農(nóng)牧交錯(cuò)帶灌溉和旱作模式下馬鈴薯耗水差異

唐建昭,王仁德,周海濤,張新軍,郭風(fēng)華,劉劍鋒,肖登攀,柏會(huì)子

(1. 河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050011;2. 張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河北 張家口 075000;3.河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050024 )

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶位于我國干旱氣候區(qū),是中國東部農(nóng)耕區(qū)與西部草原牧區(qū)的連接地帶,同時(shí)也是干旱地區(qū)向濕潤地區(qū)的過渡地帶[1]。1910年以來,由于人口劇增,大面積的自然草原被開墾為耕地,農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)遭受到高強(qiáng)度的人為干擾和破壞[2]。水是干旱地區(qū)最關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子,水文過程控制了許多基本生態(tài)格局和生態(tài)過程[3-4]。長期以來,人類通過高強(qiáng)度的活動(dòng)改變了自然生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)和水分平衡,造成該地區(qū)水資源的過度消耗[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶最主要的經(jīng)濟(jì)活動(dòng),對該地區(qū)水資源與水環(huán)境產(chǎn)生了重要影響[5]。近年來,隨著灌溉用水量和灌溉作物種類的增加,水資源短缺成為北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子[6]。然而,該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉方式普遍為大水漫灌,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[5]。在水資源嚴(yán)重短缺形勢下,轉(zhuǎn)變農(nóng)田水分利用途徑,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)的雙重目標(biāo),對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

馬鈴薯是全球第四大口糧作物,僅次于小麥、玉米和水稻[7]。中國馬鈴薯生產(chǎn)面積和總產(chǎn)均居世界首位[8]。中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶氣候冷涼,晝夜溫差大,馬鈴薯生長的氣候適宜度高,是馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一[9]。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯總產(chǎn)量占該地區(qū)糧食總產(chǎn)量的47%左右,且近年來馬鈴薯播種面積和總產(chǎn)量仍在持續(xù)增加[10]。馬鈴薯生產(chǎn)在保障中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶乃至整個(gè)北方地區(qū)糧食安全方面具有重要地位。馬鈴薯生育期需水量介于400～800 mm[11],而北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)降水總量少(≤400 mm)且年際間變異大,大部分年份降水無法滿足馬鈴薯高產(chǎn)的水分需求[12]。一些地區(qū)片面追求馬鈴薯高產(chǎn)而進(jìn)行灌溉,且以抽取地下水進(jìn)行大水漫灌為主[13-14],導(dǎo)致該地區(qū)地下水資源危機(jī)進(jìn)一步加劇[15]。因此,減少灌溉面積,部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楹底髂Ｊ綄徑獗狈睫r(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)水資源危機(jī)具有重要意義。

研究表明,北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)馬鈴薯雨養(yǎng)生產(chǎn)潛力介于20 500～48 000 kg·hm-2[16-17],而灌溉條件下實(shí)際生產(chǎn)中馬鈴薯產(chǎn)量介于31 000～47 000 kg·hm-2[18-19],表明北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)雨養(yǎng)馬鈴薯產(chǎn)量有達(dá)到灌溉產(chǎn)量的潛力,為該地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的“水改旱”模式提供了理論依據(jù)。通過大田試驗(yàn)可以揭示“水改旱”對馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率和地下水變化等的影響,然而大田試驗(yàn)需要投入大量的人力、物力和財(cái)力,且耗時(shí)較長[20-21]。作物生長模型具備完善的生理生態(tài)機(jī)理,可綜合考慮自然環(huán)境、管理措施及兩者互作對作物生產(chǎn)的影響,已成為擴(kuò)展田間試驗(yàn)結(jié)果的有效工具[8]。因此,本研究基于APSIM-Potato模型,模擬分析不同水分處理下馬鈴薯的生產(chǎn)狀況,揭示“水改旱”模式對馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率、土壤水和地下水的影響,以期為當(dāng)?shù)貥?gòu)建科學(xué)的馬鈴薯“水改旱”種植體系提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶范圍位于36°08′～50°15′N、104°09′～123°25′E,主要包括內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅和寧夏等9個(gè)省(自治區(qū))的部分區(qū)域,總面積約39.4×104km2,本研究選取均勻分布在研究區(qū)域的27個(gè)站點(diǎn)(圖1)。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯的種植時(shí)間在4月底～6月初,當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)播期為5月10日左右,收獲日期一般在9月份第一次霜凍之前。農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯生長季總?cè)照諘r(shí)數(shù)、平均溫度和總降水量分別為1 283 h、15.4℃和326 mm?；谟昙鹃_始的差異,農(nóng)牧交錯(cuò)帶分為東部、中部和西部3個(gè)區(qū)域(圖1)。

