灌溉制度和品种对冬小麦产量性状和水分利用效率的影响

付佳祥，党红凯，李晓爽，柴春岭，高惠嫣，王晓玲，刘宏权

（1.河北农业大学，河北 保定 071001；2.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000；3.衡水学院生命科学学院，河北 衡水 053000）

0 引 言

华北地区用仅占全国6%的水资源支撑了占全国18%的耕地并生产出占全国23%的粮食［1］，是中国重要的粮食生产基地，对国家粮食的生产具有很大的贡献，但长期灌溉造成了华北平原地下水资源的严重亏损，地下水位持续下降，由于多年来的持续地下水超采，辽阔的华北平原已经成为世界上最大的“漏斗区”［2，3］。冬小麦生长期正处于华北平原降水较少的干旱季节，实现高产依赖于灌溉，是华北平原地下水超采的主导因素之一［4］。因此在水资源有限的情况下提高水分利用效率WUE是当务之急，特别是在生态系统脆弱，缺水严重的干旱和半干旱地区［5］。Sushil Thapa 等［6］提出供水和分配是半干旱地区小麦产量的主要限制因素。冯魁等［7］人得出适当增加灌溉次数可以提高冬小麦的产量，杨永辉等［8］指出随着灌水量的增加，小麦的水分利用效率均先增加后降低，而生物量和千粒质量均增加。Meng Zhang等［9］提出冬小麦的水分利用效率与基因型有很强的相关性，黄桂荣［10］得出冬小麦的水分利用效率受基因型的影响最大，水分条件次之；产量和耗水量受水分条件影响最大，其次为基因型影响。王家瑞等［11］研究人为正常降水年份在拔节期灌1 次水、干旱年份灌拔节水+孕穗水（2 水）为小麦节水高产灌溉模式。目前对于筛选抗旱性品种和灌溉对水分利用效率影响的研究很多，但综合研究灌溉制度和品种对产量和水分利用的影响的研究较少。本研究选择4 个冬小麦品种，研究不同灌溉制度下冬小麦产量性状、生物量和水分利用效率的变化。本研究在水分的基础上，分析了华北平原4 个品种的产量和水分利用效率，为冬小麦节水高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020-2021年在河北省农林科学院旱作节水农业试验站进行（37°44′N，115°47′E），供试土壤类型为黏质壤土，0～20 cm 土层有机质量平均值为20.14 g/kg，全氮量1.205 g/kg，全磷量1.259 g/kg，全钾量19.318 g/kg，碱解氮量86.87 mg/kg，有效磷量14.63 mg/kg，速效钾量143.39 mg/kg。试验地土壤肥力中等，地势平坦，灌溉条件好，多年种植小麦、玉米轮作。冬小麦全生育期降水64 mm，降雨量和温度变化见图1。

图1 2020-2021年降雨量和温度变化Fig.1 Changes in rainfall and temperature from 2020 to 2021

1.2 试验方法

试验为裂区设计，主处理为灌溉制度，分设置5个处理：CK（不灌水）、W1（拔节水）、W2（拔节水+开花水）、W3（起身水+抽穗水+灌浆水）和W4（起身水+拔节水+开花水+灌浆水），灌溉时间见表1；副处理为4 个品种：衡4399、衡4444、衡麦28、石麦22（表2）。3 次重复，小区面积13×7.5=97.5 m2，小区之间60 cm 宽的隔离带。于2020年10月17日播种，播种量为210 kg/hm2，底肥施复合肥750 kg/hm2，春季追施尿素375 kg/hm2，结合春季第1水撒施（4 水处理在春季第1 水和第2 水时分2 次等量追施，CK处理尿素4月15日趁雨开沟施入），其他管理同大田，2021年6月9日收获。试验地灌溉水为当地地下水，灌溉方式为地面灌溉，通过水表计量灌水量。

表1 冬小麦灌溉制度Tab.1 Winter wheat irrigation schedule

表2 冬小麦试验品种介绍Tab.2 Introduction of winter wheat test varieties

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤重量含水率

在冬小麦播种前、收获后及关键生育期以10 cm 为一土层采集土样，采用烘干法测定每小区0～200 cm 土层（共20 个土层）的土壤质量含水率。

1.3.2 耗水量和水分利用效率计算

（1）耗水量计算：各个生育阶段及全生育期作物耗水量采用水量平衡方程计算：

ET=P+I+S+ΔW-R-D

式中：ET为作物耗水量，mm；P为有效降水量，mm；I为灌水量，mm；S为地下水补给量，mm；ΔW为土壤含水率的变化量，mm；R为地表径流，mm；D为深层渗漏，mm。

因试验地点地下水埋深大于10 m，故不考虑地下水补给量；试验地点地势平坦，各小区之间有隔离，无地表径流损失；土壤水分的测定深度为2 m，在试验期间没有暴雨或特大暴雨，故不考虑深层渗漏。

