賈建英,趙俊芳,萬 信,韓蘭英,王小巍,梁 蕓,申恩青

1 西北區(qū)域氣候中心,蘭州 730020 2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081

黃土高原不同降水區(qū)休閑期土壤貯水效率及其對(duì)冬小麥水分利用的影響

賈建英1,*,趙俊芳2,萬 信1,韓蘭英1,王小巍1,梁 蕓1,申恩青1

1 西北區(qū)域氣候中心,蘭州 730020 2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081

土壤貯水是影響黃土高原冬小麥生產(chǎn)力的最重要因素,分析休閑期貯水效率對(duì)有效利用水資源具有重要意義。利用黃土高原旱作區(qū)4個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站土壤水分長(zhǎng)期觀測(cè)資料和冬小麥產(chǎn)量資料,探討了不同氣候區(qū)休閑期土壤貯水和耗水特征及對(duì)冬小麥水分利用的影響。結(jié)果表明：(1)黃土高原旱作區(qū)休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤(rùn)區(qū)為9 1mm,貯水效率為30.7%,半干旱區(qū)為32 mm,貯水效率為16.5%,且不同降水年型、不同氣候區(qū)休閑期貯水量和貯水效率差別較大；(2)黃土高原旱作區(qū)1 m土層貯水量從土壤解凍至封凍期間基本呈波谷型分布,休閑期為主要貯水階段,冬小麥返青—開花期為休閑期貯水的主要消耗階段。半濕潤(rùn)區(qū)休閑期土壤貯水量主要消耗在起身至開花期,半干旱區(qū)主要消耗在越冬至拔節(jié)期；(3)黃土高原旱作區(qū)播種—越冬前消耗0—40 cm土層貯水,越冬-起身期各土層貯水量都有消耗,起身—開花期半濕潤(rùn)區(qū)主要消耗0—40 cm土層貯水量、半干旱區(qū)主要消耗0—60 cm土層貯水量,開花—成熟期半濕潤(rùn)區(qū)主要消耗40 mm以下土層貯水量、半干旱區(qū)主要消耗60 cm以下土層貯水量；(4)黃土高原休閑期貯水效率與冬小麥產(chǎn)量顯著相關(guān),半濕潤(rùn)區(qū)水分利用效率遠(yuǎn)高于半干旱區(qū)。黃土高原不同區(qū)域降水時(shí)空分布不均和土壤貯水能力的差異是造成不同氣候區(qū)休閑期水分貯存差異的主要原因,通過調(diào)整耕作方式、水肥管理、種植結(jié)構(gòu)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冬小麥增產(chǎn)和水分高效利用。

黃土高原;休閑期；土壤貯水；冬小麥；水分利用效率

Abstract： Soil water storage is the primary factor affecting crop productivity in the Loess Plateau in western China. It is important to analyze soil water storage efficiency in the fallow period for utilizing water resources efficiently. In the present study, we collected data on soil water content and winter wheat production over multiple years from four agronomic observatory stations located in semi-arid and semi-humid areas. We also analyzed the effects of soil water storage and consumption in the fallow period on winter wheat water use efficiency and yield in different precipitation areas of the Loess Plateau. The results showed that: (1) in semi-humid and semi-arid areas, the average soil water storage and efficiency in the fallow period were 91 mm (30.7%) and 32 mm (16.5%) in 1 m depth, respectively, which were very different in different rainfall years. (2) The soil water storage in 1 m depth was trough type distribution from the soil thawed to frozen. The storage was mainly consumed in the fallow period and from standing to flowering in semi-humid areas and from over wintering to jointing in semi-arid areas. (3) Soil water storage in the fallow period of the Loess Plateau was consumed in 0—40 cm depth during the seeding period and was consumed in 1 m depth from over wintering to standing. In semi-humid areas, the storage was mainly consumed in 0—40 cm depth from standing to flowering and below 40 cm depth from flowering to maturity. In semi-arid areas, the storage was mainly consumed in 0—60 cm depth from standing to flowering and below 60 cm depth from flowering to maturity. (4) Soil water storage efficiency in the fallow period was significantly correlated with yield of winter wheat. In semi-humid areas, water use efficiency of winter wheat was higher than that in semi-arid areas. The difference of soil water storage in the fallow period in different climate regions of the Loess Plateau was due to uneven spatial and temporal distribution of precipitation and different soil water storage capacity by adjusting the modes of farming, water and fertilizer management, and planting structure to further increase winter wheat yield and water use efficiency.

