崔亚强, 朱元骏, 3

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌，712100；2. 西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌，712100；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌，712100)

土壤水分是黄土塬区主要作物冬小麦利用的最重要的水分来源，影响着冬小麦的生长、发育和产量[1]。在黄土塬区，农地土壤水分主要受降水和冬小麦利用的影响[2]。近些年，在全球气候变化背景下，黄土塬区降水格局发生变化，表现为降水分配的不均性增加、极端降水事件频发[3]。降水格局变化改变了土壤水分形成的初始条件，无疑会对冬小麦-土壤水分关系以及土壤水分的消耗和补给产生重要影响。量化降水变化条件下土壤水分的消耗和补给规律有助于黄土塬区土壤水资源的估算、管理和冬小麦产量的稳定。

降水是影响土壤水分变异、消耗和补给的主要因素[4-6]。黄土塬区降水主要集中在7-9月，约占年均降水的60%～70%，冬小麦生长季降水稀少。程立平[7]根据黄土塬区降水变化特征，将该区年内土壤储水量变化分为3个阶段：土壤水分消耗期(3-7月)、土壤水分恢复期(7-10月)和土壤水分相对稳定期(10月至翌年3月)。雨季土壤水分的动态变化与降雨量有着密切的联系，不同土层土壤含水量的变化幅度明显不同，在降雨时土壤含水量急剧上升，随后下降[8-9]。此外，随着降雨量的增加，土壤含水量与降水量的显著相关深度逐渐向深层推移[10]，而敏感性随深度逐渐降低[11]。降水作为黄土塬区土壤水输入的重要来源，显著影响土壤水分的消耗与补给过程。一些学者通过降水控制实验研究草地土壤水分循环特征时发现在平水年及干旱年，土壤水分均表现为负平衡；丰水年部分样地土壤水分得到补充[12-13]。Liu等[14]在黄土高原南部研究发现，在极端湿润年份，农田的土壤水分都得到极大补给。王石言等[15]在长武塬区研究发现，旱作小麦田土壤水分的消耗深度为300cm，而补给深度则达到600 cm。目前，关于冬小麦田土壤水分的消耗与补给规律的相关研究逐渐增多，但是，由于受降水的影响，连续干旱和湿润条件下土壤水分的消耗与补给规律还未得到充分认识。

本研究利用人工降水实时分配系统来实现不同的降水条件，通过定位观测三种降水条件(自然降水(RCK)、降水增加1/3(R+1/3)和降水减少1/3(R-1/3))土壤剖面含水量，研究了降水变化对不同深度土壤储水量的影响，分析了降水变化条件下土壤水分消耗和补给规律，以期为降水变化条件下黄土塬区农地土壤水补给和消耗规律研究及冬小麦产量潜力评估提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在地处陕西省长武县的长武黄土高原农业生态试验站(107°41′E，35°14′N)进行。试验站海拔1 220 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候。该地区多年平均降水量为584 mm，年最大降水量为954 mm(2003年)，年最小降水为296 mm(1995年)。降水年季年内分布不均，主要集中在7-9月，占全年降水总量的55%以上，蒸发量较大。该区年日照时数为2 226.5 h，多年平均无霜期171 d，年平均气温9.1℃。试验所在地属于黄土旱塬区，土壤为中壤质黑垆土。耕层(0～20 cm)土壤含有机质14.15 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，碱解氮68.26 mg·kg-1，速效磷22.1 mg·kg-1，速效钾156.7 mg·kg-1。试验期降水月际分布见图1。

图1 试验区降水月分布(2014-2016)Fig 1 The monthly distribution drawing of precipitation in experimental area

