黄土高原南部特大旱年农田水分状况与作物产量反应──以陕西 省长武县为例

黄土高原南部特大旱年农田水分状况与作物产量反应──以陕西省长武县为例李开元，邵明安（中国 科学院水利部西北水土保持研究所７１２１００）内容提要　　本文分析了长武县特大旱年农田水 文状况与作物产量反应。结果表明，特大旱年冬小麦的产量为常年的４９．７％，而春玉米却接近 于常年。水因素对产量的影响大于肥因素的影响。底墒与冬小麦的产量密切相关，其作用是生育期 供水所难以替代的。特大旱年冬小麦耗水量显著低于常年，而春王米却接近常年；其中冬小麦土壤 供水量所占比例明显低于常年，而春玉米却明显高于常年．干旱年份作物耗水层深度明显高于常年 。关键词：黄土高原；农田水分；干旱，耗水量；产量由于“厄尔尼诺”现象，１９９１年全球气 候呈现异常，我国北方地区普遍遭受到不同程度的干旱威胁．位于黄土高原南部的长武县１９９１ 年降水量仅有３６８．８ｍｍ，较常年减少２１９．１ｍｍ，是自１９５７年有气象观察记录以来 降水量最少的一年。据有关专家分析，属６０年一遇的特大旱年。本文就特大旱年农田水分状况、 旱作生产力与作物水分产量反应等方面做一分析。一、长武县自然条件与干旱特点长武县年平均降 水量５８４．１ｍｍ，年均气温９．１℃，年总辐射量４８２．７ｋｊ／ｃｍ２，干燥度１．４１ ，属暖温带半湿润大陆季风气候区。长武县特大干旱是从１９９１年６月底开始直至翌年５月初结 束，长达１０个月之久。由表１可推知，１９９１年７月至１９９２年４月降水量为１８９．９ｍ ｍ，较常态年份同期降水量（４８７．３ｍｍ）减少５９．２％；７、８、９三个月（属雨季）降 水量为１００．０ｍｍ，为常态年份同期降水量（３２１．４ｍｍ）６８．９％。这场干旱具有以 下三个特点：（１）干旱时间长，属四季连旱；（２）干旱强度大，降水之少属罕见；（３）雨季 严重干旱．不仅使当年的春玉米在生长盛期遭到严重干旱威胁，而且为翌年冬小麦埋下了水分亏缺 的隐患。农田水分状况与供需平衡１．农田水分状况冬小麦在干旱年份由于播种时土壤底墒严重亏 缺，因此作物整个生育期内土壤湿度较低，月平均土壤湿度为１４．５％，显著低于常年（１７． １％）。土壤湿度在生育期内变化平缓，播种和收获时土壤湿度差值较小，说明干旱年份土壤对作 物的供水量也很少，明显低于常态年份（图１）。春玉米在干旱年份，由于雨季降水大幅度减少， 生育期内土壤湿度呈急剧下降趋势，土壤水分状况较差，月平均土壤湿度仅有１５．４％，明显低 于常态年份（１．９％），由于土壤湿度急剧下降，播种和收获时土壤湿度差值较大，说明在干旱 年份，土壤对春玉米供水量较多，明显高于常年（图１）．２．农田水分供需平衡在常态年份，冬 小麦和春玉米两种作物的农田水分均略有亏缺，由表２可知，二者缺水率分别为７．８％和１４． ８％，但在特大旱年二者分别高达５１．２％和４２．６％。由表２还可着出，特大旱年作物需水 量显著高于常态年型，这是由于旱年大气蒸发力显著高于常年所致；此外，特大旱年冬小麦耗水量 明显低于常态年型，而春玉米却接近于常态年型，这是因为春玉米有较充足的底墒，尽管生育期内 大气严重干旱，但仍可依赖播前土壤贮水供其需求。