噴灌定額和灌水頻次對冬小麥產量及品質的影響分析

周麗麗 薛 彬 孟范玉 李晶晶 臧文靜 嚴海軍

(1.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083； 2.北京市農業技術推廣站， 北京 100029)

0 引言

華北地區是我國糧食主產區，小麥產量占全國小麥總產量的75%[1]。水資源緊缺且分配不均，嚴重制約著該區小麥產業的發展。冬小麥生育時期耗水量較大，通常情況下高產冬小麥的整個生育時期需水量高于400 mm[2-4]，而同期降水量較少，因此補充灌溉是冬小麥高產栽培的重要措施。該地區農業灌溉主要采用機電井供水，井灌面積占全區農田有效灌溉面積的67.6%。由于地下水資源的過度開發，華北地區已經成為全國最大的地下水超采區，為此“十二五”期間國家啟動了華北地區節水壓采行動，大力發展噴灌和微灌等高效節水灌溉技術。圓形噴灌機噴灌作為一種重要高效節水灌溉技術，具有自動化程度高、控制面積大、運行成本低等優點[5-6]，近年來在華北地區得到了快速發展，主要應用于冬小麥、夏玉米、苜蓿等農作物。

前人研究結果表明，“少量多次”灌溉，可以實現作物節水增產及改善品質的目的。李全起等[7]研究發現，總灌水量120 mm時，在拔節期和抽穗期各灌溉60 mm的產量顯著高于拔節期一次灌溉120 mm的產量，水分利用效率也有顯著提高。王曉英等[8]研究認為，灌水頻次對冬小麥的品質有顯著影響，發現隨著灌水頻次的增多，籽粒蛋白質及濕面筋含量顯著提高。在滴灌水肥一體化技術研究方面，蔣桂英等[9]研究發現，在總灌水量375 mm時，中頻灌溉(每7 d一次)與高頻灌溉(每4 d一次)、低頻灌溉(每10 d一次)相比，小麥產量分別增加7.6%及13.5%，水分利用效率提高2.6%及9.9%，表明適宜的灌水頻次有利于提高冬小麥產量及水分利用效率。在微噴水肥一體化技術研究方面，張英華等[10]研究發現，在總灌水量150 mm時，相對于2次微噴冬小麥全生育期的多次微噴(3次或4次)能使產量提高5.3%～18.9%，水分利用效率提高5.3%～27.8%。在噴灌水肥一體化技術方面，SPALDING等[11]研究發現，圓形噴灌機水肥一體化與溝灌玉米相比，節水和節氮分別為66%及37%，且能顯著減少土壤氮素淋失。圓形噴灌機操作簡便，結合水肥一體化技術，易實現少量多次灌溉與施肥，課題組曾開展了圓形噴灌機條件下冬小麥灌溉施肥制度研究[12]，但是關于灌溉定額和灌水頻次對冬小麥生長、產量及品質的影響研究尚未見報道。

本文在已有研究的基礎上，圍繞圓形噴灌機不同灌溉定額及灌水頻次對冬小麥的生長、產量及品質的影響進行水肥一體化試驗，旨在尋求適宜的冬小麥水肥一體化技術模式和灌溉管理制度，為圓形噴灌機水肥一體化技術推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2016年在北京市順義區趙全營鎮萬畝示范基地進行(40°18′N，116°28′E，海拔高度約35 m)，試驗區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，2015—2016年平均氣溫為13.0℃，年日照時數為2 478 h，年均相對濕度為50%，多年平均降水量為585 mm，其中6—8月集中了全年降水量的75%。2014—2015年及2015—2016年冬小麥生長季(當年10月至次年6月)有效降水量分別為125.3 mm和160.2 mm。試驗區土壤質地為粉質壤土，0～80 cm土層平均田間持水量為29.8%，容重為1.55 g/cm3，耕層土壤有機質質量比為12.8 g/kg，硝態氮質量比為2.47 mg/kg，銨態氮質量比為30.47 mg/kg，有效磷質量比為26.4 mg/kg，速效鉀質量比為82.0 mg/kg，pH值為7.8。

