寧夏引黃灌區(qū)頭水灌溉對春小麥生長和產(chǎn)量的影響

南學(xué)軍 胡宏遠 馬國飛 劉兆宇 姜琳琳 張婍 徐蕊

摘要：通過對寧夏引黃灌區(qū)春小麥進行不同時期頭水灌溉處理，研究不同時期頭水灌溉對春小麥生育形態(tài)、生育結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，黃河來水前提早5 d和10 d灌頭水（T2、T3處理）下春小麥生育期期間密度、單株分蘗數(shù)、株高均最高，其株高隨著生育期進程迅速增大，其密度和單株分蘗數(shù)保持在較高水平;灌水提早10 d處理春小麥地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量為最高，分別達到10.3 g/株和4.8 g/株，春小麥在分蘗至抽穗期階段含水率保持在較高水平，加速了葉片和莖稈等器官的生長，植株體內(nèi)組織運水、儲水能力得以迅速提高;灌溉時間提早5 d和10 d顯著延長了春小麥灌漿進程，春小麥花后 15～20 d灌漿速率達到最大值;灌溉時間提早5 d和10 d處理理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量顯著高于 CK處理，理論產(chǎn)量分別增加31.39%和21.83%，實際產(chǎn)量分別增加18.75%和11.45%，說明在黃河來水之前提前5～10 d灌頭水對補償籽粒灌漿具有一定的促進作用，有利于提升春小麥產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：春小麥;頭水灌溉;生長;產(chǎn)量;引黃灌區(qū);寧夏

中圖分類號： S512.1+20.7 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）13-0064-06

小麥是世界上第三大糧食作物，世界1/4的人口以小麥為主糧。然而，在當前全球氣候變暖和淡水資源短缺背景下，干旱已成為限制世界小麥增產(chǎn)的最主要自然災(zāi)害之一。近幾十年來，隨著氣候變化不斷加劇，干旱等極端災(zāi)害性氣象事件頻發(fā)，危害愈發(fā)嚴重[1]。據(jù)統(tǒng)計，冬春季干旱頻率已經(jīng)占到旱災(zāi)發(fā)生頻率的30%～40%，成為限制我國小麥增產(chǎn)的關(guān)鍵因素[2]。農(nóng)業(yè)干旱直接限制作物的生長發(fā)育，其影響主要表現(xiàn)在根、莖、葉等器官的長短、粗細以及干物質(zhì)積累上[3-5]。干旱使得小麥生長受到抑制，株高較低，加速了小麥的生長發(fā)育進程[6]。小麥在不同生育階段均可能遭受干旱脅迫，播種期到苗期干旱容易造成小麥出苗不齊，缺苗斷壟，導(dǎo)致小麥根系不扎實，基苗不足[3]。分蘗期干旱限制分蘗的發(fā)生，而在拔節(jié)期會加速無效分蘗的死亡，影響成穗數(shù)[4]。拔節(jié)期至抽穗期是小麥的水分臨界期，此時受到干旱會導(dǎo)致小麥葉面積降低，造成小麥干物質(zhì)積累降低，植株矮小[3]。

水分對作物的影響是復(fù)雜的，研究表明，苗期和拔節(jié)期短期輕度干旱復(fù)水對玉米的生長有最佳補償效果[7];也有研究表明，水分脅迫條件下低溫能夠顯著影響小麥干物質(zhì)的積累[8];魏秀華等研究認為，在小麥生長后期灌水84 mm最佳，最佳灌水時段為開花至開花后15 d，灌水過晚會產(chǎn)生負作用，加速根系的死亡[9]。還有一些研究認為，干旱復(fù)水后的產(chǎn)量補償效應(yīng)因生育階段的不同而存在差異[10-12];國外的一些研究揭示了植株生長狀況對干旱的響應(yīng)及其對產(chǎn)量形成的影響。

植物的生長受水分脅迫影響異常敏感，春小麥自出苗至分蘗期期間，干旱不僅影響春小麥分蘗的發(fā)生，更對早期春小麥生長發(fā)育和形態(tài)建成有深刻影響，最終影響營養(yǎng)器官干物質(zhì)的積累。干旱嚴重影響小麥生產(chǎn)，但前期干旱條件下灌水對小麥產(chǎn)量的影響仍不明確，因此深入研究小麥分蘗至拔節(jié)期間不同時期灌水對小麥形態(tài)建成、物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的影響十分重要。本研究選用引黃灌區(qū)寧夏永寧縣主栽品種永春4號作為試驗材料，在大田試驗環(huán)境下，于小麥分蘗中期、后期和拔節(jié)前期開展水分灌溉試驗，通過調(diào)查不同時間頭水灌溉處理下土壤濕度、春小麥發(fā)育性狀和產(chǎn)量，分析不同時間頭水灌溉處理下土壤濕度、春小麥生育結(jié)構(gòu)等的差異，找出春小麥苗期頭水灌溉最佳時間，為實現(xiàn)區(qū)域小麥高產(chǎn)節(jié)水栽培提供一定參考的依據(jù)，研究成果可為開展頭水灌溉最佳時間預(yù)報提供第一手數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概述

