不同灌溉控制指标对冬小麦生长及耗水特性的影响

2021-04-28刘战东张伟强段爱旺刘祖贵

灌溉排水学报 2021年4期

雷媛，刘战东，张伟强，黄超，段爱旺，娄和，刘祖贵

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业部作物需水与调控重点实验室，河南新乡453002；2.中国农业科学院研究生院，北京100081；3.河南省科学技术发展战略研究所，郑州450003；4.河南威盛电器有限公司，河南新乡450001）

0 引言

【研究意义】20 世纪60年代以来，黄淮海地区出现了气温升高、降水减少的气候演变趋势，水资源短缺已成为制约该地区农业生产可持续发展的主要原因[1-2]，但该地区灌溉水有效利用率低，水资源浪费严重[3]。如何在保障作物高产的前提下大幅度减少农业用水量，实现作物高产与节水的协同，是缓解农业用水短缺与粮食持续稳产高产矛盾的关键[4]。

【研究进展】冬小麦是华北地区主要粮食作物之一，灌溉是保障冬小麦高产、稳产的主要农田管理措施之一[5-6]，对于提高冬小麦灌溉水利用效率尤其是优化冬小麦灌溉控制指标的研究，国内外已经开展了大量的工作[6-10]，主要包括适宜灌溉水量的确定[7-8]以及在生育期内灌水量的合理分配[9-11]。李晓航等[12]发现在冬小麦的需水关键期（拔节期、开花期）将0～80 cm 土壤墒情保持在田间持水率的75%为较佳灌水处理；金修宽等[13]发现在冬小麦拔节期、开花期将0～40 cm 土层土壤质量含水率保持在田间持水率的60%为冬小麦最优的节水、高产组合。此类试验本质上都可通过控制不同生育期计划湿润层深度和土壤含水率控制上、下限指标来对土壤有效含水率（AWC）进行调控[14-16]来实现。AWC是指土壤一定深度内能够贮藏并能被植物利用的水，灌溉的主要目的就是为了补充土壤中AWC被消耗掉的部分，在实际生产中一般采用土壤作物根系层易被直接吸收的有效水量（RAW）来制定灌溉制度，RAW与土壤性质、计划湿润层深度以及植物发生水分胁迫之前能从根系层中消耗的水量占土壤总有效水量的比例相关[17-18]，所以RAW值的大小要同时受到计划湿润层深度和选定的土壤含水率控制上下限的共同影响[19]。

【切入点】目前许多针对冬小麦灌溉制度的研究只是将土壤含水率控制下限作为研究对象，把计划湿润层深度设为某一定值来开展研究，忽略了2 个因子交互作用对RAW的影响。因此对于适宜的土壤含水率控制下限及计划湿润层深度组合需要进一步探究。【拟解决的关键问题】通过控制土壤含水率控制下限和计划湿润层深度，使作物处于对应的土壤水分条件下，研究其对冬小麦灌水次数、灌水定额和产量、水分利用效率等的影响，探究节水稳产的灌溉控制指标组合，为高效灌水技术推广和现代化农业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年10月—2019年6月在中国农业科学院农田灌溉研究所七里营试验基地进行。试验区位于华北平原河南省新乡市新乡县七里营镇（东经113°54′、北纬35°18′，海拔84 m），属于典型的暖温带半湿润半干旱地区，年平均降水量582 mm，其中6—10月降水量占全年降水量的70%～80%；年平均气温14 ℃，年日照时间2 399 h，无霜期210 d，年潜在蒸散量2 000 mm。土壤类型为潮土，质地为轻砂壤土，试验区土壤pH 值为8.8，地下水埋深大于5 m，在华北平原南部地区具有较好的代表性。生育期降水总量为92.5 mm。表1 为试验点土壤物理参数，其中土壤粒径采用BT-9300HT 型激光粒度分析仪测定，田间持水率采用田测法测定，凋萎系数采用高速离心法测定，土壤体积质量和土壤饱和含水率通过环刀法测定。

1.2 试验材料与处理

试验设置计划湿润层深度和土壤含水率控制下限2 个因素，其中计划湿润层深度因素设置60 cm（T60）、80 cm（T80）和100 cm（T100）3 个水平，土壤含水率控制下限因素设置为土壤有效含水率（AWC）的40%（L）、50%（M）、60%（H），采用双因子随机区组设计，合计9 个处理，每个处理重复3 次（表2）。

