喷灌定额和灌水频次对冬小麦产量及品质的影响分析

周丽丽 薛 彬 孟范玉 李晶晶 臧文静 严海军

(1.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083； 2.北京市农业技术推广站， 北京 100029)

0 引言

华北地区是我国粮食主产区，小麦产量占全国小麦总产量的75%[1]。水资源紧缺且分配不均，严重制约着该区小麦产业的发展。冬小麦生育时期耗水量较大，通常情况下高产冬小麦的整个生育时期需水量高于400 mm[2-4]，而同期降水量较少，因此补充灌溉是冬小麦高产栽培的重要措施。该地区农业灌溉主要采用机电井供水，井灌面积占全区农田有效灌溉面积的67.6%。由于地下水资源的过度开发，华北地区已经成为全国最大的地下水超采区，为此“十二五”期间国家启动了华北地区节水压采行动，大力发展喷灌和微灌等高效节水灌溉技术。圆形喷灌机喷灌作为一种重要高效节水灌溉技术，具有自动化程度高、控制面积大、运行成本低等优点[5-6]，近年来在华北地区得到了快速发展，主要应用于冬小麦、夏玉米、苜蓿等农作物。

前人研究结果表明，“少量多次”灌溉，可以实现作物节水增产及改善品质的目的。李全起等[7]研究发现，总灌水量120 mm时，在拔节期和抽穗期各灌溉60 mm的产量显著高于拔节期一次灌溉120 mm的产量，水分利用效率也有显著提高。王晓英等[8]研究认为，灌水频次对冬小麦的品质有显著影响，发现随着灌水频次的增多，籽粒蛋白质及湿面筋含量显著提高。在滴灌水肥一体化技术研究方面，蒋桂英等[9]研究发现，在总灌水量375 mm时，中频灌溉(每7 d一次)与高频灌溉(每4 d一次)、低频灌溉(每10 d一次)相比，小麦产量分别增加7.6%及13.5%，水分利用效率提高2.6%及9.9%，表明适宜的灌水频次有利于提高冬小麦产量及水分利用效率。在微喷水肥一体化技术研究方面，张英华等[10]研究发现，在总灌水量150 mm时，相对于2次微喷冬小麦全生育期的多次微喷(3次或4次)能使产量提高5.3%～18.9%，水分利用效率提高5.3%～27.8%。在喷灌水肥一体化技术方面，SPALDING等[11]研究发现，圆形喷灌机水肥一体化与沟灌玉米相比，节水和节氮分别为66%及37%，且能显著减少土壤氮素淋失。圆形喷灌机操作简便，结合水肥一体化技术，易实现少量多次灌溉与施肥，课题组曾开展了圆形喷灌机条件下冬小麦灌溉施肥制度研究[12]，但是关于灌溉定额和灌水频次对冬小麦生长、产量及品质的影响研究尚未见报道。

本文在已有研究的基础上，围绕圆形喷灌机不同灌溉定额及灌水频次对冬小麦的生长、产量及品质的影响进行水肥一体化试验，旨在寻求适宜的冬小麦水肥一体化技术模式和灌溉管理制度，为圆形喷灌机水肥一体化技术推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014—2016年在北京市顺义区赵全营镇万亩示范基地进行(40°18′N，116°28′E，海拔高度约35 m)，试验区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，2015—2016年平均气温为13.0℃，年日照时数为2 478 h，年均相对湿度为50%，多年平均降水量为585 mm，其中6—8月集中了全年降水量的75%。2014—2015年及2015—2016年冬小麦生长季(当年10月至次年6月)有效降水量分别为125.3 mm和160.2 mm。试验区土壤质地为粉质壤土，0～80 cm土层平均田间持水量为29.8%，容重为1.55 g/cm3，耕层土壤有机质质量比为12.8 g/kg，硝态氮质量比为2.47 mg/kg，铵态氮质量比为30.47 mg/kg，有效磷质量比为26.4 mg/kg，速效钾质量比为82.0 mg/kg，pH值为7.8。

