滴灌频率对冬小麦群体田间小气候特性影响

(塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2017.11.010

滴灌频率对冬小麦群体田间小气候特性影响

黄振江，陈 慧，王冀川，潘雪娇，郑 雷

(塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

目的在滴灌小区试验条件下，研究南疆绿洲区冬小麦在不同滴水频率下麦田土壤水分分布、田间小气候特征，为制定当地冬小麦滴灌制度提供依据。方法在统一冬灌900 m3/hm2的基础上，开春后滴灌4 050 m3/hm2，并设置3个滴水频率：低频P1为4次，中频P2为7次，高频P3为10次。结果土壤水分分布受滴水频率的影响较大，高频、中频和低频灌溉处理生育期内0～50 cm 土层平均含水率分别为21.97%、20.04%和19.76%，且高频处理0～30 cm土层含水率更趋于平稳；高频滴灌较中频滴灌和低频灌溉生育期内平均土温降低0.40和0.83℃，冠层内平均温度降低0.37和1.15℃，冠层叶温降低0.42和1.30℃，冠层内相对湿度增加1.11和2.28个百分点，冠层光截获率增加0.025 6和0.055 1；高频滴灌较中、低频滴灌产量和灌溉水利用效率增加1.36%和20.47%。结论在南疆绿洲区冬小麦田中，高频滴灌能改善田间小气候，促进产量和水分利用效率的提高，实际应用中以春季7～10次的“少量多次”滴灌模式为宜。

冬小麦；滴灌频率；土壤水分；田间小气候；水分利用效率

0 引 言

【研究意义】麦田滴灌技术是南疆目前重点推广的节水灌溉技术，由于改变了传统的面源灌溉方式，滴灌点源灌溉使得土壤水分分布和利用方式更加合理，节水增产效果明显[1]，这除了与滴灌小麦生长发育和群体结构得到优化有关[2]，还与土壤和冠层微环境得到改善有关[3]。如何通过滴灌调控，优化土壤水分供应与群体微环境之间的关系，促进小麦合理生长与物质分配，进一步发挥滴灌小麦高产潜力，是目前亟待解决的科学问题，探索不同滴灌频率下麦田小气候特征及其对产量的调控效应是其研究的关键。【前人研究进展】张永强等[3]认为，冬小麦冠层内气温日变化呈“凸”型趋势，冠层内空气湿度呈“凹”型趋势，并以16: 00时的上、中部冠层相对湿度最低，施氮量增加，冠层温度下降，湿度增加；张娜等[4]研究表明，灌水量增加，冬小麦生育后期土壤温度下降0.52～1.61℃，最高冠层温度减少达3.68℃，湿度增大，并认为，地温、冠层温度均与产量、灌水量之间存在显著性负相关关系，冠层湿度与灌水量呈极显著性正相关。增加灌水频率会提高0～40 cm土层含水率，还可以有效降低湿润体内土壤盐分含量[5]，但小麦生育中后期40 cm以下土层容易干旱，易导致冬小麦后期出现早衰[6]。【本研究切入点】新疆滴灌麦田存在滴水量和滴水频率不合理的现象，没有形成同棉花一样的灌溉制度，导致节水效果不明显，水分利用效率不高。研究滴水频率对麦田土壤水分分布、群体内小气候及水分利用效率影响。【拟解决的关键问题】研究不同滴水频率下麦田微环境特征及其对小麦产量形成的影响，为进一步研究滴灌小麦高产机制、确定适宜的灌溉制度提供一定的指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2015～2016年在新疆塔里木大学农业试验站网室中进行，地理位置在塔河上游、塔里木盆地西北边缘，该地区光能资源丰富，热量条件充足，降水稀少，生态环境脆弱，属典型暖温带内陆型气候。试验期间降水量及气温分布如表1所示。试验地土质为沙壤土，0～20 cm土层土壤有机质含量1.025%，全氮0.68 mg/g，碱解氮49.27 mg/kg，速效磷30.11 mg/kg，速效钾176.51 mg/kg，地下水位8.0 m左右。表1

表1 冬小麦生长季节的气象要素月累积量
Table 1 Monthly accumulation of meteorological elements in winter wheat growing season

