基于地下水埋深的江汉平原冬小麦防涝渍排水指标确定

吴启侠，朱建强,2，程伦国，晏 军，徐笑笑



基于地下水埋深的江汉平原冬小麦防涝渍排水指标确定

吴启侠1，朱建强1,2※，程伦国3，晏 军1，徐笑笑1

（1. 长江大学农学院，荆州 434025；2. 主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，荆州 434025； 3. 湖北省荆州市四湖工程管理局排灌试验站，荆州 434125）

2014—2015年在测坑（筒）分别开展孕穗期、灌浆期冬小麦遭受浅地下水埋深和先涝后渍胁迫试验，研究江汉平原冬小麦关键生育期适宜的地下水埋深。同时，构建不同排水标准计算方法，量化作物相对产量，提出先涝后渍胁迫下的排水指标。结果表明，孕穗期0、20和40 cm地下水位（持续受渍18 d）分别使小麦减产44.78%、17.31%和10.44%，而灌浆期相应减产67.72%、33.70%和10.34%。导致小麦减产的主要原因可能是穗粒数减少和千粒质量降低，建议江汉平原小麦田孕穗期和灌浆期地下水位维持在50 cm左右。先涝后渍过程中涝害使小麦减产幅度大于渍害，可以考虑以受涝历时和降渍历时为控制指标的排水模型、按时间划分涝害和渍害的排水模型，以及涝渍综合水深指标作为江汉平原小麦花后排除涝渍的排水模型。若允许小麦减产15%（即相对产量为85%）作为排水控制标准，建议小麦花后涝渍综合水深指标控制在275.6～283.6 cm·d。

排水；地下水；胁迫；先涝后渍；多生育期；小麦

0 引 言

长江中下游麦区是中国小麦主产区之一，播种面积约占中国麦区的12%[1]。该区小麦主要采取稻麦连作栽培模式，小麦生长后期雨水偏多且集中，加上农田地势较低，农田地下水位较浅，田间小麦经常因为排水不畅形成渍水逆境，限制小麦生长和产量形成[2-4]。涝渍导致小麦减产幅度不仅取决于涝渍灾害发生的程度，还取决于灾害发生的时期：李金才等[5-6]认为小麦生殖生长期渍水比营养生长期渍水对产量的影响要大；Shao等[1,7]研究表明从拔节期到花期都是小麦渍害敏感期；Wu等[8]研究认为分蘖期是小麦对渍害最敏感的时期，其次是拔节期、孕穗期和灌浆期；吴元奇等[9]研究认为苗期渍水是四川稻茬小麦渍害临界期；魏凤珍等[10-11]认为长江中下游麦区孕穗期是渍害的临界期。虽然不同科研工作者研究得出的小麦渍害敏感期有所差异，不同区域小麦渍害敏感期也不尽相同，但针对长江中下游麦区，研究集中在作物后期渍害，并普遍认为孕穗期是渍害的敏感期。针对作物不同渍水胁迫程度和渍水时期，选取不同排水指标或建立不同排水标准，降低产量损失，对于当地或类似地麦田排水管理区有重要的科学理论价值。邵光成等[12]研究发现，在黄淮海地区，以涝渍连续抑制天数作为排水标准，可有效衡量小麦抽穗开花期受涝渍胁迫的产量损失。王矿等[13]研究认为，以涝渍综合水深指标作为小麦灌浆期排水评价指标是可行的。以上关于小麦排水指标的研究主要针对黄淮海地区，而针对江汉平原小麦的排水指标研究较少。

本研究团队曾针对小麦孕穗期、灌浆期渍涝提出了相应的排水指标[14]，而渍涝胁迫只是涝渍复合胁迫的一种形式，实际在江汉平原地区，地下水埋深较浅、涝渍交替胁迫等气象灾害在小麦生长后期都有可能发生。本文通过测坑（筒）试验，在小麦生育中后期，对其遭受不同涝渍胁迫形式（浅地下水埋深和先涝后渍）下的减产差异进行定量分析，提出江汉平原小麦孕穗期、灌浆期适宜的地下水埋深，同时，参考并构建多种排水指标研究方法，筛选出适宜于江汉平原小麦遭受先涝后渍后用于产量评估的排水模型。

