灌溉畦长对小麦冠层光能利用特性的影响

延飞龙，赵俊晔，石 玉，于振文

(1.山东农业大学农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安271018；2.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081)

受季风气候影响，黄淮海地区降水量主要集中在夏季，小麦生长季降水稀少，只能满足小麦需水量的25%～40%，水分亏缺是限制小麦高产的主要因素[1]。小麦拔节期和开花期灌溉是获得高产的重要措施[2]，畦灌是该地区主要的灌溉方式，生产中普遍存在畦长过长的问题，畦长过长导致灌水量过高，造成水资源浪费。研究表明，按照水流到达畦尾后再灌一会才停止灌水的灌溉方式，畦长180 m处理的灌水量较畦长90 m处理多30 mm，而籽粒产量无显著增加[3]。改水成数90%(即当水流前锋到达畦长长度90%位置时停止灌水)灌溉能够有效减少灌溉量，提高水分利用效率[4]。在改水成数90%条件下，畦宽为8.3 m时，畦长由15 m增加至60 m，灌水量增加75 mm，小麦生育期总耗水量增加105.5 mm，水分利用效率降低4.4 kg·hm-2·mm-1[5]；畦宽为2 m时，畦长由10 m增加至60 m，灌水量增加60.08 mm，小麦生育期总耗水量降低26.9 mm，水分利用效率增加2.38 kg·hm-2·mm-1[6]。这表明畦田的长度和宽度能够显著影响小麦的耗水量和水分利用效率。目前有关畦长效应的研究多集中在畦长对小麦耗水特性的影响，而有关其对小麦冠层光能利用特性的影响研究尚少。本试验在改水成数90%灌溉条件下，研究灌溉畦长对小麦冠层光能利用特性及产量的影响，以期为小麦节水高产栽培的适宜畦长选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2017-2018年小麦生长季在山东省兖州市小孟镇史家王子村进行田间试验。土壤类型为壤土，前茬作物为玉米，收获后全部秸秆还田。全生育期内有效降水量为151.9 mm。小麦播种前0～20 cm土层有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为14.31 mg·kg-1、1.17 g·kg-1、118.82 mg·kg-1、39.29 mg·kg-1和116.37 mg·kg-1。

供试品种为济麦22。试验设置4个畦长水平，分别为10 m(L10)、20 m(L20)、30 m(L30)、40 m(L40)，畦宽为2 m。随机区组排列，3次重复，处理间设置宽2 m隔离带。小麦播种前不灌水，于拔节期和开花期按照改水成数90%灌水。播种前钾肥、磷肥全部底施，施用量分别为P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。播前底施纯氮 105 kg·hm-2，拔节期追施纯氮135 kg·hm-2。小麦于2017年10月23号播种，2018年6月8号收获。3叶期定苗，留苗密度为270株·m-2。其他管理措施同一般高产田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 区间划分

将试验小区沿灌水方向分为0～10 m、10～20 m、20～30 m、30～40 m 4个区间，在各区间的中间位置处取样测定，3次重复。各处理的试验结果为处理内各区间测定结果数据的平均值。

1.2.2 开花期土壤含水量测定

于小麦开花期灌水前在各区间用土钻取0～200 cm土层，采用烘干法测定土壤质量含水量。

1.2.3 叶面积指数(LAI)和冠层光合有效辐射(PAR)的测定

于小麦花后0、7、14 、21、28 d，用英国生产的SUNSCAN作物冠层分析仪测定叶面积指数和植株冠层顶部、底部光合有效辐射。

1.2.4 冠层PAR截获率(CaR)、截获量(IPAR) 和透射率(PeR) 的计算[7]

CaR=(PAR1-PAR2) /PAR1×100%

PeR= PAR2/PAR1×100%

IPAR=RT×CaR× 0.5

式中，PAR1和PAR2分别表示植株冠层顶部和底部的光合有效辐射；RT表示实际光能总辐射量，数据来源于试验基地气象观测站。

1.2.5 冠层光合有效辐射转化率、利用率的计算

通过以下公式[8]计算干物质净积累量(NDMM)、PAR转化率(PCE)和利用率(PUE)

NDMM=M2-M1

PCE=NDMM/IPAR

PUE=CaR × PCE

式中，M2为成熟期干物质积累量 ( g·m-2)；M1为开花期干物质积累量 ( g·m-2)；IPAR 为冠层 PAR 截获量 (MJ·m-2)；CaR为PAR截获率(%)。

1.2.6 籽粒产量及水分利用效率测定

于小麦成熟期按小区收获，脱粒风干至含水量为12.5%时称重测产。水分利用效率=籽粒产量/生育期耗水量[9]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007软件整理数据、SPSS 13.0软件统计分析和LSD多重比较，SigmaPlot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 畦长对小麦拔节期和开花期灌水量及开花期土壤含水量

小麦拔节期和开花期灌水量及开花期土壤含水量均随畦长的增加而增加(表1)。除了拔节期灌水量和开花期土壤含水量在L20、L10处理间差异不显著外，其他处理间差异均达显著水平。这说明增加畦长有助于补充土壤水分。

表1 不同处理灌水量与开花期0～200 cm土层平均土壤含水量Table 1 Irrigation amount and average soil water content in 0-200 cm soil layer at anthesis under different treatments

同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。 下表同。

Different letters within the same columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in tables 2 and 3.

