環(huán)渤海低平原農(nóng)田多水源高效利用機(jī)理和技術(shù)研究*

張喜英　劉小京　陳素英　孫宏勇　邵立威　牛君仿

（中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　石家莊　050022）

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環(huán)渤海低平原農(nóng)田多水源高效利用機(jī)理和技術(shù)研究*

張喜英劉小京陳素英孫宏勇邵立威牛君仿

（中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊050022）

淡水資源嚴(yán)重匱乏是影響環(huán)渤海低平原糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。本文針對(duì)該區(qū)糧食生產(chǎn)中水分利用效率低、提升潛力巨大，同時(shí)該區(qū)淺層微咸水資源和降水資源較豐富的現(xiàn)狀，以中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站最近 3年試驗(yàn)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，綜述了在挖掘咸水利用潛力、提高雨水和灌溉水利用效率方面研究工作進(jìn)展。針對(duì)冬小麥夏玉米一年兩作種植，研究結(jié)果顯示品種間產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）差異顯著，最高和最低品種差異達(dá)20％左右，通過選用節(jié)水高產(chǎn)品種可顯著提升產(chǎn)量和WUE；冬小麥通過拔節(jié)期灌溉關(guān)鍵水，在促進(jìn)地上部生物量積累同時(shí)，顯著促進(jìn)地下根系生長(zhǎng)，使冬小麥充分利用土壤儲(chǔ)水，實(shí)現(xiàn)限水灌溉下穩(wěn)產(chǎn)高效；夏玉米通過縮小行距增大株距的縮行勻播，可提升夏玉米苗期單株作物根系所占土壤體積空間，增加水分養(yǎng)分對(duì)作物的有效性，提高夏玉米成苗率和苗期所截獲輻射量，比常規(guī)種植產(chǎn)量提高10％左右；冬小麥在拔節(jié)期利用含鹽量不大于4g·L-1的淺層微咸水替代淡水灌溉，產(chǎn)量與淡水灌溉相同；淺層微咸水替代淡水灌溉并配套土壤有機(jī)質(zhì)提升技術(shù)和利用夏季降水淋鹽，可實(shí)現(xiàn)微咸水灌溉下周年土壤鹽分平衡。通過上述措施實(shí)施，實(shí)現(xiàn)以咸補(bǔ)淡、以淡調(diào)鹽、多水源互補(bǔ)高效利用，在不影響作物產(chǎn)量條件下可節(jié)約深層淡水資源，促進(jìn)區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

小麥-玉米一年兩熟 淡水微咸水雨水水分利用效率 產(chǎn)量

水資源危機(jī)是人類面臨的最嚴(yán)重挑戰(zhàn)之一。目前全球水資源的 70％用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未來隨著工業(yè)發(fā)展和城市化，農(nóng)業(yè)可供水量逐漸減少；而另一方面，人口的增加需要更多的糧食。如何解決水資源不足和糧食生產(chǎn)的矛盾，成為世界范圍關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。環(huán)渤海低平原是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)，在保障國(guó)家糧食安全中占有重要地位。但該區(qū)是我國(guó)水資源極為短缺地區(qū)之一，人均和平均單位耕地面積占有水資源量?jī)H為190m3·人-1和1 650m3·hm-2，分別是全國(guó)的1/12和1/16，糧食生產(chǎn)長(zhǎng)期依靠抽提深層地下水來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致該區(qū)地下水位持續(xù)下降，形成了世界上最大的地下水漏斗區(qū)，并引起一系列的環(huán)境問題。另一方面該區(qū)由于受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素影響，糧食生產(chǎn)水分利用效率低，具有很大的提升潛力。同時(shí)該區(qū)擁有可更新的淺層微咸水資源，目前利用率不足 40％［2］，充分安全高效利用微咸水資源是解決該區(qū)糧食生產(chǎn)水資源需求的重要途徑。另外，環(huán)渤海低平原是降雨相對(duì)豐富地區(qū)，年降水量450～600mm，進(jìn)一步提高雨水資源利用效率也是解決該區(qū)淡水資源短缺的一個(gè)重要途徑。因此，針對(duì)環(huán)渤海區(qū)糧食生產(chǎn)中淡水資源極度短缺，水分利用效率低、提升潛力巨大，同時(shí)該區(qū)淺層微咸水資源和降水資源較豐富的現(xiàn)狀，開展以挖掘咸水利用潛力、提高地下淡水與雨水利用效率、實(shí)現(xiàn)以咸補(bǔ)淡、以淡調(diào)鹽、多水源互補(bǔ)高效利用，在不增加或者降低區(qū)域農(nóng)業(yè)淡水資源用量條件下，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，可為環(huán)渤海中低產(chǎn)區(qū)增糧工程的實(shí)施提供水資源保障。本文總結(jié)了近幾年在中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)稱“南皮試驗(yàn)站”）開展的多水源高效利用研究結(jié)果，以期為區(qū)域多水源高效利用技術(shù)研究與應(yīng)用提供參考和借鑒。

1　提高農(nóng)田水分利用效率

“讓每一滴水生產(chǎn)出更多的糧食”，通過提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率解決全球缺水問題是各國(guó)科學(xué)家形成的共識(shí)［3］。作物耗水在田間，通過各種農(nóng)藝節(jié)水措施，提高自然降水和灌溉水利用效率，是農(nóng)田節(jié)水的重要方面。根據(jù)研究，目前世界范圍三大主要作物水稻、小麥、玉米的平均水分生產(chǎn)效率分別為1.09kg·m-3、1.09kg·m-3和1.80kg·m-3，而目前3種作物水分利用效率優(yōu)化水平可達(dá)1.60kg·m-3、1.70kg·m-3和2.70kg·m-3，具有巨大的提升潛力［4］。也可以看出通過提高水分利用效率、發(fā)展高效用水農(nóng)業(yè)對(duì)解決全球缺水問題的重要性。

