喷灌水分处理对冬小麦产量及籽粒品质的影响

魏闯 雷成霞 郭银

摘 要：为探索华北平原冬小麦籽粒产量、品质及水分利用效率对水分胁迫的响应规律，通过2个生长季（2010—2012年）的大田试验，重点研究喷灌条件下，不同水分供应模式对冬小麦地上部生物量、经济产量、籽粒品质及水分利用效率的影响。结果表明：与全生育期充分供水处理相比，返青—拔节期适度水分亏缺以及灌浆成熟期适度水分亏缺处理的收获指数、水分利用效率以及灌溉水利用效率均有不同程度的提高，籽粒产量略有增加或减产幅度较小，同时不同程度改善了籽粒品质;综合考虑经济产量、籽粒品质以及水分利用效率和灌溉水利用效率，试验条件下返青—拔节期适度水分亏缺和灌浆—成熟期轻度水分亏缺可作为当地喷灌冬小麦适宜的优质高效灌水模式。

关键词：喷灌;灌水量;产量;籽粒品质;水分利用效率

中图分类号：S275.6 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.033

Abstract： In order to explore the irrigation index of winter wheat with sprinkling irrigation in North China， a 2-yeargrowing season （2010—2012） field experiment was carried out to investigate the effects of economic yield， grain quality and water use efficiency of winter wheat with different sprinkling irrigation. The results show that the different effects of water-deficits on biomass， economic yield， grain quality and water use efficiency based on the growing stages in which the water deficits are applied. There is no significantly decreased grain yield， but the grain quality water use efficiency and irrigation water use efficiency are significantly increased and the protein ratio and gluten ratio have been improved when water deficits applied during from turning green to elongation stage and grain filling of winter wheat. Comprehensive consideration economic yield， grain quality， water use efficiency especially irrigation water use efficiency， irrigation strategy of T2， T3 and T6 can be used as appropriate sprinkling irrigation mode for the local winter wheat.

Key words： sprinkling irrigation; irrigation amount; economic yield; wheat grain quality; water use efficiency

小麥是世界三大粮食作物之一，华北平原是中国主要的优质小麦生产基地，但该地区农业水资源日趋紧张。华北平原高产条件下冬小麦耗水量在400～600 mm之间，但冬小麦生育期处于该地区降水较少的冬春季。历史气象资料分析结果表明，该地区冬小麦生育期内累计降水量不足200 mm，维持作物正常生长所需的水分主要依靠灌溉补充[1-3]。为了保证较高的冬小麦产量，抽取地下水进行灌溉，农田灌溉所需水资源随着灌溉面积的不断扩大以及气候变化的影响不断增加，导致华北平原地下水位逐年下降[4]，不仅增加了灌溉提水成本，而且不利于当地水环境及农业生产的可持续发展。

随着节水灌溉的普及，特别是调亏灌溉[5-6]、小定额及关键时期补充灌溉[7]的推广应用，在降低麦田灌溉用水量的同时，大幅提高了灌溉水利用效率。目前，华北平原冬小麦生产中所应用的灌溉方式以地面畦灌为主，所采用的优质高效灌溉指标[8]仍以地面灌溉为基础。随着节水灌溉新技术的进一步推广应用，喷灌特别是移动式喷灌以其灌水均匀度高，轮灌周期短，对灌溉水水质要求低等优势得到了快速发展。与地面灌相比，喷灌不仅改变了农田土壤水、肥分布[9]，而且改变了农田小气候[10]，从而影响小麦产量、水肥利用效率以及籽粒品质[11]。目前，有关喷灌的研究大多集中于耗水过程[12]、籽粒产量[13]及水分利用效率[14]等方面，而有关喷灌条件下不同时期、不同程度水分胁迫对冬小麦产量、籽粒品质及水分利用效率影响的研究还鲜有报道。笔者通过大田试验，研究喷灌条件下不同水分供应模式对冬小麦地上部生物量、经济产量、籽粒品质及水分利用效率的影响，以期为当地冬小麦在品质和产量方面同时达到最佳提供理论依据和技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验概况

试验区属于温带季风气候区，多年平均降水量582 mm，但年内降水分布不均匀，70%的降水集中于7—9月，年平均气温14.4 ℃，多年平均日照时数2 398 h，无霜期210 d。试验田土壤质地为壤土，0～120 cm土层平均土壤干密度为1.46 g/cm3，田间持水率

30.24%（体积含水率），地下水埋深大于10 m。

1.2 试验设计

试验共设置10个处理，分别为全生育期充分供水、不同生育期轻度和重度亏水以及全生育期不灌水的雨养处理（见表1）。在已有研究成果的基础上，试验以处理T1为对照处理，其返青—拔节、拔节—灌浆以及灌浆—成熟期的灌水控制下限分别为田间持水率的65%、75%和

65%，各处理重复3次。当处理T1计划湿润层土壤含水率达到或接近灌水控制下限时进行灌溉，所有处理同时进行灌水，灌水定额见表1。灌溉方式为移动式喷灌，每个处理的灌水量通过水表控制，灌溉水源为浅层地下水。

