張喜英　劉小京　陳素英　孫宏勇　邵立威　牛君仿

（中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室　石家莊　050022）

?

環(huán)渤海低平原農(nóng)田多水源高效利用機理和技術研究*

張喜英劉小京陳素英孫宏勇邵立威牛君仿

（中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室石家莊050022）

淡水資源嚴重匱乏是影響環(huán)渤海低平原糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。本文針對該區(qū)糧食生產(chǎn)中水分利用效率低、提升潛力巨大，同時該區(qū)淺層微咸水資源和降水資源較豐富的現(xiàn)狀，以中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站最近 3年試驗研究結果為基礎，綜述了在挖掘咸水利用潛力、提高雨水和灌溉水利用效率方面研究工作進展。針對冬小麥夏玉米一年兩作種植，研究結果顯示品種間產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）差異顯著，最高和最低品種差異達20％左右，通過選用節(jié)水高產(chǎn)品種可顯著提升產(chǎn)量和WUE；冬小麥通過拔節(jié)期灌溉關鍵水，在促進地上部生物量積累同時，顯著促進地下根系生長，使冬小麥充分利用土壤儲水，實現(xiàn)限水灌溉下穩(wěn)產(chǎn)高效；夏玉米通過縮小行距增大株距的縮行勻播，可提升夏玉米苗期單株作物根系所占土壤體積空間，增加水分養(yǎng)分對作物的有效性，提高夏玉米成苗率和苗期所截獲輻射量，比常規(guī)種植產(chǎn)量提高10％左右；冬小麥在拔節(jié)期利用含鹽量不大于4g·L-1的淺層微咸水替代淡水灌溉，產(chǎn)量與淡水灌溉相同；淺層微咸水替代淡水灌溉并配套土壤有機質(zhì)提升技術和利用夏季降水淋鹽，可實現(xiàn)微咸水灌溉下周年土壤鹽分平衡。通過上述措施實施，實現(xiàn)以咸補淡、以淡調(diào)鹽、多水源互補高效利用，在不影響作物產(chǎn)量條件下可節(jié)約深層淡水資源，促進區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

小麥-玉米一年兩熟 淡水微咸水雨水水分利用效率 產(chǎn)量

水資源危機是人類面臨的最嚴重挑戰(zhàn)之一。目前全球水資源的 70％用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未來隨著工業(yè)發(fā)展和城市化，農(nóng)業(yè)可供水量逐漸減少；而另一方面，人口的增加需要更多的糧食。如何解決水資源不足和糧食生產(chǎn)的矛盾，成為世界范圍關注的焦點［1］。環(huán)渤海低平原是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)，在保障國家糧食安全中占有重要地位。但該區(qū)是我國水資源極為短缺地區(qū)之一，人均和平均單位耕地面積占有水資源量僅為190m3·人-1和1 650m3·hm-2，分別是全國的1/12和1/16，糧食生產(chǎn)長期依靠抽提深層地下水來實現(xiàn)，導致該區(qū)地下水位持續(xù)下降，形成了世界上最大的地下水漏斗區(qū)，并引起一系列的環(huán)境問題。另一方面該區(qū)由于受自然和社會經(jīng)濟等因素影響，糧食生產(chǎn)水分利用效率低，具有很大的提升潛力。同時該區(qū)擁有可更新的淺層微咸水資源，目前利用率不足 40％［2］，充分安全高效利用微咸水資源是解決該區(qū)糧食生產(chǎn)水資源需求的重要途徑。另外，環(huán)渤海低平原是降雨相對豐富地區(qū)，年降水量450～600mm，進一步提高雨水資源利用效率也是解決該區(qū)淡水資源短缺的一個重要途徑。因此，針對環(huán)渤海區(qū)糧食生產(chǎn)中淡水資源極度短缺，水分利用效率低、提升潛力巨大，同時該區(qū)淺層微咸水資源和降水資源較豐富的現(xiàn)狀，開展以挖掘咸水利用潛力、提高地下淡水與雨水利用效率、實現(xiàn)以咸補淡、以淡調(diào)鹽、多水源互補高效利用，在不增加或者降低區(qū)域農(nóng)業(yè)淡水資源用量條件下，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，可為環(huán)渤海中低產(chǎn)區(qū)增糧工程的實施提供水資源保障。本文總結了近幾年在中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站（以下簡稱“南皮試驗站”）開展的多水源高效利用研究結果，以期為區(qū)域多水源高效利用技術研究與應用提供參考和借鑒。

1　提高農(nóng)田水分利用效率

“讓每一滴水生產(chǎn)出更多的糧食”，通過提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率解決全球缺水問題是各國科學家形成的共識［3］。作物耗水在田間，通過各種農(nóng)藝節(jié)水措施，提高自然降水和灌溉水利用效率，是農(nóng)田節(jié)水的重要方面。根據(jù)研究，目前世界范圍三大主要作物水稻、小麥、玉米的平均水分生產(chǎn)效率分別為1.09kg·m-3、1.09kg·m-3和1.80kg·m-3，而目前3種作物水分利用效率優(yōu)化水平可達1.60kg·m-3、1.70kg·m-3和2.70kg·m-3，具有巨大的提升潛力［4］。也可以看出通過提高水分利用效率、發(fā)展高效用水農(nóng)業(yè)對解決全球缺水問題的重要性。