1.2 试验设计

试验用冬小麦品种为农大211，分别于2014年10月1日和2015年9月30日播种，行距为15 cm，播种深度为4 cm。表1是冬小麦不同生育时期灌水定额，越冬期各处理统一灌水，第1年越冬期灌水45 mm，第2年越冬期有效降水量为45.2 mm，故未进行越冬期灌水。从返青至灌浆期设置不同灌水处理，2014—2015年设置了3种灌溉定额处理(135、112.5、90 mm，分别记作W1、W2、W3)；2015—2016年设置了3种灌溉定额处理(154.5、132、109.5 mm，分别记作W1、W2、W3)与2种灌水频次处理(1次灌水和均分成2次灌水，2次灌水时间间隔9 d，分别记作C1、C2)，形成了6种灌溉处理，分别为W1C1、W1C2、W2C1、W2C2、W3C1、W3C2。根据冬小麦不同生育时期需水特点，在返青-拔节、拔节-抽穗和抽穗-灌浆期的灌水下限依次设定为田间持水量的70%、75%和75%。同时在各处理的每个试验小区取3个点测定平均土壤含水率。冬小麦返青和拔节期取0～50 cm土层深度，抽穗和灌浆期取0～80 cm土层深度。通过设定圆形喷灌机的百分率计时器数值，调整圆形喷灌机的行走速度，实现不同的灌水处理。

两年试验施肥处理相同，追肥采用圆形喷灌机水肥一体化技术，选用泵注式施肥装置，确保施肥均匀[13]。施用底肥量为：750 kg/hm2的复合肥(N∶P∶K为17∶20∶8)和150 kg/hm2的磷酸二铵(N∶P2O5为15∶42)，折合N为155 kg/hm2、P2O5为213 kg/hm2、K2O为60 kg/hm2。追肥分别在返青-拔节、拔节-抽穗和抽穗-灌浆期进行，肥料为水溶肥(N∶P∶K为27∶12∶14)及尿素(含氮46.7%)，折合N为145 kg/hm2、P2O5为22.5 kg/hm2、K2O为30 kg/hm2。图1是试验布置图，2014—2015年试验共3个处理，每个处理重复3次，共有9个小区；2015—2016年试验共6个处理，每个试验处理设置3个重复，共有18个7 m×10 m试验小区；每个小区内取3个1 m×1 m样方进行观测记录。C1和C2处理的施肥量相同，C2处理仅在第一次灌水时施肥。为避免不同处理间影响，同一处理内不同试验小区的间距为13.5 m，不同处理间相邻试验小区的间距为36 m。试验用圆形喷灌机共3跨，每跨长度为61 m，末端悬臂长度为21 m，整机长度为204 m。选用美国Nelson公司生产的D3000低压喷头，尾枪为意大利Sime公司的K1型摇臂式喷头。喷灌机由2眼机井联合供水，入机压力为0.17 MPa，入机流量为71 m3/h。

表1 冬小麦不同生育时期灌水定额Tab.1 Irrigation amount for winter wheat at different growth stages

图1 试验布置图Fig.1 Test plot layout

1.3 测定指标与方法

1.3.1 气象数据

利用安装在试验地的田间气象站对降水量、风速、风向、空气温湿度、太阳辐射、日照时数等气象数据进行采集。

1.3.2 土壤含水率

采用烘干法测定土壤含水率，用土钻取0～80 cm土层土样，土层分为0～20 cm、20～50 cm、50～80 cm，置于铝盒中，称出鲜土质量，将温度调到(105±2)℃，干燥8 h后称土样质量，计算土壤质量含水率。

1.3.3 冠层温度

在冬小麦拔节、抽穗、扬花、灌浆及成熟期利用HT-8962型手持式红外线测温仪及Kestrel4500型手持气象仪测量冠层温湿度。具体测定时刻为测定当天08：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00，测量时感应器距地面1.5 m，并与水平呈30°夹角瞄准试验小区内群体长势一致的植株冠层，采用对称法在试验小区内朝4个不同方向测量取平均值。

1.3.4 籽粒产量及构成因素

将1 m×1 m样方内的小麦全部收获脱粒，待籽粒自然风干至含水率为12.5%时称量。此外，另取3个长度为50 cm样段，测定穗数、穗粒数及千粒质量。

1.3.5 籽粒品质

利用DA7200型近红外光谱仪测定冬小麦籽粒的蛋白质质量分数、淀粉质量分数、湿面筋质量分数、容重等品质，并进行显著性分析。

1.3.6 田间持水量

采用环刀法在室内测定田间持水量。用环刀取原状土样，带回实验室内，放在盛有蒸馏水的白色搪瓷盘中，吸水饱和24 h。在相同的土层取土样风干，将吸水饱和后的土样放在风干土上8 h后，取环刀上面的原状土20 g，放入干燥箱内干燥至质量恒定，测得的土壤含水率即田间持水量。3次重复取算术平均值。

1.3.7 作物耗水量

采用水量平衡法计算作物耗水量，水量平衡法计算公式为

ET=I+ΔW+P+Ep-D

(1)