根據(jù)河北省2011年統(tǒng)計(jì)年鑒，河北低平原目前冬小麥產(chǎn)量平均為5 569.5kg·hm-2、玉米產(chǎn)量平均為6 468kg·hm-2。根據(jù)灌溉定額和生育期降水量以及冬小麥和夏玉米對(duì)土壤水分的利用能力差異，冬小麥季平均耗水量420mm，夏玉米季平均耗水量380mm，現(xiàn)狀水分利用效率分別為1.33kg·m-3和1.70kg·m-3；如果維持現(xiàn)狀耗水量不變，水分利用效率提升到現(xiàn)在山前平原高產(chǎn)水平的平均水分利用效率1.50kg·m-3和2.00kg·m-3，可實(shí)現(xiàn)冬小麥和夏玉米增產(chǎn)730.5kg·hm-2和1 132.5kg·hm-2，年增產(chǎn)能力1 863kg·hm-2。根據(jù)低平原現(xiàn)狀冬小麥和夏玉米灌溉種植面積97.04萬hm2和86.99萬hm2計(jì)算，在不增加耗水條件下，年增產(chǎn)能力16.9億kg。增產(chǎn)節(jié)水效果相當(dāng)于節(jié)約水資源11.1億m3。如果進(jìn)一步改善農(nóng)田灌溉條件、配套高產(chǎn)高效栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目前冬小麥和夏玉米較高的水分利用效率水平（分別為1.70kg·m-3和2.20kg·m-3），可進(jìn)一步降低農(nóng)田耗水40mm·a-1，實(shí)現(xiàn)冬小麥和夏玉米增產(chǎn)1 231.5kg·hm-2和1 452kg·hm-2，年單位面積增產(chǎn)能力2 683.5kg·hm-2，年增產(chǎn)能力16.9億kg，降低農(nóng)田灌溉用水量3.68億m3。增產(chǎn)節(jié)水效果相當(dāng)于節(jié)約淡水資源16.4億m3。上述結(jié)果顯示提升農(nóng)田水分利用效率對(duì)區(qū)域節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要性。

1.1選用節(jié)水高產(chǎn)品種提高產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）

生物節(jié)水是利用生物自身的生理遺傳潛力，在相同水分條件下，獲得更多的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出［5-6］。很多研究表明，不同作物利用同樣水分所生產(chǎn)的干物質(zhì)（水分利用效率）不同，同一作物不同品種之間的水分利用效率也存在明顯差異。農(nóng)田水分利用效率（WUE）可定義為：WUE=（生物量×收獲指數(shù)）/農(nóng)田耗水量。提升WUE通過3個(gè)途徑：增加生物量、增加收獲指數(shù)、降低農(nóng)田耗水量［7］。作物收獲指數(shù)和生物量增加與品種遺傳改良和農(nóng)田作物生長(zhǎng)條件改善關(guān)系密切。Zhang等［8］研究了河北平原不同年代大面積推廣的冬小麥品種種植在現(xiàn)代同樣條件下產(chǎn)量和耗水在3個(gè)灌溉制度下的表現(xiàn)，在耗水量維持穩(wěn)定條件下，現(xiàn)在的冬小麥品種比過去品種產(chǎn)量增加明顯，WUE也得到改善，品種改良帶來平均每年1％產(chǎn)量增加和0.5％水分利用效率提升，研究發(fā)現(xiàn)品種水分利用效率提高與其生育進(jìn)程加快、收獲指數(shù)提高密切相關(guān)。

不僅不同年代品種水分利用效率差異明顯，現(xiàn)代品種間也存在著產(chǎn)量和WUE的顯著差異。Zhang等［9］研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代冬小麥夏玉米產(chǎn)量高的品種也具有高的水分利用效率，篩選高產(chǎn)品種的過程也是提升農(nóng)田水分利用效率的過程。如圖1顯示在南皮試驗(yàn)站進(jìn)行的冬小麥和夏玉米品種對(duì)比試驗(yàn)（2014—2015年），最高和最低品種產(chǎn)量差異可達(dá)28％。因此，選用高產(chǎn)品種對(duì)提高產(chǎn)量和WUE的重要性。但不同品種不同年份產(chǎn)量表現(xiàn)存在差異，與天氣條件出現(xiàn)的年際波動(dòng)有關(guān)。Zhang等［10］研究結(jié)果顯示在氣候變化背景下，進(jìn)入 21世紀(jì)后天氣因素驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)量比20世紀(jì)80年代平均低10％左右，表明天氣條件改變?cè)絹碓讲焕诤颖敝饕魑锂a(chǎn)量形成，使作物產(chǎn)量和WUE潛力不能充分發(fā)揮。不利天氣條件表現(xiàn)在日溫度變化中最低溫度升高幅度大于最高溫度升高幅度，導(dǎo)致日較差變小及風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)都有明顯降低趨勢(shì)。伴隨冬小麥夏玉米兩個(gè)作物生育期平均溫度升高同時(shí)，極端溫度出現(xiàn)概率增加，主要表現(xiàn)在玉米灌漿后期急劇降溫發(fā)生概率增大，影響灌漿成熟；冬小麥生育期春季溫度波動(dòng)幅度大、灌漿后期升溫速度快、易發(fā)生干熱風(fēng)等不利天氣條件。因此，需要針對(duì)目前氣候變化背景下冬小麥夏玉米生育期生長(zhǎng)條件發(fā)生的改變，選用適應(yīng)氣候變化的新品種，充分發(fā)揮作物生物節(jié)水和增產(chǎn)潛力。

