黃土旱塬區(qū)麥田休閑期降水與土壤貯水的變化特征

賈建英, 賀 楠, 韓蘭英, 萬 信, 王 興, 梁 蕓, 王小巍, 王 帆, 黃鵬程

(1.蘭州區(qū)域氣候中心, 蘭州 730020; 2.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心, 北京 100081)

黃土高原是我國重要的旱作糧食生產(chǎn)區(qū)，由于地處半干旱氣候區(qū)和亞洲夏季風(fēng)影響邊緣區(qū)，降雨量年際波動(dòng)較大，有效降雨少且時(shí)空分布不均，導(dǎo)致糧食主要生長季干旱頻繁發(fā)生[1-2]。塬是黃土高原主體地貌，面積約5.3萬km2，以中壤土為主，黃土厚度50～80 m，最厚達(dá)150～180 m，具有結(jié)構(gòu)疏松、透水、易耕、性熟等特點(diǎn)，深厚的土層有利于土壤水分蓄積[3-4]，降水被蓄存于土體之中，在干旱缺水季節(jié)可為作物提供保命水，最終通過土壤深層貯水來應(yīng)對(duì)氣候干旱，具備顯著的儲(chǔ)蓄和調(diào)節(jié)水分功能，被稱為“土壤水庫”[5-6]。深厚的黃土覆蓋對(duì)穩(wěn)定當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用，“留住天上水，用好地下水”是適宜黃土高原氣候特點(diǎn)和土壤蓄水特征的水分利用措施之一[7-8]。冬小麥?zhǔn)屈S土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的主要糧食作物之一，近10 a平均種植面積約占糧食播種面積的28.2%。冬小麥全生育需水量為350～500 mm，但全生育期降水大多不足250 mm，只能滿足耗水量的65%～95%，干旱頻繁發(fā)生，素有“三年一小旱，十年一大旱”之說[9-11]。旱作冬小麥?zhǔn)崭畹较乱患静シN為夏季休閑期，休閑期(7—9月)降水占全年降水的60%以上，而深厚的黃土覆蓋為降水資源轉(zhuǎn)化為土壤水分提供了得天獨(dú)厚的條件，冬小麥有5%～35%的耗水量就是休閑期土壤貯水補(bǔ)給[12-14]。李超等[15]研究表明在黃土塬區(qū)降水季節(jié)分布特征下，播前底墑對(duì)冬小麥產(chǎn)量具有決定性作用，產(chǎn)量隨底墑線性增加。Guo等[16]在黃土高原雨養(yǎng)區(qū)的研究表明，7—9月降水量與次年冬小麥產(chǎn)量呈顯著相關(guān)關(guān)系。勞動(dòng)人民在長期生產(chǎn)中也積累了“麥?zhǔn)崭裟陦劇?、“三伏多雨好種麥”等寶貴經(jīng)驗(yàn)?？梢娦蓍e期充足的土壤貯水是黃土高原旱塬區(qū)冬小麥生產(chǎn)的重要保障，土壤水庫對(duì)保障和維持本區(qū)旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要作用[17-20]。

黃土高原土壤水分循環(huán)是較單一的降水下滲和蒸散上行過程[21-22]，因地下水埋深大部為50～100 m，一般可以不考慮入滲水分與地下水之間的相互作用[23]。王全九等研究表明，休閑期降水量對(duì)土壤水分的補(bǔ)給量有極顯著的影響。休閑期土壤水庫充水占主導(dǎo)地位，土壤貯水量顯著增加，即土壤水庫“水位”上升；從播種到收割，整個(gè)生長期土壤貯水量顯著下降，土壤水庫放水占主導(dǎo)地位[5-6,18]。黃土塬區(qū)冬小麥田在休閑期降水的轉(zhuǎn)化效率與生長季土壤水的消耗率呈現(xiàn)極顯著的指數(shù)相關(guān)，降水增加使得土壤水分的補(bǔ)給次數(shù)增多，減少了土壤水分的時(shí)空變異[19]。土壤水庫效應(yīng)的發(fā)揮受降水年型的影響較大，枯水年、平水年降水量雖少，但對(duì)土壤水分的補(bǔ)充作用較豐水年明顯[8]。而氣候變化背景下的水分時(shí)空動(dòng)態(tài)，尤其是脈沖式降水及其他極端天氣過程不確定性的增加，成為驅(qū)動(dòng)半干旱地區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的關(guān)鍵因子，導(dǎo)致黃土高原的水循環(huán)過程產(chǎn)生劇烈的變化[24-25]。

