灌溉制度和品種對冬小麥產量性狀和水分利用效率的影響

付佳祥，黨紅凱，李曉爽，柴春嶺，高惠嫣，王曉玲，劉宏權

（1.河北農業大學，河北 保定 071001；2.河北省農林科學院旱作農業研究所，河北 衡水 053000；3.衡水學院生命科學學院，河北 衡水 053000）

0 引 言

華北地區用僅占全國6%的水資源支撐了占全國18%的耕地并生產出占全國23%的糧食［1］，是中國重要的糧食生產基地，對國家糧食的生產具有很大的貢獻，但長期灌溉造成了華北平原地下水資源的嚴重虧損，地下水位持續下降，由于多年來的持續地下水超采，遼闊的華北平原已經成為世界上最大的“漏斗區”［2，3］。冬小麥生長期正處于華北平原降水較少的干旱季節，實現高產依賴于灌溉，是華北平原地下水超采的主導因素之一［4］。因此在水資源有限的情況下提高水分利用效率WUE是當務之急，特別是在生態系統脆弱，缺水嚴重的干旱和半干旱地區［5］。Sushil Thapa 等［6］提出供水和分配是半干旱地區小麥產量的主要限制因素。馮魁等［7］人得出適當增加灌溉次數可以提高冬小麥的產量，楊永輝等［8］指出隨著灌水量的增加，小麥的水分利用效率均先增加后降低，而生物量和千粒質量均增加。Meng Zhang等［9］提出冬小麥的水分利用效率與基因型有很強的相關性，黃桂榮［10］得出冬小麥的水分利用效率受基因型的影響最大，水分條件次之；產量和耗水量受水分條件影響最大，其次為基因型影響。王家瑞等［11］研究人為正常降水年份在拔節期灌1 次水、干旱年份灌拔節水+孕穗水（2 水）為小麥節水高產灌溉模式。目前對于篩選抗旱性品種和灌溉對水分利用效率影響的研究很多，但綜合研究灌溉制度和品種對產量和水分利用的影響的研究較少。本研究選擇4 個冬小麥品種，研究不同灌溉制度下冬小麥產量性狀、生物量和水分利用效率的變化。本研究在水分的基礎上，分析了華北平原4 個品種的產量和水分利用效率，為冬小麥節水高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020-2021年在河北省農林科學院旱作節水農業試驗站進行（37°44′N，115°47′E），供試土壤類型為黏質壤土，0～20 cm 土層有機質量平均值為20.14 g/kg，全氮量1.205 g/kg，全磷量1.259 g/kg，全鉀量19.318 g/kg，堿解氮量86.87 mg/kg，有效磷量14.63 mg/kg，速效鉀量143.39 mg/kg。試驗地土壤肥力中等，地勢平坦，灌溉條件好，多年種植小麥、玉米輪作。冬小麥全生育期降水64 mm，降雨量和溫度變化見圖1。

圖1 2020-2021年降雨量和溫度變化Fig.1 Changes in rainfall and temperature from 2020 to 2021

1.2 試驗方法

試驗為裂區設計，主處理為灌溉制度，分設置5個處理：CK（不灌水）、W1（拔節水）、W2（拔節水+開花水）、W3（起身水+抽穗水+灌漿水）和W4（起身水+拔節水+開花水+灌漿水），灌溉時間見表1；副處理為4 個品種：衡4399、衡4444、衡麥28、石麥22（表2）。3 次重復，小區面積13×7.5=97.5 m2，小區之間60 cm 寬的隔離帶。于2020年10月17日播種，播種量為210 kg/hm2，底肥施復合肥750 kg/hm2，春季追施尿素375 kg/hm2，結合春季第1水撒施（4 水處理在春季第1 水和第2 水時分2 次等量追施，CK處理尿素4月15日趁雨開溝施入），其他管理同大田，2021年6月9日收獲。試驗地灌溉水為當地地下水，灌溉方式為地面灌溉，通過水表計量灌水量。

