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第1章 緒論

1.1 研究背景

我國是一個人口大國，存在嚴重水資源短缺問題，實現農業(yè)高效用水是保障糧食安全、水安全的重要途徑之一。我國西北地區(qū)土地面積大、光熱資源豐富，是重要的糧食基地。但水資源短缺、降水時空分布不均勻等問題嚴重制約西北地區(qū)農業(yè)發(fā)展，因此發(fā)展節(jié)水農業(yè)和提高水肥利用效率，是實現該地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

黃土高原旱作塬區(qū)橫貫晉陜甘三省，土地總面積約為5.3104km2，農耕地面積約為1.68106hm2，主要的塬地包括隴中的白草塬，隴東的董志塬和早勝塬，渭北的長武塬和洛川塬，晉西的吉縣塬和太德塬等。該地區(qū)海拔600～1200m，年降水量540～600mm，干燥度1.3～1.5，屬于半濕潤易旱類型。黃土高原旱作塬區(qū)具有獨具特色的黃土塬地生態(tài)系統(tǒng)，塬面地勢廣闊平坦，綿延數十千米，土層深厚肥沃，黃土堆積十幾米到一百多米，是黃土高原重要的產糧區(qū)之一，也是我國以生產小麥為主的古老旱作農區(qū)。受地理位置和自然環(huán)境的影響，糧食生產主要依賴天然降水，導致糧食產量低而不穩(wěn)。近年來，黃土塬區(qū)年平均氣溫逐漸升高，干旱出現的次數增多、程度增大，且干旱導致肥料利用率低，致使作物產量在水肥共同制約下波動較大。水分和養(yǎng)分是影響旱地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產力的主要因素，對作物生長具有協(xié)同效應。隨著肥料投入的增加，作物生長需要的養(yǎng)分條件得以改善，土地生產力提高。但在高水平養(yǎng)分投入下，土地生產力的限制由肥力限制轉為水分限制。大幅度增產效應只有在豐水年和平水年才能表現出來，而達不到高產穩(wěn)產的目標。因此，研究水肥耦合互饋作用，揭示水分和養(yǎng)分相互作用機理，指導農業(yè)在無灌溉或補充灌溉條件下科學合理地使用肥料，提高肥料和水分的利用率，對于提升農業(yè)生產的經濟效益和生態(tài)效益，保障半干旱區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

甘肅省水資源總量為274.3億m3，占西北地區(qū)水資源總量的12.3%，而耕地面積為347.4萬m2，占西北地區(qū)耕地總面積的30.3%。張掖市是甘肅省第二大城市，地處青藏高原向蒙古高原的過渡帶上，屬于黑河中游地區(qū)，水資源短缺是制約該地區(qū)農業(yè)發(fā)展的主要因素。黑河發(fā)源于祁連山北麓，是我國第二大內陸河，流經我國西北內陸青海、甘肅和內蒙古三省(自治區(qū))，流域面積約為13萬km2，干流長約821km，多年平均年徑流總量約24.5億m3，其中，水資源總量約28.08億m3。該地區(qū)屬于大陸干旱氣候，常年干旱少雨，河川徑流95%靠山地降水和積雪融水補給。農業(yè)生產與發(fā)展主要依靠河水與地下水的補給灌溉。因此，荒漠綠洲灌溉農業(yè)成為該地區(qū)有別于其他濕潤、半濕潤地區(qū)農業(yè)的一大特色。但近幾十年來，由于該地區(qū)綠洲面積不斷擴大，人類生活用水、工業(yè)用水、生態(tài)用水和農業(yè)用水量等不斷增加，該地區(qū)出現湖泊干涸，地下水位下降，夏季用水高峰期河道斷流，沙漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化等情況。要想解決該地區(qū)水資源短缺問題，必須提高黑河中游綠洲區(qū)水資源利用效率。因此，通過研究荒漠綠洲區(qū)春小麥的生長特征、耗水規(guī)律，建立相應的水分生產函數，確定適宜該地區(qū)土壤、氣候條件下的昀佳灌溉制度和種植模式，以期為荒漠綠洲區(qū)農田土壤水分利用效率和春小麥產量的提高提供科學的理論依據。

1.2 國內外相關研究現狀

國內外學者圍繞作物水分利用效率、作物需水和耗水量、水分生產函數和作物生長模擬模型等方面進行了大量研究，這些研究成果對指導農業(yè)生產和相關科學問題的深入研究發(fā)揮了重要作用。

