溝壟集雨種植模式下灌溉量對關中地區冬小麥產量和水分利用效率的影響

張雪玲，郗洛延，梁海燕，劉璐璐，廖允成，劉 楊，溫曉霞

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

陜西是中國一個重要的小麥產區，常年播種面積在113.33萬hm2左右。小麥生產對保障陜西糧食安全、社會穩定和農業經濟發展有著重要意義。陜西關中平原土地肥沃、光溫資源充足、農田灌溉條件完善，是陜西乃至西北的主要小麥產區，該地區小麥播種面積和總產量分別約占陜西全省的80%和85%，同時也是發展優質小麥的適宜區域[1]。

但是，關中地區降雨量較少且時空分布不均，降雨主要集中在7-9月，與小麥生育季相悖[2]，因此小麥生產易受到干旱脅迫[3]。為了實現該地區小麥的高產優質，必須進行補充灌溉以補償降雨的不足。但是，該地區的麥田灌溉存在灌溉方式粗放、灌水量大等問題，導致灌溉水分利用效率低[4]，造成當地寶貴水分的浪費。因此，進行節水灌溉，提高灌溉水利用效率，是當地小麥高產、高效、可持續生產的必須要求。

溝壟集雨種植技術是中國北方旱作農區的重要種植措施。其通過田間構筑溝壟、壟上覆膜、溝內種植，雨水向溝內聚集并減少蒸發散失與地表徑流，降雨在農田實現就地空間再分配與利用，達到蓄水保墑作用[5]。在旱作農區的研究表明，溝壟集雨種植技術能有效改善土壤水分狀況，促進作物生長，顯著提高作物產量與水分利用效率[6]。

溝壟集雨種植技術能夠收集降雨所產生的地表徑流，降低無效蒸發[7-9]，增加種植區及作物根域土壤含水量，延長水分利用期[10]；同時可以顯著地降低風蝕[11]，有效地減少表面徑流和土壤侵蝕[12]，顯著提高水分利用效率[13-14]。目前，溝壟集雨種植技術已成為中國北方旱作農區一種行之有效的集水栽培措施，在旱地農業生產中發揮著重要作用。但是，前人關于溝壟集雨種植的研究主要集中于缺乏灌溉條件的旱作農區，關于在灌溉農區應用溝壟集雨種植的相關研究較少[8, 15-16]。將溝壟集雨種植應用于灌溉農區，能否利用其雨水富集效應，提高土壤水分含量，進而減少農田灌溉量、提高作物水分利用效率，目前尚不名明確。

基于此，本研究立足關中灌溉農區，在小麥生產中設置溝壟集雨種植和傳統平作種植2種種植方式，同時在2種種植方式下設置0、400、1 200、2 000 m3/hm24種灌溉量，測定不同處理下土壤水分含量、溫度、小麥產量，計算小麥水分利用效率，探討溝壟集雨種植模式下灌溉量對冬小麥產量和水分利用效率的影響，以期為溝壟集雨技術引入灌區達到節水增產的效果提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015-2016年在西北農林科技大學斗口試驗站進行，位于東經108°52′，北緯34°35′，屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13 ℃，降雨量540 mm。供試土質為土，0～20 cm土壤體積質量1.05 g/cm3，0～20 cm土層中有機質為14.60 g/kg，全氮1.14 g/kg，堿解氮99.40 mg/kg，速效磷 20.24 mg/kg，速效鉀 243.20 mg/kg，屬中等肥力。2015-2016年冬小麥生育期降雨量為123.89 mm，小麥生育季逐月降雨量和月平均溫度如圖1所示。

圖1 冬小麥生育期月降水量和月平均溫度Fig.1 Monthly rainfall and temperature in growth stages of winter wheat

1.2 試驗設計

設置溝壟集雨種植(R)和傳統平作(F)2種種植方式，每種種植方式下設置0(N)、400(L)、1 200(M)和2 000 m3/hm2(H)4種灌溉量，共8個處理，隨機排列，重復3次。每個小區面積為4.5 m×4 m，小區之間間距1 m。各灌溉處理均在越冬和拔節期進行，每次灌溉量均為總灌溉量的一半，灌溉量用水表進行計量。

