深層灌水條件下冬小麥適宜灌水深度的研究

陳　爽， 孫西歡，2， 馬娟娟， 郭向紅

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西太原 030024； 2.山西水利職業技術學院，山西運城 044004)

近年來，水資源短缺問題成為制約我國北方地區農業發展的主要因素[1]。小麥是黃土高原旱地主要農作物之一，干旱和貧瘠限制了旱地小麥高產。傳統高產小麥栽培通常采用灌水多、耗水量大、水分利用效率低的平作或大水漫灌的栽培方式[2]，導致土壤板結及土壤結構的破壞[3]。合理地利用有限的水資源，采用合理的灌溉方法提高水分利用效率和灌溉水利用效率，成為小麥生產迫切需要解決的問題。小麥根系是支撐地上部生長、吸收水分和營養成分的重要功能性器官，其數量、分布、構型等特征密切關系著植株的生長發育、生理功能以及產量形成[4]。相比其他環境因素，大量的研究結果表明，冬小麥的根系對土壤水分的反應更為敏感[5]。在華北地區節水灌溉條件下，深層土壤供水及深層根系活動對維持小麥生長發育至關重要。

以往的節水灌溉制度主要集中于灌水定額[6]、灌水次數[7]和灌水時期方面的研究[8]，而對于結合土壤含水量的整體深度灌溉方式的研究尚少。灌水總量不變，結合含水率的深層灌水方式，相比傳統的地表灌溉，能明顯誘導冬小麥根系下扎，增加根系的入土深度[9]。不同深度灌水條件下適當增加灌水深度可顯著增加小麥產量，提高收獲指數[10]，以往對不同深度灌水的研究未考慮植物的整體，因此本試驗進一步分析深層灌水條件下結合地上部和根系發育，利用主成分分析法研究冬小麥適宜灌水深度，以充分發掘深層灌水的節水潛能，提高土壤水分的利用效率，為促進節水灌溉提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗田概況

試驗于2015年10月至2016年6月在山西運城水利職業技術學院實訓基地(34°48′N，110°41′E，海拔約370 m)進行。基地多年平均降水量559.3 mm，主要集中在7—9月，年平均日照時數2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗區土壤屬于中壤土，地下水埋深大于6 m。播種前在耕層施入底肥，后測得耕層土壤有機質含量為20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，有效鉀含量206.5 mg/kg，有效磷含量45.79 mg/kg。0～300 cm 土壤物理參數見表1。

1.2　試驗與設計

試驗品種為國審麥良星99，于2015年10月12日播種，3葉期每根土柱定苗12株，密度等同大田，其他管理措施同當地大田管理。采用塑料管土柱法，以灌水深度為控制因子，共設5個處理(表2)，每個處理3次重復，部分土柱設置含水率管。

表1　土壤物理參數

表2　試驗不同處理

試驗共進行5次灌水：越冬期至返青期全按地表灌溉處理，拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期、灌水深度通過取根得到各處理平均最大根深來計算。單次灌水量是按當地大田管理換算得到每根土柱的總灌水量分別為不含含水率測管 2 036 mL、含含水率測管1 923 mL，先將設計灌水深度土層分層，再將每層結合相應土壤含水量通過點滴管加入所需水分灌到田間持水量的一定百分數，最后將剩余水量灌入地表。

1.3　測定指標與方法

1.3.1地上部分在每個生育期用直尺測量植株株高(取4個方向的平均值)，葉長葉寬及土柱內所有葉片數，然后求得葉面積指數LAI=LA/S(葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，S為試驗筒底面積)，剪取地上部分在室內烘箱75 ℃烘干至恒質量，測定小麥地上部分干質量。小麥成熟后測定每柱穗長、柱穗數、穗粒數、千粒質量、產量等指標。

1.3.2根系部分取出土柱，縱向分開PVC管，測量平均最大根深，然后每隔10 cm橫向切開，放在篩子里沖洗收取各層根系后，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系掃描儀進行掃描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序對所得圖像進行分析獲得根系數據；掃描后的根樣在75 ℃烘干至恒質量，測定根干質量。根系活力采用TTC法測定。