1 材料与方法

1.1 研究区及试验地概况

江汉平原属于亚热带季风气候区，降水多（多年平均降水1 166 mm）、强度大，且时空分布不均，其中70%以上降水集中在4—8月，致使平原河流水位往往高出农田数米至十余米，形成地上悬河，导致垸落内的积水不能及时排除。区域气候特点加上地势平坦、多洼地、排水不畅的地形地貌，决定了江汉平原是典型的易涝易渍地区，是洪、涝、渍害频繁发生的地区和重灾区[15]。

浅地下水埋深（2015年）试验在位于地处江汉平原腹地的长江大学科研基地（地面高程32 m）内的涝渍测筒内进行。涝渍测筒内部具体构造及测筒内土壤养分状况见文献[14]，测筒土壤田间持水量33.82%。涝渍相随（2014—2015年）试验在湖北省荆州市四湖工程管理局排灌试验站（简称丫角排灌站）内供排水可控制的有底混凝土测坑中进行。排灌站概况、测坑构造及测坑内土壤养分状况见文献[16]。测坑土壤田间持水量为29.45%。

1.2 试验设计及过程

供试品种均为郑麦9 023，整个生育期纯氮施肥量为240 kg/hm2、纯磷为120 kg/hm2、纯钾为120 kg/hm2，其中磷肥、钾肥和60%氮肥作为基肥，40%氮肥作为拔节孕穗肥。校基地测筒小麦采用点播种植方式，每筒80粒种子，至小麦三叶期，每筒留苗60株。丫角排灌站测坑小麦采用条播种植方式，667 m2播种量为9 kg，行距为25 cm。

2015年在小麦孕穗-抽穗期（3月14日—3月31日）、灌浆期（4月1日—4月18日）分别进行浅地下水埋深试验，地下水埋深设0、20、40和60 cm，持续18 d。

2014、2015年在小麦开花-灌浆期（2014年3月28日开始，2015年4月5日开始）进行不同程度的涝渍相随试验，涝害历时设3、6、9和12 d，涝害时控制淹水深度为5 cm；降渍历时设2、5和8 d，在规定的降渍时间内将地下水位降到50 cm以下。试验采用完全随机设计，每处理重复4次。同时设定对照（CK）：试验处理期间测坑（筒）土壤水分保持在田间持水量的70%～80%（即大田正常水分管理要求的土壤水分含量，地下水埋深维持在80 cm以下）。

1.3 测定指标

小麦成熟后，随机取生长基本一致的20穗，按常规方法考察穗粒数、单穗质量。每测坑（筒）单独收获，收获后考察每测坑（筒）有效穗数，小麦脱粒晒干除杂后称质量，作为每测坑（筒）的实际产量（g），同时考察每测坑（筒）千粒质量（g）。

1.4 分析方法

1.4.1 涝渍分离指标

参考钱龙等[17]对涝害和渍害的分离方法，本研究亦将涝害与渍害视作2类相对独立的影响因素。根据划分方式的不同，涝渍分离指标又可分为按时间划分与按空间划分的2类指标。1）按空间划分的涝渍分离指标包括累计超标准水深（E）和地表累计水深（），按文献[17]给出的方法计算E和，本研究中取50 cm。2）按时间划分的涝渍分离指标包括淹水期间地表及地下超标准累计水位（F）和涝去渍存期间地下水动态（E）按文献[16]给出的方法计算F和E，本研究中取50 cm。

