黃土塬區(qū)降水變化對(duì)冬小麥土壤耗水特性及水分利用效率的影響

倪盼盼，朱元駿，鞏鐵雄

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

黃土塬區(qū)降水變化對(duì)冬小麥土壤耗水特性及水分利用效率的影響

倪盼盼1，3，朱元駿1,2，鞏鐵雄1,3

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

采用人工遮雨棚和自流滴灌系統(tǒng)來實(shí)時(shí)人工干預(yù)降水，研究了黃土塬區(qū)不同降水條件即正常降水(CK)、降水減少1/3(R-1/3)和降水增加1/3(R+1/3)條件下，麥田0～4 m土壤水分變化、冬小麥耗水特性及WUE。結(jié)果表明：(1) 降水變化改變了冬小麥對(duì)土壤水的利用和補(bǔ)給；降水減少，冬小麥對(duì)土壤水的利用增強(qiáng)，導(dǎo)致生育期和休閑期深層土壤含水量降低，且很難補(bǔ)充恢復(fù)；降水增加，冬小麥也會(huì)部分利用深層土壤水，土壤含水量在生育期呈降低趨勢，在冬小麥?zhǔn)斋@后，土壤水得到補(bǔ)給，土壤含水量會(huì)逐漸恢復(fù)并高于前期土壤含水量。(2) 冬小麥優(yōu)先利用降水轉(zhuǎn)化而來的土壤水，然后利用土壤前期儲(chǔ)水；對(duì)于越冬～成熟期的總耗水量(ET)組成，R-1/3處理的冬小麥對(duì)降水和0～2 m土壤水分的利用增強(qiáng)，降水量(P)和0～20 m土壤貯水變化量(ΔW0-2 m)各自約占ET的40%；R+1/3處理P占ET的比例約是ΔW0～2 m的1倍多；CK處理P占ET的比例比ΔW0～2 m高15%左右；降水減少，降水占耗水量的比例降低，0～2 m土壤水占耗水量比例增加；降水增加，則有相反的結(jié)果。(3) 降水減少，WUEbio(基于生物量的WUE)相對(duì)于CK處理降低了1.3%，但產(chǎn)量下降程度(7.1%)小于耗水下降程度(14.2%)，WUEgrain(基于籽粒產(chǎn)量的WUE)反而增加；降水增加，相對(duì)于CK處理生物量減少5.3%而籽粒產(chǎn)量增加4.5%，但水分的消耗增加了11.4%，WUEbio和WUEgrain均降低?？傊?，降水變化改變了冬小麥對(duì)土壤水的利用、土壤水的補(bǔ)給、冬小麥的耗水組成以及生物量和產(chǎn)量的平衡，最終影響冬小麥WUE。

土壤水；降水變化；水分利用效率；冬小麥；耗水特征

黃土塬區(qū)地處我國西北半干旱地區(qū)，年降雨量400～600 mm，屬于傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。近年來，受全球氣候變化的影響，該區(qū)域降水年內(nèi)和年際分布不均的現(xiàn)象加劇。土壤水作為對(duì)降水變化敏感的因子，一方面其時(shí)空變異性增加[1-3]，另一方面缺乏降雨補(bǔ)償導(dǎo)致土壤干燥化[4]，影響區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水平衡和糧食產(chǎn)量穩(wěn)定。

在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)條件下，降水年型、生育期及作物耗水特征的不同是引起作物耗水量、土壤貯水利用程度及土壤水分虧缺分異的主要原因[5]。無論干旱年還是豐雨年，冬小麥田都存在明顯的土壤水分虧缺[6]，土壤水分供應(yīng)不足會(huì)直接影響冬小麥產(chǎn)量。水分利用效率(Water use efficiency，WUE)是表征作物生產(chǎn)與水分消耗關(guān)系的綜合指標(biāo)[7]，降水變化通過影響農(nóng)田土壤水分狀況、作物對(duì)降水和土壤儲(chǔ)水的利用以及作物耗水特性，進(jìn)而導(dǎo)致WUE也有所變化。作物WUE與降水量呈負(fù)相關(guān)，在干旱生境下選擇更為保守的水分利用方式，通過提高WUE來適應(yīng)干旱[8]。旱區(qū)冬小麥隨干旱程度增大，WUE和水分生產(chǎn)力明顯遞減[9]。量化降水變化條件下作物耗水特征及WUE，有助于明確農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗-補(bǔ)充規(guī)律、評(píng)價(jià)降水變化對(duì)作物產(chǎn)量和WUE的影響。

