华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨*

王慧军,张喜英

华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨*

王慧军1,张喜英2

(1. 河北省农林科学研究院 石家庄 050031; 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)

华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式为维护国家粮食安全发挥了重要作用。但冬小麦生长期正处于华北平原降水较少的干旱季节, 实现高产依赖于灌溉, 是华北平原地下水超采的主导因素之一。随着国家地下水限采政策的实施, 在地下水超采区如何稳定冬小麦的种植面积和产量是面临的一个重要问题。本文通过综述以往研究并结合典型地点田间试验结果, 从冬小麦种植可减少休闲期土壤蒸发损失、具有的深根系系统可充分利用土壤储水、可利用微咸水替代淡水灌溉、通过限水灌溉发展优质麦生产、冬春形成覆盖层美化和防沙尘效应等方面论述了华北平原种植冬小麦的优势, 提出华北平原冬小麦生产需要转变传统高耗水高产量理念, 充分发挥冬小麦抗旱、耐盐能力强的特点, 在不实施大规模压缩冬小麦种植面积条件下, 通过冬小麦限水灌溉和微咸水利用满足对地下水压采需求, 充分发挥华北平原冬小麦种植冬春防风沙、美化环境的生态功能, 同时满足区域口粮安全的保障功能。

地下水压采; 冬小麦种植; 生态效应; 抗旱耐盐; 防风沙; 优质高效; 华北平原

华北平原是我国重要的粮食、蔬菜和果品生产基地, 占全国农作物播种面积的21.8%, 粮食产量占全国粮食产量的23.0%(2014年数据)。其中冬小麦()-夏玉米()一年两作种植在华北平原具有悠久种植历史, 是其优势种植制度。冬小麦产量占华北平原粮食总产量的51%、玉米占40%(2014年数据), 该区域冬小麦生产在国家粮食安全中占有重要位置[1-2]。以河北省为例, 冬小麦常年种植面积为226.7万~233.3万hm2, 总产量135亿~140亿 kg, 除满足当地居民口粮需求外, 年调出量在40亿 kg左右。然而, 由于冬小麦生长季从每年10月到次年6月上旬, 为该地区一年中最干旱的时期, 生育期降水量常年平均在120 mm, 而耗水量达400~450 mm, 缺水高达280~330 mm[3-4]。加之, 该区特大和大城市集中、工业发达, 农业、工业和城市用水过度依赖地下水, 导致地下水严重超采, 到2018年已累计超采1 400亿m3, 地下水下降漏斗面积已达9万km2, 其中在河北境内面积近6万km2, 衡水和沧州漏斗中心水位埋深已超过100 m。近年来, 河北每年超采浅层水28.68亿m3、深层水30.97亿m3[5-6]。

目前, 由于地下水超采的压力, 各地将压缩冬小麦种植面积、实施季节性休耕作为压采地下水的主要措施。例如: 在河北低平原深层地下水超采区季节性休耕已推广13.3万 hm2, 取得了一定的节水效果。但在该项措施推广过程中, 政府持续对种植农户进行补贴, 季节性休耕补贴标准7 500元∙hm–2, 13.3万hm2每年需要补贴10亿元。由于地方政府财力有限, 没有中央政府的支持, 该项措施的可持续性需要考虑。而压缩冬小麦种植面积也忽略了一个非常重要的生态问题。如果单纯压缩冬小麦种植面积, 不种植冬小麦而改种其他作物, 任何作物的种植都消耗水资源。在缩减熟制、冬小麦季实施休闲的种植制度下, 由于冬小麦生育期的降水大多为小于10 mm的小雨, 没有作物覆盖, 将增加降水的无效蒸发损失, 不利于降水资源的高效利用[7-8]; 同时, 还带来冬春季的沙尘问题。保留冬小麦种植, 通过冬小麦限水灌溉满足地下水压采需求, 将对区域生态安全和粮食安全发挥重要作用, 值得探讨。

