不同播种方案下补灌对冬小麦水分利用和产量的影响

王 森，尚云秋，朱俊科，谷淑波，王 东2,

(1.山东农业大学/作物生物学国家重点实验室,山东泰安 271018；2.西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100；3.淄博禾丰种业科技股份有限公司,山东临淄 255000)

黄淮海平原是我国小麦主产区[1-2]，也是小麦-玉米一年两熟区[3]。近年来随着玉米晚收技术的推广应用，小麦播种期明显推迟，与以往相比，小麦生长季分配的光热和降水资源发生了较大变化，因而明确推迟播期后小麦群体结构及其耗水特性的变化，探索适宜的补灌方案对持续提高小麦产量和水分利用效率、实现周年高产高效有重要意义。

播期和密度是影响小麦群体性状和产量形成的两个重要因素。小麦在适期播种时可充分利用冬前光热资源，培育壮苗；播量直接影响小麦的种植密度。适宜的播期和种植密度能较好地协调小麦个体特征和群体质量的关系，优化产量结构，实现高产[4]。与传统播期相比，推迟播期会导致小麦群体减小，降低有效分蘖数量；使小麦灌浆期处于高温天气，缩短灌浆时间[5]；减少小麦对氮素的吸收和籽粒中氮素的积累，最终降低籽粒产量[6]。增加种植密度是弥补因晚播导致小麦成穗数减少、产量降低的重要栽培措施[7]。有研究表明，推迟播期和增加种植密度可显著提高小麦冬前分蘖数量、春生分蘖数量和最终成穗数，并显著增加产量[8]。在合理的播期和种植密度组合条件下小麦可以获得高产。在适宜范围内晚播增密时，小麦籽粒产量不减少；继续增加播种量后，群体增大，籽粒产量并没有提高[9]。播期由10月10日推迟至20日，种植密度由247×104株·hm-2增至314×104株·hm-2时，小麦冬前群体数量、成穗数量和籽粒产量显著降低[10]；继续推迟播期至11月12日，种植密度增加至375×104株·hm-2时，成熟期干物质积累量、穗粒数、千粒重和籽粒产量显著降低[11]。以上研究结果表明，因播期和播量不同，小麦的群体发育及其结构就会存在显著差异。拔节至开花期是小麦穗数和穗粒数形成的关键时期，该时期的水分管理对群体结构和产量形成有显著影响。因此，对于因播期播量不同导致的群体结构不同的麦田，如何在拔节至开花期根据小麦不同的群体结构确定合理的补灌水时间和数量，以实现穗数、穗粒数和千粒重三者的协调，提高产量和水分利用效率，是亟待解决的科学和技术问题。

本试验通过设置播期播量处理构建不同的小麦群体结构，在小麦分蘖两极分化和穗花发育的关键时期即拔节期和开花期设置不同的补灌方案，研究补充灌溉对不同群体结构冬小麦耗水特性、籽粒产量和水分利用效率的影响，以期为冬小麦高产节水栽培提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018-2019年小麦生长季，在山东省泰安市岱岳区道朗镇玄庄村 (36.12°N,116.55°E)大田进行。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温为13.3 ℃，年均降水量为654.6 mm，降水主要集中在夏季。播种前试验地0～20 cm土层土壤含有机质9.6 g·kg-1、全氮1.02 g·kg-1、碱解氮87.35 mg·kg-1、有效磷30.65 mg·kg-1和速效钾124.33 mg·kg-1。小麦生长季有效降水量为113.6 mm，其中播种期至越冬期、越冬期至拔节期、拔节期至开花期、开花期至成熟期的有效降水量分别为28.8、2.8、37.6、44.4 mm。试验田播种时土壤水分状况、土壤容重见表1，小麦不同生育时期积温见表2。

表1 试验田0～200 cm土层播种前土壤容重、田间持水率和土壤相对含水率Table 1 Soil bulk density,field capacity and soil relative water content in the 0-200 cm soil layers of the experimental field before sowing

表2 冬小麦不同生育时期积温(>0 ℃)Table 2 Accumulated temperature (>0 ℃)at different growth stages of winter wheat ℃

