楊文稼,肖慶紅,王仕穩(wěn),韋 偉,殷俐娜,鄧西平

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游作物綠色高效生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(部省共建)/長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;3.寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)中心,寧夏 銀川 750000;4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

旱地占據(jù)了地球41%的陸地面積并養(yǎng)育了35%的世界人口。雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)是旱地主要的農(nóng)業(yè)種植體系,天然降水是雨養(yǎng)旱地作物生產(chǎn)唯一的水源,其種植面積可占全球耕地面積的2/3[1],由此看出旱作作物產(chǎn)量對(duì)全球糧食安全至關(guān)重要。黃土高原是我國(guó)主要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)域之一,橫跨陜、甘、晉、寧、蒙、青等六省(區(qū)),耕地面積約為1 600萬(wàn)hm2。旱作冬小麥?zhǔn)屈S土高原重要的糧食作物,種植面積430萬(wàn)hm2,約占總耕地面積44%[2-3]。由于年均降水量低,且降雨和生育期在時(shí)間上錯(cuò)配,黃土高原地區(qū)冬小麥生產(chǎn)極易受旱,產(chǎn)量普遍偏低;此外,年際間高的降水波動(dòng)致使冬小麥產(chǎn)量在水分條件不同的年份間差異較大且產(chǎn)量穩(wěn)定性較低。近年來受全球氣候變暖的影響,極端天氣發(fā)生概率持續(xù)升高,這將進(jìn)一步增加作物受旱頻率。據(jù)當(dāng)前研究預(yù)測(cè),全球氣候變暖會(huì)導(dǎo)致本世紀(jì)末小麥種植區(qū)面臨嚴(yán)重缺水的比例從當(dāng)前的15%提高到60%[4]。因此,面對(duì)不斷變化的氣候環(huán)境和日益增長(zhǎng)的糧食需求,如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)旱地小麥的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)是黃土高原旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中必須解決的問題。

黃土高原冬小麥產(chǎn)量水平取決于生育期內(nèi)的降水量和播種時(shí)土壤中的儲(chǔ)水量。由于生育期內(nèi)降水量很難滿足冬小麥水分需求,播種時(shí)的土壤儲(chǔ)水則成為冬小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵水源。前人研究表明,播種時(shí)土壤儲(chǔ)水可在豐水年為冬小麥提供25%～40%的所需水分,在干旱年這一比例甚至可提升至60%～80%[5]。黃土高原土層深厚且土壤田間持水量較高,其2 m土層內(nèi)可容納約600 mm降水,3 m土層內(nèi)可容納約800 mm降水,這意味著該地區(qū)土壤是一個(gè)巨大的天然“水庫(kù)”[6]。在不考慮徑流的情況下,一年中絕大部分降水,包括7—9月冬小麥休閑期內(nèi)的降水均能夠較好地儲(chǔ)存在土壤中。因此,若能充分利用黃土高原土壤這一特征,就可以有效緩解降水在年際和季節(jié)間分配不均,實(shí)現(xiàn)水分的時(shí)空調(diào)控,實(shí)現(xiàn)黃土高原旱作小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。綜上,在黃土高原,土壤水庫(kù)是聯(lián)結(jié)降水和作物用水的樞紐,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水的有效利用是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

