优化区域耕地与水资源匹配，提高作物水土资源利用效率

元谋干热河谷被誉为“中国冬早蔬菜之乡”，是我国重要的冬早蔬菜露天生产基地。该区域水热资源矛盾突出，光热资源丰富，水资源短缺，降雨主要集中在6—10月，11月至次年5月为旱季，基本没有降雨，因此，在旱季轮作低耗水作物和耐高温作物是节水增效的有效手段之一（表5-58）。高经济效益高耗水作物—低耗水作物轮作模式，例如，番茄—甜玉米、紫甘蓝—甜玉米、番茄—鲜食大豆。越暖冬作物—旱季耐高温高光效C4作物轮作模式，例如，洋葱—甜玉米。

表5-58　作物优化配置模式

农业生产和水资源息息相关，我国水资源时空分布不均匀，与耕地资源分布也不相适应，而耕地与水资源匹配程度高是农业高效生产的基本前提。针对干热河谷主栽作物种植模式开展了相关研究，以提高水土资源利用效率和养分利用效率为主要目标，为各种作物选配了适宜的高效节水灌溉模式。在水热资源高效利用的基础上，以提高土地资源利用效率为目标，优化区域耕地与水资源匹配程度，为区域作物种植结构优化选择了适宜的作物配置模式。

（1）以优化紫甘蓝水资源利用为原则，形成了以“优化水资源利用、提高紫甘蓝叶球生物量分配”为核心的紫甘蓝高效种植技术。通过3个灌溉量（I15800m3·hm-2、I24900m3·hm-2、I34600m3·hm-2）和3个种植密度（D179200株·hm-2、D252800株·hm-2、D339600株·hm-2）配置对紫甘蓝生物量特性、产量和水分利用效率影响的试验研究发现：密度对紫甘蓝收获部分叶球生物量及其分配比例有显著影响，灌溉量对紫甘蓝收获部分叶球生物量及其分配比例均没有明显影响；相同种植密度下，减少灌水量，会导致紫甘蓝将更多的生物量分配到不可食用的外叶部分；相同灌水量下，降低种植密度，明显增加了紫甘蓝生物量特性值；I2D3（紫甘蓝灌溉量为4900m3·hm-2，种植密度为39600株·hm-2）处理可以获得较好的紫甘蓝植株生物量特性，且在不影响紫甘蓝产量（52535.65kg·hm-2）的前提下，提高紫甘蓝灌溉水利用效率为10.78kg·m-3。灌溉量为4900m3·hm-2，增加紫甘蓝种植密度为79200株·hm-2时，降低了紫甘蓝收获部分叶球的生物量分配，导致紫甘蓝产量下降为50129.01kg·hm-2，灌溉水利用效率降低为10.13kg·m-3。有研究表明，N、P、K施用量分别为373.2kg·hm-2、604.8kg·hm-2、215.93kg·hm-2时，紫甘蓝叶球产量、品质和灌溉水利用效率均最佳（秦启杰等，2020）。而本研究试验地土壤肥力较低，且紫甘蓝生育期的纯氮施用量仅为232kg·hm-2、P2O5128kg·hm-2和K2O 128kg·hm-2，该施肥量明显低于现有研究。可见，灌溉量为4900m3·hm-2，种植密度为39600株·hm-2为干热河谷紫甘蓝最佳灌水量和种植密度；如果适当增加肥料施用量，可以提高紫甘蓝叶球生物量分配，提高其经济产量，实现紫甘蓝密植增产增效模式，即灌溉量4900m3·hm-2，种植密度为79200株·hm-2。

