黄土旱塬区麦田休闲期降水与土壤贮水的变化特征

为提高休闲期降水资源利用效率和确保区域粮食安全,利用1981—2020年陇东黄土高原旱作麦田定位土壤水分和气象观测资料,分析了冬小麦田休闲期间降水与土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)近40年陇东黄土高原休闲期降水以14 mm/10 a的速率增加,降雨总日数和小雨日数呈减少趋势,中雨、大雨日数呈弱增加趋势;(2)近40年休闲期1 m土层平均以9.5 mm/10 d的速率充水,贮水量平均增加97 mm,21世纪以来贮水量增加明显;(3)休闲期降水与1 m土层贮水增量符合二次函数关系,1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm,贮水增量与中、大雨总日数相关性最高,前期降水主要以土壤蒸发消耗为主,后期降水则大部贮存于土壤中;(4)休闲期1 m土层平均贮水效率为0.27,贮水效率随着麦收时的土壤墒情增加而线性递减,当麦收时1 m土层贮水量小于田间持水量的45%～48%时,贮水效率较高,1 m土层水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。该研究成果揭示了近40年陇东黄土高原休闲期降水和土壤贮水的转化规律,同时为指导区域水资源高效利用提供科学依据。     

灌水量和时期对不同品种冬小麦产量和耗水特性的影响

为明确品种更替过程中冬小麦的耗水特性、产量和水分利用效率(WUE)的变化规律,以及对水分胁迫的响应,于2010-2012两个生长季选取河南中北部建国以来不同年代的7个主栽品种为试验材料,在田间设置三个水分处理下(W0,返青后不灌水;W1,拔节期灌水;W2,拔节和灌浆期分别灌水),研究了冬小麦的耗水特性、产量构成因素、收获指数和水分利用效率的变化过程。研究结果表明:在冬小麦更替过程中,冬小麦总耗水和土壤贮水消耗与年代差异不显著,而受降雨和灌溉影响较大。从20世纪50年代至现在,90年代及以后的冬小麦品种千粒重在41g以上,明显高于早期品种。两年生长季冬小麦籽粒产量增加58.4%和41.8%,平均每次更替增加396和362kg/hm2;收获指数增加37.0%和18.0%,平均每次更替增加0.2和0.1;WUE增加55.3%和40.8%,平均每次更替增加0.11和0.10kg/m3。现代品种源、库关系得到改善,千粒重大幅度增加和收获指数增加是籽粒产量提高的主要原因。籽粒产量和WUE由品种和水分互作效应决定,在拔节期和灌浆期灌水可明显提高籽粒产量水平,并在一定程度上提高了水分利用效率。     

有机无机肥配施对冬小麦耗水特性和干物质生产的影响

为探讨黄淮海地区冬小麦水肥高效利用的合理施肥方式,于2013—2015年冬小麦生长季进行田间试验,以石麦15(SM15)为试验材料,以长期定位试验的大型水肥渗漏研究设施为平台,设计单施尿素(U)、单施有机肥(M)、尿素和有机肥(腐熟的牛粪)1∶1配施(U+M)3个施肥处理,以不施氮肥(CK)为对照,研究了有机无机肥配施对冬小麦耗水特性和干物质生产的影响。结果表明:U+M处理下冬小麦总耗水量最高,达548.46~556.72 mm,各生育阶段中,开花至成熟期的耗水量最高,该阶段耗水模系数达33.55%~42.38%,有利于满足小麦灌浆期对水分的需求;U+M处理能够增强土壤的持水能力,增加冬小麦对土壤贮水特别是深层贮水的消耗,降低了淋洗损失,整个生育期内U+M处理的水分淋洗体积最低,比CK、U和M处理分别降低66.79%,52.45%和37.61%,土壤贮水向灌浆阶段分配较多,增加了土壤贮水对籽粒产量的贡献率。U+M处理在两个生长季均获得最高干物质积累量,较U和M处理分别提高11.93%和23.33%,并且其籽粒干物质积累量和籽粒在植株干物质中的分配比例均显著高于其他处理。籽粒产量以U+M处理最高,U+M、U和M处理的籽粒产量分别较CK处理增产65.96%,49.44%和46.59%,U+M处理的产量水分利用效率和干物质水分利用效率均显著高于其他施肥处理。综上所述,在本试验条件下,化肥和有机肥(牛粪)1∶1配施能显著提高冬小麦籽粒产量和干物质积累量,改善冬小麦耗水特性,增加作物耗水量,且显著降低水分淋洗损失,增加灌浆阶段的水分供应,提高冬小麦的水分利用效率,是黄淮海地区小麦/玉米轮作体系下较为合理的施肥方式。     

