深層灌水條件下冬小麥適宜灌水深度的研究

陳　爽， 孫西歡，2， 馬娟娟， 郭向紅

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024； 2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運(yùn)城 044004)

近年來，水資源短缺問題成為制約我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。小麥?zhǔn)屈S土高原旱地主要農(nóng)作物之一，干旱和貧瘠限制了旱地小麥高產(chǎn)。傳統(tǒng)高產(chǎn)小麥栽培通常采用灌水多、耗水量大、水分利用效率低的平作或大水漫灌的栽培方式[2]，導(dǎo)致土壤板結(jié)及土壤結(jié)構(gòu)的破壞[3]。合理地利用有限的水資源，采用合理的灌溉方法提高水分利用效率和灌溉水利用效率，成為小麥生產(chǎn)迫切需要解決的問題。小麥根系是支撐地上部生長、吸收水分和營養(yǎng)成分的重要功能性器官，其數(shù)量、分布、構(gòu)型等特征密切關(guān)系著植株的生長發(fā)育、生理功能以及產(chǎn)量形成[4]。相比其他環(huán)境因素，大量的研究結(jié)果表明，冬小麥的根系對(duì)土壤水分的反應(yīng)更為敏感[5]。在華北地區(qū)節(jié)水灌溉條件下，深層土壤供水及深層根系活動(dòng)對(duì)維持小麥生長發(fā)育至關(guān)重要。

以往的節(jié)水灌溉制度主要集中于灌水定額[6]、灌水次數(shù)[7]和灌水時(shí)期方面的研究[8]，而對(duì)于結(jié)合土壤含水量的整體深度灌溉方式的研究尚少。灌水總量不變，結(jié)合含水率的深層灌水方式，相比傳統(tǒng)的地表灌溉，能明顯誘導(dǎo)冬小麥根系下扎，增加根系的入土深度[9]。不同深度灌水條件下適當(dāng)增加灌水深度可顯著增加小麥產(chǎn)量，提高收獲指數(shù)[10]，以往對(duì)不同深度灌水的研究未考慮植物的整體，因此本試驗(yàn)進(jìn)一步分析深層灌水條件下結(jié)合地上部和根系發(fā)育，利用主成分分析法研究冬小麥適宜灌水深度，以充分發(fā)掘深層灌水的節(jié)水潛能，提高土壤水分的利用效率，為促進(jìn)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)于2015年10月至2016年6月在山西運(yùn)城水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地(34°48′N，110°41′E，海拔約370 m)進(jìn)行。基地多年平均降水量559.3 mm，主要集中在7—9月，年平均日照時(shí)數(shù)2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗(yàn)區(qū)土壤屬于中壤土，地下水埋深大于6 m。播種前在耕層施入底肥，后測得耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，有效鉀含量206.5 mg/kg，有效磷含量45.79 mg/kg。0～300 cm 土壤物理參數(shù)見表1。

1.2　試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)品種為國審麥良星99，于2015年10月12日播種，3葉期每根土柱定苗12株，密度等同大田，其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锕芾怼２捎盟芰瞎芡林ǎ怨嗨疃葹榭刂埔蜃樱苍O(shè)5個(gè)處理(表2)，每個(gè)處理3次重復(fù)，部分土柱設(shè)置含水率管。

表1　土壤物理參數(shù)

表2　試驗(yàn)不同處理

試驗(yàn)共進(jìn)行5次灌水：越冬期至返青期全按地表灌溉處理，拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期、灌水深度通過取根得到各處理平均最大根深來計(jì)算。單次灌水量是按當(dāng)?shù)卮筇锕芾頁Q算得到每根土柱的總灌水量分別為不含含水率測管 2 036 mL、含含水率測管1 923 mL，先將設(shè)計(jì)灌水深度土層分層，再將每層結(jié)合相應(yīng)土壤含水量通過點(diǎn)滴管加入所需水分灌到田間持水量的一定百分?jǐn)?shù)，最后將剩余水量灌入地表。

1.3　測定指標(biāo)與方法

1.3.1地上部分在每個(gè)生育期用直尺測量植株株高(取4個(gè)方向的平均值)，葉長葉寬及土柱內(nèi)所有葉片數(shù)，然后求得葉面積指數(shù)LAI=LA/S(葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，S為試驗(yàn)筒底面積)，剪取地上部分在室內(nèi)烘箱75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定小麥地上部分干質(zhì)量。小麥成熟后測定每柱穗長、柱穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量等指標(biāo)。

