程立平， 林 文， 趙玉明， 劉沛松

(1.平頂山學(xué)院，河南平頂山 467000； 2.中國(guó)科學(xué)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(guó)北方重要的冬小麥產(chǎn)區(qū)，該區(qū)冬小麥生育期降水量?jī)H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(yīng)植物生長(zhǎng)，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(duì)土壤水分循環(huán)的影響[2-3]，底墑對(duì)冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)[4-6]，施肥與覆蓋等耕作管理對(duì)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(gè)方面，并取得了一系列重要進(jìn)展。也有一些學(xué)者研究了干旱脅迫對(duì)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(yàn)，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(duì)土壤水分及產(chǎn)量的影響?；诖?，本研究通過對(duì)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(dòng)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(xué)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(zhǎng)武縣，位于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)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(rùn)易旱大陸性季風(fēng)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(zhǎng)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?jǐn)?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(zhǎng)。

1.2 研究方法

本試驗(yàn)在長(zhǎng)武站作物水肥平衡試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)×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(hù)行。2015年9月24日選擇6個(gè)“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(duì)4、5、6號(hào)小區(qū)進(jìn)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(hào)小區(qū)為對(duì)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?zhǔn)崭钊?分別在樣地人工土鉆取土，用烘干法測(cè)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(jì)算產(chǎn)量。

黃土塬區(qū)水量平衡計(jì)算公式一般被簡(jiǎn)化為ET=P-W。

式中：W為土壤儲(chǔ)水量(mm)；θ為土壤含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)；ρ為土壤容重(g/cm3)；h為土層厚度(cm)；ΔW為土壤儲(chǔ)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(jì)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(duì)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(dá)20%。

隨著時(shí)間推移，2塊小麥樣地土壤水分曲線均向左移動(dòng)，但程度不同。從圖1看出，與5月9日相比，6月22日對(duì)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(duì)土壤水分的補(bǔ)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?zhǔn)斋@期2類樣地土壤水分曲線出現(xiàn)明顯的差異，在整個(gè)0～4 m土層范圍內(nèi)遮雨樣地土壤水分含量均低于對(duì)照小麥樣地，這是因?yàn)槌掷m(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(zhǎng)發(fā)育。

2.2 儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化

從5月9日到冬小麥?zhǔn)斋@，對(duì)照樣地和遮雨樣地土壤儲(chǔ)水量分別減少49.8、87.4 mm，遮雨樣地較對(duì)照樣地多消耗土壤儲(chǔ)水量37.6 mm。從圖2看出，對(duì)照樣地土壤儲(chǔ)水量在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)平緩減少，日均減少1.14 mm；遮雨樣地土壤儲(chǔ)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(chǔ)水量平緩減少，日均減少 1.08 mm。其原因可能有2點(diǎn)：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(bǔ)充條件下，只能通過消耗土壤儲(chǔ)水來滿足生長(zhǎng)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(shí)淺層土壤水分狀況差，土壤物理蒸發(fā)小。

2.3 蒸散量動(dòng)態(tài)變化

5月9日起至冬小麥?zhǔn)斋@研究區(qū)累積降水量達(dá)78 mm(圖3)。遮雨樣地由于無降水補(bǔ)充，蒸散量等于土壤儲(chǔ)水量的減少量87.4 mm；而對(duì)照樣地蒸散量為降水量與土壤儲(chǔ)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(yàn)階段2塊樣地蒸散量大小關(guān)系不同，由試驗(yàn)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(duì)照樣地；5月29日之后對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(bǔ)充的遮雨樣地較對(duì)照樣地多消耗37.6 mm土壤儲(chǔ)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(chǔ)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?zhǔn)崭裟陦劇盵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(yīng)小于底墑的效應(yīng)[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(duì)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(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)[5]；本研究?jī)H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(diǎn)。底墑充足能誘導(dǎo)根系相對(duì)較多地向土壤縱深下扎，形成了上層相對(duì)較少、深層相對(duì)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(chǔ)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(duì)照樣地多消耗37.6 mm土壤儲(chǔ)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(duì)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(diǎn)：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(zhǎng)年限而定[15-16]。研究區(qū)土壤濕度低于田間穩(wěn)定濕度時(shí)(田間持水量的70%、15.4%)即認(rèn)為形成土壤干層[17]，由本研究看出，冬小麥?zhǔn)斋@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(duì)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(jì)曲線對(duì)長(zhǎng)武旱作小麥地下降水最大入滲深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(fù)周期更長(zhǎng)的土壤干層。

