黄土旱塬区近40 年降水对冬小麦耗水和产量的影响

赵刚 王淑英 李尚中 张建军 党翼 王磊 李兴茂 程万莉 周刚 倪胜利 樊廷录

摘要：冬小麦是黄土旱塬区重要口粮作物，产量受降水等因素影响较大，为研究降水对冬小麦耗水规律和产量的影响，收集、统计甘肃省农业科学院镇原试验站近40年冬小麦长期观测数据，分析冬小麦产量、耗水量等指标随降水变化的趋势。结果表明，黄土旱塬区近40年冬小麦产量以每年51.2 kg·hm-2速度增加，但持续系数仅为0.43；10月中旬至11月中旬、3月中上旬、5月上旬和下旬降水量增加，产量随之显著增加；全生育期降水满足率为64.4%，干旱年型仅为52.7%，不同生育时期中拔节-灌浆期满足率最低。冬小麦生育期耗水量近40年呈降低趋势，平均为361.3 mm，播种-返青期耗水占全生育期的34.3%，为全生育期耗水最大的时期；干旱年和平水年分别在出苗-拔节期和拔节-灌浆期降水满足率最低，分别为36.9%和42.2%，此阶段降水对冬小麦产量影响显著。冬小麦产量相关的因素由高到低依次为耗水量>穗数>穗粒数>播前底墒>生育期降水量>全年降水量。近40年来黄土旱塬区冬小麦稳产性差，原因为播种-返青期耗水占全生育期比重较大，降水满足率低，影响了冬小麦分蘖成穗和水分高效利用。以上结果表明，保证该区冬小麦关键生育期降水满足率和休闲期降水高效蓄集，是冬小麦稳产高产的重要保障，研究结果对冬小麦产业可持续发展具有重要意义。

关键词：黄土旱塬；冬小麦；产量；耗水规律；降水

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0783

中图分类号：S512.1；S314 文献标志码：A 文章编号：1008‐0864（2024）03‐0164‐10

冬小麦是黄土旱塬区重要的粮食作物之一，确保其可持续发展对该区粮食安全意义重大。黄土旱塬区位于黄土高原南部半湿润偏旱区或易旱区，该区地表水资源匮乏，地下水位深，农业用水全部依靠有限的自然降水，50%～70% 的降水集中在7—9月，降水与冬小麦生长需求严重错位[1-3]，降水时期、降水量、蒸发量与冬小麦需水量、需水时期矛盾尖锐，导致冬小麦水分效率低下和产量低而不稳。因此，研究黄土旱塬区冬小麦产量与区域降水之间的关系和小麦生产耗水规律，对该区冬小麦增产和降水高效利用具有重要意义。

黄土旱塬区作物耗水规律直接影响土壤水库变化[4‐5]，从而极大地影响作物产量[6‐7]。作物需水量是“土壤-作物-大气”水分循环的重要参数[8]，关于作物耗水量变化趋势通过模型做了大量研究[9‐10]。郭伟等[11]研究黄土高原地区冬小麦、玉米等作物需水变化，明确了各地作物需水量呈现出不同的变化；刘战东等[12]研究指出，降雨级别影响土壤水库；杨赞荣等[13]研究发现，冬小麦需水和降水量影响土壤含水量，并对冬小麦耗水规律进行了分析；程立平等[14‐15]研究了黄土旱塬区旱作冬小麦耗水贡献和底墒充足条件下水分利用规律。但是，以往研究试验时期短，没有进行多年系统分析。本研究立足黄土旱塬区气候特点，研究了近40年不同降水情况下冬小麦耗水规律及对其产量的影响，对进一步明确黄土旱塬区农田生态系统土壤水分循环规律和冬小麦产业持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在国家土壤质量镇原观测实验站（35°30'N、107°29'E）进行。试验地点位于甘肃省镇原县上肖镇所在的黄土旱塬区，地势平坦，海拔1197 m，属于暖温带半湿润偏旱区，区域内土壤为黑垆土，田间持水量22.3%，孔隙度50%，土质疏松，透气性好，利于降水入渗和作物根系生长，地下水位120 m，不参与“植物-大气-土壤”水分循环，为典型雨养农业区，冬小麦全生育期无灌溉。

