不同播種方案下補灌對冬小麥水分利用和產量的影響

王 森，尚云秋，朱俊科，谷淑波，王 東2,

(1.山東農業大學/作物生物學國家重點實驗室,山東泰安 271018；2.西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100；3.淄博禾豐種業科技股份有限公司,山東臨淄 255000)

黃淮海平原是我國小麥主產區[1-2]，也是小麥-玉米一年兩熟區[3]。近年來隨著玉米晚收技術的推廣應用，小麥播種期明顯推遲，與以往相比，小麥生長季分配的光熱和降水資源發生了較大變化，因而明確推遲播期后小麥群體結構及其耗水特性的變化，探索適宜的補灌方案對持續提高小麥產量和水分利用效率、實現周年高產高效有重要意義。

播期和密度是影響小麥群體性狀和產量形成的兩個重要因素。小麥在適期播種時可充分利用冬前光熱資源，培育壯苗；播量直接影響小麥的種植密度。適宜的播期和種植密度能較好地協調小麥個體特征和群體質量的關系，優化產量結構，實現高產[4]。與傳統播期相比，推遲播期會導致小麥群體減小，降低有效分蘗數量；使小麥灌漿期處于高溫天氣，縮短灌漿時間[5]；減少小麥對氮素的吸收和籽粒中氮素的積累，最終降低籽粒產量[6]。增加種植密度是彌補因晚播導致小麥成穗數減少、產量降低的重要栽培措施[7]。有研究表明，推遲播期和增加種植密度可顯著提高小麥冬前分蘗數量、春生分蘗數量和最終成穗數，并顯著增加產量[8]。在合理的播期和種植密度組合條件下小麥可以獲得高產。在適宜范圍內晚播增密時，小麥籽粒產量不減少；繼續增加播種量后，群體增大，籽粒產量并沒有提高[9]。播期由10月10日推遲至20日，種植密度由247×104株·hm-2增至314×104株·hm-2時，小麥冬前群體數量、成穗數量和籽粒產量顯著降低[10]；繼續推遲播期至11月12日，種植密度增加至375×104株·hm-2時，成熟期干物質積累量、穗粒數、千粒重和籽粒產量顯著降低[11]。以上研究結果表明，因播期和播量不同，小麥的群體發育及其結構就會存在顯著差異。拔節至開花期是小麥穗數和穗粒數形成的關鍵時期，該時期的水分管理對群體結構和產量形成有顯著影響。因此，對于因播期播量不同導致的群體結構不同的麥田，如何在拔節至開花期根據小麥不同的群體結構確定合理的補灌水時間和數量，以實現穗數、穗粒數和千粒重三者的協調，提高產量和水分利用效率，是亟待解決的科學和技術問題。

本試驗通過設置播期播量處理構建不同的小麥群體結構，在小麥分蘗兩極分化和穗花發育的關鍵時期即拔節期和開花期設置不同的補灌方案，研究補充灌溉對不同群體結構冬小麥耗水特性、籽粒產量和水分利用效率的影響，以期為冬小麥高產節水栽培提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018-2019年小麥生長季，在山東省泰安市岱岳區道朗鎮玄莊村 (36.12°N,116.55°E)大田進行。該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為13.3 ℃，年均降水量為654.6 mm，降水主要集中在夏季。播種前試驗地0～20 cm土層土壤含有機質9.6 g·kg-1、全氮1.02 g·kg-1、堿解氮87.35 mg·kg-1、有效磷30.65 mg·kg-1和速效鉀124.33 mg·kg-1。小麥生長季有效降水量為113.6 mm，其中播種期至越冬期、越冬期至拔節期、拔節期至開花期、開花期至成熟期的有效降水量分別為28.8、2.8、37.6、44.4 mm。試驗田播種時土壤水分狀況、土壤容重見表1，小麥不同生育時期積溫見表2。

表1 試驗田0～200 cm土層播種前土壤容重、田間持水率和土壤相對含水率Table 1 Soil bulk density,field capacity and soil relative water content in the 0-200 cm soil layers of the experimental field before sowing

表2 冬小麥不同生育時期積溫(>0 ℃)Table 2 Accumulated temperature (>0 ℃)at different growth stages of winter wheat ℃