（2）以优化洋葱水肥资源利用为原则，形成了以“优化水肥资源利用、提高群体经济产量”为核心的洋葱高效密植技术。本研究发现，密度对洋葱收获器官鳞茎生物量及其分配比例有显著影响，灌溉量对洋葱收获器官鳞茎生物量及其分配比例均没有明显影响；洋葱灌溉量为3300m3·hm-2，种植密度为11.18万株·hm-2时，产量为74266.65kg·hm-2，水分利用效率最高为24.11kg·m-3；如果提高种植密度为22.12万株·hm-2，产量提高到83753.70kg·hm-2，但灌溉量随之增加到7000m3·hm-2，水分利用效率明显降低为12.31kg·m-3。刘静对甘肃干旱区膜下滴灌洋葱灌溉量、产量及水分利用效率进行研究发现，洋葱灌溉量为3300m3·hm-2，种植密度为41.05万株·hm-2时，洋葱产量最高为151018.50kg·hm-2，水分利用效率最高为47.08kg·m-3（刘静，2012）。这与本研究得出相同灌溉量3300m3·hm-2，但洋葱产量和水分利用效率高于本研究。这可能因为干热河谷蒸发量大，导致高密度种植洋葱水肥竞争激烈，降低了洋葱水分利用效率和养分吸收效率，提高了洋葱抽薹率，导致洋葱经济产量降低。如，当灌溉量为3300m3·hm-2时，增加洋葱种植密度为22.12万株·hm-2，降低了洋葱鳞茎生物量分配比例，提高了洋葱抽薹率为20.19%，经济产量为76547.40kg·hm-2，水分利用效率为23.20kg·m-3；洋葱种植密度为11.18万株·hm-2，洋葱抽薹率仅为3.75%，经济产量仅降低2.98%（约减少2280.75kg·hm-2），水分利用效率为24.11kg·m-3。本研究发现洋葱密植显著提高了洋葱抽薹率，而洋葱种植密度对洋葱K收获指数有显著影响，同时洋葱抽薹率与K收获指数显著负相关。本研究生育期洋葱施用量为纯氮495kg·hm-2、P2O5495kg·hm-2和K2O 495kg·hm-2，苗期：发叶期：鳞茎膨大期施肥量为20%：50%：30%。可见，干热河谷洋葱灌溉量可以低至3300m3·hm-2，种植密度为11.18万株·hm-2；如果适当增加钾肥施用量，可以降低洋葱抽薹率，实现密植增产增效模式，即灌溉量3300m3·hm-2，种植密度为22.12万株·hm-2。作物营养生长期侧重对水分的充分利用，而生殖生长期则侧重对同化产物的转运，紫甘蓝和洋葱均为收获营养器官的作物，遏制其进入生殖生长阶段，使其收获期均处于营养生长阶段，该阶段紫甘蓝和洋葱可以充分利用水分，提高水分利用效率，导致灌溉水对其生物量分配特性的影响较小。因此，种植密度对紫甘蓝和洋葱生物量分配比例的影响作用较大，低密度种植有利于提高紫甘蓝和洋葱水肥利用效率，如果适当增加肥料施用量，可以实现紫甘蓝（灌溉量4900m3·hm-2，种植密度为79200株·hm-2）、洋葱（灌溉量3300m3·hm-2，种植密度为22.12万株·hm-2）高产高效节水种植。

（3）以优化鲜食大豆水资源利用为原则，形成了以“优化水资源利用、提高豆荚生物量分配”为核心的鲜食大豆高效节水种植技术。有研究表明，适当地限量灌水能提高产量和水分生产率，大豆需水关键期控制灌溉土壤水分下限为70%～80%，提高籽粒产量和灌溉水利用效率（史宝成，2006）。适当密植，增加鲜食大豆种植密度为27万株·hm-2，有利于提高鲜食大豆群体经济产量（章永根等，2020）。黄天宝等人在江西红壤旱地研究发现，鲜食大豆最佳种植密度为20万株·hm-2，在此条件下，鲜食大豆的鲜荚产量为16511.10kg·hm-2（黄天宝等，2018）。本研究也发现，种植密度为15.84万株·hm-2，控制灌溉土壤水分下限70%处理（灌溉量为4330m3·hm-2）明显提高鲜食大豆荚果生物量，显著提高荚果生物量分配比例，提高鲜食大豆经济产量（6973.65kg·hm-2）及灌溉水利用效率（1.60kg·m-3）；如果增加灌溉量为4860m3·hm-2，鲜食大豆经济产量仅增加293kg·hm-2，灌溉水利用效率降低为1.25kg·m-3。可见，种植密度为15.84万株·hm-2，控制灌溉土壤水分下限70%（灌溉量为4330m3·hm-2）是元谋干热河谷鲜食大豆高效节水种植模式，可以适当增加鲜食大豆种植密度达20～27万株·hm-2，研究元谋干热河谷鲜食大豆密植增产增效种植模式。(www.xing528.com)

