劉江 趙福年 楊紅燕 雷俊

摘要：如何利用有限的水分獲得更多的作物產(chǎn)量是干旱半干旱農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和挑戰(zhàn)。以半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥為突破口，研究了其在不同氣候年型下對(duì)不同來(lái)源的水分利用效率，以選擇適宜種植春小麥的氣候年型，旨在為半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)民種植決策提供依據(jù)。以半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的典型代表區(qū)域定西市安定區(qū)為例，采用定西地面氣象觀測(cè)站與定西農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站1987 — 2011年的觀測(cè)資料，分析了當(dāng)?shù)卮盒←湆?duì)不同來(lái)源水分的利用效率及其影響因素。結(jié)果表明，定西市安定區(qū)1987 — 2011年25 a間春小麥主要生育期氣候存在暖干化趨勢(shì)，但春小麥降水利用效率和播前土壤水分利用效率均未出現(xiàn)明顯的變化。播前土壤水分是影響生育期降水利用效率的主要因素，但生育期大氣干濕狀況對(duì)降水利用效率也有影響。同時(shí)，大氣干濕狀況影響播前土壤水分利用效率，而播前土壤水分的高低對(duì)大氣干濕狀況與播前土壤水分利用效率的關(guān)系亦有影響。根據(jù)播前土壤水分、主要生育期大氣干濕狀況、春小麥歷年產(chǎn)量，可將半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)（定西市安定區(qū)）春小麥生長(zhǎng)的氣候年型劃分為5個(gè)，分別為高產(chǎn)年份、中高產(chǎn)年份、中產(chǎn)年份、中等偏低產(chǎn)量年份、低產(chǎn)水平年份。不同氣候年型下，降水利用效率和播前土壤水分利用效率不相同。水分限制情形下，在春小麥達(dá)到最大水分利用效率之前，越是適宜的環(huán)境，越有利于提高春小麥水分利用效率。在相對(duì)適宜的氣候條件下，春小麥對(duì)播前50 cm土壤水分的利用效率要高于對(duì)主要生育期降水的利用效率。因此，選擇播前土壤水分高、大氣濕潤(rùn)的氣候年型種植春小麥能夠保證獲得較高產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：春小麥；水分利用效率；土壤含水量；降水量；大氣干濕狀況；半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)；氣候年型

中圖分類(lèi)號(hào)：S512.1；S162.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2097-2172（2023）09-0822-09

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.09.007

Variation of Water Use Efficiencies and Climatic Year Patterns for

Spring Wheat in Semi-arid Rainfed Region

LIU Jiang 1， ZHAO Funian 2， YANG Hongyan 3， LEI Jun 4

（1. College of Resources and Environment， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Lanzhou Institute of

Arid Meteorology， China Meteorological Administration， Lanzhou Gansu 730020， China; 3. Liaocheng Soil and Fertilizer

Workstation， Liaocheng Shandong 252000， China; 4. Dingxi Meteorological Bureau， Dingxi Gansu 743000， China）

Abstract： How to use limited water to obtain more crop yield is the goal and challenge of the development of arid and semi-arid agriculture. Spring wheat in semi-arid rainfed agricultural areas was taken as the potential breakthrough point for studying the water use efficiencies of different sources under different climatic year patterns to select suitable climatic year types for planting spring wheat and provide a basis for farmers' planting decisions in semi-arid rainfed agricultural areas. Anding District， Dingxi， a typical representative area for semi-arid rainfed agriculture， was taken as an example， the observation data from Dingxi surface meteorological observation station and Dingxi agricultural meteorological experimental station from 1987 to 2011 were used to analyze the utilization efficiencies and influencing factors of different sources of water used by local spring wheat. The results showed there was a warming and drying trend during spring wheat growing season from 1987 to 2011. However， There was no significant change in precipitation utilization efficiency and soil water utilization efficiency before sowing of spring wheat. Soil moisture before sowing is the main factor affecting the utilization efficiency of precipitation during the growth period， but the dry and wet conditions of the atmosphere during the growth period also have an impact on the utilization efficiency of precipitation. Meanwhile， air moisture condition during spring wheat growing season had great impact on soil water use efficiency before sowing， but the soil water content before sowing also affected the relation between air moisture condition during spring wheat growing season and soil water use efficiency before sowing. According to soil moisture before sowing， the atmospheric dry and wet conditions during the growth period， and the annual yield of spring wheat， the climatic patterns of Anding could be classified into five types， namely high yield， medium high yield， middle yield， medium low yield， and low yield. Precipitation utilization efficiency and soil water utilization efficiency before sowing varied under different climate year types. Under limited water condition， the more optimal environment could lead to higher spring wheat water use efficiency. Under relatively suitable climatic conditions， the utilization efficiency of spring wheat for soil moisture at 50 cm before sowing was higher than that for precipitation during the growth period. Choosing a climate year with high soil moisture and humid atmosphere before sowing spring wheat can ensure higher yields.

