高溫伏旱區(qū)旱地農(nóng)作系統(tǒng)水分供需平衡特征與生態(tài)適應(yīng)性研究

張?jiān)铺m,王龍昌,鄒聰明,胡小東,薛蘭蘭

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,重慶北碚 400715;2.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院,南寧530003)

高溫伏旱是我國(guó)南方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要制約因素,其嚴(yán)重區(qū)域主要包括四川、重慶、湖北、湖南和江西等省市,涉及農(nóng)田面積0.133億hm2。近年來(lái)由于全球氣候變暖,高溫伏旱生態(tài)災(zāi)害更有加重的趨勢(shì),致使農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量大幅下降。對(duì)于高溫伏旱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),在構(gòu)成農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的非生物環(huán)境農(nóng)業(yè)生態(tài)諸因子中,降水生態(tài)因子無(wú)疑是主導(dǎo)性限制因子。也就是說(shuō),降水生態(tài)因子在數(shù)量和質(zhì)量上的微小變化,都將對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成產(chǎn)生深刻影響[1]。該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)潛力很大程度上是由自然降水的豐欠及其時(shí)空分布狀況決定的。對(duì)于這一農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)類(lèi)型,如何在更大程度上依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理科學(xué)手段,通過(guò)積極、穩(wěn)妥地發(fā)展生態(tài)適應(yīng)性高的農(nóng)業(yè),同時(shí)采取有效的抗旱措施,充分發(fā)掘其巨大的生產(chǎn)潛力,大幅度提高生產(chǎn)水平,走向可持續(xù)發(fā)展道路,是一項(xiàng)很迫切的研究課題。本研究以高溫伏旱典型區(qū)域——重慶(奉節(jié)、萬(wàn)州、沙坪壩)為研究基地,以農(nóng)田作物種群優(yōu)化和降水資源化為基本目標(biāo),研究旱地農(nóng)作系統(tǒng)主要復(fù)作模式水分平衡特征與水分生態(tài)適應(yīng)性,尋求一個(gè)既能有效保持水土,又能有效克服水分虧缺和提高土地生產(chǎn)力的新的結(jié)合點(diǎn)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

重慶就區(qū)縣分布而言,長(zhǎng)江、嘉陵江、涪江沿江地區(qū)是伏旱頻率高值區(qū),發(fā)生頻率多在70%以上,其中,有兩個(gè)頻率高值中心,一個(gè)在中部的豐都、忠縣、涪陵一帶,另一個(gè)在西部沿江地區(qū)的江津、巴南、壁山、北碚、合川一帶,發(fā)生頻率在75%以上,豐都、江津、壁山發(fā)生頻率最高,達(dá)80%。本研究所選擇的區(qū)域(奉節(jié)、萬(wàn)州、沙坪壩)伏旱率如附圖6所示。

奉節(jié)為低山溫和區(qū)。海拔600～1 000 m的區(qū)域,年平均氣溫15℃;最冷月平均氣溫3～5℃,極端最低氣溫一般不低于-10℃;最熱月平均氣溫23.0～25.5℃,極端最高氣溫35～38℃;年降水量一般為1 200～1 350 mm。萬(wàn)州為中深丘溫暖區(qū)。海拔400～600 m之間的區(qū)域,年平均氣溫16.8℃;最冷月平均氣溫 5.0～6.5℃,極端最低氣溫一般不低于-6℃;最熱月平均氣溫25.5～27.0℃,極端最高氣溫38～40℃;年降水量一般為1 100～1 200 mm。區(qū)內(nèi)氣溫較高,熱量較為豐富,高溫伏旱較重。沙坪壩為河谷平壩淺丘溫?zé)釁^(qū)。海拔400 m以?xún)?nèi)的區(qū)域,年平均氣溫18.3℃;最冷月平均氣溫6.0～8.2℃,極端最低氣溫一般不低于-4℃;最熱月平均氣溫27.0～29.5℃,極端最高氣溫40.0～44.1℃;年降水量大多在980～1 200 mm。區(qū)內(nèi)氣溫高,熱量豐富,高溫伏旱嚴(yán)重[2]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

