调亏灌溉对新疆滴灌冬小麦产量及水分利用效率的影响

摘要：为探明调亏灌溉对新疆冬小麦的产量和水分利用效率的影响，于2022—2023年在新疆农业科学院奇台麦类试验站进行田间试验，采用二因素裂区设计，主区品种（A）为新冬22号（A1）和新冬18号（A2），副区灌水量（W）为300 m3/hm2（W1）、1 200 m3/hm2（W2）、2 100 m3/hm2（W3）、2 700 m3/hm2（W4）、3 000 m3/hm2（CK）5个处理，研究冬小麦叶面积指数（LAI）、叶绿素相对含量（SPAD值）、水分利用效率及产量等对调亏灌溉的响应。结果表明，在拔节期至灌浆期进行调亏灌溉处理，LAI呈先增后减的变化趋势，在孕穗期W4处理下达到最大，为6.32；叶片SPAD值随着灌溉量的减少而降低，且在灌浆期达到最大，与CK相比，调亏灌溉处理下SPAD值平均下降幅度由大到小依次为 W1gt;W2gt;W3gt;W4处理，其中SPAD值和LAI在调亏灌溉中均以W4处理最高；与CK相比，0～80 cm土壤含水量在不同调亏灌溉处理下平均下降幅度由大到小依次为W1gt;W2gt;W3gt;W4处理，其中W4处理在抽穗期土壤含水量下降幅度达到最小，与CK相比，随着灌水量的减少，不同调亏灌溉处理下的灌溉水利用效率和水分利用效率均呈先升后降的变化趋势，且其产量呈逐渐降低趋势，W2处理获得最大灌水利用效率和水分利用效率，而W3处理稳产效果最佳。因此，在本试验条件下，滴灌量为1 200～2 100 m3/hm2的A2品种为最适的品种灌水量组合。

关键词：调亏灌溉；滴灌；冬小麦；水分利用效率；产量

中图分类号：S512.1+10.7" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）24-0079-07

收稿日期：2023-12-27

基金项目：新疆维吾尔自治区重大科技专项（编号：2022A02003-6）。

作者简介：王子骞（2000—），男，甘肃天水人，硕士研究生，主要从事小麦作物栽培与耕作学研究。E-mail：3034374984@qq.com。

通信作者：石书兵，博士，教授，从事小麦作物栽培与耕作学研究。E-mail：shubshi@sina.com。

小麦（Triticum aestivum L.）是仅次于玉米和水稻的第三大粮食作物，对全球的粮食安全和营养供应至关重要，全球年产量为7.8×10¹¹ kg^［1］。预计到2050年，对小麦的需求将增加60%，而由于气候因素引起的非生物因素的影响，小麦产量可能会下降29%^［2］。众所周知，水分是影响作物生长发育的重要因素之一，而我国北方地区存在降水与作物需水供求矛盾，生产上需要进行补充灌溉才能满足作物的正常生长发育^［3］。水资源短缺和气候干旱是限制小麦产量提高的重要因素之一^［4］，尤其在新疆地区，气候干旱、降水量少、农业用水效率不高和水资源浪费问题严重阻碍了新疆小麦的可持续发展^［5］。

