非充分灌溉對冬小麥產量及水分利用效率影響研究

褚桂紅，楊麗霞(山西省水利水電科學研究院，太原 030002)

近年來，面對頻頻告急的全國用水形勢，農業灌溉所面臨的用水危機更加嚴峻，充分供水的灌溉制度已愈來愈難以實現。在半干旱區，雖然氣溫、日照和土壤肥力等條件良好，但降水量短缺，限制了其他因素的發揮，冬小麥產量在很大程度上取決于水分這個最低量因素[1]。如何根據冬小麥的生長發育規律，在確保合理產量的同時有目的的實行非充分灌溉，使其在某個生育階段經受水分脅迫，達到節水增產的目的，已成為國內外研究的熱點[2-6]。本文針對半干旱區冬小麥生育期灌水次數多、水分利用效率低等實際情況，以非充分灌溉理論為基礎，研究冬小麥關鍵生育期水分脅迫對其生長發育、產量及水分利用效率的影響，為揭示作物高效用水機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2009-2010年在汾西水利管理局灌溉試驗站進行，試驗站位于山西省臨汾市堯都區劉村鎮東宜村西，地理位置在東經111°18′38″，北緯36°06′00″，海拔449.00 m，引用龍子祠泉水和試驗站井水灌溉，灌溉條件優越。試驗田屬于中壤土，土壤平均干密度1.42 g/cm3，田間持水率25.7%，地下水埋深平均3 m以下，0～100及0～160 cm土壤肥力情況見表1。試驗區多年平均氣溫為12.1 ℃，降雨量為486.7 mm，蒸發量為1 568 mm(20 cm口徑蒸發皿)，屬溫帶大陸性半干旱氣候類型。耕作制度為冬小麥-夏玉米一年兩作，管理水平較高。

表1 汾西灌溉試驗站土壤肥力本底情況表

1.2 試驗方案

根據汾西灌溉試驗站當地降水量和作物需水量情況，并參考以往的試驗研究成果，確定了2009-2010年冬小麥灌水試驗方案。試驗設旱作處理1個，灌1水和灌2水處理各3個，灌3水處理1個，共計8個處理。小區每次灌水量為75 mm，每個處理設3個重復，小區采用管道輸水灌溉，規格20 m×3.3 m=66 m2。冬小麥于2009年10月播種，播前對試驗小區進行20～30 cm的翻耕，小麥品種為臨抗11號，下種300 kg/hm2；底肥是復合肥，不追肥，氣象資料取自臨汾市灌溉試驗站氣象站測定結果。2009-2010年小麥生育期降水量146.6 mm，就冬小麥整個生育期而言為枯水年。

2 結果分析

2.1 冬小麥葉面積變化過程

冬小麥葉面積與產量有較好的空間結構特征[7]，其大小在一定程度上反映產量的高低。圖1為不同灌水處理下的冬小麥葉面積變化過程，從圖1中可以看出，返青至拔節期單株葉面積迅速增加，至抽穗期葉面積與植株總莖數均達到極大值，葉面積變化總體呈偏拋物線形式(見圖1)。不同灌水量處理對葉面積擴展影響不同，返青期各處理葉面積差異不顯著，抽穗灌漿期處理T6、T7的葉面積顯著高于其他處理，拔節至成熟期旱作處理T0的葉面積與其他處理均存在顯著差異，而T7的產量也顯著高于其他處理，可見，在一定范圍內產量隨葉面積的增大而增加，灌水在影響冬小麥葉面積的同時，也影響了產量。

圖1 冬小麥葉面積變化過程注：不同字母表示不同處理間達到0.05或0.01顯著差異水平，字母相同表示無顯著差異，下同。

2.2 冬小麥各生育階段耗水量差異與耗水組成

不同灌水條件下，冬小麥播種至拔節、拔節至灌漿階段耗水量變化規律基本一致，即隨著灌水量的增加，耗水量均呈增大趨勢，而灌漿至成熟階段耗水量則沒有明顯變化趨勢，但灌3水的T7處理耗水量明顯高于其他處理，如表2。從整個生育期來看，冬小麥各生育期耗水比例相差較大，播種至拔節期各處理耗水量基本占冬小麥整個生育期耗水量的50%左右，拔節至灌漿期耗水量約占總耗水量的30%左右，灌漿至成熟期耗水量占總耗水量的20%左右。不同處理間，總耗水量的變化量與灌溉水的增加量并不相等，這可能是由于一方面灌水時間、灌水量與冬小麥耗水高峰期不同步，另一方面隨著灌水量的增加，冬小麥對灌溉水消耗增大，降低了土壤水的利用率。因此，在確保合理產量的前提下，應減少灌水，增加土壤水的消耗，以達到節水增產的目的。

表2 冬小麥不同生育階段的耗水及其組成

2.3 冬小麥產量與水分利用效率分析

產量與耗水量關系密切，但并非越多越好。如表3，各處理中，旱作處理T0的產量、總耗水量和WUE均最小，與灌3水的處理T7相比，總耗水量降低了46.1%，產量相應地減少了55.0%，說明不灌水會顯著降低冬小麥產量和水分利用效率；T2處理的灌溉水利用效率和邊際效益最大，T4處理的水分利用效率和產量均較高，因此灌拔水對其增產和提高灌溉水利用效率的作用非常顯著，灌冬澆水與拔節水可獲得較理想的產量和水分利用效率。在灌水量相同的情況下，各處理因灌水時間的差異導致了不同的產量和WUE，說明冬小麥最優灌水方式的存在和各生育期對水分狀況反映差異的存在[8]。

