關中西部灌區限量節水灌溉對冬小麥水分利用效率和產量的影響

劉小利，蔡 鐵，徐 悅，賈志寬，任小龍(1.西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100；2.農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

我國水資源嚴重短缺，其中農業用水量占經濟社會用水總量的60%左右[1]；同時我國降水南多北少、夏多冬少的特殊分布，導致北方小麥主產區長年超采地下水，嚴重破壞固有生態環境，農業用水面臨的挑戰更大。關中平原是重要的小麥產區，該地區有效灌溉面積77.5 萬hm2，占全省有效面積的56.7%，占全省耕地面積的20.2%，是陜西省水利化程度較高的地區[2]，農業用水為30.2 億m3，占總用水量的65.9%，從2004年又持續略有升高，2007年達到66.0%[3]，農業用水面臨的挑戰更大。因此，發展以節水和提高水分利用效率的節水型農業，將是解決農業缺水問題的關鍵[4-6]。

集雨技術是通過在田間修筑交替的溝壟，壟面覆膜，溝內種植作物的一種田間集水農業技術，為旱區農業主要的節水措施之一。通過壟上覆蓋地膜可使當季無效和微效降水形成徑流，疊加到種植溝內，促進降水入滲，轉變為可供作物利用的土壤水[7-9]。同時由于集雨區覆蓋地膜，又可抑制膜下土壤水分的無效蒸發，進一步提高土壤有效貯水量，改善作物根域土壤水分狀況[10, 11]。目前該項技術已經廣泛用于玉米、馬鈴薯、谷子、苜蓿、燕麥等[12-15]。顯著提高作物產量及水分利用率[16-18]。如能應用該技術于半濕潤灌溉農業區小麥種植，可使農田灌溉用水量降低50%左右。目前在該區關于集雨種植模式下土壤水分時空分布、小麥產量形成及其對限量灌水調控的響應，目前相關研究甚少，限制著該技術的應用于發展。為探明基于集雨種植模式的小麥高產節水的技術途徑，本試驗通過與傳統平作對比，研究集雨種植結合限量灌水處理對農田土壤水分、小麥產量形成及農田水分利用效率的調控效應。研究結果將進一步豐富和完善集雨種植理論與技術體系；同時有利于實現旱作栽培耕作技術在灌區作物種植上應用，實現作物節水穩產增產目標，具有重要的實踐價值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2015-2016年在西北農林科技大學農學試驗基地(E 108°04′，N 34°20′)進行，該試驗地位于秦嶺北麓，渭河平原西部的頭道塬上。年均氣溫13.5 ℃，≥0℃積溫4 800 ℃，≥10 ℃積溫4 143 ℃，全年太陽總輻射為4.808×105J/cm2，多年平均降水量580.5 mm，年均蒸發量993.2 mm，屬暖溫帶半濕潤偏旱型氣候，且降水主要集中在7-9三個月，其中小麥生長期降水量僅203.3 mm。土壤為塿土，播前0～20 cm土壤養分為有機質11.97 g/kg，全氮1.31 g/kg，堿解氮20.53 g/kg，速效磷22.34 g/kg，速效鉀97.37 g/kg，pH為7.59 g/kg，密度1.25 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗選用現階段該區主栽小麥品種西農979為材料。種植密度為225 萬hm2，行距20 cm，小區面積為22 m2(5 m×4.4 m)，3次重復；其中集雨補灌種植的溝壟比為60:40，壟高15 cm，每小區共5壟4溝，每溝種4行(圖1)，分別為2015年10月7播種，2016年6月5日收獲，2016年10月4日播種，2017年6月1日收獲。從播種出苗到成熟收獲, 小麥植株生育正常。

采用二因素隨機區組設計，主區為種植模式處理，為傳統平作和集雨種植；副區為灌水處理，設150和75 mm 2個灌水量水平(表1)。其中，傳統平作+灌水150 mm為對照處理，是該區小麥高產高效栽培模式[19]；集雨種植+灌水處理僅溝內種植區灌水(F150處理具體灌水量為1 500 m3/hm2，F75處理具體灌水量為750 m3/hm2；因集雨種植溝壟比為60∶40，故R150處理具體灌水量為900 m3/hm2，R75處理具體灌水量為450 m3/hm2)；不同處理灌水量由實驗室自行研制的滴灌系統精確控制實現，所有處理均施氮肥(以純N計)225 kg/hm2、磷肥(以P2O5計)75 kg/hm2、鉀肥(以K2O計)150 kg/hm2、氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為氯化鉀，一次基施。其他管理措施同一般大田。