1.2 试验设计

试验采用裂裂区设计，以品种为主区，选用大穗型品种山农23和中多穗型品种山农29；以播种方案(播期+种植密度)为副区，设10月5日播种+基本苗120×104株·hm-2(适期精播，A1)和10月12日播种+基本苗240×104株·hm-2(晚播增密，A2)两个水平；以补灌方案为副副区，设拔节期和开花期补灌均使0～20 cm(拟湿润层)土层土壤相对含水率达100%田间持水率(W1)及拔节期补灌使0～40 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率(W2)两个水平，同时设拔节期和开花期均不灌水处理(W0)为对照。

拔节期和开花期灌水量(表3)根据灌水定额公式[12]计算：I=10×γ×H×(FC-βj)，式中I为需补灌水量(mm)，γ为拟湿润层土壤容重 (g·cm-3)，H为拟湿润层深度(cm)，FC为拟湿润层土壤田间持水率(%)，βj是灌水前拟湿润层土壤质量含水率(%)。播种期和越冬期采用按需补灌方法[13]确定是否需要补灌以及所需补灌水量。灌溉水源为井水，经输水带输送，采用肥水一体化灌溉系统(ZL201410499375.7)[14]将灌溉水均匀喷洒在田间。灌水量采用水表计量。

表3 各处理不同生育时期的补灌水量Table 3 Irrigation amount at different growth stages under different treatments

试验小区面积46 m2(2 m×23 m)，3次重复。小区间设1.0 m隔离带，防止水分测渗影响。播种前底施复合肥750 kg·hm-2(含N∶ P∶K的比例为15∶15∶15)，拔节期追施纯氮 112.5 kg·hm-2。小麦收获期为2019年6月12日。其他田间管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率的测定

每个小区于小麦播种前、灌水前1 d和成熟期用土钻取 0～200 cm土层的土壤样品，其中 0～40 cm 土层按10 cm一层取样，40～200 cm 土层按20 cm一层取样，土样装入铝盒。称鲜土重后置于烘箱中，110 ℃烘至恒重，然后称干土重，并计算土壤质量含水率和土壤相对含水率[15]。

土壤质量含水率=(鲜土质量-干土质量)/干土质量×100%；土壤相对含水率=土壤质量含水率/田间持水率×100%。

1.3.2 土壤贮水消耗量和农田耗水量的计算

小麦生育期土壤贮水消耗量(ΔW)的计算公式[16]如下：

式中，ΔW为土壤贮水消耗量(mm)；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土壤容重 (g·cm-3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)；θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的质量含水量(%)。

小麦生育期农田耗水量(ETc)的计算公式[17]如下：

ETc=ΔW+Pr+I-R-D+CR

式中，ETc为小麦生育期农田耗水量(mm)，ΔW为0～200 cm土层土壤贮水量消耗量(mm)，Pr为降水量(mm)，I为补灌水量(mm)，R为地表径流(mm)，D(mm)是根部区域的排水量，CR为根部毛细上升量(mm)。根据Ali等[18]的研究，当地下水位低于地表以下2.5 m，D和CR可忽略不计。本试验田的地下水位位于地表以下8 m处，可忽略D和CR的影响。另外，试验田的斜率为2.2%，在该地区自然降水条件下不会引起地表径流，因此R也可以忽略。

1.3.3 总茎蘖数动态调查

每个小区选取长势均匀一致的1 m×8行小麦样区用于总茎蘖数动态的调查。于小麦越冬期、返青期、拔节期、开花期和成熟期分别调查总茎蘖数量，其中返青期至开花期每隔7 d调查一次，并计算单位面积总茎蘖数量。

1.3.4 干物质积累动态调查

每个小区于越冬期、返青期和拔节期分别选取20个小麦植株，并调查分蘖数量；开花期和成熟期分别随机选取20个小麦单茎，开花期按茎秆、叶片和穗分样，成熟期按茎秆、叶片、穗轴+颖壳和籽粒分样。返青期至开花期每隔7 d取样一次。植株样品放入烘箱中105 ℃杀青30 min后，在75 ℃条件下烘干至恒重，称干物质量并计算单位面积干物质积累量。

