賈建英，方 鋒，萬 信，韓蘭英，王 興，周忠文，梁 蕓，王小巍，王 帆，黃鵬程

·農(nóng)業(yè)水土工程·

1981－2020年黃土旱塬區(qū)冬小麥田耗水組分特征及其影響

賈建英1，方 鋒1，萬 信1，韓蘭英1，王 興1，周忠文2，梁 蕓1，王小巍1，王 帆1，黃鵬程1

（1. 蘭州區(qū)域氣候中心，蘭州 730020；2. 慶陽市氣象局，慶陽 745000）

深入理解農(nóng)田耗水組分特征對提高干旱地區(qū)作物產(chǎn)量和水資源利用效率具有重要意義。該研究利用1981－2020年西峰國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站冬小麥定位觀測資料，分析黃土旱塬區(qū)冬小麥田耗水組分特征及年代際變化規(guī)律，并探究其對葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）、干物質(zhì)積累分配和轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量及水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的影響。結(jié)果表明：近40年研究區(qū)冬小麥田全生育期耗水量平均為315 mm，生育期降水和休閑期土壤貯水消耗占比分別為69.4% 和30.6%，不同年代、不同生育階段耗水組分存在差異，起身-開花期是休閑期土壤貯水消耗的主要時期；隨著年代際推移，LAI、干物質(zhì)量、產(chǎn)量及WUE均呈現(xiàn)增加趨勢，其中LAI增加主要受年際降水的調(diào)控作用，且與耗水組分中生育期內(nèi)降水增加密切相關(guān)，而近10年（2011－2020年）受生育期降水增加及抗旱高產(chǎn)品種影響，冬小麥干物質(zhì)量、產(chǎn)量及WUE顯著增加（<0.05）。研究成果可為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供參考。

土壤；產(chǎn)量；耗水組分；土壤貯水；干物質(zhì)積累和分配；水分利用效率（WUE）；冬小麥

0 引 言

干旱地區(qū)占地球陸地面積的41%，供養(yǎng)了全球38%的人口，水分是制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。黃土高原是中國糧食主產(chǎn)區(qū)，也是傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，降水資源是該地區(qū)最主要的農(nóng)業(yè)用水來源，由于地處中國半干旱氣候區(qū)和亞洲夏季風(fēng)影響邊緣區(qū)，降水量年際波動較大，有效降雨少且時空分布不均，造成糧食主要生長季干旱頻繁發(fā)生，導(dǎo)致該區(qū)域糧食生產(chǎn)水平低且不穩(wěn)定[2-3]。隨著全球氣候變暖，黃土高原暖干化趨勢明顯，尤其春、夏季呈現(xiàn)干旱化加重趨勢，水資源短缺成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。因此，深入剖析以降水資源為主體的農(nóng)田耗水組分特征，對保障干旱地區(qū)的水安全和糧食安全至關(guān)重要。

冬小麥?zhǔn)屈S土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的主要糧食作物之一，全生育期需水量為350～500 mm，但生長季降水大多不足250 mm，只能滿足耗水量的65%～95%，干旱頻繁發(fā)生[6-7]，而夏季7－9月休閑期（冬小麥?zhǔn)崭詈蟮较乱患静シN前）降水占全年降水的60%以上。深厚的黃土層具有結(jié)構(gòu)疏松、透水、易耕、性熟等特點，能將降水蓄存于土體之中，在干旱缺水季節(jié)可為作物提供“保命水”，最終通過土壤深層貯水來應(yīng)對氣候干旱，具備顯著的儲蓄和調(diào)節(jié)水分功能，被稱為“土壤水庫”[8-9]，許多學(xué)者就其對冬小麥生產(chǎn)的重要性開展大量研究[10-14]。休閑期土壤水庫充水占主導(dǎo)地位，土壤貯水量顯著增加，即土壤水庫“水位”上升；從播種到收割，整個生長期土壤貯水量顯著下降，土壤水庫放水占主導(dǎo)地位[10-12]，及時為冬小麥生長供給所需水分。因此，冬小麥生長發(fā)育所需水分一部分來自生育期內(nèi)降水，而另一部分則是休閑期貯存的土壤水分補(bǔ)給[13-17]，冬小麥田耗水組分主要由生育期降水和休閑期土壤貯水消耗構(gòu)成。崔亞強(qiáng)等[15]采用人工干預(yù)降水在長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站研究表明，生育期降水對冬小麥田耗水量的貢獻(xiàn)率超過50%。Zhang等[16]利用不同耕作試驗表明，黃土高原休閑期土壤貯水與生育期降水對冬小麥生產(chǎn)同等重要，產(chǎn)量和水分利用效率的變化與開花前后降水的分配及土壤蒸發(fā)變化關(guān)系密切，而目前產(chǎn)量主要受環(huán)境特別是降水的季節(jié)分配及管理因素的限制。李超等[12]通過田間試驗表明在黃土塬區(qū)降水季節(jié)分布特征下，播前底墑變化與生育期差別供水對冬小麥產(chǎn)量均有影響，由底墑或不同生育時期分別增加等量供水在總供水水平相同時其增產(chǎn)效應(yīng)基本一致。然而，目前耗水組成中各分量對冬小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量形成以及水分利用效率的作用和貢獻(xiàn)尚不明確，缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，深入研究黃土高原冬小麥田耗水組分特征及其變化規(guī)律，并探明其對生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，對提高黃土高原作物產(chǎn)量和水分利用效率具有一定科學(xué)價值。

