華北平原冬小麥-夏玉米種植體系周年水分高效利用研究進(jìn)展

張金鑫 葛均筑 馬 瑋 丁在松 王新兵 李從鋒 周寶元,* 趙 明,*

綜述

華北平原冬小麥-夏玉米種植體系周年水分高效利用研究進(jìn)展

張金鑫1,2葛均筑2馬 瑋1丁在松1王新兵1李從鋒1周寶元1,*趙 明1,*

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;2天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院, 天津 300384

在保證周年較高產(chǎn)量的同時(shí), 進(jìn)一步提高水分利用效率是促進(jìn)華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植體系可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)中晚期開始國(guó)內(nèi)學(xué)者便從節(jié)水灌溉技術(shù)創(chuàng)新、灌溉制度優(yōu)化、替代節(jié)水種植制度構(gòu)建和節(jié)水抗旱新品種選育等方面開展了以冬小麥-夏玉米兩熟種植體系為核心的周年水分高效利用途徑的探索, 取得了重要進(jìn)展, 顯著提高了作物水分利用效率(WUE)。本文綜述了華北平原冬小麥-夏玉米種植體系水分高效利用的研究進(jìn)展, 并提出了通過耕作或播/收期調(diào)控冬小麥-夏玉米周年降水與地下水平衡利用, 促進(jìn)周年水分(灌溉水和降水)高效利用的技術(shù)途徑, 以充分挖掘華北平原水分生產(chǎn)潛力, 為該區(qū)冬小麥-夏玉米種植體系節(jié)水高產(chǎn)栽培及節(jié)水種植制度建立提供思路和依據(jù)。

冬小麥-夏玉米; 節(jié)水灌溉; 節(jié)水種植; 節(jié)水品種; 平衡利用

華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū), 冬小麥-夏玉米一年兩熟是該區(qū)主要種植模式, 其中小麥、玉米產(chǎn)量分別占全國(guó)總產(chǎn)的75%和35%左右[1], 促進(jìn)該區(qū)小麥和玉米持續(xù)增產(chǎn)對(duì)保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)民增收具有重要意義。然而, 華北平原水資源不足, 特別是近年來受氣候變化影響, 該區(qū)水資源緊缺與糧食持續(xù)增產(chǎn)需求的矛盾日益突出, 已成為冬小麥-夏玉米種植體系可持續(xù)發(fā)展的第一限制性因素[2]。因此, 保證高產(chǎn)的同時(shí), 最大限度的提高水分利用效率(WUE)一直以來是華北平原冬小麥-夏玉米種植體系面臨的重要挑戰(zhàn)之一。從20世紀(jì)80年代開始, 我國(guó)農(nóng)業(yè)工作者便在農(nóng)田水平上開展了作物需/耗水量與作物WUE的研究, 雖然在作物缺水生長(zhǎng)機(jī)制和新型灌溉技術(shù)等方面取得了一定的研究進(jìn)展, 但涉及作物品類較少, 大都圍繞單一環(huán)境因素如何影響作物WUE, 缺乏從內(nèi)外因素上系統(tǒng)性地分析作物WUE機(jī)制。隨著近年來氣候變化的加劇和人們對(duì)糧食需求的增強(qiáng), 冬小麥-夏玉米體系水分高效利用已不是單一作物層面的研究, 而是自然與人工等多因素互作的研究。近年來, 研究人員從節(jié)水灌溉技術(shù)及設(shè)備研發(fā)、種植制度替代與優(yōu)化、節(jié)水高產(chǎn)品種選育等角度開展了大量研究, 取得了一系列成果, 在一定程度上提高了華北平原冬小麥-夏玉米種植體系水分利用效率。本文總結(jié)了華北平原冬小麥-夏玉米水分高效利用方面的研究進(jìn)展和研究成果, 并從兩季水資源(降雨和灌水)分配及周年水分供應(yīng)與消耗平衡角度, 提出了通過耕作或播/收期調(diào)控實(shí)現(xiàn)冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)和水分高效利用的技術(shù)途徑, 以期為推動(dòng)該區(qū)糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 冬小麥-夏玉米種植體系水分利用現(xiàn)狀

華北平原處于半干旱、半濕潤(rùn)氣候帶, 由于受大陸性季風(fēng)氣候影響, 水資源較為緊缺, 是我國(guó)水資源供需壓力最大的區(qū)域之一[3]。該區(qū)年平均降水量為554 mm, 年平均蒸發(fā)量約為1550 mm[4], 降水量年內(nèi)分布不均且變化較大, 特別是近年來受全球氣候變化影響, 氣溫逐年上升的同時(shí)降雨量卻逐年減少。1983—2013年數(shù)據(jù)表明[5], 該區(qū)氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(每10年0.20℃), 降水整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(每10年–1.75 mm)。另外, 華北平原地下水資源也不足。經(jīng)調(diào)查[4], 華北平原天然地下水量為每年2.274×1010m3, 淺層和深層地下水可開采量分別為每年1.683×1010m3和2.42×109m3, 深層地下水水位低于海平面的范圍已達(dá)7.67×104km2, 約占平原區(qū)總面積的一半。20世紀(jì)70年代以來, 隨著鹽堿地改良和農(nóng)田水利建設(shè)等項(xiàng)目的大量開展, 農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致地下水開采量急劇增加, 達(dá)到地下水總開采量的79%。由于長(zhǎng)期抽取地下水用以灌溉, 導(dǎo)致地下水位快速降低, 平均每年下降0.5～1.0 m, 從而造成了嚴(yán)重的地面沉降和地裂現(xiàn)象[6], 地下水漏斗面積和體積逐年擴(kuò)大加深并呈復(fù)合連片趨勢(shì), 總面積由2005年的0.97萬公頃增大至2019年的1.4萬公頃[7]。華北平原成為全世界最大的“地下水漏斗”和水環(huán)境最為脆弱的地區(qū)。

當(dāng)前, 華北平原農(nóng)作物輪作方式主要為冬小麥和夏玉米一年兩熟, 其種植面積超過總耕地面積的80%[4]。冬小麥-夏玉米的需水量與自然降雨量之間的較大差異, 及降雨季節(jié)間不均衡分布, 是造成該體系降雨利用效率低、過度消耗地下水的主要原因[8-9]。華北平原年降雨量在500～800 mm左右, 而每年冬小麥-夏玉米體系的水分消耗在870 mm左右, 且降雨大部分集中在6月至8月(夏玉米季), 平均只有20%～30%的降雨(174～261 mm)在冬小麥季[9]。然而, 小麥季每年水分消耗在450 mm以上[10], 僅憑自然降雨無法滿足生長(zhǎng)需求, 冬小麥灌溉主要依靠抽取地下水, 其灌溉用水占華北平原灌溉用水總量的70%左右。對(duì)此, 近年有報(bào)道[11]表明, 在小麥季澆水2次(每次75 mm), 即可取得較高水分生產(chǎn)力, 有望緩解灌溉水短缺問題。