1981—2010年北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)27個(gè)研究站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn/),具體數(shù)據(jù)包括日尺度的最高溫度(℃)、最低溫度(℃)、降水量(mm)和日照時(shí)數(shù)(h)。日總太陽輻射根據(jù)Angstr?m-Prescott方程進(jìn)行計(jì)算。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)土壤數(shù)據(jù)來自中國土壤數(shù)據(jù)庫(http://www.soil.csdb.cn/),主要包括土壤容重、凋萎含水量、田間持水量、飽和含水量、土壤養(yǎng)分含量和pH值等土壤理化數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 APSIM-Potato模型及其參數(shù)化 APSIM-Potato模型中應(yīng)用的核心模塊主要包括馬鈴薯模塊、土壤水模塊、土壤氮模塊、土壤有機(jī)質(zhì)模塊和管理模塊。模型基于輻射、溫度、光周期、土壤水和氮肥數(shù)據(jù)以日為步長,模擬馬鈴薯的生長發(fā)育、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成等。利用2 a田間試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)對APSIM-Potato模型進(jìn)行校正和驗(yàn)證。大田試驗(yàn)設(shè)置情況如下:2015年和2016年在農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測試驗(yàn)站進(jìn)行不同灌溉處理的馬鈴薯大田試驗(yàn),馬鈴薯試驗(yàn)品種為‘克新1號’,生育期110 d左右;播種密度為46 500株·hm-2,2015年和2016年的播期分別為5月2日和5月1日,收獲期分別是9月24日和9月12日。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)灌溉梯度,馬鈴薯生育期總灌溉量分別為0、90、180 mm和360 mm,每個(gè)處理4次重復(fù),共16個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為30.0 m2(7.5 m×4.0 m)。各處理播前施用底肥為磷酸二銨(P2O5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)和氯化鉀(K2O,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%),施用量分別為120 kg·hm2和90 kg·hm2。馬鈴薯生育期劃分為播種、出苗、塊莖形成、塊莖膨大和成熟5個(gè)時(shí)期,各時(shí)期采用烘干稱重法每10 cm為一個(gè)層次測定0～100 cm土層土壤水分。成熟期選擇各處理中間4行測產(chǎn)。

前期研究表明,APSIM-Potato模型可以較好地模擬馬鈴薯不同水氮處理下的生育期、土壤水分動(dòng)態(tài)、氮吸收量和產(chǎn)量,馬鈴薯生育期在調(diào)參年份和驗(yàn)證年份的均方根誤差(Root mean squared error,RMSE)分別為1.7 d和2.9 d,1 m土層土壤貯水量的變化在調(diào)參年份和驗(yàn)證年份的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(Normalized root mean squared error,NRMSE)分別為13.5%和14.7%,馬鈴薯的氮吸收量在調(diào)參年份和驗(yàn)證年份的NRMSE分別為18.3%和22.5%,馬鈴薯產(chǎn)量變化在調(diào)參年份和驗(yàn)證年份的NRMSE分別為15.9%和12.2%[6],因此本研究不再展示APSIM-Potato模型的驗(yàn)證及參數(shù)設(shè)置,詳見作物系統(tǒng)模擬研究組前期研究結(jié)果[6]。

1.2.2 模型模擬設(shè)置 APSIM-Potato模型設(shè)置灌溉和雨養(yǎng)兩種情景。灌溉情景下,馬鈴薯生育期總灌溉量為240 mm,灌溉階段分別為播種期、苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期,每個(gè)階段灌溉60 mm。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部的播種期分別為5月10日、5月20日和5月30日[7],播種密度和施肥情況均與大田試驗(yàn)相同。雨養(yǎng)情景下,除水分管理外其他管理措施與灌溉情景相同,模擬時(shí)間序列為1981—2010年,并模擬分析“水改旱”不同時(shí)間長度對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用的影響,共設(shè)置短期、中期和長期3個(gè)時(shí)間序列,分別為10 a(1981—1990年)、20 a(1981—2000年)和30 a(1981—2010年)。

1.2.3 水分利用計(jì)算 0～100 cm土層的土壤含水量(SWC)利用下式計(jì)算:

SWC=SWC10+SWC20+…+SWC100

(1)

式中,SWC為0～100 cm土層土壤總貯水量(mm),SWC10、SWC20、…、SWC100代表10、20 cm、…、100 cm各層的土壤貯水量(mm)。

灌溉后對地下水的消耗量利用下式進(jìn)行計(jì)算:

GWC=10×(IR-D)

(2)