目前相關(guān)研究大多采用人工模擬降雨[10-11]或不同降水年型[12-13]的歷史資料。模擬降雨受到水源和人工、機(jī)械限制，在土柱[14]或盆栽[15-16]條件下進(jìn)行，又受到土體的限制，不能很好反映田間的實(shí)際狀況；而針對(duì)不同降水年型的研究又受到研究時(shí)間的限制，需要多年的研究才能獲得枯水年、平水年和豐水年的結(jié)果。

本研究采用人工遮雨棚和自流滴灌系統(tǒng)來實(shí)時(shí)人工干預(yù)降水，利用天然降水資源形成不同的降水條件。通過對(duì)黃土塬區(qū)不同降水條件下麥田0～4 m土壤含水量和冬小麥生物量的定期測定，結(jié)合產(chǎn)量來分析土壤儲(chǔ)水量、冬小麥耗水量以及WUE變化，研究降水變化對(duì)田間作物耗水特征和WUE的影響，明確作物水分消耗-補(bǔ)充規(guī)律以及WUE對(duì)降水變化的響應(yīng)，為深入理解黃土塬區(qū)降水變化條件下作物-土壤水二者之間的關(guān)系，促進(jìn)區(qū)域土壤水資源的合理利用和保障糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在地處陜西省長武縣的長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(位于107°41′E，35°14′N，海拔1 220 m)進(jìn)行。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。據(jù)長武縣氣象局統(tǒng)計(jì)(1957—2006年)，該地區(qū)多年平均降水量為584.1 mm，豐水年和枯水年降雨量標(biāo)準(zhǔn)分別為623.1 mm和534.4 mm，年最大降水量為954.3 mm(2003年)，年最小降水為296.0 mm(1995年)。降水年際季節(jié)分布不均，降水集中在7—9月，占全年降水總量55%以上，蒸發(fā)量較大，為黃土塬區(qū)典型的雨養(yǎng)代表。該區(qū)年日照時(shí)數(shù)為2 226.5 h，日照率為51%。塬面全年>10℃活動(dòng)積溫3 029℃，多年平均無霜期171 d。年平均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫-5.0℃，7月份平均氣溫22.1℃。試驗(yàn)所在地屬于黃土旱塬區(qū)，土壤為中壤質(zhì)黑壚土。2014年布設(shè)試驗(yàn)前，土壤容重為1.24 g·cm-3，土壤顆粒組成為：17.6%粘粒，42.6%粉粒和39.8%砂粒。土壤耕層(0～20 cm)土壤含有機(jī)質(zhì)14.15 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，堿解氮68.26 mg·kg-1，速效磷22.1 mg·kg-1，速效鉀156.7 mg·kg-1，pH 8.6。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國科學(xué)院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)未進(jìn)行灌溉的旱作農(nóng)耕地上進(jìn)行。2014年10月布設(shè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m)，共11個(gè)小區(qū)。小區(qū)采用透明塑料遮雨棚配套集雨桶和自流滴灌系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)小區(qū)自然降雨的實(shí)時(shí)收集和再分配(圖1左)。雨棚遮雨采用彎成直徑為20 cm圓弧的透明塑料硬片，間隔44 cm鋪設(shè)。小區(qū)中央布設(shè)1根中子管，小區(qū)四周嵌入1 m深的PVC板，防止表層土壤水分側(cè)滲。小區(qū)之間設(shè)置2 m間距的保護(hù)行。供試冬小麥品種為長旱58，播前施一次冬小麥專用肥954 kg·hm-2(N∶P∶K=20∶10∶5)，肥料撒施地表，翻入土中，田間管理同大田，人工及時(shí)清除雜草，但不使用農(nóng)藥。試驗(yàn)冬小麥于2014年10月5日播種，2015年6月25日收獲。