除地下水資源本身緊缺外, 灌溉方式落后與用水管理不當(dāng)也導(dǎo)致了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi), 降低了水資源的利用效率。2021年我國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.568, 這也意味著約有2/5的水分沒有被作物充分利用[12-13], 較節(jié)水發(fā)達(dá)國(guó)家0.7～0.8還有一定差距。小麥、玉米和水稻的水分利用效率平均分別為1.19、2.04和0.80 kg m–3, 僅相當(dāng)于美國(guó)的96%、70%和57%, 同時(shí), 我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占總用水量的62.3%, 而發(fā)達(dá)國(guó)家這一比例多低于50%[14]。

總體上, 目前華北平原水資源不足但需水量大的現(xiàn)狀沒有改變。雖然經(jīng)過持續(xù)數(shù)年的南水北調(diào)工程和地下水超采治理, 在一定程度上遏制了地下水位的下降, 使該區(qū)淺層地下水增加32.4億立方米, 但深層地下水仍減少15.3億立方米[15]。因此, 在氣溫逐年升高、降水逐年減少、深層地下水仍然匱乏、產(chǎn)量需求不斷升高等多重因素的影響下, 華北平原的農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻。

2 冬小麥-夏玉米種植體系水分高效利用研究成果

從20世紀(jì)中晚期開始, 國(guó)內(nèi)大量學(xué)者便從節(jié)水灌溉技術(shù)和灌溉制度創(chuàng)新、替代節(jié)水種植制度構(gòu)建和節(jié)水抗旱新品種選育等方面開展了冬小麥-夏玉米周年水分高效利用途徑的探索, 取得了一批有代表性的成果, 在一定程度上提高了該區(qū)水分利用效率。

2.1 冬小麥-夏玉米節(jié)水灌溉技術(shù)

在水資源緊缺的條件下, 有效管理灌溉用水是解決水資源短缺的主要對(duì)策之一。Chen等[16]運(yùn)用多種分析方法研究發(fā)現(xiàn), 對(duì)于單位面積灌溉用水量, 華北地區(qū)主要受灌溉技術(shù)、用水結(jié)構(gòu)和種植規(guī)模的影響。近年來研究實(shí)踐表明, 根層干濕交替灌溉[17]、虧缺灌溉[18]、限制性灌溉[19]和滴灌[13]等發(fā)展迅速的節(jié)水灌溉技術(shù)可以減少灌水量的同時(shí)提高水分利用效率(表1)。

表1 冬小麥-夏玉米節(jié)水灌溉技術(shù)

↑表示節(jié)水技術(shù)效果指標(biāo)與對(duì)照比提高; ↓表示節(jié)水技術(shù)效果指標(biāo)與對(duì)照比下降。

↑indicates the increasing of water saving technology indexes compared with control; ↓indicates the decreasing of water saving technology indexes compared with control.

Li等[20]和Sun等[21]研究表明, 適度灌溉有利于減少小麥整個(gè)生育期的耗水量, 從而提高水分利用效率。王東[22]發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)冬小麥全生育期高水分利用效率的最佳灌水量為101.8 mm, 且采用按需補(bǔ)灌方式不僅能保持高產(chǎn)優(yōu)勢(shì), 還能節(jié)約灌溉用水20%～ 32%。閆麗霞等[23]研究表明, 依據(jù)小麥不同生育階段的需水規(guī)律, 拔節(jié)期、開花期依據(jù)測(cè)定的0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至65%土壤相對(duì)含水量, 是同步實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與節(jié)水的有效措施。Kang等[17]對(duì)盆栽玉米進(jìn)行了灌溉試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)利用CAPRI技術(shù)使作物部分根系暴露在干燥的土壤中, 并以一定頻率交替灌溉根系濕潤(rùn)側(cè)與干燥側(cè), 一方面誘導(dǎo)作物持續(xù)產(chǎn)生干燥信號(hào), 促進(jìn)部分氣孔關(guān)閉以減少水分散失, 另一方面通過濕潤(rùn)側(cè)根系持續(xù)吸收水分, 促使次生根的形成, 加強(qiáng)對(duì)水分的吸收利用, 且兩側(cè)交替灌溉后易誘發(fā)生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 半根區(qū)交替灌溉減少了34.4%～36.8%的用水量, 總生物量?jī)H減少了6%～11%, WUE提高了19.57%～28.77%。目前該技術(shù)多用于須根系作物, 主要應(yīng)用在溫室及盆栽種植中, 為實(shí)際大田生產(chǎn)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)與良好思路。Zhang等[18]對(duì)冬小麥和玉米的研究表明, 虧缺灌溉(或限制性灌溉)通過對(duì)作物不同生育時(shí)期的需水量進(jìn)行灌溉定額, 在不嚴(yán)重影響產(chǎn)量的條件下盡量減少灌水, 以達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)通過誘發(fā)作物根系深層扎根, 使作物能夠吸收深層水分。與完全灌溉相比, 僅澆一水條件下WUE提高了24%～30%, 產(chǎn)量?jī)H損失15%, 顯著改善了作物對(duì)水分的吸收與利用能力。該技術(shù)于20世紀(jì)80年代在美國(guó)中部平原地區(qū)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)Kang等[24]學(xué)者也對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究, 該技術(shù)在華北平原等水資源緊缺地區(qū)具有良好的發(fā)展意義與前景。

