高温伏旱区旱地农作系统水分供需平衡特征与生态适应性研究

张云兰,王龙昌,邹聪明,胡小东,薛兰兰

(1.西南大学农学与生物科技学院,重庆北碚 400715;2.广西财经学院,南宁530003)

高温伏旱是我国南方地区农业生产的重要制约因素,其严重区域主要包括四川、重庆、湖北、湖南和江西等省市,涉及农田面积0.133亿hm2。近年来由于全球气候变暖,高温伏旱生态灾害更有加重的趋势,致使农田生态质量大幅下降。对于高温伏旱区农业生态系统,在构成农作物生长发育的非生物环境农业生态诸因子中,降水生态因子无疑是主导性限制因子。也就是说,降水生态因子在数量和质量上的微小变化,都将对农作物的生长发育及产量形成产生深刻影响[1]。该农业系统的生产潜力很大程度上是由自然降水的丰欠及其时空分布状况决定的。对于这一农业生态经济系统类型,如何在更大程度上依靠现代科学技术和管理科学手段,通过积极、稳妥地发展生态适应性高的农业,同时采取有效的抗旱措施,充分发掘其巨大的生产潜力,大幅度提高生产水平,走向可持续发展道路,是一项很迫切的研究课题。本研究以高温伏旱典型区域——重庆(奉节、万州、沙坪坝)为研究基地,以农田作物种群优化和降水资源化为基本目标,研究旱地农作系统主要复作模式水分平衡特征与水分生态适应性,寻求一个既能有效保持水土,又能有效克服水分亏缺和提高土地生产力的新的结合点。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

重庆就区县分布而言,长江、嘉陵江、涪江沿江地区是伏旱频率高值区,发生频率多在70%以上,其中,有两个频率高值中心,一个在中部的丰都、忠县、涪陵一带,另一个在西部沿江地区的江津、巴南、壁山、北碚、合川一带,发生频率在75%以上,丰都、江津、壁山发生频率最高,达80%。本研究所选择的区域(奉节、万州、沙坪坝)伏旱率如附图6所示。

奉节为低山温和区。海拔600～1 000 m的区域,年平均气温15℃;最冷月平均气温3～5℃,极端最低气温一般不低于-10℃;最热月平均气温23.0～25.5℃,极端最高气温35～38℃;年降水量一般为1 200～1 350 mm。万州为中深丘温暖区。海拔400～600 m之间的区域,年平均气温16.8℃;最冷月平均气温 5.0～6.5℃,极端最低气温一般不低于-6℃;最热月平均气温25.5～27.0℃,极端最高气温38～40℃;年降水量一般为1 100～1 200 mm。区内气温较高,热量较为丰富,高温伏旱较重。沙坪坝为河谷平坝浅丘温热区。海拔400 m以内的区域,年平均气温18.3℃;最冷月平均气温6.0～8.2℃,极端最低气温一般不低于-4℃;最热月平均气温27.0～29.5℃,极端最高气温40.0～44.1℃;年降水量大多在980～1 200 mm。区内气温高,热量丰富,高温伏旱严重[2]。

1.2 试验区概况

西南大学教学试验用地位于重庆市北碚区,地理位置29°51′N,106°27′E,属亚热带季风湿润气候。试验地坡度为15°,海拔244 m,年均总日照时数1 276.7 h,多年平均气温18℃,≥10℃积温5 979.5℃,夏季最高气温达到40℃左右,无霜期达359d,多年平均降雨量1 133.7 mm,春、夏、秋、冬降雨量分别为为全年的25.5%、41.4%、27.9%、5.5%,年蒸发量 1 181.1 mm,伏旱发生频率达93%。试验地土壤为旱地紫色土,坡度较缓,地力相对均匀。土壤容重1.21 g/cm3,土壤田间持水量31%,p H值6.47,土壤有机质28.00 g/kg,全氮0.158 g/kg,全磷0.62 g/kg,全钾70.41 g/kg。

