王慧軍,張喜英

華北平原地下水壓采區(qū)冬小麥種植綜合效應探討*

王慧軍1,張喜英2

(1. 河北省農林科學研究院 石家莊 050031; 2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心 石家莊 050022)

華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式為維護國家糧食安全發(fā)揮了重要作用。但冬小麥生長期正處于華北平原降水較少的干旱季節(jié), 實現高產依賴于灌溉, 是華北平原地下水超采的主導因素之一。隨著國家地下水限采政策的實施, 在地下水超采區(qū)如何穩(wěn)定冬小麥的種植面積和產量是面臨的一個重要問題。本文通過綜述以往研究并結合典型地點田間試驗結果, 從冬小麥種植可減少休閑期土壤蒸發(fā)損失、具有的深根系系統(tǒng)可充分利用土壤儲水、可利用微咸水替代淡水灌溉、通過限水灌溉發(fā)展優(yōu)質麥生產、冬春形成覆蓋層美化和防沙塵效應等方面論述了華北平原種植冬小麥的優(yōu)勢, 提出華北平原冬小麥生產需要轉變傳統(tǒng)高耗水高產量理念, 充分發(fā)揮冬小麥抗旱、耐鹽能力強的特點, 在不實施大規(guī)模壓縮冬小麥種植面積條件下, 通過冬小麥限水灌溉和微咸水利用滿足對地下水壓采需求, 充分發(fā)揮華北平原冬小麥種植冬春防風沙、美化環(huán)境的生態(tài)功能, 同時滿足區(qū)域口糧安全的保障功能。

地下水壓采; 冬小麥種植; 生態(tài)效應; 抗旱耐鹽; 防風沙; 優(yōu)質高效; 華北平原

華北平原是我國重要的糧食、蔬菜和果品生產基地, 占全國農作物播種面積的21.8%, 糧食產量占全國糧食產量的23.0%(2014年數據)。其中冬小麥()-夏玉米()一年兩作種植在華北平原具有悠久種植歷史, 是其優(yōu)勢種植制度。冬小麥產量占華北平原糧食總產量的51%、玉米占40%(2014年數據), 該區(qū)域冬小麥生產在國家糧食安全中占有重要位置[1-2]。以河北省為例, 冬小麥常年種植面積為226.7萬~233.3萬hm2, 總產量135億~140億 kg, 除滿足當地居民口糧需求外, 年調出量在40億 kg左右。然而, 由于冬小麥生長季從每年10月到次年6月上旬, 為該地區(qū)一年中最干旱的時期, 生育期降水量常年平均在120 mm, 而耗水量達400~450 mm, 缺水高達280~330 mm[3-4]。加之, 該區(qū)特大和大城市集中、工業(yè)發(fā)達, 農業(yè)、工業(yè)和城市用水過度依賴地下水, 導致地下水嚴重超采, 到2018年已累計超采1 400億m3, 地下水下降漏斗面積已達9萬km2, 其中在河北境內面積近6萬km2, 衡水和滄州漏斗中心水位埋深已超過100 m。近年來, 河北每年超采淺層水28.68億m3、深層水30.97億m3[5-6]。

目前, 由于地下水超采的壓力, 各地將壓縮冬小麥種植面積、實施季節(jié)性休耕作為壓采地下水的主要措施。例如: 在河北低平原深層地下水超采區(qū)季節(jié)性休耕已推廣13.3萬 hm2, 取得了一定的節(jié)水效果。但在該項措施推廣過程中, 政府持續(xù)對種植農戶進行補貼, 季節(jié)性休耕補貼標準7 500元?hm–2, 13.3萬hm2每年需要補貼10億元。由于地方政府財力有限, 沒有中央政府的支持, 該項措施的可持續(xù)性需要考慮。而壓縮冬小麥種植面積也忽略了一個非常重要的生態(tài)問題。如果單純壓縮冬小麥種植面積, 不種植冬小麥而改種其他作物, 任何作物的種植都消耗水資源。在縮減熟制、冬小麥季實施休閑的種植制度下, 由于冬小麥生育期的降水大多為小于10 mm的小雨, 沒有作物覆蓋, 將增加降水的無效蒸發(fā)損失, 不利于降水資源的高效利用[7-8]; 同時, 還帶來冬春季的沙塵問題。保留冬小麥種植, 通過冬小麥限水灌溉滿足地下水壓采需求, 將對區(qū)域生態(tài)安全和糧食安全發(fā)揮重要作用, 值得探討。

