磁化水灌溉對冬小麥產量和水分利用效率的影響

張瑩瑩，宋 妮，單志杰，劉小飛，寧慧峰*，吳金龍，陳智芳

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業農村部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉 453002；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.濟南益水科技有限公司，濟南 250031）

0 引 言

【研究意義】小麥是我國重要的糧食作物，也是我國主要口糧之一。我國雖然土地資源遼闊，但農業生產用水占總用水量的60%以上，農業水資源短缺和灌溉水利用率低的問題一直存在。面對水資源日益緊張的嚴峻形勢，如何同時提高冬小麥產量及灌溉水利用效率已經成為節水農業共同關注的焦點問題。【研究進展】為達到節水優質高產的目標，前人從灌溉水源[1-2]、灌溉定額[3-5]、灌溉方式[6]、灌溉制度[7-10]等方面開展了大量研究工作，但是對于磁場技術對冬小麥生長發育等方面的深入研究還鮮有報道。磁化水灌溉作為一種先進的農業灌溉技術，受到了國內外學者廣泛關注。普通水經過磁化處理后形成磁化水，磁化作用后，灌溉水物理化學性狀會發生改變，如電導率增大、聚合度下降、表面張力降低、水分子間氫鍵減弱等[11-12]。關于磁化水對土壤質地[13-14]、種子萌發[15-17]及作物生長發育[18-21]的影響，許多學者已做過大量的研究。但目前關于磁化水對冬小麥的研究相對較少，邱念偉等[22]通過磁化水對小麥種子萌發、幼苗生長和生理特性影響的研究發現，磁化水對小麥種子萌發和幼苗生長無明顯的生物學效應，但趙國林等[23-24]的試驗研究卻發現，磁化水浸種能顯著提高小麥種子的發芽勢和出苗率，促進形成較多的有效分蘗和次生根，促進小麥生長發育的同時也提高小麥的抗旱性。【切入點】邱念偉等[22]和趙國林等[23-24]通過系統研究分析了磁化水對冬小麥幼苗生長發育的影響，但由于試驗條件和供試作物基因類型等因素的不同導致二者研究結果略有差異，為進一步探究磁化種子對冬小麥生長及產量的影響，同時更深層次探討磁化水灌溉對冬小麥生長發育及水分利用效率的影響。【擬解決的關鍵問題】通過 2 個生長季的田間試驗重點研究磁化種子及磁化水灌溉對冬小麥株高、葉面積指數、干物質積累、籽粒產量、耗水量及水分利用效率的調控效應，以期為冬小麥節水優質高產提供一定科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年和2018年10月—次年6月（冬小麥生長季）在中國農業科學院農田灌溉研究所七里營基地（N 35°18′，E 113°45′，海拔81 m）進行。試驗區多年平均降雨量610 mm，氣溫13.5 ℃，＞0 ℃積溫5 070 ℃，年累積日照時間2 497 h，無霜期220 d。試驗地土壤質地為輕壤土，0～100 cm平均土壤干體積質量為1.51 g/cm3，飽和含水率、田間持水率和凋萎系數分別為0.403、0.310 4和0.147 cm3/cm3，飽和導水率129.72 cm/d，地下水水位埋深＞5 m。土壤有機質量為1.64 g/kg，全氮量0.059 g/kg，全磷量0.012 g/kg，全鉀量0.123 g/kg。

1.2 試驗設計

供試作物為冬小麥（品種為“周麥22”），依據冬小麥生長發育特點將其生長過程劃分為播種—拔節期、拔節—抽穗期、抽穗—揚花期和灌漿—成熟期4 個生育階段。根據當地生產實踐，于2017 年10 月22 日和2018年10月15日播種，播量180 kg/hm2，行距20 cm，2018 年5 月31 日和2019 年6 月3 日收獲。播種前以復合肥（N、P、K 質量比為20∶15∶5）為基肥，用量為675 kg/hm2，返青后結合灌水追施尿素300 kg/hm2（純氮量≥46%）。鋤草打藥等田間管理活動與當地生產習慣相同。所有灌溉水源為同一水源，常規灌溉水通過變頻磁化裝置后（磁場強度0.2 T，由山東濟南益水科技有限公司生產）變成磁化灌溉水，磁化種子處理方式為將種子放入磁化裝置內磁化5 min。

圖1 實驗小區設計 Fig. 1 Design of the experiment area

試驗共設3 個處理，分別為磁化種子+磁化水灌溉（T1）、常規種子+磁化水灌溉（T2）和常規種子+常規灌溉水灌溉（T3），各處理重復3 次，共9 個小區，小區面積為20 m×9 m，各處理灌水方式均為地面畦灌。小區設計如圖1 所示，處理間設有不小于2 m 的保護區。各處理除灌溉水和種子處理方式不同外，灌水時間（2017 年12 月8 日和2018 年3 月1 日；2018 年12 月5 日、2019 年3 月11 日和2019 年4 月26 日）和灌水定額（90 mm）以及田間鋤草、打藥等管理措施完全相同。