根據(jù)河北省2011年統(tǒng)計年鑒，河北低平原目前冬小麥產(chǎn)量平均為5 569.5kg·hm-2、玉米產(chǎn)量平均為6 468kg·hm-2。根據(jù)灌溉定額和生育期降水量以及冬小麥和夏玉米對土壤水分的利用能力差異，冬小麥季平均耗水量420mm，夏玉米季平均耗水量380mm，現(xiàn)狀水分利用效率分別為1.33kg·m-3和1.70kg·m-3；如果維持現(xiàn)狀耗水量不變，水分利用效率提升到現(xiàn)在山前平原高產(chǎn)水平的平均水分利用效率1.50kg·m-3和2.00kg·m-3，可實現(xiàn)冬小麥和夏玉米增產(chǎn)730.5kg·hm-2和1 132.5kg·hm-2，年增產(chǎn)能力1 863kg·hm-2。根據(jù)低平原現(xiàn)狀冬小麥和夏玉米灌溉種植面積97.04萬hm2和86.99萬hm2計算，在不增加耗水條件下，年增產(chǎn)能力16.9億kg。增產(chǎn)節(jié)水效果相當于節(jié)約水資源11.1億m3。如果進一步改善農(nóng)田灌溉條件、配套高產(chǎn)高效栽培技術，實現(xiàn)目前冬小麥和夏玉米較高的水分利用效率水平（分別為1.70kg·m-3和2.20kg·m-3），可進一步降低農(nóng)田耗水40mm·a-1，實現(xiàn)冬小麥和夏玉米增產(chǎn)1 231.5kg·hm-2和1 452kg·hm-2，年單位面積增產(chǎn)能力2 683.5kg·hm-2，年增產(chǎn)能力16.9億kg，降低農(nóng)田灌溉用水量3.68億m3。增產(chǎn)節(jié)水效果相當于節(jié)約淡水資源16.4億m3。上述結果顯示提升農(nóng)田水分利用效率對區(qū)域節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要性。

1.1選用節(jié)水高產(chǎn)品種提高產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）

生物節(jié)水是利用生物自身的生理遺傳潛力，在相同水分條件下，獲得更多的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出［5-6］。很多研究表明，不同作物利用同樣水分所生產(chǎn)的干物質(zhì)（水分利用效率）不同，同一作物不同品種之間的水分利用效率也存在明顯差異。農(nóng)田水分利用效率（WUE）可定義為：WUE=（生物量×收獲指數(shù)）/農(nóng)田耗水量。提升WUE通過3個途徑：增加生物量、增加收獲指數(shù)、降低農(nóng)田耗水量［7］。作物收獲指數(shù)和生物量增加與品種遺傳改良和農(nóng)田作物生長條件改善關系密切。Zhang等［8］研究了河北平原不同年代大面積推廣的冬小麥品種種植在現(xiàn)代同樣條件下產(chǎn)量和耗水在3個灌溉制度下的表現(xiàn)，在耗水量維持穩(wěn)定條件下，現(xiàn)在的冬小麥品種比過去品種產(chǎn)量增加明顯，WUE也得到改善，品種改良帶來平均每年1％產(chǎn)量增加和0.5％水分利用效率提升，研究發(fā)現(xiàn)品種水分利用效率提高與其生育進程加快、收獲指數(shù)提高密切相關。

不僅不同年代品種水分利用效率差異明顯，現(xiàn)代品種間也存在著產(chǎn)量和WUE的顯著差異。Zhang等［9］研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代冬小麥夏玉米產(chǎn)量高的品種也具有高的水分利用效率，篩選高產(chǎn)品種的過程也是提升農(nóng)田水分利用效率的過程。如圖1顯示在南皮試驗站進行的冬小麥和夏玉米品種對比試驗（2014—2015年），最高和最低品種產(chǎn)量差異可達28％。因此，選用高產(chǎn)品種對提高產(chǎn)量和WUE的重要性。但不同品種不同年份產(chǎn)量表現(xiàn)存在差異，與天氣條件出現(xiàn)的年際波動有關。Zhang等［10］研究結果顯示在氣候變化背景下，進入 21世紀后天氣因素驅(qū)動的產(chǎn)量比20世紀80年代平均低10％左右，表明天氣條件改變越來越不利于河北主要作物產(chǎn)量形成，使作物產(chǎn)量和WUE潛力不能充分發(fā)揮。不利天氣條件表現(xiàn)在日溫度變化中最低溫度升高幅度大于最高溫度升高幅度，導致日較差變小及風速、日照時數(shù)都有明顯降低趨勢。伴隨冬小麥夏玉米兩個作物生育期平均溫度升高同時，極端溫度出現(xiàn)概率增加，主要表現(xiàn)在玉米灌漿后期急劇降溫發(fā)生概率增大，影響灌漿成熟；冬小麥生育期春季溫度波動幅度大、灌漿后期升溫速度快、易發(fā)生干熱風等不利天氣條件。因此，需要針對目前氣候變化背景下冬小麥夏玉米生育期生長條件發(fā)生的改變，選用適應氣候變化的新品種，充分發(fā)揮作物生物節(jié)水和增產(chǎn)潛力。

圖1　冬小麥和夏玉米在相同種植條件下不同品種的產(chǎn)量差異（2014—2015年，中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站）Fig.1 Yield difference among different cultivars of winter wheat and summer maize（2014-2015，Nanpi Eco-Agriculture Station，CAS）不同字母表現(xiàn)差異顯著（P＜0.05）。Different letters for the yield indicated significant difference at P＜0.05.