调亏灌溉（regulated deficit irrigation，RDI）是根据作物生长发育特性，在作物某一生育阶段进行亏水锻炼，使其增加对干旱程度的忍耐度，提高作物根系对土壤水分利用效率，最终影响其生理生化过程，从而达到作物增产稳产的效果^［6］。近年来，该技术已广泛应用于果树、小麦、棉花等农作物的生产实践中^［7］。作物生长的评估通常依赖于关键生长指标，如株高、叶面积指数（LAI）和叶片叶绿素相对含量。株高不仅反映了作物的垂直生长，而且与作物的产量有着密切关联。Chen等的研究表明，灌水量对小麦株高有积极影响，随着灌水量的增加，株高增幅为17.76%^［8］。Cao等进一步研究发现，在小麦全生育期内，抽穗灌浆期的灌水对株高和LAI有显著提升效果，且确定了抽穗期和灌浆期作为冬小麦高产的最佳限量灌水时期^［9］。SPAD值作为反映光合作用效率的重要指标与灌水量存在显著关联^［10］。Hou等研究发现，在灌水定额为40 mm时，SPAD值达到最高。水分亏缺是影响小麦产量及其水分利用效率的重要非生物因素之一^［11］，因此，制定合理的节水灌溉策略对小麦生产愈发重要。李倩等研究发现冬小麦产量随灌水量的增加呈现开口向下的二次函数关系分布，且在灌水量为80 mm时产量达到最大值^［12］。章杰等的研究表明，灌水量对籽粒产量和水分利用效率均有显著影响，与灌水量 150 mm 相比，灌水90 mm可以增产14.5%，且提高水分利用效率15.5%^［13］。与之相反，Zhao等研究发现，减少灌水量不仅不显著影响产量，还有利于提高水分利用效率^［14］。因此，合理的灌水量是小麦高产稳产的重要保障。目前，在调亏灌溉技术和灌溉策略对小麦生长发育特性方面的影响已有初步研究。但在调亏灌溉条件下，品种和灌水量对冬小麦产量和水分利用效率的影响等方面研究尚未深入。

本试验在前人研究的基础上，采用双因素裂区试验设计，设置2个品种水平和5个水分亏缺处理，通过对不同调亏灌溉方案下新疆冬小麦产量及其水分利用效率的影响，明确影响冬小麦产量的关键水分因子，确定不同调亏灌溉方案对冬小麦产量及其水分利用效率的影响，旨在为新疆冬小麦产区精准灌溉方案的制定提供一定参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022—2023年在新疆农业科学院奇台麦类试验站（43°59′57″ N，89°45′23″ E）进行，试验地为沙壤土，含有机质12.22 g/kg、碱解氮54.6 mg/kg、有效磷16.1 mg/kg、速效钾81.3 mg/kg，有效降水量为48.04 mm，有效积温为2 087.5 ℃（gt;0 ℃），小麦生育期气候变化见图1。

1.2 试验设计

采用双因素裂区试验设计，主区品种（A）设新冬22号（A1）和新冬18号（A2），副区灌水量（W）设300 m3/hm2（W1）、1 200 m3/hm2（W2）、2 100 m3/hm2（W3）、2 700 m3/hm2（W4）、3 000 m3/hm2（CK），灌溉方式为滴灌，用水表精确控制灌水量（表1）。播种量为300万粒/hm2，人工条播，行距0.2 m，小区面积为8 m2（2 m×4 m），重复3次。播种前统一施纯氮225 kg/hm2（基追比为6 ∶4，追肥拔节期开沟施入）、P2O5 120 kg/hm2和K2O 120 kg/hm2，试验地四周设置保护行，其他管理措施与当地大田管理措施一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶面积指数测定

在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期，各处理随机选取10株整株，用长宽系数法测定叶面积^［15］，并计算叶面积指数：

叶面积（cm2）=长（cm）×宽（cm）×0.83（矫正系数）；

叶面积指数=单位土地面积叶片总面积/土地面积。

1.3.2 SPAD值测定

采用SPAD-503叶绿素仪，在开花和籽粒灌浆中期，各处理随机选取10株，于上午10：00—12：00，测定旗叶、倒2叶和倒3叶SPAD值^［16］，并取平均值。

1.3.3 耗水量及水分利用效率测定

土壤质量含水量用烘干法测定，每20 cm土层为1个层次，总共4层，土壤耗水量和水分利用效率用以下公式计算^［17］：

WUE=Y/ET。

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

全生育期总耗水量（m3/hm2）＝全生育期土壤贮水消耗量＋全生育期有效降水量＋全生育期总灌水量+地下水补给量；

全生育期土壤贮水消耗量=10×∑ρiHi（θi1-θi2），（i＝1，2，……，n）；

式中：i为土层编号；n为总土层数；ρi为第i层土壤干容重；Hi为第i层土壤厚度；θi1和θi2分别为第i层土壤播前和收获时的含水量，以占干土重的百分数计；全生育期有效降水量为48.04 mm（当地气象站提供），全生育总灌水量通用水表精准测定；试验点地下水埋深大于4 m，地下水补给量可忽略不计。