（2）水分利用效率计算：

WUE=Y ET

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为产量，kg/hm2；ET为作物耗水量，m3/hm2。

1.3.3 生物量及穗部性状

小麦收获前每个小区随机选取40 穗小麦考种，测定穗长、小穗数、不孕小穗数，选取10 株进行茎、叶、穗分样，放入烘箱80 ℃烘10 h，称其干重。

1.3.4 产量及构成要素

冬小麦成熟期各小区内随机选取2 个长势均匀的1 m2样方，将所有麦穗剪下后脱粒、风干、称重，用PM8188-A谷物水分测定仪测定籽粒含水量，冬小麦按照13%安全含水量折算单位面积产量；冬小麦收获前在每个小区数两个一米双行计算穗数，每个小区随机取40 穗数穗粒数，随机取1 000 粒（2 份）测籽粒重量，按照13%安全含水量折算千粒重。

1.4 数据处理

采用Excel 进行数据处理，Spss.25 数据处理系统进行方差分析、回归分析和模型拟合，作图软件采用GraphPad Prism 8.3.0和Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 灌溉制度对冬小麦穗部性状的影响

表3为不同灌溉制度下不同品种冬小麦的穗部性状变化。不同品种下的穗长均随春季灌溉次数的增加而增加，衡4399、衡4444、衡麦28和石麦22不同灌溉制度下的穗长较CK 处理增幅分别为4.68%～7.09%、4.26%～7.65%、1.31%～7.97%和1.70%～7.44%，衡4399、衡麦28 和石麦22 在W4 处理下的穗长，显著高于CK 处理，衡4444 在W1、W2 和W3 处理下的穗长显著高于其他3 个品种。小穗数随灌溉次数的增加而降低，在W3 处理小穗数达到最大值，W4 处理较W3 处理降低0.21%～1.55%，衡麦28 在W2 处理下的小穗数显著高于其他品种，石麦22 在W3 处理下显著高于衡4444，4 个品种在CK、W1 和W4 处理无显著性差异。不孕小穗数在W2处理最小，衡4399、衡4444、衡麦28和石麦22 的W2 处理较其他灌水处理分别降低17.95%～32.39%、3.60%～25.00%、13.38%～32.66%和13.70%～29.19%，衡麦28 的不孕小穗数低于其他3个品种。

2.2 灌溉制度对冬小麦生物量的影响

由表4可以得出，同一灌溉次数下，衡麦28 和石麦22 的生物量无显著性差异，这2 个品种的生物量分别较衡4399 显著提高19.81%～37.36%和18.46%～45.24%。在CK 处理下，衡4444和衡4399 的生物量无显著性差异，衡麦28 和石麦22 无显著性差异，衡麦28 较衡4444 和衡4399 分别显著增加20.41%和22.01%。

不同灌溉次数对冬小麦各器官的影响不同。不同品种的茎的干物质量随灌溉次数的增加表现不尽相同，但茎的干物质量所占比例均随灌溉次数增加而减少，CK 处理的茎的干物质量所占比例较W1、W2、W3 和W4 处理分别显著增加26.13%、35.23%、44.27%和57.17%。叶的干物质量均随灌溉次数的增加而增加，其所占比例也呈现逐渐递增的趋势；穗的干物质量及其所占比例变化趋势与叶相同，均随灌溉次数的增加而增加。生物量随着灌溉次数的增加而逐渐增加，W3处理和W4处理的生物重无显著性差异，CK 处理的生物重较W1、W2、W3 和W4处理分别显著降低19.60%、27.73%、34.72%和38.25%。

2.3 灌溉制度对冬小麦产量及其构成要素的影响

单位面积穗数、单穗粒数和千粒重是冬小麦籽粒产量构成的3 个要素。从表5可以看出，冬小麦的产量及其构成要素受灌溉制度的影响显著。不同品种的穗数均随着春季灌水次数的增加而增加，不同灌溉制度下衡4399 的穗数无显著性差异，CK 处理较其他处理减少5.18%～17.01%；衡4444 的W3 处理和W4处理无显著性差异，W3处理和W2处理无显著性差异W2处理较CK 处理显著增加10.80%；衡麦28的W2、W3和W4处理无显著性差异，W1 和CK 处理无显著性差异，W2 处理较CK 处理和W1 处理分别显著增加26.89%和17.39%；石麦22 的W3 处理和W2处理无显著性差异，W2处理较CK处理和W1处理分别显著增加14.59%和10.27%。衡4399、衡4444 和衡麦28 的穗粒数随春季灌溉次数的增加而减少，W1、W2、W3 和W4 处理的穗粒数无显著性差异；石麦22的穗粒数随春季灌溉次数的增加而增加，各处理之间无显著性差异。衡4399的千粒重随灌溉次数的增加而增加，且不同灌溉制度之间无显著性差异；衡4444、衡麦28 和石麦22 随春季灌溉次数的增加呈先增加后降低的趋势，W4处理分别较W3处理降低5.30%、3.03%和4.36%。

表5 不同处理对冬小麦产量及构成要素的影响Tab.5 Effects of different treatments on winter wheat yield and components