1.2冬小麥優(yōu)化灌溉制度

隨著水資源短缺加劇，灌溉制度已經(jīng)從充分灌溉向節(jié)水型灌溉轉變，例如限水灌溉（limited irrigation）、非充分灌溉（non-full irrigation）與調(diào)虧灌溉（regulated deficit irrigation）等［11］，對由傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)型灌溉轉向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)型灌溉，提高WUE起到了積極作用。很多研究顯示作物生理生態(tài)指標對土壤水分有一個明顯的閾值反應，當土壤含水量在一定范圍之上時，含水量的降低對作物一些生理生態(tài)指標不產(chǎn)生影響。對于環(huán)渤海區(qū)域主要作物冬小麥，灌漿期短，灌漿后期容易受干熱風影響，使產(chǎn)量潛力不能充分發(fā)揮，適度水分虧缺條件下冬小麥生長發(fā)育過程提前，灌漿期適度延長，更有利于花后干物質(zhì)積累和向籽粒產(chǎn)量的轉移，最終提高作物收獲指數(shù)［12］。表1是2012—2015年3個生長季在南皮試驗站進行的冬小麥生育期灌溉試驗結果，3個生長季節(jié)降水屬于常年水平，灌溉2次水產(chǎn)量達到最高，隨著灌溉次數(shù)增多，產(chǎn)量不再增加，甚至出現(xiàn)降低。WUE則隨灌溉次數(shù)增加而呈現(xiàn)降低趨勢。平均3個生長季，冬小麥從不灌溉增加一次拔節(jié)水增產(chǎn)30.7％，在拔節(jié)水基礎上增加1次灌溉的增產(chǎn)率為5.7％；而再增加1次水出現(xiàn)2.5％的減產(chǎn)。從旱作到1水、1水到2水、2水到3水WUE平均降低2.2％、3.5％和14.8％。上述結果顯示冬小麥多數(shù)年份灌溉1～2次水就能獲得較高產(chǎn)量和WUE。表1結果也顯示冬小麥年際產(chǎn)量變異較大，2013—2014季降水量與2014—2015季降水量相近，但2013—2014季最高產(chǎn)量比2014—2015季最高產(chǎn)量高17％，顯示出冬小麥產(chǎn)量不僅受灌溉影響，天氣條件對冬小麥產(chǎn)量形成也有顯著影響。

表1　冬小麥2012—2015年3個生育期降水量、不同灌溉制度下產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）（中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站）Table 1 The growing season rainfall，yield，water use efficiency（WUE） under different irrigation schedulings for winter wheat during 2012-2015 in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，CAS

環(huán)渤海低平原位于季風氣候區(qū)，降雨主要集中在夏季，冬小麥生長期（10月—翌年6月）的降雨量遠遠低于作物需水量，合理灌溉不僅有助于根系對土壤水分的有效利用，而且對提高冬小麥 WUE具有重要作用。冬小麥在返青以前，對土壤水分吸收主要集中在 80cm以上的土層，隨著拔節(jié)—開花期間根系迅速生長，根系對80cm以下土層的水分利用增加，特別是到灌漿期，灌水少的冬小麥主要依靠中下層土壤儲水來維持蒸騰。南皮試驗站 3個生長季的試驗發(fā)現(xiàn)，在不灌溉到灌溉3水條件下，冬小麥對土壤儲水消耗占生育期蒸散比例分別為52.3％、43.4％、30.4％和19.4％。土壤儲水利用對限水灌溉冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高效有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)當根長密度低于0.8cm·cm-3時，根系就成為影響作物充分吸收土壤水分的限制因子。深層根系不足限制了作物對深層土壤儲水的吸收利用。Zhang等［13］研究結果顯示，冬小麥在限水灌溉條件下，其營養(yǎng)生長階段需要一定水分供應，才能形成一定的生物量，同時也可以促進地下部分根系形成，為灌漿期充分利用土壤儲水打好基礎，因而這個階段蒸散量的多少對最終產(chǎn)量影響明顯。如果營養(yǎng)生長階段水分條件差，作物地上部分生長發(fā)育受到影響，進而地下部分根系生長較少，使作物不能充分利用深層土壤儲水，最終影響限水灌溉下冬小麥產(chǎn)量。因此，冬小麥高效用水模式應根據(jù)降水條件，通過灌溉調(diào)控營養(yǎng)生長、促進地下部分生長、生殖生長階段充分利用土壤儲水來實現(xiàn)。據(jù)此提出冬小麥限水灌溉下最佳灌溉時期是拔節(jié)期，這個時期的灌溉不僅促進地上部分生長，也促進地下根系部分生長，為冬小麥生育后期利用土壤儲水創(chuàng)造了條件。

1.3配套栽培種植措施提高玉米產(chǎn)量和WUE

通過配套栽培措施提高作物產(chǎn)量是促進作物水分利用效率提高的一個重要方面。不同作物和品種對環(huán)境的要求和適應力都有一系列的生理生態(tài)和形態(tài)差異，只有環(huán)境與作物品種的生理生態(tài)和遺傳特性相適應，才能充分發(fā)揮品種的特性與產(chǎn)量潛力，合理利用資源，趨利避害，發(fā)揮資源增產(chǎn)優(yōu)勢。很多研究顯示夏玉米生育期光照與產(chǎn)量有顯著正相關關系［14］，而目前河北低平原面臨著夏玉米生長期光照條件變差趨勢，如圖2顯示，從20世紀50年代到現(xiàn)在，平均每年日照時數(shù)降低4.9 h，已經(jīng)從原來的平均1 000 h降低到現(xiàn)在的平均700 h，因此夏玉米生長期間充分利用光能資源是其高產(chǎn)高效的重要途徑。

圖2　20世紀50年以來夏玉米生長期間日照時數(shù)的變化趨勢（滄州）Fig.2 The changes in total sunshine hours during the growing season of summer maize from 1950s to present at Cangzhou site

另一方面在環(huán)渤海低平原冬小麥夏玉米一年兩作區(qū)，夏玉米生育期較短，通過延遲收獲和提早播種可實現(xiàn)夏玉米生育期延長，提高夏玉米生育期截獲的輻射資源量，最終提高產(chǎn)量。根據(jù)南皮試驗站研究結果，夏玉米從9月22日延遲到9月30日收獲，平均百粒重可增加10％左右；而在玉米灌漿成熟期單位耗水的水分利用效率為2.5～4kg·m-3，遠大于玉米整個生育期的水分利用效率2.0kg·m-3。因此，延遲玉米收獲不僅增加玉米產(chǎn)量，也可以提高玉米整個生育期水分利用效率。但在氣候變化背景下，玉米成熟期溫度波動大，9月底經(jīng)常出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，氣溫低于玉米灌漿所需要的日平均溫度而使玉米灌漿提前停止，不能實現(xiàn)通過延遲收獲期增產(chǎn)目的，需要與玉米提前播種延長生育期的策略相結合。

