深層灌水對冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響

黃 潔，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，狄 楠

(1.太原理工大學水利科學與工程學院， 山西 太原 030024；2.山西水利職業技術學院， 山西 運城 044004)

深層灌水對冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響

黃 潔1，孫西歡1,2，馬娟娟1，郭向紅1，狄 楠1

(1.太原理工大學水利科學與工程學院， 山西 太原 030024；2.山西水利職業技術學院， 山西 運城 044004)

以高產中晚熟冬小麥品種良星99為材料,在運城市鹽湖區山西水利職業技術學院實訓基地進行田間試驗,研究了深層灌水對冬小麥耗水特性和水分利用效率的影響。結果表明:整個生育期，深層灌水處理根區20～160 cm土層土壤水分動態變化比地表灌處理明顯；T1(地表灌水)處理總耗水量最大,顯著高于T2(濕潤層深度為根系60%)、T3(濕潤層深度為根系75%)和T4(濕潤層深度為根系90%),深層灌水增加了降雨和灌溉水的消耗,降低了土壤貯水的消耗；T2和T3處理間無顯著差異，T3在抽穗至灌漿期末、灌漿至成熟期的耗水量和耗水模系數均較大；不同濕潤層深度條件下,T1處理水分利用效率和產量最低,隨濕潤層深度增加,其他處理水分利用效率呈先增加后降低的趨勢。濕潤層深度為150 mm和188 mm的T2和T3產量、水分利用效率和灌溉水利用效率表現最好，T1處理最低。T3為本試驗條件下高產節水的最佳處理。

深層灌水；冬小麥；耗水特性；水分利用效率

華北平原冬麥區是我國小麥主產區，水分短缺是限制該區小麥高產的主要因子[1]，受季風氣候影響，該地區70%以上的降水集中在7—9月，小麥生長期間降水只能滿足其需要的25%～40%，故而灌溉是提高小麥產量的主要措施[2]。傳統高產小麥栽培通常采用平作或大水漫灌的栽培方式，不僅灌水多、耗水量大、水分利用效率低[3]，而且還會導致土壤板結及土壤結構的破壞[4]。如何合理利用有限的水資源減少灌溉用水、提高水分利用效率是冬小麥生產迫切需要解決的問題。華北平原丘陵地區屬干旱半干旱氣候，作物對深層土壤水分的吸收利用成為影響作物產量的關鍵因素[5]。

深層灌水是一種中深層的立體灌溉方法。通過深層灌溉，作物調整根系的生長和分布來適應土壤環境和水分養分的空間差異, 進而影響作物對土壤水資源的吸收利用。作物對土壤水的吸收利用, 不僅受根系吸水水力特性影響, 根系大小和所占的空間對土壤水對作物的有效性起決定性作用[6-7]。特別是隨著水資源短缺的加劇, 提高作物根系獲得土壤水分能力以提高作物抗旱性顯得尤為重要[8]。張喜英[9]認為通過耕作、施肥、灌水可促使根系深扎，增加根系對土壤貯水的有效利用；馬瑞昆等[10]研究表明深層地下供水可控制淺土層次生根發育，促進初生根發育；Kirkegaard等[11]發現在澳大利亞旱作條件下冬小麥1.35～1.85 m土層中多吸收10.5 mm的水分，就能增產0.62 t·hm-2。康利允等[12]研究發現上干下濕水分處理產量和水分利用效率分別增加10.0%和47.4%。以上這些研究結果為旱地農業生產和用水管理提供了一定理論和實踐依據。過去有關水分對作物耗水規律及水分利用效率影響的研究，大多局限于灌水定額、灌水次數和灌水時期[13]，而關于灌水深度，由于試驗條件限制和測根等技術存在的困難而研究較少。本研究針對冬小麥根系分布特點，采用土柱管栽技術，在一定供水量情況下探索不同灌水深度對冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響，為華北地區作物合理灌溉，提高土壤貯水利用率，變被動抗旱為主動抗旱提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗田概況

試驗于2014—2015年在山西省運城市鹽湖區山西水利職業技術學院實訓基地大田進行。該實訓基地位于北緯34°48′27″，東經110°41′23″，平均海拔370 m。多年平均降雨量559.3 mm，主要集中在7—9月份，年平均日照時數2 247.4 h，年平均氣溫13.6℃。試驗區土壤屬于中壤土，0～300 cm土壤養分含量見表1。

表1 試驗地土壤基礎理化性狀

注：表中田間持水量為土壤體積含水率。

Note：The soil moisture content in the table is the volumetric water content of the soil.

