深层灌水条件下冬小麦适宜灌水深度的研究

陈　爽， 孙西欢，2， 马娟娟， 郭向红

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024； 2.山西水利职业技术学院，山西运城 044004)

近年来，水资源短缺问题成为制约我国北方地区农业发展的主要因素[1]。小麦是黄土高原旱地主要农作物之一，干旱和贫瘠限制了旱地小麦高产。传统高产小麦栽培通常采用灌水多、耗水量大、水分利用效率低的平作或大水漫灌的栽培方式[2]，导致土壤板结及土壤结构的破坏[3]。合理地利用有限的水资源，采用合理的灌溉方法提高水分利用效率和灌溉水利用效率，成为小麦生产迫切需要解决的问题。小麦根系是支撑地上部生长、吸收水分和营养成分的重要功能性器官，其数量、分布、构型等特征密切关系着植株的生长发育、生理功能以及产量形成[4]。相比其他环境因素，大量的研究结果表明，冬小麦的根系对土壤水分的反应更为敏感[5]。在华北地区节水灌溉条件下，深层土壤供水及深层根系活动对维持小麦生长发育至关重要。

以往的节水灌溉制度主要集中于灌水定额[6]、灌水次数[7]和灌水时期方面的研究[8]，而对于结合土壤含水量的整体深度灌溉方式的研究尚少。灌水总量不变，结合含水率的深层灌水方式，相比传统的地表灌溉，能明显诱导冬小麦根系下扎，增加根系的入土深度[9]。不同深度灌水条件下适当增加灌水深度可显著增加小麦产量，提高收获指数[10]，以往对不同深度灌水的研究未考虑植物的整体，因此本试验进一步分析深层灌水条件下结合地上部和根系发育，利用主成分分析法研究冬小麦适宜灌水深度，以充分发掘深层灌水的节水潜能，提高土壤水分的利用效率，为促进节水灌溉提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验田概况

试验于2015年10月至2016年6月在山西运城水利职业技术学院实训基地(34°48′N，110°41′E，海拔约370 m)进行。基地多年平均降水量559.3 mm，主要集中在7—9月，年平均日照时数2 247.4 h，年平均气温13.6 ℃。试验区土壤属于中壤土，地下水埋深大于6 m。播种前在耕层施入底肥，后测得耕层土壤有机质含量为20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，有效钾含量206.5 mg/kg，有效磷含量45.79 mg/kg。0～300 cm 土壤物理参数见表1。

1.2　试验与设计

试验品种为国审麦良星99，于2015年10月12日播种，3叶期每根土柱定苗12株，密度等同大田，其他管理措施同当地大田管理。采用塑料管土柱法，以灌水深度为控制因子，共设5个处理(表2)，每个处理3次重复，部分土柱设置含水率管。

表1　土壤物理参数

表2　试验不同处理

试验共进行5次灌水：越冬期至返青期全按地表灌溉处理，拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期、灌水深度通过取根得到各处理平均最大根深来计算。单次灌水量是按当地大田管理换算得到每根土柱的总灌水量分别为不含含水率测管 2 036 mL、含含水率测管1 923 mL，先将设计灌水深度土层分层，再将每层结合相应土壤含水量通过点滴管加入所需水分灌到田间持水量的一定百分数，最后将剩余水量灌入地表。

1.3　测定指标与方法

1.3.1地上部分在每个生育期用直尺测量植株株高(取4个方向的平均值)，叶长叶宽及土柱内所有叶片数，然后求得叶面积指数LAI=LA/S(叶面积LA=∑(叶长×叶宽)/1.2，S为试验筒底面积)，剪取地上部分在室内烘箱75 ℃烘干至恒质量，测定小麦地上部分干质量。小麦成熟后测定每柱穗长、柱穗数、穗粒数、千粒质量、产量等指标。