项目Item月份 Month101112123456合计Total降雨量Rainfall(mm)0.100.21001.31.21215.8蒸发量Evaporation(mm)76.151.620.219.043.8129.7126.1172.3192.5831.3日照时数Sunshinehours(h)267.9197.7172.3209.8224.4182.7250.8258.7321.92086.2>0℃积温Accumulatedtemperatureat>0℃(℃)322.698.92023.2305.8527.2641.1785.62706.4

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验地在2015年11月10日统一冬灌900 m3/hm2，2016年返青后安装滴灌设备，按1管4行模式布置毛管，在春季分别设置4、7和10次(分别表示为P1、P2和P3)三个滴灌频率处理，滴水量统一为4 050 m3/hm2，按照表2分配到各时期，以水表控制灌水量。各处理重复三次，共9个小区，随机区组排列。每小区面积20 m2(2 m×10 m)，种植13行小麦。选用早熟矮秆品种邯郸5316为供试材料，10月3日人工开沟15 cm等行距条播，播量为570×104粒/hm2。试验田施基肥尿素225 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2，拔节期共随水滴施尿素120 kg/hm2、KH2PO460 kg/hm2，孕穗期滴施尿素45 kg/hm2、KH2PO430 kg/hm2，扬花灌浆期共滴施尿素75 kg/hm2、KH2PO445 kg/hm2。拔节前喷施72%的2，4D-丁酯乳油600 g/hm2除草。表2

表2 滴灌量在不同时期分配

1.2.2 数据指标

1.2.2.1 气象数据

从中国气象科学数据共享服务网的“中国地面气象资料日值数据集”和新疆维吾尔自治区阿拉尔气象局购买，包括气温、降雨、日照时数、风速、蒸发等日值。

1.2.2.2 土壤含水率

采用美国产Watermark土壤水分传感器(Irrometer company，INC.)监测土壤含水率，传感器安装在距滴灌带15 cm处，探头埋深分别为10、20、30、40和50 cm，采用烘干法对探头读数(y)与土壤质量含水率(x)建立函数关系：y=1/(1.011 2+0.146 7x-2.210 1×10-4x2)，R2=0.912 1。小麦起身后每隔3 d记录一次。

1.2.2.3 土层温度

每区放置地温计1套，自小麦起身后(3月26日)每隔7 d，于08:00～20:00时，每2 h 1次观测5、10、15、20、25 cm土层的土壤温度，以观测土壤温度随生育进程的日变化。

1.2.2.4 冠层温、湿度与光分布

小麦起身后每隔7 d于08:00～20:00，每2 h定点测定1次，取其平均值代表一天的气象指标。用台湾泰仕TES1330A 数字式照度计和HT635温湿度测定仪，于晴天分别测定冠层底部、中部、顶部空气湿度、温度、光照等。参照杜明伟等[7]的方法计算：漏光率(LLR)=I/Io，光截获率LIR=1-LRR-LLR。其中，In为各层光强，Io为各层入射光强，I为顶部入射光强。用AR862A非接触式红外温度仪测定冠层顶部温度，每区6次重复。观测时测温仪感应头距小麦冠层20 cm，距离垂直线倾角30℃[8]。测点选择群体生长均匀一致且有代表性的部位，并注意避开裸土影响。

1.2.2.5 产量及其构成

成熟期(6月14日)每小区选择有代表性的3个点，每点割取1 m2麦穗，数取有效穗数(穗粒数≥4粒/穗)，折算成收获穗数，并随机挑选50头有效穗，测定每穗的有效小穗数和穗粒数后，与其他麦穗脱粒后混合计产，折算成公顷产量。

2 结果与分析

2.1 滴灌频次对土壤含水率的影响

研究表明，由于高频灌水具有“少灌多次”的特点，使得湿润层含水率高于其他处理的含水率，波动幅度也均小于其他处理；低频灌溉，多灌少次，土壤含水率波动幅度比中频和高频灌溉大；中频灌溉的土壤含水率的波动幅度虽然比低频灌溉小，但跟高频灌溉相比波动幅度大。图1