（4）以优化甜玉米光温资源和水资源利用为原则，形成了以“优化光温水资源利用、提高群体产量”为核心的甜玉米“高产高效密植”技术。研究表明，适当地限量灌水能提高玉米产量和水分生产率，在玉米需水关键期控制灌溉土壤水分下限为70%～80%，可以提高玉米籽粒产量和灌溉水利用效率（史宝成，2006）。这与本研究结果一致，土壤含水量为12.69%～13.88%（相对含水量67%～73%）时，灌浆期甜玉米具有较高的光合能力、高效生理用水特性以及较高的光能利用效率，是干热河谷甜玉米高产高效节水管理的关键阈值。本研究发现，覆膜滴灌可促进甜玉米茎鞘、叶、地上部分和生殖器官的生物量增加，提高玉米棒产量和水分利用效率，减少灌溉用水量。在确保氮肥供应充足的条件下（甜玉米种植密度5.28万株·hm-2，纯氮施用量232kg·hm-2），控制灌溉下限土壤相对含水量为70%（灌溉量为5800m3·hm-2）是元谋干热河谷甜玉米高效节水灌溉模式。如果灌溉量保证达8280m3·hm-2时，可以增加甜玉米种植密度达7.92万株·hm-2，实现甜玉米密植高产、高效种植。通过进一步深入研究不同株距与灌水量对甜玉米个体生物量及其分配、群体经济产量及灌溉水利用效率的影响发现：株距和灌水量对甜玉米个体生物量及分配的影响不同，株距与灌水量之间存在交互作用。随着株距增大，甜玉米个体生物量特性均明显增加，株距为40cm时，甜玉米获得最大个体生物量特性；灌水量对甜玉米个体生物量特性的影响不显著，但365m3·hm-2时，甜玉米果穗鲜重最大；365m3·hm-2×40cm配置的甜玉米个体生物量特性显著最高，且主成分综合得分最高。随着株距、灌水量增加，叶、茎、果穗与地上总生物量的异速生长指数均发生变化，果穗—地上总生物量异速生长指数最大的株距为30cm、灌水量为265m3·hm-2；265m3·hm-2×30cm配置的甜玉米叶、茎与地上总生物量异速生长指数均较小，而果穗—地上总生物量异速生长指数最大。甜玉米群体经济产量和灌溉水利用效率均随着株距增大呈现降低趋势，随着灌水量的增加变化均不显著；265m3·hm-2×20cm配置的甜玉米群体经济产量和灌溉水利用效率均最高。综上所述，365m3·hm-2×40cm配置的甜玉米获得最大个体生物量特性，265m3·hm-2×20cm（种植密度为7.92万株·hm-2，灌溉量额为8280m3·hm-2）配置的甜玉米获得最高群体经济产量和灌溉水利用效率，该研究结果为干热河谷以及相似地区甜玉米高产高效生产提供理论和实践依据。在前期基础上，深入研究了干热河谷甜玉米种植株距、叶片温度和光照强度对其光合特征的影响。采用Li-6400光合测定系统控温，测定分析了大田条件下甜玉米灌浆期不同株距（20cm、30cm、40cm）和不同叶片温度（20℃、30℃、40℃）的穗位叶光合作用光响应特征发现，叶片高温条件有利于提高Pn，叶片低温条件有利于提高WUE，甜玉米在叶片水平可能会充分利用高温条件，以降低水分利用效率和个体竞争力为代价，提高叶片Pn，进而提升个体生产力和群体经济产量。但本研究发现，甜玉米种植株距与叶片温度之间存在显著互作效应，30cm×40℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs、Tr、Pnmax、LSP、Gsmax、Trmax均最大，WUE最低，且30cm×40℃的主成分综合得分最高，20cm×40℃次之。因此，在气候变暖背景下，甜玉米合理密植［株距为30cm（5.28万株·hm-2）和20cm（7.92万株·hm-2）］可能有利于其适应高温高光强环境，还能适当提高群体密度，提高群体经济产量，该种植模式可能为干热河谷及相似地区优化农业模式对气候变暖提供理论和实践依据。同时，在全球气候变化背景下，生态环境极其脆弱的干热河谷区对气候变暖响应极其敏感，区域干旱化程度也可能进一步加剧，干热河谷甜玉米生产将可能面临解决增产潜力逐渐提高与作物水利用效率逐渐降低的生产矛盾的艰巨挑战。