縱觀世界各地灌溉農業(yè)發(fā)展, 由于普遍存在灌溉水資源短缺問題, 灌溉農業(yè)已從充分灌溉向虧缺灌溉、限水灌溉轉變, 并取得了顯著成效。華北平原冬小麥灌漿期短, 后期遇到干熱風的幾率大, 常常使充分灌溉的冬小麥產量潛力不能得到充分發(fā)揮。很多研究顯示冬小麥實施虧缺灌溉策略(足墑播種條件下, 結合追肥只灌溉拔節(jié)期1次水), 雖然比充分灌溉(生育期灌溉3次水)的冬小麥平均減產13.5%, 但農田耗水量可降低70~90 mm, 水分利用效率提高19%, 能實現真正意義上的節(jié)水, 并能維持冬小麥單產穩(wěn)定在6 400 kg?hm–2左右[9-11]。如果河北冬小麥種植中全部采用該項灌溉技術, 年可減少15億~20億m3的耗水, 對實現地下水壓采目標有重要意義。此外, 冬小麥耐鹽能力較強, 在華北低平原區(qū)分布有豐富的淺層地下微咸水, 能夠被冬小麥利用。研究顯示利用不高于4 g?L–1的微咸水在冬小麥拔節(jié)期灌溉1次, 可以起到與淡水灌溉相同的增產作用[12-14]。通過限水灌溉和弱水資源利用在華北平原發(fā)展冬小麥種植具有可行性。

本研究通過綜述前人研究成果和利用典型試驗點的田間試驗數據, 論述華北平原冬小麥種植對冬春降水資源的有效利用、冬小麥深根系特征及對土壤水分利用能力、限水灌溉制度對產量和品質影響、微咸水補灌對冬小麥產量影響和冬小麥種植的冬春防風沙效果, 明確可通過選用抗逆豐產優(yōu)質品種, 利用限水灌溉制度和微咸水高效利用技術, 發(fā)展冬小麥適水種植, 充分發(fā)揮冬小麥抗旱、耐鹽生態(tài)特性, 對維持區(qū)域糧食穩(wěn)產和滿足地下水壓采目標具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究針對的區(qū)域為華北平原地下水嚴重超采的河北山前平原和低平原, 也是實施國家地下水壓采政策的重點區(qū)域。河北平原現有耕地面積417.1萬hm2, 占河北省耕地面積的71%, 糧食產量占全省的93%, 是河北省糧食主產區(qū)。河北平原位于溫帶大陸性季風氣候區(qū), 多年平均降水量450~ 550 mm, 冬小麥-夏玉米一年兩作是該區(qū)域的主要種植模式, 冬小麥生育期平均降水量80~120 mm, 70%以上的降水集中在夏玉米生育期。灌溉水源在山前平原主要來自淺層地下水, 地下水埋深平均在20~80 m不等; 在低平原灌溉水主要來源于深層地下水, 地下水埋深大于100 m。農業(yè)用水占河北省總供水量的75%, 其中冬小麥灌溉用水占農田總灌溉用水量的60%。河北省79%的供水來源于地下水, 每年對地下水超采量平均在50~60億m3, 低平原已形成衡水、滄州兩個大的地下水漏斗區(qū), 嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全和灌溉農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。在河北平原區(qū)實施地下水壓采刻不容緩。

1.2 數據來源

河北平原冬小麥的田間試驗結果來源于位于太行山山前平原的中國科學院欒城農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(簡稱“欒城試驗站”)和位于環(huán)渤海低平原的中國科學院南皮生態(tài)農業(yè)試驗站(簡稱“南皮試驗站”)。冬小麥不同灌溉制度下的土壤水分利用、產量、籽粒氮含量和水分利用效率及冬小麥休閑期土壤蒸發(fā)數據來源于欒城試驗站的長期定位試驗結果; 冬小麥微咸水灌溉下的產量來源于南皮試驗站的長期田間試驗結果。其他相關數據來源于已發(fā)表的參考文獻。