表1 试验点土壤物理参数Table1 Soil physical parameters of the test site

表2 试验设计Table2 Experimental design

每个处理小区面积为10 m×30 m=300 m2，处理间设置隔离带2 m。采用微喷灌方式灌溉，当计划湿润层深度的平均土壤含水率下降至设定的土壤含水率控制下限时，即开始实施灌溉，到计划湿润层灌至田间持水率时停止，灌水量用水表计量。

研究对象为冬小麦，品种为周麦22，2018年10月15日播种，翌年6月7日收获。播种量均为225 kg/hm2，种植行距为20 cm。播种前所有处理都基施缓控尿素300 kg/hm2，复合肥750 kg/hm2，其他时期不再施肥。在冬小麦全生育期中，各处理除设计的试验因素不同外，其他田间栽培管理措施均保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率

土壤含水率采用“智墒”土壤水分原位监测仪器（东方智感科技股份有限公司）测定。每隔10 cm布置探头，监测深度至土壤表层下100 cm ，时间间隔为1 h。

1.3.2 作物耗水量计算

冬小麦耗水量运用水量平衡法计算：

式中：ETi为作物各生育阶段耗水量（mm）；ΔW时段内土壤储水量变化（mm）；I为时段内的灌水量（mm）；G为时段内地下水补给量（mm）；P为时段内有效降雨量（mm）；D为时段内深层渗漏量（mm）；R为地表径流量（mm）。试验区域地下水的补给量可忽略不计，观测作物生育期内降雨和灌水没有形成明显径流，深层渗漏量依据D=M0+Hi-Mt来推算[20]，M0、Hi、Mt分别为90～100 cm 土层在灌水或降雨前的初始体积含水量（mm）、灌水或降雨后水分增量（mm）及田间持水量（mm）。故式（1）可简化为：

1.3.3 籽粒产量

小麦成熟后，每个小区随机选取2 m2（1 m×2 m）为样本，籽粒自然风干后称质量。每处理重复3 次，换算成单位面积产量。

1.3.4 生长发育调查

从播种后第170 天开始，每隔10 d 观测株高、叶面积、生物量等生长发育指标。随机取可代表整体趋势的10 株样本，利用精度为1 mm 刻度的直尺测量各处理株高（地上部分底部到顶端），冬小麦的叶面积指数采用冠层分析仪测量。

生物量每隔10 d 采样1 次，取冬小麦地上部分杀青、烘干后称质量。小麦成熟后，每个小区随机选取2 m2（1 m×2 m）为测产样本，籽粒自然风干后称质量计产。每处理重复3 次，换算成单位面积产量

1.3.5 水分利用效率（Water Use Efficient，WUE）

水分利用效率利用计算式：

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm））；籽粒产量（kg/hm2）；ET为耗水量（mm）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理；利用OringinPro 2017 软件进行图表的绘制；采用SPSS 25 计算各处理的统计特征值；利用Duncan’s 新复极差法（SSR）进行差异性检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理灌水情况

不同处理的灌水定额、灌水次数、灌水时间及灌水总量如图1 所示。同一土壤含水率控制下限，灌水定额与计划湿润层深度呈正比，T100 处理灌水定额比T80 处理增大了25.0%，T100 处理比T60 处理增大了66.7%；同一计划湿润层深度，灌水定额与土壤含水率控制下限呈反比，H 处理比M 处理的灌水定额减少了21.1%，H 处理比L 处理减少了37.5%。灌水定额越小，灌水次数越多，T60H 和T80H 处理的灌水次数最多为4 次。总灌水量受灌水定额和灌水次数共同影响，9 个处理间T80H 和T100L 处理总灌水量最大，为240 mm；T60L 处理总灌水量最小，为144 mm。

图1 不同处理灌水定额、灌水次数及灌水总量Fig.1 Irrigation water quota,irrigation times and total amount of irrigation water of each treatments