1.2 试验设计

试验在站区辅助观测场冬小麦地进行，整个生育期无灌溉。2014年10月布设试验小区，小区面积为30m2(5 m×6 m)，共11个。小区采用透明塑料遮雨棚配套集雨桶和自流滴灌系统来实现小区自然降雨的实时收集和再分配(图2)。试验小区的详细情况见倪盼盼等[16]。降水条件设3个处理：自然降水(RCK)、降水减少1/3 (R-1/3)和降水增加1/3(R+1/3)。通过图2中的降水实时分配系统，一个小区上方覆盖1/3面积的遮雨棚，实现降水减少1/3，将这个小区收集的降水分配到另外一个小区，实现降水增加1/3。每两个降水处理之间的降水量差值约为200 mm，接近干旱半干旱地区气候分区的降水量间隔。RCK处理设置3个重复，R-1/3处理和R+1/3处理各设4个重复(图2),小区布面积为30 m2(5 m×6 m)。试验用冬小麦品种为“长旱58”，种植密度为150 kg·hm-2，在冬小麦种植前一次性施入小麦专用肥(N∶P∶K=20∶10∶5)954 kg·hm-2，田间管理同大田，小麦生育期进行人工锄草，不施用除草剂。试验冬小麦分别于2014年10月5日和2015年9月28日播种，于2015年6月25日和2016年6月27日收获。

1.3 观测指标和测定方法

1.3.1 土壤水分测定 小区中心位置布设1根3.8 m深度的中子管，用中子仪(CNC503B)测定土壤含水量，相同处理小区的平均值作为该小区(降水处理)的土壤水分。测定时间间隔为15 d，0～1 m土层测定深度间隔0.1 m，>1 m的土层测定深度间隔为0.2 m。

每层土壤含水量(体积含水量)，取其算术平均值。土壤储水量的计算采用如下公式:

(1)

式中，WS为土壤储水量(mm)，hi为土层厚度(cm)，Wi为土壤含水量(%)。

黄土塬区蒸散量(ET)计算的一般公式[1]为：

ET=P-ΔW

(2)

式中，P为降水量(mm)；ΔW为季初、季末土壤储水量之差(mm)。

1.3.2 冬小麦产量及生物量的测定 在冬小麦成熟期，于每个小区取1 m2的冬小麦，计算冬小麦穗数，脱粒后于75℃烘干计算产量，并在每个小区随机选取6株生长健康的冬小麦植株，烘干后计算冬小麦单株生物量。

1.3.3 土壤水分消耗深度与补充深度确定 土壤水分消耗深度根据季初和系统蒸散旺季土壤剖面水分分布曲线确定，选取水分含量降低幅度最大的曲线和季初比较，两条曲线交叉点即是消耗深度，如果两条曲线无交叉点，说明消耗深度超过了测定的土层深度。土壤水分的补充深度根据系统蒸散旺季和雨季土壤剖面水分分布曲线确定，选取水分含量增加最大的曲线和消耗曲线比较，两条曲线交叉点即为补充深度。

图2 降水实时收集、分配系统和试验小区处理示意图Fig. 2 The diagrammatic sketch for precipitation real time collection, distribution system and test plot treatments

2 结果与分析

2.1 土壤储水量变化

不同降水条件下0～3.8 m土层的土壤储水量有显著的差异(图3)。R+1/3在0～3.8 m土层土壤储水量最大，RCK次之，R-1/3最小。不同降水条件下，0～3.0 m土层的土壤储水量在冬小麦生长季(4-6月)逐渐降低；休闲期，降水能部分补给土壤水，但未超过初始储水量，总体呈现下降趋势。在3.0～3.8 m深度，RCK和R-1/3处理的土壤储水量在生长季减少，在休闲期得到一定补给，而R+1/3土壤储水量在2015年休闲期得到补给后稳定维持在较高水平。由表1可知土壤储水的变化速率，在0～3.8 m深度，R-1/3和RCK土壤水储量以109.39 mm·a-1和91.85 mm·a-1的速度减少，R+1/3土壤储水量在0～3.0 m深度以48.94 mm·a-1的速度减少，而在3.0～3.8 m深度则以17.39 mm·a-1的速度增加。此外，各降水处理0～3.0 m深度的土壤储水消耗速率占总消耗速率的90%以上。这表明0～3.0 m深度是冬小麦所需水分的主要来源。这主要因为冬小麦根系随着深度的增加而减少，主要分布在浅层土壤[17]。因此，冬小麦主要利用0～3.0 m土层的土壤储水，而3 m以下土壤储水则是在土壤水势梯度差的作用下向上运动，最终为农作物所消耗[18]。此外，R-1/3土壤储水的下降速率最大，为109.39 mm·a-1，RCK次之，这说明减少降水(R-1/3)、正常降水(RCK)增加了冬小麦对土壤储水的利用，使得土壤储水量逐渐下降。

