拔节后补灌对不同穗型冬小麦耗水和籽粒产量的影响

刘帅康，林 祥，谷淑波，胡鑫慧，雷柯颐，王 森，王 雪，王 东

(山东农业大学/作物生物学国家重点实验室/农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018)

黄淮海地区是我国小麦主产区，小麦总产约占全国的70%左右，对保障国家粮食安全有极其重要的作用[1]。该区年平均降水量约600 mm，小麦-玉米一年两熟种植周年需水约亏缺30%，其中小麦生长季降水量仅为110～180 mm，只能满足小麦需水量的25%～40%，因而补灌是该地区小麦实现高产的重要技术途径[2-4]。然而该地区人均水资源占有量仅为全国的15%，约80%以上的地表径流和地下水资源被用于农田灌溉，水资源日益短缺[5-6]。如何在保持原有高产水平或持续增产的基础上，提高水分利用效率，减少灌溉水投入，保护水资源，实现农业可持续发展是该地区亟待解决的技术难题。

有研究认为，小麦生长季需灌溉2～4次才能满足其水分需要[7-8]。由于年际间小麦季降水量及其时间分布存在较大差异，各年度适宜灌水次数和灌水量亦不同[9-10]，采用传统定额灌溉的办法难以实现补灌水量与自然供水量之间的精准匹配，制约产量和水分利用效率的提高[11]。为解决定额灌溉试验存在的局限性，有研究者提出，依据各关键生育时期土壤相对含水率确定补灌水量的办法[12]，在小麦播种期、拔节期和开花期将0～140 cm土层土壤相对含水率分别补灌至80%、70%和70%田间持水率时，籽粒产量、灌溉水利用效率和灌溉效益均较高[13]。在拟湿润层深度为0～40 cm的条件下，拔节期和开花期补灌目标以70%田间持水率最优[14]。当拟湿润层深度为0～20 cm时，拔节期和开花期补灌目标均以100%田间持水率最优[15-16]。由此可以看出，以土壤相对含水率为标准确定补灌水量时，拟湿润层深度不同，适宜的补灌水目标亦有较大差异。此外，小麦各关键生育时期的土壤相对含水率只能反映当时的土壤供水能力，之后降水量的多少对前期补灌调控效果的影响及不同品种适宜的补灌方案是否存在差异尚需进一步探讨。

本试验在前期研究的基础上，选用穗型不同的小麦品种，结合开花至成熟阶段的降水条件，研究拔节后不同补灌方案对小麦耗水、产量及水分利用效率的调节效应及其生理基础，以期为黄淮海地区小麦节水高产栽培提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验设计

试验于2017-2019年在山东省泰安市道朗镇玄庄村(E116°54′，N36°12′)大田进行，该地区属温带大陆性季风气候，年均气温为13.0～ 13.6 ℃，年均降雨量为621.2～688 mm，地下水位为15～25 m。土壤类型为壤土，试验地前茬作物为玉米。两年度小麦季各生育阶段自然降水量如表1所示，播种前0～20 cm土层土壤养分状况如表2所示，试验田0～200 cm各土层土壤容重、田间持水率及播种前土壤相对含水率见表3。

表1 小麦各生育阶段降水量

表2 试验田播种前 0～20 cm 土层土壤养分含量

表3 试验田0～200 cm各土层土壤容重，田间持水率及播种前土壤相对含水率

供试材料为小麦大穗型品种山农23和中多穗型品种山农29，设置四个水分处理，分别为拔节后无灌水(T1)、拔节期以0～20 cm土层相对含水率达100%田间持水率为目标进行补灌(T2)、拔节期和开花期均以0～20 cm土层相对含水率达100%田间持水率为目标进行补灌(T3)和拔节期以0～40 cm土层相对含水率达100%田间持水率为目标进行补灌(T4)。各处理灌水量根据灌水定额公式计算：

Is=10ρH(FC-θ)

式中,Is为灌水量(mm)；ρ为拟湿润层土壤平均容重(g·cm-3)；H为拟湿润层深度(cm)；FC为拟湿润层土壤最大持水率(%)；θ为灌水前拟湿润层土壤质量含水率(%)。

