限量灌溉对京郊小麦产量、水分利用效率及效益的影响

周吉红，毛思帅，王俊英，薛绪掌，佟国香，罗 军，解春源

(1．北京市农业技术推广站，北京 100029； 2．北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3．北京市房山区农业科学研究所，北京 102446)



限量灌溉对京郊小麦产量、水分利用效率及效益的影响

周吉红1，毛思帅1，王俊英1，薛绪掌2，佟国香3，罗 军3，解春源3

(1．北京市农业技术推广站，北京 100029； 2．北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3．北京市房山区农业科学研究所，北京 102446)

为明确北京及周边地区限量灌溉下小麦适宜的灌水制度，设置5个灌水梯度，以北京平均灌溉水平 2 550 m3·hm-2为对照(CK)，逐渐减少用水量到2 100、1 650、1 200和750 m3·hm-2，通过田间和盆栽试验，研究灌水对小麦生长、产量、水分利用效率及效益的影响。结果表明，与对照相比，灌水量为2 100和1 650 m3·hm-2的处理下，小麦产量降幅未达显著水平，其余两个处理(1 200和750 m3·hm-2)的产量显著降低。减产源于有效穗数和穗粒数的减少；有效穗数的减少源于群体茎蘖数(起身、拔节)的减少，穗粒数的减少源于穗长的缩短、不孕小穗数增加和有效小穗数减少。随着灌水量的减少，小麦的水分利用效率提高，其中灌水1 650 m3·hm-2的处理水分利用效率最高。与对照相比，灌水2 100和1 650 m3·hm-2的处理，每公顷效益减少290元以内，其余两个处理减少超过1 700元。综合考虑产量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量无补贴的情况下，灌水量为1 650 m3·hm-2(越冬水750 m3·hm-2、拔节水450 m3·hm-2、灌浆水450 m3·hm-2)的节水灌溉模式最佳。

限量灌溉；小麦；产量；水分利用效率；效益

京津冀地区水资源极度紧缺，其所属海河流域水资源总量仅占全国的1.3%，却承担全国13%的GDP、10%的粮食产量和人口的用水任务，因此，推行节水农业极为重要[1]。小麦是高耗水作物，麦田灌溉是农业用水的主要方面[2-4]，区域水资源不足，直接影响着小麦的生产。且该地区降雨的时间分布与小麦需水的耦合性较差，多年平均降雨量为500 mm左右，然而70%的降雨发生在7～9月份，小麦全生育期的平均有效降水量仅占平均需水量的15.5%，远不能满足冬小麦的生长需求[5-8]。要解决这一矛盾，需采用地下水灌溉以满足其生长。但该地区地下水过度开发，地下水位不断下降，出现了罕见的地下漏斗区，为了保证农业的可持续发展，必须采取节水措施，提高水资源利用效率[9-12]。2014年，北京市市委市政府出台了《关于调整结构方式、发展高效节水农业的意见》、农业局制定了《北京市地下水超采区农业结构调整实施方案》，调整实施方案中粮田全年用水定额控制在2 700 m3·hm-2以内。而农情定位监测表明：全市冬小麦用水在2 550 m3·hm-2左右，夏玉米用水在450 m3·hm-2左右。灌水现状与调整政策不符。另外，以往研究多侧重于水分利用效率的考虑[8,12-15]，缺乏对生产效益的分析。本研究通过田间和盆栽试验，在限量灌溉下，对冬小麦产量、水分利用效率和效益进行综合研究分析，以期为北京及周边地区限量灌溉下小麦灌水方案的制定提供参考依据。

1　材料与方法

1.1供试材料及试验地

供试小麦品种为农大212，由中国农业大学选育，为北京市主栽品种。

试验于2014-2015年在北京市房山区窦店镇窦店村(39.65°N，116.06°E)和昌平小汤山农科院基地(40.18°N，116.45°E)进行。两地均属于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候。试验年份小麦全生育期降雨量为123.2 mm，常年平均降雨量为142.2 mm。两地土壤为沙壤土，肥力相近，为中高等水平， 0～20 cm土层含有机质24.8 g·kg-1，全氮 1.3 g·kg-1，碱解氮103.1 mg·kg-1，有效磷32.2 mg·kg-1，速效钾106.8 mg·kg-1。