夏玉米播種密度及其株行距排列影響玉米冠層空間結構和根系的空間分布，從而影響作物對光能截獲以及土壤水分養(yǎng)分對作物的有效性，對夏玉米產(chǎn)量和WUE產(chǎn)生重要影響［15］。南皮試驗站的研究發(fā)現(xiàn)，同樣播種密度67 500株·hm-2下，20cm-100cm和40cm-80cm大小行、60cm-60cm等行距、38cm勻播對夏玉米苗期同樣種植密度下根系所占體積、冠層結構和冠層截光率產(chǎn)生影響。根系取樣結果顯示寬窄行20cm-100cm播種下兩株玉米表層根系存在競爭關系，而通過縮小行距增大株距方式，也就是增加玉米在空間分布的均勻度可增加單株玉米根系所占土壤體積，提高單株玉米所能接觸的土壤水分和養(yǎng)分，增強土壤水分養(yǎng)分對作物的有效性，降低相鄰兩株玉米的競爭關系。在苗期玉米易發(fā)生干旱條件下，勻播玉米單株所獲得的土壤水分顯著高于寬窄行玉米，成苗率提高10％～15％（圖3）；同時勻播條件下玉米苗期截獲的光合有效輻射比例高于寬窄行，前者比后者高20％，顯著提升了光能利用效率。研究結果顯示，通過縮行勻播增加玉米苗期光合有效輻射截獲能力、土壤水分養(yǎng)分對作物的有效性而提升成苗率和苗期生長速度，可使夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著提升。研究結果也充分說明優(yōu)化種植栽培管理對發(fā)揮玉米增產(chǎn)增效潛力的作用。

圖3　相同種植密度不同行距夏玉米收獲期密度比較（2015年中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)站）Fig.3 The effects of row spacing on the seedling establishment of maize（2015，Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

2　提高雨水資源利用效率

在淡水資源匱乏地區(qū)，通過農(nóng)田耕作覆蓋措施，充分蓄積雨水資源，減少對灌溉水的依賴是提升限水灌溉作物產(chǎn)量的一個重要途徑［16］。納雨蓄墑耕作技術主要包括深耕、深松保墑、耙耱和鎮(zhèn)壓、保護性耕作技術等。保護性耕作方式改傳統(tǒng)的精耕細作對土壤的過度加工為少耕或免耕，同時采用秸稈、殘茬或其他植被覆蓋地表以減少雨水和風對土壤侵蝕，降低蒸發(fā)；免耕最大限度地減少了土壤物理結構的破壞，提高保墑性能，降低了土壤水分的蒸發(fā)量，增產(chǎn)增收效果明顯。土壤深松可打破犁底層，加深耕層疏松土壤厚度，增強對雨水的蓄納能力，并促進作物根系對土壤深層水分的吸收，減少對土壤表層水分的過渡依賴［17］。耙耱和鎮(zhèn)壓保墑技術主要是通過碎土、平地及壓緊土壤表層，以減少表土層內(nèi)的大孔隙，減少土壤水分蒸發(fā)，達到保墑目的。

環(huán)渤海低平原冬小麥和夏玉米一年兩作的種植制度，富集了大量作物秸稈，作物秸稈和殘茬覆蓋還田具有成本低、保墑土壤、調(diào)節(jié)地溫和培肥地力等優(yōu)點，也是作物秸稈綜合利用的最好途徑。研究發(fā)現(xiàn)冬小麥收獲后秸稈還田直接覆蓋夏玉米，可減少夏玉米生育期30～40mm土壤蒸發(fā)［18］，這部分水分可蓄積在土壤中，為下季作物冬小麥所利用。冬小麥生長季節(jié)在限水灌溉下40％～50％耗水來自于土壤儲水消耗［12］。因此，通過秸稈覆蓋夏玉米，可充分蓄積雨季降水，減少農(nóng)田無效水分損失，對降低小麥玉米一年兩作農(nóng)田灌溉水消耗有重要意義。但夏玉米秸稈覆蓋冬小麥，冬季具有提高土壤溫度作用，但春季影響地溫回升，使冬小麥生育期推遲，易造成冬小麥貪青晚熟，影響粒重，不利于冬小麥產(chǎn)量和WUE提高［19］。

地膜覆蓋可以隔斷土壤與大氣間的水分交換，有效抑制土壤表面蒸發(fā)，提高地溫，使作物成熟期提前，比秸稈覆蓋更能抑制雜草生長。2013—2014冬小麥季進行平播膜上覆土和起壟溝播薄膜覆蓋兩種覆蓋方式試驗，不僅減少了棵間蒸發(fā)，起壟溝播薄膜也可以通過覆膜的壟蓄集小的降水，減少降水量少的雨水蒸發(fā)損失，增加降水資源對作物的有效性。如表2顯示兩種覆膜方式下冬小麥產(chǎn)量提高6％～10％、水分利用效率提高10％～11％，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯。其中起壟溝播壟膜覆蓋節(jié)水增產(chǎn)效果優(yōu)于平播膜上覆土覆蓋方式，前者可有效蓄積雨水，而后者可能存在膜上的土層和薄膜影響降水入滲至作物根部，雖然降低了土壤蒸發(fā)，但可能一定程度上消弱了降水對作物的有效性。地膜覆蓋可能存在一定程度降低土壤肥力、沒有及時清除的廢舊薄膜污染土壤和環(huán)境等問題，在生產(chǎn)中需要使用新型可降解的環(huán)保地膜。

表2　薄膜覆蓋對旱作冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）的影響（2013—2014，中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站）Table 2 The effects of plastic film mulching on yield and water use efficiency（WUE） of winter wheat（2013-2014） in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences

