全 文 ：收稿日期：!""#$"%$&’ 接受日期：!""#$"#$!(
基金项目：国家自然科学基金项目（%")#&"!)，%"##&!*"，)"%#&"##）资助。
作者简介：王学春（&+#+—），男，山东威海，硕士研究生，主要从事作物生产系统模拟与决策研究。
,-.："!+$*#"’’***，/0123.：.24563"’"+"&7829::; <:1。 ! 通讯作者 ,-.："!+$*#"*!+(%，/0123.：=>4.374?@>2A ; -B>; <4
黄土旱塬不同施肥水平下小麦玉米轮作的产量与
土壤水分效应模拟研究
王学春&，李 军&，!!，樊廷录%
（&西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 #&!&""；!中国科学院、水利部水土保持研究所，陕西杨凌 #&!&""；
%甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州 #%""#"）
摘要：在模拟精度验证基础上，应用 C34/DEF模型模拟研究了黄土高原旱塬地 &+’#!&++*年期间不同施肥水平下
小麦玉米轮作方式“春玉米"春玉米"冬小麦"冬小麦"冬小麦"冬小麦”的产量变化和土壤水分效应。模拟结
果表明：&）无肥、低肥、中肥和高肥处理下，小麦玉米轮作方式的模拟产量均呈现波动性降低趋势，其平均值分别为
&G’#%、%G!#!、%G*##和 )G%&* H I 91!，其适宜的施肥量范围为 J +"!&!" K5 I 91!、D %"!(" K5 I 91!；!）)种施肥处理
下，小麦玉米轮作田逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势，平均每年分别减少 *G’、&"G%、&!G%和 &!G" 11，无
肥、低肥和中肥处理间土壤有效含水量差异十分显著；%）在模拟初期（&+’#!&+(!）出现了土壤湿度逐年降低、土壤
干层逐年加厚的干燥化过程，在模拟中后期（&+#’!&+*"，&++%!&++*）均出现了稳定的土壤干层，无肥和低肥处理
土壤干层分布于 !—% 1和 !—) 1土层，中肥和高肥处理均分布于 !—’ 1土层，表现出随肥力和作物产量水平的
提高，土壤干层厚度逐渐加深。
关键词：黄土高原；作物轮作；C34/DEF模型；产量；施肥；土壤水分
中图分类号：L&)#G!!；L&’!G# 文献标识码：M 文章编号：&""*$’"’N（!""*）"!$"!)!$&"
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9:-)/0,)：,9- C34/DEF 1:B-. ?2@ >@-B H: @31>.2H- H9- -AA-
:4 83-.B 24B @:3. ?2H-S 2H F9245?> S234A-B 9359.24B :A H9- P:-@@ D.2H-2>; ,9- S-@>.H@ @9:?-B H92H H9- @31>.2H-B
1-4H B-
H3U-.8 ; ,9- @>3H2V.- A-SH3.362H3:4 S2H-@ ?-S- J 2H +" $ &!" K5 I 92 24B D!W’ 2H %" $ (" K5 I 92 ; L31>.2H-B 1:4H9.8 2U23.2V.-
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植物营养与肥料学报 !""*，&)（!）：!)! $ !’&
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冬小麦和春玉米是黄土高原南部沟壑区旱作农
田两大主要粮食作物，“以肥调水”技术的推广和应
用，使旱地小麦和玉米产量翻了一翻［C］。但由于作
物耗水量和耗水深度增加，降水入渗深度变浅，导致
了旱作高产粮田深层土壤水分过耗和土壤干燥化现
象发生；, +以下深层土壤水库贮水量亏缺，作物生
产对当季降水供给依赖增大，作物产量年际波动性
加剧［,-D］。樊廷录等［.］利用长期定位试验研究了不
同肥力水平下的小麦和玉米轮作制的增产效果，但
缺少对轮作期间的土壤水分利用和土壤干燥化进程
的监测。目前的相关研究只是揭示了旱作高产粮田
的干燥化现象，对不同肥力水平下高、中、低产粮田
的产量和深层土壤水分变化动态缺乏细致的定量研
究。在李军等［1-E］初步模拟研究旱塬地冬小麦和春
玉米连作条件下的水分生产潜力和根层土壤水分动
态基础上，本研究着重于对不同肥力水平下小麦和
玉米轮作制的产量波动性和土壤干燥化过程的定量
研究，分析小麦—玉米轮作中不同肥力水平下作物