式中,GWC為地下水消耗量(m3·hm-2),IR為灌溉量(mm),D為馬鈴薯生育期內(nèi)土壤滲漏量(mm)。

馬鈴薯水分利用效率(Water use efficiency,WUE,kg·hm-2·mm-1)為馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量(Yield,kg·hm-2)和蒸散量(ET,mm)的比值,計(jì)算公式如下:

WUE=Yield/ET

(3)

式中,馬鈴薯蒸散量為模擬的馬鈴薯蒸騰量(EP,mm)和土壤蒸發(fā)量(ES,mm)之和。

2 結(jié)果與分析

2.1 “水改旱”對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)馬鈴薯連續(xù)灌溉10 a,東部、中部和西部的產(chǎn)量分別為15 900～33 800、23 000～35 600 kg·hm-2和29 000～34 800 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為30 300、32 300 kg·hm-2和32 500 kg·hm-2(圖2a)。同樣時(shí)間長度情景下,改為旱作后的馬鈴薯產(chǎn)量分別為14 200～30 600、12 800～27 300 kg·hm-2和16 900～25 100 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為24 500、22 100 kg·hm-2和19 700 kg·hm-2(圖2b)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉20 a,東部、中部和西部的產(chǎn)量分別為16 500～30 900、32 500～34 800 kg·hm-2和29 000～32 900 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為29 900、31 600 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(圖2c)。改為旱作后,東部、中部和西部的馬鈴薯產(chǎn)量分別為13 900～23 900、19 600～24 300 kg·hm-2和16 100～21 900 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為23 900、22 100 kg·hm-2和19 300 kg·hm-2(圖2d)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉30 a,東部、中部和西部的產(chǎn)量分別為16 600～31 500、32 500～34 800 kg·hm-2和29 200～33 300 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為30 500、31 500 kg·hm-2和31 700 kg·hm-2(圖2e)。改為旱作后,東部、中部和西部的馬鈴薯產(chǎn)量分別為12 700～20 200、18 100～21 000 kg·hm-2和18 500～21 900 kg·hm-2,區(qū)域平均產(chǎn)量分別為20 200、20 600 kg·hm-2和19 500 kg·hm-2(圖2f)。

2.2 “水改旱”對馬鈴薯播前土壤水分的影響

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)馬鈴薯連續(xù)灌溉10 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為166～332、206～388 mm和163～309 mm,區(qū)域平均值分別為274、296 mm和237 mm(圖3a)。改為旱作后,0～100 cm土層播前土壤含水量分別為137～256、100～221 mm和130～206 mm,區(qū)域平均值分別為201、163 mm和177 mm(圖3b)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉20 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為161～347、211～394 mm和163～269 mm,區(qū)域平均值分別為271、292 mm和228 mm(圖3c)。改為旱作后,0～100 cm土層土壤含水量分別為133～239、127～192 mm和131～186 mm,區(qū)域平均值分別為188、156 mm和159 mm(圖3d)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉30 a,東部、中部和西部0～100 cm土層播前土壤含水量分別為154～312、204～398 mm和160～269 mm,區(qū)域平均值分別為255、289 mm和227 mm(圖3e)。改為旱作后,土壤含水量分別為127～215、125～178 mm和131～174 mm,區(qū)域平均值分別為172、151 mm和155 mm(圖3f)。

2.3 “水改旱”對種植馬鈴薯地下水動(dòng)態(tài)的影響

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)馬鈴薯連續(xù)灌溉10 a,東部、中部和西部的地下水消耗量分別為5 360～17 800、13 100～21 330 m3·hm-2和9 580～19 150 m3·hm-2,區(qū)域平均消耗量分別為11 150、15 700 m3·hm-2和15 400 m3·hm-2(圖4a)。改為旱作后,各區(qū)域地下水恢復(fù)量為0～5 120、0～770 m3·hm-2和0～2 080 m3·hm-2,區(qū)域平均恢復(fù)量分別為1 170、300 m3·hm-2和840 m3·hm-2(圖4b)

馬鈴薯連續(xù)灌溉20 a情景下,東部、中部和西部地下水消耗量分別為8 910～30 500、21 040～43 680 m3·hm-2和15 070～42 120 m3·hm-2,區(qū)域平均消耗量分別為21 300、30 410 m3·hm-2和30 930 m3·hm-2(圖4c)。改為旱作后,各區(qū)域地下水恢復(fù)量分別為0～9 220、0～2 210 m3·hm-2和0～3 020 m3·hm-2,區(qū)域平均恢復(fù)量分別為1 990、504 m3·hm-2和1 320 m3·hm-2(圖4d)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉30 a情景下,東部、中部和西部地下水消耗量分別為19 920～54 500、38 400～65 770 m3·hm-2和27 720～64 580 m3·hm-2,區(qū)域平均消耗量分別為40 000、48 700 m3·hm-2和48 410 m3·hm-2(圖4e)。改為旱作后,地下水恢復(fù)量分別為0～10 050、0～2 210 m3·hm-2和0～4 710 m3·hm-2,區(qū)域平均恢復(fù)量分別為2 070、500 m3·hm-2和1 080 m3·hm-2(圖4f)。

