不同滴水量對冬播春小麥生長發育及水分利用效率的影響

吳海旭， 閆博文， 薛麗華， 章建新

(1.新疆農業大學農學院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆農業科學院糧食作物研究所，新疆烏魯木齊 830091)

新疆維吾爾自治區位于我國西北部，氣候干旱，全年降水量少且蒸發量大[1]，農業生產不依靠降水，完全依賴灌溉，灌溉水資源十分短缺。提高農業用水效率、減少灌溉用水的使用是新疆農業生產的重大目標[2]。在新疆地區小麥是最主要的糧食作物，常年種植小麥導致灌溉用水供不應求，因此高效節水才能滿足該地區的供水需求。前人對小麥節水高產理論和技術做了大量研究[3-4]，雖然已經大幅度提高了小麥產量和水分利用效率[5-6]，但是小麥產量和水分利用效率的提高仍有較大潛力。春麥冬播是將春小麥品種臨冬前播種，以發芽(或種子萌動)狀態在積雪覆蓋土壤中越冬，俗稱“包蛋麥”[7]，用于棉花、玉米、復播大豆和油葵晚收地倒茬小麥[8]。與冬小麥相比，春麥冬播在次年早春利用冬季積雪融水早出苗，可節約出苗水和越冬水；比春小麥節約出苗水和最后1水，早成熟7～9 d左右[9]，降低后期出現干熱風危害的風險[10]，有利于高產穩產。在北疆地區冬播春小麥是小麥節水高產的新方式，有著巨大的節水增產潛力，目前僅對適宜品種[11]、播期播量[12]以及生育規律[9]等方面存在少量研究。滴灌小麥灌水研究都是冬小麥和春小麥的研究結果[13-19]。北疆冬播春小麥高產耗水規律和節水灌溉定額不清楚，制約了春麥冬播技術的節水增產潛力的發揮。本試驗在田間系統地研究了不同滴水量下春麥冬播土壤含水量、干物質積累與分配、產量及水分利用效率的變化規律，為春麥冬播節水高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2021年在新疆烏魯木齊市頭屯河區三坪農場(43°56′N，87°20′E)進行，試驗地為壤土，前茬作物是玉米，0～20 cm土層理化性質：有機質含量10.91 g/kg，堿解氮含量59 mg/kg，速效磷含量18.2 mg/kg，速效鉀含量219.3 mg/kg，pH值8.26。

1.2 試驗設計

試驗品種為新春48號，翻地一并施入磷酸氫二銨300 kg/hm2，于2020年10月28日播種前耙地整地，進行人工播種，播種量為750萬粒/hm2，行距 20 cm，播種深度3～4 cm。冬前不澆水。各小區設置3次重復，長6 m，寬4 m，面積24 m2。各處理采用水肥一體化，在拔節期和孕穗期施入尿素，累積尿素375 kg/hm2，生育期降水量見表1，總滴水量和時間見表2。滴灌帶間距為60 cm，1管4行鋪設。各小區間避免滲水設置1.5 m寬的隔離帶，試驗地措施與田間管理相同。

表1 生育期內降水量

表2 滴水日期及其相應滴水量 m3/hm2

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤含水量的測定 用烘干法測定，每層取20 cm，分為5層，用鋁盒裝土樣。播種前取土，之后

每次滴水前后12 h內取土，每隔10 d左右取土1次，重復2次，計算各處理各層土壤含水量。

1.3.2 葉面積指數(LAI)及光合勢(LAD)、干物質積累量的測定 每10 d左右測定1次，取30莖，將植株洗凈除去根系后，按葉、莖、鞘、穗分別裝袋，放入烘箱中，105 ℃殺青后80 ℃烘干至恒質量，稱量各部分器官干物質量，重復3次。采用比重法測定各處理小麥植株葉面積，并計算葉面積指數及光合勢。

葉面積指數=單位面積內總莖數×單莖葉面積/土地面積；

光合勢(m2·d/hm2)=0.5×(L1+L2)×(t1+t2)×104。

式中：L1、L2為相鄰2次檢測葉面積指數；t1、t2為相鄰2次取樣時間(d)。

1.3.3 花前花后干物質轉運與分配的測定 開花期各處理標記200莖長勢相同的主莖，在開花當天和成熟期各處理分別取掛牌標記的主莖20莖，洗凈，除去根系后裝袋，放入恒溫烘箱中，溫度先調至105 ℃殺青30 min，再降至80 ℃下烘至恒質量，烘干稱總質量和籽粒質量，重復5次。

花前營養器官同化物向籽粒轉運量=開花期干質量-成熟期營養器官干質量，kg/hm2；

花前營養器官同化物轉運率=花前營養器官同化物向籽粒轉運量/開花期干質量×100%；

花前營養器官同化物對籽粒貢獻率=開花前同化物轉運量/成熟期籽粒干質量×100%；

花后營養器官同化物對籽粒貢獻率=100%-花前營養器官同化物對籽粒貢獻率。

1.3.4 成熟期籽粒產量和水分利用效率測定 成熟后在各處理去邊行，取12 m2(3 m×4 m)面積實收測產；選取1 m長單行考種，3次重復，并記錄穗粒數、穗數和千粒質量。