1.2 試驗設計

試驗用冬小麥品種為農大211，分別于2014年10月1日和2015年9月30日播種，行距為15 cm，播種深度為4 cm。表1是冬小麥不同生育時期灌水定額，越冬期各處理統一灌水，第1年越冬期灌水45 mm，第2年越冬期有效降水量為45.2 mm，故未進行越冬期灌水。從返青至灌漿期設置不同灌水處理，2014—2015年設置了3種灌溉定額處理(135、112.5、90 mm，分別記作W1、W2、W3)；2015—2016年設置了3種灌溉定額處理(154.5、132、109.5 mm，分別記作W1、W2、W3)與2種灌水頻次處理(1次灌水和均分成2次灌水，2次灌水時間間隔9 d，分別記作C1、C2)，形成了6種灌溉處理，分別為W1C1、W1C2、W2C1、W2C2、W3C1、W3C2。根據冬小麥不同生育時期需水特點，在返青-拔節、拔節-抽穗和抽穗-灌漿期的灌水下限依次設定為田間持水量的70%、75%和75%。同時在各處理的每個試驗小區取3個點測定平均土壤含水率。冬小麥返青和拔節期取0～50 cm土層深度，抽穗和灌漿期取0～80 cm土層深度。通過設定圓形噴灌機的百分率計時器數值，調整圓形噴灌機的行走速度，實現不同的灌水處理。

兩年試驗施肥處理相同，追肥采用圓形噴灌機水肥一體化技術，選用泵注式施肥裝置，確保施肥均勻[13]。施用底肥量為：750 kg/hm2的復合肥(N∶P∶K為17∶20∶8)和150 kg/hm2的磷酸二銨(N∶P2O5為15∶42)，折合N為155 kg/hm2、P2O5為213 kg/hm2、K2O為60 kg/hm2。追肥分別在返青-拔節、拔節-抽穗和抽穗-灌漿期進行，肥料為水溶肥(N∶P∶K為27∶12∶14)及尿素(含氮46.7%)，折合N為145 kg/hm2、P2O5為22.5 kg/hm2、K2O為30 kg/hm2。圖1是試驗布置圖，2014—2015年試驗共3個處理，每個處理重復3次，共有9個小區；2015—2016年試驗共6個處理，每個試驗處理設置3個重復，共有18個7 m×10 m試驗小區；每個小區內取3個1 m×1 m樣方進行觀測記錄。C1和C2處理的施肥量相同，C2處理僅在第一次灌水時施肥。為避免不同處理間影響，同一處理內不同試驗小區的間距為13.5 m，不同處理間相鄰試驗小區的間距為36 m。試驗用圓形噴灌機共3跨，每跨長度為61 m，末端懸臂長度為21 m，整機長度為204 m。選用美國Nelson公司生產的D3000低壓噴頭，尾槍為意大利Sime公司的K1型搖臂式噴頭。噴灌機由2眼機井聯合供水，入機壓力為0.17 MPa，入機流量為71 m3/h。

表1 冬小麥不同生育時期灌水定額Tab.1 Irrigation amount for winter wheat at different growth stages

圖1 試驗布置圖Fig.1 Test plot layout

1.3 測定指標與方法

1.3.1 氣象數據

利用安裝在試驗地的田間氣象站對降水量、風速、風向、空氣溫濕度、太陽輻射、日照時數等氣象數據進行采集。

1.3.2 土壤含水率

采用烘干法測定土壤含水率，用土鉆取0～80 cm土層土樣，土層分為0～20 cm、20～50 cm、50～80 cm，置于鋁盒中，稱出鮮土質量，將溫度調到(105±2)℃，干燥8 h后稱土樣質量，計算土壤質量含水率。