滴灌或微噴灌等節(jié)水灌溉新技術(shù), 近年來逐漸在華北平原冬小麥生產(chǎn)中應(yīng)用[25]。滴灌通過精確控制灌水量, 按照作物生長(zhǎng)需求, 定量、定時(shí)供給水分并輸送到作物根系附近, 使得根系可以持續(xù)不斷地吸收水分, 能夠顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用率并減少?gòu)搅鞯葻o效水分消耗。程蓮[26]對(duì)不同灌溉模式下的小麥進(jìn)行了試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)與漫灌相比, 滴灌用水量減少29%, 產(chǎn)量卻增加了37%, 水分利用效率增加了92.2%, 經(jīng)濟(jì)效益明顯。美國(guó)水管理研究實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了跨度15年的地下滴灌試驗(yàn)[27], 數(shù)據(jù)表明在地下滴灌(SDI)條件下, 甜玉米等多種作物的產(chǎn)量和用水效率均有顯著提高。楊明達(dá)[13]研究發(fā)現(xiàn), 與地表滴灌相比, 在水分虧缺條件下使用地下滴灌方式使得冬小麥的產(chǎn)量增加約5.8%～12.5%, 夏玉米產(chǎn)量增加約3.4%～19.9%, 灌水量分別平均降低7.0%～13.9%和1.6%～11.4%, 水分利用效率提高4.9%～8.6%, 同時(shí)能有效減少土面蒸發(fā), 提高灌溉均勻度, 具備節(jié)水和增產(chǎn)雙潛力。滴灌技術(shù)目前在以色列等中東國(guó)家和地區(qū)發(fā)展較快, 應(yīng)用面積較廣, 且已在我國(guó)西北、東北等地區(qū)應(yīng)用多年, 在棉花等經(jīng)濟(jì)作物上取得了良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益, 也為華北地區(qū)未來澆灌模式探索提供了參考。微噴帶灌溉是在噴灌和滴灌基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型灌溉方式, 利用微噴帶將水均勻地噴灑在田間, 設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)單、廉價(jià)。張英華等[28]研究表明, 小麥拔節(jié)期和開花期進(jìn)行微噴補(bǔ)灌具有按需補(bǔ)給、精確灌溉優(yōu)勢(shì), 微噴補(bǔ)灌后產(chǎn)量提高了5.3%～18.9%, 水分利用效率提高了5.3%～27.8%, 灌溉水分布均勻系數(shù)87.9%～97.0%, 減少灌水21.0%～54.2%。Man等[29]也發(fā)現(xiàn)采用微噴管補(bǔ)灌的方式能改變0～40 cm土壤水分的分布, 有助于小麥WUE和干物質(zhì)產(chǎn)量的提升。董志強(qiáng)等[30]進(jìn)行的微噴灌試驗(yàn)表明, 在同等產(chǎn)量水平下, 微噴灌較傳統(tǒng)畦灌模式在平水年與枯水年的年節(jié)水潛力分別為20～50 mm和70～110 mm, 可在我國(guó)華北水資源匱乏地區(qū)因地制宜推廣應(yīng)用。

然而, 雖然根層干濕交替灌溉、虧缺灌溉、限制性灌溉、滴噴灌和按需補(bǔ)灌等方式, 能夠較大幅度提高水資源利用效率[2], 但為保證小麥高產(chǎn)仍需250 mm以上的灌溉水, 不可避免地導(dǎo)致地下水過度消耗, 最終還是會(huì)在一定程度上導(dǎo)致地下水位的下降[8]。

2.2 冬小麥-夏玉米節(jié)水灌溉制度

除應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)外, 通過減少灌水量、精準(zhǔn)調(diào)控灌溉時(shí)期與灌水量、澆灌微咸水等優(yōu)化灌溉制度也是重要的節(jié)水途徑。張喜英等[31-32]研究發(fā)現(xiàn), 冬小麥在水分不足時(shí)可以通過優(yōu)化灌溉制度提高生物量,在產(chǎn)量損失不大時(shí)能夠有效節(jié)約灌溉水。與充分灌溉模式相比, 最小灌溉模式總產(chǎn)量在僅減少28%的同時(shí)節(jié)約69%的灌溉水, 作物WUE提高13%。此外, 非充分灌溉可使冬小麥早熟, 夏玉米早播, 進(jìn)而增加玉米季產(chǎn)量, 且有利于機(jī)械化脫粒收獲[31,33]。Zhou等[34]進(jìn)一步研究表明, 非充分灌溉結(jié)合秸稈覆蓋或地膜覆蓋壟和秸稈覆蓋溝在6年里節(jié)約了約350 mm灌溉水, 產(chǎn)量也取得了提高。Wang等[35]發(fā)現(xiàn)采用冬小麥播種后不灌溉, 夏玉米播種后減少灌水量的方法可以顯著節(jié)約水資源并且取得相近的產(chǎn)量。王慧軍等[32]探索了冬小麥的雨養(yǎng)旱作模式, 結(jié)果表明其產(chǎn)量相比于充足灌溉降低34%, 耗水降低了45%; Zhang等[31,36]研究結(jié)果也與其相近, 完全雨養(yǎng)模式產(chǎn)量降低50%以上。Han等[37]發(fā)現(xiàn)在冬小麥拔節(jié)和抽穗期進(jìn)行灌溉, 使得前茬冬小麥與后茬夏玉米均取得較優(yōu)的WUE和籽粒產(chǎn)量。Yang等[38]進(jìn)一步明確了在冬小麥期和夏玉米期分別澆灌2次和1次(單次灌水量75 mm)的灌溉制度, 有效提高了作物WUE并緩解了地下水位的下降。王志敏等[39]通過調(diào)整灌溉次數(shù), 利用晚播、增苗、縮行、減灌、精種、調(diào)肥等技術(shù)的實(shí)施增加下層土壤水分吸收速率并提高周年水分利用率, 建立了小麥高產(chǎn)、高效、低耗和簡(jiǎn)化“四統(tǒng)一”技術(shù)。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)探明了海河平原高產(chǎn)小麥玉米農(nóng)田耗水特征, 明確了節(jié)水灌溉技術(shù)原理, 建立了麥田墑情監(jiān)測(cè)指標(biāo), 創(chuàng)新了小麥、玉米兩熟“減灌降耗提效”水分高效利用綜合技術(shù), 小麥減灌1～2次, 每公頃節(jié)水750 m3以上, 形成了“海河平原小麥玉米兩熟豐產(chǎn)高效關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”成果, 獲2011年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。還有報(bào)道表明[40-41], 使用微咸水在冬小麥拔節(jié)期澆灌一次即可取得與淡水類似的效果, 有效利用了華北平原豐富的地表淺層微咸水。Soothar等[42]進(jìn)行的咸淡交替灌溉也表明其適用于華北地區(qū)冬小麥澆灌, 是未來較有前途的選擇之一。

不同灌溉制度雖然能在一定程度上節(jié)約灌水, 穩(wěn)定產(chǎn)量, 但實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的制約因素。最小灌溉模式能夠在水資源短缺地區(qū)取得較優(yōu)收益,但目前關(guān)于長(zhǎng)期少灌是否影響土壤物理、化學(xué)與生物特性, 從而逐步造成地力下降的報(bào)道較少, 是需要未來重點(diǎn)關(guān)注的問題。雨養(yǎng)旱作模式對(duì)氣象條件和旱作技術(shù)要求較高, 實(shí)際使用中受不可控因素影響較大, 一旦出現(xiàn)重大天氣因素影響, 易導(dǎo)致大量減產(chǎn)。以“減灌降耗提效”為例, 通過調(diào)整灌溉次數(shù)與灌溉時(shí)期, 精確評(píng)估作物不同時(shí)期需水量而進(jìn)行定額澆灌的灌溉制度是目前的研究熱點(diǎn), 該制度能夠確保經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益兼得, 發(fā)展此類灌溉制度, 對(duì)華北平原地區(qū)乃至全國(guó)部分糧食主產(chǎn)區(qū)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與發(fā)展前景。

