不同微噴灌灌水量對冬小麥生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

徐袁博，李援農(nóng)，銀敏華，任全茂，王星，陳紫薇

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

冬小麥是陜西關中地區(qū)主要的糧食作物，其產(chǎn)量的高低關系到當?shù)氐募Z食安全與農(nóng)民民生問題。陜西地處西北干旱半干旱地區(qū)，降雨量少且時空分布不均，土壤貧瘠且保水保肥性差，耕作粗放，水肥資源緊缺[1]。據(jù)資料統(tǒng)計，我國因干旱所造成的小麥產(chǎn)量損失約為其它自然災害的總和[2]。水資源日益短缺，已成為制約冬小麥生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要因素，而提高農(nóng)田水分利用效率是解決冬小麥生產(chǎn)的根本途徑[3-4]。因此，在關中地區(qū)探索一種既可以節(jié)約水資源，又可以提高冬小麥產(chǎn)量的高效節(jié)水灌溉方式就顯得尤為重要。目前，關中地區(qū)小麥生產(chǎn)中多采用傳統(tǒng)的畦灌，灌水量難以控制，往往造成灌水過多，水分利用效率較低[5]。

噴灌是一種現(xiàn)代化的節(jié)水灌溉技術,眾多學者已就噴灌條件下田間小氣候變化、土壤水氮運移特征、冠層截留和水分再分配、作物生理特征變化、作物生長動態(tài)和耗水規(guī)律[6]等開展了大量的研究工作,并提出了相應的灌溉制度。與傳統(tǒng)畦灌相比，噴灌和滴灌灌水量降低12.9%～41.5%，產(chǎn)量和水分利用效率分別提高11.3%～30.0%和23.1%～56.0%[7-9]。微噴帶灌溉是在噴灌和滴灌的基礎上發(fā)展起來的一種新型灌溉方式，它利用微噴帶[10]將灌溉水在較低工作壓力下均勻地噴灑在田間，所用設施相對簡單、廉價，易于收放[11-12]。有研究表明，與傳統(tǒng)畦灌相比，微噴帶灌水定額減少67.5～75.0 mm，0～30 cm 土層土壤容重降低0.2 g·cm-3，可抑制土壤養(yǎng)分下滲和增加土壤通透性，具有節(jié)水和灌溉均勻等特點[13-14]。因此，在微噴帶灌溉模式下，探索出適合冬小麥的灌水量很重要。本試驗研究了不同微噴灌灌水量下冬小麥的生長狀況，以期為當?shù)囟←溛妿Ч喔燃夹g及灌水量提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年10月—2016年6月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室試驗站進行，該試驗站地處北緯34°17′38″，東經(jīng)108°04′08″，海拔521 m，年平均氣溫為13℃，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm，年平均降水量632 mm，且主要集中于7—9月，地下水埋深80 m，屬于半濕潤易旱地區(qū)，試驗土壤為壤土，體積質(zhì)量1.45 g·cm-3，田間持水率為24%(重量含水量)，耕層土壤肥力均勻。氣象資料由試驗站內(nèi)縣級自動氣象站提供。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為“小偃22號”，播種量150 kg·hm-2，行距20 cm；微噴帶采用華為折徑32 mm(直徑20 mm)斜三孔微噴帶，每個小區(qū)布置3條微噴帶，微噴帶間距2 m。試驗設4個灌水量水平(表1)：W0(0 m3·hm-2)全生育期不灌水，W1(400 m3·hm-2)拔節(jié)期和開花期分別灌水20 mm，W2(800 m3·hm-2)拔節(jié)期和開花期分別灌水40 mm，W3(1 200 m3·hm-2)拔節(jié)期和開花期分別灌水60 mm。試驗小區(qū)面積為16 m2(4 m×4 m)，每個處理重復三次，共12個小區(qū)，各小區(qū)間設1 m寬保護帶。播種前深翻并平整田地，純N 120 kg·hm-2，純P 150 kg·hm-2，純K 60 kg·hm-2作基肥于翻地前均勻撒施，人工進行播種。

