海河平原春季限水灌溉下冬小麦农田水分动态及产量形成特征

刘雪静， 鲍晓远， 候晓阳， 甄文超

（河北农业大学农学院，河北 保定 071001）

海河平原是我国重要的小麦产区之一[1]。该区冬小麦种植季降水量100～130 mm，仅为7 500 kg·hm—2以上产量需水的1/4～1/3，小麦生产依靠250～300 mm 灌水维持[2-3]，灌溉用水60%以上为地下水，导致地下水超采，形成了大面积水文漏斗，引发系列生态问题[4]，亟需进一步压减小麦灌水量，建立与区域水资源承载力相适应的限水灌溉制度[5-8]。

近年来，介于充分灌溉与旱作雨养之间的限水灌溉得到广泛关注[9]。优化灌溉制度的关键是解决需水关键期的水分供应，提高灌水利用效率，实现节水与丰产统一[10-11]。根据作物耗水规律，把有限水量最优分配，允许在特定时期使作物经受一定程度水分亏缺，发挥适度干旱胁迫的有益调节作用[12-13]。多数研究者认为，作物在早期营养生长阶段对水分亏缺不敏感，是限水灌溉的适宜阶段[14-16]。而有研究发现，冬小麦春季任一生长时期水分亏缺均影响产量和水分利用效率，在春季水分临界期和需水关键期，由于干旱胁迫对产量造成的不利影响很难通过后期灌溉得到弥补[17]。亦有研究证实，作物在特定发育时期水分胁迫解除后会表现出一定的补偿生长功能，可同步提高作物水分利用效率和产量[18]。

综上，通过优化作物灌溉制度，即在减少作物水分供应前提下，确定作物生育期内最佳灌水时期、灌水次数和灌水量，减少无效水分消耗，提高农田水分利用效率，获得最大经济和生态效益，具有重要的理论和实践意义。本研究在海河平原代表性区域，选用不同类型品种，足墒播种并通过播期播量匹配，构建冬小麦冬前充足群体，在此基础上，比较春季不同时期限水灌溉对冬小麦产量形成的影响，为构建精量高效的限水丰产灌溉制度提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2020年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站（37°91′N，115°71′E）和河北农业大学辛集试验站（37°99′N，115°20′E）完成。试验地均为中性壤土，0—20 cm 土壤有机质含量分别为 16.7、14.6 g·kg—1，碱解氮含量分别为95.28、92.79 mg·kg—1，有效磷含量分别为31.85、23.83 mg·kg—1，速效钾含量分别为 159.51、136.48 mg·kg—1。试验地 0—200 cm 土壤容重和田间持水量见表1，试验期间降水量和日平均温度见图1，气象数据来自国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）。

图1 2018—2020年小麦生长季降水量和日平均温度Fig.1 Precipitation and daily average temperature in wheat growing season from 2018 to 2020

表1 土壤容重和田间持水量Table 1 Soil bulk density and field capacity

1.2 试验设计

试验采用三因素裂区设计，供试小麦品种为旱地组（石麦22、衡观35和冀麦418）和水地组（石农 086、冀麦 585 和石新 828）2 种类型，供试品种由育种单位提供。设适期播种和晚播2 种播期处理：2018年试验点为深州，播期为10月13日和10月23日；2019年试验点为深州和辛集，播期均为10月 15日和 10月 23日；分别按基本苗 375 万和600 万株·hm—2确定播量。设4个不同春季全展叶龄1次灌水处理，以春季2次灌水和不灌水处理为对照（表2），共 72个处理，每处理3 次重复，每重复1个小区，小区面积40 m2。

表2 试验处理设置Table 2 Experimental treatment

小 麦 播 前 底 施 N 150 kg·hm—2，P2O5105 kg·hm—2，K2O 120 kg·hm—2，春季随第 1 次灌水追施纯 N 150 kg·hm—2，春季不灌水处理在起身至拔节期随降水追施纯N 150 kg·hm—2。采用测墒补灌方法，灌溉目标为0—60 cm 土壤含水量达到田间持水量的80%，利用微喷灌设备（河北迪龙科技有限公司），用水表计量控制灌水量。冬小麦土壤墒情指标参照《冬小麦测墒灌溉技术规程》[19]，其他管理措施同一般高产田。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤含水量 分别于小麦播前、越冬前、返青期、起身期等关键生育时期，以及春3叶龄后每5～7 d 采用 TDR 水分仪（IMIKO, 德国）测定 0—200 cm 土层含水量，测定间隔20 cm。灌前、灌后、雨前、雨后加测。