2 結果和討論

2.1 冬小麥種植減少休閑期土壤蒸發(fā)損失效應

河北平原冬小麥生長期為10月份至翌年6月初, 這個時期降水較少, 且多為小雨, 降水后土壤蒸發(fā)強烈, 如果降水后無作物迅速吸收, 形成土壤無效蒸發(fā), 這些降水資源無法形成有效土壤儲水。根據最近10年氣象資料統(tǒng)計, 位于河北山前平原的欒城試驗站從10月到翌年5月平均降水24.8次, 總降水量87.6 mm, 平均每次降水3.73 mm; 位于河北低平原的南皮試驗站從10月到翌年5月平均降水26.6次, 總降水量125.1 mm, 平均每次降水4.70 mm; 冬小麥生長期平均次降水量低于5 mm。在無作物生長的休閑季, 少量多次降水形成土壤蒸發(fā)損失, 無法增加土壤儲水為下季作物所利用。如果種植作物, 分布于表層的作物根系可以迅速吸收這部分降水轉化的土壤水, 形成有作物干物質生產的作物蒸騰, 減少土壤蒸發(fā)損失[15]。

在欒城試驗站利用智墑儀測定了未種植作物的裸露土壤逐日土壤蒸發(fā)量, 測定結果顯示從2018年1月1日—6月10日, 土壤蒸發(fā)損失120.6 mm, 相同時段降水量146.9 mm, 土壤蒸發(fā)占降水量的82.1%。2018年10月1日—2019年6月10日土壤蒸發(fā)142.9 mm, 降水113.4 mm, 土壤蒸發(fā)量大于同時段的降水量。從夏玉米收獲至越冬期間的10月、11月和12月, 土壤蒸發(fā)達到90 mm。而這個階段降水只有15.4 mm, 土壤蒸發(fā)耗水主要來源于夏季土壤儲水。上述結果顯示, 如果播種冬小麥的耕地休閑, 原冬小麥生長季節(jié)的大部分降水會轉化為無效水分蒸發(fā)損失, 而在10—12月降水較少年份, 土壤蒸發(fā)還要消耗夏季雨季形成的土壤儲水。圖1顯示2017—2018年和2018—2019年冬小麥季從休閑起始到結束期0~2 m土壤含水量的變化, 雖然沒有作物消耗, 兩個年度均出現了休閑期后土壤水分含量小于休閑期起始的情況, 特別是在土壤水分含量較高的2017—2018年度, 土壤水分深層滲漏和土壤蒸發(fā)加重了根層土壤水分的損失, 也增加了養(yǎng)分淋溶的風險[16]。因此, 實施冬小麥生長季休閑, 休閑期的雨水大多轉化為土壤蒸發(fā), 無法參與作物干物質的形成, 不利于有限水資源的高效利用。

圖1 2017—2018年度和2018—2019年度冬小麥季休閑的起始和結束期0~2 m土壤含水量的變化(欒城試驗站中子儀觀測數據)

Sun等[7]和Yan等[8]用模型模擬的河北平原典型地區(qū)由兩季作物改為1季作物后休閑期的土壤蒸發(fā)量平均135~156 mm (1987—2017年平均結果), 休閑期土壤蒸發(fā)占年降水量的28%~32%; 模擬結果顯示只考慮作物生長季耗水的農田水分利用效率一年兩作(冬小麥-夏玉米)平均1.9 kg?m–3、兩年3作和一年1作平均2.1 kg?m–3; 如果考慮休閑期的土壤蒸發(fā), 按照年耗水量計算水分利用效率, 兩年3作和一年1作水分利用效率分別變?yōu)?.8 kg?m–3和1.4 kg?m–3, 小于一年兩作的水分利用效率。因此, 從水資源高效利用方面考慮, 減少休閑時間的一年兩作具有高效利用自然降水資源的優(yōu)勢。華北平原實施一年兩作的冬季越冬作物應能夠充分利用冬春低溫條件, 而冬小麥是適應該區(qū)氣候條件、并能滿足口糧需求的重要作物。

