不同灌水定額下冬灌效應及其隨時間的變化特征

馬武光，胡笑濤，周始威，王文娥，冉 輝

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

冬灌是促進小麥增產的有效措施之一[1]，其效應可分為直接效應和間接效應。作為一種灌溉措施，冬灌的直接效應可認為是提升農田土壤水儲量、改善土壤水分狀況[2-4]。而對于小麥生長及產量的影響則可認為是冬灌的間接效應。已有研究表明，適宜的土壤水分狀況可防止凍害[5]，有利于根系活力的維系，可增加小麥的分蘗，從而增加小麥產量[6,7]。可見，間接效應的實現是以直接效應為基礎的。冬灌效應也受時間影響，其中，冬灌的直接效應隨時間逐漸消退，直至某一時刻冬灌補充水分消耗殆盡，效應消失，而間接效應并未隨直接效應的消失而消失，有可能作用至生育期末。

灌水量是灌溉的重要指標。通過控制灌水量可以調控土壤水分含量及空間分布, 以此調節根系生長分布[8,9]。而根系作為作物吸收水分、養分的組織器官，其生長分布的變化也會影響到作物的生長及水分利用狀況。可見，冬灌定額的差異勢必會對冬灌效應產生影響。

本研究以陜西楊凌地區冬小麥為研究對象，以不同灌水定額進行冬灌，分析不同冬灌定額下農田土壤水分時空變化及作物生長狀況，探究灌水定額對冬灌效應及其隨時間變化特征的影響，篩選最優冬灌定額，為實現科學灌溉、提高作物水分利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗設計

大田試驗于2012年10月-2013年6月在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點開放試驗室進行。試驗區位于陜西省楊凌區(34°17′N，108°04′E)，屬暖溫帶季風半濕潤半干旱氣候，區域年平均氣溫為12.9 ℃，歷年平均日照時數為2 094.9 h，多年平均降雨量在650 mm左右，主要集中在6-9月，年平均蒸發量可達1 500 mm左右。土壤質地為壚土，容重為1.35 g/cm3，田間持水量為 32.4%(體積含水率)。冬小麥生育期內共9次有效降雨[10](降雨量大于5 mm)，且集中于抽穗灌漿期，最大降雨達72.4 mm(5月25日)。

試驗區種植的冬小麥品種采用當地穩產小麥品種—“小偃22”，試驗設置不同冬灌定額，灌水方式為畦灌。冬灌定額設3個水平，分別為45 mm(T1)、75 mm(T2)和105 mm(T3)，各處理均于越冬前(1月2日)進行灌溉，其余生育階段不做灌水處理。每個處理3個重復，共計9個小區，各試驗小區面積為96 m2(16 m×6 m)，每個小區隨機分布并設保護行。冬小麥于10月17號播種，播種密度為250 萬株/hm2，采用機器條播，行距為15 cm，冬小麥于次年6月1日收獲，生育期共227 d。灌溉水量采用精度為0.001 m3的水表控制，整個生育期不施肥，各小區的其他條件及管理措施均與當地一致。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 土壤含水率測定

土壤含水率采用取土烘干法進行測定，使用直徑為3.5 cm土鉆取土，測量深度為100 cm，間隔10 cm，每周測定一次，在灌水與強降雨前后加測一次。

1.2.2 氣象數據測定

氣象數據由試驗區內的楊凌氣象站采集，主要包括日最高氣溫、最低氣溫，大氣相對濕度、風速、太陽輻射和降雨時間及降雨量的情況。

1.2.3 作物生長指標測定

(1)物候期觀測。物候期是指作物的生長發育等規律對季節氣候的反應，冬小麥主要生育期有苗期、分蘗期、越冬期、返青-起身期、拔節-孕穗期和灌漿-成熟期，根據各生育期冬小麥生長狀態，以全試驗區50%以上植株進入該生育期為標志，劃分冬小麥主要生育期起止時間，如表1所示。

表1 冬小麥物候期 d

注：DAP表示冬小麥播種后天數(Day after plant)。

(2)株高葉面積。在小麥返青期、拔節期、抽穗期和灌漿期分別于各小區隨機取10株能代表小區整體長勢的植株作為測量樣本，使用精度為0.01 m的卷尺測量其株高、葉長及葉寬，結果取平均值。計算葉面積時，采用長寬系數法。單株葉面積計算公式為：

(1)

式中：A為每株小麥的總葉面積；n為每株小麥的葉片總數；li和di分別為第i片葉片長和寬；α為葉面積折算系數，取0.78[11]。

(3)根重密度。在冬小麥灌漿期(5月15日)進行1次根系取樣，在各小區隨機選取3株小麥取根樣。以樣本根莖為中心，用直徑為7 cm，高為10 cm的根鉆取根，取樣深度為1 m，間隔10 cm。將取出根樣用水浸泡、清洗、去除死根，得到干凈根系樣品，置75 ℃烘箱烘干，用精度為0.01 g的電子天平稱其質量。

根重密度為單位土壤體積的根重，反映作物在某一土壤層次根系的多少，單位為g/cm3計算公式為[12]：

RDw=Wd/Vs

(2)

式中：RDw根重密度，g/cm3；Vs為取得的含有根系的土體(包括根)樣品體積，cm3；Wd為該土體所含根系總重，g。

(4)作物產量。在冬小麥成熟時于各小區單獨收獲，脫粒后計產，每個小區測產面積為1 m2(1 m×1 m)，每個處理3次重復測產，取平均值得到各處理實際產量。

1.3 水分利用效率計算

水分利用效率=單位面積籽粒產量/單位面積作物耗水量。作物耗水量根據水量平衡法計算[13]：

M=W1-W2+I+P-Dp

(3)

