北方旱地农田水分平衡及提高作物生产力研究

贺迎明　董卫中

摘 要：结合多年的田间试验研究，对前人诸多研究结果进行了总结和深入分析。结果表明：农田水肥效应大小与试验方法有关，田间试验与模拟试验得到的结论相反。主要原因在于研究中“水”的概念各不相同，从旱棚试验或盆栽试验的结果推断水肥效应与实际情况相距较大。多数情况下，养分亏缺仍是北方旱区作物增产的主要限制因子。灌水的效果取决于土壤底墒、生育期降水、土壤肥力及灌水时期等各种因素。

关键词：水肥效应;北方旱区;田间试验;模拟试验

1前言

北方旱区是指沿昆仑山—秦岭—淮河一线以北的广大地区，包括16个省（市）的965个县，面积占国土总面积的56%，耕地占全国总耕地面积的51%，其中没有灌溉条件的旱田占65%。本区地域辽阔，地形复杂，气候类型多样，适于农林牧综合发展。制约这一地区农业生产持续发展的因素很多，水资源不足和土地退化是其中两个重要的方面。如何科学地进行农田水肥管理是大家关注的焦点，而且灌水和施肥对作物增产作用的大小也一直是人们讨论的一个问题。

2农田水肥效应研究的历史、现状及存在问题

水肥效应的研究由来已久，近20年在北方旱区也进行了大量试验，但关于决定作物产量高低的主要因子是水还是肥并无一致结论。以黄土高原为例，过去人们认为旱地作物生产力不高的的主要原因是“旱”。20世纪80年代初的研究表明，当时生产力水平低下，限制黄土高原地区粮食增产的首要因子是肥而不是水。90年代，随着干旱气候的频繁出现及投肥强度提高，又使得越来越多的人认为水的作用更大。90年代中后期国家实行西部大开发政策后，越来越多的人将目光转向西北地区，而干旱是大多数人对这一地区自然条件的第一印象，许多研究结果也都显示出水分供应对作物产量有决定作用。为了对这一问题有一个明确的认识，笔者对前人的资料进行了总结和分析。结果表明，近20年关于水肥对作物产量的效果研究涉及陕西、山西、宁夏、甘肃、辽宁、河北、河南、内蒙及山东等北方的大部分旱区;供试土壤包括土、黑垆土、褐土、黄绵土、（沙）潮土、缃黄土、风沙土和栗钙土等北方旱区主要的几个土壤类型;供试作物以（冬、春）小麦和（春、夏）玉米为主，兼有谷子、莜麦、马铃薯、甘薯及沙打旺和杨树等林草。养分以施氮和施磷为主，水分多是在自然降水基础上补充灌水，或是模拟降水量，有些还以土壤相对含水量或绝对含水量为指标。研究方法除采用田間试验，使作物完全在自然条件下生长以外，更多的研究则采用旱棚或盆栽，对水分进行严格的控制，以便得到更精确的结果。为了比较水肥两个因子对作物产量的贡献，通常以作物产量为应变量，以各种水肥因子的组合为自变量进行回归建模，经过无量纲线性代换，将模型中的偏回归系数标准化，然后根据各因子偏回归系数的正负和大小判断其效应。关于水肥对作物产量的贡献，这些研究资料并无一致结论。其主要原因可能是研究方法和试验条件不同，可比性不强。比如，穆兴民发现，常规对比试验的结果是施肥的增产作用大于水分;而水肥正交组合试验结果与之相反。另外，利用产量结果建立模型时水肥因子的设计水平及间距都不完全一样，因此，利用其比较水肥效应大小只具有相对性。

3养分亏缺仍是北方旱区作物增产的主要限制因子

水和肥是相当笼统的概念。在众多研究中，“肥”一般是施肥量，肥效大小主要决定于土壤基础肥力：土壤越肥沃，肥效则越小，此时水的效应相应的就更显著。“水”可以是灌水量、降水量、播前土壤贮水量（即底墒），或这三者之和，即作物生育期间总的土壤供水量。没有灌水的条件下，降水的效应大小决定于土壤底墒：底墒充足，降水的增产效果就不甚明显;补充灌水的的效应与土壤底墒和生育期间的降水量有关：底墒和降水丰富，灌水效应则小。水的效应减小，肥的效应相应突出。因此，水与肥效应的大小受土壤底墒、基础肥力和生育期降水等各种因素的制约，不能一概而论。虽然众多研究资料结论不一，