1981—2019 年近40 年平均年降水量为522.1 mm，降水年际间差异较大，变异系数为21.5%。冬小麦生育期为9月底至次年6月底，期间平均降水量约占全年46.7%，另53.3% 的降水集中在7—9月（图1），此时恰逢冬小麦休闲期和高温天气，降水保蓄率不足40%。

1.2 数据来源及试验方法

1.2.1 数据来源和试验方法 1981—2000 年逐旬降水量来源于镇原试验站人工（量筒法）测定数据，2001—2019年为气象站记录数据；冬小麦产量、耗水量来源于镇原试验站实测积累数据。

为了保证研究准确性，除了原有积累数据外，本研究选用了2009—2019年定位试验数据，分析冬小麦各生育期耗水情况。定位试验设置为大区试验（67 m2），冬小麦品种为当地主栽品种‘陇鉴386；施肥量为当地推荐量，即纯氮180 kg·hm-2、P2O5 105 kg·hm-2；其他管理同当地大田。分别在冬小麦播前、返青期、拔节期、灌浆期和收获期采用土钻法取样测定0—200 cm土层土壤水分。

1981—2019 年冬小麦产量为试验田小区实打实收记产；冬小麦播前和收获后分别用土钻法测定试验区0—200 cm土层含水量，转化为播前和收获土壤贮水量；2009—2019年分别在冬小麦返青期、拔节期、灌浆期加测0—200 cm土层土壤含水量。试验地地势平坦，降水不产生径流，地下水埋藏较深，均不参与水分平衡。

利用土壤水分平衡方程计算作物耗水量（evapo transpiration，ET），公式如下。

1.2.2 不同时期冬小麦品种及产量 1981—2019年间不同时期的主栽冬小麦品种及其产量如表1所示。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2003软件制图和处理数据，采用SPSS Statiostics17.0 进行方差和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 降水量变化规律分析

全年降水量为小麦生长周期的降水量（本年7月至次年6月），1981—2019年全年降水量呈降低趋势，平均为522.1 mm。生育期降水量为9月下旬至次年7月上旬的降水量，39年的平均降水量为240.0 mm，总体呈减少趋势，占全年降水量46.0%，每10年减少量为14.7 mm（图2）。

根据年度生育期降水量与39年的平均增减程度，将所有年份划分为干旱年、平水年和丰水年3个类型。降水量大于15%的定为丰水年，小于-15% 的定为干旱年，介于15% 到-15% 的为平水年，其中15年为丰水年、9年为平水年、16年为干旱年，所占比例分别为38.5%、20.5%和41.0%；丰水年集中在2000 年以前，占丰水年的66.7%；2000年以后干旱年份占全部干旱年份的62.5%。

2.2 冬小麦产量变化趋势

依据1981—2019年本区域长期实打实收测产数据分析，得出近40年间冬小麦产量呈增加趋势（图3），每年增加51.2 kg·hm-2。产量浮动区间为1 470.5～8 084.9 kg·hm-2，持续系数为0.43。20世纪80、90年代和21世纪00、10年代冬小麦平均产量分别为4 453.4、4 688.0、4 577.6和5 538.7kg·hm-2，每10年平均产量呈波动变化趋势，20世纪80年代产量最低，90年代缓慢增加，21世纪初产量有所回落，10年代迅速增加。上述4个年代全年降水量分别为561.3、490.2、470.7和547.5 mm，20世纪80年代受限于栽培技术和品种增产效果不足，降水量虽然高，但产量低；20世纪90年代由于抗逆、高产品种和覆盖、深翻保墒技术的应用，产量逐渐增加；进入21世纪00年代，降水减少，产量有所回落，说明降水减少对产量的副效应大于品种和技术进步产生的正效应；20世纪10年代降水增加，加之丰产抗旱品种和精量播种等技术的应用，增产效益显著。

2.3 降水对冬小麦生长发育满足率的影响

对39年间冬小麦生育期降水满足率随时间的变化规律进行分析（图4）发现，随着年限增加，降水满足率呈显著减小趋势（P<0.05），每10年满足率减小5.19个百分点，其中2000年以前满足率基本呈持平状态，2000年以后每10年降低8.93个百分点。因此，21世纪冬小麦栽培受干旱胁迫越来越严重。

