黃土塬區降水變化條件下冬小麥田土壤水分消耗與補給

崔亞強, 朱元駿, 3

(1.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌，712100；2. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌，712100；3. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌，712100)

土壤水分是黃土塬區主要作物冬小麥利用的最重要的水分來源，影響著冬小麥的生長、發育和產量[1]。在黃土塬區，農地土壤水分主要受降水和冬小麥利用的影響[2]。近些年，在全球氣候變化背景下，黃土塬區降水格局發生變化，表現為降水分配的不均性增加、極端降水事件頻發[3]。降水格局變化改變了土壤水分形成的初始條件，無疑會對冬小麥-土壤水分關系以及土壤水分的消耗和補給產生重要影響。量化降水變化條件下土壤水分的消耗和補給規律有助于黃土塬區土壤水資源的估算、管理和冬小麥產量的穩定。

降水是影響土壤水分變異、消耗和補給的主要因素[4-6]。黃土塬區降水主要集中在7-9月，約占年均降水的60%～70%，冬小麥生長季降水稀少。程立平[7]根據黃土塬區降水變化特征，將該區年內土壤儲水量變化分為3個階段：土壤水分消耗期(3-7月)、土壤水分恢復期(7-10月)和土壤水分相對穩定期(10月至翌年3月)。雨季土壤水分的動態變化與降雨量有著密切的聯系，不同土層土壤含水量的變化幅度明顯不同，在降雨時土壤含水量急劇上升，隨后下降[8-9]。此外，隨著降雨量的增加，土壤含水量與降水量的顯著相關深度逐漸向深層推移[10]，而敏感性隨深度逐漸降低[11]。降水作為黃土塬區土壤水輸入的重要來源，顯著影響土壤水分的消耗與補給過程。一些學者通過降水控制實驗研究草地土壤水分循環特征時發現在平水年及干旱年，土壤水分均表現為負平衡；豐水年部分樣地土壤水分得到補充[12-13]。Liu等[14]在黃土高原南部研究發現，在極端濕潤年份，農田的土壤水分都得到極大補給。王石言等[15]在長武塬區研究發現，旱作小麥田土壤水分的消耗深度為300cm，而補給深度則達到600 cm。目前，關于冬小麥田土壤水分的消耗與補給規律的相關研究逐漸增多，但是，由于受降水的影響，連續干旱和濕潤條件下土壤水分的消耗與補給規律還未得到充分認識。

本研究利用人工降水實時分配系統來實現不同的降水條件，通過定位觀測三種降水條件(自然降水(RCK)、降水增加1/3(R+1/3)和降水減少1/3(R-1/3))土壤剖面含水量，研究了降水變化對不同深度土壤儲水量的影響，分析了降水變化條件下土壤水分消耗和補給規律，以期為降水變化條件下黃土塬區農地土壤水補給和消耗規律研究及冬小麥產量潛力評估提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在地處陜西省長武縣的長武黃土高原農業生態試驗站(107°41′E，35°14′N)進行。試驗站海拔1 220 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。該地區多年平均降水量為584 mm，年最大降水量為954 mm(2003年)，年最小降水為296 mm(1995年)。降水年季年內分布不均，主要集中在7-9月，占全年降水總量的55%以上，蒸發量較大。該區年日照時數為2 226.5 h，多年平均無霜期171 d，年平均氣溫9.1℃。試驗所在地屬于黃土旱塬區，土壤為中壤質黑壚土。耕層(0～20 cm)土壤含有機質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。試驗期降水月際分布見圖1。

圖1 試驗區降水月分布(2014-2016)Fig 1 The monthly distribution drawing of precipitation in experimental area