KeyWords: Loess Plateau; fallow period; soil water storage; winter wheat; water use efficiency

黃土高原位于中國(guó)中部偏北,橫跨青、甘、寧、內(nèi)蒙古、陜、晉、豫7省區(qū),是中國(guó)傳統(tǒng)的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。黃土高原屬(暖)溫帶(大陸性)季風(fēng)氣候,氣候較干旱,降水時(shí)空分布不均,年平均降水量約為200—600 mm,且主要集中在夏秋季[1- 2]。黃土高原土層厚度在50—80 m之間,黃土顆粒細(xì),土質(zhì)松軟,是天然的“土壤水庫(kù)”[3- 5],深厚的黃土覆蓋為降水資源轉(zhuǎn)化為土壤水分創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件[6- 8],研究夏秋季黃土高原土壤貯水能力及水分利用特征對(duì)有效利用水資源及科學(xué)管理有重要意義。

冬小麥?zhǔn)歉拭C主要糧食作物之一,分散種植于隴東黃土高原、隴西黃土高原和隴南徽成盆地,其區(qū)域橫跨半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū),干旱是最主要的影響因素[8- 9]。Su等[10]研究表明作物生育期的耗水量一部分來自播前土壤水分,一部分來自生育期降水。Casa等[11]研究表明種植時(shí)土壤水分對(duì)冬小麥水分利用效率有一定的影響。一些研究者也就黃土高原土壤水分下滲[12- 14]、蒸發(fā)[15- 16]以及休閑期不同耕作模式[17- 21]、不同水肥耦合處理[22-26]等措施對(duì)翌年旱作區(qū)冬小麥貯水增產(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行了研究。李德帥等[13]利用2010年全年的觀測(cè)資料,對(duì)隴中黃土高原半干旱區(qū)土壤水分的年變化和日變化特征進(jìn)行了研究。鄧振鏞等[4- 5]研究認(rèn)為黃土高原冬小麥全生育期降水量只能滿足耗水量的65%—95%,有5%—35%的耗水量是從播前土壤貯水量補(bǔ)給的。因此,土壤貯水量是該區(qū)域冬小麥生產(chǎn)力最重要因素之一。羅俊杰等[27-28]通過夏季休閑期模擬底墑試驗(yàn)得出,播前底墑對(duì)隴東旱作農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率有顯著的影響,通過提高底墑,對(duì)于穩(wěn)定產(chǎn)量有較大貢獻(xiàn)。侯賢清等[18]通過試驗(yàn)研究表明,夏閑期保護(hù)性耕作模式改善了麥田的土壤水分狀況,且顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。王全九等[22]利用不同的水肥耦合處理試驗(yàn),研究了不同水肥耦合處理下夏閑期降水對(duì)土壤水分補(bǔ)給量以及對(duì)翌年作物耗水量、水分利用效率、產(chǎn)量等的影響。以上結(jié)果均是在特定區(qū)域位點(diǎn)、特定時(shí)間取得,而利用長(zhǎng)時(shí)間序列土壤水分觀測(cè)資料,針對(duì)黃土高原不同氣候區(qū)休閑期土壤貯水規(guī)律及對(duì)冬小麥水分利用影響的研究則較少。本文利用黃土高原不同氣候區(qū)4個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)(觀測(cè))站土壤水分長(zhǎng)期觀測(cè)資料,探討了休閑期土壤貯水和耗水特征及對(duì)冬小麥水分利用的影響,以期為黃土高原水資源的有效利用和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料及來源