除高效利用農(nóng)田雨水資源外，還可充分利用環(huán)渤海低平原坑塘蓄積雨季徑流和外來水，增加可利用灌溉水源。這些坑塘一般是廢棄窯窖、魚塘和建設取土形成，據(jù)統(tǒng)計該區(qū)域坑塘總蓄水能力達8億m3，夏季降水集中月份這些坑塘可攔蓄降水所產(chǎn)生徑流的40％以上，為充分利用雨季雨洪資源提供了條件。例如南皮縣田間地頭大都有排水溝渠（坑塘），這些坑塘大都相連，一方面在雨季可以蓄積雨水，另一方面蓄積調(diào)水，同時由于部分區(qū)域地下水位較淺，能保存一部分淺層地下水。這些坑塘積水在正常年份大都可以用來灌溉，特別是可用于冬小麥越冬水和返青拔節(jié)水灌溉，減少對地下水開采；或者在播種冬小麥時灌足底墑，把有限水資源儲存于土壤中，減少水面蒸發(fā)損失。

3　挖掘淺層微咸水利用潛力

表3　河北低平原主要行政區(qū)多年平均微咸水資源量［2］Table 3 The average shallow ground brackish water quantityin the lower plain of Hebei Province［2］（108m3）

環(huán)渤海區(qū)域擁有較豐富的地下咸水資源，總儲量在2 500億m3（其中小于5g·L-1的微咸水年可開采資源量占全國的1/2）。如河北低平原主要區(qū)域小于5g·L-1的微咸水資源量有10.99億m3（表3），目前利用率為40％［2］，有60％微咸水資源可為農(nóng)業(yè)所利用，為每公頃灌溉耕地增加近750m3灌溉水源。依據(jù)作物耐鹽與需水規(guī)律，在作物生長一定階段，利用微咸水進行補充灌溉，可實現(xiàn)替代淡水資源或增加作物供水實現(xiàn)作物增產(chǎn)目標［20］。環(huán)渤海低平原處于季風氣候區(qū)，夏季降水集中，可利用夏季降水淋洗鹽分，使土壤含鹽控制在安全范圍內(nèi)。因此，通過充分挖掘和合理利用微咸水資源，是環(huán)渤海低平原糧食增產(chǎn)重要的水資源保障。

3.1優(yōu)化微咸水灌溉時間

環(huán)渤海低平原主要作物冬小麥夏玉米對鹽分敏感程度不同，同時兩個作物生長的季節(jié)降水條件也具有顯著差異。冬小麥耐鹽能力比夏玉米強，兩個作物開始減產(chǎn)的土壤飽和溶液提取液夏的電導率分別為4.0dS·m-1和1.7dS·m-1，減產(chǎn)50％時分別為13.0dS·m-1和5.9dS·m-1［21］。冬小麥生長期間降水少，必須依賴于灌溉取得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而冬小麥又是耐鹽能力較強作物，可以通過微咸水替代部分淡水資源或者增加1次微咸水灌溉，實現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［22］；而夏玉米生育期降水多，多數(shù)年份降水能夠滿足其生長發(fā)育要求，可通過充分蓄集和利用雨水資源，滿足其生長，并為下季作物冬小麥創(chuàng)造良好的土壤水分條件。但由于兩個作物對鹽分敏感性不同，一個作物的微咸水灌溉必須考慮其對下茬作物的影響，并考慮長期微咸水灌溉下的土壤鹽分平衡問題［23］。

表4是在南皮試驗站最近3年微咸水灌溉冬小麥的試驗結果，冬小麥在旱作基礎上增加1次灌溉，無論用淡水還是用小于5g·L-1的微咸水，冬小麥增產(chǎn)幅度達20％～50％，微咸水與淡水增產(chǎn)效果相似；用微咸水替代淡水灌溉后，對冬小麥產(chǎn)量沒有產(chǎn)生明顯影響。但無論是增加1次微咸水灌溉還是用微咸水替代 1次淡水灌溉的最佳時期是冬小麥拔節(jié)前后。多年的研究結果充分證明了微咸水灌溉在冬小麥上可大面積推廣應用。由于夏玉米對鹽分敏感，冬小麥收獲時微咸水灌溉后增加的鹽分保留在土壤中，特別是0～20cm玉米苗期根系集中層的土壤鹽分含量增加明顯。根據(jù)測定，0～20cm土壤鹽分含量平均增加10％～30％（圖4），在雨季來臨前的夏玉米出苗和苗期，如何消除鹽分對玉米的影響是冬小麥夏玉米一年兩作微咸水灌溉技術成功應用必須解決的問題。

表4　微咸水代替一次淡水或者增加一次微咸水灌溉對冬小麥產(chǎn)量的影響（中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站3年平均試驗結果）Table 4 The effects of brackish water replacing fresh water to irrigate or adding one more saline irrigation on the yield of winter wheat（three seasons average results in Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

由于冬小麥微咸水灌溉后在土壤中的鹽分對夏玉米產(chǎn)生不利影響，只有消減這種不利影響才能成功應用冬小麥夏玉米一年兩季微咸水灌溉技術。為了保證夏玉米產(chǎn)量不受到冬小麥微咸水灌溉影響，夏玉米出苗水需要灌溉淡水，灌溉水量要大于70mm，可實現(xiàn)對根層土壤淋鹽，使根層土壤鹽分降低到玉米耐鹽閾值以下。或者通過局部灌溉，創(chuàng)造玉米出苗的微域淡化，使玉米出苗水的灌溉用水量降低，隨后隨著雨季到來實現(xiàn)根層土壤完全脫鹽，保證根層土壤不產(chǎn)生鹽分積累。玉米出苗水的局部灌溉技術可通過大田微灌技術和溝灌技術等實現(xiàn)。

