限量灌溉對京郊小麥產量、水分利用效率及效益的影響

周吉紅，毛思帥，王俊英，薛緒掌，佟國香，羅 軍，解春源

(1．北京市農業技術推廣站，北京 100029； 2．北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；3．北京市房山區農業科學研究所，北京 102446)

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限量灌溉對京郊小麥產量、水分利用效率及效益的影響

周吉紅1，毛思帥1，王俊英1，薛緒掌2，佟國香3，羅 軍3，解春源3

(1．北京市農業技術推廣站，北京 100029； 2．北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；3．北京市房山區農業科學研究所，北京 102446)

為明確北京及周邊地區限量灌溉下小麥適宜的灌水制度，設置5個灌水梯度，以北京平均灌溉水平 2 550 m3·hm-2為對照(CK)，逐漸減少用水量到2 100、1 650、1 200和750 m3·hm-2，通過田間和盆栽試驗，研究灌水對小麥生長、產量、水分利用效率及效益的影響。結果表明，與對照相比，灌水量為2 100和1 650 m3·hm-2的處理下，小麥產量降幅未達顯著水平，其余兩個處理(1 200和750 m3·hm-2)的產量顯著降低。減產源于有效穗數和穗粒數的減少；有效穗數的減少源于群體莖蘗數(起身、拔節)的減少，穗粒數的減少源于穗長的縮短、不孕小穗數增加和有效小穗數減少。隨著灌水量的減少，小麥的水分利用效率提高，其中灌水1 650 m3·hm-2的處理水分利用效率最高。與對照相比，灌水2 100和1 650 m3·hm-2的處理，每公頃效益減少290元以內，其余兩個處理減少超過1 700元。綜合考慮產量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量無補貼的情況下，灌水量為1 650 m3·hm-2(越冬水750 m3·hm-2、拔節水450 m3·hm-2、灌漿水450 m3·hm-2)的節水灌溉模式最佳。

限量灌溉；小麥；產量；水分利用效率；效益

京津冀地區水資源極度緊缺，其所屬海河流域水資源總量僅占全國的1.3%，卻承擔全國13%的GDP、10%的糧食產量和人口的用水任務，因此，推行節水農業極為重要[1]。小麥是高耗水作物，麥田灌溉是農業用水的主要方面[2-4]，區域水資源不足，直接影響著小麥的生產。且該地區降雨的時間分布與小麥需水的耦合性較差，多年平均降雨量為500 mm左右，然而70%的降雨發生在7～9月份，小麥全生育期的平均有效降水量僅占平均需水量的15.5%，遠不能滿足冬小麥的生長需求[5-8]。要解決這一矛盾，需采用地下水灌溉以滿足其生長。但該地區地下水過度開發，地下水位不斷下降，出現了罕見的地下漏斗區，為了保證農業的可持續發展，必須采取節水措施，提高水資源利用效率[9-12]。2014年，北京市市委市政府出臺了《關于調整結構方式、發展高效節水農業的意見》、農業局制定了《北京市地下水超采區農業結構調整實施方案》，調整實施方案中糧田全年用水定額控制在2 700 m3·hm-2以內。而農情定位監測表明：全市冬小麥用水在2 550 m3·hm-2左右，夏玉米用水在450 m3·hm-2左右。灌水現狀與調整政策不符。另外，以往研究多側重于水分利用效率的考慮[8,12-15]，缺乏對生產效益的分析。本研究通過田間和盆栽試驗，在限量灌溉下，對冬小麥產量、水分利用效率和效益進行綜合研究分析，以期為北京及周邊地區限量灌溉下小麥灌水方案的制定提供參考依據。

