黄土旱塬区麦田休闲期降水与土壤贮水的变化特征

贾建英, 贺 楠, 韩兰英, 万 信, 王 兴, 梁 芸, 王小巍, 王 帆, 黄鹏程

(1.兰州区域气候中心, 兰州 730020; 2.中国气象局公共气象服务中心, 北京 100081)

黄土高原是我国重要的旱作粮食生产区，由于地处半干旱气候区和亚洲夏季风影响边缘区，降雨量年际波动较大，有效降雨少且时空分布不均，导致粮食主要生长季干旱频繁发生[1-2]。塬是黄土高原主体地貌，面积约5.3万km2，以中壤土为主，黄土厚度50～80 m，最厚达150～180 m，具有结构疏松、透水、易耕、性熟等特点，深厚的土层有利于土壤水分蓄积[3-4]，降水被蓄存于土体之中，在干旱缺水季节可为作物提供保命水，最终通过土壤深层贮水来应对气候干旱，具备显著的储蓄和调节水分功能，被称为“土壤水库”[5-6]。深厚的黄土覆盖对稳定当地粮食生产起到了关键作用，“留住天上水，用好地下水”是适宜黄土高原气候特点和土壤蓄水特征的水分利用措施之一[7-8]。冬小麦是黄土高原旱作农业区的主要粮食作物之一，近10 a平均种植面积约占粮食播种面积的28.2%。冬小麦全生育需水量为350～500 mm，但全生育期降水大多不足250 mm，只能满足耗水量的65%～95%，干旱频繁发生，素有“三年一小旱，十年一大旱”之说[9-11]。旱作冬小麦收割到下一季播种为夏季休闲期，休闲期(7—9月)降水占全年降水的60%以上，而深厚的黄土覆盖为降水资源转化为土壤水分提供了得天独厚的条件，冬小麦有5%～35%的耗水量就是休闲期土壤贮水补给[12-14]。李超等[15]研究表明在黄土塬区降水季节分布特征下，播前底墒对冬小麦产量具有决定性作用，产量随底墒线性增加。Guo等[16]在黄土高原雨养区的研究表明，7—9月降水量与次年冬小麦产量呈显著相关关系。劳动人民在长期生产中也积累了“麦收隔年墒”、“三伏多雨好种麦”等宝贵经验。可见休闲期充足的土壤贮水是黄土高原旱塬区冬小麦生产的重要保障，土壤水库对保障和维持本区旱地冬小麦稳产高产具有重要作用[17-20]。

黄土高原土壤水分循环是较单一的降水下渗和蒸散上行过程[21-22]，因地下水埋深大部为50～100 m，一般可以不考虑入渗水分与地下水之间的相互作用[23]。王全九等研究表明，休闲期降水量对土壤水分的补给量有极显著的影响。休闲期土壤水库充水占主导地位，土壤贮水量显著增加，即土壤水库“水位”上升；
从播种到收割，整个生长期土壤贮水量显著下降，土壤水库放水占主导地位[5-6,18]。黄土塬区冬小麦田在休闲期降水的转化效率与生长季土壤水的消耗率呈现极显著的指数相关，降水增加使得土壤水分的补给次数增多，减少了土壤水分的时空变异[19]。土壤水库效应的发挥受降水年型的影响较大，枯水年、平水年降水量虽少，但对土壤水分的补充作用较丰水年明显[8]。而气候变化背景下的水分时空动态，尤其是脉冲式降水及其他极端天气过程不确定性的增加，成为驱动半干旱地区系统结构和功能变化的关键因子，导致黄土高原的水循环过程产生剧烈的变化[24-25]。

本研究选取位于陇东黄土高原中北部典型旱塬区的董志塬为研究区域，结合近40年田间定位观测试验，重点分析休闲期降水与土壤水分的转化特征及其影响因素，以期为黄土高原旱塬区雨养农业稳定发展提供理论依据。