2.2 種植冬小麥的抗旱耐鹽廣適優(yōu)勢

冬小麥起源于中亞、西亞地區(qū), 自身具有良好的抗旱基因, 在水稻()、小麥和玉米三大糧食作物中抗旱能力最強, 也是在全球干旱半干旱地區(qū)種植面積最大的糧食作物。澳大利亞、美國、加拿大、俄羅斯等冬小麥生產大國, 大部分冬小麥均不實行灌溉。冬小麥也具有一定耐鹽性, 可在一定鹽分的土壤和微咸水灌溉條件下種植, 具有廣適種植優(yōu)勢, 例如冬小麥、水稻和玉米開始減產的飽和土壤溶液的電導率分別是8.6 dS?m–1、3.0 dS?m–1和1.7 dS?m–1, 冬小麥的耐鹽閾值顯著高于水稻和玉米, 現代冬小麥品種劃分到耐鹽能力強的作物中[17]。

2.2.1 冬小麥具有利用土壤儲水能力, 干旱缺水條件下可維持生產能力

自20世紀80年代以來, 華北平原冬小麥種植區(qū)隨著灌溉條件改善, 主要追求高產目標, 生產上不計灌溉成本, 小麥生長季灌水次數多達4~6次, 每次灌水量達600~900 m3?hm–2, 使冬小麥由抗旱作物變?yōu)楹乃魑?。根據河北欒城試驗站多年研究結果, 在北方冬小麥生育期比較短的條件下, 最優(yōu)生物量取得不需要充分水分供應, 最高產量的取得也不需要達到最大生物量, 并可通過優(yōu)化灌溉制度提高收獲指數, 進一步提高水分利用效率[18]。研究顯示, 冬小麥通過優(yōu)化灌溉制度, 在消減農田耗水量16%情況下仍可維持冬小麥高產水平, 據此制定的優(yōu)化灌溉制度可減少冬小麥生育期灌水1~2次[11,18]。

華北平原位于季風氣候區(qū), 降雨主要集中在夏季, “麥收隔年墑”的農諺說明冬小麥具有利用土壤深層儲水能力。研究顯示冬小麥平均根深可達2 m, 比其他一年生作物有更深和更大的根系系統(tǒng), 依靠對土壤儲水的利用, 可抵御生育期干旱缺水對作物的影響[19-22]。圖2a顯示冬小麥不同生育期根長密度在土壤剖面的分布, 隨著冬小麥生育進程增加, 根長密度不斷增加, 根系不斷加深, 拔節(jié)期根系深度超過1 m, 收獲期根深可達2 m, 這種深根系特征有助于對土壤水分利用。如圖2b顯示冬小麥生育期不灌水條件下, 播種和收獲期根層土壤含水量比較, 150 cm以上根系對土壤水分利用接近凋萎濕度, 160 cm以下的土層受根長密度限制, 對土壤水分利用較少。冬小麥對整個根層的土壤儲水利用可超過150 mm, 這部分水分對維持限水灌溉下冬小麥穩(wěn)產發(fā)揮了重要作用[19-20]。

基于華北平原土壤具有良好的土壤持水能力、夏季降水對土壤水分補充以及冬小麥根系對土壤儲水的有效利用, 縮減冬小麥生育期灌水條件下, 冬小麥依然能夠維持一定的產量水平。表1顯示在河北欒城試驗站多年進行的不同灌水條件下冬小麥產量。2007—2018年, 底墑充足條件下, 冬小麥生育期實施旱作雨養(yǎng), 11個生育期平均產量4 884 kg?hm–2, 生育期平均耗水量245 mm, 其中土壤儲水利用占耗水量的62.6%, 水分利用效率(WUE)1.99 kg?m–3; 充分灌溉冬小麥平均產量7 373 kg?hm–2, 生育期耗水量446 mm, 其中土壤儲水利用占耗水量的24.7%, WUE為1.65 kg?m–3。旱作雨養(yǎng)比充分灌溉產量雖然降低34%, 但耗水量降低了45%。如果在灌溉水源相對豐富的區(qū)域, 在雨養(yǎng)基礎上, 冬小麥拔節(jié)期補充灌水1次, 平均產量比旱作雨養(yǎng)提高30%, 達6 381 kg?hm–2, 生育期耗水量為333 mm, 其中土壤儲水利用占耗水量的47.0%, WUE維持在1.92 kg?m–3, 產量比充分灌溉低13%, 但耗水量降低25%。冬小麥生育期根據區(qū)域農業(yè)水資源可利用量, 實施虧缺灌溉, 發(fā)揮冬小麥對土壤儲水的利用能力, 在維持一定產量基礎上, 顯著降低生育期耗水量, 水分利用效率也得到顯著提升。研究結果也充分說明冬小麥對土壤儲水的利用能力在生育期不灌水條件下平均可貢獻生育期耗水的60%以上。圖3顯示2007—2018年旱作冬小麥土壤耗水占生育期耗水比例隨生育期降水的變化, 在特別干旱年份土壤儲水對旱作冬小麥耗水貢獻率超過80%, 進一步實證冬小麥深根系特征增強了冬小麥在干旱條件下維持糧食生產的能力。

