黃淮海北片小麥應對氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案

馬愛平，席天元，靖 華，亢秀麗，王裕智，崔歡虎，張建誠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 小麥研究所，山西 臨汾 041000；2.山西農(nóng)業(yè)大學 棉花研究所，山西 運城 044000)

1 方案提出背景

黃淮海北片麥區(qū)是我國小麥的主產(chǎn)區(qū)，其包括晉南盆地、河北、山東大部，該區(qū)小麥產(chǎn)量豐歉直接左右著全國小麥總。隨著全球氣候變化特別是氣溫升高[1]、降雨減少[2]、春季極端低溫天氣事件概率增加[3]等關鍵氣象因子及其耦合誘發(fā)該區(qū)小麥干旱趨重、春季低溫凍害頻發(fā)及各種次生災害(紅蜘蛛、莖基腐病)，同時由于本區(qū)灌溉水資源硬性約束[4]，該區(qū)小麥生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)或將受到嚴重挑戰(zhàn)。因此，構建小麥應對氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案，對本區(qū)小麥生產(chǎn)具有建設性作用。

2 構建方案的基本思路

項目通過歷史資料和模擬研究小麥生產(chǎn)系統(tǒng)對氣溫升高和降雨減少(誘發(fā)氣候旱化)、春季極端低溫的響應機制研究及灌溉水資源硬性約束分析，明確了氣溫升高、降雨減少、春季極端低溫對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的不利影響，同時結合課題團隊和他人已有研究成果，分析、凝練、吸收單項關鍵技術，單項技術組配集成生物、工程、農(nóng)藝等適應性栽培途徑，以適應性栽培途徑構建 “黃淮海北片小麥應對氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案”(見圖1)，以期為未來氣候變化提供技術支撐。

圖1 黃淮海北片小麥應對氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案

3 響應機制研究

3.1 降水量減少對小麥單產(chǎn)造成不利影響

通過對歷史氣象及小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)(山西臨汾1987-2018)相關分析表明，小麥生產(chǎn)年度、休閑期、生育期降水量均與小麥產(chǎn)量呈正相關[5]；在山西晉南采用不同微噴灌總量及各生育期不同微噴灌水量的田間模擬方法表明[6]：隨灌水量的增加淺層和深層土壤耗水量均在減小，隨灌水量的增加淺層耗水所占比例在提高，而深層耗水所占比例則在降低，其中傳統(tǒng)大水漫灌深層土壤不但沒有消耗而且有盈余(可視為滲漏水)；在微噴灌水量0.0～150.0 mm范圍內，水分利用效率和產(chǎn)量均隨微噴灌水量的增加而提高，傳統(tǒng)大水漫灌產(chǎn)量雖有增加但水分利用效率在下降，而灌溉水利用效率則表現(xiàn)為隨灌水量的上升而下降。

3.2 氣溫升高對小麥單產(chǎn)造成不利影響

通過對歷史氣象及小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)(山西臨汾1987-2018)相關分析表明，小麥生育期平均氣溫與小麥產(chǎn)量呈負相關[5]；在山西晉南采用低海拔區(qū)域模擬未來高海拔區(qū)域氣溫升高情景的方法[7]和增溫降溫裝置[8]研究方法均表明，未來氣溫升高情景下土壤耗水量呈增加趨勢，而產(chǎn)量和水分利用效率分別呈減產(chǎn)和降低趨勢。

3.3 氣溫升高誘發(fā)干旱對小麥病蟲害的影響

3.3.1 氣溫升高誘發(fā)干旱導致紅蜘蛛趨重 采用低海拔區(qū)域模擬未來高海拔區(qū)域氣溫升高情景的方法研究結果表明，紅蜘蛛發(fā)生量低海拔點大于高海拔點，對不同海拔點間不同處理的紅蜘蛛發(fā)生量進行配對T值檢驗，存在極顯著差異(t=3.3687，df=8，P=0.0098)；拔節(jié)期0～100、100～200、0～200 cm土層貯水量與麥田紅蜘蛛發(fā)生量的線性關系在低海拔點均存在顯著負相關(P<0.05)，而在高海拔點均不存在差異；越冬前高海拔點100～200 cm土層貯水量、低海拔點0～100、0～200 cm土層貯水量與麥田紅蜘蛛發(fā)生量的線性關系表現(xiàn)為顯著負相關(P<0.05)。