根據(jù)年降水量對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)滿足程度劃分水分氣候區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[3],本文選擇黃土高原旱作區(qū)半干旱區(qū)(年降水量300—450 mm)、半濕潤(rùn)區(qū)(年降水量450—600 mm)氣候區(qū)的4個(gè)冬小麥農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)(觀測(cè))站固定觀測(cè)地段1 m土層實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),所選測(cè)站環(huán)縣(農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站,年降水量409.2 mm)、通渭(農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站,年降水量390.6 mm)定為半干旱區(qū),西峰(農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,年降水量527.2 mm)、麥積(農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,年降水量503.3 mm)定為半濕潤(rùn)區(qū),4個(gè)測(cè)站均位于黃土高原的甘肅省境內(nèi)。測(cè)定時(shí)間：西峰、麥積為1981—2014年,環(huán)縣為1982—1997年(1997年以后,觀測(cè)地段改種其他作物),通渭為1984、1985、1990、1991、1993—1996、1998、2004、2010—2012年(該固定觀測(cè)地段在其他年份改種其他作物)。

4測(cè)站冬小麥平均發(fā)育期資料來源于4個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)(觀測(cè))站1981—2014年冬小麥發(fā)育期觀測(cè)資料,為了與土壤水分觀測(cè)日期相對(duì)應(yīng),均按逢8舍入為準(zhǔn)(表1),產(chǎn)量資料來源于《甘肅省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

表1 4測(cè)站冬小麥平均生育期

1.2 土壤水分測(cè)定方法

土壤水分測(cè)定時(shí)段為每年3月上旬至11月上旬,每旬逢8日測(cè)定(8日、18日、28日),采用土鉆法進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定,測(cè)定深度為100 cm,每間隔10 cm 取一次樣土,測(cè)定4 個(gè)重復(fù),烘干法測(cè)定土壤含水量(%)。

1.3 研究方法

土壤貯水量：

W=h×a×b×10/100

(1)

式中,W為土壤貯水量(mm)；h為土壤厚度(cm)；a為土壤容量(g/cm3)；b為土壤含水量(%)。

貯水效率[18]：

WSE=D/R1×100%

(2)

式中,WSE 為土壤貯水效率(%)；D為某時(shí)期一定土層中增加的貯水量(mm)；R1為同時(shí)期降水量(mm)。

土壤水分變化速率：

WCV=C/T

(3)

式中,WCV為土壤水分變化速率(mm/d),當(dāng)WFV>0時(shí)為土壤貯水過程,WFV<0時(shí)為土壤耗水過程；C為某時(shí)期一定土層中貯水變化量(mm)；T為同時(shí)期的天數(shù)(d)。

水分利用效率[19]：

WUE=Y/ET=Y/(R2+ΔW)

(4)

式中, WUE 為水分利用效率(kg hm-2mm-1)；Y為小麥產(chǎn)量(kg/hm2)；ET為作物全年耗水量(mm)；R2為生育期降水量(mm); ΔW為計(jì)算時(shí)段內(nèi)土壤貯水量的變化(mm)。

貯水量消耗百分率：

WCP=S/W0×100%

(5)

式中,WCP為某時(shí)期冬小麥對(duì)休閑期土壤貯水量消耗百分率(%)；S為某時(shí)期一定土層中減少的貯水量(mm)；W0為休閑期土壤貯水量(mm)。

貯水量占耗水量百分率：

WSP=S/ET1×100%

(6)

式中,WSP為某時(shí)期冬小麥對(duì)休閑期土壤貯水消耗量占同時(shí)期冬小麥總耗水量的百分率(%)；ET1為同時(shí)期冬小麥耗水量(mm),方法與式(4)中ET相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 休閑期降水對(duì)黃土高原不同氣候區(qū)土壤貯水的影響

2.1.1 休閑期黃土高原降水特征分析

從4測(cè)站觀測(cè)年冬小麥休閑期、不同發(fā)育時(shí)期及全生育期多年平均降水量來看(圖1),西峰、通渭2測(cè)站休閑期降水與冬小麥全生育期降水相當(dāng),分別占全年降水量的49.8%、50.6%；麥積、環(huán)縣2測(cè)站休閑期降水分別顯著多于全生育期降水128、60 mm,分別占全年降水量的62.4%、57.0%。降水的季節(jié)分配與冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)段不匹配,導(dǎo)致休閑期降水對(duì)黃土高原旱作區(qū)冬小麥生產(chǎn)至關(guān)重要。