纵观世界各地灌溉农业发展, 由于普遍存在灌溉水资源短缺问题, 灌溉农业已从充分灌溉向亏缺灌溉、限水灌溉转变, 并取得了显著成效。华北平原冬小麦灌浆期短, 后期遇到干热风的几率大, 常常使充分灌溉的冬小麦产量潜力不能得到充分发挥。很多研究显示冬小麦实施亏缺灌溉策略(足墒播种条件下, 结合追肥只灌溉拔节期1次水), 虽然比充分灌溉(生育期灌溉3次水)的冬小麦平均减产13.5%, 但农田耗水量可降低70~90 mm, 水分利用效率提高19%, 能实现真正意义上的节水, 并能维持冬小麦单产稳定在6 400 kg∙hm–2左右[9-11]。如果河北冬小麦种植中全部采用该项灌溉技术, 年可减少15亿~20亿m3的耗水, 对实现地下水压采目标有重要意义。此外, 冬小麦耐盐能力较强, 在华北低平原区分布有丰富的浅层地下微咸水, 能够被冬小麦利用。研究显示利用不高于4 g∙L–1的微咸水在冬小麦拔节期灌溉1次, 可以起到与淡水灌溉相同的增产作用[12-14]。通过限水灌溉和弱水资源利用在华北平原发展冬小麦种植具有可行性。

本研究通过综述前人研究成果和利用典型试验点的田间试验数据, 论述华北平原冬小麦种植对冬春降水资源的有效利用、冬小麦深根系特征及对土壤水分利用能力、限水灌溉制度对产量和品质影响、微咸水补灌对冬小麦产量影响和冬小麦种植的冬春防风沙效果, 明确可通过选用抗逆丰产优质品种, 利用限水灌溉制度和微咸水高效利用技术, 发展冬小麦适水种植, 充分发挥冬小麦抗旱、耐盐生态特性, 对维持区域粮食稳产和满足地下水压采目标具有重要意义。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

本研究针对的区域为华北平原地下水严重超采的河北山前平原和低平原, 也是实施国家地下水压采政策的重点区域。河北平原现有耕地面积417.1万hm2, 占河北省耕地面积的71%, 粮食产量占全省的93%, 是河北省粮食主产区。河北平原位于温带大陆性季风气候区, 多年平均降水量450~ 550 mm, 冬小麦-夏玉米一年两作是该区域的主要种植模式, 冬小麦生育期平均降水量80~120 mm, 70%以上的降水集中在夏玉米生育期。灌溉水源在山前平原主要来自浅层地下水, 地下水埋深平均在20~80 m不等; 在低平原灌溉水主要来源于深层地下水, 地下水埋深大于100 m。农业用水占河北省总供水量的75%, 其中冬小麦灌溉用水占农田总灌溉用水量的60%。河北省79%的供水来源于地下水, 每年对地下水超采量平均在50~60亿m³, 低平原已形成衡水、沧州两个大的地下水漏斗区, 严重威胁区域生态安全和灌溉农业的可持续发展[5-6]。在河北平原区实施地下水压采刻不容缓。

1.2 数据来源

河北平原冬小麦的田间试验结果来源于位于太行山山前平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站(简称“栾城试验站”)和位于环渤海低平原的中国科学院南皮生态农业试验站(简称“南皮试验站”)。冬小麦不同灌溉制度下的土壤水分利用、产量、籽粒氮含量和水分利用效率及冬小麦休闲期土壤蒸发数据来源于栾城试验站的长期定位试验结果; 冬小麦微咸水灌溉下的产量来源于南皮试验站的长期田间试验结果。其他相关数据来源于已发表的参考文献。

2 结果和讨论

2.1 冬小麦种植减少休闲期土壤蒸发损失效应

河北平原冬小麦生长期为10月份至翌年6月初, 这个时期降水较少, 且多为小雨, 降水后土壤蒸发强烈, 如果降水后无作物迅速吸收, 形成土壤无效蒸发, 这些降水资源无法形成有效土壤储水。根据最近10年气象资料统计, 位于河北山前平原的栾城试验站从10月到翌年5月平均降水24.8次, 总降水量87.6 mm, 平均每次降水3.73 mm; 位于河北低平原的南皮试验站从10月到翌年5月平均降水26.6次, 总降水量125.1 mm, 平均每次降水4.70 mm; 冬小麦生长期平均次降水量低于5 mm。在无作物生长的休闲季, 少量多次降水形成土壤蒸发损失, 无法增加土壤储水为下季作物所利用。如果种植作物, 分布于表层的作物根系可以迅速吸收这部分降水转化的土壤水, 形成有作物干物质生产的作物蒸腾, 减少土壤蒸发损失[15]。