1.3.3光合指標測定用LI-6400XT便攜式光合儀進行測定，在冬小麥生育期(返青期、拔節期、抽穗期、灌漿期)內，每個生育期選取2個晴天測定光合生理特性的各項指標。

1.4　數據處理

采用SPSS對樣本進行主成分分析；使用Excel、Origin軟件對數據、圖表進行處理。

2　結果與分析

2.1　不同灌水深度對冬小麥生長發育的影響

2.1.1對株高、葉面積指數的影響不同處理下，小麥株高變化如圖1-a所示，不同處理的株高的總體變化趨勢一致，呈現隨著生育期的推進逐漸增大，在灌漿期達到最大，隨后在灌漿成熟期逐漸減小的過程；相比T1地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促進植株增高，株高T4>T3>T5>T2>T1；由圖1-b可知，葉面積指數也呈現出深層灌水條件下總趨勢與地面灌溉一致，但T4處理在重要的生育期始終大于其余各處理；綜上，說明最有利于株高增長以及葉面積指數增大的處理為T4(灌水深度為根系分布深度的75%)。

2.1.2對平均最大根深、總根長、根系活力均值、根冠比的影響圖1-c為各生育期各處理冬小麥的平均最大根深，可以看出，隨著小麥的生長發育，各處理冬小麥根系持續生長，根深逐漸變大；自拔節期對小麥進行了灌水處理后，T2、T3、T4、T5根系入土深度均明顯大于T1，相比T1的地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促進根系向下伸長，誘導根系下扎。且T5>T4>T3>T2>T1，這說明試驗灌水到達深度越大，冬小麥根系的入土深度越大。由圖1-d可以看出不同處理的小麥總根長變化的總趨勢一致，但各個處理之間存在差異，返青拔節后T5>T4>T3>T2>T1，直到抽穗期T4=T3>T5>T2>T1，說明在根系分布深度的60%、75%處灌水，有助于根系增多，總根長增大。由圖1-e可以看出，根系活力的總趨勢是從越冬期開始增大，在拔節期達到最大然后減小的過程，還可看出，T1明顯小于其他處理，在拔節、抽穗期T5>T4>T3>T2>T1，在灌漿、成熟期T4>T3>T5>T2>T1，這說明深層灌水有利于增加根系活力且灌水深度為根系分布深度的60%、75%時顯著提高冬小麥整體根系活力值。圖1-f為根冠比的總體趨勢，即返青期達到最大值，隨后逐漸減小，反映了冬小麥“先長根后長苗”的特點。但從返青開始，T1>T2>T3>T4>T5，根冠比隨深度增大逐漸減小，這是由于根系部分的增長程度不及地上部分的質量增加，使得根冠比減小。

2.1.3對產量結構的影響由表3可知，穗長、單穗粒數均為T4>T3>T2>T5>T1，柱生物量為T4>T3>T5>T2>T1，柱穗數為T5=T3>T4>T2>T1，千粒質量、柱產量、收獲指數為T4>T3>T5>T2>T1；綜合看來，T3(灌水深度為根系分布深度的60%)、T4(灌水深度為根系分布深度的75%)處理表現出了其優勢， 有利于產量的增加、產量結構的改善，小麥收獲指數顯著提高。

2.2　對葉片光合特性和水分利用效率的影響

光合作用是植物體內最重要的代謝過程，故土壤水分狀況對植物光合作用具有重要影響[11]。由表4可知，凈光合速率T4>T3>T5>T2>T1，氣孔導度、胞間CO2濃度T3>T4>T5>T2>T1，蒸騰速率T3>T5>T4>T2>T1，說明深層灌水有利于促進植株的光合作用。

