膜下滴灌对春小麦水热条件及产量品质的影响

2020-11-28田德龙侯晨丽张汇娟

灌溉排水学报 2020年11期

刘伟，田德龙*，侯晨丽，徐冰，任杰，张汇娟

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；3.巴彦淖尔市农牧业科学研究院，内蒙古巴彦淖尔 015000）

0 引言

近年来，内蒙古河套灌区引黄水量不断减少，农业灌溉水资源供需矛盾凸显。春小麦是内蒙古河套灌区特色农产品之一，传统畦灌条播模式耗水量较大，当地多年实践灌溉定额平均为4 200～4 800 m3/hm2（除秋浇）；另外，传统畦灌条播很容易受到倒春寒（4 月）、干热风（7 月）的影响，导致产量低、品质差、效益低，农民种植意愿较低。因此，利用新的节水灌溉技术、改变传统密植条播模式、提高麦后复种指数实现1 年2 茬粮经作物种植模式是解决这一问题的有效途径。膜下滴灌小麦采用覆膜穴播的种植方式将滴灌小麦[1]和小麦覆膜穴播[2]技术的优势有效结合，打破了密植作物难以覆盖的区域。地膜覆盖后土壤水分与近地面大气交换受到地膜的阻断，控制了土壤毛管水的土面蒸发，膜内的小环境水气达到过饱和状态，当土壤温度降低时凝结成水珠，滴落在膜下土壤上，渗入下层土壤中，这种模式循环进行，达到保墒作用[3]。由此使得春小麦出苗提前7～9 d[4-5]，增加了播种—拔节阶段积温，使小麦分蘖数增加，且延长了幼穗分化时间，后期的增温效应使小麦提早成熟，避开了高温条件下的灌浆，生长期一般提早10～20 d，其中苗期缩短5～12 d，开花期提前3～16 d，结实期提前4～15 d[6]。膜下滴灌显著提高产量三因素，尤其以穗粒数增加明显。因此膜下滴灌充分发挥保墒、增温、提早播种、提前收获、提质增产、降低种子及肥料用量的特点[7-9]。小麦收获后利用原有地膜、滴灌带进行免耕种植一茬西兰花等作物提高收益。

目前小麦有关研究多集中于覆膜方式[10-13]、生理生态效应[14-15]方面的研究。滴灌小麦是新疆在棉田滴灌技术的基础上发展起来的一种密植型作物灌溉方式，具有增产、增效、节水、节肥等特点[1]。有关研究主要集中于作物生长[16-17]、水盐运移[18]、耗水规律[19]、灌溉制度[17]、滴灌带布设方式等方面[21-22]。覆膜措施可提高耕作层土壤水热环境，作物出苗率及产量发生变化。以上2 种技术结合针对膜下滴灌小麦的研究鲜有报道。本文探讨膜下滴灌对春小麦水热条件及产量品质的影响，明确膜下滴灌小麦的优势特点，为内蒙古河套灌区膜下滴灌小麦的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古磴口县三海子，为温带大陆性季风气候，年平均气温7.6 ℃，年平均降水量为138.2 mm，年平均蒸发量2 096.4 mm，无霜期136～144 d。2017 年、2018 年小麦生育期内降水量分别为56.4、30.2 mm，但降水量分布极不均匀，参考作物蒸发蒸腾量（ET0）分别为698.3、669.9 mm（图1）。土壤0～20 cm 为砂壤土，20～100 cm 为粉壤土，平均体积质量为1.52 g/cm3，生育期地下水埋深300 cm 以下。耕作层0～30 cm土层田间持水率为22%（体积含水率），土壤凋萎含水率为8%，有机质量7.51 g/kg、速效氮量11.33 g/kg、速效磷量31.11 g/kg、速效钾量122.68 g/kg，冬季最大冻土层厚度1.2 m。

1.2 试验设计

供试春小麦品种为永良4 号（中熟品种），当地传统播种方式为条播，播种量为450 kg/hm2。不同于传统条播，膜下滴灌采用人工点播，每穴播种8～12颗，播种量为300 kg/hm2。2 膜间行距和平均穴距均为12.5 cm，3 月中旬播种，7 月上旬收获。试验布置采用“1 膜2 带”的膜下滴管模式，滴灌带间距60 cm，选用普通白色塑料地膜（宽170 cm，厚0.008 mm），每膜播种12 行。试验采用的滴管带为单翼迷宫式（外径：16 mm，壁厚：0.3 mm），设计流量2.4 L/h，滴孔间距30 cm，工作压力50～100 kPa。