1.4.2 涝渍综合指标

钱龙等[17-18]将先涝后渍胁迫看作一个连续完整的过程，本研究以涝渍综合水深指标（）综合衡量先涝后渍对小麦产量的危害程度，按文献[17]给出的方法计算S，本研究中取50 cm。

1.4.3 排水指标

单涝时采用式（1）建立排水指标。

R=(T) （1）

式中T为受涝历时，d；R为相对产量，即实际产量占对照（CK）产量的百分比，%。

浅地下水埋深时采用式（2）建立排水指标。

R=(50) （2）

式中50为累计超标准地下水深，计算方法同文献[17]；为了明确孕穗期、灌浆期实际地下水动态对小麦产量的影响，从而探寻出孕穗期、灌浆期比较适宜的地下水埋深，与文献[17]不同的是地下水埋深＞时，取地下水埋深为实际值，本试验中取50 cm，浅地下水埋深试验中浅地下水埋深持续18 d。

先涝后渍胁迫时采用下列4种方法建立排水指标：

1）从涝、渍兼治的角度建立先涝后渍过程和涝除后的降渍历时（50）与小麦R之间的关系。

R=(T,50) （3）

2）从空间分离涝渍的角度建立和50与R之间的关系。

R=(,50) （4）

3）从时间分离涝渍的角度建立F和E50与R之间的关系。

R=(F, E50) （5）

4）将先涝后渍胁迫看作一个连续完整的过程，建立50与R之间的关系

R=(50) （6）

2 结果与分析

2.1 浅地下水埋深对小麦产量的影响

浅地下水埋深对小麦产量形成有较大影响（表1）。

与对照（CK）相比，孕穗期、灌浆期0 cm地下水位持续18 d使小麦分别减产44.78%和67.72%（＜0.05）；20 cm地下水位持续18 d时分别减产17.31%、33.70%（＜0.05）；40 cm地下水位持续18 d时分别减产10.44%、10.34%（＜0.05）；60 cm地下水位持续18 d时的产量与维持在100cm以下相比差异不显著（＞0.05）。在排水不畅地下水长期维持在较高水平的农田，孕穗期和灌浆期可以将地下水埋深维持在50 cm左右。从方差分析结果可知，穗粒数和千粒质量的共同减少可能是孕穗期和灌浆期浅地下水埋深导致小麦减产的主要因素。

2.2 适宜浅地下水埋深

基于浅地下水埋深资料计算50与相对产量的关系（图1）。小麦相对产量与孕穗期、灌浆期50呈极显著正相关，可用一元二次方程拟合二者的关系。通过计算可知：孕穗期、灌浆期地下水位维持在40～50 cm时小麦产量将达到对照的95.1%～99.8%、89.8%～96.9%；当地下水位维持在50.7、57.1 cm时小麦产量将达到对照的100%；当地下水位维持在60～80 cm时小麦产量增加幅度不显著（＞0.05）。综合考虑田间排水沟的深度以及配套排水沟渠的相应规格，建议小麦孕穗期和灌浆期可将地下水位控制在50 cm左右。

表1 浅地下水埋深对小麦产量因素的影响

注：地下水维持在各自深度18 d；CK，土壤水分为70%～80%的田持；小写字母不同表示处理差异显著（＜0.05），下同。

Note: Shallow groundwater table kept at each depth for 18 d; In CK, soil moisture was kept at 70%-80% of the field water holding capacity; Lowercase letters are significant difference among treatments (＜0.05＝, same as below.

Note: ** P＜0.01.