圖1　冬小麥和夏玉米在相同種植條件下不同品種的產(chǎn)量差異（2014—2015年，中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站）Fig.1 Yield difference among different cultivars of winter wheat and summer maize（2014-2015，Nanpi Eco-Agriculture Station，CAS）不同字母表現(xiàn)差異顯著（P＜0.05）。Different letters for the yield indicated significant difference at P＜0.05.

1.2冬小麥優(yōu)化灌溉制度

隨著水資源短缺加劇，灌溉制度已經(jīng)從充分灌溉向節(jié)水型灌溉轉(zhuǎn)變，例如限水灌溉（limited irrigation）、非充分灌溉（non-full irrigation）與調(diào)虧灌溉（regulated deficit irrigation）等［11］，對(duì)由傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)型灌溉轉(zhuǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)型灌溉，提高WUE起到了積極作用。很多研究顯示作物生理生態(tài)指標(biāo)對(duì)土壤水分有一個(gè)明顯的閾值反應(yīng)，當(dāng)土壤含水量在一定范圍之上時(shí)，含水量的降低對(duì)作物一些生理生態(tài)指標(biāo)不產(chǎn)生影響。對(duì)于環(huán)渤海區(qū)域主要作物冬小麥，灌漿期短，灌漿后期容易受干熱風(fēng)影響，使產(chǎn)量潛力不能充分發(fā)揮，適度水分虧缺條件下冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育過程提前，灌漿期適度延長(zhǎng)，更有利于花后干物質(zhì)積累和向籽粒產(chǎn)量的轉(zhuǎn)移，最終提高作物收獲指數(shù)［12］。表1是2012—2015年3個(gè)生長(zhǎng)季在南皮試驗(yàn)站進(jìn)行的冬小麥生育期灌溉試驗(yàn)結(jié)果，3個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)降水屬于常年水平，灌溉2次水產(chǎn)量達(dá)到最高，隨著灌溉次數(shù)增多，產(chǎn)量不再增加，甚至出現(xiàn)降低。WUE則隨灌溉次數(shù)增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。平均3個(gè)生長(zhǎng)季，冬小麥從不灌溉增加一次拔節(jié)水增產(chǎn)30.7％，在拔節(jié)水基礎(chǔ)上增加1次灌溉的增產(chǎn)率為5.7％；而再增加1次水出現(xiàn)2.5％的減產(chǎn)。從旱作到1水、1水到2水、2水到3水WUE平均降低2.2％、3.5％和14.8％。上述結(jié)果顯示冬小麥多數(shù)年份灌溉1～2次水就能獲得較高產(chǎn)量和WUE。表1結(jié)果也顯示冬小麥年際產(chǎn)量變異較大，2013—2014季降水量與2014—2015季降水量相近，但2013—2014季最高產(chǎn)量比2014—2015季最高產(chǎn)量高17％，顯示出冬小麥產(chǎn)量不僅受灌溉影響，天氣條件對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成也有顯著影響。

表1　冬小麥2012—2015年3個(gè)生育期降水量、不同灌溉制度下產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）（中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站）Table 1 The growing season rainfall，yield，water use efficiency（WUE） under different irrigation schedulings for winter wheat during 2012-2015 in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，CAS

環(huán)渤海低平原位于季風(fēng)氣候區(qū)，降雨主要集中在夏季，冬小麥生長(zhǎng)期（10月—翌年6月）的降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于作物需水量，合理灌溉不僅有助于根系對(duì)土壤水分的有效利用，而且對(duì)提高冬小麥 WUE具有重要作用。冬小麥在返青以前，對(duì)土壤水分吸收主要集中在 80cm以上的土層，隨著拔節(jié)—開花期間根系迅速生長(zhǎng)，根系對(duì)80cm以下土層的水分利用增加，特別是到灌漿期，灌水少的冬小麥主要依靠中下層土壤儲(chǔ)水來維持蒸騰。南皮試驗(yàn)站 3個(gè)生長(zhǎng)季的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不灌溉到灌溉3水條件下，冬小麥對(duì)土壤儲(chǔ)水消耗占生育期蒸散比例分別為52.3％、43.4％、30.4％和19.4％。土壤儲(chǔ)水利用對(duì)限水灌溉冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高效有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)根長(zhǎng)密度低于0.8cm·cm-3時(shí)，根系就成為影響作物充分吸收土壤水分的限制因子。深層根系不足限制了作物對(duì)深層土壤儲(chǔ)水的吸收利用。Zhang等［13］研究結(jié)果顯示，冬小麥在限水灌溉條件下，其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段需要一定水分供應(yīng)，才能形成一定的生物量，同時(shí)也可以促進(jìn)地下部分根系形成，為灌漿期充分利用土壤儲(chǔ)水打好基礎(chǔ)，因而這個(gè)階段蒸散量的多少對(duì)最終產(chǎn)量影響明顯。如果營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段水分條件差，作物地上部分生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，進(jìn)而地下部分根系生長(zhǎng)較少，使作物不能充分利用深層土壤儲(chǔ)水，最終影響限水灌溉下冬小麥產(chǎn)量。因此，冬小麥高效用水模式應(yīng)根據(jù)降水條件，通過灌溉調(diào)控營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、促進(jìn)地下部分生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)階段充分利用土壤儲(chǔ)水來實(shí)現(xiàn)。據(jù)此提出冬小麥限水灌溉下最佳灌溉時(shí)期是拔節(jié)期，這個(gè)時(shí)期的灌溉不僅促進(jìn)地上部分生長(zhǎng)，也促進(jìn)地下根系部分生長(zhǎng)，為冬小麥生育后期利用土壤儲(chǔ)水創(chuàng)造了條件。