1.1 研究区概况

西峰农业气象试验站为国家一级农业气象试验站，位于陇东黄土高原中北部的董志塬。董志塬为黄土高原最大的原面，黄土层厚达150～200 m，海拔1 200～1 400 m，地下水位50～100 m。该区属大陆性半干旱气候，年均气温8.8℃，无霜期151.4 d，年日照时数为2 465 h，多年平均降水量555.3 mm，降水集中在 7—9月。土壤类型以黑垆和黄绵土为主，田间持水量在20.8%～24.2%，萎蔫系数在4.2%～5.4%。塬区总耕地面积6.1万hm2，基本无灌溉条件，为典型旱作区，主要农作物为冬小麦和春玉米。

1.2 资料及来源

1981—2020年土壤水分观测资料和冬小麦生育期观测资料均来源于西峰农业气象试验站固定观测地段，逐日气象资料来源于甘肃省气象信息中心。冬小麦生育期观测时段为9月中、下旬(播种)至翌年6月下旬、7月上旬(收获)，观测方法均按《农业气象观测规范》。本研究依据冬小麦平均生育期，确定以6月19日至9月28日为冬小麦休闲期，并以8月8日为界将休闲期分割为前期和后期。

1.3 土壤水分测定方法

土壤水分测定时段为每年3月上旬至11月上旬，每旬逢8日测定(8日、18日、28日)。其中1981—2014年采用土钻法进行土壤含水量的测定，测定深度为100 cm，每间隔10 cm取一次样土，测定4个重复，烘干法测定土壤含水量(%)；
2015—2020年资料为经标定后投入业务应用的自动土壤水分观测仪测定，选取每月逢8日0—100 cm共10个土层观测资料。不同深度土壤水文常数为甘肃省气象局每10 a测定1次，2000年以前只测容重和田间持水量，2000年以后开始测定凋萎湿度(表1)。

表1 2000-2020年西峰0-100 cm土壤水文常数

1.4 土壤水量计算方法

土壤贮水量：

W=h×a×b×10/100

(1)

式中:W为土壤贮水量(mm);h为土壤厚度(cm);a为土壤容重(g/cm3);b为土壤含水量(%)。

贮水效率[5]：

WSE=D/R×100%

(2)

式中:WSE为土壤贮水效率(%);D为某时期一定土层中增加的贮水量(mm);R为同时期降水量(mm)。

2.1 休闲期降水特征

从图1可知，1981—2020年黄土高原典型旱塬区冬小麦休闲期降水平均为333 mm，以14 mm/10 a的速率增加，但年际间差异较大，最多年份(2003年为565.5 mm)降水是最少年份(1991年132.7 mm)的4.3倍。20世纪80年代休闲期平均降水为341 mm，90年代最少，平均降水量为259 mm，21世纪以来降水呈持续增加趋势，其中2001—2010年平均降水为357 mm，而2011—2020年平均降水达到近40 a最高值372 mm，较20世纪90年代增加113 mm。近40 a休闲期年平均降雨日数为40 d，其中年平均小雨、中雨、大雨和暴雨日数分别为29 d，8 d，2 d，1 d，冬小麦休闲期以小雨和中雨为主，占降雨日数的92.4%。小雨日数和降雨总日数呈减少趋势，中雨、大雨、暴雨日数均呈弱增加趋势。降雨强度增加是休闲期降水量增加的主要原因。

图1 1981-2020年休闲期降水量及降水日数

从休闲期内降水分布来看，降水基本呈“双峰型”分布(图2)，分别在7月下旬和8月下旬达到峰值，同时期降水量分布比较离散，年际间差异较大，与降水年型密切相关。休闲期前期降水(167 mm)略多于后期降水(165 mm)。

图2 1981-2020年休闲期不同时期平均降水量

2.2 休闲期土壤贮水特征

依据每10年测定的土壤水文常数计算，塬区1 m土层土壤水分达到凋萎湿度时的土壤贮水量为69～70.1 mm，达到田间持水量时的土壤贮水量为291～303 mm，也就是理论上1 m土层贮水量最多增加221～234 mm。由图3可知，1981—2020年黄土旱塬区冬小麦田休闲期1 m土层呈明显的充水过程，以9.5 mm/10 d的速率，贮水量平均增加97 mm。