西南大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)用地位于重慶市北碚區(qū),地理位置29°51′N(xiāo),106°27′E,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。試驗(yàn)地坡度為15°,海拔244 m,年均總?cè)照諘r(shí)數(shù)1 276.7 h,多年平均氣溫18℃,≥10℃積溫5 979.5℃,夏季最高氣溫達(dá)到40℃左右,無(wú)霜期達(dá)359d,多年平均降雨量1 133.7 mm,春、夏、秋、冬降雨量分別為為全年的25.5%、41.4%、27.9%、5.5%,年蒸發(fā)量 1 181.1 mm,伏旱發(fā)生頻率達(dá)93%。試驗(yàn)地土壤為旱地紫色土,坡度較緩,地力相對(duì)均勻。土壤容重1.21 g/cm3,土壤田間持水量31%,p H值6.47,土壤有機(jī)質(zhì)28.00 g/kg,全氮0.158 g/kg,全磷0.62 g/kg,全鉀70.41 g/kg。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 降水年型及分布特征

通過(guò)降水量相對(duì)變化率 ,劃分降雨年型[3-6]：

式中：R——實(shí)際年降水量;ˉR——平均年降水量,取P≥25%為豐水年,P≤-25%為欠水年,-25%＜P＜25%(取降雨量最接近降雨平均值的年)為平水年。

2.2 復(fù)作模式需水量計(jì)算

2.2.1 土壤含水率的測(cè)定 試驗(yàn)期間用烘干法測(cè)定0-80 cm土層的土壤含水率。稱(chēng)量出鋁盒加濕土的質(zhì)量(W濕),即鋁盒加烘干土的重量(W干);再稱(chēng)量該鋁盒的重量(W盒),即可計(jì)算出土壤含水量[5](W%)。

2.2.2 土壤貯水量(W)計(jì)算W=d×h×W%×10式中：d——試驗(yàn)地土壤容重(g/cm3);h——土層厚度(cm)[5-6]。

2.2.3 復(fù)作模式作物實(shí)際蒸散量計(jì)算 建立農(nóng)田水量平衡模型[7]：

ETa=P+I+G-ΔW-Rs-Dp

式中：ETa——生育期田間耗水量(mm);P,I,G分別為生育期降水量、灌溉量和地下水上移補(bǔ)給量(mm);ΔW——作物生育期土壤貯水變化量,即生育期末的貯水量與生育期前的貯水量之差(mm);Rs,Dp——地表徑流量和深層滲透量(mm)。由于試驗(yàn)地?zé)o灌溉,地下水位深于10 m以下,降雨滲透深度在土壤水分測(cè)定深度的范圍內(nèi),且試驗(yàn)地地勢(shì)平緩,一般情況下不會(huì)產(chǎn)生徑流,

2.2.4 水分脅迫系數(shù)(K s)的計(jì)算

式中：S——根層土壤實(shí)際含水量;S*——根層土壤田間持水量;Sw——根層土壤凋萎系數(shù)(采用經(jīng)驗(yàn)值法)[3]。

2.2.5 復(fù)作模式需水量(ETc)計(jì)算[6]

2.2.6 復(fù)作模式作物系數(shù)Kc計(jì)算[5]

式中：ETc——參考作物蒸散量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,計(jì)算的小麥-玉米-甘薯、馬鈴薯-玉米-甘薯的作物系數(shù),結(jié)合FAO提供的作物系數(shù),擬定胡豆-玉米-甘薯、小麥-玉米-大豆、胡豆-玉米-大豆和油菜-玉米-甘薯的作物系數(shù),再計(jì)算出復(fù)作模式在奉節(jié)、萬(wàn)州和沙坪壩的需水量。