1.2 試驗設計

試驗在站區輔助觀測場冬小麥地進行，整個生育期無灌溉。2014年10月布設試驗小區，小區面積為30m2(5 m×6 m)，共11個。小區采用透明塑料遮雨棚配套集雨桶和自流滴灌系統來實現小區自然降雨的實時收集和再分配(圖2)。試驗小區的詳細情況見倪盼盼等[16]。降水條件設3個處理：自然降水(RCK)、降水減少1/3 (R-1/3)和降水增加1/3(R+1/3)。通過圖2中的降水實時分配系統，一個小區上方覆蓋1/3面積的遮雨棚，實現降水減少1/3，將這個小區收集的降水分配到另外一個小區，實現降水增加1/3。每兩個降水處理之間的降水量差值約為200 mm，接近干旱半干旱地區氣候分區的降水量間隔。RCK處理設置3個重復，R-1/3處理和R+1/3處理各設4個重復(圖2),小區布面積為30 m2(5 m×6 m)。試驗用冬小麥品種為“長旱58”，種植密度為150 kg·hm-2，在冬小麥種植前一次性施入小麥專用肥(N∶P∶K=20∶10∶5)954 kg·hm-2，田間管理同大田，小麥生育期進行人工鋤草，不施用除草劑。試驗冬小麥分別于2014年10月5日和2015年9月28日播種，于2015年6月25日和2016年6月27日收獲。

1.3 觀測指標和測定方法

1.3.1 土壤水分測定 小區中心位置布設1根3.8 m深度的中子管，用中子儀(CNC503B)測定土壤含水量，相同處理小區的平均值作為該小區(降水處理)的土壤水分。測定時間間隔為15 d，0～1 m土層測定深度間隔0.1 m，>1 m的土層測定深度間隔為0.2 m。

每層土壤含水量(體積含水量)，取其算術平均值。土壤儲水量的計算采用如下公式:

(1)

式中，WS為土壤儲水量(mm)，hi為土層厚度(cm)，Wi為土壤含水量(%)。

黃土塬區蒸散量(ET)計算的一般公式[1]為：

ET=P-ΔW

(2)

式中，P為降水量(mm)；ΔW為季初、季末土壤儲水量之差(mm)。

1.3.2 冬小麥產量及生物量的測定 在冬小麥成熟期，于每個小區取1 m2的冬小麥，計算冬小麥穗數，脫粒后于75℃烘干計算產量，并在每個小區隨機選取6株生長健康的冬小麥植株，烘干后計算冬小麥單株生物量。

1.3.3 土壤水分消耗深度與補充深度確定 土壤水分消耗深度根據季初和系統蒸散旺季土壤剖面水分分布曲線確定，選取水分含量降低幅度最大的曲線和季初比較，兩條曲線交叉點即是消耗深度，如果兩條曲線無交叉點，說明消耗深度超過了測定的土層深度。土壤水分的補充深度根據系統蒸散旺季和雨季土壤剖面水分分布曲線確定，選取水分含量增加最大的曲線和消耗曲線比較，兩條曲線交叉點即為補充深度。

圖2 降水實時收集、分配系統和試驗小區處理示意圖Fig. 2 The diagrammatic sketch for precipitation real time collection, distribution system and test plot treatments

2 結果與分析

2.1 土壤儲水量變化

不同降水條件下0～3.8 m土層的土壤儲水量有顯著的差異(圖3)。R+1/3在0～3.8 m土層土壤儲水量最大，RCK次之，R-1/3最小。不同降水條件下，0～3.0 m土層的土壤儲水量在冬小麥生長季(4-6月)逐漸降低；休閑期，降水能部分補給土壤水，但未超過初始儲水量，總體呈現下降趨勢。在3.0～3.8 m深度，RCK和R-1/3處理的土壤儲水量在生長季減少，在休閑期得到一定補給，而R+1/3土壤儲水量在2015年休閑期得到補給后穩定維持在較高水平。由表1可知土壤儲水的變化速率，在0～3.8 m深度，R-1/3和RCK土壤水儲量以109.39 mm·a-1和91.85 mm·a-1的速度減少，R+1/3土壤儲水量在0～3.0 m深度以48.94 mm·a-1的速度減少，而在3.0～3.8 m深度則以17.39 mm·a-1的速度增加。此外，各降水處理0～3.0 m深度的土壤儲水消耗速率占總消耗速率的90%以上。這表明0～3.0 m深度是冬小麥所需水分的主要來源。這主要因為冬小麥根系隨著深度的增加而減少，主要分布在淺層土壤[17]。因此，冬小麥主要利用0～3.0 m土層的土壤儲水，而3 m以下土壤儲水則是在土壤水勢梯度差的作用下向上運動，最終為農作物所消耗[18]。此外，R-1/3土壤儲水的下降速率最大，為109.39 mm·a-1，RCK次之，這說明減少降水(R-1/3)、正常降水(RCK)增加了冬小麥對土壤儲水的利用，使得土壤儲水量逐漸下降。

