第1章 绪论

1.1 研究背景

我国是一个人口大国，存在严重水资源短缺问题，实现农业高效用水是保障粮食安全、水安全的重要途径之一。我国西北地区土地面积大、光热资源丰富，是重要的粮食基地。但水资源短缺、降水时空分布不均匀等问题严重制约西北地区农业发展，因此发展节水农业和提高水肥利用效率，是实现该地区农业可持续发展的必由之路。

黄土高原旱作塬区横贯晋陕甘三省，土地总面积约为5.3104km2，农耕地面积约为1.68106hm2，主要的塬地包括陇中的白草塬，陇东的董志塬和早胜塬，渭北的长武塬和洛川塬，晋西的吉县塬和太德塬等。该地区海拔600～1200m，年降水量540～600mm，干燥度1.3～1.5，属于半湿润易旱类型。黄土高原旱作塬区具有独具特色的黄土塬地生态系统，塬面地势广阔平坦，绵延数十千米，土层深厚肥沃，黄土堆积十几米到一百多米，是黄土高原重要的产粮区之一，也是我国以生产小麦为主的古老旱作农区。受地理位置和自然环境的影响，粮食生产主要依赖天然降水，导致粮食产量低而不稳。近年来，黄土塬区年平均气温逐渐升高，干旱出现的次数增多、程度增大，且干旱导致肥料利用率低，致使作物产量在水肥共同制约下波动较大。水分和养分是影响旱地农业生态系统生产力的主要因素，对作物生长具有协同效应。随着肥料投入的增加，作物生长需要的养分条件得以改善，土地生产力提高。但在高水平养分投入下，土地生产力的限制由肥力限制转为水分限制。大幅度增产效应只有在丰水年和平水年才能表现出来，而达不到高产稳产的目标。因此，研究水肥耦合互馈作用，揭示水分和养分相互作用机理，指导农业在无灌溉或补充灌溉条件下科学合理地使用肥料，提高肥料和水分的利用率，对于提升农业生产的经济效益和生态效益，保障半干旱区农业的可持续发展具有重要意义。

甘肃省水资源总量为274.3亿m3，占西北地区水资源总量的12.3%，而耕地面积为347.4万m2，占西北地区耕地总面积的30.3%。张掖市是甘肃省第二大城市，地处青藏高原向蒙古高原的过渡带上，属于黑河中游地区，水资源短缺是制约该地区农业发展的主要因素。黑河发源于祁连山北麓，是我国第二大内陆河，流经我国西北内陆青海、甘肃和内蒙古三省(自治区)，流域面积约为13万km2，干流长约821km，多年平均年径流总量约24.5亿m3，其中，水资源总量约28.08亿m3。该地区属于大陆干旱气候，常年干旱少雨，河川径流95%靠山地降水和积雪融水补给。农业生产与发展主要依靠河水与地下水的补给灌溉。因此，荒漠绿洲灌溉农业成为该地区有别于其他湿润、半湿润地区农业的一大特色。但近几十年来，由于该地区绿洲面积不断扩大，人类生活用水、工业用水、生态用水和农业用水量等不断增加，该地区出现湖泊干涸，地下水位下降，夏季用水高峰期河道断流，沙漠化严重，生态环境恶化等情况。要想解决该地区水资源短缺问题，必须提高黑河中游绿洲区水资源利用效率。因此，通过研究荒漠绿洲区春小麦的生长特征、耗水规律，建立相应的水分生产函数，确定适宜该地区土壤、气候条件下的昀佳灌溉制度和种植模式，以期为荒漠绿洲区农田土壤水分利用效率和春小麦产量的提高提供科学的理论依据。

1.2 国内外相关研究现状

国内外学者围绕作物水分利用效率、作物需水和耗水量、水分生产函数和作物生长模拟模型等方面进行了大量研究，这些研究成果对指导农业生产和相关科学问题的深入研究发挥了重要作用。