表3 不同灌水處理下冬小麥耗水量、產量和水分利用效率

灌水次數和灌水量對根系吸收不同土層的土壤水分有較大影響[9]。在枯水年份，各灌水處理對0～80 cm土層的耗水量占土壤總耗水量的絕大部分(表4)，灌3水的T7處理耗水量近70%來自80 cm以上土層，而旱作處理T0對深層土壤水分的消耗達47.7%，灌水次數多，灌水量大，根系對上層土壤水分吸收利用就多；反之，根系對深層土壤水分吸收則明顯增加。因此，可適當減少冬小麥生育期的灌水次數和灌水量，有利于促進根系對深層土壤水分的吸收，促進根系下扎[10]，特別是在小麥生育后期表土干旱的情況下對作物產量的形成非常重要。

表4 小麥整個生育期各層土壤耗水情況表

產量和WUE是目前研究較多的一個層次，相關試驗結果表明WUE與產量二者最高點并不重合[11]。由圖2可知，當耗水量小于444.37 mm時，WUE和產量均增加；當耗水量達到444.37 mm時，WUE達到最大值1.18 kg/m3，此時產量為524.09 g/m2；當耗水量大于444.37 mm時，WUE開始下降，產量繼續增加，當耗水量為514.70 mm時，產量達到最大值567.62 g/m2，而WUE降到1.10 kg/m3。說明隨著冬小麥生育期總耗水量的增加，WUE較產量更為敏感，先于產量達到最大值。因此，在半干旱地區枯水年份，應使冬小麥生育期總耗水量控制在444.37 mm左右，實現灌溉水資源利用效率的最大化。

圖2 冬小麥生育期產量、總耗水量與水分利用效率關系

3 結 語

(1)不同灌水條件下，冬小麥各生育期耗水比例相差較大，總耗水量隨灌水量的增加而增大，灌水降低了土壤水的利用率，干旱年份，在確保合理產量的前提下，減少灌水、增加土壤水的消耗，可達到節水增產的目的。

(2)非充分灌溉對冬小麥葉面積、產量和水分利用率均會產生顯著影響，旱作處理T0的產量、總耗水量和WUE均最小，與灌3水的T7處理相比，總耗水量降低了46.1%，產量相應地減少了55.0%；T2處理的灌溉水利用效率和邊際效益均最大，T4處理的水分利用效率和產量較高，說明在半干旱地區，當水資源不足時，澆越冬水和拔節水可獲得較理想的產量和水分利用效率，可作為冬小麥優化灌溉模式。

(3)冬小麥對0～80 cm土層的耗水量占土壤總耗水量的絕大部分，且隨灌水次數和灌水量的減少，根系對深層土壤水分吸收則明顯增加；適當減少冬小麥生育期的灌水次數和灌水量，可提高根系對深層土壤水分利用效率，特別是在冬小麥灌漿成熟期表土干旱的情況下對作物產量的形成非常重要。

(4)WUE與產量二者最高點不重合，WUE先于產量達到最大值。在半干旱地區，當冬小麥總耗水量控制在444.37 mm左右時，可實現水資源利用效率的最大化。

[1] 李振全.灌區節水高效灌溉實時決策研究[D].鄭州：華北水利水電學院，2006.

[2] 段愛旺，張寄陽.中國灌溉農田糧食作物水分利用效率的研究[J].農業工程學報，2000，16(4)：41-44.

[3] 施建忠，王天鐸，李臨穎.環境因子對小麥葉片水分利用效率影響的實驗研究和數值模擬[J].植物學報，1994，36(12)：940-946.

[4] 吳 凱，謝賢群.山東省禹城市冬小麥夏玉米高產灌溉制度及其管理[J].農業工程學報，1998，14(2)：139-142.

[5] 許 迪，吳普特，梅旭榮，等.中國節水農業科技創新成效與進展[J].農業工程學報，2003，19(3)：5-9.

[6] English M，Raja SN. Perspectives on deficit irrigation [J].Agricultural Water Management，1996，32：1-14.

[7] 馮建波，肖偉中， 張鎖榮.小麥葉面積指數和產量結構空間特性分析[J].安徽農業科學，2008，36(32)：14 021-14 022.

[8] 張喜英，裴 冬，由懋正.太行山前平原冬小麥優化灌溉制度的研究[J].水利學報，2001，(1)：90-95.

[9] 王淑芬，張喜英，裴 冬.不同供水條件對冬小麥根系分布、產量及水分利用效率的影響[J].農業工程學報，2006，22(2)：27-32.

[10] 張忠學，于貴瑞.不同灌水處理對冬小麥生長及水分利用效率的影響[J].灌溉排水學報，2003，22(2)：1-4.

[11] 房全孝，陳雨海，李全起，等.灌溉對冬小麥水分利用效率的影響研究[J].農業工程學報，2004，20(4)：34-39.