本研究基于黃土高原西峰國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站1981－2020年冬小麥田間定位觀測資料，重點分析氣候變化背景下冬小麥田耗水組分特征及其年代際變化規(guī)律，并研究其對葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）、干物質(zhì)積累分配和轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量和水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的影響，揭示冬小麥田耗水組分與產(chǎn)量及WUE間的關(guān)系，以期為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站（35°44′N，107°38′E）為國家級農(nóng)業(yè)氣象試驗站（圖1），位于甘肅隴東黃土高原中北部的董志塬。董志塬為黃土高原最大的原面，黃土層厚達(dá)150～200 m，海拔在1 200～1 400 m，地下水位大部分在50～100 m。該區(qū)屬大陸性半干旱氣候，1991－2020年平均氣溫9.8 ℃，無霜期202 d，年日照時數(shù)為2 424.3 h，多年平均降水量542.2 mm，降水集中在7－9月，占全年降水量的55.2%。土壤類型以黑壚和黃綿土為主，田間持水量在20.8%～24.2%，萎蔫系數(shù)在4.2%～5.4%。塬區(qū)總耕地面積6.1×104hm2，基本無灌溉條件，為典型旱作區(qū)，主要農(nóng)作物為冬小麥和春玉米。

圖1 黃土高原及西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站分布

1.2 資料及來源

土壤水分測定時段為每年3月上旬至11月上旬，每旬逢8日（8日、18日、28日，下同）測定。其中1981－2014年采用土鉆法進(jìn)行土壤含水率的測定，測定深度為100 cm，每間隔10 cm取一次樣土，測定4 個重復(fù)，烘干法測定土壤含水率（%）；2015－2020年資料為經(jīng)標(biāo)定后投入業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動土壤水分觀測儀測定，選取每月逢8日0～100 cm共10個土層觀測資料。冬小麥試驗品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，其中1981－1984年以昌樂5、6、7、8號為主，1985－1990年、1991－1993年分別種植慶豐1號、長武131號，1994－2008年主要種植西峰20、24號，2009－2016年和2020年主要以隴育218、386、5、7為主，2017－2019年種植隴生2、中麥175。觀測時段為9月中、下旬（播種）至翌年6月下旬、7月上旬（收獲），期間生育期、葉面積指數(shù)（LAI）、干物質(zhì)量及產(chǎn)量觀測方法均按中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》，其中LAI分別在三葉、分蘗、越冬開始、返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟期測定，干物質(zhì)量與LAI同時期觀測，并在成熟期最后觀測記錄。1981－2020年土壤水分觀測資料、冬小麥生育期和產(chǎn)量及氣象資料均來源于甘肅省氣象信息中心，1995－2020年葉面積指數(shù)（LAI）及干物質(zhì)量測定資料來源于西峰國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站。

1.3 研究方法

干物質(zhì)積累和分配相關(guān)指標(biāo)[18]計算式如下：

營養(yǎng)器官開花前貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量=

開花前干物質(zhì)量?成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)量 （1）

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量對穗重的貢獻(xiàn)率=

花前貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒干物質(zhì)量×100%（2）

花后干物質(zhì)積累量=成熟期總干物質(zhì)量?

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量 （3）

花后干物質(zhì)積累對穗重貢獻(xiàn)率=

花后干物質(zhì)積累量/成熟期穗部干物質(zhì)量×100% （4）

土壤貯水量[19]計算式如下：

=10/100×（5）

式中為土壤貯水量，mm；為土壤厚度，cm；為土壤容量，g/cm3；為土壤含水量，%。

采用農(nóng)田水量平衡法計算農(nóng)田耗水量ET[19-20]：

ET???Δ（6）

式中ET為農(nóng)田耗水量，mm；為作物生育期內(nèi)降水量，mm；為地下水補(bǔ)給量，mm；為徑流量，mm；為深層滲漏量，mm；Δ為計算時段內(nèi)土壤貯水量的變化，mm。由于冬小麥總根長或根質(zhì)量的60%集中于0～40 cm 的土壤上層，根系吸水深度主要集中在0～70 cm[21-22]，本文采用0～100 cm的土壤水分觀測資料計算土壤貯水量，其變化基本可以反映冬小麥消耗的大部分土壤水分。試驗田位于黃土高原半干旱地區(qū) , 地下水埋深較大，多在幾十米以下，因此可以不考慮地下水補(bǔ)給影響。試驗田較為平坦且有田埂，側(cè)向水分交換較少發(fā)生，可忽略不計。同時，冬小麥生長季正好處于研究區(qū)降水偏少時期，土壤大部時段處于水分虧缺狀態(tài)，基本不會發(fā)生深層滲漏。綜上，可以忽略不計[19-20]，式（6）可簡化為

