豫西北地區土壤水分控制下限對冬小麥產量形成與水分利用的影響研究

韋 強 軍

(中科華水工程管理有限公司，鄭州 450000)

0　引　言

廣利灌區位于河南焦作市西南部，規劃面積3.4 萬hm2，其中灌溉面積2.07 萬hm2、補源面積1.33 萬hm2，現有效灌溉面積為1.6 萬hm2。灌區氣候溫和，土地肥沃，盛產小麥、玉米，兼種棉花和“四大懷藥”等經濟作物，是河南省糧食高產穩產區，對保障國家糧食安全和全區經濟社會可持續發展意義重大。

目前，廣利灌區除汛期降水普遍較多，灌區基本不引水，其他月份來水量約8 000 萬m3，因此水量缺口很大。近年來，灌區供水矛盾日益突出。一方面，隨著沁河年徑流量的減少及沁河上游山西境內水資源的大量開發利用，灌區及下游用水十分緊缺，對農業生產造成嚴重威脅。另一方面灌區農田灌溉設施落后、灌溉水利用系數較低，造成有限的水資源大量浪費，加之灌區下游大量鄉鎮企業的工業廢水及城區生活廢水排入河道，局部河段水質污染嚴重，也在一定程度上加劇了水資源供需矛盾。冬小麥是廣利灌區的主要糧食作物。冬小麥自身耗水量大，對土壤水分依賴性高，因此，研究冬小麥的耗水量及耗水規律具有非常重要的現實意義。本項目通過研究冬小麥在充分供水條件下的生長發育規律，耗水特性及水分利用效率，并分析了產量與耗水量的關系，為確定冬小麥的節水高產灌溉制度，也為灌溉工程的規劃設計、水資源的合理調配與高效利用提供理論基礎。

1　試驗材料與方法

1.1　試驗區概況

試驗在河南省焦作市廣利灌區灌溉試驗站進行。試驗站地理位置為112°55′E， 35°4′N，海拔150 m。試驗場多年平均氣溫14.5 ℃，無霜期216～240 d，日照時數2 200～2 400 h，多年平均降水量為593.5 mm，年降水量變化較大，據1971-2009的氣象資料，年最大值(1954年)為1 094.2 mm，年最小值(1965年)為262.9 mm，豐水年與枯水年可相差4倍，且降水年內季節分配不均，6-9月份降水量占全年降水量的70%以上；多年平均蒸發量1 774.8 mm(水面蒸發皿直徑為20 cm)，是多年平均降水量的3倍。年內蒸發量的變化基本與氣溫變化一致，變化規律呈正態分布，一年中以6月份最大，平均306.2 mm，11月份最小，平均86.7 mm。

表1　冬小麥的灌溉制度試驗設計　%

注：表中的數值為土壤水分控制下限占田間持水量的百分數。

1.2　試驗處理設置

試驗于2014-2016年在焦作市廣利灌區灌溉試驗站試驗場進行。供試作物為冬小麥，品種為“溫麥19”。2014-2015年試驗播種前整地時每公頃使用復合肥525 kg、尿素75 kg作底肥，耕翻耙平后打畦劃小區，小區規格20 m×6 m。2014年10月5日播種，行距25 cm，播量210 kg/hm2，10月14日出苗，2015年6月18日收獲。2015-2016年度試驗播前整地時施用900 kg/hm2復合肥作底肥，耕翻耙平后打畦劃小區，小區規格20 m×6 m，于2015年9月27日播種，行距25 cm，播量142.5 kg/hm2，10月4日出苗，2016年6月18日收獲。

冬小麥灌溉制度試驗安排了4個不同的水分處理，以土壤水分下限分別占田間持水量的80%、70%、60%和50%作為控制灌水的標準(見表1)，當土壤水分達到下限時，就進行灌水。每個處理重復3次，不同處理間設置一個保護小區作為隔離區。灌溉采用管道供水，水表量水。各處理除土壤水分控制標準不同外，其他農業栽培管理措施均相同，冬小麥收獲前，各處理均取樣進行室內考種。