1.3 觀測項目與方法

1）土壤含水率。在冬小麥生育期內每隔10 d 采用取土烘干法分層（每20 cm 為1 層）觀測0～120 cm土層土壤含水率，灌水前后加測，然后利用積分中值定理的方法計算觀測點處土壤平均含水率。

2）形態指標。在冬小麥生育期內每7～10 d，隨機取樣觀測冬小麥的株高、葉面積和地上部分干物質積累量。各處理每次取樣20 株觀測株高和葉面積，株高采用精度1 cm 的直尺測量；葉面積采用精度1 mm的塑料直尺測量各植株每片完全展開時完整綠色葉片的長度和最大寬度，然后采用葉面積擬合公式（葉面積=葉長×葉寬×0.78）計算取其平均值，通過單株葉面積和群體密度計算出葉面積指數（LAI）；各處理每次取樣30 株觀測地上部分干物質積累量，樣品在鼓風干燥箱中110 ℃殺青30 min，然后在75 ℃條件下烘干至恒質量，用精度0.01 g 的電子天平稱其質量。在作物主要生育期內，每個處理選取3 個1 m 行定點調查冬小麥的群體密度。

3）葉片葉綠素量。在冬小麥各生育階段利用葉綠素儀（YF-L）測定各處理冬小麥葉片的葉綠素量。各處理隨機取樣，每個處理觀測10 片葉子（抽穗前選取頂端第1 片展開葉，抽穗后選取旗葉），取平均值代表處理的平均值。

4）收獲考種與田間測產。試驗結束時各試驗小區隨機取30 株進行考種，測定株高、有效穗數、穗粒數、千粒質量（用精度0.01 g 的電子天平稱量隨機取樣的1 000 粒干籽粒質量）、地上部干物質積累量等指標。收獲時各小區選取3 個2 m2的樣方取樣，調查有效穗數，每樣方的樣品單打單收計產測算各處理產量，折合為單位面積產量。

5）耗水量與水分利用效率計算。各處理耗水量采用水量平衡方程計算：

式中：ETc為作物蒸發蒸騰量（mm）；R為降水量（mm）；I為灌水量（mm）；F為地表徑流（mm），Q為地下水補給量（mm）；S為深層滲漏量（mm），試驗地地勢平坦，試驗期間不存在地表徑流，故F=0；本試驗的灌水量是通過水量平衡方程計算確定的，不存在深層滲漏，故S=0；試驗區域地下水埋深大于5 m，不存在地下水補給量，Q=0；ΔW為土壤貯水量的減少量，由實測的土壤含水率求得：

式中：Wi和Wi+1分別為第i個時段初和時段末的土壤貯水量（mm）。

各處理水分利用效率計算式為：

式中：WUE為冬小麥水分利用效率（kg/m3）；Y為冬小麥籽粒產量（kg/hm2）；ET為與籽粒產量相對應處理的冬小麥全生育期耗水量（m3/hm2）。

6）氣象資料。利用自動氣象站觀測冬小麥生育期內日最高溫度、最低溫度、日照時間、空氣濕度、2 m 風速、降雨量等常規氣象指標。圖2 為試驗期間冬小麥生長季的有效降水（次降水量大于5 mm）情況。從圖2 可以看到，2017—2018 年冬小麥生長季降雨較為充沛，全生育期內有效降水超過了200 mm（202.6 mm），而2018—2019 冬小麥生長季的降水稀少，全生育期內有效降水僅為89.9 mm。2017—2018年灌水量為180 mm，2018—2019 年灌水量為270 mm。

圖2 冬小麥生長季降水情況 Fig. 2 Cumulative precipitation during two years of wheat growth periods

1.4 數據統計分析

用Excel 對試驗獲得的數據進行處理并作圖，用SPSS 進行方差分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥生長指標的影響

圖3為2017—2018生長季不同處理下冬小麥株高變化過程。從圖3 可知，各處理的株高均隨生育進程的推進呈增加趨勢，在播種后131 d 到152 d，磁化水灌溉處理（T1 和T2 處理）的株高與常規水灌溉處理（T3 處理）的株高存在顯著性差異（P＜0.05），但種子是否磁化處理（T1 和T2 處理）的株高不存在顯著性差異。收獲前（播后186 d）T1、T2 和T3 處理的平均株高分別為75.78、74.51 和71.38 cm，與T3 處理相比，T1 和T2 處理的株高分別增加了6.16%和4.83%，說明磁化水灌溉有利于冬小麥株高的生長，在磁化水灌溉條件下，磁化種子對冬小麥株高影響不顯著。