产量的变化趋势和土壤干燥化规律，寻求与当地降
水状况相适应的、有利于土壤水分可持续利用的合
理施肥水平和土壤水分承载力，为黄土高原南部沟
壑区粮食生产的可持续发展提供科学依据。
) 材料与方法
)*) +,-./01模型简介
侵蚀和生产力影响计算模型 @>AB（@%!7’!# -
>%!048&’F’&9 A+;*8& B*(84(*&!%），现在改称为环境政策
综合气候模型（@#F’%!#+$#&*( >!(’89 A#&$5%*&$0 B(’6
+*&$），是美国研制的定量评价“气候—土壤—作物
—管理”综合系统的动力学模型，由气象模拟、水文
学、侵蚀泥沙、营养循环、农药残留、作物生长、土壤
温度、土壤耕作、经济效益和作物环境控制等模块组
成。其作物模拟模块包含 GH余种作物类型，能以天
为时间步长，定量模拟农田水土资源和作物生产力
长周期动态变化过程，可用来评价农田作物生产管
理策略和水土资源环境效应［G-I］。本研究采用的
?’#@>AB DHEH版，是能够在 ?’#0!/7环境下运行的、
用户界面友好的新一代 @>AB模型，适用于作物生产
系统综合性模拟分析和应用研究。模型对土壤水分
运转过程描述比较细致，可以输出逐日分层土壤水
分模拟结果，特别适合于旱地土壤水分生态环境效
应的模拟和分析［J］。
)*2 +,-./01模型数据库
?’#@>AB模型运行需要逐日气象要素、土壤剖
面理化特性、作物生长参数和肥料管理等数据库。
逐日气象数据以长武站为代表点，将收集到的长武
CJ1G!,HHC年实时数据（逐日太阳辐射、最高气温、
最低气温、降水量、相对湿度、风速）根据模型的格式
要求导入气象数据库中，建成逐日实时气象数据库。
通过实地观测和查阅相关资料［CH-CC］确定 @>AB
模型需要的旱塬地典型土壤—黑垆土的土壤剖面理
化性状参数（表 C）。本研究将南部旱塬地黑垆土分
成了 CH个剖面层，土层总厚度为 GKH +，依次输入逐
层土壤理化性状参数。@>AB 模型作物参数数据库
中的每种作物都有唯一的生理生态参数。通过设定
作物参数控制作物的生长发育进程，描述阶段发育
与形态发育状况，计算作物对土壤水分、养分的吸收
数量，估算温度、水分、养分、土壤通气状况和 L(M对
生物量积累和经济产量形成的胁迫［G］。通过查阅相
关文章和实测数据，分别对试区冬小麦和春玉米的
潜在能量转换比率、生长最适温度、生长发育最低温
度、最大叶面积系数等 DJ个生理生态参数进行了修
订（表 ,）。
肥料数据库中的每种肥料都有自己相应的参数
（包括速效磷含量、速效氮含量、速效钾含量、有机磷
含量、有机氮含量、有机碳含量、盐分含量、氨含量）。
本研究根据实际大田生产条件和我国肥料生产标
准，在模型中添加了适合当地实际情况的碳酸氢铵、
磷酸二铵和尿素三种肥料。
)*3 轮作模拟中施肥水平与轮作方式
在无肥（N H :5 O 3+,，> H :5 O 3+,）、低肥（N JH
:5 O 3+,，> DH :5 O 3+,）、中肥（N C,H :5 O 3+,，> EH
:5 O 3+,）和高肥（N C1H :5 O 3+,，> G1 :5 O 3+,）.种施肥
水平下，模拟研究长武旱塬 CJ1G!CJJI 年“春玉米
!春玉米!冬小麦!冬小麦!冬小麦!冬小麦”轮
作制的产量效应与土壤水分变化趋势，最大根深均
设置为 . +。其它田间管理措施同于当地冬小麦和
春玉米田。在 .,年（CJ1G!CJJI年）期间，共完成 G
D.,,期 王学春，等：黄土旱塬不同施肥水平下小麦玉米轮作的产量与土壤水分效应模拟研究
表 ! "#$%&’(模型中长武旱塬黑垆土部分重要理化参数
)*+,- ! ./0- #01/23*$3 1456#7*, *$8 74-0#7*, 1*2*0-3-26 9/2 +,*7: ,/-66#*, 6/#, /9 (4*$;<= 4#;4,*$8 #$ 34- "#$%&’( 0/8-,
项目 !"#$
土层编号 %&’#( )*$+#(
, - . / 0 1 2 3 4 ,5
土层厚度 6789 9&’#( :#;"<（$） 5=5, 5=- 5=0 ,=5 -=5 .=5 /=5 0=5 1=5 2=5
田间持水量 >8#9: ?&;&?8"’（$@ $） 5=-3 5=-3 5=-3 5=-3 5=-3 5=-2 5=-2 5=-2 5=-1 5=-1
萎蔫系数 A89"8)B ;78)"（$@ $） 5=,5 5=,5 5=,, 5=,, 5=,- 5=,. 5=,. 5=,. 5=,/ 5=,/
土壤容重 C*?D :#)E8"’（B @ ?$.） ,=.5 ,=.5 ,=., ,=., ,=.- ,=.- ,=.. ,=.. ,=.. ,=..
