不同灌水模式对冬小麦产量及水分利用的调控效应

王家瑞，刘卫星，陈雨露，康 娟，张艳菲，徐文俊，侯阁阁，李 华，王晨阳,2

(1.河南农业大学，河南郑州 450000； 2.国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450000)

黄淮冬麦区是中国小麦主产区，产量占全国总产的50%[1]。该区小麦全生育期耗水量约450 mm，而降水量仅200～220 mm，只能满足小麦需水量的40%～50%[2-3]，水分是制约该区小麦生产的主要因素。有研究显示，适量灌水可以增加黄淮冬麦区小麦干物质积累量，提高产量[4-6]。实际生产中，为提高作物产量，农民通常在1个小麦生长季内漫灌3～4次，不仅降低了水分利用效率，还造成水资源浪费，并导致地下水位以每年1.5 m的速度下降[7-8]。灌水对小麦的影响与生育期间降雨量及其分布有很大关系，在小麦全生育期降水114.7 mm的条件下，在抽穗+灌浆期灌水时产量最高[9]；在降水47.9 mm的条件下，以灌拔节+开花+灌浆水处理增产效果最佳[10]。王淑芬等[11]认为，丰水年不灌水、平水年灌拔节水、欠水年灌拔节水+抽穗水(每次灌水量60～75 mm)，小麦可获得较高的产量和水分利用效率。

提高自然降水和灌溉水利用效率是节水农业需要解决的关键问题[12]。麦田总耗水量包括降水量、灌水量和土壤贮水消耗量。研究表明，土壤贮水消耗量与灌水量呈负相关[13]；随灌水量增加，总耗水量也增加，但土壤贮水消耗量和降水量占总耗水量的比例降低[14]，水分利用效率和灌水利用效率也随之下降[15]。前人关于大田条件下不同灌水模式对光合[16-17]和物质转运[17]的影响也做了大量研究。本研究在池栽条件下，通过精确定量灌水，研究了不同灌水模式对冬小麦产量、耗水特性和水分利用效率的影响，并通过因素间的相关分析，探寻黄淮地区最佳节水高产灌溉模式，以期为该地区节水灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2011-2014年在河南农业大学科教园区大型网室进行。该地区属北温带大陆性季风气候，常年平均气温14.4 ℃，年均降水量617 mm，日照时数2 213 h，年均蒸发量1 910 mm。

试验在分层土壤回填水泥池进行，水泥池不封底，长×宽×高=1 m×1.5 m×2 m，于2008年拉原状土(土壤原有耕层结构未破坏)分层回填，土壤为潮土，土壤质地为砂质壤土，土质分布均匀，为该地区的代表性土壤类型。自2011年开始，土壤性状已基本稳定，0～20 cm土壤有机质10.8 g·kg-1，全氮0.96 g·kg-1，碱解氮87.4 mg·kg-1，速效磷26.1 mg·kg-1，速效钾 132.8 mg·kg-1，田间持水率22.3%。供试小麦品种为矮抗58，设置全生育期不灌水(W0)、灌1水(拔节水，W1)、灌2水(拔节水+孕穗水，W2)和灌3水(拔节水+孕穗水+灌浆水，W3)4个处理。采用随机区组设计，4次重复。每次灌水45 mm，灌水量用水表严格控制。每公顷施纯氮240 kg、纯磷(P2O5)120 kg和纯钾(K2O)100 kg，氮肥按5∶5分基施和拔节期追施2次施入，磷、钾肥全部基施。全生育期各项农田管理措施均按当地高产田进行。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 干物质量和产量测定

开花期挂牌标记同一天开花的单茎，成熟期于每小区取30个单茎，分茎+叶鞘(茎鞘)、叶片、籽粒、穗轴+颖壳(穗颖)4 部分取样，测定干物质量，并调查穗数和穗粒数，收获记产，测定千粒重。

1.2.2 土壤含水量和水分利用效率测定

在冬小麦关键生育时期，每20 cm为一层取0～100 cm土样，采用烘干称量法测定并计算土壤质量含水量。

土壤贮水消耗(△S)=10ΣρiHi(θi1-θi2)，(i=1,2,……,n)

耗水量(ET)=△S+I+P+K，

式中，i为土层编号；n为总土层数；ρi为第i层土壤干容重；Hi为第i层土壤厚度；θi1和θi2分别为第i层土壤播前和收获时的含水量，以占干土重的百分数计；I为全生育期灌水量(mm)；P为有效降水量(mm)；K为时段内的地下水补给量。试验点地下水埋深大于2.5 m，K值可以不计。

水分利用效率(WUE)=Y/ET；

灌溉水利用效率(WUEI)=Y/I；

降水利用效率(WUEP)=Y/P;