表1 冬小麥灌溉制度Tab.1 Winter wheat irrigation schedule

表2 冬小麥試驗品種介紹Tab.2 Introduction of winter wheat test varieties

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤重量含水率

在冬小麥播種前、收獲后及關鍵生育期以10 cm 為一土層采集土樣，采用烘干法測定每小區0～200 cm 土層（共20 個土層）的土壤質量含水率。

1.3.2 耗水量和水分利用效率計算

（1）耗水量計算：各個生育階段及全生育期作物耗水量采用水量平衡方程計算：

ET=P+I+S+ΔW-R-D

式中：ET為作物耗水量，mm；P為有效降水量，mm；I為灌水量，mm；S為地下水補給量，mm；ΔW為土壤含水率的變化量，mm；R為地表徑流，mm；D為深層滲漏，mm。

因試驗地點地下水埋深大于10 m，故不考慮地下水補給量；試驗地點地勢平坦，各小區之間有隔離，無地表徑流損失；土壤水分的測定深度為2 m，在試驗期間沒有暴雨或特大暴雨，故不考慮深層滲漏。

（2）水分利用效率計算：

WUE=Y ET

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為產量，kg/hm2；ET為作物耗水量，m3/hm2。

1.3.3 生物量及穗部性狀

小麥收獲前每個小區隨機選取40 穗小麥考種，測定穗長、小穗數、不孕小穗數，選取10 株進行莖、葉、穗分樣，放入烘箱80 ℃烘10 h，稱其干重。

1.3.4 產量及構成要素

冬小麥成熟期各小區內隨機選取2 個長勢均勻的1 m2樣方，將所有麥穗剪下后脫粒、風干、稱重，用PM8188-A谷物水分測定儀測定籽粒含水量，冬小麥按照13%安全含水量折算單位面積產量；冬小麥收獲前在每個小區數兩個一米雙行計算穗數，每個小區隨機取40 穗數穗粒數，隨機取1 000 粒（2 份）測籽粒重量，按照13%安全含水量折算千粒重。

1.4 數據處理

采用Excel 進行數據處理，Spss.25 數據處理系統進行方差分析、回歸分析和模型擬合，作圖軟件采用GraphPad Prism 8.3.0和Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 灌溉制度對冬小麥穗部性狀的影響

表3為不同灌溉制度下不同品種冬小麥的穗部性狀變化。不同品種下的穗長均隨春季灌溉次數的增加而增加，衡4399、衡4444、衡麥28和石麥22不同灌溉制度下的穗長較CK 處理增幅分別為4.68%～7.09%、4.26%～7.65%、1.31%～7.97%和1.70%～7.44%，衡4399、衡麥28 和石麥22 在W4 處理下的穗長，顯著高于CK 處理，衡4444 在W1、W2 和W3 處理下的穗長顯著高于其他3 個品種。小穗數隨灌溉次數的增加而降低，在W3 處理小穗數達到最大值，W4 處理較W3 處理降低0.21%～1.55%，衡麥28 在W2 處理下的小穗數顯著高于其他品種，石麥22 在W3 處理下顯著高于衡4444，4 個品種在CK、W1 和W4 處理無顯著性差異。不孕小穗數在W2處理最小，衡4399、衡4444、衡麥28和石麥22 的W2 處理較其他灌水處理分別降低17.95%～32.39%、3.60%～25.00%、13.38%～32.66%和13.70%～29.19%，衡麥28 的不孕小穗數低于其他3個品種。

2.2 灌溉制度對冬小麥生物量的影響

由表4可以得出，同一灌溉次數下，衡麥28 和石麥22 的生物量無顯著性差異，這2 個品種的生物量分別較衡4399 顯著提高19.81%～37.36%和18.46%～45.24%。在CK 處理下，衡4444和衡4399 的生物量無顯著性差異，衡麥28 和石麥22 無顯著性差異，衡麥28 較衡4444 和衡4399 分別顯著增加20.41%和22.01%。