2.3 先涝后渍胁迫对小麦产量的影响

先涝后渍胁迫小麦减产严重（表2）。渍害为2 d时，涝害6、9、12 d 4个处理2 a小麦平均分别减产14.41%、30.09%、34.44%（＜0.05）；渍害为5 d时，涝害3、6、9、12 d 4个处理小麦分别减产10.92%、22.40%、37.07%、42.29%（＜0.05），除涝害9、12 d 2处理间差异不显著外（＞0.05），其余处理间差异显著；渍害为8 d时，涝害3、6、9、12 d 4个处理小麦分别减产16.79%、37.66%、42.76%、48.13%（＜0.05），除涝害6、9 d 2处理间差异不显著外（＞0.05），其余处理间差异显著（＜0.05）。由此表明，渍害相同时，涝害历时越长，小麦减产幅度越大。渍害相同时，如总涝害天数小于9 d时，涝害天数每增加3 d小麦减产幅度约增加1倍；如总涝害天数超过9 d，涝害天数每增加3 d小麦约多减产5.0%。涝害为3、6、9、12 d时，渍害每增加3 d，小麦分别多减产5.39%、11.63%、6.34%、6.84%（2 a平均值），表明涝水排除后的渍害对小麦产量的影响程度没有涝害大。

表2 先涝后渍对小麦产量因素的影响

注：表中括号中的2个数值分别表示受单涝天数和地下水位降到50 cm所需天数。

Note: Two numbers in brackets are surface waterlogging days and days that underground water level drops to 50 cm, respectively.

产量要素总体上随受涝历时的增加和降渍时间的延长而减少。受涝时间和降渍天数对有效穗数无显著影响（＞0.05）。2014年受涝时间和降渍天数对穗粒数无显著影响（＞0.05），而2015年除（3，2）处理穗粒数与对照差异不显著（＞0.05）外，其余先涝后渍处理与对照差异均显著（＜0.05），其原因可能是2015年受涝过程正值小麦盛花期，涝害使小麦花粉活力降低，花粉管伸长受限，子房受精能力减弱，而2014年受涝正值小麦初花期，涝害对子房受精过程影响相对较小。2014年受涝3 d的处理千粒质量与对照差异不显著（＞0.05），2015年除（3，2）处理千粒质量与对照差异不显著（＞0.05）外，其余处理与对照差异均显著（＜0.05）。总结得出，灌浆期先涝后渍导致小麦产量下降的主要原因可能是穗粒数和千粒质量降低。

2.4 先涝后渍胁迫下的排水指标

表3给出了4种方法的排水指标结果。相对产量与淹水历时T和降渍历时50之间、与和50之间、与和50、与F50和E50之间均存在极显著的二元一次相关关系、与50之间均存在极显著的线性相关性。因此，这4个模型均可作为小麦排涝降渍模型。从标准化回归系数绝对值来看，T的系数大于50的系数，表明作物受涝对产量的影响大于受渍；50的系数数倍大于的系数，表明按空间划分涝害和渍害时渍害比例大于涝害，这正是按空间划分涝害和渍害的弊端；F50的系数大于E50的系数，也表明作物受涝对产量的影响大于受渍。总结得出，小麦受涝对产量的影响大于渍，可以考虑以受涝历时和降渍历时为控制指标的排水模型（方法1）、按时间划分涝害和渍害的排水模型（方法3）和涝渍综合水深指标（方法4）作为江汉平原小麦花后排除涝渍的排水 模型。

在总结以往经验的基础上假定减产15%作为小麦排水标准认为比较合理[14]。若以小麦减产15%（即R为85%）作为排水标准，小麦花后的涝渍综合水深指标50应取275.6 cm·d（2015年）～283.6 cm·d（2014年）。

表3 先涝后渍胁迫时排水指标与小麦相对产量线性回归

注：T、50、、50、F50、E50、50分别表示受涝历时、受渍历时、地面累计淹水深度、累计超标准地下水深、淹水期间地表及地下超标准累计水位、涝去渍存期间地下水动态、涝渍综合水深指标。

Note:Tis surface waterlogging days;50is subsurface waterlogging days within 50 cm of soil surface;is sum of flood depth;50is sum of water table within 50 cm of soil surface;F50is sum of both flood depth and water table within 50 cm of soil surface under surface waterlogging;E50is sum of water table within 50 cm of soil surface after draining surface waterlogging;50is comprehensive water depth of waterlogging.