图3 不同降水条件下不同深度土层的土壤储水量Fig.3 Soil water storage in different soil depths under different precipitation conditions

表1 不同降水条件下土壤水分的变化速率/(mm·a-1)Table 1 The soil water change rate under different precipitation conditions

2.2 土壤水分的垂直分布及其变异特征

各降水处理的土壤水分均值的垂直分布如图4所示。从图中可以看出，随着深度的增加，各降水处理的土壤水分平均值呈现增加趋势。表层土壤受多种因素的影响，土壤水分变异系数(CV)大，且随着深度的增加而呈现减小的趋势(图4)。Wang 等[19]研究黄土高原0～20 m深度的土壤水分变化时也得出相似结论。但不同降水处理之间有细微的差异，R-1/3的CV首先随着深度的增加而减少(0～70 cm)，而在70～100 cm则逐渐增加，之后随深度的增加而减少；RCK在0～70 cm深度的CV变化与R-1/3相似，而在70～100 cm呈现出不规律的变异；R+1/3的CV则随着深度的增加逐渐减少。此外， R+1/3，RCK和R-1/3土壤水分变异系数分别在120，200 cm和180 cm以上土层大于0.1。这表明增加降水(R+1/3)不仅减少冬小麦对120 cm以下土壤水的利用，而且多余的降水通过非饱和土壤水运动方式补给120 cm以下的土层。而RCK和减少1/3降水在较深土层由于生长季水分的大量消耗与休闲期水分的补给则表现出典型的失墒和增墒过程，使得0～200 cm和0～180 cm土层土壤水分变异增大。这表明在较长时间尺度下，增加降水减少了中层土壤水分的变异[20]。

图4 不同降水处理土壤水分(SWC)及其变异系数(CV)的垂直分布Fig. 4 Vertical distribution of SWC and CV under different precipitation treatments

2.3 土壤水分消耗与补给深度

冬小麦是秋播夏收，生育期处于当年雨季后和翌年雨季前的旱季。冬小麦在生育期由于降水不足，消耗大量土壤水。因此，6月底小麦田土壤水分含量全年最低。在收割后，小麦田成为休闲农田，7—9 月为该地区的雨季，降水充足，该时期降水补给土壤水。因此，本文选择能够体现冬小麦消耗、补给深度的7月与10月数据进行分析。

在冬小麦的生长期及休闲期，不同降水条件下的土壤水分垂直分布差异明显(图 5)。R+1/3, R-1/3和RCK各处理的土壤水分消耗深度在2015年生育期分别为240，240 cm和220 cm；而在休闲期末，各降水处理的土壤水补给深度分别为220，200 cm和210cm(图 5)。但在2016年生育期，各处理的土壤水分消耗、补给深度出现较大差异，具体表现为R+1/3, R-1/3和RCK各处理的土壤水分消耗深度分别为340，260 cm 和340 cm。休闲期末的水分补给深度分别为280，160 cm和240 cm(图 5)。土壤水分的补给深度小于消耗深度，虽然雨季后各处理的土壤水分均得到一定程度的补给，但并未恢复到试验前的水平。李巍等[21]研究发现，旱作小麦田在丰水年型或者遇到强降雨的月份土壤水分在0～3 m土层范围内可以得到恢复，但较难恢复到试验初期的土壤水分。这与本试验结果基本一致。而王艳萍等[22]研究发现，农地的降水补给深度超过600 cm，远远大于本试验研究中增加降水处理小区的补给深度，这种差异主要是由休闲期降水量和降水频率所引起。此外，通过对比发现，两年土壤水分消耗、补给深度差异较大，2016年耗水深度、补给深度显著高于2015年。其主要原因是2015年冬小麦生长季降雨量为282.6 mm，远大于2016年生长季降雨215.8 mm，并且在2015年播种期土壤储水量高于2016年。土壤储水量和生长季降水的减少促使冬小麦利用更深层土壤水分以供冬小麦正常生长，因而导致冬小麦的耗水深度增加。而休闲期的降雨则正好相反，2016年休闲期降雨(328.1 mm)高于2015年降雨(259.7 mm)，降雨量越大，入渗深度越深。这表明降水量、播种期土壤储水量影响土壤水分的消耗和补给。邹文秀等[23]研究发现，在冬小麦生长季，冬小麦田的土壤水分主要受土壤蒸发、降水的影响和植被根系耗水的影响。忽略了播种时土壤前期储水量对土壤水分消耗、补给的影响。不同降水条件下土壤含水率分布影响土壤水分的补给、消耗(图 5)。例如2015年RCK与2016年R-1/3在冬小麦休闲期降雨量基本一致(表2)，但R-1/3土壤水分的补给量远远大于RCK的补给量。这种差异主要是由收获期土壤含水率差异所引起，土壤含水率越小，有更多的降水转化为土壤水，但R-1/3由于生育期土壤水分的连续消耗，在经过补给后土壤含水率未超过田间稳定持水量。程立平等[24]认为黄土塬区非饱和土壤水的运动是造成这种差异的主要原因。