Key words： Spring wheat; Water utilization efficiency; Soil moisture content; Precipitation; Atmospheric dry and wet condition; Semi-arid rainfed agricultural region; Climatic year pattern

收稿日期：2023 - 08 - 03

基金項(xiàng)目：甘肅省氣象局人才項(xiàng)目（2122rczx-英才計(jì)劃-02）。

作者簡(jiǎn)介：劉? ?江（1999 — ），男，甘肅漳縣人，碩士，研究方向?yàn)樽魑锼株P(guān)系研究。Email： gauliujiang@163.com。

通信作者：趙福年（1987 — ），男，甘肅武威人，副研究員，博士，研究方向?yàn)樽魑锼株P(guān)系研究。Email： zfn0622@163.com。

在西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，春小麥?zhǔn)侵饕募Z食作物，但是由于生育期降水量少且變率較大，該區(qū)春小麥產(chǎn)量一直低而不穩(wěn) ［1 - 4 ］。因此，如何根據(jù)氣候條件，選擇合適的年份種植春小麥，以高效地使用有限的水分，并最終獲得較高的作物產(chǎn)量是該區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局急需解決的問(wèn)題。

水分利用效率又稱(chēng)水分生產(chǎn)率，是衡量作物利用水分的一個(gè)指標(biāo)［5 - 6 ］。根據(jù)研究的目的不同，目前水分利用效率一般可分為葉片瞬時(shí)水分利用效率（葉片凈光合速率與蒸騰速率的比值）、作物群體水分利用效率（作物生育期干物質(zhì)積累與同期農(nóng)田蒸散量之比）以及產(chǎn)量水平的水分利用效率（一般指作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與作物生育期耗水量或其他供水量的比值）［7 - 9 ］。在葉片尺度上，作物的水分利用效率往往受光照、二氧化碳濃度、空氣飽和水汽壓差、溫度以及土壤水分供給等環(huán)境因素的影響［10 - 11 ］。在群體尺度上，作物的水分利用效率與葉片尺度水分利用效率緊密聯(lián)系，也對(duì)上述幾種環(huán)境因素的變化敏感，迄今，冠層導(dǎo)度的模擬研究大多基于葉片尺度的氣孔導(dǎo)度對(duì)環(huán)境響應(yīng)的乘合模型或氣孔導(dǎo)度與光合的耦合模型［8 ］。然而在產(chǎn)量水平上，作物水分利用效率的影響因素往往與葉片尺度的影響因素有較大的區(qū)別，而且許多研究發(fā)現(xiàn)作物水分消耗與產(chǎn)量之間的關(guān)系不受播種時(shí)期、灌水量多寡等因素的影響，在特定氣候區(qū)其值固定［12 ］。然而其他一些研究認(rèn)為水分利用效率年際之間波動(dòng)大，其變化規(guī)律受周?chē)h(huán)境的影響［13 - 14 ］。此外，除前文提及的幾種環(huán)境因素外，土壤蒸發(fā)以及作物收獲指數(shù)等因素同樣也會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量水平水分利用效率造成較大的影響［15 - 16 ］。

水分是半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的首要限制因子。作物生長(zhǎng)發(fā)育的水分包括生育期降水和休閑期降水，而休閑期的降水往往通過(guò)轉(zhuǎn)化為播前土壤含水量以供作物生長(zhǎng)發(fā)育使用。因此考慮雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的作物水分利用效率，需要從生育期降水利用效率和播前土壤水分利用效率兩個(gè)方面來(lái)衡量。同時(shí)，氣候變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相互關(guān)系是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)［17 - 19 ］，在氣候變化背景下，關(guān)注氣候年型的差異對(duì)作物水分利用效率的影響將是一個(gè)非常有用且對(duì)作物種植選擇有重要意義的問(wèn)題。因此，我們以半干旱雨養(yǎng)春小麥在不同氣候年型下對(duì)不同來(lái)源的水分利用效率為研究突破口，分析選擇較為適宜種植春小麥的氣候年型，以期為該區(qū)農(nóng)民種植決策提供可借鑒的依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原西端的甘肅省定西市安定區(qū)，地理位置104° 12′～105° 01′ E，35° 17′～36° 02′ N 之間，周?chē)h(huán)山，平均海拔為1 898.7 m。年平均氣溫6.3 ℃，年平均降水量約400 mm，無(wú)霜期141 d。降水量年內(nèi)分布極不均勻，主要集中在夏秋季7 — 9月。太陽(yáng)輻射強(qiáng)且熱量資源豐富，非常適合春播作物生長(zhǎng)。春小麥、春玉米以及馬鈴薯是安定區(qū)最主要的三種糧食作物。由于缺乏河川徑流，除少數(shù)河溝地帶有灌溉條件外，絕大部分地區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育依賴(lài)雨養(yǎng)，該區(qū)屬于典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2? ?數(shù)據(jù)收集