1.2 試驗設計

試驗采用裂裂區設計，以品種為主區，選用大穗型品種山農23和中多穗型品種山農29；以播種方案(播期+種植密度)為副區，設10月5日播種+基本苗120×104株·hm-2(適期精播，A1)和10月12日播種+基本苗240×104株·hm-2(晚播增密，A2)兩個水平；以補灌方案為副副區，設拔節期和開花期補灌均使0～20 cm(擬濕潤層)土層土壤相對含水率達100%田間持水率(W1)及拔節期補灌使0～40 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率(W2)兩個水平，同時設拔節期和開花期均不灌水處理(W0)為對照。

拔節期和開花期灌水量(表3)根據灌水定額公式[12]計算：I=10×γ×H×(FC-βj)，式中I為需補灌水量(mm)，γ為擬濕潤層土壤容重 (g·cm-3)，H為擬濕潤層深度(cm)，FC為擬濕潤層土壤田間持水率(%)，βj是灌水前擬濕潤層土壤質量含水率(%)。播種期和越冬期采用按需補灌方法[13]確定是否需要補灌以及所需補灌水量。灌溉水源為井水，經輸水帶輸送，采用肥水一體化灌溉系統(ZL201410499375.7)[14]將灌溉水均勻噴灑在田間。灌水量采用水表計量。

表3 各處理不同生育時期的補灌水量Table 3 Irrigation amount at different growth stages under different treatments

試驗小區面積46 m2(2 m×23 m)，3次重復。小區間設1.0 m隔離帶，防止水分測滲影響。播種前底施復合肥750 kg·hm-2(含N∶ P∶K的比例為15∶15∶15)，拔節期追施純氮 112.5 kg·hm-2。小麥收獲期為2019年6月12日。其他田間管理措施同一般高產田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率的測定

每個小區于小麥播種前、灌水前1 d和成熟期用土鉆取 0～200 cm土層的土壤樣品，其中 0～40 cm 土層按10 cm一層取樣，40～200 cm 土層按20 cm一層取樣，土樣裝入鋁盒。稱鮮土重后置于烘箱中，110 ℃烘至恒重，然后稱干土重，并計算土壤質量含水率和土壤相對含水率[15]。

土壤質量含水率=(鮮土質量-干土質量)/干土質量×100%；土壤相對含水率=土壤質量含水率/田間持水率×100%。

1.3.2 土壤貯水消耗量和農田耗水量的計算

小麥生育期土壤貯水消耗量(ΔW)的計算公式[16]如下：

式中，ΔW為土壤貯水消耗量(mm)；i為土層編號；n為總土層數；γi為第i層土壤容重 (g·cm-3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)；θi1和θi2分別為第i層土壤時段初和時段末的質量含水量(%)。

小麥生育期農田耗水量(ETc)的計算公式[17]如下：

ETc=ΔW+Pr+I-R-D+CR

式中，ETc為小麥生育期農田耗水量(mm)，ΔW為0～200 cm土層土壤貯水量消耗量(mm)，Pr為降水量(mm)，I為補灌水量(mm)，R為地表徑流(mm)，D(mm)是根部區域的排水量，CR為根部毛細上升量(mm)。根據Ali等[18]的研究，當地下水位低于地表以下2.5 m，D和CR可忽略不計。本試驗田的地下水位位于地表以下8 m處，可忽略D和CR的影響。另外，試驗田的斜率為2.2%，在該地區自然降水條件下不會引起地表徑流，因此R也可以忽略。

1.3.3 總莖蘗數動態調查

每個小區選取長勢均勻一致的1 m×8行小麥樣區用于總莖蘗數動態的調查。于小麥越冬期、返青期、拔節期、開花期和成熟期分別調查總莖蘗數量，其中返青期至開花期每隔7 d調查一次，并計算單位面積總莖蘗數量。

1.3.4 干物質積累動態調查

每個小區于越冬期、返青期和拔節期分別選取20個小麥植株，并調查分蘗數量；開花期和成熟期分別隨機選取20個小麥單莖，開花期按莖稈、葉片和穗分樣，成熟期按莖稈、葉片、穗軸+穎殼和籽粒分樣。返青期至開花期每隔7 d取樣一次。植株樣品放入烘箱中105 ℃殺青30 min后，在75 ℃條件下烘干至恒重，稱干物質量并計算單位面積干物質積累量。