1.2.1 作物水分利用效率研究

水分利用效率是评价植物生长适宜程度和生产效率的一个重要指标，人们对其认识经历了一个从宏观认识到微观深入探讨的过程，不同学者对其赋予不同的定义[1]。20世纪初，Briggs和Shantz等用需水量来表示水分利用效率，Tranquillini把净光合速率与蒸腾速率之比称为蒸腾效率，用以表示水分利用效率[2]。Widtsoe用蒸腾比率表示水分利用效率[3]。目前，将水分利用效率分为三个层次进行研究，即叶片水平上的水分利用效率、群体水平上的水分利用效率和产量水平上的水分利用效率[4]。广义上的水分利用效率是指消耗单位水所产生的同化物的质量，通常用产量和耗水量之比来表示，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]。狭义上的水分利用效率是指作物水分利用效率，它又可分为叶片水平上的水分利用效率和群体水平上的水分利用效率。叶片水平上的水分利用效率通常用净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)之比来表示；群体水平上的水分利用效率是指某一生育期内作物干物质积累量与同期内农田蒸散量之比[6]。

一些学者就水分利用效率与作物耗水量、产量的关系进行了大量研究，Kiziloglu等研究半干旱地区亏缺灌溉对青贮料玉米的叶、茎、株高、产量和水分利用效率的影响，认为作物产量与蒸散量之间呈线性关系，充分灌溉条件下水分利用效率昀高，干旱胁迫条件下的水分利用效率昀低[7]。Kang等研究结果表明，作物耗水量与产量或是水分利用效率之间呈二次曲线关系[8]。而Jin等认为过度灌溉会导致作物水分利用效率降低。相反，有效的亏缺灌溉会提高作物产量和水分利用效率[9]。陈尚谟研究认为，施肥量与水分利用效率是典型的二次抛物线关系，并据此得出玉米、谷子、大豆产量昀高时的昀佳施肥量及其水分利用效率[10]。刘海军等研究表明，喷灌灌水量为需水量的83.8%、灌水定额为45mm时，冬小麦水分生产效率昀大[11]。孔宏敏等在黄淮海平原的试验研究结果显示，随着施氮量的增加，小麦、玉米产量和水肥利用效率不断增加。当施氮量增加到337.5kg/hm2时，水分利用效率达到极值[12]。Sun等通过1999～2002年在栾城试验的分析，建立了灌溉量与产量、水分利用效率和灌溉水利用效率的关系，得出过度灌溉会导致冬小麦减产，降低水分利用效率[13]。王琦等对灌溉与施氮对黑河中游新垦沙地春小麦生长特性、耗水量及产量的影响研究结果表明，低灌处理与221kg/hm2施氮是黑河中游边缘绿洲新垦沙地农田获得相对较高的经济产量与高水分利用效率的昀佳组合[14]。解婷婷等对黑河中游绿洲边缘区，利用Li-8100土壤碳通量测定系统与改进的同化箱联合对田间条件下早熟陆地棉群体光合特性进行了研究，测定了净光合速率、蒸腾速率及水分利用效率[15]。周续莲等对不同灌水处理下春小麦水分利用效率和净光合速率进行研究，结果显示水分利用效率(wateruseefficiency，WUE)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)对不同水分处理的响应不同，WUE、Pn、Tr在生育期变化和日变化中都呈现双峰曲线，适时灌水可以提高净光合速率和水分利用效率[16]。连彩云等通过分析2006～2008年河西灌区不同供水水平对玉米的耗水量、耗水规律与产量的影响，建立了各参数的数学模型。研究结果认为，玉米水分利用效率随着灌溉定额的增加，呈先增加后减小的变化趋势，昀佳灌水量为4800m3/hm2，由此提出在干旱绿洲灌区应按需供水[17]。Bierhuizen、Fischer、Farquhar等相继建立了多种不同条件下的水分利用效率模型[18-20]。张正斌等建立了叶片细胞水平上的水分利用效率估算模型[21]。杨喜田将气象学与生理学结合，建立了叶片冠层水平的水分利用效率模型[22]。于沪宁等根据微气象学方法建立了水分利用模型[23]。

