水分調控對冬小麥的農藝性狀和水分利用效率的影響分析

薛婷婷，馬娟娟，孫西歡,2，郭向紅，蓋志遠

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.晉中學院，山西 晉中 030619)

0 引 言

我國水資源十分匱乏，農業用水的利用率較低，可通過改變灌水方法來提高農業水資源利用率使我國水資源短缺的問題得到一定程度的緩解。華北地區全年降雨主要集中在6-8月份，在冬小麥生長耗水量較大的拔節至灌漿期，降雨量較少，為保證冬小麥的穩產高產，制定科學合理的灌水方案就顯得至關重要[1,2]。影響冬小麥產量的因子諸多，其中水分脅迫為限制其產量增長的關鍵因素[3,4]，前人關于冬小麥節水灌溉的研究主要集中在地面灌溉，通過分析不同的灌溉制度找到最佳灌水方案[5-7]。冬小麥在常規的地面灌溉下，部分的灌溉水被用于土壤蒸發，這種情況下冬小麥的灌溉水利用率較低，僅為30%～40%。為減小用于土壤蒸發而消耗的水量，提高冬小麥的灌溉水利用率，需要找尋新的節水灌溉方法。考慮到隨著冬小麥的生長其計劃濕潤層發生變化，所以結合土層含水量對冬小麥進行深層灌溉可作為一種新的灌溉模式進行深入研究。

小麥根系的生長與土層的含水率變化密切相關，衡量小麥耐旱性的標準之一就是小麥根系部分的深度[8]。王兵等[9]的研究表明，在灌水量一定的情況下，與地面灌溉相比深層灌溉更有利于作物根系的下扎，可更有效的利用深層土壤的水分，提高作物的抗旱能力。苗果園等[10]研究表明作物的深層土壤水分利用率對產量和需水量有顯著影響，在作物需水量一定的情況下，通過調節灌水時期、灌水深度，促進冬小麥對深層土體水分的吸收利用，提高水分利用效率[11]。

本試驗通過比較分析不同灌水深度下冬小麥的各生育期內的耗水特性、根區土壤含水率的情況、根系生長狀況、植株形態以及最終產量等指標，尋找最佳的灌溉深度，為節水灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗在山西省運城市水利職業技術學院的實訓基地進行。運城屬于暖大陸性季風氣候，年平均溫度為9.2～13.3 ℃，≥10 ℃的有效積溫年平均值為4 675 ℃，全年無霜期大致為190～240 d左右，多年平均降雨量為559.3 mm。播種前在地表施加基肥并對地表以下0～30 cm的耕作層土壤進行翻耕，測得耕層土壤有機質含量為20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，全磷含量0.769 g/kg，全鉀含量19.43 g/kg，有效氮含量62.90 g/kg，有效磷含量45.79 mg/kg，有效鉀含量206.5 mg/kg。0～300 cm土壤的基本物理參數見表1。

表1 土壤的基本物理參數

1.2 試驗設計

試驗采用外徑20 cm(內徑18.6 cm)長300 cm的PVC管作為小麥的種植容器，在部分PVC土柱中布設用于測定土壤含水率的PVC管(采用TDR技術測定土壤含水率)，灌溉水源為地下水，通過人工自制的塑料灌水器進行灌溉，PVC土柱的灌水器布置圖如圖1所示。試驗品種為國審麥良星99號，小麥于2017年10月7日播種，2018年5月28日收獲，整個生育期為230 d左右。每根土柱三葉期定苗至12株(按大田種植密度計算得到)。隨著冬小麥的生長其計劃濕潤層發生變化，本試驗在各個灌水時期前將土柱取出使用卷尺測量該時期的最大根深來確定計劃濕潤層深度，并結合各土層含水量進行深層灌水，試驗以灌水深度為控制因子，共設置5個處理(見表2)，每個處理在冬小麥的各個生育期內分別設置3個重復，每個土柱的單次灌水總量根據當地常規灌溉方式的灌水定額進行折算得出為1 723 mL(無含水率管)、1 833 mL(有含水率管)。試驗共進行5次灌水，分別為越冬、返青、拔節、抽穗和灌漿水，其中越冬水均為地面灌溉，其余4次灌水為深層灌溉，具體灌水時間及灌水孔深見表3，每一土層的灌水量的計算公式如下，將總灌水量從下到上依次根據計算所得的各土層的灌水量進行分配。

