不同灌溉控制指標對冬小麥生長及耗水特性的影響

雷 媛，劉戰東，張偉強，黃 超，段愛旺，婁 和，劉祖貴

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉453002；2.中國農業科學院 研究生院，北京100081；3.河南省科學技術發展戰略研究所，鄭州450003；4.河南威盛電器有限公司，河南 新鄉450001）

0 引 言

【研究意義】20 世紀60年代以來，黃淮海地區出現了氣溫升高、降水減少的氣候演變趨勢，水資源短缺已成為制約該地區農業生產可持續發展的主要原因[1-2]，但該地區灌溉水有效利用率低，水資源浪費嚴重[3]。如何在保障作物高產的前提下大幅度減少農業用水量，實現作物高產與節水的協同，是緩解農業用水短缺與糧食持續穩產高產矛盾的關鍵[4]。

【研究進展】冬小麥是華北地區主要糧食作物之一，灌溉是保障冬小麥高產、穩產的主要農田管理措施之一[5-6]，對于提高冬小麥灌溉水利用效率尤其是優化冬小麥灌溉控制指標的研究，國內外已經開展了大量的工作[6-10]，主要包括適宜灌溉水量的確定[7-8]以及在生育期內灌水量的合理分配[9-11]。李曉航等[12]發現在冬小麥的需水關鍵期（拔節期、開花期）將0～80 cm 土壤墑情保持在田間持水率的75%為較佳灌水處理；金修寬等[13]發現在冬小麥拔節期、開花期將0～40 cm 土層土壤質量含水率保持在田間持水率的60%為冬小麥最優的節水、高產組合。此類試驗本質上都可通過控制不同生育期計劃濕潤層深度和土壤含水率控制上、下限指標來對土壤有效含水率（AWC）進行調控[14-16]來實現。AWC是指土壤一定深度內能夠貯藏并能被植物利用的水，灌溉的主要目的就是為了補充土壤中AWC被消耗掉的部分，在實際生產中一般采用土壤作物根系層易被直接吸收的有效水量（RAW）來制定灌溉制度，RAW與土壤性質、計劃濕潤層深度以及植物發生水分脅迫之前能從根系層中消耗的水量占土壤總有效水量的比例相關[17-18]，所以RAW值的大小要同時受到計劃濕潤層深度和選定的土壤含水率控制上下限的共同影響[19]。

【切入點】目前許多針對冬小麥灌溉制度的研究只是將土壤含水率控制下限作為研究對象，把計劃濕潤層深度設為某一定值來開展研究，忽略了2 個因子交互作用對RAW的影響。因此對于適宜的土壤含水率控制下限及計劃濕潤層深度組合需要進一步探究。【擬解決的關鍵問題】通過控制土壤含水率控制下限和計劃濕潤層深度，使作物處于對應的土壤水分條件下，研究其對冬小麥灌水次數、灌水定額和產量、水分利用效率等的影響，探究節水穩產的灌溉控制指標組合，為高效灌水技術推廣和現代化農業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年10月—2019年6月在中國農業科學院農田灌溉研究所七里營試驗基地進行。試驗區位于華北平原河南省新鄉市新鄉縣七里營鎮（東經113°54′、北緯35°18′，海拔84 m），屬于典型的暖溫帶半濕潤半干旱地區，年平均降水量582 mm，其中6—10月降水量占全年降水量的70%～80%；年平均氣溫14 ℃，年日照時間2 399 h，無霜期210 d，年潛在蒸散量2 000 mm。土壤類型為潮土，質地為輕砂壤土，試驗區土壤pH 值為8.8，地下水埋深大于5 m，在華北平原南部地區具有較好的代表性。生育期降水總量為92.5 mm。表1 為試驗點土壤物理參數，其中土壤粒徑采用BT-9300HT 型激光粒度分析儀測定，田間持水率采用田測法測定，凋萎系數采用高速離心法測定，土壤體積質量和土壤飽和含水率通過環刀法測定。

1.2 試驗材料與處理

試驗設置計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限2 個因素，其中計劃濕潤層深度因素設置60 cm（T60）、80 cm（T80）和100 cm（T100）3 個水平，土壤含水率控制下限因素設置為土壤有效含水率（AWC）的40%（L）、50%（M）、60%（H），采用雙因子隨機區組設計，合計9 個處理，每個處理重復3 次（表2）。

表1 試驗點土壤物理參數Table1 Soil physical parameters of the test site

表2 試驗設計Table2 Experimental design

每個處理小區面積為10 m×30 m=300 m2，處理間設置隔離帶2 m。采用微噴灌方式灌溉，當計劃濕潤層深度的平均土壤含水率下降至設定的土壤含水率控制下限時，即開始實施灌溉，到計劃濕潤層灌至田間持水率時停止，灌水量用水表計量。