1.3配套栽培種植措施提高玉米產(chǎn)量和WUE

通過配套栽培措施提高作物產(chǎn)量是促進(jìn)作物水分利用效率提高的一個(gè)重要方面。不同作物和品種對(duì)環(huán)境的要求和適應(yīng)力都有一系列的生理生態(tài)和形態(tài)差異，只有環(huán)境與作物品種的生理生態(tài)和遺傳特性相適應(yīng)，才能充分發(fā)揮品種的特性與產(chǎn)量潛力，合理利用資源，趨利避害，發(fā)揮資源增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。很多研究顯示夏玉米生育期光照與產(chǎn)量有顯著正相關(guān)關(guān)系［14］，而目前河北低平原面臨著夏玉米生長(zhǎng)期光照條件變差趨勢(shì)，如圖2顯示，從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，平均每年日照時(shí)數(shù)降低4.9 h，已經(jīng)從原來的平均1 000 h降低到現(xiàn)在的平均700 h，因此夏玉米生長(zhǎng)期間充分利用光能資源是其高產(chǎn)高效的重要途徑。

圖2　20世紀(jì)50年以來夏玉米生長(zhǎng)期間日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)（滄州）Fig.2 The changes in total sunshine hours during the growing season of summer maize from 1950s to present at Cangzhou site

另一方面在環(huán)渤海低平原冬小麥夏玉米一年兩作區(qū)，夏玉米生育期較短，通過延遲收獲和提早播種可實(shí)現(xiàn)夏玉米生育期延長(zhǎng)，提高夏玉米生育期截獲的輻射資源量，最終提高產(chǎn)量。根據(jù)南皮試驗(yàn)站研究結(jié)果，夏玉米從9月22日延遲到9月30日收獲，平均百粒重可增加10％左右；而在玉米灌漿成熟期單位耗水的水分利用效率為2.5～4kg·m-3，遠(yuǎn)大于玉米整個(gè)生育期的水分利用效率2.0kg·m-3。因此，延遲玉米收獲不僅增加玉米產(chǎn)量，也可以提高玉米整個(gè)生育期水分利用效率。但在氣候變化背景下，玉米成熟期溫度波動(dòng)大，9月底經(jīng)常出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，氣溫低于玉米灌漿所需要的日平均溫度而使玉米灌漿提前停止，不能實(shí)現(xiàn)通過延遲收獲期增產(chǎn)目的，需要與玉米提前播種延長(zhǎng)生育期的策略相結(jié)合。

夏玉米播種密度及其株行距排列影響玉米冠層空間結(jié)構(gòu)和根系的空間分布，從而影響作物對(duì)光能截獲以及土壤水分養(yǎng)分對(duì)作物的有效性，對(duì)夏玉米產(chǎn)量和WUE產(chǎn)生重要影響［15］。南皮試驗(yàn)站的研究發(fā)現(xiàn)，同樣播種密度67 500株·hm-2下，20cm-100cm和40cm-80cm大小行、60cm-60cm等行距、38cm勻播對(duì)夏玉米苗期同樣種植密度下根系所占體積、冠層結(jié)構(gòu)和冠層截光率產(chǎn)生影響。根系取樣結(jié)果顯示寬窄行20cm-100cm播種下兩株玉米表層根系存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而通過縮小行距增大株距方式，也就是增加玉米在空間分布的均勻度可增加單株玉米根系所占土壤體積，提高單株玉米所能接觸的土壤水分和養(yǎng)分，增強(qiáng)土壤水分養(yǎng)分對(duì)作物的有效性，降低相鄰兩株玉米的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在苗期玉米易發(fā)生干旱條件下，勻播玉米單株所獲得的土壤水分顯著高于寬窄行玉米，成苗率提高10％～15％（圖3）；同時(shí)勻播條件下玉米苗期截獲的光合有效輻射比例高于寬窄行，前者比后者高20％，顯著提升了光能利用效率。研究結(jié)果顯示，通過縮行勻播增加玉米苗期光合有效輻射截獲能力、土壤水分養(yǎng)分對(duì)作物的有效性而提升成苗率和苗期生長(zhǎng)速度，可使夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著提升。研究結(jié)果也充分說明優(yōu)化種植栽培管理對(duì)發(fā)揮玉米增產(chǎn)增效潛力的作用。

圖3　相同種植密度不同行距夏玉米收獲期密度比較（2015年中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)站）Fig.3 The effects of row spacing on the seedling establishment of maize（2015，Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