1.2 試驗設計

試驗田面積21 m×2.5 m，土柱采用完全隨機耕作方式排列為3列，行距80 cm，行與行之間土壤加種一行小麥作為保護行(圖1)。為方便試驗操作，在試驗小區和大田之間設兩條人行道，并安裝軌道車。土柱(PVC管)外徑20 cm，內徑18.6 cm。土柱裝土前先將試驗埋坑土壤分層挖出，混合均勻后每5 cm一層依次裝入土柱壓實，最后植入大田，最大埋入深度為3 m。試驗共設置四個灌水深度，即：地表灌溉、濕潤層深度為根系分布的60%、濕潤層深度為根系分布的75%、濕潤層深度為根系分布的90%，分別用T1、T2、T3、T4表示，每個生育期(越冬期、返青拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期)分別設4個重復，共80根土柱。

圖1 土柱布置圖

Fig.1 Soil column arrangement

冬小麥于2014年10月12日播種，品種為國審麥良星99，屬半冬性中晚熟品種，生育期240天左右。三葉期每根土柱定苗3棵，其他管理措施同當地大田管理，次年6月1日收割。氣象資料由實訓基地氣象站獲得，生育期總降雨量為177.8 mm。

每次灌水前根據含水量和設計水分要求，對不同深度的灌水孔通過點滴管加入所需水分。試驗期間共灌水四次(表2)，由于越冬根系深度比較淺，故越冬水沒有分層進行處理。灌水定額根據當地大田灌水定額制定，均為2 775 m3·hm-2，每個灌水深度的灌水量由灌水定額計算公式確定[14]，計算公式為：

M=10ρbH(βi-βj)

其中，M為灌水量(mm)，H為土壤計劃濕潤層的深度(cm)，試驗由灌水孔之間的距離確定，ρb為計劃濕潤土層的土壤容重(g·cm-3)，βi為目標含水量(田持的85%)，βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。灌水量用量筒計量。

表2 冬小麥生育期灌水時間、灌水孔布置、計劃灌水深度及灌溉定額

1.3 測定項目與方法

1.3.1 基本測定項目 土壤基本性質按常規方法測定[15]。土壤含水量采用Diviner2000土壤水分廓線儀定期測定，測定深度為0～160cm，每隔一周測一次。生育期做剖根實驗時分層取土，10cm為一層，取0～300cm土層土樣，置于鋁盒中，采用烘干法測定土壤含水量。最后對兩種測量方法進行分析，得出換算系數k≈1.27=θ1(土壤水分廓線儀法)/θ2(烘干法)。小麥成熟后按柱收獲，剪取地上部分后在室內測定每柱分蘗數、穗長、穗粒數、千粒重、產量等指標。

1.3.2 有效降雨量的計算 由公式[16]：

計算得出。其中，Ic為冠層截留量(mm)；α為降雨蒸發率，取0.008；P為次降雨量(mm)；LAI為冬小麥葉面積指數，從返青期開始每周用直尺測量土柱所有植株葉子的長和寬，計算葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，然后求得葉面積指數LAI=LA/S(S為試驗筒底面積)。

1.3.3 耗水量的計算 采用測定土壤含水率計算作物耗水量時，耗水量的計算公式為[17]：

式中，ET1-2為階段耗水量(mm)；i為土層編號；n為總土層數，本試驗n=30；Hi為第i層土壤厚度(cm)，本試驗計算深度為300 cm；θi1和θi2分別為第i層土壤時段初和時段末的體積含水率，以百分數計；I為時段內的灌水量(mm)；P0為有效降水量(mm)；K為時段內的地下水補給量(mm)，由于試驗土柱的下端有塑料布封口，地下水補給量可視為0，故K值可以忽略不計。