各处理拔节期之前的水分管理一致，采用按需补灌方法[17]确定播种期和冬前期是否需要补灌以及所需补灌水量。具体方法如下：

(1)播种期测定0～20 cm土层土壤体积含水率θv(%)、相对含水率θr(%)和0～100 cm土层土壤贮水量Ss(mm)。

(2)确定播种期需补灌水量Is：当θr>70%且Ss>317 mm时，无需补灌；当θr>70%且Ss≤317 mm时，按公式“Is=317-Ss”计算需补灌水量。当θr≤70%时，按公式“Is=2×(FC20-θv)”计算需补灌水量。式中，FC20为0～20 cm土层土壤田间持水率(%)。

(3)计算播种至冬前期主要供水量Wsw(mm)：Wsw=Ss+Psw+Is，Psw为播种至冬前期有效降水量(mm)。

(4)确定冬前期需补灌水量Iw(mm)：当Wsw≥326.8 mm时，无需补灌；当Wsw<326.8 mm时，按公式“Iw=326.8-Wsw”计算需补灌水量。

采用小麦专用微喷带灌溉，用水表计量灌水量。不同处理各生育时期补灌水量见表4。

表4 不同处理各生育时期的补灌水量

每处理三次重复，小区面积为56 m2(2 m×23 m)，小区间设1 m保护行以消除水分渗漏影响。播前每公顷底施复合肥900 kg，折合纯氮135 kg·hm-2、P2O5135 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2；三叶期定苗，山农23留苗密度为 300×104株·hm-2，山农29留苗密度为180×104株·hm-2。所有处理拔节期每公顷追施纯氮75 kg，用尿素作氮肥。第一年度试验于2017年10月18日播种，2018年6月7日收获。第二年度试验于2018年10月8日播种，2019年6月12日收获。其他管理措施同一般高产田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤含水率的测定

于小麦播种前、冬前期、拔节期、开花期、成熟期，以及每次灌水前1 d和灌水后3 d用土钻取 0～200 cm土层的土样，每20 cm为一层装入铝盒密封，称鲜重后置于烘箱中，110 ℃烘 12～24 h至恒重，称干土重，计算土壤质量含水率。土壤相对含水率=土壤质量含水率/田间持水率×100%。

1.2.2 农田耗水量及土壤总供水表观消耗量的计算

参照Chattaraj[18]的方法计算农田耗水量。

ETc=ΔW+I+Pr+K

式中ETc为农田耗水量(mm)；ΔW为阶段初与阶段末0～200 cm土层土壤贮水量的差值；Pr为降水量(mm)；I为补灌水量(mm)；K为地下水补给量(mm)，该地区地下水埋深在15 m以下,因此不考虑地下水补给影响。

土壤总供水表观消耗量计算公式：

S=10 ×Dh×γbd×(θ1-θ2)

式中S为土壤总供水表观消耗量(mm)；Dh土层深度(cm)；γbd为土壤容重；θ1和θ2分别为阶段初和阶段末土壤质量含水率(%)。计算拔节期至开花期土壤总供水表观消耗量时，θ1和θ2分别为拔节期补灌后3 d至开花期补灌前各土层土壤总供水消耗量。计算开花期至成熟期土壤总供水表观消耗量时，θ1和θ2分别为开花期补灌后 3 d至成熟期各土层土壤总供水消耗量。

1.2.3 旗叶净光合速率测定

旗叶净光合速率用 Li-6400 便携式光合仪(LI-COR Inc. 美国)测定系统测定。于花后0 d、10 d、20 d和30 d晴日上午9:30-11:30，在人工红蓝光源(光照强度1 200 μmol·m-2·s-1)下测定旗叶净光合速率。各试验小区随机选取5 片旗叶测定。

1.2.4 籽粒产量及其构成因素测定

成熟期在各试验小区内随机取1 m2，调查单位面积穗数、穗粒数和千粒重，另外随机选取2 m2全部收获脱粒，自然风干至籽粒含水率 12.5%左右时称重，再折算为公顷产量。

1.3 数据分析与处理

使用Excel 2010处理试验数据，采用IBM SPSS Statistics 21对试验数据进行方差分析和显著性检验，并采用Sigmaplot 12.5 绘图。