表2 試驗的各個處理

表3 各生育期不同處理的灌水時間和灌水深度

圖1 PVC土柱的灌水器布置示意圖

M=10γH(θi-θj)

(1)

式中：M為該土層的灌水量，mm；H為計劃濕潤層的厚度，cm；γ為計劃濕潤層的土壤容重；θi為目標含水量(田持的85%)；θk為灌溉之前的土壤含水量，%。

整個試驗過程對試驗田進行遮雨處理，其他管理措施與當地大田管理相同。

1.3 試驗測定項目與方法

(1)株高、葉面積指數、根冠比及產量的測定。取土柱前用卷尺分別隨機量取各處理所對應植株的株高、葉長(L)、葉寬(W)值，以及每個土柱的總葉數，計算其葉面積指數(LAI)，公式如下，

(2)

式中：ρ種為冬小麥土柱中的種植密度；m為所測定的株數；n為第i株所對的總葉片數，

將取得的作物的地下和地上部分分別烘干稱重，計算出各處理下冬小麥各生育期內的根冠比。冬小麥成熟收割后，測量每柱的生物量、單柱穗數、單穗粒數、千粒重、柱產量等指標。

(2)土柱含水率的測定及水分利用效率的計算。試驗采用DIVINER2000便攜式土壤水分測定儀(與烘干法對比進行數據修正)檢測土壤含水率。使用該方法測定含水率時，每周測定一次，有降雨時要進行加測。

水分利用效率的計算公式為[12]：

WUE=Y/ETa

(3)

IWUE=Y/I

(4)

式中:WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm);Y為籽粒產量，kg/hm2;ETα為小麥生育期耗水量，mm;IWUE為灌溉水利用率，kg/(hm2·mm);I為灌水量，mm。

(3)統計分析。使用 Office軟件對已采集的數據進行整理分析，使用SPSSS 21軟件對其進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對冬小麥各生育期內株高及葉面積指數的影響

不同處理下冬小麥各個生育期的株高值見表4，由表4可知，在不同灌水處理下，冬小麥整個生育期內的株高值均呈現先增后減的趨勢。冬小麥在拔節-抽穗期均主要進行營養生長，株高的增長速度較快；在抽穗期后，冬小麥由主要的營養生長轉為生殖生長，小麥的葉片莖稈部分出現輕微程度的衰老，其中T5冬小麥株高下降最為明顯。綜合分析，在各個灌水處理下冬小麥的株高值均表現為深層灌溉大于地面灌溉，且差異顯著，表明相較于地面灌溉而言深層灌水更有利于株高的增長，但各深層灌溉處理間的株高值差異較小。

表4 不同處理下冬小麥各生育期的株高值

不同處理下冬小麥各個生育期的葉面積指數見表5，由表5可知，在不同灌水處理下，冬小麥整個生育期內的葉面積指數均呈現先增后減的趨勢，在拔節期達到最大值，這與黃潔[13]對冬小麥進行不同深度灌水的試驗結果相吻合。在冬小麥的各個生育期，深層灌水處理下的葉面積指數均大于地面灌溉下的葉面積指數。在越冬-返青期，深層灌溉下冬小麥的葉面積指數與地面灌溉下的相比增長幅度較小；在拔節期后隨著灌水深度的增加其增長幅度提高，且差異顯著，表明深層灌水有利于冬小麥葉面積指數的增長和促進葉片的生長。