2017—2018 生長季不同處理冬小麥葉面積指數（LAI）隨播后時間的變化，均先增大后減小，且前期增長速率明顯高于后期減小的速率（圖4）。返青后（播種后25 d）葉面積生長速度快速增加，播種后169 d 前后達到高峰，生長后期冬小麥葉面積隨著葉片逐漸枯萎凋落而減小。從圖4 可知，在播種后152 d 時T1 和T3 處理的葉面積指數存在顯著性差異（P＜0.05）。在播種后169 d 時，各處理葉面積指數達到最大值，T1、T2 和T3 處理的葉面積指數分別為6.67、6.36 和5.97，與T3 處理相比，T1 和T2 處理分別增加了11.73%和6.53%。隨后葉面積開始緩慢下降，播種后207 d 的T1、T2 和T3 處理的葉面積指數分別為4.13、3.98 和3.42，與T3 處理相比，T1 和T2 處理的葉面積指數分別增加了20.76%和16.37%。通過對播種后169 d 及播種后207 d 的葉面積指數比較，發現T3 處理下降幅度最大，降低了42.71%；T1處理下降了23.08%，T2 處理下降了37.42%，說明磁化水灌溉可緩解冬小麥葉片衰老。

圖3 2017—2018 生長季不同處理冬小麥株高 Fig.3 Plant height of winter wheat in different treatments during 2017—2018

圖5 為2017—2018 生長季不同處理下的冬小麥地上部生物量的變化情況。由圖5 可知，冬小麥生長前期地上部干物質積累較慢，這是由于播種后50 d左右冬小麥進入越冬期，因氣溫過低作物生長速度明顯降低，次年3 月初隨著氣溫的回升，冬小麥進入快速生長期，各處理下的冬小麥地上部干物質累積量均迅速增加。由于前期沒有進行灌溉，麥田土壤水分類型和含水率大致相同,進入返青后，隨著麥田灌溉處理及種子是否磁化的不同，地上部生物量開始表現差異，在返青期后T1 處理的冬小麥地上部生物量最高。冬小麥生長前期地上部干物質積累較慢，播種后25 d，T1、T2 和T3 處理的地上部生物量分別為360.25、372.17 和380.42 kg/hm2，但在播種后152 d，T1、T2和T3 處理地上部生物量分別為2 525.42、2 361.33和2 202.75 kg/hm2，后期各處理地上部生物量均迅速增加。從播種后152 d 開始，T1 和T2 處理的地上部生物量均高于T3 處理的地上部生物量，且T1 處理與T3 處理差異顯著（P＜0.05）。

2.2 不同處理對冬小麥葉片葉綠素的影響

2017—2018 冬小麥生長季，不同處理下的返青后不同時期冬小麥葉片葉綠素SPAD值如圖6 所示。整個生長季各時期的葉片葉綠素SPAD值均以T1 處理最高，在播種后186 d 時達到最高值。SPAD值均呈先降低后升高，又逐漸降低的變化。這可能是播后152～169 d 氣溫度下降，低溫可能會引起葉綠素指數下降[25]。后期隨著小麥葉片成熟，葉片開始變黃，葉綠素指數逐漸下降。在冬小麥營養生長和生殖生長并進的抽穗揚花期，與T3 處理相比（SPAD平均值為57.08），T1 和T2 處理的葉片SPAD平均值分別提高了5.74%和4.18%，而且這種差異隨著生育進程的推進不斷擴大，T1 與T3 處理有顯著差異（P＜0.05）。

2.3 不同處理對冬小麥籽粒產量及產量構成的影響

不同處理下冬小麥產量及其構成因素結果見表1。從表1 可以看出，磁化水灌溉有利于冬小麥有效穗數和穗粒數的形成，最終不同程度提高了冬小麥的籽粒產量。與T3 處理相比，T1 和T2 處理的有效穗數分別增加了38.02、28.20 萬穗/hm2（2018 年）和19.00、17.67 萬穗/hm2（2019 年）；單穗穗粒數分別增加了5.28%、6.75%（2018 年）和4.05%、5.87%（2019 年）；千粒質量分別降低了3.19%、2.52%（2018年）和0.74%、0.86%（2019 年）。籽粒產量分別提高了439.40、717.10 kg/hm2（2018 年）和372.16、577.75 kg/hm2（2019年），增產率達到了6.14%、8.99%（2018年）和5.20%、7.24%（2019 年）。T1 和T2 處理下的冬小麥千粒質量有所下降，但有效穗數及穗粒數增長幅度明顯較高，且產量明顯高于T3 處理，說明產量的提升是有效穗數和穗粒數的增加造成的。