ETΔ（7）

耗水速率[19]計算式如下：

WFVΔ/（8）

式中WFV為土壤貯水（耗水）速率，mm/d；Δ為計算時段內(nèi)土壤貯水量的變化，mm；為同時期的天數(shù)，d。

水分利用效率計算式如下：

WUE=/ET （9）

式中WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；為小麥產(chǎn)量，kg/hm2；ET為農(nóng)田耗水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥田耗水組分特征

2.1.1 全生育期

從圖2a可知，近40年隴東黃土高原旱塬區(qū)冬小麥田全生育期耗水量平均為315 mm，以4 mm/10a速率增加，但年際間差異較大，最多年份（2002年為453 mm）耗水量是最少年份（2000年158 mm）的2.9倍。1990 s冬小麥田平均耗水量最少為278 mm，為耗水量最少年代，本世紀(jì)以來隨著降水量增加耗水量明顯增加，平均耗水量達(dá)到332 mm。

從耗水組成分析，近40年冬小麥生育期內(nèi)降水量（平均217 mm）和休閑期土壤貯水消耗（平均97.5 mm）對冬小麥田全生育期耗水貢獻(xiàn)占比分別為69.4%和30.6%（圖2b），且耗水量隨播前底墑和生育期降水量的增加而增加，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.654 0、0.611 5，均通過0.05水平顯著性檢驗。

從年代際變化看，1980 s和2010 s較為相似，生育期降水在230 mm左右，休閑期土壤貯水消耗90 mm左右，2010 s為近40年全年降水最多年代；2000 s冬小麥生育期降水最少，為196 mm，但由于休閑期降水充沛達(dá)到349 mm，土壤底墑充足，生育期內(nèi)土壤貯水消耗平均為145 mm，對冬小麥田耗水貢獻(xiàn)占比達(dá)43%；1990s生育期內(nèi)降水平均為213 mm，但由于休閑期降水較少，土壤貯水不足，冬小麥田耗水量（278 mm）為最少年代，據(jù)《甘肅省志-氣象志》[23]記載，1990s由于降水量持續(xù)偏少，氣溫偏高，導(dǎo)致干旱頻繁發(fā)生，特別是1995年、1997年和2000年干旱最為嚴(yán)重。

2.1.2 不同生育階段

不同生育期耗水組分和耗水速率存在差異（圖3a），播種-越冬前、越冬-起身期、起身-拔節(jié)期、拔節(jié)-開花期、開花-成熟期耗水量分別占全生育期的22.4%、19.8%、11.6%、23.8%、22.4%，各生育階段日平均耗水速率分別為1.7、0.4、1.7、2.5、2.3 mm/d，拔節(jié)-成熟期是冬小麥田主要耗水階段，而起身-拔節(jié)期是土壤水庫對冬小麥供水的主要時期，土壤貯水消耗占該階段耗水量的51.6%，其次為拔節(jié)-開花期，占35.5%。從各個年代變化看（圖3b），起身-開花期是土壤貯水消耗的主要時期，此階段研究區(qū)正處于春季少雨時期，1981－2020年起身-開花期研究區(qū)平均降水量為65.5 mm，占全年降水量的12%，通常不能滿足冬小麥日漸增加的需水量，土壤水庫通過上年休閑期貯存的土壤水不斷補(bǔ)充冬小麥生育所需水分，發(fā)揮年際間的調(diào)節(jié)作用，緩解冬小麥春季干旱。

2.2 冬小麥田耗水組分間關(guān)系

耗水組分中生育期降水和土壤貯水消耗處于此消彼長的平衡關(guān)系，且生育期降水占主導(dǎo)地位。從圖4可知，土壤貯水消耗占比與生育期降水（）和收獲后1 m土層貯水量（1）呈線性遞減關(guān)系（<0.05），與播前1 m土層貯水量（2）呈線性遞增關(guān)系（<0.05）。當(dāng)大于270 mm時，土壤貯水消耗占比小于10%，收獲后1也達(dá)到田間持水量的60%以上；當(dāng)介于230～270 mm，播前2在200～230 mm時，通常土壤貯水消耗占比在10%～26%，收獲后1達(dá)田間持水量的50%～60%；當(dāng)在193～230 mm，播前2在230～255 mm時，土壤貯水消耗占比在26%～40%，收獲后1達(dá)到田間持水量的40%～50%；當(dāng)在141～193 mm，播前2在230～255 mm時，通常土壤貯水消耗占比在40%～60%，收獲后1達(dá)到田間持水量的30%～40%。

注：P為生育期降水量，W1為收獲后1 m土層貯水量，W2為播種前1 m土層貯水量，單位均為mm。

2.3 耗水組分對LAI影響

葉面積指數(shù)（LAI）可以反映作物生長發(fā)育狀況，是作物產(chǎn)量形成過程中的重要參數(shù)。1980s和1990s前期研究區(qū)主要種植慶豐、長武等系列，1994年以后西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站開始對冬小麥LAI、生物量等要素觀測，品種主要以西峰20號（1995－2002年）、西峰24號（2003－2008年）、隴育218（2009－2010年、2014年、2016年）、隴育386（2011－2013年）等為主，而這4個主栽品種不同生育期間LAI并無顯著性差別（<0.05）。從年代際變化看（圖5a），1990s中后期（1995－2000年）冬小麥返青后LAI普遍低于本世紀(jì)，特別是同年代抽穗期LAI低于拔節(jié)期，主要是1990s干旱頻發(fā)，1995年、1997年和2000年甘肅出現(xiàn)較為嚴(yán)重干旱[21]。1995－2020年最大LAI（抽穗期）與冬小麥田耗水量符合冪函數(shù)關(guān)系（圖5b，<0.05），LAI隨耗水量增加而呈現(xiàn)上升趨勢。