1.3.2根系部分取出土柱，縱向分開PVC管，測量平均最大根深，然后每隔10 cm橫向切開，放在篩子里沖洗收取各層根系后，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系掃描儀進(jìn)行掃描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序?qū)λ脠D像進(jìn)行分析獲得根系數(shù)據(jù)；掃描后的根樣在75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定根干質(zhì)量。根系活力采用TTC法測定。

1.3.3光合指標(biāo)測定用LI-6400XT便攜式光合儀進(jìn)行測定，在冬小麥生育期(返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期)內(nèi)，每個(gè)生育期選取2個(gè)晴天測定光合生理特性的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS對(duì)樣本進(jìn)行主成分分析；使用Excel、Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行處理。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同灌水深度對(duì)冬小麥生長發(fā)育的影響

2.1.1對(duì)株高、葉面積指數(shù)的影響不同處理下，小麥株高變化如圖1-a所示，不同處理的株高的總體變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)隨著生育期的推進(jìn)逐漸增大，在灌漿期達(dá)到最大，隨后在灌漿成熟期逐漸減小的過程；相比T1地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促進(jìn)植株增高，株高T4>T3>T5>T2>T1；由圖1-b可知，葉面積指數(shù)也呈現(xiàn)出深層灌水條件下總趨勢(shì)與地面灌溉一致，但T4處理在重要的生育期始終大于其余各處理；綜上，說明最有利于株高增長以及葉面積指數(shù)增大的處理為T4(灌水深度為根系分布深度的75%)。

2.1.2對(duì)平均最大根深、總根長、根系活力均值、根冠比的影響圖1-c為各生育期各處理冬小麥的平均最大根深，可以看出，隨著小麥的生長發(fā)育，各處理冬小麥根系持續(xù)生長，根深逐漸變大；自拔節(jié)期對(duì)小麥進(jìn)行了灌水處理后，T2、T3、T4、T5根系入土深度均明顯大于T1，相比T1的地表灌水方式，T2、T3、T4、T5的深度灌水方式有利于促進(jìn)根系向下伸長，誘導(dǎo)根系下扎。且T5>T4>T3>T2>T1，這說明試驗(yàn)灌水到達(dá)深度越大，冬小麥根系的入土深度越大。由圖1-d可以看出不同處理的小麥總根長變化的總趨勢(shì)一致，但各個(gè)處理之間存在差異，返青拔節(jié)后T5>T4>T3>T2>T1，直到抽穗期T4=T3>T5>T2>T1，說明在根系分布深度的60%、75%處灌水，有助于根系增多，總根長增大。由圖1-e可以看出，根系活力的總趨勢(shì)是從越冬期開始增大，在拔節(jié)期達(dá)到最大然后減小的過程，還可看出，T1明顯小于其他處理，在拔節(jié)、抽穗期T5>T4>T3>T2>T1，在灌漿、成熟期T4>T3>T5>T2>T1，這說明深層灌水有利于增加根系活力且灌水深度為根系分布深度的60%、75%時(shí)顯著提高冬小麥整體根系活力值。圖1-f為根冠比的總體趨勢(shì)，即返青期達(dá)到最大值，隨后逐漸減小，反映了冬小麥“先長根后長苗”的特點(diǎn)。但從返青開始，T1>T2>T3>T4>T5，根冠比隨深度增大逐漸減小，這是由于根系部分的增長程度不及地上部分的質(zhì)量增加，使得根冠比減小。

2.1.3對(duì)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響由表3可知，穗長、單穗粒數(shù)均為T4>T3>T2>T5>T1，柱生物量為T4>T3>T5>T2>T1，柱穗數(shù)為T5=T3>T4>T2>T1，千粒質(zhì)量、柱產(chǎn)量、收獲指數(shù)為T4>T3>T5>T2>T1；綜合看來，T3(灌水深度為根系分布深度的60%)、T4(灌水深度為根系分布深度的75%)處理表現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)， 有利于產(chǎn)量的增加、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的改善，小麥?zhǔn)斋@指數(shù)顯著提高。

2.2　對(duì)葉片光合特性和水分利用效率的影響

光合作用是植物體內(nèi)最重要的代謝過程，故土壤水分狀況對(duì)植物光合作用具有重要影響[11]。由表4可知，凈光合速率T4>T3>T5>T2>T1，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度T3>T4>T5>T2>T1，蒸騰速率T3>T5>T4>T2>T1，說明深層灌水有利于促進(jìn)植株的光合作用。