本研究選取位于隴東黃土高原中北部典型旱塬區(qū)的董志塬為研究區(qū)域，結(jié)合近40年田間定位觀測(cè)試驗(yàn)，重點(diǎn)分析休閑期降水與土壤水分的轉(zhuǎn)化特征及其影響因素，以期為黃土高原旱塬區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)概況

西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站為國家一級(jí)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，位于隴東黃土高原中北部的董志塬。董志塬為黃土高原最大的原面，黃土層厚達(dá)150～200 m，海拔1 200～1 400 m，地下水位50～100 m。該區(qū)屬大陸性半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，無霜期151.4 d，年日照時(shí)數(shù)為2 465 h，多年平均降水量555.3 mm，降水集中在 7—9月。土壤類型以黑壚和黃綿土為主，田間持水量在20.8%～24.2%，萎蔫系數(shù)在4.2%～5.4%。塬區(qū)總耕地面積6.1萬hm2，基本無灌溉條件，為典型旱作區(qū)，主要農(nóng)作物為冬小麥和春玉米。

1.2 資料及來源

1981—2020年土壤水分觀測(cè)資料和冬小麥生育期觀測(cè)資料均來源于西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站固定觀測(cè)地段，逐日氣象資料來源于甘肅省氣象信息中心。冬小麥生育期觀測(cè)時(shí)段為9月中、下旬(播種)至翌年6月下旬、7月上旬(收獲)，觀測(cè)方法均按《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》。本研究依據(jù)冬小麥平均生育期，確定以6月19日至9月28日為冬小麥休閑期，并以8月8日為界將休閑期分割為前期和后期。

1.3 土壤水分測(cè)定方法

土壤水分測(cè)定時(shí)段為每年3月上旬至11月上旬，每旬逢8日測(cè)定(8日、18日、28日)。其中1981—2014年采用土鉆法進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定，測(cè)定深度為100 cm，每間隔10 cm取一次樣土，測(cè)定4個(gè)重復(fù)，烘干法測(cè)定土壤含水量(%)；2015—2020年資料為經(jīng)標(biāo)定后投入業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀測(cè)定，選取每月逢8日0—100 cm共10個(gè)土層觀測(cè)資料。不同深度土壤水文常數(shù)為甘肅省氣象局每10 a測(cè)定1次，2000年以前只測(cè)容重和田間持水量，2000年以后開始測(cè)定凋萎濕度(表1)。

表1 2000-2020年西峰0-100 cm土壤水文常數(shù)

1.4 土壤水量計(jì)算方法

土壤貯水量：

W=h×a×b×10/100

(1)

式中:W為土壤貯水量(mm);h為土壤厚度(cm);a為土壤容重(g/cm3);b為土壤含水量(%)。

貯水效率[5]：

WSE=D/R×100%

(2)

式中:WSE為土壤貯水效率(%);D為某時(shí)期一定土層中增加的貯水量(mm);R為同時(shí)期降水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 休閑期降水特征

從圖1可知，1981—2020年黃土高原典型旱塬區(qū)冬小麥休閑期降水平均為333 mm，以14 mm/10 a的速率增加，但年際間差異較大，最多年份(2003年為565.5 mm)降水是最少年份(1991年132.7 mm)的4.3倍。20世紀(jì)80年代休閑期平均降水為341 mm，90年代最少，平均降水量為259 mm，21世紀(jì)以來降水呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中2001—2010年平均降水為357 mm，而2011—2020年平均降水達(dá)到近40 a最高值372 mm，較20世紀(jì)90年代增加113 mm。近40 a休閑期年平均降雨日數(shù)為40 d，其中年平均小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)分別為29 d，8 d，2 d，1 d，冬小麥休閑期以小雨和中雨為主，占降雨日數(shù)的92.4%。小雨日數(shù)和降雨總?cè)諗?shù)呈減少趨勢(shì)，中雨、大雨、暴雨日數(shù)均呈弱增加趨勢(shì)。降雨強(qiáng)度增加是休閑期降水量增加的主要原因。