在栾城试验站利用智墒仪测定了未种植作物的裸露土壤逐日土壤蒸发量, 测定结果显示从2018年1月1日—6月10日, 土壤蒸发损失120.6 mm, 相同时段降水量146.9 mm, 土壤蒸发占降水量的82.1%。2018年10月1日—2019年6月10日土壤蒸发142.9 mm, 降水113.4 mm, 土壤蒸发量大于同时段的降水量。从夏玉米收获至越冬期间的10月、11月和12月, 土壤蒸发达到90 mm。而这个阶段降水只有15.4 mm, 土壤蒸发耗水主要来源于夏季土壤储水。上述结果显示, 如果播种冬小麦的耕地休闲, 原冬小麦生长季节的大部分降水会转化为无效水分蒸发损失, 而在10—12月降水较少年份, 土壤蒸发还要消耗夏季雨季形成的土壤储水。图1显示2017—2018年和2018—2019年冬小麦季从休闲起始到结束期0~2 m土壤含水量的变化, 虽然没有作物消耗, 两个年度均出现了休闲期后土壤水分含量小于休闲期起始的情况, 特别是在土壤水分含量较高的2017—2018年度, 土壤水分深层渗漏和土壤蒸发加重了根层土壤水分的损失, 也增加了养分淋溶的风险[16]。因此, 实施冬小麦生长季休闲, 休闲期的雨水大多转化为土壤蒸发, 无法参与作物干物质的形成, 不利于有限水资源的高效利用。

图1 2017—2018年度和2018—2019年度冬小麦季休闲的起始和结束期0~2 m土壤含水量的变化(栾城试验站中子仪观测数据)

Sun等[7]和Yan等[8]用模型模拟的河北平原典型地区由两季作物改为1季作物后休闲期的土壤蒸发量平均135~156 mm (1987—2017年平均结果), 休闲期土壤蒸发占年降水量的28%~32%; 模拟结果显示只考虑作物生长季耗水的农田水分利用效率一年两作(冬小麦-夏玉米)平均1.9 kg∙m–3、两年3作和一年1作平均2.1 kg∙m–3; 如果考虑休闲期的土壤蒸发, 按照年耗水量计算水分利用效率, 两年3作和一年1作水分利用效率分别变为1.8 kg∙m–3和1.4 kg∙m–3, 小于一年两作的水分利用效率。因此, 从水资源高效利用方面考虑, 减少休闲时间的一年两作具有高效利用自然降水资源的优势。华北平原实施一年两作的冬季越冬作物应能够充分利用冬春低温条件, 而冬小麦是适应该区气候条件、并能满足口粮需求的重要作物。

2.2 种植冬小麦的抗旱耐盐广适优势

冬小麦起源于中亚、西亚地区, 自身具有良好的抗旱基因, 在水稻()、小麦和玉米三大粮食作物中抗旱能力最强, 也是在全球干旱半干旱地区种植面积最大的粮食作物。澳大利亚、美国、加拿大、俄罗斯等冬小麦生产大国, 大部分冬小麦均不实行灌溉。冬小麦也具有一定耐盐性, 可在一定盐分的土壤和微咸水灌溉条件下种植, 具有广适种植优势, 例如冬小麦、水稻和玉米开始减产的饱和土壤溶液的电导率分别是8.6 dS∙m–1、3.0 dS∙m–1和1.7 dS∙m–1, 冬小麦的耐盐阈值显著高于水稻和玉米, 现代冬小麦品种划分到耐盐能力强的作物中[17]。

2.2.1 冬小麦具有利用土壤储水能力, 干旱缺水条件下可维持生产能力

自20世纪80年代以来, 华北平原冬小麦种植区随着灌溉条件改善, 主要追求高产目标, 生产上不计灌溉成本, 小麦生长季灌水次数多达4~6次, 每次灌水量达600~900 m3∙hm–2, 使冬小麦由抗旱作物变为耗水作物。根据河北栾城试验站多年研究结果, 在北方冬小麦生育期比较短的条件下, 最优生物量取得不需要充分水分供应, 最高产量的取得也不需要达到最大生物量, 并可通过优化灌溉制度提高收获指数, 进一步提高水分利用效率[18]。研究显示, 冬小麦通过优化灌溉制度, 在消减农田耗水量16%情况下仍可维持冬小麦高产水平, 据此制定的优化灌溉制度可减少冬小麦生育期灌水1~2次[11,18]。