生育期總耗水量(m3/hm2)=生育期土壤貯水消耗量+生育期總降水量+生育期總滴水量；

全生育期土壤貯水量(m3/hm2)=播種前土層貯水量-收獲時土層貯水量；

灌溉水利用效率(kg/hm2)=成熟收獲的小麥籽粒產量/全生育期內總滴水量；

水分利用效率(kg/hm2)=成熟收獲的小麥籽粒產量/全生育期內總耗水量。

1.3.5 數據分析 采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件進行數據分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同滴水量對冬播春小麥0～100 cm土層土壤含水量的影響

由圖1可知，各處理在0～100 cm土層的土壤含水量差異明顯。0～60 cm土層土壤含水量在小麥滴水前后出現高—低變化，因滴水量的增加而上升，表現為W4>W3>W2>W1，每次灌水后的增幅表現為0～20 cm土層>20～40 cm土層>40～60 cm 土層；各滴灌處理60～80、80～100 cm土層含水量均隨著生育期逐漸降低，多數表現為W4>W3>W2>W1。這說明滴水量的增加直接影響0～60 cm土層，該土層的土壤含水量直接上升；60～100 cm土層受滴水量的影響不大，主要減少該土層的貯水消耗量。

2.2 不同滴水量對冬播春小麥葉面積指數及光合勢的影響

由圖2-a可知，各滴水處理的LAI隨著生育時期推進呈先升高后降低趨勢。LAI峰值出現在5月24日(孕穗—抽穗期)，其中W3處理LAI最大，為4.24，較W4、W2、W1處理分別提高了15.19%、21.66%、49.81%。隨著滴水量的增加和生育時期的推進，5月15日孕穗前不同滴水處理的葉面積指數隨滴水量的增加而增大，表現為W4>W3>W2>W1，但孕穗后W3處理最大，多數為W3>W4>W2>W1。這說明增大滴水量有助于拔節—孕穗前LAI的增長，但對孕穗—成熟的LAI存在抑制作用，并不能隨滴水量增大而一直增加。

由圖2-b可知，隨著生育期的推進，光合勢呈先增大再減少的趨勢，在抽穗—開花階段(5月24日至6月5日)達到峰值。增加滴水量，W3處理的總光合勢明顯高于其他處理，為190.04萬m2·d/hm2，較W4、W2、W1處理分別提高了8.55%，29.26%，57.02%。這說明增加滴水量能提高小麥各階段光合勢，從而增加總光合勢，但滴水量到達一定程度后，增加滴水量反而會降低光合勢。

2.3 不同滴水量對冬播春小麥干物質積累量與分配、轉運的影響

從表3可以看出，不同滴水處理間7月6日(成熟期)總干物質積累量存在顯著差異(P<0.05)。干物質積累量在5月2日(拔節期)前后增長較快，在5月15日(孕穗期)前后開始快速增加，在6月15日(花后15 d)開始緩慢增加，7月6日以W3處理的總干物質積累量最高，比W4、W2、W1處理分別增加6.09%、12.40%、24.74%。7月6日W1處理的莖干物質積累量與W3和W4處理差異顯著，與W2處理差異不顯著；不同處理的穗部位干物質積累量于6月15日出現顯著差異，在7月6日(成熟期)W1處理顯著低于W3和W4處理，但與W2處理無顯著差異；不同時期各處理間鞘部位干物質積累量均差異不顯著。這表明滴水量的變化和生育時期的推進，主要影響莖、葉、穗3個部位的干物質積累。從表4可以看出， 不同滴水量下花前同化物轉運量、轉運率、對籽粒貢獻率存在顯著差異。各處理花前同化物轉運量隨著滴水量增加呈現先增加后減少的變化趨勢，W2處理花前同化物轉運量最高，為1 940.32 kg/hm2，比W1、W3、W4處理分別增加22.65%、6.09%、35.18%，顯著高于W1、W4處理，與W3處理差異不顯著。這說明適宜的滴水量對小麥花前同化物的轉運有促進作用，有利于增加干物質積累量及花后同化物對粒質量的貢獻率，有利于籽粒生長和產量增加。

表3 不同滴水量下冬播春小麥干物質積累量動態變化

表4 不同滴水量下冬播春小麥花前同化物轉運

2.4 不同滴水量對冬播春小麥產量的影響

從表5可以看出，不同滴水量處理的穗數、千粒質量、產量存在顯著差異，但穗粒數差異不顯著。增加滴水量會引起各處理穗數、穗粒數出現先增再降的變化，其中W3處理的穗數顯著高于W1處理，表現為W3>W4>W2>W1；各處理的千粒質量與滴水量呈正相關，隨滴水量的增加而增加。W4、W2、W3處理的千粒質量顯著高于W1處理。W3、W4處理的產量較高，與W1、W2處理差異顯著，其中W3處理產量為7 075.83 kg/hm2，較W1、W2、W4處理分別提高26.65%、9.37%、3.64%。這說明增大滴水量主要對穗數和千粒質量有顯著影響，對穗粒數影響并不顯著。適宜的滴水量能促進產量的增加，滴水過量產量不會持續增長，反而會引起穗數和穗粒數下降，導致產量降低。