圖1 種植方式示意圖Fig 1 Planting pattern schematic diagram

表1 試驗處理設置Tab.1 The trial processing set

1.3 測定方法

1.3.1 土壤水分測定

自播種之日起，在小麥主要生育期分別由TDR儀測定，可測深度為2 m，0～20 cm每10 cm測一次，20～200 cm每20 cm測一次，每處理重復3次。測定溝壟種植區時分別測壟上和溝中。

W=10CρH

(1)

式中：W為貯水量，mm；C為土壤質量含水量，%；ρ為土壤容重，g/cm3；H為土層深度，cm。

ET=W1-W2+P+IV

(2)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；W1為播前土壤貯水量，mm；W2為收獲后土壤貯水量，mm；P為小麥生育期有效降雨量，mm；IV為小麥生育期灌水量，mm。

IUE=Y/I

(3)

式中：IUE為灌水利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產量，kg/hm2；I為小麥生育期灌溉水量，mm。

WUE=Y/ET

(4)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產量，kg/hm2；ET為小麥生育期耗水量。

1.3.2 產 量

在小麥成熟期，每個小區隨機收獲2 m2小麥籽粒，計算小麥產量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel和SPSS23進行數據處理和統計，采用origin2016進行繪圖。方差分析用隨機區組試驗設計分析方法, 用Duncan新復極差(SSR)法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 冬小麥生育期降雨情況

兩年小麥生育期的降雨量分別為175.7、293.1 mm，該區小麥生育期多年平均降雨量為203.3 mm，2015年屬于平水年，大于5 mm的有效降雨為126.9 mm；2016年屬于豐水年，且降雨主要集中在返青期以后，大于5 mm的有效降雨為286 mm。整個小麥生育期降雨分布不均，降雨與小麥需水關鍵期錯位。冬小麥從播種到越冬(10月4日-2月13日)由于前期降雨充足，土壤墑情較好；拔節到揚花(3月9日-5月初)此時是小麥需水關鍵期，但2015年降水較少，僅19.4 mm；灌漿到成熟(5月初-5月末)兩年降雨較多，尤其2016年，為64.6 mm(圖2)，導致小麥倒伏率增加，小麥貪青晚熟。

2.2 不同處理對農田土壤含水量的影響

由圖3，圖4可知，小麥苗期時由于降雨充足，且集雨種植能將低于5 mm的無效降雨轉化為有效降雨，提高了苗期[圖3(a)、圖4(a)]的土壤含水量，之后開始逐漸下降，冬灌后由于返青期[圖3(b)、圖4(b)]幾乎無降雨，導致作物只能大量吸收灌溉水，土壤含水量降低，拔節期[圖3(c)、圖4(c)]再灌水后土壤含水量又逐漸回升，開花到成熟期[圖3(d)、圖3(f)、圖4(d)、圖4(f)]由于作物需水關鍵期，需要吸收大量的水分，導致上層土壤含水量又逐漸降低，兩年土壤含水量分布情況相同。整個生育過程中上層0～60 cm土層的土壤含水量變化幅度較大，在補灌之前，苗期覆膜集雨處理(R150、R75)其1 m以下的土壤含水量高于未覆膜處理(F150、F75)，1 m以上則相反，而在這期間降雨充足，由于小麥植株小，地表覆蓋較小，蒸騰速率較小，覆膜疊加的雨水主要下滲到土壤深層，以供小麥安全越冬。

圖2 小麥生育期降雨量Fig.2 The growth period of wheat rainfall

冬灌后，2015年和2016年返青期由于幾乎無降雨，小麥生長利用的水主要來自于冬灌的水，此時各處理表層土壤含水量變化幅度較大，2015年返青期1 m以上覆膜集雨處理R150、R75土壤含水量相較于對照增加了4.4%、5.7%，2016年由于返青期前降雨較多，1 m以上覆膜集雨R150、R75土壤含水量較對照只增加了4.7%和3.4%，1 m以下的傳統畦灌(F150、F75)

圖3 2016年土壤水分動態變化Fig.3 The dynamics of water content in 2016

圖4 2017年土壤水分動態變化Fig.4 The dynamics of water content in 2017

的土壤含水量均大于集雨補灌，說明集雨補灌主要增加上層土壤含水量，增強小麥的抗旱性，在降雨較少年份更明顯；拔節期補灌后，各處理上層土壤含水量都有所增加，開花到成熟期由于作物根系需要吸收大量的水分，各處理的土壤含水量又降低，2015年整個生育期0～100 cm集雨補灌R150、R75相較于對照(F150)分別增加了5.2%、5.9%，而100～200 cm對照F150比集雨補灌R150、R75增加了0.6%和0.8%。2016年由于小麥整個生育期降雨較多，為293.1 mm(多年平均為203.3 mm)，因此與2015年比，整個生育期集雨種植與傳統平作相比土壤含水量差異不大，0～100 cm集雨補灌R150、R75相較于對照(F150)分別只增加了4.8%、5.2%，100～200 cm對照F150比集雨補灌R150、R75增加了0.8%、0.4%。