研究表明，小麦全生育期内0～50 cm土壤平均含水率大小为高频(21.97%)>中频(20.04%)>低频(19.76%)，从全期根层含水率变化幅度上看(变异系数CV大小)，低频(30.37%)>中频(24.23%)>高频(18.22%)，说明随滴灌频率减少，根层土壤含水率下降且变化剧烈，而这种变化(CV)更多地表现在0～30 cm土层中，尤其在0～10 cm土层中更明显，如0～10 cm 含水率高频处理为15.92%，中频处理为23.82%，较高频处理下降了46.62%，低频处理为33.41%，较高频处理下降了109.86%，三者的变异系数CV=35.90%，而10～30 cm土层中，高频处理为16.36%～19.58%，中频处理为23.55%～23.77%，较高频处理下降了36.25%，低频处理为27.58%～32.29%，较高频处理下降了70.95%，三者的CV为25.27%～28.46%，40～50 cm土层含水率变化CV仅为20.05%。表3

2.2 滴灌频次对土壤温度的影响

研究表明，土壤温度随生育进程呈逐渐增高趋势，其中在孕穗期(4月24日)之前增长较缓慢，此后增长加快，至灌浆后期(6月1日)达最高峰。从不同土层温度变化上看，随土层加深，温度下降，其中20 cm以下土层下降明显。随滴灌频率提高，全期5～25 cm土层平均温度有下降趋势，如低频、中频、高频处理分别为17.13、16.70和16.30℃，其变异系数分别为11.19%、10.66%和9.99%，但差异不明显。不同滴灌频率处理，土壤各层平均温度下降幅度有所不同，低频处理从表层(5 cm)的19.38℃下降至25 cm的14.59℃，幅度变异(CV)为11.19%，中频处理表层温度18.75℃下降至25 cm的14.16℃，幅度变异(CV)为10.66%，而高频处理表层温度18.17℃下降至25 cm的13.99℃，幅度变异(CV)为9.99%，表明低频灌溉对0～25 cm土层温度影响较大，而中、高频灌溉影响较小，其中高频灌溉浅层土壤与中下层土壤温度差异最小。图2，表4

图1 不同滴灌频率下0～50 cm土层质量含水率动态
Fig.1 Mass water content dynamics of 0-50 cm soil layer under different drip irrigation frequency表3 不同滴灌频率下不同土层平均含水率变化
Table 3 Effects of drip irrigation frequency on average soil water content in different soil layers

土层Layer(cm)低频 Lowfrequency中频 Mediumfrequency高频 Highfrequency平均MeanCV(%)平均MeanCV(%)平均MeanCV(%)100.164733.40720.180323.81950.194115.9247200.193532.29230.190923.76720.210019.5784300.191329.20320.205023.54980.222916.1658400.217227.58300.207523.67730.230316.3632500.221422.94570.218522.68950.241115.7200平均Mean0.197629.08630.200423.50060.219716.7504

图2 不同滴灌频率下各层土壤温度变化动态

Fig.2Soiltemperaturechangesindifferentsoillayersunderdifferentdripirrigationfrequency

表4 不同滴灌频率下不同土层温度变化
Table 4 Effects of drip irrigation frequency on soil temperature in different soil layers

土层Layer(cm)低频 Lowfrequency中频 Mediumfrequency高频 Highfrequency平均Mean(℃)CV(%)平均Mean(℃)CV(%)平均Mean(℃)CV(%)519.458523.860518.751223.756118.167521.68361018.374323.142817.765023.227717.335221.89961517.248824.450717.006623.814116.523722.63292015.999227.081715.827325.064815.496224.57892514.592222.846914.155622.352313.987520.7676平均Mean17.134624.276516.701123.643016.302022.3125

2.3 灌溉频次对冠层温、湿度的影响

滴灌小麦冠层平均温度随生育推进呈逐渐上升趋势，至蜡熟期达最高，为30.7～33.8℃，而冠层平均相对湿度呈逐渐下降趋势，至蜡熟期达34.1%～39.3%。不同滴灌频率，冠层温、湿度变化有所不同，随灌次增加，冠层平均温度下降，平均相对湿度增加。全期冠层平均温度高频、中频和低频处理分别为24.98、25.35和26.13℃，相对湿度分别为44.68%、43.57%和42.40%。从不同灌次温、湿度动态变化幅度(CV)上看，灌次越大，冠层内温度和相对湿度变异越小，说明高频滴灌能有效降低群体内温度、增加湿度，稳定和改善群体微环境，并随生育进程这种效果越明显，其中对群体湿度的增大调节高于对群体温度下降的调节，这有利于小麦生理功能的发挥，对产量形成有利[9]。图3，图4，表5