冬小麦灌水模式和农艺措施对夏玉米土壤含水量及水分利用效率的影响

通过将农艺措施进行综合调配,在冬小麦季设置4个水分处理(无灌水,春后1水,春后2水,春后3水),玉米季设置4种不同的农艺措施(深松,有机肥,秸秆还田,施用无机肥的对照处理),采用裂区实验设计,研究冬小麦灌水模式和农艺措施对土壤含水量及水分利用效率(WUE)的影响。结果表明,夏玉米的底墒随着小麦季灌水次数的增多而增加,冬小麦季灌水次数对玉米耗水和玉米水分利用效率及其周年耗水和周年水分利用效率都有显著的影响。深松和秸秆还田分别在玉米生长前期和后期阶段性地提高土壤贮水增量;各种农艺措施对于玉米产量的影响并不显著(深松有机肥秸秆还田对照),但由于对耗水的显著影响,玉米和周年WUE显著提高,大致呈现出如下趋势:深松秸秆还田有机肥对照。综合分析,在玉米季降水较多的年份,采取冬小麦拔节期灌一次水,夏玉米土壤深松的措施可以达到节水高产的目的。     

黄土区旱地春小麦农田水分生态特征与改善途径

本文应用固原与黄土高原多年多点旱作春麦农田水分资料,对旱地春麦的农田水份平衡、作物耗水规律、土壤耗水分布与利用程度、作物产量与土壤有效贮水和生育期降水的定量关系、提高土壤水分利用率的途径与效益等进行了比较系统的研究。结果:（1）旱作春麦总耗水量平均为300mm左右,丰水年近于400mm,旱年260mm左右;（2）总耗水中,土壤供水占35%,生育期降水占65%;（3）土壤耗水大部分来源于1m土层,占85%,1～2m土层仅占15%;（4）1m土层有效贮水最大利用程度已达86%以上,所剩水量已为难利用水,无多大潜力可挖;1～2m土层有效水最大利用程度仅50%左右,尚有60mm以上水分未得到充分利用,（6）生育期降水对产量的贡献大于土壤贮水,其回归系数分别为0.233和0.213kg/mm,单位水量（mm）的产量效应生育期降水比土壤贮水高9.4%;（6）作物耗水强度前期为每天1.0mm,中期为3.0mm,后期为2.0mm,全生育期平均为1.9mm,其耗水进程呈Logistic规律;（7）春麦产量与总耗水量之关系,在耗水量450mm以内呈幂函数关系,其方程为Y=aET^b。     

