黃土高原旱塬區玉米田土壤水分變化特征及對產量的影響

姚小英 王鶯 王興

摘要：黃土高原旱塬區屬半干旱半濕潤氣候過渡區，土壤水是影響該地區玉米生長的主要因素。運用黃土高原旱塬區董志塬所在地西峰農業氣象試驗站1981—2015年玉米試驗田土壤濕度及產量觀測資料，利用統計學方法，計算分析1981—2015年這35年間土壤水的變化規律及對產量的影響。結果表明，黃土高原旱塬區玉米全生育期土壤平均貯水量呈高—低—高的拋物線狀變化趨勢，貯水量最大時期為乳熟期至成熟期，最小時期為拔節期至抽雄期;土壤耗水量呈低—高—低的拋物線變化趨勢，最大時期為拔節期至抽雄期，最小時期為播種期至七葉期。35年來土壤深度為50 cm的土層貯水量、耗水量均呈下降趨勢;玉米產量受抽穗期土壤水分變化的影響最大。土壤深度為50 cm的土層貯水量及耗水量對玉米單產的最大影響均出現在7月中旬，分別為21、27 kg/（hm2·mm）。建議采取有效保墑節水技術措施，減輕玉米關鍵生育期土壤水分不足對生長的脅迫。

關鍵詞：黃土高原旱塬區;土壤水分;玉米;產量;變化特征;影響

黃土高原旱塬區是以旱作物為主的雨養農業區，自然降水和蒸發量是影響土壤含水量的主要因子。近年來，甘肅黃土高原氣候暖干化特征明顯，氣候變暖導致溫度增高，同時也改變了降雨類型（雨量及變化情況），土壤中水熱耦合交互作用顯著影響了土壤水分蒸發，由此對土壤墑情產生重要的影響。可以說，土壤含水量對氣候變暖的響應更加敏感[1-5]。

研究表明，作物生長所需要的水分主要依賴于大氣降水[6]，大氣降水對作物的水分供應需要土壤調節，并通過水熱耦合效應對作物生長產生影響。黃土高原旱塬區作物生長季節，各地土壤含水量與最適水分含量均有一定差異，一般夏季的含水量最大，可達 100 mm，春季次之，為30～70 mm。說明該地域作物生長受水分制約程度大。土壤水分的盈余虧缺狀況在很大程度上決定著作物生長狀況的優劣和最終產量的高低[4-5]。因此，從大氣-土壤-作物循環系統的理論觀點出發，探討旱塬雨養農業區土壤水分貯存、耗散變化特征對該地區農業生產具有科學指導意義[6-7]。

隴東黃土高原旱塬區是甘肅省最主要的糧食主產區之一。近年來，有關甘肅黃土高原土壤水分的研究多集中在土壤水分演變規律、土壤貯水量、作物耗水量指標、土壤蒸散發變化時空分布特征等方面[7-13]。隨著氣候變暖，隴東黃土高原糧食種植結構發生調整，壓夏增秋，玉米種植面積逐年增大，比20世紀80年代增加近3倍，已成為“隴東糧倉”最主要的秋糧作物。對于玉米土壤水分的利用有關學者也進行過相關研究[14]，分析研究玉米田土壤水分變化特征，對旱作區糧食安全生產具有重要的現實意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

甘肅黃土高原中部隴東董志塬屬溫和半濕潤半干旱氣候過渡帶，是典型的旱作農業區，面積為 910 km2，為黃土高原保存最完整、面積最大的塬面，土層深厚。本研究選擇最具代表性的董志塬所在地西峰農業氣象試驗站（國家一級農業氣象試驗站）作為試驗研究區，該區域位于35°44′N，107°38′E，拔海高度為1 421 m，年平均降水量為 527 mm，年平均氣溫為 8.7 ℃。土壤質地為粉壤土，土壤深度為30 cm的土層可容納水分85 mm，土壤深度為50 cm的土層可容納水分140 mm;作物調萎土壤深度為50 cm的土層的含水量為45 mm。一般情況下，上層土壤能截留并保持大部分乃至全部降水入滲量。地下水位埋深在數十米至百米，很難通過毛管力上升地表參與水分循環。該地段無灌溉設施，種植方式采用地膜覆蓋，與冬小麥倒茬，倒茬地塊與玉米田相連，生長環境、氣象要素、土壤質地、物理水文常數相同。本研究所用供試品種為生物學特性基本一致的中熟品種，1994—2008年為中單及承單系列，2009—2015年為奧玉3202，種植密度均為 55 000～60 000株/hm2，施肥等田間管理措施每年保持基本一致，為當地中等水平。