1.2.1 作物水分利用效率研究

水分利用效率是評價植物生長適宜程度和生產效率的一個重要指標，人們對其認識經歷了一個從宏觀認識到微觀深入探討的過程，不同學者對其賦予不同的定義[1]。20世紀初，Briggs和Shantz等用需水量來表示水分利用效率，Tranquillini把凈光合速率與蒸騰速率之比稱為蒸騰效率，用以表示水分利用效率[2]。Widtsoe用蒸騰比率表示水分利用效率[3]。目前，將水分利用效率分為三個層次進行研究，即葉片水平上的水分利用效率、群體水平上的水分利用效率和產量水平上的水分利用效率[4]。廣義上的水分利用效率是指消耗單位水所產生的同化物的質量，通常用產量和耗水量之比來表示，包括降水利用效率、灌溉水利用效率和作物水分利用效率[5]。狹義上的水分利用效率是指作物水分利用效率，它又可分為葉片水平上的水分利用效率和群體水平上的水分利用效率。葉片水平上的水分利用效率通常用凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)之比來表示；群體水平上的水分利用效率是指某一生育期內作物干物質積累量與同期內農田蒸散量之比[6]。

一些學者就水分利用效率與作物耗水量、產量的關系進行了大量研究，Kiziloglu等研究半干旱地區(qū)虧缺灌溉對青貯料玉米的葉、莖、株高、產量和水分利用效率的影響，認為作物產量與蒸散量之間呈線性關系，充分灌溉條件下水分利用效率昀高，干旱脅迫條件下的水分利用效率昀低[7]。Kang等研究結果表明，作物耗水量與產量或是水分利用效率之間呈二次曲線關系[8]。而Jin等認為過度灌溉會導致作物水分利用效率降低。相反，有效的虧缺灌溉會提高作物產量和水分利用效率[9]。陳尚謨研究認為，施肥量與水分利用效率是典型的二次拋物線關系，并據此得出玉米、谷子、大豆產量昀高時的昀佳施肥量及其水分利用效率[10]。劉海軍等研究表明，噴灌灌水量為需水量的83.8%、灌水定額為45mm時，冬小麥水分生產效率昀大[11]?？缀昝舻仍邳S淮海平原的試驗研究結果顯示，隨著施氮量的增加，小麥、玉米產量和水肥利用效率不斷增加。當施氮量增加到337.5kg/hm2時，水分利用效率達到極值[12]。Sun等通過1999～2002年在欒城試驗的分析，建立了灌溉量與產量、水分利用效率和灌溉水利用效率的關系，得出過度灌溉會導致冬小麥減產，降低水分利用效率[13]。王琦等對灌溉與施氮對黑河中游新墾沙地春小麥生長特性、耗水量及產量的影響研究結果表明，低灌處理與221kg/hm2施氮是黑河中游邊緣綠洲新墾沙地農田獲得相對較高的經濟產量與高水分利用效率的昀佳組合[14]。解婷婷等對黑河中游綠洲邊緣區(qū)，利用Li-8100土壤碳通量測定系統(tǒng)與改進的同化箱聯合對田間條件下早熟陸地棉群體光合特性進行了研究，測定了凈光合速率、蒸騰速率及水分利用效率[15]。周續(xù)蓮等對不同灌水處理下春小麥水分利用效率和凈光合速率進行研究，結果顯示水分利用效率(wateruseefficiency，WUE)、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)對不同水分處理的響應不同，WUE、Pn、Tr在生育期變化和日變化中都呈現雙峰曲線，適時灌水可以提高凈光合速率和水分利用效率[16]。連彩云等通過分析2006～2008年河西灌區(qū)不同供水水平對玉米的耗水量、耗水規(guī)律與產量的影響，建立了各參數的數學模型。研究結果認為，玉米水分利用效率隨著灌溉定額的增加，呈先增加后減小的變化趨勢，昀佳灌水量為4800m3/hm2，由此提出在干旱綠洲灌區(qū)應按需供水[17]。Bierhuizen、Fischer、Farquhar等相繼建立了多種不同條件下的水分利用效率模型[18-20]。張正斌等建立了葉片細胞水平上的水分利用效率估算模型[21]。楊喜田將氣象學與生理學結合，建立了葉片冠層水平的水分利用效率模型[22]。于滬寧等根據微氣象學方法建立了水分利用模型[23]。

