优化品种匹配和灌水量提高冬小麦-夏玉米产量及水分利用效率研究

2020-11-13李源方李宗新张慧薛艳芳钱欣肖蓉刘仲秋高英波

山东农业科学 2020年10期

李源方，李宗新，张慧，薛艳芳，钱欣，肖蓉，刘仲秋，高英波

（1.山东省农业科学院玉米研究所／小麦玉米国家工程实验室／农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室，山东济南 250100；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018）

小麦和玉米是我国重要的粮食作物，其产业发展直接影响到社会稳定和粮食安全［1，2］。“冬小麦-夏玉米”一年两熟种植是黄淮海区主要的种植模式，常年小麦、玉米播种面积约占全国的60%和36%，总产分别占全国的50%和40%，在我国粮食生产中占有重要地位［3］。黄淮海区年降水量在500～900 mm，且主要集中在夏季，冬小麦生育期内降水量一般不足200 mm，冬小麦整个生育期内耗水量约为400～500 mm［4］，水资源短缺限制了冬小麦高产潜力的发挥［5］。为确保产量，生产中该区冬小麦种植一直存在灌溉次数过多、大水漫灌等诸多不合理现象，这不仅造成水资源浪费，也限制到冬小麦水分利用效率的进一步提高［6］。因此，优化冬小麦-夏玉米品种匹配及灌水量，协同提高周年产量与水分利用效率，对实现黄淮海区冬小麦-夏玉米周年节水丰产增效具有重要意义。

作物产量和其水分利用效率会因品种［7］和灌溉量［8］的不同而存在差异，耐旱型品种在较少灌水条件下更易获得高产和高水分利用效率［9，10］。适度灌溉或水分亏缺有利于减少小麦整个生育期的耗水量，从而提高水分利用效率［11，12］。在灌足底墒水的基础上，仅灌溉拔节水和开花水可实现小麦产量与水分利用效率的双重改善［13］。夏玉米的穗粒数、产量与滴灌量呈正相关，而水分利用效率则相反［14］。在播种、拔节、抽雄及灌浆期分别灌水25%、25%、15%、35%时，有利于提高玉米产量和水分利用效率［15］，超出适宜灌溉用水量，水分利用效率则会不断下降［16］。冬小麦-夏玉米周年的水分利用效率随灌水量加大先增加后降低［17］。前人主要通过调整灌水量、灌水时期、品种和灌溉方式等措施来提高小麦、玉米产量和水分利用效率，且大多研究都局限于冬小麦或夏玉米一季，而从冬小麦-夏玉米品种周年匹配和灌水量的角度入手研究较少。本试验从优化灌水量和冬小麦-夏玉米品种（简称麦玉）周年匹配角度入手，系统研究两作物一年两熟种植模式下灌水量及其品种匹配对周年产量和水分利用效率的影响，旨在明确两作物的匹配组合及适宜灌水量，为黄淮海区两作物周年节水丰产增效提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年10月—2019年10月在山东省农业科学院济阳试验示范基地（36°58′N；116°57′E）进行。试验地土壤为壤土。冬小麦播种前试验地0～20、20～40 cm土层土壤养分含量见表1。

该试验区地处华北平原东部、山东省中部，属于温带大陆性半湿润季风季候。2018—2019年度小麦生育期内累计降水量为72.66 mm，夏玉米生育期内累计降水量为326.6 mm，具体降水量如图1所示。

表1 播种前0～20、20～40 cm土层土壤养分含量

图1 冬小麦-夏玉米生育期内降水量

1.2 供试材料与试验设计

供试冬小麦品种为泰科麦30（耐旱型）和济麦22（高肥水型），夏玉米品种为黄淮海区主推品种登海605和郑单958。

试验采用裂区设计，灌水处理为主区，品种组合为副区。冬小麦季设3个灌水处理（W0、W1和W2），4个品种组合（泰科麦30＋登海605、泰科麦30＋郑单958、济麦22＋登海605、济麦22＋郑单958），随机区组排列，重复3次。小区面积15 m×4.8 m。不同灌水处理间相隔5 m，防止水分渗漏。灌溉方式为畦灌，灌溉时用水表精确控制水量，具体灌溉时间及灌水量见表2。冬小麦基施复合肥（N-P2O5-K2O＝15-15-15）750 kg／hm2、辛硫磷颗粒 15 kg／hm2，播前镇压。于2018年10月8日宽幅精播，播种量120 kg／hm2，等行距24 cm，2019年6月6日收获。夏玉米基施复合肥（N-P2O5-K2O＝28-9-9）600 kg／hm2，6月19日播种，播种密度75 000株／hm2，行距65 cm，10月14日收获。

