不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥生長發育及產量的影響

胡宏遠，南學軍，馬國飛*

(1.中國氣象局 旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象科研所，寧夏 銀川 750002)

隨著社會經濟的發展，糧食安全問題已成為21世紀人類面臨最嚴峻的挑戰之一，充足的糧食供應是保障和諧社會的重要物質基礎，而區域糧食供需平衡是確保國家糧食安全的重要前提[1]。2021年6月1日，《中華人民共和國鄉村振興促進法》正式施行，將“糧食安全戰略”寫進法律，用法律武器保障國家糧食安全。小麥作為世界最重要的糧食作物之一，其總面積、產量及貿易額均居糧食作物之首，是世界35%人口的主要糧食作物。在我國，小麥是第三大糧食作物，僅次于水稻和玉米，常年種植面積在2400萬hm2以上，總產量超過1.15億t，約占糧食作物產量的20%，有超過50%的人口以小麥為主要糧食，小麥生產的穩定發展、產量高低及品質優劣對保障糧食安全和人民生活水平的提高具有極其重要的意義[2-3]。因此，在新時代新發展環境條件下，探究小麥生產安全、提質增產具有重要意義。

中國北方特別是西北地區水資源嚴重短缺，加之灌溉用水利用率低，干旱缺水問題已成為制約當地社會經濟可持續發展的重要瓶頸[4]。小麥作為我國北方地區的重要糧食作物，雖然具有較強的抗旱能力，但區域干旱缺水已成為該地區小麥生產的主要因素之一[5]。寧夏地處我國西北內陸，降水稀少且時空分布不均，有“十年九旱”之說，而北部引黃灌區位于黃河中上游，具有地勢平坦、土壤肥沃、有效積溫高等得天獨厚的地理和氣候條件優勢，歷來自流灌溉、取水便利、有天下黃河富寧夏之“塞上江南”之美譽[6]，該區域農作物病蟲害輕，又有豐富的黃河水資源，為無公害、優質糧食生產奠定了良好的基礎條件[7]。近年來，寧夏自治區政府將優質糧食作為全區13個優勢特色產業之一[8]，又通過實施“優質糧食工程”，保障全區優質糧食生產[9]。據統計，2019年寧夏小麥種植面積達107773 hm2，占糧食作物播種面積的15.91%，產量34.6145萬t，占糧食總產的9.28%，單位面積產量3212.0 kg/hm2，占糧食單位面積產量的58.30%，灌區已成為主要的糧食生產基地，對寧夏糧食生產作出了重大貢獻[10]。

寧夏頭水灌溉一般在4月中下旬，灌區春小麥正值3葉期到分蘗期，也是幼穗分化的關鍵期，對水分極其敏感，此期水分缺乏會造成分蘗和穗粒數減少而影響小麥的產量。針對頭水灌溉前人也開展了相關研究，馬金虎等[11]研究表明，在4月25日前后進行頭水灌溉試驗，常規4次灌水能滿足小麥各時期正常生長發育而獲得高產。馬文禮等[12]將寧夏灌區頭水灌溉時間提早2周，在對株高無影響的前提下，延長了小麥生育期，促進了分蘗，增加了小麥的穗數。

前人的研究用科學的方法進一步闡明了頭水灌溉對小麥生產的重要意義，但針對寧夏小麥頭水灌溉系統性的研究鮮為報道。因此，本文在前人研究的基礎上，探究不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥生長發育及產量的影響，旨在進一步明確頭水灌溉的時間，為提高水分利用效率，提質增效、提質增產奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019年在寧夏銀川永寧縣望洪鎮西和村進行，試驗地處引黃灌區中部，屬中溫帶干旱氣候區，大陸性氣候特征明顯。年平均氣溫9.6 ℃，夏季各月平均氣溫在20 ℃以上，日較差13.6 ℃，≥10 ℃平均積溫3626.3 ℃·d，無霜期平均166 d，年日照時數2892.3 h。前茬作物為玉米，供試品種為永春4號，播量262.5 kg/hm2，行距10 cm，試驗過程中田間管理保持與大田一致。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，小區面積24 m2(4 m×6 m)，3次重復，小區間及保護行間鋪設1.0 m深塑料膜，以防止水分下滲及徑流。試驗于小麥分蘗期開始處理，以大田常規灌溉為對照(CK)，按照不同灌水時間設置：提前1 d灌頭水(T1)、提前5 d灌頭水(T2)、提前10 d頭水(T3)、推遲11 d灌頭水(T4)4個處理，詳細設計見表1。