1.3.3 冠層溫度

在冬小麥拔節、抽穗、揚花、灌漿及成熟期利用HT-8962型手持式紅外線測溫儀及Kestrel4500型手持氣象儀測量冠層溫濕度。具體測定時刻為測定當天08：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00，測量時感應器距地面1.5 m，并與水平呈30°夾角瞄準試驗小區內群體長勢一致的植株冠層，采用對稱法在試驗小區內朝4個不同方向測量取平均值。

1.3.4 籽粒產量及構成因素

將1 m×1 m樣方內的小麥全部收獲脫粒，待籽粒自然風干至含水率為12.5%時稱量。此外，另取3個長度為50 cm樣段，測定穗數、穗粒數及千粒質量。

1.3.5 籽粒品質

利用DA7200型近紅外光譜儀測定冬小麥籽粒的蛋白質質量分數、淀粉質量分數、濕面筋質量分數、容重等品質，并進行顯著性分析。

1.3.6 田間持水量

采用環刀法在室內測定田間持水量。用環刀取原狀土樣，帶回實驗室內，放在盛有蒸餾水的白色搪瓷盤中，吸水飽和24 h。在相同的土層取土樣風干，將吸水飽和后的土樣放在風干土上8 h后，取環刀上面的原狀土20 g，放入干燥箱內干燥至質量恒定，測得的土壤含水率即田間持水量。3次重復取算術平均值。

1.3.7 作物耗水量

采用水量平衡法計算作物耗水量，水量平衡法計算公式為

ET=I+ΔW+P+Ep-D

(1)

式中ET——階段耗水量，mmI——階段內灌水量，mmΔW——階段內80 cm深度內土壤儲水變化量，mm，由于灌水前后0～80 cm土層未達到田間持水量，故80 cm以下耗水量可忽略不計

P——階段內有效降水量，mm

Ep——階段內地下水補給量(試驗區地下水位為40 m，故Ep不考慮)，mm

D——階段內滲漏量，mm，經計算單次灌水量或降水量進入土壤后未達到土壤最大儲水量，故D可忽略

1.3.8 水分利用效率

水分利用效率指植株生產單位面積產量所消耗的水量，即產量與作物生育期總耗水量的比值，水分利用效率W(kg/m3)[14]計算公式為

W=0.1Y/ET

(2)

式中Y——籽粒單位面積產量，kg/hm2

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件繪圖；利用t檢驗進行C1、C2處理的顯著性分析；利用SPSS 20進行不同灌溉定額之間以及不同灌溉定額與灌水頻次組合之間的顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對冬小麥產量及其構成因素的影響

2014—2015年，冬小麥籽粒產量隨著灌溉定額的增加而增加，W1處理的籽粒產量顯著高于W2和W3處理(P<0.05)，但W2與W3處理之間無顯著性差異(P>0.05)，產量最大值為8 503.1 kg/hm2(W1)，最小值為6 615.0 kg/hm2(W3)(表2)。從產量構成因素來看，W1處理的穗數顯著高于W2(P<0.05)，但W2與W3以及W1與W3處理之間無顯著性差異(P>0.05)。穗粒數隨著灌溉定額的增加而增加，最大值為W1的28.0，最小值為W3的24.7。W1處理的穗粒數顯著高于W3處理(P<0.05)，但W2與W3以及W1與W2之間無顯著性差異(P>0.05)。千粒質量隨著灌溉定額的增加而增加，但處理之間無顯著性差異。2015—2016年，在相同灌水頻次下，籽粒產量、穗數、穗粒數、千粒質量都有隨灌溉定額增加而增加的趨勢。其中，在C1處理下，W1、W2和W3處理間產量差異顯著(P<0.05)。穗數、穗粒數和千粒質量均表現為W1處理顯著高于W3處理，但W1與W2以及W2與W3之間無顯著差異(P>0.05)。在C2處理下，W1、W2和W3處理間產量差異顯著(P<0.05)，在產量構成因素方面，穗數和千粒質量3個處理間差異顯著(P<0.05)，而穗粒數3個處理間差異不顯著。綜合所有處理，產量最大值為W1C2的9 286.4 kg/hm2，最小值為W3C2的7 797.6 kg/hm2。