表2 冬小麦-夏玉米灌水时间与灌水量

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤容重作物收获时，采用环刀法测定土壤容重。环刀体积为100 cm3，分别在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5个土层利用环刀取土，于105℃烘干，计算土壤容重。

1.3.2 土壤含水量冬小麦、夏玉米播种前和收获后，用土钻取0～100 cm土层土样，每20 cm为一层，装入铝盒中称鲜土重，然后110℃烘干至恒重称重，计算土壤重量含水量。

1.3.3 植株地上部生物量冬小麦：开花期和成熟期选取能代表小区长势的0.5 m双行测定生物量，于105℃杀青15 min，再75℃烘干至恒重并称重。夏玉米：吐丝期和成熟期从各小区取3株能代表群体长势的植株测定生物量，取样后放入烘箱105℃杀青30 min、80℃下烘干至恒重。

1.3.4 测产与考种冬小麦：成熟期，各处理分别取3个代表性样点2 m2，数取总穗数，连续调查20～30株的穗粒数，之后采用小型脱粒机脱粒，晾干后称取千粒重并计产（按照籽粒含水量13%折算）。夏玉米：去除边行，每小区收获2行，每行5 m，调查穗数并收获所有果穗；并按均重法随机选取10个果穗用于室内考种，考察穗行数、行粒数，脱离后称取千粒重，测定籽粒含水率；之后计算实际产量（按14%含水率折算）。

1.4 指标计算方法与统计分析

1.4.1 土壤容重（ρ）［18］ρ＝（W1-W2）／V。式中：ρ为土壤干容重（g／cm3），W1为烘干土与环刀质量（g），W2为环刀质量（g），V为环刀体积（cm3）。

1.4.2 土壤含水量［19］土壤质量含水量（%）＝［（湿土质量-干土质量）／干土质量］×100。

1.4.3 农田耗水量（ETa）［20］ETa＝I＋P＋U-R-F±ΔW。式中：I为生育期内灌水量（mm），P为生育期内有效降水量（mm），U为地下水通过毛管作用上移补给作物水量（mm），R为地表径流量（mm），F为补给地下水量（mm），ΔW为生育期内土壤贮水消耗量。该区地下水埋深4 m以下，可视地下水补给量为零，地面径流因无剧烈降水而忽略不计。

1.4.5 水分利用效率 WUE＝GY／ETa。式中：WUE为籽粒产量水分利用效率［kg／（hm2·mm）］，GY为籽粒产量（kg／hm2），ETa为作物生育期农田耗水量（mm），本试验土壤贮水消耗量的测定深度是100 cm。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理和作图，SPSS 24.0软件进行差异显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对麦玉干物质积累的影响

由表3可知，泰科麦30 W1处理开花期和成熟期干物重均比W0和W2显著提高8.49%～33.55%。登海605吐丝期3个处理干物重均无显著性差异，成熟期W1处理比W0和W2显著提高，分别达37.14%和14.24%。郑单958吐丝期W1、W2处理较W0显著提高，成熟期W1处理较W0、W2显著提高，分别达29.45%和8.10%。泰科麦30＋登海605成熟期的周年干物重，W1处理较W0、W2显著增加，分别达35.65%、11.82%。泰科麦30＋郑单958成熟期周年干物重，W1处理较W0、W2显著提高，分别达31.17%和8.27%。

表3 不同灌水量对冬小麦、夏玉米干物重的影响

济麦22开花期干物重，W1、W2处理较W0显著增加，分别为73.57%和96.90%，但两灌水处理间无显著差异；成熟期W2处理较W0、W1显著提高，分别为64.15%和36.17%。登海605吐丝期干物重，W1和W2处理较W0显著提高，但两灌水处理间无显著差异；成熟期W1处理较W0、W2显著提高，分别为 56.57%和 16.15%。郑单958吐丝期和成熟期干物重灌水处理较不灌水显著提高，但两灌水处理间无显著差异。济麦22＋登海605成熟期周年干物重，W1和W2处理较W0显著提高，但两灌水处理间无显著差异。济麦22＋郑单958成熟期周年干物重，W2处理较W0、W1显著增加，分别为50.23%和8.37%。

