不同灌水深度對冬小麥生長及產量的影響

黃 潔 ，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，狄 楠

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水利職業技術學院，山西 運城 044004)

冬小麥作為我國北方地區主要糧食作物之一，整個生長季需水量在450 mm左右，但由于受季風氣候的影響，華北地區約70%的降水量集中于每年的7-9月，而冬小麥生長季降雨量較少，一般僅有100～150 mm，因此灌溉補水是保證冬小麥高產的重要措施。對于表層土壤中沒有較充足水分的干旱半干旱地區(如華北平原丘陵地區)，作物對深層土壤水分的吸收利用成為影響作物產量的關鍵因素[1]。

為提高灌溉水的利用效率，學者們已對不同的作物灌溉方式進行了大量的研究工作[2-5]。李秧秧[6]認為灌溉深度和灌溉時間間隔相結合，以每15 d灌溉一次的組合獲得的產量和水分利用效率最好；Turner和Bray則認為一定的水分范圍內根系生長與土壤水分狀況之間呈正相關關系[7]，水分不足或水分過多都會改變作物根系的大小、數量及分布，使根系生長異常或抑制根系的功能，進而影響到冠層生長發育和籽粒產量[8]。另外，隨著對土壤水分狀況與作物水分狀況研究的不斷深入，將農田水分指標與作物生理指標(株高、葉面積等)相結合的研究開辟了很多新的研究領域[9-11]。地面灌溉以其方便、技術簡單易行的優點依然是當前我國乃至世界最為廣泛的灌溉方式，但這種方式的水量損失和棵間土壤水分蒸發量頗大，作物棵間土壤蒸發量占其總耗水量的25%～30%，或再高一些[12]。以往的節水灌溉制度主要集中于灌水定額、灌水次數和灌水時期方面的研究[13]，而關于不同土層深度土壤水分調控對作物生長發育的影響，由于試驗條件限制和測根等技術存在的困難而研究較少。本文將采用土柱管栽技術，研究在相同供水量情況下不同灌水深度對冬小麥生長狀況及產量的影響，為我國干旱半干旱地區作物合理灌溉，提高土壤貯水利用率，變被動抗旱為主動抗旱提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2014年9月至2015年6月在山西省運城市鹽湖區山西水利職業技術學院實訓基地進行，該實訓基地位于北緯 34°48′27″， 東經 110°41′23″，平均海拔370 m。多年平均降雨量559.3 mm，主要集中在7-9月，年平均日照時數2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗區土壤屬于中壤土，有效氮62.90 mg/kg，有效磷45.79 mg/kg，有效鉀206.5 mg/kg，全氮1.150 g/kg，全磷0.769 g/kg，全鉀19.43 g/kg，有機質20.20 g/kg。土壤0～300 cm基本物理參數如表1所示(表1中含水率數值均為土壤體積含水率)。

表1 土壤基本物理參數Tab.1 Basic physical parameter of soil

1.2 試驗材料與設計

試驗所用冬小麥品種為國審麥良星99，屬半冬性中晚熟品種，生育期240 d左右。試驗設計以灌水深度為控制因子，設4個處理，即：地表灌溉(T1)、灌水深度為根系分布的60%(T2)、灌水深度為根系分布的75%(T3)、灌水深度為根系分布的90%(T4)，各處理根據冬小麥不同生育期(越冬期、返青拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期)分別設4個重復，即每個處理需20根土柱，共80根土柱。土柱外徑20 cm，內徑18.6 cm，共占用面積250 cm×2 100 cm，土柱隨機排列成三列，行與行，列與列之間均再種植一行(列)小麥作為保護行(列)。

冬小麥于2014年10月12日播種，每根土柱播種9棵，三葉期每柱定苗3棵，次年6月上旬收獲。本次試驗期間對冬小麥共進行了4次灌水，各處理土柱灌水時間、灌水孔布置及計劃灌水深度情況見表2。每個灌水深度的灌水量由下式(山侖等，2004年)計算得出：

