華北地區(qū)冬小麥灌溉制度及其環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

劉 濤, 周廣勝, 譚凱炎, 周 莉

中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 北京 100081

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華北地區(qū)冬小麥灌溉制度及其環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

劉 濤, 周廣勝, 譚凱炎, 周 莉*

中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 北京 100081

充分利用有限的灌溉水資源確保冬小麥安全生產(chǎn)是華北地區(qū)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何基于環(huán)境效應(yīng)科學(xué)地進(jìn)行灌溉管理。綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)冬小麥的灌溉管理制度,即充分灌溉與非充分灌溉管理制度以及冬小麥關(guān)鍵灌溉期的環(huán)境效應(yīng),在此基礎(chǔ)上提出了華北地區(qū)冬小麥科學(xué)灌溉擬重點(diǎn)關(guān)注的研究任務(wù)：(1)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育需水時(shí)間與需水量的控制機(jī)制研究；(2)冬小麥干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程與致災(zāi)臨界氣象條件研究；(3)氣候變化背景下極端干旱事件的冬小麥脆弱性診斷與適應(yīng)性管理,以為華北地區(qū)冬小麥安全生產(chǎn)措施制定提供依據(jù)。

冬小麥；華北；灌溉；環(huán)境效應(yīng)

被稱為“中國(guó)糧倉(cāng)”的華北地區(qū),是中國(guó)冬小麥(TriticumaestivumL.)的主產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)冬小麥主要分布在太行山以東、淮河以北、長(zhǎng)城以南,產(chǎn)量和種植面積約占中國(guó)小麥產(chǎn)量和種植面積的50%左右[1- 2],在國(guó)家糧食安全中具有舉足輕重的作用。但是,該地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)的降水量?jī)H100—300 mm[1, 3],多數(shù)地區(qū)不足250 mm,遠(yuǎn)小于同期400—500 mm的需水量[4-6]。研究表明,基于播前底墑和自然降水僅能滿足冬小麥需水量的60%—70%,缺水率30%以上的年份出現(xiàn)概率達(dá)60%左右[7]。華北地區(qū)受季風(fēng)氣候影響,年降水量主要集中在夏季,春季降水較少。受全球氣候變暖影響,近年來(lái)華北地區(qū)干旱發(fā)生更為頻繁,冬旱和春旱形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1, 8]。因此,如何科學(xué)地進(jìn)行灌溉,充分利用有限的灌溉水資源保證冬小麥越冬后正常返青及后期生長(zhǎng),是確保華北冬小麥安全生產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4]。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于科學(xué)處理好冬小麥冬前與春季第1水的組合灌溉時(shí)間。目前關(guān)于這兩水的灌溉時(shí)間及其連鎖效應(yīng)對(duì)華北冬小麥的影響研究十分匱乏。

為此,本文試圖綜述國(guó)內(nèi)外有關(guān)冬小麥灌溉及其環(huán)境效應(yīng)的最近研究進(jìn)展,探討未來(lái)擬重點(diǎn)關(guān)注的研究任務(wù),以為華北地區(qū)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及科學(xué)灌溉提供依據(jù)。

1 灌溉制度

傳統(tǒng)灌溉理論認(rèn)為,農(nóng)田灌溉以作物獲得最大單產(chǎn)為目標(biāo)[9]。作物需水量的確定、灌溉制度的規(guī)劃和灌溉用水量的推算等均是建立在農(nóng)田充分灌溉的基礎(chǔ)上,即確保灌溉的“及時(shí)足量”,以期達(dá)到豐水高產(chǎn)。目前,廣泛沿用的灌溉制度和灌溉模型大多以充分灌溉為前提[10]。充分灌溉是在作物生育期完全按作物高產(chǎn)需要水量實(shí)施的灌溉方式。