2.2 不同灌水量对麦玉周年产量的影响

由表4可知，泰科麦30＋登海605和泰科麦30＋郑单958在W1、W2处理下周年产量无显著性差异，较 W0均显著提高，分别达29.03%、48.60%和30.05%、40.32%。济麦22＋登海605和济麦22＋郑单958在W2处理下较W0、W1显著提高，增幅在2.87%～33.64%之间。

表4 不同灌水量对麦玉周年产量的影响

小麦季，泰科麦30产量W1和W2处理较W0显著提高，但两灌水处理间无显著差异。济麦22产量W2处理较W0、W1显著增加，分别增50.19%和31.42%。玉米季，泰科麦30＋登海605组合中，登海605产量3个处理间无显著差异；泰科麦30＋郑单958组合中，郑单958产量W1处理较W0、W2显著提高，分别达44.12%和13.84%。济麦22＋登海605组合中，登海605产量3个处理间无显著差异；济麦22＋郑单958组合中，郑单958产量W1处理较W0、W2显著提高，分别达41.90%和17.34%。

2.3 不同灌水量对麦玉产量构成因素的影响

由表5可知，泰科麦30穗数和穗粒数W1处理较W0显著增加，两者W0和W2间无显著差异；千粒重则W2处理较W0、W1显著提高，分别高6.45%和7.93%。济麦22穗数随灌水量增加而显著增多，W2处理较 W0、W1分别增加32.39%和15.30%；穗粒数 W1处理较 W0显著提高，达21.13%，较 W2提高14.77%；千粒重3个处理间无显著差异。

冬小麦品种为泰科麦30时，登海605穗数3个处理间无显著差异；穗粒数W1、W2处理较W0显著提高，分别高4.06%和1.99%；千粒重 W0最高，显著高于W2。郑单958穗数灌水处理较不灌水处理显著提高，穗粒数W1处理显著高于W0、W2，千粒重 W0处理显著高于 W1、W2，分别高 7.90%和 10.42%。

冬小麦品种为济麦22时，登海605穗数W1处理显著高于W0，与W2无显著差异；穗粒数灌水处理较不灌水处理显著提高，分别高5.92%和2.58%；千粒重则显著降低，分别降 3.52%和3.12%。郑单958穗数、穗粒数灌水处理较不灌水处理显著提高，千粒重则显著降低，分别降8.63%和9.73%，但两灌水处理间均无显著差异。

表5 不同灌水量对冬小麦、夏玉米产量构成因素的影响

2.4 不同灌水量对麦玉周年水分利用效率的影响

由表6可知，4个麦玉品种组合W2处理的周年耗水量较W0、W1显著提高，幅度16.87% ～55.32%。泰科麦30＋登海605组合W0、W1处理周年水分利用效率较W2显著提高，分别为19.43%和 15.96%，但 W0、W1间无显著差异。小麦季耗水量随灌水量增加显著提高，水分利用效率W1处理显著增大；与W0相比，玉米季耗水量随灌水量增加显著提高，水分利用效率显著降低。泰科麦30＋郑单958组合W1处理周年水分利用效率较W0、W2显著提高，分别为25.75%和29.70%。小麦季耗水量随灌水量增加显著提高，水分利用效率W1处理显著增大；玉米季耗水量W2处理显著大于W0、W1，水分利用效率W1处理增大。

济麦22＋登海605组合W0、W1处理周年水分利用效率较W2显著提高，分别达20.34%和11.05%，但W0和W1间无显著差异。小麦季耗水量W2处理最高，显著高于W0、W1；水分利用效率W1处理最高，两灌水处理间无显著差异，但均显著高于W0。玉米季耗水量随灌水量增加显著提高，水分利用效率显著下降。济麦22＋郑单958组合W0、W1处理周年水分利用效率较W2显著提高，分别达8.65%和19.43%，但 W0和W1间无显著差异。小麦季耗水量随灌水量增加W2处理显著高于W0、W1；水分利用效率两灌水处理较W0显著提高，但两者间无显著差异。玉米季耗水量随灌水量增加显著提高，水分利用效率显著下降。

