宁南半干旱地区农田水分平衡与稳定型种植制度研究

宁南半干旱地区农田水分平衡与稳定型种植制度研究张景林，王留芳（西北农业大学陕西杨陵７１２ １００）摘要通过对宁南半干旱地区不同作物水分平衡及作物产量统计特征的分析表明：秋粮对当 地降雨利用率、高产性、稳产性明显优于夏粮。在立足于抗旱减灾、提高系统水分转化效率，趋利 避害，增强粮食生产稳定性的干旱气候农业对策的基本思路下，提出“压粮扩草”、“压夏扩秋” 的种植业结构调整方针。并通过线性归划的方法对稳定型种植制度的作物配制比例进行了定量化研 究。关键词农田水分平衡，种植制度，线性归划宁南半干旱地区地处黄土高原西北部，包括宁夏固 原地区除六盘山阳湿区的大部和同心、盐池的南部，大部分地区属半干旱地区，年降雨量３５０～ ４００ｍｍｍ。由于受干旱气候的影响和种植业结构的不合理，该区粮食产量多年一直不稳。在粮 食作物内部结构上，夏秋粮作物比例失调，盲目扩大夏粮，加剧了干旱气候灾害对农业生产的影响 。为合理利用有限降雨资源、提高作物水分利用率，必须调整种植业结构，建立一种能适应各种干 旱气候类型的、稳定的、立足于抗旱减灾，趋利避害，发挥地区资源优势的稳定型种植制度［１］ ，才能使该区农业走向持续、稳定发展，农业生态系统走向良性循环。１降雨特征与农田水分平衡 １．１降雨特征与丰歉年景的划分１．１．１降雨规律与干旱的气候特征宁南山区地处内陆，远距 海洋，属典型大陆型气候特征。该区降雨有明显的年内分布不匀和年际变化大的特征。降雨的年内 分布不匀主要表现在一年中降雨主要集中在７、８、９月，７、８、９三个月降雨占全年降雨的５ ７．４％～５８．１％；降雨年限变化大主要表现在干旱发生的频繁性上。在宁南山区，干旱，尤 其是春旱、夏旱几乎年年皆有，群众中广泛流传着“三年两头旱，五年一小旱，十年一大旱”的说 法。据历史文献记载，该区自１４７０～１９４８年的４７８年间，发生干旱年份达１７６次，约 三年一遇，其中大旱５０次，约十年一遇。解放后，３１年共发生干此研究为“八五”国家旱农攻 关研究８５─００７─０１─０８专题研究的组成部分旱年份２５次，其中大旱４次，平均不到８ 年就发生一次，因而，干旱一直是威胁该区农业生产的最严重的因子。本地区干旱的时段主要是春 旱、初夏旱。春旱主要发生在４～５月。初夏旱主要发生在雨季来临前的６月上中旬，此时正值夏 田作物抽穗、扬花期，需水量大。初夏旱平均２３年一遇，严重影响当地春小麦产量的稳定性。初 夏旱的严重性还在于它往往与春旱相连，形成春及初夏连旱［２］。干旱的直接原因是大气环流的 异常及大气环流季节性变化发生异常。春旱发生时，本地区仍处于冬季风控制下，空气干燥，雨季 来临迟，除个别年春季雨量偏多外，最常见的就是春旱少雨。该地区十年九春旱正是大气环流特征 的反映，从一定意义上说，春旱不是异常，而是本地区正常的气候现象［３］。该地区降雨的两大 特征决定着当地农业生产的特点，认识它对于合理安排作物种群，扬长避短，发挥地区资源优势， 发展抗旱救灾农业有非常重要的意义。１．２降雨丰歉年的划分在农业生产中，降雨丰歉年景的划 分结果和粮食产量的丰歉相一致才有实际意义。