式中：M為作物耗水量，mm；W1為某一階段初土壤含水量，mm；W2為某一階段末土壤含水量，mm；I為階段灌水量，mm；P為階段有效降雨量，mm；Dp為深層滲漏量，mm， 關中地區1 m土層無深層滲漏，即Dp=0。

1.4 數據處理

試驗數據利用Microsoft Excel 2007進行分析、繪圖。采用SPSS22.0軟件進行單因素方差分析，利用LSD(Least Significant Difference)方法進行顯著性差異比較(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 冬灌的直接效應

圖1為不同冬灌定額情況下0～1 m土層的平均土壤含水量隨時間變化情況(圖1中的水平虛線是冬灌前0～1 m土層平均土壤水分含量)。由圖1可知，各處理0～1 m土層平均土壤含水量在冬灌處理前基本相等，冬灌(77 DAP)后，土壤含水量顯著提高，且灌水量越高，土壤水分增加效果越明顯。灌水后土壤含水量垂直分布情況見圖2(a)，各處理土壤水分補充量隨土壤深度的增加而減小，但各處理間土壤水分隨土壤深度的變化差異明顯，在0～30 cm處土壤水補充量表現為T1T2>T1。在冬小麥返青拔節期(122 DAP)，各處理土壤含水量均有所降低，但空間分布無明顯差異，如圖2(b)所示，各處理在0～20 cm土層含水量較灌水后下降幅度較大，其余土層含水量除T3有一定幅度下降外，均無明顯下降。至播種后150 d左右時(圖1)，T1和T2處理0～1 m土層土壤含水量下降至灌前水平，T3較前二者約晚10 d到達灌前水平，至此冬灌水量消耗殆盡。且由圖2(c)可知，T2和T3土壤30～60 cm土層含水率仍明顯高于灌前水平，其余土層土壤含水量略高于或低于灌前水平。在播種后200 d左右，各處理0～1 m土層土壤含水率降低到同一水平，隨后出現較大的連續降雨事件，各處理土壤含水率顯著提高，且處理間差異不顯著。

圖1 0～1 m土層土壤含水量隨時間的變化情況Fig.1 0～1 m soil moisture changes with time

圖2 不同時期土壤垂直方向的水分動態變化Fig.2 The dynamic changes of the vertical direction of soil moisture in different periods

2.2 冬灌的間接效應

2.2.1 根重密度

根重密度是反映土層根系分布多少的重要參數，已有研究表明土壤水分條件下作物根系分布存在明顯差異[12,13]，馮廣龍[14]等通過人工控制土壤水分剖面調控根系分布。圖3為各處理分層根重密度情況，由圖3(a)可知，在0～50 cm土層，各處理根重密度規律表現為T1

圖3 灌漿期各處理分層根重密度及根重比例分布Fig.3 Distribution of stratified root weight density and root weight ratio at filling stage

2.2.2 株高及葉面積

各處理全生育期內冬小麥最大株高及最大葉面積指數見圖4。由圖4可知，各處理冬小麥最大株高基本一致，處理間無顯著性差異。而最大葉面積指數大小規律表現為T1

2.2.3 生物量、產量及水分利用效率

水分利用效率是衡量作物耗水和產量轉化的重要指標，尤其在干旱半干旱地區，水分利用效率的提高意味著農業用水的節約。表2為不同處理冬小麥耗水量、產量、和水分利用效率情況，由表2可知，各處理間耗水量有較大差異，表現為T1T2>T3，且T1與T3差異顯著(P<0.05)。可見，不同冬灌定額會造成冬小麥耗水差異，而產量并未受到顯著影響，小定額冬灌有利于水分利用效率的提高。

表2 不同處理冬小麥產量、收獲指數、水分利用效率Tab.2 The yield, harvest index, water use efficiency of winter wheat in different treatment

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 結 語

冬灌能夠有效補充田間土壤水分，灌水量越大，水分補充效果越明顯，但隨著土層深度的增加，各層補充水量逐漸減小。隨著時間的推移，冬灌補充水量逐漸被消耗，且不同冬灌定額水分消耗規律一致，在垂直方向上水分消耗的先后順序為：淺層(0～20 cm)-深層(70～100 cm)-中層(30～60 cm)。但由于不同冬灌定額對田間土壤水分補充量的不同導致作物生長有一定差異。試驗結果表明：冬灌灌水量越高，上層土壤(0～50 cm)根系密度越大，根占比也越大，這與馮廣龍[8]等和王淑芬[8]等的研究一致，而下層土壤(50～100 cm)根系情況反之，這是因為高含水量為冬小麥根系生長提供了良好的水環境，促進冬小麥根系生長。而隨土層深度的增加，雖然仍保持較高含水量，但由于遠離地面，土壤高含水量導致土體水汽條件不協調，反而抑制冬小麥根系生長，從而使低灌水量處理小麥根系在下層土壤生長較優。在植株形態方面，各處理冬小麥最大株高基本保持一致，無顯著差異，而最大葉面積指數則隨著冬灌定額的增大而增大，且T1與T3間差異顯著(P<0.05)，這說明株高對前期土壤水分不敏感，而葉面積對土壤水分的敏感程度較強，周始威等[16]在對石羊河流域春玉米進行研究時也得出類似結論。試驗結果表明不同冬灌定額下冬小麥產量差異不顯著。而耗水量卻有較大差異，以水分利用效率為判別指標，本文認為關中地區冬小麥冬灌水量為45 mm最宜。