2 研究内容与方法

2.1 降水年型及分布特征

通过降水量相对变化率 ,划分降雨年型[3-6]：

式中：R——实际年降水量;¯R——平均年降水量,取P≥25%为丰水年,P≤-25%为欠水年,-25%＜P＜25%(取降雨量最接近降雨平均值的年)为平水年。

2.2 复作模式需水量计算

2.2.1 土壤含水率的测定 试验期间用烘干法测定0-80 cm土层的土壤含水率。称量出铝盒加湿土的质量(W湿),即铝盒加烘干土的重量(W干);再称量该铝盒的重量(W盒),即可计算出土壤含水量[5](W%)。

2.2.2 土壤贮水量(W)计算W=d×h×W%×10式中：d——试验地土壤容重(g/cm3);h——土层厚度(cm)[5-6]。

2.2.3 复作模式作物实际蒸散量计算 建立农田水量平衡模型[7]：

ETa=P+I+G-ΔW-Rs-Dp

式中：ETa——生育期田间耗水量(mm);P,I,G分别为生育期降水量、灌溉量和地下水上移补给量(mm);ΔW——作物生育期土壤贮水变化量,即生育期末的贮水量与生育期前的贮水量之差(mm);Rs,Dp——地表径流量和深层渗透量(mm)。由于试验地无灌溉,地下水位深于10 m以下,降雨渗透深度在土壤水分测定深度的范围内,且试验地地势平缓,一般情况下不会产生径流,

2.2.4 水分胁迫系数(K s)的计算

式中：S——根层土壤实际含水量;S*——根层土壤田间持水量;Sw——根层土壤凋萎系数(采用经验值法)[3]。

2.2.5 复作模式需水量(ETc)计算[6]

2.2.6 复作模式作物系数Kc计算[5]

式中：ETc——参考作物蒸散量。

根据实验条件,计算的小麦-玉米-甘薯、马铃薯-玉米-甘薯的作物系数,结合FAO提供的作物系数,拟定胡豆-玉米-甘薯、小麦-玉米-大豆、胡豆-玉米-大豆和油菜-玉米-甘薯的作物系数,再计算出复作模式在奉节、万州和沙坪坝的需水量。

2.3 作物水分供需平衡

式中：d——作物生育期降雨满足率;P——作物生育期降雨量;ETc——作物生育期需水量[7]。

2.4 水分生态适应性评价

式中：PESI——降水生态适应性指数;P——各生育期的降雨供给量;C——降雨径流系数;P(1-C)——各生育期的有效降雨供给量;ETm——作物各生育期的需水量;ai——权重系数[7]。

3 结果与分析

3.1 研究区不同降雨年型月降雨量分布规律

从图1(a)可以看出,奉节丰水年各月降雨量分布与重庆各月降雨分布趋势相同。丰水年、平水年和欠水年在1-4月,1月1,12月的降雨分布相似,差距主要体现在5-9月,这5个月降雨总量最多的即为丰水年,降水量最少的即为欠水年。可以看出,奉节地区3种降雨年型是由各年5-9月的实际降雨量决定的。

由图1(b)可以看出,万州丰水年降雨量最大值出现在 7月,为 356.8 mm,占全年降雨量的22.62%;平水年最大降雨量在8月,为247.7 mm,占全年的21.74%;欠水年最大降雨量出现在6月,占全年的19.56%。3种降雨年型各月降雨量的差异主要体现在7-9月。

由图1(c)可以看出,影响沙坪坝3种降雨年型的年降雨量差异的最明显月份为7月。丰水年仅7月的降雨量就为553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量仅为 101.7 mm,占全年的9.97%,欠水年更少为26.5 mm,占全年的3.25%。

