生育后期灌水量对河西春小麦产量和水分利用效率的影响

张 舵，李援农，王增红，闵 迪，杨金宇

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西 杨凌 712100)

干旱地区在我国北方分布广泛，每年都有不同程度的干旱危害农业生产，导致粮食减产，是精细农业和农业产量稳定的主要威胁[1]。我国是世界上种植小麦面积最大、产量最高的国家[2]，而干旱半干旱区小麦的产量占全国小麦生产总量的50%以上，占有十分重要的地位[3]，但该地区农业耗水量高，水分利用效率低，提高水资源利用效率对于缓解农业用水压力具有重要意义[4]。

河西地区地处西北干旱区，作物生长必须依赖于灌溉，抗旱能力较强的春小麦在该区占有较大的比例。但与此同时该地区小麦也存在着春季低温和干旱使得播种困难，后期高温导致产量低等诸多问题。因此改善灌溉条件、提高小麦抗旱保墒能力成为春小麦节水增产的关键[5-6]。研究表明，小麦植株水分状况的动态化直接或间接影响其营养吸收、光合能力及物质转运和代谢，且小麦籽粒产量随土壤含水量的增加而增加[7]，但当灌水量超过一定范围不仅对提高籽粒产量无益，还会降低水分利用效率[8]。灌水时期也会显著影响小麦的籽粒产量和水分利用效率[9-12]。拔节—开花期是春小麦水分敏感期，水分亏缺将显著影响小麦株高、产量与水分利用效率[13,14]，而孕穗期灌水的处理产量高于拔节期灌水的处理[15]，后期适度灌水可以增加春小麦叶绿素含量，延缓根系衰老，提高作物的光合速率和干物质累积量，并且对提高小麦穗粒数和千粒重具有十分重要的意义[16-19]。因此确定河西春小麦生育后期适宜的农田灌溉水量、分析对春小麦产量构成要素及水分利用效率的影响对确定河西地区春小麦节水高产的灌溉制度有重要作用。

微喷灌溉是在喷灌和滴灌的基础上发展起来的一种新型灌溉方式，它兼具了喷灌和滴灌的优点，利用微喷将水均匀地喷洒在田间，所用设备相对简单、廉价、易于收放[20]。与畦灌相比，微喷灌溉具有减少土壤表层板结，降低土壤水分渗漏量，提高灌水均匀度等特点[21]。研究表明，微喷灌溉有利于改善冠层温度和湿度条件，减少氮肥在深层土壤中的淋失，提高小麦弱势粒的千粒质量，使灌浆期叶面积衰减率低，有利于光合产物的合成，促进小麦干物质的积累、分配和转运，从而提高产量[22-24]。目前，在河西地区采用微喷灌溉研究不同水量对春小麦的影响较少。本研究在微喷灌溉方式下，设置春小麦生育后期不同灌水量，研究各处理对春小麦在生育后期的植株生长、耗水量、产量及其构成要素和水分利用效率的影响，从而确定春小麦生育后期能够节水高产的适宜灌水量。

1 试验方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3-8月在甘肃省武威市中国农业大学石羊河实验站(N37°52′，E102°50′)进行。该区海拔1 581 m，属温带大陆性干旱气候，多年平均气温8 ℃，年积温3 550 ℃，多年平均降水量164.4 mm，年蒸发量2 000 mm左右，干旱指数15～25，年均日照时数3 000 h，无霜期85～165 d。地下水埋深40～50 m，0～90 cm深度土壤平均容重1.50 g/cm3，平均田间持水量28%(体积含水量)。

1.2 试验设计

春小麦采用农机播种，供试品种为“永良4号”，播种日期为2018年3月28日，收获日期为7月24日。试验小区尺寸为6 m×4.2m，每个处理重复3次，共12个小区，小区处理随机分布。采用微喷带灌水，微喷带平行于小麦种植方向布置。小区采用一带14行布置，小麦种植行距为15 cm，播种量为500 kg/hm2，播种前两天施肥翻耕，各处理的施肥量相同[氮肥(N)：160 kg/hm2，磷肥(P2O5)：70 kg/hm2，钾肥(K2O)：176 kg/hm2]。试验区周围布置2 m宽的作物保护带。冬季储水地面灌溉90 mm，在全生育期内共灌水8次，分蘖期至拔节期灌水3×35 mm。自拔节期结束后每隔10 d灌水一次，共灌水5次，灌水定额分别为30、40、50、60 mm，记为W30、W40、W50、W60(表1)。微喷带采用甘肃大禹节水股份有限公司生产的带宽40 mm、并列斜5孔、孔径0.8 mm、喷射仰角45°～70°的黑色PE微喷带。