图5 不同降水条件下土壤剖面水分分布动态Fig 5 Soil moisture distribution dynamics in soil profiles under different precipitation conditions

表2 不同降水处理土壤水量平衡特征/mmTable 2 Soil water balance characteristics under different precipitation treatments

注：P-降水量;ΔW-土壤储水量变化量. Note:P-Precipitation; ΔW-Change of SWS。

2.4 不同降水条件下的水量平衡特征

2014-2015年生长季，R+1/3，RCK和R-1/3降水对冬小麦田蒸散的贡献率分别为 78.5%，76.9%和54.8%；2015-2016年生长季，R+1/3，RCK和R-1/3降水对冬小麦田蒸散的贡献率分别为55.1%，59.6%和56.4%(表2)，其余所需供水来自土壤储水，导致土壤水量出现负平衡。在休闲期，试验两年里R+1/3，RCK和R-1/3处理分别有27.3%，13.1%，29.6%；39.5%，35.9%，42%的降水通过入渗成为土壤储水，并且发现R-1/3处理降水转化为土壤水的效率更高。通过分析发现土壤水分消耗越多，降水转化为土壤水的效率越高，两者呈现极显著的指数关系(图6)。这主要是因为R-1/3土壤储水量由于生长季降水的减少而大量消耗土壤水，休闲期降水大部分成为土壤储水；R+1/3和RCK降水主要用作无效蒸散，只有少数降水进入土壤。2016年休闲期降水的转化率明显大于2015年，相比于2015年，2016年由于生长季降水较少，使得冬小麦主要利用土壤储水，造成了土壤储水的大量短缺，休闲期有更多的降水转化为土壤水。

图6 降水的转化率与土壤水分消耗率的关系Fig. 6 The relationship between the precipitation infiltration rate and soil water consumption

2.5 土壤储水消耗、补给与冬小麦产量及生物量的关系

黄土塬区冬小麦所需水分主要来自土壤储水。生长季土壤水的消耗与休闲期水分的补给构成了旱塬土壤水分循环的主要环节。因此，土壤水的消耗、补给与冬小麦生物量和产量之间有密切的关系。如图7所示，生长季土壤水的消耗与休闲期土壤水的补给都是影响冬小麦产量及生物量的因子。

3 结 论

1) 降水变化显著影响不同深度土壤储水量。所有处理在0～3.0 m深度，冬小麦生长季土壤水储量逐渐下降，而在雨季均得到一定的补给。在3.0～3.8 m 深度，R-1/3和RCK处理土壤水储量以7.37、5.39 mm·a-1的速度减少，而R+1/3处理土壤水以17.39 mm·a-1的速度增加。

2)降水增加可以减少土壤水分的空间变异。降水变化显著影响土壤水分消耗和补给过程。土壤底墒充足且生育期降水量较多时，各降水处理土壤水分的消耗深度较浅，反之，则较深。

3) 冬小麦生育期降水对该时期蒸散的贡献率超过50%。休闲期降水转化效率主要与生育期水分的消耗度有关，两者呈现极显著的指数关系。此外，生长季消耗的土壤水主要用于冬小麦的生长，休闲期补给的土壤水对于冬小麦增产有益。

图7 土壤储水消耗、补给量与冬小麦产量及生物量的关系Fig. 7 The relationship between the soil water consumption, replenishment with winter wheat yield and biomass

致谢：感谢长武站工作人员对本实验的支持。