日耗水量=各生育階段土柱耗水量/生育階段天數

耗水模系數=各生育階段土柱耗水量/麥田總耗水量

1.3.4 水分利用效率和灌溉水利用效率

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)[18]=籽粒產量(kg·hm-2)/小麥生育期耗水量(mm)；

灌溉水利用效率(kg·hm-2·mm-1)[18]=籽粒產量(kg·hm-2)/灌水量(mm)。

1.4 數據處理

試驗數據使用MicrosoftExcel和SPSS21軟件進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水深度條件下根區各土層土壤水分動態變化

根據土壤剖面自上而下的分層情況將0～160cm的土層分成四部分來分析，即0～20、20～50、50～90、90～160cm。然后定期監測冬小麥返青期～成熟期根區不同深度土壤體積率的動態變化(圖2)，分析根區土壤水分運移與分布規律，進而了解吸水根系對不同土層深度水分的吸收情況。

由圖2(a)可以看出，在0～20cm土層范圍內，四個處理土壤水分波動都很大，但大體上隨灌水深度增加呈減小趨勢，各處理表層0～20cm含水率比較：T1>T2>T3>T4。3月29日稍有增加是之前幾天持續降雨的緣故，而4月9日和5月5日的突然增大是灌水的原因。

圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)分別是20～50、50～90、90～130cm和130～160cm范圍內根區土壤水分動態變化曲線。由圖可知，地表灌T1隨土層深度的增加，曲線波動越不明顯，尤其是90cm以下土層，曲線幾乎呈直線，說明地表灌水對土壤水分的影響隨深度增加逐漸減小，90cm以下土層，地表灌水對其的影響已微乎其微。4月20日以后T1處理90cm以下土層含水率值幾乎沒有明顯變化，說明90cm以下土層存在小麥根系，且在生育后期，這一部分根系對土壤水的利用很少；而處理(T2、T3、T4)由于深層灌水的原因，各處理在3月14日、4月9日、5月5日含水率值突然增加，而且灌水過后，T2、T3、T4土層含水率都有降低趨勢，但是整個生育期各土層平均含水率值均比T1大。20～50cm土層，灌水深度最大的處理T4在4月20日左右降幅較其他處理明顯，說明T4在該深度處的吸水根系比較旺盛，4月28日各處理含水率稍有增加是由于連續降雨的原因，生育后期含水率大小比較：T3>T2>T4>T1；50～90cm土層，4月9日以后，各處理的含水率值都持續降低，到4月28日降到最低值，該點含水率值大小比較：T1≈T4T4>T2>T1；90～130cm土層，從圖d可以看出，T2、T3、T4土層含水率在4月28日依然有所降低，但是不如前幾層那么明顯。含水率降幅最明顯出現在5月30日(成熟期)，在該處，T2和T3的含水率甚至比T1還要低，說明深層灌的冬小麥根系依然能從90～130cm深的土層中吸收大量的水分供植株籽粒成熟所需，而且除了灌溉水，植株在該生育期還要利用一部分土壤水；130～160cm土層，冬小麥在該范圍內的土壤水分已接近田間持水量，不管是地表灌水還是深層灌水對該部分的土壤水分影響都不大。從圖e中可以看出，相比地表灌，深層灌波動還是比較明顯的，尤其是在生育后期含水率波動依然很明顯，這就足以說明深層灌水可以使冬小麥更深層的根區持續保持活力直至收獲。

圖2 根區各土層土壤體積含水率動態變化

Fig.2DynamicChangeofsoilvolumetricmoisturewithintherootzone

2.2 生育期階段耗水量、耗水模系數和日耗水量的差異

如表3所示，在不同灌水深度條件下，冬小麥階段耗水參數表現有所不同。從整個生育期來看，各處理的階段耗水量(WCA)和耗水模系數(WCP)都表現為：播種至拔節期末>拔節至抽穗期末>抽穗至灌漿期末>灌漿至成熟期末；日耗水量(WCD)都表現為：拔節至抽穗期末>抽穗至灌漿期末>灌漿至成熟期末>播種至拔節期末。說明冬小麥生育期耗水主要集中在播種至拔節期末階段，耗水量占冬小麥全生育期耗水量的47.48%～53.26%，但是日耗水量在此階段最小。