圖1 4測(cè)站冬小麥不同時(shí)期平均降水量Fig.1 Average precipitation of winter wheat different stages at 4 observatory stations

2.1.2 不同降水年型對(duì)休閑期1m土層貯水的影響

休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤(rùn)區(qū)為91 mm,貯水效率為30.7%；而半干旱區(qū)為32 mm,貯水效率為16.5%。不同氣候區(qū)、不同降水年型(降水偏多年降水距平百分率≥20%,降水偏少年降水距平百分率≤-20%,降水正常年介于兩者之間)休閑期貯水量和貯水效率差別較大(表2)。

表2 不同氣候區(qū)不同降水年型休閑期降水利用狀況

(1)半濕潤(rùn)區(qū),降水偏多年休閑期貯水量平均為148.9 mm,貯水效率為37.5%；降水偏少年休閑期貯水量?jī)H為28.7 mm,貯水效率為21.2%；降水正常年介于兩者之間,貯水量和貯水效率分別為88.5 mm、29.2%。(2)半干旱區(qū)：2測(cè)站間不同降水年型差別也較大,降水偏多年休閑期貯水量環(huán)縣和通渭分別為110.0、36.6 mm,貯水效率分別為28.4%、16.3%；降水偏少年休閑期貯水量環(huán)縣為-64.0 mm,即休閑期降水量小于蒸發(fā),貯水效率為-71.2%,通渭貯水量和貯水效率分別為15.4 mm、10.4%；降水正常年環(huán)縣貯水量和貯水效率分別為31.8 mm、14.5%,通渭貯水量和貯水效率分別為21.2 mm、14.1%。

2.2 休閑期土壤貯水與冬小麥耗水的關(guān)系

2.2.1 黃土高原不同氣候區(qū)1 m土層貯水量變化特征分析

圖2 4測(cè)站3月8日—11月8 日1 m土層多年平均貯水量 Fig.2 Average soil water storage in 1m depth from Mar 8 to Nov 8 at 4 observatory stations

黃土高原半濕潤(rùn)區(qū)從土壤解凍至封凍期間1 m土層貯水量基本呈波谷型分布(圖2)：從冬小麥返青起身至拔節(jié)前,貯水量以0.54 mm/d的速率逐漸減少,拔節(jié)至開花期隨著冬小麥需水量增加,1 m土層貯水量以1.1 mm/d的速率迅速減少,開花至成熟期以0.27 mm/d的速率緩慢減少,休閑期是土壤貯水的關(guān)鍵時(shí)期,貯水量平均以0.97 mm/d速率不斷增加,為冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育蓄足水分,播種至越冬前自然降水基本滿足冬小麥所需水分,土壤貯水量與播種前變化不大。

而半干旱區(qū)代表測(cè)站土壤解凍至封凍期間1 m土層貯水量變化曲線呈不明顯的波谷型分布,且兩代表測(cè)站變化特征有所不同：環(huán)縣返青至拔節(jié)期貯水量以0.12 mm/d的速率減少,拔節(jié)至開花期以0.52 mm/d的速率減少,開花至成熟期以0.15 mm/d的速率減少,休閑期1 m土層貯水量則以0.42 mm/d的速率增加,播種至越冬前貯水量變化不明顯；通渭返青至起身期貯水量以0.13 mm/d的速率減少,起身至拔節(jié)期以0.60 mm/d的速率減少,而拔節(jié)至成熟期則以0.10 mm/d的速率增加,休閑期貯水速率為0.38 mm/d,播種至越冬前貯水量變化也不明顯。