長武站多年平均降水量為584 mm，在此范圍向上浮動(dòng)1/3則為780 mm，約為半濕潤地區(qū)降水量上限；在此范圍向下浮動(dòng)1/3則為389 mm，約為半干旱地區(qū)降水量下限?？紤]到這兩個(gè)降水量接近降水氣候分界線[17]，對(duì)試驗(yàn)有很大參考價(jià)值，所以試驗(yàn)選擇1/3的降水量波動(dòng)范圍，設(shè)置3個(gè)降水處理，即正常降水(CK)、降水減少(R-1/3)和降水增加(R+1/3)。CK處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，R-1/3處理和R+1/3處理各設(shè)4個(gè)重復(fù)(圖1右)。播種前僅在R-1/3處理的小區(qū)上方布置遮蓋1/3面積的遮雨棚，將小區(qū)1/3面積的降水收集至集雨桶，實(shí)現(xiàn)降水減少1/3；收集的降水均勻分配給相對(duì)應(yīng)的平行位置另一行的R+1/3處理的小區(qū)，實(shí)現(xiàn)降水增加1/3。

1.3 樣品與數(shù)據(jù)采集

冬小麥拔節(jié)期(4月15日)、孕穗～抽穗期(5月2日)、開花期(5月17日)、灌漿期(6月2日)和成熟期(6月15日)各測定一次全株生物量，每個(gè)小區(qū)采5株。收獲時(shí)調(diào)查每個(gè)小區(qū)1 m2樣方內(nèi)產(chǎn)量和地上生物量。在冬小麥生育期內(nèi)每月觀測一次0～4 m深度的土壤剖面含水量(開始采集生物量后每月觀測兩次)。

試驗(yàn)期間，長武試驗(yàn)站內(nèi)氣象站記錄的2014—2015年月降雨量見表1。2014年和2015年的年降水量分別為616.9 mm和578.2 mm，較之前50 a(1957—2006年)的平均降水量(584 mm)分別多了32.9 mm和少了5.8 mm。按照長武塬區(qū)豐水年(623 mm)和枯水年(534 mm)降水量劃分標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)進(jìn)行的這兩年長武塬區(qū)屬于平水年。試驗(yàn)期間(2014年10月—2015年8月)麥田不同降水處理的月降水量分布見圖2。冬小麥生育期總降水量為240.2 mm。

表1 2014—2015年月降雨量/mm

注：箭頭指示方向?yàn)楣┧较颉?Note: the direction of the arrow is the direction of water supply.

圖2 不同降水處理麥田月降水量

Fig.2 Monthly precipitations in the winter wheat fields under different precipitation conditions

1.4 測定指標(biāo)及計(jì)算方法

1.4.1 土壤儲(chǔ)水量 不同土層的土壤儲(chǔ)水量為：

Wi=SWCi×Hi×10

(1)

式中，Wi為第i層土壤的儲(chǔ)水量(mm)；i為土壤層數(shù)；SWCi為第i層土壤的體積含水量(cm3·cm-3)；Hi為第i層土壤的厚度(cm)；10為cm轉(zhuǎn)換為mm的系數(shù)。

土壤儲(chǔ)水量變化的計(jì)算公式為：

(2)

式中，ΔWj為第j個(gè)生育期的土壤儲(chǔ)水量變化(mm)；Wj,i為第j個(gè)生育期第i層土壤的儲(chǔ)水量(mm)；Wj-1,i為第j個(gè)生育期的前一個(gè)生育期第i層土壤的儲(chǔ)水量(mm)。

1.4.2 作物耗水量及WUE黃土塬區(qū)由于土層深厚，地下水深埋(>50 m)，水量平衡計(jì)算時(shí)不考慮深層滲漏和地下水補(bǔ)給，此時(shí)冬小麥耗水量就等于土壤儲(chǔ)水量變化加上在此期間的降水量，計(jì)算公式為：

ETj=Pj+ΔW

(3)

式中，ETj為冬小麥第j個(gè)生育期總耗水量(mm)；Pj為第j個(gè)生育期降水量(mm)。

籽粒產(chǎn)量水分利用效率WUEgrain(基于籽粒產(chǎn)量的WUE)采用如下公式計(jì)算：

WUEgrain=Y/ET

(4)

生物量水分利用效率WUEbio[18](基于生物量的WUE)采用如下公式計(jì)算：

WUEbio=DW/ET

(5)

式中，WUEgrain為產(chǎn)量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；WUEbio為生育量水分利用效率(g·m-2·mm-1)；Y為收獲時(shí)籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；DW為收獲時(shí)不包括籽粒的地上生物量(g·m-2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