根据冬小麦生长习性以及试验区降水情况，足墒播种条件下不进行冬灌，仅需在返青后进行灌溉施肥。冬小麦分别于2010年10月18日和2011年10月12日足墒播种，播量为180 kg/hm2，播种行距为18 cm，分别于2011年6月10日和2012年6月9日收獲。播前施底肥750 kg/hm2（复合肥，N、P、K含量分别为18%、18%和5%），返青期结合灌水施入尿素300 kg/hm2（N含量为46%）。

1.3 试验观测指标

（1）土壤含水率。田间土壤含水率的测定采用烘干法分层进行，每隔20 cm测定一次，深度直至地表以下100 cm。在灌水前、后及小麦全生育期内每10 d测定一次。

根据《灌溉试验规范》（SL 13—2004） [15]，计算作物耗水量采用如下公式：

式中：ET1-2为时段内作物耗水量，mm;P为自然降雨量，mm;I为灌水量，mm;K为地下水补给量，mm;C为排水量，mm（因试验田地下水埋深超过10 m，结合试验数据筛选要求，本文取K=0，C=0）;ΔW为土壤贮水量的减少量，ΔW=Wi-Wi+1，Wi和Wi+1分别为第i个时段初和时段末的土壤贮水量，由实测的土壤含水率求得。

（2）地上部生物量。从小麦返青期开始每5～7 d测量一次不同处理的地上部生物量，各处理分别选长势均一的冬小麦，每次取样30 cm，105 ℃杀青30 min，随后在75 ℃条件下烘干至恒重，利用精度0.01 g的电子天平称量。

（3）籽粒产量。收获时，采用单打单收的方式测定各处理实际产量，折合成每公顷产量。理论产量的获得需通过群体密度、单株穗粒数、千粒重指标进行计算，均选有代表性的植株进行考种。

（4）水分利用效率（WUE）。利用式（2）和式（3）计算不同处理的水分利用效率及灌溉水利用效率。

（5）籽粒品质。蛋白质含量及其组分采用半微量凯氏定氮法测定;氨基酸含量及组分利用氨基酸分析仪（日立L-8800全自动氨基酸分析仪）、分离柱（标准蛋白质水解法分离柱，可以分离18种氨基酸）测定;采用瑞士Perten公司生产的2200型面筋洗涤仪，对湿面筋进行测定;沉降值按国际谷物化学学会（AACC）56—61标准测定;面团流变学特性的测定，采用德国公司Brabender产810106002型粉质仪。

（6）气象资料。冬小麦生育期内的气象资料由距离试验区200 m左右的自动气象站观测获得，并进行数据分析。对于参考作物需水量ET0的计算，采用PM公式。

获得的以上数据采用Excel2016进行整理和分析计算。

2 结果与分析

2.1 两个生长季的气象和灌水情况

试验站气象资料分析结果（见图1）表明，2个生长季内的参考作物需水量随冬小麦生育进程推进的变化规律大致相同。2010—2011年和2011—2012年2个生长季冬小麦生育期内的参考作物需水量分别为2.85、2.35 mm/d，总降水量分别为96.1、174.7 mm，次降水量大于5 mm的累计降水量分别为84.6、144.7 mm。

表2给出了2个生长季不同生育期的灌水量，2个生长季的灌溉次数相同，但因降水的不均匀分布，导致不同生育阶段的灌水次数不同，从而导致相同处理、不同生育阶段以及全生育期内的灌水量也有所不同。其中：2010—2011年因前期降水较少，而灌浆期降水较多，处理T1返青—拔节期灌溉了2次，灌水量为120 mm，灌浆—成熟期只灌了1次，灌水量为60 mm;2011—2012年因前期降水较多，而后期降水较少，处理T1返青—拔节期只灌了1次，灌水量为60 mm，灌浆—成熟期灌了2次，灌水量为120 mm。

2.2 不同灌溉处理对冬小麦产量的影响

图2给出了2个生长季不同灌水处理的地上部生物量、冬小麦籽粒产量以及收获指数。从图2（a）可以看出，同一处理2个生长季的籽粒产量略有不同，但不同处理之间变化规律大致相同。2个生长季的最高产量均为处理T2，随着亏水程度和亏水时期的不同，各处理的籽粒产量均有不同程度的降低，其中全生育期不灌水的雨养处理T10产量最低，与全生育期充分供水的处理T1相比，籽粒产量降低了39.59%～42.01%。

与充分供水处理（灌水定额为60 mm）相比，返青—拔节期轻度亏水（灌水定额为45 mm）处理籽粒产量增加了4.57%～7.36%，重度亏水处理（灌水定额为30 mm）的籽粒产量降低2.11%～3.88%;拔节—灌浆期轻度亏水和重度亏水处理的籽粒产量分别降低了3.54%～3.59%和8.88%～9.04%;灌浆—成熟期轻度亏水和重度亏水处理的籽粒产量分别降低了4.57%～5.11%和7.76%～10.57%。全生育期轻度亏水和重度亏水处理的产量分别降低了15.69%～15.99%和24.91%～25.41%。