M=10ρbH(βi-βj)

(1)

式中：H為土壤計劃濕潤層的深度，cm；ρb為計劃濕潤土層的土壤密度，g/cm3；βi為目標含水量；βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

表2 灌水時間及灌水深度計劃表Tab.2 Irrigation time and irrigation depth

注：其中“0”、“-”指地表灌水；平均最大根深由每個生育期的剖根試驗獲得。

1.3 測定項目與方法

土壤含水率采用Diviner2000土壤水分廓線儀[14]定期測定，每隔一周測一次，灌水或降雨前后加測；在每個生育期選擇兩天晴朗天氣，用LI- 6400便攜式光合儀測定各處理冬小麥葉片光合指標；在主要生育期每隔半個月用直尺測量植株株高，同時，測定所有植株葉子的長和寬，計算葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，然后求得葉面積指數LAI=LA/S(S為試驗筒底面積)。收獲時記錄每根土柱的有效穗數、穗長、穗粒數，然后用天平稱量柱生物量、千粒重以及柱產量。

1.4 數據采集與處理

光合數據采用與儀器相配套的設備(數據管理器、采集軟件)對數據進行讀取和保存，所有數據均使用Excel和SPSS 21軟件進行數據的處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水深度對冬小麥光合日變化的影響

選取天氣晴朗的典型日(4月28日，抽穗期末)，進行光合日變化的測定，結果如圖1所示。由圖1可以看出：4種灌水方式處理的冬小麥凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度在一天中的變化趨勢基本一致，都呈“M”形的雙峰曲線[見圖1(a)～圖1(c)]，在上午11∶00和下午15∶00出現峰值，13∶00出現谷值，存在明顯的“午休”現象，但是深層灌的午睡現象不如地表灌的明顯；而冬小麥葉片的胞間CO2濃度與凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度有相反的日變化進程，呈“W”形的雙峰曲線，在凈光合速率較高的11∶00和15∶00，胞間CO2濃度則較低，而凈光合速率較低的13∶00，胞間CO2濃度卻較高。這是因為在11∶00和15∶00凈光合速率較高，冬小麥葉片對CO2的利用率也相應提高，由于細胞內存在阻力，使外界CO2不能及時補充，從而導致胞間CO2濃度在11∶00和15∶00出現谷值。

從圖1還可以看出，深層灌處理的4項光合指標在同一時刻均要比地表灌的要高，且隨灌水深度的增加而增加，以上午11∶00為例，比較如下：T4Pn>T3Pn>T2Pn>T1Pn、T4Tr>T3Tr>T2Tr>T1Tr、T4Cond>T3Cond>T2Cond>T1Cond、T4Ci>T3Ci>T2Ci>T1Ci。深層灌凈光合速率明顯大于地表灌處理，達到第一個峰值時，處理T1、T2、T3較地表灌分別要高11%、17%、27%；蒸騰速率分別高24%、29%、53%；氣孔導度分別高55%、64%、67%；胞間CO2濃度在第一個谷值分別高22%、26%、30%。以上說明深層灌灌水深度越大，對應的光合速率越大，有效蒸騰速率也越大，而地表灌較小，因此，深層灌的冬小麥在抽穗期之前的株高、葉面積等各形態指標增長也比較快。11∶00之后，隨著光照強度的繼續增大，冬小麥在13∶00左右出現光合午睡現象，之后繼續增大，在15∶00出現第二個峰值，但是這個峰值沒有第一個峰值大，15∶00以后，隨光照強度的下降，凈光合速率開始下降，蒸騰速率、氣孔導度也開始下降，且灌水深度越大，下降的速率便會越快，17∶00左右，各處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度值接近日最小值，胞間CO2濃度也接近達到日最大值。

圖1 冬小麥抽穗期光合日變化曲線Fig.1 Diurnal variation of photosynthesis of winter wheat in shooting stage