據(jù)研究,華北地區(qū)超過(guò)70%的灌溉水資源被用于冬小麥的生產(chǎn)灌溉,灌溉用水主要來(lái)自超過(guò)30 m或40 m的深層地下水[11]。由于該地區(qū)一直廣泛采用以畦灌為主的傳統(tǒng)地面灌溉方法,農(nóng)作物水分利用效率較低[12-14],進(jìn)一步加劇了華北地區(qū)水資源的短缺。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和水資源供需矛盾的日益突出,為避免地下水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)、確保有限灌溉水資源下可持續(xù)的作物高產(chǎn),迫切需要優(yōu)化華北冬小麥已有的灌溉管理制度。正是在這一背景下,非充分灌溉理論應(yīng)運(yùn)而生。非充分灌溉(DI)指通過(guò)人為在作物生長(zhǎng)需水的非關(guān)鍵期采取減少灌溉或不灌溉的節(jié)水措施[15-16],實(shí)現(xiàn)實(shí)際蒸散量小于潛在蒸散量的灌溉(EDI)[17],包括調(diào)虧灌溉(RDI)[18]、局部灌溉和分根交替灌溉(APRI)[19]等方式。非充分灌溉是利用作物自身的抗旱節(jié)水生理特點(diǎn),在有限水量投入前提下尋求作物在整個(gè)生育期內(nèi)最佳的灌水時(shí)間、灌水次數(shù)和灌水定額組合,提高灌溉水分利用效率,減少營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)水分消耗,獲得最大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[20- 21]。華北地區(qū)田間試驗(yàn)研究表明,充分灌溉處理下冬小麥的水分利用效率最低,且沒(méi)有因過(guò)量灌溉得到更高產(chǎn)量；冬小麥達(dá)到最高產(chǎn)量所需灌溉量為300 mm,而對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)散(ET)為426 mm[22]。華北冬小麥在非充分灌溉處理下的產(chǎn)量最高[23]；隨著冬小麥灌溉量的增加,灌溉水分利用率(IWUE)顯著下降[24]。冬小麥生育期內(nèi)一定程度的水分虧缺不僅不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低,甚至可能提高產(chǎn)量[25- 26]。因此,確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵是如何將有限的灌溉水資源科學(xué)地分配到冬小麥不同的生育階段,解決需水關(guān)鍵期的水分需要,使冬小麥因水分脅迫受到的影響降至最低。

冬小麥灌溉制度的研究大多基于農(nóng)田水分平衡原理[27- 28]、充分灌溉理論[22,29]、非充分灌溉理論[10,30]、虧缺灌溉理論[18, 31- 32]、補(bǔ)充灌溉理論[33- 34]和模型模擬[23,35- 36]。華北地區(qū)冬小麥生產(chǎn)實(shí)踐中普遍采用全生育期灌溉4—5次水的灌溉制度[7, 23],分冬前灌溉和春季灌溉。冬前灌溉一般包括底墑水和越冬水灌溉,春季灌溉通常有返青水、起身水、拔節(jié)水、孕穗水、抽穗水、開(kāi)花水和灌漿水灌溉。其中,底墑水必不可少。由于缺少灌溉時(shí)間指標(biāo),變動(dòng)最大的是越冬水(簡(jiǎn)稱冬灌)和春季第1次灌水(簡(jiǎn)稱春季第1水),進(jìn)而影響后續(xù)的灌水時(shí)間。李寶萍等[37]認(rèn)為,越冬灌溉是保證小麥安全越冬的重要措施,但實(shí)際上越冬水常被底墑水或提前灌溉返青水代替。受制于地區(qū)差異和灌溉習(xí)慣等因素,春季第1水的灌溉時(shí)間通常橫跨越冬結(jié)束至拔節(jié)期。因此,春季第1水對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有特別重要的意義。

2 灌溉環(huán)境效應(yīng)

