優(yōu)化品種匹配和灌水量提高冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率研究

李源方，李宗新，張慧，薛艷芳，錢欣，肖蓉，劉仲秋，高英波

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所／小麥玉米國家工程實驗室／農(nóng)業(yè)部黃淮海北部玉米生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安 271018）

小麥和玉米是我國重要的糧食作物，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接影響到社會穩(wěn)定和糧食安全［1，2］。“冬小麥-夏玉米”一年兩熟種植是黃淮海區(qū)主要的種植模式，常年小麥、玉米播種面積約占全國的60%和36%，總產(chǎn)分別占全國的50%和40%，在我國糧食生產(chǎn)中占有重要地位［3］。黃淮海區(qū)年降水量在500～900 mm，且主要集中在夏季，冬小麥生育期內(nèi)降水量一般不足200 mm，冬小麥整個生育期內(nèi)耗水量約為400～500 mm［4］，水資源短缺限制了冬小麥高產(chǎn)潛力的發(fā)揮［5］。為確保產(chǎn)量，生產(chǎn)中該區(qū)冬小麥種植一直存在灌溉次數(shù)過多、大水漫灌等諸多不合理現(xiàn)象，這不僅造成水資源浪費，也限制到冬小麥水分利用效率的進一步提高［6］。因此，優(yōu)化冬小麥-夏玉米品種匹配及灌水量，協(xié)同提高周年產(chǎn)量與水分利用效率，對實現(xiàn)黃淮海區(qū)冬小麥-夏玉米周年節(jié)水豐產(chǎn)增效具有重要意義。

作物產(chǎn)量和其水分利用效率會因品種［7］和灌溉量［8］的不同而存在差異，耐旱型品種在較少灌水條件下更易獲得高產(chǎn)和高水分利用效率［9，10］。適度灌溉或水分虧缺有利于減少小麥整個生育期的耗水量，從而提高水分利用效率［11，12］。在灌足底墑水的基礎(chǔ)上，僅灌溉拔節(jié)水和開花水可實現(xiàn)小麥產(chǎn)量與水分利用效率的雙重改善［13］。夏玉米的穗粒數(shù)、產(chǎn)量與滴灌量呈正相關(guān)，而水分利用效率則相反［14］。在播種、拔節(jié)、抽雄及灌漿期分別灌水25%、25%、15%、35%時，有利于提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率［15］，超出適宜灌溉用水量，水分利用效率則會不斷下降［16］。冬小麥-夏玉米周年的水分利用效率隨灌水量加大先增加后降低［17］。前人主要通過調(diào)整灌水量、灌水時期、品種和灌溉方式等措施來提高小麥、玉米產(chǎn)量和水分利用效率，且大多研究都局限于冬小麥或夏玉米一季，而從冬小麥-夏玉米品種周年匹配和灌水量的角度入手研究較少。本試驗從優(yōu)化灌水量和冬小麥-夏玉米品種（簡稱麥玉）周年匹配角度入手，系統(tǒng)研究兩作物一年兩熟種植模式下灌水量及其品種匹配對周年產(chǎn)量和水分利用效率的影響，旨在明確兩作物的匹配組合及適宜灌水量，為黃淮海區(qū)兩作物周年節(jié)水豐產(chǎn)增效提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年10月—2019年10月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟陽試驗示范基地（36°58′N；116°57′E）進行。試驗地土壤為壤土。冬小麥播種前試驗地0～20、20～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量見表1。

該試驗區(qū)地處華北平原東部、山東省中部，屬于溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)季候。2018—2019年度小麥生育期內(nèi)累計降水量為72.66 mm，夏玉米生育期內(nèi)累計降水量為326.6 mm，具體降水量如圖1所示。

表1 播種前0～20、20～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量

圖1 冬小麥-夏玉米生育期內(nèi)降水量

1.2 供試材料與試驗設(shè)計

供試冬小麥品種為泰科麥30（耐旱型）和濟麥22（高肥水型），夏玉米品種為黃淮海區(qū)主推品種登海605和鄭單958。

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，灌水處理為主區(qū)，品種組合為副區(qū)。冬小麥季設(shè)3個灌水處理（W0、W1和W2），4個品種組合（泰科麥30＋登海605、泰科麥30＋鄭單958、濟麥22＋登海605、濟麥22＋鄭單958），隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積15 m×4.8 m。不同灌水處理間相隔5 m，防止水分滲漏。灌溉方式為畦灌，灌溉時用水表精確控制水量，具體灌溉時間及灌水量見表2。冬小麥基施復(fù)合肥（N-P2O5-K2O＝15-15-15）750 kg／hm2、辛硫磷顆粒 15 kg／hm2，播前鎮(zhèn)壓。于2018年10月8日寬幅精播，播種量120 kg／hm2，等行距24 cm，2019年6月6日收獲。夏玉米基施復(fù)合肥（N-P2O5-K2O＝28-9-9）600 kg／hm2，6月19日播種，播種密度75 000株／hm2，行距65 cm，10月14日收獲。