一般来说，全年降雨量大，并不意味着粮食产量一 定高，为了找出影响粮食产量的关键时段降雨作为划分降雨丰歉年景的标准，为此对宁南地区固原 县和海原县各种作物的单产和３、４月、５、６月、７、８、９月，上年７、８、９、１０月以及 全年降雨量作了相关分析。结果表明，两个县各种作物产量与全年降雨相关不大，而与５、６月降 雨的相关都达到了显著水平。并且通过对两县粮食产量的丰歉划分结果表明，粮食丰歉的年份和５ 、６月丰歉的年份吻合性很好。因而可以认为以５、６月降雨为标准划分的丰歉年景是能反映粮食 的丰歉年景。根据５～６月降雨的丰歉特征及在各种年景下的降雨分布分析作物对当地气候的适应 性也是最有实际意义的。表１是以５～６月为标准划分的丰歉年景下各时段降雨分布状况。从表１ 看出，在以５、６月为标准划分的丰歉年景下，固原歉水年全年雨量反而略高于丰水年，３～４月 及７～９月，全年降雨量虽低于丰水年却高于平水年。说明在粮食减产的年份，主要是５～６月降 雨不足，而３～４月和７～９月降雨并不减少，反而比丰年还略有增加。降雨的这种在丰歉年景下 的分布特征对夏秋作物的影响将在下节讨论。１．２不同作物生育期与降雨的时序效应及对水分的 利用状况１．２．１不同作物生育期与降雨的时序效应作物生育期与降雨的时序效应指作物生育期 和降雨分布的吻合性、同步性，这种吻合性、同步性的好坏决定着作物对气候环境的适应性，是影 响作物高产性和稳产性的最重要的环境因子。图１．２分别是宁南半干旱地区固原县和海原县在不 同年型下的作物降雨气候运行时序图，其中降雨丰歉年景的划分是以５～６月降雨为标准的。从图 １固原的情况来看，丰水年降雨在５月底和８月中各有两个峰值，５月底正是小麦分蘖、拔节期， 谷子也处在拔节期，糜子、荞麦在播种期，８月中是糜、谷、荞麦开花期，马铃薯薯块形成期，因 而在丰水年下降雨和夏秋作物需水吻合的都很好，在这种情况下夏秋粮都能取得丰产。在歉水年下 ，５～６月降雨量很少，而７～９月的雨量很大，对于小麦来说，５～６月是分蘖、拔节期，此时 为小麦需水临界期，当受到水分胁迫时影响穗的分化，因而产量会受到严重影响。对于秋粮来说， ５～６月是糜子、荞麦的播种期与苗期，７～９月在糜子分蘖到抽穗期需水量增大时，降雨也到了 峰值，因而，只要秋粮在５～６月能抢墒播种，随着雨季的来临，还能取得较好产量。可以看出， 秋粮的需水高峰期避开了全年中最易发生干旱的时段，因而对干旱的缓冲性很好，而夏粮其水分临 界期正处在干旱发生最频繁的５～６月间，因而产量受气候影响，流动很大。因此，秋粮对宁南山 区干旱的气候特征适应性是很好的，而夏粮对干旱的气候特征适应性较差。１．２．２不同作物对 水分的利用状况作物对水分的利用率大小除了与其本身生物特性有关外，还和其生育期所处的季节 、土壤贮水特性有关，考虑到农业生产的连续性，作物对生产年度降雨的利用包括本季的利用量和 给下季遗留的水量，则水分利用率计算公式为：水分利用率％＝根据此公式，计算出了宁南半干旱 地区固原县和海原县小麦、糜子、马铃薯的水分利用率（见表２～表４）。从表２～表４中看出， 小麦生育期降雨只占生产年度降雨的３９．２％～３８．５％，休闲期降雨则占６１．５％～６７ ．１％，而休闲期的降雨蒸发率在８９．５％～８９．７％，因而小麦的水分利用率很低，只有３ ９．１％～４５．