海河平原小麥-玉米不同種植制度節水特性分析

鄭媛媛,陳宗培,王貴彥

(河北農業大學 河北省作物生長調控重點實驗室，河北 保定 071000)

華北平原光熱資源充足，是我國重要的糧食生產基地，對保證我國糧食安全具有重要作用。20世紀70年代以來，為了增加糧食產量，該區域主要種植制度一年一熟轉變為一年兩熟或兩年三熟，逐漸形成了目前以生產糧食為主的小麥-玉米一年兩熟種植制度。隨著糧食產量，尤其是主糧小麥產量的進一步提升，對水分的需求逐漸增加，受夏季季風氣候影響，該區域80%的年降水量(450～600 mm)集中在7—9月，春季和冬季降水僅占20%。小麥、玉米兩季生育期多年平均耗水量為800～900 mm[1]，而小麥生育期降水僅能滿足其需水量的25%～40%，水分虧缺部分(200～300 mm)主要依靠地下水灌溉維持較高的產量[2-3]。長期超采地下水造成了華北平原地下水位持續下降(年平均下降1m)和鹽水入侵、地面沉降等生態環境問題[4-6]，是中國水資源承載能力最不適合的地區[7]。在資源性缺水的同時，由于灌溉管理或缺少水利設施等因素，農田水分利用效率仍偏低[8-10]。

近年來，針對小麥-玉米一年兩熟種植制度節水，從節水分子育種[11]、調虧灌溉[10]、覆蓋降蒸[12]、時量運籌、種植制度[13]、土壤耕作及群體空間配置、工程節水等方面進行了理論和技術研究。其中調虧灌溉和時量運籌灌溉是生產上尤其是冬小麥生長期間常用的節水農藝措施。盡管這些技術的節水效果明顯，但由于長期超采，華北平原地下水位仍持續下降[14]。

小麥-玉米種植制度中，由于小麥生長期間降水較少，地下水灌溉是補充需水量的重要來源。其種植面積占華北平原農作物總播種面積的29.6%，其中河北平原種植面積所占比例最大，占華北平原小麥種植面積的54.7%[15]。小麥等夏糧作物灌溉用水量占華北平原農林總灌溉用水量的43.7%，導致華北平原中部地區由于農作物灌溉用水與當地水資源特征之間處于“嚴重不適應”狀態或“極嚴重不適應”狀態。而小麥等夏糧作物種植面積大是“嚴重不適應”的主導因素[15]。盡管在過去的幾十年中，新品種及各種農藝節水措施的應用，使小麥、玉米的水分利用效率不斷提升，但主要貢獻是來源于產量不斷提高，而30 a中無論是小麥還是玉米耗水量都不斷增加[1]。此外，受未來氣候變化影響，21世紀50 年代黃淮海平原農作物蒸散量增幅大于降雨量增幅農業用水虧缺形勢將更加嚴峻[16]。

而20世紀90年代以來是近60 a華北平原氣候最為干旱時期，也是小麥玉米種植規模和產量歷史性高產期，導致農業開采量顯著增加。因此，農業灌溉超采用水是華北平原地下水水位下降的主導因素，與耗水農作物的種植規模和氣候持續干旱密切相關[15]。尋找替代傳統小麥-玉米兩熟的種植制度，進一步減少耗水作物種植，是減緩或停止地下水位進一步下降的有效措施[17]。研究表明，在華北平原黑龍港流域冬小麥-夏玉米→春玉米兩年三熟和春玉米一年一熟制度下，冬小麥-夏玉米一年兩熟制度的產量和耗水量有所降低，但水分利用效率提高了7.8%和8.4%[18]，春玉米一年一熟每年可減少消耗地下水161 mm[19]。盡管以往的研究也關注了小麥-玉米替代種植制度的節水效果，但主要集中于作物生長季內的土壤水分消耗和經濟產量的獲取，當冬小麥減少種植面積或不種植時，土地就會出現一段時間的休閑，這段時間由于地表雜草和蒸發的影響，水分消耗一直在持續。因此，本研究以糧食作物小麥、玉米為主的種植制度為研究對象，以周年土壤水分消耗為時間范圍，對不同種植制度的周年作物產量和水分利用效率等進行系統分析，為該區域建立糧食生產和水分可持續利用的種植制度和農業結構調整提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于2014年10月—2016年11月在河北景縣進行，土壤為潮褐土，多年平均降水量529.9 mm，主要分布在6—9月，小麥生長季(10月—次年5月)年平均降水量65～100 mm。試驗期間(2014-10—2016-11)，2014年10—12月降水量11.9 mm，2015年降水量572.2 mm，2016年1—11月降水量688.6 mm。試驗地土壤基礎養分狀況為PH值7.81、有機質9.3 mg·kg-1、全氮0.6 mg·kg-1、速效磷39.0 mg·kg-1、速效鉀188.5 mg·kg-1；其土壤水分狀況見表1。