1.2 資料來源

自1980年起，根據業務要求，西峰農業氣象試驗站連續進行玉米田作物生長狀況及土壤水分觀測。據有關研究，玉米生長對土壤水分的利用主要體現在淺層土壤[14]，故本研究選取西峰農業氣象試驗站1981—2015年玉米田土壤深度為50 cm的土層實際測的土壤水分數據，同步逐年進行玉米產量測定。降水量數據取自與玉米觀測地段緊鄰的西峰國家基準氣象站。

1.3 計算方法

1.3.1 貯水量計算 玉米田土壤水分測定采用土鉆法[15]。測定時間為玉米播種前的3月上旬至成熟后的9月下旬，間隔10 cm分層取樣，每次測定設置4個重復，計算土壤質量含水率（%）[（濕土質量-干土質量）/干土質量]。每月測定3次（當月8日、18日、28日），測定深度為50 cm。

式中：W（t）為土壤貯水量（mm）;ρ為土壤水分質量含水率（%）;h為土層厚度（mm）;g為重力加速度。

1.3.2 耗水量計算 耗水量包括玉米的蒸騰及田間蒸發減少的水分，是大氣降水及土壤運動共同作用結果的綜合反映。玉米各生育階段土壤耗水量可用簡化的水分平衡方程計算[16]，其公式如下：

式中：WS為耗水量（mm）;W1、W2分別為計算時段初月（旬）、末月（旬）土壤深度為50 cm土層的貯水量（mm）;P為計算時段內降水量（mm）;f為徑流量;K為毛管上升水量;N為滲漏量。由于甘肅黃土高原地區氣象觀測站點地勢平坦，因此一年大部分時間不會產生較大徑流，所選試驗區為旱作田，同時地下水位較深，f、K、N值均可忽略不計。

1.3.3 積分回歸法 利用積分回歸定量計算玉米生長期內各時段土壤水分對地段實際產量的影響[17]。以旬（10 d）為單位，將玉米從播種期至收獲期劃分為15個時段，各時段土壤貯水量和耗水量與單產關系可用下列積分回歸表示：

式中：y為該地段實際產量的估計值（kg/hm2）;C為待定常數;w（t）dt為t+Δt時段內的土壤貯水量及耗水量;aj（t）=Δy/w（t），為t時間的土壤貯水量、耗水量與玉米最終產量之間生理關系的一個時間函數，即生長期不同時段內土壤水分每變化1個單位對玉米產量的影響效果，j為生育時段。

2 結果與分析

2.1 降水量變化特征

在無灌溉條件的黃土高原旱源區，土壤水分的唯一供給來源是大氣降水。由圖1 1981—2015年試驗區降水量年際變化表明，35年來玉米全生育期4—9月平均降水量為361 mm，降水量的最大值出現在1988年，為585 mm;最小值出現在1997年，為190 mm，最大值與最小值相差395 mm，年際變化以19 mm/10年（R=0.038 9，P>0.1）線性趨勢減少。玉米不同發育時期降水量不同，播種期至七葉期平均降水量為80 mm，占全生育期的22%，年際線性變化趨勢不明顯;拔節期至抽雄期平均降水量為147 mm，占全生育期的41%，年際變化以 5.9 mm/10年（R=0.085，P>0.1）線性趨勢減少;乳熟期至成熟期平均降水量為137 mm，占全生育期的38%，年際線性變化趨勢亦不明顯。

2.2 土壤水分變化特征

2.2.1 貯水量年變化 土壤水分貯量的變化，是土壤內部水分向上蒸散、向下滲透及外部降水共同作用、動態平衡的結果。計算分析結果表明，玉米田50 cm土壤貯水總量的變化幅度均小于田間最大貯水量。說明一年之中，土壤因持水過多而引起的重力下滲量是有限的，土壤貯水量變化主要受作物吸收蒸騰及田間蒸發的影響。由圖2可知，1981—2015年玉米全生育期土壤貯水量呈高—低—高的拋 物線狀變化趨勢，3月播種前土壤貯水量為108 mm，4月上中旬播種出苗后，含水量逐漸下降，6月中旬拔節期達到最低值66 mm，說明此時期土壤水分消耗最多，為土壤水分最匱乏時期。之后，隨玉米生長對水分需求的減少及降水量的增多，貯水量又逐漸上升，成熟期在9月下旬達到最高峰值115 mm，為玉米生育期土壤水分貯存最多的時段。

統計分析表明，玉米試驗田35年的土壤貯水量隨時間的變化特征可以很好地用拋物線方程擬合：

由式（5）可以看出，貯水量變化率是時間的線性函數。令W貯（t）′=0，得出土壤貯水量變化速度呈極小值的時間為tmin=10.3，即6月上旬后期到中旬前期，此期正值玉米七葉期至拔節期的關鍵生育階段[3]，為作物需水的關鍵期及敏感期，土壤貯水量處于最低值時段。這同多年的實際測定情況完全吻合。