2　提高雨水資源利用效率

在淡水資源匱乏地區(qū)，通過農(nóng)田耕作覆蓋措施，充分蓄積雨水資源，減少對(duì)灌溉水的依賴是提升限水灌溉作物產(chǎn)量的一個(gè)重要途徑［16］。納雨蓄墑耕作技術(shù)主要包括深耕、深松保墑、耙耱和鎮(zhèn)壓、保護(hù)性耕作技術(shù)等。保護(hù)性耕作方式改傳統(tǒng)的精耕細(xì)作對(duì)土壤的過度加工為少耕或免耕，同時(shí)采用秸稈、殘茬或其他植被覆蓋地表以減少雨水和風(fēng)對(duì)土壤侵蝕，降低蒸發(fā)；免耕最大限度地減少了土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞，提高保墑性能，降低了土壤水分的蒸發(fā)量，增產(chǎn)增收效果明顯。土壤深松可打破犁底層，加深耕層疏松土壤厚度，增強(qiáng)對(duì)雨水的蓄納能力，并促進(jìn)作物根系對(duì)土壤深層水分的吸收，減少對(duì)土壤表層水分的過渡依賴［17］。耙耱和鎮(zhèn)壓保墑技術(shù)主要是通過碎土、平地及壓緊土壤表層，以減少表土層內(nèi)的大孔隙，減少土壤水分蒸發(fā)，達(dá)到保墑目的。

環(huán)渤海低平原冬小麥和夏玉米一年兩作的種植制度，富集了大量作物秸稈，作物秸稈和殘茬覆蓋還田具有成本低、保墑土壤、調(diào)節(jié)地溫和培肥地力等優(yōu)點(diǎn)，也是作物秸稈綜合利用的最好途徑。研究發(fā)現(xiàn)冬小麥?zhǔn)斋@后秸稈還田直接覆蓋夏玉米，可減少夏玉米生育期30～40mm土壤蒸發(fā)［18］，這部分水分可蓄積在土壤中，為下季作物冬小麥所利用。冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)在限水灌溉下40％～50％耗水來自于土壤儲(chǔ)水消耗［12］。因此，通過秸稈覆蓋夏玉米，可充分蓄積雨季降水，減少農(nóng)田無效水分損失，對(duì)降低小麥玉米一年兩作農(nóng)田灌溉水消耗有重要意義。但夏玉米秸稈覆蓋冬小麥，冬季具有提高土壤溫度作用，但春季影響地溫回升，使冬小麥生育期推遲，易造成冬小麥貪青晚熟，影響粒重，不利于冬小麥產(chǎn)量和WUE提高［19］。

地膜覆蓋可以隔斷土壤與大氣間的水分交換，有效抑制土壤表面蒸發(fā)，提高地溫，使作物成熟期提前，比秸稈覆蓋更能抑制雜草生長(zhǎng)。2013—2014冬小麥季進(jìn)行平播膜上覆土和起壟溝播薄膜覆蓋兩種覆蓋方式試驗(yàn)，不僅減少了棵間蒸發(fā)，起壟溝播薄膜也可以通過覆膜的壟蓄集小的降水，減少降水量少的雨水蒸發(fā)損失，增加降水資源對(duì)作物的有效性。如表2顯示兩種覆膜方式下冬小麥產(chǎn)量提高6％～10％、水分利用效率提高10％～11％，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯。其中起壟溝播壟膜覆蓋節(jié)水增產(chǎn)效果優(yōu)于平播膜上覆土覆蓋方式，前者可有效蓄積雨水，而后者可能存在膜上的土層和薄膜影響降水入滲至作物根部，雖然降低了土壤蒸發(fā)，但可能一定程度上消弱了降水對(duì)作物的有效性。地膜覆蓋可能存在一定程度降低土壤肥力、沒有及時(shí)清除的廢舊薄膜污染土壤和環(huán)境等問題，在生產(chǎn)中需要使用新型可降解的環(huán)保地膜。

表2　薄膜覆蓋對(duì)旱作冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）的影響（2013—2014，中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站）Table 2 The effects of plastic film mulching on yield and water use efficiency（WUE） of winter wheat（2013-2014） in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences

除高效利用農(nóng)田雨水資源外，還可充分利用環(huán)渤海低平原坑塘蓄積雨季徑流和外來水，增加可利用灌溉水源。這些坑塘一般是廢棄窯窖、魚塘和建設(shè)取土形成，據(jù)統(tǒng)計(jì)該區(qū)域坑塘總蓄水能力達(dá)8億m3，夏季降水集中月份這些坑塘可攔蓄降水所產(chǎn)生徑流的40％以上，為充分利用雨季雨洪資源提供了條件。例如南皮縣田間地頭大都有排水溝渠（坑塘），這些坑塘大都相連，一方面在雨季可以蓄積雨水，另一方面蓄積調(diào)水，同時(shí)由于部分區(qū)域地下水位較淺，能保存一部分淺層地下水。這些坑塘積水在正常年份大都可以用來灌溉，特別是可用于冬小麥越冬水和返青拔節(jié)水灌溉，減少對(duì)地下水開采；或者在播種冬小麥時(shí)灌足底墑，把有限水資源儲(chǔ)存于土壤中，減少水面蒸發(fā)損失。

3　挖掘淺層微咸水利用潛力

表3　河北低平原主要行政區(qū)多年平均微咸水資源量［2］Table 3 The average shallow ground brackish water quantityin the lower plain of Hebei Province［2］（108m3）

