鄭媛媛,陳宗培,王貴彥

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000)

華北平原光熱資源充足，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)保證我國(guó)糧食安全具有重要作用。20世紀(jì)70年代以來(lái)，為了增加糧食產(chǎn)量，該區(qū)域主要種植制度一年一熟轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒陜墒旎騼赡耆?，逐漸形成了目前以生產(chǎn)糧食為主的小麥-玉米一年兩熟種植制度。隨著糧食產(chǎn)量，尤其是主糧小麥產(chǎn)量的進(jìn)一步提升，對(duì)水分的需求逐漸增加，受夏季季風(fēng)氣候影響，該區(qū)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(chǎn)量[2-3]。長(zhǎng)期超采地下水造成了華北平原地下水位持續(xù)下降(年平均下降1m)和鹽水入侵、地面沉降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4-6]，是中國(guó)水資源承載能力最不適合的地區(qū)[7]。在資源性缺水的同時(shí)，由于灌溉管理或缺少水利設(shè)施等因素，農(nóng)田水分利用效率仍偏低[8-10]。

近年來(lái)，針對(duì)小麥-玉米一年兩熟種植制度節(jié)水，從節(jié)水分子育種[11]、調(diào)虧灌溉[10]、覆蓋降蒸[12]、時(shí)量運(yùn)籌、種植制度[13]、土壤耕作及群體空間配置、工程節(jié)水等方面進(jìn)行了理論和技術(shù)研究。其中調(diào)虧灌溉和時(shí)量運(yùn)籌灌溉是生產(chǎn)上尤其是冬小麥生長(zhǎng)期間常用的節(jié)水農(nóng)藝措施。盡管這些技術(shù)的節(jié)水效果明顯，但由于長(zhǎng)期超采，華北平原地下水位仍持續(xù)下降[14]。

小麥-玉米種植制度中，由于小麥生長(zhǎng)期間降水較少，地下水灌溉是補(bǔ)充需水量的重要來(lái)源。其種植面積占華北平原農(nóng)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(nóng)林總灌溉用水量的43.7%，導(dǎo)致華北平原中部地區(qū)由于農(nóng)作物灌溉用水與當(dāng)?shù)厮Y源特征之間處于“嚴(yán)重不適應(yīng)”狀態(tài)或“極嚴(yán)重不適應(yīng)”狀態(tài)。而小麥等夏糧作物種植面積大是“嚴(yán)重不適應(yīng)”的主導(dǎo)因素[15]。盡管在過(guò)去的幾十年中，新品種及各種農(nóng)藝節(jié)水措施的應(yīng)用，使小麥、玉米的水分利用效率不斷提升，但主要貢獻(xiàn)是來(lái)源于產(chǎn)量不斷提高，而30 a中無(wú)論是小麥還是玉米耗水量都不斷增加[1]。此外，受未來(lái)氣候變化影響，21世紀(jì)50 年代黃淮海平原農(nóng)作物蒸散量增幅大于降雨量增幅農(nóng)業(yè)用水虧缺形勢(shì)將更加嚴(yán)峻[16]。

而20世紀(jì)90年代以來(lái)是近60 a華北平原氣候最為干旱時(shí)期，也是小麥玉米種植規(guī)模和產(chǎn)量歷史性高產(chǎn)期，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)開(kāi)采量顯著增加。因此，農(nóng)業(yè)灌溉超采用水是華北平原地下水水位下降的主導(dǎo)因素，與耗水農(nóng)作物的種植規(guī)模和氣候持續(xù)干旱密切相關(guān)[15]。尋找替代傳統(tǒng)小麥-玉米兩熟的種植制度，進(jìn)一步減少耗水作物種植，是減緩或停止地下水位進(jìn)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(chǎn)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(guān)注了小麥-玉米替代種植制度的節(jié)水效果，但主要集中于作物生長(zhǎng)季內(nèi)的土壤水分消耗和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的獲取，當(dāng)冬小麥減少種植面積或不種植時(shí)，土地就會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的休閑，這段時(shí)間由于地表雜草和蒸發(fā)的影響，水分消耗一直在持續(xù)。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(duì)象，以周年土壤水分消耗為時(shí)間范圍，對(duì)不同種植制度的周年作物產(chǎn)量和水分利用效率等進(jìn)行系統(tǒng)分析，為該區(qū)域建立糧食生產(chǎn)和水分可持續(xù)利用的種植制度和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2014年10月—2016年11月在河北景縣進(jìn)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(zhǎng)季(10月—次年5月)年平均降水量65～100 mm。試驗(yàn)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(yàn)地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況為PH值7.81、有機(jī)質(zhì)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(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤水分狀況

2014—2016年試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，各處理施肥、灌溉等管理措施見(jiàn)表2。

試驗(yàn)用小麥品種為鑫麥296，夏玉米為君實(shí)9號(hào)；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(hào)，夏玉米為浚單29。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)排列，不同處理間設(shè)3 m隔離區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積20 m×20 m。

在小麥、玉米生長(zhǎng)期每20 cm為一層次用土鉆取土，采用烘干法測(cè)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(bǔ)給量-徑流量-滲漏量，單位mm。因本研究區(qū)域地勢(shì)平坦，試驗(yàn)地點(diǎn)的地下水埋深10 m以下，灌溉時(shí)利用水表控制灌溉量。因此，計(jì)算公式中的地下水補(bǔ)給量、滲漏量、徑流量均忽略不計(jì)。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植制度作物產(chǎn)量