不同階段降水、土壤貯水及耗水量與關(guān)鍵生育期LAI的相關(guān)分析表明（表1），拔節(jié)期LAI與返青-拔節(jié)期的降水相關(guān)性最高（=0.546），抽穗期LAI與播種以來降水量相關(guān)性最高（=0.614），乳熟期LAI與播種以來耗水總量相關(guān)性最高（=0.570）。綜合來看，LAI與生育期降水相關(guān)性要高于和土壤貯水消耗的相關(guān)性，可見耗水組分中生育期降水對LAI影響更大。

表1 耗水組分與冬小麥關(guān)鍵生育期LAI相關(guān)性

注：*、**分別表示通過0.05和0.01水平顯著性檢驗。

Note: * Represents the significance test of 0.05, ** represents the significance test of 0.01.

2.4 耗水組分對干物質(zhì)積累、分配和轉(zhuǎn)運的影響

不同品種不同時期干物質(zhì)量差異比較（表2，<0.05）表明：返青期西峰20和隴育218間差異顯著，拔節(jié)期各品種間干物質(zhì)量差異不顯著，抽穗期西峰20和西峰24、隴育386差異顯著，乳熟和成熟期西峰20與隴育218、386間差異顯著，與西峰24差異不顯著。在營養(yǎng)生長階段（拔節(jié)期）品種間干物質(zhì)量差異不大，生殖生長階段（抽穗期）品種間干物質(zhì)量差異顯現(xiàn)，至乳熟-成熟期穗重占比增大，產(chǎn)量已逐漸形成，西峰和隴育系列品種間差異顯著并趨于穩(wěn)定。

表2 不同品種冬小麥不同時期干物質(zhì)量

注：各列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平差異顯著。

Note: Values followed by the different letter within a column are significantly different at<0.05.

以西峰20、西峰24和隴育系列為代表的不同年代干物質(zhì)量積累與分配（表3）可知，在抽穗期后冬小麥干物質(zhì)量隨年代際變化呈不斷增加趨勢，2010s冬小麥成熟期干物質(zhì)量增加顯著（<0.05），較1990s、2000s分別增加65.3%、19.9%，其中穗質(zhì)量較1990 s、2000s分別增加57.3%、15.1%。干物質(zhì)量在葉片、莖鞘、穗的分配也隨年代發(fā)生變化，葉片占比增加，穗占比呈減少趨勢，莖鞘占比在抽穗至乳熟期呈減少趨勢，在成熟期呈增加趨勢。干物質(zhì)量積累和分配與播前底墑、生育期內(nèi)降水及其組成的耗水量顯著相關(guān)（<0.05），而與生育期降水相關(guān)性均高于播前底墑。

表3 干物質(zhì)積累、分配和轉(zhuǎn)運年代際變化及其與耗水組分相關(guān)性

花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對穗重貢獻(xiàn)率隨著年代推移呈減少趨勢，而花后干物質(zhì)積累對穗重貢獻(xiàn)率呈增加趨勢，從1990s的72.7%逐步增加到2010s的96.5%（表3）；從相關(guān)性分析可知，花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對穗重的貢獻(xiàn)率與耗水量呈負(fù)相關(guān)，而花后干物質(zhì)積累對穗重的貢獻(xiàn)率與耗水量呈顯著正相關(guān)，且均與生育期降水相關(guān)性最高。

2.5 耗水組分對產(chǎn)量的影響

耗水組分不僅影響冬小麥生長發(fā)育，也是決定最終產(chǎn)量的重要因素之一[16]。從觀測地段冬小麥產(chǎn)量年代際變化可知（圖6a），1990s產(chǎn)量最低，為2 747 kg/hm2，其次是2000s和1980s，分別為3 247、3 389 kg/hm2，2010 s最高，為4 502 kg/hm2，較1980s、1990s、2000s分別增產(chǎn)32.8%、63.9%、38.7%（<0.01）?；诙←溄?0年產(chǎn)量變化趨勢，并參考西峰、隴育等系列品種間差異，將時序以2010年為界分成兩段對產(chǎn)量和耗水量間進(jìn)行回歸擬合，兩時段內(nèi)產(chǎn)量和耗水量序列均符合二次函數(shù)關(guān)系模型，并通過顯著性檢驗（圖6b，<0.05）。前30 a冬小麥產(chǎn)量整體在1 057～4 755 kg/hm2間變化，當(dāng)耗水量分別達(dá)到250、350、450 mm時，產(chǎn)量分別達(dá)到2 683、3 551、3 645 kg/hm2，耗水量每增加1 mm，單產(chǎn)增加8.2 kg/hm2；而近10年冬小麥地段單產(chǎn)可達(dá)1 975～6 914 kg/hm2，當(dāng)耗水量分別達(dá)到250、350、450 mm時，產(chǎn)量則分別可達(dá)到2 643、5 233、7 441 kg/hm2，產(chǎn)量隨耗水量增產(chǎn)幅度明顯，耗水量每增加1 mm，單產(chǎn)可增加24.6 kg/hm2，增幅是前30 a的3倍。而從產(chǎn)量與耗水組分相關(guān)性對比來看，冬小麥產(chǎn)量與生育期降水相關(guān)性（=0.556 7）高于和土壤貯水消耗的相關(guān)性（=0.353 5）。