研究對象為冬小麥，品種為周麥22，2018年10月15日播種，翌年6月7日收獲。播種量均為225 kg/hm2，種植行距為20 cm。播種前所有處理都基施緩控尿素300 kg/hm2，復合肥750 kg/hm2，其他時期不再施肥。在冬小麥全生育期中，各處理除設計的試驗因素不同外，其他田間栽培管理措施均保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率

土壤含水率采用“智墑”土壤水分原位監測儀器（東方智感科技股份有限公司）測定。每隔10 cm布置探頭，監測深度至土壤表層下100 cm ，時間間隔為1 h。

1.3.2 作物耗水量計算

冬小麥耗水量運用水量平衡法計算：

式中：ETi為作物各生育階段耗水量（mm）；ΔW時段內土壤儲水量變化（mm）；I為時段內的灌水量（mm）；G為時段內地下水補給量（mm）；P為時段內有效降雨量（mm）；D為時段內深層滲漏量（mm）；R為地表徑流量（mm）。試驗區域地下水的補給量可忽略不計，觀測作物生育期內降雨和灌水沒有形成明顯徑流，深層滲漏量依據D=M0+Hi-Mt來推算[20]，M0、Hi、Mt分別為90～100 cm 土層在灌水或降雨前的初始體積含水量（mm）、灌水或降雨后水分增量（mm）及田間持水量（mm）。故式（1）可簡化為：

1.3.3 籽粒產量

小麥成熟后，每個小區隨機選取2 m2（1 m×2 m）為樣本，籽粒自然風干后稱質量。每處理重復3 次，換算成單位面積產量。

1.3.4 生長發育調查

從播種后第170 天開始，每隔10 d 觀測株高、葉面積、生物量等生長發育指標。隨機取可代表整體趨勢的10 株樣本，利用精度為1 mm 刻度的直尺測量各處理株高（地上部分底部到頂端），冬小麥的葉面積指數采用冠層分析儀測量。

生物量每隔10 d 采樣1 次，取冬小麥地上部分殺青、烘干后稱質量。小麥成熟后，每個小區隨機選取2 m2（1 m×2 m）為測產樣本，籽粒自然風干后稱質量計產。每處理重復3 次，換算成單位面積產量

1.3.5 水分利用效率（Water Use Efficient，WUE）

水分利用效率利用計算式：

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm））；籽粒產量（kg/hm2）；ET為耗水量（mm）。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據處理；利用OringinPro 2017 軟件進行圖表的繪制；采用SPSS 25 計算各處理的統計特征值；利用Duncan’s 新復極差法（SSR）進行差異性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理灌水情況

不同處理的灌水定額、灌水次數、灌水時間及灌水總量如圖1 所示。同一土壤含水率控制下限，灌水定額與計劃濕潤層深度呈正比，T100 處理灌水定額比T80 處理增大了25.0%，T100 處理比T60 處理增大了66.7%；同一計劃濕潤層深度，灌水定額與土壤含水率控制下限呈反比，H 處理比M 處理的灌水定額減少了21.1%，H 處理比L 處理減少了37.5%。灌水定額越小，灌水次數越多，T60H 和T80H 處理的灌水次數最多為4 次。總灌水量受灌水定額和灌水次數共同影響，9 個處理間T80H 和T100L 處理總灌水量最大，為240 mm；T60L 處理總灌水量最小，為144 mm。

圖1 不同處理灌水定額、灌水次數及灌水總量Fig.1 Irrigation water quota,irrigation times and total amount of irrigation water of each treatments

2.2 不同水分處理土壤水分動態變化

各處理土壤含水率動態變化情況如圖2 所示。生育后期有3 次大于15 mm 的降水。各處理由于灌水定額及灌水時間的差異，自播種130 d 之后土壤貯水量發生明顯差異（P＜0.05）。播種137 d 后，T60H 處理率先到達其對應的土壤含水率控制下限，對其補灌到對應的灌水定額（45 mm）使土層60 cm 的平均土壤含水率到達田間持水率。T60L 處理和T100M 處理首次到達對應的土壤含水率控制下限時已是播種后第171 天。各處理的灌水時間在播種后第200 天至220 天的次數占總灌水次數的比例高達52.0%。與圖1 灌水情況相對應，同一土壤含水率控制下限（40%～60%），計劃濕潤層深度越深（60～100 cm），處理越遲抵達其對應的土壤含水率控制下限，且對應的灌水次數越少、灌水定額越大；同一計劃濕潤層深度（60～100 cm），其土壤含水率控制下限設置越高（40%～60%），灌水次數越多，灌水定額越小。此外，在冬小麥收獲期，不同計劃濕潤層深度H 處理的土壤貯水量均最大，H處理較M處理土壤貯水量平均增大7.7%，較L 處理大15.0%。