由此可見,黃土高原休閑期土壤貯水對(duì)冬小麥整個(gè)生育期都有重要作用,當(dāng)自然降水不能滿足冬小麥需水量時(shí),土壤貯水就如地下水庫(kù)不斷輸送水分滿足冬小麥生長(zhǎng)所需水分。

2.2.2 休閑期1 m土層貯水對(duì)不同生育階段冬小麥耗水的貢獻(xiàn)

當(dāng)冬小麥某一發(fā)育階段自然降水不能滿足作物需水量時(shí),黃土高原休閑期土壤貯水便及時(shí)補(bǔ)給冬小麥所需水分,因而對(duì)黃土高原冬小麥不同生育階段都有重要作用,且不同發(fā)育階段貢獻(xiàn)不同(表3)。

表3 4測(cè)站貯水量不同發(fā)育時(shí)段耗水百分率及對(duì)冬小麥的貢獻(xiàn)

WCP: 冬小麥對(duì)休閑期土壤貯水量消耗百分率; WSP: 冬小麥對(duì)休閑期土壤貯水消耗量占同時(shí)期冬小麥總耗水量的百分率

半濕潤(rùn)區(qū)休閑期土壤貯水量大、貯水效率高,貯水量主要消耗在起身至開花期,且在此階段貯水量占該生育階段冬小麥耗水量的一半左右：播種至越冬前2測(cè)站基本不消耗休閑期貯水量,麥積測(cè)站還能盈余部分降水貯存在土壤中；越冬至起身期麥積測(cè)站由于降水少,冬小麥耗水量61.7%來源于休閑期貯水,共消耗休閑期貯水量的37.6%,西峰測(cè)站消耗休閑期貯水量的20.9%,占該階段冬小麥耗水量的29.8%；起身至拔節(jié)期是黃土高原少雨時(shí)段,易發(fā)生春旱,2測(cè)站冬小麥50%左右耗水依賴于休閑期土壤貯水；拔節(jié)至開花期是冬小麥需水關(guān)鍵時(shí)期,也是全生育期耗水量的最大階段,黃土高原半濕潤(rùn)區(qū)降水量逐漸增多,但依舊不能滿足冬小麥需水量,42%—46%的水分依賴于休閑期的貯水量,共消耗休閑期貯水量的32%—41%；開花至成熟期消耗休閑期貯水量的12%—20%,占該階段冬小麥耗水量的12%—17%。

半干旱區(qū)休閑期土壤貯水量相對(duì)少、貯水效率低,主要消耗在越冬至拔節(jié)期：播種至越冬前,消耗休閑期貯水量15%左右；越冬至起身期,冬小麥耗水量23%—30%來源于休閑期貯水,共消耗休閑期貯水量的23%—33%；起身至拔節(jié)期通渭測(cè)站冬小麥耗水量51.3%依賴于休閑期貯水量,共消耗休閑期貯水量的68.4%,環(huán)縣測(cè)站消耗休閑期貯水量的24.4%,占該階段冬小麥耗水量的37.8%；拔節(jié)—開花期、開花—成熟期,環(huán)縣測(cè)站分別消耗休閑期貯水量25.4%、12%,分別占該階段冬小麥耗水量的18.1%、6.8%,通渭測(cè)站由于生育期偏晚,拔節(jié)普遍進(jìn)入夏季相對(duì)多雨時(shí)段,且本身休閑期貯水量已基本消耗殆盡,所以冬小麥拔節(jié)至成熟期所需水量主要依賴于自然降水。

2.2.3休閑期不同土層土壤貯水與冬小麥不同生育階段耗水的關(guān)系

圖3 半濕潤(rùn)區(qū)(西峰測(cè)站)3月8日—11月8日不同土層多年平均貯水量Fig.3 Average soil water storage in different depths from Mar 8 to Nov 8 in Sub-humid areas

