優化品種匹配和灌水量提高冬小麥-夏玉米產量及水分利用效率研究

李源方，李宗新，張慧，薛艷芳，錢欣，肖蓉，劉仲秋，高英波

（1.山東省農業科學院玉米研究所／小麥玉米國家工程實驗室／農業部黃淮海北部玉米生物學與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100；2.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安 271018）

小麥和玉米是我國重要的糧食作物，其產業發展直接影響到社會穩定和糧食安全［1，2］。“冬小麥-夏玉米”一年兩熟種植是黃淮海區主要的種植模式，常年小麥、玉米播種面積約占全國的60%和36%，總產分別占全國的50%和40%，在我國糧食生產中占有重要地位［3］。黃淮海區年降水量在500～900 mm，且主要集中在夏季，冬小麥生育期內降水量一般不足200 mm，冬小麥整個生育期內耗水量約為400～500 mm［4］，水資源短缺限制了冬小麥高產潛力的發揮［5］。為確保產量，生產中該區冬小麥種植一直存在灌溉次數過多、大水漫灌等諸多不合理現象，這不僅造成水資源浪費，也限制到冬小麥水分利用效率的進一步提高［6］。因此，優化冬小麥-夏玉米品種匹配及灌水量，協同提高周年產量與水分利用效率，對實現黃淮海區冬小麥-夏玉米周年節水豐產增效具有重要意義。

作物產量和其水分利用效率會因品種［7］和灌溉量［8］的不同而存在差異，耐旱型品種在較少灌水條件下更易獲得高產和高水分利用效率［9，10］。適度灌溉或水分虧缺有利于減少小麥整個生育期的耗水量，從而提高水分利用效率［11，12］。在灌足底墑水的基礎上，僅灌溉拔節水和開花水可實現小麥產量與水分利用效率的雙重改善［13］。夏玉米的穗粒數、產量與滴灌量呈正相關，而水分利用效率則相反［14］。在播種、拔節、抽雄及灌漿期分別灌水25%、25%、15%、35%時，有利于提高玉米產量和水分利用效率［15］，超出適宜灌溉用水量，水分利用效率則會不斷下降［16］。冬小麥-夏玉米周年的水分利用效率隨灌水量加大先增加后降低［17］。前人主要通過調整灌水量、灌水時期、品種和灌溉方式等措施來提高小麥、玉米產量和水分利用效率，且大多研究都局限于冬小麥或夏玉米一季，而從冬小麥-夏玉米品種周年匹配和灌水量的角度入手研究較少。本試驗從優化灌水量和冬小麥-夏玉米品種（簡稱麥玉）周年匹配角度入手，系統研究兩作物一年兩熟種植模式下灌水量及其品種匹配對周年產量和水分利用效率的影響，旨在明確兩作物的匹配組合及適宜灌水量，為黃淮海區兩作物周年節水豐產增效提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年10月—2019年10月在山東省農業科學院濟陽試驗示范基地（36°58′N；116°57′E）進行。試驗地土壤為壤土。冬小麥播種前試驗地0～20、20～40 cm土層土壤養分含量見表1。

該試驗區地處華北平原東部、山東省中部，屬于溫帶大陸性半濕潤季風季候。2018—2019年度小麥生育期內累計降水量為72.66 mm，夏玉米生育期內累計降水量為326.6 mm，具體降水量如圖1所示。

表1 播種前0～20、20～40 cm土層土壤養分含量

圖1 冬小麥-夏玉米生育期內降水量

1.2 供試材料與試驗設計

供試冬小麥品種為泰科麥30（耐旱型）和濟麥22（高肥水型），夏玉米品種為黃淮海區主推品種登海605和鄭單958。

試驗采用裂區設計，灌水處理為主區，品種組合為副區。冬小麥季設3個灌水處理（W0、W1和W2），4個品種組合（泰科麥30＋登海605、泰科麥30＋鄭單958、濟麥22＋登海605、濟麥22＋鄭單958），隨機區組排列，重復3次。小區面積15 m×4.8 m。不同灌水處理間相隔5 m，防止水分滲漏。灌溉方式為畦灌，灌溉時用水表精確控制水量，具體灌溉時間及灌水量見表2。冬小麥基施復合肥（N-P2O5-K2O＝15-15-15）750 kg／hm2、辛硫磷顆粒 15 kg／hm2，播前鎮壓。于2018年10月8日寬幅精播，播種量120 kg／hm2，等行距24 cm，2019年6月6日收獲。夏玉米基施復合肥（N-P2O5-K2O＝28-9-9）600 kg／hm2，6月19日播種，播種密度75 000株／hm2，行距65 cm，10月14日收獲。