圖2 欒城試驗站2004—2005年冬小麥生長季根長密度在土壤中分布隨生育期的變化(a)和生育期不灌水條件下冬小麥播種和收獲期土壤水分剖面分布(b)

表1 2007—2018年冬小麥生育期不同灌溉策略下平均產量(Y)、耗水量(ET)、土壤水消耗量(SWD)、土壤水消耗占耗水量(SWD/ET)的比例及水分利用效率(WUE)(欒城試驗站結果)

圖3 冬小麥在播種時底墑充足生育期沒有灌水條件下2007—2018年冬小麥生長季節(jié)降水、土壤水消耗(SWD)和土壤儲水消耗占總蒸散(ET)的比例(欒城試驗站結果)

2.2.2 適度微咸水灌溉對冬小麥的增產作用

在淡水資源短缺區(qū)域合理開發(fā)利用地下咸水資源發(fā)展農業(yè)灌溉具有較長歷史, 很多研究顯示合理利用微咸水是解決淡水資源嚴重缺乏的有效途徑[23-25]。在華北平原地下水嚴重超采的低平原區(qū), 淺層微咸水相對豐富, 例如河北低平原主要區(qū)域小于5 g?L–1的微咸水資源量有10.99 億m3, 目前利用率僅為40%, 有60%微咸水資源可為農業(yè)所利用, 可為每公頃灌溉耕地增加近750 m3灌溉水源[25]。根據前人研究結果, 冬小麥具有較強的耐微咸水灌溉能力, 減產25%的土壤電導率為9.5 dS?m–1、減產50%的電導率為13 dS?m–1, 這些數值高于高粱()、大豆()、玉米和水稻[17]。冬小麥耐鹽能力普遍高于華北平原種植的其他主要作物, 僅低于棉花(spp.)。因此, 在華北低平原微咸水豐富區(qū)域, 種植耐鹽能力強的冬小麥可充分利用當地的微咸水資源替代深層淡水[12-14,25]。

位于河北低平原的南皮試驗站長期進行的冬小麥微咸水灌溉試驗結果顯示(圖4), 2013—2019年平均6個冬小麥生育期在底墑充足生育期不進行灌水條件下平均產量為5 013 kg?hm–2。拔節(jié)期增加1次灌水, 灌溉水源為從淡水到礦化度5 g?L–1的微咸水, 冬小麥平均產量為6 613 kg?hm–2到6 228 kg?hm–2, 增加1次灌水的增產效果在27.6%~31.9%; 增產幅度最大的是3 g?L–1的微咸水灌溉, 比淡水灌溉平均產量高3.4%, 雖然統(tǒng)計分析兩者差異不顯著。春季用4~5 g?L–1微咸水補充灌溉1次, 對冬小麥的產量有與3 g?L–1微咸水和淡水灌溉相似的增產效應; 2018—2019年產量低于其他水質的灌溉處理, 究其原因2017年和2018年連續(xù)兩個夏季降水量低于常年水平, 夏季降水不足導致鹽分淋洗不充分, 出現了鹽分在主要根層的累積。當夏季有足夠降水淋洗鹽分時, 高礦化度微咸水灌溉的不利效果可以消減。