氣象資料來(lái)源于甘肅省氣象局的氣象觀測(cè)站，該氣象站位于甘肅省定西市氣象局院內(nèi)，資料包括1987 — 2011年定西氣象站逐日降水量、蒸發(fā)量、最高最低氣溫以及日照時(shí)數(shù)等。

1987 — 2011年春小麥農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料來(lái)自定西市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。春小麥農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料主要包括春小麥播種至收獲主要發(fā)育日期、莖稈質(zhì)量、地段實(shí)際產(chǎn)量、播前50 cm土層土壤相對(duì)含水量以及50 cm層次土壤物理性質(zhì)（包括土壤容重、土壤田間持水量以及植株萎蔫土壤含水量等）。

定西地面氣象觀測(cè)站與定西農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站在試驗(yàn)觀測(cè)期間站點(diǎn)固定，每年觀測(cè)方法相同，試驗(yàn)觀測(cè)地段一致，耕作方式年際之間無(wú)差異，保證了數(shù)據(jù)連續(xù)性與一致性。春小麥供試品種與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶普遍選擇種植的品種一致，1987 — 2011年間春小麥品種主要包括渭春1號(hào)、隴春8139、隴春20號(hào)以及定西24號(hào)。

1.3? ?要素定義與計(jì)算

播前50 cm土層土壤含水量（SWC）由播種前測(cè)得的土壤相對(duì)含水量、土壤田間持水量以及土壤容重計(jì)算，SWC > 94 mm為濕潤(rùn)土壤，SWC≤94 mm為干燥土壤。生育期降水量（P）與蒸發(fā)量（E）分別由3 — 6月逐日降水量與蒸發(fā)量累加計(jì)算。生育期平均日照時(shí)數(shù)（SD）與平均溫度（Tem）分別取3 — 6月逐日日照時(shí)數(shù)以及逐日最高與最低氣溫的平均值。主要生育期大氣干濕狀況（AM）由3 — 6月蒸發(fā)量與降水量之差計(jì)算獲得，AM≥425 mm為干燥大氣，AM < 425 mm為濕潤(rùn)大氣。

降水利用效率：PUE=Yield/P

式中，Yield為春小麥產(chǎn)量，下同。

播前土壤水分利用效率：SWUE=Yield/SWC

1.4? ?數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0 中的K-means分類(lèi)方法進(jìn)行聚類(lèi)分析，并采用Kolmogorov-Smirnov （K-S）檢驗(yàn)法對(duì)不同分類(lèi)之間進(jìn)行差異顯著性分析。

線性回歸及其檢驗(yàn)由R語(yǔ)言中的lm函數(shù)和summary函數(shù)完成［20 ］，不同組別之間的方差分析由R語(yǔ)言中的TukeyHSD函數(shù)完成。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?環(huán)境條件變化分析

在全球變暖的背景下，定西春小麥生育期的氣候要素如SD、Tem、P、SWC、E、AM也發(fā)生了不同程度的變化（圖1）。3 — 6月的平均日照時(shí)數(shù)（SD）呈極顯著的增加趨勢(shì)（P < 0.001），每10 a增加0.52 h。平均溫度（Tem）呈不斷增高趨勢(shì)，增幅為0.9 ℃/10 a，增幅極顯著（P < 0.001）。生育期降水量（P）無(wú)明顯增減趨勢(shì)，但是年際變率極大，達(dá)35.5%。播前50 cm土層土壤水分（SWC）呈顯著的增加趨勢(shì)，增加幅度為11.9 mm/10 a。同時(shí)在溫度、空氣飽和氣壓差（呈極顯著的增加趨勢(shì)，圖略）以及風(fēng)速（顯著的減小趨勢(shì)，圖略）等要素的共同影響下，蒸發(fā)量（E）呈顯著的增加趨勢(shì)，增幅達(dá)33.1 mm/10 a。由于研究區(qū)降水量無(wú)明顯增加或減少趨勢(shì)，而蒸發(fā)量增大，生育期大氣干燥狀況（AM）呈顯著增加趨勢(shì)，增幅為48.5 mm/10 a。從上述氣象要素的變化分析來(lái)看，1987 — 2011年這25 a間定西春小麥生育期氣候在逐漸變暖變干。