1.3　試驗觀測項目及方法

1.3.1氣象資料

氣象資料的獲得是通過灌溉試驗站內安裝的Vantage Pro自動氣象站自動測定，氣象站安裝高度為3 m，安裝地點為試驗站大田內，測定內容包括太陽輻射、氣溫、空氣濕度、風速、日照時數、蒸發量以及降雨量等。

1.3.2土壤含水率測定

土壤含水量測定基本按照每10 d進行一次，包括作物播前、收獲后以及灌溉降雨前后都進行測定，測定深度為1 m，分5層，每20 cm一層。表土層0～20 cm采用取土烘干法測定；20～100 cm借助定點埋設的PVC管，利用FDR土壤水分測定儀器定時定點測定。

1.3.3作物耗水量測定

作物耗水量通過前后兩次測定的土體含水量的差值，并考慮灌水、滲漏等過程造成的水量變化，用水量平衡法確定，其計算公式如下：

ET=I+P+G-S-ΔW

(1)

ΔW=Wt-W0

(2)

式中：ET、I、P、G、S、ΔW分別為耗水量、灌水量、降水量、地下水補給量、滲漏量和土壤儲水變化量，mm；W0、Wt分別為時段初和時段末的土壤儲水量，mm。由于試驗是在小區中進行的，用塑料軟管灌水，每次的灌水量不超過75 mm，通過灌水或降水前后取土根據水量平衡法分析得出，灌溉和降雨基本上不產生深層滲漏，因此深層滲漏量S為0 。當地的地下水位較深(一般在3.0～5.0 m)，作物無法吸收利用，故地下水利用量G=0。

1.3.4作物產量及產量構成因子的調查

收獲前每處理隨機取樣15穗測定穗長、穗粗、有效穗數、穗粒數、千粒質量。同時每處理去掉邊行，收獲中間2行，測定生物產量和經濟產量。

2　結果與分析

2.1　對產量構成因素的影響

冬小麥的3個產量構成因素為有效穗數、穗粒數和千粒重。表2顯示，有效穗數和穗粒數隨著土壤水分的降低而減少，千粒重則隨著土壤水分的減少而增加。受旱嚴重的處理(T-50)的有效穗數、穗粒數最少，產量也最低，但千粒重最高。從穗粒重來看，T-60的穗粒重和產量最高。干旱處理(T-50)不僅大大減少了有效穗數，而且導致穗粒數最少，因而減產最多(18.5%～21.36%)。此外，土壤水分對無效穗數沒有明顯的影響。2015-2016年由于播的早，冬前降雨多，促進了苗早生、快發，群體過大，使得有效穗數和無效穗數都高于2014-2015年，而穗粒數則少于2014-2015年。由于2015-2016年冬小麥生長期間的降雨較均勻，且產量構成因素間的協調配合得當，因此，各處理的產量均高于2014-2015年(5.57%～17.01%)。

林寒生[7]指出“寧德話鼻韻尾與入聲韻尾在20 世紀 50-60 年代還保留著 m、n、?-p、t、k 三套完整的對應系統，但至今已發生急劇變化。目前在60-70歲以上老年人中，仍有極少數人還保留這種讀法；但絕大多數人口語中只保留m、?-p、k、?尾（即 n →?、t→k、k→?），而五、六十歲以下的人上述輔音系統已經混亂，變化不一。三、四十歲的中青輩m、n尾多混入?尾，p、t尾則已混入?尾了”。作者描寫的寧德方言音系（文中雖未明確指出調查的是寧德城關方言，但也未說明是鄉鎮點的調查，可以認為是對城關方言的調查）有5個輔音韻尾[m、?、p、k、?]，其中的鼻音韻尾有 2 個[m、?]。

