不同灌水模式對冬小麥產量及水分利用的調控效應

王家瑞，劉衛星，陳雨露，康 娟，張艷菲，徐文俊，侯閣閣，李 華，王晨陽,2

(1.河南農業大學，河南鄭州 450000； 2.國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450000)

黃淮冬麥區是中國小麥主產區，產量占全國總產的50%[1]。該區小麥全生育期耗水量約450 mm，而降水量僅200～220 mm，只能滿足小麥需水量的40%～50%[2-3]，水分是制約該區小麥生產的主要因素。有研究顯示，適量灌水可以增加黃淮冬麥區小麥干物質積累量，提高產量[4-6]。實際生產中，為提高作物產量，農民通常在1個小麥生長季內漫灌3～4次，不僅降低了水分利用效率，還造成水資源浪費，并導致地下水位以每年1.5 m的速度下降[7-8]。灌水對小麥的影響與生育期間降雨量及其分布有很大關系，在小麥全生育期降水114.7 mm的條件下，在抽穗+灌漿期灌水時產量最高[9]；在降水47.9 mm的條件下，以灌拔節+開花+灌漿水處理增產效果最佳[10]。王淑芬等[11]認為，豐水年不灌水、平水年灌拔節水、欠水年灌拔節水+抽穗水(每次灌水量60～75 mm)，小麥可獲得較高的產量和水分利用效率。

提高自然降水和灌溉水利用效率是節水農業需要解決的關鍵問題[12]。麥田總耗水量包括降水量、灌水量和土壤貯水消耗量。研究表明，土壤貯水消耗量與灌水量呈負相關[13]；隨灌水量增加，總耗水量也增加，但土壤貯水消耗量和降水量占總耗水量的比例降低[14]，水分利用效率和灌水利用效率也隨之下降[15]。前人關于大田條件下不同灌水模式對光合[16-17]和物質轉運[17]的影響也做了大量研究。本研究在池栽條件下，通過精確定量灌水，研究了不同灌水模式對冬小麥產量、耗水特性和水分利用效率的影響，并通過因素間的相關分析，探尋黃淮地區最佳節水高產灌溉模式，以期為該地區節水灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2011-2014年在河南農業大學科教園區大型網室進行。該地區屬北溫帶大陸性季風氣候，常年平均氣溫14.4 ℃，年均降水量617 mm，日照時數2 213 h，年均蒸發量1 910 mm。

試驗在分層土壤回填水泥池進行，水泥池不封底，長×寬×高=1 m×1.5 m×2 m，于2008年拉原狀土(土壤原有耕層結構未破壞)分層回填，土壤為潮土，土壤質地為砂質壤土，土質分布均勻，為該地區的代表性土壤類型。自2011年開始，土壤性狀已基本穩定，0～20 cm土壤有機質10.8 g·kg-1，全氮0.96 g·kg-1，堿解氮87.4 mg·kg-1，速效磷26.1 mg·kg-1，速效鉀 132.8 mg·kg-1，田間持水率22.3%。供試小麥品種為矮抗58，設置全生育期不灌水(W0)、灌1水(拔節水，W1)、灌2水(拔節水+孕穗水，W2)和灌3水(拔節水+孕穗水+灌漿水，W3)4個處理。采用隨機區組設計，4次重復。每次灌水45 mm，灌水量用水表嚴格控制。每公頃施純氮240 kg、純磷(P2O5)120 kg和純鉀(K2O)100 kg，氮肥按5∶5分基施和拔節期追施2次施入，磷、鉀肥全部基施。全生育期各項農田管理措施均按當地高產田進行。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 干物質量和產量測定

開花期掛牌標記同一天開花的單莖，成熟期于每小區取30個單莖，分莖+葉鞘(莖鞘)、葉片、籽粒、穗軸+穎殼(穗穎)4 部分取樣，測定干物質量，并調查穗數和穗粒數，收獲記產，測定千粒重。

1.2.2 土壤含水量和水分利用效率測定

在冬小麥關鍵生育時期，每20 cm為一層取0～100 cm土樣，采用烘干稱量法測定并計算土壤質量含水量。

土壤貯水消耗(△S)=10ΣρiHi(θi1-θi2)，(i=1,2,……,n)

耗水量(ET)=△S+I+P+K，

式中，i為土層編號；n為總土層數；ρi為第i層土壤干容重；Hi為第i層土壤厚度；θi1和θi2分別為第i層土壤播前和收獲時的含水量，以占干土重的百分數計；I為全生育期灌水量(mm)；P為有效降水量(mm)；K為時段內的地下水補給量。試驗點地下水埋深大于2.5 m，K值可以不計。

水分利用效率(WUE)=Y/ET；

灌溉水利用效率(WUEI)=Y/I；

降水利用效率(WUEP)=Y/P;

