杨凌地区冬小麦-夏玉米水分供需适配性分析

2018-03-20姚德龙李志军胡田田

干旱地区农业研究 2018年1期

姚德龙，高繁，李志军，胡田田

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100； 2.旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100;3.中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

关中平原是陕西粮食主产区，主要实行冬小麦-夏玉米轮作制。杨凌国家农业高新技术产业示范区(简称杨凌示范区)地处秦岭北麓和黄土高原之间的渭河流域，属大陆性季风气候，是关中平原主要粮食产区之一。冬小麦生育期一般在10月中旬至翌年6月上旬，该时段光照条件相对稳定，降雨和温度变化幅度较大，平均有效降水量在96.6 mm，远低于冬小麦的需水量，需进行适时补充灌水[1]。夏玉米生育期一般在6月上旬至10月上旬，该时段高温多雨，光照和热量相对稳定，平均有效降水量在284.4 mm，但降雨时段分布不均匀，不能完全满足夏玉米的正常需水[2]。因此，干旱成为冬小麦-夏玉米生长季的主要农业气象灾害，灌溉是该地区实现粮食持续稳产高产的重要保障。

近年来，关于杨凌地区冬小麦和夏玉米的研究多侧重于栽培技术[3-4]、水肥效应[5-7]、生态环保[8]等方面，对冬小麦-夏玉米生育期内降水等气象因素变化规律的研究较少[9]，分析生育期降水与作物需水适配性的研究更少。为进一步掌握杨凌区作物的水分供需特征，使研究结果更具有针对性，本研究结合有效降水的年际、年内分布和作物需水特征，分析二者的适配性，以期为建立冬小麦-夏玉米轮作系统的稳健型灌溉制度、指导作物合理灌水提供参考。

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

数据资料采用陕西杨凌示范区1984—2015年冬小麦-夏玉米生育期内逐日气温、降水、相对湿度等资料，该观测数据来源于西北农林科技大学气象观测站。

1.2 分析方法

1.2.1 冬小麦-夏玉米生育阶段的划分根据杨凌示范区冬小麦生育期观测资料，冬小麦播期一般在10月上、中旬。小麦分蘖期需水量增加，且需要充足的光照和适宜的温度。进入越冬期，地上部分停止生长，而根系仍缓慢生长。拔节至孕穗是小麦需水关键期，小麦抽穗后进入生殖生长阶段。基于小麦各生育阶段的需水特征，并考虑到关中冬小麦-夏玉米轮作的生产实际，将杨凌地区冬小麦全生育期划分为以下6个阶段：播种～出苗(10月1日至11月10日)、出苗～越冬(11月11日至12月20日)、越冬～返青(12月21日至2月10日)、返青～拔节(2月11日至3月15日)、拔节～孕穗(3月16日至4月30日)、孕穗～成熟(5月1日至6月4日)。

杨凌示范区夏玉米播种时间一般在6月上旬，播期及出苗好坏受播前底墒的影响明显。拔节以后玉米耗水量逐渐增加，完全进入生殖生长期后玉米耗水量达到最高峰，需水量最大，后期需水量逐渐减小[1]。鉴于此，将夏玉米生育期划分为如下5个阶段：播种～出苗(6月10日至6月20日)、出苗～拔节(6月21日至7月20日)、拔节～抽雄(7月21日至8月10日)、抽雄～灌浆(8月11日-9月10日)、灌浆～成熟(9月11日至9月30日)。

1.2.2 有效降水量的计算有效降水量通常指自然降水量实际补给到作物根部土壤的净降水量[10-11]。降水的有效性与降水量级直接相关，同时也与作物生长状况、地表覆盖情况、土壤的质地结构和当前土壤实际含水量有关，精确计算比较困难。因此，本文采取如下经验公式[12-13]：

Pe=a×P

(1)

式中，Pe为有效降水量(mm)；P为总降水量(mm)；a为有效降水系数。由于小于5 mm的降水量为无效水，采用以下经验系数：

(2)

分别计算冬小麦和夏玉米各生育阶段的有效降水，以分析有效降水的变化及对冬小麦和夏玉米需水量的影响。

1.2.3 作物蒸发蒸腾量的计算采用FAOPenman-Monteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)[14-18]：

(3)