1 黃土高原麥田土壤水庫(kù)動(dòng)態(tài)變化特征

明確冬小麥能夠利用的土壤儲(chǔ)水深度及其變化特征是有效利用土壤水的基礎(chǔ)。在不考慮水分縱向運(yùn)輸?shù)那闆r下,作物根系深度決定其能夠利用的土壤水深度。多個(gè)研究已證實(shí),黃土高原地區(qū)冬小麥根系在土壤中分布可達(dá)3 m左右,因此3 m以內(nèi)的土壤儲(chǔ)水可視為冬小麥的土壤水庫(kù)[7-8]。受降水以及冬小麥各生育期內(nèi)根系分布特征(深度、密度)的影響,麥田土壤水庫(kù)在全年不同季節(jié)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化特征。黃土高原7—9月的休閑期降水量可占全年降水量的50%～60%,而冬小麥生育期為每年的10月至翌年6月。因此,土壤儲(chǔ)水量通常在冬小麥播種時(shí)最高。據(jù)統(tǒng)計(jì),受當(dāng)年降水影響,3 m土層儲(chǔ)水最低為420 mm左右,最高可達(dá)約800 mm。在生育前期,絕大部分冬小麥根系分布在淺層土壤中,因此拔節(jié)期之前小麥主要消耗1 m以上土壤儲(chǔ)水,且由于葉面積指數(shù)較低,相當(dāng)一部分淺層儲(chǔ)水通過土壤蒸發(fā)而損失;而1 m以下土壤儲(chǔ)水在生育前期消耗量相對(duì)較低,并隨著土壤深度的增加消耗量逐漸遞減。此外,研究表明部分農(nóng)田拔節(jié)期之前土壤儲(chǔ)水存在補(bǔ)充現(xiàn)象,一般1 m以下儲(chǔ)水補(bǔ)充量更高[5]。

對(duì)黃土高原地區(qū)發(fā)表研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明,0～1、1～2、2～3 m土層土壤儲(chǔ)水消耗范圍在播種至返青期分別為-18～69、-70～46、-76～16 mm,在返青期至拔節(jié)期分別為-9～59、-31～40、-30～12 mm(負(fù)值代表儲(chǔ)水量增加)(圖1)。在拔節(jié)期之后(拔節(jié)期～開花期、開花期～收獲期),為了維持自身旺盛的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及生殖生長(zhǎng),冬小麥會(huì)加大對(duì)土壤儲(chǔ)水的吸收。如果后期降水量較多,土壤儲(chǔ)水仍存在補(bǔ)充現(xiàn)象,且1 m以上土壤儲(chǔ)水補(bǔ)充量相對(duì)較多。統(tǒng)計(jì)表明(圖1),從拔節(jié)期至開花期,0～1、1～2、2～3 m土壤水消耗范圍分別為-20～79、-17～70、-6～62 mm;從開花期至收獲期,消耗范圍分別為-58～75、-9～73、3～53 mm。進(jìn)一步分析表明,如果土壤儲(chǔ)水可以被補(bǔ)充,拔節(jié)期之前1 m以下土層補(bǔ)充量相對(duì)較高,而拔節(jié)期之后1 m土層以上補(bǔ)充量較高;如果土壤儲(chǔ)水被消耗,1 m以上土壤儲(chǔ)水消耗量在全生育期均處于較高水平,而1 m以下土壤儲(chǔ)水消耗量在拔節(jié)期之前較低但在拔節(jié)期之后顯著提高。

圖1 黃土高原麥田不同土層儲(chǔ)水在各生育期內(nèi)的平均消耗量(n=1066)(根據(jù)黃土高原已經(jīng)發(fā)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì))Fig.1 Soil water consumption in different soil depths during growth stages in wheat farmland on the Loess Plateau (n=1066) (From the published statistics of the Loess Plateau)

2 黃土高原麥田深層土壤水利用與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

能夠被作物吸收利用的水分總量決定了作物的產(chǎn)量潛力,而這部分水分能否被作物有效利用則決定了產(chǎn)量實(shí)際的高低。凋萎系數(shù)(-1.5 MPa)以下的土壤含水量稱為無效土壤水,這部分土壤水無法被植物吸收利用。黃土高原主要為黃土性土壤(Calcic Kastanozems,FAO),其凋萎系數(shù)為7.3%～8.6%(w/w),即每1 m深土壤中約有90～110 mm的儲(chǔ)水無法被作物吸收利用[9-10]。黃土高原麥田在收獲期土壤殘留水隨著產(chǎn)量不同有所差別,一般表現(xiàn)為產(chǎn)量越高則殘留越少,并且淺層殘留少而深層殘留多。統(tǒng)計(jì)表明,麥田收獲期0～1 m土層土壤儲(chǔ)水殘留量一般在98～151 mm之間,1～2 m土層在132～193 mm之間,2～3 m土層在152～230 mm之間。即使扣除100 mm的無效水,1～3 m土層中還殘留有效水84～220 mm,該土層中較高的儲(chǔ)水殘留量說明了該部分儲(chǔ)水并未在冬小麥生育后期得到有效利用。