2.2? ?水分利用效率初步分析

定西市春小麥生育期氣候呈暖干化趨勢(shì)，但春小麥對(duì)不同來(lái)源水分的利用效率卻并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。從圖2 a可知，1987 — 2011年間春小麥主要生育期降水利用效率并未表現(xiàn)出明顯的增大或者減少趨勢(shì)。從降水與產(chǎn)量的關(guān)系來(lái)看（圖2 c），相同的降水量下，產(chǎn)量有高有低。研究時(shí)間段內(nèi)春小麥降水利用效率平均為11.0 kg/（mm·hm2），最小值為3.3 kg/（mm·hm2），最大值為33.0 kg/（mm·hm2）。同時(shí)春小麥對(duì)播前50 cm土層土壤水分的利用效率也未有明顯變化趨勢(shì)（圖2 b），僅1987 — 1994年水分利用效率整體較高，此后略微減少，但差異不顯著。分析播前50 cm土層土壤水分利用與產(chǎn)量的關(guān)系（圖2 d），發(fā)現(xiàn)相同的土壤水分條件下，產(chǎn)量表現(xiàn)也是高低不同，無(wú)明顯規(guī)律。土壤水分利用效率最大為33.0 kg/（mm·hm2），最小為4.0 kg/（mm·hm2），平均值為17.6 kg/（mm·hm2）。

2.3? ?年型劃分

2.3.1? ? 水分利用效率影響因素分析? ? 降水利用效率與其他環(huán)境因子的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)播前50 cm土層土壤水分與降水利用效率呈極顯著相關(guān)關(guān)系（表1），且隨著播前50 cm土層土壤含水量的增加，降水利用效率不斷增大（圖3 a）。此外，分析圖3 a可發(fā)現(xiàn)，降水利用效率與播前土壤水分的相互關(guān)系隨生育期大氣干濕狀況不同可以被分為2種，即當(dāng)大氣干濕狀況≥425 mm時(shí)，降水利用效率隨著土壤水分的增加而呈增加趨勢(shì)，且增幅極顯著，每1 mm土壤水分使降水利用效率增大0.456 kg/（mm·hm2）；而當(dāng)大氣干燥狀況 < 425 mm時(shí)，降水利用效率隨著土壤水分的增加亦呈增加趨勢(shì)，但增幅相對(duì)較小，為0.147 kg/（mm·hm2）。同時(shí)可以看到在土壤水分較小時(shí)，相同的土壤水分供給，在大氣濕潤(rùn)的年份降水利用效率較高，而隨著播前土壤水分的增大，不同大氣干濕狀況的年份水分利用效率趨于相同。盡管降水量與降水利用效率呈反比，但是較小的大氣干濕狀況有利于提高作物產(chǎn)量，相同的土壤水分條件下反而有利于提高降水利用效率。

分析土壤水分與其他環(huán)境因子的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤水分利用效率與大氣干濕狀況以及5月份溫度和空氣飽和氣壓差相關(guān)關(guān)系顯著。其中土壤水分利用效率與生育期大氣干濕狀況關(guān)系極顯著（圖3 b、表1），且隨著大氣干燥程度增大，土壤水分利用效率降低。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)土壤水分利用效率與大氣干濕狀況的相互關(guān)系可以依據(jù)播前土壤水分的不同劃分為兩組，即當(dāng)播前土壤水分>94 mm時(shí)，土壤水分利用效率隨大氣干燥程度降低較緩，為0.059 kg/（mm·hm2），且極顯著；而當(dāng)播前土壤水分≤94 mm時(shí)，土壤水分利用效率隨大氣干燥狀況降低較快，為0.112 kg/（mm·hm2）。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大氣干濕狀況大于 > 425 mm時(shí)，相同的大氣干濕狀況，較大的播前土壤水分含量土壤水分利用效率較高，而較低的播前土壤水分含量土壤水分效率則較低。而在大氣干濕狀況< 425 mm時(shí)，實(shí)際觀測(cè)計(jì)算獲得的土壤水分利用效率之間差異不明顯。說(shuō)明大氣干燥時(shí)，土壤水分越大產(chǎn)量越高，盡管土壤水分與土壤水分利用效率呈反比，但是產(chǎn)量的提高反而有利于提高土壤水分利用效率。