環(huán)渤海區(qū)域擁有較豐富的地下咸水資源，總儲(chǔ)量在2 500億m3（其中小于5g·L-1的微咸水年可開采資源量占全國(guó)的1/2）。如河北低平原主要區(qū)域小于5g·L-1的微咸水資源量有10.99億m3（表3），目前利用率為40％［2］，有60％微咸水資源可為農(nóng)業(yè)所利用，為每公頃灌溉耕地增加近750m3灌溉水源。依據(jù)作物耐鹽與需水規(guī)律，在作物生長(zhǎng)一定階段，利用微咸水進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，可實(shí)現(xiàn)替代淡水資源或增加作物供水實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)目標(biāo)［20］。環(huán)渤海低平原處于季風(fēng)氣候區(qū)，夏季降水集中，可利用夏季降水淋洗鹽分，使土壤含鹽控制在安全范圍內(nèi)。因此，通過充分挖掘和合理利用微咸水資源，是環(huán)渤海低平原糧食增產(chǎn)重要的水資源保障。

3.1優(yōu)化微咸水灌溉時(shí)間

環(huán)渤海低平原主要作物冬小麥夏玉米對(duì)鹽分敏感程度不同，同時(shí)兩個(gè)作物生長(zhǎng)的季節(jié)降水條件也具有顯著差異。冬小麥耐鹽能力比夏玉米強(qiáng)，兩個(gè)作物開始減產(chǎn)的土壤飽和溶液提取液夏的電導(dǎo)率分別為4.0dS·m-1和1.7dS·m-1，減產(chǎn)50％時(shí)分別為13.0dS·m-1和5.9dS·m-1［21］。冬小麥生長(zhǎng)期間降水少，必須依賴于灌溉取得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而冬小麥又是耐鹽能力較強(qiáng)作物，可以通過微咸水替代部分淡水資源或者增加1次微咸水灌溉，實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［22］；而夏玉米生育期降水多，多數(shù)年份降水能夠滿足其生長(zhǎng)發(fā)育要求，可通過充分蓄集和利用雨水資源，滿足其生長(zhǎng)，并為下季作物冬小麥創(chuàng)造良好的土壤水分條件。但由于兩個(gè)作物對(duì)鹽分敏感性不同，一個(gè)作物的微咸水灌溉必須考慮其對(duì)下茬作物的影響，并考慮長(zhǎng)期微咸水灌溉下的土壤鹽分平衡問題［23］。

表4是在南皮試驗(yàn)站最近3年微咸水灌溉冬小麥的試驗(yàn)結(jié)果，冬小麥在旱作基礎(chǔ)上增加1次灌溉，無論用淡水還是用小于5g·L-1的微咸水，冬小麥增產(chǎn)幅度達(dá)20％～50％，微咸水與淡水增產(chǎn)效果相似；用微咸水替代淡水灌溉后，對(duì)冬小麥產(chǎn)量沒有產(chǎn)生明顯影響。但無論是增加1次微咸水灌溉還是用微咸水替代 1次淡水灌溉的最佳時(shí)期是冬小麥拔節(jié)前后。多年的研究結(jié)果充分證明了微咸水灌溉在冬小麥上可大面積推廣應(yīng)用。由于夏玉米對(duì)鹽分敏感，冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)微咸水灌溉后增加的鹽分保留在土壤中，特別是0～20cm玉米苗期根系集中層的土壤鹽分含量增加明顯。根據(jù)測(cè)定，0～20cm土壤鹽分含量平均增加10％～30％（圖4），在雨季來臨前的夏玉米出苗和苗期，如何消除鹽分對(duì)玉米的影響是冬小麥夏玉米一年兩作微咸水灌溉技術(shù)成功應(yīng)用必須解決的問題。

表4　微咸水代替一次淡水或者增加一次微咸水灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響（中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站3年平均試驗(yàn)結(jié)果）Table 4 The effects of brackish water replacing fresh water to irrigate or adding one more saline irrigation on the yield of winter wheat（three seasons average results in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

由于冬小麥微咸水灌溉后在土壤中的鹽分對(duì)夏玉米產(chǎn)生不利影響，只有消減這種不利影響才能成功應(yīng)用冬小麥夏玉米一年兩季微咸水灌溉技術(shù)。為了保證夏玉米產(chǎn)量不受到冬小麥微咸水灌溉影響，夏玉米出苗水需要灌溉淡水，灌溉水量要大于70mm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)根層土壤淋鹽，使根層土壤鹽分降低到玉米耐鹽閾值以下?；蛘咄ㄟ^局部灌溉，創(chuàng)造玉米出苗的微域淡化，使玉米出苗水的灌溉用水量降低，隨后隨著雨季到來實(shí)現(xiàn)根層土壤完全脫鹽，保證根層土壤不產(chǎn)生鹽分積累。玉米出苗水的局部灌溉技術(shù)可通過大田微灌技術(shù)和溝灌技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。

3.2通過秸稈還田培肥地力增強(qiáng)土壤對(duì)微咸水灌溉緩沖能力

上述結(jié)果顯示，利用不大于5g·L-1微咸水在冬小麥需要灌溉關(guān)鍵水的拔節(jié)期替代 1次淡水或者增加1次微咸水灌溉，增產(chǎn)節(jié)水效果明顯，在一定程度上可緩解淡水灌溉資源不足問題，但長(zhǎng)期咸水灌溉帶來的土壤積鹽以及可能導(dǎo)致的作物減產(chǎn)等問題始終是人們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題［23-24］。一般研究認(rèn)為，利用超過一定閾值的微咸水進(jìn)行灌溉會(huì)造成土壤積鹽集中，植物過氧化物代謝失衡，光合等生理反應(yīng)減弱，進(jìn)而造成作物產(chǎn)量降低［25］。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件發(fā)生了巨大變化，特別是隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及，環(huán)渤海低平原小麥玉米種植區(qū)已全面實(shí)現(xiàn)了秸稈全程全量連年還田，熟化和蓄積雨水土壤耕作技術(shù)的發(fā)展，使土壤肥力和土壤有機(jī)質(zhì)普遍得到了大幅度提升，土壤對(duì)有害離子緩沖能力增強(qiáng)［26-27］，微咸水灌溉對(duì)土壤和作物的不利影響逐年降低，為該區(qū)域大面積應(yīng)用微咸水灌溉提供了基礎(chǔ)。