1　材料與方法

1.1供試材料及試驗地

供試小麥品種為農大212，由中國農業大學選育，為北京市主栽品種。

試驗于2014-2015年在北京市房山區竇店鎮竇店村(39.65°N，116.06°E)和昌平小湯山農科院基地(40.18°N，116.45°E)進行。兩地均屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候。試驗年份小麥全生育期降雨量為123.2 mm，常年平均降雨量為142.2 mm。兩地土壤為沙壤土，肥力相近，為中高等水平， 0～20 cm土層含有機質24.8 g·kg-1，全氮 1.3 g·kg-1，堿解氮103.1 mg·kg-1，有效磷32.2 mg·kg-1，速效鉀106.8 mg·kg-1。

1.2試驗設計

試驗設5個灌水量梯度，以北京小麥平均灌水量5水(W5，2 550 m3·hm-2)為對照(CK，模擬生產)，逐漸減少灌水量至4水(W4，2 100 m3·hm-2)、3水(W3，1 650 m3·hm-2)、2水(W2，1 200 m3·hm-2)和1水(W1，750 m3·hm-2)，處理設置見表1 。試驗設田間和盆栽試驗，田間試驗灌水方式為半固定式噴灌，用水表記載灌水量；盆栽試驗用量筒灌水記錄灌水量。其他田間管理同常規生產。

表1　限量灌溉處理設置

田間試驗在房山竇店進行，3次重復，共15個區，每個區域面積800 m2。盆栽試驗在昌平農科院基地進行，盆栽裝置為1.5 m長的原裝土柱，4次重復，共20個盆，每盆面積0.096 25 m2。于2014年9月28日播種，基本苗均為450萬株·hm-2。田間試驗注重群體指標的調查，盆栽試驗注重個體指標的調查。

1.3檢測項目與方法

1.3.1莖蘗數(群體指標)調查

田間試驗中，選定具有代表性的樣點，分別于起身期(4月6日)、拔節期(4月20日)調查群體莖蘗數。

1.3.2個體指標測定

盆栽試驗中，于灌漿期測定旗葉的葉長、葉寬，并計算葉面積；于成熟期考察穗長、總小穗數、不孕小穗數。

1.3.3產量及其構成因素測定

成熟期每個小區單獨測產，并測定有效穗數、穗粒數、千粒重。

1.3.4耗水量及水分利用效率測定

在田間，于小麥播種前、收獲后，用土鉆取0～200 cm(每20 cm 為一土層)土樣, 烘干后測定土壤含水量，采用土壤水分平衡法計算總耗水量。

水分利用效率=籽粒產量/總耗水量；灌水利用效率=籽粒產量/灌溉水量。

1.4數據分析

采用SAS 8.0 軟件進行方差分析，其他分析在Excel中進行。

2　結果與分析

2.1限量灌溉對小麥產量及三要素的影響

限量灌溉下，灌水量對小麥產量有顯著性影響。隨著灌水量的減少，小麥產量降低(表2)。與對照相比，田間試驗4水、3水、2水、1水處理下小麥產量的減幅分別為2.4%、4.1%、13.5%和22.0%；盆栽試驗對應的減幅分別為5.7%、15.9%、28.2%和45.9%，2水、1水處理下的減幅均達到顯著水平(P<0.05)。

灌水量對產量三因素的影響分析表明，隨著灌水量的減少，小麥有效穗數、穗粒數、千粒重呈降低趨勢。對于有效穗數而言，田間試驗4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少了0.6%、2.6%、10.8%和15.6%，后兩者減幅達到顯著水平；盆栽試驗對應的減幅分別為0.1%、0.4%和0.3%和1.4%，1水處理的減幅達顯著水平。

對穗粒數而言，田間試驗4水、3水、2水、1水處理較對照的減幅分別為0.4%、0.2%、1.1%和4.9%；盆栽試驗對應的減幅分別為0.0%、0.4%、0.7%和1.5%， 1水處理下的減幅均達到顯著水平。

對于千粒重而言，田間試驗中各處理間差異均不顯著；盆栽試驗中，當灌水減少至2水時，千粒重的減幅達到顯著水平，2水和1水處理下，千粒重的減幅分別為1.3%和1.4%。

表2　不同灌水處理小麥的產量及其三要素

同列數值后的不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。表3至表6同。

Different letters within the same column indicate significant difference among treatments at 5% level. The same as in table 3-6.