3 讨论

本团队研究结果表明，小麦孕穗期、灌浆期单涝持续20 d时分别减产85.54%、70.24%[14]，而孕穗期、灌浆期充分受渍（地下水埋深0 cm）18 d小麦分别减产44.78%、67.72%，说明涝的减产作用大于渍。出现这种现象的可能原因是，涝害期间土壤孔隙充满水分，加上地表淹水层的静水压力压实土壤，使得涝害期间土壤通气性很差[19]；而渍水期间只是土表低洼处可见明水，其所产生的静水压力小于涝害处理，致使受渍期间土壤的通气状况比受涝期间好。这在其他研究中也得到了体现[20-24]。

本文结果表明，小麦孕穗期和灌浆期最优地下水埋深为50.7、57.1 cm，Kahlown等[25]研究认为地下水埋深为50 cm时其生长所需水分可全部来源于地下水。由此可看出50 cm地下水埋深是江汉平原小麦生长适宜的地下水位。这与朱建强等[15]的研究结果一致，和日本农田排渍地下水埋深标准基本一致[26]。但Houshang等[27]研究认为具有最高产量和最高水分利用系数的小麦最适宜地下水埋深为0.8 m，而Asad推荐的小麦和棉花最佳地下水埋深为1～1.5 m[28]，这些研究得出的小麦生长最佳地下水埋深比本研究得出的50 cm左右要深，这可能是由于研究区域不同造成的，亦可能与小麦品种有关。

本文结果认为可以考虑以时间为尺度的受涝和受渍统一于共同影响作物产量的模型（方法1）、按时间划分涝害和渍害的排水模型（方法3）和涝渍综合水深指标（方法4）作为江汉平原小麦花后排除涝渍的排水模型，这与朱建强等[18]的研究结果一致。但不同研究认为不同的排水模型适用性不同，朱建强等[20]认为建立的按时间划分涝害和渍害的排水模型，可明确反映先涝后渍连续过程的排涝、排渍控制时间，方便排水管理；Wang等[29]认为统一考虑涝、渍影响的涝渍兼治排水模型50有助于淮北平原排水系统的设计、建设和维护。同时若都以减产15%（即R为85%）作为排水标准，朱建强等[18]研究得出棉花花铃期的50应取200 cm·d左右，本研究认为小麦花后的50应取275.6～283.6 cm·d。

涝害对小麦产量的影响不仅与涝害天数有关，而且与受涝时的气象因素有关。吴进东等[30-31]研究认为渍水高温交互效应对小麦产量影响显著，高温加重了渍水胁迫，逆境胁迫的不良效应表现为渍水+高温＞渍水＞高温。同时，花后渍水、高温及其复合胁迫亦会影响小麦品质[32-33]。因此，在江汉平原小麦生长后期，考虑涝害与高温危害的复合胁迫及交互效应对小麦产量的影响，并在此基础上提出针对这种特定气象灾害的排水指标，是后续需要重点关注的内容。

4 结 论

1）孕穗期、灌浆期0、20和40 cm地下水位分别持续18 d时产量亦显著降低，分别减产44.78%、67.72%，17.31%、33.70%和10.44%、10.34%，建议小麦孕穗期和灌浆期地下水位维持在50 cm左右。

2）先涝后渍胁迫中涝害使小麦减产幅度大于渍害，可以考虑以受涝历时和降渍历时为控制指标的排水模型（T，T）、按时间划分涝害和渍害的排水模型（E， F）和涝渍综合水深指标（50）作为江汉平原小麦花后排除涝渍的排水模型。若以小麦减产15%（即R为85%）作为排水标准，小麦花后的50为275.6～283.6 cm·d。

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Determination of groundwater depth-based drainage index against waterlogging and submergence for winter wheat in Jianghan Plain