图3 冠层平均温度动态
Fig.3 Canopy mean temperature dynamics

图4 冠层平均相对湿度动态
Fig.4 Canopy mean relative humidity dynamics
表5 不同滴灌频率下冠层内温度、湿度、光分布及叶温变化
Table 5 Effects of drip irrigation frequency on canopy temperature, humidity, light distribution and leaf temperature

项目Item低频 Lowfrequency中频 Mediumfrequency高频 Highfrequency平均MeanCV(%)平均MeanCV(%)平均MeanCV(%)冠层平均温度Canopymeantemperature26.128620.322025.352519.424724.978818.2750冠层平均相对湿度Canopymeanrelativehumidity42.40148.277143.56676.722444.68175.1913冠层平均叶温Canopymeanleaftemperature19.209230.504118.331129.863817.914129.0171冠层平均光截获率Canopymeanlightinterceptionrate0.733524.98630.763024.09850.788623.5454冠层平均漏光率Canopymeanlightleakagerate0.266568.77090.237077.56590.211487.8242

2.4 滴灌频次对冠层叶温及光分布的影响

滴灌小麦群体叶温随生育进程呈逐渐增加趋势，尤其进入6月以后(灌浆后期)达27.1～31.5℃，这主要与气温上升有关。滴灌频率增加，冠层叶温及其变异系数有降低趋势，如全期平均叶温高频、中频和低频处理分别为17.91、18.33和19.21℃，CV分别为29.02%、29.86%和30.50%，说明增加灌溉频次，对冠层叶温影响变小，有“平抑”叶温的作用，对提高叶片蒸腾速率、保持较高的生理活性有利[10]。图5

滴灌小麦冠层平均光截获率呈低-高-低的变化趋势，返青-拔节中期(4月16日)是光截获率快速增长期，拔节中期-抽穗期增加减缓，随后保持在0.893 0～0.957 1的较平稳状态，灌浆末期(5月28日)以后快速下降至蜡熟末期的0.463 1～0.585 0。不同灌次，由于群体大小不同，光截获率不同，高频、中频和低频处理的群体平均光截获率分别为0.788 6、0.763 0和0.733 5，表现为灌次增加，光截获率增加，且随生育推进，增加幅度增大，如蜡熟末期(6月11日)高频处理的冠层光截获率高出中频处理的0.14倍，高出低频处理的0.27倍，说明高频滴灌有利于保持群体长势、防治早衰的作用。图6

2.5 滴灌频次对产量及其构成的影响

研究表明，高频处理的千粒质量最大，为50.111 g。其次是中频处理，为49.063 g，低频处理的千粒质量最低，仅为45.690 g，显著低于其他处理；收获穗数以中频处理最大，低频处理最小，但处理间差异不显著；每穗有效小穗数低频处理仅为9.40，显著小于其他处理；千粒质量和穗粒数均随灌次增加而增加，其中中频处理和高频处理间差异不显著，但与低频处理差异达显著水平。不同灌次对产量构成因素的影响大小(CV)为穗粒数(8.78%)>每穗有效小穗数(8.38%)>千粒质量(4.78%)>收获穗数(1.44%)，说明灌次主要通过影响穗粒数和有效小穗数来影响产量。

从产量大小上看，高频处理>中频处理>低频处理，高频是中频的1.013 8倍，差异未达显著水平，但高频是低频灌溉的1.257 4倍，中频是低频的1.240 3倍，差异均达显著水平；从灌溉水分利用效率(IWUE)看，也是高频处理最大，达1.683 8 kg/m3，显著高于低频处理的1.339 1 kg/m3，但与中频的1.661 0 kg/m3差异不显著。表6

图5 冠层平均叶温动态
Fig.5 Canopy mean leaf temperature dynamics

图6 冠层平均光截获率动态
Fig.6 Canopy light interception rate dynamics
表6 不同滴灌频率下冬小麦产量构成
Table 6 Yield components of winter wheat under different drip irrigation frequencies