1.3.5 籽粒產量及其構成因素測定

每個試驗小區于小麥成熟期收獲2 m2，人工收割、脫粒后自然風干至籽粒含水量為12.5%左右稱重，計算公頃產量。

1.3.6 水分利用效率和灌水生產效率計算

水分利用效率=籽粒產量/全生育期耗水量；

灌水生產效率=(灌溉處理的產量-不灌溉處理的產量)/灌溉處理的灌水量。

1.4 數據處理

使用Microsoft Excel 2016處理試驗數據，采用DPS 7.05數據處理系統軟件對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗(LSD法)，并采用Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 冬小麥耗水特性

山農23的土壤貯水消耗量和總耗水量大于山農29(表4)。播種方案對土壤貯水消耗量和總耗水量均無顯著影響，但與W2處理相比，W1處理顯著提高了土壤貯水消耗量和總耗水量。品種與補灌方案的互作、播種方案與補灌方案的互作以及品種、播種方案、補灌方案三者間的互作均顯著影響土壤貯水消耗量和總耗水量。對于同一品種，在A1條件下，與W2處理相比，W1處理具有較高灌水量及其占總耗水量的比例，顯著降低土壤貯水消耗量及其占總耗水量的比例，兩灌水處理間降水量占總耗水量的比例無顯著差異；在A2條件下，與W2處理相比，W1處理顯著提高土壤貯水消耗量及其占總耗水量的比例、總耗水量，顯著降低降水量占總耗水量的比例和灌水量占總耗水量的比例，兩灌水處理間灌水量無顯著性差異。在A1條件下，與W2處理相比，山農23的W1處理總耗水量無明顯變化，但山農29的W1處理總耗水量顯著降低。上述結果說明，拔節期和開花期補灌使0～20 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率，顯著降低了適期精播小麥對土壤水的消耗，促進其對補灌水的利用，但是顯著增加了晚播增密小麥的土壤貯水消耗量和農田耗水量。

表4 不同處理耗水量的水分來源及比例Table 4 Resource of water consumption and proportion in different treatments

越冬期間于2018年12月4日和2019年2月23日測定，返青期間于2019年3月2日和2019年3月9日測定，起身期間于2019年3月16日和2019年3月23日測定，拔節期間于2019年4月2日、2019年4月9日、2019年4月16日和2019年4月23日測定，開花期測定時間為2019年5月7日，成熟期測定時間為2019年6月12日。The values of wintering stage were measured on December 4,2018 and February 23,2019，the values of re-greening stage were measured on March 2 and March 9,2019，the values of standing stage were measured on March 16 and March 23,2019，the values of jointing stage were measured on April 2,April 9,April 16 and April 23,2019，the values of anthesis stage were measured on May 7,2019，the values of maturity stage were measured on June 12,2019.圖1 冬小麥不同生育時期群體總莖蘗數動態變化Fig.1 Population dynamics of winter wheat at different growth stages

2.2 冬小麥不同生育期群體總莖蘗數動態變化

由圖1可知，在返青期之前，兩個小麥品種的群體總莖蘗數均增長緩慢，A2處理的總莖蘗數顯著大于A1處理。在返青期之后，小麥群體總莖蘗數持續增加，直至總莖蘗數量達到最大值，其中山農23的A1處理群體總莖蘗數量的增長速率顯著大于A2處理，但山農29的總莖蘗數增長速率在A1和A2處理間無顯著差異，說明大穗型品種山農23在晚播條件下即使適當增加了種植密度，其春生分蘗亦比適期精播處理少。同一補灌方案下，從群體總莖蘗數量達到最大值至開花期期間，山農23的A1處理群體總莖蘗數量減少的速率顯著小于A2處理；在A1條件下，W1與W2處理相比，群體總莖蘗數量減少的速率無顯著差異；在A2條件下，相比于W2處理，山農29的W1處理顯著加速了分蘗的兩極分化。同一播種方案下，相比于W2處理，山農29的W1處理顯著促進分蘗的兩極分化。上述結果說明，晚播增密可以減少大穗型品種山農23春生分蘗的數量，在拔節期供水較少的情況下，明顯加快其分蘗的兩極分化；晚播增密使中多穗型品種山農29分蘗兩極分化的進程減慢，減少拔節期補灌水量可加快該晚播增密小麥的分蘗兩極分化。

