黃土高原旱塬區(qū)玉米田土壤水分變化特征及對(duì)產(chǎn)量的影響

姚小英 王鶯 王興

摘要：黃土高原旱塬區(qū)屬半干旱半濕潤(rùn)氣候過渡區(qū)，土壤水是影響該地區(qū)玉米生長(zhǎng)的主要因素。運(yùn)用黃土高原旱塬區(qū)董志塬所在地西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站1981—2015年玉米試驗(yàn)田土壤濕度及產(chǎn)量觀測(cè)資料，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，計(jì)算分析1981—2015年這35年間土壤水的變化規(guī)律及對(duì)產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，黃土高原旱塬區(qū)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(shì)，貯水量最大時(shí)期為乳熟期至成熟期，最小時(shí)期為拔節(jié)期至抽雄期;土壤耗水量呈低—高—低的拋物線變化趨勢(shì)，最大時(shí)期為拔節(jié)期至抽雄期，最小時(shí)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(shì);玉米產(chǎn)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(duì)玉米單產(chǎn)的最大影響均出現(xiàn)在7月中旬，分別為21、27 kg/（hm2·mm）。建議采取有效保墑節(jié)水技術(shù)措施，減輕玉米關(guān)鍵生育期土壤水分不足對(duì)生長(zhǎng)的脅迫。

關(guān)鍵詞：黃土高原旱塬區(qū);土壤水分;玉米;產(chǎn)量;變化特征;影響

黃土高原旱塬區(qū)是以旱作物為主的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，自然降水和蒸發(fā)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(dǎo)致溫度增高，同時(shí)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(fā)，由此對(duì)土壤墑情產(chǎn)生重要的影響?？梢哉f，土壤含水量對(duì)氣候變暖的響應(yīng)更加敏感[1-5]。

研究表明，作物生長(zhǎng)所需要的水分主要依賴于大氣降水[6]，大氣降水對(duì)作物的水分供應(yīng)需要土壤調(diào)節(jié)，并通過水熱耦合效應(yīng)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。黃土高原旱塬區(qū)作物生長(zhǎng)季節(jié)，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(dá) 100 mm，春季次之，為30～70 mm。說明該地域作物生長(zhǎng)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(zhǎng)狀況的優(yōu)劣和最終產(chǎn)量的高低[4-5]。因此，從大氣-土壤-作物循環(huán)系統(tǒng)的理論觀點(diǎn)出發(fā)，探討旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤水分貯存、耗散變化特征對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有科學(xué)指導(dǎo)意義[6-7]。

隴東黃土高原旱塬區(qū)是甘肅省最主要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。近年來，有關(guān)甘肅黃土高原土壤水分的研究多集中在土壤水分演變規(guī)律、土壤貯水量、作物耗水量指標(biāo)、土壤蒸散發(fā)變化時(shí)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(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，壓夏增秋，玉米種植面積逐年增大，比20世紀(jì)80年代增加近3倍，已成為“隴東糧倉(cāng)”最主要的秋糧作物。對(duì)于玉米土壤水分的利用有關(guān)學(xué)者也進(jìn)行過相關(guān)研究[14]，分析研究玉米田土壤水分變化特征，對(duì)旱作區(qū)糧食安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅黃土高原中部隴東董志塬屬溫和半濕潤(rùn)半干旱氣候過渡帶，是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，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(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（國(guó)家一級(jí)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站）作為試驗(yàn)研究區(qū)，該區(qū)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(zhì)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(diào)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(shù)十米至百米，很難通過毛管力上升地表參與水分循環(huán)。該地段無灌溉設(shè)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(zhǎng)環(huán)境、氣象要素、土壤質(zhì)地、物理水文常數(shù)相同。本研究所用供試品種為生物學(xué)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(dāng)?shù)刂械人健?/p>

1.2 資料來源

自1980年起，根據(jù)業(yè)務(wù)要求，西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站連續(xù)進(jìn)行玉米田作物生長(zhǎng)狀況及土壤水分觀測(cè)。據(jù)有關(guān)研究，玉米生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的利用主要體現(xiàn)在淺層土壤[14]，故本研究選取西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站1981—2015年玉米田土壤深度為50 cm的土層實(shí)際測(cè)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，同步逐年進(jìn)行玉米產(chǎn)量測(cè)定。降水量數(shù)據(jù)取自與玉米觀測(cè)地段緊鄰的西峰國(guó)家基準(zhǔn)氣象站。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 貯水量計(jì)算 玉米田土壤水分測(cè)定采用土鉆法[15]。測(cè)定時(shí)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(cè)定設(shè)置4個(gè)重復(fù)，計(jì)算土壤質(zhì)量含水率（%）[（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/干土質(zhì)量]。每月測(cè)定3次（當(dāng)月8日、18日、28日），測(cè)定深度為50 cm。