1.3.5 籽粒产量及其构成因素测定

每个试验小区于小麦成熟期收获2 m2，人工收割、脱粒后自然风干至籽粒含水量为12.5%左右称重，计算公顷产量。

1.3.6 水分利用效率和灌水生产效率计算

水分利用效率=籽粒产量/全生育期耗水量；

灌水生产效率=(灌溉处理的产量-不灌溉处理的产量)/灌溉处理的灌水量。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2016处理试验数据，采用DPS 7.05数据处理系统软件对试验数据进行方差分析和显著性检验(LSD法)，并采用Sigmaplot 12.5绘图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦耗水特性

山农23的土壤贮水消耗量和总耗水量大于山农29(表4)。播种方案对土壤贮水消耗量和总耗水量均无显著影响，但与W2处理相比，W1处理显著提高了土壤贮水消耗量和总耗水量。品种与补灌方案的互作、播种方案与补灌方案的互作以及品种、播种方案、补灌方案三者间的互作均显著影响土壤贮水消耗量和总耗水量。对于同一品种，在A1条件下，与W2处理相比，W1处理具有较高灌水量及其占总耗水量的比例，显著降低土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例，两灌水处理间降水量占总耗水量的比例无显著差异；在A2条件下，与W2处理相比，W1处理显著提高土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例、总耗水量，显著降低降水量占总耗水量的比例和灌水量占总耗水量的比例，两灌水处理间灌水量无显著性差异。在A1条件下，与W2处理相比，山农23的W1处理总耗水量无明显变化，但山农29的W1处理总耗水量显著降低。上述结果说明，拔节期和开花期补灌使0～20 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率，显著降低了适期精播小麦对土壤水的消耗，促进其对补灌水的利用，但是显著增加了晚播增密小麦的土壤贮水消耗量和农田耗水量。

表4 不同处理耗水量的水分来源及比例Table 4 Resource of water consumption and proportion in different treatments

越冬期间于2018年12月4日和2019年2月23日测定，返青期间于2019年3月2日和2019年3月9日测定，起身期间于2019年3月16日和2019年3月23日测定，拔节期间于2019年4月2日、2019年4月9日、2019年4月16日和2019年4月23日测定，开花期测定时间为2019年5月7日，成熟期测定时间为2019年6月12日。The values of wintering stage were measured on December 4,2018 and February 23,2019，the values of re-greening stage were measured on March 2 and March 9,2019，the values of standing stage were measured on March 16 and March 23,2019，the values of jointing stage were measured on April 2,April 9,April 16 and April 23,2019，the values of anthesis stage were measured on May 7,2019，the values of maturity stage were measured on June 12,2019.图1 冬小麦不同生育时期群体总茎蘖数动态变化Fig.1 Population dynamics of winter wheat at different growth stages

2.2 冬小麦不同生育期群体总茎蘖数动态变化

由图1可知，在返青期之前，两个小麦品种的群体总茎蘖数均增长缓慢，A2处理的总茎蘖数显著大于A1处理。在返青期之后，小麦群体总茎蘖数持续增加，直至总茎蘖数量达到最大值，其中山农23的A1处理群体总茎蘖数量的增长速率显著大于A2处理，但山农29的总茎蘖数增长速率在A1和A2处理间无显著差异，说明大穗型品种山农23在晚播条件下即使适当增加了种植密度，其春生分蘖亦比适期精播处理少。同一补灌方案下，从群体总茎蘖数量达到最大值至开花期期间，山农23的A1处理群体总茎蘖数量减少的速率显著小于A2处理；在A1条件下，W1与W2处理相比，群体总茎蘖数量减少的速率无显著差异；在A2条件下，相比于W2处理，山农29的W1处理显著加速了分蘖的两极分化。同一播种方案下，相比于W2处理，山农29的W1处理显著促进分蘖的两极分化。上述结果说明，晚播增密可以减少大穗型品种山农23春生分蘖的数量，在拔节期供水较少的情况下，明显加快其分蘖的两极分化；晚播增密使中多穗型品种山农29分蘖两极分化的进程减慢，减少拔节期补灌水量可加快该晚播增密小麦的分蘖两极分化。