表1 各处理生育期内的灌水情况

1.3 测定指标与方法

(1)春小麦株高。分别在春小麦分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期取样，在各个小区随机选取10株能够代表小区整体长势的植株进行标记，用米尺测定春小麦的株高。在抽穗前，测量茎基部到叶顶端的长度，在抽穗后，测量从茎基至穗顶的长度。

(2)春小麦产量及其构成要素。收获时，在试验小区取1 m2样区，将地上部全部收获，随机取10株春小麦，测定穗粒数，然后再测定每个样区的穗数，风干后称质量并计算千粒质量、籽粒产量。

(3)收获指数(HI)的计算。收获指数=样区的籽粒产量/样区地上部分干物质质量。

(4)作物耗水量的计算。作物耗水量的计算公式为：

ET=P+U+I-R-F-ΔW

(1)

式中:ET为作物耗水量；P为降水量；U为地下水补给量；I为灌水量；R为径流量；F为深层渗漏量；ΔW为试验初期和末期土壤水分变化量。式中各分量单位均以mm计。

根据试验区实际情况，式(1)中地下水补给量、径流量和深层渗漏量均忽略不计，故上式简化为:

ET=P+I-ΔW

(2)

(5)作物水分利用效率的计算。水分利用效率[WUE，kg/(hm2·mm)]用公式(3)计算：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y为春小麦籽粒产量，kg/hm2。

1.4 数据分析

利用Excel2010和Origin Pro8.5软件进行数据处理并绘图，利用DPS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 春小麦生育后期灌水量对株高的影响

由图1分析知，随着生育期的延长，各处理株高逐渐增大。各处理在分蘖期和拔节期的株高差异不显著。在抽穗期，W30处理的株高最低为86.56 cm，W40、W50和W60各处理的株高较W30处理分别高出2.35%、6.14%、8.73%，各处理间差异显著(P<0.05)。在成熟期，W30处理的株高最低为89.13 cm，W40、W50和W60各处理的株高较W30处理分别高出3.65%、7.30%、9.27%，其中W50与W60处理差异不显著，但二者与W30、W40处理差异显著。说明，水分亏缺越重，作物生长受到的抑制作用越明显[25]，拔节期过后灌水有利于小麦的生长[26]，进入开花期后增长缓慢[13]，灌水量的增加明显有利于小麦株高的生长，这与王振华[27]的研究结果一致。

图1 生育期水分调控对春小麦株高的影响

2.2 春小麦生育后期灌水量对产量的影响

孕穗期到抽穗期处于营养生长转变向生殖生长的时期，是确定小麦穗粒数的关键时期[27]。考种结果(表2)表明，W50穗粒数显著高于其他灌水处理，分别比W30、W40和W60高出11.74%、8.26%和3.50%。W30与W40之间差异不显著，但两者与W50、W60之间的差异显著。说明孕穗期到抽穗期的灌水量明显影响了春小麦穗粒数，土壤水分亏缺与土壤水分过多均对小麦麦穗发育有一定的抑制作用，这与合适的水分供应能够提高小麦穗粒数Saleem M[28]研究结果一致。而与王文颇[29]认为的不同，可能是因为其实验拔节期的不同灌水量所造成的土壤水分差异延续到了小麦的孕穗阶段，进而对小麦穗粒数产生了影响。W50与W60的千粒质量差异不显著，W60略高于W50，W60处理的千粒质量显著高于W30与W40，分别高出15.29%、9.02%。说明，在本试验的灌水处理范围内，在小麦生育后期的灌水量越多对小麦籽粒的灌浆过程越有利，可明显增加籽粒的千粒重[30]，而缺水会严重影响作物产量的形成[31]，适宜灌水量对春小麦的粒重及籽粒的饱满程度有明显影响这是由于小麦生育后期灌水少使灌浆期的土壤水分状况较差，降低了光合产物的供应强度，导致籽粒充实物质不足，粒重低，而土壤水分含量高则有利于光合同化物向小麦籽粒的转移，增加小麦粒重，与王文颇和房全孝[29、32]的研究结果一致。

表2 不同灌水处理对春小麦产量及产量构成要素的影响

注：同列数据后标注不同字母者表示差异显著(p<0.05)，下表同。

产量W50处理最高为8 106 kg/hm2，显著高于其他处理，分别比W30、W40和W60高出35.95%、17.79%和7.15%，且各处理间差异均显著。随着灌水量的增加呈现先递增后减小的趋势，说明春小麦抽穗期之后的灌水量对产量有较大影响，小麦生育后期缺水将会严重减少作物的产量，而过多的灌水量既浪费水资源还对产量形成负面影响[33]，适宜的灌水量可显著提高籽粒产量，这与王东[23]的研究结果一致。