綜上, 目前華北平原地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)已研究并推廣多年, 但地下水資源持續(xù)惡化的現(xiàn)實(shí)問題并沒有得到有效解決。另外, 實(shí)際應(yīng)用中, 不同節(jié)水灌溉技術(shù)與灌溉制度也存在一些缺點(diǎn), 如地形環(huán)境因素制約、經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)要求高、應(yīng)用費(fèi)效比低等問題, 導(dǎo)致實(shí)際推廣應(yīng)用程度較低?？偠灾? 未來我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)現(xiàn)狀,發(fā)展普及性輸灌節(jié)水技術(shù), 明確灌水量和灌水時(shí)期的匹配, 加強(qiáng)節(jié)水灌溉技術(shù)與節(jié)水灌溉制度的結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉是未來對(duì)于冬小麥-夏玉米體系周年水分高效利用的切實(shí)道路。

2.3 冬小麥-夏玉米替代節(jié)水種植制度

我國(guó)農(nóng)業(yè)用水利用效率不高的主要原因是灌溉用水缺乏科學(xué)調(diào)配與控制分配, 其次是種植結(jié)構(gòu)不合理[14]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家注重灌溉農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 由灌溉用水資源緊缺的地區(qū)轉(zhuǎn)移到水資源豐富的地區(qū)。例如, 在20世紀(jì)80年代之前美國(guó)有85%的灌溉面積在西部, 15%在東部; 而在90年代有77%的灌溉面積在西部, 23%在東部。目前, 冬小麥-夏玉米一年兩熟是華北平原主要糧食作物的種植制度, 雖然該種植制度有效解決了該區(qū)糧食短缺的問題, 但也造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[43]。當(dāng)前華北地區(qū)地下水超采與高產(chǎn)農(nóng)業(yè)種植制度密切相關(guān), 這種條件下即使采用最小灌溉策略也會(huì)導(dǎo)致地下水位的不斷下降[44]。大量研究表明, 作物WUE隨著作物結(jié)構(gòu)調(diào)整與氣候變化而變化, 通過改變種植制度從而降低耗水量也是重要節(jié)水策略[45-46]。隨著黃淮海地區(qū)近50年來降水的不斷減少, 迫切需要尋找合適的種植制度替代傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米兩熟種植制度, 有效減緩或停止地下水位進(jìn)一步下降[47]。

Gao等[48]通過對(duì)冬小麥-夏玉米常規(guī)種植制度及4種替代種植制度研究, 發(fā)現(xiàn)兩年三熟(W/M-M)制度能在保證產(chǎn)量的前提下緩解地下水位迅速下降的窘迫狀況。但一些研究認(rèn)為, 采用一年一熟春玉米單作和冬小麥-夏玉米→春玉米兩年三熟等冬小麥-夏玉米一年兩熟的替代種植制度能起到很好的節(jié)水效果[8], 但年均產(chǎn)量卻低于冬小麥-夏玉米種植體系[49]。鄭媛媛等[50]在河北景縣進(jìn)行了不同種植制度條件下的節(jié)水試驗(yàn), 試驗(yàn)表明春玉米-冬小麥-夏玉米兩年三熟, 春玉米-夏玉米一年兩熟和單季玉米等種植制度能減少452～753 mm耗水量, 提高作物WUE, 但經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)量降低約20%～50%。周寶元等[51]和李立娟等[52]研究均表明, 與冬小麥-夏玉米模式相比, 雙季玉米體系具有較高的周年輻射及降水生產(chǎn)效率, 籽粒光能利用效率及總生物量, 可作為黃淮海區(qū)種植模式優(yōu)化布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐; Wang等[53]通過分析不同積溫需求的雙季玉米品種, 進(jìn)一步優(yōu)化確定了華北平原雙季玉米系統(tǒng)的最佳組合。

以上不少學(xué)者通過分析對(duì)比不同替代節(jié)水種植模式的優(yōu)劣性, 探討華北平原替代種植制度可能性, 發(fā)現(xiàn)替代種植制度受環(huán)境因素影響大, 未來發(fā)展?jié)摿^為有限。同時(shí), 考慮到小麥作為口糧對(duì)于保障國(guó)家糧食安全的重要性, 冬小麥-夏玉米一年兩熟種植體系仍是華北平原主要種植模式, 其他替代節(jié)水種植模式可作為有益補(bǔ)充, 降低種植模式單一導(dǎo)致小麥及玉米易受水分短缺等因素影響而減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此, 未來華北平原節(jié)水研究應(yīng)仍以冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式為主, 以最大化利用周年降水資源為核心, 開展周年降水資源優(yōu)化配置及高效利用研究。

2.4 冬小麥-夏玉米節(jié)水高產(chǎn)品種選育與應(yīng)用

作物的品種很大程度上決定著產(chǎn)量的多少和水分利用效率的高低[54]。隨著華北平原水分短缺危機(jī)的加劇, 節(jié)水高產(chǎn)品種的選育顯得愈發(fā)重要, 作物抗旱耐旱育種轉(zhuǎn)向水分高效利用育種勢(shì)在必行。董寶娣等[55]選用石家莊8號(hào)、晉麥47等19個(gè)黃淮海冬麥區(qū)大面積推廣的品種進(jìn)行試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)不同冬小麥品種的耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率之間存在一定差異, 產(chǎn)量相差最大達(dá)44.86%, 水分利用效率相差可達(dá)42.18%。高繁等[56]對(duì)鄭單958、屯玉808等10個(gè)玉米品種進(jìn)行試驗(yàn), 研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量越高的品種水分利用效率越高, 選用以鄭單958為例的耐密型高產(chǎn)品種是玉米實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)的有效途徑。李源方等[57]研究表明, 綜合產(chǎn)量和水分利用效率, 泰科麥30+鄭單958為黃淮海地區(qū)最優(yōu)麥玉品種組合。

