黄淮海北片小麦应对气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案

马爱平，席天元，靖 华，亢秀丽，王裕智，崔欢虎，张建诚

(1.山西农业大学 小麦研究所，山西 临汾 041000；2.山西农业大学 棉花研究所，山西 运城 044000)

1 方案提出背景

黄淮海北片麦区是我国小麦的主产区，其包括晋南盆地、河北、山东大部，该区小麦产量丰歉直接左右着全国小麦总。随着全球气候变化特别是气温升高[1]、降雨减少[2]、春季极端低温天气事件概率增加[3]等关键气象因子及其耦合诱发该区小麦干旱趋重、春季低温冻害频发及各种次生灾害(红蜘蛛、茎基腐病)，同时由于本区灌溉水资源硬性约束[4]，该区小麦生产系统已经或将受到严重挑战。因此，构建小麦应对气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案，对本区小麦生产具有建设性作用。

2 构建方案的基本思路

项目通过历史资料和模拟研究小麦生产系统对气温升高和降雨减少(诱发气候旱化)、春季极端低温的响应机制研究及灌溉水资源硬性约束分析，明确了气温升高、降雨减少、春季极端低温对小麦生产系统的不利影响，同时结合课题团队和他人已有研究成果，分析、凝练、吸收单项关键技术，单项技术组配集成生物、工程、农艺等适应性栽培途径，以适应性栽培途径构建 “黄淮海北片小麦应对气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案”(见图1)，以期为未来气候变化提供技术支撑。

图1 黄淮海北片小麦应对气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案

3 响应机制研究

3.1 降水量减少对小麦单产造成不利影响

通过对历史气象及小麦产量数据(山西临汾1987-2018)相关分析表明，小麦生产年度、休闲期、生育期降水量均与小麦产量呈正相关[5]；在山西晋南采用不同微喷灌总量及各生育期不同微喷灌水量的田间模拟方法表明[6]：随灌水量的增加浅层和深层土壤耗水量均在减小，随灌水量的增加浅层耗水所占比例在提高，而深层耗水所占比例则在降低，其中传统大水漫灌深层土壤不但没有消耗而且有盈余(可视为渗漏水)；在微喷灌水量0.0～150.0 mm范围内，水分利用效率和产量均随微喷灌水量的增加而提高，传统大水漫灌产量虽有增加但水分利用效率在下降，而灌溉水利用效率则表现为随灌水量的上升而下降。

3.2 气温升高对小麦单产造成不利影响

通过对历史气象及小麦产量数据(山西临汾1987-2018)相关分析表明，小麦生育期平均气温与小麦产量呈负相关[5]；在山西晋南采用低海拔区域模拟未来高海拔区域气温升高情景的方法[7]和增温降温装置[8]研究方法均表明，未来气温升高情景下土壤耗水量呈增加趋势，而产量和水分利用效率分别呈减产和降低趋势。

3.3 气温升高诱发干旱对小麦病虫害的影响

3.3.1 气温升高诱发干旱导致红蜘蛛趋重 采用低海拔区域模拟未来高海拔区域气温升高情景的方法研究结果表明，红蜘蛛发生量低海拔点大于高海拔点，对不同海拔点间不同处理的红蜘蛛发生量进行配对T值检验，存在极显著差异(t=3.3687，df=8，P=0.0098)；拔节期0～100、100～200、0～200 cm土层贮水量与麦田红蜘蛛发生量的线性关系在低海拔点均存在显著负相关(P<0.05)，而在高海拔点均不存在差异；越冬前高海拔点100～200 cm土层贮水量、低海拔点0～100、0～200 cm土层贮水量与麦田红蜘蛛发生量的线性关系表现为显著负相关(P<0.05)。