本研究區(qū)為半濕潤(rùn)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(shí)段是冬小麥田的夏季休閑期，也是土壤水分恢復(fù)補(bǔ)給時(shí)期。而土壤干層內(nèi)水分是否能夠恢復(fù)對(duì)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(fù)，則水庫水分調(diào)蓄功能減弱，下茬小麥生長(zhǎng)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(fù)，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(kuò)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(shí)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(chǔ)水量，顯著改善播前底墑[19-21]，而底墑對(duì)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(shí)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(yīng)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(huì)導(dǎo)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(dá) 3.5 m 土層土壤水分，而對(duì)照樣地僅利用2.2 m以上土層土壤水分；遮雨樣地較對(duì)照樣地多消耗了37.6 mm土壤儲(chǔ)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(chǔ)水的利用率和水分利用效率，但是會(huì)形成深度更深、干燥程度更大、水分恢復(fù)周期更長(zhǎng)的土壤干層，從而對(duì)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(duì)于緩解冬小麥生育后期干旱所帶來的負(fù)面效應(yīng)，保證小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉山. 黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對(duì)陸地水分循環(huán)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1983，3(2)：91-101.

[2]黃明斌，黨廷輝，李玉山. 黃土區(qū)旱塬農(nóng)田生產(chǎn)力提高對(duì)土壤水分循環(huán)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(6)：50-54.

[3]李玉山. 旱作高產(chǎn)田產(chǎn)量波動(dòng)性和土壤干燥化[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2001，38(3)：353-356.

[4]羅俊杰，王 勇，樊廷錄. 旱地不同生態(tài)型冬小麥水分利用效率對(duì)播前底墑的響應(yīng)[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(1)：61-65，71.

[5]孟曉瑜，王朝輝，李富翠，等. 底墑和施氮量對(duì)渭北旱塬冬小麥產(chǎn)量與水分利用的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23(2)：369-375.

[6]李玉山，喻寶屏. 土壤深層儲(chǔ)水對(duì)小麥產(chǎn)量效應(yīng)的研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1980，17(1)：43-54.

[7]柴守璽，楊長(zhǎng)剛，張淑芳，等. 不同覆膜方式對(duì)旱地冬小麥土壤水分和產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào)，2015，41(5)：787-796.

[8]官 情，王 俊，宋淑亞，等. 黃土旱塬區(qū)不同覆蓋措施對(duì)土壤水分及冬小麥水分利用效率的影響[J]. 地下水，2011，33(1)：21-24.

[9]王曉峰，田霄鴻，陳自惠. 不同覆蓋施肥措施對(duì)黃土旱塬冬小麥土壤水分的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20(5)：1105-1111.

[10]李博文，楊長(zhǎng)剛，蘭雪梅，等. 秸稈帶狀覆蓋對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35(2)：14-20.

[11]劉恩科，梅旭榮. 不同生育時(shí)期干旱對(duì)冬小麥氮素吸收與利用的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34(5)：555.

[12]王俊儒，龔月樺，翟丙年，等. 生育后期干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量和生理特性的影響[J]. 土壤通報(bào)，2005，36(6)：908-912.

[13]趙世偉，管秀娟，吳金水. 不同生育期干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水，2001，20(4)：56-59.

[14]任三學(xué)，趙花榮，郭安紅，等. 底墑對(duì)冬小麥植株生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2005，25(4)：79-85.

[15]李玉山. 黃土高原森林植被對(duì)陸地水循環(huán)影響的研究[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(5)：427-432.

[16]楊文治，邵明安. 黃土高原土壤水分研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2000.

[17]程立平，劉文兆. 黃土塬區(qū)土壤水分分布特征及其對(duì)不同土地利用方式的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(9)：203-207.

[18]Liu W Z，Zhang X C，Dang T H，et al. Soil water dynamics and deep soil recharge in a record wet year in the southern Loess Plateau of China[J]. Agricultural Water Management，2010，97(8)：1133-1138.

[19]郭 媛，孫 敏，任愛霞，等. 夏閑期地表覆蓋對(duì)旱地土壤水分、小麥氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)及產(chǎn)量的影響與施氮調(diào)控[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2015，34(7)：1823-1829.

[20]李 青，高志強(qiáng)，孫 敏，等. 夏閑期施肥與覆蓋處理對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量和土壤水分利用的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2011，31(3)：519-523.

[21]張 萌，孫 敏，高志強(qiáng)，等. 旱地麥田休閑期覆蓋保水與植株氮素運(yùn)轉(zhuǎn)及產(chǎn)量的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，27(1)：117-124.