不同灌溉次數對冬小麥各器官的影響不同。不同品種的莖的干物質量隨灌溉次數的增加表現不盡相同，但莖的干物質量所占比例均隨灌溉次數增加而減少，CK 處理的莖的干物質量所占比例較W1、W2、W3 和W4 處理分別顯著增加26.13%、35.23%、44.27%和57.17%。葉的干物質量均隨灌溉次數的增加而增加，其所占比例也呈現逐漸遞增的趨勢；穗的干物質量及其所占比例變化趨勢與葉相同，均隨灌溉次數的增加而增加。生物量隨著灌溉次數的增加而逐漸增加，W3處理和W4處理的生物重無顯著性差異，CK 處理的生物重較W1、W2、W3 和W4處理分別顯著降低19.60%、27.73%、34.72%和38.25%。

2.3 灌溉制度對冬小麥產量及其構成要素的影響

單位面積穗數、單穗粒數和千粒重是冬小麥籽粒產量構成的3 個要素。從表5可以看出，冬小麥的產量及其構成要素受灌溉制度的影響顯著。不同品種的穗數均隨著春季灌水次數的增加而增加，不同灌溉制度下衡4399 的穗數無顯著性差異，CK 處理較其他處理減少5.18%～17.01%；衡4444 的W3 處理和W4處理無顯著性差異，W3處理和W2處理無顯著性差異W2處理較CK 處理顯著增加10.80%；衡麥28的W2、W3和W4處理無顯著性差異，W1 和CK 處理無顯著性差異，W2 處理較CK 處理和W1 處理分別顯著增加26.89%和17.39%；石麥22 的W3 處理和W2處理無顯著性差異，W2處理較CK處理和W1處理分別顯著增加14.59%和10.27%。衡4399、衡4444 和衡麥28 的穗粒數隨春季灌溉次數的增加而減少，W1、W2、W3 和W4 處理的穗粒數無顯著性差異；石麥22的穗粒數隨春季灌溉次數的增加而增加，各處理之間無顯著性差異。衡4399的千粒重隨灌溉次數的增加而增加，且不同灌溉制度之間無顯著性差異；衡4444、衡麥28 和石麥22 隨春季灌溉次數的增加呈先增加后降低的趨勢，W4處理分別較W3處理降低5.30%、3.03%和4.36%。

表5 不同處理對冬小麥產量及構成要素的影響Tab.5 Effects of different treatments on winter wheat yield and components

不同冬小麥品種的籽粒產量對灌溉制度的響應相同，不同灌溉制度下4 個品種的產量均表現為W4＞W3＞W2＞W1＞CK，W1、W2、W3 和W4 處理分別較CK 處理顯著增加40.53%、49.67%、54.70%和57.78%。衡4399、衡4444 和衡麥28 在不同灌溉制度下的產量差異性顯著，石麥22 的W2 處理和W3 處理無顯著性差異，W2 處理較W1 處理顯著增加14.82%。CK 處理下衡麥28 的產量較衡4399、衡4444 和石麥22 分別顯著高47.28%、20.02%和32.14%。

2.4 灌溉制度對冬小麥水分利用效率的影響

表6為冬小麥全生育期的耗水量及耗水組成。從表6可以看出，不同灌溉制度下冬小麥對土壤水的消耗量差異性顯著，所占總耗水量的比例隨灌溉次數的增加而降低；冬小麥全生育期總耗水量隨灌溉次數的增加而增加，與土壤水的消耗量呈負相關。

表6 不同灌溉制度對冬小麥耗水量及耗水組成的影響Tab.6 Effects of different irrigation schedules on water consumption and water consumption composition of winter wheat