华北平原位于季风气候区, 降雨主要集中在夏季, “麦收隔年墒”的农谚说明冬小麦具有利用土壤深层储水能力。研究显示冬小麦平均根深可达2 m, 比其他一年生作物有更深和更大的根系系统, 依靠对土壤储水的利用, 可抵御生育期干旱缺水对作物的影响[19-22]。图2a显示冬小麦不同生育期根长密度在土壤剖面的分布, 随着冬小麦生育进程增加, 根长密度不断增加, 根系不断加深, 拔节期根系深度超过1 m, 收获期根深可达2 m, 这种深根系特征有助于对土壤水分利用。如图2b显示冬小麦生育期不灌水条件下, 播种和收获期根层土壤含水量比较, 150 cm以上根系对土壤水分利用接近凋萎湿度, 160 cm以下的土层受根长密度限制, 对土壤水分利用较少。冬小麦对整个根层的土壤储水利用可超过150 mm, 这部分水分对维持限水灌溉下冬小麦稳产发挥了重要作用[19-20]。

基于华北平原土壤具有良好的土壤持水能力、夏季降水对土壤水分补充以及冬小麦根系对土壤储水的有效利用, 缩减冬小麦生育期灌水条件下, 冬小麦依然能够维持一定的产量水平。表1显示在河北栾城试验站多年进行的不同灌水条件下冬小麦产量。2007—2018年, 底墒充足条件下, 冬小麦生育期实施旱作雨养, 11个生育期平均产量4 884 kg∙hm–2, 生育期平均耗水量245 mm, 其中土壤储水利用占耗水量的62.6%, 水分利用效率(WUE)1.99 kg∙m–3; 充分灌溉冬小麦平均产量7 373 kg∙hm–2, 生育期耗水量446 mm, 其中土壤储水利用占耗水量的24.7%, WUE为1.65 kg∙m–3。旱作雨养比充分灌溉产量虽然降低34%, 但耗水量降低了45%。如果在灌溉水源相对丰富的区域, 在雨养基础上, 冬小麦拔节期补充灌水1次, 平均产量比旱作雨养提高30%, 达6 381 kg∙hm–2, 生育期耗水量为333 mm, 其中土壤储水利用占耗水量的47.0%, WUE维持在1.92 kg∙m–3, 产量比充分灌溉低13%, 但耗水量降低25%。冬小麦生育期根据区域农业水资源可利用量, 实施亏缺灌溉, 发挥冬小麦对土壤储水的利用能力, 在维持一定产量基础上, 显著降低生育期耗水量, 水分利用效率也得到显著提升。研究结果也充分说明冬小麦对土壤储水的利用能力在生育期不灌水条件下平均可贡献生育期耗水的60%以上。图3显示2007—2018年旱作冬小麦土壤耗水占生育期耗水比例随生育期降水的变化, 在特别干旱年份土壤储水对旱作冬小麦耗水贡献率超过80%, 进一步实证冬小麦深根系特征增强了冬小麦在干旱条件下维持粮食生产的能力。

图2 栾城试验站2004—2005年冬小麦生长季根长密度在土壤中分布随生育期的变化(a)和生育期不灌水条件下冬小麦播种和收获期土壤水分剖面分布(b)

表1 2007—2018年冬小麦生育期不同灌溉策略下平均产量(Y)、耗水量(ET)、土壤水消耗量(SWD)、土壤水消耗占耗水量(SWD/ET)的比例及水分利用效率(WUE)(栾城试验站结果)

图3 冬小麦在播种时底墒充足生育期没有灌水条件下2007—2018年冬小麦生长季节降水、土壤水消耗(SWD)和土壤储水消耗占总蒸散(ET)的比例(栾城试验站结果)