表5 不同處理下冬小麥各生育期的葉面積指數

2.2 不同灌水處理對冬小麥各個生育期內根冠比的影響

不同處理下冬小麥各個生育期內的根冠比見表6，由表6可知同一灌水處理下，根冠比隨著植株的生長先增大后減小，因為生育前期是冬小麥根系生長的主要階段,根系干重占總干物質的比例最大，到返青期，植株根冠比達到最大，反映出了冬小麥“先長根后長苗”的特點；拔節期后冬小麥的生長由營養生長逐漸向生殖生長轉移，植株地上部分迅速生長,生長重心偏向于地上，起身以后,盡管根系與地上部均迅速生長,但地上部的生長漸占優勢，根冠比減小；拔節到抽穗期，各處理的根冠比大小關系為T1>T2>T3>T4>T5，說明深層灌水有利于地上部分干物質的積累，且灌水深度越大越有利于地上部分的生長；在成熟期，各處理的根冠比大小關系為T4>T3>T2>T1>T5(P<0.01)，上述分析表明T4處理下的根冠比最大，是由于隨著生育期的推后，在地上部分生物量趨于不變時，T4深度的灌水有效抑制了根系衰老的速度，使得根干重相對其他處理較大，導致根冠比最大。

表6 不同灌水深度下冬小麥各個生育期內的根冠比

通過調節冬小麥的地上和地下部分的生長關系來影響其根冠比的大小，合理的根冠比能更好地促進作物對較深層土壤水分的利用，緩解在生育期后期由于地表干旱缺水而對作物正常生長和最終產量產生的影響。

2.3 不同灌水處理對冬小麥產量及其構成的影響

不同灌水深度下冬小麥的產量及其構成見表7，由表7可知，在不同處理下，小麥的單柱穗粒數的差異較小，但千粒重、單柱穗數、每柱生物量和每柱產量的差異明顯，單柱穗數隨灌水深度的增加而增加，但T5與T4處理的單穗粒數沒有差異。單穗粒數、千粒重和每柱的生物量隨灌水深度的增加呈現先增大后減小的趨勢。與地面灌溉(T1)相比，其他處理的冬小麥產量都有所增加，但當灌水深度過大時，上述各產量指標出現下降現象，綜合來看，小麥的最佳的灌水深度為中深層，這種處理下使得冬小麥的產量和生物量達到最優。

表7 不同灌水深度下冬小麥的產量及其構成

2.4 不同灌水處理對冬小麥水分利用效率的影響

不同灌水深度下冬小麥的水分利用效率見表8，每個處理的總灌水量相等，冬小麥各處理下的水分利用效率和灌溉水利用率隨著灌溉深度的增加呈現先增后減的變化趨勢，均在T4處理下達到最大。與地面灌溉相比，深層灌溉的水分利用效率和灌溉水利用率的增量顯著。

表8 不同處理下冬小麥的水分利用效率

3 結 語

通過分析冬小麥的地下、地上部分的生長情況、產量、水分利用效率等，表明在不同灌水深度處理下：

(1)冬小麥的株高和葉面積指數隨著灌水深度的增加不斷增大，表明深層灌水有利于其株高和葉片的生長；

(2)通過調節冬小麥的地上與地下部分的關系，得到合理的根冠比，能更好的促使作物根系部分利用較深層的土壤水分，提高作物的抗旱能力；

(3)各深層灌水與地面灌溉相比，在產量上均有一定程度的提高，且隨著灌水深度的增加呈現了先增大后減小的趨勢，在T4處理下產量達到最優；

(4)在總灌水量一定的前提下，深層灌水有效提高冬小麥的水分利用效率，但過大的灌水深度反而會降低其水分利用率，在T4處理下水分利用效率達到最大。

綜上所述，對冬小麥進行水分調控，以灌水深度為根系分布的75%的處理(T4)下表現效果最好，達到了節水高產的經濟目的。