3.3.2 气温升高诱发干旱导致茎基腐发病率上升 采用低海拔区域模拟未来高海拔区域气温升高情景的方法研究结果表明，低海拔点和高海拔点不同处理的茎基腐发病率分别为0.56%～1.59%、0.00～0.00，其中低海拔点越冬前0～100 cm土层贮水量，拔节期0～100、100～200、0～200 cm土层贮水量与茎基腐发病率存在显著负相关(P<0.05)；低海拔点各土层贮水量与茎基腐发病率的平均相关系数拔节期大于越冬前。采用增温、降温装置模拟气温升高情景的方法研究结果表明，2个试验年度(2018-2019年、2019-2020年)增温麦田的平均茎基腐发病率(16.24%)高于常规麦田(4.31%)和降温麦田(0.00%)，其中2个试验年度增温麦田与常规麦田、降温麦田的茎基腐发病率均存在显著差异(P<0.05)，2019-2020年度存在极显著差异(P<0.01)。

3.4 不同品种及栽培措施对春季低温的响应

本项目研究表明(2018，山西临汾)：叶片受冻等级与主茎冻害率、分蘖冻害率、总(主茎和分蘖)冻害率等性状之间不存在显著的线性关系；品种间的冻害率最高与最低相差11.03%，适期内播种(目前界定的10月6日至10月13日)的冻害率较晚播(目前界定的10月20日至11月3日)高8.12%；起身期灌水麦田总冻害率较未灌水麦田低7.03%。耕层速效磷、碱解氮、速效钾含量较高麦田冻害率较耕层肥力低的降低6.04%[9]。

4 栽培技术方案构建

本课题组依据国家研发计划“黄淮海北片小麦应对气候变化的栽培技术途径及机制”的2017-2020年析出成果、研究结论及前人已有研究成果，研究、分析、总结消减气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案，其中消减气候旱化的栽培技术方案主要包括应对气候旱化(降雨减少与气温升高耦合)的生物节水途径、高效微喷灌工程节水途径、降温农艺节水途径；应对春季极端低温栽培技术方案主要包括农艺规避途径和抵御途径，集成应对气候变化的“黄淮海北片小麦应对气候旱化与春季低温冻害栽培技术方案”，其技术方案核心内容如下：

4.1 应对气候旱化栽培技术方案

4.1.1 生物节水途径 依据项目实施过程中利用产量、抗旱指数 (DRI)、水分适宜指数(WAI)、水分利用效率、灌溉水利用效率等方法或指标，鉴选出的品种具有较强的抗旱性及较好的生态适应性。面对未来气候旱化的日益趋重，应对未来气候情景的品种类型为一是节水(产量、水分适宜指数高)，以适应灌溉水资源严重短缺的状况；二是具有避旱性或御旱性或耐旱性(产量、抗旱指数高)以适应气象干旱和农业干旱的双重影响；三是水分利用效率高特别是灌溉水利用效率高的品种；四是具有一定抗倒性，以适应气温升高导致株高偏高形成倒伏对产量的影响。

4.1.2 高效微喷灌工程及农艺节水途径 主要有:

(1)高效微喷灌工程节水技术[10]。设置输水主管道及微喷带搁置带：将输水主管道两侧各延伸一定距离不种植作物的空闲区作为搁置带，其宽约120～140 cm，用于存放输水主管道、四通、旁通、折叠微喷带各组件；微喷带间距及微喷带长度：微喷带间距2.5 m，微喷带长度35～45 m；微喷带铺设方向：在与输水管相垂直方向上铺设微喷带且微喷带与小麦种植方向垂直；依次分单元分组喷灌：每个单元每组开启微喷带数量依据水压大小调至相邻两条微喷带末端出水孔喷出的水柱相交叉为准。

(2)微喷灌总水量核定及各生育期水量优化分配农艺技术。依据未来水资源短缺状况及黄淮北片所处生态条件、灌溉水利用效率及灌溉成本等因素分析及应对气候旱化丰产品种的应用，全生育期微灌总量为150 mm；各生育期水量优化分配[6]：各生育期的分配额度分别为越冬前25.0 mm、起身期35.0 mm、孕穗期60.0 mm、灌浆期30.0 mm。

