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摘要：黄土高原旱塬区属半干旱半湿润气候过渡区，土壤水是影响该地区玉米生长的主要因素。运用黄土高原旱塬区董志塬所在地西峰农业气象试验站1981—2015年玉米试验田土壤湿度及产量观测资料，利用统计学方法，计算分析1981—2015年这35年间土壤水的变化规律及对产量的影响。结果表明，黄土高原旱塬区玉米全生育期土壤平均贮水量呈高—低—高的抛物线状变化趋势，贮水量最大时期为乳熟期至成熟期，最小时期为拔节期至抽雄期;土壤耗水量呈低—高—低的抛物线变化趋势，最大时期为拔节期至抽雄期，最小时期为播种期至七叶期。35年来土壤深度为50 cm的土层贮水量、耗水量均呈下降趋势;玉米产量受抽穗期土壤水分变化的影响最大。土壤深度为50 cm的土层贮水量及耗水量对玉米单产的最大影响均出现在7月中旬，分别为21、27 kg/（hm2·mm）。建议采取有效保墒节水技术措施，减轻玉米关键生育期土壤水分不足对生长的胁迫。
关键词：黄土高原旱塬区;土壤水分;玉米;产量;变化特征;影响
黄土高原旱塬区是以旱作物为主的雨养农业区，自然降水和蒸发量是影响土壤含水量的主要因子。近年来，甘肃黄土高原气候暖干化特征明显，气候变暖导致温度增高，同时也改变了降雨类型（雨量及变化情况），土壤中水热耦合交互作用显著影响了土壤水分蒸发，由此对土壤墒情产生重要的影响。可以说，土壤含水量对气候变暖的响应更加敏感[1-5]。
研究表明，作物生长所需要的水分主要依赖于大气降水[6]，大气降水对作物的水分供应需要土壤调节，并通过水热耦合效应对作物生长产生影响。黄土高原旱塬区作物生长季节，各地土壤含水量与最适水分含量均有一定差异，一般夏季的含水量最大，可达 100 mm，春季次之，为30～70 mm。说明该地域作物生长受水分制约程度大。土壤水分的盈余亏缺状况在很大程度上决定着作物生长状况的优劣和最终产量的高低[4-5]。因此，从大气-土壤-作物循环系统的理论观点出发，探讨旱塬雨养农业区土壤水分贮存、耗散变化特征对该地区农业生产具有科学指导意义[6-7]。
陇东黄土高原旱塬区是甘肃省最主要的粮食主产区之一。近年来，有关甘肃黄土高原土壤水分的研究多集中在土壤水分演变规律、土壤贮水量、作物耗水量指标、土壤蒸散发变化时空分布特征等方面[7-13]。随着气候变暖，陇东黄土高原粮食种植结构发生调整，压夏增秋，玉米种植面积逐年增大，比20世纪80年代增加近3倍，已成为“陇东粮仓”最主要的秋粮作物。对于玉米土壤水分的利用有关学者也进行过相关研究[14]，分析研究玉米田土壤水分变化特征，对旱作区粮食安全生产具有重要的现实意义。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
甘肃黄土高原中部陇东董志塬属温和半湿润半干旱气候过渡带，是典型的旱作农业区，面积为 910 km2，为黄土高原保存最完整、面积最大的塬面，土层深厚。本研究选择最具代表性的董志塬所在地西峰农业气象试验站（国家一级农业气象试验站）作为试验研究区，该区域位于35°44′N，107°38′E，拔海高度为1 421 m，年平均降水量为 527 mm，年平均气温为 8.7 ℃。土壤质地为粉壤土，土壤深度为30 cm的土层可容纳水分85 mm，土壤深度为50 cm的土层可容纳水分140 mm;作物调萎土壤深度为50 cm的土层的含水量为45 mm。一般情况下，上层土壤能截留并保持大部分乃至全部降水入渗量。地下水位埋深在数十米至百米，很难通过毛管力上升地表参与水分循环。该地段无灌溉设施，种植方式采用地膜覆盖，与冬小麦倒茬，倒茬地块与玉米田相连，生长环境、气象要素、土壤质地、物理水文常数相同。本研究所用供试品种为生物学特性基本一致的中熟品种，1994—2008年为中单及承单系列，2009—2015年为奥玉3202，种植密度均为 55 000～60 000株/hm2，施肥等田间管理措施每年保持基本一致，为当地中等水平。
1.2 资料来源
