北方旱地農(nóng)田水分平衡及提高作物生產(chǎn)力研究

賀迎明　董衛(wèi)中

摘 要：結(jié)合多年的田間試驗研究，對前人諸多研究結(jié)果進行了總結(jié)和深入分析。結(jié)果表明：農(nóng)田水肥效應(yīng)大小與試驗方法有關(guān)，田間試驗與模擬試驗得到的結(jié)論相反。主要原因在于研究中“水”的概念各不相同，從旱棚試驗或盆栽試驗的結(jié)果推斷水肥效應(yīng)與實際情況相距較大。多數(shù)情況下，養(yǎng)分虧缺仍是北方旱區(qū)作物增產(chǎn)的主要限制因子。灌水的效果取決于土壤底墑、生育期降水、土壤肥力及灌水時期等各種因素。

關(guān)鍵詞：水肥效應(yīng);北方旱區(qū);田間試驗;模擬試驗

1前言

北方旱區(qū)是指沿昆侖山—秦嶺—淮河一線以北的廣大地區(qū)，包括16個省（市）的965個縣，面積占國土總面積的56%，耕地占全國總耕地面積的51%，其中沒有灌溉條件的旱田占65%。本區(qū)地域遼闊，地形復(fù)雜，氣候類型多樣，適于農(nóng)林牧綜合發(fā)展。制約這一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的因素很多，水資源不足和土地退化是其中兩個重要的方面。如何科學(xué)地進行農(nóng)田水肥管理是大家關(guān)注的焦點，而且灌水和施肥對作物增產(chǎn)作用的大小也一直是人們討論的一個問題。

2農(nóng)田水肥效應(yīng)研究的歷史、現(xiàn)狀及存在問題

水肥效應(yīng)的研究由來已久，近20年在北方旱區(qū)也進行了大量試驗，但關(guān)于決定作物產(chǎn)量高低的主要因子是水還是肥并無一致結(jié)論。以黃土高原為例，過去人們認為旱地作物生產(chǎn)力不高的的主要原因是“旱”。20世紀80年代初的研究表明，當(dāng)時生產(chǎn)力水平低下，限制黃土高原地區(qū)糧食增產(chǎn)的首要因子是肥而不是水。90年代，隨著干旱氣候的頻繁出現(xiàn)及投肥強度提高，又使得越來越多的人認為水的作用更大。90年代中后期國家實行西部大開發(fā)政策后，越來越多的人將目光轉(zhuǎn)向西北地區(qū)，而干旱是大多數(shù)人對這一地區(qū)自然條件的第一印象，許多研究結(jié)果也都顯示出水分供應(yīng)對作物產(chǎn)量有決定作用。為了對這一問題有一個明確的認識，筆者對前人的資料進行了總結(jié)和分析。結(jié)果表明，近20年關(guān)于水肥對作物產(chǎn)量的效果研究涉及陜西、山西、寧夏、甘肅、遼寧、河北、河南、內(nèi)蒙及山東等北方的大部分旱區(qū);供試土壤包括土、黑壚土、褐土、黃綿土、（沙）潮土、緗黃土、風(fēng)沙土和栗鈣土等北方旱區(qū)主要的幾個土壤類型;供試作物以（冬、春）小麥和（春、夏）玉米為主，兼有谷子、莜麥、馬鈴薯、甘薯及沙打旺和楊樹等林草。養(yǎng)分以施氮和施磷為主，水分多是在自然降水基礎(chǔ)上補充灌水，或是模擬降水量，有些還以土壤相對含水量或絕對含水量為指標。研究方法除采用田間試驗，使作物完全在自然條件下生長以外，更多的研究則采用旱棚或盆栽，對水分進行嚴格的控制，以便得到更精確的結(jié)果。為了比較水肥兩個因子對作物產(chǎn)量的貢獻，通常以作物產(chǎn)量為應(yīng)變量，以各種水肥因子的組合為自變量進行回歸建模，經(jīng)過無量綱線性代換，將模型中的偏回歸系數(shù)標準化，然后根據(jù)各因子偏回歸系數(shù)的正負和大小判斷其效應(yīng)。關(guān)于水肥對作物產(chǎn)量的貢獻，這些研究資料并無一致結(jié)論。其主要原因可能是研究方法和試驗條件不同，可比性不強。比如，穆興民發(fā)現(xiàn)，常規(guī)對比試驗的結(jié)果是施肥的增產(chǎn)作用大于水分;而水肥正交組合試驗結(jié)果與之相反。另外，利用產(chǎn)量結(jié)果建立模型時水肥因子的設(shè)計水平及間距都不完全一樣，因此，利用其比較水肥效應(yīng)大小只具有相對性。

