呂軍杰，張 潔，丁志強(qiáng)，李俊紅，姚宇卿，田文仲

(1 洛陽農(nóng)林科學(xué)院，河南洛陽 471023； 2 中國(guó)農(nóng)科院洛陽旱農(nóng)試驗(yàn)基地，河南洛陽 471023)

河南省是一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，耕地面積815萬公頃左右，其中旱地面積超過三分之一，旱地糧食產(chǎn)量的變化對(duì)全省糧食安全影響較大。保持旱地糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定對(duì)于促進(jìn)全省糧食生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展意義重大。河南省旱地主要分布在西部地區(qū)。該地區(qū)屬半濕潤(rùn)易旱氣候，常年降水量在600 mm左右，種植制度有1年1熟、1年2熟及2年3熟等。為了從土地上獲得更大經(jīng)濟(jì)效益，1年2熟種植模式在生產(chǎn)上的面積越來越大(主要是小麥—玉米1年2熟種植模式)。研究表明，在本地區(qū)降水條件下水分供應(yīng)表現(xiàn)為一季有余兩季不足，季節(jié)性干旱經(jīng)常發(fā)生，作物產(chǎn)量變化較大，旱災(zāi)發(fā)生頻率越來越高，絕收現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，小麥、玉米同時(shí)豐收的現(xiàn)象極少，對(duì)本地區(qū)糧食生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展影響較大[1，2]。目前對(duì)1年1熟種植模式下旱地作物產(chǎn)量、水分供應(yīng)及土壤水分變化方面研究較多，但對(duì)兩熟種植模式下的土壤水分供應(yīng)及利用效率方面系統(tǒng)性研究不多。本文對(duì)2004～2018年小麥—玉米種植模式下的產(chǎn)量、土壤水分及降水等因素變化進(jìn)行研究，并系統(tǒng)分析豫西旱作區(qū)小麥—玉米1年2熟種植模式下土壤水分的周年變化規(guī)律，為提高水分利用效率及生產(chǎn)的持續(xù)性、穩(wěn)定性提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)設(shè)在中國(guó)農(nóng)科院洛陽旱農(nóng)試驗(yàn)基地內(nèi)。土壤為潮褐土，質(zhì)地重壤，耕層容重1.53 g/cm3，田間持水量23.48%。土壤肥力較高，耕層有機(jī)質(zhì)15.8 g/kg，堿解氮62.7 mg/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效鉀166.0 mg/kg。該區(qū)年均氣溫14 ℃，常年降水量600 mm左右(試驗(yàn)?zāi)攴?61.5～732.9 mm，平均539 mm)，且70%集中在6～9月，年蒸發(fā)量1841.7 mm。種植模式為小麥—玉米(旱作)1年2熟。試驗(yàn)始于2004年，到2018年已完成14年的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)為無底水泥池，面積16 m2(4 m×4 m)，設(shè)3次重復(fù)。小麥播種量120～135 kg/hm2，玉米播種密度45 000株/hm2。小麥底施復(fù)合肥750 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，玉米在拔節(jié)期追施尿素300 kg/hm2。小麥播種期10月10～15日，收獲期5月底6月初，小麥?zhǔn)斋@后貼茬播種玉米，玉米收獲期在9月中下旬。

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)記載項(xiàng)目

在小麥、玉米收獲期用烘干法測(cè)定0～200 cm(每20 cm一層)土壤含水量；在試驗(yàn)區(qū)附近用雨量筒人工測(cè)定降水量；整區(qū)收獲脫粒測(cè)定作物產(chǎn)量。

土壤水分含量(%)=(土壤濕重-土壤干重)/土壤干重×100；

2 m土體水分含量(mm)=Σ[每層土壤水分含量×土壤容重(g/cm3)×2]；

水分利用效率(kg/m3)=單位面積產(chǎn)量(kg)/單位面積農(nóng)田耗水量(m3)；

土壤水分變化量(mm)=播種時(shí)土壤水分含量(mm)-收獲時(shí)土壤水分含量(mm)；

作物耗水量(mm)=播種時(shí)土壤水分含量(mm)+降水量(mm)-收獲時(shí)土壤水分含量(mm)；

土壤相對(duì)含水量(%)=土壤含水量/田間持水量×100。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)甓冉邓闆r

降水是旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的唯一水分來源，降水的多少與分布直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，年度間降水的變化也是影響作物產(chǎn)量的重要因素。本地區(qū)小麥需水量420 mm，玉米需水量369 mm[2，3]，年降水量不能滿足1年2熟需要，表現(xiàn)為一季有余兩季不足[4，5]。圖1～3是試驗(yàn)期間年降水變化及小麥、玉米生育期內(nèi)降水變化情況。結(jié)果顯示：降水量年度變化較大，最低的年份僅有300 mm左右，高的近800 mm；年降水量高于常年的豐水年僅有4年，低于常年的有7年；試驗(yàn)期間年平均降水539.9 mm，較洛陽市歷史上常年低了10%左右，表明降水量有減少的趨勢(shì)(圖1)。小麥和玉米生育期內(nèi)平均降水分別為207.2 mm(76.5～322.1 mm)和327.8 mm(217.7～567.4mm)，均低于常年均值，顯著降低的分別有5年和7年，表明該地區(qū)干旱程度及影響有加重趨勢(shì)(圖2、3)。