試驗地位于寧夏永寧縣望洪鎮(zhèn)西和村，地處引黃灌區(qū)中部地帶，地理位置38°14′9″N，106°14′20″E，海拔1 102 m，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，大陸性氣候特征十分明顯。年平均氣溫9.6 ℃，夏季各月平均氣溫在20 ℃以上，氣候年較差30.6 ℃，日較差13.6 ℃，≥10 ℃平均積溫3 626.3 ℃，無霜期平均166 d，年日照時數(shù)2 892.3 h。溫度和日照條件可滿足多數(shù)農(nóng)作物生長發(fā)育的需要。

1.2 試驗設(shè)計

試驗?zāi)攴轂?019年，進行為期1年的田間試驗，于春小麥分蘗到拔節(jié)期共設(shè)5個不同時期頭水灌溉處理，各處理分別為CK（拔節(jié)始期引渠頭水，對照）、T1（提前1 d頭水，拔節(jié)始期頭水）、T2（提前5 d頭水，分蘗后期頭水）、T3（提前10 d頭水，分蘗初期頭水）、T4（分蘗期不灌水，推遲11 d頭水）等5個小麥不同發(fā)育時期頭水灌溉對比試驗，于當年5月10日各處理進行第2次灌溉（對于T4處理為推遲頭水），之后統(tǒng)一進行補灌，灌溉量同常規(guī)渠水。各處理試驗小區(qū)面積為4 m×6 m=24 m2，小區(qū)設(shè)計采用隨機排列方式，3次重復(fù)。小區(qū)之間和小區(qū)四周與保護行之間埋壓 1.2～1.4 m深塑料膜防止側(cè)滲，引水溝渠鋪設(shè)防滲膜防止水分下滲，試驗具體設(shè)計見表1。

1.3 樣本采集與測定

1.3.1 樣本采集 于春小麥不同發(fā)育期取樣，采用定點法，于每小區(qū)取3行進行小麥密度和株高的測定，再隨機連續(xù)齊地刈割10株帶回實驗室進行干物質(zhì)的測定，待小麥開花10 d之后每隔5 d每小區(qū)取大小接近的10穗進行灌漿速率的測定，小麥收獲期隨機連續(xù)齊地刈割30株帶回實驗室進行產(chǎn)量結(jié)構(gòu)測定，并于每個小區(qū)選取3個1 m×1 m樣方，齊地刈割地上部，取其穗部進行脫粒，脫粒之后曬干測其單產(chǎn)。土壤采集采樣時間同植株采樣，每小區(qū)每隔10 cm土層取不同深度土壤，取土深度取到 60 cm，取土之后帶回實驗室進行土壤水分測定。

1.3.2 植株測定 每隔5 d左右，每個處理選取10株小麥，用直尺測定小麥株高（于孕穗期之前每隔 3～5 d左右分別測定每行1 m分蘗數(shù)和每米行數(shù)，孕穗期之后則分別測定每行總莖數(shù)，最后計算春小麥密度）。于各生育期選取各處理春小麥生長均勻一致的植株 10株放入烘箱，先進行 105 ℃ 殺青，然后置于75 ℃下烘至恒質(zhì)量，用電子天平稱取干質(zhì)量。剪取10株麥穗帶回實驗室進行灌漿速率測定。小麥成熟后，在小區(qū)內(nèi)選取有代表性的植株30株考種，考種項目包括穗長、穗粒質(zhì)量、穗數(shù)、千粒質(zhì)量、莖稈質(zhì)量、小穗數(shù)、不孕小穗率等指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期頭水灌溉下春小麥旱情的變化

