灌溉策略对冬小麦水分利用和生长的影响

郭晓磊，薛绪掌，赵 倩，张 馨，李友丽，陈 菲，王志敏

(1.中国农业大学农学院，北京 100193；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097)

华北地区作为我国冬小麦的主产区，具有良好的光、热条件，但水资源短缺严重，限制了该地区冬小麦种植的进一步发展[1]。受季风气候影响，华北地区在冬小麦生育期间降水较少[2]，人为灌溉补水是保证冬小麦高产的重要措施。但现行灌溉方式水分利用效率较低，仅40%左右[1]，水资源浪费严重。为保障冬小麦产量，需进一步提高有限水资源下的水分利用效率，探索节水高效的灌溉方式。

冬小麦全生育期可分为冬前、冬季和春后生长3个阶段[3]，耗水呈双峰曲线规律[4]，其中拔节至开花期既是冬小麦耗水的主要时期，又是冬小麦需水的生理生态临界期[5]，此时期水分供给对冬小麦产量和水分利用效率的影响最大[6]。有研究表明，以灌溉量增加为基础的增产途径会提高冬小麦的耗水量，不利于水分利用效率的提高[7]，许多学者针对不同灌溉方式、灌水量、灌水时期等对冬小麦水分利用效率的影响进行了大量的试验研究[6,8-10]，提出了不同生态环境下相对高效的灌溉方式。土壤水分环境会影响作物的生长发育，而不同的灌溉方式会对土壤水环境产生较大影响，低速率小范围的灌溉有利于土壤环境中水分的均匀分布和作物生长[11-13]。同时有研究指出，即使在干旱地区，深层土壤水分仍未被植物充分利用[14]，植株根系在深层土壤中分布不足限制了植株对深层有效水的充分吸收[15]。

以往的研究侧重于通过调整灌溉量和灌溉时期来提高水分利用效率，在灌溉速率对作物水分利用的影响方面研究相对较少。本试验在总灌溉量相同的前提下，研究了冬小麦在不同灌溉策略下对土壤水的主要利用层次、水分蒸散特征以及植株生长动态和产量，探究低速率灌溉策略的可行性，为冬小麦节水增产提供新视角。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月-2017年6月在北京市昌平区国家精准农业示范基地内进行，该地区位于东经116.39°，北纬40.17°，海拔50 m，属于温带大陆性季风气候，年均总降水量500～600 mm，年均温11.1 ℃。试验场地中建有24套蒸渗仪(1 m×0.75 m)系统，深2 m，每个蒸渗仪内装大田原状土壤，同时配置有美国进口的杠杆式称重系统和重量传感器，配合利用北京农业智能装备工程技术研究中心自主研发的数据采集系统，每隔5 min自动测定和记录土体重量变化，灵敏度在0.05～0.1 mm之间。试验区配备气象站，实时记录太阳辐射强度、空气温湿度、风速等数据。

1.2 试验设计

试验于2016年10月9日播种，2017年6月1日收获，供试品种为中麦1062。播前浇足底墒水，有机肥一次性基施，尿素45 g·m-2，磷酸氢二铵45 g·m-2，硫酸钾30 g·m-2，硫酸锌1.5 g·m-2。每蒸渗仪小区有效种植面积0.75 m2(1 m×0.75 m)，每小区人工点播5行，行间距15 cm，穴距2 cm，每穴2粒，间距1 cm，播深4 cm。无越冬水，无降雨阻隔措施，春季不追肥，常规栽培管理。参考传统节水灌溉水量，2017年4月12日灌拔节水(75 mm)，2017年5月5日灌开花水(75 mm)，设置相同灌溉量下3个不同灌溉速率的水分处理：单次参比蒸散30%灌溉(W1)；单次参比蒸散60%灌溉(W2)；大水漫灌(W3)。每个处理三次重复，随机区组排列。