由于冬小麥播種～越冬前降雨量較小，土壤水分變化不大，故選用2015年1月20日土壤含水量為基準(zhǔn)。采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)。利用Sigmaplot 10.0軟件作圖。各圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水處理下土壤剖面含水量和土壤儲(chǔ)水量

三種降水處理的麥田6個(gè)土層(0～0.5、0.5～1、1～1.6、1.6～2、2～3 m和3～4 m)的平均土壤含水量隨時(shí)間的變化如圖3所示。隨著土層深度增加，三種降水處理的土壤含水量受降水量影響程度均逐漸減弱。其中，0～0.5 m土層的土壤含水量變異系數(shù)均大于15%；1～2 m土層的變異系數(shù)在6.0%～9.1%之間；2～3 m土層的變異系數(shù)在 3.8%～4.7%之間，3～4 m土層的變異系數(shù)則降到3.3%以下。降水變化顯著影響了麥田不同土層的土壤含水量，尤其是0～2 m土層的土壤含水量，深層土壤含水量變化比表層土穩(wěn)定。

三種降水處理1—6月0～0.5 m的表層土壤含水量波動(dòng)較大，0.5～4 m的各層土壤含水量保持持續(xù)下降趨勢，土壤出現(xiàn)水分虧缺，且虧缺程度與降水量成反比。這說明1—6月的降水量不能滿足各試驗(yàn)處理下的冬小麥水分需求，冬小麥需要利用土壤水分來補(bǔ)充降水的不足。冬小麥?zhǔn)斋@后休閑期有大量降水，R+1/3處理的0.5～4 m土壤含水量逐漸增加并高于2015年1月的土壤含水量；CK和R-1/3處理的麥田，0.5～2 m土壤含水量得到一定恢復(fù)，但仍低于1月的土壤含水量，而2～4 m土壤含水量則一直是處于下降趨勢。冬小麥?zhǔn)斋@后，如果在正常降水量的基礎(chǔ)上補(bǔ)充一定量的降水(R+1/3處理)，土壤水分虧缺可以得到明顯恢復(fù)；如果不補(bǔ)充降水，0.5～4 m土壤水分虧缺則一直持續(xù)，尤其是降水減少處理(R-1/3)，土壤水分虧缺更為嚴(yán)重。

前述中已知降水變化對(duì)麥田0～2 m土壤水分影響較大，因此對(duì)0～2 m土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行了計(jì)算(圖4)。在冬小麥拔節(jié)前，R+1/3處理的土壤儲(chǔ)水量與CK無明顯差異(P>0.05)，約為500 mm左右；R-1/3處理的土壤儲(chǔ)水量在此期間開始低于CK和R+1/3處理。冬小麥拔節(jié)后，R+1/3處理的土壤儲(chǔ)水量開始逐漸高于CK；R-1/3處理的土壤儲(chǔ)水量仍然明顯低于R+1/3和CK處理(P<0.05)。R+1/3、CK和R-1/3處理冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)的土壤儲(chǔ)水量相對(duì)于1月的土壤儲(chǔ)水量分別減少了84.03、107.88 mm和124.67 mm。0～2 m土壤水儲(chǔ)量的減少表明冬小麥對(duì)土壤水分的利用程度隨降水減少而增強(qiáng)、隨降水增加而減弱。

圖3 麥田土壤剖面平均含水量

圖4 麥田1—8月土壤儲(chǔ)水量

Fig.4 Soil water storage in the winter wheat fields from January to August

2.2 不同降水處理下冬小麥耗水特征

比較不同降水處理下冬小麥總耗水量ET可知，降水變化對(duì)冬小麥越冬～成熟期總耗水有明顯的影響(P<0.05)(表2)。冬小麥的越冬～成熟期ET隨著降水量的增加而增大，R+1/3處理越冬～成熟期ET比CK增加了9.8%，R-1/3處理越冬～成熟期ET比CK減少了12.8%。三種降水處理的ET在冬小麥不同生育期內(nèi)具有明顯差異(P<0.05)。R+1/3處理在拔節(jié)期和灌漿期的ET分別比CK增加了26.1%和35.0%，在孕穗～抽穗期、開花期和成熟期比CK有所降低。R-1/3處理除灌漿期比CK增加了5.2%，其余時(shí)期都比CK有所減少。上述差異反映了降水量的改變導(dǎo)致同期冬小麥對(duì)土壤水分(包括前期水分和降水轉(zhuǎn)換而來的土壤水)的利用程度不同。

表2 冬小麥生育期降水和水分消耗

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note: different letters in the same column mean significant difference at 0.05 level, the same below.