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm·d-1)；Rn为输入冠层净辐射量(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)；T为2 m高处日平均温度(℃)；u2为2 m高处风速(m·s-1)；es为实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率(kPa·℃-1)；γ为干湿温度计常数(kPa·℃-1)。

作物系数通常指主要作物生长发育期间作物需水量和参考作物需水量之间的比值，一般采用Kc表示，本文采用较为广泛的单作物系数法进行计算[19-20]，公式如下：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中，ETc为作物供水充足条件下的蒸发蒸腾量(mm·d-1)；Kc为作物系数；ET0为参考作物需水量(mm·d-1)。

2 结果与分析

2.1 冬小麦和夏玉米的需水量和需水规律

FAO建议将作物的生育期划分为如下4个阶段，小麦和玉米各生育阶段需水量见表1和表2。

表1 冬小麦生育期内需水量和需水规律Table 1 Water requirement of winter wheat during growth periods

2.2 冬小麦生育期内有效降水的变化特征

如图1，1984—2015年杨凌示范区冬小麦生育期内有效降水呈减少趋势，但变化不显著(P=0.856)。32 a间冬小麦生育期内平均降水量为151.2 mm，平均有效降水量为96.6 mm。有效降水最大值出现在2014年，为215.1 mm；最小值为2000年(25.7 mm)，相差189.4 mm。冬小麦生育期有效降水占总降水量最高为90%(2012年)，最低为41%(2000年)，平均值占生育期总降水量的64%。32 a中有效降水量有18 a低于平均值，时间集中在1986—1996年以及2000—2003年。可见，杨凌示范区冬小麦生育期内有效降水量年际变化很大。

表2 夏玉米生育期内需水量和需水规律 Table 2 Water requirement of summer maize during growth periods

图1 1984—2015年冬小麦生育期降水量及有效降水量年际变化

Fig.1 Annual variation of precipitation and effective precipitation of winter wheat during 1984—2015

表2表明，冬小麦各生育阶段32 a的平均有效降水量表现出明显差异：其中拔节～孕穗阶段有效降水量最大，占全生育期有效降水量的39%；其次为孕穗～成熟阶段，占全生育期有效降水量的28%；出苗～越冬和越冬～返青阶段最小，分别为5 mm和3.9 mm，占全生育期有效降水量的5%和4%。1984—2015年杨凌示范区冬小麦各生育阶段最大有效降水量变化很大，为15.8(越冬～返青)～138.9 mm(拔节～孕穗)；各生育阶段最小有效降水量均为零，表明无有效降水的情况在冬小麦各生育阶段时有发生。从有效降水的变异系数来看，出苗～越冬阶段有效降水变化最大，为140%；其次是返青～拔节阶段(130%)；越冬～返青阶段有所减小，为120%；拔节～孕穗阶段最小，为79%；孕穗～成熟阶段有所增大，为101%；全生育期有效降水的变异系数远小于各生育阶段，但仍可达49%。可见，冬小麦全生育期及各生育阶段的有效降水表现出明显的不稳定性，尤以出苗～越冬～返青～拔节3个阶段表现突出，而以拔节～孕穗、孕穗～成熟阶段有效降水量较大且相对稳定。

表3 1984—2015年杨凌示范区冬小麦各生育阶段的有效降水量 Table 3 Effective precipitation of winter wheat growth period in Yangling area during 1984—2015

2.3 冬小麦各生育阶段水分供需的适配性分析

对比表1、表3可以看出，杨凌示范区冬小麦各生育阶段有效降水量少且分布不均，远不能满足冬小麦特定生育阶段的需水要求。那么，为了节约水资源、获得更高的作物水分利用效率，应该在哪个生育阶段进行补充灌溉呢？

有研究表明，土壤含水量在田间持水量的60%～70%时最适宜小麦出苗[21]。如果土壤过湿，无法整地，难以播种；土壤过于干燥，种子难以发芽，不利于播种和出苗。考虑到该区自然降雨主要集中在夏秋季(6—9月)，且当地土壤具有强大的蓄水能力，在播种～出苗阶段，可以依靠9月份及以前的降雨，灌水的需求很小。