溝壟集雨種植溝壟寬度均為30 cm，小麥種植在溝內膜壟兩側。平作不起壟不覆膜。2種種植方式小麥行距均為30 cm，播種量為150 kg/hm2。播前整地基施尿素(N 225 kg/hm2)和過磷酸鈣(P2O5120 kg/hm2)。供試品種為‘西農979’，于2015-10-15播種，2016-05-26收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產 量 在小麥成熟期每個小區取1 m植株測定穗數、穗粒數和千粒質量。同時每個小區收獲1 m2的植株，脫粒測定產量。

1.3.2 土壤含水量 在播前和收獲期測定0～200 cm土層土壤含水量。在越冬期、拔節期、開花期、乳熟期測定0～100 cm土層土壤含水量。分別在溝和壟取土，取平均值。各處理均以20 cm為分層單位用土鉆取土，樣品取后立即放入鋁盒，稱鮮質量后置于烘箱中，110 ℃烘至恒質量，稱干土質量，計算土壤含水量。

1.3.3 土壤溫度 小麥播種至成熟期，用河北省武強縣紅星儀表廠生產的地溫計測定種植區5 cm、10 cm土層溫度。在8:00，12:00，18:00測定，取三者平均值代表當天土溫。

1.3.4 水分利用效率

W=h×ρ×b%×10

(1)

式中：W為土壤貯水量(mm)；h為土層深度(cm)；ρ為土壤體積質量(g/cm3)；b%為土壤水分質量百分數。因試驗地地下水位較低，地下水供給忽略不計。

ET=(P+I+ΔW)

(2)

式中：P為降水量(mm)；I為灌水量(mm)，ΔW為階段內土壤貯水量的變化(mm)；ET為耗水量(mm)。

WUE=Y/ET/10

(3)

式中：WUE為作物水分利用效率(kg/m3)；Y為作物籽粒產量(kg/hm2)；ET為耗水量(mm)。

1.3.5 節水增產效果計算方法 采用單位糧食生產節水量和單位耗水量增產進行處理間比較[6]。單位糧食生產節水量和節水率，若傳統灌溉(本試驗中FH處理)的耗水量為W1，其產量為Y1，減灌處理的耗水量為W2，其產量為Y2。單位糧食生產下不同減灌處理比傳統灌溉節水量近似為ΔW=W1/Y1-W2/Y2，節水率βW=ΔWY1/W1×100%；單位耗水量下不同減灌處理比傳統灌溉增產量ΔY=Y2/W2-Y1/W1；增產率βY=ΔYW1/Y1×100%。

1.4 數據處理與分析

采用 Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5分別進行數據整理和繪圖，用SPSS 16.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥產量及產量構成因素的影響

在溝壟集雨種植與平作種植下，隨著灌水量的增加冬小麥產量均呈現提高趨勢。4種灌溉量下溝壟集雨種植產量均顯著高于平作，但增產幅度不同(表1)。在小麥全生育季不灌溉的情況下，溝壟集雨種植處理產量為3.34 t/hm2，高于平作處理41.52%。在小麥全生育季灌溉量分別為400、1 200和2 000 m3/hm2時，溝壟集雨處理產量分別為5.44、6.90和7.09 t/hm2，分別高于平作處理70.00%、27.54%和14.35%。說明溝壟集雨種植能夠有效地改善作物的水分狀況并且在關鍵生育時期灌水能夠達到節水增產的效果。