從表2可以看出，不同處理的土壤濕度具有不同的變化特征。根據(jù)國家標準《農(nóng)業(yè)干旱等級》（GB/T 321360—2015），CK處理春小麥分蘗后期 0～10 cm土層經(jīng)歷了由重度干旱進入到濕潤的過程，10～20 cm土層則經(jīng)歷了由輕度干旱進入到濕潤的過程。T1處理春小麥在拔節(jié)初期0～10 cm土層經(jīng)歷了由重度干旱到濕潤的過程，10～20 cm土層則經(jīng)歷了由輕度干旱到濕潤的過程。T2處理由于灌水較早，使得前期農(nóng)田旱情緩解，春小麥分蘗盛期0～10 cm土層由重度干旱逐漸進入到濕潤狀態(tài)，10～20 cm土層則經(jīng)歷了由輕度干旱進入到濕潤的過程。T3處理灌水時間最早，各土層土壤相對濕度處于濕潤的狀態(tài)，從而使得前期農(nóng)田旱情解除最早。T4處理由于灌水推遲，導(dǎo)致分蘗到孕穗期期間0～10 cm土層處于中度至重度干旱范圍內(nèi)，10～20 cm 土層處于中度干旱的狀態(tài)，20～40 cm土層則處于由輕度干旱進入中度干旱的過程。

2.2 不同時期頭水灌溉對春小麥生育形態(tài)的影響

2.2.1 密度和單株分蘗數(shù) 從圖1看出，各處理春小麥的密度變化均為先升高后下降，小麥生育前期密度增加較快，后期密度下降趨緩。分蘗期期間，T2、T3處理的小麥密度與CK處理之間具有顯著差異（P<0.05），其中4月25日2個處理分別為CK處理的1.43倍和2.42倍。拔節(jié)期（5月1日），T2、T3處理密度分別為CK處理的1.44倍和2.52倍，T3處理拔節(jié)盛期（5月11日）密度達到最大，為CK處理的1.77倍。孕穗期（5月21日），T1、T2、CK處理密度達到最大。抽穗期時，各處理密度分別為 T3≈T2≈CK>T1>T4。由圖2可見，在分蘗到孕穗期T3處理的分蘗數(shù)遠遠高于其他處理，開花期（6月21日）生育進程中以T2處理的密度最高，T3的次之，T4處理的最低，說明不同時間頭水灌溉處理下T3處理的分蘗力較強。

2.2.2 株高 分蘗期是否灌水的春小麥株高有明

顯的差異（圖3）。T4處理由于分蘗期未灌水，0～20 cm 表層土壤濕度下降到50%以下， 即使后期恢復(fù)正常灌溉，其株高仍然較低，說明分蘗期水分虧缺對小麥的生長影響極大，T1、CK處理由于在拔節(jié)始期灌水，0～20 cm表層土壤濕度迅速上升到60%以上，株高于拔節(jié)前期開始上升。T2、T3處理由于分蘗盛期灌水，灌水較早，造成0～20 cm表層土壤濕度維持在到70%以上，這就使得春小麥株高迅速增長，其中T3處理增幅最迅速，而T2處理于5月上旬開始株高迅速上升，二者于6月上旬達到最大值，其增幅相比CK處理達9.57%，并持續(xù)維持到成熟期。

2.3 不同時期頭水灌溉對春小麥生育結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 干物質(zhì)積累動態(tài) 由圖4可見，不同時間灌水條件下分蘗到開花期營養(yǎng)生長階段期間各處理春小麥地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均呈增加趨勢。其中，T3處理春小麥地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均顯著高于CK處理（P<0.05），且增速最快，其地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量至開花期均達到最大值，分別達到 10.3 g/株和4.8 g/株;T4處理地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量最低，與CK處理之間的差異顯著（P<0.05），且增速最慢，鮮質(zhì)量與干質(zhì)量最大值僅分別 為5.7 g/株和3.0 g/株;其他處理則與CK處理無顯著性差異（P>0.05）。抽穗至開花期（6月6日）之后各處理冬小麥長勢呈現(xiàn)下降趨勢，其中T3處理春小麥地上鮮質(zhì)量和干質(zhì)量下降幅度最迅速，其鮮質(zhì)量降幅達30.13%，干質(zhì)量則為10.38%。乳熟期T1和T2處理地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量最大，但二者差異不顯著（P>0.05），T4處理最低，且與其他處理差異顯著（P<0.05）。

分蘗至拔節(jié)盛期（4月28日至5月11日）各處理植株含水率都保持在較高水平（圖4），其中T3處理最高;拔節(jié)到抽穗期，各處理含水率呈下降趨勢，其中CK和T3處理下降最迅速，其降幅分別為27.02%和18.23%，T4處理下降幅度最低，為5.47%;抽穗期到開花期期間（5月23日至6月21日）CK處理含水率則保持一定水平，T4處理含水率下降最迅速;開花期（6月6日）以后各處理含水量呈現(xiàn)不同的下降趨勢，其中T4處理含水率達到50%以下最低水平;成熟期（7月6日以后）時T2處理含水率最高。