收获指数是作物收获时籽粒产量与地上生物产量之比，反映了碳素从源到籽粒库的分配比例，该性状能够一定程度上反映作物群体光合同化物转化为经济产品的能力，是评价作物品种产量水平和栽培成效的重要指标[34]。收获指数W50处理最高为47.08%，显著高于其他处理，分别比W30、W40和W60高出18.24%、7.13%和4.07%，其中W40与W60之间的差异不显著，收获指数随着灌水量的增加呈先增大后减小的变化趋势。说明土壤缺水严重降低了产量水平，而土壤含水量高则一定程度会抑制产量水平。小麦生育后期灌水有利于物质向籽粒转移量增加，提高抽穗后的干物质积累量，增加春小麦籽粒产量、收获指数和水分利用效率，与王红光[12]及党根友[35]的研究结果一致。同时，W50处理的每公顷产量最高，说明W50灌水处理可以使春小麦生育后期具有适宜土壤水分含量，对小麦穗粒数及千粒重的增长有明显的提高作用，小麦的高产一定要均衡各构成要素的均衡发展。

2.3 春小麦生育后期灌水量对水分利用效率的影响

不同处理的春小麦耗水量和水分利用效率见表4。水分利用效率能综合反映耗水量与籽粒产量的相互关系[36]。由表3分析知，春小麦生长期间有效降水量为38.4 mm，可以看出随着灌水量的增加，小麦不同生育期内的土壤水分含量是具有明显差异的，小麦在生育期内的耗水量是逐渐增加的，而水分利用效率则是在W50处理时达到最高的1.82 kg/m3，与其他各处理差异显著，分别比W30、W40、W60高出16.25%、6.83%、13.6%，其中W30与W60差异不显著。本试验研究结果表明，灌水量超过一定范围不仅对提高籽粒产量无益，还会降低水分利用效率，随着灌水量的增加，水分利用效率呈先升后降的趋势，这与Qingwu Xue[8]及肖俊夫[9]的研究结果一致。已有研究表明与充分灌溉相比，水分亏缺条件下的小麦产量和水分利用效率较高[37]，本研究结果与其不一致，这是由于河西地区干旱少雨，缺水会严重影响到春小麦的生长发育过程，导致产量与水分利用效率均远低于适宜的灌水量处理。因此，在春小麦生育后期进行W50的灌水处理具有最高的水分利用效率，在此灌水量下获得高产及优异的水分利用效率。

表3 不同灌水量处理下的春小麦耗水量及水分利用效率

2.4 全生育期灌水量与产量及水分利用效率的关系

春小麦产量(y)与全生育期灌水量(x)呈二次抛物线关系，r2=0.9165，P<0.05，方程拟合较好，这说明小麦灌水量对于产量的形成具有决定性作用[图2(a)]。由产量和灌水量的关系可知过高和过低的灌水量均不利于小麦获得高产，适宜的灌水量有利于小麦获得高产，在全生育期灌水量为350～400 mm时，小麦可以获得最理想的产量。春小麦水分利用效率(y)与全生育期灌水量(x)同样呈二次抛物线关系，r2=0.846 9，P<0.05，方程拟合较好，这说明小麦灌水量对于水分利用效率的提高有显著影响[图2(b)]。可知随着灌水量的增加，小麦的水分利用效率呈先增大后减小的抛物线形式，其中，过高和过低的灌水量均会降低小麦的水分利用效率，适宜的灌水量有利于小麦获得较高的水分利用效率，在全生育期灌水量为300～350 mm时，河西春小麦将具有较高的水分利用效率。综合比较图2(a)与图2(b)中的相关关系，在全生育灌水量为350 mm左右时，春小麦将获得节水高产的效益。

图2 全生育期灌水量与产量和水分利用效率的关系

3 结 论

生育后期不同灌水量对春小麦生长发育有显著影响，灌水量最少的W30处理小麦植株后期发育差，灌水量较多的处理对春小麦的生长有利。不同灌水量对春小麦产量及水分利用效率有显著影响，各处理千粒重随着灌水量的增加而增加，单株穗粒数、产量及水分利用效率随着灌水量的增多呈先增加后减小的变化趋势，过多的灌水量不仅不利于河西春小麦穗粒数的发育，还降低产量和水分利用效率。综合考虑灌水量、产量和水分利用率，在本实验条件下，河西春小麦分蘖至拔节灌水3次(3×35 mm)，孕穗至成熟灌水5次(5×50 mm)，灌溉定额为355 mm的灌溉制度最优，能够实现节水高产。