1.3 试验系统简介

试验采用北京农业智能装备工程技术研究中心自主设计的基于彭曼公式的自动控制系统，包括气象数据采集系统、数据计算决策系统和控制策略实现方法，其工作原理是每10 min采集和分析气象数据，进行灌溉启动时间和灌溉量的智能决策。具体过程：(1)通过采集10 min的气象数据(光辐照度、风速、温度和湿度)预算单日潜在蒸散Etp1(mm·d-1)，计算得到10 min 的Etp2(mm·10 min-1)；(2)Etp2(mm·10 min-1)每10 min进行一次累计得到参比蒸散Etp3(mm)；(3)W1在Etp3(mm)大于3.0(mm)时启动灌溉，且单次灌溉量为Etp3(mm)的30%，即W1处理为单次参比蒸散30%灌溉处理(拔节水+开花水)；W2处理在Etp3(mm)大于1.5(mm)时启动灌溉，且单次灌溉量为Etp3(mm)的60%，即W2处理为单次参比蒸散60%灌溉处理(拔节水+开花水)。此决策下W1和W2处理单次灌溉量基本一致，保证滴灌带出水均匀，但灌溉启动时间不同，单日灌溉次数不同，以此控制不同处理在总灌溉量相同的情况下不同的灌溉天数，即灌溉速率不同。

λ=0.251-0.002361AirTAvg

△=0.200(0.00738AirTAvg+0.8072)7-0.000116

ed=RHAvg×es

式中，G为地面热通量密度(MJ·m-2·d-1)，取0。

1.4 测定指标与方法

株高的测量：每个小区在起身期选取长势基本一致的3棵植株定株，并在拔节期(4月14日)、孕穗期(4月25日)、开花期(5月3日)和灌浆期(5月16日)，测其地上部株高，取平均值。

旗叶SPAD值的测量：采用便携式叶绿素仪，分别在拔节期(最上部展开叶)、孕穗期、开花期和灌浆期测定株植株旗叶的SPAD值。

实际蒸散Eta：称重式蒸渗仪自动连续记录各个小区土体重量变化。试验期间，通过在每个蒸渗仪上增减铅块的方法，得到关于重量-电压(kg-mV)的标准曲线，最终计算出冬小麦实际耗水量：

Eta=(AΔV+B)/S

式中，Eta为小麦实际蒸散(mm·d-1)，A、B为常数，ΔV为一天内电压的变化值(mV)，S为每个蒸渗仪小区面积(m2)。

土壤含水量的测量：每个蒸渗仪小区中间设置有一个深2 m的PVC管，内径5.4 cm，使用Diviner 2000进行测量，拔节水处理后各小区每天17：00-18:00测量一次。

产量及产量构成测定：成熟期，收获每个小区，测其穗数、穗粒数和千粒重。

根据每个小区全生育期耗水量和籽粒产量计算水分利用效率WUE：

WUE=Y×103/ET

Y为籽粒产量(kg·m-2)，ET为实际耗水量(mm)。

1.5 数据处理

利用Microsoft office 2016对数据进行绘图，SAS进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉策略处理下土壤含水量的变化

2.1.1 拔节水处理后100 cm土层含水量的变化

拔节水灌溉期间不同灌溉策略对100 cm土层水分含量变化的影响不同(表1)。从4月12日灌拔节水开始，低速率灌溉(W1和W2)处理的表土层(0～40 cm)水分含量下降程度显著小于大水漫灌(W3)处理(P<0.05)，而深土层(70～100 cm)含水量下降程度均大于W3处理。因此，低速率灌溉策略改变了冬小麦植株对土壤水分的利用层次，促进根系生长，提高逆境耐性。

2.1.2 开花水处理后100 cm土层含水量的变化

从5月5日灌开花水开始，在5月20日前(5月21-5月22降雨)，W1和W2处理的表土层(0～30 cm)水分含量变化较小，而W3处理的0～20 cm土层含水量下降明显(P<0.05)。3种处理下70～100 cm土层含水量均下降，但W1和W2处理的下降程度大于W3处理。因此，低速率灌溉处理到灌浆期一直维持表层土壤水分稳定，增强植株根系对深层土壤水分的吸收。

表1 拔节水灌溉期间不同处理土壤水分含量的变化Table 1 Change of soil moisture under different treatments during jointing stage g·10 cm-1

同列数值后字母不同表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

The different letters following the values in same column mean significant difference among treatments at 0.05 level. The same below.