從各生育階段來看，播種至拔節期末：T1WCA>T4WCA>T3WCA>T2WCA，T1WCP>T4WCP>T3WCP>T2WCP，T1WCD>T4WCD>T3WCD>T2WCD；拔節至抽穗期末：T4WCA>T1WCA>T3WCA>T2WCA，T4WCP>T2WCP>T3WCP>T1WCP，T4WCD>T1WCD>T3WCD>T2WCD；抽穗至灌漿期末：T3WCA>T2WCA>T1WCA>T4WCA，T3WCP>T2WCP>T1WCP>T4WCP，T3WCD>T2WCD>T1WCD>T4WCD；灌漿至成熟期：T3WCA>T2WCA>T4WCA>T1WCA，T3WCP>T2WCP>T4WCP>T1WCP，T3WCD>T2WCD>T4WCD>T1WCD。可以看出，處理間階段耗水量、日耗水量的差異主要表現在拔節至抽穗期末和抽穗至灌漿期末，T4在抽穗至灌漿期的階段耗水量突然減小，與冬小麥生育后期根區90cm以下土壤水分的利用率的減小有關，進而影響到后期的籽粒灌漿。由以上比較可知，T2、T3在灌漿至成熟期仍能保持較高的階段耗水量(40.08mm、42.11mm)和日耗水量(2.67mm、2.81mm)，而地面灌的階段耗水量和日耗水量僅有21.67mm和1.44mm，結合圖1的分析，說明深層灌的小麥在生育后期各部分器官仍能保持很大的活力，能充分供應籽粒成長所需的水分。

表3 不同處理冬小麥生育期耗水量、耗水模系數和日耗水量

注：WCA為階段耗水量；WCP為耗水模系數；WCD為日耗水量。同列不同字母表示相同項目不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: WCA: Water consumption amount；WCP: Water consumption percentage；WCD: Water consumption per day。Different letters in same column mean significant difference of the same item between different treatments at 0.05 levels. The same below.

2.3 全生育期的總耗水量

表4為不同濕潤深度處理的總耗水量以及總耗水量的組成部分(有效降雨量、不同處理的總灌水量和土壤供水量)所占的比例。可知總耗水量：T1ET>T3ET>T4ET>T2ET，且差異顯著，T2、T3和T4處理的總耗水量分別比地表灌水T1處理減少了6.19%、2.27%和4.36%；有效降雨量比較：T1P>T2P>T3P>T4P，占總耗水量比例差異不顯著，T2處理最大，為30.2%；各處理總灌水量一定：T1I=T2I=T3I=T4I，占總耗水量的比例為T1T3△S>T4△S>T2△S，所占比例T1>T3>T4>T2。以上比較說明：增加灌水深度顯著促進了冬小麥對雨水和灌溉水的利用，降低了其對土壤貯水的利用；其中土壤貯水消耗量占總耗水量的比例變化幅度較大，CV為10.20%，有效降雨量和灌水量占總耗水量的比例變化幅度分別為2.35%和2.75%，表明土壤貯水消耗量有較大的調控范圍，降低冬小麥主要生育時期的各濕潤層深度的灌水量，能提高土壤貯水利用比例，達到節約灌溉水的目的。

2.4 水分利用效率

由表5可以看出，地表灌T1處理耗水量最大，但是水分利用效率和籽粒產量最低，說明在冬小麥地表保持充足的水分條件是沒有必要的，過多的水分反而會容易造成作物株體營養生長過剩；隨著灌水深度的增加，其他處理水分利用效率表現為先增加后降低的趨勢。全生育期灌水深度小于188 cm時，水分利用效率：T1T2>T4>T1，除了T3和T2，其他處理間差異顯著。表明T3是本試驗條件下高產節水的最佳灌水深度處理，其籽粒產量、水分利用效率、灌溉水利用效率分別為14 295.93、26.30、51.54 kg·hm-2·mm-1。可見深層灌水可以提高作物的水分利用效率，但并不是濕潤層深度越大越好。

表4 不同灌水深度對冬小麥整個生育期總耗水量及其組成因素的影響

注：表中CV為變異系數。 Note: In the table, CV is the coefficient of variation.