試驗(yàn)對(duì)不同降水處理的ET組成(降水P和不同土層土壤儲(chǔ)水量變化ΔW0～2 m及ΔW2～4 m)進(jìn)行了分析(圖5)。比較不同降水處理同期的ET組成可知，P占ET的比例與降水量呈正比，ΔW0～2 m的比例與降水量呈反比，ΔW2～4 m的比例都很小(均低于18%)，R-1/3處理ΔW2～4 m的比例相對(duì)于CK略有增加，但R-1/3處理ΔW2～4 m的比例對(duì)降水變化的響應(yīng)規(guī)律不明顯，這可能與降水入滲再分配的過程有關(guān)。冬小麥不同生育期對(duì)水分的需求和生育期的降水分布，對(duì)不同生育期ET組成各分量所占比例有很大影響。在拔節(jié)期和灌漿期，三種降水處理的ET組成中P的比例較大(>55%)。在孕穗～抽穗期和開花期，由于降水較少，無法滿足冬小麥水分需求，冬小麥對(duì)土壤水分的利用增強(qiáng)，ΔW0～2m的比例增加(>60%)。

對(duì)于越冬～成熟期的ET組成，R-1/3處理的冬小麥對(duì)降水和0～2 m土壤水分的利用增強(qiáng)，P和ΔW0～2 m各自約占ET的40%；R+1/3處理P占ET的比例約是ΔW0～2 m的1倍多；CK處理P占ET的比例比ΔW0～2 m高15%左右。冬小麥優(yōu)先利用降水，然后再利用0～2 m土壤水，最后利用2～4 m土壤水。冬小麥對(duì)土壤水分的利用明顯受到冬小麥生育期以及該生育期內(nèi)的降水量影響。降水減少，冬小麥對(duì)深層土壤水分的利用略有增強(qiáng)。

圖5 冬小麥不同生育期ET組成

Fig.5ETcomposition in the winter wheat growing period

2.3 不同降水處理下冬小麥水分利用效率

根據(jù)對(duì)冬小麥各生育期的生物量和耗水的測定，計(jì)算了冬小麥各生育期的WUEbio(圖6)。R+1/3處理和R-1/3處理從播種到成熟期間的WUEbio均呈先上升后下降的單峰趨勢變化，播種～拔節(jié)期的WUEbio最低，開花期的WUEbio最高。CK的WUEbio呈“M型”的雙峰趨勢變化，播種～拔節(jié)期的WUEbio最低，兩個(gè)WUEbio峰值分別在孕穗～抽穗期和灌漿期，孕穗～抽穗期的WUEbio最高。R+1/3處理播種～拔節(jié)期和開花期的WUEbio比CK分別增加了20.4%和235.8%；R-1/3處理播種～拔節(jié)期、孕穗～抽穗期、開花期和成熟期的WUEbio比CK分別增加了157.1%、17.8%、129.0%和4.2%。

圖6 冬小麥基于各生育期內(nèi)生物量的水分利用效率

Fig.6 Water use efficiency on biomass level of the winter wheat

根據(jù)對(duì)冬小麥?zhǔn)斋@后地上生物量(不包括籽粒)、產(chǎn)量(籽粒)和耗水的測定，計(jì)算了收獲時(shí)的WUEbio和WUEgrain(表3)。CK處理的WUEbio最大，R+1/3處理和R-1/3處理的WUEbio比CK分別減少了14.3%和1.3%。R-1/3處理的WUEgrain最大，比CK增加了8.3%；R+1/3處理的WUEgrain比CK減少了5.7%。

將R+1/3處理和R-1/3處理的WUEgrain及其WUEbio與CK分別進(jìn)行比較，結(jié)果表明R+1/3處理的冬小麥WUEbio和WUEgrain均降低，而R-1/3處理的WUEbio降低，WUEgrain增加。與CK相比，R+1/3處理收獲時(shí)的地上生物量減少了5.3%、產(chǎn)量增加了4.5%，總耗水量增加了11.4%，總耗水量的變化大于生物量和產(chǎn)量的變化，所以R+1/3處理的WUEbio和WUEgrain與CK相比均降低。R-1/3處理收獲時(shí)的WUEbio低于CK，但其產(chǎn)量的降低程度(7.1%)要小于總耗水量的降低程度(14.2%)，因而WUEgrain反而高于CK。