表2　冬小麥在不同水分處理下的產量及產量構成因素

注：不同的小寫字母和大寫字母分別表示產量的差異達到顯著(P=0.05)和極顯著水平(P=0.01)。

通過對冬小麥不同處理下的產量結果進行的方差分析可看出，區組間的差異不顯著，而處理間的差異達到極顯著水平。用Duncan新復極差法(SSR)對各處理的平均產量進行顯著性檢驗的結果表明：2014-2015年T-80、T-70、T-60三者之間的產量差異不顯著，干旱處理T-50的產量與其他處理間的差異達到了極顯著水平；2015-2016年T-60與T-70、T-70與T-80處理間的產量差異不顯著，T-60與T-80間的產量差異顯著，而受旱處理(T-50)與T-70、T-60處理間的差異均達到了極顯著水平；高水分處理(T-80)造成顯著減產的原因是群體過大、植株過高造成輕度倒伏所致(表5)。

2.2　冬小麥耗水規律及水分生產效率

2.2.1耗水量的計算

2014-2015年、2015-2016年冬小麥的灌溉制度試驗是在大田小區中進行的，采用水量平衡法計算耗水量。根據試驗記錄，兩年大田小區試驗冬小麥耗水量的計算結果列于表3之中。通過表中數據可知，冬小麥的耗水量隨著生育期間土壤水分的降低而降低，土壤水分越低，耗水量越小，灌水量越多，耗水量越大。

2.2.2冬小麥的耗水規律

作物的耗水量與土壤、氣候、栽培管理措施(灌水、施肥、病蟲防治等)以及作物種類和自身生長的快慢、群體結構、器官大小等因素有關，這些因素的綜合作用使得其日耗水量呈現規律性的變化，在生育期內一般遵循前期小→中期大→后期小的變化規律。

表3　冬小麥不同處理的耗水量計算結果

表4、表5顯示的是兩個試驗年份冬小麥的耗水過程。可以看到，在冬小麥返青前日耗水量較小，在越冬期間日耗水量最小，返青以后日耗水量隨著氣溫的升高、作物生長速度的加快以及群體的壯大而迅速增加，到了抽穗～灌漿期達到最大值，隨后逐漸降低。從階段耗水量和模系數來看，冬小麥拔節～抽穗期耗水最多，有的處理耗水量占全生育期的三分之一還多，其次是灌漿～成熟期。不同水分處理的階段耗水量和日耗水量在越冬期間差異較小，拔節以后差異變大，灌漿后期差異又逐漸變小。不同生育階段的階段耗水量和日耗水量均隨著土壤水分的降低而下降，受旱處理T-50的階段耗水量和日耗水量最小，T-80的最大。

表4　冬小麥不同處理的階段耗水量及日耗水量(2014-2015)

表5　冬小麥不同處理的階段耗水量及日耗水量(2015-2016)

2.2.3水分生產效率

對于糧食作物來說，水分生產效率(WUE)指的是每消耗1 m3水所能生產的籽粒產量，即：WUE=Y/ET。冬小麥不同水分處理下的水分生產效率見表6。

表6　冬小麥不同土壤水分處理下的水分生產效率WUE

表6顯示，T-60的WUE最高，T-50的次之，T-80的最低。隨著土壤水分的降低，冬小麥的水分生產效率有提高的趨勢，但當土壤水分低于田間持水量的60%時，WUE又開始下降。2014-2015年T-60處理的產量與T-80、T-70的相當，但其耗水量比T-80、T-70的耗水量分別減少13.33%和8.73%，WUE比T-80、T-70的分別增加16.25%和9.38%；2015-2016年T-60處理的耗水量比T-80、T-70的耗水量分別減少28.19%和13.17%，WUE比T-80、T-70的分別增加34.50%和15.50%。2015-2016年由于降雨量多，降雨次數多，且分布比較均勻，因此不同處理冬小麥的產量和水分生產效率都比2014-2015年的高。通過對產量、耗水量及WUE的綜合評價，認為T-60處理相關的灌溉制度表現最好，即全生育期土壤水分的控制下限不低于田間持水量的60%，在足墑下種及生育期降水量179.5 mm的情況下，灌水2次，灌溉定額150 mm，拔節～抽穗期灌水1次，灌漿～成熟期灌水1次；在降雨量約235.0 mm的情況下，全生育期僅在拔節～抽穗期灌水1次，灌溉定額75 mm。