2.3 作物水分供需平衡

式中：d——作物生育期降雨滿足率;P——作物生育期降雨量;ETc——作物生育期需水量[7]。

2.4 水分生態(tài)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

式中：PESI——降水生態(tài)適應(yīng)性指數(shù);P——各生育期的降雨供給量;C——降雨徑流系數(shù);P(1-C)——各生育期的有效降雨供給量;ETm——作物各生育期的需水量;ai——權(quán)重系數(shù)[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)不同降雨年型月降雨量分布規(guī)律

從圖1(a)可以看出,奉節(jié)豐水年各月降雨量分布與重慶各月降雨分布趨勢(shì)相同。豐水年、平水年和欠水年在1-4月,1月1,12月的降雨分布相似,差距主要體現(xiàn)在5-9月,這5個(gè)月降雨總量最多的即為豐水年,降水量最少的即為欠水年?？梢钥闯?奉節(jié)地區(qū)3種降雨年型是由各年5-9月的實(shí)際降雨量決定的。

由圖1(b)可以看出,萬(wàn)州豐水年降雨量最大值出現(xiàn)在 7月,為 356.8 mm,占全年降雨量的22.62%;平水年最大降雨量在8月,為247.7 mm,占全年的21.74%;欠水年最大降雨量出現(xiàn)在6月,占全年的19.56%。3種降雨年型各月降雨量的差異主要體現(xiàn)在7-9月。

由圖1(c)可以看出,影響沙坪壩3種降雨年型的年降雨量差異的最明顯月份為7月。豐水年僅7月的降雨量就為553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量?jī)H為 101.7 mm,占全年的9.97%,欠水年更少為26.5 mm,占全年的3.25%。

圖1 3種降雨年型30年的平均月降雨分布

3.2 復(fù)作模式作物系數(shù)及作物需水量

3.2.1 實(shí)驗(yàn)條件下復(fù)作模式作物系數(shù) 通過(guò)西南大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的田間實(shí)驗(yàn)測(cè)得：小麥-玉米-甘薯生育期前后土壤貯水量分別為227.33 mm和234.81 mm,馬鈴薯-玉米-甘薯生育期前后分別為230.25 mm和241.31 mm;土壤水分脅迫系數(shù)中土壤實(shí)際含水量為24.5%,土壤田間持水量為31%,土壤容重為1.21 g/cm3,凋萎系數(shù)去經(jīng)驗(yàn)值15%。計(jì)算出作物實(shí)際耗水量、復(fù)作模式需水量和作物系數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)條件下復(fù)作模式作物系數(shù)

由表1可以看出,在實(shí)驗(yàn)條件下,馬鈴薯-玉米-甘薯的耗水量、需水量都比小麥-玉米-甘薯高21.94%,作物系數(shù)高出22.64%。其主要原因是,單作條件下甘薯的作物系數(shù)為0.9,比小麥的0.7高。根據(jù)上述各種主要單作作物系數(shù),結(jié)合馬鈴薯-玉米-甘薯、小麥-玉米-甘薯的作物系數(shù),估算出其他4種復(fù)作模式作物系數(shù)即：胡豆-玉米-甘薯為1.2,油菜-玉米-甘薯為 1.4,小麥-玉米-大豆為1.24,胡豆-玉米-大豆為1.36,它反映了不同復(fù)作模式本身的生物學(xué)特性、當(dāng)?shù)刈魑锂a(chǎn)量、土壤水肥條件以及田間管理狀況等,其影響農(nóng)田蒸散量。

3.2.2 研究區(qū)參考作物蒸散量 從圖2中所示3個(gè)研究區(qū)和北碚實(shí)驗(yàn)區(qū)的平均年參考作物蒸散量,可以看出4個(gè)地區(qū)的大小順序是奉節(jié)＞北碚＞萬(wàn)州＞沙坪壩,這與4個(gè)地區(qū)每天的參考作物蒸散量大小順序相通。其中奉節(jié)年均參考作物蒸散量最大,為1 056 mm,比北碚、萬(wàn)州和沙坪壩分別高出 13.03%、21.46%和17.2%。

