农牧交错带灌溉和旱作模式下马铃薯耗水差异

2023-08-07唐建昭王仁德周海涛张新军郭风华刘剑锋肖登攀柏会子

干旱地区农业研究 2023年4期

唐建昭,王仁德,周海涛,张新军,郭风华,刘剑锋,肖登攀,柏会子

(1. 河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用技术创新中心,河北石家庄 050011;2. 张家口市农业科学院,河北张家口 075000;3.河北师范大学地理科学学院,河北石家庄 050024 )

北方农牧交错带位于我国干旱气候区,是中国东部农耕区与西部草原牧区的连接地带,同时也是干旱地区向湿润地区的过渡地带[1]。1910年以来,由于人口剧增,大面积的自然草原被开垦为耕地,农牧交错带生态系统遭受到高强度的人为干扰和破坏[2]。水是干旱地区最关键的生态环境因子,水文过程控制了许多基本生态格局和生态过程[3-4]。长期以来,人类通过高强度的活动改变了自然生态系统的水分循环和水分平衡,造成该地区水资源的过度消耗[2]。农业生产作为北方农牧交错带最主要的经济活动,对该地区水资源与水环境产生了重要影响[5]。近年来,随着灌溉用水量和灌溉作物种类的增加,水资源短缺成为北方农牧交错带地区农业生产的主要限制因子[6]。然而,该地区农业灌溉方式普遍为大水漫灌,水资源浪费严重[5]。在水资源严重短缺形势下,转变农田水分利用途径,实现农业生产与生态保护的双重目标,对北方农牧交错带农业生产的可持续发展具有重要意义。

马铃薯是全球第四大口粮作物,仅次于小麦、玉米和水稻[7]。中国马铃薯生产面积和总产均居世界首位[8]。中国北方农牧交错带气候冷凉,昼夜温差大,马铃薯生长的气候适宜度高,是马铃薯主产区之一[9]。北方农牧交错带马铃薯总产量占该地区粮食总产量的47%左右,且近年来马铃薯播种面积和总产量仍在持续增加[10]。马铃薯生产在保障中国北方农牧交错带乃至整个北方地区粮食安全方面具有重要地位。马铃薯生育期需水量介于400～800 mm[11],而北方农牧交错带地区降水总量少(≤400 mm)且年际间变异大,大部分年份降水无法满足马铃薯高产的水分需求[12]。一些地区片面追求马铃薯高产而进行灌溉,且以抽取地下水进行大水漫灌为主[13-14],导致该地区地下水资源危机进一步加剧[15]。因此,减少灌溉面积,部分耕地转变为旱作模式对缓解北方农牧交错带地区水资源危机具有重要意义。

研究表明,北方农牧交错带地区马铃薯雨养生产潜力介于20 500～48 000 kg·hm-2[16-17],而灌溉条件下实际生产中马铃薯产量介于31 000～47 000 kg·hm-2[18-19],表明北方农牧交错带地区雨养马铃薯产量有达到灌溉产量的潜力,为该地区马铃薯生产的“水改旱”模式提供了理论依据。通过大田试验可以揭示“水改旱”对马铃薯产量、水分利用效率和地下水变化等的影响,然而大田试验需要投入大量的人力、物力和财力,且耗时较长[20-21]。作物生长模型具备完善的生理生态机理,可综合考虑自然环境、管理措施及两者互作对作物生产的影响,已成为扩展田间试验结果的有效工具[8]。因此,本研究基于APSIM-Potato模型,模拟分析不同水分处理下马铃薯的生产状况,揭示“水改旱”模式对马铃薯产量、水分利用效率、土壤水和地下水的影响,以期为当地构建科学的马铃薯“水改旱”种植体系提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