覆盖方式对旱地马铃薯阶段耗水量特征和产量的影响

为明确不同覆盖方式对旱地马铃薯田土壤耗水、耗水规律、水分利用效率、产量及产量形成的影响,在陇中半干旱农区设置了玉米秸秆带状双行覆盖(SSM2)、玉米秸秆带状单行覆盖(SSM1)、玉米秸秆全覆盖(SFM)、地膜春覆盖(PMS)和地膜秋覆盖(PMA)5种覆盖方式,以传统露地平作为对照(CK)。结果表明:2年试验中,玉米秸秆带状覆盖和地膜覆盖处理土壤贮水消耗量较CK分别增加13.5,14.8 mm。玉米秸秆带状覆盖能显著提高降水对马铃薯耗水贡献率,不同降雨年型内均以SSM2处理贡献率最高,2年分别为95.6%和94.3%。于CK相比,覆盖处理均降低了生育前期(播种-块茎形成期)耗水量,地膜覆盖显著增加了生育中期(块茎形成期-淀粉积累期)耗水量,玉米秸秆带状覆盖显著增加了生育后期(淀粉积累期-收获期)的耗水量。玉米秸秆带状覆盖和地膜覆盖分别能使马铃薯干薯产量增加27.9%和24.2%,干薯水分利用效率提高23.1%和19.3%。综上可知,玉米秸秆带状覆盖处理能显著增加马铃薯生育时期内农田土壤贮水消耗量,并改善马铃薯生育前期和生育后期耗水,减少旱地马铃薯农田无效耗水,能显著提高马铃薯干薯产量和水分利用效率。     

不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

灌水和施氮是影响农田生态系统粮食生产的2个主要因素,但其增产效应和资源利用效率会受降水年型的影响。该研究基于2011—2014在陕西关中平原进行的3 a冬小麦水氮耦合试验,分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量(water consumption,ETa)及产量与耗水量关系的影响。结果表明:7—9月总降水量每增加1 mm,小麦播前0~180 cm土壤底墒增加0.47 mm。随着灌水量增加,产量和ETa均增加,但仅在降水较少的2012—2013年增产显著,对水分利用效率(water use efficiency,WUE)的影响不显著;随着施氮量增加,ETa变化不显著,但其增产效果显著,使WUE显著提高,表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。根据3 a各处理冬小麦产量和ETa数据,进一步探讨了在一定水分消耗下能达到的最大(边界)产量和WUE,建立了关中平原冬小麦的产量-耗水量边界方程;当ETa超过388 mm时,产量稳定在8 184 kg/hm2,WUE的最大值为2.52 kg/m3。研究可为制订合理的冬小麦水肥管理措施提供科学依据。     

旱塬冬小麦水分利用特征及对施肥的响应

为了揭示施肥对黄土高原旱地冬小麦水分利用效率(WUE)的影响,通过对不同施肥处理条件下水分利用效率相关指标的研究发现:增施氮肥降低了小麦生育前期的叶片WUE,而提高了小麦生育后期的叶片WUE,并显著提高了小麦的叶面积指数(LAI),而增施磷肥效果不明显.增施氮肥显著提高了小麦的生物量和产量,从而提高了相应的生物量WUE和产量WUE;增施磷肥对小麦的生物量和产量的提高有一定的促进作用,但对生物量WUE和产量WUE的提高不明显.生物量、产量、LAI和相应的生物量WUE、产量WUE都呈极显著正相关,说明通过施肥提高了小麦的LAI,进而提高了群体光合效率和干物质积累,从而提高了水分利用效率.     

陇东塬区周年水资源分布及对农业生产的影响

通过分析黄土高原典型残塬"董志塬"麦田周年水资源、不同季节水资源、冬小麦返青后生长期水资源构成,揭示了陇东黄土高原塬区麦田不同时段水资源潜力。结果表明多数年份早春土壤有效贮水量占生长季水资源总量20%以上,最高可达到38%。春季麦田水资源64%来源于早春土壤水库贮水,秋季麦田水资源52%来源于初秋土壤水库贮水,由于麦田春季消耗了大量土壤水库贮水,夏季麦田水资源只有22%来源于春末土壤水库贮水。冬小麦返青后生长期水资源一半来源于早春土壤贮水,一半来源于返青后生长期降水量。鉴于冬小麦既可以利用上年收墒期降水,又可以利用当年生长期降水,对周年水资源利用率较高,针对陇东塬区两年三熟的种植方式,建议采用冬小麦+小秋作物的种植模式,既可以变两年三熟为一年两熟,又可以提高土地利用率,有效利用光、热、水资源,增加单位面积产出。     

