農牧交錯帶灌溉和旱作模式下馬鈴薯耗水差異

唐建昭,王仁德,周海濤,張新軍,郭風華,劉劍鋒,肖登攀,柏會子

(1. 河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發應用技術創新中心,河北 石家莊 050011;2. 張家口市農業科學院,河北 張家口 075000;3.河北師范大學地理科學學院,河北 石家莊 050024 )

北方農牧交錯帶位于我國干旱氣候區,是中國東部農耕區與西部草原牧區的連接地帶,同時也是干旱地區向濕潤地區的過渡地帶[1]。1910年以來,由于人口劇增,大面積的自然草原被開墾為耕地,農牧交錯帶生態系統遭受到高強度的人為干擾和破壞[2]。水是干旱地區最關鍵的生態環境因子,水文過程控制了許多基本生態格局和生態過程[3-4]。長期以來,人類通過高強度的活動改變了自然生態系統的水分循環和水分平衡,造成該地區水資源的過度消耗[2]。農業生產作為北方農牧交錯帶最主要的經濟活動,對該地區水資源與水環境產生了重要影響[5]。近年來,隨著灌溉用水量和灌溉作物種類的增加,水資源短缺成為北方農牧交錯帶地區農業生產的主要限制因子[6]。然而,該地區農業灌溉方式普遍為大水漫灌,水資源浪費嚴重[5]。在水資源嚴重短缺形勢下,轉變農田水分利用途徑,實現農業生產與生態保護的雙重目標,對北方農牧交錯帶農業生產的可持續發展具有重要意義。

馬鈴薯是全球第四大口糧作物,僅次于小麥、玉米和水稻[7]。中國馬鈴薯生產面積和總產均居世界首位[8]。中國北方農牧交錯帶氣候冷涼,晝夜溫差大,馬鈴薯生長的氣候適宜度高,是馬鈴薯主產區之一[9]。北方農牧交錯帶馬鈴薯總產量占該地區糧食總產量的47%左右,且近年來馬鈴薯播種面積和總產量仍在持續增加[10]。馬鈴薯生產在保障中國北方農牧交錯帶乃至整個北方地區糧食安全方面具有重要地位。馬鈴薯生育期需水量介于400～800 mm[11],而北方農牧交錯帶地區降水總量少(≤400 mm)且年際間變異大,大部分年份降水無法滿足馬鈴薯高產的水分需求[12]。一些地區片面追求馬鈴薯高產而進行灌溉,且以抽取地下水進行大水漫灌為主[13-14],導致該地區地下水資源危機進一步加劇[15]。因此,減少灌溉面積,部分耕地轉變為旱作模式對緩解北方農牧交錯帶地區水資源危機具有重要意義。

研究表明,北方農牧交錯帶地區馬鈴薯雨養生產潛力介于20 500～48 000 kg·hm-2[16-17],而灌溉條件下實際生產中馬鈴薯產量介于31 000～47 000 kg·hm-2[18-19],表明北方農牧交錯帶地區雨養馬鈴薯產量有達到灌溉產量的潛力,為該地區馬鈴薯生產的“水改旱”模式提供了理論依據。通過大田試驗可以揭示“水改旱”對馬鈴薯產量、水分利用效率和地下水變化等的影響,然而大田試驗需要投入大量的人力、物力和財力,且耗時較長[20-21]。作物生長模型具備完善的生理生態機理,可綜合考慮自然環境、管理措施及兩者互作對作物生產的影響,已成為擴展田間試驗結果的有效工具[8]。因此,本研究基于APSIM-Potato模型,模擬分析不同水分處理下馬鈴薯的生產狀況,揭示“水改旱”模式對馬鈴薯產量、水分利用效率、土壤水和地下水的影響,以期為當地構建科學的馬鈴薯“水改旱”種植體系提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

研究區域北方農牧交錯帶范圍位于36°08′～50°15′N、104°09′～123°25′E,主要包括內蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅和寧夏等9個省(自治區)的部分區域,總面積約39.4×104km2,本研究選取均勻分布在研究區域的27個站點(圖1)。北方農牧交錯帶馬鈴薯的種植時間在4月底～6月初,當地常規播期為5月10日左右,收獲日期一般在9月份第一次霜凍之前。農牧交錯帶馬鈴薯生長季總日照時數、平均溫度和總降水量分別為1 283 h、15.4℃和326 mm?；谟昙鹃_始的差異,農牧交錯帶分為東部、中部和西部3個區域(圖1)。