圖2 不同處理間土壤含水率均值動態變化Fig.2 The mean value of soil water changed dynamically between different treatments

2.3 不同處理株高、葉面積指數

由圖3 可知，各處理葉面積指數（LAI）變化趨勢一致，呈先增大后減少的趨勢，播種180 d 后進入快速生長期，播種220 d 后，植株生長基本停止，葉片萎蔫，LAI值明顯降低。不同灌水處理對冬小麥LAI和株高產生一定影響，在播種后220 d 左右LAI達到最大，具體表現為T60 處理=T80 處理＞T100 處理，H處理=M 處理＞L 處理，其中T60 處理和T80 處理LAI值較T100 處理增大了8.3%～13.4%，H 處理和M 處理LAI值較L 處理增大了7.2%～8.3%。最終9 個處理中T80M 的LAI相對最大，最大值達到了5.34。各處理間株高變化趨勢一致，在播種210 d 之后增長趨勢變緩。

圖3 不同處理株高及葉面積指數變化Fig.3 The changes of plant height and leaf area index between different treatments

2.4 不同處理干物質累積情況

由表3 可知，不同處理間計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限交互作用會對冬小麥花前及花后的干物質轉運和積累產生顯著影響（P＜0.05），但計劃濕潤層深度間和土壤含水率控制下限間差異不顯著（P＞0.05）。9 個處理花前干物質累積量表現為T80H處理和T80M 處理最大，T60L 處理最小，最大值與最小值之前差異達到29.5%，花后干物質累積量表現為T80M 處理最大，達到了85 272.67 kg/hm2，其次為T80H處理，T60L處理最小，值為52 020.33 kg/hm2，最大和最小值之間的差異達到39.0%。因此，隨計劃濕潤層深度（60～100 cm）和土壤含水率控制下限（40%～60%）的增大，冬小麥花前及花后的干物質累積量呈先增大后減小的趨勢。

2.5 不同處理產量構成、耗水量及水分利用效率

表4 為不同處理下的冬小麥產量構成、耗水量及水分利用效率。由表4 可知，計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限及其交互作用對于冬小麥穗數的影響不顯著（P＞0.05），而對于穗粒數、千粒質量、產量、耗水量及水分利用效率均有顯著影響（P＜0.05）。

不同處理間穗粒數表現為H 處理＞M 處理＞L 處理，T80 處理＞T100 處理＞T60 處理，L 處理和M 處理的穗粒數較H 處理分別少5.9%、1.3%，T80 處理和T100 處理的穗粒數較T60 處理分別多1.8%、0.6%。T80H 處理和T100H 處理的穗粒數最多，T100L 處理和T60L 處理的穗粒數最少，其差異在6.9%～7.8%之間。可見，土壤含水率控制下限為60%時，穗粒數相對較多，而計劃濕潤層深度比土壤含水率控制下限對穗粒數的影響小。

表3 不同處理下冬小麥干物質累積情況Table 3 Dry matter accumulation of winter wheat under different treatments kg/hm2

不同處理間千粒質量表現為L 處理＞M 處理=H處理，T60 處理＞T80 處理＞T100 處理，L 處理和M處理較H 處理其千粒質量分別增大了1.5%、0.1%，T80 處理和T100 處理較T60 處理千粒質量分別減小了2.3%、2.6%。T60L 處理和T60M 處理的千粒質量最大。故土壤含水率控制下限越高，千粒質量呈增大的趨勢，60 cm 的低計劃濕潤層深度較80 cm 和100 cm 更有利于千粒質量的增加。

不同水分處理間產量表現為H 處理＞L 處理＞M處理，T80 處理＞T60 處理=T100 處理，L 處理和M處理產量較H 處理分別減少了12.7%、4.6%，T60 處理和T80 處理產量較T100 處理分別增大了1.3%、6.0%。T80H 處理產量最大，T100L 處理產量最小，最大值和最小值之間相差16.1%。土壤含水率控制下限越高，產量呈增加趨勢；當計劃濕潤層深度為80 cm時產量相對最高。而不同水分處理間耗水量表現為H處理＞M 處理＞L 處理，T80 處理＞T100 處理＞T60 處理。其中T100H 處理耗水量最大，比耗水量最小的T60L 處理耗水量增加13.9%。