2.3.2? ? 以產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)分析氣候年型? ? 土壤水分和小麥主要生育期大氣干濕狀況影響小麥最終產(chǎn)量和土壤水分以及降水利用效率，而且在半干旱區(qū)產(chǎn)量的提高有利于增大水分利用效率，因此以產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)，分析土壤水分與大氣干燥狀況對(duì)產(chǎn)量的影響。同時(shí)從國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)可知，播前充足的土壤水分有利于一年生作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，如莖稈等干物質(zhì)的積累。因此以2.3.1分析中獲得的不同大氣干燥狀況以及土壤水分為類(lèi)別，分析春小麥莖稈與最終產(chǎn)量的關(guān)系。從圖4可以看出，春小麥莖稈與春小麥產(chǎn)量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，而且莖稈與產(chǎn)量的關(guān)系可分為3個(gè)年型，即高產(chǎn)年型、中產(chǎn)年型、低產(chǎn)年型。在高產(chǎn)年型，播前土壤水分存在大于或者小于94 mm的兩個(gè)類(lèi)別，但是大氣干燥度狀況均 < 425 mm，說(shuō)明大氣越濕潤(rùn)越有利于高產(chǎn)，即使播前土壤水分偏小。在中產(chǎn)年型，存在播前土壤水分大于或者小于94 mm的類(lèi)別，也存在大氣干燥度大于425 mm或者小于425 mm的類(lèi)別，說(shuō)明產(chǎn)量高低與大氣干燥度以及土壤播前水分無(wú)明顯規(guī)律。在低產(chǎn)年型，可以發(fā)現(xiàn)土壤水分均 < 94 mm，且大氣干燥狀況基本為 > 425 mm的類(lèi)別，說(shuō)明大氣越干燥，播前土壤水分越少，越不利于獲得高產(chǎn)。同時(shí)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)土壤水分偏大的年份，在回歸線左上方；而土壤水分偏小的年份集中在回歸線右下方。說(shuō)明土壤水分的大小對(duì)收獲指數(shù)（對(duì)應(yīng)作物對(duì)籽粒和莖稈等部分的分配）具有一定的影響。

由于以?xún)蓚€(gè)大氣干燥狀況和兩個(gè)土壤水分階段不能詳細(xì)劃分春小麥產(chǎn)量類(lèi)型，我們?cè)俨捎镁垲?lèi)分析法以產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)，以大氣干燥狀況和播前土壤水分為劃分變量，再次劃分氣候年型。從圖5可以看出，根據(jù)產(chǎn)量的高低不同分別對(duì)應(yīng)5個(gè)兩兩之間差異極顯著的氣候年型。即高產(chǎn)年份（I），播前土壤水分相對(duì)較高，大氣非常濕潤(rùn)；中高產(chǎn)年份（II），土壤水分最高，但是大氣干燥狀況變干，處于相對(duì)的中等干燥程度；中產(chǎn)年份（III），土壤水分減低，處于相對(duì)中等的水平，但是大氣干濕狀況相對(duì)較大；中等偏低產(chǎn)年份（IV），土壤水分相對(duì)較小，但是大氣干燥程度處于中等水平；低產(chǎn)年份（V），播前土壤水分較小，且大氣干燥程度最大。

2.4? ?不同氣候年型下的水分利用效率分析

依據(jù)已劃分的氣候年型分別分析降水、土壤水分與產(chǎn)量的相互關(guān)系，從圖6中可以很明顯地看出，在氣候年型I下，降水利用效率最高。II氣候年型在較小的降水量下，獲得了相對(duì)較高的春小麥產(chǎn)量，其降水利用效率與I氣候年型無(wú)顯著差異，源于其有較高的播前土壤含水量。III氣候年型降水利用效率在5個(gè)氣候年型中居于中間，顯著小于I、II兩個(gè)氣候年型，大于IV與V兩個(gè)氣候年型。IV氣候年型由于播前水分降低，降水利用效率偏小。而V氣候年型則由于大氣偏干燥與播前土壤水分較小的共同影響，降水利用效率最低。同時(shí)，土壤水分利用效率除III氣候年型與IV氣候年型之間無(wú)差別外，其他各年型之間均差異顯著。相同的土壤水分供給下，I氣候年型具有較大的土壤水分利用效率，源于其主要生育期大氣相對(duì)濕潤(rùn)。II氣候年型由于具有較高的播前土壤含水量，盡管土壤水分與土壤水分利用效率成反比，但是其土壤水分利用效率依然較大。III氣候年型與IV氣候年型各只占據(jù)一個(gè)水分優(yōu)勢(shì)，致使它們土壤水分利用效率相對(duì)于I氣候年型與II氣候年型偏低。而V氣候年型則不僅降水利用效率低，且土壤水分利用效率也同樣最低。