2009—2019年冬小麦播种-返青期、返青-拔节期、拔节-灌浆期、灌浆-成熟期的降水满足率分别为55.9%、59.5%、54.4% 和93.8%，全生育期平均满足率为64.4%，灌浆-成熟期逐渐进入雨季，降水增多，满足率增加，灌浆期之前，均低于全生育期平均值（图5）。干旱年、平水年和丰水年冬小麦全生育期降水满足率分别为52.7%、70.7%和69.6%；其中丰水年降水满足率低于平水年，主要由于丰水年降水集中在冬小麦灌浆-成熟期，该阶段降水满足率达到了103.5%；而灌浆前期降水满足率平均为60.5%，该阶段平水年达到65.1%；干旱年播种-返青期、返青-拔节期平均降水满足率分别为35.4%、38.4%，进入灌浆-成熟期为80.2%。

生育期降水满足率呈显著下降趋势。近10年冬小麦降水满足率平均为64.4%，出苗-灌浆期降水满足率不足60%，冬小麦生长发育供水40%以上需要土壤水库提供。干旱年全生育期降水满足率为52.7%，干旱年、平水年和丰水年降水满足率最低分别为出苗-返青-拔节期（36.9%）、拔节-灌浆期（42.2%）、返青-拔节期（57.5%）。

2.4 冬小麦产量与降水量的关系分析

降水量与冬小麦产量关系密切，为进一步明确降水对产量的贡献，分析冬小麦产量和黄土旱塬区逐旬降水量之间的关系，由于12月至次年2月土壤处于封冻期，只分析了这3个月的逐月降水量与产量的关系。逐月降水量与产量关系结果显示（表2），3和4月降水量与产量呈显著正相关（P<0.05），其他月份降水量与冬小麦产量之间均无显著相关性；逐旬分析显示，11月中下旬、3月下旬、4月中旬、5月上旬和6月中旬降水量与产量均呈显著正相关，此时分别为冬小麦越冬前、返青期、拔节期、灌浆期和乳熟期，表明这些时期降水对黄土旱塬区冬小麦产量形成均有重要作用。

冬小麦生育期为270 d左右，期间降水分布严重不均，根据降水时期与产量关系分为3个阶段。第1阶段为冬小麦越冬前11月中下旬，此阶段降水与冬小麦产量呈显著正相关。黄土高原地区冬前生长期是土壤耗水量第2耗水高峰[16]，越冬前冬小麦地上部分较小，根系生长较快，苗期主要利用浅层土壤水分[17]，可能是越冬前降水有效蓄集后被冬小麦充分利用，该生育阶段降水对冬小麦产量形成至关重要。第2阶段为3月下旬和4月中旬，该阶段仍为返青期和拔节期，是冬小麦小穗、花芽开始分化的时期，决定冬小麦穗数。返青-拔节期灌溉使冬小麦产量显著增加[18]，因此该阶段降水补充，对冬小麦产量极其重要。第3阶段为5月上旬和6月中旬，此阶段冬小麦处在开花期和乳熟期，决定冬小麦千粒重。开花期灌溉使小麦籽粒产量增加[19]，对于黄土高原雨养农业区来说，开花期降水相对较少，土壤表层水分不足，此时恰好是冬小麦需水的生理生态临界期[20]，因此，开花期降水对冬小麦产量至关重要；灌浆期降水同样影响冬小麦产量，该时期降水有效增加小麦千粒重。灌浆期水分胁迫导致千粒重降低[21]，这与本研究观点一致。随着生育期不断推移，降水量对冬小麦产量贡献逐渐降低。