;F 3=- 3=- 3=- 3=. 3=/ 3=. 3=- 3=- 3=. 3=/
阳离子交换量 GHG（?$79 @ DB） 4=1 4=1 4=4 ,-=- 3=1 4=2 1=0 /=0 .=0 -=5
碳酸钙含量 G&9?8*$ ?&(+7)&"#（I） 3=5 3=5 1=3 2=5 ,/=- ,,=4 ,.=0 ,-=1 ,5=3 ,/=-
磷浓度 J<7E;<7(*E（$B @ DB） /=5 /=5 .=5 .=5 -=5 -=5 0=5 .=5 .=5 -=5
速效氮浓度 !)8"8&9 )8"(&"#（$B @ DB） .5 05 05 /5 .5 -5 -5 5 5 5
有机氮含量 K(B&)8? L（$B @ DB） 1,. 1,. /0- 00. /55 /35 0,, /0, /0, /55
有机碳含量 K(B&)8? G（I ） 5=1- 5=1- 5=/0 5=00 5=/0 5=03 5=/, 5=/0 5=/0 5=/
表 > "#$%&’(模型中冬小麦和春玉米部分重要生长参数修订值
)*+,- > ./0- #01/23*$3 2-?#6-8 ?-;-3*, 1*2*0-3-26 /9 <#$3-2 <4-*3 *$8 612#$; 0*#@- #$ 34- "#$%&’( 0/8-,
参数名称
J&(&$#"#( )&$#E
参数取值
J&(&$#"#( M&9*#E
参数的意义
N<# $#&)8)BE 7O ;&(&$#"#(E
GJLP AA 6P 作物名称 G(7; )&$#
AQ ., /- 潜在生物量 R能量比率 H)#(B’ "7 +87$&EE ?7)M#(E87) O&?"7(［" @（<$-·PS）］
F! 5=/ 5=0 收获指数（通常取值 5=5,!5=40）F&(M#E" 8):#T（B#)#(&99’ *E# 5=5,!5=40）
NC ,0=5 -0=5 作物生长最适温度 J(7;#( "#$;#(&"*(# O7( ;9&)" B(7U"<（V）
NW 5=5 3=5 作物生长最低温度 P8)8$*$ "#$;#(&"*(# O7( ;9&)" B(7U"<（V）
XP%Q 1=5 1=5 最大潜在叶面积系数 P&T8$*$ ;7"#)"8&9 9#&O &(#& 8):#T
X%Q! 5=4, 5=35 播种至作物叶面积系数达到最大时占整个生长期的比率（通常取值 5=/!5=44）
>(&?"87) 7O B(7U8)B E#&E7) U<#) 9#&O &(#& 8):#T E"&("E "7 :#?98)#（B#)#(&99’ *E# 5=/!5=44）
Y%QX ,=5 ,=5 叶面积下降参数，,=55代表线性（通常取值 5!,5）
%#&O R &(#& R 8):#T :#?98)# (&"# ;&(&$#"#(，,=55 (#;(#E#)" 98)#&(8"’（B#)#(&99’ *E# 5!,5）
YCPX ,=5 ,=5 生物量 R能量转换比率下降参数，,=55代表线性（通常取值 5!,5）
C87$&EE R #)#(B’ (&"87 :#?98)# (&"# ;&(&$#"#(，,=55 (#;(#E#)" 98)#&(8"’（B#)#(&99’ *E# 5!,5）
W6! 5=552 5=552 最大气孔导度 P&T8$*$ E"7$&"&9 ?7):*?"&)?#（$@ E）