2.4　冬小麥產量與耗水量的關系

2.4.1冬小麥產量與全生育期耗水量的關系

2014-2015年、2015-2016年冬小麥的實測試驗資料顯示，產量與耗水量之間呈現出良好的二次拋物線關系，相關程度較高，其回歸方程式分別為：

Y=-1.4×10-3ET2+13.128ET-21 902

(2014-2015年)

(3)

相關系數R=0.997 3。

Y=-1.1×10-3ET2+9.590 2ET-12 320

(2015-2016年)

(4)

相關系數R=0.89。

式中：Y為冬小麥產量，kg/hm2；ET為全生育期耗水量，m3/hm2。

冬小麥的產量先隨著耗水量的增加快速增加，當耗水量增加到一定程度時，產量增加緩慢，開始呈現出“報酬遞減”現象；2014-2015和2015-2016年生長季冬小麥的耗水量分別達到4 688.6和4 359.2 m3/hm2時，產量達到最大值；此后耗水量再繼續增加，產量不但不再增加，反而開始下降。2015-2016年冬小麥生長季由于降雨量多、降雨分布均勻，高水分處理的小麥出現輕度倒伏現象，使得冬小麥的耗水量超過5 000.0 m3/hm2時，產量就快速下降，其減產的幅度要大于2014-2015年生長季。

2.4.2冬小麥水分生產效率與全生育期耗水量的關系

水分生產效率(WUE)定義為作物每消耗1 m3水所能生產的籽粒產量，即：為了便于分析，兩年試驗的WUE～ET關系也分別繪于圖7中。從圖中可以看到，WUE隨著作物耗水量的增加也有一個由漸增到漸減的變化過程，其中漸增的過程不明顯，而漸減的過程卻相當明顯，特別是2015-2016年。此外，WUE的最高點與總產量的最高點并不一致，WUE處于最高點時的耗水量ET要低于產量Y處于最高點時的ET。經回歸分析，得到兩年試驗冬小麥水分生產效率與耗水量的關系式分別為：

WUE=-2.0×10-7ET2+0.001 9ET-2.030 8

(2014-2015年)

(5)

相關系數R=0.992 1。

WUE=-1.0×10-7ET2+0.000 9ET+0.513 5

(2015-2016年)

(6)

相關系數R=0.962。

由方程式(5)、(6)可計算出2014-2015、2015-2016年冬小麥水分生產效率WUE達到最大時的耗水量ET分別為4 750和4 500 m3/hm2。

3　主要結論

(1)土壤水分狀況是影響冬小麥生長發育最重要的生態因子之一，水分虧缺會對其生長產生不良影響。有效穗數、穗長、穗粒數隨著土壤水分的降低而減少，T-50的處理最低，T-80 的處理最高，但土壤水分對無效小穗數的影響無規律性。高水分處理T-80的穗粒重很低，T-60的穗粒重和產量最高，干旱處理T-50不僅大大減少了有效穗數，而且導致穗粒數最少，因而減產最多(18.5%～21.36%)。

(2)冬小麥的耗水量隨著土壤水分的降低而減少，隨著灌水量的增加而增加。返青前日耗水量較小，在越冬期間日耗水量最小，返青以后日耗水量隨著氣溫的升高、作物生長速度的加快以及群體的壯大而迅速增加，到了抽穗～灌漿期達到最大值，隨后逐漸降低。不同生育階段的耗水量和日耗水量都有隨著土壤水分的降低而下降的趨勢，受旱越重，其受到的影響越大。根據冬小麥的階段耗水量和日耗水量變化規律，其拔節～抽穗期和抽穗～灌漿期為耗水臨界期。

(3)根據實測的田間試驗資料，分別建立了冬小麥產量、水分利用效率與全生育期耗水量之間的二次拋物線關系模型。 根據冬小麥產量與全生育期耗水量的關系得出：2014-2015和2015-2016年冬小麥的經濟耗水量分別為4 750和4 500 m3/hm2。

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