除遴選現(xiàn)有節(jié)水高產(chǎn)品種外, 通過作物遺傳改良選育新品種也是研究熱點(diǎn)[58]。據(jù)報(bào)道[59], 科研人員已經(jīng)克隆了數(shù)百個(gè)在干旱條件下被誘導(dǎo)產(chǎn)生的基因, 得到了不少耐旱的轉(zhuǎn)基因植株, 使得人類在分子水平上對(duì)干旱過程有了初步的理解。孫蕊等[54]認(rèn)為應(yīng)根據(jù)生長(zhǎng)氣候環(huán)境來篩選適宜環(huán)境的冬小麥基因型, 篩選分蘗能力強(qiáng)、水分利用效率高和抗逆性強(qiáng)的冬小麥品種, 且目前已從小麥上分離得到7個(gè)關(guān)于水分脅迫信息傳遞和調(diào)節(jié)氣孔反應(yīng)的化學(xué)信使ABA的應(yīng)答基因和克隆了150多個(gè)受ABA調(diào)控的基因。趙小強(qiáng)等[60]在8種水旱環(huán)境下進(jìn)行了相關(guān)QTL定位, 分析QTL×E及上位性互作位點(diǎn), 檢測(cè)到了6個(gè)相應(yīng)葉葉面積sQTL, 于此區(qū)間挖掘到了12個(gè)調(diào)控玉米葉發(fā)育相關(guān)候選基因, 為選育節(jié)水抗旱玉米品種提供了參考。張娟等[61]從生理機(jī)制、生理遺傳兩方面綜述了節(jié)水抗旱小麥遺傳育種研究進(jìn)展, 表明應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)量為目標(biāo), 綜合多種生理指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行品種選育, 同時(shí)運(yùn)用基因定位技術(shù)輔助研究, 從而培育優(yōu)良品種。

如前所述, 當(dāng)今麥玉一年兩熟模式中受水分因素影響最大的作物是小麥, 相關(guān)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了多年的研究與改良。目前, 不少節(jié)水高產(chǎn)品種已經(jīng)投入生產(chǎn)實(shí)踐。肖永貴等[62]研究表明, 高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)節(jié)水小麥新品種“中麥1062”在春季只澆一水條件下, 即可取得8397.0 kg hm–2產(chǎn)量。石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院育成的石麥15、石麥22等石麥系列品種具備較強(qiáng)的節(jié)水抗旱能力, 在河北省不同時(shí)期發(fā)揮了重要作用[63]。山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所[64]育成的金麥919在2016—2018年度生產(chǎn)試驗(yàn)中表現(xiàn)出抗旱節(jié)水、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn), 在澆一水條件下年產(chǎn)量可達(dá)6000～7500 kg hm–2。

自20世紀(jì)80年代以來, 我國(guó)小麥節(jié)水抗旱品種的選育已經(jīng)由早期抗旱性指標(biāo)的鑒定與選擇工作轉(zhuǎn)向?yàn)榻陙淼臒狳c(diǎn)“高WUE”育種。綜上所述, 雖然目前相關(guān)學(xué)者取得了一些成果, 但選育和應(yīng)用優(yōu)質(zhì)節(jié)水高產(chǎn)品種仍是我國(guó)未來節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要途徑和研究方向。由于華北平原自然條件限制, 未來高WUE型小麥選育應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)量為最高目標(biāo), 以WUE為重要導(dǎo)向, 以光合作用、滲透調(diào)節(jié)、激素水平等生理指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行品種選育。與此同時(shí), 品種選育中還存在一些問題亟待解決, 如常規(guī)育種占據(jù)重要地位而分子設(shè)計(jì)育種仍處在輔助階段; 控制小麥節(jié)水與高產(chǎn)的多基因互作問題仍需深入研究; 節(jié)水性與抗病性/豐產(chǎn)性間往往存在矛盾, 需要取舍; 作物優(yōu)良基因庫(kù)和種質(zhì)庫(kù)仍需擴(kuò)大補(bǔ)充; 抗旱/節(jié)水基因效應(yīng)與其作用機(jī)理仍需進(jìn)一步探明; 創(chuàng)建并積累基因數(shù)據(jù)庫(kù), 為未來育種工作提供技術(shù)基礎(chǔ)與潛在途徑。

3 冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用途徑探索

前人關(guān)于華北平原冬小麥-夏玉米種植體系節(jié)水灌溉技術(shù)、替代節(jié)水種植制度和節(jié)水抗旱新品種選育等方面進(jìn)行了大量的研究探索, 取得了重要進(jìn)展, 在一定程度上大大提高了作物水分利用效率。然而, 這些研究大都圍繞單一作物開展水分高效利用機(jī)制及節(jié)水技術(shù)研究, 由于氣候變化加劇了降水的不均衡分布, 使得單一作物進(jìn)一步節(jié)水的潛力有限。近年來一些研究證明, 從品種搭配、播/收期及耕作措施等方面優(yōu)化種植系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)周年水分平衡利用是促進(jìn)冬小麥-夏玉米種植體系可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。為此, 筆者在總結(jié)前人和本課題組前期研究結(jié)果基礎(chǔ)上, 提出了通過耕作或播/收期調(diào)控冬小麥-夏玉米周年水分平衡, 促進(jìn)周年水分(灌溉水和降水)高效利用的技術(shù)途徑, 以充分挖掘華北平原水分生產(chǎn)潛力, 為該區(qū)冬小麥-夏玉米種植體系節(jié)水高產(chǎn)栽培及節(jié)水種植制度建立提供思路和依據(jù)。

3.1 冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用機(jī)制

如前所述, 冬小麥-夏玉米需水量與降雨量之間的差異, 及降雨季節(jié)間的不均衡分布, 是造成該體系大量消耗地下水的主要原因[8-9]。因此, 如何協(xié)調(diào)周年降雨量與需水量平衡, 及周年降雨在兩季作物間的平衡是緩解冬小麥-夏玉米體系過度消耗地下水的關(guān)鍵。關(guān)于冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用機(jī)制前人已經(jīng)進(jìn)行了一些探索, 并取得了一定的研究進(jìn)展。Sun等[9]分別從冬小麥季和夏玉米季水分需求與降水及灌水平衡角度探討了周年水資源高效利用機(jī)制, 提出了根據(jù)周年降水量及降水季節(jié)間分布確定兩季最佳灌水量的技術(shù)途徑, 利用河北欒城8年定位試驗(yàn)確定了在枯水年、平水年和豐水年實(shí)現(xiàn)周年水分平衡條件下小麥季優(yōu)化灌水量分別為186、161和99 mm, 玉米季分別為134、88和0 mm, 最大限度利用降水資源, 減少無效灌溉, 但在該灌溉條件下周年產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響, 豐水年的最高產(chǎn)量也僅為12,214 kg hm–2。秦欣等[65]從兩季水分平衡利用角度對(duì)周年節(jié)水機(jī)制進(jìn)行了探討, 認(rèn)為減少冬小麥季灌水量, 可顯著降低小麥總耗水量, 并增加土壤貯水而增大土壤水分庫(kù)容, 提高土體接納汛期(夏玉米季)降雨能力, 有效利用降雨回補(bǔ)地下水, 同時(shí)也使玉米季蒸散量顯著降低, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周年水分平衡和水資源高效利用, 并保證較高的周年產(chǎn)量。減少冬小麥季灌水量, 可增加小麥對(duì)土壤貯水的消耗而增大土壤水分庫(kù)容, 而小麥生長(zhǎng)發(fā)育前期需要適量灌溉以促進(jìn)根系快速生長(zhǎng)及向深層土壤下扎以吸收利用深層土壤水分(圖1)。