但笔者仍从中发现了一个规律：凡认为肥是作物增产主要因子的大多是田间试验结果，张和平等在河北黑龙港地区进行的3年田间试验中，有两年结果显示肥料效应大于水分效应，另一年属大旱年，小麦生育期间只有50mm的降水量，水分的作用才显得更突出一些。而大多数旱棚试验和盆栽试验的资料都表明，

水分是旱地农作物增产的第一限制因子。盆栽条件下沙打旺和杨树水肥效应的研究结果也表明水分的增产作用大于料。在有些发表的文献中，只提供了产量结果而没有建立数学模型，或者在建模过程中没有进行无量纲线性编码代换。

文献中田间试验大多是研究补充灌水的效应，灌水效应的大小与土壤基础水分供应状况（即底墒和生育期间降水）有关。对于大部分半湿润地区来说，正常年份都有可观的底墒和生育期降水，因此补充灌水的作用较小。大多数旱棚试验中都没有提供土壤底墒的信息，其研究因素“水”多是模拟降水量，亦即其土壤基础水分供应量较小（最多只有土壤底墒部分），因此“水”的效应就要大一些;盆栽试验中的“水”则是土壤总供水量，它与作物产量紧密相关：有

“水”则有产量，无“水”则无产量。这是田间试验结果多为“肥效大于水效”，而模拟试验结果多为“水效大于肥效”的主要原因。模拟试验的条件与实际情况有较大差距，简单地用模拟试验结果定性农田水肥效应的大小是不合适的。田间试验肥效大于水效，说明在现有的水资源条件下，北方旱区农田养分亏缺是作物增产的主要限制因子。

4水分效果取决于土壤底墒、生育期降水、土壤肥力及灌水时间等因素

北方旱区水资源有限，提高水分利用效率是农田水分管理的主要问题。虽然有灌溉条件的耕地只占1/3左右，但近年来在半干旱和半湿润地区发展以积蓄雨季降水、在作物需水关键期进行有限补充灌溉的技术越来越受到人们重视。

因此，研究农田水分效应及其条件很有必要。补充灌水的效应主要取决于土壤底墒和生育期间的降水量：底墒和降水丰富，灌水效应则小。新疆、柴达木盆地、河西走廊、甘肃中部、榆林长城沿线等地，主要作物生育期间降水量较少，水分均有较大亏缺。比如，冬小麦生育期间水分亏缺一般为300～400mm;春玉米生育期间亏缺额达400mm以上，因而这些地区灌水或补充灌水的效果一般会较明显。对于北方旱区的其他地区，只要作物播前土壤有200～300mm的有效贮水，基本就能抵消水分亏缺额，因此补充灌水的增产效果就不会太显著。但在部分地区，这也取决于种植制度。比如，渭北旱塬地区其全年降水量并不少，如果实行一年一作，水分供应一般不会成为大问题，若一年两熟，土壤底墒欠佳，只有补充灌溉才能获得可观的经济产量。补充灌水的效果还与土壤肥力有关。如我们在渭北旱塬进行的一个田间试验表明，在肥力较高的田块，灌水表现正效应，在低肥力田块，灌水则表现出负效应。灌水时期对灌水效果也有重要的影响。对大多数作物来说都有一个水分敏感期，在这一时期灌水往往能达到事半功倍的效果，而这一时期如果水分供应不足则会引起显著减产。因此，找到作物的水分敏感期有助于确定作物的灌水高效利用时期，这也是有限灌溉（或称非充分灌溉）的必要条件之一。

参考文献：

[1]吴杨.黄土高原不同覆盖种植技术对农田水温效应及玉米生长的影响[D].西北农林科技大学，2016.

[2]孙东宝.北方旱作区作物产量和水肥利用特征与提升途径[D].中国农业大学，2017.

[3]王立为.旱地马铃薯田温室气体减排与增产协同机制和模式研究[D].中国农业大学，2015.