2.2 不同水分处理土壤水分动态变化

各处理土壤含水率动态变化情况如图2 所示。生育后期有3 次大于15 mm 的降水。各处理由于灌水定额及灌水时间的差异，自播种130 d 之后土壤贮水量发生明显差异（P＜0.05）。播种137 d 后，T60H 处理率先到达其对应的土壤含水率控制下限，对其补灌到对应的灌水定额（45 mm）使土层60 cm 的平均土壤含水率到达田间持水率。T60L 处理和T100M 处理首次到达对应的土壤含水率控制下限时已是播种后第171 天。各处理的灌水时间在播种后第200 天至220 天的次数占总灌水次数的比例高达52.0%。与图1 灌水情况相对应，同一土壤含水率控制下限（40%～60%），计划湿润层深度越深（60～100 cm），处理越迟抵达其对应的土壤含水率控制下限，且对应的灌水次数越少、灌水定额越大；同一计划湿润层深度（60～100 cm），其土壤含水率控制下限设置越高（40%～60%），灌水次数越多，灌水定额越小。此外，在冬小麦收获期，不同计划湿润层深度H 处理的土壤贮水量均最大，H处理较M处理土壤贮水量平均增大7.7%，较L 处理大15.0%。

图2 不同处理间土壤含水率均值动态变化Fig.2 The mean value of soil water changed dynamically between different treatments

2.3 不同处理株高、叶面积指数

由图3 可知，各处理叶面积指数（LAI）变化趋势一致，呈先增大后减少的趋势，播种180 d 后进入快速生长期，播种220 d 后，植株生长基本停止，叶片萎蔫，LAI值明显降低。不同灌水处理对冬小麦LAI和株高产生一定影响，在播种后220 d 左右LAI达到最大，具体表现为T60 处理=T80 处理＞T100 处理，H处理=M 处理＞L 处理，其中T60 处理和T80 处理LAI值较T100 处理增大了8.3%～13.4%，H 处理和M 处理LAI值较L 处理增大了7.2%～8.3%。最终9 个处理中T80M 的LAI相对最大，最大值达到了5.34。各处理间株高变化趋势一致，在播种210 d 之后增长趋势变缓。

图3 不同处理株高及叶面积指数变化Fig.3 The changes of plant height and leaf area index between different treatments

2.4 不同处理干物质累积情况

由表3 可知，不同处理间计划湿润层深度和土壤含水率控制下限交互作用会对冬小麦花前及花后的干物质转运和积累产生显著影响（P＜0.05），但计划湿润层深度间和土壤含水率控制下限间差异不显著（P＞0.05）。9 个处理花前干物质累积量表现为T80H处理和T80M 处理最大，T60L 处理最小，最大值与最小值之前差异达到29.5%，花后干物质累积量表现为T80M 处理最大，达到了85 272.67 kg/hm2，其次为T80H处理，T60L处理最小，值为52 020.33 kg/hm2，最大和最小值之间的差异达到39.0%。因此，随计划湿润层深度（60～100 cm）和土壤含水率控制下限（40%～60%）的增大，冬小麦花前及花后的干物质累积量呈先增大后减小的趋势。

2.5 不同处理产量构成、耗水量及水分利用效率

表4 为不同处理下的冬小麦产量构成、耗水量及水分利用效率。由表4 可知，计划湿润层深度和土壤含水率控制下限及其交互作用对于冬小麦穗数的影响不显著（P＞0.05），而对于穗粒数、千粒质量、产量、耗水量及水分利用效率均有显著影响（P＜0.05）。

不同处理间穗粒数表现为H 处理＞M 处理＞L 处理，T80 处理＞T100 处理＞T60 处理，L 处理和M 处理的穗粒数较H 处理分别少5.9%、1.3%，T80 处理和T100 处理的穗粒数较T60 处理分别多1.8%、0.6%。T80H 处理和T100H 处理的穗粒数最多，T100L 处理和T60L 处理的穗粒数最少，其差异在6.9%～7.8%之间。可见，土壤含水率控制下限为60%时，穗粒数相对较多，而计划湿润层深度比土壤含水率控制下限对穗粒数的影响小。

表3 不同处理下冬小麦干物质累积情况Table 3 Dry matter accumulation of winter wheat under different treatments kg/hm2

不同处理间千粒质量表现为L 处理＞M 处理=H处理，T60 处理＞T80 处理＞T100 处理，L 处理和M处理较H 处理其千粒质量分别增大了1.5%、0.1%，T80 处理和T100 处理较T60 处理千粒质量分别减小了2.3%、2.6%。T60L 处理和T60M 处理的千粒质量最大。故土壤含水率控制下限越高，千粒质量呈增大的趋势，60 cm 的低计划湿润层深度较80 cm 和100 cm 更有利于千粒质量的增加。