2 结果与分析

2.1 补灌对麦田土壤相对含水率的影响

2.1.1 拔节期补灌后土壤相对含水率的变化

2017-2018年度，拔节期补灌3 d后，两品种的T2和T3处理0～60 cm土层土壤相对含水率均显著高于T1处理，T4处理0～80 cm土层土壤相对含水率均显著高于T2和T3处理。2018-2019年度，拔节期补灌3 d后，两品种的T2和T3处理0～60 cm土层土壤相对含水率也均显著高于T1处理，T4处理0～100 cm土层土壤相对含水率均显著高于T2和T3处理(图1)。这说明拔节期以0～20 cm和0～40 cm土层为目标湿润层的补灌均可分别改善0～60 cm和0～100 cm土层土壤水分状况，但对100～200 cm土层土壤水分无显著影响。

2.1.2 开花期补灌后土壤相对含水率的变化

2017-2018年度，开花期补灌3 d后，两品种的T2处理20～80 cm土层土壤相对含水率均显著高于T1处理，T3和T4处理0～100 cm土层土壤相对含水率均显著高于T1处理；T3处理0～40 cm土层土壤相对含水率显著高于T2和T4处理，60～100 cm土层土壤相对含水率显著低于T4处理；T2处理0～100 cm土层土壤相对含水率显著低于T4处理(图1)。2018-2019年度，开花期补灌3 d后,两品种的T2处理0～60 cm土层土壤相对含水率均显著高于T1处理，T3和T4处理0～80 cm土层土壤相对含水率均显著高于T1处理；T3处理0～60 cm土层土壤相对含水率显著高于T2处理，0～40 cm土层土壤相对含水率显著高于T4处理；T2处理40～80 cm土层相对含水率均显著低于T4处理。上述结果说明，拔节期和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌可显著改善开花期0～40 cm土层土壤水分条件，仅于拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层的补灌可使60～100 cm土层土壤含水率在开花期仍保持较高水平。

2.1.3 补灌后成熟期土壤相对含水率的变化

2017-2018年度，两品种成熟期各处理 0～160 cm土层土壤相对含水率总体上随全生育期总灌水量的增加而上升；与T1处理相比，T2处理20～80 cm土层土壤相对含水率及T3与T4处理0～200 cm多数土层土壤相对含水率均显著升高；与T2处理相比，T3处理0～40 cm土层土壤相对含水率和T4处理0～60 cm土层土壤相对含水率均显著升高；T4与T3处理相比，各土层土壤相对含水率无显著差异(图1)。2018-2019年度两品种各处理成熟期土壤相对含水率变化规律与2017-2018年度基本一致，只是不同处理间0～100 cm土层土壤相对含水率的差异相对较小，多数未达显著水平。上述结果说明在拔节至开花期和开花至成熟期降水均较多的年份，拔节期+开花期补灌或仅于拔节期补灌均不同程度提高了小麦成熟期0～160 cm土壤相对含水率；相反在拔节后降水较少的年份，不同灌水处理间在小麦成熟期各土层土壤相对含水率差异较小，这与小麦对灌溉水和土壤贮水消耗较多有关。

J、A、M分别为拔节期、开花期和成熟期。SN23：山农23；SN29：山农29。

2.2 补灌对小麦耗水特性的影响

2.2.1 小麦不同生育阶段耗水量的变化

2017-2018年度两个品种阶段耗水规律一致。拔节至开花期，T2和T4处理阶段耗水量较T1处理分别增加21.6%～31.9%和56.3%～60.4%；开花至成熟期，T2、T3和T4处理阶段耗水量较T1处理分别增加7.0%～7.6%、14.2%～14.5%和16.0%～18.4%(表5)。2018-2019年度，拔节至开花期，两个品种的T2和T4处理阶段耗水量较T1处理分别增加24.8%～28.8%和60.5%～76.1%；开花至成熟期，T2、T3和T4处理阶段耗水量较T1处理分别增加21.2%～29.2%、 53.1%～53.4%和30.2%～35.1%。由此可以看出，拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层的补灌与拔节和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌相比，拔节至开花期阶段耗水量较高，在开花至成熟期降水较多的年份，二者的开花至成熟期阶段耗水量无显著差异，前者全生育期总耗水量较高；在开花至成熟期降水较少的年份，前者开花至成熟期阶段耗水量显著降低，二者全生育期总耗水量无显著差异。