4.1.3 应对气候旱化(升温诱发干旱)的降温农艺节水途径 应对未来气温升高情景对小麦生产系统的影响是降低麦田温度，其途径有两条，一是全生育期秸秆覆盖降温：秸秆带状覆盖冬小麦0～25 cm土层全生育期平均降温0.61℃[11]，秸秆带状覆盖方式保墒效应显著[12]，可实现小麦的稳定增产；二是关键生育时期微喷灌降温：灌溉显著延迟气温对地温的影响,具有显著地平抑地温作用[13]，喷灌可降低表层温度[14]；本项目研究表明(2019-2020年)，在越冬前、起身期、孕穗期、灌浆期分别微喷灌水量25.0、35.0、60.0、30.0 mm麦田较未微喷灌麦田(越冬前至成熟期)5、10 cm地温分别降低1.22、1.48℃。

4.2 应对春季低温冻害栽培技术方案

依据历史资料分析表明，冬前(10、11月份)、春季(2月下旬、3月份)气温呈升高趋势[15～16]，对小麦生产系统造成隐患，当小麦生长中期(4月份)遭遇极端低温天气过程时，冬前和早春的气温偏高与生长中期的低温耦合对小麦造成冻害。根据项目实施团队研究进展，同时结合本团队已有研究成果，形成规避和抵御春季低温冻害的两条栽培途径。

4.2.1 规避途径 主要有:

(1)品种选择。选择利用冬前、春季生长稳健，中后期生长发育较快的冬性较强品种，规避春季低温冻害。

(2)适当推迟播种期，增加播种量。依据未来气温升高情景，通过推迟播期规避因冬前和早春气温偏高造成的冬前穗发育进程较快而引发的春季低温冻害[17]，通过增加播种密度弥补因播期推迟而造成的群体偏低。播种期宜控制在10月13日至10月18日，播种量36万～40万粒·667m2(灌溉区)。

(3)降低麦田地温，延迟小麦生育进程 通过秸秆覆盖延迟春季小麦生育进展，通过返青-起身期喷灌降低麦田地温延迟麦田生长发育。

4.2.2 抵御途径 主要有:

(1)品种选择。选择抵御春季低温强的品种或选择低温过程后补偿能力强的品种。

(2)提高土壤肥力。提高耕层的速效磷、速效钾、碱解氮含量可有效降低冻穗率[8]。

(3)培育壮苗。利用外源性物质诱发麦苗的相关生化物质，提升麦苗抗耐春季极端低温能力。

4.3 应对病虫次生灾害栽培技术方案

麦田土壤贮水量低是诱发麦田红蜘蛛、茎基腐病的直接因素，而造成麦田贮水量低的主要因素则是气温偏高[18～19]。因此，有效抑制红蜘蛛、茎基腐病发生的栽培途径是提高麦田贮水量。在雨养区应当重视夏闲期的纳雨蓄墒土壤耕作技术、小麦生长中期的耙耱保墒技术及秸秆覆盖保墒技术；在灌溉区则应当加强起身期至拔节期灌溉。

5 技术方案实施应注意的问题

(1)适宜的立地生态条件。该技术方案的部分关键技术适宜于有一定灌溉条件的黄淮麦区北片，部分关键技术则适宜于雨养区。

(2)时间区间的适应性。该技术方案的部分栽培途径(如生物节水、工程节水、农艺节水栽培途径、春季低温的抵御农艺栽培途径)既适宜于目前的栽培环境，也适宜于未来气候情景下的栽培环境；而部分技术如规避春季低温冻害的播期栽培因子则适宜于未来气候情景下的栽培环境。

(3)实施过程应灵活掌握。该技术方案实施过程中如播期无论是在目前栽培环境还是未来气候情景下的栽培环境，在宜播期范围内或宜播期范围外(差异3～5 d)耕层土壤含水量应当作为首选因素，因为保苗是第一位。

(4)该技术方案的不足。该技术方案主要围绕未来关键气象因子温度、降水变化、春季低温极端天气及水资源硬性约束而构建，未有涉及如提高土壤有机质[20～21]有利于增强或缓冲气候旱化对小麦生产系统的不利影响，也未涉及病虫草害化学防治等相关技术。因此，该技术方案在实施过程中有待于进一步充实、提升和完善。