（5）以优化番茄水资源利用为原则，形成了以“优化水资源利用、提高番茄光合效率”为核心的番茄高产高效种植技术。本研究发现，番茄叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、水分利用效率（WUE）及光合参数具有明显的水分临界效应。Pn、Tr、WUE和气孔限制值（Ls）均随土壤水分的降低先升高后下降，但是各指标水分临界值表现不同步，其中Tr和Pn的水分饱和点为20.68%和18.18%，WUE最高点为15.83%，Ls最高点为10.74%。土壤含水率15.83%～18.18%（相对含水量为80%～90%）为番茄苗期高产高效水，此时番茄幼苗叶片具有较高的光合能力和高效生理用水特性，是确保干热河谷番茄高产高效节水管理的关键水分区间之一。有研究表明，膜下滴灌在不降低番茄产量和品质的前提下，提高了番茄水肥利用效率，是番茄适宜的灌水方式（赵伟等，2018）。李波等研究发现，在灌水下限为80%时，番茄产量、水分利用效率和品质较佳（李波等，2020），这与本研究结果一致。当番茄各指标为90%的理论最大值时，能形成较为一致的水肥管理制度，番茄整个生育期灌溉量为1925～2015m3·hm-2，各养分施肥量N为487.1～504.82kg·hm-2、P2O5为243.56～252.4kg·hm-2、K2O为608.88～631.02kg·hm-2（雷金银等，2019）。在灌水上限为田间最大持水量的80%、灌溉量为3686.69m3·hm-2，施肥量为285kg·hm-2N、165kg·hm-2P2O5、375kg·hm-2K2O是番茄最佳水肥处理组合，且番茄产量明显增加15.03%，果实品质得到有效改善（吴洮男等，2018）。干热河谷番茄灌溉量为3100m3·hm-2，施肥量为438.99kg·hm-2N、385.90kg·hm-2P2O5、512.52kg·hm-2K2O。

总之，以提高单位面积土地生产力，挖掘区域作物两熟生产潜力有效途径为目的，优化了旱季作物—雨季作物轮作高效灌溉技术：优化了雨季番茄高耗水作物补充灌溉高产、优质、节水技术，挖掘了雨季作物—旱季低耗水作物（甜玉米、鲜食大豆）轮作增产增效栽培种植模式，形成了区域蔬菜作物两熟高产高效种植技术（表5-59）。在干热河谷地区，番茄灌溉量较高，而紫甘蓝、洋葱、甜玉米和鲜食大豆的灌溉量较低；收获营养器官类作物的产量和水分利用效率较高，其次是收获浆果类作物，收获荚果类作物和籽粒类作物的含量和水分利用效率均较低。洋葱和番茄是干热河谷重要经济作物，其产量高，经济效益高，水分利用效率高，能适应长途运输。有研究发现，提高作物多样性，如轮作、间套作模式，不仅可以提高农田生态系统稳定性，还可以缓解连作障碍。如伴生洋葱有效减少土壤中酚类物质积累、土壤酸化，促进番茄生长（吴瑕等，2019），改变土壤微生物群落结构，提高土壤酶活性，提高养分吸收效率（吴瑕等，2015），改善土壤质量，有效防治番茄连作障碍（李红玉，2018；吴瑕，2016）。伴生禾本科作物可以提高番茄根区土壤酶活性，改善微生物结构，降低根结线虫的发生，是防治番茄连作障碍的有效手段之一（杨瑞娟等，2017）。因此，基于资源优化配置和利用理论，在水热矛盾极其突出的干热河谷地区，适宜发展洋葱等收获营养器官和番茄等收获浆果类作物，推广洋葱伴生番茄模式、番茄—甜玉米轮作模式和越暖冬洋葱—耐高温高光效C4作物甜玉米轮作模式，以提高区域水土资源和光热资源利用效率，促进干热河谷农业高效可持续发展。

表5-59　主要作物灌溉量、产量及水分利用效率

注：番茄种植季节为雨季，番茄生育期降雨量约为540mm，即5402.7m3·hm-2，若将降雨量计入番茄灌溉总量（约8500m3·hm-2），则番茄水分利用效率约为13.82kg·m-3