1.3.2 产量及构成 在冬小麦成熟期，每小区选择3个1 m 长定位监测样段调查穗数。从各小区选取2 m2样点，单独收割，实收测定产量并换算成含水量13%的籽粒产量，并随机选取30个小麦穗，测定穗粒数。

1.3.3 数据统计与分析 采用SPSS 21.0 软件进行方差分析；采用LSD法进行差异显著性检验；采用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 春季限水灌溉下麦田土壤水分变化特征

2.1.1 不同处理麦田土壤水分时空动态 由图2可知，处理间0—60 cm 土壤含水量差异最大，60—120 cm 次之，120—200 cm 差异最小。同时，0—60 cm 也是受灌水和降水影响最显著的层次，其含水量波动最大。作为农田耗水活跃层，0—60 cm 土壤贮水消耗占0—200 cm 土壤总耗水45.1%～63.7%。因此，在春季限水灌溉条件下，0—60 cm 土层为主要供水层，其含水量变化会显著影响小麦生长发育与产量形成，也应是分析春季限水灌溉形成的阶段性干旱胁迫时间和强度的重点层次。

图2 不同叶龄灌水后麦田土壤含水量动态Fig.2 Dynamics of soil water content in wheat field after irrigation at different leaf ages.

2.1.2 不同处理麦田土壤干旱程度 由图3 可知，春3叶灌水前，各处理0—60 cm土层相对含水量（soil water content,SWC60）约60%，低于65%的轻度干旱阈值，2个试验点以辛集略高，2个年度以2019—2020年略高。2018—2019年度深州试验点较具代表性，至春4叶龄灌水前，未灌水处理SWC60 为57%，已达中度干旱。至春5 叶龄灌水前，未灌水处理SWC60已低于55%。至春6叶龄，L6处理SWC60低于53%，接近重度干旱。各处理灌溉复水后，SWC60 均恢复至80%左右。至灌浆中期，L3 和 L4 处理 SWC60 接近 60%，至灌浆末期，L3 处理SWC60 低于55%，达中度干旱，此时L4、L5和L6处理干旱相对较轻。与春季1次灌水处理相比，CKⅡ除灌浆末期SWC60降至63%，其余时期均高于65%。推迟播期各处理与对应适期播种处理相比，SWC60 低0.2～5.8个百分点（平均低2.55个百分点）。2020年 5月 7 至 8日深州和辛集试验点降雨量分别为49.7 和131.9 mm，导致小麦灌浆期干旱程度低于2018—2019年相应处理。

图3 不同叶龄灌水条件下冬小麦土壤干旱程度Fig.3 Soil drought degree of winter wheat under irrigation at different leaf ages

分析上述结果认为，春5 叶龄和6 叶龄灌水，虽然灌浆后期土壤干旱程度较轻，但灌水前SWC60已低于60%，干旱程度较重；春3叶龄灌水与之相反，灌水前仅接近轻度干旱，但后期干旱过重。而春4 叶龄灌水，其灌水前为轻度干旱，至乳熟末期SWC60 才降低60%，干旱程度同样相对较低。

2.2 春季限水灌溉对小麦产量构成要素的影响

如图4～5所示，适期播种下，旱地组（石麦22、衡观35 和冀麦418）和水地组（石农086、冀麦585和石新828）品种春季2 次灌水处理平均穗数、穗粒数和千粒重分别为781.8万·hm—2、30.9个、40.4g和778.1 万·hm—2、29.7个、41.3 g，均为常年丰产水平的产量要素正常值。

图4 不同春季叶龄灌水处理冬小麦穗数和穗粒数Fig.4 Spike number and grains per spike of winter wheat under irrigation at different spring leaf ages

而春季限水灌溉显著影响产量构成要素，旱地组和水地组品种在春季1次灌水条件下，2地点2年度单位面积穗数较CKⅡ处理平均下降6.7%和10.5%。 水地组品种穗数降幅更大（8.8%～12.5%），降幅最大的品种为石农086；旱地组穗数降幅则相对较小，较CKⅡ平均下降13.0%，衡观35降幅最小（9.76%），石麦22 降幅最大（14.9%）。3个水地组品种穗粒数平均下降14.1%，石农086降幅最大（15.8%），石新828 降幅最小（13.2%）；3个旱地组品种千粒重比CKⅡ平均下降5.3%，衡观35降幅最小（4.3%）；3个水地组品种千粒重平均下降6.7%，冀麦585降幅最大（7.5%）。

适期播种条件下，供试小麦品种均表现为随春季1 次灌水推迟，穗粒数逐渐降低，而粒重逐渐升高的趋势，每推迟1个叶龄灌溉，穗粒数平均降低2.47个，千粒重增加1.65 g。除石农086 外，其他品种均表现为L4处理穗数最高，较L3、L5和L6处理分别高9.4%、14.2%和25.8%。晚播条件下，各处理单位面积穗数、穗粒数和千粒重变化趋势与适期播种条件下对应处理基本一致。