深層土壤水(以下簡(jiǎn)稱深層水)指60～100 cm土層以下的儲(chǔ)水[11],而具體“深層”則需要根據(jù)作物根系分布特征進(jìn)行定義。在黃土高原,冬小麥在1 m以下土壤中根系分布密度較低并且根深一般可達(dá)3 m,因此,1～3 m土層中的儲(chǔ)水可被定義為能被冬小麥吸收利用的深層水[11]。冬小麥對(duì)水分的大量需求主要發(fā)生在拔節(jié)后,籽粒灌漿期則更為敏感,籽粒灌漿期水分供應(yīng)不足會(huì)造成大幅減產(chǎn)。如果能將黃土高原麥田中殘留的深層水在生育后期進(jìn)一步充分利用就能在一定程度上滿足冬小麥后期水分需求,提高水分利用效率,最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。因此,深層水的利用和產(chǎn)量密切相關(guān),也就是說收獲期深層水的殘留量和產(chǎn)量密切相關(guān)。我們對(duì)已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明,在冬小麥?zhǔn)斋@期,當(dāng)1～2 m深層土壤中有效水殘留量為100～130 mm時(shí),冬小麥產(chǎn)量為2 640～4 920 kg·hm-2,而當(dāng)殘留量減少至30～70 mm時(shí),其產(chǎn)量可顯著提高至5 250～6 576 kg·hm-2[12-14]。通過對(duì)黃土高原涉及土壤水與冬小麥產(chǎn)量的48篇文獻(xiàn)中的2 431個(gè)觀察值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,表明在不同的水分條件下(播前土壤儲(chǔ)水+生育期降水),冬小麥產(chǎn)量均隨著深層水殘留量的減少而逐漸提高(圖2)[15]。

圖2 當(dāng)季供水條件(播前土壤儲(chǔ)水量與生育期降水量之和)(X軸)和收獲期深層水殘留量(Y軸)對(duì)冬小麥產(chǎn)量(Z軸)的影響Fig.2 Response of wheat yield (Z-axis) to water condition (soil water at sowing plus growing season precipitation,X-axis) and residual subsoil water at harvest (Y-axis)

3 黃土高原麥田深層土壤水利用和高產(chǎn)概率的關(guān)系

旱地水分條件在不同季節(jié)或不同年份差異較大,從而限制旱作作物產(chǎn)量并降低產(chǎn)量穩(wěn)定性。在黃土高原,不同年份間高的降水波動(dòng)會(huì)極大地影響小麥在不同年份下生長(zhǎng)的水分條件,由此造成冬小麥在干旱年減產(chǎn)嚴(yán)重而在豐水年產(chǎn)量較高,產(chǎn)量波動(dòng)性較大。因此,考慮到降水波動(dòng)導(dǎo)致作物產(chǎn)量在不同年份間發(fā)生大幅波動(dòng),提高高產(chǎn)概率和增產(chǎn)同等重要。也就是說,在水分較好的年份使產(chǎn)量最大化,在水分不好的年份減少產(chǎn)量降低的幅度。通過統(tǒng)計(jì)分析黃土高原地區(qū)麥田收獲期深層水殘留量與冬小麥產(chǎn)量概率的關(guān)系,表明在不同的水分條件下,降低麥田收獲期1～2 m深層水殘留量,即進(jìn)一步利用深層水可顯著提高黃土高原地區(qū)冬小麥高產(chǎn)概率(圖3)[15]。當(dāng)1～2 m深層水殘留量從270～210 mm降低至150～90 mm時(shí)(深層水利用量增加),在466～566 mm水分條件下小麥產(chǎn)量高于3 000 kg·hm-2的概率從0%提高至46%;在566～666 mm水分條件下小麥產(chǎn)量高于3 000 kg·hm-2和4 000 kg·hm-2的概率分別從1%提高至82%、0%提高至52%;在666～766 mm水分條件下小麥產(chǎn)量高于4 000 kg·hm-2和5 000 kg·hm-2的概率分別從6%提高至92%、1%提高至66%;在>766 mm水分條件下小麥產(chǎn)量高于5 000 kg·hm-2和6 000 kg·hm-2的概率分別從14%提高至99%、1%提高至41%。

