作冬小麥田下都將形成深度更深、干燥程度更大、水分恢復周期更長的土壤干層。

本研究區(qū)為半濕潤偏旱氣候區(qū)，降水年際變化較大、年內(nèi)分布不均，7—9月降水量占全年降水總量的55%以上，該時段是冬小麥田的夏季休閑期，也是土壤水分恢復補給時期。而土壤干層內(nèi)水分是否能夠恢復對于土壤水庫水分調(diào)節(jié)功能至關(guān)重要，若土壤干層內(nèi)土壤水分未得到有效恢復，則水庫水分調(diào)蓄功能減弱，下茬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量必然受到影響；若土壤干層內(nèi)土壤水分能夠得到有效恢復，冬小麥生育后期持續(xù)干旱不僅提高了土壤水分的利用率，而且能夠擴充土壤水庫庫容，充分發(fā)揮土壤水庫水分調(diào)蓄功能。但是在傳統(tǒng)的深翻曬壟、納雨蓄墑、耙耱保墑等農(nóng)耕措施下，土壤夏閑期蓄水效率不足40%，60%以上的雨水在此高溫時段以及土壤裸露狀況下通過土壤蒸發(fā)等方式散失[4]。諸多研究表明，夏閑期地表覆蓋保墑措施能夠有效提高降雨入滲率，抑制土壤水分的蒸發(fā)，增加土壤儲水量，顯著改善播前底墑[19-21]，而底墑對于該區(qū)小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。地表覆蓋技術(shù)中，用碎麥草覆蓋休閑麥田，不僅具有保水蓄墑的功效，而且能夠使廢棄物得到利用，在改善土壤肥力的同時減輕因秸稈燃燒及其廢棄地膜帶來的環(huán)境壓力，具有廣闊的應用前景。

4 結(jié)論

在渭北黃土旱塬區(qū)，旱作冬小麥在播前底墑充足的情況下，生育后期持續(xù)無降水將會導致冬小麥小幅減產(chǎn)，但是減產(chǎn)并不顯著。冬小麥生育后期持續(xù)遮雨樣地可以利用深達 3.5 m 土層土壤水分，而對照樣地僅利用2.2 m以上土層土壤水分；遮雨樣地較對照樣地多消耗了37.6 mm土壤儲水，但是總蒸散量小于40.4 mm。表明旱作冬小麥生育后期持續(xù)無降水能夠提高土壤儲水的利用率和水分利用效率，但是會形成深度更深、干燥程度更大、水分恢復周期更長的土壤干層，從而對黃土土壤水庫調(diào)節(jié)水分功能產(chǎn)生影響。夏閑期麥田地表覆蓋等蓄水保墑措施，能夠提高土壤蓄水率，改善播前底墑，對于緩解冬小麥生育后期干旱所帶來的負面效應，保證小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。

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