2.3 春季限水灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

如表3所示，旱地组和水地组春季1次灌水处理产量较2 次灌水处理降低10.9%～38.7% 和16.5%～38.8%。除石农086 外，其余5个品种L4处理减产最少（11.22%），产量达6 897.8～8 208.3 kg·hm—2。而 L3、L5 和 L6 处理产量平均减产幅度29.62%。6个品种WCKⅡ产量较CKⅡ降低2.54%，而 WL3 与 L3、WL4 与 L4、WL5 与 L5、WL6 与 L6 产量差异均不显著。春季2 次灌水处理，2年度2 地点 2 播期 WUE 平均为 18.9 kg·hm—2·mm—1，L4 与CKⅡ、WL4 与WCKⅡ相比WUE 差异不显著，但较其他春季1次灌水处理平均高23.11%。虽然春季限水灌溉导致小麦减产，但旱地品种减产幅度相对较低，春4 叶龄灌水减产幅度最小，采用抗旱品种与春4 叶龄灌水的限水灌溉组合，节水丰产效果最佳。

图5 不同春季叶龄灌水处理冬小麦千粒重Fig.5 1 000-grain weight of winter wheat under irrigation at different spring leaf ages

表3 不同处理冬小麦产量、水分利用效率Table 3 Yield，water use efficiency of winter wheat under different treatment

3 讨论

3.1 春季限水灌溉下麦田土壤水分变化与干旱胁迫特征

已有研究认为，土壤耗水层受灌溉制度影响较大，麦田灌水量由100 增至300 mm，土壤耗水层则由140上升至80 cm，拔节至成熟适度干旱胁迫可增加深层水分消耗[20]。冬小麦返青至孕穗期0—60 cm 土壤耗水占农田总耗水量的比例由返青至孕穗期的43.3% 降至孕穗至成熟期的12.0%，而60—120 cm 土壤耗水则由 20.1% 增至40.8%。小麦80%根系分布在0—100 cm 土层，上层土壤水分亏缺会促进根系对深层土壤贮水的利用，从而提高WUE[21]。本研究发现，春季限水灌溉下，0—60 cm 土壤含水量波动最大，处理间差异最大，是分析春季限水灌溉形成的阶段性干旱胁迫时间和强度的重点层次。

小麦在拔节期和开花期灌水可同步实现高产和高水分利用效率[22-23]，而在春季1次灌水的限水灌溉条件下，在拔节前灌溉能基本满足小麦拔节至开花阶段水分需要，但开花后土壤干旱胁迫严重，且灌水时期越早，后期水分亏缺程度越严重，造成的减产越严重[24]，这与本研究结果一致。本研究还发现，小麦在春4叶龄补灌，仅在起身至拔节阶段及灌浆末期处于轻度干旱胁迫状态，灌浆期干旱胁迫程度显著低于春3 叶龄灌水处理，而起身至拔节阶段干旱胁迫程度显著低于春5、6 叶龄灌水处理，对小麦生长发育的不利影响最低。

3.2 春季限水灌溉对冬小麦产量形成的影响

合理的灌溉可协调小麦产量三因素（穗数、穗粒数、千粒重），限水条件下，拔节前灌水较后期灌水对产量贡献更大[25]。早期灌水会造成花后灌浆进程水分亏缺，使千粒重较低，对产量形成有明显负效应。拔节期补灌可显著降低小麦分蘖的消亡速率，提高成穗数[26]。也有研究认为，小麦返青期干旱显著抑制无效分蘖的发生，拔节期干旱加速无效分蘖的消亡[27]。在本研究通过足墒播种、播期播量匹配，小麦冬前群体充足、个体健壮，提升节水抗旱能力。在4个不同春季叶龄1 次灌水处理中，春 3、4 叶龄灌水 WUE 显著高于 5、6 叶龄灌水。但春3 叶龄灌溉时间较早，导致花后水分亏缺严重，千粒重显著降低，成为产量显著下降的重要因素。春5、6 叶龄灌水处理成穗数降低、穗粒数减少，导致产量显著下降。春4 叶龄灌水则有效协调了前期和后期干旱胁迫的矛盾，灌水前的适度干旱胁迫发挥了有益调控作用，相对其他处理使产量三要素更为协调，籽粒产量最高。同时发现，水地组品种的穗粒数和单位面积穗数对春季限水灌溉更为敏感，穗数和穗粒数在限水灌溉下显著降低，导致该类品种减产幅度显著大于旱地组品种。