3.2.3 復(fù)作模式作物需水量 根據(jù)復(fù)作模式的作物系數(shù)和奉節(jié)、萬(wàn)州、沙坪壩的參考作物蒸散量,求得研究區(qū)復(fù)作作物需水量如圖3,大小順序?yàn)椋悍罟?jié)＞萬(wàn)州＞沙坪壩,并且奉節(jié)地區(qū)每種復(fù)作模式的需水量都比萬(wàn)州和沙坪壩分別高出：21.46%和32.53%。就同一研究區(qū)而言,不同復(fù)作模式的作物需水量大小和作物系數(shù)有關(guān),即作物系數(shù)大的復(fù)作模式,其需水量大,因?yàn)閰⒖甲魑镎羯⒘肯嗤?其大小順序?yàn)椋河筒?玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-甘薯。

3.3 復(fù)作條件下作物水分供需平衡特征

3.3.1 奉節(jié)復(fù)作條件下作物水分供需平衡特征 由表2可知,在同一降雨年型中,幾種主要復(fù)作模式的水分滿足率隨耕地坡度增加而減少。各年型中,復(fù)作模式水分滿足率的大小順序?yàn)椋盒←?玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯。在豐水年型中,小麥-玉米-甘薯在15°以下的耕地上水分滿足率都大于1,胡豆-玉米-甘薯、小麥-玉米-大豆和馬鈴薯-玉米-甘薯在10°以下的耕地上大于1。

圖2 四個(gè)地區(qū)30年平均參考作物蒸散量

圖3 研究區(qū)主要復(fù)作模式需水量分布

3.3.2 萬(wàn)州復(fù)作條件下作物水分供需平衡特征 由表3可知,由于幾種主要復(fù)作模式的生育期都是歷時(shí)一年時(shí)間,所以在同一降水年型中,各種模式的獲得的有效降雨量相同,所以復(fù)作模式的水分滿足率隨其需水量增大而減小,且減小趨勢(shì)相同,大小順序?yàn)椋盒←?玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,和奉節(jié)相同。其原因是幾種復(fù)作模式的作物系數(shù)不同,作物系數(shù)大則需水量大。

3.3.3 沙坪壩復(fù)作條件下作物水分供需平衡特征由表4可知,水分滿足率變化趨勢(shì)和奉節(jié)、萬(wàn)州基本一致。適合在平水年種植的模式為小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。但相對(duì)于奉節(jié)和萬(wàn)州,沙坪壩欠水年型中,幾種復(fù)作模式的水分滿足率偏大,如：胡豆-玉米-甘薯水分滿足率比奉節(jié)增加4.94%,比萬(wàn)州增加39.34%?？梢钥闯鲈谇匪晷椭?沙坪壩種植復(fù)作模式由于奉節(jié)和萬(wàn)州。在平水年型里,沙坪壩復(fù)作模式水分滿足率小于萬(wàn)州。

表2 奉節(jié)主要復(fù)作模式降水滿足率

表3 萬(wàn)州主要復(fù)作模式降水滿足率

3.4 復(fù)作條件下水分生態(tài)適應(yīng)性研究

由圖4可知,這種復(fù)作模式在3個(gè)研究區(qū)水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)的大小順序?yàn)椋荷称簤危救f(wàn)州＞奉節(jié)。由于復(fù)作模式生育期為一整年,所以水分生態(tài)適應(yīng)指數(shù)和復(fù)作模式需水量有關(guān),且3個(gè)研究區(qū)的不同作物有相同的變化趨勢(shì)。就同一研究區(qū)來(lái)看,不同復(fù)作模式的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)大小順序?yàn)椋盒←?玉米-甘薯＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞油菜-玉米-甘薯,此順序和復(fù)作模式降水滿足率一致。且小麥-玉米-甘薯在奉節(jié)地區(qū)高出油菜-玉米-甘薯20%,在萬(wàn)州地區(qū)高出17.44%,在沙坪壩地區(qū)高出17.24%。小麥-玉米-甘薯在沙坪壩的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)最高為1.02,油菜-玉米-甘薯在奉節(jié)最低為0.73。