研究区域北方农牧交错带范围位于36°08′～50°15′N、104°09′～123°25′E,主要包括内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃和宁夏等9个省(自治区)的部分区域,总面积约39.4×104km2,本研究选取均匀分布在研究区域的27个站点(图1)。北方农牧交错带马铃薯的种植时间在4月底～6月初,当地常规播期为5月10日左右,收获日期一般在9月份第一次霜冻之前。农牧交错带马铃薯生长季总日照时数、平均温度和总降水量分别为1 283 h、15.4℃和326 mm。基于雨季开始的差异,农牧交错带分为东部、中部和西部3个区域(图1)。

1981—2010年北方农牧交错带地区27个研究站点气象数据来自中国气象局数据共享网(http://www.cma.gov.cn/),具体数据包括日尺度的最高温度(℃)、最低温度(℃)、降水量(mm)和日照时数(h)。日总太阳辐射根据Angström-Prescott方程进行计算。北方农牧交错带地区土壤数据来自中国土壤数据库(http://www.soil.csdb.cn/),主要包括土壤容重、凋萎含水量、田间持水量、饱和含水量、土壤养分含量和pH值等土壤理化数据。

1.2 研究方法

1.2.1 APSIM-Potato模型及其参数化 APSIM-Potato模型中应用的核心模块主要包括马铃薯模块、土壤水模块、土壤氮模块、土壤有机质模块和管理模块。模型基于辐射、温度、光周期、土壤水和氮肥数据以日为步长,模拟马铃薯的生长发育、干物质积累和产量形成等。利用2 a田间试验获得的数据对APSIM-Potato模型进行校正和验证。大田试验设置情况如下:2015年和2016年在农业部武川农业环境科学观测试验站进行不同灌溉处理的马铃薯大田试验,马铃薯试验品种为‘克新1号’,生育期110 d左右;播种密度为46 500株·hm-2,2015年和2016年的播期分别为5月2日和5月1日,收获期分别是9月24日和9月12日。试验共设计4个灌溉梯度,马铃薯生育期总灌溉量分别为0、90、180 mm和360 mm,每个处理4次重复,共16个小区,小区面积为30.0 m2(7.5 m×4.0 m)。各处理播前施用底肥为磷酸二铵(P2O5,质量分数为46%)和氯化钾(K2O,质量分数为60%),施用量分别为120 kg·hm2和90 kg·hm2。马铃薯生育期划分为播种、出苗、块茎形成、块茎膨大和成熟5个时期,各时期采用烘干称重法每10 cm为一个层次测定0～100 cm土层土壤水分。成熟期选择各处理中间4行测产。

前期研究表明,APSIM-Potato模型可以较好地模拟马铃薯不同水氮处理下的生育期、土壤水分动态、氮吸收量和产量,马铃薯生育期在调参年份和验证年份的均方根误差(Root mean squared error,RMSE)分别为1.7 d和2.9 d,1 m土层土壤贮水量的变化在调参年份和验证年份的标准均方根误差(Normalized root mean squared error,NRMSE)分别为13.5%和14.7%,马铃薯的氮吸收量在调参年份和验证年份的NRMSE分别为18.3%和22.5%,马铃薯产量变化在调参年份和验证年份的NRMSE分别为15.9%和12.2%[6],因此本研究不再展示APSIM-Potato模型的验证及参数设置,详见作物系统模拟研究组前期研究结果[6]。

1.2.2 模型模拟设置 APSIM-Potato模型设置灌溉和雨养两种情景。灌溉情景下,马铃薯生育期总灌溉量为240 mm,灌溉阶段分别为播种期、苗期、块茎形成期和块茎膨大期,每个阶段灌溉60 mm。北方农牧交错带东部、中部和西部的播种期分别为5月10日、5月20日和5月30日[7],播种密度和施肥情况均与大田试验相同。雨养情景下,除水分管理外其他管理措施与灌溉情景相同,模拟时间序列为1981—2010年,并模拟分析“水改旱”不同时间长度对马铃薯产量和水分利用的影响,共设置短期、中期和长期3个时间序列,分别为10 a(1981—1990年)、20 a(1981—2000年)和30 a(1981—2010年)。

1.2.3 水分利用计算 0～100 cm土层的土壤含水量(SWC)利用下式计算:

SWC=SWC10+SWC20+…+SWC100

(1)

式中,SWC为0～100 cm土层土壤总贮水量(mm),SWC10、SWC20、…、SWC100代表10、20 cm、…、100 cm各层的土壤贮水量(mm)。

灌溉后对地下水的消耗量利用下式进行计算:

GWC=10×(IR-D)

(2)

式中,GWC为地下水消耗量(m3·hm-2),IR为灌溉量(mm),D为马铃薯生育期内土壤渗漏量(mm)。

马铃薯水分利用效率(Water use efficiency,WUE,kg·hm-2·mm-1)为马铃薯鲜薯产量(Yield,kg·hm-2)和蒸散量(ET,mm)的比值,计算公式如下:

WUE=Yield/ET

(3)

式中,马铃薯蒸散量为模拟的马铃薯蒸腾量(EP,mm)和土壤蒸发量(ES,mm)之和。

2 结果与分析

2.1 “水改旱”对马铃薯产量的影响

北方农牧交错带地区马铃薯连续灌溉10 a,东部、中部和西部的产量分别为15 900～33 800、23 000～35 600 kg·hm-2和29 000～34 800 kg·hm-2,区域平均产量分别为30 300、32 300 kg·hm-2和32 500 kg·hm-2(图2a)。同样时间长度情景下,改为旱作后的马铃薯产量分别为14 200～30 600、12 800～27 300 kg·hm-2和16 900～25 100 kg·hm-2,区域平均产量分别为24 500、22 100 kg·hm-2和19 700 kg·hm-2(图2b)。

马铃薯连续灌溉20 a,东部、中部和西部的产量分别为16 500～30 900、32 500～34 800 kg·hm-2和29 000～32 900 kg·hm-2,区域平均产量分别为29 900、31 600 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(图2c)。改为旱作后,东部、中部和西部的马铃薯产量分别为13 900～23 900、19 600～24 300 kg·hm-2和16 100～21 900 kg·hm-2,区域平均产量分别为23 900、22 100 kg·hm-2和19 300 kg·hm-2(图2d)。

马铃薯连续灌溉30 a,东部、中部和西部的产量分别为16 600～31 500、32 500～34 800 kg·hm-2和29 200～33 300 kg·hm-2,区域平均产量分别为30 500、31 500 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(图2e)。改为旱作后,东部、中部和西部的马铃薯产量分别为12 700～20 200、18 100～21 000 kg·hm-2和18 500～21 900 kg·hm-2,区域平均产量分别为20 200、20 600 kg·hm-2和19 500 kg·hm-2(图2f)。

2.2 “水改旱”对马铃薯播前土壤水分的影响

北方农牧交错带地区马铃薯连续灌溉10 a,东部、中部和西部0～100 cm土层播前土壤含水量分别为166～332、206～388 mm和163～309 mm,区域平均值分别为274、296 mm和237 mm(图3a)。改为旱作后,0～100 cm土层播前土壤含水量分别为137～256、100～221 mm和130～206 mm,区域平均值分别为201、163 mm和177 mm(图3b)。

马铃薯连续灌溉20 a,东部、中部和西部0～100 cm土层播前土壤含水量分别为161～347、211～394 mm和163～269 mm,区域平均值分别为271、292 mm和228 mm(图3c)。改为旱作后,0～100 cm土层土壤含水量分别为133～239、127～192 mm和131～186 mm,区域平均值分别为188、156 mm和159 mm(图3d)。

马铃薯连续灌溉30 a,东部、中部和西部0～100 cm土层播前土壤含水量分别为154～312、204～398 mm和160～269 mm,区域平均值分别为255、289 mm和227 mm(图3e)。改为旱作后,土壤含水量分别为127～215、125～178 mm和131～174 mm,区域平均值分别为172、151 mm和155 mm(图3f)。

