不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用的調(diào)控效應(yīng)

王家瑞，劉衛(wèi)星，陳雨露，康 娟，張艷菲，徐文俊，侯閣閣，李 華，王晨陽,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450000； 2.國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450000)

黃淮冬麥區(qū)是中國小麥主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量占全國總產(chǎn)的50%[1]。該區(qū)小麥全生育期耗水量約450 mm，而降水量僅200～220 mm，只能滿足小麥需水量的40%～50%[2-3]，水分是制約該區(qū)小麥生產(chǎn)的主要因素。有研究顯示，適量灌水可以增加黃淮冬麥區(qū)小麥干物質(zhì)積累量，提高產(chǎn)量[4-6]。實(shí)際生產(chǎn)中，為提高作物產(chǎn)量，農(nóng)民通常在1個(gè)小麥生長季內(nèi)漫灌3～4次，不僅降低了水分利用效率，還造成水資源浪費(fèi)，并導(dǎo)致地下水位以每年1.5 m的速度下降[7-8]。灌水對(duì)小麥的影響與生育期間降雨量及其分布有很大關(guān)系，在小麥全生育期降水114.7 mm的條件下，在抽穗+灌漿期灌水時(shí)產(chǎn)量最高[9]；在降水47.9 mm的條件下，以灌拔節(jié)+開花+灌漿水處理增產(chǎn)效果最佳[10]。王淑芬等[11]認(rèn)為，豐水年不灌水、平水年灌拔節(jié)水、欠水年灌拔節(jié)水+抽穗水(每次灌水量60～75 mm)，小麥可獲得較高的產(chǎn)量和水分利用效率。

提高自然降水和灌溉水利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)需要解決的關(guān)鍵問題[12]。麥田總耗水量包括降水量、灌水量和土壤貯水消耗量。研究表明，土壤貯水消耗量與灌水量呈負(fù)相關(guān)[13]；隨灌水量增加，總耗水量也增加，但土壤貯水消耗量和降水量占總耗水量的比例降低[14]，水分利用效率和灌水利用效率也隨之下降[15]。前人關(guān)于大田條件下不同灌水模式對(duì)光合[16-17]和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[17]的影響也做了大量研究。本研究在池栽條件下，通過精確定量灌水，研究了不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量、耗水特性和水分利用效率的影響，并通過因素間的相關(guān)分析，探尋黃淮地區(qū)最佳節(jié)水高產(chǎn)灌溉模式，以期為該地區(qū)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011-2014年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)大型網(wǎng)室進(jìn)行。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年平均氣溫14.4 ℃，年均降水量617 mm，日照時(shí)數(shù)2 213 h，年均蒸發(fā)量1 910 mm。

試驗(yàn)在分層土壤回填水泥池進(jìn)行，水泥池不封底，長×寬×高=1 m×1.5 m×2 m，于2008年拉原狀土(土壤原有耕層結(jié)構(gòu)未破壞)分層回填，土壤為潮土，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，土質(zhì)分布均勻，為該地區(qū)的代表性土壤類型。自2011年開始，土壤性狀已基本穩(wěn)定，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)10.8 g·kg-1，全氮0.96 g·kg-1，堿解氮87.4 mg·kg-1，速效磷26.1 mg·kg-1，速效鉀 132.8 mg·kg-1，田間持水率22.3%。供試小麥品種為矮抗58，設(shè)置全生育期不灌水(W0)、灌1水(拔節(jié)水，W1)、灌2水(拔節(jié)水+孕穗水，W2)和灌3水(拔節(jié)水+孕穗水+灌漿水，W3)4個(gè)處理。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)。每次灌水45 mm，灌水量用水表嚴(yán)格控制。每公頃施純氮240 kg、純磷(P2O5)120 kg和純鉀(K2O)100 kg，氮肥按5∶5分基施和拔節(jié)期追施2次施入，磷、鉀肥全部基施。全生育期各項(xiàng)農(nóng)田管理措施均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田進(jìn)行。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 干物質(zhì)量和產(chǎn)量測(cè)定