图1 3种降雨年型30年的平均月降雨分布

3.2 复作模式作物系数及作物需水量

3.2.1 实验条件下复作模式作物系数 通过西南大学实验农场的田间实验测得：小麦-玉米-甘薯生育期前后土壤贮水量分别为227.33 mm和234.81 mm,马铃薯-玉米-甘薯生育期前后分别为230.25 mm和241.31 mm;土壤水分胁迫系数中土壤实际含水量为24.5%,土壤田间持水量为31%,土壤容重为1.21 g/cm3,凋萎系数去经验值15%。计算出作物实际耗水量、复作模式需水量和作物系数如表1。

表1 试验条件下复作模式作物系数

由表1可以看出,在实验条件下,马铃薯-玉米-甘薯的耗水量、需水量都比小麦-玉米-甘薯高21.94%,作物系数高出22.64%。其主要原因是,单作条件下甘薯的作物系数为0.9,比小麦的0.7高。根据上述各种主要单作作物系数,结合马铃薯-玉米-甘薯、小麦-玉米-甘薯的作物系数,估算出其他4种复作模式作物系数即：胡豆-玉米-甘薯为1.2,油菜-玉米-甘薯为 1.4,小麦-玉米-大豆为1.24,胡豆-玉米-大豆为1.36,它反映了不同复作模式本身的生物学特性、当地作物产量、土壤水肥条件以及田间管理状况等,其影响农田蒸散量。

3.2.2 研究区参考作物蒸散量 从图2中所示3个研究区和北碚实验区的平均年参考作物蒸散量,可以看出4个地区的大小顺序是奉节＞北碚＞万州＞沙坪坝,这与4个地区每天的参考作物蒸散量大小顺序相通。其中奉节年均参考作物蒸散量最大,为1 056 mm,比北碚、万州和沙坪坝分别高出 13.03%、21.46%和17.2%。

3.2.3 复作模式作物需水量 根据复作模式的作物系数和奉节、万州、沙坪坝的参考作物蒸散量,求得研究区复作作物需水量如图3,大小顺序为：奉节＞万州＞沙坪坝,并且奉节地区每种复作模式的需水量都比万州和沙坪坝分别高出：21.46%和32.53%。就同一研究区而言,不同复作模式的作物需水量大小和作物系数有关,即作物系数大的复作模式,其需水量大,因为参考作物蒸散量相同,其大小顺序为：油菜-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞马铃薯-玉米-甘薯＞小麦-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麦-玉米-甘薯。

3.3 复作条件下作物水分供需平衡特征

3.3.1 奉节复作条件下作物水分供需平衡特征 由表2可知,在同一降雨年型中,几种主要复作模式的水分满足率随耕地坡度增加而减少。各年型中,复作模式水分满足率的大小顺序为：小麦-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麦-玉米-大豆＞马铃薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯。在丰水年型中,小麦-玉米-甘薯在15°以下的耕地上水分满足率都大于1,胡豆-玉米-甘薯、小麦-玉米-大豆和马铃薯-玉米-甘薯在10°以下的耕地上大于1。

图2 四个地区30年平均参考作物蒸散量

图3 研究区主要复作模式需水量分布

3.3.2 万州复作条件下作物水分供需平衡特征 由表3可知,由于几种主要复作模式的生育期都是历时一年时间,所以在同一降水年型中,各种模式的获得的有效降雨量相同,所以复作模式的水分满足率随其需水量增大而减小,且减小趋势相同,大小顺序为：小麦-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麦-玉米-大豆＞马铃薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,和奉节相同。其原因是几种复作模式的作物系数不同,作物系数大则需水量大。

3.3.3 沙坪坝复作条件下作物水分供需平衡特征由表4可知,水分满足率变化趋势和奉节、万州基本一致。适合在平水年种植的模式为小麦-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麦-玉米-大豆。但相对于奉节和万州,沙坪坝欠水年型中,几种复作模式的水分满足率偏大,如：胡豆-玉米-甘薯水分满足率比奉节增加4.94%,比万州增加39.34%。可以看出在欠水年型中,沙坪坝种植复作模式由于奉节和万州。在平水年型里,沙坪坝复作模式水分满足率小于万州。