灌水效益(IB)=(灌水处理籽粒产量-不灌水处理籽粒产量)/灌水量；

式中，Y为籽粒产量；ET为总耗水量(mm)；I为灌水量(mm)；P为降水量(mm)。

1.3 气象数据

2011-2012、2012-2013和2013-2014年冬小麦全生育期间降水量分别为209.2、204.5和222.6 mm(图1)，均高于多年(1951-2006年)平均降水量(201.2 mm)，但年份间降水分布不同，2011-2012年，仅11月份的降水量就占全生育期的一半以上(56.5%)，而2012-2013和2013-2014年后期降水较多，其中，4-5月降水量分别占全生育期的71.1%和47.4%；2012-2013年冬小麦全生育期降水集中在5月下旬(100.6 mm)。2012年12月-2013年2月平均最低气温为-4.7 ℃，较常年(-2.9 ℃)低1.8 ℃ ，而2013-2014年5月平均最高温度为35.6 ℃，较常年(27.3 ℃)高8.3 ℃。

图1 历史期间(1951-2006)和试验期间(2011-2014)的月降水量和月平均气温Fig.1 Monthly precipitation and mean temperature for the historic period (1951-2006) and during the experimental period (2011-2014)

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和统计分析以及图表绘制，运用Duncan 新复极差法(SSR)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水模式对小麦成熟期各营养器官干物质积累与分配的影响

小麦成熟期干物质在不同器官的积累量和分配比例表现为：籽粒>茎鞘>穗轴+颖壳>叶片，其中籽粒的分配比例为41.0%～57.1% (表1)。灌水增加了总生物量和各器官的干物质积累量，并以W2处理最大，其总生物量及茎鞘、叶片、籽粒和穗轴+颖壳干物质积累量，2011-2012年分别较不灌水处理(W0)增加30.3%、23.9%、55.3%、31.5%和20.7%，2012-2013年分别比W0处理增加48.7%、47.9%、5.0%、55.7%和48.9%，2013-2014年分别比W0处理增加49.1%、37.3%、20.7%、71.3%和49.1%。增加灌水，小麦茎鞘和穗轴+颖壳占干物质总重的比例减小，与W0相比，2013-2014年3个灌水处理的平均值分别减小6.9%和18.5%；灌水增加了籽粒占干物质总重的比例，2011-2012、2012-2013和2013-2014年分别较W0增加15.7%、35.4%和47.1%。

2.2 不同灌水模式对田间耗水来源及其占总耗水量比例的影响

由表2可知，年份、灌水及其互作对耗水量和各组分所占比例均达到显著或极显著差异。随灌水量增加，冬小麦全生育期的总耗水量呈增加趋势，W1、W2和W3处理总耗水量较W0分别增加27.1、70.4和94.9 mm(3个生长季平均值)。在耗水构成中， 灌水量增加，灌水量占总耗水量的比例增加，而降水量和土壤贮水消耗量占总耗水量的比例则降低。W0、 W1、W2和W3灌水模式下降水量和土壤贮水消耗量占总耗水量的比例(3个生长季平均值)分别为55.2%、51.4%、46.6%、44.1%和36.7%、30.4%、26.9%、21.4%，且W0处理较W1、W2和W3处理分别增加7.3%、18.4%、25.0%和21.0%、36.6%、71.9%。

表1 不同灌水模式下不同器官的干物质积累量及其占总生物量的比例Table 1 Effect of different irrigation regimes on dry matter accumulation in different organs of winter wheat

同一列数据后的不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Different small letters mean significant difference among treatments in the same year at 0.05 level. The same in table 2-4.

表2 不同灌水模式下田间耗水来源及其占总耗水量的比例Table 2 Effect of different irrigation regimes on water consumption amount from different sources and the ratio of total water consumption amount

* 和**表示在0.05和0.01水平差异显著。下同。

* and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same in table 3 and 4.

2.3 不同灌水模式对冬小麦水分利用效率的影响

随灌水量增加，冬小麦水分利用效率呈先升后降趋势，灌水量为45 mm和90 mm处理(W1 和W2)的水分利用效率较高，但2个处理间差异不显著(表3)。随灌水量增加，灌水利用效率(IWUE)和灌水效益(IB)显著降低，W3处理较W1处理分别降低64.0%和48.9%(2011-2012年)、64.3%和59.8%(2012-2013年)、60.5%和45.3%(2013-2014年)；土壤贮水利用效率(SWUE)和降水利用效率(PWUE)增加，灌水处理的平均值较不灌水处理分别增加54.6%和25.3%(2011-2012年)、91.0%和57.9%(2012-2013年)、97.5%和58.7%(2013-2014年)。

2.4 不同灌水模式对冬小麦产量的影响

年份和水分对冬小麦产量及其构成因素的影响均达到极显著水平，但年份与水分间互作不显著(表4)。不同年际间各处理产量存在差异，其中2012-2013年产量最低(4种灌水模式平均值)，较2011-2012年和2013-2014年分别减少20.0%和9.5%，可能是由于冬小麦全生育期降水分布不均和寒冬、冷春的影响。