3.3.2 氣溫升高誘發(fā)干旱導致莖基腐發(fā)病率上升 采用低海拔區(qū)域模擬未來高海拔區(qū)域氣溫升高情景的方法研究結果表明，低海拔點和高海拔點不同處理的莖基腐發(fā)病率分別為0.56%～1.59%、0.00～0.00，其中低海拔點越冬前0～100 cm土層貯水量，拔節(jié)期0～100、100～200、0～200 cm土層貯水量與莖基腐發(fā)病率存在顯著負相關(P<0.05)；低海拔點各土層貯水量與莖基腐發(fā)病率的平均相關系數(shù)拔節(jié)期大于越冬前。采用增溫、降溫裝置模擬氣溫升高情景的方法研究結果表明，2個試驗年度(2018-2019年、2019-2020年)增溫麥田的平均莖基腐發(fā)病率(16.24%)高于常規(guī)麥田(4.31%)和降溫麥田(0.00%)，其中2個試驗年度增溫麥田與常規(guī)麥田、降溫麥田的莖基腐發(fā)病率均存在顯著差異(P<0.05)，2019-2020年度存在極顯著差異(P<0.01)。

3.4 不同品種及栽培措施對春季低溫的響應

本項目研究表明(2018，山西臨汾)：葉片受凍等級與主莖凍害率、分蘗凍害率、總(主莖和分蘗)凍害率等性狀之間不存在顯著的線性關系；品種間的凍害率最高與最低相差11.03%，適期內播種(目前界定的10月6日至10月13日)的凍害率較晚播(目前界定的10月20日至11月3日)高8.12%；起身期灌水麥田總凍害率較未灌水麥田低7.03%。耕層速效磷、堿解氮、速效鉀含量較高麥田凍害率較耕層肥力低的降低6.04%[9]。

4 栽培技術方案構建

本課題組依據(jù)國家研發(fā)計劃“黃淮海北片小麥應對氣候變化的栽培技術途徑及機制”的2017-2020年析出成果、研究結論及前人已有研究成果，研究、分析、總結消減氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案，其中消減氣候旱化的栽培技術方案主要包括應對氣候旱化(降雨減少與氣溫升高耦合)的生物節(jié)水途徑、高效微噴灌工程節(jié)水途徑、降溫農(nóng)藝節(jié)水途徑；應對春季極端低溫栽培技術方案主要包括農(nóng)藝規(guī)避途徑和抵御途徑，集成應對氣候變化的“黃淮海北片小麥應對氣候旱化與春季低溫凍害栽培技術方案”，其技術方案核心內容如下：

4.1 應對氣候旱化栽培技術方案

4.1.1 生物節(jié)水途徑 依據(jù)項目實施過程中利用產(chǎn)量、抗旱指數(shù) (DRI)、水分適宜指數(shù)(WAI)、水分利用效率、灌溉水利用效率等方法或指標，鑒選出的品種具有較強的抗旱性及較好的生態(tài)適應性。面對未來氣候旱化的日益趨重，應對未來氣候情景的品種類型為一是節(jié)水(產(chǎn)量、水分適宜指數(shù)高)，以適應灌溉水資源嚴重短缺的狀況；二是具有避旱性或御旱性或耐旱性(產(chǎn)量、抗旱指數(shù)高)以適應氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱的雙重影響；三是水分利用效率高特別是灌溉水利用效率高的品種；四是具有一定抗倒性，以適應氣溫升高導致株高偏高形成倒伏對產(chǎn)量的影響。

4.1.2 高效微噴灌工程及農(nóng)藝節(jié)水途徑 主要有:

(1)高效微噴灌工程節(jié)水技術[10]。設置輸水主管道及微噴帶擱置帶：將輸水主管道兩側各延伸一定距離不種植作物的空閑區(qū)作為擱置帶，其寬約120～140 cm，用于存放輸水主管道、四通、旁通、折疊微噴帶各組件；微噴帶間距及微噴帶長度：微噴帶間距2.5 m，微噴帶長度35～45 m；微噴帶鋪設方向：在與輸水管相垂直方向上鋪設微噴帶且微噴帶與小麥種植方向垂直；依次分單元分組噴灌：每個單元每組開啟微噴帶數(shù)量依據(jù)水壓大小調至相鄰兩條微噴帶末端出水孔噴出的水柱相交叉為準。

(2)微噴灌總水量核定及各生育期水量優(yōu)化分配農(nóng)藝技術。依據(jù)未來水資源短缺狀況及黃淮北片所處生態(tài)條件、灌溉水利用效率及灌溉成本等因素分析及應對氣候旱化豐產(chǎn)品種的應用，全生育期微灌總量為150 mm；各生育期水量優(yōu)化分配[6]：各生育期的分配額度分別為越冬前25.0 mm、起身期35.0 mm、孕穗期60.0 mm、灌漿期30.0 mm。