3.2通過秸稈還田培肥地力增強土壤對微咸水灌溉緩沖能力

上述結果顯示，利用不大于5g·L-1微咸水在冬小麥需要灌溉關鍵水的拔節(jié)期替代 1次淡水或者增加1次微咸水灌溉，增產(chǎn)節(jié)水效果明顯，在一定程度上可緩解淡水灌溉資源不足問題，但長期咸水灌溉帶來的土壤積鹽以及可能導致的作物減產(chǎn)等問題始終是人們關注的重點和難點問題［23-24］。一般研究認為，利用超過一定閾值的微咸水進行灌溉會造成土壤積鹽集中，植物過氧化物代謝失衡，光合等生理反應減弱，進而造成作物產(chǎn)量降低［25］。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件發(fā)生了巨大變化，特別是隨著農(nóng)業(yè)機械化普及，環(huán)渤海低平原小麥玉米種植區(qū)已全面實現(xiàn)了秸稈全程全量連年還田，熟化和蓄積雨水土壤耕作技術的發(fā)展，使土壤肥力和土壤有機質(zhì)普遍得到了大幅度提升，土壤對有害離子緩沖能力增強［26-27］，微咸水灌溉對土壤和作物的不利影響逐年降低，為該區(qū)域大面積應用微咸水灌溉提供了基礎。

圖4　利用淡水及3g·L-1、4g·L-1微咸水灌溉冬小麥對土壤表層鹽分（0～20cm）（a）和1 m土體鹽分的周年影響（b）（2013—2015年，中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站）Fig.4 The effects of using fresh water，brackish water with salt concentrations at 3g·L-1and 4g·L-1to irrigate winter wheat on salt contents of the tillage soil layer（0-20cm）（a）and the top 1 m soil（b） profile（2013-2015，Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，CAS）

以南皮縣為例，1981年土壤普查結果顯示，耕層土壤有機質(zhì)平均含量8.9g·kg-1，而2015年多點調(diào)查結果顯示耕層土壤平均有機質(zhì)含量已經(jīng)增加到15.6g·kg-1，長期秸稈還田和化肥投入增加對地力提升發(fā)揮了重要作物［28］。微咸水灌溉下氯鈉離子比例提高、土壤初始入滲率降低，破壞土壤水穩(wěn)性團聚體，導致土壤物理化學性質(zhì)惡化，影響土壤養(yǎng)分有效性等，而土壤有機質(zhì)提升可改善土壤結構，消減微咸水灌溉對土壤理化性質(zhì)的不利影響。如圖5是在南皮縣域選擇典型土壤測定的水穩(wěn)性團聚體所占比例與土壤有機質(zhì)含量關系，隨著土壤有機質(zhì)含量提升，土壤水穩(wěn)性團聚體所占比例直線增加，對維持土壤結構、增加鹽分淋洗起到重要作用。

圖5　南皮縣典型地塊土壤有機質(zhì)含量與水穩(wěn)性團聚體（＞ 0.25mm）所占比例關系（2015年測定）Fig.5 The relation of soil organic matter content with the ratio of water stability aggregates（＞0.25mm） for some typical fields at Nanpi County（2015）

隨著土壤有機質(zhì)含量增加，對于大田作物可用微咸水灌溉的鹽分含量有所提升，為實施微咸水特別是較高礦化度微咸水灌溉提供了有利支撐。如圖6是總結南皮縣域自 20世紀80年代到現(xiàn)在對冬小麥進行的微咸水灌溉試驗對產(chǎn)量的影響結果。隨著土壤有機質(zhì)含量增加，4g·L-1高礦化度微咸水灌溉增產(chǎn)作用逐漸與2g·L-1的低礦化度微咸水作用一致，特別是當土壤有機質(zhì)達18g·kg-1時，兩者灌溉下冬小麥產(chǎn)量相同，充分說明通過秸稈長期還田提升地力可顯著增加土壤對有害離子的緩沖能力。

圖6　20世紀80年代到今進行的不同礦化度微咸水灌溉試驗對冬小麥增產(chǎn)作用隨土壤有機質(zhì)含量（OM，單位為g·kg-1）的變化Fig.6 The changes in responses of winter wheat yield to different brackish water irrigation with the changes in soil organic matter（OM，g·kg-1） since 1980s

很多研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)增加可提升土壤有益微生物群落、提高植物的K+/Na+比、增加植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)吸收、加快土壤養(yǎng)分循環(huán)、增加植物抗氧化酶合成能力等［26，29］，使作物耐受土壤鹽分含量閾值提高。圖7顯示增施腐熟有機肥后冬小麥葉片Na+/ K+比顯著降低，對維持較高礦化度微咸水灌溉下作物產(chǎn)量不降低有重要意義。但也有研究顯示，一些種類有機肥施用反而會加重土壤鹽分對作物影響，主要原因是不同種類有機肥鹽分含量不同，全鹽含量高的有機肥施用反而增加了土壤鹽分，在缺水條件下可能會起反作用。例如根據(jù)對豬糞和秸稈腐熟有機質(zhì)鹽分含量測定，前者全鹽含量是1.2％，而秸稈腐熟后的有機質(zhì)全鹽含量為0.4％，家禽糞肥施用增加了土壤鹽分含量。Ahmed等［30］盆栽試驗結果顯示，在灌溉水含鹽量高時（2dS·m-1）施家禽糞肥的處理產(chǎn)量反而比對照低，而施用秸稈轉化的有機質(zhì)的所有灌溉處理下都比不施的高。在土壤含鹽量高時家禽糞肥的施用更加重了鹽分對作物危害。因此，通過長期秸稈還田增加土壤有機質(zhì)對增強微咸水灌溉下土壤對有害離子緩沖能力的建設更有意義。

圖7　不同礦化度微咸水灌溉下增施腐熟有機肥對揚花期冬小麥葉片鈉鉀比的影響（2013—214年，中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站）Fig.7 The effects of manure application on the ratio of Na and K in flag leaves of winter wheat irrigated with different brackish water（2013-2014，Nanpi Eco-Agriculture Experimental Station，Chinese Academy of Sciences）