2.3.2 灌漿速率 供試春小麥品種的籽粒灌漿速率表現(xiàn)為“慢—快—慢”的變化趨勢（圖5），不同時期頭水灌溉處理間存在明顯差異。T4處理在花后10～15 d灌漿速率顯著高于其他處理;T2處理在花后10～15 d灌漿速率較低;T1、T3處理在花后10～15 d灌漿速率緩慢增加，花后15～20 d灌漿速率與T2和T4處理差異顯著（P<0.05）。各處理在花后15～20 d，灌漿速率迅速下降，其中T4處理下降最明顯。花后20～30 d，除T4和T1處理外，其他處理灌漿速率差異不顯著（P>0.05）。

2.4 不同時期頭水灌溉對春小麥產(chǎn)量的影響

從表3可以看出，T2和T3處理理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量均顯著高于 CK （P<0.05），但兩者之間理論產(chǎn)量差異不顯著（P>0.05），與CK相比二者理論產(chǎn)量分別增加31.39%和21.83%，實際產(chǎn)量分別增加18.75%和11.45%，T1處理理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量分別僅增加2.27%和0.23%，T4處理二者則顯著低于CK，分別降低41.54%和21.98%。

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤濕度對不同時期頭水灌溉的響應(yīng)

頭水灌溉條件下，分蘗到孕穗期期間不灌頭水處理造成土壤濕度較低，尤其是0～20 cm表層土壤旱情嚴重，這種狀態(tài)一直持續(xù)到拔節(jié)后期灌水之后才得以解除。提前5～10 d灌水處理由于灌水時間較早，土壤濕度較好，從而使得旱情解除較早。拔節(jié)期進行頭水灌溉處理由于灌水時間推遲，造成分蘗期期間土壤缺水，0～20 cm土層旱情較重，這種狀態(tài)一直持續(xù)到拔節(jié)期灌溉之后才得以解除。

3.2 春小麥生育形態(tài)對不同時期頭水灌溉的響應(yīng)

水分脅迫條件下，株高、灌漿速率、含水率等生育指標可以作為判定作物抗旱能力高低的間接依據(jù)，即成穗數(shù)多、籽粒飽滿、株高穩(wěn)定性好的小麥品種抗旱性好。Subramanian等研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫條件下進行復(fù)水處理延長了葉片功能期，提高了作物后期光合速率，并為產(chǎn)量的補償?shù)於肆己玫墓趯訔l件[13-14]。Acevedo等發(fā)現(xiàn)，作物在脅迫解除后，存在短暫的快速生長，以部分補償脅迫損失[15];也有研究認為，水分脅迫與補償效應(yīng)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，尤其是水分脅迫歷時越長，作物恢復(fù)越緩慢[16]。本試驗條件下，春小麥自出苗至分蘗期期間，持續(xù)40～60 d左右未灌水，說明此時水分脅迫嚴重，從本研究結(jié)果來看，分蘗期提前5～10 d 灌水處理的小麥株高增長最迅速，其密度在生育期前期也最高，而拔節(jié)期以后灌水處理則最低，說明分蘗期處理的春小麥分蘗力較強，這與上述的研究結(jié)果類似，表明分蘗期干旱進行復(fù)水灌溉有利于緩解水分脅迫帶來的負面效應(yīng)。但到了開花期，分蘗期處理下降速率較快，這可能是由于前期作物密度過大，在光照、水分等資源有限情況下，群體種內(nèi)競爭激烈，因此植物自主選擇放棄長勢較弱的分支，導(dǎo)致其分蘗迅速下降。而分蘗期不灌頭水導(dǎo)致春小麥分蘗發(fā)生時間延緩，其株高、密度相比CK處理也最低，田夢雨研究表明苗期水分脅迫導(dǎo)致小麥葉面積和株高顯著降低，同時地上部干物質(zhì)積累量隨脅迫程度的加重和時間延長而降低[17]，本研究結(jié)果與之一致，說明分蘗期灌水促進春小麥迅速增長的措施是切實可行的。

3.3 春小麥生育結(jié)構(gòu)對不同時期頭水灌溉的響應(yīng)