2.2 不同灌水深度處理對冬小麥株高的影響

株高是衡量作物株型狀況是否合理的敏感指標。不同生育期株高除了取決于自身遺傳特性外，也受土壤水分、養分等外部環境的影響[15]。分別于小麥生長 的140、155、170、185、200、215和230 d測量自植株地面至植株頂端的高度(不連芒高)。每根土柱取3個方向測量，每個處理求平均值，以cm為單位表示的不同灌水深度條件下各處理冬小麥株高具體值見表3和圖2。

表3 不同灌水深度條件下冬小麥的株高 cm

注：表3中字母表示同一測定時期內相同項目在P0.05水平上的差異顯著性。

圖2 不同灌水深度條件下冬小麥的株高Fig.2 Plant height of winter wheat under different irrigation depth

由表3可知，各處理冬小麥種后140 d(返青期)株高普遍在18 cm左右，差異并不顯著；種后170 d(拔節期)植株增長迅速，T4增長最快，株高達54.75 cm，比處理T1、T2、T3分別高4.78、3.75、2.41 cm；等到200 d(抽穗期)，株高T3>T4>T2>T1，T4株高不再最大；在植株成長后期(215～230 d)，各處理成長趨于穩定，尤其是T4幾乎不再生長，成熟期株高T3最大，為80.56 cm，最低是T1，為74.25 cm，兩者相差6.31 cm。

對比表3中株高數據可知：在返青期之前灌水深度對冬小麥株高的影響都不顯著；拔節期開始(170 d)，地表灌水和深層灌水之間差異開始顯著，但是3個不同深度處理之間依然差異不顯著；到了灌漿期和成熟期，由于T4的生長速度減慢導致T2、T4兩個處理之間差異性不顯著，但是T4和T1、T3之間差異依然顯著，T3和T1、T2、T4之間差異也顯著。這就說明，在灌水量一定的范圍內，株高隨灌水深度的增加而增大，但超過一定深度后，株高便不再隨灌水深度的增加而增大。

進一步采用式(2)形式的冪函數，對圖2中的冬小麥株高變化曲線進行擬合，擬合結果見表4。

Y=Alnx+b

(2)

式中：Y為株高，cm；x為冬小麥種植后天數。

表4 冬小麥株高隨時間變化擬合參數值Tab.4 The fitting parameter values with the timeof plant height of winter wheat

從表4可以看出，相關系數均在0.9以上，說明不同深度灌水條件下冬小麥的株高隨時間的分布符合式(2)形式的冪函數。同時可知，處理T3的參數A、B和相關系數R2均最大，處理T1的參數A、B最小。

2.3 不同灌水深度處理對冬小麥葉面積指數的影響

綠葉面積也是作物生長狀況的重要指標，它關系到作物對光能量的截獲多少，同時展現了作物光合面積范圍的大小，從而可以直接影響到其光合作用、蒸騰作用和最終的產量。已有研究表明土壤水分條件對作物葉面積擴展有很大的影響,并最終影響作物根系發育和壯苗指數等作物生長指標[16]，葉面積的大小是影響產量的主要生理指標。小麥生長發育過程中葉面積指數的消長動態，對于選用合理的栽培措施，創造合理的群體結構，增加小麥的產量有著重要的意義[17]。統計分析表明(見表5),小麥葉面積指數在灌水處理間差異顯著(F=9.137,P=0.005<0.01 )。由圖3可知，整個生育期冬小麥 葉面積指數呈現先增后減的趨勢。相比之下,增加灌水深度可明顯增加葉面積指數,而且灌水深度大的T4葉面積指數最先達到最大值,但是在生長后期下降迅速,而較低灌水深度處理的T2、T3變化相對穩定,尤其在后期能保持較高的葉面積,這說明灌水深度過大會使小麥前期生長旺盛,群體過大,田間提前郁蔽,下部葉片因受光不足而提前衰老,從而導致整個植株后期葉面積迅速下降,不利于小麥植株平穩生長,尤其會影響到籽粒的發育和灌漿,因而合理的灌水深度非常重要。