自1980年起，根据业务要求，西峰农业气象试验站连续进行玉米田作物生长状况及土壤水分观测。据有关研究，玉米生长对土壤水分的利用主要体现在浅层土壤[14]，故本研究选取西峰农业气象试验站1981—2015年玉米田土壤深度为50 cm的土层实际测的土壤水分数据，同步逐年进行玉米产量测定。降水量数据取自与玉米观测地段紧邻的西峰国家基准气象站。
1.3 计算方法
1.3.1 贮水量计算 玉米田土壤水分测定采用土钻法[15]。测定时间为玉米播种前的3月上旬至成熟后的9月下旬，间隔10 cm分层取样，每次测定设置4个重复，计算土壤质量含水率（%）[（湿土质量-干土质量）/干土质量]。每月测定3次（当月8日、18日、28日），测定深度为50 cm。
式中：W（t）为土壤贮水量（mm）;ρ为土壤水分质量含水率（%）;h为土层厚度（mm）;g为重力加速度。
1.3.2 耗水量计算 耗水量包括玉米的蒸腾及田间蒸发减少的水分，是大气降水及土壤运动共同作用结果的综合反映。玉米各生育阶段土壤耗水量可用简化的水分平衡方程计算[16]，其公式如下：
式中：WS为耗水量（mm）;W1、W2分别为计算时段初月（旬）、末月（旬）土壤深度为50 cm土层的贮水量（mm）;P为计算时段内降水量（mm）;f为径流量;K为毛管上升水量;N为渗漏量。由于甘肃黄土高原地区气象观测站点地势平坦，因此一年大部分时间不会产生较大径流，所選试验区为旱作田，同时地下水位较深，f、K、N值均可忽略不计。
1.3.3 积分回归法 利用积分回归定量计算玉米生长期内各时段土壤水分对地段实际产量的影响[17]。以旬（10 d）为单位，将玉米从播种期至收获期划分为15个时段，各时段土壤贮水量和耗水量与单产关系可用下列积分回归表示： 式中：y为该地段实际产量的估计值（kg/hm2）;C为待定常数;w（t）dt为t Δt时段内的土壤贮水量及耗水量;aj（t）=Δy/w（t），为t时间的土壤贮水量、耗水量与玉米最终产量之间生理关系的一个时间函数，即生长期不同时段内土壤水分每变化1个单位对玉米产量的影响效果，j为生育时段。
2 结果与分析
2.1 降水量变化特征
在无灌溉条件的黄土高原旱源区，土壤水分的唯一供给来源是大气降水。由图1 1981—2015年试验区降水量年际变化表明，35年来玉米全生育期4—9月平均降水量为361 mm，降水量的最大值出现在1988年，为585 mm;最小值出现在1997年，为190 mm，最大值与最小值相差395 mm，年际变化以19 mm/10年（R=0.038 9，P
关键词：黄土高原旱塬区;土壤水分;玉米;产量;变化特征;影响
黄土高原旱塬区是以旱作物为主的雨养农业区，自然降水和蒸发量是影响土壤含水量的主要因子。近年来，甘肃黄土高原气候暖干化特征明显，气候变暖导致温度增高，同时也改变了降雨类型（雨量及变化情况），土壤中水热耦合交互作用显著影响了土壤水分蒸发，由此对土壤墒情产生重要的影响。可以说，土壤含水量对气候变暖的响应更加敏感[1-5]。
研究表明，作物生长所需要的水分主要依赖于大气降水[6]，大气降水对作物的水分供应需要土壤调节，并通过水热耦合效应对作物生长产生影响。黄土高原旱塬区作物生长季节，各地土壤含水量与最适水分含量均有一定差异，一般夏季的含水量最大，可达 100 mm，春季次之，为30～70 mm。说明该地域作物生长受水分制约程度大。土壤水分的盈余亏缺状况在很大程度上决定着作物生长状况的优劣和最终产量的高低[4-5]。因此，从大气-土壤-作物循环系统的理论观点出发，探讨旱塬雨养农业区土壤水分贮存、耗散变化特征对该地区农业生产具有科学指导意义[6-7]。
陇东黄土高原旱塬区是甘肃省最主要的粮食主产区之一。近年来，有关甘肃黄土高原土壤水分的研究多集中在土壤水分演变规律、土壤贮水量、作物耗水量指标、土壤蒸散发变化时空分布特征等方面[7-13]。随着气候变暖，陇东黄土高原粮食种植结构发生调整，压夏增秋，玉米种植面积逐年增大，比20世纪80年代增加近3倍，已成为“陇东粮仓”最主要的秋粮作物。对于玉米土壤水分的利用有关学者也进行过相关研究[14]，分析研究玉米田土壤水分变化特征，对旱作区粮食安全生产具有重要的现实意义。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