開花期掛牌標(biāo)記同一天開花的單莖，成熟期于每小區(qū)取30個(gè)單莖，分莖+葉鞘(莖鞘)、葉片、籽粒、穗軸+穎殼(穗穎)4 部分取樣，測(cè)定干物質(zhì)量，并調(diào)查穗數(shù)和穗粒數(shù)，收獲記產(chǎn)，測(cè)定千粒重。

1.2.2 土壤含水量和水分利用效率測(cè)定

在冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期，每20 cm為一層取0～100 cm土樣，采用烘干稱量法測(cè)定并計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。

土壤貯水消耗(△S)=10ΣρiHi(θi1-θi2)，(i=1,2,……,n)

耗水量(ET)=△S+I+P+K，

式中，i為土層編號(hào)；n為總土層數(shù)；ρi為第i層土壤干容重；Hi為第i層土壤厚度；θi1和θi2分別為第i層土壤播前和收獲時(shí)的含水量，以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)；I為全生育期灌水量(mm)；P為有效降水量(mm)；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量。試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深大于2.5 m，K值可以不計(jì)。

水分利用效率(WUE)=Y/ET；

灌溉水利用效率(WUEI)=Y/I；

降水利用效率(WUEP)=Y/P;

灌水效益(IB)=(灌水處理籽粒產(chǎn)量-不灌水處理籽粒產(chǎn)量)/灌水量；

式中，Y為籽粒產(chǎn)量；ET為總耗水量(mm)；I為灌水量(mm)；P為降水量(mm)。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

2011-2012、2012-2013和2013-2014年冬小麥全生育期間降水量分別為209.2、204.5和222.6 mm(圖1)，均高于多年(1951-2006年)平均降水量(201.2 mm)，但年份間降水分布不同，2011-2012年，僅11月份的降水量就占全生育期的一半以上(56.5%)，而2012-2013和2013-2014年后期降水較多，其中，4-5月降水量分別占全生育期的71.1%和47.4%；2012-2013年冬小麥全生育期降水集中在5月下旬(100.6 mm)。2012年12月-2013年2月平均最低氣溫為-4.7 ℃，較常年(-2.9 ℃)低1.8 ℃ ，而2013-2014年5月平均最高溫度為35.6 ℃，較常年(27.3 ℃)高8.3 ℃。

圖1 歷史期間(1951-2006)和試驗(yàn)期間(2011-2014)的月降水量和月平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and mean temperature for the historic period (1951-2006) and during the experimental period (2011-2014)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析以及圖表繪制，運(yùn)用Duncan 新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水模式對(duì)小麥成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累與分配的影響

小麥成熟期干物質(zhì)在不同器官的積累量和分配比例表現(xiàn)為：籽粒>莖鞘>穗軸+穎殼>葉片，其中籽粒的分配比例為41.0%～57.1% (表1)。灌水增加了總生物量和各器官的干物質(zhì)積累量，并以W2處理最大，其總生物量及莖鞘、葉片、籽粒和穗軸+穎殼干物質(zhì)積累量，2011-2012年分別較不灌水處理(W0)增加30.3%、23.9%、55.3%、31.5%和20.7%，2012-2013年分別比W0處理增加48.7%、47.9%、5.0%、55.7%和48.9%，2013-2014年分別比W0處理增加49.1%、37.3%、20.7%、71.3%和49.1%。增加灌水，小麥莖鞘和穗軸+穎殼占干物質(zhì)總重的比例減小，與W0相比，2013-2014年3個(gè)灌水處理的平均值分別減小6.9%和18.5%；灌水增加了籽粒占干物質(zhì)總重的比例，2011-2012、2012-2013和2013-2014年分別較W0增加15.7%、35.4%和47.1%。

2.2 不同灌水模式對(duì)田間耗水來源及其占總耗水量比例的影響

由表2可知，年份、灌水及其互作對(duì)耗水量和各組分所占比例均達(dá)到顯著或極顯著差異。隨灌水量增加，冬小麥全生育期的總耗水量呈增加趨勢(shì)，W1、W2和W3處理總耗水量較W0分別增加27.1、70.4和94.9 mm(3個(gè)生長季平均值)。在耗水構(gòu)成中， 灌水量增加，灌水量占總耗水量的比例增加，而降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例則降低。W0、 W1、W2和W3灌水模式下降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例(3個(gè)生長季平均值)分別為55.2%、51.4%、46.6%、44.1%和36.7%、30.4%、26.9%、21.4%，且W0處理較W1、W2和W3處理分別增加7.3%、18.4%、25.0%和21.0%、36.6%、71.9%。