因此，干旱对作物来说应当包括大气干旱和土 壤干旱两种，据此干旱应有三种情况：第一种是大气和土壤皆旱；第二种是大气干旱、土壤不旱； 第三种是土壤干旱、大气不旱。大气和土壤这两个系统可以互为缓冲，当一个系统发生干旱时，另 一个系统可以使之得以缓解，如上述第二种情况土壤可使大气干旱得以缓解，第三种情况大气可使 土壤干旱得以缓解；只有第一种情况即土壤和大气同时发生干旱时，作物才会遭到严重缺水的威胁 。１９９２年度冬小麦和１９９１年度春玉米分别属于上述干旱的第一种和第二种。三、作物生产 力与水肥作用分析１．特大早年的作物生产力由表３可知，常态年型冬小麦和春玉米旱作（充分供 肥）处理的产量分别为３３０．３ｋｇ／亩和５１４．４ｋｇ／亩，这代表了一个地区作物的生产 力水平。在特大旱年冬小麦产量为１６４．１ｋｇ／亩，相当于常态年型产量的４９．７％，这代 表了６０年一遇特大旱年（土壤和大气皆旱）的生产力水平。而春玉米在特大旱年的产量为５０３ ．９ｋｇ／亩，接近于常态年型的生产力，说明春玉米在大气干旱（６０年一遇）而土壤不旱（土 壤底墒相当于常年）的情况下，作物生产力仍可接近于常年。这是因为：（１）尽管生育期内大气 严重干旱，作物缺水率较高，但作物耗水仍可依赖土壤播前贮水，使作物耗水量接近于常年；但需 要指出，在这种情况下作物收获时土壤湿度接近于凋萎湿度，明显低于常态年型，这样就恶化了翌 年作物的土壤水分条件，打断了农田水分良性循环的链条，因此旱年春玉米相比常年不减产是以恶 化翌年土壤水分条件为代价的。（２）早年尽管作物缺水率较高，但光温生产潜力大；干旱年份光 温资源相当丰富，所以作物光温生产潜力显著高于常年；旱作生产力是光温生产力经过水分订正后 的产量，所以同样的缺水率，光温生产力越高，旱作生产力也越高。２．水肥二因素对作物产量的 影响常态年型冬小麦和春玉米两种作物由于缺水造成的减产率仅有３．８％和１０．７％，而在特 大旱年分别高达５９．１％和３４．９％（表３）。常态年型两种作物因缺肥所造成的减产率分别 为４９．３％和４１．２％，在特大旱年分别为５２．５％和３３．１％，接近于常态年型（表３ ）。由此可见，水因素对产量的影响对年型反应非常敏感，旱年的减产率显著高于常年，而肥因素 对产量的影响对年型反应不太敏感，常年和特大旱年的减产率相近。由此也说明，肥因素对提高作 物产量具有普遍性，即不论何种水文年型，增施肥料均可引起作物产量的显著提高，而水因素却因 年型而异，只有在旱年增加供水才可引起作物产量的显著提高。由上所述，在干旱年份水因素会严 重影响作物的产量，肥因素也不失其显著增产的作用，而且显得更加重要。由表３可知，特大旱年 冬小麦和春玉米旱作充分供肥处理的产量分别为１６４．１ｋｇ／亩和５０３．９ｋｇ／亩，而旱 作缺肥处理的产量只有７７．９ｋｇ／亩和３３７．０ｋｇ／亩，分别减产５２．５％和３３．１ ％。据调查，长武县１９９１年度春王米和１９９２年度冬小麦平均亩产分别为３０３．０ｋｇ和 ６４．６ｋｇ，分别低于试验旱作充分供肥处理产量３９．９％和６０．６％，产量低下的主要原 因是肥料投入不足。旱作农业水量有限，增施肥料是提高作物产量的关键。四、土壤底墒量──生 育期供水量──产量关系１．土壤底墒量──—产量关系表４为试验处理组合，通过播前灌溉不同 的水量创造不同的底墒处理，生育期灌水１００ｍｍ的处理于４月下旬一次灌入，２００ｍｍ的处 理于４月下旬和５月下旬两次灌入。