式中ET——阶段耗水量，mmI——阶段内灌水量，mmΔW——阶段内80 cm深度内土壤储水变化量，mm，由于灌水前后0～80 cm土层未达到田间持水量，故80 cm以下耗水量可忽略不计

P——阶段内有效降水量，mm

Ep——阶段内地下水补给量(试验区地下水位为40 m，故Ep不考虑)，mm

D——阶段内渗漏量，mm，经计算单次灌水量或降水量进入土壤后未达到土壤最大储水量，故D可忽略

1.3.8 水分利用效率

水分利用效率指植株生产单位面积产量所消耗的水量，即产量与作物生育期总耗水量的比值，水分利用效率W(kg/m3)[14]计算公式为

W=0.1Y/ET

(2)

式中Y——籽粒单位面积产量，kg/hm2

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013软件绘图；利用t检验进行C1、C2处理的显著性分析；利用SPSS 20进行不同灌溉定额之间以及不同灌溉定额与灌水频次组合之间的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

2014—2015年，冬小麦籽粒产量随着灌溉定额的增加而增加，W1处理的籽粒产量显著高于W2和W3处理(P<0.05)，但W2与W3处理之间无显著性差异(P>0.05)，产量最大值为8 503.1 kg/hm2(W1)，最小值为6 615.0 kg/hm2(W3)(表2)。从产量构成因素来看，W1处理的穗数显著高于W2(P<0.05)，但W2与W3以及W1与W3处理之间无显著性差异(P>0.05)。穗粒数随着灌溉定额的增加而增加，最大值为W1的28.0，最小值为W3的24.7。W1处理的穗粒数显著高于W3处理(P<0.05)，但W2与W3以及W1与W2之间无显著性差异(P>0.05)。千粒质量随着灌溉定额的增加而增加，但处理之间无显著性差异。2015—2016年，在相同灌水频次下，籽粒产量、穗数、穗粒数、千粒质量都有随灌溉定额增加而增加的趋势。其中，在C1处理下，W1、W2和W3处理间产量差异显著(P<0.05)。穗数、穗粒数和千粒质量均表现为W1处理显著高于W3处理，但W1与W2以及W2与W3之间无显著差异(P>0.05)。在C2处理下，W1、W2和W3处理间产量差异显著(P<0.05)，在产量构成因素方面，穗数和千粒质量3个处理间差异显著(P<0.05)，而穗粒数3个处理间差异不显著。综合所有处理，产量最大值为W1C2的9 286.4 kg/hm2，最小值为W3C2的7 797.6 kg/hm2。

在相同灌溉定额下，增加灌水频次有提高产量趋势，但不同灌溉定额下的表现有所不同(表3)，在W1和W2处理下，C1和C2产量差异显著(P<0.05)；在W3处理下，增加灌溉频次对产量无显著影响(表3)。可见，在高灌溉定额下增加灌水频次的增产效果更明显。在产量构成因素方面，穗数、穗粒数、千粒质量在3种灌溉定额下，C1与C2处理之间均无显著性差异(P>0.05)，W3时C1处理的穗数、穗粒数及千粒质量均高于C2，而W1及W2时C1处理的穗数小于C2。综合上述结果可见，关于灌溉定额与灌水频次对产量的影响，灌溉定额起主导作用；在W1和W2处理下，高灌水频次(C2)更有利于提高产量；在W3处理下，低灌水频次(C1)有利于稳产。本研究从高产的角度考虑建议采用W1C2处理。

表2 不同灌水处理下冬小麦产量及产量构成因素Tab.2 Grain yield and yield components of winter wheat for different irrigation treatments

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

表3 2015—2016年相同灌溉定额、不同灌水频次的冬小麦产量及产量构成因素Tab.3 Grain yield and yield components of winter wheat at different irrigation frequencies under the same irrigation quota in 2015—2016

注：Sig小于0.05表示2个处理在0.05水平下差异显著，下同。

2.2 不同灌水处理对冬小麦耗水量及水分利用的影响

图2是不同处理下冬小麦不同生育时期阶段耗水量及日均耗水量变化趋势。从返青-成熟期的阶段及日均耗水量均呈现出先增加后降低的趋势，峰值出现在拔节-抽穗期。返青-拔节期由于气温回升，小麦茎数进一步增加以及植株生长需要消耗水分，植株的阶段及日均耗水量显著升高。拔节-抽穗期的阶段耗水量在第1年及第2年占全生育时期的比重分别是29.2%～31.7%及24.0%～25.0%，日均耗水量分别是4.4～4.8 mm/d及3.8～4.4 mm/d。该时期耗水量大的主要原因是冬小麦的叶面积指数增大，植株的蒸腾作用增强，根系需吸收大量水分满足植株的营养生长与生殖生长。冬小麦植株在抽穗-成熟期以生殖生长为主，茎及穗的发育需要消耗大量的水分，该时期的阶段耗水量在第1年及第2年占全生育期的比重分别是27.8%～28.5%及31.7%～37.1%。