圖3 不同降水條件下不同深度土層的土壤儲水量Fig.3 Soil water storage in different soil depths under different precipitation conditions

表1 不同降水條件下土壤水分的變化速率/(mm·a-1)Table 1 The soil water change rate under different precipitation conditions

2.2 土壤水分的垂直分布及其變異特征

各降水處理的土壤水分均值的垂直分布如圖4所示。從圖中可以看出，隨著深度的增加，各降水處理的土壤水分平均值呈現增加趨勢。表層土壤受多種因素的影響，土壤水分變異系數(CV)大，且隨著深度的增加而呈現減小的趨勢(圖4)。Wang 等[19]研究黃土高原0～20 m深度的土壤水分變化時也得出相似結論。但不同降水處理之間有細微的差異，R-1/3的CV首先隨著深度的增加而減少(0～70 cm)，而在70～100 cm則逐漸增加，之后隨深度的增加而減少；RCK在0～70 cm深度的CV變化與R-1/3相似，而在70～100 cm呈現出不規律的變異；R+1/3的CV則隨著深度的增加逐漸減少。此外， R+1/3，RCK和R-1/3土壤水分變異系數分別在120，200 cm和180 cm以上土層大于0.1。這表明增加降水(R+1/3)不僅減少冬小麥對120 cm以下土壤水的利用，而且多余的降水通過非飽和土壤水運動方式補給120 cm以下的土層。而RCK和減少1/3降水在較深土層由于生長季水分的大量消耗與休閑期水分的補給則表現出典型的失墑和增墑過程，使得0～200 cm和0～180 cm土層土壤水分變異增大。這表明在較長時間尺度下，增加降水減少了中層土壤水分的變異[20]。

圖4 不同降水處理土壤水分(SWC)及其變異系數(CV)的垂直分布Fig. 4 Vertical distribution of SWC and CV under different precipitation treatments

2.3 土壤水分消耗與補給深度

冬小麥是秋播夏收，生育期處于當年雨季后和翌年雨季前的旱季。冬小麥在生育期由于降水不足，消耗大量土壤水。因此，6月底小麥田土壤水分含量全年最低。在收割后，小麥田成為休閑農田，7—9 月為該地區的雨季，降水充足，該時期降水補給土壤水。因此，本文選擇能夠體現冬小麥消耗、補給深度的7月與10月數據進行分析。

在冬小麥的生長期及休閑期，不同降水條件下的土壤水分垂直分布差異明顯(圖 5)。R+1/3, R-1/3和RCK各處理的土壤水分消耗深度在2015年生育期分別為240，240 cm和220 cm；而在休閑期末，各降水處理的土壤水補給深度分別為220，200 cm和210cm(圖 5)。但在2016年生育期，各處理的土壤水分消耗、補給深度出現較大差異，具體表現為R+1/3, R-1/3和RCK各處理的土壤水分消耗深度分別為340，260 cm 和340 cm。休閑期末的水分補給深度分別為280，160 cm和240 cm(圖 5)。土壤水分的補給深度小于消耗深度，雖然雨季后各處理的土壤水分均得到一定程度的補給，但并未恢復到試驗前的水平。李巍等[21]研究發現，旱作小麥田在豐水年型或者遇到強降雨的月份土壤水分在0～3 m土層范圍內可以得到恢復，但較難恢復到試驗初期的土壤水分。這與本試驗結果基本一致。而王艷萍等[22]研究發現，農地的降水補給深度超過600 cm，遠遠大于本試驗研究中增加降水處理小區的補給深度，這種差異主要是由休閑期降水量和降水頻率所引起。此外，通過對比發現，兩年土壤水分消耗、補給深度差異較大，2016年耗水深度、補給深度顯著高于2015年。其主要原因是2015年冬小麥生長季降雨量為282.6 mm，遠大于2016年生長季降雨215.8 mm，并且在2015年播種期土壤儲水量高于2016年。土壤儲水量和生長季降水的減少促使冬小麥利用更深層土壤水分以供冬小麥正常生長，因而導致冬小麥的耗水深度增加。而休閑期的降雨則正好相反，2016年休閑期降雨(328.1 mm)高于2015年降雨(259.7 mm)，降雨量越大，入滲深度越深。這表明降水量、播種期土壤儲水量影響土壤水分的消耗和補給。鄒文秀等[23]研究發現，在冬小麥生長季，冬小麥田的土壤水分主要受土壤蒸發、降水的影響和植被根系耗水的影響。忽略了播種時土壤前期儲水量對土壤水分消耗、補給的影響。不同降水條件下土壤含水率分布影響土壤水分的補給、消耗(圖 5)。例如2015年RCK與2016年R-1/3在冬小麥休閑期降雨量基本一致(表2)，但R-1/3土壤水分的補給量遠遠大于RCK的補給量。這種差異主要是由收獲期土壤含水率差異所引起，土壤含水率越小，有更多的降水轉化為土壤水，但R-1/3由于生育期土壤水分的連續消耗，在經過補給后土壤含水率未超過田間穩定持水量。程立平等[24]認為黃土塬區非飽和土壤水的運動是造成這種差異的主要原因。