冬小麦灌溉制度对土壤贮水利用的影响

足墒条件下冬小麦播种时２００ｃｍ土体总贮水量为６１９．６ｍｍ,有效贮水量为３２９．５ｍｍ。冬小麦播种￣拔节期主要消耗０￣１００ｃｍ土层内土壤有效贮水;由于有效贮水能满足作物需水,因此拔节期不出现土壤水分亏缺。拔节￣开花期对照（ＣＫ）耗水深度为２００ｃｍ土层,起身期灌１水（Ｉ－１）处理为１６０ｃｍ,其他处理为１３０ｃｍ;至开花期ＣＫ和Ｉ－１处理０￣６０ｃｍ土层内已呈现一定程度的水分亏缺。开花￣成熟期     

Summer fallow soil management – impact on rainfed winter wheat

Summer fallow soil management is an important approach to improve soil and crop management in dryland areas. In the Loess Plateau regions, the annual precipitation is low and varies annually and seasonally, with more than 60% concentrated in the summer months from July to September, which is the summer fallow period in the winter wheat-summer fallow cropping system. With bare fallow in summer as a control, a 3-year location-fixed field experiment was conducted in the Loess Plateau to investigate the effects of wheat straw retention (SR), green manure (GM) planting, and their combination on soil water retention (WR) during summer fallow, winter wheat yield, and crop water use and nitrogen (N) uptake. The results showed that SR increased soil WR during summer fallow by 20 mm on average compared with the control over 3 experimental years but reduced the grain yield by 8% in the third year and the grain N content by 6–15% in all 3 years. In contrast, GM planting markedly reduced soil WR by 16 mm and 33 mm in the first and third year, respectively, but increased water use efficiency (WUE) by 16% in the third year and nitrate N accumulation in 0–100 cm soil at winter wheat sowing. Their combination did not significantly affect the soil WR or the soil nitrate N content in any of the 3 years, but did increase WUE by 11% in the third year and grain yield by 2.6% in the second year. In conclusion, the combination of SR and GM planting mitigated the negative effects of the individual measures, providing a feasible method for summer fallow management in the semiarid Loess Plateau in China and other similar regions.     

渭北旱塬不同田间管理措施下冬小麦产量及水分利用效率

水分是限制旱地作物产量最主要的因素,提高自然降水利用效率是增加旱地作物产量的有效途径。2001～2003年在渭北旱塬粉砂壤土上的田间试验研究表明,不同田间管理措施对冬小麦的产量及水分利用效率有显著的影响。秸秆覆盖不仅增加雨水入渗,提高上层土壤含水量,而且促进水分向下运输。在覆盖第二年小麦产量较常规种植显著增加,同时覆盖下土壤有机质含量有较快增加的趋势。夏季休闲期种植填闲作物将不影响下一季作物的水分状况,短期内填闲作物对土壤有机质,小麦产量及水分利用效率也没有影响。     

不同供水条件对冬小麦根系分布、产量及水分利用效率的影响

通过中科院栾城农业生态试验站3种不同降水年型的田间灌水试验,研究了不同供水条件对冬小麦根系分布、产量及水分利用效率的影响,旨在为华北地区冬小麦建立优化灌溉制度,提高水分利用效率,达到节水增产目的提供理论依据。试验结果表明,冬小麦根系主要集中分布在80 cm以上土层,随土层深度的增加,根长密度呈指数下降;综合分析根系对不同土层的水分吸收、作物耗水组成及产量、水分利用效率与总耗水的关系,提出华北地区冬小麦最佳灌水方式是：丰水年灌0水、平水年灌1水(拔节水)、枯水年灌2水(拔节水和抽穗水),次灌水量60～75 mm,具有明显的节水增产效益。     