灌溉水利用效率［kg/（hm2·mm）］=冬小麦籽粒产量/全生育期总灌水量。

水分利用效率［kg/（hm2·mm）］=冬小麦籽粒产量/全生育期总耗水量。

1.3.4 小麦产量和收获指数

成熟期每处理任选10株小麦考种随机选取1 m2样方实收测产。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行整理，用R语言软件进行方差分析和制图，采用最小显著差异法（LSD）进行多重比较^［18］。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉对不同生育时期滴灌冬小麦LAI的影响

小麦叶面积指数在各生育期下不同调亏灌溉处理中差异显著，随着灌水量的降低，LAI呈现下降趋势（图2）。在CK处理下，A2品种LAI在孕穗期、抽穗期、开花期以及灌浆前期与A1品种差异不显著，而在拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆后6 d显著（P＜0.01）或极显著（P＜0.001）高于A1品种；与CK相比，在拔节期至灌浆后6 d，不同调亏灌溉处理下LAI指数平均下降幅度依次从大到小为60.25%（W1）gt;48.00%（W2）gt;35.73%（W3）gt;17.82%（W4）；随着生育进程的推进，LAI指数在不同调亏灌溉处理下呈先上升后下降的趋势，在孕穗期达到最大，分别为6.32（W4）、5.06（W3）、4.42（W2）、3.28（W1），且A2品种在W4、W3、W2、W1处理下LAI指数均大于A1品种。

2.2 调亏灌溉对不同生育时期滴灌冬小麦SPAD值的影响

由图3可知，调亏灌溉对不同冬小麦品种的叶绿素含量（SPAD值）产生了显著影响。随着灌溉量的减少，SPAD值呈现下降趋势。特别是，在极端干旱条件下，A2品种相比A1品种能更好地维持较高的叶片光合作用。从拔节期到灌浆后6 d，与CK相比，不同灌溉处理下冬小麦SPAD值的平均降幅由大到小依次为W1gt;W2gt;W3gt;W4。在拔节期和孕穗期，A2品种在W4、W3、W2和W1处理下的SPAD值相比A1品种提高。与CK相比，在W4处理下，A2品种的SPAD值增加了3.41%和4.60%。在抽穗期至灌浆后6 d的水分亏缺条件下，A1品种的SPAD值下降，而A2品种在W4、W3、W2处理下的SPAD值下降幅度较小，分别为3.14%、10.27%、16.13%，表明在水分调亏灌溉条件下，A2品种能较好地保持叶片的光合作用活力。

2.3 调亏灌溉对滴灌冬小麦产量及构成因素的影响

由表2可知，调亏灌溉主要通过影响穗粒数和千粒重来直接决定冬小麦的产量。这种灌溉方式对不同冬小麦品种的穗数没有显著影响（P＜0.05）。与CK相比，W1～W4处理在不同的调亏灌溉处理下，冬小麦的穗粒数平均降幅由大到小依次为W1（69.02%）gt;W2（46.21%）gt;W3（28.18%）gt;W4（13.88%）；千粒重分别下降22.70%、17.95%、12.33%、3.70%。相应地，产量的平均下降幅度分别为44.34%（W1）、33.09%（W2）、23.54%（W3）、5.27%（W4）。表明在实施节水增产策略时，选择A2品种在W3、W2、W1处理下可能会带来更好的经济效益。