参照当地春小麦灌水量：灌水定额为1 050 m3/hm2，生育期灌水4 次，分别在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期，灌溉定额为4 200 m3/hm2。根据当地传统畦灌灌溉定额，膜下滴灌试验设置3 个节水标准（节水48%、36%、23%），依次对应灌溉定额分别为：2 175 m3/hm2（W1）、2 700 m3/hm2（W2）、3 225 m3/hm2（W3），膜下滴灌小麦生育期滴灌7 次，灌水周期为7～10 d。灌水量均采用水表控制（精度：0.001 m3）。每个处理3 次重复，共12 个小区，小区长50 m、宽7 m，小区设有隔离带，在各小区间留有50 cm 宽、40 cm 高的小埂以供试验灌溉和观测，在试验地四周按地形和小区布置情况留有保护区。

参照当地施肥量：播种前种肥施用磷酸二铵525 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，追肥施用尿素600 kg/hm2（分别在分蘖—拔节期、抽穗—开花期施入，2 次等量撒施）。本试验中膜下滴灌小麦播种前施肥磷酸二铵375 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，追肥施用尿素300 kg/hm2，随水滴施。追肥时间分别在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期。试验开始之前，结合秋翻，秋翻施入腐熟的有机肥30 000～45 000 kg/hm2，之后秋浇。

1.3 测定内容及方法

气象数据：试验田附近自设的气象站（HOBO-U30）自动采集，设定为1 min 测量1 次，每60 min 平均1 次，记录数据包括气温、降水量、湿度、太阳辐射、大气压、风速等。

株高：每个生育期测定1 次，用卷尺测定，每个处理小区测10 株（定株）。

穗长：小麦抽穗后测定，每5 d 用卷尺测定1 次，每个处理小区测10 株（定株），取平均值使用；

干物质：每个生育期测定1 次。取长势差异不大的10 株作为样品，将地上部分及根部分开，分别称取鲜质量后，放入烘箱在105 ℃杀青30 min 后，继续在80 ℃烘干48 h 后称其干质量。

小麦产量及品质：每个处理单打单收，晒干后称质量，统计每个处理的籽粒产量。籽粒风干存放1 个月后，每个处理取样3 kg 进行品质分析，主要测定指标为蛋白质量、湿面筋量、吸水率、稳定时间、形成时间、沉降值、拉伸面积、出粉率、延展性、最大阻力，采用瑞典波通DA7200 型近红外分析仪。

土壤含水率：采用TDR 和土钻相结合的方法，每个处理沿滴灌带平行方向2 根滴灌带中间设置5 根TDR 管。从开始播种至收获结束每10 d 观测1 次，灌水及降水前后12 h 加测。取样深度为0～40 cm 每10 cm 为1 层；40～100 cm 每20 cm。

土壤水热状况监测：将北京东方生态科技有限公司生产的“云墒”水热监测仪分别设置在W3 处理和CK，实时监测不同灌溉方式下土壤水热状况变化。水分测量精度±4%（体积含水率），土壤温度测量精度±0.5 ℃。

根据各小区的生物量、籽粒产量和生长期间有效降水量（1 次或24 h 降水量大于5 mm）、灌溉量，计算各小区田间耗水量、水分利用效率进行算术平均，作为各处理的平均值。

采用水量平衡法计算各小区间耗水量，计算式为：

式中：ET 为田间耗水量（mm）；ΔW 为土壤贮水变化量（mm）；P 为有效降水量（mm）；I 为灌溉量（mm）；R 为径流量（mm）；D 为地下水的补给和渗漏量（mm）。

试验期间试验区未发生持续性降雨，地面径流损失R 可忽略不计；一般认为P<5 mm 为无效降雨，降雨系数为0；P=5～50 mm 时，降雨系数为1；当P>50 mm 时，降雨系数为0.8[19]。由于灌溉方式为滴灌，且该区域地下水位在3 m 以下，故忽略地下水补给和渗漏量。