2.2.2 适度微咸水灌溉对冬小麦的增产作用

在淡水资源短缺区域合理开发利用地下咸水资源发展农业灌溉具有较长历史, 很多研究显示合理利用微咸水是解决淡水资源严重缺乏的有效途径[23-25]。在华北平原地下水严重超采的低平原区, 浅层微咸水相对丰富, 例如河北低平原主要区域小于5 g∙L–1的微咸水资源量有10.99 亿m3, 目前利用率仅为40%, 有60%微咸水资源可为农业所利用, 可为每公顷灌溉耕地增加近750 m3灌溉水源[25]。根据前人研究结果, 冬小麦具有较强的耐微咸水灌溉能力, 减产25%的土壤电导率为9.5 dS∙m–1、减产50%的电导率为13 dS∙m–1, 这些数值高于高粱()、大豆()、玉米和水稻[17]。冬小麦耐盐能力普遍高于华北平原种植的其他主要作物, 仅低于棉花(spp.)。因此, 在华北低平原微咸水丰富区域, 种植耐盐能力强的冬小麦可充分利用当地的微咸水资源替代深层淡水[12-14,25]。

位于河北低平原的南皮试验站长期进行的冬小麦微咸水灌溉试验结果显示(图4), 2013—2019年平均6个冬小麦生育期在底墒充足生育期不进行灌水条件下平均产量为5 013 kg∙hm–2。拔节期增加1次灌水, 灌溉水源为从淡水到矿化度5 g∙L–1的微咸水, 冬小麦平均产量为6 613 kg∙hm–2到6 228 kg∙hm–2, 增加1次灌水的增产效果在27.6%~31.9%; 增产幅度最大的是3 g∙L–1的微咸水灌溉, 比淡水灌溉平均产量高3.4%, 虽然统计分析两者差异不显著。春季用4~5 g∙L–1微咸水补充灌溉1次, 对冬小麦的产量有与3 g∙L–1微咸水和淡水灌溉相似的增产效应; 2018—2019年产量低于其他水质的灌溉处理, 究其原因2017年和2018年连续两个夏季降水量低于常年水平, 夏季降水不足导致盐分淋洗不充分, 出现了盐分在主要根层的累积。当夏季有足够降水淋洗盐分时, 高矿化度微咸水灌溉的不利效果可以消减。

冬小麦耐盐能力大于夏玉米, 冬小麦微咸水灌溉需要考虑对下茬作物夏玉米的影响。研究显示, 由于冬小麦生长期间耗水量大, 微咸水灌溉后, 盐分在土壤表层累积影响夏玉米生长, 解决该问题的途径是夏玉米播前进行灌溉, 使耕层土壤盐分淋洗至夏玉米耐盐阈值之下, 以保证夏玉米苗期正常生长; 随着雨季到来, 通过降雨的洗盐作用, 冬小麦季微咸水灌溉对夏玉米的影响会大幅度削弱[12-13]。研究也发现当夏季累积降雨量大于300 mm, 可实现长期微咸水灌溉下的土壤安全[26-27]。河北低平原平均70%的年份夏季降水可达300 mm以上, 为土壤盐分淋洗创造了条件, 使干旱缺水季节的微咸水灌溉成为可能。在微咸水利用中, 还可以结合耐盐品种选用、培肥地力、覆盖抑蒸等措施提高作物和土壤耐微咸水灌溉的能力[23]。

图4 冬小麦2013—2019年利用不同矿化度微咸水在拔节期灌水1次与生育期不灌水和淡水灌水1次的产量比较(南皮试验站结果)

2.3 华北平原具有优质冬小麦生产优势

小麦因其适应性强而广泛分布于世界各地, 占全球谷物种植面积的30.7%, 居世界谷物种植面积之首。在世界小麦种植面积中冬小麦种植面积约占75%[28]。我国小麦总产量占据世界第1位, 随着生活质量不断提升, 对小麦品质的要求也逐步提高[29]。小麦籽粒品质是指对某种特定最终用途的适合性[30],是形态、营养和加工品质的有机结合。优质小麦是指品质优良并具有专门加工用途的小麦, 品质达到国家优质小麦品种的品质标准, 能够加工成具有优良品质的专用食品的小麦[30-32]。世界主要小麦生产国如美国、加拿大、俄罗斯、澳大利亚、英国等均注重小麦品质。众多研究表明, 小麦品质不仅受遗传影响, 也与小麦生产区域的气候、土壤、施肥耕作、灌溉等环境和管理条件密切相关。基因型、生态环境和栽培管理决定了小麦籽粒的品质, 基因和环境对品质的效应决定了优质小麦生产的布局[31-32]。