葉片WUE指單位水量通過葉片蒸騰散失時(shí)，光合作用所能生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)量，是WUE的理論值[12]，計(jì)算公式為：WUE=Pn/Tr，式中Pn為凈光合速率[μmol/(m2·s)]；Tr為蒸騰速率[mmol/(m2·s)]。由表4可知，T4>T3>T5>T2>T1，說明灌水深度不同，對(duì)葉片的水分效率影響不同，T3、T4處理下的WUE較大，說明灌水深度為根系分布深度的60%、75%時(shí)最利于葉片對(duì)水分的利用。

表3　不同灌水深度條件下小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下表同。

3　利用主成分分析法對(duì)不同處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法是利用幾個(gè)較少的綜合指標(biāo)反映原來指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方法[13]，已廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域，此方法是將原來指標(biāo)重新組成一組新的互相無關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)[14]來代替原來指標(biāo)[15]。對(duì)冬小麥的各個(gè)生長指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，建立指標(biāo)體系：蒸騰速率(X1)、氣孔導(dǎo)度(X2)、胞間CO2濃度(X3)、葉片WUE(X4)、凈光合速率(X5)、平均最大根深(X6)、總根長(X7)、根系活力(X8)、柱產(chǎn)量(X9)、株高(X10)、葉面積指數(shù)(X11)、根冠比(X12)。原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后經(jīng)過主成分分析得出的初始特征值和主成分因子方差貢獻(xiàn)率及方差累計(jì)貢獻(xiàn)率。由表5可知，前2個(gè)主成分因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.144%(大于85%)，信息損失僅為4.856%，說明此主成分提取較為理想，說明這2個(gè)因子能很好地代替其他指標(biāo)解釋上述12個(gè)觀測指標(biāo)所包涵的信息。

由表6可知，第一主成分(F1)主要包含蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、葉片WUE、凈光合速率、最大根深、總根長、根系活力、柱產(chǎn)量、株高、根冠比這11項(xiàng)指標(biāo)表征為冬小麥光合生長主成分，解釋了占總體82.282%的信息量，其值越大，說明冬小麥光合蒸騰過程越強(qiáng)烈，根系活動(dòng)更強(qiáng)烈，有助于植株根系生長及對(duì)土壤水分的吸收，株高及產(chǎn)量值越大，但根冠比低；第二主成分(F2)主要包含葉面積指數(shù)，其值越大，說明葉面積指數(shù)越大，有助于吸收陽光，促進(jìn)生長。

表5　初始特征值和主成分因子方差貢獻(xiàn)率及方差累計(jì)貢獻(xiàn)率

表6　各觀測指標(biāo)貢獻(xiàn)率

由表7可知，第一主成分排名T4>T3>T5>T2>T1，表示深層灌水相比地面灌溉不同程度有助于冬小麥生長發(fā)育，深度較淺(T2灌水深度為根系分布深度的40%)和深度較深(T5灌水深度為根系分布深度的90%)弱于T3、T4，也可看出灌水深度為根系分布深度的60%、75%處理的植株，光合蒸騰作用增強(qiáng)、葉片對(duì)水分的利用增強(qiáng)，植株根系及地上部分發(fā)育更好，根系活力值變大，地上部分物質(zhì)增長使得根冠比減小，這與前面理論分析結(jié)果基本一致；第二主成分排名T4>T3>T2>T1>T5，灌水深度為根系分布深度的75%，T4處理排名最高，這說明此深度有利于葉面積變大，促進(jìn)了植株地上部分的增大。

表7　主成分得分及排名

綜合評(píng)價(jià)得分排名T4>T3>T5>T2>T1，說明在考慮各個(gè)指標(biāo)的情況下，灌水深度為根系分布深度的75%最有益于植株各方面，為深層灌溉條件下冬小麥生長的最適宜深度。

4　結(jié)論

本試驗(yàn)通過研究不同深度灌水對(duì)冬小麥生育期內(nèi)生長指標(biāo)的影響，結(jié)合主成分分析法綜合評(píng)價(jià)，得出結(jié)論如下：

(1)隨著生育期的不斷推進(jìn)，植株的各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)一致，但灌水深度為根系分布深度的75%(T4)最有利于株高的增長，能顯著增加產(chǎn)量，提高小麥?zhǔn)斋@指數(shù)、光合作用及水分的利用效率。

(2)深度灌水方式，有利于促進(jìn)根系向下伸長，誘導(dǎo)根系下扎。根系分布深度的60%、75%處灌水，有助于根系增多、總根長增大、根系活力值增大。而地上部分增質(zhì)量的比例大于根系，使得根冠比減小。

(3)運(yùn)用主成分分析法對(duì)植株生長發(fā)育各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明深層灌水條件下，最有利于冬小麥生長的處理為T4(灌水深度為根系分布深度的75%)。

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