圖1 1981-2020年休閑期降水量及降水日數(shù)

從休閑期內(nèi)降水分布來看，降水基本呈“雙峰型”分布(圖2)，分別在7月下旬和8月下旬達(dá)到峰值，同時(shí)期降水量分布比較離散，年際間差異較大，與降水年型密切相關(guān)。休閑期前期降水(167 mm)略多于后期降水(165 mm)。

圖2 1981-2020年休閑期不同時(shí)期平均降水量

2.2 休閑期土壤貯水特征

依據(jù)每10年測(cè)定的土壤水文常數(shù)計(jì)算，塬區(qū)1 m土層土壤水分達(dá)到凋萎濕度時(shí)的土壤貯水量為69～70.1 mm，達(dá)到田間持水量時(shí)的土壤貯水量為291～303 mm，也就是理論上1 m土層貯水量最多增加221～234 mm。由圖3可知，1981—2020年黃土旱塬區(qū)冬小麥田休閑期1 m土層呈明顯的充水過程，以9.5 mm/10 d的速率，貯水量平均增加97 mm。

圖3 1981-2020年休閑期不同時(shí)期1 m土層平均貯水增量

從圖1，圖4可以看出，受休閑期降水年型影響，不同年際間土壤貯水增量差異較大，2003年降水最多為565.5 mm，休閑期1 m土層貯水量從91.4 mm增加到310.1 mm，貯水量增加218.7 mm，基本達(dá)到1 m土層貯水量增加極限；而降水最少年1991年(132.7 mm)，休閑期前1 m土層貯水為249.2 mm，休閑期結(jié)束時(shí)為191.2 mm，消耗前期貯水58 mm。從年代際變化看，由于20世紀(jì)90年代降水最少，休閑期貯水量平均增加60 mm，而21世紀(jì)以來隨著降水增加，貯水量增加明顯，其中2001—2010年貯水量平均增加146 mm，而近10 a由于降水持續(xù)增加，休閑期前土壤貯水充足，休閑期內(nèi)1 m土層貯水量增加量有限，多余水分下滲到深層黃土中。休閑期庫存的土壤水在冬小麥生長期降水不足時(shí)提供保命水，對(duì)穩(wěn)定當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用[17-19]。

圖4 1981-2020年休閑期1 m土層貯水增量

2.3 休閑期降水與土壤貯水的轉(zhuǎn)化關(guān)系

大氣降水是黃土高原旱塬區(qū)土壤貯水的唯一來源，降水的量級(jí)、強(qiáng)度及時(shí)間配置均對(duì)土壤貯水有較大影響。從近40 a的1 m土層土壤水分定位觀測(cè)與同時(shí)期降水分析可知(圖5)，休閑期降水與1 m土層土壤貯水增量的轉(zhuǎn)化關(guān)系符合二元一次函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)達(dá)到0.514 3。當(dāng)休閑期降水量在175 mm時(shí)，降水較常年同期偏少5成左右時(shí)，土壤基本無有效水分貯存，按照水量平衡關(guān)系原理[8,22]，可認(rèn)為休閑期土壤平均蒸發(fā)量為175 mm，也可認(rèn)為休閑期1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm；當(dāng)降水小于該值時(shí)，土壤水庫通常表現(xiàn)為放水過程，即土壤蒸發(fā)消耗前期貯水，這種情況一般出現(xiàn)在極端干旱年。當(dāng)休閑期降水達(dá)到463 mm，1 m土層貯水增加可達(dá)到理論最高值146 mm；當(dāng)休閑期降水大于463 mm時(shí)，貯水量隨降水增加呈緩慢減少趨勢(shì)，這主要與麥?zhǔn)蘸笸寥缐勄楹屯寥浪窒聺B有關(guān)。

