豫西旱地小麦—玉米种植模式下农田水分供应及水分利用效率研究

吕军杰，张 洁，丁志强，李俊红，姚宇卿，田文仲

(1 洛阳农林科学院，河南洛阳 471023； 2 中国农科院洛阳旱农试验基地，河南洛阳 471023)

河南省是一个农业大省，耕地面积815万公顷左右，其中旱地面积超过三分之一，旱地粮食产量的变化对全省粮食安全影响较大。保持旱地粮食生产的稳定对于促进全省粮食生产的持续发展意义重大。河南省旱地主要分布在西部地区。该地区属半湿润易旱气候，常年降水量在600 mm左右，种植制度有1年1熟、1年2熟及2年3熟等。为了从土地上获得更大经济效益，1年2熟种植模式在生产上的面积越来越大(主要是小麦—玉米1年2熟种植模式)。研究表明，在本地区降水条件下水分供应表现为一季有余两季不足，季节性干旱经常发生，作物产量变化较大，旱灾发生频率越来越高，绝收现象也时有发生，小麦、玉米同时丰收的现象极少，对本地区粮食生产的持续发展影响较大[1，2]。目前对1年1熟种植模式下旱地作物产量、水分供应及土壤水分变化方面研究较多，但对两熟种植模式下的土壤水分供应及利用效率方面系统性研究不多。本文对2004～2018年小麦—玉米种植模式下的产量、土壤水分及降水等因素变化进行研究，并系统分析豫西旱作区小麦—玉米1年2熟种植模式下土壤水分的周年变化规律，为提高水分利用效率及生产的持续性、稳定性提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验设在中国农科院洛阳旱农试验基地内。土壤为潮褐土，质地重壤，耕层容重1.53 g/cm3，田间持水量23.48%。土壤肥力较高，耕层有机质15.8 g/kg，碱解氮62.7 mg/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效钾166.0 mg/kg。该区年均气温14 ℃，常年降水量600 mm左右(试验年份361.5～732.9 mm，平均539 mm)，且70%集中在6～9月，年蒸发量1841.7 mm。种植模式为小麦—玉米(旱作)1年2熟。试验始于2004年，到2018年已完成14年的连续监测。

1.2 试验设计

试验小区为无底水泥池，面积16 m2(4 m×4 m)，设3次重复。小麦播种量120～135 kg/hm2，玉米播种密度45 000株/hm2。小麦底施复合肥750 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，玉米在拔节期追施尿素300 kg/hm2。小麦播种期10月10～15日，收获期5月底6月初，小麦收获后贴茬播种玉米，玉米收获期在9月中下旬。

1.3 试验观测记载项目

在小麦、玉米收获期用烘干法测定0～200 cm(每20 cm一层)土壤含水量；在试验区附近用雨量筒人工测定降水量；整区收获脱粒测定作物产量。

土壤水分含量(%)=(土壤湿重-土壤干重)/土壤干重×100；

2 m土体水分含量(mm)=Σ[每层土壤水分含量×土壤容重(g/cm3)×2]；

水分利用效率(kg/m3)=单位面积产量(kg)/单位面积农田耗水量(m3)；

土壤水分变化量(mm)=播种时土壤水分含量(mm)-收获时土壤水分含量(mm)；

作物耗水量(mm)=播种时土壤水分含量(mm)+降水量(mm)-收获时土壤水分含量(mm)；

土壤相对含水量(%)=土壤含水量/田间持水量×100。

2 试验结果与分析

2.1 试验年度降水情况

降水是旱区农业生产的唯一水分来源，降水的多少与分布直接影响农作物的产量，年度间降水的变化也是影响作物产量的重要因素。本地区小麦需水量420 mm，玉米需水量369 mm[2，3]，年降水量不能满足1年2熟需要，表现为一季有余两季不足[4，5]。图1～3是试验期间年降水变化及小麦、玉米生育期内降水变化情况。结果显示：降水量年度变化较大，最低的年份仅有300 mm左右，高的近800 mm；年降水量高于常年的丰水年仅有4年，低于常年的有7年；试验期间年平均降水539.9 mm，较洛阳市历史上常年低了10%左右，表明降水量有减少的趋势(图1)。小麦和玉米生育期内平均降水分别为207.2 mm(76.5～322.1 mm)和327.8 mm(217.7～567.4mm)，均低于常年均值，显著降低的分别有5年和7年，表明该地区干旱程度及影响有加重趋势(图2、3)。