表5 不同灌水深度對冬小麥水分利用效率的影響

3 討 論

不同的灌溉方式使各土層土壤的含水量分布狀態呈現出差異性。冬小麥深層灌水處理根區20～160 cm土層土壤水分動態變化比地表灌處理明顯，尤其是90～130 cm和130～160 cm土層。已有很多研究表明作物根系有趨水、趨肥的特性，苗果園[5]等的研究表明超深層(150～250 cm)施肥對根系有一定的誘導作用；康利允[12]的研究指出0～40 cm上干下濕水分處理可使冬小麥下層根系生物量、產量及水分利用效率顯著增加，此結論與本文相吻合，只是本文的研究深度為3 m；易立攀等[19]的測墑補灌試驗表明0～40 cm土層測墑補灌可顯著提高土壤水的利用效率，與本文結論不太一致，本文研究表明地表灌溉總耗水量顯著高于深層灌水，且深層灌水增加了降雨和灌水的消耗量，降低了土壤貯水的消耗量，初步分析原因是由于計劃濕潤層的濕潤程度及濕潤深度的不同所導致。不同濕潤層深度條件下，地表灌水分利用效率和產量最低，灌水深度為150 mm和188 mm的T2和T3產量、水分利用效率和灌溉水利用效率表現最好。隨濕潤層深度增加，水分利用效率呈先增加后降低的趨勢。濕潤層深度為根系75%為本試驗條件下高產節水的最佳處理。

冬小麥深層灌水是一種中深層的立體灌溉水分調控方式，濕潤層深度作為其中重要的參數，將對灌溉制度的制定、灌水質量的評價起到關鍵作用。由于本試驗僅分析了一個生育期內不同濕潤層深度對冬小麥需水特性和水分利用效率的影響，關于其在不同立地條件下的重現性和相關作物生長模型的建立還有待進一步的研究。

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Effects of deep irrigation on water consumption and water use efficiency of winter wheat

HUANG Jie1, SUN Xi-huan1,2, MA Juan-juan1, GUO Xiang-hong1, DI Nan1

(1.CollegeofWaterResourceScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi030024,China; 2.ShanxiConservancyTechnicalCollege,Yuncheng,Shanxi044004,China)

A field experiment was conducted on, Liangxing 99, a mid-late maturing winter wheat with high yield in Shanxi Conservancy Technical College training base in Yanhu District, Yuncheng City of Shanxi, to explore the effects of deep irrigation on water consumption and water use efficiency of winter wheat. The results showed the soil water dynamic changes within 20～160 cm depth of root zone was more than that under the surface irrigation treatment in the whole growth period. The total water consumption under T1 (surface irrigation treatment) was significantly higher than that under T2 (depth of wetting layer is 60%), T3 (depth of wetting layer is 75%) and T4 (depth of wetting layer is 90%). Deep irrigation increased the consumption of rainfall and irrigation, and reduced the consumption of soil water storage. There was no significant difference between T2 and T3.The water consumption and water consumption coefficient of T3 in the stage from heading to filling and the stage from grain filling to maturity were larger. Under different irrigation conditions, the efficiency of water use and yield under T1 treatment was the lowest. With the increase of wetting layer depth, efficiency of water use under other treatments increased and then decreased. The production, efficiency of water use and efficiency of irrigation water use under T2 and T3 were the best at 150 mm and 188 mm depth of wetting layer. As far as high yield and water-saving were concerned. T3 was the optimal under the condition of this experiment.

deep irrigation；winter wheat； water consumption characteristics；water use efficiency

1000-7601(2017)02-0220-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.36

2016-01-09基金項目：國家自然科學基金資助項目(51109154，51579168)；山西省科技攻關資助項目(20140311016-6)；山西省水利廳科技項目；山西省高等學校創新人才支持計劃

黃 潔(1988—)，女，碩士研究生，研究方向為節水灌溉研究。 E-mail:842299387@qq.com。

孫西歡(1960—)，男，教授，博導，主要從事節水灌溉與土壤動力學研究。 E-mail:sunxihuan@tyut.edu.cn。

S275.4

A