圖3 收獲期1～2 m深層水殘留量對(duì)冬小麥產(chǎn)量高于某一水平以上的概率(%)的影響(n=337)Fig. 3 Effects of residual subsoil water at depth of 1～2 m at harvest on the probability (%) of wheat yield exceed a certain level (n=337)

4 黃土高原麥田深層土壤水分利用與水分利用效率

旱作農(nóng)業(yè)增加作物產(chǎn)量的關(guān)鍵在于提高水分利用效率。Zhang等[16]統(tǒng)計(jì)了黃土高原已發(fā)表的35篇文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù),得出冬小麥平均水分利用效率僅為12.1 kg·mm-1·hm-2。Jin等[17]調(diào)查了黃土高原158個(gè)縣(市)的冬小麥生長(zhǎng)狀況,指出該地區(qū)冬小麥水分利用效率多分布在6～14 kg·mm-1·hm-2的范圍內(nèi)。因此,黃土高原地區(qū)冬小麥水分利用效率仍有較大的提高潛力。

旱地提高作物水分利用效率的主要途徑是將儲(chǔ)存在農(nóng)田中的水分盡可能多地被作物吸收利用,并減少蒸發(fā)損失。黃土高原土壤儲(chǔ)水受高氣溫和飽和蒸汽壓差的影響,有一大部分會(huì)通過土壤蒸發(fā)而損失,但這種蒸發(fā)對(duì)深層水的影響較小,只會(huì)造成5%～10%的損失[11]。此外,深層土壤水可直接被作物根系所吸收,因此其主要消耗途徑是作物蒸騰。較多研究表明深層水通常只會(huì)在生育后期被冬小麥吸收利用,而這一時(shí)期增加水分供應(yīng)可以極大地提高水分利用效率[18-20]。國(guó)外其它旱區(qū)有關(guān)深層水的研究證實(shí)了每增加10 mm的深層水消耗量可多生產(chǎn)330～590 kg·hm-2的籽粒產(chǎn)量,其邊際水分利用效率達(dá)到了33～59 kg·mm-1·hm-2,甚至部分小麥品種的邊際水分利用效率高達(dá)73 kg·mm-1·hm-2[21-23]。在黃土高原,對(duì)前人研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),當(dāng)麥田收獲期1～2m深層土壤中有效水殘留量為100～130 mm時(shí),水分利用效率僅為9.3～13.8 kg·mm-1·hm-2;而當(dāng)殘留量降低至30～70 mm時(shí),冬小麥水分利用效率可提高至14.9～20.1 kg·mm-1·hm-2[12-14]。

5 提高黃土高原深層土壤水利用途徑

根系分布范圍和密度決定根系吸收水分的范圍和強(qiáng)度。小麥屬深根系作物,生育后期根系可伸長(zhǎng)至3～5 m土層,但實(shí)際到達(dá)深度會(huì)受土壤結(jié)構(gòu)的顯著影響。如在重粘土中,小麥根系深度最多至0.8 m深土層,而在疏松的黃土性土壤中,小麥根系最深可達(dá)5 m[7-8]。前人研究已證實(shí)了根系密度與根系吸水能力之間存在密切關(guān)系。高根系密度意味著更大的根-土交界面,即作物能從土壤中吸取更多的水分[24],當(dāng)小麥根長(zhǎng)密度低于0.8 cm·cm-3時(shí),根系成為土壤水分吸收的限制性因素,而在多數(shù)黃土高原麥田中,1 m土層以下的小麥根長(zhǎng)密度均顯著低于該值,大致為0～0.5 cm·cm-3[5]。程立平等[25]通過測(cè)定同位素研究了黃土高原不同深度土壤水分對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn),深層根系較少時(shí)1 m以下深層水對(duì)耗水的貢獻(xiàn)率在拔節(jié)期和抽穗期僅為7.9%和13.5%。因此,增加深層土壤中的根系分布密度是提高黃土高原旱作麥田深層水的利用的關(guān)鍵。