FPZ ,=- -=5 最大株高 P&T8$*$ ?(7; <#8B<"（$）
YXPZ /=5 /=5 作物根系最大深度 P&T8$*$ (77" :#;"<（$）
>Y6N, ,0=-5 0=5, 生物量遭受霜冻曲线参数，当温度达到零下（小数点左面数值）V时，作物生物量损失
（小数点右面数值）（I）
>(7E" :&$&B# ;&(&$#"#(E，)*$+#( +#O7(# "<# :#?8$&9 [ $8)8$*$ "#$;#(&"*(#，)*$+#( &O"#( "<#
:#?8$&9 [ O(&?"87) 97E" U<#) B8M#) $8)8$*$ "#$;#(&"*(# 8E #T;#(8#)?#:>Y6N- -0=05 ,0=40 生物量遭受霜冻曲线参数，当温度达到零下（小数点左面数值）V时，作物生物量损失
（小数点右面数值）（I）
>(7E" :&$&B# ;&(&$#"#(E，)*$+#( +#O7(# "<# :#?8$&9 [ $8)8$*$ "#$;#(&"*(#，)*$+#( &O"#( "<#
:#?8$&9 [ O(&?"87) 97E" U<#) B8M#) $8)8$*$ "#$;#(&"*(# 8E #T;#(8#)?#:YAJG, 5=/5 5=/5 出苗时根重系数 Y77" U#8B<" @ +87$&EE ;&("8"87)8)B ?7#OO8?8#)" U<#) #$#(B#
YAJG- 5=-5 5=-5 成熟时根重系数 Y77" U#8B<" @ +87$&EE ;&("8"87)8)B ?7#OO8?8#)" U<#) $&"*(&"#
注（L7"#）：AA—冬小麦 A8)"#( U<#&"；6P—春玉米 6;(8)B $&8]#个轮作周期，在输出的模拟结果中，分析不同施肥处
理下逐年作物产量、5—2 $土层逐月土壤有效含水
量和逐年 3月 ,0日 5—2 $土层土壤湿度剖面分布
变化动态。
!AB "#$%&’(模型模拟精度验证
李军等［0］利用长武试区长期定位试验数据分别
//- 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ,/卷
验证了冬小麦和春玉米连作条件下的作物产量与土
壤水分动态。其中冬小麦产量和麦田 ! "土层土壤
有效含水量模拟值和观测值的相对误差分别为
!#$%和 &&#’%，相关系数分别为 (#)’)和 (#)*$，均
达到显著水平；春玉米产量和玉米田 ! "土层土壤
有效含水量模拟值和观测值的相对误差分别为
’#+%和 , &+#(%，相关系数分别为 (#)()和 (#)!&，
分别达到显著和极显著水平［+］。表明 -./0模型能
够较为准确的模拟冬小麦和春玉米连作条件下的产
量变化和土壤水分动态。
本研究以地处长武旱塬的甘肃省平凉农科所高
平试验站为试点，利用高平站长期连续定位试验数
据验证 123-./0模型对不同肥力水平下小麦—玉米
轮作制的产量模拟精度。长武旱塬的小麦—玉米轮
作方式为“春玉米!春玉米!冬小麦!冬小麦!冬
小麦!冬小麦”，在 !个施肥处理水平下进行产量效
应模拟精度验证，施肥处理分别为：&）无肥处理，不
施任何肥料（04）；5）氮处理，施 6 $( 78 9 :"5（6）；
!）氮磷处理，施 6 $( 78 9 :"5、. !( 78 9 :"5（6.），肥料
