膠東半濕潤區滴灌制度對冬小麥農田土壤水分、作物生長及水分利用的影響

王志軍，王碧勝，孫筱璐，徐夢杰，楊曉慧，侯靳錦，房全孝

（青島農業大學耕作與生態實驗室，山東青島266109）

0 引言

水分是影響中國北方冬小麥產量的關鍵因素之一[1]。滴灌技術在作物節水管理中表現出明顯優勢[2]，逐漸成為作物精確灌溉提高水分利用效率的重要措施[3]。20世紀90年代末期，在大田作物上的推廣使得滴灌技術有了更廣闊的應用空間[4]。如何有效地把滴灌技術和農學節水灌溉制度相結合是進一步提高作物水分利用效率和緩解水資源日益短缺的重要課題。

目前滴灌技術在經濟作物生產（如蔬菜、果園等）應用較多[5-6]，在糧食生產中應用相對較少，主要集中在玉米等作物，如在玉米膜下滴灌比地面灌水分利用效率提高18%[7]，滴灌能夠增加夏玉米吐絲后干物質積累量，從而提高產量[8]。滴灌技術在冬小麥中應用較少，主要集中在水資源匱乏地區[9-11]。如在內蒙古河套灌區冬小麥全生育期最優灌水制度為灌水5次，灌水定額為365 mm[12]，而在陜西省涇惠渠灌區最優灌溉制度是冬小麥全生育期灌水2次（冬灌+返青灌）255 mm[13]。在黃淮海平原地區冬小麥采用測墑補灌和滴灌施肥相結合的方法較常規對照水分利用效率顯著提高57.46%，小麥籽粒產量顯著提高21.13%[14]。張娜[15]研究表明在新疆干旱區冬小麥滴灌定額為375 mm時，產量最高，同樣在該地區，雷鈞杰[16]認為冬小麥滴灌量在465 mm時可達到高產和優質的統一。

針對農業水資源短缺，傳統的灌溉方式（如大水漫灌、畦灌等）節水潛力有限，滴灌具有明顯的節水優勢，通過與作物節水灌溉制度相結合，進一步提高作物水分利用效率[17-18]。前人對于節水灌溉研究多集中于干旱地區[19-20]，而膠東半島年降雨量在650～ 850 mm，降雨較多，但是季節分布明顯不均，超過60%集中在夏季[21]，冬小麥整個生育期需水量在450 mm左右[22]，有效降水無法滿足冬小麥各生育時期需水量。因此本研究在滴灌條件下設計冬小麥節水灌溉制度，分析不同灌溉時期和灌溉量對土壤水分、冬小麥生長及水分利用效率的影響，為該地區篩選滴灌條件下冬小麥最優灌溉制度提供理論依據。

通過深入分析不同灌溉時期與灌溉量對土壤水分動態、作物水分利用及產量形成的影響，探尋滴灌條件下冬小麥最佳灌溉時期和灌溉量，為該區冬小麥高產高效栽培提供理論與技術依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗方法

試驗于2016—2019年在青島農業大學膠州試驗基地進行，該地區位于山東半島，屬溫帶季風性氣候區，全年平均氣溫11～ 14℃[23]，雨熱同季，屬于半濕潤區。試驗區土壤類型為砂姜黑土，土壤基礎理化性質為全氮1.1 g/kg，堿解氮128.2 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效鉀134.9 mg/kg。有機質16.8 g/kg，pH 7.5。在試驗實施3年內（圖1），2016—2017年降雨量為265.3 mm，主要集中在10月和6月，分別占總降雨量的31.13%、27.74%，2017—2018年降雨量為275.9 mm，降雨量較其他2年多，主要集中在5月和6月，分別占總降雨量的29.87%、32.55%，2018—2019年降雨量為190.5 mm，主要集中在4月和6月，分別占總降雨量的20.47%、22.89%。根據該地區冬小麥生育期內降雨量及其分布狀況（圖1），試驗共設置4個處理（表1），各處理設置3次重復，共12個小區，每個小區面積7m×20m=140m2，相鄰小區之間設置1 m寬的保護行，冬小麥行距20 cm，每個小區種植35行，滴灌帶每隔1行進行鋪設（一帶兩行模式），每個小區都安裝一個水表來控制灌水量。小麥品種為‘濟麥21號’。在冬小麥播種時間為10月15日，播種前一天（10月14日）施用氮磷鉀復合肥(15-15-15)，施肥量為562 kg/hm2。

表1 冬小麥滴灌條件下節水灌溉制度設計 mm

圖1 冬小麥生育期內月平均降雨量（2016—2019年）

1.2 測定內容及方法

土壤水分：用德國IMKOTRIME-PICOTD便攜式土壤水分測量儀測定土壤體積含水量。每個小區中部安裝中子管，深度為80 cm，測定時每層間隔10 cm，每7～ 10天觀測一次，降水和灌水后各加測一次。