表5 不同灌水深度條件下冬小麥的葉面積指數Tab.5 Leaf area index of winter wheat under differentirrigation depth

注：表5中字母表示同一測定時期內相同項目在P0.05水平上的差異顯著性。

圖3 不同灌水深度條件下冬小麥的葉面積指數 Fig.3 Leaf area index of winter wheat under different irrigation depth

對圖3中的冬小麥葉面積指數隨時間的變化曲線采用式(3)形式的多項式進行擬合，擬合結果見表6。

LAI=Ax2+B-C

(3)

式中：LAI為葉面積指數；x為觀測日期。

表6 冬小麥葉面積指數隨時間變化擬合參數值Tab.6 The fitting parameter values with the time ofleaf area index of winter wheat

從表6可以看出，各處理相關系數均在0.9以上，說明不同深度灌水條件下冬小麥的葉面積指數隨時間的變化曲線符合式(3)形式的多項式。其中由于此試驗的灌溉方式是一種中深層的灌溉方式，擁有獨特的灌溉機理，因此，參數A隨灌水深度的增加而減小，參數B和C都是隨灌水深度的增加而增大，且處理T3的相關系數最大。

2.4 不同灌水深度處理對冬小麥籽粒產量的影響

收獲指數是作物收獲時經濟產量(籽粒)與生物產量之比，又名經濟系數。其生理本質反映了碳素從源到子粒庫的分配比例，該性狀一定程度上反映了作物群體光合同化物轉化為經濟產品的能力, 是評價作物品種產量水平和栽培成效的重要指標。由表7顯示可知，深層灌水會使冬小麥收獲指數明顯增高，且灌水深度越大，收獲指數越高，最高達0.36，比對照組(T1)高0.05；同時冬小麥生育期內的不同深度灌水都將使產量增加，且隨著灌水深度的增高，產量的增加呈先遞增后減小的趨勢，即中深層的灌水對產量的影響要大于較深層的灌水，即深層灌水(T4)條件下粒粒產量比對照組(T1)的高 20.86%，而中深層灌水(T2和T3)條件下籽粒產量比對照組(T1)的高達28.22%和34.74%，說明在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可顯著提高產量，但是這一深度達到一定的限值后，產量便不再進一步增長。

從產量構成來看，4個處理的千粒重差異并不顯著，但是單穗粒數、柱生物量及柱產量間差異顯著。小麥穗長T1

表7 不同灌水深度條件下小麥的產量及其構成Tab.7 Grain yield and components of winter wheat under different irrigation depth

注：小寫拉丁字母表示顯著水平α=0.05。

3 結 語

對冬小麥所采用不同灌水深度的水分調控方式是一種中深層的立體灌溉方法，灌水深度作為其中重要的參數，將對灌溉制度的制定、灌水質量的評價起到關鍵作用。通過對不同灌水深度條件下冬小麥光合日變化、株高、葉面積指數、籽粒產量及其構成的分析，可以得出以下結論。

(1)不同灌水深度條件下，冬小麥凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度日變化呈“M”形的雙峰曲線，存在明顯的“午休”現象，而胞間CO2濃度則呈“W”形的雙峰曲線。深層灌的午睡現象不如地表灌的明顯，而且四項光合指標在同一時刻均要比地表灌的要高，并隨灌水深度的增加而增加。

(2)不同灌水深度條件下，隨生育期的推進，冬小麥株高逐漸增大，葉面積指數也呈先增大后減小的趨勢，而且增加灌水深度可明顯增加株高和葉面積指數,但是灌水深度過大會使植株生長后期株高增長緩慢，葉面積指數下降速度加快。

(3)不同灌水深度條件下在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可顯著提高作物收獲指數，但是產量并不是隨灌水深度的增加而增加，反而是灌水深度為根系75%的處理畝產量最大。

由于本試驗僅分析一個生長期內不同灌溉深度對冬小麥生長及產量的影響，關于其在不同立地條件下的重現性和相關作物生長模型的建立有待進一步研究。

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