WAVES模型在黄土区农田尺度水循环模拟中的应用

利用黄土高原长武农业生态试验站冬小麦农田水分循环的长期定位试验资料对澳大利亚科工组水土研究所开发的WAVES模型进行了验证,模拟结果和实测值的比较证实WAVES模型可用于模拟黄土高原农田生态系统水文循环过程,对短时段（1年）和长时段（10年）的模拟都有较高精度,模型对土壤肥力指数反映敏感。文中还讨论了模型为适应黄土高原这一特定水文生态系统需要改进的方面。     

黄土高原晋南旱塬长时间序列冬小麦产量与水量平衡要素动态变化

为揭示黄土高原旱地冬小麦田长期产量及水文变化,以山西省万荣县连作冬小麦为研究对象,分析了冬小麦产量1951—2020年变化趋势及气候年际波动对产量的影响,同时利用Hydrus-1D模型和标定的模型参数模拟了1965—2020年田间水量平衡要素各分量的变化过程。结果表明：试验地冬小麦产量多年平均增产率是31.9 kg/(hm²·a),年际气候变化对冬小麦产量的影响达到±22.4%,其中影响最为显著的气象要素是生育期平均相对湿度和全年降水量;标定期和验证期Hydrus-1D模型的决定系数分别为0.65～0.68,0.57～0.65;近56 a冬小麦平均蒸腾量为(176±29) mm,土壤蒸发量为(296±28) mm占降水量的60%～80%,渗漏量一般小于40 mm,土壤含水量变化为(-2±45) mm。综上,研究地70 a冬小麦产量呈上升趋势,且受年际气候变化的影响其产量波动较大。Hydrus-1D模型能够较好地模拟晋南旱塬冬小麦田的水文变化情况,多年来研究地冬小麦田土壤含水量呈下降趋势。     

施肥和地膜覆盖对黄土旱塬土壤理化性质和冬小麦产量的影响

【目的】研究黄土高原旱作农业区施肥等措施对耕层土壤理化性质和作物农艺性状的影响,为保持土壤适度生产力,选择适合黄土塬区可持续发展的新型增产措施提供理论基础。【方法】通过设在渭北旱塬的多年田间定位试验,选取不施肥空白对照、施氮磷肥、施氮磷钾肥、氮磷肥加生物炭、氮磷肥加生育期地膜半覆盖和氮磷肥加夏闲期地膜半覆盖共6个处理,所有处理均在冬小麦收获后和播种前进行翻耕。分析了不同处理耕层土壤理化性质、冬小麦产量及农艺指标。【结果】与对照相比,施氮磷肥显著提高了耕层土壤饱和导水率,降低耕层土壤紧实度,显著增加冬小麦生育期耗水量,提高水分利用效率和降雨利用效率,显著提高了耕层土壤中有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、全磷、有效磷等养分的含量,连续三年提高冬小麦的产量均在一倍左右。与氮磷肥处理相比,增施钾肥处理增加了冬小麦拔节期耕层土壤紧实度,却显著降低了收获期土壤容重、增加了总孔隙度,并显著提高了水分利用效率,在一定程度上增加了耕层土壤全氮、有机质含量,使冬小麦的叶面积指数显著增加,连续三年冬小麦平均产量达4500 kg/hm2;增施生物炭处理耕层土壤容重降至最低为1.16 g/cm3,增加了土壤总孔隙度,导致饱和导水率最大为0.049 cm/min,提高了水分利用效率;耕层土壤中的有机质、全氮、全磷、有效磷的含量有一定增加,冬小麦的产量有所提升;施氮磷肥基础上的生育期地膜半覆盖与夏闲期地膜半覆盖,均显著降低了耕层土壤饱和导水率,增加了土壤紧实度,提高了冬小麦水分利用效率,耕层土壤中有机质、铵态氮、速效钾的含量有所增加,全磷含量降低,土壤pH下降,除去受灾年份,冬小麦平均产量在4700～4800 kg/hm2之间。【结论】与对照相比,长期施用氮磷化肥显著提高冬小麦的产量,却导致土壤pH下降。在施氮磷肥的基础上增施生物炭,可以显著改善土壤物理化学性质,增加冬小麦产量,但其经济投入过高。在施氮磷肥的基础上,增施钾肥与生育期地膜半覆盖,改善了耕层土壤养分状况,有一定的经济效益,是适宜黄土塬区的冬小麦增产措施。     