灌溉量增加與溝壟集雨種植均能增加單位面積穗數與穗粒數。在同一灌溉量水平下RN、RL、RM處理單位面積穗數分別顯著高于FN、FL、FM處理，RH處理高于FH處理但差異不顯著。各處理穗粒數變化與單位面積穗數變化一致。RL、RM、RH處理較RN處理穗數顯著提高，RM與RH處理差異不顯著。平作種植下的4種處理也表現類似趨勢。同一灌溉量水平下(除免灌處理)溝壟集雨種植各處理千粒質量大于平作種植。溝壟集雨種植下各處理千粒質量表現為隨著灌水量增加先增后降(RM>RL>RH>RN)。平作種植下各處理千粒質量FL>FM>FH>FN。

2.2 不同處理對表層土壤水溫的影響

如圖2所示，土壤溫度隨著生育進程先降低后增加。溝壟集雨種植處理下5 cm土溫在生長前期(2015-10-29-2016-02-07)高于平作處理，在生長后期(2016-04-01-2016-05-20)低于平作處理。溝壟集雨種植處理下10 cm土溫在生長前期(2015-10-29-2016-02-18)顯著高于平作處理，在生長后期(2016-04-01-2016-05-20)顯著低于平作處理。各處理測定時間內(除2015-12-18)10 cm土層的溫度均低于5 cm土層。灌水處理0～20 cm土層含水量隨著生育進程呈雙峰曲線(圖3)，峰值出現在進行灌溉后的一次測量。溝壟集雨種植處理下土壤含水量顯著高于平作處理。

表1 不同處理下冬小麥產量以及產量構成因素Table 1 Grain yield and yield components of different treatments

注：“*”和“**”分別表示0.05和0.01水平的顯著性，“ns”表示差異不顯著。“N”“L”“M”“H”之后的不同小寫字母表示8個不同處理之間的差異水平顯著(P<0.05)，“mean”之后不同的小寫字母表示2種不同種植方式之間的差異水平顯著(P<0.05)，下同。

Note: “*” and “**” mean significant at 0.05 and 0.01 level, respectively and“ns”means not significant differences. Different lowercase letters that are behind of “N”“L”“M”“H”indicate significantly different between eight different treatments and different lowercase letters that behind of “mean” indicate significantly different between two different planting patterns(P<0.05)，the same below.

圖2 不同處理下0～5 cm，5～10 cm土壤溫度的動態變化Fig.2 Dynamic variation of soil temperature at the depths of 5 and 10 cm during winter wheat growing season

2.3 不同處理對冬小麥生育期0～100 cm土壤水分動態變化的影響

圖4表明0～100 cm土壤含水量在越冬期、拔節期、開花期的垂直變化趨勢相同，各處理在同一時期的變化較相似。越冬期取樣在灌越冬水之前，故將此時期分成溝壟集雨與平作2個處理。溝壟集雨種植與平作種植的土壤含水量在越冬期均隨著土層深度的增加先降低后升高，20～40 cm土層含水量最低。溝壟集雨種植0～20 cm土層土壤含水量顯著高于平作處理，高5.87%。

拔節期和開花期各處理土壤含水量隨土層深度的增加呈現先降后升，在同一灌溉量下溝壟集雨種植0～100 cm平均含水量高于平作。開花期RN、RL、RM、RH處理分別較FN、FL、FM、FH處理高3.00%、2.19%、3.86%、3.52%。RM與FH處理平均含水量相近但RM處理80～100 cm土壤含水量比FH高9.38%；RL處理平均含水量低于FM處理但RL處理0～80 cm平均含水量較FM處理高4.06%，表明溝壟集雨種植能改善田間水分分配，對降低灌溉量有一定的作用。

灌漿期各處理土壤含水量隨著土層深度的加深而增加，各處理0～60 cm土層含水量的差異較開花期減小，可能是此階段作物生長較旺盛，葉片蒸騰作用強導致各處理對土壤水分消耗都加強。在同一灌溉量水平下溝壟集雨種植處理平均含水量均低于平作處理。同一種植方式下灌溉處理在成熟期0～200 cm土壤平均含水量較免灌處理高，同一灌溉量水平下溝壟集雨平均含水量低于平作處理。

誤差線0.05水平的LSD值，下同 Error bars mean the LSD at 0.05 level，the same in following figures