表3為不同種植制度的作物產(chǎn)量、總產(chǎn)量和收獲指數(shù)。2 a內(nèi)，CK的總產(chǎn)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(duì)CK總產(chǎn)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(xiàn)出了較高的產(chǎn)量，這與夏玉米生長(zhǎng)期間充足的光溫和降水等密切相關(guān)。2 a間，A2總產(chǎn)量2016年比2015年低36.9 %，這主要是由于2016年春玉米開(kāi)花期到收獲期(4月19日—6月12日)降雨量為360.5 mm，連續(xù)的低溫寡照導(dǎo)致春玉米減產(chǎn)；在夏玉米播種的前2 d(7月20日)降雨量達(dá)到107.7 mm，播種到拔節(jié)期(6月12日—7月7日)降雨量達(dá)到216.9 mm，大量的降雨導(dǎo)致夏玉米減產(chǎn)。A3處理同樣受降雨影響造成其2016年產(chǎn)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(chǎn)量、生物量和收獲指數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)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(chǎn)量是由作物的復(fù)種指數(shù)決定，復(fù)種指數(shù)越高，其產(chǎn)量越高。3種作物中，夏玉米收獲指數(shù)最高。

2.2 不同種植制度周年土壤水分動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài) 圖1為各處理2 m土層2 a間土壤水分變化動(dòng)態(tài)，冬小麥-夏玉米(CK)一年兩熟中，2015年小麥?zhǔn)斋@后(2015年6月10日)，土壤貯水量相對(duì)播種時(shí)(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?zhǔn)斋@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(jié)束，各層土壤水分含量與初始狀態(tài)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?zhǔn)斋@后，0～80 cm 的土壤貯水量?jī)H比該層凋萎含水量高13.7%，小麥生長(zhǎng)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(jié)束，由于夏玉米生長(zhǎng)處于雨季，之前消耗的土壤水分得到補(bǔ)充，土壤含水量上升。第二季春玉米播種時(shí)間為2016年3月27號(hào)，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(shí)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(shí)(2016年11月10日)，A2完成第二個(gè)種植周期，與第一季初始狀態(tài)相比，各層土壤水分含量會(huì)與初始狀態(tài)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(dòng)態(tài)/%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(fā)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(fù)。2 a種植周期結(jié)束后，0～100 cm 土層水分含量與初始狀態(tài)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(zhǎng)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(fā)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(nèi)各種植制度耗水組成及水分利用效率?？梢钥闯?，2 a種植周期結(jié)束后，2 a內(nèi)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(chǎn)來(lái)看，水分利用效率A1最大，但各處理之間沒(méi)有顯著差異。從各種植制度作物生育期內(nèi)的耗水組成和水分利用效率來(lái)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(gòu)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(zhǎng)期間，由于降水較多，土壤庫(kù)容得到恢復(fù)。

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(guān)，冬小麥由于生長(zhǎng)期間降水較少，消耗了較多的土壤水；當(dāng)減少或不種植耗水較多的冬小麥時(shí)，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?yàn)樗值南拗剖沟迷摰貐^(qū)糧食安全和水分可持續(xù)發(fā)展不能受到保障[20]，尤其是衡水等深層水嚴(yán)重超采區(qū)，作物灌溉用水強(qiáng)度與總水資源承載力之間呈現(xiàn)“極嚴(yán)重不適應(yīng)”狀態(tài)，屬于自然水資源緊缺地區(qū)，不宜大規(guī)模發(fā)展高耗水作物[15]。因此，在保證糧食供應(yīng)的前提下，適當(dāng)減小冬小麥-夏玉米這種種植模式的栽培面積，以減少對(duì)該地區(qū)地下水的開(kāi)采，有利于緩解該地區(qū)水資源緊缺狀況。

本研究結(jié)果表明，在相同的農(nóng)田管理?xiàng)l件下，當(dāng)冬小麥種植面積減少或不種植時(shí)，雖然產(chǎn)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(guān)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(chǎn)量有所降低，但耗水量也降低200 mm以上的結(jié)論一致[21-23]。但對(duì)于替代傳統(tǒng)的小麥-玉米種植制度來(lái)說(shuō)，從種植制度周年生產(chǎn)考慮時(shí)，除作物生長(zhǎng)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(fā)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(jù)本研究測(cè)定結(jié)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(guān)措施，會(huì)直接影響下季作物播種期的土壤水分含量。因此，對(duì)于一年一熟或隔年種植小麥種植制度中的休閑期，應(yīng)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(nóng)田覆蓋技術(shù)減少的無(wú)效蒸發(fā)量是作物總耗水量的28.0%～46.0%[15]。陳夢(mèng)楠等[25]在旱地麥田休閑期覆蓋也得到了相同結(jié)論，休閑期進(jìn)行覆蓋至播種期0～300 cm 內(nèi)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(qiáng)不同種植制度的周年水分管理是提高系統(tǒng)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(gòu)成和水分利用效率

另外，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平和人均收入不斷提升，人們對(duì)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(zhì)產(chǎn)量及營(yíng)養(yǎng)和能量產(chǎn)量看，可以為養(yǎng)殖提供更多的精飼料、粗飼料及解決相應(yīng)的能量需求[26]，而且在生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，在早春和晚夏種植高飼養(yǎng)品質(zhì)的青貯玉米品種，可以為奶牛等養(yǎng)殖提供高品質(zhì)青貯飼料，降低精飼料成本，這也為本區(qū)域?qū)崿F(xiàn)“糧改飼”提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

5種種植制度中， 2個(gè)種植周期內(nèi)，A1、A2、A3和A4相對(duì)CK經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)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(zhǎng)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(dāng)前小麥-玉米一年兩熟種植制度的重要補(bǔ)充，對(duì)促進(jìn)本區(qū)域糧食生產(chǎn)和水分可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。