3? ?討論與結(jié)論

隨著全球氣候變暖，許多研究認(rèn)為干旱和半干旱地區(qū)水分短缺問(wèn)題將進(jìn)一步加重［21 ］。根據(jù)定西市統(tǒng)計(jì)局資料，由于品種或其他管理措施的變更，1964 — 2011年定西春小麥產(chǎn)量變化可分為2個(gè)主要階段（各階段內(nèi)產(chǎn)量變動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)顯著趨勢(shì)），分別為1964 — 1982年的低產(chǎn)階段（平均產(chǎn)量為789.3 kg/hm2）與1983 — 2011年的相對(duì)高產(chǎn)階段（平均產(chǎn)量為1 250.9 kg/hm2）。而本試驗(yàn)觀測(cè)位于第二個(gè)階段，從產(chǎn)量變動(dòng)來(lái)看，試驗(yàn)觀測(cè)期間春小麥產(chǎn)量平均為1 625.7 kg/hm2，且1987 — 2011年間無(wú)顯著變化趨勢(shì)，可認(rèn)為品種和管理措施的變化對(duì)該試驗(yàn)春小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響，產(chǎn)量的年際變動(dòng)只受氣象要素變動(dòng)的影響。本研究分析了春小麥主要生育期的氣候要素變化，發(fā)現(xiàn)本研究所在區(qū)域春小麥主要生育期氣候存在暖干化傾向。日照時(shí)數(shù)升高意味著輻射量的增加，空氣溫度增加引起空氣飽和差增大，這兩個(gè)因素共同作用使所研究地區(qū)的大氣蒸發(fā)量（由蒸發(fā)量表示）增大。而該區(qū)同期降水量并沒(méi)有明顯的增加，因而該區(qū)大氣干濕狀況呈變干的趨勢(shì)。半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育水分供給原本就不足，氣候變化勢(shì)必將更加加劇該區(qū)春小麥生長(zhǎng)發(fā)育水分短缺問(wèn)題。

春小麥主要生育期降水與播前土壤水分相互影響，共同制約著春小麥降水利用效率和播前土壤水分利用效率的變化。當(dāng)播前土壤水分較大時(shí)，有利于短生育期作物如春小麥，可使其干物質(zhì)積累加快［22 - 23 ］，并增大了葉面積指數(shù)，從而提高春小麥最終產(chǎn)量［24 ］；若生育期降水少，則會(huì)獲得較大的降水利用效率（即相同產(chǎn)量下，降水量越大，降水利用效率越低）。然而在半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，水分是春小麥產(chǎn)量提高最主要的限制因素，當(dāng)播前土壤水分大，生育期降水又多時(shí)，春小麥產(chǎn)量會(huì)大幅增加，但增加的降水量對(duì)水分效率的降低程度小于增加的產(chǎn)量對(duì)水分利用效率的提高程度，因此在相同播前土壤水分條件下，生育期大氣較為濕潤(rùn)時(shí)降水利用效率往往高于生育期降水少的年份。不同大氣狀況下的2條回歸直線存在交點(diǎn)，即降水利用效率在土壤水分 < 125 mm之前，土壤水分越大，相對(duì)濕潤(rùn)的大氣環(huán)境條件越有利于降水利用效率提高，增加的降水并不足以降低降水利用效率，說(shuō)明在土壤水分 < 125 mm之前，降水對(duì)產(chǎn)量的提高依舊制約著降水利用效率的變化。同時(shí)，在大氣逐漸干燥的過(guò)程中，土壤水分利用效率不斷減小，但是在大氣干燥狀況 > 425 mm之后，濕潤(rùn)的土壤反而有利于提高土壤水分利用效率，說(shuō)明在大氣較為干燥時(shí)，春小麥產(chǎn)量依賴(lài)于播前土壤水分供給。雖然土壤水分增大，但是由于產(chǎn)量的提高，土壤水分利用效率反而會(huì)增大。所以，盡管1987 — 2011年試驗(yàn)地區(qū)大氣蒸發(fā)量顯著增大，但是由于1987 — 2011年播前土壤水分提高顯著，從而使得1987 — 2011年土壤水分利用效率并未表現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。雖然土壤水分利用效率依然與大氣蒸發(fā)量的提高呈相反的變化趨勢(shì)，即1987 — 1993年大氣蒸發(fā)量小時(shí)，土壤水分利用效率相對(duì)較大，此后隨著大氣蒸發(fā)量的升高，土壤水分利用效率變得相對(duì)較低。

一般認(rèn)為越是處于水分限制條件下的植物對(duì)水分變化越敏感，水分利用效率越高［25 ］。但是本研究發(fā)現(xiàn)播前土壤含水量低，且生育期大氣非常干燥的情況下，每1 mm降水和播前土壤水分利用率反而最低（低產(chǎn)年份）。而隨著播前含水量以及生育期天氣狀況的改善，春小麥產(chǎn)量越高，春小麥對(duì)不同來(lái)源的水分利用效率也逐漸提高。說(shuō)明干旱環(huán)境限制作物產(chǎn)量，較為適宜的環(huán)境能夠提高作物的水分利用效率。因此，可得出作物的最大水分利用效率出現(xiàn)在環(huán)境相對(duì)較為適宜的條件下。