表1 試驗地土壤水分狀況

2014—2016年試驗共設5個處理，各處理施肥、灌溉等管理措施見表2。

試驗用小麥品種為鑫麥296，夏玉米為君實9號；一年一熟的春玉米品種為金玉87；一年兩熟的春玉米品種為德美亞1號，夏玉米為浚單29。每個處理3個重復，完全隨機排列，不同處理間設3 m隔離區，每個小區面積20 m×20 m。

在小麥、玉米生長期每20 cm為一層次用土鉆取土，采用烘干法測定0～200 cm各層次土壤含水量。耗水量(mm)=土壤水消耗量+降水量+灌溉量+地下水補給量-徑流量-滲漏量，單位mm。因本研究區域地勢平坦，試驗地點的地下水埋深10 m以下，灌溉時利用水表控制灌溉量。因此，計算公式中的地下水補給量、滲漏量、徑流量均忽略不計。

水分利用效率(WUE,kg·mm-1·hm-2)=籽粒產量(kg·hm-2)/周年田間耗水量

2 結果與分析

2.1 不同種植制度作物產量

表3為不同種植制度的作物產量、總產量和收獲指數。2 a內，CK的總產量最高，顯著高于其他處理。A1和A2顯著高于A3和A4(P<0.05)。A1、A2、A3、A4相對CK總產量分別損失了23.7%、23.8%、51.2%和39.6%。各種植制度中，夏玉米表現出了較高的產量，這與夏玉米生長期間充足的光溫和降水等密切相關。2 a間，A2總產量2016年比2015年低36.9 %，這主要是由于2016年春玉米開花期到收獲期(4月19日—6月12日)降雨量為360.5 mm，連續的低溫寡照導致春玉米減產；在夏玉米播種的前2 d(7月20日)降雨量達到107.7 mm，播種到拔節期(6月12日—7月7日)降雨量達到216.9 mm，大量的降雨導致夏玉米減產。A3處理同樣受降雨影響造成其2016年產量較低。

表2 各處理施肥灌溉措施

表3 不同種植制度下的產量、生物量和收獲指數

注：同列數據后不同字母表示處理間顯著差異(P<0.05)。下同。

Note: Values followed by different letter within a column are significantly different atP<0.05. The same below.

綜上，某種種植制度的產量是由作物的復種指數決定，復種指數越高，其產量越高。3種作物中，夏玉米收獲指數最高。

2.2 不同種植制度周年土壤水分動態和水分利用效率

2.2.1 不同處理2 m土層土壤水分變化動態 圖1為各處理2 m土層2 a間土壤水分變化動態，冬小麥-夏玉米(CK)一年兩熟中，2015年小麥收獲后(2015年6月10日)，土壤貯水量相對播種時(2014年10月13日)明顯降低，尤其是0～100 cm的土壤含水量顯著下降，為主要耗水層。夏玉米收獲后(2015年10月7日)，土壤接納了較多的降水，各土層土壤含水量均有所增加。第二季冬小麥收獲后(2016年6月12日)，較上一種植周期夏玉米收獲后各土層土壤含水量均有所下降，尤其是0～140 cm土層下降最為顯著，比該層上一種植周期夏玉米收獲后土壤貯水量少42.9%。2 a種植周期結束，各層土壤水分含量與初始狀態略有增加但增加幅度不大。