半濕潤(rùn)區(qū)冬小麥不同發(fā)育時(shí)期,不同土層土壤水分變化特征為(圖3、4)：休閑期平均以0.21 mm/d速率貯水,20—40 cm土層貯水量最多,40 cm以下土層貯水量逐層遞減；播種—越冬前,0—40 cm土層為水分消耗階段,40 cm以下土層仍為貯水階段,且隨土層加深貯水量逐層增多,平均貯水速率為0.03 mm/d；越冬—起身期各土層平均以0.03 mm/d速率消耗休閑期貯水；起身—開花期為休閑期貯水量的主要消耗階段,起身—拔節(jié)期、拔節(jié)—開花期各土層分別以0.32、0.23mm/d速率消耗貯水；開花—成熟期主要消耗40 mm以下土層貯水量,平均消耗速率為0.12 mm/d,伴隨降水量的增多,0—20 cm土層開始貯水,20—40 cm土層基本維持水分供需平衡。

圖4 半濕潤(rùn)區(qū)(西峰測(cè)站)冬小麥不同時(shí)期不同土層多年平均土壤水分變化速率Fig.4 Average soil moisture change rate of winter wheat different stages in different depths in Sub-humid areas

半干旱區(qū)冬小麥不同發(fā)育時(shí)期,不同土層水分變化特征則表現(xiàn)為(圖5，圖6)：休閑期平均以0.08 mm/d速率貯水,40—60 cm土層貯水量相對(duì)最多；播種—越冬前,主要以0—40 cm土層耗水為主,平均消耗速率為0.06 mm/d；越冬-起身期平均消耗速率為0.01 mm/d,起身—拔節(jié)期主要消耗0—60 cm土層貯水量,平均消耗速率為0.14 mm/d,拔節(jié)—開花期各土層平均消耗速率為0.07 mm/d；開花—成熟期平均消耗速率為0.03 mm/d,伴隨降水量的增多,0—20 cm土層開始貯水。

圖5 半干旱區(qū)(環(huán)縣測(cè)站)3月8日—11月8日不同土層多年平均貯水量Fig.5 Average soil water storage in different depths from Mar 8 to Nov 8 in Sub-arid areas

2.4休閑期貯水與不同氣候區(qū)冬小麥水分利用效率和產(chǎn)量的關(guān)系

由于降水時(shí)空差異和土壤持水性的不同,不同氣候區(qū)冬小麥全生育期耗水量不同,因而休閑期貯水占冬小麥耗水百分率、水分利用效率也不同(表4)：半濕潤(rùn)區(qū)休閑期貯水占冬小麥全生育期耗水量的24%—32%,水分利用效率為7.16—9.73 kg hm-2mm-1；半干旱區(qū)休閑期貯水占冬小麥全生育期耗水量的13—17%,水分利用效率為3.37—3.93 kg hm-2mm-1。半濕潤(rùn)區(qū)休閑期貯水量占冬小麥耗水百分率、水分利用效率均遠(yuǎn)高于半干旱區(qū)。休閑期貯水效率與黃土高原冬小麥產(chǎn)量存在顯著相關(guān)性,因此在冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)服務(wù)中,須將休閑期降水考慮進(jìn)去。

圖6 半干旱區(qū)(環(huán)縣測(cè)站)冬小麥不同時(shí)期不同土層多年平均土壤水分變化速率Fig.6 Average soil moisture change rate of winter-wheat different stages in different depths in Sub-arid areas

氣候區(qū)Climateregion測(cè)站Observatorystation休閑期貯水占冬小麥耗水百分率Soilwaterstorageinfallowperiodaccountingofwinter-wheatwaterconsumption/%水分利用效率WUE/(kghm-2mm-1)貯水效率與產(chǎn)量相關(guān)性CorrelationbetweenWSEandyield半濕潤(rùn)區(qū)西峰24.179.730.451**Sub-humidregion麥積32.287.160.419**半干旱區(qū)環(huán)縣17.093.370.677**Sub-aridregion通渭13.153.930.522**