圖5 休閑期降水量(A)、中大雨日數(shù)(B)與1 m土層貯水增量關(guān)系

休閑期1 m土層土壤貯水增量不僅與休閑期降水總量關(guān)系密切，也與不同強(qiáng)度降水日數(shù)和降水時(shí)間分布關(guān)系較大(圖5B,表2)。休閑期貯水增量與降水總?cè)諗?shù)顯著相關(guān)，且隨降水強(qiáng)度增加相關(guān)性增加，與中、大雨總?cè)諗?shù)相關(guān)性最高，即25～50 mm日降水最利于土壤貯存水分，而小于10 mm的降水大部分被蒸發(fā)，不能被土壤存儲(chǔ)；當(dāng)中、大雨日數(shù)≥10 d時(shí)，降水總?cè)諗?shù)≥40 d時(shí)，休閑期貯水增量均在平均值以上。通過不同休閑期降水量與貯水增量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，前期降水和貯水增量相關(guān)性不高，后期降水和貯水增量相關(guān)性較高，說明休閑期前期降水主要以土壤蒸發(fā)消耗，后期降水則大部貯存于土壤中。

表2 不同等級(jí)雨量日數(shù)、不同時(shí)期降水量與休閑期1 m土層土壤貯水量的相關(guān)性

2.4 休閑期貯水效率及其影響因素

貯水效率表征休閑期大氣降水轉(zhuǎn)化為土壤水的效率特征，休閑期貯水效率主要與麥?zhǔn)蘸笸寥缐勄楹徒邓偭坑嘘P(guān)，同時(shí)還與地表覆蓋、耕作措施等關(guān)系密切。由于固定觀測(cè)地段休閑期麥田未作任何覆蓋或耕作處理，本文主要分析麥?zhǔn)蘸笸寥缐勄楹托蓍e期內(nèi)降水與貯水效率的關(guān)系。近40 a黃土典型旱塬區(qū)冬小麥田休閑期1 m土層土壤貯水效率為0.27，最高可達(dá)0.53(2005年)，最低值為-0.44(1991年)。

從圖6A可知，休閑期土壤貯水效率隨著麥?zhǔn)諘r(shí)土壤貯水量的增加而線性遞減，當(dāng)麥?zhǔn)諘r(shí)1 m土層貯水量大于215 mm時(shí)，即大于田間持水量的71%～74%時(shí)，貯水效率為負(fù)值；麥?zhǔn)諘r(shí)1 m土層貯水量小于136 mm時(shí)，即小于田間持水量的45%～48%時(shí)，貯水效率較高，均在0.3以上。休閑期降水量與土壤貯水效率存在二次函數(shù)關(guān)系(圖6B)，當(dāng)休閑期降水量小于175 mm時(shí)，貯水效率為負(fù)值；當(dāng)休閑期降水量大于388 mm時(shí)，1 m土層貯水效率隨降水量增加而降低，表明當(dāng)休閑期降水大于388 mm時(shí)，降水向更深層土壤下滲，由此認(rèn)為休閑期隴東黃土高原1 m土層土壤水分得到充分補(bǔ)充的降水閾值為388 mm。

圖6 麥?zhǔn)諘r(shí)1 m土層貯水量、休閑期降水量與貯水效率關(guān)系

3 討 論

休閑期降水對(duì)黃土旱塬區(qū)作物生長與土壤貯水有很大影響，所以充分利用夏閑期降水尤其重要。李廷亮等[26]指出夏閑期降水可補(bǔ)充晉南旱地麥田2 m土層冬小麥生長季所消耗的水分，貯水量隨降水量增加而增加，195.7 mm的降水量主要恢復(fù)了淺層土壤水分，357～400 mm的降水量恢復(fù)了0—120 cm土層土壤水分。廖允成等[27]研究表明，黃土旱塬夏閑期降水量超過350 mm時(shí)，可使2 m土層土壤水分得到較好恢復(fù)。劉朋召等[18]利用渭北旱塬區(qū)連續(xù)3 a冬小麥定位試驗(yàn)研究表明，休閑期降雨與播前底墑呈線性相關(guān)，每增加1 mm夏季降雨，2 m土層底墑增加0.9 mm，冬小麥籽粒產(chǎn)量與休閑期降雨相關(guān)性最高。本研究結(jié)果表明，休閑期降水量與1 m土層貯水增量存在二次函數(shù)關(guān)系，貯水增量隨著降水增加而增加，降水增幅達(dá)到一定程度，貯水增量變小，1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm，土壤水分得到充分補(bǔ)充的降水閾值為388 mm。研究結(jié)果趨勢(shì)基本一致，差異主要與樣本資料時(shí)序長短和土層厚度不同有關(guān)。