表1 不同灌水模式下不同器官的干物質(zhì)積累量及其占總生物量的比例Table 1 Effect of different irrigation regimes on dry matter accumulation in different organs of winter wheat

同一列數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示同一年份不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different small letters mean significant difference among treatments in the same year at 0.05 level. The same in table 2-4.

表2 不同灌水模式下田間耗水來源及其占總耗水量的比例Table 2 Effect of different irrigation regimes on water consumption amount from different sources and the ratio of total water consumption amount

* 和**表示在0.05和0.01水平差異顯著。下同。

* and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same in table 3 and 4.

2.3 不同灌水模式對(duì)冬小麥水分利用效率的影響

隨灌水量增加，冬小麥水分利用效率呈先升后降趨勢(shì)，灌水量為45 mm和90 mm處理(W1 和W2)的水分利用效率較高，但2個(gè)處理間差異不顯著(表3)。隨灌水量增加，灌水利用效率(IWUE)和灌水效益(IB)顯著降低，W3處理較W1處理分別降低64.0%和48.9%(2011-2012年)、64.3%和59.8%(2012-2013年)、60.5%和45.3%(2013-2014年)；土壤貯水利用效率(SWUE)和降水利用效率(PWUE)增加，灌水處理的平均值較不灌水處理分別增加54.6%和25.3%(2011-2012年)、91.0%和57.9%(2012-2013年)、97.5%和58.7%(2013-2014年)。

2.4 不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

年份和水分對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響均達(dá)到極顯著水平，但年份與水分間互作不顯著(表4)。不同年際間各處理產(chǎn)量存在差異，其中2012-2013年產(chǎn)量最低(4種灌水模式平均值)，較2011-2012年和2013-2014年分別減少20.0%和9.5%，可能是由于冬小麥全生育期降水分布不均和寒冬、冷春的影響。

由表4可知，W1、W2和W3處理冬小麥產(chǎn)量較W0處理，2011-2012年分別增加17.5%、31.5%和27.0%，2012-2013年分別增加54.0%、55.7%和65.0%，2013-2014年分別增加40.1%、71.3%和66.0%，說明灌水處理可以明顯增加冬小麥產(chǎn)量。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，灌水能增加冬小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，而千粒重隨灌水增加呈先降低后增加的變化趨勢(shì)，說明產(chǎn)量增加主要是因?yàn)樗霐?shù)和穗粒數(shù)增加。

表3 不同灌水模式對(duì)冬小麥水分利用效率的影響Table 3 Effect of different irrigation regimes on water use efficiency of winter wheat kg·hm-2·mm-1

2.5 耗水量與產(chǎn)量和水分利用效率的關(guān)系

由表5可知，耗水量與產(chǎn)量、水分利用效率、降水利用效率和土壤貯水利用效率均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與灌水利用效率和灌水效益呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平。水分利用效率與降水利用效率和灌水利用效率均呈極顯著正相關(guān)，表明提高自然降水和灌溉水利用效率均有利于小麥水分利用效率的提高。

冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率與全生育期總耗水量呈二次曲線關(guān)系(圖2)，當(dāng)灌水量較少時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率均隨灌水量的增加而增加；當(dāng)灌水量增加至一定程度時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率達(dá)到最大值，但水分利用效率與產(chǎn)量的最高點(diǎn)并不重合，水分利用效率先于產(chǎn)量達(dá)到最大值。可見，隨耗水量增加，水分利用效率的變化比產(chǎn)量更為敏感。

表4 不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 4 Effect of different irrigation regimes on grain yield and its components of winter wheat

表5 冬小麥耗水量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的相關(guān)分析Table 5 Correlation coefficients among total water consumption, grain yield and water use efficiency of winter wheat