圖6 冬小麥產(chǎn)量年代際變化及其與耗水量的關(guān)系

2.6 耗水組分與WUE的關(guān)系

從圖7可知，近40年隴東黃土高原冬小麥作物水分利用效率WUE平均為11.04 kg/(hm2·mm)，2000s最低，為9.59 kg/(hm2·mm)，1990s和1980s次之，分別為9.84、10.93 kg/(hm2·mm)，2010s最高，為13.69 kg/(hm2·mm)，較其他年代增加顯著（<0.05）。由圖2（b）可知，2000s為生育期降水最少（196.0 mm）、土壤貯水消耗最多（145.3 mm）、冬小麥全生育期耗水量最多的年代，1990s則為生育期降水次少（213.7 mm）、土壤貯水消耗最少（64.0 mm）、全生育期耗水量最少年代，而2010s則為生育期降水最多（232.6 mm）、土壤貯水消耗次少（81.6 mm，僅少于1990s）的年代，1980s和2010s冬小麥耗水組成相似，生育期降水和全生育期耗水都略少于2010s。從WUE與耗水組成年代際變化關(guān)系來看，WUE與生育期內(nèi)降水呈顯著正相關(guān)（=0.815 9，<0.01），而與土壤貯水消耗呈負(fù)相關(guān)（=0.358 4，<0.05），可見生育期內(nèi)降水較土壤水庫貯水消耗能更有效提高WUE。WUE與冬小麥?zhǔn)斋@后1 m土層土壤貯水量變化趨勢一致（圖7），相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.903 4，也說明生育期內(nèi)降水直接影響WUE的提高。

圖7 生育期降水、收獲后土壤貯水量與WUE關(guān)系

3 討 論

關(guān)于黃土高原冬小麥田耗水量的相關(guān)研究較多[8-12,14-17]。廖允成等[24]通過1987－2000年黃土臺塬乾縣試區(qū)旱地試驗得出冬小麥田多年平均耗水量為305.2 mm。崔亞強(qiáng)等[15]采用人工干預(yù)降水在長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站研究表明，塬區(qū)冬小麥生育期降水對耗水量的貢獻(xiàn)率超過50%，當(dāng)土壤底墑充足且生育期降水量較多時，冬小麥對土壤水分的消耗深度較淺，反之，則較深。本研究利用40年隴東黃土高原觀測資料得出，冬小麥田全生育期平均耗水量為315 mm，并明確了耗水組分中生育期降水和休閑期土壤貯水消耗對耗水量貢獻(xiàn)占比分別為69.4%和30.6%，且處于此消彼長的關(guān)系。

作物耗水組分顯著影響作物生長及同化物在植株各器官的積累和分配。本研究表明冬小麥LAI主要受耗水量及耗水組分的影響，且耗水組分中生育期降水對LAI影響更大。研究區(qū)1990s干旱頻發(fā)[23]，本世紀(jì)以來尤其近10年降水增加明顯，花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對穗重貢獻(xiàn)率隨著年代推移呈減少趨勢，而花后干物質(zhì)積累對穗重貢獻(xiàn)率呈增加趨勢，且主要受生育期降水變化影響，進(jìn)一步證實了在干旱條件下, 營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移再分配進(jìn)入籽粒的干物質(zhì)對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率顯著增加, 但開花后的同化產(chǎn)物減少, 最終導(dǎo)致產(chǎn)量較低, 適宜水分條件下，開花后同化的干物質(zhì)對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率則占主要地位[25]。

旱作冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率主要受品種、環(huán)境等因素限制。許多學(xué)者在品種選育[26-28]等方面做了大量試驗研究。施萬喜等[28]通過區(qū)域試驗表明，抗旱豐產(chǎn)新品種隴育4號較西峰27號增產(chǎn)15.2%。趙益民[25]通過2000－2019年隴東地區(qū)不同參試品系冬小麥評價試驗表明，近20年隴東冬小麥品種區(qū)域試驗經(jīng)歷了4次對照品種的更替，主要包括西峰、隴育等系列，研究發(fā)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量水平以每年71.3 kg/hm2遞增，年增速為2.2%，但年際波動較大，而年際波動則主要受環(huán)境影響。本研究也表明近10年種植的隴育系列品種與西峰系列等品種干物質(zhì)量、產(chǎn)量均存在顯著差異（<0.05），可見抗旱豐產(chǎn)品種出現(xiàn)對隴東冬小麥產(chǎn)量和WUE提高貢獻(xiàn)較大。從試驗觀測記錄來看環(huán)境影響因素，近40年本研究試驗地段種植模式變化不大，施肥種類有變化，1980年代主要施農(nóng)家肥，1990s中期以來則主要以氮、磷、鉀等化學(xué)肥料為主，而1980s平均產(chǎn)量和WUE均高于1990s和2000s，可見養(yǎng)分不是限制隴東冬小麥增產(chǎn)的主控因素。而本研究表明耗水組分和隴東冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成關(guān)系密切，近10年生育期降水增加引起耗水組分變化對產(chǎn)量和WUE的提高起到重要作用。綜上所述，本研究認(rèn)為品種和耗水組分是影響隴東冬小麥產(chǎn)量和WUE提高的主要限制因素。