我国目前冬小麦生产中缺乏优质麦, 部分依赖进口。冬小麦按蛋白质含量分为5等: 蛋白质含量15.0%以上为1等, 14.0%~14.9%为2等, 3.0%~13.9%为3等, 12.0%~12.9%为4等, 12.0%以下为5等[32]。很多研究显示, 同一小麦品种在不同地点种植, 蛋白质差异可达5%以上, 说明生产地点对小麦蛋白质含量的重要性[29-34]。在基因与环境互作对小麦品质研究过程中, 发现环境因素引起的冬小麦品种间在蛋白质和湿面筋含量等方面差异大于基因型引起的差异, 进一步说明冬小麦生产地点的环境因素对冬小麦蛋白品质形成的重要性[32]。很多研究也显示小麦籽粒蛋白含量与其他重要品质指标有显著正相关关系, 选择适宜地区生产蛋白质含量高的冬小麦是提升其品质的一个重要途径。

根据小麦品种和种植地点对蛋白质影响及常年气象条件, 我国小麦蛋白质含量呈现由北向南递减、从东向西增加的趋势, 小麦蛋白质含量达到1等麦和2等麦的主要产区为河北、山东和黑龙江; 从面筋含量上, 河北的冬小麦最高, 达28.78%[31]。河北冬小麦生产区域的光、温、水等气候条件利于小麦籽粒蛋白的形成。中国小麦品质区划将我国优质小麦品质区域划分为3个区和10个亚区, 其中黄淮海区域为我国中强筋小麦主产区, 细分为华北北部强筋麦区, 黄淮北部强筋、中筋麦区, 黄淮南部中筋麦区等[32]。依据上述优质冬小麦产区划分, 地下水严重超采的河北平原为我国重要的强筋和中强筋冬小麦生产区域, 保留该区的冬小麦生产对满足我国优质小麦供应有重要意义。

优质麦的生产也受制于田间管理措施。很多研究显示, 合理的水肥及播期播量耦合可显著提升冬小麦籽粒蛋白质含量[35-37]。一般条件下随着灌水增多, 冬小麦的蛋白质含量、沉降值、湿面筋等降低; 在一定范围内, 随着干旱缺水程度增加, 品质指标呈上升趋势。在华北平原地下水压采实施区域, 未来可用于冬小麦的灌溉水源将会减少, 冬小麦在亏缺灌溉条件下更利于其品质的提升。刘小飞等[37]发现调亏灌溉可提高优质小麦籽粒品质, 证实调亏灌溉在优质小麦生产中“以水调质”的可行性。栾城试验站的结果也显示多数年型下冬小麦籽粒蛋白含量为生育期不灌水>灌1水>灌2水, 特别是优质麦品种如‘藁优2018’和‘藁优5766’, 一定水分亏缺条件下籽粒蛋白含量显著高于灌水处理, 而籽粒蛋白质含量的提高, 对冬小麦其他品质指标如湿面筋、沉降值等也是正效应[38-39]。因此, 华北平原地下水严重超采的河北平原, 作为我国适宜优质麦产区, 在未来灌溉水减少情况下, 更利于优质麦种植品质的提升, 通过品质提升增加经济产出, 可以一定程度弥补灌溉水减少带来的产量降低造成的经济损失。

2.4 冬小麦种植的美化和防沙尘效应

华北平原属土壤风蚀中度敏感区, 是扬沙天气的多发区, 且主要发生在冬春季节[40]。种植冬小麦可在冬春季节形成有效植被覆盖层, 减少土壤风蚀和扬沙天气的发生, 利于美化乡村环境[41-42]。王笑非[42]依据模型模拟方法研究河北平原冬小麦田防风蚀效应, 结果表明河北平原冬春季节为易蚀性季节, 此阶段的可蚀风日数和潜在风蚀量分别占全年的82%和69%; 易风蚀季节10—11月麦田比裸露农田减少土壤风蚀量的60%, 12月—翌年5月麦田比裸露农田减少土壤风蚀量98%。因此, 华北平原种植冬小麦兼具生态和环境保护功能。

虽然种植其他越冬作物建立覆盖层同样起到冬小麦种植的防风沙和美化绿化作用, 但改种其他作物或饲草同样消耗水资源, 无明显的节水效果。在种植玉米、且广泛推广秸秆粉碎还田条件下, 播种冬小麦不需要特殊管理就能够形成较好的群体; 而其他越冬作物播种和群体建立需要的土壤环境条件要高于冬小麦; 同时冬小麦具有深根特性, 能充分利用夏季形成的土壤储水, 与根系较浅、生长在雨季的夏玉米相互补充, 形成充分利用当地光温水资源的“一年两作”高效种植制度。