小麦水分利用效率计算式为：

式中：WUE 为水分利用效率（kg/（hm2·m3））；Y 为产量（kg/hm2）。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007制作图表，用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析；如果差异显著，则采用邓肯氏新复极差检验法进行多重比较，检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌对春小麦水热状况的影响

膜下滴灌小麦中，由于覆膜作用抑制了土壤水分的蒸发，小麦苗期外界温度较低，覆盖度较低，蒸腾强度小，膜下滴灌与畦灌0～40 cm 土层之间土壤含水率差异小，小麦快速生长期，蒸腾作用逐渐加强，畦灌处理地表完全裸露在大气中，蒸发作用强于膜下滴灌，故整个生育期膜下滴灌土层间含水率均大于传统畦灌，小麦生育后期，差异更为明显。表1 为2017年和2018 年小麦W3 处理和CK 生育期平均体积含水率。

表1 2017、2018 年小麦生育期0～40 cm 土壤体积含水率 Table 1 Volumetric moisture content of wheat at 0 to 40 cm during the growth period in 2017 and 2018 %

由表1 可知，膜下滴灌小麦含水率较高，2017年生育期内膜下滴灌小麦0～40 cm 土壤平均体积含水率为15.03%，较传统畦灌高5.29%，膜下滴灌小麦0～20 cm 平均体积含水率均显著高于传统畦灌（p<0.05）。2017 年3—4 月由于土壤温度梯度，下层土壤水分向上运移，0～20 cm 土壤体积含水率大于20～40 cm。随小麦生育期推进，5 月后，地表蒸发强度增加，小麦0～20 cm 土壤体积含水率较20～40 cm土层降低；与传统畦灌相比，膜下滴灌条件下0～40 cm土壤体积含水率平均增加6.91%。2018 年膜下滴灌小麦0～40 cm 土壤平均体积含水率为21.99%，受秋浇影响，土壤体积含水率同比上年增加46.31%，较传统畦灌增加6.47%。膜下滴灌小麦0～20 cm 土壤体积含水率较传统畦灌增加0.14%～3.62%；20～40 cm 膜下滴灌小麦土壤平均含水率较传统畦灌增加2.42%～17.94%，其中4—7 月膜下滴灌20～40 cm 土壤含水率显著高于传统畦灌（p<0.05）。膜下滴灌增加土壤水分，减少表层土壤水分蒸发，达到保墒效果。

由表2 可知，土壤温度受外界温度影响较大，随外界温度升高，0～40 cm 土层土壤温度均升高。由于水的比热容比土壤大，随土层深度增加，土壤体积含水率增加，导致小麦20～40 cm 土壤温度较0～20 cm土层偏低。2017 年膜下滴灌小麦0～20、20～40 cm 土壤平均温度较传统畦灌分别提高1.40、0.91 ℃。3 月膜下滴灌小麦0～20 cm 土壤温度较传统畦灌增温最小，为0.47 ℃；5 月膜下滴灌小麦20～40 cm 土壤温度较传统畦灌增温最大，为1.55 ℃。6 月后期受灌溉水温度及小麦叶面积指数影响，土壤温度增温幅度减缓。2018 年膜下滴灌小麦生育期内0～20、20～40 cm土壤温度较传统畦灌增温幅度呈平缓变化趋势，分别增温0.53、0.36 ℃。5 月膜下滴灌小麦0～20 cm 土壤温度较传统畦灌增温最小，为0.38 ℃，可能原因为5 月外界气温在回升中上下幅度变化较大，同时该时期小麦进入拔节期进行灌溉，灌溉水温偏低导致土壤温度小幅降低。2017 年、2018 年膜下滴灌小麦生育期土壤温度进行差异性分析可得，2018 年膜下滴灌小麦平均土壤温度与传统畦灌差异不显著（p>0.05）；2017 年5 月膜下滴灌小麦20～40 cm 平均土壤温度与传统畦灌差异性显著（p<0.05），其他月份土壤温度均无显著差异。可以看出与传统畦灌土壤相比较，膜下滴灌可增加0～40 cm 土层土壤温度，但土壤温度差异不具有统计学意义。