可見, 上述研究提供了兩條促進(jìn)周年水分平衡利用, 提高周年水分利用效率的途徑: 一是根據(jù)不同季節(jié)作物需水量和降水量確定最佳灌水量, 最大限度利用降水, 減少無效灌溉; 二是從地下水利用與回補(bǔ)平衡的角度, 干旱季高效利用地下水, 雨季促進(jìn)降水充分回補(bǔ)地下水, 使周年地下水利用與回補(bǔ)趨于平衡。以上兩種途徑均在一定程度上促進(jìn)了周年水分平衡和水資源高效利用, 但是根據(jù)兩季降水特點(diǎn)和作物水分需求單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化灌溉無法獲得較高周年產(chǎn)量, 且進(jìn)一步節(jié)水潛力有限。相對(duì)來說, 通過協(xié)調(diào)周年降水與灌水平衡利用(地下水利用與回補(bǔ)平衡)更有利于實(shí)現(xiàn)周年高產(chǎn)和水資源可持續(xù)利用。然而, 目前關(guān)于冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用標(biāo)準(zhǔn)多以周年產(chǎn)量和水分利用效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo), 尚缺乏直觀的、定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 且關(guān)于冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用機(jī)制, 及水分平衡利用的判斷標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步研究確定。

圖1 冬小麥-夏玉米種植體系周年水分平衡利用示意圖

3.2 耕作措施調(diào)控冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用

目前已有研究表明[66], 耕作措施是影響周年水分平衡利用的重要因素, 合理的耕作措施可以調(diào)整土壤結(jié)構(gòu), 改善作物對(duì)水分的利用效率, 為作物提供優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境。Kan等[67]研究表明, 長(zhǎng)期免耕的土壤0～20 cm土層緊實(shí)度高, 可以減少土壤水分蒸發(fā)損失, 但也限制了水分向深層下滲和根系下扎, 影響作物對(duì)深層土壤水分的吸收利用。He等[68]也發(fā)現(xiàn)免耕通過減少土壤耗水量從而顯著提高水分利用效率達(dá)5.5%～36.4%。深耕或深松耕作可以有效緩解土壤緊實(shí), 降低20～40 cm土層的土壤容重和滲透阻力, 增加土壤孔隙率、水導(dǎo)率和入滲率[69], 提高深層土壤蓄水能力[70], 但深耕或深松耕作會(huì)導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)損失增加, 而降低水分利用效率[67]。有報(bào)道稱, 深松結(jié)合秸稈覆蓋可改善土壤蓄水能力, 并減少水分蒸發(fā), 從而提高水分利用效率[71-72]。張凱等[73]研究表明, 深松+秸稈還田處理顯著提高了夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率, 而對(duì)當(dāng)季冬小麥耗水量影響不大。深松結(jié)合秸稈還田同時(shí)輔以合理灌溉是較為理想的耕作模式, 有利于創(chuàng)造良好的土壤耕層環(huán)境, 促進(jìn)作物WUE的提高。Ding等[74]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋有利于提高小麥返青期前的土壤溫度, 降低隨后小麥生長(zhǎng)季和整個(gè)玉米生長(zhǎng)季的土壤溫度, 對(duì)我國(guó)中東部半水成土地區(qū)水資源利用有積極的影響。

Kan等[67]對(duì)冬小麥不同耕作方式進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)雖然免耕和旋耕均顯著提高了作物WUE, 但連續(xù)免耕增加了土壤緊實(shí)度, 反而降低了產(chǎn)量; 旋耕是提高華北平原冬小麥產(chǎn)量和WUE的有效方式。本課題組經(jīng)多年研究, 發(fā)明了一種條帶立式旋耕深松的保護(hù)性耕作方式, 僅在10～15 cm寬的玉米播種帶進(jìn)行深旋耕, 而播種行間由小麥秸稈覆蓋, 第2年播種帶與非播種帶交替。田間試驗(yàn)證明, 與常規(guī)耕作方式比, 條帶深松可以顯著降低播種帶20～30 cm土層的土壤容重, 增加20～50 cm土層含水量, 并促進(jìn)根系下扎, 提高玉米對(duì)土壤深層水分的吸收利用[75]。已有不少研究表明[75-76], 秸稈覆蓋在對(duì)夏玉米有明顯增產(chǎn)效果的同時(shí)還使冬小麥保持較高的作物WUE。目前, 對(duì)于耕作措施影響耕層結(jié)構(gòu)和促進(jìn)作物增產(chǎn)方面研究報(bào)道較多, 一般認(rèn)為, 深松+秸稈覆蓋能夠提高作物生物量。但也有研究認(rèn)為[77], 因小麥/玉米秸稈具有較高的C/N比, 所以腐解過程中往往可能出現(xiàn)微生物與作物爭(zhēng)奪氮素的現(xiàn)象, 從而造成作物不同程度的減產(chǎn)。

綜上所述, 冬小麥季采用節(jié)水灌溉措施調(diào)控根系分布并進(jìn)一步減少灌水消耗, 增加對(duì)深層土壤貯水利用而增大土壤水分庫(kù)容, 夏玉米季采用條帶深松耕作方式調(diào)控土壤物理特性, 提升土壤接納儲(chǔ)存降雨能力, 可進(jìn)一步促進(jìn)周年水分平衡和水資源高效利用(圖2)。然而, 因?yàn)橥寥栏鞣绞綄?duì)土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)和作物生長(zhǎng)特性影響不同, 目前沒有所有類型土壤普遍適用的耕作方式。所以如何合理利用耕作與灌溉管理措施, 精確穩(wěn)定調(diào)節(jié)作物周年水分平衡利用和產(chǎn)量關(guān)系, 是華北平原冬小麥-夏玉米模式長(zhǎng)期需要關(guān)注和解決的問題。