3 结论

国家自2014年启动了华北平原严重地下水超采区河北平原综合治理试点项目, 通过大力发展以节水灌溉为主的节水型社会, 合理引用外调水, 着力调整种植结构, 因地制宜、因水制宜, 禁限采管理、水位水量双管控和完善法规体系, 实施“节、引、蓄、调、管”五大工程, 项目实施以来, 取得了初步成效。但华北平原地下水超采是多年、多因素共同形成的结果, 实现地下水压采和地下水可持续利用需要制定切实可行的长期发展战略, 国家自2019年又启动了华北平原以京津冀为重点区域的地下水综合治理项目。

根据上述分析, 华北平原区冬小麦种植具有明显的经济、生态效应优势, 同时担当粮食安全的重任, 地下水压采条件下的农业应走适水种植的路径。可以从转变传统生产观念, 恢复小麦生态作物、口粮作物的本来面目, 由高产灌溉理念转为调亏灌溉理念。舍弃现有高耗水高产量之路, 按照限水丰产的思路, 充分发挥冬小麦生态作物优势, 挖掘其抗旱、耐盐潜力, 利用优质生产弥补效益影响。通过节水优质品种的选用、灌溉方式和设备的改进(如: 微灌水肥一体化等), 实现冬小麦限水灌溉能够满足对地下水压采的需求, 并充分发挥华北平原冬小麦种植冬春防风沙、美化环境的生态功能。此外, 通过优质冬小麦生产满足区域口粮安全和效益保障功能。

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Evaluating the comprehensive effects of planting winter wheat in the groundwater depletion regions in the North China Plain*

WANG Huijun1, ZHANG Xiying2

(1.Hebei Academy of Agricultural and Forest Sciences, Shijiazhuang 050031, China; 2.Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China)

The traditional annual double cropping system of winter wheat and summer maize in the North China Plain (NCP) can take the full advantage of regional climate resources, and has played an important role in maintaining national food security. However, high winter wheat production depends on irrigation, which is one of the leading factors for groundwater over-exploitation in the NCP. With the implementation of the national groundwater extraction restriction policy, how to develop winter wheat in groundwater over-extraction areas is becoming an important issue. Based on long-term field experimental data and literatures, this paper discussed aspects such as reducing soil evaporation loss during fallow period, brackish water resources utilization, deficit irrigation to improve quality, and effective cover formation in winter and spring seasons by planting winter wheat. The production of winter wheat in the groundwater depletion regions in the NCP would involve a change from the traditional practice of applying adequate irrigation water for high yield to using limited irrigation for higher quality and higher water use efficiency. The planting of winter wheat can reduce soil evaporation and fully use the rainfall resources during winter and spring seasons. Winter wheat can also form an effective coverage to reduce soil erosion and green the rural areas. By applying reduced irrigation based on the irrigation water availability in a region, winter wheat can still maintain a stable yield due to its deep root characteristics which can efficiently absorb the deep soil water stored during the summer rainy season. Under reduced irrigation, the quality of winter wheat can be improved, which provides the opportunity to grow high-quality winter wheat in the NCP. In the low plain of the NCP, where shallow saline water is abundant, irrigation for winter wheat by fresh water can be replaced by the shallow saline water. Growing winter wheat based on the irrigation water availability in the NCP has the benefits of wind erosion protection, beautification of the rural environment, and meeting regional food security.

Restriction for groundwater withdrawing; Planting winter wheat; Ecological effects; Drought and salt resistance; Wind erosion prevention; High quality and efficiency; North China Plain

, WANG Huijun, E-mail: nkywhj@126.com

Jan. 13, 2020;

10.13930/j.cnki.cjea.200027

王慧军, 张喜英. 华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(5): 724-733

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S512.1

* 公益性行业(农业)科研专项(2013030133)和中国科学院科技服务网络计划项目资助

王慧军, 主要从事作物耕作栽培及农业经济理论和技术研究。E-mail: nkywhj@126.com

2020-01-13

2020-02-26

* The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (2013030133) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences.

Feb. 26, 2020