施用时间与当地大田管理相同。利用长武站 &$*’
!&$$)年实时气象数据、黑垆土土壤数据和已经验
证过的小麦和玉米参数，对小麦和玉米轮作制中的
不同施肥处理进行模拟研究。
将 !个处理的产量模拟值和观测值进行比较
（表 !、图 &）以评价模型的精确性；其中观测值为高
平试验站长期定位试验中的春玉米和冬小麦产
量［;］。表 ! 显示，在 &$’$!&$$+ 年试验研究期间，
04、6、6.等 ! 种施肥处理春玉米和冬小麦模拟产
量平均值分别为 &#$’$、5#$55、;#&)& < 9 :"5，相应的
试验观测产量平均值分别为 &#$&;、5#’)5 和 ;#!+(
< 9 :"5，模拟值和实测值的相关系数分别为 (#)+;、
(#))+和 (#)&)，均达到极显著水平，平均相对误差
分别为 !#;!%、*#(!%、, ;#&(%，模拟平方根误差
=>?-分别为 (#)!’、(#)+)、&#&$* < 9 :"5。
图 &为 !种施肥处理春玉米和冬小麦产量模拟
值与观测值逐年变化曲线的比较，二者均有较为近
似的变化趋势。表明 -./0模型可较为精确地模拟
不同施肥处理下春玉米和冬小麦轮作产量，可用于
黄土高原小麦和玉米轮作制的产量效应模拟研究。
表 ! 长武旱塬不同施肥处理冬小麦和春玉米轮作产量模拟值与观测值的统计值比较
"#$%& ! ’()*#+,-(. (/ -0#0,-0,1#% 2#%3&- (/ -,)3%#0&4 #.4 ($-&+2&4 5,&%4 (/ 6,.0&+
67� #.4 -*+,.8 )#,9& +(0#0,(. 3.4&+ 4,//&+&.0 /&+0,%,9#0,(. 0+�)&.0-
04 6 6.
项目
/<@"
模拟值
?2"ABC
（< 9 :"5）
观测值
DEF@GC
（< 9 :"5）
相对误差
-GGHG
（%）
模拟值
?2"ABC
（< 9 :"5）
观测值
DEF@GC
（< 9 :"5）
相对误差
-GGHG
（%）
模拟值
?2"ABC
（< 9 :"5）
观测值
DEF@GC
（< 9 :"5）
相对误差
-GGHG
（%）
平均值 IJ8C &#$’$ &#$&; !#;! 5#$55 5#’)5 *#(! ;#&)& ;#!+( , ;#&(
=>?- (#)!’ (#)+) &#&$*
回归方程 =- K L (#*$5 M (#++)N K L (#&(5 M (#$&’N K L (#$); M (#)(’N
相关系数 00 (#)+;"" (#))+"" (#)&)""
=-—=@8G@FF2H3 @OAP<2H3；00—0HGG@BP<2H3 23Q@N
: 结果分析
:;< 不同施肥处理下小麦玉米轮作的产量变化
在 &$*’!&$$)年模拟研究的 ;5年期间（’个轮
作周期），无肥、低肥、中肥和高肥处理小麦玉米轮作
的产量均呈现波动性下降趋势（图 5），与轮作试验
中观测值的降低趋势类似。在小麦玉米轮作产量变
化曲线中，高峰多出现在与降水季节分布吻合程度
较高的玉米种植年份，低谷则多为小麦种植年份。;
种施肥处理下产量变化范围分别为 (#(*+!*#)(&、
(#&&)! )#$5)、(#&)& ! )#$;+ 和 (#5(5 ! $#!!)
< 9 :"5；平均值分别为 &#*’!、!#5’5、!#)’’ 和 ;#&!)
< 9 :"5；标准差分别为 &#;*5、&#$’&、&#$$& 和 5#&!’