2.3 冬小麥干物質積累量動態變化

同一補灌方案下，山農23的A2處理開花期干物質積累量顯著大于A1處理，山農29的開花期干物質積累量在A1與A2處理之間無顯著差異(圖2)；兩品種成熟期干物質積累量均表現為A2處理顯著大于A1處理，說明晚播增密相比于適期精播可顯著增加小麥成熟期生物產量。對于同一品種，相同播種方案下，小麥開花期干物質積累量表現為W2處理顯著大于W1處理，成熟期干物質積累量則表現為W1處理顯著大于W2處理，說明拔節期和開花期補灌使0～20 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率顯著促進小麥開花后干物質的積累，明顯提高成熟期生物產量。

越冬期間于2018年12月4日測定，返青期間于2019年3月2日和2019年3月9日測定，起身期間于2019年3月16日和2019年3月23日測定，拔節期間于2019年4月2日、2019年4月9日、2019年4月16日和2019年4月23日測定，開花期測定時間為2019年5月7日，成熟期測定時間為2019年6月12日。The values of wintering stage were measured on December 4,2018;the values of re-greening stage were measured on March 2 and March 9,2019;the values of standing stage were measured on March 16 and March 23,2019;the values of jointing stage were measured on April 2,April 9,April 16 and April 23,2019;the valuesof anthesis stage were measured on May 7,2019;the values of maturity stage were measured on June 12,2019圖2 冬小麥干物質積累量動態變化Fig.2 Dynamic changes of dry matter accumulation in winter wheat

2.4 冬小麥籽粒產量及其構成因素、水分利用效率和灌水生產效率

與山農29相比，山農23的穗粒數、灌水生產效率顯著增加，穗數、千粒重、水分利用效率顯著降低(表5)。播種方案和補灌方案均顯著影響穗數、穗粒數、千粒重和灌水生產效率。與A2處理相比，A1處理顯著提高了穗數，但降低了穗粒數、千粒重和灌水生產效率。對于山農23，在A1條件下，W1處理穗粒數、千粒重、水分利用效率和灌水生產效率均顯著高于W2處理，穗數和籽粒產量與W2處理無顯著差異；在A2條件下，W1處理穗數低于W2處理，穗粒數、籽粒產量和灌水生產效率顯著高于W2處理，千粒重和水分利用效率與W2處理無顯著差異。對于山農29，在A1條件下，W1處理穗粒數、千粒重、籽粒產量、水分利用效率和灌水生產效率均顯著高于W2處理，穗數與W2處理無顯著差異；在A2條件下，W1處理穗數低于W2處理，穗粒數、千粒重、籽粒產量和灌水生產效率顯著高于W2處理，水分利用效率與W2處理無顯著差異。上述結果說明，無論是大穗型還是中多穗型品種，拔節期和開花期補灌使0～20 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率時穗粒數、千粒重和灌水生產效率顯著提高，適期精播小麥的水分利用效率和晚播增密小麥的籽粒產量增加。

表5 冬小麥籽粒產量及其構成因素、水分利用效率和灌水生產效率Table 5 Grain yield,yield components,water use efficiency and irrigation production efficiency