不同水分处理间产量表现为H 处理＞L 处理＞M处理，T80 处理＞T60 处理=T100 处理，L 处理和M处理产量较H 处理分别减少了12.7%、4.6%，T60 处理和T80 处理产量较T100 处理分别增大了1.3%、6.0%。T80H 处理产量最大，T100L 处理产量最小，最大值和最小值之间相差16.1%。土壤含水率控制下限越高，产量呈增加趋势；当计划湿润层深度为80 cm时产量相对最高。而不同水分处理间耗水量表现为H处理＞M 处理＞L 处理，T80 处理＞T100 处理＞T60 处理。其中T100H 处理耗水量最大，比耗水量最小的T60L 处理耗水量增加13.9%。

表4 不同水分处理下冬小麦产量构成、耗水量及水分利用效率Table 4 Yield composition,water consumption and water use efficiency of winter wheat under different treatments

最终，水分利用效率表现为H 处理=M 处理＞L处理，T60 处理＞T80 处理＞T100 处理，T60H 处理的水分利用效率达到最大，为19.96 kg/（hm2·mm）。由此可见，计划湿润层深度越低（60～100 cm），土壤含水率控制下限越高（40%～60%），冬小麦水分利用效率呈增高的趋势。

3 讨论

在本研究中，较小的计划湿润层深度和较高的土壤含水率控制下限缩短了灌水间隔，减少了灌水定额，当计划湿润层深度较小时，土壤水主要分布在表层，易于被蒸腾作用所消耗，因此表层及浅层土壤水能及时获得补充[21-22]，而灌水频率越高，土壤含水率变异性也越高[23-24]，在这2 个因子的共同作用下，土层水分交换频繁。相关研究表明，增加灌水频率将增加土壤表层水分湿润时间，增大土壤蒸发损失。但当叶面积指数大于一定数值时，土壤蒸发占蒸散比例显著降低。因此，对于冬小麦限水灌溉下增加灌水频率的时间应在作物生长的中后期[19]。在本研究中，整个生育期测墒补灌后不同处理之间的灌水差异也多集中在播种150 d 之后。

试验中各处理的灌水量同时受到土壤含水率控制下限与计划湿润层深度的影响。例如，T80H 和T100L 处理总灌水量最大均为240 mm，但在试验中二处理的灌水情况又有所差异，T80H 处理的初次灌水时间为播种后第156 d，而T100L 处理的初次灌水时间为播种后190 d，T100L 处理的计划湿润层深度最大，土壤含水率控制下限最低，首次达到对应的灌溉控制下限所需的时间也较长，可以通过该2 个灌溉控制指标来控制初次灌水时间。且冬小麦在返青后初次灌水时间的早晚会对植株后期的生长发育造成较大影响[22-23]，李晓爽等[10]发现在冬小麦拔节后10～15 d 灌水，既能够充分利用土壤蓄水，也有利于提高产量和水分利用效率，刘志良等[22]发现在春灌一水条件下，适当推迟灌拔节水有利于小麦产量的提高，其中4月5日灌水效果最好。在本研究中对应T80H 处理的初次补灌时间，而最终T80H 处理的产量比T100L 处理大16.1%，这与前人研究结果[10,22-24]一致。

巨龙等[24]研究表明，随着灌水量的增加，边际土壤含水率先增大后减小，水分利用效率呈递减趋势。在本试验中，过度地提高计划湿润层深度或者将土壤含水率控制下限设置过低均不利于冬小麦叶片的生长发育，这可能是因为计划湿润层深度较深或土壤含水率控制下限过低会导致冬小麦根系附近的土壤较长时间处于含水量较低的状态，水分过多集中到了深层土壤[25-26]。本研究中花前花后的干物质累积量与灌溉定额整体上呈正相关关系，傅晓艺等[27]发现灌溉次数越多，灌水总量越大，冬小麦生物产量越高，这与本研究结果一致。

本试验表明，计划湿润层深度越浅（60～100 cm）、土壤含水率控制下限越高（40%～60%）的处理使得水分利用效率相对最大，这可能是由于在这种灌溉策略下，灌水时间与冬小麦需水规律相契合，且水分主要集中在冬小麦主要根系分布区，深层渗漏量较少，更易于被冬小麦吸收利用[28-29]。另外，当主要根系分布层土壤水分达到阈值时，能及时获得补充，避免了因水分亏缺而导致的减产[30-31]。因此，在本试验条件下，计划湿润层深度越浅、土壤含水率控制下限越高，其水分利用效率越高。