< 9 :"5，表现出随肥力水平提高产量波动幅度增大的
趋势；产量变异系数分别为 $5#!%、+(#5%、*&#;%
和 *&#+%，无肥和低肥处理的产量稳定性低于中肥
和高肥处理。;种施肥处理间产量差异显著，低肥、
中高肥和高肥处理分别较无肥处理增产 &()#&%、
&;+#*%和 &+!#&%。在 ;5 年模拟时段内，; 种施肥
处理产量最低值均出现在 &$$*年，为冬小麦；产量
最高值除无肥处理为 &$*’年的玉米外，其它 !种处
理均为 &$*$年的小麦。
*;55期 王学春，等：黄土旱塬不同施肥水平下小麦玉米轮作的产量与土壤水分效应模拟研究
图 ! 不同施肥处理下冬小麦—春玉米轮作产量模拟值与观测值的比较
"#$%! &’()*+#,’- ’. ,#(/0*123 *-3 ’4,2+523 6#203 ’. 7#-12+ 782*1 *-3 ,)+#-$ (*#92 +’1*1#’-
/-32+ 3#..2+2-1 .2+1#0#9*1#’- 1+2*1(2-1,
图 : 长武旱塬冬小麦—春玉米轮作制不同施肥处理下产量模拟值变化比较
"#$%: &’()*+#,’- ’. 7#-12+ 782*1 *-3 ,)+#-$ (*#92 6#203 #- 182 +’1*1#’- /-32+ 3#..2+2-1
.2+1#0#9*1#’- 1+2*1(2-1, *1 &8*-$7/
!"# 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 $"卷
若把玉米和小麦产量分开计算时，玉米和小麦
产量（图 !）均表现出波动性降低趋势，且以无肥处
理产量降低幅度最大。在 "# 年 $ 个轮作周期中，"
个处理 %" 年玉米产量平均值分别为 #&!!"、"&%’(、
"&!’)和 "&)%! * + ,-#，无肥处理与低肥、中肥和高肥
处理差异十分显著（图 !）；#.年小麦产量平均值分
别为 %&%(#、#&.#(、!&)!$和 !&(/% * + ,-#，无肥、低肥、
中肥处理间差异十分显著，但中肥和高肥之间差异
较小（图 !）。#种作物相比，玉米产量平均值明显高
于小麦。
!"! 不同施肥处理下小麦玉米轮作的干旱胁迫与
氮素胁迫
在 %(’$!%((.年模拟研究期间，年降水量平均
值为 ’./ --，其中前 %/ 年（%(’$!%())）平均值为
’($ --，后 %/年（%(.(!%((.）平均值为 ’!# --，后
期较前期年降水量减少 )’ --。在 "# 年期间，无
肥、低肥、中肥和高肥处理年均干旱胁迫日数分别为
%(&)、#"&%、#)&"和 #.&$ 0，标准差为 %$&(、#/&!、#/&(
和 #%&’ 0。其中，玉米干旱胁迫天数分别为 %!&%、
%"&%、%$&# 和 #%&% 0；小麦分别为 ##&.、#.&$、!/&(
和 !#&. 0，小麦干旱胁迫程度较玉米严重。不同处
理干旱胁迫日数变化趋势类似，且与年降水量变化
趋势相反。在 "#年中，%()/、%()#、%())、%($#、%($!、
%($$、%(./、%(.#、%((#、%(("、%((’和 %(($等 %#年均
为严重干旱年型，干旱胁迫天数超过 "/ 0（图 "），其
中 %((’年干旱胁迫天数最高，"种施肥处理分别为
)$、).、)(和 $$ 0。除 %(("年为春玉米外，其它严重
干旱胁迫年份均为冬小麦，表明冬小麦较玉米容易
遭受干旱威胁。
图 # 长武旱塬 $个轮作周期中不同施肥处理下冬小麦产量和春玉米产量模拟值变化比较
%&’(# )*+,-.&/*0 *1 2&034. 254-3 6&478 -08 /,.&0’ +-&946&478 &0 $ .*3-3&*0 ,4.&*8/ :084. 8&114.403
14.3&7&9-3&*0 3.4-3+403/ -3 )5-0’2:
在 "#年模拟研究期间，"个施肥处理年均氮素
胁迫天数分别为 )!&)、!#&(、#%&" 和 #/&( 0，表现为
随施肥量增加，氮素胁迫程度呈逐渐降低趋势；无
肥、低肥与中肥和高肥处理之间差异显著，但中肥和
高肥处理之间差异不明显，各施肥处理氮素胁迫天