春玉米→冬小麥-夏玉米(A1)兩年三熟種植制度下，第一年種植春玉米(2015年5月8日—2015年9月10日)，之后在冬小麥(2015年10月7日—2016年6月12日)播前為休閑期，直至夏玉米收獲(2016年10月5日)完成2 a種植周期。從圖中可以看出，春玉米收獲后土壤貯水量與播前相比略有增加，增加幅度為8.5%。冬小麥收獲后，0～80 cm 的土壤貯水量僅比該層凋萎含水量高13.7%，小麥生長期間消耗了較多的土壤水，80cm以下土層壤水分變化較小。夏玉米收獲后，20～40 cm土層水分含量較低。

春玉米-夏玉米(A2)一年兩熟種植制度下，2015年3月29日播種春玉米，收獲后(2015年7月15日)，10～80 cm土層土壤含水量下降21.0%～34.0%， 80 cm以下土壤水分變化較小。第二季夏玉米收獲后(2015年11月1日)即第一年種植周期結束，由于夏玉米生長處于雨季，之前消耗的土壤水分得到補充，土壤含水量上升。第二季春玉米播種時間為2016年3月27號，從2105年11月初收獲后到播前，為土地的休閑期，期間降水量為90.90 mm，與第一季夏玉米收獲后相比各層土壤水分含量均有所增加(8.0%～40.0%)，0～140 cm土層土壤水分上升幅度最為顯著。2016年春玉米生育期間(2016年3月27日—2016年7月22日)，降水量為398.00 mm，尤其是4月19日—6月12日間降雨量占春玉米全生育期降水量的90.6%，春玉米收獲時土壤貯水量基本接近田間持水量，尤其是0～80 cm土層最為明顯。第二季夏玉米收獲時(2016年11月10日)，A2完成第二個種植周期，與第一季初始狀態相比，各層土壤水分含量會與初始狀態基本持平或略偏高。

圖1 各處理栽培期2 m土層土壤水分含量變化動態/%Fig.1 Dynamic changes of soil water content in 2 m soil layer during growth period of each treatments

春玉米(A3)一年一熟種植制度下，第二季春玉米播前(2016年5月10日)與第一季春玉米收獲土壤貯水量降低5.0%，土壤在休閑期由于土壤水分蒸發和雜草等的耗水消耗了土壤水分。第二季春玉米收獲后(2016年9月13日)，由于期間降水572.00 mm，土壤水分得到了恢復。2 a種植周期結束后，0～100 cm 土層水分含量與初始狀態相比有明顯的增加(7.0%～22.0%)。

夏玉米(A4)一年一熟種植制度下，由于夏玉米生長期處于雨季，期間降水較多，2016年夏玉米收獲后的土壤貯水量與2015年播前相比基本持平。但2015年收獲后到2016年播前期間為休閑期，由于雜草消耗和土壤水分蒸發等作用，0～80 cm土層水分含量降低。

2.2.2 不同種植制度下的水分平衡及水分利用效率 表4為2 a周期內各種植制度耗水組成及水分利用效率。可以看出，2 a種植周期結束后，2 a內各處理土壤耗水和總耗水量顯著低于CK，由于灌溉水及降水的共同影響，從周年生產來看，水分利用效率A1最大，但各處理之間沒有顯著差異。從各種植制度作物生育期內的耗水組成和水分利用效率來看(表5)，2015年為降水較正常的年份，A1中的春玉米、A2、A3和A4水分利用效率分別比CK高17.7%、49.8%、15.2%和27.3%。耗水構成中，有冬小麥的種植制度中，小麥季消耗了110.8～150.2 mm的土壤水，春玉米和夏玉米基本不消耗土壤水分，從種植制度總耗水量分析，灌溉和降水是耗水的主要部分，尤其是2016年夏玉米生長期間，由于降水較多，土壤庫容得到恢復。