圖4　利用淡水及3g·L-1、4g·L-1微咸水灌溉冬小麥對(duì)土壤表層鹽分（0～20cm）（a）和1 m土體鹽分的周年影響（b）（2013—2015年，中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站）Fig.4 The effects of using fresh water，brackish water with salt concentrations at 3g·L-1and 4g·L-1to irrigate winter wheat on salt contents of the tillage soil layer（0-20cm）（a）and the top 1 m soil（b） profile（2013-2015，Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，CAS）

以南皮縣為例，1981年土壤普查結(jié)果顯示，耕層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量8.9g·kg-1，而2015年多點(diǎn)調(diào)查結(jié)果顯示耕層土壤平均有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)增加到15.6g·kg-1，長(zhǎng)期秸稈還田和化肥投入增加對(duì)地力提升發(fā)揮了重要作物［28］。微咸水灌溉下氯鈉離子比例提高、土壤初始入滲率降低，破壞土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，導(dǎo)致土壤物理化學(xué)性質(zhì)惡化，影響土壤養(yǎng)分有效性等，而土壤有機(jī)質(zhì)提升可改善土壤結(jié)構(gòu)，消減微咸水灌溉對(duì)土壤理化性質(zhì)的不利影響。如圖5是在南皮縣域選擇典型土壤測(cè)定的水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例與土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量提升，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例直線增加，對(duì)維持土壤結(jié)構(gòu)、增加鹽分淋洗起到重要作用。

圖5　南皮縣典型地塊土壤有機(jī)質(zhì)含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體（＞ 0.25mm）所占比例關(guān)系（2015年測(cè)定）Fig.5 The relation of soil organic matter content with the ratio of water stability aggregates（＞0.25mm） for some typical fields at Nanpi County（2015）

隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，對(duì)于大田作物可用微咸水灌溉的鹽分含量有所提升，為實(shí)施微咸水特別是較高礦化度微咸水灌溉提供了有利支撐。如圖6是總結(jié)南皮縣域自 20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在對(duì)冬小麥進(jìn)行的微咸水灌溉試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)量的影響結(jié)果。隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，4g·L-1高礦化度微咸水灌溉增產(chǎn)作用逐漸與2g·L-1的低礦化度微咸水作用一致，特別是當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)達(dá)18g·kg-1時(shí)，兩者灌溉下冬小麥產(chǎn)量相同，充分說明通過秸稈長(zhǎng)期還田提升地力可顯著增加土壤對(duì)有害離子的緩沖能力。

圖6　20世紀(jì)80年代到今進(jìn)行的不同礦化度微咸水灌溉試驗(yàn)對(duì)冬小麥增產(chǎn)作用隨土壤有機(jī)質(zhì)含量（OM，單位為g·kg-1）的變化Fig.6 The changes in responses of winter wheat yield to different brackish water irrigation with the changes in soil organic matter（OM，g·kg-1） since 1980s

很多研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)增加可提升土壤有益微生物群落、提高植物的K+/Na+比、增加植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)吸收、加快土壤養(yǎng)分循環(huán)、增加植物抗氧化酶合成能力等［26，29］，使作物耐受土壤鹽分含量閾值提高。圖7顯示增施腐熟有機(jī)肥后冬小麥葉片Na+/ K+比顯著降低，對(duì)維持較高礦化度微咸水灌溉下作物產(chǎn)量不降低有重要意義。但也有研究顯示，一些種類有機(jī)肥施用反而會(huì)加重土壤鹽分對(duì)作物影響，主要原因是不同種類有機(jī)肥鹽分含量不同，全鹽含量高的有機(jī)肥施用反而增加了土壤鹽分，在缺水條件下可能會(huì)起反作用。例如根據(jù)對(duì)豬糞和秸稈腐熟有機(jī)質(zhì)鹽分含量測(cè)定，前者全鹽含量是1.2％，而秸稈腐熟后的有機(jī)質(zhì)全鹽含量為0.4％，家禽糞肥施用增加了土壤鹽分含量。Ahmed等［30］盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示，在灌溉水含鹽量高時(shí)（2dS·m-1）施家禽糞肥的處理產(chǎn)量反而比對(duì)照低，而施用秸稈轉(zhuǎn)化的有機(jī)質(zhì)的所有灌溉處理下都比不施的高。在土壤含鹽量高時(shí)家禽糞肥的施用更加重了鹽分對(duì)作物危害。因此，通過長(zhǎng)期秸稈還田增加土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)增強(qiáng)微咸水灌溉下土壤對(duì)有害離子緩沖能力的建設(shè)更有意義。