休閑期貯水效率與麥?zhǔn)蘸笸寥缐勄楹托蓍e期降水總量關(guān)系密切。王全九等[28]研究表明，收獲期土壤水分虧缺度在43.68%～52.63%之間時(shí)土壤水分的補(bǔ)給系數(shù)較高(51.84%～67.42%)，且二者存在良好的冪函數(shù)關(guān)系。本研究表明，休閑期土壤貯水效率隨著麥?zhǔn)諘r(shí)土壤貯水量的增加而線性遞減，當(dāng)麥?zhǔn)諘r(shí)1 m土層貯水量小于田間持水量的45%～48%時(shí)，貯水效率較高，整體趨勢(shì)比較吻合。李廷亮等[26]研究表明晉南旱地2009—2011年麥田2 m土層休閑效率為6%～27%，本研究結(jié)果為隴東黃土高原近40 a夏季休閑期平均土壤貯水效率為0.27，變化幅度在-0.44～0.53之間，研究結(jié)果較為一致。

休閑期降水對(duì)黃土高原冬小麥生產(chǎn)至關(guān)重要，如何保蓄天上水，合理用好地下水，是確保旱作冬小麥可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。許多學(xué)者在休閑期地表覆蓋[29]、耕作措施[30-31]和水肥管理等[18,32]方面做了大量試驗(yàn)研究[29-32]，研究結(jié)果均表明，通過一定的覆蓋栽培模式、耕作模式、施肥模式，對(duì)土壤蓄水保墑及小麥水分利用效率提高均有顯著影響，而這些措施效果均與休閑期降水關(guān)系密切。本研究利用隴東黃土高原旱作麥田40 a定位觀測(cè)，分析降水量級(jí)、強(qiáng)度及時(shí)間配置與土壤貯水的關(guān)系，以期為各種覆蓋、耕作和水肥管理措施的應(yīng)用能提供一定的理論支撐。

4 結(jié) 論

(1) 近40 a隴東黃土高原休閑期降水以14 mm/10 a的速率增加，但年際間差異較大。降雨總?cè)諗?shù)和小雨日數(shù)呈減少趨勢(shì)，中雨、大雨日數(shù)呈弱增加趨勢(shì)。降雨強(qiáng)度增加對(duì)休閑期降水量增加的貢獻(xiàn)較大。

(2) 休閑期1 m土層呈明顯的充水過程，以9.5 mm/10 d的速率增加，貯水量平均增加97 mm，受休閑期降水年型影響，不同年際間差異較大。從年代際變化看，20世紀(jì)90年代降水最少，休閑期貯水增量最少，而21世紀(jì)以來隨著降水增加，貯水量增加明顯。

(3) 休閑期降水與1 m土層土壤貯水量的轉(zhuǎn)化關(guān)系符合二次函數(shù)關(guān)系模型，休閑期1 m土層開始貯存水分的降水閾值為175 mm，當(dāng)休閑期降水達(dá)到463 mm時(shí)，1 m土層貯水增量可達(dá)到理論最高值146 mm。貯水增量與降水總?cè)諗?shù)顯著相關(guān)，與中、大雨總?cè)諗?shù)相關(guān)性最高。休閑期前期降水主要以土壤蒸發(fā)消耗，后期降水則大部貯存于土壤中。

(4) 近40 a黃土旱塬區(qū)冬小麥田休閑期1 m土層貯水效率為0.27，主要與麥?zhǔn)蘸笸寥缐勄楹徒邓偭坑嘘P(guān)。貯水效率隨著麥?zhǔn)諘r(shí)土壤貯水量的增加而線性遞減，當(dāng)麥?zhǔn)諘r(shí)1 m土層貯水量小于136 mm時(shí)，即小于田間持水量的45%～48%時(shí)，貯水效率較高；休閑期降水量與土壤貯水效率也存在二次函數(shù)關(guān)系，1 m土層土壤水分得到充分補(bǔ)充的降水閾值為388 mm。