小麦出苗后不久即进入分蘖期，需水量增加。冬小麦分蘖期以0～20 cm土层含水量占田间持水量的60%～80%为宜。进入越冬期后，地上部分停止生长，而根系仍缓慢生长，且冬季干冷少雨，此时外来水分主要用于减轻地面蒸发，保持底墒。由32年降水资料可知，冬小麦出苗～越冬阶段平均有效降水量仅为10 mm，而变异系数高达110%，小麦播种～返青阶段需水量在126.5 mm左右，仅靠降水无法满足小麦的正常需水。冬小麦在生产实践中，通常在11月下旬至12月上旬越冬期来临前进行40～50 mm的灌水[22]，充分说明了此阶段需要适当的补充灌溉。

越冬～返青阶段冬小麦营养生长时间较长，水肥要求较低，还具有较强的补偿效应[23]，而且，适度的水分亏缺对冬小麦产量的影响并不明显，甚至有利于根系的发育和水分利用率的提高[24-25]。另外，越冬前的灌水也可以蓄积一定的土壤水分。因此，虽然此阶段有效降水少，但春季第一次灌水仍可推迟至拔节期进行。

返青至拔节阶段，冬小麦开始复苏，生长速度加快，加之春季气温回升，蒸发加强，小麦需水量开始迅速增加。冬小麦进入拔节期后，营养器官生长旺盛，同时生殖器官开始加速生长，此时持续的水分亏缺会造成干物质更多向支持生长的营养器官分配，导致穗部占比相对减少，将严重影响花粉粒发育，使穗粒数下降[26-27]。表1、表2表明，冬小麦返青～拔节阶段平均有效降水量为13.5 mm，且变异性很大，而需水量为81.2 mm，降水无法满足冬小麦正常生长需求。因而，返青～拔节阶段应进行必要的补充灌溉，灌溉定额在60 mm左右[28]。

拔节后穗部器官逐步形成，营养生长与生殖生长共同进行，耗水量大。拔节到孕穗是小麦的需水关键期，此时若降水及时可促进小麦生长。抽穗后小麦进入全面生殖生长阶段，进行扬花授粉并形成种子。此时植株生长很快，需水量加大，整个时期要求土壤含水量占田间持水量的80%～90%[9]。这一阶段，虽然当地有效降水量较大且相对稳定(表3)，平均有效降水量为37.6 mm,但孕穗灌浆期干旱对产量影响较其它生育阶段大[29]，且此阶段需水量也最大，为206.6 mm，仅靠降雨无法满足小麦的水分需求，若能适时地进行必要的补充灌溉，控制灌水定额在50 mm左右[1,30]，可促进小麦稳产高效。

2.4 夏玉米生育期内有效降水的变化特征

如图2，1984—2015年杨凌示范区夏玉米生育期内有效降水呈递增趋势，但变化不显著(P=0.91)。32年间夏玉米生育期内平均降水量为 351.1 mm，平均有效降水量为284.4 mm。有效降水最大值出现在2003年，降水量为607.7 mm，最小值为1994年(87.7 mm)，相差520 mm。夏玉米生育期有效降水占生育期总降水量最高为95%(1999年)，最低为60%(2002年)，平均值占生育期总降水量的81%。32 a间有16 a低于平均值。可见，杨凌示范区夏玉米生育期内有效降水量年际变化很大。

图2 1984—2015年夏玉米生育期降水量及有效降水量年际变化

Fig.2 Annual variation of precipitation and effective precipitation for summer maize during 1984—2015

表4表明，夏玉米各生育阶段32 a的平均有效降水量表现出明显差异：其中出苗～拔节和抽雄～灌浆阶段有效降水量最大，分别占全生育期有效降水量的25%和26%，其次是灌浆～成熟和拔节～抽雄阶段，分别占全生育期有效降水量的21%和19%，播种～出苗阶段最小，有效降水量为23 mm，占全生育期有效降水量的8%。表明除播种～出苗阶段外，夏玉米各生育阶段间有效降水分布比较均匀。1984—2015年杨凌示范区夏玉米各生育阶段有效降水量最大值变化很大，为69.5 mm(播种～出苗)～192.3 mm(灌浆～成熟)；而播种～出苗和拔节～抽雄阶段的最小有效降水量均为零，表明无有效降水的情况在夏玉米这2个生育阶段也时有发生。从有效降水的变异系数来看，播种～出苗阶段有效降水变化最大，为102%；其次是拔节～抽雄阶段(81%)；出苗～拔节阶段最小，为52%；抽雄～灌浆～成熟阶段有所增大，均为67%。全生育期有效降水的变异系数远小于各生育阶段，但仍达43%。可见，夏玉米全生育期及各生育阶段的有效降水表现出明显的不稳定性，尤以播种～出苗和拔节～抽雄2个阶段表现突出，但以出苗～拔节、抽雄～成熟阶段有效降水量较大且相对稳定。