表3 冬小麥各處理的生物量、產(chǎn)量及水分利用效率

注：DW為收獲時(shí)不包括籽粒的地上生物量(g·m-2)，WUEbio為生物量水分利用效率(g·m-2·mm-1)，Y為收獲時(shí)籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，WUEgrain為產(chǎn)量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)。

Note:DW—above-ground biomass after harvest not including grain(g·m-2);WUEbio—water use efficiency on biomass level(g·m-2·mm-1);Y—grain yield after harvest(kg·hm-2);WUEgrain—water use efficiency on grain level(kg·hm-2·mm-1).

3 討 論

試驗(yàn)通過對(duì)三種降水條件(R+1/3、R-1/3和CK)下麥田土壤耗水特征的研究，發(fā)現(xiàn)降水變化對(duì)冬小麥耗水量組成(土壤儲(chǔ)水量變化ΔW和降水P)有明顯影響，冬小麥耗水量與生育期內(nèi)降水量呈顯著正相關(guān)。遼西北[19]和北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶[20]的作物耗水特征研究得出了相似的結(jié)論。降水變化條件下，降水增加，降水占冬小麥總耗水的比例隨之增大；降水減少，冬小麥對(duì)土壤水尤其是0～2 m土壤水的利用明顯增強(qiáng)。北方旱地作物的耗水量在豐水年，主要來源于生育期間的自然降水，在干旱年，則很大一部分來源于土壤水[21]。冬小麥生育期內(nèi)優(yōu)先利用降水轉(zhuǎn)化而來的土壤水，其次利用前期土壤儲(chǔ)水。

有關(guān)旱區(qū)麥田土壤水分變化的研究一般都集中在0～2 m土層，但本研究發(fā)現(xiàn)冬小麥對(duì)2～4 m土壤水分也有所利用，雖然在總耗水中所占比例較小，但對(duì)于降水減少處理來說，冬小麥對(duì)深層2～4 m土壤水的利用不可忽略。本試驗(yàn)三種降水處理的冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)土壤水分都出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象，虧缺程度與降水量呈反比。土壤水分持續(xù)虧缺得不到補(bǔ)充，進(jìn)而出現(xiàn)農(nóng)田土壤干燥化[22]，干燥化效應(yīng)累積和延續(xù)，就會(huì)嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和深層土壤儲(chǔ)水補(bǔ)充調(diào)節(jié)植物需水作用[4，23]。本研究中在正常降水量的基礎(chǔ)上補(bǔ)充一定量的降水(R+1/3處理)，土壤水分虧缺可以得到明顯恢復(fù)，避免干燥化帶來的危害；若收獲后降水減少持續(xù)進(jìn)行(R-1/3處理)，土壤水分虧缺加重。在生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用夏閑秸稈覆蓋[24]或冬儲(chǔ)灌溉[25]可以增加補(bǔ)充土壤儲(chǔ)水，恢復(fù)土壤含水量。

本研究發(fā)現(xiàn)R+1/3處理的產(chǎn)量增加，WUEgrain降低；R-1/3處理的產(chǎn)量降低，但具有最高的WUEgrain。適當(dāng)減少水分能促進(jìn)冬小麥生長和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移[16，28-29]，使得產(chǎn)量下降的幅度小于耗水量下降的幅度，WUEgrain反而提高，灌溉模擬試驗(yàn)研究也得出了相似的結(jié)果[26-27]。WUEbio的結(jié)果則有所不同，不管降水增加(R+1/3)還是降水減少(R-1/3)，收獲時(shí)的WUEbio都低于CK。這可能是由于降水變化導(dǎo)致冬小麥營養(yǎng)生長和生殖生長采取不同的適應(yīng)措施，使得不同降水處理下冬小麥生物量和產(chǎn)量不同步，從而形成了不同降水處理的兩種類型的WUE(WUEbio和WUEgrain)的差異。