表1 試驗設計

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高及密度測定 采用定點標記法，每隔5 d，隨機選取10株小麥，3次重復，用直尺測定株高。

孕穗期前每隔5 d，每小區隨機選取3行，分別測定每平方米的分蘗數和行數，孕穗期后測定每行總莖數，3次重復，并計算密度(莖/m2)。

1.3.2 干物質積累和灌漿速率測定 在關鍵生育時期隨機選取生長一致的植株10株，重復3次，置于烘箱105 ℃殺青，隨后在75 ℃條件下烘至恒重，用電子天平稱取干重。

自花后10 d后開始，每隔5 d，隨機選取10株麥穗，重復3次，待在實驗室烘干后，測定穗粒數和穗粒重，計算千粒重。

灌漿速率/[g/(1000粒·d)]為該時段千粒重與前期千粒重差值，除以間隔天數。

1.3.3 測產及考種 小麥成熟后，隨機選取有代表性植株30株進行考種，考種項目包括：穗長、穗粒重、穗數、千粒重、莖稈重、小穗數、不孕小穗率等指標，產量為各小區實測產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2003和SPSS 10.0軟件進行數據處理及作圖，不同處理之間多重比較采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥株高的影響

由圖1表明，不同頭水灌溉時間處理下，灌區春小麥株高在18.00～86.26 cm，且在6月6日達到最大值。不同處理條件下小麥株高依次為T2>T3>T1>CK>T4，與CK相比，T1、T2、T3處理的株高分別增加了3.46%、9.58%、8.66%，T4處理的株高減少了19.55%，各處理與CK均存在顯著差異(P<0.05)。

圖1 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥株高的影響

2.2 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥密度的影響

由圖2表明，各處理春小麥的密度變化均呈現先升高后下降趨勢，前期增加較快，后期趨于平緩。不同處理條件下，小麥密度由大到小依次為T3>CK>T2>T1>T4，與CK相比，T3處理的密度增加了52.60%，T1、T2、T4處理的密度依次減少了15.33%、0.37%、47.18%，各處理與CK差異均達顯著差異(P<0.05)水平。

圖2 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥密度的影響

2.3 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥干物質積累的影響

由圖3表明，不同處理條件下春小麥地上部干重、鮮重變化整體呈現先升高后下降趨勢，6月21日(乳熟期)均達到最大值。與CK相比，T1、T2、T3處理的鮮重分別增加了1.18%、5.44%和12.05%，T4處理減少37.93%；T1、T2、T3處理的干重分別增加了5.94%、12.70%和29.32%，T4處理干重減少18.53%。T3處理的地上部鮮重和干重均顯著高于CK(P<0.05)，且增速最快，T4處理的地上部鮮重和干重最低，且與CK差異顯著(P<0.05)，增速最慢，其他處理間差異不顯著(P<0.05)。