处理Treatment千粒质量1,000-grainweight(g)收获穗数Harvestspikes(104/hm2)有效小穗数Effectivespikeletsperspike穗粒数Grainsperspike产量Yield(kg/hm2)灌溉水利用效率IWUE(kg/m3)低频灌溉Lowfrequencyirrigation45.690b636.36a9.40b22.10b6628.63b1.3391b中频灌溉Mediumfrequencyirrigation49.063a654.55a11.01a25.51a8221.77a1.6610a高频灌溉Highfrequencyirrigation50.111a642.42a10.80a26.11a8335.05a1.6838a

注：同栏中有不同小写字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。灌溉水利用效率=产量/(冬灌量+滴灌量)

Note: Different lowercase letters in a column meant significant difference among treatments at 0.05 level. Irrigation water use efficiency = yield /(winter irrigation+drip irrigation)

3 讨 论

灌溉是影响作物群体田间小气候的主要因素之一[11-12]，研究表明，滴灌频率对麦田0～50 cm土壤含水率影响较大，与刘梅先等[13]认为棉田0～40 cm为主要影响层有所不同。随滴灌频率增大，0～50 cm土壤含水率增大，含水率波动幅度变小，尤其是浅层土壤(0～30 cm)的湿度明显高于低频灌溉，这与前人研究的结果一致[14]。田间土层温度随生育进程呈增加趋势，尤其在灌浆后期5 cm土温达到24.12～26.07℃、25 cm土层达到17.73～18.69℃，整个灌浆期0～25 cm土温平均达20.06～21.46℃，这比华北地区小麦根层土温高1.5℃以上[15]，造成小麦根系生长过早衰老，成为极端干旱地区小麦后期早衰、养分代谢功能下降的根本原因[16]。滴灌频率增加，土层温度下降，且随生育进程推进其下降幅度加大，土温变异减少，并以浅层土温下降及生育期内温度变异减小的幅度最大，这种“降温效应”在干旱荒漠区有利于防治干热风危害、促进根系的良好生长[17]。

冠层光温条件与小麦生长发育状况紧密相关，樊廷录等[18]认为冬小麦灌浆中后期冠层温度每升高1℃，产量下降280 kg/hm2，产量与冠层相对湿度显著正相关[19]，此外，随着灌浆进程的推移，小麦叶温与产量的负相关性逐渐增大[20]。试验中，冠层平均温度和平均叶温与产量的相关系数分别为-0.965 2和-0.966 0，呈显著负相关，与冠层平均相对湿度和平均光截获率的相关系数分别为0.899 8和0.860 7，呈显著正相关，进一步验证了以上结论。试验发现高频处理的群体平均光截获率在抽穗期-乳熟期达最大，为0.948～0.957，这与杨国敏等[21]认为在灌浆期最大为0.922～0.936有所不同，这可能与滴灌改变群体环境、促进小麦长势有关[22]。

作物的生产性能决定于其生理功能的优化，而作物生理特征与田间微环境密切相关[23]，研究仅探讨了滴灌频次对小麦群体微环境特征的影响，关于微环境变化的小麦群个体生理响应机制有待于进一步研究。

4 结 论

4.1 高频处理0～50 cm土层平均含水率较中频和低频处理分别提高了8.78%和10.06%，其中0～30 cm土层含水率较中频和低频处理提高了8.12%和12.36%，说明增加滴灌频率，对维持浅层土壤较高含水率有利。

4.2 滴灌麦田5～25 cm土壤温度、冠层平均温度、群体叶温均随生育进程逐渐增加，灌浆后期达高峰，分别为21.93～23.53℃、30.7～33.8℃和27.1～31.5℃，体现了南疆极端干旱荒漠区小麦花后不良的群体小气候特征。5～25 cm平均地温随滴灌次数增加有下降趋势，且温度变异变小，这有利于作物根系生长[17]。

4.3 随滴灌次数增加，冠层平均相对湿度和冠层光截获增加，冠层平均温度和冠层叶温下降，且这种效应随生育进程而增大，高频灌溉较中频灌溉和低频灌溉生育期内冠层内平均温度降低0.37和1.15℃，冠层叶温降低0.42、1.30℃，冠层内相对湿度增加1.11和2.28个百分点，冠层光截获率增加0.031 4和0.056 1，说明增加灌次，能改善群体内温光条件。