在相同灌溉定額下，增加灌水頻次有提高產量趨勢，但不同灌溉定額下的表現有所不同(表3)，在W1和W2處理下，C1和C2產量差異顯著(P<0.05)；在W3處理下，增加灌溉頻次對產量無顯著影響(表3)?？梢姡诟吖喔榷~下增加灌水頻次的增產效果更明顯。在產量構成因素方面，穗數、穗粒數、千粒質量在3種灌溉定額下，C1與C2處理之間均無顯著性差異(P>0.05)，W3時C1處理的穗數、穗粒數及千粒質量均高于C2，而W1及W2時C1處理的穗數小于C2。綜合上述結果可見，關于灌溉定額與灌水頻次對產量的影響，灌溉定額起主導作用；在W1和W2處理下，高灌水頻次(C2)更有利于提高產量；在W3處理下，低灌水頻次(C1)有利于穩產。本研究從高產的角度考慮建議采用W1C2處理。

表2 不同灌水處理下冬小麥產量及產量構成因素Tab.2 Grain yield and yield components of winter wheat for different irrigation treatments

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表3 2015—2016年相同灌溉定額、不同灌水頻次的冬小麥產量及產量構成因素Tab.3 Grain yield and yield components of winter wheat at different irrigation frequencies under the same irrigation quota in 2015—2016

注：Sig小于0.05表示2個處理在0.05水平下差異顯著，下同。

2.2 不同灌水處理對冬小麥耗水量及水分利用的影響

圖2是不同處理下冬小麥不同生育時期階段耗水量及日均耗水量變化趨勢。從返青-成熟期的階段及日均耗水量均呈現出先增加后降低的趨勢，峰值出現在拔節-抽穗期。返青-拔節期由于氣溫回升，小麥莖數進一步增加以及植株生長需要消耗水分，植株的階段及日均耗水量顯著升高。拔節-抽穗期的階段耗水量在第1年及第2年占全生育時期的比重分別是29.2%～31.7%及24.0%～25.0%，日均耗水量分別是4.4～4.8 mm/d及3.8～4.4 mm/d。該時期耗水量大的主要原因是冬小麥的葉面積指數增大，植株的蒸騰作用增強，根系需吸收大量水分滿足植株的營養生長與生殖生長。冬小麥植株在抽穗-成熟期以生殖生長為主，莖及穗的發育需要消耗大量的水分，該時期的階段耗水量在第1年及第2年占全生育期的比重分別是27.8%～28.5%及31.7%～37.1%。

由圖2可見，2015—2016年的灌漿-成熟期的階段及日均耗水量均較高，主要原因是該試驗年份冬小麥生長后期降水量較大，氣溫較高，植株蒸騰作用強，籽粒灌漿消耗大量水分，2015—2016年總耗水量大于2014—2015年。

從生育期總耗水量來看，在相同灌水頻次下，總耗水量隨著灌溉定額的增加而增加，且灌溉定額對總耗水量的影響顯著(P<0.05)(表4)；在相同灌溉定額下，灌水頻次對總耗水量影響有所不同，由表3知，W2和W3處理下，灌水頻次對總耗水量的影響不顯著(P>0.05)，但W1處理下，C2的總耗水量顯著高于C1(P<0.05)，表明增加灌水頻次能顯著提高該處理總耗水量。

從水分利用效率來看(表4、表5)，在相同灌水頻次下，隨著灌溉定額的增加，水分利用效率呈下降的趨勢。在C1處理下，W1和W3的水分利用效率分別為2.22 kg/m3及2.28 kg/m3，在C2處理下，W1和W3的水分利用效率分別為2.20 kg/m3及2.28 kg/m3，但處理間差異不顯著(P>0.05)；相同灌溉定額下不同灌水頻次對水分利用效率沒有顯著影響(P>0.05)。