图3 1981-2020年休闲期不同时期1 m土层平均贮水增量

从图1，图4可以看出，受休闲期降水年型影响，不同年际间土壤贮水增量差异较大，2003年降水最多为565.5 mm，休闲期1 m土层贮水量从91.4 mm增加到310.1 mm，贮水量增加218.7 mm，基本达到1 m土层贮水量增加极限；
而降水最少年1991年(132.7 mm)，休闲期前1 m土层贮水为249.2 mm，休闲期结束时为191.2 mm，消耗前期贮水58 mm。从年代际变化看，由于20世纪90年代降水最少，休闲期贮水量平均增加60 mm，而21世纪以来随着降水增加，贮水量增加明显，其中2001—2010年贮水量平均增加146 mm，而近10 a由于降水持续增加，休闲期前土壤贮水充足，休闲期内1 m土层贮水量增加量有限，多余水分下渗到深层黄土中。休闲期库存的土壤水在冬小麦生长期降水不足时提供保命水，对稳定当地粮食生产起到了关键作用[17-19]。

图4 1981-2020年休闲期1 m土层贮水增量

2.3 休闲期降水与土壤贮水的转化关系

大气降水是黄土高原旱塬区土壤贮水的唯一来源，降水的量级、强度及时间配置均对土壤贮水有较大影响。从近40 a的1 m土层土壤水分定位观测与同时期降水分析可知(图5)，休闲期降水与1 m土层土壤贮水增量的转化关系符合二元一次函数关系，决定系数达到0.514 3。当休闲期降水量在175 mm时，降水较常年同期偏少5成左右时，土壤基本无有效水分贮存，按照水量平衡关系原理[8,22]，可认为休闲期土壤平均蒸发量为175 mm，也可认为休闲期1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm；
当降水小于该值时，土壤水库通常表现为放水过程，即土壤蒸发消耗前期贮水，这种情况一般出现在极端干旱年。当休闲期降水达到463 mm，1 m土层贮水增加可达到理论最高值146 mm；
当休闲期降水大于463 mm时，贮水量随降水增加呈缓慢减少趋势，这主要与麦收后土壤墒情和土壤水分下渗有关。

图5 休闲期降水量(A)、中大雨日数(B)与1 m土层贮水增量关系

休闲期1 m土层土壤贮水增量不仅与休闲期降水总量关系密切，也与不同强度降水日数和降水时间分布关系较大(图5B,表2)。休闲期贮水增量与降水总日数显著相关，且随降水强度增加相关性增加，与中、大雨总日数相关性最高，即25～50 mm日降水最利于土壤贮存水分，而小于10 mm的降水大部分被蒸发，不能被土壤存储；
当中、大雨日数≥10 d时，降水总日数≥40 d时，休闲期贮水增量均在平均值以上。通过不同休闲期降水量与贮水增量的相关分析发现，前期降水和贮水增量相关性不高，后期降水和贮水增量相关性较高，说明休闲期前期降水主要以土壤蒸发消耗，后期降水则大部贮存于土壤中。

表2 不同等级雨量日数、不同时期降水量与休闲期1 m土层土壤贮水量的相关性

2.4 休闲期贮水效率及其影响因素

贮水效率表征休闲期大气降水转化为土壤水的效率特征，休闲期贮水效率主要与麦收后土壤墒情和降水总量有关，同时还与地表覆盖、耕作措施等关系密切。由于固定观测地段休闲期麦田未作任何覆盖或耕作处理，本文主要分析麦收后土壤墒情和休闲期内降水与贮水效率的关系。近40 a黄土典型旱塬区冬小麦田休闲期1 m土层土壤贮水效率为0.27，最高可达0.53(2005年)，最低值为-0.44(1991年)。

从图6A可知，休闲期土壤贮水效率随着麦收时土壤贮水量的增加而线性递减，当麦收时1 m土层贮水量大于215 mm时，即大于田间持水量的71%～74%时，贮水效率为负值；
麦收时1 m土层贮水量小于136 mm时，即小于田间持水量的45%～48%时，贮水效率较高，均在0.3以上。休闲期降水量与土壤贮水效率存在二次函数关系(图6B)，当休闲期降水量小于175 mm时，贮水效率为负值；
当休闲期降水量大于388 mm时，1 m土层贮水效率随降水量增加而降低，表明当休闲期降水大于388 mm时，降水向更深层土壤下渗，由此认为休闲期陇东黄土高原1 m土层土壤水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。