2.2.2 貯水量年際變化 由圖3可知，1981—2015年玉米生育期（4—9月）50 cm土層土壤貯水量變化表明，全生育期50 cm土層土壤貯水量平均值為102 mm，最大值在1990年，為130 mm;最小值在1995年，為 83 mm，最大值與最小值相差47 mm，年際變化以 4.7 mm/10年（R=0.139 1，P>0.1）的線性趨勢減少。玉米不同發育時期土壤貯水量不同，貯水量最大時期為乳熟期至成熟期，其次為播種期至七葉期，最小時段在拔節期至抽雄期。播種期至七葉期50 cm土層平均貯水量為103 mm，年際變化較小，以 1.1 mm/10年（R=0.004 9，P>0.1）的線性趨勢減少。拔節期至抽雄期土壤平均貯水量為92 mm，最大值出現在1988年，為123 mm，最小值在2014年，為55 mm，最大值與最小值相差68 mm，年際變化以 6.3 mm/10年（R=0.122 7，P>0.1）線性趨勢減少。乳熟期至成熟期平均貯水量為110 mm，年際變化較大，最大值出現在1990年，為147 mm，最小值在1999年，為82 mm，最大值與最小值相差65 mm，年變化以6.8 mm/10年（R=0.178 4，P>0.1）的線性趨勢減少。35年來土壤貯水量在玉米生長的各階段均呈減少趨勢，其中乳熟期至成熟期線性減少趨勢最為明顯。據研究，自20世紀70年代以來，甘肅旱作區玉米全生育期降水適宜度呈下降趨勢[18]。可見，氣候暖干化導致土壤貯水量持續減少。

2.2.3 耗水量年變化 玉米田土壤耗水量包括植株的蒸騰及田間蒸發。圖4表明，1981—2015年玉米全生育期土壤耗水量呈低—高—低的拋物線變化趨勢（F=60.87>F0.05=8.10，R2=0.646 8，達顯著水平）。玉米播種期耗水量最小，出苗后逐漸增多，6月中旬出現耗水量的第1個高值點，此期為玉米拔節的關鍵生育期，也是植株需水耗水的敏感時段;7月下旬達到耗水量的第2個高值點，此期正值玉米抽雄吐絲開花期，是營養生長轉化為生殖生長的重要生育階段，水分需求旺盛，加之為一年溫度最高時段，高溫日數多，土壤水分蒸散加劇，耗水量達到全生育期最高，為40 mm。進入乳熟期后，耗水量逐漸減少，至成熟期以后，耗水量減少速度迅速加快。計算表明，玉米田50 cm土層4—9月土壤累積耗水量為421 mm，與該地年平均降水量基本持平。從全生育期土壤累積耗水量的變化來看，4—5月氣溫回升快，隨著玉米苗期生長發育對土壤水分需求的增加，累積耗水量上升較快，但由于春季大氣降水相對較少，補充不足，尤其是表層土壤水蒸散速度較快，加上春季氣溫不高，蒸散所需的熱能不足，使得土壤處于無水可蒸散或只有少量水可供蒸散的狀態，總體累積耗水量增速相對較緩;6—9月是1年中降水相對較多的月份，上層土壤水補充比較及時充足，氣溫較高，能量較大，一方面較多的降水保證了蒸散的較豐供給，另一方面充足的能量又使得蒸散能力加強，累積耗水量增速逐漸加快。

玉米田50 cm土層4—9月土壤逐旬耗水量隨時間的變化可用如下方程擬合：

從式（7） 可以看出，土壤累積耗水量的變化率是時間的線性函數。令W耗（t）′=0，得出土壤累積耗水量增加速度變化的最小時間：tmin=9.3，此期為玉米抽雄期的7月上旬。證明盛夏是玉米田土壤累積耗水量增加最快、累積耗水變化速度比較穩定的一個時期。這同多年的實際測定情況也是完全吻合的。

2.2.4 耗水量年際變化 由圖5 1981—2015年玉米全生育期50 cm土層土壤耗水量年際變化表明，全生育期土壤耗水量變化與降水量變化特征相似。平均耗水量為345 mm，最大耗水量在1988年，為 540 mm;最小值在1997年，為198 mm，最大值與最小值相差342 mm，年變化以6.3 mm/10年的線性趨勢減少。不同發育時段土壤耗水量不同，播種期至七葉期平均耗水量為93 mm，占全生育期的27%，年變化以8.9 mm/10年的線性趨勢減少;拔節期至抽雄期耗水量為131 mm，占全生育期的38%，年變化以6.8 mm/10年線性趨勢減少;乳熟期至成熟期耗水量為108 mm，占全生育期的31%，線性變化趨勢不明顯，且2000年以后，隨氣溫增高，特別是高溫日數的增多，耗水量較苗期明顯增大。拔節期至抽雄期土壤耗水量最大，播種期至七葉期與乳熟期至成熟期相差不大，但乳熟期至成熟期由于處于夏末到初秋，高溫多雨導致耗水強度較播種至七葉期明顯增多，增幅達57%。