式中：W（t）為土壤貯水量（mm）;ρ為土壤水分質(zhì)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(jì)算 耗水量包括玉米的蒸騰及田間蒸發(fā)減少的水分，是大氣降水及土壤運(yùn)動(dòng)共同作用結(jié)果的綜合反映。玉米各生育階段土壤耗水量可用簡(jiǎn)化的水分平衡方程計(jì)算[16]，其公式如下：

式中：WS為耗水量（mm）;W1、W2分別為計(jì)算時(shí)段初月（旬）、末月（旬）土壤深度為50 cm土層的貯水量（mm）;P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)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(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)地勢(shì)平坦，因此一年大部分時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生較大徑流，所選試驗(yàn)區(qū)為旱作田，同時(shí)地下水位較深，f、K、N值均可忽略不計(jì)。

1.3.3 積分回歸法 利用積分回歸定量計(jì)算玉米生長(zhǎng)期內(nèi)各時(shí)段土壤水分對(duì)地段實(shí)際產(chǎn)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(gè)時(shí)段，各時(shí)段土壤貯水量和耗水量與單產(chǎn)關(guān)系可用下列積分回歸表示：

式中：y為該地段實(shí)際產(chǎn)量的估計(jì)值（kg/hm2）;C為待定常數(shù);w（t）dt為t+Δt時(shí)段內(nèi)的土壤貯水量及耗水量;aj（t）=Δy/w（t），為t時(shí)間的土壤貯水量、耗水量與玉米最終產(chǎn)量之間生理關(guān)系的一個(gè)時(shí)間函數(shù)，即生長(zhǎng)期不同時(shí)段內(nèi)土壤水分每變化1個(gè)單位對(duì)玉米產(chǎn)量的影響效果，j為生育時(shí)段。

2 結(jié)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(qū)，土壤水分的唯一供給來源是大氣降水。由圖1 1981—2015年試驗(yàn)區(qū)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(xiàn)在1988年，為585 mm;最小值出現(xiàn)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(shì)減少。玉米不同發(fā)育時(shí)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(shì)不明顯;拔節(jié)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(shì)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(shì)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(nèi)部水分向上蒸散、向下滲透及外部降水共同作用、動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。計(jì)算分析結(jié)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(fā)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(shì)，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(jié)期達(dá)到最低值66 mm，說明此時(shí)期土壤水分消耗最多，為土壤水分最匱乏時(shí)期。之后，隨玉米生長(zhǎng)對(duì)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(dá)到最高峰值115 mm，為玉米生育期土壤水分貯存最多的時(shí)段。

統(tǒng)計(jì)分析表明，玉米試驗(yàn)田35年的土壤貯水量隨時(shí)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(shí)間的線性函數(shù)。令W貯（t）′=0，得出土壤貯水量變化速度呈極小值的時(shí)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(jié)期的關(guān)鍵生育階段[3]，為作物需水的關(guān)鍵期及敏感期，土壤貯水量處于最低值時(shí)段。這同多年的實(shí)際測(cè)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(shì)減少。玉米不同發(fā)育時(shí)期土壤貯水量不同，貯水量最大時(shí)期為乳熟期至成熟期，其次為播種期至七葉期，最小時(shí)段在拔節(jié)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(shì)減少。拔節(jié)期至抽雄期土壤平均貯水量為92 mm，最大值出現(xiàn)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(shì)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(xiàn)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(shì)減少。35年來土壤貯水量在玉米生長(zhǎng)的各階段均呈減少趨勢(shì)，其中乳熟期至成熟期線性減少趨勢(shì)最為明顯。據(jù)研究，自20世紀(jì)70年代以來，甘肅旱作區(qū)玉米全生育期降水適宜度呈下降趨勢(shì)[18]?？梢?，氣候暖干化導(dǎo)致土壤貯水量持續(xù)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(fā)。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(shì)（F=60.87>F0.05=8.10，R2=0.646 8，達(dá)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(xiàn)耗水量的第1個(gè)高值點(diǎn)，此期為玉米拔節(jié)的關(guān)鍵生育期，也是植株需水耗水的敏感時(shí)段;7月下旬達(dá)到耗水量的第2個(gè)高值點(diǎn)，此期正值玉米抽雄吐絲開花期，是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為生殖生長(zhǎng)的重要生育階段，水分需求旺盛，加之為一年溫度最高時(shí)段，高溫日數(shù)多，土壤水分蒸散加劇，耗水量達(dá)到全生育期最高，為40 mm。進(jìn)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(jì)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(zhǎng)發(fā)育對(duì)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(duì)較少，補(bǔ)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(tài)，總體累積耗水量增速相對(duì)較緩;6—9月是1年中降水相對(duì)較多的月份，上層土壤水補(bǔ)充比較及時(shí)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(qiáng)，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(shí)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(shí)間的線性函數(shù)。令W耗（t）′=0，得出土壤累積耗水量增加速度變化的最小時(shí)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(wěn)定的一個(gè)時(shí)期。這同多年的實(shí)際測(cè)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(shì)減少。不同發(fā)育時(shí)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(shì)減少;拔節(jié)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(shì)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(shì)不明顯，且2000年以后，隨氣溫增高，特別是高溫日數(shù)的增多，耗水量較苗期明顯增大。拔節(jié)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(dǎo)致耗水強(qiáng)度較播種至七葉期明顯增多，增幅達(dá)57%。