3 討 論

3.1 補灌對不同群體結構下小麥群體動態變化的影響

適宜的播期和種植密度通過調節群體分蘗數量，建立良好的群體結構，從而獲得較高的成穗數，提高籽粒產量[19]。在適宜播期內，推遲播期可以通過增加種植密度來彌補因晚播導致成穗數和產量的降低[7]。同一播期(10月12日播種)條件下，低密度(播量為112.5 kg·hm-2)播種較高密度播種減少了無效分蘗；播期為11月2日，高密度(播量為225 kg·hm-2)播種較低密度播種增加了最大分蘗數量，提高成熟期穗數[20]。本試驗條件下，與適期精播處理相比，晚播增密處理顯著提高了大穗型品種山農23和中多穗型品種山農29的冬前分蘗數量。但是在返青之后，春生分蘗動態變化因品種、播種方案和補灌方案產生差異。與11月中旬播種相比，10月中旬播種時積溫增加，較好的植株生長量使小麥向單莖提供足夠的碳水化合物，增加有效分蘗的數量[21]。本試驗條件下，在返青之后，與適期精播處理相比，晚播增密處理顯著降低了大穗型品種山農23春生分蘗數量的增長速率，減少最大分蘗數量，最終降低成穗數；但是對中多穗型品種山農29春生分蘗數量的生長速率無顯著影響。拔節期和開花期是小麥需水的關鍵時期，此時缺水會顯著影響小麥的成穗數和穗粒數。有研究表明，與雨養處理相比，拔節期和開花期補灌處理顯著降低拔節期至開花期分蘗的消亡速率，提高成穗數[22]。然而，另有研究則認為，補灌方案對最大分蘗數和最終成穗數均無顯著影響[23]。本試驗條件下，大穗型品種山農23在適期精播條件下，W1和W2兩種補灌方案下從分蘗數量達到最大值到開花期的分蘗消亡速率無顯著差異；在晚播增密條件下，W2處理相比于W1處理顯著降低了分蘗的消亡速率，提高了成穗數。同一播種方案下，中多穗型品種山農29亦表現為W2處理相比于W1處理顯著降低了分蘗的消亡速率。但是無論大穗型品種和中多穗型品種群體動態在拔節期至開花期如何變化，補灌方案對適期精播小麥的最終成穗數無顯著影響；增加拔節期補灌水量，使0～40 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率可顯著提高晚播小麥的成穗數。

3.2 補灌對不同群體結構小麥籽粒產量、產量構成因素和水分利用效率的影響

與適期播種相比，小麥播期每推遲1 d，籽粒產量與之相比降低了1%；在推遲播期14 d內，增加種植密度可以彌補產量的損失，繼續推遲播期，即使增加種植密度，但由于群體數量、葉面積指數和穗粒數的降低，產量并沒有得到彌補[24]。與晚播處理相比，早播處理由于較好的植物生長速率，顯著提高了小麥花前干物質積累量，增加穗數和穗粒數，進而提高籽粒產量[21]。本試驗兩種播種方案的播種期相差7 d，結果與前人稍有不同，與適期精播處理相比，晚播增密處理顯著提高大穗型品種山農23開花期和成熟期干物質積累量和中多穗型品種山農29成熟期干物質積累量，但是籽粒產量并沒有隨干物質積累量的增加而增加。大穗型品種山農23的晚播增密處理的穗數顯著降低，但籽粒產量與適期精播處理無顯著差異，這與晚播增密處理的穗粒數和千粒重增加，彌補了穗數不足對產量的影響有關；中多穗型品種山農29的穗數和穗粒數，在兩種播種方案下無顯著差異，但千粒重和籽粒產量降低，說明晚播條件下即使適當增加種植密度，中多穗型品種山農29籽粒產量亦受到不利影響。

在小麥生育期內總灌水量一致的情況下，與一次大定額灌溉相比，分兩次小定額灌溉可提高農田耗水量和籽粒產量，進而提高水分利用效率[25]，但也有研究表明這兩種灌溉方案間水分利用效率無顯著性差異[26]。本試驗結果表明，拔節期和開花期補灌使0～20 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率時，適期精播與晚播增密條件下小麥均獲得了最高的籽粒產量。不僅如此，與本試驗其他灌水處理(W2)相比，該補灌方案在適期精播條件下顯著促進小麥對補灌水的利用，降低了土壤貯水消耗，顯著提高水分利用效率和灌水生產效率；在晚播增密條件下，不僅顯著增加了籽粒產量，而且顯著提高了灌水生產效率。

4 結 論

與拔節期補灌使0～40 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率相比，拔節期和開花期補灌使0～20 cm土層土壤相對含水率達100%田間持水率時，兩種穗型小麥品種拔節后的分蘗消亡速率提高，晚播增密處理小麥的穗數降低，適期精播處理小麥穗數未受到顯著影響，但該補灌方案提高了兩種播種方案下兩品種的穗粒數、千粒重和灌水生產效率，提高了適期精播小麥的水分利用效率和晚播增密小麥的籽粒產量，是調控不同群體結構冬小麥實現高產和高水分利用效率最優補灌方案。