綜上所述，集雨補灌在降雨較少年份能明顯的增加小麥上層土壤含水量，增加作物對水分的利用，而傳統畦灌主要增加下層土壤含水量，并不利于作物的吸收利用。

2.3 限量補灌對冬小麥產量及產量構成要素的影響

連續兩年試驗表明，隨著灌水量的增加，作物產量出現先增加后降低的趨勢(表2)。以傳統畦灌(F150)為對照，在這基礎上減少50%的灌水量(F75)，小麥產量顯著降低，在2015年，降低18.9%，在2016年，降低10.1%；而集雨種植R75與對照相比產量略有小幅下降，但差異不顯著，在2015年，籽粒產量只降低了2.3%；在2016年，增加了2.1%；2015年，集雨補灌R75較R150產量增加了1.3%，2016年，較R150增加了0.2%，且差異不顯著。這可能是因為集雨種植將小麥分成了條狀，導致小麥的邊行優勢，彌補了中行產量的降低，從而使整體籽粒產量增高。兩個生長季的小麥收獲指數均以R75最高，2015年，較對照增加4.0%；2016年，較對照減少2.6%，且兩年均與對照無顯著(P<0.05)差異。說明在降雨較少年份，集雨種植能以較低的灌水量在增加作物收獲指數的基礎上達到常規水平畦灌種植基本模式的一致產量水平。

表2 限量灌溉對冬小麥產量構成要素的影響Tab.2 Effect of winter wheat three elements under the limited irrigation

注：不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

兩年試驗集雨種植(R150、R75)的公頃穗數較傳統畦灌(F150、F75)都顯著(P<0.05)降低。在2015年，集雨種植R150、R75較對照其穗粒數顯著(P<0.05)增加16.13%、16.28%； 2016年，集雨種植的穗粒數較對照分別減少0.3%、7.4%，但差異不顯著(P<0.05)；其千粒重較對照分別顯著(P<0.05)增加24.3%、13.7%；說明集雨種植主要通過增加小麥的穗粒數及千粒重來提過作物產量。

2.4 限量灌溉對冬小麥農田水分利用效率的影響

農田水分利用效率是農業節水的重要指標，其主要包括作物水分利用效率和灌水利用效率等[20]。在2015年，在傳統畦灌F150的基礎上減少50%灌水量(F75)，小麥水分利用效率增加2.4%，二者差異不顯著(P<0.05)，但是其產量較對照顯著下降；而集雨補灌R75相較于對照(F150)在灌水量減少70%的情況下其水分利用效率顯著(P<0.05)增加，增加23.3%；傳統畦灌F75、集雨補灌R75與對照(F150)相比其灌水利用效率顯著(P<0.05)增加，分別增加68.0%、95.5%；在2016年，F75較對照(F150)其水分利用效率差異不顯著(P<0.05)，但F75產量顯著(P<0.05)降低，而集雨補灌R75較對照其水分利用效率顯著(P<0.05)增加13.0%；傳統畦灌F75、集雨補灌R75其灌水利用率較對照顯著(P<0.05)增加，分別增加81.7%、104.2%。兩年試驗中，隨著灌水量的減少，作物耗水量呈下降趨勢，其利用土壤水的能力增加。當灌水量減少對照的70%時，集雨補灌R75作物全生育期耗水量顯著(P<0.05)降低，2015年和2016年較對照分別降低26.2%、10.3%。說明覆膜集雨在減少灌水量的同時，能很好地提高對降雨和土壤水分的利用，這與鄭成巖[21]的結果一致，更能達到高產節水的目的。

以上結果表明，適量灌水可以增加小麥的水分利用效率和灌水利用率，其中在降雨較少或降雨分布不均情況下，集雨種植可顯著(P<0.05)增加小麥水分利用效率，明顯達到節水目的。

表3 限量灌溉對冬小麥耗水量、作物水分利用效率和灌水利用率的影響Tab.3 Effect of winter wheat use efficiency、WUE and IUE under the limited irrigation

注：不同字母表示不同處理差異性顯著(p<0.05)，下同。

2.5 產量與水分利用效率等相關性

由表4可知，兩年試驗中，冬小麥產量與水分利用效率和收獲指數呈正相關，而水分利用效率和灌水利用率與作物耗水量呈負相關。說明影響作物產量的主要因素是水分利用效率和收獲指數，因此通過集雨種植結合合理的補灌技術來提高小麥的水分利用效率和收獲指數。