1.3.2根系部分取出土柱，纵向分开PVC管，测量平均最大根深，然后每隔10 cm横向切开，放在筛子里冲洗收取各层根系后，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系扫描仪进行扫描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序对所得图像进行分析获得根系数据；扫描后的根样在75 ℃烘干至恒质量，测定根干质量。根系活力采用TTC法测定。

1.3.3光合指标测定用LI-6400XT便携式光合仪进行测定，在冬小麦生育期(返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期)内，每个生育期选取2个晴天测定光合生理特性的各项指标。

1.4　数据处理

采用SPSS对样本进行主成分分析；使用Excel、Origin软件对数据、图表进行处理。

2　结果与分析

2.1　不同灌水深度对冬小麦生长发育的影响

2.1.1对株高、叶面积指数的影响不同处理下，小麦株高变化如图1-a所示，不同处理的株高的总体变化趋势一致，呈现随着生育期的推进逐渐增大，在灌浆期达到最大，随后在灌浆成熟期逐渐减小的过程；相比T1地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促进植株增高，株高T4>T3>T5>T2>T1；由图1-b可知，叶面积指数也呈现出深层灌水条件下总趋势与地面灌溉一致，但T4处理在重要的生育期始终大于其余各处理；综上，说明最有利于株高增长以及叶面积指数增大的处理为T4(灌水深度为根系分布深度的75%)。

2.1.2对平均最大根深、总根长、根系活力均值、根冠比的影响图1-c为各生育期各处理冬小麦的平均最大根深，可以看出，随着小麦的生长发育，各处理冬小麦根系持续生长，根深逐渐变大；自拔节期对小麦进行了灌水处理后，T2、T3、T4、T5根系入土深度均明显大于T1，相比T1的地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促进根系向下伸长，诱导根系下扎。且T5>T4>T3>T2>T1，这说明试验灌水到达深度越大，冬小麦根系的入土深度越大。由图1-d可以看出不同处理的小麦总根长变化的总趋势一致，但各个处理之间存在差异，返青拔节后T5>T4>T3>T2>T1，直到抽穗期T4=T3>T5>T2>T1，说明在根系分布深度的60%、75%处灌水，有助于根系增多，总根长增大。由图1-e可以看出，根系活力的总趋势是从越冬期开始增大，在拔节期达到最大然后减小的过程，还可看出，T1明显小于其他处理，在拔节、抽穗期T5>T4>T3>T2>T1，在灌浆、成熟期T4>T3>T5>T2>T1，这说明深层灌水有利于增加根系活力且灌水深度为根系分布深度的60%、75%时显著提高冬小麦整体根系活力值。图1-f为根冠比的总体趋势，即返青期达到最大值，随后逐渐减小，反映了冬小麦“先长根后长苗”的特点。但从返青开始，T1>T2>T3>T4>T5，根冠比随深度增大逐渐减小，这是由于根系部分的增长程度不及地上部分的质量增加，使得根冠比减小。

2.1.3对产量结构的影响由表3可知，穗长、单穗粒数均为T4>T3>T2>T5>T1，柱生物量为T4>T3>T5>T2>T1，柱穗数为T5=T3>T4>T2>T1，千粒质量、柱产量、收获指数为T4>T3>T5>T2>T1；综合看来，T3(灌水深度为根系分布深度的60%)、T4(灌水深度为根系分布深度的75%)处理表现出了其优势， 有利于产量的增加、产量结构的改善，小麦收获指数显著提高。

2.2　对叶片光合特性和水分利用效率的影响

光合作用是植物体内最重要的代谢过程，故土壤水分状况对植物光合作用具有重要影响[11]。由表4可知，净光合速率T4>T3>T5>T2>T1，气孔导度、胞间CO2浓度T3>T4>T5>T2>T1，蒸腾速率T3>T5>T4>T2>T1，说明深层灌水有利于促进植株的光合作用。