1.2试验设计

试验设5个灌水量梯度，以北京小麦平均灌水量5水(W5，2 550 m3·hm-2)为对照(CK，模拟生产)，逐渐减少灌水量至4水(W4，2 100 m3·hm-2)、3水(W3，1 650 m3·hm-2)、2水(W2，1 200 m3·hm-2)和1水(W1，750 m3·hm-2)，处理设置见表1 。试验设田间和盆栽试验，田间试验灌水方式为半固定式喷灌，用水表记载灌水量；盆栽试验用量筒灌水记录灌水量。其他田间管理同常规生产。

表1　限量灌溉处理设置

田间试验在房山窦店进行，3次重复，共15个区，每个区域面积800 m2。盆栽试验在昌平农科院基地进行，盆栽装置为1.5 m长的原装土柱，4次重复，共20个盆，每盆面积0.096 25 m2。于2014年9月28日播种，基本苗均为450万株·hm-2。田间试验注重群体指标的调查，盆栽试验注重个体指标的调查。

1.3检测项目与方法

1.3.1茎蘖数(群体指标)调查

田间试验中，选定具有代表性的样点，分别于起身期(4月6日)、拔节期(4月20日)调查群体茎蘖数。

1.3.2个体指标测定

盆栽试验中，于灌浆期测定旗叶的叶长、叶宽，并计算叶面积；于成熟期考察穗长、总小穗数、不孕小穗数。

1.3.3产量及其构成因素测定

成熟期每个小区单独测产，并测定有效穗数、穗粒数、千粒重。

1.3.4耗水量及水分利用效率测定

在田间，于小麦播种前、收获后，用土钻取0～200 cm(每20 cm 为一土层)土样, 烘干后测定土壤含水量，采用土壤水分平衡法计算总耗水量。

水分利用效率=籽粒产量/总耗水量；灌水利用效率=籽粒产量/灌溉水量。

1.4数据分析

采用SAS 8.0 软件进行方差分析，其他分析在Excel中进行。

2　结果与分析

2.1限量灌溉对小麦产量及三要素的影响

限量灌溉下，灌水量对小麦产量有显著性影响。随着灌水量的减少，小麦产量降低(表2)。与对照相比，田间试验4水、3水、2水、1水处理下小麦产量的减幅分别为2.4%、4.1%、13.5%和22.0%；盆栽试验对应的减幅分别为5.7%、15.9%、28.2%和45.9%，2水、1水处理下的减幅均达到显著水平(P<0.05)。

灌水量对产量三因素的影响分析表明，随着灌水量的减少，小麦有效穗数、穗粒数、千粒重呈降低趋势。对于有效穗数而言，田间试验4水、3水、2水、1水处理较对照分别减少了0.6%、2.6%、10.8%和15.6%，后两者减幅达到显著水平；盆栽试验对应的减幅分别为0.1%、0.4%和0.3%和1.4%，1水处理的减幅达显著水平。

对穗粒数而言，田间试验4水、3水、2水、1水处理较对照的减幅分别为0.4%、0.2%、1.1%和4.9%；盆栽试验对应的减幅分别为0.0%、0.4%、0.7%和1.5%， 1水处理下的减幅均达到显著水平。

对于千粒重而言，田间试验中各处理间差异均不显著；盆栽试验中，当灌水减少至2水时，千粒重的减幅达到显著水平，2水和1水处理下，千粒重的减幅分别为1.3%和1.4%。

表2　不同灌水处理小麦的产量及其三要素

同列数值后的不同字母表示处理间差异达5%显著水平。表3至表6同。

Different letters within the same column indicate significant difference among treatments at 5% level. The same as in table 3-6.