**表示通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)；WSE, 貯水效率

3 結(jié)論與討論

(1)土壤貯水是影響黃土高原冬小麥生產(chǎn)力的最重要因素。鄧振鏞等[4]研究表明,黃土高原1 m土層最大貯水量和最適宜貯水量分別為270—331 mm和216—265 mm,但實(shí)際貯水量1 m土層為111—269 mm。羅俊杰等[27-28]研究表明,底墑充足可顯著提高冬小麥產(chǎn)量,不同生態(tài)類型冬小麥的平均產(chǎn)量在高底墑條件下分別比在中、低底墑條件下提高28%和23%,水分利用效率分別提高70%和75%。本研究表明,黃土高原旱作區(qū)休閑期1 m土層多年平均貯水量半濕潤(rùn)區(qū)為91 mm,貯水效率為30.7%；半干旱區(qū)為32 mm,貯水效率為16.5%。不同降水年型、不同氣候區(qū)休閑期貯水量和貯水效率差別較大。一方面是由于休閑期黃土高原降水量時(shí)空分布不均,半濕潤(rùn)區(qū)的西峰、麥積休閑期降水量分別為272.8、318.2 mm,而半干旱區(qū)的環(huán)縣、通渭僅為225.3、163.8 mm；另一方面是由于兩個(gè)氣候區(qū)土壤貯水能力的差別,半濕潤(rùn)區(qū)的西峰和麥積1 m土層最大貯水量分別為295、328 mm,半干旱區(qū)的環(huán)縣和通渭分別為271、277 mm；此外,還與當(dāng)?shù)氐母鞣绞?、水肥管理措施等有關(guān),進(jìn)而影響了半濕潤(rùn)區(qū)冬小麥水分利用效率和產(chǎn)量均遠(yuǎn)高于半干旱區(qū)。

(2)客觀定量分析黃土高原不同氣候區(qū)休閑期土壤貯水規(guī)律和耗水特征,對(duì)充分利用休閑期降水具有重要意義。鄧振鏞等[5]研究表明,黃土高原冬小麥苗期主要利用淺中層土壤水,生殖生長(zhǎng)階段主要利用中層和深層土壤水,而且愈往生長(zhǎng)后期土層愈有加深的趨勢(shì)。本研究表明,黃土高原旱作區(qū)土壤貯水量從土壤解凍至封凍期間1 m土層基本呈波谷型分布。返青至成熟期為耗水階段,半濕潤(rùn)區(qū)主要消耗在起身至開花期,半干旱區(qū)主要消耗在越冬至拔節(jié)期,土壤水分消耗速率與降水年型、冬小麥發(fā)育階段需水量相關(guān),且不同土層消耗速率不同；休閑期至播種期為貯水階段,土壤貯水速率與土壤持水性、降水年型有關(guān)。

(3)科學(xué)的耕作措施,可改善土壤結(jié)構(gòu),充分利用自然降水,減少土壤水分的無效蒸發(fā),從而達(dá)到貯水保墑,提高水分利用率的目的[17-21]。合理的水肥耦合抑制土壤蒸發(fā),增加土壤貯水保墑能力,促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高作物產(chǎn)量[22-26]。在半濕潤(rùn)區(qū),如何多接納并保蓄休閑期天然降雨,充分發(fā)揮“伏秋雨春用”的作用,必須在耕作、肥力、管理等措施上做到位。在半干旱區(qū)氣候暖干年份要調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu),適當(dāng)控制冬小麥播種面積,擴(kuò)大耐旱作物和飼草作物面積以及實(shí)行輪作倒茬等措施。

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EffectsofsoilwaterstorageefficiencyonwinterwheatwateruseefficiencyindifferentprecipitationareasduringthefallowperiodintheLoessPlateau,westernChina

JIA Jianying1,*, ZHAO Junfang2, WAN Xin1, HAN Lanying1, WANG Xiaowei1, LIANG Yun1, SHEN Enqing1

1NorthwestRegionalClimateCenter,Lanzhou730020,China2ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201506016);國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406036);甘肅省氣象局氣象科研項(xiàng)目(2015- 14)

2016- 06- 06; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606061081

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiajianying2014@163.com

賈建英,趙俊芳,萬信,韓蘭英,王小巍,梁蕓,申恩青.黃土高原不同降水區(qū)休閑期土壤貯水效率及其對(duì)冬小麥水分利用的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(17):5704- 5712.

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