圖3 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥地上部干重、鮮重的影響

2.4 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥灌漿速率的影響

由圖4表明，不同處理間寧夏灌區春小麥灌漿速率呈現“降-升-降”變化趨勢，且在6月26日(乳熟后期)達到最大值。與CK相比，T1、T2、T3、T4處理的灌漿速率分別下降0.29%、11.74%、7.48%、4.12%。不同處理間的灌漿速率存在明顯差異，其中，T4處理在花后10～15 d的灌漿速率維持在較高水平，且顯著(P<0.05)高于其他處理，其次為CK和T2處理。隨后三者灌漿速率均呈現下降趨勢。處理開始時T1和T3處理的灌漿速率較低，隨著生長發育進程的推進，其灌漿速率開始持續增加，于6月26日(乳熟后期)灌漿速率達最大，且與其他處理差異達到顯著水平(P<0.05)。各處理在花后15～20 d，其灌漿速率迅速下降，其中T4處理下降最明顯，其次為T1處理，二者差異顯著(P<0.05)，其他處理間差異不顯著(P<0.05)。

圖4 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥灌漿速率的影響

2.5 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量的影響

2.5.1 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量構成要素的影響 由表1表明，T2和T3處理的穗長、穗重、莖稈重、小穗數、穗粒數、穗粒重均顯著(P<0.05)高于CK。與相比CK，T2處理分別增加了11.90%、14.62%、32.44%、5.94%、22.85%、20.05%，T3處理分別增加了12.70%、25.09%、39.19%、14.18%、26.89%、32.64%。其中，穗重、小穗數、穗粒重以T3處理顯著(P<0.05)高于T2。相比于CK，T4處理的穗長、穗重、莖稈重、小穗數、穗粒數、穗粒重分別減少了24.60%、30.99%、28.53%、12.84%、41.18%、27.71%，且與CK達到顯著(P<0.05)差異水平。T1處理的小穗數、穗粒數、穗粒重與CK之間達到差異顯著(P<0.05)水平。不孕小穗數、不孕小穗率以T4處理最大，且顯著(P<0.05)高于其他處理，T2、T3處理則顯著(P<0.05)低于CK，T1處理的不孕小穗率與CK差異不顯著(P<0.05)。T4處理的千粒重最大，且顯著(P<0.05)高于其他處理，T1、T2、T3處理則顯著(P<0.05)低于CK，各處理間均達到顯著差異(P<0.05)。T2、T3處理的穗稈比顯著(P<0.05)低于其他處理，其他處理間的差異不顯著(P<0.05)。

表1 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量構成要素的影響

2.5.2 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量的影響 由表2可知，在不同處理條件下小麥理論產量和實際產量差異較大。其中，理論產量由高到低依次為T2>T3>T1>CK>T4，與CK相比，T1、T2、T3分別增產2.27%、31.39%、21.83%，T4處理則減產41.54%。方差分析結果表明：T1與CK處理差異不顯著(P<0.05)，二者與其他處理均達到差異顯著(P<0.05)水平，T4處理的理論產量則顯著(P<0.05)低于其他處理。實際產量由高到低依次為T3>T2>T1>CK>T4，與CK相比，T1、T2、T3分別增產0.23%、11.46%、18.75%，T4處理則減產21.98%。T1與CK差異不顯著(P<0.05)，其他各處理間均達到差異顯著(P<0.05)水平。

表2 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量的影響

2.5.3 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區春小麥產量結構及產量相關性分析 由表3可知，除小麥千粒重與其他產量結構要素、莖稈重和小穗數二者與穗稈比之間相關性不顯著(P<0.05)，穗稈比與穗長相關性顯著(P<0.05)外，其他產量結構之間均呈現極顯著(P<0.01)相關關系。產量相關性分析表明，穗稈比、千粒重與產量之間呈現負相關關系，且差異不顯著(P<0.05)，其他產量結構要素與產量間相關性均達到極顯著水平(P<0.01)，其中，不孕小穗率與產量之間存在極顯著(P<0.01)負相關，其他指標與產量間均存在極顯著(P<0.01)正相關。