2.4 “水改旱”對馬鈴薯水分利用效率的影響

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)馬鈴薯連續(xù)灌溉10 a,東部、中部和西部的水分利用效率(WUE)分別為54.8～94.6、65.3～93.9 kg·hm-2·mm-1和73.6～93.3 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為84.1、84.3 kg·hm-2·mm-1和85.2 kg·hm-2·mm-1(圖5a)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為58.4～96.7、59.9～99.3 kg·hm-2·mm-1和62.9～89.0 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為84.7、80.6 kg·hm-2·mm-1和77.4 kg·hm-2·mm-1(圖5b)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉20 a情景下,東部、中部和西部的WUE分別為54.7～92.2、64.6～92.6 kg·hm-2·mm-1和71.7～93.2 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為82.5、82.3 kg·hm-2·mm-1和83.5 kg·hm-2·mm-1(圖5c)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為55.5～94.8、61.1～96.8 kg·hm-2·mm-1和62.4～91.4 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為83.7、80.3 kg·hm-2·mm-1和78.7 kg·hm-2·mm-1(圖5d)。

馬鈴薯連續(xù)灌溉30 a情景下,東部、中部和西部的WUE分別為54.6～92.0、63.8～92.4 kg·hm-2·mm-1和70.5～93.9 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為82.1、81.4 kg·hm-2·mm-1和83.2 kg·hm-2·mm-1(圖5e)。改為旱作后,東部、中部和西部的WUE分別為53.0～87.4、64.4～93.9 kg·hm-2·mm-1和63.1～92.6 kg·hm-2·mm-1,區(qū)域平均值分別為76.7、77.9 kg·hm-2·mm-1和77.6 kg·hm-2·mm-1(圖5f)。

圖2 不同時(shí)間段“水改旱”對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

圖3 不同時(shí)間段“水改旱”對馬鈴薯播前土壤含水量的影響

圖4 不同時(shí)間段“水改旱”對地下水動(dòng)態(tài)的影響

圖5 不同時(shí)間段“水改旱”對馬鈴薯水分利用效率的影響

3 討 論

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)降水總量低且年際差異大,同時(shí)地表水較為缺乏,水資源短缺嚴(yán)重限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)[22]。解決水資源短缺主要有兩個(gè)途徑,即“節(jié)流”和“開源”,“節(jié)流”是指管理并利用好現(xiàn)有水資源,提高水源利用效率,使其發(fā)揮最大優(yōu)勢;“開源”則是指采取由城外調(diào)水的措施,增加區(qū)域內(nèi)水資源量[23]。結(jié)合北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)的土壤、氣候和地形地貌特征,該地區(qū)應(yīng)以“節(jié)流”為主[24]。以“節(jié)流”為主的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施主要包括充分利用自然降水、合理利用灌溉水以及提高作物水分利用效率等方面,且發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)必須做到節(jié)水灌溉和旱作農(nóng)業(yè)并舉[25]。本研究通過分析不同年限“水改旱”對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn),馬鈴薯連續(xù)灌溉10、20 a和30 a的產(chǎn)量分別為31 300、30 800 kg·hm-2和30 100 kg·hm-2,改為旱作后產(chǎn)量分別降低26.9%、26.8%和34.9%。模型模擬情景一般將病蟲害控制在理想條件下,實(shí)際生產(chǎn)中馬鈴薯會(huì)受到病蟲害的影響[26],因此本研究估算的旱作馬鈴薯產(chǎn)量可能略高。播種密度的調(diào)整、壟膜溝植方式的應(yīng)用以及保水劑的施用等農(nóng)業(yè)措施均是進(jìn)一步提高旱作馬鈴薯產(chǎn)量的主要手段[27],應(yīng)注意多管齊下,進(jìn)一步縮減旱作馬鈴薯和灌溉馬鈴薯之間的產(chǎn)量差。