冬小麥各發(fā)育階段和生理過(guò)程對(duì)水分虧缺的響應(yīng)不同。在特定的發(fā)育時(shí)期,水分虧缺并非完全是負(fù)效應(yīng),冬小麥對(duì)適度的水分脅迫具有一定的適應(yīng)性效應(yīng)[38],一定的水分脅迫對(duì)冬小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量提高也存在一定的促進(jìn)作用[25- 26]。基于缺水條件下華北冬小麥的生理生化過(guò)程響應(yīng),非充分灌溉通過(guò)人為調(diào)控階段性的灌溉水分,形成不同發(fā)育階段的水分盈虧狀態(tài),利用冬小麥自身對(duì)干旱的脆弱性和適應(yīng)性,調(diào)節(jié)其光合產(chǎn)物向不同組織器官分配的傾斜,此過(guò)程中包括了對(duì)冬小麥生育期、氣象條件、土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)、作物生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量等諸多方面的影響[39]。通過(guò)人為調(diào)控最終可實(shí)現(xiàn)冬小麥對(duì)水分虧缺的被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)調(diào)控的轉(zhuǎn)變,提高灌溉水-土壤水-作物水-光合作用-生物量-產(chǎn)量各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化效率,達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的[38]。而實(shí)現(xiàn)冬小麥非充分灌溉增產(chǎn)的關(guān)鍵就是要確定不同環(huán)境條件下的關(guān)鍵需水時(shí)期。根據(jù)當(dāng)前華北冬小麥的灌溉制度,將冬小麥的發(fā)育進(jìn)程分為冬前和春季兩個(gè)生長(zhǎng)階段,冬灌和春季第1水灌溉組合形成的環(huán)境效應(yīng)將對(duì)春季其他灌溉時(shí)間的選擇以及對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響具有至關(guān)重要的作用。

2.1 冬灌環(huán)境效應(yīng)

冬小麥出苗至越冬前這段時(shí)間是其生根分蘗、形成壯苗,為翌年奪取高產(chǎn)打好基礎(chǔ)的關(guān)鍵發(fā)育階段[40]。華北地區(qū)受西伯利亞寒流和西北季風(fēng)影響,冬季寒冷且時(shí)間較長(zhǎng),加之秋冬季降水偏少,冬旱時(shí)有發(fā)生,且伴隨溫度過(guò)低,容易造成干凍[41]。冬小麥在越冬前適時(shí)灌溉能起到儲(chǔ)水保墑、早春防旱作用,是保證冬小麥安全越冬的重要措施。研究發(fā)現(xiàn),冬灌后能夠形成良好的土壤水分環(huán)境,有效緩解入冬后降水不足造成的旱情；同時(shí)可提高土壤熱容量,緩和地溫的劇烈變化,彌實(shí)土壤縫隙,防止麥苗遭受凍害；而且由于冬灌使得土壤踏實(shí),可確保冬小麥根系下扎,避免玉米秸稈還田后旋耕播種造成的土壤懸虛。冬灌的水分以結(jié)晶狀態(tài)存于土壤中,為來(lái)年冬小麥返青提供水分,實(shí)現(xiàn)了冬水春用,有利于產(chǎn)量增加[41- 42]。田間試驗(yàn)表明,冬灌可以減緩冬小麥夜間土壤溫度的降低效應(yīng),增強(qiáng)冬小麥的抗寒能力；冬灌的蓄水保墑作用明顯,能夠推遲春季第1水的灌溉時(shí)間[42]。但是,不同的降水年型應(yīng)采取不同的灌溉措施,干旱年越冬灌溉能促進(jìn)根系在表層土壤的增加,而平水年則可以免灌越冬水[43]。