灌溉对冬小麦水分利用效率的影响研究

通过设计不同的灌溉处理，从叶片水平、群体水平和产量水平3个层次系统分析了冬小麦水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)的变化特点及其内在联系。结果表明：叶片水平WUE或蒸腾效率(Transpiration Efficiency, TE)是群体蒸散效率基础；气孔运动机制及光合作用和蒸腾作用对环境变化响应的差异是叶片水平WUE的生理基础；而产量水平WUE是群体蒸散效率与收获指数共同决定的。随耗水量的增加，叶片光合速率、群体干物质积累及籽粒产量都呈二次曲线增长趋势，结果使叶片水平WUE     

黄土塬区高底墒条件下养分差别对冬小麦产量的影响

为研究底墒与施肥组合处理对冬小麦产量的影响,在黄土塬区王东沟小流域塬面农田开展田间试验。3个底墒水平土壤含水量比较高,其2 m土层相对含水量分别为72%,82%,94%;试验年份冬小麦生育期降水301 mm,超过多年平均值的39%。试验结果表明:不施肥时,产量因底墒不同差别较大,且底墒过高会造成产量与收获指数的下降,而施肥后冬小麦产量均显著提升,但底墒不同所致产量的差别减小;施肥可显著增加冬小麦穗数、穗粒数、千粒重、株高,提高水分利用效率与降水利用效率,耗水量虽有增加,但产量提高的程度更大;在试验年份的降水条件下,高底墒会造成土壤水分的深层渗漏,下渗深度可超过5 m。     

不同绿肥和覆膜措施对渭北旱塬冬小麦产量和土壤水分动态的影响

  【目的】  冬小麦—绿肥轮作在干旱贫水年份易导致冬小麦减产,我们研究了平水年和干旱年旱地绿肥和覆膜措施相结合对小麦产量及水分利用率的影响,为建立科学高效的小麦–绿肥轮作体系奠定基础。  【方法】  田间试验于2017—2019年布设在陕西省永寿县御驾宫乡御中村,试验采用裂区试验设计,以轮作不同绿肥品种(黑麦豆、油菜,夏休闲为对照)为主处理,覆膜措施为副处理,设常规耕作和垄覆沟播两个水平。在冬小麦返青期、开花期、收获期调查小麦苗期生长状况、产量形成、水分利用效率和麦田0—200 cm土壤水分动态变化。  【结果】  1)平水年和干旱年,轮作油菜的冬小麦产量高于轮作黑麦豆,两年间轮作油菜处理比轮作黑麦豆处理的冬小麦产量分别高出 9.3%和43.5% (P<0.05)。2)采用垄覆沟播,轮作绿肥显著降低了冬小麦生育期耗水量,平水年提高了冬小麦的水分利用效率。平水年轮作油菜的水分利用效率最高[14.3 kg/(hm2·mm)],比夏休闲处理增加了7.4%;而干旱年轮作绿肥降低了冬小麦的水分利用效率,与夏休闲相比轮作黑麦豆和油菜处理分别降低58.5%和38.3% (P<0.05)。轮作绿肥与垄覆沟播对提高小麦水分利用效率有显著的交互作用。3)轮作绿肥并垄覆沟播的栽培模式加重了土壤水分的消耗。相比于夏休闲,平水年冬小麦播前0—200 cm土壤贮水量平均降低10.1% (P<0.05),干旱年平均降低15.7% (P<0.05)。  【结论】  我国渭北旱塬地区在平水年采用种植油菜+垄覆沟播新型种植模式,可以在保证不减产的情况下提高冬小麦的水分利用效率,但干旱年小麦产量和水分利用效率均会受到负面影响。