頭水灌溉條件下，分蘗期不同階段提前5～10 d對小麥進行灌水，其小麥干物質(zhì)積累和水分吸收效率高，小麥在分蘗至抽穗期階段干物質(zhì)積累速率增加，其含水率保持在較高水平，這就使得葉片和莖稈等器官能夠得以迅速生長，從而使得植株體內(nèi)組織運水、儲水能力提高。陳曉遠等對冬小麥進行試驗也認為，即使苗期缺水較嚴重，只要在開春后某個階段恢復(fù)供水，冬小麥生長速率及干物質(zhì)積累均受到促進[18]，拔節(jié)期推遲灌水處理下小麥干物質(zhì)積累增加緩慢，其含水率降幅也較小，且其含水率基本保持在較低水平，這與田夢雨等的研究結(jié)果[17，19]類似，說明拔節(jié)期推遲灌水措施下，后期春小麥葉片和莖稈等器官組織開始老化，植株體內(nèi)組織運水、儲水能力下降，土壤水分虧缺影響到下部葉片對土壤水分的吸收，導(dǎo)致植株水分虧缺嚴重。

頭水灌溉條件下，供試春小麥品種的籽粒灌漿速率則表現(xiàn)為“慢—快—慢”的變化趨勢，拔節(jié)期推遲灌水造成小麥灌漿速率顯著高于其他處理;而分蘗期提前灌水造成春小麥貪青晚熟，其灌漿速率較低，但各處理在花后15～20 d，灌漿速率迅速下降，其中拔節(jié)期推遲灌水處理下降最明顯。王勇通過研究認為，渭北灌漿期干旱是影響小麥灌漿期時長的主要影響因子，這與小麥此時出現(xiàn)的逼熟、青干現(xiàn)象相符合[20]。本研究結(jié)果則表明，拔節(jié)期推遲灌水下土壤干旱是造成小麥干物質(zhì)積累下降，導(dǎo)致春小麥灌漿前期灌漿速率顯著高于其他處理的主要原因。

3.4 春小麥產(chǎn)量對不同時期頭水灌溉的響應(yīng)

不同頭水灌溉時間對小麥產(chǎn)量的影響較大，由于頭水灌溉時間不同影響到小麥對土壤水分和養(yǎng)分的吸收，從而使得植株產(chǎn)量表現(xiàn)出較大的差異性，頭水灌溉時間推遲造成后期小麥生長狀況下光合能力下降，從而使得小麥代謝失衡，并最終導(dǎo)致穗粒數(shù)、穗質(zhì)量、莖稈質(zhì)量等下降，而適當提前灌頭水的小麥代謝穩(wěn)定，從而對產(chǎn)量形成影響相對較小。王俊儒等設(shè)置不同生育時期水分虧缺試驗，結(jié)果表明小麥苗期、拔節(jié)期進行水分虧缺處理顯著影響小麥經(jīng)濟學(xué)和生物學(xué)產(chǎn)量[10]，本研究結(jié)果與之一致，說明小麥生長進入拔節(jié)期前后，對水分缺乏極度敏感，若在此時期不灌水，后期小麥生長期間植株體內(nèi)生理代謝失衡，最終直接影響到小麥產(chǎn)量的形成。

頭水灌溉時間提前5～10 d小麥生育期期間密度、單株分蘗數(shù)、株高均最高，株高隨著生育期進程迅速增大，春小麥在分蘗至抽穗期階段密度和單株分蘗數(shù)保持在較高水平。頭水灌溉時間提前5～10 d 對春小麥生長期間干物質(zhì)積累、成熟期干物質(zhì)分配以及產(chǎn)量等性狀影響較大。提前10 d灌溉頭水處理春小麥地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量為最高，分別達到10.3 g/株和4.8 g/株。春小麥在分蘗至抽穗期階段含水率保持在較高水平，加速了葉片和莖稈等器官的生長，植株體內(nèi)組織運水、儲水能力得以迅速提高。灌溉時間提前顯著延長了春小麥灌漿進程，提高了小麥水分含量，使得植株體內(nèi)含水率保持在較高水平，花后 15～20 d灌漿速率達到最大值，從而有利于碳水化合物的積累和轉(zhuǎn)運，春小麥代謝穩(wěn)定，春小麥灌漿期之前干物質(zhì)積累較多和水分含量較高。提前5～10 d灌溉頭水處理理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量顯著高于 CK處理，理論產(chǎn)量分別增加31.39%和21.83%，實際產(chǎn)量分別增加18.75%和11.45%。說明提前5～10 d灌水對補償籽粒灌漿具有一定的促進作用，從而有利于提升春小麥產(chǎn)量。

綜合各處理結(jié)果來看，相比對照處理，提前5～10 d頭水灌溉顯著提高了春小麥密度、單株分蘗數(shù)、株高，加速了葉片和莖稈等器官的生長，且春小麥地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量為最高，并顯著提高了作物產(chǎn)量，同時提前5～10 d頭水灌溉處理顯著延長了春小麥灌漿進程，其灌溉措施效果最明顯，因此研究認為，提前5～10 d頭水灌溉措施更能夠促進春小麥生長和產(chǎn)量的形成。

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