3養(yǎng)分虧缺仍是北方旱區(qū)作物增產(chǎn)的主要限制因子

水和肥是相當(dāng)籠統(tǒng)的概念。在眾多研究中，“肥”一般是施肥量，肥效大小主要決定于土壤基礎(chǔ)肥力：土壤越肥沃，肥效則越小，此時水的效應(yīng)相應(yīng)的就更顯著?！八笨梢允枪嗨俊⒔邓?、播前土壤貯水量（即底墑），或這三者之和，即作物生育期間總的土壤供水量。沒有灌水的條件下，降水的效應(yīng)大小決定于土壤底墑：底墑充足，降水的增產(chǎn)效果就不甚明顯;補充灌水的的效應(yīng)與土壤底墑和生育期間的降水量有關(guān)：底墑和降水豐富，灌水效應(yīng)則小。水的效應(yīng)減小，肥的效應(yīng)相應(yīng)突出。因此，水與肥效應(yīng)的大小受土壤底墑、基礎(chǔ)肥力和生育期降水等各種因素的制約，不能一概而論。雖然眾多研究資料結(jié)論不一，

但筆者仍從中發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律：凡認為肥是作物增產(chǎn)主要因子的大多是田間試驗結(jié)果，張和平等在河北黑龍港地區(qū)進行的3年田間試驗中，有兩年結(jié)果顯示肥料效應(yīng)大于水分效應(yīng)，另一年屬大旱年，小麥生育期間只有50mm的降水量，水分的作用才顯得更突出一些。而大多數(shù)旱棚試驗和盆栽試驗的資料都表明，

水分是旱地農(nóng)作物增產(chǎn)的第一限制因子。盆栽條件下沙打旺和楊樹水肥效應(yīng)的研究結(jié)果也表明水分的增產(chǎn)作用大于料。在有些發(fā)表的文獻中，只提供了產(chǎn)量結(jié)果而沒有建立數(shù)學(xué)模型，或者在建模過程中沒有進行無量綱線性編碼代換。

文獻中田間試驗大多是研究補充灌水的效應(yīng)，灌水效應(yīng)的大小與土壤基礎(chǔ)水分供應(yīng)狀況（即底墑和生育期間降水）有關(guān)。對于大部分半濕潤地區(qū)來說，正常年份都有可觀的底墑和生育期降水，因此補充灌水的作用較小。大多數(shù)旱棚試驗中都沒有提供土壤底墑的信息，其研究因素“水”多是模擬降水量，亦即其土壤基礎(chǔ)水分供應(yīng)量較小（最多只有土壤底墑部分），因此“水”的效應(yīng)就要大一些;盆栽試驗中的“水”則是土壤總供水量，它與作物產(chǎn)量緊密相關(guān)：有

“水”則有產(chǎn)量，無“水”則無產(chǎn)量。這是田間試驗結(jié)果多為“肥效大于水效”，而模擬試驗結(jié)果多為“水效大于肥效”的主要原因。模擬試驗的條件與實際情況有較大差距，簡單地用模擬試驗結(jié)果定性農(nóng)田水肥效應(yīng)的大小是不合適的。田間試驗肥效大于水效，說明在現(xiàn)有的水資源條件下，北方旱區(qū)農(nóng)田養(yǎng)分虧缺是作物增產(chǎn)的主要限制因子。

4水分效果取決于土壤底墑、生育期降水、土壤肥力及灌水時間等因素

北方旱區(qū)水資源有限，提高水分利用效率是農(nóng)田水分管理的主要問題。雖然有灌溉條件的耕地只占1/3左右，但近年來在半干旱和半濕潤地區(qū)發(fā)展以積蓄雨季降水、在作物需水關(guān)鍵期進行有限補充灌溉的技術(shù)越來越受到人們重視。

因此，研究農(nóng)田水分效應(yīng)及其條件很有必要。補充灌水的效應(yīng)主要取決于土壤底墑和生育期間的降水量：底墑和降水豐富，灌水效應(yīng)則小。新疆、柴達木盆地、河西走廊、甘肅中部、榆林長城沿線等地，主要作物生育期間降水量較少，水分均有較大虧缺。比如，冬小麥生育期間水分虧缺一般為300～400mm;春玉米生育期間虧缺額達400mm以上，因而這些地區(qū)灌水或補充灌水的效果一般會較明顯。對于北方旱區(qū)的其他地區(qū)，只要作物播前土壤有200～300mm的有效貯水，基本就能抵消水分虧缺額，因此補充灌水的增產(chǎn)效果就不會太顯著。但在部分地區(qū)，這也取決于種植制度。比如，渭北旱塬地區(qū)其全年降水量并不少，如果實行一年一作，水分供應(yīng)一般不會成為大問題，若一年兩熟，土壤底墑欠佳，只有補充灌溉才能獲得可觀的經(jīng)濟產(chǎn)量。補充灌水的效果還與土壤肥力有關(guān)。如我們在渭北旱塬進行的一個田間試驗表明，在肥力較高的田塊，灌水表現(xiàn)正效應(yīng)，在低肥力田塊，灌水則表現(xiàn)出負效應(yīng)。灌水時期對灌水效果也有重要的影響。對大多數(shù)作物來說都有一個水分敏感期，在這一時期灌水往往能達到事半功倍的效果，而這一時期如果水分供應(yīng)不足則會引起顯著減產(chǎn)。因此，找到作物的水分敏感期有助于確定作物的灌水高效利用時期，這也是有限灌溉（或稱非充分灌溉）的必要條件之一。

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