甘肃黄土高原中部陇东董志塬属温和半湿润半干旱气候过渡带，是典型的旱作农业区，面积为 910 km2，为黄土高原保存最完整、面积最大的塬面，土层深厚。本研究选择最具代表性的董志塬所在地西峰农业气象试验站（国家一级农业气象试验站）作为试验研究区，该区域位于35°44′N，107°38′E，拔海高度为1 421 m，年平均降水量为 527 mm，年平均气温为 8.7 ℃。土壤质地为粉壤土，土壤深度为30 cm的土层可容纳水分85 mm，土壤深度为50 cm的土层可容纳水分140 mm;作物调萎土壤深度为50 cm的土层的含水量为45 mm。一般情况下，上层土壤能截留并保持大部分乃至全部降水入渗量。地下水位埋深在数十米至百米，很难通过毛管力上升地表参与水分循环。该地段无灌溉设施，种植方式采用地膜覆盖，与冬小麦倒茬，倒茬地块与玉米田相连，生长环境、气象要素、土壤质地、物理水文常数相同。本研究所用供试品种为生物学特性基本一致的中熟品种，1994—2008年为中单及承单系列，2009—2015年为奥玉3202，种植密度均为 55 000～60 000株/hm2，施肥等田间管理措施每年保持基本一致，为当地中等水平。
1.2 资料来源
自1980年起，根据业务要求，西峰农业气象试验站连续进行玉米田作物生长状况及土壤水分观测。据有关研究，玉米生长对土壤水分的利用主要体现在浅层土壤[14]，故本研究选取西峰农业气象试验站1981—2015年玉米田土壤深度为50 cm的土层实际测的土壤水分数据，同步逐年进行玉米产量测定。降水量数据取自与玉米观测地段紧邻的西峰国家基准气象站。
1.3 计算方法
1.3.1 贮水量计算 玉米田土壤水分测定采用土钻法[15]。测定时间为玉米播种前的3月上旬至成熟后的9月下旬，间隔10 cm分层取样，每次测定设置4个重复，计算土壤质量含水率（%）[（湿土质量-干土质量）/干土质量]。每月测定3次（当月8日、18日、28日），测定深度为50 cm。
式中：W（t）为土壤贮水量（mm）;ρ为土壤水分质量含水率（%）;h为土层厚度（mm）;g为重力加速度。
1.3.2 耗水量计算 耗水量包括玉米的蒸腾及田间蒸发减少的水分，是大气降水及土壤运动共同作用结果的综合反映。玉米各生育阶段土壤耗水量可用简化的水分平衡方程计算[16]，其公式如下：
式中：WS为耗水量（mm）;W1、W2分别为计算时段初月（旬）、末月（旬）土壤深度为50 cm土层的贮水量（mm）;P为计算时段内降水量（mm）;f为径流量;K为毛管上升水量;N为渗漏量。由于甘肃黄土高原地区气象观测站点地势平坦，因此一年大部分时间不会产生较大径流，所選试验区为旱作田，同时地下水位较深，f、K、N值均可忽略不计。
1.3.3 积分回归法 利用积分回归定量计算玉米生长期内各时段土壤水分对地段实际产量的影响[17]。以旬（10 d）为单位，将玉米从播种期至收获期划分为15个时段，各时段土壤贮水量和耗水量与单产关系可用下列积分回归表示： 式中：y为该地段实际产量的估计值（kg/hm2）;C为待定常数;w（t）dt为t Δt时段内的土壤贮水量及耗水量;aj（t）=Δy/w（t），为t时间的土壤贮水量、耗水量与玉米最终产量之间生理关系的一个时间函数，即生长期不同时段内土壤水分每变化1个单位对玉米产量的影响效果，j为生育时段。
2 结果与分析
2.1 降水量变化特征
在无灌溉条件的黄土高原旱源区，土壤水分的唯一供给来源是大气降水。由图1 1981—2015年试验区降水量年际变化表明，35年来玉米全生育期4—9月平均降水量为361 mm，降水量的最大值出现在1988年，为585 mm;最小值出现在1997年，为190 mm，最大值与最小值相差395 mm，年际变化以19 mm/10年（R=0.038 9，P