２％，而对于秋粮糜子和马铃薯来说，生育期降雨量占生产年度降雨量的比率在 ８０％～８５％之间，休闲期降雨量很少，虽然海原休闲期的降雨蒸发率很大，但总的水分利用率 仍然很高，糜子的水分利用率为６７．０％～６７．３％，马铃薯为８２．３％～９１．９％，是 小麦的两倍。夏秋粮水分利用率如此悬殊的差别主要是由其生育期所处季节不同造成的。夏粮生育 期处在生产年度降雨较少的时段，而休闲期处在生产年度降雨峰值期，由于土壤保水能力较差，因 而大量的水分都用作无效蒸发，而秋粮生育期正好处于生产年度降雨峰值期，休闲期则处在生产年 度降雨最少的季节，因而水分利用率高。但在半干旱偏旱地区，由于秋粮休闲期水分没有得到补充 ，应注意倒茬，恢复水分。２作物单产的统计特征表５是宁南半干旱地区固原县，海原县以１９６ ６～１９８７年２２年的不同作物的单产平均值和产量变异系数。从表５中看出，两个县秋粮的单 产高于夏粮，变异系数小于夏粮。这种产量的统计特征结果和作物水分平衡分析的结果是一致的， 说明在宁南半干旱地区，秋粮是高产、稳产作物，夏粮产量低而且不稳定。３应变型种植制度建立 （以固原县为例）３．１种植业结构现状及存在的问题表６是固原县从６０年代～８０年代粮油及 其它作物播种面积变化情况。从表６中看出，旱地粮食播种面积随着水地面积的增加而减少，到８ ０年代末占总播种面积的７２．０％；油料作物播种面积呈上升趋势，到８０年代占总播种面积的 １３．０％；其它作物播种面积从６０年代到８０年代逐渐下降，到８０年代只占总播种面积的２ ．９０％。从粮油及饲草作物目前的比例来看，存在的主要问题是粮食作物面积过大，其它作物（ 主要是饲草）面积偏小。根据西北农业大学、中国科学院西北水土保持研究所、宁夏农科院等科研 单位在该地区研究结果表明［４、５］饲草作物应至少占耕地面积的２０％，才有利于该地区农牧 结合。在粮食作物内部，夏秋比从６０年代的１：１．１增加到８０年代的１：０．９，８０年代 夏略大于秋。从夏秋粮的水分利用状况、产量水平，变异系数来看，夏大于秋不利于该地区系统水 分转化效率的提高，不利于该区粮食生产的稳定性，夏粮面积高于秋粮面积是不合理的，扩秋压夏 是该区种植业结构调整的基本战略方针。３．２稳定型种植制度建立立足于抗旱减灾，提高水分转 化效率，趋利避害，发挥干旱地区资源优势，增强粮食生产稳定性的宁南半干旱地区的旱地农业对 策的基本思路，根据不同作物对干旱气候特征的适应性（量化指标为作物在不同干旱下的益损值） ，以追求系统生产的稳定性最大即益损值最小为目标，建立本区旱地种植业结构的线性规划模型， 用线性规划软件包ｌｉｎｄｏ求解系统在随机年型（以各种干旱发生的频率对益损值进行加权）和 确定年型下最佳的作物配制比例。本文根据该地区促使夏秋粮比例变化的直接因素─—人们对细粮 小麦消费要求的扩大，选择出三套共各５种方案，每种方案饲草作物固定为２０％，结果见表７～ 表９。从表７～表９中看出，以小麦产量占粮食总产的比例＞２０％为约束的方案一，夏秋比略在１：１．５左右，代表扩秋压夏的趋势；以小麦产量占粮食总产比例＞３０％为约束的方案二，夏秋比约为１：１，和现状情况相近，而以小麦产量占粮食总产比例＞４０％的方案三，夏秋比约为１：０．５，代表继续扩夏压秋的趋势。３．３应变型种植制度的效益分析３．３．１粮油产量及