就地上部生物量而言，各处理之间的变化规律与籽粒产量对灌水的响应规律相同，均为处理T2最高，处理T10最低，其他处理地上部生物产量介于两者之间。从图2（a）还可以看到，相同亏水程度发生在前期比发生在生育后期对地上部生物量的影响大。进一步分析表明（见图3），冬小麦籽粒产量随着地上部生物量的增大呈线性增大趋势，两者之间的确定系数R2值分别为0.784 8（2010—2011年）和0.804 8（2011—2012年）。

收获指数（收获时经济产量与生物产量之比）是表征冬小麦生物量和经济产量关系的重要参数，通过对2个生长季的试验资料进行整理分析，结果（见图2（b））表明：各处理冬小麦收获指数值均在0.3～0.5之间，2010—2011年的最大值和最小值分别为0.48（T3）和0.34（T10）;2011—2012年的最大值和最小值分别为0.47（T2）和0.36（T10）;2个生长季处理T2、T3和T4均获得了较高的收获指数。图2 不同灌溉处理对冬小麦籽粒产量及收获指数的影响

2.3 不同灌溉处理对冬小麦籽粒品质及水分利用效率的影响

表3给出了不同灌水处理冬小麦千粒重、蛋白质含量、氨基酸含量及出粉率，可以看到，2010—2011年各处理冬小麦籽粒千粒重为35.49～41.07 g，2011—2012年各处理冬小麦籽粒千粒重为35.93～41.24 g;2个生长季的结果均表明，返青—拔节期轻度水分亏缺有利于籽粒千粒重的提高，水分亏缺时期和亏缺程度的不同，对籽粒千粒重的影响也不同。从表3可以看到前期水分亏缺对千粒重影响较小，而灌浆—成熟期以及全生育期水分亏缺对千粒重的负面影响较大。与充分灌水处理相比，全生育期重度水分胁迫和雨养处理的籽粒千粒重分别降低了8.89%～9.02%和11.36%～13.06%。

2010—2011年和2011—2012年各处理的出粉率分别为69.77%～71.61%和69.03%～71.24%，而且亏水灌溉处理对出粉率的负面影响较小。2个生长季相同水分处理对冬小麦籽粒出粉率的影响有所不同，2010—2011年处理T7的出粉率最大（71.61%），而2011—2012年处理T5的出粉率最大（71.24%），但2个生长季出粉率最低的处理均为全生育期不灌水的处理T10。

蛋白质和氨基酸含量是表征冬小麦籽粒品质性状特别是营养品质性状的重要指标，2个生长季的试验结果均表明，返青—拔节期水分亏缺对冬小麦籽粒蛋白质含量的负面影响较小，2个生长季蛋白质含量最高的处理均为返青—拔节期水分亏缺的处理（T3或T2），氨基酸含量均以返青—拔节期亏水处理（T3）为最高，说明返青—拔节期水分亏缺有利于籽粒品质的改善。

图4为不同灌水处理对冬小麦水分利用效率及灌溉水利用效率的影响，可以看出，2个生长季冬小麦水分利用效率对灌水处理的响应规律大致相同，均以返青—拔节期水分亏缺处理最高;灌溉水利用效率在各处理间的变化略有不同，但均以全生育期重度水分亏缺处理为最高。处理T9的籽粒产量偏低，以牺牲经济产量获得较高灌溉水利用效率的灌溉策略不应作为适宜灌溉措施。综合考虑籽粒产量、品质以及灌溉水利用效率，处理T2、T3及T6可以作为当地适宜的喷灌冬小麦灌溉模式。

3 结 论

（1）喷灌条件下全生育期充分供水处理的冬小麦籽粒产量并非最高，而返青—拔节期适度水分亏缺处理的籽粒产量最高，增产幅度为4.57%～7.36%，收获指数也处于较高水平，比充分供水处理提高了2.94%～4.09%;返青—拔节期水分亏缺有利于籽粒品质的改善;返青—拔节期水分亏缺处理以及灌浆—成熟期轻度亏水处理，在保证较高产量的同时，均获得了较高的水分利用效率和灌溉水利用效率。

（2）与全生育期充分供水處理相比，处理T2、T3和T6的籽粒产量分别提高了5.97%、-3.00%和-4.83%，水分利用效率分别提高了13.92%、12.90%和4.74%，灌溉水利用效率分别提高了15.81%、15.62%和4.07%，籽粒品质也有不同程度的改善。

（3）综合考虑经济产量、籽粒品质以及灌溉水利用效率，处理T2、T3（返青—拔节期适度水分亏缺）和T6（灌浆—成熟期轻度水分亏缺）的灌水措施在维持较高产量的同时，提高了灌溉水利用效率，在节约有限灌溉水资源的同时改善了籽粒品质性状，可作为当地冬小麦优质高产的灌溉模式。

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【责任编辑 许立新】