盡管冬灌是北方冬麥區(qū)行之有效的增產(chǎn)措施之一,但如果冬灌時(shí)的氣溫、墑情、地溫和苗情等不適宜,輕則抑制冬小麥分蘗生長(zhǎng),造成葉面干尖,重則導(dǎo)致麥苗死亡,給生產(chǎn)帶來(lái)危害[37]。研究表明,冬小麥底墑?shì)^好時(shí)可以不灌溉越冬水[7,44]。一般認(rèn)為,冬小麥播種前底墑充足,且土壤含水量(0—50 cm)不低于60%時(shí),可以免灌越冬水[45]。足墑播種能夠使冬小麥更快出苗、及早分蘗,有利于根系下伸,是獲得冬前壯苗和豐產(chǎn)群體的重要措施；同時(shí),足墑播種還可提高冬小麥的土壤水分利用率[46]。冬小麥生長(zhǎng)季大量的水分消耗來(lái)自于底墑和其他灌溉補(bǔ)充,特別是在干旱年份,底墑是否充足對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和最終產(chǎn)量均有重要影響[47]。因此,充足的底墑可以彌補(bǔ)無(wú)冬灌下冬小麥春季土壤水分的不足。

冬小麥冬灌的適宜時(shí)間應(yīng)根據(jù)氣溫、苗情和土壤墑情確定。目前,關(guān)于冬小麥的冬灌時(shí)間主要來(lái)自生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),土壤相對(duì)含水量在60%以下時(shí)可能對(duì)冬小麥造成干凍,應(yīng)進(jìn)行越冬灌溉[45,48]。通常在11月下旬至12月上旬越冬期來(lái)臨前,選擇在晴天9:00—17:00期間進(jìn)行。同時(shí),為避免凍害,一般在日平均氣溫降至5—7 °C時(shí)開(kāi)始冬灌,在3 °C左右時(shí)停止冬灌；土壤開(kāi)始“夜凍晝消”時(shí)為最佳冬灌時(shí)間[41]。冬灌過(guò)早,由于氣溫高、蒸發(fā)大,冬小麥入冬時(shí)失墑過(guò)多,起不到調(diào)節(jié)地溫的作用；冬灌過(guò)晚,則由于土壤凍結(jié),水分不易下滲,易造成麥根“凌抬”。冬灌的灌水量不宜過(guò)大,通常以40—50 mm為宜,忌大水漫灌,以當(dāng)日滲完的灌溉量為宜,避免地面積水結(jié)冰造成麥苗凍害[37,41]。

2.2 春季灌溉環(huán)境效應(yīng)

農(nóng)業(yè)氣象學(xué)認(rèn)為,華北地區(qū)的春季為3—5月份,此期間的降水量?jī)H占全年降水總量的10%—15%[2]。華北地區(qū)春季氣溫回升快,日照充足,空氣干燥,多大風(fēng)天氣,導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)烈,土壤失墑很快。春季常年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量,土壤水分虧缺嚴(yán)重,發(fā)生春旱的幾率在70%左右[2],且干旱通常發(fā)生在冬小麥的需水關(guān)鍵期。春季干旱發(fā)生頻率高、范圍大、程度重已經(jīng)成為華北麥區(qū)的突出特點(diǎn)。如果秋、冬兩季的降水很少,往往易形成秋、冬、春季的連續(xù)干旱,將嚴(yán)重影響冬小麥的返青及其生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí),春季也正好是華北冬小麥返青至乳熟期,該時(shí)期冬小麥生長(zhǎng)旺盛,需水量大,是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。因此,春季第1水灌溉對(duì)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有非常重要的保障作用。春季第1水灌溉除滿足冬小麥的生理需水外,還具有調(diào)節(jié)土壤溫度和空氣濕度、控制土壤養(yǎng)分分解和利用等作用,有利于冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育形成合理的作物群體結(jié)構(gòu)[49]。

由于冬小麥春季第1水灌溉與冬前和越冬期的土壤水分和氣象條件密切相關(guān),因此冬小麥春季第1水灌溉時(shí)間受冬灌的影響。冬灌在一定程度上彌補(bǔ)了春季降水的不足,起到了隔年墑的作用,為冬小麥及時(shí)返青提供了水分保障[7,44]。研究發(fā)現(xiàn),在冬小麥春季需水關(guān)鍵階段,由灌溉時(shí)間差異造成的產(chǎn)量損失,很難由后期的水分補(bǔ)償?shù)玫交謴?fù)[50]。因此,確保春季水分敏感期的水分供應(yīng)是冬小麥豐產(chǎn)的關(guān)鍵。