土壤水分是作物生長、植被恢復(fù)以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要限制性因素[28]。入滲水分(降水和灌溉)在土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化過程決定土壤水分的變化[29]。本研究分析了灌溉條件和旱作條件下不同時(shí)段馬鈴薯播前1 m土層土壤水分的變化情況,結(jié)果表明連續(xù)灌溉10、20 a和30 a情景下馬鈴薯播前土壤水分分別為272、268 mm和259 mm,旱作條件下分別下降31.8%、35.3%和36.9%。改為旱作后土壤水分下降量遠(yuǎn)低于灌溉投入量,主要是因?yàn)轳R鈴薯生長消耗大部分灌溉水,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生滲漏,使水分無法有效地貯存在土壤中[8]。本研究還發(fā)現(xiàn),灌溉條件和旱作條件下,長期連續(xù)種植馬鈴薯均會(huì)造成土壤含水量的降低,主要是農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)溫度上升后表層土壤水分蒸發(fā)量增加所致[10]。前期研究表明,長期連續(xù)雨養(yǎng)種植作物導(dǎo)致北方地區(qū)土壤水分持續(xù)下降,可能存在土壤沙化風(fēng)險(xiǎn)[30]。因此,馬鈴薯“水改旱”后應(yīng)注意控制土壤沙化和風(fēng)蝕方面的風(fēng)險(xiǎn)。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)地下水超采問題日益突出,資源環(huán)境壓力越來越大,當(dāng)前該區(qū)域地下水資源已表現(xiàn)出不可持續(xù)利用特征[31]。本研究模擬分析了不同時(shí)間段連續(xù)灌溉和旱作條件對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)地下水資源的影響,結(jié)果表明馬鈴薯種植連續(xù)灌溉10、20 a和30 a的地下水消耗量分別為13 270、25 780 m3·hm-2和44 130 m3·hm-2,旱作條件下恢復(fù)量分別為860、1 445 m3·hm-2和1 580 m3·hm-2;說明“水改旱”后既能保證一定的產(chǎn)量,同時(shí)又能使地下水得到恢復(fù)。時(shí)間尺度上,抽取相同量的地下水進(jìn)行灌溉,隨著灌溉時(shí)段的增加,年平均地下水消耗量呈增加趨勢,說明灌溉時(shí)間越長,其對地下水資源造成的威脅越嚴(yán)重。雨養(yǎng)條件下,“水改旱”10 a情景下年平均地下水恢復(fù)量最高,每年恢復(fù)量達(dá)86 m3·hm-2,而20 a和30 a情景下分別為72 m3·hm-2和52 m3·hm-2。說明短期“水改旱”的地下水恢復(fù)效果更明顯。

水分利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的最終目標(biāo),高水平的WUE是缺水條件下農(nóng)業(yè)得以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵所在[32]。本研究模擬分析了不同時(shí)間段連續(xù)灌溉和旱作條件下北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯的水分利用效率變化,結(jié)果表明馬鈴薯種植連續(xù)灌溉10、20 a和30 a的水分利用效率分別為84.4、82.7 kg·hm-2·mm-1和82.1 kg·hm-2·mm-1,旱作條件下分別下降2.7%、1.1%和6.0%。灌溉馬鈴薯水分利用效率高于旱作馬鈴薯,主要是因?yàn)楹底黢R鈴薯產(chǎn)量較低。說明“水改旱”后導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量降低,無法有效提高馬鈴薯水分利用效率。

4 結(jié) 論

1)“水改旱”后馬鈴薯產(chǎn)量下降,馬鈴薯連續(xù)灌溉10、20 a和30 a的產(chǎn)量分別為31 300、30 800 kg·hm-2和30 100 kg·hm-2,旱作情景下產(chǎn)量分別降低26.9%、26.8%和34.9%。灌溉馬鈴薯產(chǎn)量表現(xiàn)為西部較高,旱作條件下則為東部較高。

2)“水改旱”后馬鈴薯播前土壤含水量下降,馬鈴薯連續(xù)灌溉10、20 a和30年的播前1 m土層土壤含水量分別為272、268 mm和259 mm,旱作情景下分別降低31.8%、35.3%和36.9%。兩種情景下播前土壤含水量區(qū)域分布特征與產(chǎn)量相似。

3)馬鈴薯連續(xù)灌溉10、20 a和30 a消耗的地下水分別為13 270、25 780 m3·hm-2和44 130 m3·hm-2,旱作條件下恢復(fù)量分別為860、1 445 m3·hm-2和1 580 m3·hm-2。

4)灌溉馬鈴薯水分利用效率高于旱作馬鈴薯,馬鈴薯連續(xù)灌溉10、20 a和30 a的水分利用效率分別為84.4、82.7 kg·hm-2·mm-1和82.1 kg·hm-2·mm-1,旱作條件下分別下降2.7%、1.1%和6.0%。