畦田补灌对冬小麦产量形成及水分利用效率的影响

冯素伟，刘朝阳，胡铁柱，丁位华，王光涛，茹振钢

(河南科技学院，河南省杂交小麦重点实验室，现代生物育种河南省协同创新中心，河南 新乡 453003)

华北地区是我国小麦生产的高产区和主产区，但近年来水资源的日益紧缺和地下水的严重超采，已经影响到该地区的粮食安全。由于小麦生育期的耗水量远高于同期降水量，因此，生育期补充灌溉是满足小麦生育期间需水、实现高产稳产的主要途径[1-2]。

在小麦适宜的生育阶段进行科学的灌溉有利于提高冬小麦产量和水分利用效率，而在不恰当的生育时期进行有限灌水和大量灌水则会导致小麦产量和水分利用效率明显下降[3-5]。因此，合理的灌溉制度是小麦高产稳产的重要保障。小麦关键生育时期需要进行补灌，而补灌的适宜时期和补灌次数目前研究结果尚不统一[6-8]。大多研究认为，拔节水和开花水组合是高产和高水分利用效率相统一的灌水模式[9-10]。也有人认为，拔节期补灌1水即可实现高产高效协同提高的目标[11-14]。在小麦关键生育时期土壤含水量大于60%的条件下，补灌时期和次数对产量影响不大[15]；在灌水总量相同的条件下，增加补灌次数的增产效果也不明显[16]。Wen等[17]则认为，不同降水年型，灌水次数和灌水量有较大差异。

当前，依据小麦需水规律进行的调亏灌溉、测墒补灌、按需补灌等灌水模式的节水效果明显，但生产上农民较难掌握，灌溉成本高，畦灌仍然是华北平原目前最常用的灌水方式。然而，生产中存在灌溉次数过多、灌溉水过量、水分利用率低等突出问题，造成水资源的极度浪费。

本试验采用生产中普遍实施的畦田灌水方式，研究冬小麦不同生育时期灌水组合，并结合不同的降水年型，探讨不同的灌水模式对冬小麦产量形成、营养器官干物质积累与转运、水分利用效率以及灌溉水效益等的影响，以期为该区合理畦灌提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在河南省国家现代农业科技示范展示基地(新乡)进行，该试验区平均年降水量为573.4 mm，小麦全生育期平均降雨量150 mm。试验地土质为沙壤，小麦播种前茬作物均为玉米，玉米抽穗授粉期压青并浇水，小麦播种前0～20 cm土层养分状况及土壤容重见表1。小麦全生育期降雨量2个年度分别为94.5，130.7 mm，均低于试验区平均降水量，各生育阶段的降水量详见表2。

表1 冬小麦播前0～20 cm土层养分状况Tab.1 Soil nutrient condition in 0—20 cm soil layer in experimental field before sowing winter wheat

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积(15.0 m×2.6 m)=39.0 m2，13行区，供试材料为百农4199。在播种期水分管理一致的基础上，采用畦田灌溉方式分别于小麦的返青期、拔节期和开花期设置4个不同的灌水组合：冬小麦出苗后至收获不灌水(W0)、拔节水(W1)、拔节水+开花水(W2)、返青水+拔节水+开花水(W3)。小区间设置深0.5 m、宽0.8 m的保护行，以防止相邻小区间出现水分侧渗影响。畦田灌水时，改水成数为90%，用水表记录实际灌水量，不同灌水处理全生育期补灌水量见表3。

表3 不同处理冬小麦不同生育时期的补灌水量Tab.3 Supplemental irrigation amount at different growing stages of winter wheat under different treatments mm

播种前每公顷底施纯N 90 kg、P2O590 kg、K2O 90 kg，拔节期追施纯N 90 kg/hm2，底肥选用N、P2O5、K2O比例为15∶15∶15的复合肥，追肥选用含纯N 46%的尿素。分别于2018年10月10日和2019年10月8日机播，基本苗分别为180，170万株/hm2，于2019年6月8日和2020年6月2日收获。其他管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农田耗水量 农田耗水量ET=C+M+P+K。式中，M表示生育期补灌水量(mm)；P表示生育期降水量(mm)；K表示生育阶段内地下水补给量(mm)，当地下水埋深度超过2.5 m时，K值可以忽略不计，本试验地块的地下水埋深度在8 m以下，故计算农田耗水量时未考虑地下水的影响；C表示生育期内土壤贮水消耗量。

农田总耗水量为各阶段耗水量的总和。

1.3.2 干物质积累与分配 于小麦开花期与成熟期分别取样，成熟期植株按营养器官和籽粒分别取样，于105 ℃恒温干燥箱中杀青30 min后，降至70 ℃继续烘干至恒质量，用千分之一天平称质量，计算营养器官花前贮藏同化物转运量(DMR)、转运率(DMRE)和对籽粒的贡献率(CDMR)，以及营养器官花后贮藏同化物输入籽粒量(DMA)和对籽粒的贡献率(CDMA)，各指标的计算均参照Feng等[18]的方法。