圖2 不同灌水條件下階段耗水量及日均耗水量Fig.2 Water consumption and daily water consumption under different irrigation conditions

2.3 不同灌水處理對冬小麥籽粒品質的影響

由表6可知，在相同灌水頻次下，不同灌溉定額對蛋白質質量分數影響顯著(P<0.05)，蛋白質質量分數隨著灌溉定額的增加而增加，2個灌水頻次下不同灌溉定額對蛋白質質量分數影響的變化趨勢一致(P<0.05)，這與許振柱等[15]研究認為適宜的灌水處理有利于籽粒蛋白質積累、改善籽粒品質的結論一致。對于濕面筋來說，隨著灌溉定額的增加，濕面筋質量分數呈先升高后降低的趨勢，2個灌水頻次下均以W2處理最高，C2處理下，W1和W2處理的濕面筋質量分數顯著高于W3處理(P>0.05)，W1和W2處理之間差異不顯著，C1處理下，W1、W2和W3處理之間無顯著差異。從成熟期籽粒淀粉質量分數來看，相同灌水頻次下淀粉質量分數隨著灌溉定額的增加而增加，C1處理下，W1的淀粉質量分數顯著高于W3(P<0.05)；C2處理下，W1的淀粉質量分數顯著高于W2和W3處理。從成熟期籽粒容重來看，相同灌水頻次下，容重隨著灌溉定額的增加呈先增加后降低的趨勢，其中，在C1處理下，W2處理的容重顯著高于W1和W3處理(P<0.05)；C2處理下，W1、W2和W3處理之間無顯著差異(P>0.05)。所有處理的籽粒容重均大于790 g/L，達到一級小麥品質等級。

表4 2015—2016年相同灌水頻次、不同灌水處理的總耗水量及水分利用效率Tab.4 Total water consumption and water use efficiency under the same frequency in 2015—2016

注：同列同頻次數據不同上角表示差異顯著(P<0.05)，下同。

表5 2015—2016年相同灌水量、不同灌水頻次的總耗水量及水分利用效率Tab.5 Total water consumption and water use efficiency of different irrigation frequencies under the same irrigation amount in 2015—2016

由表7可見，在相同灌溉定額下，C1處理蛋白質及濕面筋的含量大于C2處理，淀粉質量分數及容重小于C2處理。這表明相同灌溉定額時，增加灌水頻次有利于提高籽粒蛋白質及濕面筋含量，灌水頻次對淀粉質量分數和容重的變化規律與之相反。t檢驗結果表明不同灌水頻次對蛋白質質量分數、濕面筋質量分數、淀粉質量分數、容重均沒有顯著影響。以上研究結果表明，灌溉定額與灌水頻次對冬小麥籽粒品質影響效應中灌溉定額起主導作用。

表6 2015—2016年相同灌水頻次、不同灌溉定額的籽粒品質Tab.6 Grain quality at different irrigation quotas under the same irrigation frequency in 2015—2016

表7 2015—2016年相同灌溉定額、不同灌水頻次的籽粒品質Tab.7 Grain quality at different irrigation frequencies under the same irrigation quota in 2015—2016

3 討論

2年試驗結果均表明產量隨著灌溉定額的增加而顯著增加，這與汪順生等[16]和董志強等[17]的研究結果不同，原因可能是本研究的灌溉定額設置范圍不夠大，沒有達到產量峰值。2014—2015年W1與W2、W3處理的產量差異顯著，W2與W3處理之間的產量差異不顯著(P>0.05)，表明W1處理的產量較優。灌溉定額對穗數的影響顯著，穗數在對產量影響的要素中起到了主導作用。2015—2016年灌水頻次一定時，冬小麥產量隨灌溉定額的增加而增加，且不同灌溉定額之間的產量差異顯著。W1C2處理顯著高于W1C1處理，對其產量構成要素分析，可知C2處理的穗數及千粒質量要高于C1，這與姚素梅等[18]研究結果相近，表明C2處理的有效莖數大于C1。C2處理的分2次灌水有利于根系吸收0～50 cm土壤水分，進而減少無效分蘗，有利于提高產量。