冬小麥耐鹽能力大于夏玉米, 冬小麥微咸水灌溉需要考慮對下茬作物夏玉米的影響。研究顯示, 由于冬小麥生長期間耗水量大, 微咸水灌溉后, 鹽分在土壤表層累積影響夏玉米生長, 解決該問題的途徑是夏玉米播前進行灌溉, 使耕層土壤鹽分淋洗至夏玉米耐鹽閾值之下, 以保證夏玉米苗期正常生長; 隨著雨季到來, 通過降雨的洗鹽作用, 冬小麥季微咸水灌溉對夏玉米的影響會大幅度削弱[12-13]。研究也發(fā)現當夏季累積降雨量大于300 mm, 可實現長期微咸水灌溉下的土壤安全[26-27]。河北低平原平均70%的年份夏季降水可達300 mm以上, 為土壤鹽分淋洗創(chuàng)造了條件, 使干旱缺水季節(jié)的微咸水灌溉成為可能。在微咸水利用中, 還可以結合耐鹽品種選用、培肥地力、覆蓋抑蒸等措施提高作物和土壤耐微咸水灌溉的能力[23]。

圖4 冬小麥2013—2019年利用不同礦化度微咸水在拔節(jié)期灌水1次與生育期不灌水和淡水灌水1次的產量比較(南皮試驗站結果)

2.3 華北平原具有優(yōu)質冬小麥生產優(yōu)勢

小麥因其適應性強而廣泛分布于世界各地, 占全球谷物種植面積的30.7%, 居世界谷物種植面積之首。在世界小麥種植面積中冬小麥種植面積約占75%[28]。我國小麥總產量占據世界第1位, 隨著生活質量不斷提升, 對小麥品質的要求也逐步提高[29]。小麥籽粒品質是指對某種特定最終用途的適合性[30],是形態(tài)、營養(yǎng)和加工品質的有機結合。優(yōu)質小麥是指品質優(yōu)良并具有專門加工用途的小麥, 品質達到國家優(yōu)質小麥品種的品質標準, 能夠加工成具有優(yōu)良品質的專用食品的小麥[30-32]。世界主要小麥生產國如美國、加拿大、俄羅斯、澳大利亞、英國等均注重小麥品質。眾多研究表明, 小麥品質不僅受遺傳影響, 也與小麥生產區(qū)域的氣候、土壤、施肥耕作、灌溉等環(huán)境和管理條件密切相關?；蛐?、生態(tài)環(huán)境和栽培管理決定了小麥籽粒的品質, 基因和環(huán)境對品質的效應決定了優(yōu)質小麥生產的布局[31-32]。

我國目前冬小麥生產中缺乏優(yōu)質麥, 部分依賴進口。冬小麥按蛋白質含量分為5等: 蛋白質含量15.0%以上為1等, 14.0%~14.9%為2等, 3.0%~13.9%為3等, 12.0%~12.9%為4等, 12.0%以下為5等[32]。很多研究顯示, 同一小麥品種在不同地點種植, 蛋白質差異可達5%以上, 說明生產地點對小麥蛋白質含量的重要性[29-34]。在基因與環(huán)境互作對小麥品質研究過程中, 發(fā)現環(huán)境因素引起的冬小麥品種間在蛋白質和濕面筋含量等方面差異大于基因型引起的差異, 進一步說明冬小麥生產地點的環(huán)境因素對冬小麥蛋白品質形成的重要性[32]。很多研究也顯示小麥籽粒蛋白含量與其他重要品質指標有顯著正相關關系, 選擇適宜地區(qū)生產蛋白質含量高的冬小麥是提升其品質的一個重要途徑。

根據小麥品種和種植地點對蛋白質影響及常年氣象條件, 我國小麥蛋白質含量呈現由北向南遞減、從東向西增加的趨勢, 小麥蛋白質含量達到1等麥和2等麥的主要產區(qū)為河北、山東和黑龍江; 從面筋含量上, 河北的冬小麥最高, 達28.78%[31]。河北冬小麥生產區(qū)域的光、溫、水等氣候條件利于小麥籽粒蛋白的形成。中國小麥品質區(qū)劃將我國優(yōu)質小麥品質區(qū)域劃分為3個區(qū)和10個亞區(qū), 其中黃淮海區(qū)域為我國中強筋小麥主產區(qū), 細分為華北北部強筋麥區(qū), 黃淮北部強筋、中筋麥區(qū), 黃淮南部中筋麥區(qū)等[32]。依據上述優(yōu)質冬小麥產區(qū)劃分, 地下水嚴重超采的河北平原為我國重要的強筋和中強筋冬小麥生產區(qū)域, 保留該區(qū)的冬小麥生產對滿足我國優(yōu)質小麥供應有重要意義。