4 結(jié) 論

1) 降水變化改變了冬小麥對(duì)土壤水的利用和土壤水的補(bǔ)給。降水減少，冬小麥對(duì)土壤水的利用增強(qiáng)，導(dǎo)致生育期和休閑期深層土壤含水量的降低，且很難補(bǔ)充恢復(fù)；降水增加，冬小麥也會(huì)部分利用深層土壤水，土壤含水量在生育期呈降低趨勢，在冬小麥?zhǔn)斋@后，土壤水得到補(bǔ)給，土壤含水量會(huì)逐漸恢復(fù)并高于前期土壤含水量。

2) 降水變化使得冬小麥耗水組成發(fā)生改變。冬小麥優(yōu)先利用降水轉(zhuǎn)化而來的土壤水，然后利用土壤前期儲(chǔ)水。降水減少，降水占耗水量的比例降低，0～2 m土壤水占耗水量比例增加；降水增加，則有相反的結(jié)果。

3) 降水變化能改變生物量(營養(yǎng)生長)和籽粒產(chǎn)量(生殖生長)的平衡，使得生物量和產(chǎn)量不同步，進(jìn)而影響WUE。降水減少，WUEbio降低，但產(chǎn)量下降程度小于耗水下降程度，WUEgrain反而增加；降水增加，生物量減少而籽粒產(chǎn)量增加，水分的消耗更大，WUEbio和WUEgrain均降低。

致謝：感謝長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站提供試驗(yàn)和生活條件。

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Effects of rainfall fluctuation on water consumption and water use efficiency of winter wheat in the loess tableland

NI Pan-pan1,3, ZHU Yuan-jun1,2, GONG Tie-xiong1,3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingoftheLoessPlateau,NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling,Shaanxi712100,China;3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

A real-time rainfall control technique consisting of artificial rainfall-shields and gravitational trickle irrigation system was used to investigate the effects of normal rainfall (CK), rainfall reduction 1/3 (R-1/3), and rainfall increase1/3 (R+1/3)) on 0～4 m soil water storage, winter wheat water consumption and WUE in the loess tableland. The results indicated that:(1) Rainfall fluctuation modified water utilization of winter wheat and soil water supply. With the reducing of rainfall, winter wheat used more soil water, resulting in the decrease of deep soil water content during growth and fallow periods, which was hardly restored by rainfall during fallow period. With the increase of rainfall, deep soil water content decreased during growth period but could be restored even higher than initial soil water content after harvest due to the supply of rainfall in fallow period. (2) Winter wheat used soil water that transformed from current rainfall event firstly and then used early soil water. For evapotranspiration(ET) of the period from overwintering to mature period, winter wheat of R-1/3used more soil water from 0 to 2 m. Precipitation(P) andΔW0～2 meach accounted for about 40% of theET. The ratio which P accounted for inETof R+1/3was about 1 times more thanΔW0～2 m. However, in the treatment of CK, The proportion whichPaccounted for inETwas about 15% more thanΔW0～2 m. Under the condition of rainfall decrease, the proportion of soil water transformed from current rainfall event to winter wheat water consumption decreased and the proportion of 0～2 m early soil water increased. Opposite result was obtained with rainfall decreasing. (3) Campared with CK, the winter wheatWUEbio(on biomass level) decreased by 1.3% in the treatment of R-1/3, and itsWUEgrain(on grain level) increased, because the decline on grain level(7.1%) was less than the degree of water drops(14.2%). The winter wheat biomass decreased by 5.3% and grain yield increased by 4.5% in the treatment of R+1/3when it was harvested, but itsWUEbioandWUEgraindecreased because of 11.4% increase in soil water consumption. Generally, rainfall fluctuation had effects on soil water use, soil water supply, winter wheat water consumption composition and the balance between biomass and grain of winter wheat, which affected the winter wheatWUEfinally.

soil water; rainfall fluctuation; water use efficiency; winter wheat; water consumption

1000-7601(2017)04-0080-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.13

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金(41371242，41530854)；中國科學(xué)院“西部之光”和中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-306)

倪盼盼(1991—)，女，安徽安慶人，碩士，研究方向?yàn)橥寥浪h(huán)境。

朱元駿(1978—)，男，湖北竹山人，博士，副研究員，主要從事土壤水分運(yùn)動(dòng)及水循環(huán)研究。 E-mail：zhuyj@nwsuaf.edu.cn。

S271;S152.7+5

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