返青后期至起身期,冬小麥生長(zhǎng)所需水量迅速增加,加之春季氣溫回升較快,蒸發(fā)隨之加強(qiáng),而自然降水補(bǔ)充較少,導(dǎo)致冬小麥土壤底墑開(kāi)始迅速消耗[7]。冬小麥拔節(jié)前營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng),水肥需求量較低,且具有較強(qiáng)的補(bǔ)償效應(yīng)[51]。適度的水分虧缺對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響并不明顯,甚至有利于根系的發(fā)育和水分利用率的提高和增強(qiáng)后期的耐旱抗旱能力[32,47,52]。冬小麥進(jìn)入拔節(jié)期,營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)旺盛,同時(shí)生殖器官生長(zhǎng)加速,此時(shí)期持續(xù)的水分虧缺會(huì)造成干物質(zhì)更多的向支持生長(zhǎng)的生物量分配,導(dǎo)致穗部占比相對(duì)減少[53]。如果春季第1水灌溉推遲至孕穗期(從四分體至花粉粒形成過(guò)程,耗水強(qiáng)度大)進(jìn)行,不能保證冬小麥在水分臨界期供水及時(shí),一旦持續(xù)干旱程度超過(guò)生理閾值,將嚴(yán)重影響花粉粒發(fā)育,使小花敗育,穗粒數(shù)下降,導(dǎo)致大幅減產(chǎn)[24, 54]。在冬灌前提下,返青至拔節(jié)期前控水對(duì)冬小麥具有一定的增產(chǎn)作用[50]。研究發(fā)現(xiàn),與其他生育階段的干旱影響相比,拔節(jié)期干旱導(dǎo)致的冬小麥減產(chǎn)幅度最大(達(dá)19.8%)[53]。拔節(jié)期是冬小麥弱小分蘗的快速死亡期,適時(shí)適量的灌溉可以緩解水分虧缺,減少分蘗死亡,提高總穗數(shù)[53]。冬灌條件下,華北冬小麥春季明顯的土壤水分虧缺出現(xiàn)在孕穗期[24]。拔節(jié)后的冬小麥主根區(qū)土壤處于干旱狀態(tài),拔節(jié)-成熟期是冬小麥耗水的主要時(shí)期,占總耗水比例超過(guò)60%,其中拔節(jié)-開(kāi)花期是需水的生理生態(tài)臨界期[55]。冬小麥在拔節(jié)-開(kāi)花期的水分虧缺導(dǎo)致的減產(chǎn)幅度最大[33],保證拔節(jié)-灌漿初期的水分供應(yīng)能夠顯著提高水分利用效率[56],實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。由此可見(jiàn),拔節(jié)期是冬小麥春季需水的第一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn),適當(dāng)推遲春季第1水的灌溉時(shí)間至拔節(jié)期可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬小麥生育進(jìn)程的調(diào)節(jié),提高水分利用率,不僅有助于節(jié)水還利于冬小麥增產(chǎn)。