表1 試驗方案 Table 1 Experimental design of water supply

1.3 測定項目與方法

從冬小麥返青期開始，每隔10天測土壤含水量一次，灌溉前后、播種前和收獲后分別加測一次。每個小區(qū)隨機取三個點，用土鉆取2 m深的土樣，每10 cm為一個取樣區(qū)間，用烘干法測土壤含水量。分別于拔節(jié)期和成熟期隨機選一行連續(xù)10 cm長的小麥植株，選取3株用卷尺測量株高，用長寬系數(shù)法測量葉面積，用烘干法測定地上部生物量。小麥成熟后，每個小區(qū)選取1 m2，經(jīng)曬干、去皮、脫粒后進行測產(chǎn)。由于地下水埋深大于5 m，生育期內(nèi)降雨較少，所以不考慮地下水補給和地表徑流作用，圖1所示為全生育期降雨量分布。水分利用效率計算公式為：

WUEY=Y/ET

(1)

其中：

ET=P+W2-W1+I

(2)

式中，WUEY為產(chǎn)量水分利用效率(kg·m-3)；Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為全生育期總耗水量(m3·hm-2)；P為生育期的降雨量(m3·hm-2)；W2、W1為播種前和收獲后200 cm土層的儲水量(m3·hm-2)；I為全生育期灌水量(m3·hm-2)。

圖1 冬小麥全生育期降雨量

Fig.1Rainfalldistributionduringwinterwheatgrowthperiod

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel2007軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，用Spss19.0對數(shù)據(jù)進行分析，用Origin9.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量對冬小麥生長的影響

株高是反映作物生長狀況的重要指標之一[15-16]。微噴帶灌溉下不同灌水量對冬小麥拔節(jié)期和成熟期株高的影響如圖2(A)所示。由圖中可以看出，拔節(jié)期各處理冬小麥株高差異顯著，并且隨灌水量的增加，冬小麥的株高呈增加趨勢，其中灌水處理W1、W2、W3分別較不灌水處理W0增加2.57、4.20、7.23cm。可見，冬小麥拔節(jié)期對水分響應明顯，增加灌水量可以明顯促進冬小麥株高的生長。冬小麥成熟期，中水(W2)和高水(W3)處理的株高明顯優(yōu)于不灌水處理(W0)和低水處理(W1)，而W0和W1、W2和W3處理之間株高差異并不明顯。這可能是由于：第一，微噴灌與常規(guī)的大水漫灌相比，每次灌水歷時較長，且灌溉水不直接澆灌在地面上，而是長時間暴露在空氣中容易造成較大的蒸發(fā)損失；第二，微噴灌灌水方式下，往往將灌溉用水噴灑在離地面較高處，噴灑的水柱極細，容易受到風的干擾，使得灌溉用水不能有效地噴灑于澆灌作物的區(qū)域，影響了灌溉用水的利用效率，所以在大田環(huán)境下進行微噴帶灌溉時，灌水量不宜過小。

圖2(B)為不同灌水處理下的冬小麥葉面積變化特征。可以看出，各處理在拔節(jié)期和成熟期的葉面積大小均表現(xiàn)為：W3>W2>W1>W0，并且在冬小麥生育后期各個處理間差異更加明顯，高水處理W3的葉面積明顯高于其它處理，其單株葉面積高達59.93cm2，較不灌水處理W0增加了20.5cm2。可見，在開花期適當增加灌水量可以使冬小麥葉面積明顯增加，從而一定程度上增加冬小麥光合面積，增強光合作用，進而促進冬小麥灌漿。