圖7　不同礦化度微咸水灌溉下增施腐熟有機(jī)肥對(duì)揚(yáng)花期冬小麥葉片鈉鉀比的影響（2013—214年，中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站）Fig.7 The effects of manure application on the ratio of Na and K in flag leaves of winter wheat irrigated with different brackish water（2013-2014，Nanpi Eco-Agriculture Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

4　結(jié)語(yǔ)

為滿足環(huán)渤海中低產(chǎn)區(qū)糧食增產(chǎn)的水資源需求，緩解當(dāng)?shù)氐Y源不足，需要安全高效利用微咸水資源。通過“開源”方式增加水資源供應(yīng)量；通過技術(shù)進(jìn)步提高農(nóng)田水分利用效率的“節(jié)流”方式減少單位糧食生產(chǎn)需要的水資源量。在南皮試驗(yàn)站近幾年研究結(jié)果表明，冬小麥夏玉米一年兩作農(nóng)田通過選用節(jié)水高產(chǎn)品種、配套玉米縮行勻播和冬小麥虧缺灌溉制度，可把現(xiàn)狀冬小麥水分生產(chǎn)效率1.5kg·m-3、夏玉米1.8kg·m-3分別提高到1.8kg·m-3和2.4kg·m-3的較高水平，在現(xiàn)有糧食生產(chǎn)條件下，可實(shí)現(xiàn)的節(jié)水潛力達(dá)20～24億m3。同時(shí)，隨著秸稈還田措施長(zhǎng)期應(yīng)用，土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷提升，微咸水替代淡水灌溉對(duì)作物和土壤不利影響降低，為微咸水長(zhǎng)期安全利用創(chuàng)造了條件，微咸水安全高效利用可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田提供近每公頃750m3的灌溉水源。

根據(jù)上述研究結(jié)果，環(huán)渤海糧食生產(chǎn)過程中涉及地下咸水、地下淡水、雨水和地表水等多種水源，依據(jù)區(qū)域水質(zhì)水量周年變化規(guī)律和作物需水耐鹽特征，建立作物適水灌溉制度，即充分利用外來客水和雨季坑塘積蓄的地表水，進(jìn)行冬小麥儲(chǔ)水灌溉和夏玉米應(yīng)急抗旱灌溉，減少對(duì)地下淡水依賴；同時(shí)，根據(jù)冬小麥夏玉米不同作物耐鹽需水特征，進(jìn)行冬小麥春季微咸水補(bǔ)灌，替代淡水資源，實(shí)現(xiàn)多水源協(xié)同高效利用，構(gòu)建渤海糧倉(cāng)建設(shè)的水資源保障技術(shù)體系。

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Efficient utilization of various water sources in farmlands in the low plain nearby Bohai Sea*

ZHANG Xiying，LIU Xiaojing，CHEN Suying，SUN Hongyong，SHAO Liwei，NIU Junfang
（Key Laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Water-saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050022，China）

Freshwater shortage is a growing crisis in food production in the plain nearby the Bohai Sea.It is therefore important to efficiently utilize available water resources in the region，including fresh groundwater，brackish groundwater and precipitation during grain production season.This paper summarized the work of a 3-year field experiment at Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences on utilization of saline water in replace of fresh groundwater irrigation of winter wheat，deficit irrigation to reduce water use，high-performance cultivars，and the optimized planting and cultivation technologies in wheat-maize double cropping system.The results showed that jointing stage was critical for irrigation under a single irrigation application in winter wheat.Irrigation at jointing stage improved the growth of both aboveground and belowground parts of winter wheat.The enhanced root growth increased soil water utilization during late growth stages and also reduced the negative effects of water stress on yield under limited irrigation of winter wheat.Thestudy also showed that the use of saline water with salt concentration less than 4g·L-1in place of freshwater irrigation at jointing stage of winter wheat did not affect yield，and prevented deep freshwater depletion.To mitigate the negative effects of soil salt in the top 20cm soil profile after winter wheat harvest on successive crops（summer maize），about 70mm of irrigation at sowing stage of maize was needed to support maize germination and seedling establishment.The results suggested that the return of the straw of both crops to the soil enhanced soil organic content.While the increased proportion of stable soil aggregates benefited the stability of soil structure，leaching of salt after saline irrigation improved during summer rainy season.The selection of better cultivars of winter wheat and summer maize had the potential to improve yield and water use efficiency by up to 20％.For summer maize，reducing inter-row spacing and increasing intra-row spacing improved the proportion of seedling establishment and interception ratio of solar radiation by crop canopy at seedling stage.This improved maize yield by about 10％ compared with traditional planting.The combined results of the measures reduced freshwater use in irrigation，and significantly improved water use efficiency and grain yield of crops.The study showed that it was possible to maintain grain yield and to conserve fresh groundwater resources at the same time in the study area.

Feb.21，2016；accepted Apr.27，2016

Winter wheat-summer maize double cropping system；Freshwater；Saline water；Precipitation；Water use efficiency；Crop yield

S273.1；S274.4

A

1671-3990（2016）08-0995-10

10.13930/j.cnki.cjea.160162

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD05B02，2013BAD05B05）和河北省渤海糧倉(cāng)科技示范工程專項(xiàng)資助

張喜英，主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理和技術(shù)研究。E-mail：xyzhang@sjziam.ac.cn

2016-02-21接受日期：2016-04-27

*This research was supported by the National Key Technology Research and Development Program of China（2013BAD05B02，2013BAD05B05） and Hebei S&T Special Fund for “Bohai Granary” Project.

Corresponding author，ZHANG Xiying，E-mail：xyzhang@sjziam.ac.cn