2.4 调亏灌溉对不同生育时期滴灌冬小麦水分时空变化规律的影响

由图4可知，在不同生育阶段，A1和A2这2个冬小麦品种的土壤含水量表现出不同的趋势。 A1品种在拔节至灌浆期的土壤含水量随土层深度增加明显上升，而A2品种则大体呈现先上升后下降的趋势。与CK相比，在 0～80 cm土壤深度上，不同调亏灌溉处理下的土壤含水量平均下降幅度从大到小依次为W1gt;W2gt;W3gt;W4。在抽穗期，W4处理下的土壤含水量下降幅度相对较小，为5.75%，而W1处理在灌浆期的下降幅度最小，为26.95%。相比之下，拔节期的下降幅度最高，分别为40.48%（W1）、28.85%（W2）、20.92%（W3）、12.51%（W4）。进一步分析发现，在拔节和孕穗期，与A1品种相比，A2品种在W3、W2、W1处理下的土壤含水量在 40～60 cm土层中较低，分别为17.15%、15.18%、9.97%和12.93%、11.20%、9.62%。在拔节期的0～20 cm土层中，A2品种的土壤含水量比A1提高了16.67%，而在20～40、40～60、60～80 cm土层中分别下降了7.25%、17.94%、13.20%。在孕穗期的20～40 cm土层中，土壤含水量较高，这表明A2品种的根系在拔节期和孕穗期主要集中在40～80 cm土层。在抽穗期，与A1品种相比，A2品种在0～20 cm土层中土壤含水量提高了7.65%，而在20～40、40～60、60～80 cm 土层中分别降低了7.27%、8.30%、14.34%。到了开花期至灌浆期，A2品种在0～20 cm和20～40 cm土层中的土壤含水量均提高，而在40～60 cm和60～80 cm土层中土壤含水量降低，这说明A2品种的小麦根系在生育后期主要依赖40～80 cm土层的水分。

2.5 调亏灌溉对不同生育时期滴灌冬小麦水分利用效率的影响

随着灌溉量的减少 不同冬小麦品种表现出不同的耗水特性。A1品种在灌溉水利用效率、水分利用效率上表现为先上升后下降的趋势，且在总耗水量上表现为依次下降趋势，而A2品种在灌水利用效率和水分利用效率方面呈现逐渐上升趋势，耗水量表现为先降后升的趋势（表3）。与CK相比，不同调亏灌溉处理下的灌溉水利用效率和水分利用效率平均增加幅度由大到小依次为W2gt;W1gt;W3gt;W4和W1gt;W2gt;W4gt;W3，而总耗水量平均下降幅度为W1gt;W2gt;W4gt;W3，其中灌水利用效率与水分利用效率在W1处理下达到最大，而耗水量在W1处理下最小。说明W2处理有利于显著提高小麦的灌溉水利用效率和水分利用效率，而W1处理则有助于小麦更有效地进行深层吸水。

3 讨论与结论

叶面积指数是评估作物冠层覆盖度和反映作物生长动态的重要参数^［19］。水分作为决定作物生长的关键条件，在作物生理过程中扮演着至关重要的角色。减少灌水量会显著降低小麦的叶面积指数（LAI）^［20］，具体而言，在灌水矿化度一致的条件下，灌水量减少导致小麦叶面积指数降低 14.07%～20.45%。本研究发现，在调亏灌溉处理下，随着灌水量下降，叶面积指数呈显著下降趋势，而不同品种冬小麦下降趋势呈不同程度变化，与A1品种相比，A2品种LAI下降幅度介于18.60%～65.72%之间。然而，叶面积指数与滴灌量关系呈抛物线关系，随滴灌量的增加，LAI先增加后降低，且适宜的滴灌量对叶片干物质向籽粒中转运有积极作用，在本研究中，不同调亏灌溉处理下，冬小麦LAI随着灌水量的降低呈现单一的下降趋势。SPAD值作为反映光合作用效率的重要指标，与灌水量存在显著关联^［10］。本研究进一步探明，SPAD值不仅与灌水量有关，还与生育阶段密切相关，在不同灌水量下，SPAD值大小依次为CKgt;W4gt;W3gt;W2gt;W1，且在整个生育期间，A2品种的SPAD值平均下降幅度低于A1品种，表明A2品种在调亏灌溉处理下仍能保持较强的叶片光合能力。