華北冬季漫長(zhǎng),無(wú)冬灌條件下冬旱發(fā)生概率較高,而充足的底墑可以保證冬小麥在無(wú)冬灌條件下安全越冬[57]。研究表明,足墑且冬季氣象干旱發(fā)生條件下,仍可以推遲春季第1水至拔節(jié)期灌溉,不僅能降低無(wú)效耗水,還可以提高冬小麥的水分利用效率[24,58]。即使沒(méi)有冬前灌溉,冬小麥播前或播種時(shí)充足的水分供應(yīng)能夠促使冬小麥根系下扎延展,逐漸適應(yīng)干旱脅迫[43,59]；至拔節(jié)期時(shí),冬小麥主要依靠根系吸收和利用較深層的土壤水分維持生長(zhǎng)發(fā)育,且拔節(jié)開(kāi)始后,冬小麥植株快速生長(zhǎng),葉面積指數(shù)迅速增加,導(dǎo)致深層土壤水供給冬小麥棵間蒸發(fā)較小,水分利用效率很高[60]。同時(shí),冬小麥對(duì)水分脅迫的反映往往存在滯后效應(yīng)[32],從而增加了春季第1水灌溉向后推遲的時(shí)間。Shao等[43]研究發(fā)現(xiàn),華北地區(qū)冬小麥在濕潤(rùn)年份達(dá)到最大產(chǎn)量的灌溉組合中沒(méi)有越冬水灌溉,相同灌溉量條件下有冬灌比無(wú)冬灌的冬小麥水分利用效率顯著降低；華北冬小麥的越冬灌溉應(yīng)該根據(jù)不同的土壤水分條件被早春或者晚春灌溉所替代。

雖然無(wú)冬灌條件下可以將冬小麥春季第1水推遲至拔節(jié)期,但也存在一定的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)遭遇暖冬或者春季氣溫迅速升高時(shí),土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,底墑水被迅速消耗殆盡,使得冬小麥根系沒(méi)有足夠的時(shí)間伸長(zhǎng)發(fā)展,導(dǎo)致根系較淺,難以吸收深層的土壤水分[23,61],迫切需要通過(guò)灌溉來(lái)保證此時(shí)已逐漸進(jìn)入需水較旺盛時(shí)期冬小麥的需水要求。研究表明,無(wú)冬灌會(huì)對(duì)冬小麥返青期的生長(zhǎng)造成不利影響[43]；無(wú)冬灌條件下冬小麥春季延遲灌溉會(huì)導(dǎo)致葉面積和分蘗數(shù)的明顯減少[24]。干旱發(fā)生的程度和時(shí)段不同對(duì)冬小麥減產(chǎn)率的影響也不相同,多個(gè)發(fā)育期連續(xù)干旱導(dǎo)致的冬小麥的減產(chǎn)傾向往往大于單一發(fā)育期干旱相疊加的減產(chǎn)傾向效應(yīng)[62]。冬小麥需水關(guān)鍵期是其水分生理特性和氣象條件綜合作用的結(jié)果,因此,無(wú)冬灌條件下春季第1水的灌溉時(shí)間應(yīng)充分考慮早春氣象條件、土壤墑情和冬小麥苗情等變化,做到因土制宜、因墑制宜和因苗制宜。

3 研究展望

自20世紀(jì)60年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了大量的優(yōu)化冬小麥灌溉制度的指標(biāo),包括灌溉土壤指標(biāo)(土壤水分上下限、土壤水勢(shì)和濕潤(rùn)層深度等)、灌水指標(biāo)(灌水定額和灌水周期等)和作物指標(biāo)(葉水勢(shì)和作物冠層溫度等)。同時(shí),作物模型已被廣泛用于評(píng)價(jià)作物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng),為確定灌溉時(shí)間和灌溉量提供了科學(xué)依據(jù)。目前主要的灌溉模型是基于作物對(duì)灌溉下各種環(huán)境因素(光、CO2、水分和溫度等)的生理反應(yīng),主要包括CERES模型[63],EPIC模型[64],WOFOST模型[65],Jessen模型[66],DSSAT模型[36,67],APSIM模型[68],AquaCrop模型[69- 70],CROPWAT模型[35],ALMANAC模型[71],SVAT模型[72],VIP (Vegetation Interface Processes)模型[72]和RZWQM (the Root Zone Water Quality Model)[73]等。衛(wèi)星遙感技術(shù)和光譜研究也逐漸被應(yīng)用于監(jiān)測(cè)冠層溫度和作物水分狀況,進(jìn)而通過(guò)模型評(píng)估和模擬大面積或區(qū)域的灌溉時(shí)間、灌溉量、灌溉次數(shù)的組合模式。然而,現(xiàn)有的灌溉理論還受到研究的時(shí)間和空間尺度限制,許多研究結(jié)果還不能綜合反映不同地區(qū)的作物品種、氣象條件和人為干預(yù)等因素的影響,通常僅考慮其中一個(gè)或幾個(gè)因素的影響,具有一定的應(yīng)用范圍和局限性。有關(guān)華北冬小麥各季節(jié)灌溉始點(diǎn)與灌溉上下限和產(chǎn)量相結(jié)合的研究依然相對(duì)缺乏,迄今還沒(méi)有建立起一個(gè)可用于推廣的作物對(duì)灌溉時(shí)間選擇的業(yè)務(wù)服務(wù)指標(biāo)；模型與各種干旱指標(biāo)體系之間仍缺乏系統(tǒng)與長(zhǎng)期的驗(yàn)證,因而制約著解決華北地區(qū)用水危機(jī)和預(yù)防干旱對(duì)農(nóng)業(yè)不良影響的科學(xué)政策與措施的制定。為此,迫切需要開(kāi)展冬小麥灌溉時(shí)間與灌溉量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建設(shè)和研究,主要包括以下研究任務(wù)：