1.3.3 产量及产量构成因素 于冬小麦蜡熟期数取1 m双行内总穗数，并折合为每公顷穗数，每小区重复3次；在统计穗数的1 m双行内不间断数取60穗统计穗粒数；完熟初期每小区收获6 m2，脱粒后自然风干称质量，籽粒质量按12.5%含水量计算，并折算成公顷产量，每处理重复3次；同时测定千粒质量，每处理重复9次。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE，kg/(hm2·mm))=籽粒产量(kg/hm2)/生育期总耗水量(mm)；灌溉水效益(IB，kg/(hm2·mm))=每公顷较不灌水处理增产量(kg/hm2)/生育期灌水量(mm)。

1.4 数据统计分析

数据用Microsoft Excel 2007进行试验数据的计算和整理，数据差异显著性检验和相关性统计分析等用SPSS 13.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同补灌处理对冬小麦产量及产量构成因素的影响

由表4可知，产量及产量构成因素受灌水处理的影响较大。在播种期水分管理一致的条件下，单位面积穗数、穗粒数均随生育期灌水次数的增加而提高，处理间均达到了显著差异。千粒质量年度间有较大的差异，2018—2019年，W0处理千粒质量为45.69 g，显著高于其他处理(P<0.05)，其次为W2处理，W1处理最低；2019—2020年，W0处理的千粒质量为39.53 g，显著低于其他处理(P<0.05)，W1、W2、W3处理间无显著差异。随着灌水次数的增加，籽粒产量有增加的趋势，2个年度变化趋势一致。2018—2019年，W3处理籽粒产量达到了10 100.05 kg/hm2，W2处理的籽粒产量为9 900.05 kg/hm2，2个处理间无显著差异，但二者均显著高于其他处理(P<0.05)，W0处理籽粒产量最低；2019—2020年，籽粒产量由高到低为W3>W2>W1>W0，W0处理的籽粒产量仅为2 074.02 kg/hm2。W1处理的产量两年度分别为8 416.71，7 594.09 kg/hm2，均超过7 500 kg/hm2。籽粒产量年度之间有较大差异，2018—2019年的籽粒产量均高于2019—2020年相应处理。

表4 不同补灌处理冬小麦籽粒产量与产量构成因素Tab.4 Grain yield and yield factors under different supplemental irrigation treatments

2.2 不同补灌处理对冬小麦水分利用效率的影响

冬小麦生育期耗水量随着灌水次数的增加呈上升趋势，处理间均达到了显著水平(P<0.05)(表5)。水分利用效率年度间有一定差异，2018—2019年，W2和W1处理的水分利用效率分别为17.99，17.25 kg/(hm2·mm)，2个处理间无显著差异，W2处理显著高于W3和W0处理(P<0.05)；2019—2020年，W2处理的水分利用效率为19.75 kg/(hm2·mm)，显著高于W3和W0处理(P<0.05)，但与W1处理差异不显著。灌溉水效益随着灌水次数的增加而降低，不同灌水处理间达到了显著差异，2个年度均以W3处理的灌溉水效益最低。

表5 不同补灌处理冬小麦的耗水特性和水分利用效率Tab.5 Water consumption characteristics and water use efficiency under different supplemental irrigation treatments

2.3 不同补灌处理对冬小麦营养器官干物质转运和再分配的影响

由表6可知，不同补灌处理对冬小麦营养器官同化物再分配及对籽粒的贡献率有着显著的影响，年度间亦有较大差异。2018—2019年，W0处理的DMR、DMRE、CDMR均显著高于除W3处理DMR外其他补灌处理(P<0.05)，而DMA与CDMA均显著低于其他补灌处理(P<0.05)，其随着灌水次数的增加而增加。2019—2020年，W1处理的DMR和DMRE均显著高于其他处理，CDMR随灌水次数的增加而降低，而DMA和CDMA均随着灌水次数增加而增加，处理间差异均达到了显著水平。W3处理的DMA最高，达到了7 150.44 kg/hm2，CDMA高达68.29%，说明补灌3水条件下，籽粒中分配的大部分同化物为花后营养器官的贡献。

表6 不同补灌处理冬小麦营养器官同化物的转运及再分配Tab.6 Dry matter translocation from vegetative organs and redistribution of photoassimilate under different supplemental irrigation treatments

2.4 冬小麦物质转运与产量及水分利用效率间的相关性

从表7可以看出，冬小麦的籽粒产量和生育期耗水量与花后贮藏同化物输入籽粒量和花后干物质转运对籽粒的贡献率呈显著和极显著正相关，与开花前贮藏物质对籽粒产量的贡献率呈极显著负相关(P<0.01)。千粒质量与花前贮藏同化物转运量呈显著正相关(P<0.05)，农田水分利用效率与花前营养器官贮藏同化物转运量呈极显著正相关关系(P<0.01)。