不同冬小麦品种的籽粒产量对灌溉制度的响应相同，不同灌溉制度下4 个品种的产量均表现为W4＞W3＞W2＞W1＞CK，W1、W2、W3 和W4 处理分别较CK 处理显著增加40.53%、49.67%、54.70%和57.78%。衡4399、衡4444 和衡麦28 在不同灌溉制度下的产量差异性显著，石麦22 的W2 处理和W3 处理无显著性差异，W2 处理较W1 处理显著增加14.82%。CK 处理下衡麦28 的产量较衡4399、衡4444 和石麦22 分别显著高47.28%、20.02%和32.14%。

2.4 灌溉制度对冬小麦水分利用效率的影响

表6为冬小麦全生育期的耗水量及耗水组成。从表6可以看出，不同灌溉制度下冬小麦对土壤水的消耗量差异性显著，所占总耗水量的比例随灌溉次数的增加而降低；冬小麦全生育期总耗水量随灌溉次数的增加而增加，与土壤水的消耗量呈负相关。

表6 不同灌溉制度对冬小麦耗水量及耗水组成的影响Tab.6 Effects of different irrigation schedules on water consumption and water consumption composition of winter wheat

从表7可以得出，冬小麦的水分利用效率不随产量和耗水量的增加而增加，随着春季灌溉次数的增加呈先增加后降低的趋势。衡4399 在W3 处理水分利用效率最高，为2.39 kg/m3，较CK 处理显著增加111.50%，W4处理的产量和耗水量最高，水分利用效率比W3 处理显著降低8.79%。衡4444、衡麦28 和石麦22 的水分利用效率均在W2 处理达到最高，其他灌溉处理分别较W2 处理显著降低6.45%～43.95%、6.43%～32.93%和7.00%～48.15%。从CK处理来看，4个品种之间的水分利用效率差异性显著，衡麦28的水分利用效率分别较衡4399、衡4444和石麦22显著增加47.79%、20.14%和32.54%。

表7 不同处理对冬小麦水分利用效率的影响Tab.7 Effects of different treatments on water use efficiency of winter wheat

3 讨 论

3.1 不同灌溉制度对冬小麦产量及构成要素的影响

冬小麦生长发育阶段不同灌水期和灌水量对其产量和构成要素影响显著［12］，石学萍等［13］人研究得出当灌水量为127～217 mm 时，随着灌水量的增加，千粒重、穗粒数显著增加；当灌水量为217～315 mm 时，随着灌水量的增加，千粒重、穗粒数呈缓慢减少的趋势。本研究得出冬小麦的穗粒数和千粒重在W3（225 mm）处理最大，在W4 处理（300 mm）开始降低，与石学萍研究结果一致。干物质积累量随着灌水次数的增加而增加［14］，产量的增加潜力来自于生物量的增加［10］，郝秀钗等［15］得出产量与成熟时的单位面积有效穗数呈极显著正相关且产量均随灌溉次数的增加而明显提高。在本试验中，冬小麦生物量、单位面积有效穗数和产量均随灌溉次数的增加而增加，与以上研究者的研究结果一致。

3.2 不同灌溉制度对冬小麦耗水及水分利用效率的影响

籽粒产量和水分利用效率由品种和水分互作效应决定，春灌2 水可明显提高籽粒产量水平，并在一定程度上提高了水分利用效率［16，17］。蔡焕杰等［18］对小麦的研究表明，适度的水分亏缺对作物产量影响较小，但水分利用效率会明显增加。对于冬小麦在限水灌溉下的最优灌溉时期拔节水，节水栽培的最优灌溉方式为春灌2水（拔节水+扬花水），高产的最佳灌溉方式为春灌3 水（拔节水+扬花水+灌浆水）［19］。不同品种的冬小麦对灌水的反应有较大差别，不同品种产量和水分利用效率对水分的响应存在明显差异，抗旱性强的品种在干旱胁迫下表现出成穗率高、单位面积穗数多的特征［20，21］，从而有效保证干旱处理的产量和水分利用效率的提高。本试验得出冬小麦的总耗水量随灌溉次数的增加而增加，差异性主要由灌溉水量所致。品种间冬小麦WUE 规律性不一，水分利用效率不随灌水量的增加而增加，与前人研究结果一致，衡4444、衡麦28 和石麦22 的WUE在W2处理最大，衡4399在W3处理最大。

4 结 论

在2020-2021年的降水年型下，不孕小穗数不同灌溉制度和不同品种差异性均较大，但均表现为：W2 处理最少，CK 处理最多。衡麦28 的穗部生物量较衡4399、衡4444 和石麦22 分别提高29.27%、8.28%和0.37%；产量分别提高12.53%、6.33%和6.55%；在W2 处理下水分利用效率提高28.35%、0.40% 和2.47%。衡麦28 搭配W2 处理可获得较高的籽粒产量和水分利用效率。

灌溉制度受降水量影响较大，本研究仅针对冬小麦的灌溉制度做了一个生长季的研究，存在一定的局限性，但可为华北平原冬小麦的灌溉制度的制定提供一定的理论依据和技术支撑。