2.4 不同處理對冬小麥耗水特性和水分利用效率的影響

不同處理下小麥耗水特性如表2所示，隨著灌溉量增加各處理總耗水量顯著增加，2種種植方式下均表現為H>M>L>N。在同一灌溉量水平下溝壟集雨種植處理的總耗水量較平作種植顯著提高2.58%，表明溝壟集雨種植較平作種植可以顯著提高冬小麥對土壤貯水與降水的利用。作物水分利用效率隨著灌溉量的增加先增加再減小，在同一種植方式下灌溉量均為1 200 m3/hm2(RM、FM)處理的WUE值最高，但是RM與RL處理差異不顯著，兩者較RH處理分別高16.00%、21.28%。在同一灌溉量水平下溝壟集雨種植較平作種植能更加有效地利用水分，溝壟集雨種植處理WUE較平作種植平均高30.20%。

2.5 不同處理對冬小麥節水增產效應的影響

將FH處理作為對照分析表3中4個處理的節水增產效應發現，FM、RL、RM、RH處理的單位糧食生產節水率分別為9.91%、23.77%、27.25%、11.64%，單位耗水量的增產率分別為11.01%、31.21%、37.45%、13.17%，其中以RM處理效果最為顯著，單位糧食生產節水量和單位耗水量增產量分別達0.16 m3/kg、0.62 m3/kg。

3 討 論

溝壟集雨種植能有效匯集降雨、減少地表蒸發從而增加土壤含水量[17]。同時這種地表起壟覆膜方式能增加土地表面積，使地表接收更多光照[18]。有研究表明種子快速萌發與幼苗生長對作物生長和產量形成至關重要，溝壟集雨種植能夠提高表層土壤的水分與溫度，出苗較傳統種植提前2 d[19]。本研究表明溝壟集雨種植在小麥生長前期能夠提高5和10 cm地溫，但后期溝壟集雨種植地溫反而低于平作對照。溫度降低可能與生長后期溝壟集雨種植下小麥群體長勢旺盛產生遮陰效應有關。同時，本研究表明溝壟集雨種植在小麥生長前期能顯著提高0～20 cm土層土壤含水量，有利于冬前分蘗的生長，使得溝壟集雨種植穗數顯著高于傳統平作。拔節-灌漿初期是小麥水分敏感期，這一時期的水分供應顯著影響小麥的高產穩產[20]。在本研究中拔節期與開花期溝壟集雨種植0～100 cm土層平均含水量均高于平作處理，但在乳熟期低于平作處理，這可能是因為乳熟期溫度高、物質轉運快加大水分消耗，而溝壟集雨種植的小麥長勢較平作種植旺盛，對水分的消耗也有所增加。隨著灌溉量增加，各處理 0～100 cm 土層平均含水量增加，但這種差異會隨著作物生長加快需水增加而縮小。但溝壟集雨種植下土層平均含水量仍會略高于平作處理，特別是60～100 cm土層灌水處理仍維持較高的水分。

圖4 不同處理下不同時期土層土壤水分動態變化Fig.4 Dynamic changes of soil water moisture during different growth stages

種植方式Plantingpattern(P)灌溉量Irrigation(I)播前貯量/mmPre-sowingmoisturestorage降水量/mmPrecipitationamount收獲后貯水量/mmHarvestingmoisturestorage耗水量/mmTotalwaterconsumption水分利用效率/(kg/m3)WateruseefficiencyRN487.8123.89391.69d220.00f1.56cdL487.8123.89402.50c249.19d2.18aM487.8123.89430.01a301.68b2.28aH487.8123.89435.34a376.35a1.88b平均Mean--414.87b286.80a1.98aFN487.8123.89394.67cd217.02f1.09eL487.8123.89415.73b235.96e1.36dM487.8123.89438.89a292.80c1.85bH487.8123.89439.11a372.58a1.66bc平均Mean--422.10a279.59b1.49bF測驗 Ftest(P)--******F測驗 Ftest(I)--******F測驗 Ftest(P×I)--ns****