優(yōu)質麥的生產也受制于田間管理措施。很多研究顯示, 合理的水肥及播期播量耦合可顯著提升冬小麥籽粒蛋白質含量[35-37]。一般條件下隨著灌水增多, 冬小麥的蛋白質含量、沉降值、濕面筋等降低; 在一定范圍內, 隨著干旱缺水程度增加, 品質指標呈上升趨勢。在華北平原地下水壓采實施區(qū)域, 未來可用于冬小麥的灌溉水源將會減少, 冬小麥在虧缺灌溉條件下更利于其品質的提升。劉小飛等[37]發(fā)現調虧灌溉可提高優(yōu)質小麥籽粒品質, 證實調虧灌溉在優(yōu)質小麥生產中“以水調質”的可行性。欒城試驗站的結果也顯示多數年型下冬小麥籽粒蛋白含量為生育期不灌水>灌1水>灌2水, 特別是優(yōu)質麥品種如‘藁優(yōu)2018’和‘藁優(yōu)5766’, 一定水分虧缺條件下籽粒蛋白含量顯著高于灌水處理, 而籽粒蛋白質含量的提高, 對冬小麥其他品質指標如濕面筋、沉降值等也是正效應[38-39]。因此, 華北平原地下水嚴重超采的河北平原, 作為我國適宜優(yōu)質麥產區(qū), 在未來灌溉水減少情況下, 更利于優(yōu)質麥種植品質的提升, 通過品質提升增加經濟產出, 可以一定程度彌補灌溉水減少帶來的產量降低造成的經濟損失。

2.4 冬小麥種植的美化和防沙塵效應

華北平原屬土壤風蝕中度敏感區(qū), 是揚沙天氣的多發(fā)區(qū), 且主要發(fā)生在冬春季節(jié)[40]。種植冬小麥可在冬春季節(jié)形成有效植被覆蓋層, 減少土壤風蝕和揚沙天氣的發(fā)生, 利于美化鄉(xiāng)村環(huán)境[41-42]。王笑非[42]依據模型模擬方法研究河北平原冬小麥田防風蝕效應, 結果表明河北平原冬春季節(jié)為易蝕性季節(jié), 此階段的可蝕風日數和潛在風蝕量分別占全年的82%和69%; 易風蝕季節(jié)10—11月麥田比裸露農田減少土壤風蝕量的60%, 12月—翌年5月麥田比裸露農田減少土壤風蝕量98%。因此, 華北平原種植冬小麥兼具生態(tài)和環(huán)境保護功能。

雖然種植其他越冬作物建立覆蓋層同樣起到冬小麥種植的防風沙和美化綠化作用, 但改種其他作物或飼草同樣消耗水資源, 無明顯的節(jié)水效果。在種植玉米、且廣泛推廣秸稈粉碎還田條件下, 播種冬小麥不需要特殊管理就能夠形成較好的群體; 而其他越冬作物播種和群體建立需要的土壤環(huán)境條件要高于冬小麥; 同時冬小麥具有深根特性, 能充分利用夏季形成的土壤儲水, 與根系較淺、生長在雨季的夏玉米相互補充, 形成充分利用當地光溫水資源的“一年兩作”高效種植制度。

3 結論

國家自2014年啟動了華北平原嚴重地下水超采區(qū)河北平原綜合治理試點項目, 通過大力發(fā)展以節(jié)水灌溉為主的節(jié)水型社會, 合理引用外調水, 著力調整種植結構, 因地制宜、因水制宜, 禁限采管理、水位水量雙管控和完善法規(guī)體系, 實施“節(jié)、引、蓄、調、管”五大工程, 項目實施以來, 取得了初步成效。但華北平原地下水超采是多年、多因素共同形成的結果, 實現地下水壓采和地下水可持續(xù)利用需要制定切實可行的長期發(fā)展戰(zhàn)略, 國家自2019年又啟動了華北平原以京津冀為重點區(qū)域的地下水綜合治理項目。