2.2 畦长对小麦花后叶面积指数、光能截获与利用的影响

随畦长的增大，小麦花后0～28 d的叶面积指数、花后14 d冠层PAR截获率和截获量以及花后冠层PAR转化效率和利用率均呈增加趋势(图1、图2和表2)，花后14 d冠层光能透射率呈下降趋势(表2)。各指标除了L20、L10处理间差异不显著外，其他处理间均差异显著。这表明畦长的增加可扩大小麦光合面积，促进植株对光能的有效利用。

图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in figure 2.

图1 不同处理小麦花后叶面积指数

Fig.1Leaf area index of wheat after anthesis under different treatments

表2 不同处理小麦花后14 d冠层光截获特性Table 2 Effects of different treatments on light interception characteristics in wheat canopy on the 14th day after anthesis

2.3 不同处理小麦籽粒产量和水分利用效率

在不同畦长处理间小麦耗水量差异不显著。小麦籽粒产量和水分利用效率随畦长的增大呈增加趋势，而且除水分利用效率在L20、L10两个处理间差异不明显外，不同处理间籽粒产量和水分利用效率差异均显著(表3)，说明畦长的增加可促进小麦增产和水分高效利用。

表3 不同处理小麦籽粒产量和水分利用效率Table 3 Grain yield and water use efficiency of wheat under different treatments

图2 不同处理对PAR转化率、利用率的影响

3 讨 论

叶面积指数是反映作物冠层结构和光能截获的重要指标之一[10-11]，对冠层光能的转化和利用有重要影响[12]。研究表明，在华北地区，仅在拔节期一次灌水60 mm的处理会造成小麦花后水分亏缺，灌浆中期叶面积指数较拔节期和灌浆期各灌水60 mm处理低21.73%[13]，显著降低了灌浆中期植株40 cm以上冠层PAR截获率，使冠层光能利用率下降了5.17%[14]。在黄淮海麦区，在改水成数90%、畦长80 m条件下，畦宽2.5 m处理的灌水量较畦宽1.5 m处理高4.53 mm，灌浆中期净光合速率高5.11%，籽粒产量高168 kg·hm-2[15]。亦有研究表明，灌水量73.1～ 93.1 mm处理的冠层PAR截获量较灌水量 50.1～51.2 mm处理高8.5%～27.9%，冠层PAR截获率高6.7%～14.5%；当灌水量增加至87.5～105.4 mm和灌水量101.8～115.0 mm时，冠层PAR截获量和PAR截获率无显著变化[16]。本试验条件下，L40处理获得较高的灌水量，增加了开花期土壤含水量，有利于有效延缓了小麦叶片衰老，从而在开花中后期维持较高的叶面积指数和冠层光合有效辐射截获，促进光合产物的积累，这是其光能转化率和利用率显著高于其他处理的重要生理基础。

畦田规格对灌水量和灌水均匀度影响显著，进而影响作物产量和水分利用效率[17-18]。前人对小麦不同畦田规格灌溉的研究表明，在内蒙古河套灌区，在畦长45 m条件下，畦宽为5 m时，小麦产量较高，水分利用效率最高，为13.8 kg·hm-2·mm-1[17]。在畦长30 m条件下，与畦宽5 m处理相比，畦宽3 m处理的小麦总耗水量降低14.43 mm，产量高531.75 kg·hm-2，水分利用效率高1.55 kg·hm-2·mm-1[19]。亦有研究认为，在华北平原地区，在畦宽5 m条件下，畦长由10 m增加至100 m，小麦总耗水量由286.48 mm增加至313.94 mm，籽粒产量无显著增加，而水分利用效率降低了3.1 kg·hm-2·mm-1[20]。本试验条件下，L40处理灌水量显著高于其他处理，但L40处理总耗水量较其他处理无显著增加，且较高的光能利用率使其积累了更多的光合产物，从而获得最高的籽粒产量和水分利用效率。综合考虑冠层光能利用特性、籽粒产量及水分利用效率，L40处理是本试验条件下的最佳灌溉畦长。本研究中，L40处理籽粒产量最高，但畦长范围较小，高于40 m的畦长的应用效果有可能更好，因此在今后的试验中将进一步增大畦长范围进行研究。