表2 2017、2018 年小麦0～40 cm 土壤温度变化规律 Table 2 Soil temperature changes of 0～40 cm wheat in 2017 and 2018 ℃

2.2 膜下滴灌对小麦生长及产量的影响

各处理小麦生育期株高及干物质累积量变化规律如图2 所示。小麦拔节期—灌浆期株高增长速度最快，灌浆期达到最大，与CK 相比，2 a 膜下滴灌小麦灌浆期株高分别平均增加5.97%、2.89%。成熟期株高变化趋于稳定，小麦生长速度减缓。2 a 膜下滴灌小麦成熟期株高较CK 分别平均增高3.70、3.00 cm；2 a 膜下滴灌条件下，当灌水量从W2 处理增加到W3处理，株高明显增高，分别增加5.51%、2.69%。小麦拔节期前干物质累积速度缓慢，拔节期—成熟期干物质积累速度加快。2 a 膜下滴灌条件下不同处理小麦成熟期干物质累积量较传统畦灌相比平均提高7.53%和4.11%，2 a 膜下滴灌条件下，随灌水量增加，小麦单株干物质累积量平均增加13.75%、5.60%，W3 处理干物质累积量最大，分别为7.13、6.55 g/株。表明膜下滴灌条件下有利于提高小麦株高及干物质累积量，灌水量增加促进小麦生长发育。

表3 为小麦各处理产量构成要素及水分利用效率结果。由表3 可知，与畦灌相比，膜下滴灌小麦2 a平均穗数、百粒质量和单株籽粒产量分别增加11.02%、2.71%和10.03%；2 a 膜下滴灌小麦的平均产量为5 219 kg/hm2，较畦灌提高20.80%。2017 年小麦产量最高，且不同处理小麦产量构成要素表现较好，其中低水处理小麦百粒质量、产量显著高于CK（p<0.05），产量较传统畦灌增加21.31%；随灌水量增加，穗数、百粒质量及产量均增加，分别平均提高15.44%、10.26%、3.29%。2018 年不同处理小麦产量较上1 年下降，膜下滴灌不同处理小麦产量与灌水量呈正相关，当灌水量从W1 到W2 处理，W2 到W3处理，小麦产量分别增加21.03%、4.70%，灌水量过量增加，对小麦增产效应开始减小。较传统畦灌（CK），膜下滴灌小麦各处理产量平均增加480.80 kg/hm2；W2 及W3 处理产量显著高于传统畦灌（CK）（p<0.05），分别增产663.67、867.10 kg/hm2。W1 处理小麦产量减小降低2.41%，其中百粒质量降低0.29 g。

图2 2017 年、2018 年各处理小麦株高、干物质累积量变化规律 Fig.2 Changes of plant height and dry matter accumulation in wheat growth stages in 2017 and 2018

表3 2017、2018 年不同处理产量、产量构成要素及水分利用效率 Table 3 Yield components and WUE of different irrigation treatments of wheat in 2017 and 2018

小麦各处理生育期耗水量随灌水量增加呈上升趋势，由于灌水量增加，促进小麦快速生长发育，致使蒸腾量增加，2 a 均为传统畦灌耗水最大，较膜下滴灌耗水量平均增加18.96%。膜下滴灌条件下不同处理中2 a 均为W3 处理耗水最大，2017 年W1、W2处理的总耗水量较W3 处理分别低13.97%、4.87%，2018 年则低11.42%、7.11%。2 a 的水分利用效率随灌水量的变化存在差异。2017 年小麦不同处理水分利用效率随灌水量增加而降低，膜下滴灌小麦各处理水分利用效率较传统畦灌（CK）平均提高51.40%；2018 年小麦不同处理水分利用效率随灌水量增加呈先增加后降低趋势，膜下滴灌小麦不同处理水分利用效率均高于传统畦灌（CK），平均提高43.92%。膜下滴灌条件下W2 处理水分利用效率最大，W1 处理最低，呈抛物线趋势。可见在干旱地区，膜下滴灌较传统畦灌可提高小麦产量，降低耗水量，提高作物水分利用效率；过量灌水会降低水分利用效率，适度水分亏缺可提高作物水分利用效率。