一些學者在水分利用效率的形成機理方面開展了大量研究，取得了大量的成果。Nobel通過研究兩種旱生和中生植物葉片解剖結構和單葉水分利用效率的關系，認為水分是通過細胞間隙和氣孔由葉肉細胞壁表面蒸發(fā)進入大氣的，而CO2除以上途徑，還要通過葉肉細胞壁、葉綠體膜以及光反應與暗反應等途徑才能在光合產物中固定；隨著葉內同化表面與葉外蒸騰表面比率的增加，單葉水分利用效率增加。在土壤水分和濕度變化情況下，水分利用效率主要受氣孔調節(jié)，因此用CO2的細胞傳導率和葉肉細胞壁面積與葉片表面積之比相乘來表示CO2的葉肉傳導率[24]。Richards等通過對小麥根的形態(tài)學及水分利用的研究，發(fā)現春小麥根木質部傳導阻力的增加可以減少作物生長的耗水量，提高作物水分利用效率[25]。Farquhar等研究證明光合作用會影響碳同位素分餾，從而成為影響植物水分利用效率的主要影響因子[26]。Cowan認為氣孔導度對植物在獲得CO2和失去水分的調節(jié)中符合昀優(yōu)控制[27]。Farquhar等假設葉片中13C與大氣中固定的12C的比值，在水分利用效率較高的C3植物中較大，并且證明了這種假設是成立的[28]。Korner等認為溫度和水分利用效率、植物13C值存在負相關[29]，而Loader等的研究結果顯示兩者間存在正相關[30]。林偉宏認為CO2濃度的升高直接影響作物水分利用效率[31]。張娟等針對19個不同抗旱性小麥品種，對干旱狀態(tài)下的葉片水分利用效率與蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、水勢、葉片溫度等12個指標之間的關系進行了研究。結果表明，葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、水勢和葉片離體失水速率與葉片水分利用效率之間的關系密切，是瞬間和短時期葉片水分利用效率的直接影響因素；而葉片溫度、葉片抗氧化酶活性、蠟質含量、相對含水量與葉片水分利用效率相關性不大[32]。王建林等對大豆、甘薯、花生、水稻、棉花、玉米、高粱和谷子8種作物的氣體交換參數進行了研究。結果表明，CO2濃度倍增可以提高凈光合速率和降低蒸騰速率，從而提高作物的水分利用效率，其中凈光合速率貢獻更大。C3比C4作物的凈光合速率和水分利用效率增幅大，C3作物凈光合速率對水分利用效率的貢獻大于C4作物[33]。

以提高水分利用效率為目的，眾多學者從耕作措施等方面進行了大量試驗研究。在干旱半干旱地區(qū)，眾多研究是通過耕種措施來增加土壤的蓄水能力，減少蒸發(fā)量，從而降低作物生長的需水量，達到提高水分利用效率的目的。耕種措施主要有采取秸稈覆蓋、地膜覆蓋、碎石覆蓋以及使用保水劑等。1985年，Modaihsh等采用0、2cm、6cm厚度砂層覆蓋來減少土面蒸發(fā)，提高作物水分利用效率。結果顯示，6cm厚度的砂層覆蓋效果昀為顯著，砂子能夠有效地抑制土面水分蒸發(fā)[34]。Kemper等將礫石和沙土作為覆蓋材料，減少水分蒸發(fā)量[35]。Li等研究認為，地膜覆蓋可以提高春小麥的土壤溫度、增加地表濕度、增加小麥的分蘗數、小穗數和延長生育期，可提高春小麥營養(yǎng)生長時期的光合作用率和可溶性糖的含量，提高水分利用效率[36]。趙聚寶等通過試驗研究表明，秸稈覆蓋可以抑制土壤水分的無效蒸發(fā)，提高作物的水分利用效率[37]。Wang等對1984～1996年欒城玉米輪作進行了研究，分析了這一區(qū)域灌水量、蒸散量、作物生長特征與水分利用效率之間的關系，并利用過程模型(WAVES)模擬了玉米和小麥的葉面積指數、蒸散量、土面蒸發(fā)量與植物蒸騰量之比，結果顯示秸稈覆蓋可以使土面蒸發(fā)減少50%，在春小麥生育期內節(jié)約80mm水分[38]。趙蘭坡認為秸稈覆蓋后0～30cm土壤含水率比常規(guī)耕作高1%～5%[39]。魯向暉等在寧南山區(qū)進行秸稈覆蓋對玉米水分利用效率影響的研究，與不覆蓋處理相對比，秸稈覆蓋可使春玉米產量和水分利用效率分別提高3.5%和16.5%[40]，宋淑亞等對黃土高原南部旱塬區(qū)秸稈和地膜兩種覆蓋方式下玉米農田土壤水分動態(tài)、作物產量形成和水分利用效率進行試驗研究，結果顯示，與不覆蓋相比，秸稈覆蓋的玉米土壤儲水量提高了5.2%～8.4%，籽粒產量和水分利用效率分別降低了7.8%和3.5%；地膜覆蓋下玉米地土壤儲水量的差異不顯著，但其籽粒產量和水分利用效率分別較對照提高了14.1%、10.6%，因此認為地膜覆蓋能更加有效地提高產量和水分利用效率[41]。

20世紀90年代初期，有學者開展了作物水分利用效率在生理遺傳育種的研究。Richards通過大田試驗和室內盆栽試驗測定了小麥地上干物質累積量和水分利用效率，結果表明，在溫室試驗條件下，栽培六倍體小麥比二倍體、四倍體具有較高的