4 結(jié) 論

本文基于黃土高原西峰國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站1981－2020年冬小麥田間定位觀測資料，分析冬小麥耗水組分特征及其對葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）、干物質(zhì)積累分配和轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量及水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的影響，主要結(jié)論如下：

1）近40年研究區(qū)冬小麥田全生育期耗水量平均為315 mm，生育期降水和休閑期土壤貯水消耗占比分別為69.4%和30.6%，拔節(jié)-成熟期是冬小麥主要耗水階段，而起身-開花期是土壤貯水消耗的主要時期，耗水量受年際降水調(diào)控作用明顯，冬小麥對生育期降水消耗和休閑期土壤貯水消耗處于此消彼長的平衡關(guān)系。

2）冬小麥田耗水量與最大LAI存在冪函數(shù)關(guān)系，和產(chǎn)量符合二次函數(shù)關(guān)系模型，耗水組分中生育期降水對LAI、干物質(zhì)積累和分配、產(chǎn)量的影響更大。

3）近40年WUE平均為11.04 kg/(hm2·mm)，最高為2010s，最低為2000s，與耗水組分中生育期內(nèi)降水呈正相關(guān)，而與土壤貯水消耗呈負(fù)相關(guān)，同時品種也是影響WUE提高的重要因素。

[1] 陳亞寧，李玉朋，李稚，等. 全球氣候變化對干旱區(qū)影響分析[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2022，37(2)：111-119.

Chen Yaning, Li Yupeng, Li Zhi, et al. Analysis of the impact of global climate change on dryland areas[J]. Advances in Earth Science, 2022, 37(2): 111-119. (in Chinese with English abstract)

[2] 張強(qiáng)，姚玉璧，李耀輝，等. 中國干旱事件成因和變化規(guī)律的研究進(jìn)展與展望[J]. 氣象學(xué)報，2020，78(3)：500-521.

Zhang Qiang, Yao Yubi, Li Yaohui, et al. Progress and prospect on the study of causes and variation regularity of droughts in China[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2020, 78(3): 500-521. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉曉琳，盧曉妍，秦張璇，等. 退耕還林還草背景下黃土高原糧食生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)性的時空演變[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2022，38(10)：249-257.

Liu Xiaolin, Lu Xiaoyan, Qin Zhangxuan, et al. Spatiotemporal changes of the sustainability of grain production system in the Loess Plateau based on Grain for Green Project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(10): 249-257. (in Chinese with English abstract)

[4] Sun W Y, Mu X M, Song X Y, et al. Changes in extreme precipitation events in the Loess Plateau (China) during 1960-2013 under global warming[J]. Atmospheric Research, 2016, 168: 33-44.

[5] Han Z M, Huang Q, Huang S Z, et al. Spatial-temporal dynamics of agricultural drought in the Loess Plateau under a changing environment: Characteristics and potential influencing factors[J]. Agricultural Water Management, 2021, 244: 1-12.

[6] 賈建英，劉蓉，韓蘭英，等. 修訂后水分盈虧指數(shù)在甘肅省冬小麥干旱監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 干旱區(qū)地理，2020，43(4)：871-879.

Jia Jianying, Liu Rong, Han Lanying, et al. Applicability of modified water budget index in winter wheat drought monitoring of Gansu Province[J]. Arid Land Geography, 2020, 43(4): 871-879. (in Chinese with English abstract)

[7] Wang S Y, Huo Z G, Li S K, et al. Risk regionalization of winter wheat loss caused by drought in North of China[J]. Acta Agronomica Sinica, 2005, 31(3): 267-274.

[8] 鄧振鏞，張強(qiáng)，王強(qiáng)，等. 黃土高原旱作區(qū)土壤貯水力和農(nóng)田耗水量對冬小麥水分利用率的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2010，30(14)：3672-3678.

Deng Zhengyong, Zhang Qiang, Wang Qiang, et al. Effects of soil water storage capacity and consumption on winter-wheat water use efficiency in dryland areas of the Loess Plateau in western China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(14): 3672-3678. (in Chinese with English abstract)

[9] 羅俊杰，黃高寶. 底墑對旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報，2009，28(3)：102-111.

Luo Junjie, Huang Gaobao. Effects of different soil water before sowing on winter wheat yield and WUE in semi-arid areas[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2009, 28(3): 102-111. (in Chinese with English abstract)

[10] 王全九，柴晶，王翔翔. 夏閑期降水對黃土旱塬冬小麥水氮利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(24)：82-88.