2.2限量灌溉对小麦群体动态的影响

由表3可知，与对照相比，4水、3水、2水、1水处理下小麦起身期茎蘖数分别减少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔节期小麦茎蘖数分别减少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%，后三者减幅均达到显著水平。到成熟期，3水处理下小麦有效穗数减幅缩小，与对照差异不显著；2水和1水处理下的有效穗数较对照减幅达显著水平。

表3　不同灌水处理下小麦的茎蘖数(群体动态)

2.3限量灌溉对小麦穗部性状的影响

由表4可知，与对照相比，4水、3水、2水、1水处理下小麦穗长分别减少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%，总小穗数分别减少0.6%、6.9%、10.3%和7.7%，后三者减幅均达到显著水平。对于有效小穗数而言，4水、3水、2水、1水处理较对照分别减少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水处理与对照差异显著。

2.4限量灌溉对小麦旗叶性状的影响

由表5可知，4水、3水、2水、1水处理下小麦旗叶叶长较对照分别减少2.9%、8.6%、10.2%和21.4%，后两者的减幅达到显著水平；叶宽分别较对照减少2.1%、6.8%、8.2%和13.0%，后

三者的减幅达到显著水平。对于旗叶叶面积而言，4水、3水、2水、1水处理较对照分别减少4.6%、16.4%、16.5%和31.4%，后三者的减幅达到显著水平。

表4　不同灌水处理下小麦的穗部性状

表5　不同灌水处理下小麦的旗叶性状

2.5限量灌溉对小麦水分利用效率及耗水组成的影响

灌水量对小麦水分利用效率有显著性影响。3水处理下，小麦的水分利用效率最高，为1.60 kg·m-3，且显著高于对照。随着灌水量的减少，灌水利用效率显著增加，且各处理间差异显著(表6)。

表6　不同灌水处理下小麦的耗水总量及水分利用效率

对于耗水组成而言，灌水量减少，土壤供水量增加，1水处理下，小麦从土壤中获取水分的比例最高，达48%(表7)。

2.6限量灌溉对小麦经济效益的影响

各处理间，除灌水投入外，其他投入一致。与对照相比，4水、3水、2水、1水处理下的效益分别减少213、290、1 770和3 077元·hm-2(表8)。灌水量降至2水时，合计每公顷效益减少1 500元以上。

目前北京小麦灌水水电投入只有电费投入，假定收水费，灌溉水投入在1～3元·m-3时，3水处理下的小麦净效益达到最大；灌溉水投入在4～6元·m-3时，1水处理下的小麦净效益达到最大，常规灌溉、4水处理出现负效益(表9)。

表7　不同灌水处理下小麦的耗水组成

表8　不同灌水处理下小麦的产值及成本投入分析

小麦单价按照2.4元·kg-1计算；灌溉水按照0.5元·m-3计算。

The price of wheat was calculated as 2.4 yuan·kg-1;The price of irrigation water was calculated as 0.5 yuan·m-3.

表9　不同灌水处理下灌溉用水价格与净收益的关系

3　讨 论

3.1灌水量对小麦产量的影响

刘昌明等[16]通过灌水试验资料的统计分析得出：抛物线关系式最符合灌区小麦生产的实际情况。这就意味着，在一定的灌水范围内，产量随着灌水的增加而增加[17-18]。本试验中，以平均灌水量2 550 m3·hm-2为对照，随着灌水量的减少，产量降低，说明2 550 m3·hm-2在产量最高点(灌水量)的范围内。因此，在现有灌溉现状基础上限水，产量会降低。当水量减至2水(1 200 m3·hm-2)时，产量开始出现显著降低，减幅达13%以上；水量减至1 650 m3·hm-2时，产量未出现显著降低。