1981—2010年北方農牧交錯帶地區27個研究站點氣象數據來自中國氣象局數據共享網(http://www.cma.gov.cn/),具體數據包括日尺度的最高溫度(℃)、最低溫度(℃)、降水量(mm)和日照時數(h)。日總太陽輻射根據Angstr?m-Prescott方程進行計算。北方農牧交錯帶地區土壤數據來自中國土壤數據庫(http://www.soil.csdb.cn/),主要包括土壤容重、凋萎含水量、田間持水量、飽和含水量、土壤養分含量和pH值等土壤理化數據。

1.2 研究方法

1.2.1 APSIM-Potato模型及其參數化 APSIM-Potato模型中應用的核心模塊主要包括馬鈴薯模塊、土壤水模塊、土壤氮模塊、土壤有機質模塊和管理模塊。模型基于輻射、溫度、光周期、土壤水和氮肥數據以日為步長,模擬馬鈴薯的生長發育、干物質積累和產量形成等。利用2 a田間試驗獲得的數據對APSIM-Potato模型進行校正和驗證。大田試驗設置情況如下:2015年和2016年在農業部武川農業環境科學觀測試驗站進行不同灌溉處理的馬鈴薯大田試驗,馬鈴薯試驗品種為‘克新1號’,生育期110 d左右;播種密度為46 500株·hm-2,2015年和2016年的播期分別為5月2日和5月1日,收獲期分別是9月24日和9月12日。試驗共設計4個灌溉梯度,馬鈴薯生育期總灌溉量分別為0、90、180 mm和360 mm,每個處理4次重復,共16個小區,小區面積為30.0 m2(7.5 m×4.0 m)。各處理播前施用底肥為磷酸二銨(P2O5,質量分數為46%)和氯化鉀(K2O,質量分數為60%),施用量分別為120 kg·hm2和90 kg·hm2。馬鈴薯生育期劃分為播種、出苗、塊莖形成、塊莖膨大和成熟5個時期,各時期采用烘干稱重法每10 cm為一個層次測定0～100 cm土層土壤水分。成熟期選擇各處理中間4行測產。

前期研究表明,APSIM-Potato模型可以較好地模擬馬鈴薯不同水氮處理下的生育期、土壤水分動態、氮吸收量和產量,馬鈴薯生育期在調參年份和驗證年份的均方根誤差(Root mean squared error,RMSE)分別為1.7 d和2.9 d,1 m土層土壤貯水量的變化在調參年份和驗證年份的標準均方根誤差(Normalized root mean squared error,NRMSE)分別為13.5%和14.7%,馬鈴薯的氮吸收量在調參年份和驗證年份的NRMSE分別為18.3%和22.5%,馬鈴薯產量變化在調參年份和驗證年份的NRMSE分別為15.9%和12.2%[6],因此本研究不再展示APSIM-Potato模型的驗證及參數設置,詳見作物系統模擬研究組前期研究結果[6]。

1.2.2 模型模擬設置 APSIM-Potato模型設置灌溉和雨養兩種情景。灌溉情景下,馬鈴薯生育期總灌溉量為240 mm,灌溉階段分別為播種期、苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期,每個階段灌溉60 mm。北方農牧交錯帶東部、中部和西部的播種期分別為5月10日、5月20日和5月30日[7],播種密度和施肥情況均與大田試驗相同。雨養情景下,除水分管理外其他管理措施與灌溉情景相同,模擬時間序列為1981—2010年,并模擬分析“水改旱”不同時間長度對馬鈴薯產量和水分利用的影響,共設置短期、中期和長期3個時間序列,分別為10 a(1981—1990年)、20 a(1981—2000年)和30 a(1981—2010年)。

1.2.3 水分利用計算 0～100 cm土層的土壤含水量(SWC)利用下式計算:

SWC=SWC10+SWC20+…+SWC100

(1)

式中,SWC為0～100 cm土層土壤總貯水量(mm),SWC10、SWC20、…、SWC100代表10、20 cm、…、100 cm各層的土壤貯水量(mm)。

灌溉后對地下水的消耗量利用下式進行計算:

GWC=10×(IR-D)

(2)