作物的水分利用效率在獲得最大產(chǎn)量之前存在一個(gè)最大值，但是從本研究分析來(lái)看，無(wú)論是降水還是播前土壤水分，均是隨著氣候條件的改善，效率逐漸增大，最大值并未出現(xiàn)，說(shuō)明本試驗(yàn)所在地區(qū)，半干旱雨養(yǎng)區(qū)春小麥產(chǎn)量離潛在最大產(chǎn)量還有很大差距。從國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)中可知，若不考慮緯度以及播種密度品種等的差異，水分供給充足的春小麥產(chǎn)量可達(dá)到5 000～7 000 kg/hm2［26 ］，本試驗(yàn)所在地環(huán)境最適宜的高產(chǎn)年份下獲得的最大產(chǎn)量?jī)H為3 300 kg/hm2，僅接近最大觀測(cè)產(chǎn)量的1/2。由此可見(jiàn)，該區(qū)春小麥產(chǎn)量提高依然存在很大的空間，而且隨著生長(zhǎng)環(huán)境的改善水分利用效率在不斷增加，說(shuō)明改變或者選擇更適宜的年份種植春小麥?zhǔn)前敫珊涤牮B(yǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

相同的水量供給，50 cm土層土壤水分的利用效率明顯高于主要生育期降水的利用效率。最不利的氣候年型下，相同的水分，降水和播前土壤水利用效率接近，每100 mm水分均只能生產(chǎn)500 kg/hm2春小麥。但是在較為有利的氣候條件下，土壤水分生產(chǎn)效率明顯大于降水的生產(chǎn)效率。在相對(duì)最優(yōu)的氣候條件下（高產(chǎn)年份），每100 mm土壤水分可以產(chǎn)生3 000 kg/hm2左右的春小麥，而每100 mm降水只能生產(chǎn)1 600 kg/hm2。說(shuō)明增加播前土壤水分更有利于該區(qū)春小麥產(chǎn)量提高。

較高的播前土壤水分有利于保產(chǎn)，獲得高產(chǎn)依舊取決于主要生育期的大氣干濕狀況。分析不同的氣候年型，可以發(fā)現(xiàn)春小麥產(chǎn)量最高的年型（高產(chǎn)年份）對(duì)應(yīng)相對(duì)較高的土壤水分和主要生育期大氣偏濕的氣候。而中高產(chǎn)年份盡管播前土壤水分最大，但是由于生育期大氣相對(duì)較干，產(chǎn)量顯著低于高產(chǎn)年份。同時(shí)可以看出，春小麥獲得高產(chǎn)往往更取決于主要生育期的天氣狀況，盡管播前土壤水分利用效率高于降水利用效率，但是播前土壤水分畢竟有限，研究區(qū)域50 cm土層土壤田間持水量為126.5 mm，試驗(yàn)開(kāi)展年份最大的土壤含水量也基本接近此值，即使土壤水分利用效率再大，也無(wú)法大于此值。較高的播前土壤水分能夠保證獲得一定的水平的產(chǎn)量，但是要獲得更大的春小麥產(chǎn)量還是有賴(lài)于主要生育期的大氣干濕狀況。因此該區(qū)農(nóng)戶可以選擇在底墑?shì)^好的年份種植春小麥，即使生育期大氣較為干燥，也能夠保證一定的產(chǎn)量，若當(dāng)年遇到較好的氣象條件，春小麥產(chǎn)量可能會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高的水平。

在氣候暖干化背景下，位于半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的定西市安定區(qū)春小麥降水利用效率和播前土壤水分利用效率無(wú)明顯變化趨勢(shì)。但是依據(jù)春小麥產(chǎn)量，使用春小麥主要生育期大氣狀況和播前50 cm土層土壤含水量可以將半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥生長(zhǎng)氣候年型可以分為5類(lèi)，即高產(chǎn)年份、中高產(chǎn)年份、中產(chǎn)年份、中等偏低產(chǎn)年份、低產(chǎn)水平年份。在不利的氣候條件下，春小麥對(duì)降水和播前土壤水分利用率低，且隨著供水分條件的改善，春小麥降水和播前土壤水分利用效率提高。試驗(yàn)所在地區(qū)春小麥產(chǎn)量離潛在最大產(chǎn)量還有很大的差距，選擇底墑?shì)^好、天氣濕潤(rùn)的年份播種春小麥可以保證獲得一定水平的產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 魏? ?虹，林? ?魁，李鳳民，等. 有限灌溉對(duì)半干旱區(qū)春小麥根系發(fā)育的影響［J］.? 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，24（1）：106-110.

［2］ 楊文雄，柳? ?娜，劉效華，等.? 半干旱區(qū)膜上覆土穴播對(duì)春小麥旗葉光合作用和水分利用的影響［J］.? 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，27（7）：2264-2272.

［3］ 葛麗娟，王小平，王清濤，等.? PROSAIL模型在半干旱區(qū)春小麥不同干旱脅迫條件下的適用性分析［J］.? 干旱氣象，2017，35（6）：926-933.

［4］ 韓凡香，常? ?磊，柴守璽，等.? 半干旱雨養(yǎng)區(qū)秸稈帶狀覆蓋種植對(duì)土壤水分及馬鈴薯產(chǎn)量的影響［J］.? 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，24（7）：874-882.