Wang Quanjiu, Chai Jing, Wang Xiangxiang. Influence of rainfall in summer fallow period on water and nitrogen use efficiency of winter wheat on Loess plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 82-88. (in Chinese with English abstract)

[11] Guo S L, Zhu H H, Dang T H, et al. Winter wheat grain yield associated with precipitation distribution under long-term nitrogen fertilization in the semiarid Loess Plateau in China[J]. Geoderma, 2012(189/190): 442-450.

[12] 李超，劉文兆，林文，等. 黃土塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率對播前底墑變化與生育期差別供水的響應(yīng)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50(18)：3549-3560.

Li Chao, Liu Wenzhao, Lin Wen, et al.Grain yield and WUE responses to different soil water storage before sowing and water supplies during growing period for winter wheat in the Loess Tableland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(18): 3549-3560. (in Chinese with English abstract)

[13] 李正鵬，宋明丹，馮浩. 不同降水年型水氮運籌對冬小麥耗水和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(18)：160-167.

Li Zhengpeng, Song Mingdan, Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen application on water consumption and yield of winter wheat in different precipitation years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 160-167. (in Chinese with English abstract)

[14] 張瑞，李鵬展，王力. 黃土旱塬區(qū)土壤水分狀況與作物生長、降水的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2019，30(2)：359-369.

Zhang Rui, Li Pengzhan, Wang Li.Relationship between soil moisture dynamics，crop growth and precipitation in rain-fed area of the Loess Tableland, China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2019, 30(2): 359-369. (in Chinese with English abstract)

[15] 崔亞強(qiáng)，朱元駿. 黃土塬區(qū)降水變化條件下冬小麥田土壤水分消耗與補(bǔ)給[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36(4)：158-164.

Cui Yaqiang, Zhu Yuanjun.Soil moisture consumption and replenishment in winter wheat land under the conditions of precipitation change in loess plateau[J].Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(4): 158-164. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhang S L, Victor Sadras, Chen X P, et al. Water use efficiency of dryland wheat in the Loess Plateau in response to soil and crop management[J]. Field Crops Research, 2013, 151: 9-18.

[17] 倪盼盼，朱元駿，鞏鐵雄. 黃土塬區(qū)降水變化對冬小麥土壤耗水特性及水分利用效率的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35(4)：80-87.

Ni Panpan, Zhu Yuanjun, Gong Tiexiong.Effects of rainfall fluctuation on water consumption and water use efficiency of winter wheat in the loess tableland[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2017, 35(4): 80-87. (in Chinese with English abstract)

[18] 楊佳佳，程宏波，柴守璽，等. 不同覆蓋栽培方式對冬小麥干物質(zhì)分配與轉(zhuǎn)運的影響[J]. 麥類作物學(xué)報，2021，41(6)：745-751.

Yang Jiajia, Cheng Hongbo, Chai Shouxi, et al. Effect of different mulching cultivation methods on dry matter distribution and translocation in winter wheat[J].Journal of Triticeae Crops, 2021, 41(6): 745-751. (in Chinese with English abstract)

[19] 賈建英，趙俊芳，萬信，等. 黃土高原不同降水區(qū)休閑期土壤貯水效率及其對冬小麥水分利用的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2017，37(17)：5704-5712.

Jia Jianying, Zhao Junfang, Wan Xin, et al. Effects of soil water storage efficiency on winter wheat water use efficiency in different precipitation areas during the fallow period in the Loess Plateau, Western China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(17): 5704-5712. (in Chinese with English abstract)

[20] 王潤元，楊興國，張九林. 隴東黃土高原土壤貯水量與蒸發(fā)和氣候研究[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2007，22(6)：625-635.

Wang Runyuan, Yang Xingguo, Zhang Jiulin. A study on soil water, evaporation and climate on Longdong Loess Plateau[J]. Advance in Earth Science, 2007, 22(6): 625-635. (in Chinese with English abstract)

[21] 陳玉華. 不同栽培模式對旱作冬小麥根系生長及水分利用的影響[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

Chen Yuhua. Effect of Different Cultivation Patterns on Root Growth and Water Use of Winter Wheat in Dryland[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[22] 杜俊杉，馬英，胡曉農(nóng)，等. 基于雙穩(wěn)定同位素和 MixSIAR 模型的冬小麥根系吸水來源研究[J]. 生態(tài)學(xué)報，2018，38(18)：611-6622.

Du Junshan, Ma Ying, Hu Xiaonong, et al. Applying dual stable isotopes and a MixSIAR model to determine root water uptake of winter wheat[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(18): 6611-6622. (in Chinese with English abstract)

[23] 甘肅省地方史志編纂委員會. 甘肅省志-氣象志（1986-2007）[M]. 蘭州：甘肅文化出版社，2015.

[24] 廖允成，韓思明，溫曉霞. 黃土臺源旱地小麥土壤水分特征及水分利用效率研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2002，10(3)：55-58.

Liao Yuncheng, Han Siming, Wen Xiaoxia. Study on characteristics of soil moisture and its use efficiency in dryland wheat in the loess tableland[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2002, 10(3): 55-58. (in Chinese with English abstract)

[25] 董浩，陳雨海，周勛波. 灌溉和種植方式對冬小麥耗水特性及干物質(zhì)生產(chǎn)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24：1871-1878.