图1 不同年度降水量变化

图2 小麦生育期内降水量变化

图3 玉米生育期内降水量变化

2.2 小麦、玉米收获时土壤水分变化

旱作区底墒(作物播种时土壤含水量)对播种出苗及产量影响较大。由表1可看出：小麦收获期土壤水分为一年间最低值，2 m土体土壤相对贮水量(土壤贮水量占田间持水量的百分比)平均为56.78%(48.26%～68.53%)，最低时不足50%；玉米收获期平均为67.19%(53.00%～99.70%)，土壤水分较小麦收获时平均增加72.9 mm，增加的水分多分布在120 cm土壤层以内，深层土壤水分不能得到恢复；14年间玉米收获期(雨季未)墒情也仅有4年较好(>70%)，而小麦收获期有11年在60%以下，且其他年份均未超过70%，这与旱区土壤水分周年变化特点一致[6]。

2.3 小麦、玉米产量与不同水分源的相关性分析

旱地作物的水分来源有播种时的土壤贮水(底墒)与生育期内降水两部分，这两部分水分协调供应才能获得高产。相关性分析结果表明：小麦产量与底墒及耗水量的相关性极显著，而与生育期内降水相关性较差；玉米产量与底墒的相关性显著，与降水及耗水量相关性较差；小麦产量与底墒的相关性高于玉米(表2)。

表1 小麦、玉米收获期土壤水分变化

表2 小麦、玉米产量与不同水分源的相关系数

注：*表示显著相关；**表示极显著相关。

2.4 小麦、玉米高产的水分条件

适宜的水分供应是作物获得高产的重要基础。试验结果表明：小麦耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是获得高产的水分条件(高产标准：小麦>4500 kg/hm2，玉米>6000 kg/hm2)。小麦则要求底墒提供100 mm以上的有效水分(播种时土壤水分含量在450 mm以上)加上200 mm左右的生育期内降水，如2010、2012、2015年；玉米则需要较多的降水(>250 mm)，且降水的分布比降水量更为重要(这是耗水量大产量并不高及相近的耗水量产量差异较大的原因)，如2011、2014年降水量较大，产量较低，同样的降水量产量差异较大，如2015、2013年(表3)。

表3 收获期土壤水分(底墒)、耗水量及产量变化情况

2.5 小麦、玉米水分利用效率变化

水分利用效率与作物产量及耗水量密切相关，产量高耗水少水分利用效率就高。试验结果表明：不同年份间小麦、玉米水分利用效率变化明显；玉米平均为1.77 kg/m3(0.393～2.421 kg/m3)，小麦平均为1.31 kg/m3(0.500～1.914 kg/m3)，玉米水分利用效率高于小麦，平均高0.46 kg/m3，但变化幅度大于小麦(图4)。

图4 不同年份小麦、玉米水分利用效率变化

3 结论与讨论

(1)降水是旱地土壤水分的唯一来源，因此必须针对本类旱区降水特点提高水分利用效率，通俗的讲就是“保住天上水，用好地中墒”，即提高土壤对降水的贮蓄能力，减少无效耗水，提高水分利用效率。可应用免耕、深松、深耕、覆盖及改造微地型等技术提高降水利用率[1，5，9]；利用生物节水、培肥地力及播种技术等可提高水分利用能力及效率[10，11]。

(2)底墒水与降水相互作用。底墒是小麦丰产的基础[7～9]；生育期内降水分布对玉米产量影响巨大。在豫西旱区小麦—玉米生产模式中，小麦耗水量大于300 mm，玉米耗水量大于280 mm是获得较高产量的水分条件。

(3)作物水分利用效率年度间变化较大，玉米水分利用效率平均高出小麦0.46 kg/m3，进一步提高玉米产量有利于提高水分利用效率[11]。

(4)针对豫西降水特点及小麦、玉米与土壤水分及降水的关系，在旱作小麦—玉米1年2熟周年生产模式中应坚持“确保小麦兼顾玉米”的技术模式，即适当减少玉米水分消耗，为小麦生长提供较多土壤水分，缓解干旱对小麦生长的影响，以提高周年的作物产量及水分生产效率。