不同微噴帶灌水處理下冬小麥生物量在拔節(jié)期與成熟期的變化趨勢與株高和葉面積基本類似，如圖2(C)所示。拔節(jié)期是冬小麥整個生育期的需水關鍵期，適當?shù)墓嗨梢源碳ぷ魑锔档奈c生長，從而促進冬小麥拔節(jié)和生物量積累。該生育期高、中、低三個灌水處理的冬小麥生物量分別比全生育期不灌水處理增加了83.4%、54.4%和25.5%。冬小麥成熟期，處理W0、W1、W2之間生物量積累的差異仍顯著，其中處理W3與處理W2之間差異有所減少。可見，一定范圍內(nèi)繼續(xù)提高灌水量對冬小麥生物量的累積效應有所減弱。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: different letters indicated significant difference atP<0.05 level.

圖2 不同灌水量對冬小麥生長的影響

Fig.2 Effect of irrigation amount on winter wheat growth

2.2 不同灌水量對冬小麥產(chǎn)量的影響

不同灌水量下冬小麥的產(chǎn)量及其構成因素如表2所示。由表2可知，灌水與不灌水處理間冬小麥籽粒產(chǎn)量差異顯著。3個灌水處理與不灌水處理相比籽粒產(chǎn)量均有顯著提高，并且隨灌水量的增加，冬小麥籽粒產(chǎn)量總體呈上升趨勢。說明在冬小麥開花灌漿期適當?shù)卦黾庸嗨梢源龠M冬小麥灌漿，使冬小麥籽粒獲得更多的養(yǎng)分，提高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而達到增產(chǎn)的目的。其中處理W1、W2、W3分別較W0處理產(chǎn)量分別增加17.75%、35.78%、36.72%，而處理W2和W3之間籽粒產(chǎn)量差異不顯著。圖3為不同灌水量下冬小麥的籽粒產(chǎn)量，由擬合曲線可以看出籽粒產(chǎn)量增加的速率隨著灌水量的增加而減小。分析原因可能有兩點：其一，在生育后期冬小麥生長比較密集，植株相互遮擋，使得微噴帶灌水均勻性受到影響，降低了水分的有效利用；其二，在冬小麥生育后期，降水量相對其它生育時期比較充足，已經(jīng)基本可以滿足冬小麥的耗水需求，此時進行補灌不再需要過多水量。可見，在冬小麥關鍵生育期進行適量的灌水，可以提高冬小麥產(chǎn)量。各處理千粒重的整體變化趨勢與籽粒產(chǎn)量大致相同，處理W1、W2、W3的千粒重分別比處理W0增加了0.96%、2.87%、3.98%。說明充分的灌水可以促進冬小麥的生殖生長，使得冬小麥籽粒更加飽滿，進而提高冬小麥的產(chǎn)量。有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的結果表明，增加灌水量可以促進冬小麥孕穗抽穗，提高冬小麥的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。可見，在冬小麥關鍵生育期進行適量的灌水，可以有效改善冬小麥穗部性狀，并提高經(jīng)濟產(chǎn)量。

圖3 不同灌水量下冬小麥的籽粒產(chǎn)量

Fig.3 Yield of winter wheat under different irrigation amount

表2 不同灌水量對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響 Table 2 Effect of irrigation amount on yield and its components of winter wheat

注:同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母者差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: different letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level; the same below.