表2 冬小麥-夏玉米灌水時間與灌水量

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤容重 作物收獲時，采用環(huán)刀法測定土壤容重。環(huán)刀體積為100 cm3，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5個土層利用環(huán)刀取土，于105℃烘干，計算土壤容重。

1.3.2 土壤含水量 冬小麥、夏玉米播種前和收獲后，用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，裝入鋁盒中稱鮮土重，然后110℃烘干至恒重稱重，計算土壤重量含水量。

1.3.3 植株地上部生物量 冬小麥：開花期和成熟期選取能代表小區(qū)長勢的0.5 m雙行測定生物量，于105℃殺青15 min，再75℃烘干至恒重并稱重。夏玉米：吐絲期和成熟期從各小區(qū)取3株能代表群體長勢的植株測定生物量，取樣后放入烘箱105℃殺青30 min、80℃下烘干至恒重。

1.3.4 測產(chǎn)與考種 冬小麥：成熟期，各處理分別取3個代表性樣點2 m2，數(shù)取總穗數(shù)，連續(xù)調(diào)查20～30株的穗粒數(shù)，之后采用小型脫粒機脫粒，晾干后稱取千粒重并計產(chǎn)（按照籽粒含水量13%折算）。夏玉米：去除邊行，每小區(qū)收獲2行，每行5 m，調(diào)查穗數(shù)并收獲所有果穗；并按均重法隨機選取10個果穗用于室內(nèi)考種，考察穗行數(shù)、行粒數(shù)，脫離后稱取千粒重，測定籽粒含水率；之后計算實際產(chǎn)量（按14%含水率折算）。

1.4 指標(biāo)計算方法與統(tǒng)計分析

1.4.1 土壤容重（ρ）［18］ρ＝（W1-W2）／V。式中：ρ為土壤干容重（g／cm3），W1為烘干土與環(huán)刀質(zhì)量（g），W2為環(huán)刀質(zhì)量（g），V為環(huán)刀體積（cm3）。

1.4.2 土壤含水量［19］土壤質(zhì)量含水量（%）＝［（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）／干土質(zhì)量］×100。

1.4.3 農(nóng)田耗水量 （ETa）［20］ETa＝I＋P＋U-R-F±ΔW。式中：I為生育期內(nèi)灌水量（mm），P為生育期內(nèi)有效降水量（mm），U為地下水通過毛管作用上移補給作物水量（mm），R為地表徑流量（mm），F(xiàn)為補給地下水量（mm），ΔW為生育期內(nèi)土壤貯水消耗量。該區(qū)地下水埋深4 m以下，可視地下水補給量為零，地面徑流因無劇烈降水而忽略不計。

1.4.5 水分利用效率 WUE＝GY／ETa。式中：WUE為籽粒產(chǎn)量水分利用效率［kg／（hm2·mm）］，GY為籽粒產(chǎn)量（kg／hm2），ETa為作物生育期農(nóng)田耗水量（mm），本試驗土壤貯水消耗量的測定深度是100 cm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS 24.0軟件進行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量對麥玉干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，泰科麥30 W1處理開花期和成熟期干物重均比W0和W2顯著提高8.49%～33.55%。登海605吐絲期3個處理干物重均無顯著性差異，成熟期W1處理比W0和W2顯著提高，分別達(dá)37.14%和14.24%。鄭單958吐絲期W1、W2處理較W0顯著提高，成熟期W1處理較W0、W2顯著提高，分別達(dá)29.45%和8.10%。泰科麥30＋登海605成熟期的周年干物重，W1處理較W0、W2顯著增加，分別達(dá)35.65%、11.82%。泰科麥30＋鄭單958成熟期周年干物重，W1處理較W0、W2顯著提高，分別達(dá)31.17%和8.27%。

表3 不同灌水量對冬小麥、夏玉米干物重的影響

濟麥22開花期干物重，W1、W2處理較W0顯著增加，分別為73.57%和96.90%，但兩灌水處理間無顯著差異；成熟期W2處理較W0、W1顯著提高，分別為64.15%和36.17%。登海605吐絲期干物重，W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異；成熟期W1處理較W0、W2顯著提高，分別為 56.57%和 16.15%。鄭單958吐絲期和成熟期干物重灌水處理較不灌水顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22＋登海605成熟期周年干物重，W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22＋鄭單958成熟期周年干物重，W2處理較W0、W1顯著增加，分別為50.23%和8.37%。