表2 冬小麥-夏玉米灌水時間與灌水量

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤容重 作物收獲時，采用環刀法測定土壤容重。環刀體積為100 cm3，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5個土層利用環刀取土，于105℃烘干，計算土壤容重。

1.3.2 土壤含水量 冬小麥、夏玉米播種前和收獲后，用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，裝入鋁盒中稱鮮土重，然后110℃烘干至恒重稱重，計算土壤重量含水量。

1.3.3 植株地上部生物量 冬小麥：開花期和成熟期選取能代表小區長勢的0.5 m雙行測定生物量，于105℃殺青15 min，再75℃烘干至恒重并稱重。夏玉米：吐絲期和成熟期從各小區取3株能代表群體長勢的植株測定生物量，取樣后放入烘箱105℃殺青30 min、80℃下烘干至恒重。

1.3.4 測產與考種 冬小麥：成熟期，各處理分別取3個代表性樣點2 m2，數取總穗數，連續調查20～30株的穗粒數，之后采用小型脫粒機脫粒，晾干后稱取千粒重并計產（按照籽粒含水量13%折算）。夏玉米：去除邊行，每小區收獲2行，每行5 m，調查穗數并收獲所有果穗；并按均重法隨機選取10個果穗用于室內考種，考察穗行數、行粒數，脫離后稱取千粒重，測定籽粒含水率；之后計算實際產量（按14%含水率折算）。

1.4 指標計算方法與統計分析

1.4.1 土壤容重（ρ）［18］ρ＝（W1-W2）／V。式中：ρ為土壤干容重（g／cm3），W1為烘干土與環刀質量（g），W2為環刀質量（g），V為環刀體積（cm3）。

1.4.2 土壤含水量［19］土壤質量含水量（%）＝［（濕土質量-干土質量）／干土質量］×100。

1.4.3 農田耗水量 （ETa）［20］ETa＝I＋P＋U-R-F±ΔW。式中：I為生育期內灌水量（mm），P為生育期內有效降水量（mm），U為地下水通過毛管作用上移補給作物水量（mm），R為地表徑流量（mm），F為補給地下水量（mm），ΔW為生育期內土壤貯水消耗量。該區地下水埋深4 m以下，可視地下水補給量為零，地面徑流因無劇烈降水而忽略不計。

1.4.5 水分利用效率 WUE＝GY／ETa。式中：WUE為籽粒產量水分利用效率［kg／（hm2·mm）］，GY為籽粒產量（kg／hm2），ETa為作物生育期農田耗水量（mm），本試驗土壤貯水消耗量的測定深度是100 cm。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據整理和作圖，SPSS 24.0軟件進行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量對麥玉干物質積累的影響

由表3可知，泰科麥30 W1處理開花期和成熟期干物重均比W0和W2顯著提高8.49%～33.55%。登海605吐絲期3個處理干物重均無顯著性差異，成熟期W1處理比W0和W2顯著提高，分別達37.14%和14.24%。鄭單958吐絲期W1、W2處理較W0顯著提高，成熟期W1處理較W0、W2顯著提高，分別達29.45%和8.10%。泰科麥30＋登海605成熟期的周年干物重，W1處理較W0、W2顯著增加，分別達35.65%、11.82%。泰科麥30＋鄭單958成熟期周年干物重，W1處理較W0、W2顯著提高，分別達31.17%和8.27%。

表3 不同灌水量對冬小麥、夏玉米干物重的影響

濟麥22開花期干物重，W1、W2處理較W0顯著增加，分別為73.57%和96.90%，但兩灌水處理間無顯著差異；成熟期W2處理較W0、W1顯著提高，分別為64.15%和36.17%。登海605吐絲期干物重，W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異；成熟期W1處理較W0、W2顯著提高，分別為 56.57%和 16.15%。鄭單958吐絲期和成熟期干物重灌水處理較不灌水顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22＋登海605成熟期周年干物重，W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22＋鄭單958成熟期周年干物重，W2處理較W0、W1顯著增加，分別為50.23%和8.37%。