表5 小麦不同生育阶段耗水量

2.2.2 小麦不同生育阶段耗水的来源差异

2017-2018年度，两品种的T3处理全生育期灌水量均显著高于T2处理，低于T4处理，土壤水消耗量均显著低于T2和T4处理。2018-2019年度，T3处理全生育期灌水量与T4处理无显著差异，但显著高于T2处理，土壤水消耗量与T4处理无显著差异，但显著低于T2处理(表6)。两年度两品种的T3处理土壤水消耗量在拔节至开花期均显著高于T4处理，在开花至成熟期均显著低于T4处理。上述结果说明拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层的补灌与拔节期和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌相比，显著降低了拔节至开花期土壤水消耗量，增加了开花至成熟期土壤水消耗量。

2.2.3 小麦不同生育阶段0～200 cm土层土壤总供水表观消耗量变化

2017-2018年度，拔节至开花期山农23的T4处理0～80 cm土层土壤总供水(含播种期土壤贮水和阶段前降水与灌溉水)表观消耗量均显著高于T2和T3处理；山农29的T4处理20～80 cm土层土壤总供水表观消耗量均显著高于T2和T3处理；开花至成熟期两品种的T3处理 0～40 cm土层土壤总供水表观消耗量均显著高于T2和T4处理，60～200 cm多数土层土壤总供水表观消耗量均显著低于T2和T4处理(表7)。2018-2019年度规律与上一年度基本一致。上述结果说明拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层的补灌与拔节期和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌相比，增加了拔节至开花期土壤水分，提高了该阶段小麦对上层土壤总供水的表观消耗量及开花至成熟阶段对深层土壤总供水的表观消耗量，但显著降低了小麦在开花至成熟阶段对上层土壤总供水的表观消耗量。

2.3 补灌对小麦开花后旗叶净光合速率的影响

2017-2018年度，山农23的T4处理开花后旗叶净光合速率与T3处理无显著差异，但在花后10～30 d显著高于T2处理；山农29的T4处理开花后旗叶净光合速率显著高于T2处理，但在花后10～30 d与T3处理无显著差异(图2)。2018-2019年度，两品种在开花后0 d均以T4处理最高，开花10 d后均以T3处理最高，T4处理次之。上述结果说明拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层的补灌与拔节期和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌相比，在开花至成熟期降水较多的年份，二者开花后旗叶光合同化能力无显著差异；在开花至成熟期降水较少的年份，前者开花后旗叶光合同化能力显著降低。

图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.4 不同处理对产量及其构成因素的影响

2017-2018年度，与T3处理相比，山农23的T4处理穗数和穗粒数均显著增加，千粒重和水分利用效率均显著降低，籽粒产量无显著差异；T2处理的穗数、穗粒数和水分利用效率均无显著差异，千粒重和籽粒产量均显著降低(表8)。与T3处理相比，山农29的T4处理穗数显著增加，千粒重和水分利用效率均显著降低，穗粒数和籽粒产量均无显著差异；T2处理的穗数、穗粒数和水分利用效率均无显著差异，千粒重和籽粒产量均显著降低。2018-2019年度，两个品种的T4处理产量构成因素及水分利用效率相对于T3处理的变化规律与2017-2018年度基本一致，但两个品种的T4处理籽粒产量均显著低于T3处理，T2处理的千粒重和籽粒产量与T3处理相比均显著降低，穗数、穗粒数和水分利用效率与T3处理均无显著差异。上述结果说明拔节期补灌增加拟湿润层深度有利于提高成穗数；拔节期以0～40 cm土层为目标湿润层补灌的籽粒产量，在开花至成熟期降水较多的年份，与拔节期和开花期均以0～20 cm土层为目标湿润层的补灌相比无显著差异，水分利用效率显著降低；在开花至成熟期降水较少的年份，前者的籽粒产量和水分利用效率较后者均显著降低。