表4 不同水分處理下冬小麥產量構成、耗水量及水分利用效率Table 4 Yield composition,water consumption and water use efficiency of winter wheat under different treatments

最終，水分利用效率表現為H 處理=M 處理＞L處理，T60 處理＞T80 處理＞T100 處理，T60H 處理的水分利用效率達到最大，為19.96 kg/（hm2·mm）。由此可見，計劃濕潤層深度越低（60～100 cm），土壤含水率控制下限越高（40%～60%），冬小麥水分利用效率呈增高的趨勢。

3 討論

在本研究中，較小的計劃濕潤層深度和較高的土壤含水率控制下限縮短了灌水間隔，減少了灌水定額，當計劃濕潤層深度較小時，土壤水主要分布在表層，易于被蒸騰作用所消耗，因此表層及淺層土壤水能及時獲得補充[21-22]，而灌水頻率越高，土壤含水率變異性也越高[23-24]，在這2 個因子的共同作用下，土層水分交換頻繁。相關研究表明，增加灌水頻率將增加土壤表層水分濕潤時間，增大土壤蒸發損失。但當葉面積指數大于一定數值時，土壤蒸發占蒸散比例顯著降低。因此，對于冬小麥限水灌溉下增加灌水頻率的時間應在作物生長的中后期[19]。在本研究中，整個生育期測墑補灌后不同處理之間的灌水差異也多集中在播種150 d 之后。

試驗中各處理的灌水量同時受到土壤含水率控制下限與計劃濕潤層深度的影響。例如，T80H 和T100L 處理總灌水量最大均為240 mm，但在試驗中二處理的灌水情況又有所差異，T80H 處理的初次灌水時間為播種后第156 d，而T100L 處理的初次灌水時間為播種后190 d，T100L 處理的計劃濕潤層深度最大，土壤含水率控制下限最低，首次達到對應的灌溉控制下限所需的時間也較長，可以通過該2 個灌溉控制指標來控制初次灌水時間。且冬小麥在返青后初次灌水時間的早晚會對植株后期的生長發育造成較大影響[22-23]，李曉爽等[10]發現在冬小麥拔節后10～15 d 灌水，既能夠充分利用土壤蓄水，也有利于提高產量和水分利用效率，劉志良等[22]發現在春灌一水條件下，適當推遲灌拔節水有利于小麥產量的提高，其中4月5日灌水效果最好。在本研究中對應T80H 處理的初次補灌時間，而最終T80H 處理的產量比T100L 處理大16.1%，這與前人研究結果[10,22-24]一致。

巨龍等[24]研究表明，隨著灌水量的增加，邊際土壤含水率先增大后減小，水分利用效率呈遞減趨勢。在本試驗中，過度地提高計劃濕潤層深度或者將土壤含水率控制下限設置過低均不利于冬小麥葉片的生長發育，這可能是因為計劃濕潤層深度較深或土壤含水率控制下限過低會導致冬小麥根系附近的土壤較長時間處于含水量較低的狀態，水分過多集中到了深層土壤[25-26]。本研究中花前花后的干物質累積量與灌溉定額整體上呈正相關關系，傅曉藝等[27]發現灌溉次數越多，灌水總量越大，冬小麥生物產量越高，這與本研究結果一致。

本試驗表明，計劃濕潤層深度越淺（60～100 cm）、土壤含水率控制下限越高（40%～60%）的處理使得水分利用效率相對最大，這可能是由于在這種灌溉策略下，灌水時間與冬小麥需水規律相契合，且水分主要集中在冬小麥主要根系分布區，深層滲漏量較少，更易于被冬小麥吸收利用[28-29]。另外，當主要根系分布層土壤水分達到閾值時，能及時獲得補充，避免了因水分虧缺而導致的減產[30-31]。因此，在本試驗條件下，計劃濕潤層深度越淺、土壤含水率控制下限越高，其水分利用效率越高。

4 結論

1）計劃濕潤層深度（60～100 cm）過高或土壤含水率控制下限（40%～60%）過低，均會抑制LAI的增長。隨計劃濕潤層深度（60～100 cm）和土壤含水率控制下限（40%～60%）的增大，冬小麥花前及花后的干物質累積量呈先增大后減小的趨勢。

2）土壤含水率控制下限（40%～60%）越高，產量及耗水量均呈現增加趨勢；當計劃濕潤層深度為80 cm時產量最高，耗水量也最高；而計劃濕潤層深度（60～100 cm）越低，土壤含水率控制下限（40%～60%）越高，冬小麥水分利用效率呈現增高的趨勢。

3）在本試驗條件下，計劃濕潤層深度為60 cm、土壤含水率控制下限為土壤有效含水率的60%時，節水穩產效果相對最優。