4　結語

為滿足環(huán)渤海中低產(chǎn)區(qū)糧食增產(chǎn)的水資源需求，緩解當?shù)氐Y源不足，需要安全高效利用微咸水資源。通過“開源”方式增加水資源供應量；通過技術進步提高農(nóng)田水分利用效率的“節(jié)流”方式減少單位糧食生產(chǎn)需要的水資源量。在南皮試驗站近幾年研究結果表明，冬小麥夏玉米一年兩作農(nóng)田通過選用節(jié)水高產(chǎn)品種、配套玉米縮行勻播和冬小麥虧缺灌溉制度，可把現(xiàn)狀冬小麥水分生產(chǎn)效率1.5kg·m-3、夏玉米1.8kg·m-3分別提高到1.8kg·m-3和2.4kg·m-3的較高水平，在現(xiàn)有糧食生產(chǎn)條件下，可實現(xiàn)的節(jié)水潛力達20～24億m3。同時，隨著秸稈還田措施長期應用，土壤有機質(zhì)含量不斷提升，微咸水替代淡水灌溉對作物和土壤不利影響降低，為微咸水長期安全利用創(chuàng)造了條件，微咸水安全高效利用可為當?shù)剞r(nóng)田提供近每公頃750m3的灌溉水源。

根據(jù)上述研究結果，環(huán)渤海糧食生產(chǎn)過程中涉及地下咸水、地下淡水、雨水和地表水等多種水源，依據(jù)區(qū)域水質(zhì)水量周年變化規(guī)律和作物需水耐鹽特征，建立作物適水灌溉制度，即充分利用外來客水和雨季坑塘積蓄的地表水，進行冬小麥儲水灌溉和夏玉米應急抗旱灌溉，減少對地下淡水依賴；同時，根據(jù)冬小麥夏玉米不同作物耐鹽需水特征，進行冬小麥春季微咸水補灌，替代淡水資源，實現(xiàn)多水源協(xié)同高效利用，構建渤海糧倉建設的水資源保障技術體系。

References

［1］de Fraiture C，Wichelns D.Satisfying future water demands for agriculture［J］.Agricultural Water Management，2010，97（4）：502-511

［2］鄭連生.廣義水資源與適水發(fā)展［M］.北京：中國水利水電出版社，2009

Zheng L S.Water Resources and Development Based on the Capacity of the Water［M］.Beijing：H&E Publishing House，2009

［3］Jensen C R，?rum J E，Pedersen S M，et al.A short overview of measures for securing water resources for irrigated crop production［J］.Journal of Agronomy and Crop Science，2014，200（5）：333-343

［4］Zwart S J，Bastiaanssen W G M.Review of measured crop water productivity values for irrigated wheat，rice，cotton and maize［J］.Agricultural Water Management，2004，69（2）：115-133

［5］Shearman V J，Sylvester-Bradley R，Scott P K，et al.Physiological processes associated with wheat yield progress in the UK［J］.Crop Science Society of America，2005，45（1）：175-185

［6］Siddique K H M，Tennantd，Perry M W，et al.Water use and water use efficiency of old and modern wheat cultivars in a Mediterranean-type environment［J］.Australian Journal of Agricultural Research，1990，41（3）：431-447

［7］張喜英.提高農(nóng)田水分利用效率的調(diào)控機制［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2013，21（1）：80-87

Zhang X Y.Regulating mechanisms for improving farmland water use efficiency［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2013，21（1）：80-87

［8］Zhang X Y，Chen S Y，Sun H Y，et al.Root size，distribution and soil water depletion as affected by cultivars and environmental factors［J］.Field Crops Research，2009，114（1）：75-83

［9］Zhang X Y，Chen S Y，Sun H Y，et al.Water use efficiency and associated traits in winter wheat cultivars in the North China Plain［J］.Agricultural Water Management，2010，97（8）：1117-1125

［10］Zhang X Y，Wang S F，Sun H Y，et al.Contribution of cultivar，fertilizer and weather to yield variation of winter wheat over three decades：A case study in the North China Plain［J］.European Journal of Agronomy，2013，50：52-59

［11］Fereres E，Soriano M A.Deficit irrigation for reducing agricultural water use［J］.Journal of Experimental Botany，2007，58（2）：147-159

［12］Zhang X Y，Chen S Y，Sun H Y，et al.Dry matter，harvest index，grain yield and water use efficiency as affected by water supply in winter wheat［J］.Irrigation Science，2008，27（1）：1-10

［13］Zhang X Y，Wang Y Z，Sun H Y，et al.Optimizing the yield of winter wheat by regulating water consumption during vegetative and reproductive stages under limited water supply［J］.Irrigation Science，2013，31（5）：1103-1112

［14］邵立威，王艷哲，苗文芳，等.品種與密度對華北平原夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響［J］.華北農(nóng)學報，2011，26（3）：182-188

Shao L W，Wang Y Z，Miao W F，et al.Effect of cultivar and plant density on summer maize grain yield and water use efficiency in North China Plain［J］.Acta Agriculturae Boreali-Sinica，2011，26（3）：182-188

［15］Testa G，Reyneri A，Blandino M.Maize grain yield enhancement through high plant density cultivation with different inter-row and intra-row spacings［J］.European Journal of Agronomy，2016，72：28-37

［16］Deng X P，Shan L，Zhang H P，et al.Improving agricultural water use efficiency in arid and semiarid areas of China［C］//Proceedings of the 4th International Crop Science Congress，Brisbane，Australia：ICSC，2004

［17］Liu X W，Zhang X Y，Chen S Y，et al.Subsoil compaction and irrigation regimes affect the root-shoot relation and grain yield of winter wheat［J］.Agricultural Water Management，2015，154：59-67

［18］Zhang X Y，Chen S Y，Peid，et al.Evapotranspiration，yield and crop coefficient of irrigated maize under straw mulch［J］.Pedosphere，2005，15（5）：576-584