由图2可见，2015—2016年的灌浆-成熟期的阶段及日均耗水量均较高，主要原因是该试验年份冬小麦生长后期降水量较大，气温较高，植株蒸腾作用强，籽粒灌浆消耗大量水分，2015—2016年总耗水量大于2014—2015年。

从生育期总耗水量来看，在相同灌水频次下，总耗水量随着灌溉定额的增加而增加，且灌溉定额对总耗水量的影响显著(P<0.05)(表4)；在相同灌溉定额下，灌水频次对总耗水量影响有所不同，由表3知，W2和W3处理下，灌水频次对总耗水量的影响不显著(P>0.05)，但W1处理下，C2的总耗水量显著高于C1(P<0.05)，表明增加灌水频次能显著提高该处理总耗水量。

从水分利用效率来看(表4、表5)，在相同灌水频次下，随着灌溉定额的增加，水分利用效率呈下降的趋势。在C1处理下，W1和W3的水分利用效率分别为2.22 kg/m3及2.28 kg/m3，在C2处理下，W1和W3的水分利用效率分别为2.20 kg/m3及2.28 kg/m3，但处理间差异不显著(P>0.05)；相同灌溉定额下不同灌水频次对水分利用效率没有显著影响(P>0.05)。

图2 不同灌水条件下阶段耗水量及日均耗水量Fig.2 Water consumption and daily water consumption under different irrigation conditions

2.3 不同灌水处理对冬小麦籽粒品质的影响

由表6可知，在相同灌水频次下，不同灌溉定额对蛋白质质量分数影响显著(P<0.05)，蛋白质质量分数随着灌溉定额的增加而增加，2个灌水频次下不同灌溉定额对蛋白质质量分数影响的变化趋势一致(P<0.05)，这与许振柱等[15]研究认为适宜的灌水处理有利于籽粒蛋白质积累、改善籽粒品质的结论一致。对于湿面筋来说，随着灌溉定额的增加，湿面筋质量分数呈先升高后降低的趋势，2个灌水频次下均以W2处理最高，C2处理下，W1和W2处理的湿面筋质量分数显著高于W3处理(P>0.05)，W1和W2处理之间差异不显著，C1处理下，W1、W2和W3处理之间无显著差异。从成熟期籽粒淀粉质量分数来看，相同灌水频次下淀粉质量分数随着灌溉定额的增加而增加，C1处理下，W1的淀粉质量分数显著高于W3(P<0.05)；C2处理下，W1的淀粉质量分数显著高于W2和W3处理。从成熟期籽粒容重来看，相同灌水频次下，容重随着灌溉定额的增加呈先增加后降低的趋势，其中，在C1处理下，W2处理的容重显著高于W1和W3处理(P<0.05)；C2处理下，W1、W2和W3处理之间无显著差异(P>0.05)。所有处理的籽粒容重均大于790 g/L，达到一级小麦品质等级。

表4 2015—2016年相同灌水频次、不同灌水处理的总耗水量及水分利用效率Tab.4 Total water consumption and water use efficiency under the same frequency in 2015—2016

注：同列同频次数据不同上角表示差异显著(P<0.05)，下同。

表5 2015—2016年相同灌水量、不同灌水频次的总耗水量及水分利用效率Tab.5 Total water consumption and water use efficiency of different irrigation frequencies under the same irrigation amount in 2015—2016

由表7可见，在相同灌溉定额下，C1处理蛋白质及湿面筋的含量大于C2处理，淀粉质量分数及容重小于C2处理。这表明相同灌溉定额时，增加灌水频次有利于提高籽粒蛋白质及湿面筋含量，灌水频次对淀粉质量分数和容重的变化规律与之相反。t检验结果表明不同灌水频次对蛋白质质量分数、湿面筋质量分数、淀粉质量分数、容重均没有显著影响。以上研究结果表明，灌溉定额与灌水频次对冬小麦籽粒品质影响效应中灌溉定额起主导作用。

表6 2015—2016年相同灌水频次、不同灌溉定额的籽粒品质Tab.6 Grain quality at different irrigation quotas under the same irrigation frequency in 2015—2016

表7 2015—2016年相同灌溉定额、不同灌水频次的籽粒品质Tab.7 Grain quality at different irrigation frequencies under the same irrigation quota in 2015—2016