2.5 冬小麦全生育期及阶段耗水量变化

对1981—2019年冬小麦生育期耗水量变化趋势进行分析（图6）发现，39年间冬小麦平均耗水量为361.3 mm，随着年份推移冬小麦耗水量呈显著减小趋势（P<0.05），耗水量每年减少3.3 mm。分阶段来看，平均耗水量1981—2000 年为397.2 mm，2001—2019 年为342.1 mm；2000 年前耗水量平均每年减少4.6 mm。进入21世纪，耗水量与20 世纪以来的变化规律恰好相反，2001—2019年呈增加趋势，平均每年增加3.8 mm，但增加量低于整体减少量，因此整体呈降低趋势。进入21世纪，冬小麦平均产量增加300 kg·hm-2，加之气候持续干暖化，无效蒸发增加，耗水量呈增加趋势。但是，前20年耗水量减小趋势较大，抵消了后19年耗水增加值，因此39年间耗水量整体呈减小趋势。

根据定位试验数据分析2010—2019年冬小麦不同生育期耗水量变化，由图7可知，全生育期耗水量变异系数为27.9%；播种-返青期、返青-拔节期、拔节-灌浆期和灌浆-成熟期平均耗水量分别占全生育期的34.2%、17.1%、27.0% 和21.7%，变异系数分别为34.0%、52.6%、40.4% 和55.5%。干旱年、平水年和丰水年耗水量分别为281.6、369.3和429.1 mm，不论降水多少，播种-返青期耗水量占全生育期29.5%～38.2%，占比最高。播种-返青期耗水量较大，多年结果基本一致，冬小麦此时处在苗期，蒸腾小，耗水以蒸发损失为主。返青-成熟期耗水量年际间变化较大，在品种、栽培技术一致情况下，气候条件成了影响耗水量变化的主要因子。因此，冬小麦生育期在减少苗期耗水的同时，保障土壤水库稳定供应是冬小麦稳产、增产的关键。

2.6 冬小麦产量因素相关分析

由表3可知，产量与全年降水量、生育期降水量、穗粒数、穗数、耗水量、播前底墒之间均呈显著正相关关系，相关性由高到低依次为耗水量>穗数>穗粒数>播前底墒>生育期降水量>全年降水量；全年降水量与穗数、耗水量之间呈显著正相关；耗水量与穗数也成显著正相关。各因素与产量的关联度分析结果显示，关联序依次为穗数>穗粒数>耗水量>播前底墒>生育期降水量>全年降水量>千粒重。

3 讨 论

在全球气候变暖的情况下，近40年降水逐年降低，关于作物耗水量的变化趋势观点不同。Mo等[9]研究发现，1951—2006年华北地区作物耗水量呈增加趋势；而刘晓英等[22]认为，1950—2000年华北地区主要作物耗水量呈下降趋势。黄土高原地区冬小麦耗水量变化趋势各研究结果不尽相同，武永利等[23]认为，山西1951—2005 年冬小麦耗水量呈下降趋势；而郭伟等[11]认为，冬小麦耗水量均呈增加趋势。本研究中，旱塬区近40年冬小麦耗水量呈降低趋势，这与许多已有结果一致[22-24]；但是冬小麦产量变化趋势与耗水量恰好相反，近40年每年产量以51.2 kg·hm-2速度增加，当地选育的耐寒新品种‘庆丰1号、抗锈病品种‘陇鉴196、高产抗旱品种‘陇鉴386等品种更替和覆盖保墒、深翻蓄水等栽培方式转变是冬小麦增产的主要方式，然而受自然气候变化影响，产量变幅较大，持续系数仅为0.43。黄土旱塬区地下水位深，冬小麦生长耗水全靠天然降水，本研究发现，冬小麦产量与全年降水量呈显著正相关，全年降水量与冬小麦产量关系更为密切。

黄土旱塬区为典型雨养农业区，冬小麦需水靠土壤水库提供，然而地下水无法补给土壤水库，降水成了土壤水库唯一来源。旱塬区承载了区域内粮食安全重任，该区域冬小麦生育期处在旱季，尤其3—5月小麦生长旺盛季，降水仅为105.5 mm，耗水量为161.9 mm，导致区域土壤水库亏缺加剧，进一步导致生态环境恶化[25]。黄土旱塬区降水逐年减少，尤其小麦生育期降水不足，本研究发现，近40年冬小麦耗水量逐年降低。冬小麦生育期降水量减少，因此土壤水库成为冬小麦产量的保证，这与程立平等研究结果一致[15]。降水量无法补给土壤水库，其水分长期亏缺导致深层水分出现干燥化，从而影响区域内一系列生态问题。