根系在土壤中的生長(zhǎng)分布除受品種決定外,還受土壤理化性質(zhì)、土壤水分狀況以及施肥和耕作方式等多種因素的影響。品種決定根系生長(zhǎng)閾值,在同等環(huán)境條件下,不同品種間小麥根系生長(zhǎng)速率、最大根深、根系在不同土層中的分配比例、總根長(zhǎng)、總根重、木質(zhì)部導(dǎo)管直徑、最大根冠比等一系列性狀均存在較大差異。由于根系具有極強(qiáng)的可塑性,在不同的播種密度及生長(zhǎng)環(huán)境下同一品種小麥根系性狀也會(huì)發(fā)生不同程度的響應(yīng),從而影響其分布特征。根據(jù)根系的這些特性,前人在黃土高原開展了多項(xiàng)研究以探究如何進(jìn)一步提高小麥深層根系分布密度。

Fang等[12]在黃土高原長(zhǎng)武地區(qū)的品種試驗(yàn)表明,相同環(huán)境下更換深根系品種后小麥深層根系生物量及分布比例顯著提高70%～99%。因此,選用深根系品種是提高黃土高原地區(qū)冬小麥深層根系密度的先決條件。適度增密能夠加強(qiáng)小麥個(gè)體間對(duì)養(yǎng)分及水分的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),從而使得根系橫向分布收縮、縱向分布加深,提高深層根系分布密度。燕曉娟等[26]在黃土高原地區(qū)的密度試驗(yàn)表明,適度增加播量能夠顯著提高冬小麥在1 m土層以下的根長(zhǎng)密度。根系大小和分布也受土壤養(yǎng)分濃度的調(diào)控,因此,施肥尤其是氮肥能夠極大地影響小麥根系生長(zhǎng)。Wang等[27]研究表明,在黃土高原地區(qū)施用適量的氮肥可以有效改善冬小麥根系生長(zhǎng),從而提高80 cm土層以下的根長(zhǎng)密度;分期施氮(減少基肥投入量并在生育后期追施氮肥)能夠在早期誘發(fā)根系的“覓食行為”,迫使根系為了尋求更多的養(yǎng)分扎入更深層土壤,有利于增加深層根系分布密度;同時(shí),追肥也能在生育后期適時(shí)滿足小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分,保障根系在深層土壤中的分布比例。

根系生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)同樣也會(huì)受到土壤機(jī)械阻力的影響,而土壤機(jī)械阻力由土壤物理結(jié)構(gòu)決定[28]。通過降低土壤容重、增加土壤總孔隙度和優(yōu)化土壤團(tuán)聚體特征等手段改善土壤物理結(jié)構(gòu)均可以促進(jìn)根系的伸長(zhǎng),尤其是向更深層土壤的延伸[29-30]。例如,施用有機(jī)肥或生物炭等添加劑能夠有效地改善土壤物理結(jié)構(gòu),促進(jìn)根系向深層生長(zhǎng)[10]。因此,在黃土高原地區(qū),通過品種更替、增加密度、優(yōu)化肥料施用以及改善土壤結(jié)構(gòu)能夠有效促進(jìn)冬小麥根系生長(zhǎng),增加冬小麥在深層土壤中分布密度,最終提高深層水利用率。

6 優(yōu)化農(nóng)藝措施,提高深層水利用、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)(以長(zhǎng)武為例)

陜西省長(zhǎng)武縣位于黃土高原南部渭北旱塬,多年平均降水量534 mm[10]。盡管該地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)降水量?jī)H占年降水量1/2左右,但其0～3 m土層內(nèi)的儲(chǔ)水量在冬小麥播種時(shí)達(dá)618～820 mm[6]。近年來,一項(xiàng)在渭北旱塬為期5 a的調(diào)查結(jié)果表明,該地區(qū)冬小麥平均產(chǎn)量?jī)H為4 243 kg·hm-2[31],進(jìn)一步調(diào)查表明當(dāng)產(chǎn)量在4 243 kg·hm-2左右時(shí),麥田收獲期1～2 m和2～3 m深層水殘留量分別高達(dá)173～224 mm和203～246 mm[10,32-33]。因此,麥田中深層水利用不足是導(dǎo)致該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量水平偏低的重要原因,通過提高深層土壤水的利用,該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率可能還有很大的提升空間。