根據上述分析, 華北平原區(qū)冬小麥種植具有明顯的經濟、生態(tài)效應優(yōu)勢, 同時擔當糧食安全的重任, 地下水壓采條件下的農業(yè)應走適水種植的路徑?？梢詮霓D變傳統(tǒng)生產觀念, 恢復小麥生態(tài)作物、口糧作物的本來面目, 由高產灌溉理念轉為調虧灌溉理念。舍棄現有高耗水高產量之路, 按照限水豐產的思路, 充分發(fā)揮冬小麥生態(tài)作物優(yōu)勢, 挖掘其抗旱、耐鹽潛力, 利用優(yōu)質生產彌補效益影響。通過節(jié)水優(yōu)質品種的選用、灌溉方式和設備的改進(如: 微灌水肥一體化等), 實現冬小麥限水灌溉能夠滿足對地下水壓采的需求, 并充分發(fā)揮華北平原冬小麥種植冬春防風沙、美化環(huán)境的生態(tài)功能。此外, 通過優(yōu)質冬小麥生產滿足區(qū)域口糧安全和效益保障功能。

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Evaluating the comprehensive effects of planting winter wheat in the groundwater depletion regions in the North China Plain*

WANG Huijun1, ZHANG Xiying2

(1.Hebei Academy of Agricultural and Forest Sciences, Shijiazhuang 050031, China; 2.Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China)

The traditional annual double cropping system of winter wheat and summer maize in the North China Plain (NCP) can take the full advantage of regional climate resources, and has played an important role in maintaining national food security. However, high winter wheat production depends on irrigation, which is one of the leading factors for groundwater over-exploitation in the NCP. With the implementation of the national groundwater extraction restriction policy, how to develop winter wheat in groundwater over-extraction areas is becoming an important issue. Based on long-term field experimental data and literatures, this paper discussed aspects such as reducing soil evaporation loss during fallow period, brackish water resources utilization, deficit irrigation to improve quality, and effective cover formation in winter and spring seasons by planting winter wheat. The production of winter wheat in the groundwater depletion regions in the NCP would involve a change from the traditional practice of applying adequate irrigation water for high yield to using limited irrigation for higher quality and higher water use efficiency. The planting of winter wheat can reduce soil evaporation and fully use the rainfall resources during winter and spring seasons. Winter wheat can also form an effective coverage to reduce soil erosion and green the rural areas. By applying reduced irrigation based on the irrigation water availability in a region, winter wheat can still maintain a stable yield due to its deep root characteristics which can efficiently absorb the deep soil water stored during the summer rainy season. Under reduced irrigation, the quality of winter wheat can be improved, which provides the opportunity to grow high-quality winter wheat in the NCP. In the low plain of the NCP, where shallow saline water is abundant, irrigation for winter wheat by fresh water can be replaced by the shallow saline water. Growing winter wheat based on the irrigation water availability in the NCP has the benefits of wind erosion protection, beautification of the rural environment, and meeting regional food security.

Restriction for groundwater withdrawing; Planting winter wheat; Ecological effects; Drought and salt resistance; Wind erosion prevention; High quality and efficiency; North China Plain

, WANG Huijun, E-mail: nkywhj@126.com

Jan. 13, 2020;

10.13930/j.cnki.cjea.200027

王慧軍, 張喜英. 華北平原地下水壓采區(qū)冬小麥種植綜合效應探討[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2020, 28(5): 724-733

WANG H J, ZHANG X Y. Evaluating the comprehensive effects of planting winter wheat in the groundwater depletion regions in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020,28(5): 724-733

S512.1

* 公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(2013030133)和中國科學院科技服務網絡計劃項目資助

王慧軍, 主要從事作物耕作栽培及農業(yè)經濟理論和技術研究。E-mail: nkywhj@126.com

2020-01-13

2020-02-26

* The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (2013030133) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences.

Feb. 26, 2020