從表7可以得出，冬小麥的水分利用效率不隨產量和耗水量的增加而增加，隨著春季灌溉次數的增加呈先增加后降低的趨勢。衡4399 在W3 處理水分利用效率最高，為2.39 kg/m3，較CK 處理顯著增加111.50%，W4處理的產量和耗水量最高，水分利用效率比W3 處理顯著降低8.79%。衡4444、衡麥28 和石麥22 的水分利用效率均在W2 處理達到最高，其他灌溉處理分別較W2 處理顯著降低6.45%～43.95%、6.43%～32.93%和7.00%～48.15%。從CK處理來看，4個品種之間的水分利用效率差異性顯著，衡麥28的水分利用效率分別較衡4399、衡4444和石麥22顯著增加47.79%、20.14%和32.54%。

表7 不同處理對冬小麥水分利用效率的影響Tab.7 Effects of different treatments on water use efficiency of winter wheat

3 討 論

3.1 不同灌溉制度對冬小麥產量及構成要素的影響

冬小麥生長發育階段不同灌水期和灌水量對其產量和構成要素影響顯著［12］，石學萍等［13］人研究得出當灌水量為127～217 mm 時，隨著灌水量的增加，千粒重、穗粒數顯著增加；當灌水量為217～315 mm 時，隨著灌水量的增加，千粒重、穗粒數呈緩慢減少的趨勢。本研究得出冬小麥的穗粒數和千粒重在W3（225 mm）處理最大，在W4 處理（300 mm）開始降低，與石學萍研究結果一致。干物質積累量隨著灌水次數的增加而增加［14］，產量的增加潛力來自于生物量的增加［10］，郝秀釵等［15］得出產量與成熟時的單位面積有效穗數呈極顯著正相關且產量均隨灌溉次數的增加而明顯提高。在本試驗中，冬小麥生物量、單位面積有效穗數和產量均隨灌溉次數的增加而增加，與以上研究者的研究結果一致。

3.2 不同灌溉制度對冬小麥耗水及水分利用效率的影響

籽粒產量和水分利用效率由品種和水分互作效應決定，春灌2 水可明顯提高籽粒產量水平，并在一定程度上提高了水分利用效率［16，17］。蔡煥杰等［18］對小麥的研究表明，適度的水分虧缺對作物產量影響較小，但水分利用效率會明顯增加。對于冬小麥在限水灌溉下的最優灌溉時期拔節水，節水栽培的最優灌溉方式為春灌2水（拔節水+揚花水），高產的最佳灌溉方式為春灌3 水（拔節水+揚花水+灌漿水）［19］。不同品種的冬小麥對灌水的反應有較大差別，不同品種產量和水分利用效率對水分的響應存在明顯差異，抗旱性強的品種在干旱脅迫下表現出成穗率高、單位面積穗數多的特征［20，21］，從而有效保證干旱處理的產量和水分利用效率的提高。本試驗得出冬小麥的總耗水量隨灌溉次數的增加而增加，差異性主要由灌溉水量所致。品種間冬小麥WUE 規律性不一，水分利用效率不隨灌水量的增加而增加，與前人研究結果一致，衡4444、衡麥28 和石麥22 的WUE在W2處理最大，衡4399在W3處理最大。

4 結 論

在2020-2021年的降水年型下，不孕小穗數不同灌溉制度和不同品種差異性均較大，但均表現為：W2 處理最少，CK 處理最多。衡麥28 的穗部生物量較衡4399、衡4444 和石麥22 分別提高29.27%、8.28%和0.37%；產量分別提高12.53%、6.33%和6.55%；在W2 處理下水分利用效率提高28.35%、0.40% 和2.47%。衡麥28 搭配W2 處理可獲得較高的籽粒產量和水分利用效率。

灌溉制度受降水量影響較大，本研究僅針對冬小麥的灌溉制度做了一個生長季的研究，存在一定的局限性，但可為華北平原冬小麥的灌溉制度的制定提供一定的理論依據和技術支撐。