限量灌溉下，水分对小麦产量的影响主要是通过影响有效穗数、穗粒数实现的。本试验中，当水量减少至2水时，有效穗数开始出现显著降低；水量减至1水时，穗粒数显著降低。有效穗数的减少是因为群体的减少，试验中，4水、3水、2水、1水处理下小麦起身期总茎数较对照分别减少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔节期总茎数分别较对照减少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%。穗粒数的减少是因为穗长缩短、不孕小穗数增加、有效小穗数减少。与对照相比，4水、3水、2水、1水处理下小麦穗长减少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%；有效小穗数减少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水处理的有效小穗数减少显著。

3.2灌水量对小麦水分利用的影响

本试验中，当灌水减少至3水时，水分利用效率达到最高，为1.60 g·m-3。随着灌水量的减少，小麦对土壤水的利用增加，1水处理下，小麦耗水组成中，从土壤中获取水分的比例达48.1%，这与许振柱等[19]、孙 敏等[20]节水增产的理论基础一致。节水增产措施基于对土壤水的充分利用，减少灌溉量，可以提高土壤水的利用效率，降低麦田总耗水量[21-23]。

3.3灌水量对小麦经济效益的影响

灌水在2 550 m3·hm-2内，随着灌水量的减少，效益也减少，当水量减少至4水、3水时，每公顷效益减少在300元以内；当水量减少至2水、1水时，亩效益减少达118元以上。如果实施灌水收费制度，当灌水投入在1元·m-3以上，每公顷灌水量超过1 650 m3，净效益相对减少，灌水投入单价越大，灌水量越需控制。在实施灌水收费制度或强制限水时，农户灌水量减少，小麦生产的绝对效益是较充分灌溉降低的，此时应考虑适当补贴弥补限水地区小麦生产损失。

综合考虑产量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量无补贴的情况下，半固定式灌溉下3水(越冬水750 m3·hm-2、拔节水450 m3·hm-2、灌浆水450 m3·hm-2)的灌水方式是最佳选择；再降低灌水量，效益损失加大，种植户不容易接受。

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Effect of Limited Irrigation on Wheat Yield, Water Use Efficiency and Its Planting Benefits in Beijing

ZHOU Jihong1, MAO Sishuai1, WANG Junying1, XUE Xuzhang2,TONG Guoxiang3, LUO Jun3, XIE Chunyuan3

(1.Beijing Agricultural Technology Extension Station, Beijing 100029, China; 2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipments, Beijing 100097, China; 3.Fangshan Institute of Agricultural Technology in Beijing, Beijing 102446,China)

Four irrigation treatments(2 100 m3·hm-2, 1 650 m3·hm-2, 1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2) were set to investigate the effects of limited irrigation in Beijing on wheat growth, yield, water use efficiency and its planting benefits by field and pot experiments, with the average amount of irrigation(2 550 m3·hm-2) as control(CK).The results indicated that:compared with the control, yield reduction was not significant under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, while that was significant under the other two treatments(1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2). Yield reduction was due to the decrease of effective spikes and kernels per spike. Decreased spikes were due to the reduction of tillers(setting stage and jointing stage). The spike length was shortened, and sterile spikelets was increased, and eventually effective spikelets was reduced, which led to the reduction of kernel number per spike. With the reduction of irrigation, water use efficiency increased and reached the maximum under the treatment of 1 650 m3·hm-2. Compared with the control, the net output of wheat was decreased less than 290 yuan per hectare under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, and that was decreased more than 1 700 yuan under the other two treatments. Taking the yield, water use efficiency and benefits into account, under limited irrigation without subsidies, the irrigation amount of 1 650 m3·hm-2(winter water 750 m3·hm-2, jointing water 450 m3·hm-2and filling water 450 m3·hm-2) is suitable.

Limited irrigation; Wheat; Yield; Water use efficiency; Benefits

2016-01-29

2016-03-01

2015年北京农业技术试验研究项目；北京市农业局团队建设专项(BAIC09-2015)；国家自然科学基金项目(31171489)

E-mail：tgzzjh@126.com(周吉红)；msshhappy@163.com(毛思帅，与第一作者同等贡献)

S512.1；S318

A

1009-1041(2016)08-1043-07

网络出版时间：2016-08-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1120.018.html