表4 1984—2015年杨凌示范区夏玉米生育期有效降水量 Table 4 Effective precipitation of summer maize growth period in Yangling area during 1984—2015

2.5 夏玉米各生育阶段水分供需的适配性分析

夏玉米苗期根系生长较快，而地上部分生长缓慢，比较耐旱。这一时期，人为控制土壤水分，进行抗旱锻炼，可促使根系向深层发展，增加对深层土壤水分的利用。虽然夏玉米在播种-出苗阶段有效降水量较少，平均值为23 mm(表4)，但此阶段玉米需水量不大(31.4 mm)，如果能在小麦收获后趁墒播种保证出苗，一般无需灌水，还有利于增强玉米中、后期抗旱能力。

玉米进入拔节期后，植株生长旺盛，雌雄穗开始分化形成，是生长发育最活跃的时期，蒸发蒸腾强烈，此时缺水会引起营养体生长不良，植株体型矮小[31-32]。夏玉米出苗～抽雄阶段平均有效降水量分别为126.8 mm,小于此阶段耗水量157.2 mm，可在大喇叭口这个产量形成的关键生育期进行补充灌溉。但灌水定额不宜过多，一般在50 mm左右[33-34]，防止深层渗漏，以达到节水效果。

玉米抽雄灌浆期，温度高，日照时间长，需水量达到高峰，从开花前8～10 d开始，30天内的耗水量约占总耗水量的一半[35]。如果水分不足，将影响玉米开花授粉，造成减产；如果水分胁迫严重，还会造成雌雄花开花期脱落，花粉活力降低，严重影响产量[31]。由表1可知抽雄～灌浆阶段夏玉米耗水量在166.6 mm左右，而此阶段有效降水量平均仅 73.9 mm，因此需要补充灌溉，灌水定额宜60 mm左右[34]。

玉米乳熟～成熟阶段，玉米茎叶逐渐衰老，果穗日趋定型，气温下降，耗水量为40.5 mm，而此时有效降水量60.7 mm且相对较稳定(表4)，多数年份有效降水量可以满足玉米的需水量，因此不需要灌水。

3 结论

1) 1984—2015年，杨凌示范区冬小麦在出苗～越冬阶段有效降水变化最大，其次是返青～拔节阶段。冬小麦全生育期及各生育阶段的有效降水表现出不稳定性，除个别年份外，大多年份降水不能满足冬小麦的需水要求；其中播种～返青阶段有效降水量仅为18.9 mm，需水量在126.5 mm左右，根据小麦生理需水规律需冬前灌水45～50 mm；返青～拔节阶段有效降水13.5 mm，且变异系数达130%，而需水量为81.2 mm，故拔节期可灌水60 mm；拔节～孕穗阶段有效降水相对稳定，为37.6 mm，但小麦在此阶段需水量达206.6 mm，根据小麦生理需求需灌水50 mm左右；若遇多雨年份，拔节期灌水可往后推迟，与灌浆期灌水并作一水浇灌。

2) 夏玉米各生育期有效降水的最大、最小年际差较大，全生育期有效降水变异系数小于各生育阶段；其中播种～出苗期有效降水变化最大，变异系数达102%，其次是拔节～抽雄(81%)。夏玉米全生育期及各生育阶段的平均有效降水总体表现出不稳定性，出苗～抽雄阶段平均有效降水量为126.8 mm,此阶段玉米需水量为157.2 mm；玉米抽雄～灌浆阶段平均有效降水73.9 mm，而需水量为166.6 mm；根据玉米生理需水规律，一般年份可在夏玉米大喇叭口期灌水50 mm左右，抽雄灌浆期灌水60 mm。

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