2.3 冬小麦干物质积累量动态变化

同一补灌方案下，山农23的A2处理开花期干物质积累量显著大于A1处理，山农29的开花期干物质积累量在A1与A2处理之间无显著差异(图2)；两品种成熟期干物质积累量均表现为A2处理显著大于A1处理，说明晚播增密相比于适期精播可显著增加小麦成熟期生物产量。对于同一品种，相同播种方案下，小麦开花期干物质积累量表现为W2处理显著大于W1处理，成熟期干物质积累量则表现为W1处理显著大于W2处理，说明拔节期和开花期补灌使0～20 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率显著促进小麦开花后干物质的积累，明显提高成熟期生物产量。

越冬期间于2018年12月4日测定，返青期间于2019年3月2日和2019年3月9日测定，起身期间于2019年3月16日和2019年3月23日测定，拔节期间于2019年4月2日、2019年4月9日、2019年4月16日和2019年4月23日测定，开花期测定时间为2019年5月7日，成熟期测定时间为2019年6月12日。The values of wintering stage were measured on December 4,2018;the values of re-greening stage were measured on March 2 and March 9,2019;the values of standing stage were measured on March 16 and March 23,2019;the values of jointing stage were measured on April 2,April 9,April 16 and April 23,2019;the valuesof anthesis stage were measured on May 7,2019;the values of maturity stage were measured on June 12,2019图2 冬小麦干物质积累量动态变化Fig.2 Dynamic changes of dry matter accumulation in winter wheat

2.4 冬小麦籽粒产量及其构成因素、水分利用效率和灌水生产效率

与山农29相比，山农23的穗粒数、灌水生产效率显著增加，穗数、千粒重、水分利用效率显著降低(表5)。播种方案和补灌方案均显著影响穗数、穗粒数、千粒重和灌水生产效率。与A2处理相比，A1处理显著提高了穗数，但降低了穗粒数、千粒重和灌水生产效率。对于山农23，在A1条件下，W1处理穗粒数、千粒重、水分利用效率和灌水生产效率均显著高于W2处理，穗数和籽粒产量与W2处理无显著差异；在A2条件下，W1处理穗数低于W2处理，穗粒数、籽粒产量和灌水生产效率显著高于W2处理，千粒重和水分利用效率与W2处理无显著差异。对于山农29，在A1条件下，W1处理穗粒数、千粒重、籽粒产量、水分利用效率和灌水生产效率均显著高于W2处理，穗数与W2处理无显著差异；在A2条件下，W1处理穗数低于W2处理，穗粒数、千粒重、籽粒产量和灌水生产效率显著高于W2处理，水分利用效率与W2处理无显著差异。上述结果说明，无论是大穗型还是中多穗型品种，拔节期和开花期补灌使0～20 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率时穗粒数、千粒重和灌水生产效率显著提高，适期精播小麦的水分利用效率和晚播增密小麦的籽粒产量增加。

表5 冬小麦籽粒产量及其构成因素、水分利用效率和灌水生产效率Table 5 Grain yield,yield components,water use efficiency and irrigation production efficiency