2.3 土壤水分對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

為探究土壤水分變化對(duì)玉米最終產(chǎn)量形成的影響，利用積分回歸法計(jì)算了50 cm土層土壤水分對(duì)地段玉米單產(chǎn)的影響程度。結(jié)果表明，土壤貯水量在播種期至七葉期對(duì)產(chǎn)量影響較小，aj（t）值小于6 kg/（hm2·mm）;拔節(jié)期至抽雄期對(duì)產(chǎn)量的影響迅速加大，最大值出現(xiàn)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(duì)產(chǎn)量的影響逐漸降低。耗水量對(duì)產(chǎn)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(duì)產(chǎn)量影響相對(duì)較小，aj（t）值與貯水量相差不大;拔節(jié)期至抽雄期以后，耗水量對(duì)產(chǎn)量的影響增大速度大于貯水量，最大值出現(xiàn)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(duì)產(chǎn)量的影響小于貯水量（圖6）。說明玉米生長(zhǎng)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(qū)降水量在玉米全生育期4—9月有減少趨勢(shì)。50 cm土層平均貯水量在玉米全生育期及各生長(zhǎng)階段均呈下降趨勢(shì)，土壤貯水量持續(xù)減少，平均耗水量亦呈下降趨勢(shì)，拔節(jié)期至抽雄期耗水量最多。抽雄期土壤貯水量及耗水量對(duì)玉米單產(chǎn)的影響最大。據(jù)有關(guān)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(xiàn)頻次少，但對(duì)玉米生長(zhǎng)影響較大[19]。在玉米全生育期內(nèi)， 干旱引起的水分脅迫以拔節(jié)期至抽雄期最大，抽雄前后是玉米水分需求最多、對(duì)干旱反應(yīng)最敏感的時(shí)期，此期的干旱也稱為“卡脖子旱”，直接影響最終產(chǎn)量。本研究進(jìn)一步說明在氣候變暖背景下，隴東黃土高原玉米生長(zhǎng)受水分脅迫影響較大，尤其在關(guān)鍵生育時(shí)段，由此導(dǎo)致種植風(fēng)險(xiǎn)程度增高。因此，合理安排適播期，創(chuàng)建旱塬區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，加強(qiáng)農(nóng)田科學(xué)管理，積極推廣抗旱栽培、土壤水的科學(xué)利用、農(nóng)田覆蓋等農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害防御技術(shù)及有效保墑節(jié)水技術(shù)措施[20]，減少水分無效消耗，在關(guān)鍵生育期保持適宜土壤濕度，減輕因土壤水分不足對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響是奪取優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵。

某一特定地區(qū)，在其他因子相對(duì)穩(wěn)定的前提下，作物生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量形成主要受制于熱量、水份、光照等氣候條件。而事實(shí)上，作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成除氣候因子外，還會(huì)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(shí)際應(yīng)用中，在分析評(píng)估土壤水分對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響時(shí)，應(yīng)結(jié)合各種因素綜合考量。

本研究所用簡(jiǎn)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(shí)，作物品種不同，需水及耗水特性也會(huì)有一定差異，雖然計(jì)算結(jié)果會(huì)因此有一定的偏差，但對(duì)土壤含水量總體變化趨勢(shì)及特征不會(huì)造成影響，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)及保障秋糧種植安全仍具有較好的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

1981—2015年黃土高原旱塬區(qū)降水量在玉米全生育期為減少趨勢(shì)。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(shì)，土壤貯水量最大時(shí)期為乳熟期至成熟期，其次為播種期至七葉期，最小時(shí)期為拔節(jié)期至抽雄期，拔節(jié)期6月中旬達(dá)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(shì)，6月中旬及7月下旬分別為耗水量的2個(gè)高值時(shí)段。土壤水分貯量最低時(shí)段與耗水最高時(shí)段重疊，玉米拔節(jié)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(zhǎng)階段50 cm土層平均貯水量均呈下降趨勢(shì)，土壤貯水量持續(xù)減少，其中乳熟期至成熟期線性減少趨勢(shì)最明顯。50 cm 土層平均耗水量亦呈下降趨勢(shì)，拔節(jié)期至抽雄期耗水量最多。

在無灌溉條件的黃土高原旱塬區(qū)，土壤水分是影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。玉米產(chǎn)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(duì)玉米單產(chǎn)的可能最大影響均出現(xiàn)在7月中旬，分別為21、27 kg/（hm2·mm）。

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