葉片WUE指單位水量通過葉片蒸騰散失時，光合作用所能生產的有機物質量，是WUE的理論值[12]，計算公式為：WUE=Pn/Tr，式中Pn為凈光合速率[μmol/(m2·s)]；Tr為蒸騰速率[mmol/(m2·s)]。由表4可知，T4>T3>T5>T2>T1，說明灌水深度不同，對葉片的水分效率影響不同，T3、T4處理下的WUE較大，說明灌水深度為根系分布深度的60%、75%時最利于葉片對水分的利用。

表3　不同灌水深度條件下小麥的產量及其構成

注：同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下表同。

3　利用主成分分析法對不同處理進行綜合評價

主成分分析法是利用幾個較少的綜合指標反映原來指標的一種統計方法[13]，已廣泛應用在許多領域，此方法是將原來指標重新組成一組新的互相無關的幾個綜合指標[14]來代替原來指標[15]。對冬小麥的各個生長指標進行主成分分析，建立指標體系：蒸騰速率(X1)、氣孔導度(X2)、胞間CO2濃度(X3)、葉片WUE(X4)、凈光合速率(X5)、平均最大根深(X6)、總根長(X7)、根系活力(X8)、柱產量(X9)、株高(X10)、葉面積指數(X11)、根冠比(X12)。原始數據標準化后經過主成分分析得出的初始特征值和主成分因子方差貢獻率及方差累計貢獻率。由表5可知，前2個主成分因子的累計貢獻率為95.144%(大于85%)，信息損失僅為4.856%，說明此主成分提取較為理想，說明這2個因子能很好地代替其他指標解釋上述12個觀測指標所包涵的信息。

由表6可知，第一主成分(F1)主要包含蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、葉片WUE、凈光合速率、最大根深、總根長、根系活力、柱產量、株高、根冠比這11項指標表征為冬小麥光合生長主成分，解釋了占總體82.282%的信息量，其值越大，說明冬小麥光合蒸騰過程越強烈，根系活動更強烈，有助于植株根系生長及對土壤水分的吸收，株高及產量值越大，但根冠比低；第二主成分(F2)主要包含葉面積指數，其值越大，說明葉面積指數越大，有助于吸收陽光，促進生長。

表5　初始特征值和主成分因子方差貢獻率及方差累計貢獻率

表6　各觀測指標貢獻率

由表7可知，第一主成分排名T4>T3>T5>T2>T1，表示深層灌水相比地面灌溉不同程度有助于冬小麥生長發育，深度較淺(T2灌水深度為根系分布深度的40%)和深度較深(T5灌水深度為根系分布深度的90%)弱于T3、T4，也可看出灌水深度為根系分布深度的60%、75%處理的植株，光合蒸騰作用增強、葉片對水分的利用增強，植株根系及地上部分發育更好，根系活力值變大，地上部分物質增長使得根冠比減小，這與前面理論分析結果基本一致；第二主成分排名T4>T3>T2>T1>T5，灌水深度為根系分布深度的75%，T4處理排名最高，這說明此深度有利于葉面積變大，促進了植株地上部分的增大。

表7　主成分得分及排名

綜合評價得分排名T4>T3>T5>T2>T1，說明在考慮各個指標的情況下，灌水深度為根系分布深度的75%最有益于植株各方面，為深層灌溉條件下冬小麥生長的最適宜深度。

4　結論

本試驗通過研究不同深度灌水對冬小麥生育期內生長指標的影響，結合主成分分析法綜合評價，得出結論如下：

(1)隨著生育期的不斷推進，植株的各項指標的變化趨勢一致，但灌水深度為根系分布深度的75%(T4)最有利于株高的增長，能顯著增加產量，提高小麥收獲指數、光合作用及水分的利用效率。

(2)深度灌水方式，有利于促進根系向下伸長，誘導根系下扎。根系分布深度的60%、75%處灌水，有助于根系增多、總根長增大、根系活力值增大。而地上部分增質量的比例大于根系，使得根冠比減小。

(3)運用主成分分析法對植株生長發育各項指標進行了分析，分析結果表明深層灌水條件下，最有利于冬小麥生長的處理為T4(灌水深度為根系分布深度的75%)。

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