(1) 冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育需水時(shí)間與需水量的控制機(jī)制研究 冬灌與春季第1水灌溉是解決冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵階段需水的重要手段,直接影響到冬小麥的產(chǎn)量。冬灌的時(shí)間和灌溉量不僅與冬灌時(shí)的氣溫、墑情、地溫和苗情等有關(guān),還將影響到春季第1水的灌溉時(shí)間與灌溉量。因此,冬小麥灌溉時(shí)間與灌溉量的確定應(yīng)該圍繞冬小麥的豐產(chǎn)與最大限度的節(jié)水目標(biāo),綜合考慮冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)過(guò)程、環(huán)境條件(包括氣象條件與土壤墑情等條件) 及其田間種植管理技術(shù)(包括播種技術(shù)、耕作方式和灌溉條件等),進(jìn)一步定量化不同時(shí)期不同干旱程度對(duì)冬小麥生長(zhǎng)、生理過(guò)程、產(chǎn)量和水分利用效率的影響,從而根據(jù)冬小麥動(dòng)態(tài)水分虧缺狀況制定灌溉時(shí)間與灌溉量。

(2) 冬小麥干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程與致災(zāi)臨界氣象條件研究 針對(duì)華北地區(qū)冬小麥面臨的干旱強(qiáng)度與干旱過(guò)程持續(xù)時(shí)間,研究冬小麥不同生育階段干旱發(fā)生與發(fā)展過(guò)程及其光合生理生態(tài)、形態(tài)與功能變化機(jī)制；分析并確定冬小麥的生長(zhǎng)對(duì)干旱響應(yīng)的敏感性指標(biāo)；發(fā)展反映大氣干燥程度、土壤供水能力和作物耐旱能力綜合作用的冬小麥水分虧缺指數(shù)及其模擬模型,揭示冬小麥對(duì)干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制與致災(zāi)臨界氣象條件,實(shí)現(xiàn)冬小麥干旱發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和受旱程度的準(zhǔn)確評(píng)估,有針對(duì)性地確定灌溉時(shí)間、灌溉量、灌溉次數(shù)組合模式,為探討冬小麥生產(chǎn)應(yīng)對(duì)干旱的對(duì)策措施、確保冬小麥的生產(chǎn)安全提供理論依據(jù)。