由表５可知，冬小麦产量随播前灌水量增加而提高。由表６处 理Ⅰ多重比较可知、高水、中水处理分别与低水处理间的产量差异达极显著水平，高水和中水间达 显著水平。说明冬小麦产量与头年底墒密切相关。２．生育期供水量──冬小麦产量关系由表５可 知，在底墒不足的情况下，生育期内供水也可提高作物产量，但提高的幅度有限，相同数量的灌水 量其增产幅度不及播前灌水的处理，而且灌水量也不能太多，高水处理的产量反低于中水处理，这 一现象显著区别于底墒──产量关系。由表６处理Ⅱ可知，中水与低水处理间产量差异达显著水平 ，高水与中水及低水间未达显著水平。由此可见，在底墒不足的情况下，通过生育期灌水（返青后 ）的增产幅度极其有限，一定意义上说生育期灌水（返青后）不能完全补偿由于底墒不足所造成的 减产。３．底墒量加生育期供水量──冬小麦产量关系由表５可知，产量随播前和生育期灌水总量 增加而提高，其增产幅度大致相当于播前灌水处理的增产幅度，如处理Ⅲ灌水总量为２００ｍｍ， 时的产量为３１５．６ｋｇ／亩，处理Ⅰ灌水总量为２００ｍｍ时的产量为３１５．７ｋｇ／亩， 二者非常接近。由表６处理Ⅲ可知，高水、中水分别与低水处理间的产量差异达极显著水平，高水 与中水间未达显著水平，说明播前和生育期结合灌水能引起作物产量的大幅度提高，但灌水总量超 过一定限度后产量不再增加。４．底墒和生育期供水量对冬小麦产量作用的分析由表７可知，在总 灌水量为１００ｍｍ～和２００ｍｍ时，处理Ⅰ和处理Ⅱ间的产量差异分别达显著和极显著水平， 说明相同的水量，播前灌溉较之生育期（返青后）灌溉显著增产。在总灌水量为２００时，处理Ⅰ 和处理Ⅲ之间未达显著水平，说明播前灌水２００ｍｍ的增产效果和播前、生育期分别灌水１００ ｍｍ的增产效果相同；而处理Ⅱ和处理Ⅲ间达极显著水平，说明播前和生育期分别灌水１００ｍｍ 的处理较之生育期灌水２００ｍｍ的处理显著增产。以上说明底墒对作物产量的作用在一定程度上 是生育期灌水（返青后）所难以替代的，由此也更加证明黄土高原土壤水库效应的重要性。充足的 底墒是土壤水库发挥效应的物质基础，土壤对作物及时的连续的供水性能是生育期灌溉所难以相比 的［１］。五、作物耗水特性１．作物耗水量及其组成一般说，在耗水量小于需水量时，作物产量 随耗水量增加而提高［２］。旱地作物耗水量由土壤供水量和生育期降水量两部分构成。由表８所 示，在常态年份冬小麦和春玉米的耗水量分别为４５２．５ｍｍ和４４７．０ｍｍ，两种作物土壤 供水量分别占作物耗水量的３４．８％和４．３％，说明在常态年份冬小麦耗水在较大程度上依赖 于土壤供水，而春玉米几乎全部依靠生育期降水。但在干旱年型，冬小麦因底墒不足，土壤供水量 仅占耗水量的１６．７％，显著低于常态年份；春玉米耗水因生育期内降水严重不足，转而较大程 度上依赖于土壤贮水，土壤供水量占耗水量高达５２．６％，显著高于常态年份。在干旱年型，春玉米尽管遇到长时间严重的大气干旱，但由表８可知，其耗水量仍接近于常态年份，由此可见土壤水库对缓解旱情具有重要作用。２．作物耗水层深度土壤供水量多少直接决定于土壤水分利用程度和作物耗水层深度。作物耗水层深度可由作物播种和收获时的土壤湿度剖面推知，两条曲线的交汇