Wu Qixia1, Zhu Jianqiang1,2※, Chen Lunguo3, Yan Jun1, Xu Xiaoxiao1

(1.434025,; 2.434025,; 3.434125,)

Jianghanplain area is characterized by plenty of rainfall in spring, which results in frequent occurrence of waterlogging of wheat field. Subsurface waterlogging is often found in these fields. It is necessary to investigate the influence of shallow groundwater table and waterlogging followed by submergence on the growth and yield and develop a suitable groundwater depth drainage index for the waterlogged fields. In order to achieve the objectives, tube-shaped concrete facilities were used for the irrigation and drainage adjustment experiment in 2014 and 2015. Wheat was planted in the facility. The treatment of shallow groundwater table at 0, 20, 40 and 60 cm sustained 18 d and different degrees of waterlogging followed by submergence were designed. The treatments were conducted in the booting and filling stages of wheat. The flooding depth in the waterlogging treatment was kept at 5 cm. Meanwhile, the facility for wheat cultivation in soil with moisture kept at 70%-80% of water holding capacity was used as a control. The results showed when the 0-cm groundwater table sustaining 18 d at booting and filling stage could reduce wheat yield by 44.78% and 67.72%, the 20-cm groundwater table sustaining 18 d could reduce the yield by 17.31% and 33.70%, the 40-cm groundwater table sustaining 18 d decreased the yield by 10.44% and 10.34% and the 60-cm groundwater table sustaining 18 d could had higher yield than the that under 100 cm, suggesting that the groundwater table kept at 50 cm at booting and filling stage of winter wheat was suitable. The yield reduction might be due to the decrease of kernels per and thousand seed weight. The regression showed that the yield could reach 95.1%-99.8% and 89.8%-96.9% of the control when the underground water depth was 40- 50 cm, it could reach 100% of the control when the underground water depth was 50.7 and 57.1 cm and it may slightly increase when the underground water depth was 60-80 cm. The wheat suffering from the damage of waterlogging followed by submergence after anthesis caused a severe reduction in wheat yield, and the surface waterlogging had the larger influence than subsurface waterlogging on yield of winter wheat. Different types of drainage indexes including surface and subsurface waterlogging duration days, sum of waterlogging or water table within 50 cm of soil surface, sum of both flood depth and water table within 50 cm of soil surface under surface waterlogging, sum of water table within 50 cm of soil surface after draining surface water logging, and comprehensive water depth of waterlogging were evaluated. The regression between relative yield and these indexes showed that the indexes with surface and subsurface waterlogging duration days, drainage model based on time classification and comprehensive water depth of waterlogging were reliable. If the wheat yield decrease by 15% was allowed, the comprehensive water depth of waterlogging should be 275.6-283.6 cm·d after anthesis. The research may provide support for wheat drainage management in booting and filling stage in the middle and lower reaches of the Yangtze River.

drainage; groundwater; stresses; waterlogging followed by submergence; multi-growth stage; winter wheat

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.016

S276

A

1002-6819(2017)-03-0121-07

2016-03-24

2016-09-17

农业部公益性行业（农业）科研专项（201203032）

吴启侠，男，湖北人，博士，主要从事作物生产的水土环境调控研究。荆州长江大学农学院，434025。Email：wqx1144@163.com

朱建强，男，陕西周至人，教授，博导，主要从事农业涝渍灾害基础理论与技术研究。荆州长江大学农学院，434025。 E-mail：zyjb@sina.com

吴启侠，朱建强，程伦国，晏 军，徐笑笑. 基于地下水埋深的江汉平原冬小麦防涝渍排水指标确定[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：121－127. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.016 http://www.tcsae.org

Wu Qixia, Zhu Jianqiang, Chen Lunguo, Yan Jun, Xu Xiaoxiao. Determination of groundwater depth-based drainage index against waterlogging and submergence for winter wheat in Jianghan Plain [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 121－127. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.016 http://www.tcsae.org