灌水效益(IB)=(灌水處理籽粒產量-不灌水處理籽粒產量)/灌水量；

式中，Y為籽粒產量；ET為總耗水量(mm)；I為灌水量(mm)；P為降水量(mm)。

1.3 氣象數據

2011-2012、2012-2013和2013-2014年冬小麥全生育期間降水量分別為209.2、204.5和222.6 mm(圖1)，均高于多年(1951-2006年)平均降水量(201.2 mm)，但年份間降水分布不同，2011-2012年，僅11月份的降水量就占全生育期的一半以上(56.5%)，而2012-2013和2013-2014年后期降水較多，其中，4-5月降水量分別占全生育期的71.1%和47.4%；2012-2013年冬小麥全生育期降水集中在5月下旬(100.6 mm)。2012年12月-2013年2月平均最低氣溫為-4.7 ℃，較常年(-2.9 ℃)低1.8 ℃ ，而2013-2014年5月平均最高溫度為35.6 ℃，較常年(27.3 ℃)高8.3 ℃。

圖1 歷史期間(1951-2006)和試驗期間(2011-2014)的月降水量和月平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and mean temperature for the historic period (1951-2006) and during the experimental period (2011-2014)

1.4 數據分析

采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理和統計分析以及圖表繪制，運用Duncan 新復極差法(SSR)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同灌水模式對小麥成熟期各營養器官干物質積累與分配的影響

小麥成熟期干物質在不同器官的積累量和分配比例表現為：籽粒>莖鞘>穗軸+穎殼>葉片，其中籽粒的分配比例為41.0%～57.1% (表1)。灌水增加了總生物量和各器官的干物質積累量，并以W2處理最大，其總生物量及莖鞘、葉片、籽粒和穗軸+穎殼干物質積累量，2011-2012年分別較不灌水處理(W0)增加30.3%、23.9%、55.3%、31.5%和20.7%，2012-2013年分別比W0處理增加48.7%、47.9%、5.0%、55.7%和48.9%，2013-2014年分別比W0處理增加49.1%、37.3%、20.7%、71.3%和49.1%。增加灌水，小麥莖鞘和穗軸+穎殼占干物質總重的比例減小，與W0相比，2013-2014年3個灌水處理的平均值分別減小6.9%和18.5%；灌水增加了籽粒占干物質總重的比例，2011-2012、2012-2013和2013-2014年分別較W0增加15.7%、35.4%和47.1%。

2.2 不同灌水模式對田間耗水來源及其占總耗水量比例的影響

由表2可知，年份、灌水及其互作對耗水量和各組分所占比例均達到顯著或極顯著差異。隨灌水量增加，冬小麥全生育期的總耗水量呈增加趨勢，W1、W2和W3處理總耗水量較W0分別增加27.1、70.4和94.9 mm(3個生長季平均值)。在耗水構成中， 灌水量增加，灌水量占總耗水量的比例增加，而降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例則降低。W0、 W1、W2和W3灌水模式下降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例(3個生長季平均值)分別為55.2%、51.4%、46.6%、44.1%和36.7%、30.4%、26.9%、21.4%，且W0處理較W1、W2和W3處理分別增加7.3%、18.4%、25.0%和21.0%、36.6%、71.9%。

表1 不同灌水模式下不同器官的干物質積累量及其占總生物量的比例Table 1 Effect of different irrigation regimes on dry matter accumulation in different organs of winter wheat

同一列數據后的不同小寫字母表示同一年份不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different small letters mean significant difference among treatments in the same year at 0.05 level. The same in table 2-4.

表2 不同灌水模式下田間耗水來源及其占總耗水量的比例Table 2 Effect of different irrigation regimes on water consumption amount from different sources and the ratio of total water consumption amount

* 和**表示在0.05和0.01水平差異顯著。下同。

* and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same in table 3 and 4.

2.3 不同灌水模式對冬小麥水分利用效率的影響

隨灌水量增加，冬小麥水分利用效率呈先升后降趨勢，灌水量為45 mm和90 mm處理(W1 和W2)的水分利用效率較高，但2個處理間差異不顯著(表3)。隨灌水量增加，灌水利用效率(IWUE)和灌水效益(IB)顯著降低，W3處理較W1處理分別降低64.0%和48.9%(2011-2012年)、64.3%和59.8%(2012-2013年)、60.5%和45.3%(2013-2014年)；土壤貯水利用效率(SWUE)和降水利用效率(PWUE)增加，灌水處理的平均值較不灌水處理分別增加54.6%和25.3%(2011-2012年)、91.0%和57.9%(2012-2013年)、97.5%和58.7%(2013-2014年)。

2.4 不同灌水模式對冬小麥產量的影響

年份和水分對冬小麥產量及其構成因素的影響均達到極顯著水平，但年份與水分間互作不顯著(表4)。不同年際間各處理產量存在差異，其中2012-2013年產量最低(4種灌水模式平均值)，較2011-2012年和2013-2014年分別減少20.0%和9.5%，可能是由于冬小麥全生育期降水分布不均和寒冬、冷春的影響。