数均呈现出波动性上升趋势（图 ’）。其中，%" 年春
玉米氮素胁迫天数平均值分别为 #.&"、#&’、/ 和 /
0；#.年冬小麦氮素胁迫天数平均值分别为 .%&#、
".&%、!#&%和 !%&! 0，冬小麦氮素胁迫程度明显较春
玉米严重。表明冬小麦需氮量高于春玉米，在相同
施氮量下，冬小麦容易遭受氮素胁迫危害。
!"# 不同施肥处理下小麦玉米轮作田土壤有效含
水量变化
在 %(’$!%((.年的 "#年模拟研究期间，"个施
肥处理 /—$ -土层逐月土壤有效含水量模拟值分
别在 !((!$(%、#("!$(%、%.#!$(%和 %.#!$(% --
范围内波动，其平均值分别为 "..、!(.、!/! 和 !/)
--，标准差分别为 )’、.#、%/!和 %/" --，变异系数
分别为 %!、#/&)1、!"&%1和 !"&%1。无肥、低
肥和中肥处理间差异十分显著；但中肥和高肥处理
间差异很小，肥力越高，土壤含水量越低，年度和季
节变幅越大（图 )）。
随着年度和季节降水量变化，各施肥处理逐月
土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势（图 )）。在
干旱年份和小麦、玉米生长旺盛期呈现逐渐下降趋
势，而在多雨年份和夏闲期得到降水补充和恢复提
高。通常以每年 ’!.月份土壤含水量较低，而 (月
至翌年 "月土壤含水量较高；在一些干旱年份的 )
$"##期 王学春，等：黄土旱塬不同施肥水平下小麦玉米轮作的产量与土壤水分效应模拟研究
图 ! 长武旱塬年降水量、不同施肥处理下冬小麦与玉米干旱胁迫天数比较
"#$%! &’’()* +)#’,)**，-#.(*)/01 -2#* 3)/0+ -/+0-- 1)4- 1(+#’$ 3#’/0+ 350)/ )’1 -6+#’$ .)#70 +2/)/#2’ 60+#21-
(’10+ 1#,,0+0’/ ,0+/#*#7)/#2’ /+0)/.0’/- )/ 85)’$3(
图 9 长武旱塬轮作周期中不同施肥处理下冬小麦与玉米氮素胁迫天数比较
"#$%9 :#.(*)/01 ’#/+2$0’ -/+0-- 1)4- 1(+#’$ 3#’/0+ 350)/ )’1 -6+#’$ .)#70 +2/)/#2’ 60+#21-
(’10+ 1#,,0+0’/ ,0+/#*#7)/#2’ /+0)/.0’/- )/ 85)’$3(
!!月份，中肥和高肥处理 "—# $土层土壤有效含
水量接近于 %"" $$，发生了较为严重的季节性土壤
干燥化。无肥、低肥、中肥和高肥处理在模拟初期土
壤有效含水量均为 #&’ $$，但模拟结束时则分别为
()*、)*#、%#)和 %!# $$；(%年期间土壤有效含水量
分别减少 )*#、()(、*’! 和 *"( $$，平均每年减少
!+*、’"+)、’%+)和 ’%+" $$。中、高肥处理土壤干燥
化速度快于无肥和低肥处理，与无肥处理相比，低
肥、中肥和高肥处理多消耗土壤水分 !&、’!*和 ’!%
$$。长时段模拟结果表明，由于年度降水量的趋势
性减少和中、高施肥处理作物耗水量增加，导致了旱
塬地土壤干燥化趋势显现。
!(% 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ’(卷
图 ! 长武旱塬小麦—玉米轮作周期中不同施肥处理下 "—# $土层逐月土壤有效含水量模拟值变化动态
%&’( ! )&$*+,-./ $01-2+3 ,4,&+,5+. 60&+ 7,-.8 ,$0*1- 92,1’.6 &1 ":# $ 60&+ +,3.86 /*8&1’ 7&1-.8 72.,- ,1/
6;8&1’ $,&<. 80-,-&01 ;.8&0/6 *1/.8 /&==.8.1- =.8-&+&<,-&01 -8.,-$.1-6 ,- >2,1’7*
?@A 小麦玉米轮作田土壤湿度剖面分布变化
在 !"#$!!""% 年的 &’ 年轮作模拟中，将轮作
初期（第 !轮作周期 !"#$!!"(’）、中期（第 &轮作周
期 !"$#!!"%)）和末期（第 $轮作周期 !""*!!""%）