表6 不同灌水量对麦玉周年水分利用效率的影响

3 讨论

前人研究表明，不同灌溉模式的节水效应各不相同，对作物的最终产量也会造成不同影响［21］。适度灌溉或水分亏缺有利于减少小麦整个生育期耗水量，从而提高水分利用效率［11，12］。也有研究表明，在亏缺灌溉条件下，冬小麦水分利用效率得到提高，但其产量均会出现不同程度的降低［22，23］。亏缺灌溉不会显著影响小麦产量，但会显著减少灌溉水量和作物的耗水量，从而提高小麦灌水利用效率和水分利用效率［24］。本研究中泰科麦30和济麦22产量随灌水量增加而增加，但泰科麦30产量W1和W2处理无显著差异，济麦22增产显著。这说明灌水量对抗旱小麦和高肥水小麦的影响存在差异，W1和W2处理对抗旱品种无显著影响，对高肥水品种影响显著。泰科麦30和济麦22均在W1处理下水分利用效率最高，但其耗水量与W0、W2处理存在显著性差异。济麦22在W1、W2处理下水分利用效率差异不显著，说明灌水量对高肥水小麦产量的影响与灌水量呈显著正相关，但其耗水量存在显著性差异。同时说明不同小麦品种对灌水量的响应与品种特性存在显著关系。

随着玉米籽粒机收水平的提高，水分成为限制其产量的重要因素，但对不同地区玉米科学灌溉以及最佳灌溉量并没有明确标准［25］。张杰等［26］研究表明，生育期内的灌水量决定玉米最终产量，并且灌水量过高时水分利用效率较低，不利于产量的提高；另一方面，灌水量较低且达不到玉米正常需水量时，产量会偏低。本研究中，灌水量对登海605产量影响不大，对郑单958产量影响显著，两品种产量均为W1处理最佳，W0水分利用效率最优。这可能与栽培措施、地力条件、品种等有主要关系。强小嫚等［27］研究发现，相同深松条件下，灌三水的麦玉总产量与灌两水相比没有显著提高，冬小麦灌两水模式可以实现高产高效。本试验中，泰科麦30＋登海605、泰科麦30＋郑单958两组合的周年产量，W1、W2处理间无显著差异，与前人研究结果一致。泰科麦30＋登海605周年水分利用效率W0最高，与W1处理无显著差异；泰科麦30＋郑单958周年水分利用效率W1处理显著高于 W0和 W2。济麦22＋登海605、济麦22＋郑单958两组合周年产量和水分利用效率，W1和W2处理有显著差异。说明灌水量对其影响与作物品种有很大关系，并且小麦品种对周年产量和水分利用效率的影响远远超过玉米。

前人研究结果表明，小麦整个生育期间适时适量灌水，则可起到积极作用。不同时期灌水对小麦产量构成有不同影响：起身期灌水主要增加穗数，拔节期灌水主要增加穗粒数，孕穗期或灌浆期灌水有助于提高千粒重［28］。灌溉拔节水会使小麦产量有一定程度的增加［29，30］。冬小麦的需水关键期是拔节期、抽穗期和灌浆期，其中最重要的灌水时期是拔节期，拔节水能显著提高冬小麦产量［31］。拔节期和开花期灌水可以使籽粒产量有一定程度的提高［32］。适当增加灌水次数也可以起到增加冬小麦产量的效果，抽穗期灌水会提高冬小麦产量［33］。李佳佳等［34］研究表明适量增加滴灌量可以有效提高玉米产量。本研究显示，冬小麦生育期内灌水、夏玉米浇灌蒙头水，不仅可以提高冬小麦群体穗数、穗粒数和产量，也可以提高夏玉米群体穗数、穗粒数和产量，进而提高麦玉周年产量。冬小麦越冬期、返青期、拔节期和开花期各灌60 mm水较拔节期、开花期各灌60 mm水相比，产量有提高，但玉米产量略有下降，麦玉周年产量并无显著提高。本研究设置的灌溉方式处理较少，如进一步细化、增加试验处理，结果可能有所不同，但也可为更加细化的试验提供一定参考。