［19］Chen S Y，Zhang X Y，Peid，et al.Effects of straw mulching on soil temperature，evaporation and yield of winter wheat：Field experiments on the North China Plain［J］.Annals of Applied Biology，2007，150（3）：261-268

［20］Chauhan C P S，Singh R B，Gupta S K.Supplemental irrigation of wheat with saline water［J］.Agricultural Water Management，2008，95（3）：253-258

［21］Maas E V.Testing crops for salinity tolerance［M］//Maranville J W，BaIigar B V，Duncan R R，et al.Proceedings of Workshop on Adaptation of Plants to Soil Stresses.Lincoln，NE：University of Nebraska，1993：234-247

［22］陳素英，張喜英，邵立威，等.微咸水非充分灌溉對冬小麥生長發(fā)育及夏玉米產(chǎn)量的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2011，19（3）：579-585

Chen S Y，Zhang X Y，Shao L W，et al.Effect of deficit irrigation with brackish water on growth and yield of winter wheat and summer maize［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2011，19（3）：579-585

［23］Muscolo A，Mallamaci C，Panuccio M R，et al.Effect of long-term irrigation water salinity on soil properties and microbial biomass［J］.Ecological Questions，2011，14：77-79

［24］Wang Q M，Huo Z L，Zhang Ld，et al.Impact of saline water irrigation on water use efficiency and soil salt accumulation for spring maize in arid regions of China［J］.Agricultural Water Management，2016，163：125-138

［25］Hilleld，Braimoh A K，Vlek P L G.Soil degradation under irrigation［M］//Braimoh A K，Vlek P L G.Land Use and Soil Resources.Netherlands：Springer，2008：101-119

［26］Lax A，Díaz E，Castillo V，et al.Reclamation of physical and chemical properties of a salinized soil by organic amendment［J］.Arid Soil Research and Rehabilitation，1994，8（1）：9-17

［27］Choudhary O P，Kaur G，Benbi D K.Influence of long-term sodic-water irrigation，gypsum，and organic amendments on soil properties and nitrogen mineralization kinetics under rice-wheat system［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2007，38（19/20）：2717-2731

［28］Diacono M，Montemurro F.Effectiveness of organic wastes as fertilizers and amendments in salt-affected soils［J］.Agriculture，2015，5（2）：221-230

［29］Aragüés R，Medina E T，Clavería I.Effectiveness of inorganic and organic mulching for soil salinity and sodicity control in a grapevine orchard drip-irrigated with moderately saline waters［J］.Spanish Journal of Agricultural Research，2014，12（2）：501-508

［30］Ahmed B A O，Inoue M，Moritani S.Effect of saline water irrigation and manure application on the available water content，soil salinity，and growth of wheat［J］.Agricultural Water Management，2010，97（1）：165-170

Efficient utilization of various water sources in farmlands in the low plain nearby Bohai Sea*

ZHANG Xiying，LIU Xiaojing，CHEN Suying，SUN Hongyong，SHAO Liwei，NIU Junfang
（Key Laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Water-saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050022，China）

Freshwater shortage is a growing crisis in food production in the plain nearby the Bohai Sea.It is therefore important to efficiently utilize available water resources in the region，including fresh groundwater，brackish groundwater and precipitation during grain production season.This paper summarized the work of a 3-year field experiment at Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station，Chinese Academy of Sciences on utilization of saline water in replace of fresh groundwater irrigation of winter wheat，deficit irrigation to reduce water use，high-performance cultivars，and the optimized planting and cultivation technologies in wheat-maize double cropping system.The results showed that jointing stage was critical for irrigation under a single irrigation application in winter wheat.Irrigation at jointing stage improved the growth of both aboveground and belowground parts of winter wheat.The enhanced root growth increased soil water utilization during late growth stages and also reduced the negative effects of water stress on yield under limited irrigation of winter wheat.Thestudy also showed that the use of saline water with salt concentration less than 4g·L-1in place of freshwater irrigation at jointing stage of winter wheat did not affect yield，and prevented deep freshwater depletion.To mitigate the negative effects of soil salt in the top 20cm soil profile after winter wheat harvest on successive crops（summer maize），about 70mm of irrigation at sowing stage of maize was needed to support maize germination and seedling establishment.The results suggested that the return of the straw of both crops to the soil enhanced soil organic content.While the increased proportion of stable soil aggregates benefited the stability of soil structure，leaching of salt after saline irrigation improved during summer rainy season.The selection of better cultivars of winter wheat and summer maize had the potential to improve yield and water use efficiency by up to 20％.For summer maize，reducing inter-row spacing and increasing intra-row spacing improved the proportion of seedling establishment and interception ratio of solar radiation by crop canopy at seedling stage.This improved maize yield by about 10％ compared with traditional planting.The combined results of the measures reduced freshwater use in irrigation，and significantly improved water use efficiency and grain yield of crops.The study showed that it was possible to maintain grain yield and to conserve fresh groundwater resources at the same time in the study area.

Feb.21，2016；accepted Apr.27，2016

Winter wheat-summer maize double cropping system；Freshwater；Saline water；Precipitation；Water use efficiency；Crop yield

S273.1；S274.4

A

1671-3990（2016）08-0995-10

10.13930/j.cnki.cjea.160162

*國家科技支撐計劃項目（2013BAD05B02，2013BAD05B05）和河北省渤海糧倉科技示范工程專項資助

張喜英，主要從事農(nóng)田節(jié)水機理和技術研究。E-mail：xyzhang@sjziam.ac.cn

2016-02-21接受日期：2016-04-27

*This research was supported by the National Key Technology Research and Development Program of China（2013BAD05B02，2013BAD05B05） and Hebei S&T Special Fund for “Bohai Granary” Project.

Corresponding author，ZHANG Xiying，E-mail：xyzhang@sjziam.ac.cn