表2 开花水灌溉期期间不同处理土壤水分含量的变化Table 2 Change of soil moisture under different treatments during flowering stage g·10 cm-1

2.2 不同灌溉策略下冬小麦的蒸散特征

整体来看，不同处理下冬小麦蒸散速率的变化规律一致，存在单日蒸散高峰，与单日气象变化相关(图1、图2)。拔节水灌溉测定期间， W3处理的日蒸散量最大值可达13.20 mm·d-1，而W1和W2处理的日蒸散量最大值相对较小，分别为10.58和10.82 mm·d-1。同时，W1处理的蒸散速率高峰值全部低于1.2 mm·h-1，其中66.7%的测定值低于1.0 mm·h-1；W2处理的蒸散速率高峰值全部低于1.5 mm·h-1，其中44.4%的测定值低于1.2 mm·h-1；W3处理的蒸散速率高峰值集中在1.2～2.0 mm·h-1，61.1%的测定值超过1.5 mm·h-1。开花水灌溉测定期间，W3处理的日蒸散量最大值仍然相对最高，达到15.10 mm·d-1；W1和W2处理的日蒸散量最大值相对较小，分别为9.10和10.57 mm·d-1。此外，W1处理的蒸散速率高峰值全部低于1.5 mm·h-1，其中67.7%的测定值低于1.0 mm·h-1；W2处理的蒸散速率高峰值中有45.2%低于1.0 mm·h-1，其余分布在1.0～1.9 mm·h-1之间；W3处理的蒸散速率高峰值除一天外均在1.0 mm·h-1以上，其中一半的测定值超过1.5 mm·h-1。以上分析表明，较低的灌溉速率能够降低单日蒸散的高峰值，从而减少中午时段无效或低效的水分消耗，留存更多的水分供给植株的有效生长，提高水分利用效率。

图1 拔节水灌溉期间冬小麦每小时蒸散量(ET)的变化Fig.1 Variation of evapotranspiration per hour(ET) under different treatments during jointing irrigation

图2 开花水灌溉期间冬小麦每小时蒸散量(ET)的变化Fig.2 Variation of evapotranspiration per hour(ET) under different treatments during flowering irrigation

2.3 不同灌溉策略下冬小麦的生长动态

2.3.1 不同灌溉策略下冬小麦株高的变化

不同灌溉策略下，冬小麦株高的变化表现出一定的差异(表3)。在拔节水灌溉处理前期即4月8日到4月21日，W1、W2和W3处理下株高的增加幅度相差不大，分别增加了19.80、19.07和 17.98 cm，到拔节后期，W1处理的株高最大，但三种处理间无显著差异；从拔节后期到灌浆期，W1、W2和W3处理下株高分别增加了18.22、13.96和9.39 cm，到灌浆期W1处理的株高最大，而W3处理最小，且W1和W3处理间存在显著差异(P<0.05)。由此可知，一次性大水漫灌后较长的无灌溉期会影响冬小麦的生长，而低速率持续灌溉则有助于冬小麦株高的形成。

表3 不同灌溉处理下冬小麦株高的变化Table 3 Change of height of wheat under different irrigation treatments cm

2.3.2 不同灌溉策略下冬小麦叶片SPAD值的变化

不同灌溉策略下小麦旗叶(最上部展开叶)SPAD值随生育时期的变化有所不同(图3)。W1和W2处理的变化趋势相似，随植株生育进程，SPAD值持续升高并较长时间维持在较高水平，有利于植株高光合效率的维持和产量形成；W3处理在测定期间波动明显，开花水灌溉前有一次明显的下降，开花水灌溉后有所回升，之后在灌浆期再次表现出提早下降的趋势。