2.2 不同灌水量對麥玉周年產量的影響

由表4可知，泰科麥30＋登海605和泰科麥30＋鄭單958在W1、W2處理下周年產量無顯著性差異，較 W0均顯著提高，分別達29.03%、48.60%和30.05%、40.32%。濟麥22＋登海605和濟麥22＋鄭單958在W2處理下較W0、W1顯著提高，增幅在2.87%～33.64%之間。

表4 不同灌水量對麥玉周年產量的影響

小麥季，泰科麥30產量W1和W2處理較W0顯著提高，但兩灌水處理間無顯著差異。濟麥22產量W2處理較W0、W1顯著增加，分別增50.19%和31.42%。玉米季，泰科麥30＋登海605組合中，登海605產量3個處理間無顯著差異；泰科麥30＋鄭單958組合中，鄭單958產量W1處理較W0、W2顯著提高，分別達44.12%和13.84%。濟麥22＋登海605組合中，登海605產量3個處理間無顯著差異；濟麥22＋鄭單958組合中，鄭單958產量W1處理較W0、W2顯著提高，分別達41.90%和17.34%。

2.3 不同灌水量對麥玉產量構成因素的影響

由表5可知，泰科麥30穗數和穗粒數W1處理較W0顯著增加，兩者W0和W2間無顯著差異；千粒重則W2處理較W0、W1顯著提高，分別高6.45%和7.93%。濟麥22穗數隨灌水量增加而顯著增多，W2處理較 W0、W1分別增加32.39%和15.30%；穗粒數 W1處理較 W0顯著提高，達21.13%，較 W2提高14.77%；千粒重3個處理間無顯著差異。

冬小麥品種為泰科麥30時，登海605穗數3個處理間無顯著差異；穗粒數W1、W2處理較W0顯著提高，分別高4.06%和1.99%；千粒重 W0最高，顯著高于W2。鄭單958穗數灌水處理較不灌水處理顯著提高，穗粒數W1處理顯著高于W0、W2，千粒重 W0處理顯著高于 W1、W2，分別高 7.90%和 10.42%。

冬小麥品種為濟麥22時，登海605穗數W1處理顯著高于W0，與W2無顯著差異；穗粒數灌水處理較不灌水處理顯著提高，分別高5.92%和2.58%；千粒重則顯著降低，分別降 3.52%和3.12%。鄭單958穗數、穗粒數灌水處理較不灌水處理顯著提高，千粒重則顯著降低，分別降8.63%和9.73%，但兩灌水處理間均無顯著差異。

表5 不同灌水量對冬小麥、夏玉米產量構成因素的影響

2.4 不同灌水量對麥玉周年水分利用效率的影響

由表6可知，4個麥玉品種組合W2處理的周年耗水量較W0、W1顯著提高，幅度16.87% ～55.32%。泰科麥30＋登海605組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別為19.43%和 15.96%，但 W0、W1間無顯著差異。小麥季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率W1處理顯著增大；與W0相比，玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著降低。泰科麥30＋鄭單958組合W1處理周年水分利用效率較W0、W2顯著提高，分別為25.75%和29.70%。小麥季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率W1處理顯著增大；玉米季耗水量W2處理顯著大于W0、W1，水分利用效率W1處理增大。

濟麥22＋登海605組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別達20.34%和11.05%，但W0和W1間無顯著差異。小麥季耗水量W2處理最高，顯著高于W0、W1；水分利用效率W1處理最高，兩灌水處理間無顯著差異，但均顯著高于W0。玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著下降。濟麥22＋鄭單958組合W0、W1處理周年水分利用效率較W2顯著提高，分別達8.65%和19.43%，但 W0和W1間無顯著差異。小麥季耗水量隨灌水量增加W2處理顯著高于W0、W1；水分利用效率兩灌水處理較W0顯著提高，但兩者間無顯著差異。玉米季耗水量隨灌水量增加顯著提高，水分利用效率顯著下降。