式中,GWC為地下水消耗量(m3·hm-2),IR為灌溉量(mm),D為馬鈴薯生育期內土壤滲漏量(mm)。

馬鈴薯水分利用效率(Water use efficiency,WUE,kg·hm-2·mm-1)為馬鈴薯鮮薯產量(Yield,kg·hm-2)和蒸散量(ET,mm)的比值,計算公式如下:

WUE=Yield/ET

(3)

式中,馬鈴薯蒸散量為模擬的馬鈴薯蒸騰量(EP,mm)和土壤蒸發量(ES,mm)之和。

2 結果與分析

2.1 “水改旱”對馬鈴薯產量的影響

北方農牧交錯帶地區馬鈴薯連續灌溉10 a,東部、中部和西部的產量分別為15 900～33 800、23 000～35 600 kg·hm-2和29 000～34 800 kg·hm-2,區域平均產量分別為30 300、32 300 kg·hm-2和32 500 kg·hm-2(圖2a)。同樣時間長度情景下,改為旱作后的馬鈴薯產量分別為14 200～30 600、12 800～27 300 kg·hm-2和16 900～25 100 kg·hm-2,區域平均產量分別為24 500、22 100 kg·hm-2和19 700 kg·hm-2(圖2b)。

馬鈴薯連續灌溉20 a,東部、中部和西部的產量分別為16 500～30 900、32 500～34 800 kg·hm-2和29 000～32 900 kg·hm-2,區域平均產量分別為29 900、31 600 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(圖2c)。改為旱作后,東部、中部和西部的馬鈴薯產量分別為13 900～23 900、19 600～24 300 kg·hm-2和16 100～21 900 kg·hm-2,區域平均產量分別為23 900、22 100 kg·hm-2和19 300 kg·hm-2(圖2d)。

馬鈴薯連續灌溉30 a,東部、中部和西部的產量分別為16 600～31 500、32 500～34 800 kg·hm-2和29 200～33 300 kg·hm-2,區域平均產量分別為30 500、31 500 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(圖2e)。改為旱作后,東部、中部和西部的馬鈴薯產量分別為12 700～20 200、18 100～21 000 kg·hm-2和18 500～21 900 kg·hm-2,區域平均產量分別為20 200、20 600 kg·hm-2和19 500 kg·hm-2(圖2f)。

2.2 “水改旱”對馬鈴薯播前土壤水分的影響

北方農牧交錯帶地區馬鈴薯連續灌溉10 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為166～332、206～388 mm和163～309 mm,區域平均值分別為274、296 mm和237 mm(圖3a)。改為旱作后,0～100 cm土層播前土壤含水量分別為137～256、100～221 mm和130～206 mm,區域平均值分別為201、163 mm和177 mm(圖3b)。

馬鈴薯連續灌溉20 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為161～347、211～394 mm和163～269 mm,區域平均值分別為271、292 mm和228 mm(圖3c)。改為旱作后,0～100 cm土層土壤含水量分別為133～239、127～192 mm和131～186 mm,區域平均值分別為188、156 mm和159 mm(圖3d)。

馬鈴薯連續灌溉30 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為154～312、204～398 mm和160～269 mm,區域平均值分別為255、289 mm和227 mm(圖3e)。改為旱作后,土壤含水量分別為127～215、125～178 mm和131～174 mm,區域平均值分別為172、151 mm和155 mm(圖3f)。

2.3 “水改旱”對種植馬鈴薯地下水動態的影響

北方農牧交錯帶地區馬鈴薯連續灌溉10 a,東部、中部和西部的地下水消耗量分別為5 360～17 800、13 100～21 330 m3·hm-2和9 580～19 150 m3·hm-2,區域平均消耗量分別為11 150、15 700 m3·hm-2和15 400 m3·hm-2(圖4a)。改為旱作后,各區域地下水恢復量為0～5 120、0～770 m3·hm-2和0～2 080 m3·hm-2,區域平均恢復量分別為1 170、300 m3·hm-2和840 m3·hm-2(圖4b)

馬鈴薯連續灌溉20 a情景下,東部、中部和西部地下水消耗量分別為8 910～30 500、21 040～43 680 m3·hm-2和15 070～42 120 m3·hm-2,區域平均消耗量分別為21 300、30 410 m3·hm-2和30 930 m3·hm-2(圖4c)。改為旱作后,各區域地下水恢復量分別為0～9 220、0～2 210 m3·hm-2和0～3 020 m3·hm-2,區域平均恢復量分別為1 990、504 m3·hm-2和1 320 m3·hm-2(圖4d)。