2.3 膜下滴灌对小麦品质的影响

表4 为不同处理小麦品质指标测定结果。2 a 膜下滴灌小麦各处理较传统畦灌（CK）蛋白质、湿面筋量平均提高1.02%、2.42%，吸水率、稳定时间、形成时间等指标均增加。2 a 膜下滴灌小麦各处理受灌水量影响，小麦蛋白质、湿面筋量均为W1 处理最高，W3 处理最低；当灌水量从W1 到W2 处理，W2到W3 处理，蛋白质量平均减少0.34%、0.62%，湿面筋量平均减少0.89、1.46%。可以看出灌水过量时，小麦品质下降。2 a 膜下滴灌小麦各处理吸水率、稳定时间、形成时间等指标随灌水量增加，变化趋势不同，2017年随灌水量呈递减趋势，W1 处理最大，2018 年呈抛物线变化趋势，W2 处理最大。2017 年膜下滴灌小麦各处理蛋白质、湿面筋量平均值较CK 分别高1.32%、3.03%；2018 年则为0.73%、1.81%。其中W1 处理蛋白质、湿面筋量均显著高于较传统畦灌（CK）（p<0.05）。通过以上分析表明膜下滴灌有利于小麦各项品质指标的提高，膜下滴灌条件下灌水量2 175～2 700 m3/hm2更利于小麦品质的提升。

表4 2017 、2018 年不同处理小麦品质指标 Table 4 Quality indicators of different irrigation treatments for wheat in 2017 and 2018

3 讨论

膜下滴灌条件下土壤温度的提高和水分状况的改善是小麦增产的主要原因，覆膜措施调节了作物播种期土壤温度，形成有利于春播作物播种及苗期生长的土壤水、热环境，提高小麦出苗率。本研究膜下滴灌小麦0～20、20～40 cm 较传统畦灌土壤平均温度高0.97、0.64 ℃，较传统畦灌0～40 cm 土壤含水率2017年、2018 年分别增加5.29%、6.47%，因2017 年试验地秋浇水量较大导致2018 年试验各处理0～40 cm 土壤体积含水率高于2017 年。因土壤水热条件的改善，促进了小麦根系的生长，提高根系吸水和吸收矿质营养元素的能力，进而影响作物干物质的积累，提高作物产量。小麦从播种到拔节，一般土壤蒸发占总耗水50%～60%，植株蒸腾占40%～50%。拔节后土壤蒸发占40%，而植株蒸腾占60%左右[23]。覆膜有效阻隔了土壤水分蒸发，无效水分消耗减少，提高了蒸腾/蒸发比例，作物水分的良性循环，加大了土壤热量梯度的差异，使土壤深层水分向上移动，并在上层聚积，形成提水上升的保墒效应[24]。与传统畦灌相比，滴灌滴头铺设在膜下，土面蒸发减少，可溶性肥料随水滴入作物根系区域，直接满足作物水肥要求，滴灌不会产生地表径流，减少水分渗漏，水肥利用效率均提高，作物达到丰产、增产目的[25]。本研究表明2017、2018年膜下滴灌小麦平均产量较CK 分别增产1 316.21、480.80 kg/hm2，2018 年膜下滴灌小麦同比上1 年产量下降34.11%，原因是2018 年小麦灌浆期蚜虫危害发生，造成小麦产量严重减产。蛋白质是反映小麦品质的最直接目标，而湿面筋量在一定程度上反映了蛋白质品质，湿面筋量不同使得面团的弹性和黏性不同[23]。小麦品质受遗传和环境的双重影响，其中土壤水分对籽粒蛋白质量影响显著，一般蛋白质量与土壤含水率负相关[27]，本研究表明，膜下滴灌小麦蛋白质及湿面筋量显著高于CK，低水处理小麦蛋白质及湿面筋量最大。土壤水分过多或过少均会导致小麦产量、营养品质和加工品质的下降，适宜的土壤含水率既可以提高产量，又可以改善品质，水分多少影响了小麦籽粒氮代谢关键酶活性[28]，从而导致籽粒蛋白质量及其产量下降，影响籽粒品质。膜下滴灌小麦适宜灌水量为2 700 m3/hm2，较传统畦灌可达到节水增产目的，达到提高水分对产量的增产效应，有利于提高生物量、产量、蛋白质及湿面筋量等指标。