表7 冬小麦营养器官同化物积累及转运与产量及水分利用效率间的相关分析Tab.7 Correlation coefficients between yield，WUE and dry matter accumulation and remobilization of winter wheat

3 结论与讨论

华北平原冬小麦生育期内多年平均降雨量在150 mm左右，生育期内水分亏缺约为300 mm，需要进行多次补灌才能实现高产稳产[19-20]。本试验2 a研究中，冬小麦生育期间的降水量均低于当地平均水平，属于枯水年型。不同处理冬小麦的籽粒产量年度间差异较大，综合分析可知，籽粒产量与当年的总耗水量关系密切，总耗水量越多，籽粒产量越高，而冬小麦生育期间总耗水量与降水量和补灌水量有关。前人关于灌水时期和灌水次数的研究结果不一[12-14，20-21]，Wen等[17]研究表明，不同降水年型影响灌水次数和灌水量。但无论哪种年型，补灌处理的冬小麦产量均得到显著提高[1]，在一定的灌水量范围内，随着总灌水量的增加，千粒质量、穗粒数、穗数显著增加，灌水量较多时，产量构成各因素则均有下降趋势，但不显著[19]。2018—2019年，播种期前后降水量较少，为保证出苗及幼苗生长，于播种期补灌1水。从籽粒产量和水分利用效率综合来看，播种期补灌后，补灌3水处理与补灌2水相比，产量增加不显著，反而造成水分利用效率的显著降低，于拔节期和开花期补灌2次可兼顾产量和水分利用效率协同提高，这与薛佳欣等[20]的研究结果一致。2019—2020年播种前后降水量达61.9 mm，但越冬后降水不集中，降水量较少，导致籽粒产量显著低于2018—2019年各相应补灌处理。说明冬小麦籽粒产量与生育期灌水次数和降水量有关，这与赵彦茜等[22]的研究结果一致。播种期未补灌，于返青期+拔节期+开花期进行补灌，籽粒产量最高，但水分利用效率和灌溉水效益降低。

本试验中，2个年度小麦生育期降水量均低于试验地区平均降水量，且拔节后的降水量均较少，若播种期未补灌，越冬后各关键生育时期处于干旱胁迫状态。Feng等[18]认为，未补灌越冬水，可增加根系在深层和表层土壤中的吸收面积，同时加速拔节期后干物质积累；徐建文等[2]通过分析黄淮海平原近30 a干旱对冬小麦产量的潜在影响表明，黄淮海平原冬小麦需水关键生育阶段为拔节至抽穗期，此期的潜在干旱减产率较高，是补灌的关键时期，本试验也验证了这一点。试验表明，穗数、穗粒数均随灌水次数的增加而增加，补灌返青水可增大群体，提高生物量，同时促进花后营养器官贮藏同化物向籽粒的输入，从而提高花后同化物转运对籽粒的贡献率。杨丽丽等[23]认为，水分胁迫后复水，小麦叶片性能较好，花后有较多的茎鞘同化物向籽粒转运以及较高的弱势粒库活性，增加穗粒数和千粒质量，这与本研究2019—2020年试验结果一致。拔节期和开花期补灌还有利于协调光合同化物积累与花后再转化的光合产物之间的关系，进而提高籽粒产量和水分利用效率[13，24-25]。本试验中，水分利用效率与开花前同化物输入籽粒量呈极显著正相关，而花前同化物对籽粒的贡献率越高，耗水量就越少。Xu等[13]认为，拔节期或孕穗期单一补灌，主要是通过协调“源-库”关系和高库容量及源供应能力来提高产量和水分利用效率。

在本研究开展的2个年度中，无论播种期补灌与否，生育期仅补灌拔节水的籽粒产量均在7 500 kg/hm2以上，可实现“一水千斤”目标，且水分利用效率和灌溉水效益较高，而随着补灌水量的增加籽粒产量逐渐增加，2个年度均以生育期补灌3水籽粒产量最高。播种期灌水后，于拔节期和开花期补灌有利于产量和水分利用效率协同提高。播种期未补灌，可推迟至植株快速增长期到来之前的返青期补灌，配合拔节期和开花期补灌实现高产目标，但水分利用效率和灌溉水效益降低；仅在拔节期和开花期补灌2次，产量略下降，但水分利用效率和灌溉水效益显著提高。冬小麦大田试验受自然降水的影响较大，造成籽粒产量年度间差异较大，本试验结果是在2 a基础上得出，且仅采用了一个品种，未来需要多年田间验证和更多的品种参与比较试验。