表5 不同滴水量下冬播春小麥產量及產量構成

2.5 不同滴水量對冬播春小麥水分利用效率的影響

從表6可以看出，隨著滴水量的增加，土壤耗水量減少，總耗水量增加，水分利用效率先增后降，灌溉水利用效率持續下降。W2、W3處理的水分利用效率較高，其中W3處理的水分利用效率最高，為 1.31 kg/m3，分別比W1、W2和W4處理高10.08%、3.15%和9.17%。W1、W2處理的灌溉水利用效率較高，其中W1處理的灌溉水利用效率最高，為 2.13 kg/m3。適宜的滴水量下小麥的水分利用效率和灌溉水利用效率均較高，過量滴水則兩者均下降。

表6 不同滴水量對冬播春小麥耗水構成及水分利用效率的影響

3 討論與結論

增加滴水量能使土壤水分保持在較高的狀態，有利于小麥植株生長[20]。在本試驗條件下，全生育期共7次滴水，每次滴水量在375～600 m3/hm2之間，會提高各處理間0～60 cm土層土壤水分，其中0～20 cm土層土壤水分增幅最大，60～80 cm土層提升幅度不明顯，消耗了該土層的土壤貯水量，這與孫乾坤等的研究結果[21]基本一致。小麥營養生長階段水分虧缺，會影響植株的正常生長[22]，充足的水分供應是高產的基礎[23]。本試驗發現，增大滴水量后冬播春小麥葉面積指數、光合勢、干物質積累分配以及產量并沒有隨著滴水量的增大而持續增加，當滴水量達到一定程度時，各項生長指標隨著滴水量的增加開始下降，這說明在合理的灌水條件下能有效增加葉面積指數、光合勢以及干物質積累量，最終提高產量，灌水過少會影響小麥植株正常生長發育，而過量灌水使小麥植株生長過程受到抑制，從而使各項生長指標降低，最終導致產量減少。這與有關春、冬小麥耗水規律的相關研究結果[14，16，19，24]大致相同，這表明造成小麥LAI、LAD、干物質積累分配以及產量的差異主要是因為不同滴水量的影響，而正常春冬播種或春麥冬播的種植方式對其影響并不明顯。有研究認為，增加灌溉量，小麥的千粒質量、穗粒數、穗數變化趨勢均為先增加后減少[25]，本試驗研究表明，隨著滴水量增大，穗數、穗粒數和千粒質量明顯提高，但達到一定程度后持續增加滴水量，會導致穗數、穗粒數減少。滴灌供水過高并不能增產，還會浪費水資源[24]，灌水量在一定范圍內增加，能使產量和水分利用效率增加[26]，本試驗中以W2、W3處理花前營養器官儲存同化物向籽粒轉運量較高，W3、W4處理產量較高，W2、W3處理的水分利用效率較高，從節水高產穩產角度考慮認為W2、W3處理較為合理，因此適宜北疆地區的冬播春小麥滴水量為3 150～3 675 m3/hm2。

王振華等研究認為，北疆地區適宜滴水春小麥的灌溉量為4 050 m3/hm2[14]。張偉等研究滴灌春小麥根系發現，滴灌量為3 750 m3/hm2時更有利于節水高產[24]。馮波等春小麥水氮耦合試驗中，認為最佳滴灌量為3 940.80 m3/hm2[27]。蔣桂英等研究滴灌帶布置方式發現，春小麥采用一管4行，滴灌量為4 500 m3/hm2時在北疆地區增產效果明顯[13]。薛麗華等的研究表明，北疆滴灌冬麥區產量與水分利用效率的最佳滴灌量范圍為3 900～4 500 m3/hm2[15]。雷鈞杰等研究認為，北疆冬小麥滴灌量在 4 650 m3/hm2時能夠實現高產高品質[28]。崔月等的研究表明，水肥交互作用下，冬小麥最優滴灌量在 4 200 m3/hm2[29]。適宜北疆地區的春小麥滴水量范圍主要為3 750～4 500 m3/hm2，冬小麥滴水量范圍主要為3 900～4 650 m3/hm2。本試驗結果表明，春麥冬播適宜滴水量為3 150～3 675 m3/hm2，比春小麥節水75～1 050 m3/hm2，比冬小麥節水225～1 500 m3/hm2。冬播春小麥利用冬季積雪融水春季早出苗、早成熟，節約了出苗水和最后1水，表明冬播春小麥有利于節水。關于如何提升其節水潛力，需進行更深入的研究。

綜上所述，增加滴水量直接提高0～60 cm土層土壤含水量，適宜的滴水量能增產的原因是提高冬播春小麥的LAI、LAD，增加干物質積累量，促進花前營養器官儲存同化物向籽粒轉運量。冬播春麥適宜的總滴水量為3 150～3 675 m3/hm2，產量可達 7 075.83 kg/hm2。