基于此,本課題組在當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植模式的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了以增加深層水利用為核心的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)模式,該模式通過適當(dāng)增加小麥播量來使根系橫向分布收縮且縱向分布加深;通過分期施氮誘發(fā)根系早期的“覓食行為”,防止根系后期的早衰;通過配施了有機(jī)肥改善土壤理化性質(zhì),促進(jìn)根系的向下伸長(zhǎng)(圖4)。

圖4 黃土高原麥田深層根系調(diào)控途徑Fig.4 The way of increasing wheat root density in subsoil on the Loess Plateau

通過為期5 a的田間試驗(yàn)表明,相比于農(nóng)戶模式,高產(chǎn)模式增加了深層根系分布,麥田收獲期1～2 m和2～3 m深層水殘留量分別降低了6～15 mm和4～24 mm、產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了16%～31%和14%～29%(表1),證實(shí)了在該地通過增加深層水的利用,冬小麥產(chǎn)量還有較大提升空間。

表1 不同栽培模式對(duì)收獲期土壤水殘留量、冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 1 Effects of different treatments on soil water storage at harvest time,wheat yield and water use efficiency

7 總 結(jié)

在雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)中,降雨更多地進(jìn)入土壤儲(chǔ)存并盡可能多地被作物吸收利用是提高旱作農(nóng)業(yè)中作物產(chǎn)量和水分利用效率的關(guān)鍵。已有研究結(jié)果表明,在黃土高原冬小麥?zhǔn)斋@后,土壤1 m以下土層中仍殘留了大量的深層水未被有效利用。本文基于對(duì)黃土高原地區(qū)以往研究數(shù)據(jù)分析,表明當(dāng)前冬小麥產(chǎn)量水平下土壤水利用并不充分,且有進(jìn)一步提升空間。深入分析表明,1～2 m深層土壤水的殘留量和產(chǎn)量及高產(chǎn)概率高度相關(guān),且增加深層土壤水的利用可以顯著提高產(chǎn)量和高產(chǎn)概率;本文進(jìn)一步定量分析不同水分條件(播前儲(chǔ)水和生育降雨)下土壤深層水殘留量和產(chǎn)量及高產(chǎn)概率的關(guān)系。此外,本文還討論了如何通過品種和農(nóng)藝措施調(diào)控小麥對(duì)深層土壤水的充分利用,并用實(shí)際研究案例表明在該區(qū)域通過優(yōu)化農(nóng)藝措施增加深層水利用從而提高產(chǎn)量和水分利用效率是可行的。因此,調(diào)控深層水的利用是進(jìn)一步提高黃土高原小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性的重要途徑。

雖然增加土壤水的利用可以顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率,但在黃土高原土壤儲(chǔ)水長(zhǎng)時(shí)間得不到補(bǔ)充就會(huì)導(dǎo)致水分失衡,在土壤剖面上形成土壤干層(含水率低于凋萎系數(shù))。降水是黃土高原土壤水分唯一的補(bǔ)給途徑,降水在年際間、區(qū)域間的分布會(huì)對(duì)土壤干層的形成產(chǎn)生較大的影響。此外,地表植被對(duì)土壤儲(chǔ)水的消耗也是旱地形成土壤干層的重要原因之一。如果深層儲(chǔ)水被過度消耗且降水量不足以補(bǔ)充,就可能會(huì)形成深層土壤干層,影響后續(xù)作物生長(zhǎng)。因此在不同的降水區(qū)域,不同水分條件下,深層水被利用后能夠得到補(bǔ)充而不會(huì)形成土壤干層的利用閾值還需進(jìn)一步研究。

在高飽和蒸氣壓差的影響下,黃土高原疏松的黃土性土壤中的水分在全年大部分時(shí)間中處于向上運(yùn)移的狀態(tài)。因此,黃土高原地區(qū)3 m以下的深層水也可能會(huì)運(yùn)移至上層土壤被小麥吸收利用。此外,有研究表明在黃土高原5 m深度土層中都能夠觀察到小麥根系分布,故3 m以下的深層水也可能會(huì)被更深層的小麥根系吸收利用。目前絕大多數(shù)有關(guān)小麥土壤水利用的研究?jī)H研究了3 m土層以內(nèi)的土壤水分變化,并未考慮更深層土壤水的運(yùn)移及利用,而這部分深層水對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的貢獻(xiàn)仍待研究。