2.2 不同灌水量對麥玉周年產(chǎn)量的影響

由表4可知，泰科麥30＋登海605和泰科麥30＋鄭單958在W1、W2處理下周年產(chǎn)量無顯著性差異，較 W0均顯著提高，分別達(dá)29.03%、48.60%和30.05%、40.32%。濟麥22＋登海605和濟麥22＋鄭單958在W2處理下較W0、W1顯著提高，增幅在2.87%～33.64%之間。

表4 不同灌水量對麥玉周年產(chǎn)量的影響

小麥季，泰科麥30產(chǎn)量W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22產(chǎn)量W2處理較W0、W1顯著增加，分別增50.19%和31.42%。玉米季，泰科麥30＋登海605組合中，登海605產(chǎn)量3個處理間無顯著差異；泰科麥30＋鄭單958組合中，鄭單958產(chǎn)量W1處理較W0、W2顯著提高，分別達(dá)44.12%和13.84%。濟麥22＋登海605組合中，登海605產(chǎn)量3個處理間無顯著差異；濟麥22＋鄭單958組合中，鄭單958產(chǎn)量W1處理較W0、W2顯著提高，分別達(dá)41.90%和17.34%。

2.3 不同灌水量對麥玉產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表5可知，泰科麥30穗數(shù)和穗粒數(shù)W1處理較W0顯著增加，兩者W0和W2間無顯著差異；千粒重則W2處理較W0、W1顯著提高，分別高6.45%和7.93%。濟麥22穗數(shù)隨灌水量增加而顯著增多，W2處理較 W0、W1分別增加32.39%和15.30%；穗粒數(shù) W1處理較 W0顯著提高，達(dá)21.13%，較 W2提高14.77%；千粒重3個處理間無顯著差異。

冬小麥品種為泰科麥30時，登海605穗數(shù)3個處理間無顯著差異；穗粒數(shù)W1、W2處理較W0顯著提高，分別高4.06%和1.99%；千粒重 W0最高，顯著高于W2。鄭單958穗數(shù)灌水處理較不灌水處理顯著提高，穗粒數(shù)W1處理顯著高于W0、W2，千粒重 W0處理顯著高于 W1、W2，分別高 7.90%和 10.42%。

冬小麥品種為濟麥22時，登海605穗數(shù)W1處理顯著高于W0，與W2無顯著差異；穗粒數(shù)灌水處理較不灌水處理顯著提高，分別高5.92%和2.58%；千粒重則顯著降低，分別降 3.52%和3.12%。鄭單958穗數(shù)、穗粒數(shù)灌水處理較不灌水處理顯著提高，千粒重則顯著降低，分別降8.63%和9.73%，但兩灌水處理間均無顯著差異。

表5 不同灌水量對冬小麥、夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4 不同灌水量對麥玉周年水分利用效率的影響

由表6可知，4個麥玉品種組合W2處理的周年耗水量較W0、W1顯著提高，幅度16.87% ～55.32%。泰科麥30＋登海605組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別為19.43%和 15.96%，但 W0、W1間無顯著差異。小麥季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率W1處理顯著增大；與W0相比，玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著降低。泰科麥30＋鄭單958組合W1處理周年水分利用效率較W0、W2顯著提高，分別為25.75%和29.70%。小麥季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率W1處理顯著增大；玉米季耗水量W2處理顯著大于W0、W1，水分利用效率W1處理增大。

濟麥22＋登海605組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別達(dá)20.34%和11.05%，但W0和W1間無顯著差異。小麥季耗水量W2處理最高，顯著高于W0、W1；水分利用效率W1處理最高，兩灌水處理間無顯著差異，但均顯著高于W0。玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著下降。濟麥22＋鄭單958組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別達(dá)8.65%和19.43%，但 W0和W1間無顯著差異。小麥季耗水量隨灌水量增加W2處理顯著高于W0、W1；水分利用效率兩灌水處理較W0顯著提高，但兩者間無顯著差異。玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著下降。