3.3 播/收期調(diào)控冬小麥-夏玉米周年水分平衡利用

除耕作措施調(diào)控外, 通過調(diào)節(jié)冬小麥-夏玉米體系播/收期, 優(yōu)化配置兩季氣候資源也是提高周年產(chǎn)量和資源利用效率的有效途徑[78-79]。Sun等[9]和Xu等[80]分別在華北平原中部資源相對(duì)充足區(qū)和北部資源緊缺區(qū)研究“雙晚技術(shù)”形成機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn), 將小麥播期和玉米收獲期比傳統(tǒng)種植方式均推遲5～20 d, 在周年產(chǎn)量不降低的前提下可顯著減少冬小麥季的水分消耗, 從而提高周年水分利用效率。周寶元等[78]在位于華北平原中部的河南新鄉(xiāng)開展的大跨度推遲冬小麥-夏玉米播/收期試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 隨著小麥播期和玉米收獲期推遲, 小麥季耗水量和產(chǎn)量均降低, 玉米季耗水量和產(chǎn)量均增加, 但周年總耗水量減少, 從而在保證周年較高產(chǎn)量的前提下顯著提高了水分生產(chǎn)效率。當(dāng)冬小麥播期和夏玉米收獲期均推遲15 d時(shí), 周年產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)種植方式分別提高6.7%和5.1%; 推遲60 d時(shí), 與傳統(tǒng)種植方式比周年產(chǎn)量不變但水分生產(chǎn)效率提高17.3%～29.3%。

播/收期變化必然會(huì)影響周年水資源(降雨和灌溉)分配和作物耗水特性。本團(tuán)隊(duì)前期研究表明, 隨著播/收期推遲, 小麥季灌水量和降雨量逐漸減少, 玉米季降水量增加而灌水量無明顯變化。當(dāng)冬小麥播期和夏玉米收獲期均推遲15 d時(shí), 周年總降水量在兩季間的分配比例為37%和63%, 小麥季24 mm降雨量讓給玉米季, 兩季灌水量不變; 推遲60 d時(shí), 周年總降水量在兩季間的分配比例為34%和66%, 小麥季降水量和灌水量分別減少53 mm和150 mm, 玉米季降水量增加54 mm而灌水量不變。隨小麥播期推遲, 花前生育期縮短, 尤其是出苗至拔節(jié)持續(xù)期顯著縮短, 導(dǎo)致干物質(zhì)積累和單株分蘗數(shù)減少, 從而顯著降低耗水量[80]; 而隨玉米收獲期推遲, 花后生育期延長(zhǎng), 籽粒灌漿和成熟后脫水時(shí)間顯著增加, 導(dǎo)致耗水比例增加, 但由于玉米收獲期延遲縮短了兩季空田時(shí)間而減少了土壤水分蒸發(fā), 保證土壤墑情, 從而使得對(duì)冬小麥播前少灌甚至不灌[81]。此外, 玉米季所增加的耗水量來自水分蒸發(fā)損失還是土壤入滲儲(chǔ)存問題還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

綜上可以推測(cè), 通過調(diào)節(jié)冬小麥-夏玉米播/收期, 有利于改變周年水資源分配和作物耗水特性, 最大限度減少冬小麥季灌水消耗并增加對(duì)土壤貯水利用, 增加夏玉米季對(duì)降雨利用并減少水分蒸發(fā)損失(圖2)。但是關(guān)于播/收期調(diào)節(jié)冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)和水資源(降水和灌水)高效利用協(xié)同的作用機(jī)制尚不明確, 未來可以從兩季間降水和灌水分配上進(jìn)行深入研究, 從而有望提高周年產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率。

4 冬小麥-夏玉米周年水分高效利用研究展望

通過長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究和生產(chǎn)試驗(yàn), 研究人員已于華北平原地區(qū)建立了一系列適宜該區(qū)生態(tài)條件和生產(chǎn)條件的節(jié)水灌溉技術(shù)和節(jié)水替代種植制度, 培育和篩選了一批抗旱節(jié)水高產(chǎn)品種, 并且在實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。筆者基于前人研究基礎(chǔ)和本課題組前期研究結(jié)果, 提出了通過合理耕作措施或播/收期調(diào)控冬小麥-夏玉米周年水分平衡, 促進(jìn)周年水分(灌溉水和降水)高效利用的技術(shù)途徑, 為華北平原冬小麥-夏玉米種植體系節(jié)水高產(chǎn)栽培及節(jié)水種植制度的建立提供了思路。然而, 在全球氣候變化大背景下, 且隨著未來生產(chǎn)條件和生產(chǎn)目標(biāo)的不斷變化, 華北平原冬小麥-夏玉米種植體系水資源緊缺與持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)需求的矛盾將進(jìn)一步加劇, 還需要結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)手段, 進(jìn)一步深化和發(fā)展節(jié)水種植制度、精準(zhǔn)灌溉及生物節(jié)水等措施, 促進(jìn)該區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用。

圖2 冬小麥-夏玉米種植體系周年水分平衡利用途徑

4.1 優(yōu)化種植制度

雖然前人對(duì)相關(guān)節(jié)水替代種植制度已有不少研究, 但由于受環(huán)境因素影響較大, 發(fā)展替代種植制度的增產(chǎn)潛力有限, 考慮到小麥作為口糧作物對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有不可替代的作用, 未來研究重點(diǎn)應(yīng)放在優(yōu)化現(xiàn)有冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式上。當(dāng)前, 學(xué)者們對(duì)麥玉兩熟種植制度周年水分平衡分配利用及土壤水分運(yùn)移的研究較少, 在全球環(huán)境劇烈變化的大背景下, 更應(yīng)注重土壤水分周年運(yùn)移規(guī)律與兩季作物水分平衡分配的結(jié)合。已有學(xué)者[51,82]通過積溫分配率與積溫比值等氣候資源指標(biāo), 明確了季節(jié)間光溫資源合理配置的定量標(biāo)準(zhǔn)。因此, 借鑒上述氣候資源指標(biāo)應(yīng)用于當(dāng)前華北平原地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式周年水分平衡利用, 明確包含土壤理化, 作物生理等指標(biāo)在內(nèi)的定量標(biāo)準(zhǔn), 并利用該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)改進(jìn)現(xiàn)有種植模式, 對(duì)今后挖掘華北平原周年產(chǎn)量潛力與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