逐年土壤湿度剖面分布变化列于图 $。
和模拟初期的 !"#(年相比，&个肥料处理均在
第 !个轮作周期内（第 !—(年）出现了土壤湿度逐
年降低、土壤干层逐年加厚的过程；至第 &个轮作
周期（第 !"—’&年）结束时，土壤湿度剖面分布已经
基本稳定。无肥、低肥、中肥、高肥处理分别只有
)—* +土层土壤湿度发生年际变化，* +以下深层
土壤湿度接近稳定状态，至第 $ 个轮作周期（第
*$—&’年）各施肥处理 ’ +以下土层土壤湿度呈现
完全稳定状态，已不随降水发生年度变化。作物对
土壤水分利用最大深度，无肥、低肥、中肥和高肥处
理分别超过了 *、&、#和 # +。高肥和中肥处理土壤
湿度明显低于低肥，低肥又低于无肥处理。无肥和
低肥处理土壤干层分布于 ’—* +和 ’—& +土层，
"&’’期 王学春，等：黄土旱塬不同施肥水平下小麦玉米轮作的产量与土壤水分效应模拟研究
中肥和高肥处理均分布于 !—" #土层。表明在黄
土高原南部半湿润旱塬地，随着肥力水平和作物产
量水平的提高，作物耗水量增加，土壤干燥化程度加
剧，土壤干层厚度加深。
图 ! 长武旱塬小麦—玉米轮作初期、中期和末期不同施肥处理土壤湿度剖面分布变化比较
"#$%! &’()*+#,’- ’. ,’#/ (’#,01+2 3#,0+#410#’- 56*-$2, #- 7 8 !( ,’#/ )+’.#/2 *0 42$#--#-$，(#33/2 *-3
2-3 ’. 9#-02+ 962*0 *-3 ,)+#-$ (*#:2 +’0*0#’- 1-32+ 3#..2+2-0 .2+0#/#:*0#’- 0+2*0(2-0, *0 &6*-$91
; 结论
$）利用 %&’()*+模型模拟研究了黄土高原（长
武）旱塬地不同施肥处理下小麦玉米轮作的产量效
应，+,、-、-)处理模拟值与观测值之间的平均误差
分别为 ./0.1、"/2.1、3 0/$21，表明 %&’()*+ 模
型对不同施肥处理下小麦玉米轮作中冬小麦和春玉
米子粒产量较为准确，适用于黄土高原小麦玉米轮
作系统的模拟研究。但模型中存在不能对模拟初期
的土壤湿度状态进行人为设定，而由模型根据土壤
水分性质和降水量自动产生，难以对不同初始含水
量下的土壤水分动态进行模拟研究；以及模型对土
壤剖面分层数目限于 $2 层，对 2—4 #的剖面深层
土壤湿度状况描述还不够细致等不足。
2"! 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 $0卷
!）在 "#$%!"##&年模拟研究期间，在无肥、低
肥、中肥和高肥等 ’种施肥水平下，“春玉米!春玉
米!冬小麦!冬小麦!冬小麦!冬小麦”轮作方式
的产量均呈现显著的波动性下降趋势，其平均值分
别为 "($%)、)(!%!、)(&%%和 ’(")& * + ,-!，以低肥和中
肥处理增产效果最好。说明旱塬地小麦玉米轮作中
适宜的施肥量范围为 . #/!"!/ 01 + ,-!、2 )/!3/
01 + ,-!。’!年的模拟结果表明，冬小麦较春玉米易
受干旱胁迫，其需氮量也明显高于春玉米，春玉米的
高产稳产性优于冬小麦。
)）无肥、低肥、中肥和高肥处理下小麦玉米轮
作逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势，平
均每年分别减少 &($、"/()、"!()和 "!(/ --。无肥、
低肥和中肥处理间土壤有效含水量差异十分显著，
但中肥和高肥处理间差异不明显。肥力越高，作物
耗水量越大，土壤有效含水量越低。
’）’种施肥处理下小麦玉米轮作期间 /—% -
土层土壤湿度剖面分布，均在模拟初期出现了土壤
湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程，在
模拟中后期均出现了稳定的土壤干层，无肥和低肥
处理土壤干层分布于 !—) -和 !—’ -土层，中肥
和高肥处理均分布于 !—$ -土层。随着肥力和作
物产量水平的提高，土壤干层厚度加深。
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