圖6 2017—2018 不同處理冬小麥葉片葉綠素量 Fig. 6 SPAD of winter wheat leaves in different treatments during 2017—2018

表1 不同處理的產量構成 Table 1 Effects of different treatments on winter wheat yield and its components

表2 不同處理冬小麥耗水量及水分利用效率 Table 2 Total water consumption and water use efficiency of different treatments

2.4 不同處理對冬小麥耗水量及水分利用效率的影響

表2 為不同處理下的冬小麥耗水量及水分利用效率。由表2 可知，與T3 處理相比，T1 和T2 處理的耗水量分別增加了11.8 mm、18.25 mm（2018 年）和7.96 mm、12.67 mm（2019 年），水分利用效率分別提高了3.50%、4.75%（2018 年）和2.39%、5.38%（2019 年），灌溉水利用效率分別提高了6.14%、8.99%（2018 年）和5.20%、7.24%（2019 年）。

3 討 論

Sadeghipour 等[26]研究發現磁化水灌溉可以明顯提升豇豆的根、莖、葉的鮮質量及干質量，增加地上生物積累量和葉面積，提升氣孔導度和水分利用效率。本試驗結論與此有一定相似性，2017—2018 年T1 和T2 處理的冬小麥的株高、葉面積指數和干物質積累量均高于T3 處理，說明磁化水灌溉能促進冬小麥地上部生長。本研究發現T1 和T2 處理的干物質積累量高于T3 處理，同時也發現生育內中T1 和T2 試驗處理下的葉片SPAD值也高于T3 處理，說明磁化水灌溉提高了冬小麥葉片的SPAD值，從而促進了冬小麥群體光合生產力，從而促進產量增加。朱練峰等[27]發現磁化水灌溉能夠促進水稻生長發育和提高產量及品質，顯著增加了水稻的有效穗數、結實率和產量。本研究也獲得相應的結論，2 a 的試驗數據分析表明，由于有效穗數和穗粒數的增加，導致單位面積籽粒數增多，從而降低了光合同化產物向單個籽粒的運轉，因而導致與T3 處理相比，T1 處理的千粒質量略有下降，但有效穗數和穗粒數明顯偏高，促使最終的產量提升，即磁化水灌溉能有效提高冬小麥產量。灌溉水經過磁化裝置后，物理化學性狀發生變化[11-12]，對礦物鹽的溶解能力提高，灌溉水中的氮、磷、鉀、鈣等營養元素溶解度增大，磁化水灌溉土壤后，土壤體積質量降低、孔隙度增加，土壤酶活性得到提升，理化性質得到改善[28]，有利于小麥根系對營養物質的吸收和利用，促進了冬小麥的生長發育，從而提高了冬小麥產量。

本研究發現，T1 和T2 處理下冬小麥的耗水量略有增加，但水分利用效率和灌溉水利用效率高于T3處理，這與Maheshwari 等[29]在芹菜和豌豆的研究結論一致。雖然2 個生長季播前計劃濕潤層土壤貯水量基本相當，而且生育期內各處理的灌水量相同，但由于試驗處理及降水量不同，造成了處理間年內及年際收獲期的土壤水分存在不同程度差異，從而導致各處理的耗水量不盡相同。2 個生長季冬小麥生長所需水分主要來源于灌溉和降水及土壤貯水，由于2 個生長季的降雨量相差較大（2017—2018 年和2018—2019年生長季總降雨量分別為202.6 mm 和89.9 mm），2個生長季生育期內總灌水量相差了90 mm，最終導致各處理籽粒產量、水分利用效率也存在明顯年際差異，與2017—2018 年生長季相比，2018—2019 年生長季T1、T2 和T3 處理的籽粒產量分別增加了14.50%、13.68%和11.51%，水分利用效率分別增加了16.25%、17.61%和14.19%。

4 結 論

1）磁化水灌溉有利于冬小麥的生長發育，可提高冬小麥株高、葉面積指數（LAI）、SPAD值及地上部生物量。

2）與T3 處理相比，2 個生育季中T1 和T2 處理的有效穗數分別提高了3.12%～6.69%和2.90%～4.96%，單穗穗粒數分別提高了5.27%～6.75%和4.03%～5.87%。

3）與T3 處理相比，磁化水灌溉可在不增加灌溉用水條件下，明顯提高冬小麥的籽粒產量和水分利用效率，2 個生育季的T1 和T2 處理的冬小麥的籽粒產量分別平均提高了405.78 和647.43 kg/hm2，水分利用效率分別平均提高了2.95%和5.07%。