表4 沙坪壩主要復(fù)作模式降水滿足率

圖4 研究區(qū)主要復(fù)作模式水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)分布

4 結(jié)論

奉節(jié)地區(qū)3種降雨年型是由各年5-9月的實(shí)際降雨量決定的。豐水年 5-9月的降水總量為1 093.9 mm,占全年降雨量的76.48%;平水年5-9月的降水總量為684.7 mm,占全年總和的67.34%;而欠水年同期只有494.1 mm,但全年總降雨量的64.39%。萬(wàn)州3種降雨年型各月降雨量的差異主要體現(xiàn)在7-9月,豐水年7-9月的降雨量為854.3 mm,占全年的54.16%;平水年7-9月的降雨量為462.5 mm,占全年的54.16%,而欠水年此期的降雨量為462.5 mm,占全年的40.59%。沙坪壩3種降雨年型的年降雨量差異的最明顯月份為7月。豐水年僅 7月的降雨量就為 553.4 mm,占全年的38.45%,而同期平水年的降雨量?jī)H為101.7 mm,欠水年更少為26.5 mm。就相同的復(fù)作模式而言,不同研究區(qū)作物需水量的大小順序?yàn)椋悍罟?jié)＞萬(wàn)州＞沙坪壩;同一研究區(qū)不同復(fù)作模式作物需水量大小順序?yàn)椋河筒?玉米-甘薯＞胡豆-玉米-大豆＞馬鈴薯-玉米-甘薯＞小麥-玉米-大豆＞胡豆-玉米-甘薯＞小麥-玉米-甘薯,其大小是由代表作物種類(lèi)、產(chǎn)量特征、土壤水肥狀況及田間管理狀況的作物系數(shù)影響決定的。復(fù)作模式的生育期為全年,同一研究區(qū)里,幾種復(fù)作模式的水分滿足率大小和降水年型有關(guān),其大小順序是豐水年＞平水年＞欠水年。奉節(jié)只有豐水年適宜在坡度較小的耕地上種植小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。萬(wàn)州豐水年里可以在平整的土地上種植各種復(fù)作模式,平水年里適宜種植小麥-玉米-甘薯。沙坪壩平水年里適宜種植小麥-玉米-甘薯、胡豆-玉米-甘薯和小麥-玉米-大豆。針對(duì)高溫伏旱區(qū)的伏旱發(fā)生頻率高,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),降雨時(shí)空分布不均的特點(diǎn),通過(guò)積極調(diào)整種植結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)播種時(shí)間,采用保護(hù)性耕作,抗旱品種培育、生物抗旱技術(shù),大力修建蓄水工程,發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)等措施改善水資源利用狀況,提高農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。

重慶地形、地貌復(fù)雜多樣,最高點(diǎn)海拔達(dá)2 796.8 m,最低處海拔僅73.1 m,其中山地占59.8%,丘陵占30.2%,平壩占10%。本研究選取了奉節(jié)、萬(wàn)州、沙坪壩3個(gè)研究區(qū),分別代表低山溫和區(qū)、低山丘陵區(qū)、河谷平壩淺丘溫?zé)釁^(qū)。還沒(méi)能完全覆蓋重慶所有高溫伏旱區(qū)的類(lèi)型,在以后的研究中可以擴(kuò)充研究對(duì)象。本研究分析了高溫伏旱區(qū)旱作系統(tǒng)作物水分供需平衡和水分生態(tài)適應(yīng)性,都是結(jié)合降水資源來(lái)研究,高溫伏旱的另一方面溫度,考慮的比較少,有待于更全面和深入的研究,能夠得出更符合該地的作物種植模式。

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