Dong Hao, Chen Yuhai, Zhou Xunbo. Effects of irrigation and planting pattern on winter wheat water consumption characteristics and dry matter production[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2013, 24: 1871-1878. (in Chinese with English abstract)

[26] 蘇其紅，劉媛，栗孟飛，等. 干旱調(diào)控小麥旗葉持綠性與產(chǎn)量變異的遺傳與相關(guān)分析[J]. 分子植物育種，2018，16(19)：6353-6364.

Su Qihong, Liu Yuan, Li Mengfei, et al. Hereditary and correlation analysis of yield variability and stay-green of flag leaf regulated by drought in Wheat[J]. Molecular Plant Breeding, 2018, 16(19): 6353-6364. (in Chinese with English abstract)

[27] 趙益民. 繁殖異速生長解釋旱地冬小麥產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性的關(guān)系[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2020.

Zhao Yimin. Reproductive Allometry Explains Yield Potential and Yield Stability in Dryland Winter Wheat[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[28] 施萬喜，喬巖，蓋瓊輝. 抗旱豐產(chǎn)冬小麥新品種隴育4號選育及農(nóng)藝性狀分析[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，27(1)：18-23.

Shi Wanxi, Qiao Yan, Gai Qionghui. Analysis on agronomictraits and breeding for a new winter wheat variety ‘Longyu No.4’ with high yield and drought resistence[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2014, 27(1): 18-23. (in Chinese with English abstract)

Characteristics of the water consumption components of winter wheat fields and their effects in the Loess Plateau from 1981 to 2020

Jia Jianying1, Fang Feng1, Wan Xin1, Han Lanying1, Wang Xing1, Zhou Zhongwen2, Liang Yun1, Wang Xiaowei1, Wang Fan1, Huang Pengcheng1

(1.,730020,; 2.,745000,)

Water consumption components can greatly contribute to crop yield and water resource utilization efficiency in arid regions. The Loess Plateau is located in the semi-arid climate region, which is an important dryland grain-producing area in China. Among them, the precipitation resource is the main agricultural water source in the crop fields. Winter wheat is one of the main grain crops in the dryland farming area in the Loess Plateau. Because of the uneven distribution of precipitation in time and space, drought occurs frequently in the main growing season, resulting in the low and unstable production level of winter wheat. This study aims to analyze the characteristics of water consumption components for winter wheat, in order to investigate the effects on the Leaf Area Index (LAI), yield, and Water Use Efficiency (WUE). The observation data of winter wheat was collected from 1981 to 2020 in the Xifeng State Agrometeorological Experimental Station in Gansu Province of China. The results showed that the average water consumption was 315 mm in the winter wheat fields over the past 40 years. The soil water was first converted from the precipitation during the growing season, accounting for 69.4%, and then consumed the soil water storage in the fallow period, accounting for 30.6%. The interannual precipitation greatly dominated the water consumption of winter wheat fields. Among them, the beginning of grow-flowering was the main supply period of soil water storage in the summer fallow period. As the years went by, the LAI, dry matter mass, yield, and WUE all showed an increasing trend. There was a power function relationship between the water consumption of winter wheat fieldsand the maximum LAI. The LAI was closely related to the interannual precipitation in the growth periods. However, the varieties had no significant effect on the LAI, but a significant effect was found on the dry matter mass. Dry matter mass accumulation and distribution were significantly correlated with the soil moisture before sowing, precipitation and water consumption during growth periods. The contribution rate of pre-anthesis dry matter transport to panicle mass was negatively correlated with the water consumption, whereas the contribution rate of post-anthesis dry matter accumulation to panicle mass was positively correlated with the water consumption. Both of them had a high correlation with the precipitation during growth periods. At the same time, there was a quadratic function model between the water consumption and yield of winter wheat. The high yield with the increase in water consumption over the recent 10 years was significantly higher than that over the previous 30 years, particularly with the emergence of excellent varieties. The average WUE was 11.04 kg/(hm2·mm) over the past 40 years, with the highest and lowest values in the 2010s and 2000s, respectively. Dry matter mass, yield, and WUE increased significantly in recent 10 years. One reason was the emergence of a series of drought-resistant and high-yield varieties, such as Longyu. Another was the increase in precipitation in the growth periods. The findings can provide a theoretical basis for the efficient utilization of water resources in the Loess Plateau and the sustainable development of dry farming.

soils; yield; water consumption components; soil water storage; dry matter accumulation and distribution; Water Use Efficiency (WUE); winter wheat

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.009

S162.5

A

1002-6819(2022)-19-0078-09

賈建英，方鋒，萬信，等. 1981－2020年黃土旱塬區(qū)冬小麥田耗水組分特征及其影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(19)：78-86.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.009 http://www.tcsae.org

Jia Jianying, Fang Feng, Wan Xin, et al. Characteristics of the water consumption components of winter wheat fields and their effects in the Loess Plateau from 1981 to 2020[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 78-86. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.009 http://www.tcsae.org

2022-07-19

2022-09-20

甘肅省自然科學(xué)基金項目（20JR10RA452）；甘肅省氣象局人才專項（2122rczx-英才計劃-07）

賈建英，碩士，高級工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測及風(fēng)險評估。Email：jiajianying2014@163.com