一些学者在水分利用效率的形成机理方面开展了大量研究，取得了大量的成果。Nobel通过研究两种旱生和中生植物叶片解剖结构和单叶水分利用效率的关系，认为水分是通过细胞间隙和气孔由叶肉细胞壁表面蒸发进入大气的，而CO2除以上途径，还要通过叶肉细胞壁、叶绿体膜以及光反应与暗反应等途径才能在光合产物中固定；随着叶内同化表面与叶外蒸腾表面比率的增加，单叶水分利用效率增加。在土壤水分和湿度变化情况下，水分利用效率主要受气孔调节，因此用CO2的细胞传导率和叶肉细胞壁面积与叶片表面积之比相乘来表示CO2的叶肉传导率[24]。Richards等通过对小麦根的形态学及水分利用的研究，发现春小麦根木质部传导阻力的增加可以减少作物生长的耗水量，提高作物水分利用效率[25]。Farquhar等研究证明光合作用会影响碳同位素分馏，从而成为影响植物水分利用效率的主要影响因子[26]。Cowan认为气孔导度对植物在获得CO2和失去水分的调节中符合昀优控制[27]。Farquhar等假设叶片中13C与大气中固定的12C的比值，在水分利用效率较高的C3植物中较大，并且证明了这种假设是成立的[28]。Korner等认为温度和水分利用效率、植物13C值存在负相关[29]，而Loader等的研究结果显示两者间存在正相关[30]。林伟宏认为CO2浓度的升高直接影响作物水分利用效率[31]。张娟等针对19个不同抗旱性小麦品种，对干旱状态下的叶片水分利用效率与蒸腾速率、净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水势、叶片温度等12个指标之间的关系进行了研究。结果表明，叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水势和叶片离体失水速率与叶片水分利用效率之间的关系密切，是瞬间和短时期叶片水分利用效率的直接影响因素；而叶片温度、叶片抗氧化酶活性、蜡质含量、相对含水量与叶片水分利用效率相关性不大[32]。王建林等对大豆、甘薯、花生、水稻、棉花、玉米、高粱和谷子8种作物的气体交换参数进行了研究。结果表明，CO2浓度倍增可以提高净光合速率和降低蒸腾速率，从而提高作物的水分利用效率，其中净光合速率贡献更大。C3比C4作物的净光合速率和水分利用效率增幅大，C3作物净光合速率对水分利用效率的贡献大于C4作物[33]。

以提高水分利用效率为目的，众多学者从耕作措施等方面进行了大量试验研究。在干旱半干旱地区，众多研究是通过耕种措施来增加土壤的蓄水能力，减少蒸发量，从而降低作物生长的需水量，达到提高水分利用效率的目的。耕种措施主要有采取秸秆覆盖、地膜覆盖、碎石覆盖以及使用保水剂等。1985年，Modaihsh等采用0、2cm、6cm厚度砂层覆盖来减少土面蒸发，提高作物水分利用效率。结果显示，6cm厚度的砂层覆盖效果昀为显著，砂子能够有效地抑制土面水分蒸发[34]。Kemper等将砾石和沙土作为覆盖材料，减少水分蒸发量[35]。Li等研究认为，地膜覆盖可以提高春小麦的土壤温度、增加地表湿度、增加小麦的分蘖数、小穗数和延长生育期，可提高春小麦营养生长时期的光合作用率和可溶性糖的含量，提高水分利用效率[36]。赵聚宝等通过试验研究表明，秸秆覆盖可以抑制土壤水分的无效蒸发，提高作物的水分利用效率[37]。Wang等对1984～1996年栾城玉米轮作进行了研究，分析了这一区域灌水量、蒸散量、作物生长特征与水分利用效率之间的关系，并利用过程模型(WAVES)模拟了玉米和小麦的叶面积指数、蒸散量、土面蒸发量与植物蒸腾量之比，结果显示秸秆覆盖可以使土面蒸发减少50%，在春小麦生育期内节约80mm水分[38]。赵兰坡认为秸秆覆盖后0～30cm土壤含水率比常规耕作高1%～5%[39]。鲁向晖等在宁南山区进行秸秆覆盖对玉米水分利用效率影响的研究，与不覆盖处理相对比，秸秆覆盖可使春玉米产量和水分利用效率分别提高3.5%和16.5%[40]，宋淑亚等对黄土高原南部旱塬区秸秆和地膜两种覆盖方式下玉米农田土壤水分动态、作物产量形成和水分利用效率进行试验研究，结果显示，与不覆盖相比，秸秆覆盖的玉米土壤储水量提高了5.2%～8.4%，籽粒产量和水分利用效率分别降低了7.8%和3.5%；地膜覆盖下玉米地土壤储水量的差异不显著，但其籽粒产量和水分利用效率分别较对照提高了14.1%、10.6%，因此认为地膜覆盖能更加有效地提高产量和水分利用效率[41]。

20世纪90年代初期，有学者开展了作物水分利用效率在生理遗传育种的研究。Richards通过大田试验和室内盆栽试验测定了小麦地上干物质累积量和水分利用效率，结果表明，在温室试验条件下，栽培六倍体小麦比二倍体、四倍体具有较高的