*和**分別表示相關(guān)性在0.05和0.01水平上達(dá)到顯著水平。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 討 論

隨灌水量增加麥田總耗水量升高[19]。適度灌溉或水分虧缺有利于降低麥田耗水量，提高水分利用效率[15,20]。本研究表明，灌水量為0～135 mm時(shí)，隨灌水量增加，冬小麥全生育期總耗水量增加，而土壤貯水消耗量和降水量占總耗水量的比例均降低。不同處理間，灌溉水的增加量與總耗水量的變化量并不相等，這是因?yàn)樵谝欢ü嗨糠秶鷥?nèi)，隨灌水次數(shù)增加，冬小麥對(duì)土壤水分的利用效率增加。因此，要充分利用冬小麥生長期間的土壤貯水，應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)確定相應(yīng)的耗水量，以增加耗水組成中的土壤貯水消耗比例，減少灌溉水的用量，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

圖2 冬小麥總耗水量與產(chǎn)量及水分利用效率的關(guān)系Fig.2 Relationships between total water consumption and grain yield and water use efficiency of winter wheat

灌溉是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)增加灌水量可提高小麥產(chǎn)量；但過量灌水則導(dǎo)致產(chǎn)量和水分利用率顯著降低[6,8]。張勝全等[13]認(rèn)為，灌拔節(jié)+開花水的小麥產(chǎn)量最高，繼續(xù)增加灌水產(chǎn)量降低。本試驗(yàn)條件下，4種灌水處理均能增加冬小麥產(chǎn)量，但增產(chǎn)效應(yīng)隨灌水次數(shù)增加而遞減，灌拔節(jié)水冬小麥產(chǎn)量較對(duì)照增加34.5%，灌2水(W2)時(shí)增產(chǎn)幅度減小至11.8%，繼續(xù)增加灌水產(chǎn)量不再增加。同時(shí)耗水量則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，灌拔節(jié)水耗水量較對(duì)照增加27.1 mm，灌2水時(shí)耗水量增加43.3 mm，而水分利用效率不增加。灌水對(duì)產(chǎn)量的影響在不同年份間差異較大，2011-2012年冬小麥產(chǎn)量最高，但灌水增產(chǎn)效應(yīng)最小；2012-2013年和2013-2014年產(chǎn)量顯著低于2011-2012年，主要因?yàn)槎←溔诮邓糠植疾痪邓饕性谑斋@前期，需水敏感時(shí)期(拔節(jié)至抽穗期，3月10日至4月15日)降水量僅為13.1 mm(2012-2013年)和19.2 mm(2013-2014年)。在適宜的水分脅迫下，小麥可以獲得較高的水分利用率[20]。在中等干旱條件下小麥耗水量明顯下降，有利于水分利用效率的提高[21-22]；但過度水分虧缺顯著降低了小麥產(chǎn)量[23-24]。本研究表明，適宜的水分脅迫(W1)有利于減小耗水量，增加水分利用效率，且保持相對(duì)較高的產(chǎn)量。

在高產(chǎn)條件下，冬小麥生育期總耗水量和水分利用效率、產(chǎn)量均呈二次曲線關(guān)系[13,17]。馬瑞昆等[23]構(gòu)建了高產(chǎn)麥田供水量與產(chǎn)量關(guān)系的直線-拋物線動(dòng)態(tài)復(fù)合量化模型，劃分了供水高效、供水效率緩增和供水降效3個(gè)階段。本研究表明，隨灌水量增加，產(chǎn)量和水分利用效率均增加，其中水分利用效率以灌拔節(jié)水處理的最大，產(chǎn)量以灌拔節(jié)水+孕穗水處理的最大。相關(guān)分析表明，水分利用效率與灌水利用效率和降水利用效率均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.914和0.699，說明提高灌溉水和自然降水利用效率均有利于提高水分利用效率。在本試驗(yàn)條件下，正常降水年份灌拔節(jié)水1水可獲得相對(duì)較高的產(chǎn)量和水分利用效率；而在相對(duì)干旱年份須在孕穗-開花期增加1次灌水，才有利于獲得較高小麥產(chǎn)量和水分利用效率。