圖1 不同年度降水量變化

圖2 小麥生育期內(nèi)降水量變化

圖3 玉米生育期內(nèi)降水量變化

2.2 小麥、玉米收獲時(shí)土壤水分變化

旱作區(qū)底墑(作物播種時(shí)土壤含水量)對(duì)播種出苗及產(chǎn)量影響較大。由表1可看出：小麥?zhǔn)斋@期土壤水分為一年間最低值，2 m土體土壤相對(duì)貯水量(土壤貯水量占田間持水量的百分比)平均為56.78%(48.26%～68.53%)，最低時(shí)不足50%；玉米收獲期平均為67.19%(53.00%～99.70%)，土壤水分較小麥?zhǔn)斋@時(shí)平均增加72.9 mm，增加的水分多分布在120 cm土壤層以內(nèi)，深層土壤水分不能得到恢復(fù)；14年間玉米收獲期(雨季未)墑情也僅有4年較好(>70%)，而小麥?zhǔn)斋@期有11年在60%以下，且其他年份均未超過70%，這與旱區(qū)土壤水分周年變化特點(diǎn)一致[6]。

2.3 小麥、玉米產(chǎn)量與不同水分源的相關(guān)性分析

旱地作物的水分來源有播種時(shí)的土壤貯水(底墑)與生育期內(nèi)降水兩部分，這兩部分水分協(xié)調(diào)供應(yīng)才能獲得高產(chǎn)。相關(guān)性分析結(jié)果表明：小麥產(chǎn)量與底墑及耗水量的相關(guān)性極顯著，而與生育期內(nèi)降水相關(guān)性較差；玉米產(chǎn)量與底墑的相關(guān)性顯著，與降水及耗水量相關(guān)性較差；小麥產(chǎn)量與底墑的相關(guān)性高于玉米(表2)。

表1 小麥、玉米收獲期土壤水分變化

表2 小麥、玉米產(chǎn)量與不同水分源的相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著相關(guān)；**表示極顯著相關(guān)。

2.4 小麥、玉米高產(chǎn)的水分條件

適宜的水分供應(yīng)是作物獲得高產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明：小麥耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是獲得高產(chǎn)的水分條件(高產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)：小麥>4500 kg/hm2，玉米>6000 kg/hm2)。小麥則要求底墑提供100 mm以上的有效水分(播種時(shí)土壤水分含量在450 mm以上)加上200 mm左右的生育期內(nèi)降水，如2010、2012、2015年；玉米則需要較多的降水(>250 mm)，且降水的分布比降水量更為重要(這是耗水量大產(chǎn)量并不高及相近的耗水量產(chǎn)量差異較大的原因)，如2011、2014年降水量較大，產(chǎn)量較低，同樣的降水量產(chǎn)量差異較大，如2015、2013年(表3)。

表3 收獲期土壤水分(底墑)、耗水量及產(chǎn)量變化情況

2.5 小麥、玉米水分利用效率變化

水分利用效率與作物產(chǎn)量及耗水量密切相關(guān)，產(chǎn)量高耗水少水分利用效率就高。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同年份間小麥、玉米水分利用效率變化明顯；玉米平均為1.77 kg/m3(0.393～2.421 kg/m3)，小麥平均為1.31 kg/m3(0.500～1.914 kg/m3)，玉米水分利用效率高于小麥，平均高0.46 kg/m3，但變化幅度大于小麥(圖4)。

圖4 不同年份小麥、玉米水分利用效率變化

3 結(jié)論與討論

(1)降水是旱地土壤水分的唯一來源，因此必須針對(duì)本類旱區(qū)降水特點(diǎn)提高水分利用效率，通俗的講就是“保住天上水，用好地中墑”，即提高土壤對(duì)降水的貯蓄能力，減少無效耗水，提高水分利用效率。可應(yīng)用免耕、深松、深耕、覆蓋及改造微地型等技術(shù)提高降水利用率[1，5，9]；利用生物節(jié)水、培肥地力及播種技術(shù)等可提高水分利用能力及效率[10，11]。

(2)底墑水與降水相互作用。底墑是小麥豐產(chǎn)的基礎(chǔ)[7～9]；生育期內(nèi)降水分布對(duì)玉米產(chǎn)量影響巨大。在豫西旱區(qū)小麥—玉米生產(chǎn)模式中，小麥耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是獲得較高產(chǎn)量的水分條件。

(3)作物水分利用效率年度間變化較大，玉米水分利用效率平均高出小麥0.46 kg/m3，進(jìn)一步提高玉米產(chǎn)量有利于提高水分利用效率[11]。

(4)針對(duì)豫西降水特點(diǎn)及小麥、玉米與土壤水分及降水的關(guān)系，在旱作小麥—玉米1年2熟周年生產(chǎn)模式中應(yīng)堅(jiān)持“確保小麥兼顧玉米”的技術(shù)模式，即適當(dāng)減少玉米水分消耗，為小麥生長(zhǎng)提供較多土壤水分，緩解干旱對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響，以提高周年的作物產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率。