3 讨 论

3.1 补灌对不同群体结构下小麦群体动态变化的影响

适宜的播期和种植密度通过调节群体分蘖数量，建立良好的群体结构，从而获得较高的成穗数，提高籽粒产量[19]。在适宜播期内，推迟播期可以通过增加种植密度来弥补因晚播导致成穗数和产量的降低[7]。同一播期(10月12日播种)条件下，低密度(播量为112.5 kg·hm-2)播种较高密度播种减少了无效分蘖；播期为11月2日，高密度(播量为225 kg·hm-2)播种较低密度播种增加了最大分蘖数量，提高成熟期穗数[20]。本试验条件下，与适期精播处理相比，晚播增密处理显著提高了大穗型品种山农23和中多穗型品种山农29的冬前分蘖数量。但是在返青之后，春生分蘖动态变化因品种、播种方案和补灌方案产生差异。与11月中旬播种相比，10月中旬播种时积温增加，较好的植株生长量使小麦向单茎提供足够的碳水化合物，增加有效分蘖的数量[21]。本试验条件下，在返青之后，与适期精播处理相比，晚播增密处理显著降低了大穗型品种山农23春生分蘖数量的增长速率，减少最大分蘖数量，最终降低成穗数；但是对中多穗型品种山农29春生分蘖数量的生长速率无显著影响。拔节期和开花期是小麦需水的关键时期，此时缺水会显著影响小麦的成穗数和穗粒数。有研究表明，与雨养处理相比，拔节期和开花期补灌处理显著降低拔节期至开花期分蘖的消亡速率，提高成穗数[22]。然而，另有研究则认为，补灌方案对最大分蘖数和最终成穗数均无显著影响[23]。本试验条件下，大穗型品种山农23在适期精播条件下，W1和W2两种补灌方案下从分蘖数量达到最大值到开花期的分蘖消亡速率无显著差异；在晚播增密条件下，W2处理相比于W1处理显著降低了分蘖的消亡速率，提高了成穗数。同一播种方案下，中多穗型品种山农29亦表现为W2处理相比于W1处理显著降低了分蘖的消亡速率。但是无论大穗型品种和中多穗型品种群体动态在拔节期至开花期如何变化，补灌方案对适期精播小麦的最终成穗数无显著影响；增加拔节期补灌水量，使0～40 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率可显著提高晚播小麦的成穗数。

3.2 补灌对不同群体结构小麦籽粒产量、产量构成因素和水分利用效率的影响

与适期播种相比，小麦播期每推迟1 d，籽粒产量与之相比降低了1%；在推迟播期14 d内，增加种植密度可以弥补产量的损失，继续推迟播期，即使增加种植密度，但由于群体数量、叶面积指数和穗粒数的降低，产量并没有得到弥补[24]。与晚播处理相比，早播处理由于较好的植物生长速率，显著提高了小麦花前干物质积累量，增加穗数和穗粒数，进而提高籽粒产量[21]。本试验两种播种方案的播种期相差7 d，结果与前人稍有不同，与适期精播处理相比，晚播增密处理显著提高大穗型品种山农23开花期和成熟期干物质积累量和中多穗型品种山农29成熟期干物质积累量，但是籽粒产量并没有随干物质积累量的增加而增加。大穗型品种山农23的晚播增密处理的穗数显著降低，但籽粒产量与适期精播处理无显著差异，这与晚播增密处理的穗粒数和千粒重增加，弥补了穗数不足对产量的影响有关；中多穗型品种山农29的穗数和穗粒数，在两种播种方案下无显著差异，但千粒重和籽粒产量降低，说明晚播条件下即使适当增加种植密度，中多穗型品种山农29籽粒产量亦受到不利影响。

在小麦生育期内总灌水量一致的情况下，与一次大定额灌溉相比，分两次小定额灌溉可提高农田耗水量和籽粒产量，进而提高水分利用效率[25]，但也有研究表明这两种灌溉方案间水分利用效率无显著性差异[26]。本试验结果表明，拔节期和开花期补灌使0～20 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率时，适期精播与晚播增密条件下小麦均获得了最高的籽粒产量。不仅如此，与本试验其他灌水处理(W2)相比，该补灌方案在适期精播条件下显著促进小麦对补灌水的利用，降低了土壤贮水消耗，显著提高水分利用效率和灌水生产效率；在晚播增密条件下，不仅显著增加了籽粒产量，而且显著提高了灌水生产效率。

4 结 论

与拔节期补灌使0～40 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率相比，拔节期和开花期补灌使0～20 cm土层土壤相对含水率达100%田间持水率时，两种穗型小麦品种拔节后的分蘖消亡速率提高，晚播增密处理小麦的穗数降低，适期精播处理小麦穗数未受到显著影响，但该补灌方案提高了两种播种方案下两品种的穗粒数、千粒重和灌水生产效率，提高了适期精播小麦的水分利用效率和晚播增密小麦的籽粒产量，是调控不同群体结构冬小麦实现高产和高水分利用效率最优补灌方案。