圖5 不同降水條件下土壤剖面水分分布動態Fig 5 Soil moisture distribution dynamics in soil profiles under different precipitation conditions

表2 不同降水處理土壤水量平衡特征/mmTable 2 Soil water balance characteristics under different precipitation treatments

注：P-降水量;ΔW-土壤儲水量變化量. Note:P-Precipitation; ΔW-Change of SWS。

2.4 不同降水條件下的水量平衡特征

2014-2015年生長季，R+1/3，RCK和R-1/3降水對冬小麥田蒸散的貢獻率分別為 78.5%，76.9%和54.8%；2015-2016年生長季，R+1/3，RCK和R-1/3降水對冬小麥田蒸散的貢獻率分別為55.1%，59.6%和56.4%(表2)，其余所需供水來自土壤儲水，導致土壤水量出現負平衡。在休閑期，試驗兩年里R+1/3，RCK和R-1/3處理分別有27.3%，13.1%，29.6%；39.5%，35.9%，42%的降水通過入滲成為土壤儲水，并且發現R-1/3處理降水轉化為土壤水的效率更高。通過分析發現土壤水分消耗越多，降水轉化為土壤水的效率越高，兩者呈現極顯著的指數關系(圖6)。這主要是因為R-1/3土壤儲水量由于生長季降水的減少而大量消耗土壤水，休閑期降水大部分成為土壤儲水；R+1/3和RCK降水主要用作無效蒸散，只有少數降水進入土壤。2016年休閑期降水的轉化率明顯大于2015年，相比于2015年，2016年由于生長季降水較少，使得冬小麥主要利用土壤儲水，造成了土壤儲水的大量短缺，休閑期有更多的降水轉化為土壤水。

圖6 降水的轉化率與土壤水分消耗率的關系Fig. 6 The relationship between the precipitation infiltration rate and soil water consumption

2.5 土壤儲水消耗、補給與冬小麥產量及生物量的關系

黃土塬區冬小麥所需水分主要來自土壤儲水。生長季土壤水的消耗與休閑期水分的補給構成了旱塬土壤水分循環的主要環節。因此，土壤水的消耗、補給與冬小麥生物量和產量之間有密切的關系。如圖7所示，生長季土壤水的消耗與休閑期土壤水的補給都是影響冬小麥產量及生物量的因子。

3 結 論

1) 降水變化顯著影響不同深度土壤儲水量。所有處理在0～3.0 m深度，冬小麥生長季土壤水儲量逐漸下降，而在雨季均得到一定的補給。在3.0～3.8 m 深度，R-1/3和RCK處理土壤水儲量以7.37、5.39 mm·a-1的速度減少，而R+1/3處理土壤水以17.39 mm·a-1的速度增加。

2)降水增加可以減少土壤水分的空間變異。降水變化顯著影響土壤水分消耗和補給過程。土壤底墑充足且生育期降水量較多時，各降水處理土壤水分的消耗深度較淺，反之，則較深。

3) 冬小麥生育期降水對該時期蒸散的貢獻率超過50%。休閑期降水轉化效率主要與生育期水分的消耗度有關，兩者呈現極顯著的指數關系。此外，生長季消耗的土壤水主要用于冬小麥的生長，休閑期補給的土壤水對于冬小麥增產有益。

圖7 土壤儲水消耗、補給量與冬小麥產量及生物量的關系Fig. 7 The relationship between the soil water consumption, replenishment with winter wheat yield and biomass

致謝：感謝長武站工作人員對本實驗的支持。