表3 不同處理的節水增產效應Table 3 Water-saving and yield promotion of different treatment

溝壟集雨種植能夠改善土壤水分分配，壟上覆膜溝內灌溉使水分集中于溝內并降低蒸發[21]。Wu等[15]在玉米集雨節灌試驗中發現灌溉量降低一半時，溝壟集雨與對照相比并未使0～60 cm土層土壤含水量顯著降低。本試驗研究表明開花期RM與FH處理的0～100 cm土層土壤平均含水量相近且RM處理80～100 cm的土壤含水量比FH高9.38%，表明溝壟集雨對降低灌水量有顯著作用。前人研究表明通過調節灌溉定額與調整灌溉時期能夠提高土壤水利用率[22]。本試驗表明，隨著灌溉量的減少，土壤貯水消耗量增加，這與前人土壤耗水量與灌水量呈負相關的研究結果一致[23]。隨著灌溉量的增加，總耗水量顯著增加，當灌溉量達到2 000 m3/hm2時，灌溉量占總耗水量的百分比超過50%，顯著高于減灌處理，不利于小麥對土壤水的利用。

前人研究表明，冬小麥的耗水量大于148.8 mm時才能形成經濟產量[23]，耗水量與產量呈拋物線關系，當耗水量在370～440 mm時可實現冬小麥節水高產[24]。但本試驗發現在0～200 mm灌溉量范圍內，產量隨著灌溉量增加而增加，表明在西北半濕潤易旱區，降雨不足以支持小麥高產所需水分，灌溉量對于維持小麥的高產具有重要影響。但適當的水分脅迫能夠使小麥獲得較高的水分利用效率[25]。Li 等[26]發現在中等干旱條件下，小麥耗水量大幅下降，但產量降幅較小，因此其水分利用效率顯著提高，但重度干旱會顯著降低小麥產量和水分利用效率[27]。因此，如何選擇適宜的灌溉量，在維持小麥產量的前提下提高水分利用效率是西北半濕潤易旱區小麥生產的重要目標。劉曉英等[28]研究也表明，覆膜集雨技術使冬小麥增產36%～42%，水分利用效率提高39.5%～59.5%。本研究表明，4種灌溉量下溝壟集雨種植產量均顯著高于平作。表明在同等水分條件下，溝壟集雨種植均表現出顯著的增產效應，提高作物對水分的利用效率。但不同灌溉量下溝壟集雨種植的增產效果不同。在無灌溉條件下，溝壟集雨種植處理增產41.52%。當灌溉量為400 m3/hm2時，溝壟集雨種植增產效應達到70.00%。但是，當灌溉量升至1 200 m3/hm2和2 000 m3/hm2時，溝壟集雨處理增產效應降至27.54%和14.35%。從這些結果分析可知，在無灌溉條件下，可能受制于小麥當季降水較少，溝壟集雨種植模式集水效果并未充分發揮，增產效應相對較低。當少量補充灌溉后，傳統平作處理由于蒸發大等原因，水分散失較多，但是溝壟集雨種植模式充分發揮其聚水、減少蒸發的效應，將少量的灌溉用水聚集于種植區，使作物更加高效地用水，顯著提高其產量和水分利用效率。但隨著灌溉量的提高，平作處理作物用水情況好轉，作物生長受水分脅迫較少，因此，溝壟集雨種植的增產效應在較低灌溉條件下減弱，但仍顯著增產。

4 結 論

本研究結果表明，同一灌溉量下溝壟集雨種植在小麥生長前期能夠提高0～10 cm土層土壤溫度，同時提高拔節期、開花期0～100 cm土層的平均含水量，促進小麥對土壤水分的利用，顯著提高小麥產量。在小麥全生育季不灌溉、灌溉量分別為400、1 200和2 000 m3/hm2的情況下，溝壟集雨種植處理產量分別高于平作處理 41.52%、70.00%、27.54%和14.35%。

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