表2 奉节主要复作模式降水满足率

表3 万州主要复作模式降水满足率

3.4 复作条件下水分生态适应性研究

由图4可知,这种复作模式在3个研究区水分生态适应性指数的大小顺序为：沙坪坝＞万州＞奉节。由于复作模式生育期为一整年,所以水分生态适应指数和复作模式需水量有关,且3个研究区的不同作物有相同的变化趋势。就同一研究区来看,不同复作模式的水分生态适应性指数大小顺序为：小麦-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麦-玉米-大豆＞马铃薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,此顺序和复作模式降水满足率一致。且小麦-玉米-甘薯在奉节地区高出油菜-玉米-甘薯20%,在万州地区高出17.44%,在沙坪坝地区高出17.24%。小麦-玉米-甘薯在沙坪坝的水分生态适应性指数最高为1.02,油菜-玉米-甘薯在奉节最低为0.73。

表4 沙坪坝主要复作模式降水满足率

图4 研究区主要复作模式水分生态适应性指数分布

4 结论

奉节地区3种降雨年型是由各年5-9月的实际降雨量决定的。丰水年 5-9月的降水总量为1 093.9 mm,占全年降雨量的76.48%;平水年5-9月的降水总量为684.7 mm,占全年总和的67.34%;而欠水年同期只有494.1 mm,但全年总降雨量的64.39%。万州3种降雨年型各月降雨量的差异主要体现在7-9月,丰水年7-9月的降雨量为854.3 mm,占全年的54.16%;平水年7-9月的降雨量为462.5 mm,占全年的54.16%,而欠水年此期的降雨量为462.5 mm,占全年的40.59%。沙坪坝3种降雨年型的年降雨量差异的最明显月份为7月。丰水年仅 7月的降雨量就为 553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量仅为101.7 mm,欠水年更少为26.5 mm。就相同的复作模式而言,不同研究区作物需水量的大小顺序为：奉节＞万州＞沙坪坝;同一研究区不同复作模式作物需水量大小顺序为：油菜-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞马铃薯-玉米-甘薯＞小麦-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麦-玉米-甘薯,其大小是由代表作物种类、产量特征、土壤水肥状况及田间管理状况的作物系数影响决定的。复作模式的生育期为全年,同一研究区里,几种复作模式的水分满足率大小和降水年型有关,其大小顺序是丰水年＞平水年＞欠水年。奉节只有丰水年适宜在坡度较小的耕地上种植小麦-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麦-玉米-大豆。万州丰水年里可以在平整的土地上种植各种复作模式,平水年里适宜种植小麦-玉米-甘薯。沙坪坝平水年里适宜种植小麦-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麦-玉米-大豆。针对高温伏旱区的伏旱发生频率高,持续时间长,降雨时空分布不均的特点,通过积极调整种植结构,调节播种时间,采用保护性耕作,抗旱品种培育、生物抗旱技术,大力修建蓄水工程,发展设施农业等措施改善水资源利用状况,提高农业的可持续发展能力。

重庆地形、地貌复杂多样,最高点海拔达2 796.8 m,最低处海拔仅73.1 m,其中山地占59.8%,丘陵占30.2%,平坝占10%。本研究选取了奉节、万州、沙坪坝3个研究区,分别代表低山温和区、低山丘陵区、河谷平坝浅丘温热区。还没能完全覆盖重庆所有高温伏旱区的类型,在以后的研究中可以扩充研究对象。本研究分析了高温伏旱区旱作系统作物水分供需平衡和水分生态适应性,都是结合降水资源来研究,高温伏旱的另一方面温度,考虑的比较少,有待于更全面和深入的研究,能够得出更符合该地的作物种植模式。

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