4.2 精準(zhǔn)灌溉

以精準(zhǔn)定量灌溉為核心的灌溉技術(shù)不僅是提高水分利用效率, 減少水資源浪費(fèi), 提高種植效益的重要環(huán)節(jié), 還是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如今, 實(shí)際生產(chǎn)中冬小麥種植期間多存在大水漫灌, 超次灌溉等不合理的現(xiàn)象, 不僅造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi), 也限制了冬小麥水分利用效率的提高[83]。針對(duì)部分地區(qū)這種不合理灌溉的現(xiàn)象, 目前首要限制性因素是專業(yè)化灌溉設(shè)備的發(fā)展與普及問題。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展, 我國(guó)灌水設(shè)備規(guī)模基本滿足當(dāng)前發(fā)展需要, 但在產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、產(chǎn)品豐富度及智能化等方面距離發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距[84], 進(jìn)一步加強(qiáng)專業(yè)化灌溉設(shè)備研發(fā)與推廣對(duì)于農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外, 在水資源虧缺的條件下, 水分如何在作物組織中遷移, 如何在土壤結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)運(yùn)等問題目前知之甚少, 理想化精準(zhǔn)灌溉很難在大田生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。作物具體耗水途徑仍需深入研究, 需要通過大量研究分析, 掌握詳細(xì)可靠的作物需/耗水規(guī)律資料, 利用遙感/遙測(cè)等先進(jìn)技術(shù), 參考智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展模式, 建立包含吸/耗水率、水分運(yùn)移速度等作物水分虧缺指標(biāo)在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù), 灌溉后利用大數(shù)據(jù)分析軟件精準(zhǔn)評(píng)估灌溉效果, 再結(jié)合使用新型灌溉設(shè)備進(jìn)行定量灌溉是未來較有潛力的發(fā)展方向。除精準(zhǔn)灌水外, 精準(zhǔn)灌水結(jié)合精準(zhǔn)施肥技術(shù)(或水肥一體化技術(shù))也是目前及未來的研究熱點(diǎn)[85]。

4.3 生物節(jié)水

隨著分子生物學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展, 生物節(jié)水也逐漸占據(jù)了較為重要的位置。生物節(jié)水技術(shù)效果與可持續(xù)性較好[86-87], 但技術(shù)要求高, 推廣較難。生物節(jié)水的途徑可以簡(jiǎn)單歸納為遺傳改良、生理調(diào)控和群體適應(yīng)三個(gè)方面[88]。在遺傳改良方面, 由于種質(zhì)資源是作物遺傳改良的基礎(chǔ)[89], 未來關(guān)于節(jié)水抗旱新品種改良選育的首要工作是挖掘并篩選節(jié)水抗旱種質(zhì)資源。優(yōu)良抗旱種質(zhì)通過調(diào)控避旱性、耐旱性與御旱性3個(gè)方面[90-91]改善作物對(duì)水分與養(yǎng)分的吸收狀況, 對(duì)育成節(jié)水抗旱型品種具有重大意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者景蕊蓮等[92]與劉成等[93]開展了小麥與玉米種質(zhì)資源抗旱性的鑒定與評(píng)價(jià)工作, 并已經(jīng)鑒定篩選出部分抗旱節(jié)水的珍貴種質(zhì)資源, 對(duì)作物節(jié)水抗旱遺傳改良工作具有重要推動(dòng)作用, 且未來可能通過生物技術(shù)突破培育出抗旱商業(yè)品種。同時(shí), 在遴選節(jié)水抗旱種質(zhì)資源的基礎(chǔ)上, 有必要圍繞多個(gè)抗旱基因的互作進(jìn)行研究分析, 進(jìn)一步探究分子水平上作物本身節(jié)水抗旱機(jī)制。加強(qiáng)對(duì)土壤細(xì)菌、微生物等以往研究較少的因素對(duì)作物WUE的研究, 并將生物節(jié)水和工程、農(nóng)藝節(jié)水結(jié)合起來, 充分發(fā)揮多學(xué)科協(xié)作互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。另外, 除遺傳改良與生理調(diào)控外, 作物群體生物適應(yīng)性也是需要重點(diǎn)考慮的因素。例如, 通過適宜調(diào)控措施使作物在適度水分虧缺的情況下產(chǎn)生適應(yīng)性, 且復(fù)水后能在生理生長(zhǎng)與產(chǎn)量水平上具有補(bǔ)償效應(yīng), 即作物抗旱鍛煉。然而, 在氣候變化背景下環(huán)境因素的快速變化導(dǎo)致作物生物適應(yīng)性的改變還待深入研究。

總之, 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展, 我國(guó)糧食生產(chǎn)已從單純追求產(chǎn)量的粗放型向產(chǎn)量與效益并重及環(huán)境友好的質(zhì)量型發(fā)展, 在增加糧食產(chǎn)量及促進(jìn)農(nóng)民增收的同時(shí), 提高資源利用效率和降低環(huán)境代價(jià)成為未來糧食生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。因此, 筆者認(rèn)為未來華北平原冬小麥-夏玉米種植體系發(fā)展的總體方向和根本目標(biāo)是高產(chǎn)節(jié)水并重的智慧型可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)。節(jié)水是該區(qū)未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要考慮因素, 可持續(xù)性發(fā)展也符合全國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。其次, 緊跟信息化潮流, 將大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)融入農(nóng)業(yè)發(fā)展, 將農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)“智慧化”?？偟膩碚f, 是經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和資源效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一, 即在不顯著降低產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的前提下, 進(jìn)一步深化發(fā)展節(jié)水種植制度、精準(zhǔn)灌溉及生物節(jié)水等措施, 提高周年水分(降水和灌溉)平衡與高效利用, 對(duì)促進(jìn)華北平原冬小麥-夏玉米種植體系水資源高效利用的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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Research advance on annual water use efficiency of winter wheat-summer maize cropping system in North China Plain

ZHANG Jin-Xin1, 2, GE Jun-Zhu2, MA Wei1, DING Zai-Song1, WANG Xin-Bing1, LI Cong-Feng1, ZHOU Bao-Yuan1,*, and ZHAO Ming1,*

1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;2College of Agronomy & Resource and Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China

Improving water use efficiency without reducing the annual grain yield is the key to promoting the sustainable deve-lopment of the winter wheat-summer maize cropping system in the North China Plain. Since the middle and late 20th century, many researches have explored ways to improve the annual water use efficiency of winter wheat-summer maize, including deve-lopment of water-saving irrigation technology, optimizing of irrigation system, establishment of alternative water-saving cropping system, and breeding new variety of water-saving and drought resistant, which significantly improved the crop water use efficiency (WUE). Here, we summarized the research advance on efficient annual water utilization of winter wheat-summer maize cropping system in North China Plain, and proposed a way regulating the annual water balance through using appropriate tillage or sowing/harvest date to improve water use efficiency of winter wheat-summer maize cropping system. It could provide theory and technical support for the establishment of water-saving and high-yield cultivation cropping system of winter wheat-summer maize in the North China Plain.

winter wheat-summer maize; water-saving irrigation; water-saving cropping; water-saving varieties; balanced use

10.3724/SP.J.1006.2023.21034

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32071957), 財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-02-12)和中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(S2022ZD05)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32071957), the China Agriculture Research System of MOF and MARA, and the Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (S2022ZD05).

周寶元, E-mail: zhoubaoyuan@caas.cn; 趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn

E-mail: jinxxx.zhang@qq.com

2022-05-09;

2022-10-10;

2022-10-18.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20221017.1425.006.html

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