冬小麦产量受气候、土壤等多因素影响[26-28]。史国安等[27]研究认为，底墒水对产量的作用大于生育期降水。本研究分析了冬小麦各因素与产量的相关性，其中与播前底墒的相关系数为0.66（P<0.05），生育期降水量、全年降水量与产量显著相关，全年降水量与穗数和耗水量显著相关，全年降水量对小麦产量提升贡献主要通过提高穗数实现。旱塬区降水集中在7—9月，此时降水有利于增加播前底墒。本研究结果显示，播前底墒每增加1 mm 贮水量，产量则增加11.9 kg·hm-2，这与Zhang 等[18] 的研究一致，雨养小麦水分消耗的60%～80%来自于播前水分。播前土壤含水量为冬春干旱季节冬小麦生长耗水提供了保障，能有效促进冬小麦分蘖和返青前花芽分化，保证了单位面积穗数和穗粒数。因此，冬小麦播前底墒增加，夏休闲期降水蓄集是增加播前含水量的重要措施[29‐30]。穗数、穗粒数对产量贡献较大，这与已有研究结果一致[31‐32]。旱塬区冬春季降水有限，在保证冬小麦主茎成穗情况下，分蘖成穗和促进花芽分化是产量提升的重要因素。因此，全年降水量显著影响冬小麦耗水量、产量和穗数，通过耗水量和穗数提升增加产量。

品种改良和栽培措施调控是小麦产量提高的重要措施[33]。本研究区20世纪80年代主栽冬小麦耐寒、高产品种‘庆丰1号，进入90年代病害与干旱频发，‘陇鉴196应运而生[34]；到21世纪育成高产、抗旱、条锈病免疫品种‘陇鉴386，产量达到4 500 kg·hm-2，支撑了该区冬小麦产量增加[35]；由开始耐寒高成穗品种向丰产、高抗品种转变，品种更替每年增产幅度为26.9 kg·hm-2，贡献率为52.6%。黄土旱塬区抗旱栽培措施是提高冬小麦产量的重要手段，休闲期绿色覆盖[29]、夏覆膜周年覆盖栽培[36]等技术有效增加生育期土壤含水量，增产效果显著。本研究发现，关键生育期降水对产量贡献为16.7～93.8 kg·hm-2，然而黄土旱塬区季节性降水差异大，如1994 年4 月降水为13.3 mm，本年产量仅为2 856.7 kg·hm-2。虽然品种和栽培技术持续促进了冬小麦产量增加，但是冬小麦产量持续性差，任何栽培措施和品种增产效果均受到降水因素的限制。Zhang等[18]研究提出，小麦耗水主要来自土壤水库，如何高效利用有限降水资源，提高土壤水库是冬小麦稳产关键。

近40年冬小麦生育期耗水呈降低趋势，每年平均减少3.1 mm，尤其是进入21世纪，减少量为4.6 mm，这与陈博等[37]研究结果一致。冬小麦生育期耗水量为361.3 mm，与产量、穗数显著相关，耗水量对产量的贡献同样依靠提升穗数来实现。不论哪种降水年型，播种-返青期耗水占比最高，此时恰好进入冬季，土壤封冻，冬小麦生长缓慢，但经历时间较长，水分消耗较大，该期多年耗水量变异系数为34.0%，相对其他时期变化量最小，说明该阶段冬小麦耗水量较大且相对稳定，但是此阶段水分对冬小麦干物质形成作用不大，因此，如何降低播种-返青期无效蒸发，对水分利用效率提升具有重要意义。

在旱塬区降水资源逐渐减小的情况下，冬小麦产量增加，其原因不能只考虑生育期降水总量、降水时期等单一因素，因为冬小麦耗水量、产量不仅是气候变化的作用，还是节水品种选育和抗旱栽培措施改善的综合反馈作用。气候变暖大背景下，随着科技进步，降水资源化利用率逐渐增加，雨养农业的旱塬区降水资源对冬小麦耗水的影响可能有限，区域口粮严峻形势可能来自人口增加和产业结构调整。

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（责任编辑：胡立霞）