2.2限量灌溉對小麥群體動態的影響

由表3可知，與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥起身期莖蘗數分別減少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔節期小麥莖蘗數分別減少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%，后三者減幅均達到顯著水平。到成熟期，3水處理下小麥有效穗數減幅縮小，與對照差異不顯著；2水和1水處理下的有效穗數較對照減幅達顯著水平。

表3　不同灌水處理下小麥的莖蘗數(群體動態)

2.3限量灌溉對小麥穗部性狀的影響

由表4可知，與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥穗長分別減少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%，總小穗數分別減少0.6%、6.9%、10.3%和7.7%，后三者減幅均達到顯著水平。對于有效小穗數而言，4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水處理與對照差異顯著。

2.4限量灌溉對小麥旗葉性狀的影響

由表5可知，4水、3水、2水、1水處理下小麥旗葉葉長較對照分別減少2.9%、8.6%、10.2%和21.4%，后兩者的減幅達到顯著水平；葉寬分別較對照減少2.1%、6.8%、8.2%和13.0%，后

三者的減幅達到顯著水平。對于旗葉葉面積而言，4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少4.6%、16.4%、16.5%和31.4%，后三者的減幅達到顯著水平。

表4　不同灌水處理下小麥的穗部性狀

表5　不同灌水處理下小麥的旗葉性狀

2.5限量灌溉對小麥水分利用效率及耗水組成的影響

灌水量對小麥水分利用效率有顯著性影響。3水處理下，小麥的水分利用效率最高，為1.60 kg·m-3，且顯著高于對照。隨著灌水量的減少，灌水利用效率顯著增加，且各處理間差異顯著(表6)。

表6　不同灌水處理下小麥的耗水總量及水分利用效率

對于耗水組成而言，灌水量減少，土壤供水量增加，1水處理下，小麥從土壤中獲取水分的比例最高，達48%(表7)。

2.6限量灌溉對小麥經濟效益的影響

各處理間，除灌水投入外，其他投入一致。與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下的效益分別減少213、290、1 770和3 077元·hm-2(表8)。灌水量降至2水時，合計每公頃效益減少1 500元以上。

目前北京小麥灌水水電投入只有電費投入，假定收水費，灌溉水投入在1～3元·m-3時，3水處理下的小麥凈效益達到最大；灌溉水投入在4～6元·m-3時，1水處理下的小麥凈效益達到最大，常規灌溉、4水處理出現負效益(表9)。

表7　不同灌水處理下小麥的耗水組成

表8　不同灌水處理下小麥的產值及成本投入分析

小麥單價按照2.4元·kg-1計算；灌溉水按照0.5元·m-3計算。

The price of wheat was calculated as 2.4 yuan·kg-1;The price of irrigation water was calculated as 0.5 yuan·m-3.

表9　不同灌水處理下灌溉用水價格與凈收益的關系

3　討 論

3.1灌水量對小麥產量的影響

劉昌明等[16]通過灌水試驗資料的統計分析得出：拋物線關系式最符合灌區小麥生產的實際情況。這就意味著，在一定的灌水范圍內，產量隨著灌水的增加而增加[17-18]。本試驗中，以平均灌水量2 550 m3·hm-2為對照，隨著灌水量的減少，產量降低，說明2 550 m3·hm-2在產量最高點(灌水量)的范圍內。因此，在現有灌溉現狀基礎上限水，產量會降低。當水量減至2水(1 200 m3·hm-2)時，產量開始出現顯著降低，減幅達13%以上；水量減至1 650 m3·hm-2時，產量未出現顯著降低。

限量灌溉下，水分對小麥產量的影響主要是通過影響有效穗數、穗粒數實現的。本試驗中，當水量減少至2水時，有效穗數開始出現顯著降低；水量減至1水時，穗粒數顯著降低。有效穗數的減少是因為群體的減少，試驗中，4水、3水、2水、1水處理下小麥起身期總莖數較對照分別減少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔節期總莖數分別較對照減少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%。穗粒數的減少是因為穗長縮短、不孕小穗數增加、有效小穗數減少。與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥穗長減少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%；有效小穗數減少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水處理的有效小穗數減少顯著。