2.3 “水改旱”对种植马铃薯地下水动态的影响

北方农牧交错带地区马铃薯连续灌溉10 a,东部、中部和西部的地下水消耗量分别为5 360～17 800、13 100～21 330 m3·hm-2和9 580～19 150 m3·hm-2,区域平均消耗量分别为11 150、15 700 m3·hm-2和15 400 m3·hm-2(图4a)。改为旱作后,各区域地下水恢复量为0～5 120、0～770 m3·hm-2和0～2 080 m3·hm-2,区域平均恢复量分别为1 170、300 m3·hm-2和840 m3·hm-2(图4b)

马铃薯连续灌溉20 a情景下,东部、中部和西部地下水消耗量分别为8 910～30 500、21 040～43 680 m3·hm-2和15 070～42 120 m3·hm-2,区域平均消耗量分别为21 300、30 410 m3·hm-2和30 930 m3·hm-2(图4c)。改为旱作后,各区域地下水恢复量分别为0～9 220、0～2 210 m3·hm-2和0～3 020 m3·hm-2,区域平均恢复量分别为1 990、504 m3·hm-2和1 320 m3·hm-2(图4d)。

马铃薯连续灌溉30 a情景下,东部、中部和西部地下水消耗量分别为19 920～54 500、38 400～65 770 m3·hm-2和27 720～64 580 m3·hm-2,区域平均消耗量分别为40 000、48 700 m3·hm-2和48 410 m3·hm-2(图4e)。改为旱作后,地下水恢复量分别为0～10 050、0～2 210 m3·hm-2和0～4 710 m3·hm-2,区域平均恢复量分别为2 070、500 m3·hm-2和1 080 m3·hm-2(图4f)。

2.4 “水改旱”对马铃薯水分利用效率的影响

北方农牧交错带地区马铃薯连续灌溉10 a,东部、中部和西部的水分利用效率(WUE)分别为54.8～94.6、65.3～93.9 kg·hm-2·mm-1和73.6～93.3 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为84.1、84.3 kg·hm-2·mm-1和85.2 kg·hm-2·mm-1(图5a)。改为旱作后,东部、中部和西部的WUE分别为58.4～96.7、59.9～99.3 kg·hm-2·mm-1和62.9～89.0 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为84.7、80.6 kg·hm-2·mm-1和77.4 kg·hm-2·mm-1(图5b)。

马铃薯连续灌溉20 a情景下,东部、中部和西部的WUE分别为54.7～92.2、64.6～92.6 kg·hm-2·mm-1和71.7～93.2 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为82.5、82.3 kg·hm-2·mm-1和83.5 kg·hm-2·mm-1(图5c)。改为旱作后,东部、中部和西部的WUE分别为55.5～94.8、61.1～96.8 kg·hm-2·mm-1和62.4～91.4 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为83.7、80.3 kg·hm-2·mm-1和78.7 kg·hm-2·mm-1(图5d)。

马铃薯连续灌溉30 a情景下,东部、中部和西部的WUE分别为54.6～92.0、63.8～92.4 kg·hm-2·mm-1和70.5～93.9 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为82.1、81.4 kg·hm-2·mm-1和83.2 kg·hm-2·mm-1(图5e)。改为旱作后,东部、中部和西部的WUE分别为53.0～87.4、64.4～93.9 kg·hm-2·mm-1和63.1～92.6 kg·hm-2·mm-1,区域平均值分别为76.7、77.9 kg·hm-2·mm-1和77.6 kg·hm-2·mm-1(图5f)。