本研究結果表明冬小麥在拔節-抽穗期的階段耗水量最大，這與王松林等[19]的研究結果一致。拔節-抽穗期為小麥需水的關鍵期，此期保證水分供應有利于植株的生長發育，提高植株光合作用，積累更多的干物質，提高水分利用效率與產量，這與肖俊夫等[20]的研究結果相似。在保證產量的同時減少灌水量也是降低冬小麥生育期耗水量及提高水分利用效率的主要途徑[21-22]，此外還可通過合理的灌溉模式來增加產量進而提高水分利用效率[23]。陳健等[24]研究得出畦灌條件下滄州、廊坊等地小麥的WUE為1.0～1.9 kg/m3，汪順生等[16]研究得出溝灌及畦灌下水分利用效率分別為1.9～2.1 kg/m3及1.5～1.8 kg/m3。本文應用圓形噴灌機水肥一體化技術，不同灌水處理的水分利用效率變化范圍為2.20～2.28 kg/m3，與傳統灌溉方式相比，顯著提高了WUE。灌溉定額對冬小麥籽粒蛋白質質量分數、淀粉質量分數有顯著性影響，這與王曉英等[8]的研究結果一致。本文對灌溉定額對冬小麥冠層溫度的影響進行了初步研究，在灌漿期之前不同灌溉定額之間的冠層溫度差異不明顯，在灌漿期至成熟期，冠層溫度隨著灌溉定額的升高而降低，2個灌水頻次的變化趨勢一致。其中在C1處理下，W3處理的平均冠層溫度比W1高1.3～1.7℃，C2處理下，W3處理比W1高2.6～2.8℃。這表明在氣溫較高時，利用圓形噴灌機灌溉可以顯著降低冬小麥冠層溫度，為籽粒灌漿創造適宜的溫濕度環境，有利于延長冬小麥籽粒灌漿持續期，從而提高冬小麥產量及品質。此外，在灌漿期高溫條件下進行適當灌水，能有效降低冬小麥的冠層溫度，增加田間水汽壓，降低植株蒸騰作用，減輕干熱風的危害，有利于籽粒灌漿，提高籽粒產量，這與LIU等[25-26]研究結果一致。

4 結論

(1)冬小麥產量隨著灌溉定額及總耗水量的增加而增加，灌溉定額對產量的影響顯著(P<0.05)，灌水頻次對產量的影響不顯著(P>0.05)，灌溉定額及灌水頻次組合對產量的影響中，灌溉定額起主導作用。最高產量處理為W1C2的9 286.4 kg/hm2。建議北京地區冬小麥在返青-拔節、拔節-抽穗、抽穗-灌漿期分別灌水45、55.5、54 mm，在圓形噴灌機條件下每個生育時期宜分2次灌水。

(2)兩年試驗結果表明，冬小麥在拔節-抽穗期的階段及日均耗水量均最大，灌溉定額對總耗水量的影響顯著(P<0.05)，但灌水頻次對總耗水量的影響不顯著(P>0.05)。水分利用效率隨總耗水量的增加而減少，水分利用效率最大為W3處理的2.28 kg/m3，最小為W1處理的2.21 kg/m3，各處理水分利用效率無顯著性差異(P>0.05)，適當提高灌溉定額可以增加產量，同時對水分利用效率影響不大。

(3)灌溉定額及灌水頻次對冬小麥籽粒蛋白質質量分數、淀粉質量分數有顯著性影響(P<0.05)，最優處理是W1C1，其次是W1C2，再次是W2C1。小麥籽粒蛋白質質量分數C2處理小于C1，表明灌漿后期C2處理的灌水會降低籽粒的蛋白質質量分數，建議在灌漿前、中期灌水。

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