表4 產量等指標之間的相關性Tab.4 The correlation between indicators of yield and other indicators

注：*代表顯著相關(p<0.05)。

3 討 論

(1)溝壟集雨技術通過壟上產流，溝內集流，來蓄水保墑，改變了北方干旱地區降雨時空分布不均，降低土壤的無效蒸發，顯著(P<0.05)增加了土壤含水量，從而提高了小麥的水分利用效率[22, 23]。李巧珍[24]等表明，覆膜集雨可降低深層土壤水分，提高上層土壤水分，以供作物利用。本研究結果表明，溝壟集雨技術結合小麥生育期補灌能顯著(P<0.05)增加小麥全生育期1 m上層的土壤含水量，隨著灌水量的減少，各處理土壤耗水量均降低，其中2015年R75在灌水減少對照的70%情況下顯著(P<0.05)降低32.5%，2016年降低10.3%，說明覆膜集雨在減少灌水量的同時，能很好地提高對降雨和土壤水分的利用，這與鄭成巖[21]的結果一致。

(2)作為影響小麥產量因素之一的水分，適宜的土壤水分可以提高小麥產量[25]。張忠學和于貴瑞[26]等研究表明，小麥產量和灌水量呈開口向下的拋物線關系，即在一定范圍內，隨著灌水量的增加小麥產量增加，當達到一定數值后灌水量再增加，小麥產量反下降，適度的灌溉可以降低麥田的耗水量，提高水分利用效率[27]。本試驗中，以傳統畦灌灌水150 mm為對照，隨著灌水量的減少，產量降低，說明傳統畦灌灌水150 mm在產量的最高點，而集雨補灌灌水150 mm(較對照減少40%)時其產量較對照顯著(P<0.05)降低，但當灌水量為集雨補灌75 mm(較對照減少70%)時，其產量較對照未出現顯著(P<0.05)下降，2015年當降雨量為175.7 mm時，產量只降低了2.3%。2016年當降雨量為293.1 mm時，產量較對照增加2.1%。這可能是因為集雨種植能將小于5 mm的無效降水轉化為有效降水，且集雨種植存在顯著(P<0.05)的邊行優勢，可以彌補40%的覆膜面積。

籽粒產量與每公頃穗數、穗粒數、千粒重等產量構成要素之間關系密切[28]，本試驗中，當灌水量降低時，集雨補灌的公頃穗數顯著(P<0.05)降低，2015年，R150、R75分別降低了43.4%、38.8%，但是其穗粒數較對照顯著(P<0.05)增加16.1%和16.3%。說明集雨補灌可以顯著(P<0.05)增加小麥的穗粒數，從而提高其產量，這與沈新磊[28]的結果相一致。

(3)小麥節水栽培作為節水農業的主要內容，其首要解決的就是提高水分利用率和灌溉水的利用率[29]，其中灌水利用效率是評價灌溉水利用程度的主要指標[30]。溝壟集雨種植模式可以改變土壤水分狀況，因為膜壟的覆蓋可以有效減少水分的無效蒸發，顯著(P<0.05)提高作物水分利用效率和灌水利用效率[31]。在本試驗中，當灌水為傳統畦灌150 mm時，其水分利用效率和灌水利用率最低，隨著灌水量逐漸減少，其水分利用效率呈先下降后增加的趨勢，當集雨補灌75 mm時，其水分利用效率和灌水利用率最高。張鵬等[32]研究表明與不灌水相比，集雨灌溉條件下的玉米水分利用效率可提高10.46%且其灌水利用效率相較于傳統平作顯著(P<0.05)增加；王俊鵬等[14]研究表明，與平作相比，溝壟集雨種植玉米水分利用效率顯著(P<0.05)提高，這與本試驗的結果相似，說明在節水灌溉時，不僅可以增加其灌水利用率也可以提高其水分利用效率，減少成本[33]。

4 結 語

溝壟集雨補灌技術能顯著改善土壤水分狀況，提高冬小麥產量和水分利用效率，其中集雨補灌R75提高幅度最大，兩年試驗其水分利用效率較對照分別提高了32.2%和13.1%，說明降雨偏少，或分布不均(前期較多)情況下，水分利用效率提升效果更明顯。R75與對照相比在灌水量減少70%的情況下其產量能與傳統畦灌F150保持基本一致的水平，R75具有節水高產的特性，因此，可作為半濕潤易旱區高產節水栽培模式。

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