冬小麥、春玉米、夏玉米生育期間消耗土壤水分的多少主要與降水量有關，冬小麥由于生長期間降水較少，消耗了較多的土壤水；當減少或不種植耗水較多的冬小麥時，春玉米和夏玉米主要消耗了較多的降水，提高了降水的利用效率。

3 討 論

海河平原由于水資源短缺，主要種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟，因為水分的限制使得該地區糧食安全和水分可持續發展不能受到保障[20]，尤其是衡水等深層水嚴重超采區，作物灌溉用水強度與總水資源承載力之間呈現“極嚴重不適應”狀態，屬于自然水資源緊缺地區，不宜大規模發展高耗水作物[15]。因此，在保證糧食供應的前提下，適當減小冬小麥-夏玉米這種種植模式的栽培面積，以減少對該地區地下水的開采，有利于緩解該地區水資源緊缺狀況。

本研究結果表明，在相同的農田管理條件下，當冬小麥種植面積減少或不種植時，雖然產量比小麥-玉米一年兩熟有所降低，但其他處理比小麥-玉米少耗水452.3～753.5 mm，與其他相關研究中得出的春玉米→冬小麥-夏玉米兩年三熟、春玉米-夏玉米一年兩熟比冬小麥-夏玉米一年兩熟周年產量有所降低，但耗水量也降低200 mm以上的結論一致[21-23]。但對于替代傳統的小麥-玉米種植制度來說，從種植制度周年生產考慮時，除作物生長期外都有一定的休閑期，休閑期間雖然能接納一定的降水，但由于雜草耗水和土壤水分蒸發的影響，在不同處理，如春玉米→冬小麥-夏玉米兩年三熟(A1)、春玉米一年一熟(A3)和夏玉米一年一熟(A4)中，根據本研究測定結果，主要為0～80 cm土層中含水量下降最為顯著，各處理土壤貯水在休閑期都有所降低，如果不采取相關措施，會直接影響下季作物播種期的土壤水分含量。因此，對于一年一熟或隔年種植小麥種植制度中的休閑期，應采取秸稈覆蓋或其他物覆蓋等方式保持土壤水分，提高水分利用效率[24]，春季和夏季施用農田覆蓋技術減少的無效蒸發量是作物總耗水量的28.0%～46.0%[15]。陳夢楠等[25]在旱地麥田休閑期覆蓋也得到了相同結論，休閑期進行覆蓋至播種期0～300 cm 內的土壤貯水量在豐水年提高47.00 mm、平水年提高55.00 mm和欠水年提高63.00 mm，休閑期耗水量顯著降低。因此，加強不同種植制度的周年水分管理是提高系統水分利用效率的重要措施。

表4 不同種植制度下的水分平衡和水分利用效率

表5 各處理單季耗水構成和水分利用效率

另外，隨著經濟的發展，城鎮化水平和人均收入不斷提升，人們對蛋奶肉制品需求量不斷增加。本研究中春玉米→冬小麥-夏玉米兩年三熟、春玉米-夏玉米一年兩熟種植制度中玉米的種植頻率較高，面積較大，從全株秸稈干物質產量及營養和能量產量看，可以為養殖提供更多的精飼料、粗飼料及解決相應的能量需求[26]，而且在生產過程中，可以根據當地的氣候條件，在早春和晚夏種植高飼養品質的青貯玉米品種，可以為奶牛等養殖提供高品質青貯飼料，降低精飼料成本，這也為本區域實現“糧改飼”提供了科學依據。

4 結 論

5種種植制度中， 2個種植周期內，A1、A2、A3和A4相對CK經濟總產量分別損失了23.7%、23.8%、51.2%和39.6%，但耗水量降低了452～753 mm，作物生長期間水分利用效率提高了0.9%～4.8%。因此，春玉米→冬小麥-夏玉米兩年三熟、春玉米-夏玉米一年兩熟2種種植制度可作為當前小麥-玉米一年兩熟種植制度的重要補充，對促進本區域糧食生產和水分可持續發展具有重要意義。