［5］ 張開(kāi)乾，鄭立龍.? 隴中半干旱地區(qū)地膜覆蓋和補(bǔ)灌對(duì)玉米及土壤溫濕度的影響［J］.? 節(jié)水灌溉，2016（2）：51-54.

［6］ BLUM A.? Drought resistance， water-use efficiency， and yield potential—are they compatible， dissonant， or mutually exclusive［J］.? Australian Journal of Agricultural Research， 2005， 56： 1159-1168.

［7］ CONDON A G， RICHARDS R A， REBETZKE G J， et al.Breeding for high water-use efficiency［J］.? Journal of Experimental Botany， 2004， 55： 2447.

［8］ 房全孝，陳雨海，李全起，等.? 灌溉對(duì)冬小麥水分利用效率的影響研究［J］.? 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（4）：34-39.

［9］ MEDRANO H， TOM？S M， MARTORELL S， et al. From leaf to whole-plant water use efficiency（WUE） in complex canopies：Limitations of leaf WUE as a selection target［J］.? 作物學(xué)報(bào)（英文版）， 2015， 3： 220-228.

［10］ GAGO J， DOUTHE C， FLOREZ-SARASA I，? et al. Opportunities for improving leaf water use efficiency under climate change conditions［J］.? Plant Science An International Journal of Experimental Plant Biology， 2014， 226： 108-119.

［11］ MEDRANO H， FLEXAS J， GALM S J.? Variability in water use efficiency at the leaf level among Mediterranean plants with different growth forms［J］.? Plant & Soil， 2009， 317： 17-29.

［12］ JONES H G.? Plants and microclimate. A quantitative approach to environmental plant physiology［M］.? London：Cambridge University Press， 1992.

［13］ RODRIGUEZ D， SADRAS V O.? The limit to wheat water-use efficiency in eastern Australia. I. Gradients in the radiation environment and atmospheric demand［J］. Australian Journal of Agricultural Research， 2007， 58： 520-525.

［14］ SADRAS V O， RODRIGUEZ D.? The limit to wheat water-use efficiency in eastern Australia. II. Influence of rainfall patterns［J］.? Australian Journal of Agricultural Research， 2007， 58： 657-69.

［15］ 許振柱，周廣勝.? 農(nóng)業(yè)水分利用率及其對(duì)環(huán)境和管理活動(dòng)的響應(yīng)［J］.? 自然資源學(xué)報(bào)，2003，18（3）：294-303.

［16］ 溫斐斐，孫? ?敏，鄧聯(lián)峰，等. 旱地小麥休閑期深翻覆蓋對(duì)土壤水分及其利用效率的影響［J］.? 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，21（11）：1358-1364.

［17］ OLESEN J E， TRNKA M， KERSEBAUM K C， et al. Impacts and adaptation of European crop production systems to climate change［J］.? European Journal of Agronomy， 2011， 34： 96-112.

［18］ CHALLINOR A J， WATSON J， LOBELL D B， et al.? Smith DR， Chhetri N. A meta-analysis of crop yield under climate change and adaptation［J］.? Nature Climate Change， 2014， 4： 287-291.

［19］ LOBELL D B， BURKE M B. On the use of statistical models to predict crop yield responses to climate change［J］.? Agricultural & Forest Meteorology， 2010， 150： 1443-1452.

［20］ TEAM R D C.? R：a language and environment for statistical［J］.? Computing， 2011， 1： 12-21

［21］ JIN Z， ZHUANG Q， TAN Z， et al. Do maize models capture the impacts of heat and drought stresses on yield using algorithm ensembles to identify successful approaches［J］.? Global Change Biology， 2016， 22： 3112-3126.

［22］ NIELSEN D C， HALVORSON A D， VIGIL M F. Critical precipitation period for dryland maize production［J］. Field Crops Research， 2010， 118： 259-263.

［23］ LYON D J， BOA F， ARKEBAUER T J.? Water-yield relations of several spring-planted dryland crops following winter wheat［J］.? Journal of Production Agriculture，1995， 8： 281.

［24］ 劉? ?靜，馬力文，張學(xué)藝.? 寧夏灌區(qū)春小麥LAI與生長(zhǎng)性狀和產(chǎn)量的關(guān)系［J］.? 干旱氣象，2017，35（3）：358-366.

［25］ HUXMAN T E， SMITH M D， FAY P A，? et al.? Convergence across biomes to a common rain-use efficiency［J］.? Nature， 2004， 429：651.

［26］ 李? ?軍，王立祥，邵明安，等.? 黃土高原地區(qū)小麥生產(chǎn)潛力模擬研究［J］.? 自然資源學(xué)報(bào)，2001，16（2）：161-165.