4.1.3 應對氣候旱化(升溫誘發(fā)干旱)的降溫農(nóng)藝節(jié)水途徑 應對未來氣溫升高情景對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響是降低麥田溫度，其途徑有兩條，一是全生育期秸稈覆蓋降溫：秸稈帶狀覆蓋冬小麥0～25 cm土層全生育期平均降溫0.61℃[11]，秸稈帶狀覆蓋方式保墑效應顯著[12]，可實現(xiàn)小麥的穩(wěn)定增產(chǎn)；二是關鍵生育時期微噴灌降溫：灌溉顯著延遲氣溫對地溫的影響,具有顯著地平抑地溫作用[13]，噴灌可降低表層溫度[14]；本項目研究表明(2019-2020年)，在越冬前、起身期、孕穗期、灌漿期分別微噴灌水量25.0、35.0、60.0、30.0 mm麥田較未微噴灌麥田(越冬前至成熟期)5、10 cm地溫分別降低1.22、1.48℃。

4.2 應對春季低溫凍害栽培技術方案

依據(jù)歷史資料分析表明，冬前(10、11月份)、春季(2月下旬、3月份)氣溫呈升高趨勢[15～16]，對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)造成隱患，當小麥生長中期(4月份)遭遇極端低溫天氣過程時，冬前和早春的氣溫偏高與生長中期的低溫耦合對小麥造成凍害。根據(jù)項目實施團隊研究進展，同時結合本團隊已有研究成果，形成規(guī)避和抵御春季低溫凍害的兩條栽培途徑。

4.2.1 規(guī)避途徑 主要有:

(1)品種選擇。選擇利用冬前、春季生長穩(wěn)健，中后期生長發(fā)育較快的冬性較強品種，規(guī)避春季低溫凍害。

(2)適當推遲播種期，增加播種量。依據(jù)未來氣溫升高情景，通過推遲播期規(guī)避因冬前和早春氣溫偏高造成的冬前穗發(fā)育進程較快而引發(fā)的春季低溫凍害[17]，通過增加播種密度彌補因播期推遲而造成的群體偏低。播種期宜控制在10月13日至10月18日，播種量36萬～40萬?！?67m2(灌溉區(qū))。

(3)降低麥田地溫，延遲小麥生育進程 通過秸稈覆蓋延遲春季小麥生育進展，通過返青-起身期噴灌降低麥田地溫延遲麥田生長發(fā)育。

4.2.2 抵御途徑 主要有:

(1)品種選擇。選擇抵御春季低溫強的品種或選擇低溫過程后補償能力強的品種。

(2)提高土壤肥力。提高耕層的速效磷、速效鉀、堿解氮含量可有效降低凍穗率[8]。

(3)培育壯苗。利用外源性物質誘發(fā)麥苗的相關生化物質，提升麥苗抗耐春季極端低溫能力。

4.3 應對病蟲次生災害栽培技術方案

麥田土壤貯水量低是誘發(fā)麥田紅蜘蛛、莖基腐病的直接因素，而造成麥田貯水量低的主要因素則是氣溫偏高[18～19]。因此，有效抑制紅蜘蛛、莖基腐病發(fā)生的栽培途徑是提高麥田貯水量。在雨養(yǎng)區(qū)應當重視夏閑期的納雨蓄墑土壤耕作技術、小麥生長中期的耙耱保墑技術及秸稈覆蓋保墑技術；在灌溉區(qū)則應當加強起身期至拔節(jié)期灌溉。

5 技術方案實施應注意的問題

(1)適宜的立地生態(tài)條件。該技術方案的部分關鍵技術適宜于有一定灌溉條件的黃淮麥區(qū)北片，部分關鍵技術則適宜于雨養(yǎng)區(qū)。

(2)時間區(qū)間的適應性。該技術方案的部分栽培途徑(如生物節(jié)水、工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水栽培途徑、春季低溫的抵御農(nóng)藝栽培途徑)既適宜于目前的栽培環(huán)境，也適宜于未來氣候情景下的栽培環(huán)境；而部分技術如規(guī)避春季低溫凍害的播期栽培因子則適宜于未來氣候情景下的栽培環(huán)境。

(3)實施過程應靈活掌握。該技術方案實施過程中如播期無論是在目前栽培環(huán)境還是未來氣候情景下的栽培環(huán)境，在宜播期范圍內或宜播期范圍外(差異3～5 d)耕層土壤含水量應當作為首選因素，因為保苗是第一位。

(4)該技術方案的不足。該技術方案主要圍繞未來關鍵氣象因子溫度、降水變化、春季低溫極端天氣及水資源硬性約束而構建，未有涉及如提高土壤有機質[20～21]有利于增強或緩沖氣候旱化對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的不利影響，也未涉及病蟲草害化學防治等相關技術。因此，該技術方案在實施過程中有待于進一步充實、提升和完善。