馬鈴薯連續灌溉30 a情景下,東部、中部和西部地下水消耗量分別為19 920～54 500、38 400～65 770 m3·hm-2和27 720～64 580 m3·hm-2,區域平均消耗量分別為40 000、48 700 m3·hm-2和48 410 m3·hm-2(圖4e)。改為旱作后,地下水恢復量分別為0～10 050、0～2 210 m3·hm-2和0～4 710 m3·hm-2,區域平均恢復量分別為2 070、500 m3·hm-2和1 080 m3·hm-2(圖4f)。

2.4 “水改旱”對馬鈴薯水分利用效率的影響

北方農牧交錯帶地區馬鈴薯連續灌溉10 a,東部、中部和西部的水分利用效率(WUE)分別為54.8～94.6、65.3～93.9 kg·hm-2·mm-1和73.6～93.3 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為84.1、84.3 kg·hm-2·mm-1和85.2 kg·hm-2·mm-1(圖5a)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為58.4～96.7、59.9～99.3 kg·hm-2·mm-1和62.9～89.0 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為84.7、80.6 kg·hm-2·mm-1和77.4 kg·hm-2·mm-1(圖5b)。

馬鈴薯連續灌溉20 a情景下,東部、中部和西部的WUE分別為54.7～92.2、64.6～92.6 kg·hm-2·mm-1和71.7～93.2 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為82.5、82.3 kg·hm-2·mm-1和83.5 kg·hm-2·mm-1(圖5c)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為55.5～94.8、61.1～96.8 kg·hm-2·mm-1和62.4～91.4 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為83.7、80.3 kg·hm-2·mm-1和78.7 kg·hm-2·mm-1(圖5d)。

馬鈴薯連續灌溉30 a情景下,東部、中部和西部的WUE分別為54.6～92.0、63.8～92.4 kg·hm-2·mm-1和70.5～93.9 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為82.1、81.4 kg·hm-2·mm-1和83.2 kg·hm-2·mm-1(圖5e)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為53.0～87.4、64.4～93.9 kg·hm-2·mm-1和63.1～92.6 kg·hm-2·mm-1,區域平均值分別為76.7、77.9 kg·hm-2·mm-1和77.6 kg·hm-2·mm-1(圖5f)。

圖2 不同時間段“水改旱”對馬鈴薯產量的影響

圖3 不同時間段“水改旱”對馬鈴薯播前土壤含水量的影響

圖4 不同時間段“水改旱”對地下水動態的影響

圖5 不同時間段“水改旱”對馬鈴薯水分利用效率的影響

3 討 論

北方農牧交錯帶地區降水總量低且年際差異大,同時地表水較為缺乏,水資源短缺嚴重限制當地農業生產[22]。解決水資源短缺主要有兩個途徑,即“節流”和“開源”,“節流”是指管理并利用好現有水資源,提高水源利用效率,使其發揮最大優勢;“開源”則是指采取由城外調水的措施,增加區域內水資源量[23]。結合北方農牧交錯帶地區的土壤、氣候和地形地貌特征,該地區應以“節流”為主[24]。以“節流”為主的農業節水措施主要包括充分利用自然降水、合理利用灌溉水以及提高作物水分利用效率等方面,且發展節水農業必須做到節水灌溉和旱作農業并舉[25]。本研究通過分析不同年限“水改旱”對北方農牧交錯帶馬鈴薯產量的影響發現,馬鈴薯連續灌溉10、20 a和30 a的產量分別為31 300、30 800 kg·hm-2和30 100 kg·hm-2,改為旱作后產量分別降低26.9%、26.8%和34.9%。模型模擬情景一般將病蟲害控制在理想條件下,實際生產中馬鈴薯會受到病蟲害的影響[26],因此本研究估算的旱作馬鈴薯產量可能略高。播種密度的調整、壟膜溝植方式的應用以及保水劑的施用等農業措施均是進一步提高旱作馬鈴薯產量的主要手段[27],應注意多管齊下,進一步縮減旱作馬鈴薯和灌溉馬鈴薯之間的產量差。