图2 不同时间段“水改旱”对马铃薯产量的影响

图3 不同时间段“水改旱”对马铃薯播前土壤含水量的影响

图4 不同时间段“水改旱”对地下水动态的影响

图5 不同时间段“水改旱”对马铃薯水分利用效率的影响

3 讨论

北方农牧交错带地区降水总量低且年际差异大,同时地表水较为缺乏,水资源短缺严重限制当地农业生产[22]。解决水资源短缺主要有两个途径,即“节流”和“开源”,“节流”是指管理并利用好现有水资源,提高水源利用效率,使其发挥最大优势;“开源”则是指采取由城外调水的措施,增加区域内水资源量[23]。结合北方农牧交错带地区的土壤、气候和地形地貌特征,该地区应以“节流”为主[24]。以“节流”为主的农业节水措施主要包括充分利用自然降水、合理利用灌溉水以及提高作物水分利用效率等方面,且发展节水农业必须做到节水灌溉和旱作农业并举[25]。本研究通过分析不同年限“水改旱”对北方农牧交错带马铃薯产量的影响发现,马铃薯连续灌溉10、20 a和30 a的产量分别为31 300、30 800 kg·hm-2和30 100 kg·hm-2,改为旱作后产量分别降低26.9%、26.8%和34.9%。模型模拟情景一般将病虫害控制在理想条件下,实际生产中马铃薯会受到病虫害的影响[26],因此本研究估算的旱作马铃薯产量可能略高。播种密度的调整、垄膜沟植方式的应用以及保水剂的施用等农业措施均是进一步提高旱作马铃薯产量的主要手段[27],应注意多管齐下,进一步缩减旱作马铃薯和灌溉马铃薯之间的产量差。

土壤水分是作物生长、植被恢复以及生态环境建设的主要限制性因素[28]。入渗水分(降水和灌溉)在土壤内的运动和转化过程决定土壤水分的变化[29]。本研究分析了灌溉条件和旱作条件下不同时段马铃薯播前1 m土层土壤水分的变化情况,结果表明连续灌溉10、20 a和30 a情景下马铃薯播前土壤水分分别为272、268 mm和259 mm,旱作条件下分别下降31.8%、35.3%和36.9%。改为旱作后土壤水分下降量远低于灌溉投入量,主要是因为马铃薯生长消耗大部分灌溉水,同时还会产生渗漏,使水分无法有效地贮存在土壤中[8]。本研究还发现,灌溉条件和旱作条件下,长期连续种植马铃薯均会造成土壤含水量的降低,主要是农牧交错带地区温度上升后表层土壤水分蒸发量增加所致[10]。前期研究表明,长期连续雨养种植作物导致北方地区土壤水分持续下降,可能存在土壤沙化风险[30]。因此,马铃薯“水改旱”后应注意控制土壤沙化和风蚀方面的风险。

北方农牧交错带地区地下水超采问题日益突出,资源环境压力越来越大,当前该区域地下水资源已表现出不可持续利用特征[31]。本研究模拟分析了不同时间段连续灌溉和旱作条件对北方农牧交错带地区地下水资源的影响,结果表明马铃薯种植连续灌溉10、20 a和30 a的地下水消耗量分别为13 270、25 780 m3·hm-2和44 130 m3·hm-2,旱作条件下恢复量分别为860、1 445 m3·hm-2和1 580 m3·hm-2;说明“水改旱”后既能保证一定的产量,同时又能使地下水得到恢复。时间尺度上,抽取相同量的地下水进行灌溉,随着灌溉时段的增加,年平均地下水消耗量呈增加趋势,说明灌溉时间越长,其对地下水资源造成的威胁越严重。雨养条件下,“水改旱”10 a情景下年平均地下水恢复量最高,每年恢复量达86 m3·hm-2,而20 a和30 a情景下分别为72 m3·hm-2和52 m3·hm-2。说明短期“水改旱”的地下水恢复效果更明显。

水分利用效率是节水农业研究的最终目标,高水平的WUE是缺水条件下农业得以持续稳定发展的关键所在[32]。本研究模拟分析了不同时间段连续灌溉和旱作条件下北方农牧交错带马铃薯的水分利用效率变化,结果表明马铃薯种植连续灌溉10、20 a和30 a的水分利用效率分别为84.4、82.7 kg·hm-2·mm-1和82.1 kg·hm-2·mm-1,旱作条件下分别下降2.7%、1.1%和6.0%。灌溉马铃薯水分利用效率高于旱作马铃薯,主要是因为旱作马铃薯产量较低。说明“水改旱”后导致马铃薯产量降低,无法有效提高马铃薯水分利用效率。