表3 不同頭水灌溉時間對寧夏灌區小麥產量結構及產量相關性分析

3 討論

小麥灌頭水后，開始進入旺盛生長階段，該時期作為營養生長與生殖生長的并進期，也是幼穗分化時期，對水分的需求量急劇增加，土壤水分直接影響有效小穗數和穗粒數的分化[13-14]。研究表明，分蘗期、拔節期適當灌溉，能促進小麥葉片早發、早分蘗、生根，提高水分利用效率，增加光合作用和光合產物積累和轉運，群體光合能力的大小反映了干物質積累多少及供給籽粒實體的營養高低，最終決定了產量的高低。在干物質積累量的大小受群體結構、密度、葉面積和土壤水分等諸多制約因子中，仍以水分占主導作用[15]。而缺灌頭水導致減產幅度最大達13.48%，缺灌拔節水減產幅度較小為4.35%[16]，試驗研究表明：不同處理條件下，小麥株高均在6月6日達到最大值，提前灌頭水均能顯著提高小麥株高，而推遲灌水能顯著降低小麥株高。提前10 d灌頭水能顯著提高小麥密度，且密度最先達到最大值，提前1 d、5 d灌頭水均能顯著降低小麥密度。提前灌頭水均能顯著增加小麥鮮重、干重，且隨著提前時間的增加而增加。不同處理灌漿速率在6月26日均達到最大值，隨后開始下降，但各處理的灌漿速率變化程度不同。其中T3和T1處理的小麥灌漿速率整體呈上升趨勢，達到極值后，T1處理下降幅度較大，而T3處理在下降的同時維持在較高水平，且變化平緩。T2處理灌漿速率在前期有下降趨勢，達到極值后，開始下降且維持在較高水平。T4處理的灌漿速率波動最大，前期較好，達到極值后，速率最低。

提前灌頭水均能顯著提高小麥穗長、穗重、莖稈重、小穗數、穗粒數、穗粒重，一定程度上能顯著降低不孕小穗數、不孕小穗率、穗稈比，延遲灌頭水不利于小麥生長。其中，T3處理的效果最理想，均能顯著增加小麥穗長、穗重、莖稈重、小穗數、穗粒數、穗粒重，能顯著降低不孕小穗數、不孕小穗率、穗稈比，千粒重顯著低于T4、CK，這可能與二者小穗數、穗粒數較少而導致千粒重增加有關。產量結構、產量相關性分析表明，不同時間灌水通過影響穗長、穗重、莖稈重、小穗數、穗粒數、穗粒重等產量結構指標，進而影響到灌區小麥產量的形成。在本試驗條件下，不同時間灌水方式使得千粒重與小麥產量呈現負相關關系，這可能與頭水灌水時間推遲影響了春小麥單株分蘗數，導致春小麥單株分蘗率下降有關，而灌水時間提前，單株分蘗較多，小麥群體分蘗穗重量較小，受分蘗穗的影響，進而導致千粒重下降，最終導致千粒重與產量之間呈現較弱的負相關關系。對理論產量、實際產量的分析表明，提前灌頭水均能顯著提高產量，其中，T3處理增產最顯著，T4處理不利于產量增加，說明寧夏灌區春小麥在4月中旬灌頭水，能促進群體構成、單株發育，為高產奠定了基礎，這與王巖萍[17]、王紅光[18]等研究結果相同。

4 結論

在目前小麥生產現行灌溉制度下，寧夏灌區春小麥提前灌頭水能不同程度提高產量，以4月中旬灌頭水的效果最理想，能顯著促進群體構成、單株發育，可以更大程度地提高小麥產量。

近年來，在全球氣候變暖大背景下，寧夏灌區春季回溫快，春小麥播種普遍開始提前，而目前灌區春小麥生產多采用傳統的渠水漫灌方式，水利部門、農戶應更加認識到早灌頭水的重要意義，敢于打破現行的春小麥灌溉制度，結合小麥需水規律、土壤水分狀況，為今后以水定地、以水定產、科學種田、科技養田，提高水分利用效率，增產體質奠定實踐基礎。