(3) 氣候變化背景下極端干旱事件的冬小麥脆弱性診斷與適應(yīng)性管理 氣候變化致華北地區(qū)干旱頻繁發(fā)生,冬旱和春旱形勢(shì)十分嚴(yán)峻,嚴(yán)重威脅冬小麥的種植分布和產(chǎn)量構(gòu)成[74]。針對(duì)氣候變化的區(qū)域差異、極端干旱事件和冬小麥對(duì)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的灌溉需求,研究氣候變化及極端干旱事件影響下的冬小麥敏感性指標(biāo)及其控制因子,明確冬小麥不同發(fā)育期對(duì)不同干旱強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間的脆弱性閾值,研發(fā)不同時(shí)空尺度冬小麥對(duì)干旱脆弱性的診斷技術(shù),因地制宜發(fā)展針對(duì)脆弱冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)灌溉技術(shù)(包括噴灌、滴灌、滲灌、膜上灌、膜下灌、分根灌溉等)和管理措施(包括建設(shè)適用灌溉基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展現(xiàn)代集水農(nóng)業(yè)等),加大對(duì)現(xiàn)代化節(jié)水灌溉管理技術(shù)與冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量關(guān)系的研究力度,并進(jìn)行示范和推廣,為冬小麥安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)。

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Review on research of irrigation regime and its environmental effect in winter wheat field of North China Plain

LIU Tao, ZHOU Guangsheng, TAN Kaiyan, ZHOU Li*

ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

The North China Plain known as “China granary” is the main winter wheat producing areas. However, it has been frequently and seriously affected by drought because of monsoon climate, especially winter drought and spring drought have been frequent and serious during recent decades. Making full use of the limited irrigation water resources to guarantee the safety of winter wheat production is a serious challenge for ensuring stable and high yield of winter wheat in the North China Plain. The key to solving this problem is how to make a scientific irrigation management based on the environmental effects. Although many studies have been done on drought and water-saving irrigation systems of winter wheat, there were less comprehensive commentary recently and still a lot of insufficiencies on interactive combinations of irrigation time, irrigation frequency and the environment effects, which have been based on overwintering water and the first springing water, especially for the adverse effects of current climate change and water shortage. This paper reviews the latest researches at home and abroad on the irrigation management systems (sufficient irrigation and deficit irrigation) and the environmental effects of irrigation in the key irrigation periods of winter wheat in the North China Plain. The responses of various developmental stages and physiological processes of winter wheat to water deficit are different. In particular developmental stages, the water deficit is not entirely negative effects, and it might have some adaptive effects on moderating water deficit to a certain extent. Deficit irrigation is through the artificial stage regulation to form state water budget at different developmental stages of winter wheat. Based on the theory of vulnerability and adaptability to drought, winter wheat will adjust its distribution pattern of assimilation to various organs. This process includes the impacts on many aspects: such as the development stages, weather conditions, the soil′s physical, chemical and biological properties, and winter wheat yield. Eventually winter wheat will achieve the change of passive responses on water deficit. The purpose is to improve the conversion efficiency at each stages of irrigation water- soil water- plant water- photosynthesis- biomass- yield. The key to ensure stable and high yield of winter wheat in the North China Plain with deficit irrigation is to determine the critical water demand period under different environmental conditions. Overwintering water (usually is replaced by sowing water or in advance of reviving water), the first spring water and their irrigation interactive combination will make different environment effects, and affect the time and frequency of the other irrigation waters, various stages of growth and development of winter wheat, especially in reviving and the late growth. Finally the future research tasks of winter wheat scientific irrigation in the North China Plain are proposed, including (1) Control mechanisms on temporal and amount dynamics of water demand for the growth and development of winter wheat; (2) Processes of occurrence and development of winter wheat drought and its critical meteorological conditions for causing disasters; (3) Vulnerability diagnosis and adaptive management of winter wheat responding to extreme drought events under climate change. These researches would provide reference for the development of measures to safety production of winter wheat in the North China Plain.

winter wheat; North China Plain; irrigation; environmental effect

公益性行業(yè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(GYHY201106030)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330531)

2015- 05- 24;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201505241039

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouli@cams.cma.gov.cn

劉濤, 周廣勝, 譚凱炎, 周莉.華北地區(qū)冬小麥灌溉制度及其環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):5979- 5986.

Liu T, Zhou G S, Tan K Y, Zhou L.Review on research of irrigation regime and its environmental effect in winter wheat field of North China Plain.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):5979- 5986.