2.4 不同灌溉策略对冬小麦产量、产量构成及水分利用效率的影响

不同灌溉策略处理对冬小麦产量、产量构成及水分利用效率有明显的影响(W1处理测产出现问题，数据未显示)(表4)。不同处理间基本苗、穗数无显著差异；W2处理的穗粒数高于W3处理，但差异不显著；W2处理的千粒重较高，但与W3处理无明显差异；W2处理的产量较高，耗水量达572.99 mm，W3处理的产量较低，耗水量比W2处理多25.70 mm，W2处理的水分利用效率较W3处理提高0.43 kg·m-3。这表明在灌溉总量一致的条件下，降低灌溉速率有利于冬小麦穗粒数、千粒重的提高，从而增加产量，同时降低耗水量，使得水分利用效率提高。

表4 不同灌溉速率处理下冬小麦的产量、产量构成及水分利用效率Table 4 Yield,yield components and water use efficiency of winter wheat under different irrigation treatments

同列数值后*表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

* following the value in a column means significant difference among the treatments at 0.05 level.

3 讨 论

低速率灌溉策略可以改变冬小麦植株根系对土壤水利用的层次。在拔节水灌溉期间，大水漫灌处理主要利用表层土壤水，可能因为一次性大水漫灌使即时水量充足，满足作物短期的需水要求，不利于植株根系的下扎；而低速率灌溉处理降低了供水速率，表层土壤水不足，促进了植株根系下扎。到开花水灌溉期间，W3处理下部分小区深层土壤水含量甚至有所升高，可能因为大水漫灌处理下未被表层根系及时利用的水分发生了渗漏，同时无深层根系对其吸收再利用，产生了无效耗水；而W1和W2处理下植株进一步增加对深层土壤水的利用，在雨季来临前创造丰富的地下蓄水空间，利用华北地区夏秋季大量的雨水补充深层地下水，为下一季作物种植创造良好的水分环境。

拔节水处理后，冬小麦日耗水量变化在不同灌溉策略下都会出现相应的波峰[4]，但低速率灌溉处理因单次灌溉量较小，日蒸散波峰相应较低，减少了奢侈耗水，与灌溉量越大、蒸散量越大、波峰越高的研究结果相呼应[6,16]。同时，植株叶片在中午时段为适应气象环境高温强光低湿的变化，气孔导度相应下降[17-18]，不利于植株进行光合作用和物质合成，而低速率灌溉策略通过降低此时段的无效耗水，提高了水分利用效率。

株高是水分对作物形态产生影响的重要指标之一，拔节水对株高的影响最为突出[19]。在拔节水灌溉处理前期，不同灌溉策略下冬小麦株高的变化无明显差异，可能因为W3处理一次性灌溉水分充足，满足短时间内植株对水分的需求，而虽然低速率灌溉的单次灌溉量较低，但都可以满足该阶段植株生长对水分的基本需求，未出现水分亏缺；直到拔节水灌溉后期，三种处理下株高的增加程度开始出现差异，W3处理下株高随时间的后移增加程度愈小，可能因为W3处理后期水分不足，影响了冬小麦的营养生长；而W1处理下株高则保持相对稳定的增加幅度，可能与W1处理在测定期间一直维持缓慢而稳定的灌水，从而保证了植株生长所需的水分供应有关。另外，水分短缺也会导致叶片叶绿素含量的下降[20]，缺水严重时会加快叶绿素的分解[21]，因此低速率灌溉处理下植株旗叶保持相对较高且稳定的SPAD值；而大水漫灌的W3处理下，拔节水灌溉过程结束较早，与开花水开始灌溉的间隔较长，作物发生水分亏缺，导致叶片SPAD值下降，影响产量。

因不同处理间基本苗存在的差异主要影响了穗数(不显著)，本研究所以侧重分析产量构成要素中的穗粒数和千粒重。单次参比蒸散60%灌溉处理(W2)的穗粒数较大水漫灌处理(W3)提高7.25%，千粒重提高3.93%，对产量的进一步提高存在较大的贡献潜力。综合来看，低速率灌溉策略延长了供水时间，均匀化冬小麦春后生长阶段的水分供应，避免或减轻叶绿素在冬小麦籽粒灌浆期的损伤，提高穗粒数和千粒重，增加产量。