水分利用效率（WUE）是评价作物对水分利用程度的重要指标，能够充分反映作物生长发育过程中对水分的经济利用程度^［21］。水分利用效率随着灌水量的增加呈先升高后下降的趋势^［22］；与之相反，减少灌水量可以有效提高小麦的水分利用效率，优化小麦冠层结构，调节耗水量^［15］。大多数相关研究表明，随着灌水量的增加，水分利用效率普遍下降。本研究表明，水分利用效率变化趋势不仅与灌水量相关，还与品种有关，A1品种水分利用效率随着灌水量增加呈先下降后上升的趋势，相比之下，A2品种的水分利用效率随着灌水量增加表现为先升高后降低的趋势。在有限的灌水条件下，提高水分利用效率对农业生产变得越来越重要。在滴灌条件下，冬小麦水分利用效率随着灌水量的增多呈先升后降的变化趋势，在3 600 m3/hm2的灌溉量下达到最大^［23］。灌水量对籽粒产量和水分利用效率均有显著影响，与灌水量150 mm相比，灌水 90 mm 可以增产14.5%，且提高水分利用效率15.5%^［13］。本研究表明，与A1品种相比，在调亏灌溉下A2品种大幅提高了水分利用效率和灌溉水利用效率，说明在极端缺水条件下，A1品种水分利用效率和灌溉水利用效率高于A2品种。本研究发现，灌水量与耗水量在一定范围呈正相关关系，而超过一定范围则相反，与3 000 m3/hm2灌水量相比，不同调亏灌溉下耗水量降低幅度大小依次为1 200 m3/hm2（W2）gt;300 m3/hm2（W1）gt;2 100 m3/hm2（W3）gt;2 700 m3/hm2（W4），其中1 200 m3/hm2耗水量超过300 m3/hm2，其原因可能是在超过一定灌水量后，有利于促进冬小麦根系发育，从而利用更多的土壤水分。

水分管理是决定小麦产量的关键因素。在小麦越冬期和拔节期进行灌水（600 m3/hm2）能够显著增加小麦总茎数和成穗数，从而影响产量的形成^［24］。此外，在干旱年份，对冬小麦在关键生育期（拔节期、孕穗期、开花期）进行灌水（450 m3/hm2）不仅能提高籽粒产量，还能达到节水效果^［25］，本研究结果表明，不同的小麦品种对灌溉的响应存在显著差异。此外，在小麦拔节期至灌浆期，每个生育时期的节水灌溉条件下，产量的形成不仅与灌水量相关，还与品种相关。冬小麦产量受灌水水平的极显著影响，随着灌水水平的增大，产量呈现“向下开口抛物线”分布^［26］。然后，本研究中产量随着调亏灌溉水平的降低呈逐渐下降趋势。产量构成要素，如穗数、穗粒数和千粒重，是直接决定产量高低的主要指标。在不同灌水量下，穗数和穗粒数是影响产量形成的关键因素，而千粒重对产量的影响不显著，且适宜的灌水有利于增加穗粒数，进而提高产量^［27］。灌水量在127～217 mm范围内，冬小麦产量构成因素随着灌水量的增加而增加，且当超过这个范围，冬小麦的穗数、穗粒数、千粒重呈下降趋势，但不显著^［28］。本研究结果表明，在小麦拔节期至灌浆期调亏灌溉处理对穗数影响差异不显著，而对穗粒数和千粒重影响差异显著，且灌水量在300～3 000 m3/hm2 范围内，冬小麦产量及其构成因素随着灌水量的增加而增加。

综合考虑不同新疆冬小麦品种产量和水分利用效率对水分亏缺的响应，在新疆滴灌水肥一体化条件下，实现冬小麦群体高产与节水效应相结合的灌水量范围为1 200～2 100 m3/hm2，最适宜种植品种为A2品种，且与A1品种相比，A2品种在此灌水范围内可获得5 381.28 kg/hm2籽粒产量和达到较高水分利用效率。

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