图6 麦收时1 m土层贮水量、休闲期降水量与贮水效率关系

休闲期降水对黄土旱塬区作物生长与土壤贮水有很大影响，所以充分利用夏闲期降水尤其重要。李廷亮等[26]指出夏闲期降水可补充晋南旱地麦田2 m土层冬小麦生长季所消耗的水分，贮水量随降水量增加而增加，195.7 mm的降水量主要恢复了浅层土壤水分，357～400 mm的降水量恢复了0—120 cm土层土壤水分。廖允成等[27]研究表明，黄土旱塬夏闲期降水量超过350 mm时，可使2 m土层土壤水分得到较好恢复。刘朋召等[18]利用渭北旱塬区连续3 a冬小麦定位试验研究表明，休闲期降雨与播前底墒呈线性相关，每增加1 mm夏季降雨，2 m土层底墒增加0.9 mm，冬小麦籽粒产量与休闲期降雨相关性最高。本研究结果表明，休闲期降水量与1 m土层贮水增量存在二次函数关系，贮水增量随着降水增加而增加，降水增幅达到一定程度，贮水增量变小，1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm，土壤水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。研究结果趋势基本一致，差异主要与样本资料时序长短和土层厚度不同有关。

休闲期贮水效率与麦收后土壤墒情和休闲期降水总量关系密切。王全九等[28]研究表明，收获期土壤水分亏缺度在43.68%～52.63%之间时土壤水分的补给系数较高(51.84%～67.42%)，且二者存在良好的幂函数关系。本研究表明，休闲期土壤贮水效率随着麦收时土壤贮水量的增加而线性递减，当麦收时1 m土层贮水量小于田间持水量的45%～48%时，贮水效率较高，整体趋势比较吻合。李廷亮等[26]研究表明晋南旱地2009—2011年麦田2 m土层休闲效率为6%～27%，本研究结果为陇东黄土高原近40 a夏季休闲期平均土壤贮水效率为0.27，变化幅度在-0.44～0.53之间，研究结果较为一致。

休闲期降水对黄土高原冬小麦生产至关重要，如何保蓄天上水，合理用好地下水，是确保旱作冬小麦可持续生产的关键。许多学者在休闲期地表覆盖[29]、耕作措施[30-31]和水肥管理等[18,32]方面做了大量试验研究[29-32]，研究结果均表明，通过一定的覆盖栽培模式、耕作模式、施肥模式，对土壤蓄水保墒及小麦水分利用效率提高均有显著影响，而这些措施效果均与休闲期降水关系密切。本研究利用陇东黄土高原旱作麦田40 a定位观测，分析降水量级、强度及时间配置与土壤贮水的关系，以期为各种覆盖、耕作和水肥管理措施的应用能提供一定的理论支撑。

(1) 近40 a陇东黄土高原休闲期降水以14 mm/10 a的速率增加，但年际间差异较大。降雨总日数和小雨日数呈减少趋势，中雨、大雨日数呈弱增加趋势。降雨强度增加对休闲期降水量增加的贡献较大。

(2) 休闲期1 m土层呈明显的充水过程，以9.5 mm/10 d的速率增加，贮水量平均增加97 mm，受休闲期降水年型影响，不同年际间差异较大。从年代际变化看，20世纪90年代降水最少，休闲期贮水增量最少，而21世纪以来随着降水增加，贮水量增加明显。

(3) 休闲期降水与1 m土层土壤贮水量的转化关系符合二次函数关系模型，休闲期1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm，当休闲期降水达到463 mm时，1 m土层贮水增量可达到理论最高值146 mm。贮水增量与降水总日数显著相关，与中、大雨总日数相关性最高。休闲期前期降水主要以土壤蒸发消耗，后期降水则大部贮存于土壤中。

(4) 近40 a黄土旱塬区冬小麦田休闲期1 m土层贮水效率为0.27，主要与麦收后土壤墒情和降水总量有关。贮水效率随着麦收时土壤贮水量的增加而线性递减，当麦收时1 m土层贮水量小于136 mm时，即小于田间持水量的45%～48%时，贮水效率较高；
休闲期降水量与土壤贮水效率也存在二次函数关系，1 m土层土壤水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。

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