2.3 土壤水分對玉米產量的影響

為探究土壤水分變化對玉米最終產量形成的影響，利用積分回歸法計算了50 cm土層土壤水分對地段玉米單產的影響程度。結果表明，土壤貯水量在播種期至七葉期對產量影響較小，aj（t）值小于6 kg/（hm2·mm）;拔節期至抽雄期對產量的影響迅速加大，最大值出現在7月中旬，為 21 kg/（hm2·mm），7月中旬玉米抽雄開花以后，貯水量對產量的影響逐漸降低。耗水量對產量的影響亦具有明顯的階段性，播種期至七葉期土壤耗水量對產量影響相對較小，aj（t）值與貯水量相差不大;拔節期至抽雄期以后，耗水量對產量的影響增大速度大于貯水量，最大值出現在7月中旬，為 27 kg/（hm2·mm），之后影響程度快速減弱，乳熟期至成熟期耗水量對產量的影響小于貯水量（圖6）。說明玉米生長后期為夏末初秋，溫度尚處于較高階段，因土壤蒸散消耗的無效水分較多。

3 討論

1981—2015年隴東旱塬區降水量在玉米全生育期4—9月有減少趨勢。50 cm土層平均貯水量在玉米全生育期及各生長階段均呈下降趨勢，土壤貯水量持續減少，平均耗水量亦呈下降趨勢，拔節期至抽雄期耗水量最多。抽雄期土壤貯水量及耗水量對玉米單產的影響最大。據有關研究表明，近40年隴東黃土高原春季的特旱天氣、初夏及伏期的重旱天氣雖然出現頻次少，但對玉米生長影響較大[19]。在玉米全生育期內， 干旱引起的水分脅迫以拔節期至抽雄期最大，抽雄前后是玉米水分需求最多、對干旱反應最敏感的時期，此期的干旱也稱為“卡脖子旱”，直接影響最終產量。本研究進一步說明在氣候變暖背景下，隴東黃土高原玉米生長受水分脅迫影響較大，尤其在關鍵生育時段，由此導致種植風險程度增高。因此，合理安排適播期，創建旱塬區現代農業發展模式，加強農田科學管理，積極推廣抗旱栽培、土壤水的科學利用、農田覆蓋等農業干旱災害防御技術及有效保墑節水技術措施[20]，減少水分無效消耗，在關鍵生育期保持適宜土壤濕度，減輕因土壤水分不足對玉米生長的影響是奪取優質高產的關鍵。

某一特定地區，在其他因子相對穩定的前提下，作物生長狀況及產量形成主要受制于熱量、水份、光照等氣候條件。而事實上，作物生長及產量形成除氣候因子外，還會受坡向、坡度、坡位等地形因子，土地類型，作物品種，管理方式，病蟲害等多因素影響。因此，實際應用中，在分析評估土壤水分對玉米生長的影響時，應結合各種因素綜合考量。

本研究所用簡易的水分平衡方程，忽略了徑流、植物截流、土壤滲漏等因素的影響;同時，作物品種不同，需水及耗水特性也會有一定差異，雖然計算結果會因此有一定的偏差，但對土壤含水量總體變化趨勢及特征不會造成影響，研究結果對實際生產及保障秋糧種植安全仍具有較好的參考價值。

4 結論

1981—2015年黃土高原旱塬區降水量在玉米全生育期為減少趨勢。玉米全生育期土壤平均貯水量呈高—低—高的拋物線狀變化趨勢，土壤貯水量最大時期為乳熟期至成熟期，其次為播種期至七葉期，最小時期為拔節期至抽雄期，拔節期6月中旬達到最低值66 mm;玉米全生育期50 cm土層土壤耗水量呈低—高—低的拋物線變化趨勢，6月中旬及7月下旬分別為耗水量的2個高值時段。土壤水分貯量最低時段與耗水最高時段重疊，玉米拔節期至抽雄期水分供需矛盾突出。

35年來玉米全生育期及各生長階段50 cm土層平均貯水量均呈下降趨勢，土壤貯水量持續減少，其中乳熟期至成熟期線性減少趨勢最明顯。50 cm 土層平均耗水量亦呈下降趨勢，拔節期至抽雄期耗水量最多。

在無灌溉條件的黃土高原旱塬區，土壤水分是影響玉米產量的關鍵因子。玉米產量受抽穗期土壤貯水量變化的影響最大。50 cm土層土壤貯水量及耗水量對玉米單產的可能最大影響均出現在7月中旬，分別為21、27 kg/（hm2·mm）。

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