表6 不同灌水量對麥玉周年水分利用效率的影響

3 討論

前人研究表明，不同灌溉模式的節(jié)水效應(yīng)各不相同，對作物的最終產(chǎn)量也會造成不同影響［21］。適度灌溉或水分虧缺有利于減少小麥整個生育期耗水量，從而提高水分利用效率［11，12］。也有研究表明，在虧缺灌溉條件下，冬小麥水分利用效率得到提高，但其產(chǎn)量均會出現(xiàn)不同程度的降低［22，23］。虧缺灌溉不會顯著影響小麥產(chǎn)量，但會顯著減少灌溉水量和作物的耗水量，從而提高小麥灌水利用效率和水分利用效率［24］。本研究中泰科麥30和濟麥22產(chǎn)量隨灌水量增加而增加，但泰科麥30產(chǎn)量W1和W2處理無顯著差異，濟麥22增產(chǎn)顯著。這說明灌水量對抗旱小麥和高肥水小麥的影響存在差異，W1和W2處理對抗旱品種無顯著影響，對高肥水品種影響顯著。泰科麥30和濟麥22均在W1處理下水分利用效率最高，但其耗水量與W0、W2處理存在顯著性差異。濟麥22在W1、W2處理下水分利用效率差異不顯著，說明灌水量對高肥水小麥產(chǎn)量的影響與灌水量呈顯著正相關(guān)，但其耗水量存在顯著性差異。同時說明不同小麥品種對灌水量的響應(yīng)與品種特性存在顯著關(guān)系。

隨著玉米籽粒機收水平的提高，水分成為限制其產(chǎn)量的重要因素，但對不同地區(qū)玉米科學(xué)灌溉以及最佳灌溉量并沒有明確標(biāo)準(zhǔn)［25］。張杰等［26］研究表明，生育期內(nèi)的灌水量決定玉米最終產(chǎn)量，并且灌水量過高時水分利用效率較低，不利于產(chǎn)量的提高；另一方面，灌水量較低且達(dá)不到玉米正常需水量時，產(chǎn)量會偏低。本研究中，灌水量對登海605產(chǎn)量影響不大，對鄭單958產(chǎn)量影響顯著，兩品種產(chǎn)量均為W1處理最佳，W0水分利用效率最優(yōu)。這可能與栽培措施、地力條件、品種等有主要關(guān)系。強小嫚等［27］研究發(fā)現(xiàn)，相同深松條件下，灌三水的麥玉總產(chǎn)量與灌兩水相比沒有顯著提高，冬小麥灌兩水模式可以實現(xiàn)高產(chǎn)高效。本試驗中，泰科麥30＋登海605、泰科麥30＋鄭單958兩組合的周年產(chǎn)量，W1、W2處理間無顯著差異，與前人研究結(jié)果一致。泰科麥30＋登海605周年水分利用效率W0最高，與W1處理無顯著差異；泰科麥30＋鄭單958周年水分利用效率W1處理顯著高于 W0和 W2。濟麥22＋登海605、濟麥22＋鄭單958兩組合周年產(chǎn)量和水分利用效率，W1和W2處理有顯著差異。說明灌水量對其影響與作物品種有很大關(guān)系，并且小麥品種對周年產(chǎn)量和水分利用效率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玉米。

前人研究結(jié)果表明，小麥整個生育期間適時適量灌水，則可起到積極作用。不同時期灌水對小麥產(chǎn)量構(gòu)成有不同影響：起身期灌水主要增加穗數(shù)，拔節(jié)期灌水主要增加穗粒數(shù)，孕穗期或灌漿期灌水有助于提高千粒重［28］。灌溉拔節(jié)水會使小麥產(chǎn)量有一定程度的增加［29，30］。冬小麥的需水關(guān)鍵期是拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期，其中最重要的灌水時期是拔節(jié)期，拔節(jié)水能顯著提高冬小麥產(chǎn)量［31］。拔節(jié)期和開花期灌水可以使籽粒產(chǎn)量有一定程度的提高［32］。適當(dāng)增加灌水次數(shù)也可以起到增加冬小麥產(chǎn)量的效果，抽穗期灌水會提高冬小麥產(chǎn)量［33］。李佳佳等［34］研究表明適量增加滴灌量可以有效提高玉米產(chǎn)量。本研究顯示，冬小麥生育期內(nèi)灌水、夏玉米澆灌蒙頭水，不僅可以提高冬小麥群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，也可以提高夏玉米群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，進而提高麥玉周年產(chǎn)量。冬小麥越冬期、返青期、拔節(jié)期和開花期各灌60 mm水較拔節(jié)期、開花期各灌60 mm水相比，產(chǎn)量有提高，但玉米產(chǎn)量略有下降，麥玉周年產(chǎn)量并無顯著提高。本研究設(shè)置的灌溉方式處理較少，如進一步細(xì)化、增加試驗處理，結(jié)果可能有所不同，但也可為更加細(xì)化的試驗提供一定參考。

4 結(jié)論

本研究表明，灌水可以促進冬小麥和夏玉米的干物質(zhì)積累。灌水可以顯著提高泰科麥30產(chǎn)量，濟麥22產(chǎn)量隨灌水量增加顯著增加；灌水量對登海605產(chǎn)量無顯著影響，鄭單958產(chǎn)量W1處理最佳。增加灌水有助于周年產(chǎn)量的提高。綜合產(chǎn)量和水分利用效率，泰科麥30＋鄭單958為最優(yōu)麥玉品種組合，W1為最佳灌水量。