表6 不同灌水量對麥玉周年水分利用效率的影響

3 討論

前人研究表明，不同灌溉模式的節水效應各不相同，對作物的最終產量也會造成不同影響［21］。適度灌溉或水分虧缺有利于減少小麥整個生育期耗水量，從而提高水分利用效率［11，12］。也有研究表明，在虧缺灌溉條件下，冬小麥水分利用效率得到提高，但其產量均會出現不同程度的降低［22，23］。虧缺灌溉不會顯著影響小麥產量，但會顯著減少灌溉水量和作物的耗水量，從而提高小麥灌水利用效率和水分利用效率［24］。本研究中泰科麥30和濟麥22產量隨灌水量增加而增加，但泰科麥30產量W1和W2處理無顯著差異，濟麥22增產顯著。這說明灌水量對抗旱小麥和高肥水小麥的影響存在差異，W1和W2處理對抗旱品種無顯著影響，對高肥水品種影響顯著。泰科麥30和濟麥22均在W1處理下水分利用效率最高，但其耗水量與W0、W2處理存在顯著性差異。濟麥22在W1、W2處理下水分利用效率差異不顯著，說明灌水量對高肥水小麥產量的影響與灌水量呈顯著正相關，但其耗水量存在顯著性差異。同時說明不同小麥品種對灌水量的響應與品種特性存在顯著關系。

隨著玉米籽粒機收水平的提高，水分成為限制其產量的重要因素，但對不同地區玉米科學灌溉以及最佳灌溉量并沒有明確標準［25］。張杰等［26］研究表明，生育期內的灌水量決定玉米最終產量，并且灌水量過高時水分利用效率較低，不利于產量的提高；另一方面，灌水量較低且達不到玉米正常需水量時，產量會偏低。本研究中，灌水量對登海605產量影響不大，對鄭單958產量影響顯著，兩品種產量均為W1處理最佳，W0水分利用效率最優。這可能與栽培措施、地力條件、品種等有主要關系。強小嫚等［27］研究發現，相同深松條件下，灌三水的麥玉總產量與灌兩水相比沒有顯著提高，冬小麥灌兩水模式可以實現高產高效。本試驗中，泰科麥30＋登海605、泰科麥30＋鄭單958兩組合的周年產量，W1、W2處理間無顯著差異，與前人研究結果一致。泰科麥30＋登海605周年水分利用效率W0最高，與W1處理無顯著差異；泰科麥30＋鄭單958周年水分利用效率W1處理顯著高于 W0和 W2。濟麥22＋登海605、濟麥22＋鄭單958兩組合周年產量和水分利用效率，W1和W2處理有顯著差異。說明灌水量對其影響與作物品種有很大關系，并且小麥品種對周年產量和水分利用效率的影響遠遠超過玉米。

前人研究結果表明，小麥整個生育期間適時適量灌水，則可起到積極作用。不同時期灌水對小麥產量構成有不同影響：起身期灌水主要增加穗數，拔節期灌水主要增加穗粒數，孕穗期或灌漿期灌水有助于提高千粒重［28］。灌溉拔節水會使小麥產量有一定程度的增加［29，30］。冬小麥的需水關鍵期是拔節期、抽穗期和灌漿期，其中最重要的灌水時期是拔節期，拔節水能顯著提高冬小麥產量［31］。拔節期和開花期灌水可以使籽粒產量有一定程度的提高［32］。適當增加灌水次數也可以起到增加冬小麥產量的效果，抽穗期灌水會提高冬小麥產量［33］。李佳佳等［34］研究表明適量增加滴灌量可以有效提高玉米產量。本研究顯示，冬小麥生育期內灌水、夏玉米澆灌蒙頭水，不僅可以提高冬小麥群體穗數、穗粒數和產量，也可以提高夏玉米群體穗數、穗粒數和產量，進而提高麥玉周年產量。冬小麥越冬期、返青期、拔節期和開花期各灌60 mm水較拔節期、開花期各灌60 mm水相比，產量有提高，但玉米產量略有下降，麥玉周年產量并無顯著提高。本研究設置的灌溉方式處理較少，如進一步細化、增加試驗處理，結果可能有所不同，但也可為更加細化的試驗提供一定參考。

4 結論

本研究表明，灌水可以促進冬小麥和夏玉米的干物質積累。灌水可以顯著提高泰科麥30產量，濟麥22產量隨灌水量增加顯著增加；灌水量對登海605產量無顯著影響，鄭單958產量W1處理最佳。增加灌水有助于周年產量的提高。綜合產量和水分利用效率，泰科麥30＋鄭單958為最優麥玉品種組合，W1為最佳灌水量。