由表4可知，W1、W2和W3處理冬小麥產量較W0處理，2011-2012年分別增加17.5%、31.5%和27.0%，2012-2013年分別增加54.0%、55.7%和65.0%，2013-2014年分別增加40.1%、71.3%和66.0%，說明灌水處理可以明顯增加冬小麥產量。從產量構成因素看，灌水能增加冬小麥的穗數和穗粒數，而千粒重隨灌水增加呈先降低后增加的變化趨勢，說明產量增加主要是因為穗數和穗粒數增加。

表3 不同灌水模式對冬小麥水分利用效率的影響Table 3 Effect of different irrigation regimes on water use efficiency of winter wheat kg·hm-2·mm-1

2.5 耗水量與產量和水分利用效率的關系

由表5可知，耗水量與產量、水分利用效率、降水利用效率和土壤貯水利用效率均呈顯著或極顯著正相關，與灌水利用效率和灌水效益呈負相關，但未達到顯著水平。水分利用效率與降水利用效率和灌水利用效率均呈極顯著正相關，表明提高自然降水和灌溉水利用效率均有利于小麥水分利用效率的提高。

冬小麥產量和水分利用效率與全生育期總耗水量呈二次曲線關系(圖2)，當灌水量較少時，產量和水分利用效率均隨灌水量的增加而增加；當灌水量增加至一定程度時，產量和水分利用效率達到最大值，但水分利用效率與產量的最高點并不重合，水分利用效率先于產量達到最大值?？梢姡S耗水量增加，水分利用效率的變化比產量更為敏感。

表4 不同灌水模式對冬小麥產量及其構成的影響Table 4 Effect of different irrigation regimes on grain yield and its components of winter wheat

表5 冬小麥耗水量、籽粒產量和水分利用效率的相關分析Table 5 Correlation coefficients among total water consumption, grain yield and water use efficiency of winter wheat

*和**分別表示相關性在0.05和0.01水平上達到顯著水平。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 討 論

隨灌水量增加麥田總耗水量升高[19]。適度灌溉或水分虧缺有利于降低麥田耗水量，提高水分利用效率[15,20]。本研究表明，灌水量為0～135 mm時，隨灌水量增加，冬小麥全生育期總耗水量增加，而土壤貯水消耗量和降水量占總耗水量的比例均降低。不同處理間，灌溉水的增加量與總耗水量的變化量并不相等，這是因為在一定灌水量范圍內，隨灌水次數增加，冬小麥對土壤水分的利用效率增加。因此，要充分利用冬小麥生長期間的土壤貯水，應在適宜的范圍內確定相應的耗水量，以增加耗水組成中的土壤貯水消耗比例，減少灌溉水的用量，達到節水增產的目的。

圖2 冬小麥總耗水量與產量及水分利用效率的關系Fig.2 Relationships between total water consumption and grain yield and water use efficiency of winter wheat

灌溉是作物高產的基礎，在一定范圍內增加灌水量可提高小麥產量；但過量灌水則導致產量和水分利用率顯著降低[6,8]。張勝全等[13]認為，灌拔節+開花水的小麥產量最高，繼續增加灌水產量降低。本試驗條件下，4種灌水處理均能增加冬小麥產量，但增產效應隨灌水次數增加而遞減，灌拔節水冬小麥產量較對照增加34.5%，灌2水(W2)時增產幅度減小至11.8%，繼續增加灌水產量不再增加。同時耗水量則表現出相反的趨勢，灌拔節水耗水量較對照增加27.1 mm，灌2水時耗水量增加43.3 mm，而水分利用效率不增加。灌水對產量的影響在不同年份間差異較大，2011-2012年冬小麥產量最高，但灌水增產效應最小；2012-2013年和2013-2014年產量顯著低于2011-2012年，主要因為冬小麥全生育期降水量分布不均，降水主要集中在收獲前期，需水敏感時期(拔節至抽穗期，3月10日至4月15日)降水量僅為13.1 mm(2012-2013年)和19.2 mm(2013-2014年)。在適宜的水分脅迫下，小麥可以獲得較高的水分利用率[20]。在中等干旱條件下小麥耗水量明顯下降，有利于水分利用效率的提高[21-22]；但過度水分虧缺顯著降低了小麥產量[23-24]。本研究表明，適宜的水分脅迫(W1)有利于減小耗水量，增加水分利用效率，且保持相對較高的產量。

在高產條件下，冬小麥生育期總耗水量和水分利用效率、產量均呈二次曲線關系[13,17]。馬瑞昆等[23]構建了高產麥田供水量與產量關系的直線-拋物線動態復合量化模型，劃分了供水高效、供水效率緩增和供水降效3個階段。本研究表明，隨灌水量增加，產量和水分利用效率均增加，其中水分利用效率以灌拔節水處理的最大，產量以灌拔節水+孕穗水處理的最大。相關分析表明，水分利用效率與灌水利用效率和降水利用效率均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.914和0.699，說明提高灌溉水和自然降水利用效率均有利于提高水分利用效率。在本試驗條件下，正常降水年份灌拔節水1水可獲得相對較高的產量和水分利用效率；而在相對干旱年份須在孕穗-開花期增加1次灌水，才有利于獲得較高小麥產量和水分利用效率。