3.2灌水量對小麥水分利用的影響

本試驗中，當灌水減少至3水時，水分利用效率達到最高，為1.60 g·m-3。隨著灌水量的減少，小麥對土壤水的利用增加，1水處理下，小麥耗水組成中，從土壤中獲取水分的比例達48.1%，這與許振柱等[19]、孫 敏等[20]節水增產的理論基礎一致。節水增產措施基于對土壤水的充分利用，減少灌溉量，可以提高土壤水的利用效率，降低麥田總耗水量[21-23]。

3.3灌水量對小麥經濟效益的影響

灌水在2 550 m3·hm-2內，隨著灌水量的減少，效益也減少，當水量減少至4水、3水時，每公頃效益減少在300元以內；當水量減少至2水、1水時，畝效益減少達118元以上。如果實施灌水收費制度，當灌水投入在1元·m-3以上，每公頃灌水量超過1 650 m3，凈效益相對減少，灌水投入單價越大，灌水量越需控制。在實施灌水收費制度或強制限水時，農戶灌水量減少，小麥生產的絕對效益是較充分灌溉降低的，此時應考慮適當補貼彌補限水地區小麥生產損失。

綜合考慮產量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量無補貼的情況下，半固定式灌溉下3水(越冬水750 m3·hm-2、拔節水450 m3·hm-2、灌漿水450 m3·hm-2)的灌水方式是最佳選擇；再降低灌水量，效益損失加大，種植戶不容易接受。

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Effect of Limited Irrigation on Wheat Yield, Water Use Efficiency and Its Planting Benefits in Beijing

ZHOU Jihong1, MAO Sishuai1, WANG Junying1, XUE Xuzhang2,TONG Guoxiang3, LUO Jun3, XIE Chunyuan3

(1.Beijing Agricultural Technology Extension Station, Beijing 100029, China; 2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipments, Beijing 100097, China; 3.Fangshan Institute of Agricultural Technology in Beijing, Beijing 102446,China)

Four irrigation treatments(2 100 m3·hm-2, 1 650 m3·hm-2, 1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2) were set to investigate the effects of limited irrigation in Beijing on wheat growth, yield, water use efficiency and its planting benefits by field and pot experiments, with the average amount of irrigation(2 550 m3·hm-2) as control(CK).The results indicated that:compared with the control, yield reduction was not significant under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, while that was significant under the other two treatments(1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2). Yield reduction was due to the decrease of effective spikes and kernels per spike. Decreased spikes were due to the reduction of tillers(setting stage and jointing stage). The spike length was shortened, and sterile spikelets was increased, and eventually effective spikelets was reduced, which led to the reduction of kernel number per spike. With the reduction of irrigation, water use efficiency increased and reached the maximum under the treatment of 1 650 m3·hm-2. Compared with the control, the net output of wheat was decreased less than 290 yuan per hectare under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, and that was decreased more than 1 700 yuan under the other two treatments. Taking the yield, water use efficiency and benefits into account, under limited irrigation without subsidies, the irrigation amount of 1 650 m3·hm-2(winter water 750 m3·hm-2, jointing water 450 m3·hm-2and filling water 450 m3·hm-2) is suitable.

Limited irrigation; Wheat; Yield; Water use efficiency; Benefits

2016-01-29

2016-03-01

2015年北京農業技術試驗研究項目；北京市農業局團隊建設專項(BAIC09-2015)；國家自然科學基金項目(31171489)

E-mail：tgzzjh@126.com(周吉紅)；msshhappy@163.com(毛思帥，與第一作者同等貢獻)

S512.1；S318

A

1009-1041(2016)08-1043-07

網絡出版時間：2016-08-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1120.018.html