由表4可知，W1、W2和W3处理冬小麦产量较W0处理，2011-2012年分别增加17.5%、31.5%和27.0%，2012-2013年分别增加54.0%、55.7%和65.0%，2013-2014年分别增加40.1%、71.3%和66.0%，说明灌水处理可以明显增加冬小麦产量。从产量构成因素看，灌水能增加冬小麦的穗数和穗粒数，而千粒重随灌水增加呈先降低后增加的变化趋势，说明产量增加主要是因为穗数和穗粒数增加。

表3 不同灌水模式对冬小麦水分利用效率的影响Table 3 Effect of different irrigation regimes on water use efficiency of winter wheat kg·hm-2·mm-1

2.5 耗水量与产量和水分利用效率的关系

由表5可知，耗水量与产量、水分利用效率、降水利用效率和土壤贮水利用效率均呈显著或极显著正相关，与灌水利用效率和灌水效益呈负相关，但未达到显著水平。水分利用效率与降水利用效率和灌水利用效率均呈极显著正相关，表明提高自然降水和灌溉水利用效率均有利于小麦水分利用效率的提高。

冬小麦产量和水分利用效率与全生育期总耗水量呈二次曲线关系(图2)，当灌水量较少时，产量和水分利用效率均随灌水量的增加而增加；当灌水量增加至一定程度时，产量和水分利用效率达到最大值，但水分利用效率与产量的最高点并不重合，水分利用效率先于产量达到最大值。可见，随耗水量增加，水分利用效率的变化比产量更为敏感。

表4 不同灌水模式对冬小麦产量及其构成的影响Table 4 Effect of different irrigation regimes on grain yield and its components of winter wheat

表5 冬小麦耗水量、籽粒产量和水分利用效率的相关分析Table 5 Correlation coefficients among total water consumption, grain yield and water use efficiency of winter wheat

*和**分别表示相关性在0.05和0.01水平上达到显著水平。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 讨 论

随灌水量增加麦田总耗水量升高[19]。适度灌溉或水分亏缺有利于降低麦田耗水量，提高水分利用效率[15,20]。本研究表明，灌水量为0～135 mm时，随灌水量增加，冬小麦全生育期总耗水量增加，而土壤贮水消耗量和降水量占总耗水量的比例均降低。不同处理间，灌溉水的增加量与总耗水量的变化量并不相等，这是因为在一定灌水量范围内，随灌水次数增加，冬小麦对土壤水分的利用效率增加。因此，要充分利用冬小麦生长期间的土壤贮水，应在适宜的范围内确定相应的耗水量，以增加耗水组成中的土壤贮水消耗比例，减少灌溉水的用量，达到节水增产的目的。

图2 冬小麦总耗水量与产量及水分利用效率的关系Fig.2 Relationships between total water consumption and grain yield and water use efficiency of winter wheat

灌溉是作物高产的基础，在一定范围内增加灌水量可提高小麦产量；但过量灌水则导致产量和水分利用率显著降低[6,8]。张胜全等[13]认为，灌拔节+开花水的小麦产量最高，继续增加灌水产量降低。本试验条件下，4种灌水处理均能增加冬小麦产量，但增产效应随灌水次数增加而递减，灌拔节水冬小麦产量较对照增加34.5%，灌2水(W2)时增产幅度减小至11.8%，继续增加灌水产量不再增加。同时耗水量则表现出相反的趋势，灌拔节水耗水量较对照增加27.1 mm，灌2水时耗水量增加43.3 mm，而水分利用效率不增加。灌水对产量的影响在不同年份间差异较大，2011-2012年冬小麦产量最高，但灌水增产效应最小；2012-2013年和2013-2014年产量显著低于2011-2012年，主要因为冬小麦全生育期降水量分布不均，降水主要集中在收获前期，需水敏感时期(拔节至抽穗期，3月10日至4月15日)降水量仅为13.1 mm(2012-2013年)和19.2 mm(2013-2014年)。在适宜的水分胁迫下，小麦可以获得较高的水分利用率[20]。在中等干旱条件下小麦耗水量明显下降，有利于水分利用效率的提高[21-22]；但过度水分亏缺显著降低了小麦产量[23-24]。本研究表明，适宜的水分胁迫(W1)有利于减小耗水量，增加水分利用效率，且保持相对较高的产量。

在高产条件下，冬小麦生育期总耗水量和水分利用效率、产量均呈二次曲线关系[13,17]。马瑞昆等[23]构建了高产麦田供水量与产量关系的直线-抛物线动态复合量化模型，划分了供水高效、供水效率缓增和供水降效3个阶段。本研究表明，随灌水量增加，产量和水分利用效率均增加，其中水分利用效率以灌拔节水处理的最大，产量以灌拔节水+孕穗水处理的最大。相关分析表明，水分利用效率与灌水利用效率和降水利用效率均呈极显著正相关，相关系数分别为0.914和0.699，说明提高灌溉水和自然降水利用效率均有利于提高水分利用效率。在本试验条件下，正常降水年份灌拔节水1水可获得相对较高的产量和水分利用效率；而在相对干旱年份须在孕穗-开花期增加1次灌水，才有利于获得较高小麦产量和水分利用效率。