土壤水分是作物生長、植被恢復以及生態環境建設的主要限制性因素[28]。入滲水分(降水和灌溉)在土壤內的運動和轉化過程決定土壤水分的變化[29]。本研究分析了灌溉條件和旱作條件下不同時段馬鈴薯播前1 m土層土壤水分的變化情況,結果表明連續灌溉10、20 a和30 a情景下馬鈴薯播前土壤水分分別為272、268 mm和259 mm,旱作條件下分別下降31.8%、35.3%和36.9%。改為旱作后土壤水分下降量遠低于灌溉投入量,主要是因為馬鈴薯生長消耗大部分灌溉水,同時還會產生滲漏,使水分無法有效地貯存在土壤中[8]。本研究還發現,灌溉條件和旱作條件下,長期連續種植馬鈴薯均會造成土壤含水量的降低,主要是農牧交錯帶地區溫度上升后表層土壤水分蒸發量增加所致[10]。前期研究表明,長期連續雨養種植作物導致北方地區土壤水分持續下降,可能存在土壤沙化風險[30]。因此,馬鈴薯“水改旱”后應注意控制土壤沙化和風蝕方面的風險。

北方農牧交錯帶地區地下水超采問題日益突出,資源環境壓力越來越大,當前該區域地下水資源已表現出不可持續利用特征[31]。本研究模擬分析了不同時間段連續灌溉和旱作條件對北方農牧交錯帶地區地下水資源的影響,結果表明馬鈴薯種植連續灌溉10、20 a和30 a的地下水消耗量分別為13 270、25 780 m3·hm-2和44 130 m3·hm-2,旱作條件下恢復量分別為860、1 445 m3·hm-2和1 580 m3·hm-2;說明“水改旱”后既能保證一定的產量,同時又能使地下水得到恢復。時間尺度上,抽取相同量的地下水進行灌溉,隨著灌溉時段的增加,年平均地下水消耗量呈增加趨勢,說明灌溉時間越長,其對地下水資源造成的威脅越嚴重。雨養條件下,“水改旱”10 a情景下年平均地下水恢復量最高,每年恢復量達86 m3·hm-2,而20 a和30 a情景下分別為72 m3·hm-2和52 m3·hm-2。說明短期“水改旱”的地下水恢復效果更明顯。

水分利用效率是節水農業研究的最終目標,高水平的WUE是缺水條件下農業得以持續穩定發展的關鍵所在[32]。本研究模擬分析了不同時間段連續灌溉和旱作條件下北方農牧交錯帶馬鈴薯的水分利用效率變化,結果表明馬鈴薯種植連續灌溉10、20 a和30 a的水分利用效率分別為84.4、82.7 kg·hm-2·mm-1和82.1 kg·hm-2·mm-1,旱作條件下分別下降2.7%、1.1%和6.0%。灌溉馬鈴薯水分利用效率高于旱作馬鈴薯,主要是因為旱作馬鈴薯產量較低。說明“水改旱”后導致馬鈴薯產量降低,無法有效提高馬鈴薯水分利用效率。

4 結 論

1)“水改旱”后馬鈴薯產量下降,馬鈴薯連續灌溉10、20 a和30 a的產量分別為31 300、30 800 kg·hm-2和30 100 kg·hm-2,旱作情景下產量分別降低26.9%、26.8%和34.9%。灌溉馬鈴薯產量表現為西部較高,旱作條件下則為東部較高。

2)“水改旱”后馬鈴薯播前土壤含水量下降,馬鈴薯連續灌溉10、20 a和30年的播前1 m土層土壤含水量分別為272、268 mm和259 mm,旱作情景下分別降低31.8%、35.3%和36.9%。兩種情景下播前土壤含水量區域分布特征與產量相似。

3)馬鈴薯連續灌溉10、20 a和30 a消耗的地下水分別為13 270、25 780 m3·hm-2和44 130 m3·hm-2,旱作條件下恢復量分別為860、1 445 m3·hm-2和1 580 m3·hm-2。

4)灌溉馬鈴薯水分利用效率高于旱作馬鈴薯,馬鈴薯連續灌溉10、20 a和30 a的水分利用效率分別為84.4、82.7 kg·hm-2·mm-1和82.1 kg·hm-2·mm-1,旱作條件下分別下降2.7%、1.1%和6.0%。