3 讨论

2年试验结果均表明产量随着灌溉定额的增加而显著增加，这与汪顺生等[16]和董志强等[17]的研究结果不同，原因可能是本研究的灌溉定额设置范围不够大，没有达到产量峰值。2014—2015年W1与W2、W3处理的产量差异显著，W2与W3处理之间的产量差异不显著(P>0.05)，表明W1处理的产量较优。灌溉定额对穗数的影响显著，穗数在对产量影响的要素中起到了主导作用。2015—2016年灌水频次一定时，冬小麦产量随灌溉定额的增加而增加，且不同灌溉定额之间的产量差异显著。W1C2处理显著高于W1C1处理，对其产量构成要素分析，可知C2处理的穗数及千粒质量要高于C1，这与姚素梅等[18]研究结果相近，表明C2处理的有效茎数大于C1。C2处理的分2次灌水有利于根系吸收0～50 cm土壤水分，进而减少无效分蘖，有利于提高产量。

本研究结果表明冬小麦在拔节-抽穗期的阶段耗水量最大，这与王松林等[19]的研究结果一致。拔节-抽穗期为小麦需水的关键期，此期保证水分供应有利于植株的生长发育，提高植株光合作用，积累更多的干物质，提高水分利用效率与产量，这与肖俊夫等[20]的研究结果相似。在保证产量的同时减少灌水量也是降低冬小麦生育期耗水量及提高水分利用效率的主要途径[21-22]，此外还可通过合理的灌溉模式来增加产量进而提高水分利用效率[23]。陈健等[24]研究得出畦灌条件下沧州、廊坊等地小麦的WUE为1.0～1.9 kg/m3，汪顺生等[16]研究得出沟灌及畦灌下水分利用效率分别为1.9～2.1 kg/m3及1.5～1.8 kg/m3。本文应用圆形喷灌机水肥一体化技术，不同灌水处理的水分利用效率变化范围为2.20～2.28 kg/m3，与传统灌溉方式相比，显著提高了WUE。灌溉定额对冬小麦籽粒蛋白质质量分数、淀粉质量分数有显著性影响，这与王晓英等[8]的研究结果一致。本文对灌溉定额对冬小麦冠层温度的影响进行了初步研究，在灌浆期之前不同灌溉定额之间的冠层温度差异不明显，在灌浆期至成熟期，冠层温度随着灌溉定额的升高而降低，2个灌水频次的变化趋势一致。其中在C1处理下，W3处理的平均冠层温度比W1高1.3～1.7℃，C2处理下，W3处理比W1高2.6～2.8℃。这表明在气温较高时，利用圆形喷灌机灌溉可以显著降低冬小麦冠层温度，为籽粒灌浆创造适宜的温湿度环境，有利于延长冬小麦籽粒灌浆持续期，从而提高冬小麦产量及品质。此外，在灌浆期高温条件下进行适当灌水，能有效降低冬小麦的冠层温度，增加田间水汽压，降低植株蒸腾作用，减轻干热风的危害，有利于籽粒灌浆，提高籽粒产量，这与LIU等[25-26]研究结果一致。

4 结论

(1)冬小麦产量随着灌溉定额及总耗水量的增加而增加，灌溉定额对产量的影响显著(P<0.05)，灌水频次对产量的影响不显著(P>0.05)，灌溉定额及灌水频次组合对产量的影响中，灌溉定额起主导作用。最高产量处理为W1C2的9 286.4 kg/hm2。建议北京地区冬小麦在返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆期分别灌水45、55.5、54 mm，在圆形喷灌机条件下每个生育时期宜分2次灌水。

(2)两年试验结果表明，冬小麦在拔节-抽穗期的阶段及日均耗水量均最大，灌溉定额对总耗水量的影响显著(P<0.05)，但灌水频次对总耗水量的影响不显著(P>0.05)。水分利用效率随总耗水量的增加而减少，水分利用效率最大为W3处理的2.28 kg/m3，最小为W1处理的2.21 kg/m3，各处理水分利用效率无显著性差异(P>0.05)，适当提高灌溉定额可以增加产量，同时对水分利用效率影响不大。

(3)灌溉定额及灌水频次对冬小麦籽粒蛋白质质量分数、淀粉质量分数有显著性影响(P<0.05)，最优处理是W1C1，其次是W1C2，再次是W2C1。小麦籽粒蛋白质质量分数C2处理小于C1，表明灌浆后期C2处理的灌水会降低籽粒的蛋白质质量分数，建议在灌浆前、中期灌水。

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