表8 不同处理对小麦产量构成因素，籽粒产量及水分利用效率的影响

3 讨 论

小麦生育期间的耗水与补灌次数和时期密切相关，返青至拔节期补灌可显著提高小麦营养生长阶段的耗水量和干物质积累量[19-20]。有研究认为，小麦籽粒产量与出苗至越冬期和返青至拔节期的阶段耗水量呈正相关，与拔节至开花期和开花至成熟期的阶段耗水量呈负相关[21]，在有限供水条件下，保证小麦返青至抽穗阶段的耗水可以最大程度地减少产量损失，灌浆阶段水分亏缺对产量的影响相对较小[22]。然而，也有研究认为，小麦在营养生长阶段的耗水需求有限，在该阶段过多的灌溉会导致水资源浪费；减少拔节至开花阶段耗水量，增加开花至成熟阶段耗水量，可获得较高的籽粒产量和水分利用效率[23-24]。对本试验结果进行相关分析，小麦拔节至开花期耗水量与籽粒产量呈显著正相关，开花至成熟期耗水量与籽粒产量无显著相关，与WUE呈显著负相关，这与前人研究结果均有不同。进一步分析发现，与拔节和开花期将0～20 cm土层作为湿润层的补灌处理相比，拔节期将0～40 cm土层作为湿润层的补灌处理显著提高了小麦拔节至开花期阶段耗水量，增加了穗数；在开花至成熟期降水较多(121.2 mm)的年份，两处理间开花至成熟期的阶段耗水量和籽粒产量无显著差异，但后者全生育期总耗水量显著增加，水分利用效率显著降低；在开花至成熟期降水较少(45.2 mm)的年份，后者开花至成熟期的阶段耗水量和籽粒产量均显著降低，两处理间全生育期总耗水量无显著差异，水分利用效率显著降低。上述结果说明小麦各生育阶段的耗水量及其与产量和水分利用效率的关系受阶段降水量的影响，在开花至成熟期降水较少的条件下，即使增加拔节期补灌水量，提高小麦拔节至开花期耗水量，也会导致小麦开花至成熟期耗水量过低，显著降低籽粒产量和水分利用效率。

小麦水分消耗取决于土壤中有效水含量和根系分布，通常80%以上的根系分布在0～100 cm土层中[25-26]。但是上层土壤水分亏缺会促进根系向深层土壤生长，增加对深层土壤贮水的吸收利用，在一定程度上提高水分利用效率[27-28]。然而，土壤贮水生物有效性随着土层深度的增加而降低，如果上部土层供水不足，作物过度依赖深层土壤贮水亦会导致水分利用效率降低[14,29]。本试验通过在拔节和开花期补灌，显著提高了小麦拔节至开花和开花至成熟阶段0～60 cm土层土壤供水量，两年度均获得了较高的籽粒产量和水分利用效率。进一步分析发现，在开花至成熟期降水较少的年份，开花期无灌水的处理即使增加拔节期补灌水量仍然提高了小麦在开花后对60 cm以下深层土壤总供水的表观消耗量，由于开花后上部土层土壤水分亏缺，旗叶净光合速率显著降低，导致籽粒产量和水分利用效率均显著降低。说明小麦开花后保证上部土层一定的供水水平对提高小麦籽粒产量和水分利用效率有重要作用。

Wang[30]指出小麦适宜的补灌时期和补灌水量可依据播种时的土壤贮水量和小麦各生育阶段的有效降水量确定。在小麦生长季降水量为118.6～137.9 mm的条件下，小麦实现高产和高水分利用效率的最佳灌水量约在144～180.3 mm之间[31]。有研究数据显示，在小麦生长季降水量少于130 mm的条件下，灌溉2至3水处理的籽粒产量最高，在降水量超过130 mm的条件下，一次灌溉即可获得最高的籽粒产量[32]。本研究为了验证依据自然供水实施小麦补灌的技术在不同小麦品种上的适用性，选用了穗型存在明显差异的两类小麦品种开展试验，发现两年度中两品种适宜的补灌时间和补灌水量一致，在小麦全生育期降水量为111.6～220.2 mm、开花后降水量为45.2～121.2 mm的条件下，大穗型和中多穗型小麦品种均以在拔节期和开花期将0～20 cm土层补灌至100%田间持水率的补灌方案最优，可实现产量和水分利用效率的协同提高。

4 结 论

小麦各生育阶段的耗水量及其与产量和水分利用效率的关系受阶段降水量的影响，在开花至成熟期降水较少的条件下，即使增加拔节期补灌水量，提高小麦拔节至开花期阶段耗水量，也会导致小麦开花至成熟期阶段耗水量过低，显著降低籽粒产量和水分利用效率。小麦开花后保证上部土层土壤一定的供水水平对提高小麦籽粒产量和水分利用效率有重要作用。在小麦全生育期降水量为111.6～220.2 mm、开花后降水量为45.2～121.2 mm的条件下，大穗型和中多穗型小麦品种均以在拔节期和开花期将0～20 cm土层补灌至100%田间持水率的补灌方案最优，可实现产量和水分利用效率的协同提高。