叶片WUE指单位水量通过叶片蒸腾散失时，光合作用所能生产的有机物质量，是WUE的理论值[12]，计算公式为：WUE=Pn/Tr，式中Pn为净光合速率[μmol/(m2·s)]；Tr为蒸腾速率[mmol/(m2·s)]。由表4可知，T4>T3>T5>T2>T1，说明灌水深度不同，对叶片的水分效率影响不同，T3、T4处理下的WUE较大，说明灌水深度为根系分布深度的60%、75%时最利于叶片对水分的利用。

表3　不同灌水深度条件下小麦的产量及其构成

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下表同。

3　利用主成分分析法对不同处理进行综合评价

主成分分析法是利用几个较少的综合指标反映原来指标的一种统计方法[13]，已广泛应用在许多领域，此方法是将原来指标重新组成一组新的互相无关的几个综合指标[14]来代替原来指标[15]。对冬小麦的各个生长指标进行主成分分析，建立指标体系：蒸腾速率(X1)、气孔导度(X2)、胞间CO2浓度(X3)、叶片WUE(X4)、净光合速率(X5)、平均最大根深(X6)、总根长(X7)、根系活力(X8)、柱产量(X9)、株高(X10)、叶面积指数(X11)、根冠比(X12)。原始数据标准化后经过主成分分析得出的初始特征值和主成分因子方差贡献率及方差累计贡献率。由表5可知，前2个主成分因子的累计贡献率为95.144%(大于85%)，信息损失仅为4.856%，说明此主成分提取较为理想，说明这2个因子能很好地代替其他指标解释上述12个观测指标所包涵的信息。

由表6可知，第一主成分(F1)主要包含蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、叶片WUE、净光合速率、最大根深、总根长、根系活力、柱产量、株高、根冠比这11项指标表征为冬小麦光合生长主成分，解释了占总体82.282%的信息量，其值越大，说明冬小麦光合蒸腾过程越强烈，根系活动更强烈，有助于植株根系生长及对土壤水分的吸收，株高及产量值越大，但根冠比低；第二主成分(F2)主要包含叶面积指数，其值越大，说明叶面积指数越大，有助于吸收阳光，促进生长。

表5　初始特征值和主成分因子方差贡献率及方差累计贡献率

表6　各观测指标贡献率

由表7可知，第一主成分排名T4>T3>T5>T2>T1，表示深层灌水相比地面灌溉不同程度有助于冬小麦生长发育，深度较浅(T2灌水深度为根系分布深度的40%)和深度较深(T5灌水深度为根系分布深度的90%)弱于T3、T4，也可看出灌水深度为根系分布深度的60%、75%处理的植株，光合蒸腾作用增强、叶片对水分的利用增强，植株根系及地上部分发育更好，根系活力值变大，地上部分物质增长使得根冠比减小，这与前面理论分析结果基本一致；第二主成分排名T4>T3>T2>T1>T5，灌水深度为根系分布深度的75%，T4处理排名最高，这说明此深度有利于叶面积变大，促进了植株地上部分的增大。

表7　主成分得分及排名

综合评价得分排名T4>T3>T5>T2>T1，说明在考虑各个指标的情况下，灌水深度为根系分布深度的75%最有益于植株各方面，为深层灌溉条件下冬小麦生长的最适宜深度。

4　结论

本试验通过研究不同深度灌水对冬小麦生育期内生长指标的影响，结合主成分分析法综合评价，得出结论如下：

(1)随着生育期的不断推进，植株的各项指标的变化趋势一致，但灌水深度为根系分布深度的75%(T4)最有利于株高的增长，能显著增加产量，提高小麦收获指数、光合作用及水分的利用效率。

(2)深度灌水方式，有利于促进根系向下伸长，诱导根系下扎。根系分布深度的60%、75%处灌水，有助于根系增多、总根长增大、根系活力值增大。而地上部分增质量的比例大于根系，使得根冠比减小。

(3)运用主成分分析法对植株生长发育各项指标进行了分析，分析结果表明深层灌水条件下，最有利于冬小麦生长的处理为T4(灌水深度为根系分布深度的75%)。

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