4.4 滴灌频次主要通过影响穗粒数和每穗有效小穗数来影响产量，并以高频处理的产量最大，达8 335.05 kg/hm2，较中频处理增加1.36%，较低频处理增加20.47%。高频处理的灌溉水分利用效率也最大，达1.683 8 kg/m3，显著高于低频处理，但与中频处理差异不显著。通过分析，高频处理在产量构成因素与IWUE方面与中频处理差异未达显著水平，但显著高于低频处理，故该地区冬小麦采用7～10次的“少量多次”滴灌次数能获得较好的节水增产效果。

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EffectsofDripIrrigationFrequencyonFieldMicroclimateCharacteristicsofWinterWheatPopulation

HUANG Zhen-jiang, CHEN Hui, WANG Ji-chuan, PAN Xue-jiao, ZHENG Lei

(CollegeofPlantScience,TarimUniversity,AlarXinjiang843300,China)

ObjectiveUnder the drip irrigation plot test condition, the soil water distribution and field microclimate characteristics of winter wheat under different drip frequencies in the oasis area of Southern Xinjiang were studied in the hope of providing basis for making winter wheat drip irrigation system.MethodBased on the unified winter irrigation of 900 m3/hm2, after the spring, the drip irrigation amount was 4,050 m3/hm2using three irrigation frequencies: low frequency P1was 4, medium frequency P2was 7, high frequency P3was 10.ResultSoil water distribution was greatly affected by drip frequency. The average soil moisture contents of 0-50 cm soil layer in high frequency, medium frequency and low frequency irrigation treatments were 21.97%, 20.04% and 19.76%, respectively, and the soil moisture contents of 0-30 cm layer were more s table when treated with high frequency; In the growth period, the average soil temperature of high frequency irrigation treatment was 0.40℃ and 0.83℃ lower than those of medium and low frequency irrigation treatments the average temperature in the canopy decreased by 0.37℃ and 1.15℃, canopy leaf temperature decreased by 0.42 ℃ and 1.30℃, relative humidity in the canopy increased by 1.11 and 2.28 percentage points, canopy light interception rate increased by 0.025,6 and 0.055,1. Compared with medium frequency and low frequency irrigation treatments, the yield and irrigation water use efficiency of high frequency irrigation treatment increased by 1.36% and 20.47%.ConclusionHigh frequency drip irrigation in winter wheat field can improve field microclimate and increase yield and water use efficiency in the oasis area of Southern Xinjiang. In practice, 7-10 times drip irrigation model is appropriate after spring.

winter wheat; drip irrigation frequency; soil moisture; field microclimate; water use efficiency

Supported by: National Natural Science Foundation of China "Study on the principle of efficient use of water and regulation mechanism of wheat under drip irrigation in Xinjiang" (31260303) ; Three-Year Project of Sci-Tech Special Commissioner for Minority Inhabited Areas " Integration and demonstration of key technologies for high yield and high efficiency grain production in southern Xinjiang" (2013AA002); Tarim University President Fund Project "Study on the population quality control effect and high-yield way of drip irrigation wheat" (TDZKGG201702)

WANG Ji-chuan(1968- ), male, native place: Langfang, Hebei. Professor, master supervisor, research field: Physiology and ecology of crop efficient cultivation. (E-mail)wjcwzy@126.com

S512.1；S162.4

A

1001-4330(2017)11-2036-10

2017-08-17

国家自然科学基金项目“新疆滴灌小麦水分高效利用原理与调控机理研究”(31260303)；少数民族聚居团场科技特派员科技帮扶三年行动专项“南疆粮食高产高效生产关键技术集成与示范”(2013AA002)；塔里木大学校长基金项目“滴灌小麦群体质量调控效应与高产途径研究”(TDZKGG201702)

黄振江(1992-)，男，新疆博乐人，硕士研究生，研究方向为作物水分生理生态，(E-mail)865185846 @qq.com

王冀川(1968-)，男，河北廊坊人，教授，硕士生导师，研究方向为作物高效栽培生理生态，(E-mail)wjcwzy@126.com