2.3 不同灌水量對冬小麥水分利用效率的影響

表3為各處理冬小麥整個生育期的耗水量、水分利用效率和收獲指數(shù)，地下深度2 m處土壤含水量在播種前和收獲后無明顯變化。由表3可以看出，W0、W1、W2、W3四個處理間各相鄰處理的耗水增加量分別為：392.76、466.04 m3·hm-2和535.27 m3·hm-2，且處理W1、W2和W3的耗水量分別較處理W0增加了13.42%、29.33%和47.60%。即隨著灌水量的增加，對應的耗水量也隨之增加。各處理水分利用效率由高到低依次為W2>W1>W0>W3。在W2處理(即拔節(jié)期和開花期各灌水40 mm)下，冬小麥具有最高的水分利用效率，相比W0處理和W3處理分別增加了0.09 kg·m-3和0.22 kg·m-3，并且顯著高于W3處理，但是與W1處理之間的差異并不顯著。此外，處理W3的水分利用效率相比對照W0處理降低了0.13 kg·m-3。這可能是由于過度的水分虧缺造成冬小麥產(chǎn)生一定的脅迫效應，使得冬小麥通過自身調(diào)節(jié)有效利用有限的土壤水分，實現(xiàn)水分的高效利用。這與黃玲[17]所得出的一定程度干旱脅迫引起水分利用效率增加，在拔節(jié)期和灌漿期灌水反而會降低水分利用效率的結論一致。不同灌水量下冬小麥收獲指數(shù)表現(xiàn)為W2>W3>W1>W0,即隨著灌水量的增加，收獲指數(shù)先升高后降低。可見，為了獲得較高的收獲指數(shù)，灌水量并不是越多越好。

表3 不同灌水量下冬小麥耗水量、 水分利用效率和收獲指數(shù) Table 3 Water consumption, water use efficiency and harvest index of winter wheat under different irrigation amount

3 討 論

灌水量對冬小麥的生長、產(chǎn)量以及水分利用效率均有明顯影響。嚴重的水分脅迫會抑制作物的生長,其生長速率和干物質(zhì)積累量均顯著低于一直處于較好供水條件下的作物[18-19]。冬小麥的供水量與總耗水量呈線性正相關, 回歸斜率為0.67～0.71[20]。灌水量越大,冬小麥耗水量及生物量越高,但最高產(chǎn)量卻是在適度缺水的情況下獲得的[21]，這與本研究結果一致。

作物產(chǎn)量和水分利用效率與耗水量密切相關。但由于地區(qū)環(huán)境及小麥品種等因素的差異，研究結果不盡一致。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量隨耗水量增加呈線性增大。Kang等[21]則認為,冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率與耗水量之間呈二次函數(shù)關系，且當耗水量為350～490 mm時,冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率較優(yōu)。本研究結果表明，隨著微噴灌灌水量的增加，冬小麥籽粒產(chǎn)量的增加速率減小；水分利用效率先增加后減少；且當微噴灌灌水量在80～120 mm(耗水量為378.8～432.3 mm)時冬小麥取得較好的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，這與上述研究結論基本一致。關于籽粒產(chǎn)量最高時對應的灌水量、不同灌水處理下的耗水量和水分利用效率以及該模式下的水肥耦合效應及其對冬小麥生長的影響還有待進一步研究。

4 結 論

通過研究微噴帶灌溉下不同灌水量對冬小麥生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，得出以下結論：

1) 冬小麥株高、單株葉面積和地上部生物量均隨灌水量的增加呈上升趨勢。在灌水量為120 mm時，冬小麥有著最大株高、單株葉面積和生物量。在80 mm和160 mm灌水量下，冬小麥株高和生物量的差異有所減少，說明一定范圍內(nèi)繼續(xù)提高灌水量對冬小麥株高和生物量的累積效應有所減弱。

2) 4個處理(高水120 mm、中水80 mm、低水40 mm和不灌水0 mm)之間的千粒重和籽粒產(chǎn)量均為高水>中水>低水>不灌水。冬小麥在高水處理下獲得最大產(chǎn)量，但與中水處理相比，增產(chǎn)幅度不明顯，因此本試驗中灌水量以80 mm為宜。

3) 隨著灌水量的增加，各處理冬小麥的耗水量明顯增加，而水分利用效率和收獲指數(shù)卻是先增加后減少，并且在灌水量80 mm處理下達到最大。這不僅與作物自身有關，也與灌水方式有一定的關系。

綜合分析不同灌水量對冬小麥生長指標、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，可以得出在采用微噴帶灌溉時，灌水量80 mm有利于冬小麥的生長，且可以獲得較高的產(chǎn)量和水分利用效率，從而實現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)的目標。

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