作物葉面積：每隔7～ 10天測定一次，同時調查小麥群體密度和作物生育時期。

作物產量：成熟期選取代表性樣點收獲地上部植株測定作物產量和生物量。

作物生物量：在冬小麥出苗期開始取樣，返青期后每7～ 10天取一次樣烘干后來測定冬小麥各生育時期生物量。

1.3 農田蒸散量計算

根據土壤水量平衡方程（不考慮地表徑流及地下水影響）可得到公式(1)[24-25]。

式中，ET是冬小麥生育期耗水總量(mm)；I是冬小麥生育期內灌水量(mm)；P是冬小麥生育期內降水量(mm)；ΔS是冬小麥生育期開始和結束時的土壤貯水量變化量(mm)。

1.4 水分利用效率計算

水分利用效率定義為消耗單位土壤水分所產生的經濟產量，表達如公式(2)所示[26]。

式中，WUE表示水分利用效率[kg/(mm·hm2)]，Y表示籽粒產量(kg/hm2)，ET為作物生育期耗水量(mm)。

灌溉水利用效率計算公式如公式(3)[27]。

式中，WUEI表示灌溉水利用效率[kg/(mm·hm2)]，GYi表示灌水后籽粒產量(kg/hm2)，GYd表示無灌水籽粒產量(kg/hm2)，Ii表示灌溉水量(mm)。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉制度對不同層次土壤體積含水量的影響

2.1.1 不同灌溉制度對0～ 30 cm土壤體積含水量的影響 由圖2a可以看出，2017年土壤水分含量整體上呈先下降后升高的趨勢，其中以T4處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節期灌水后（4月26日）T2和T4處理土壤含水量顯著增加，分別比T1處理高26.6%和43.8%；開花期灌水后（5月14日）T3、T4處理分別比T1處理提高69.7%和68.5%。

2018年土壤水分含量總體變化較小（圖2b），以T2處理含水量最高，T1處理含量最低。拔節期灌水后T2、T4處理土壤含水量分別較T1提高41.2%、35.0%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高11.5%、28.4%。

2019年土壤水分含量整體上呈先升高后下降的趨勢（圖2c），其中以T2處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節期灌水后T2、T4處理土壤含水量分別較T1提高18.4%、4.9%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高28.6%、14.8%。

圖2 滴灌條件下不同灌溉制度下對0～ 30 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

3年結果表明0～ 30 cm土壤體積含水量整體上呈下降的趨勢，2018年由于冬小麥生育期內降雨較多（圖1），0～ 30 cm土壤體積含水量總體變化較平緩。T2處理在2018年和2019年中土壤含水量都比較高，而在2017年中T2處理含水量總體低于T4處理，原因為2017年T4處理初始含水量高于T2處理。2017年第1次測量（3月10日）的0～ 30 cm的土壤含水量顯著高于其他兩年該時間的土壤含水量，原因為2017年1月份和2月份降雨量較多（圖1）。

2.1.2 不同灌溉制度對30～ 60 cm土壤體積含水量的影響 由圖3a可以看出，2017年土壤水分含量整體上呈下降的趨勢，其中以T4處理含水量最高；拔節期灌水后T2和T4處理土壤含水量分別比T1處理高10.0%和1.2%；開花期灌水后T3、T4處理分別比T1處理高13.6%、30.1%。

2018年土壤水分含量總體變化較平緩（圖3b），以T4處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節期灌水后T2、T4處理土壤含水量比T1提高14.1%、23.3%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高12.6%、17.4%。

2019年土壤水分含量整體呈下降趨勢（圖3c），其中以T4處理含水量最高。拔節期灌水后T3處理土壤含水量比T1提高5.6%；開花期灌水后T3土壤含水量較T1處理提高7.5%。

3年結果表明30～ 60 cm土壤體積含水量普遍高于0～ 30 cm土壤體積含水量，2018年冬小麥生育期內降雨比較多（圖1），30～ 60 cm土壤體積含水量總體變化趨勢較其他兩年平緩。3年結果表明在30～ 60 cm中T1處理土壤含水量最低，T4處理土壤含水量在2017年和2018年中最高，而在2019年T3處理土壤含水量高于T4原因為T3處理初始含水量較高。

2.1.3 不同灌溉制度對60～ 90 cm土壤體積含水量的影響 由圖4中可以看出，冬小麥田60～ 90 cm土壤水分含量整體上呈下降趨勢，與30～ 60 cm土壤水分含量變化趨勢一致（圖3），但是各處理之間的差異變小（如2017和2019；圖4a、c）。2018年土壤各處理之間差異明顯：拔節期灌水后T2、T4處理土壤含水量比T1提高16.7%、23.0%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高17.6%、18.6%。3年結果表明60～ 90 cm土壤體積含水量整體變化量低于0～ 30 cm和30～ 60 cm土壤體積含水量變化

圖3 滴灌條件下不同灌溉制度對30～ 60 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

圖4 滴灌條件下不同灌溉制度下對60～ 90 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

2.2 不同灌溉制度對土壤貯水量的影響

由圖5可以看出，3年冬小麥生育期內0～ 90 cm土壤貯水量呈現下降的趨勢。2017年T4處理在冬小麥生育期內土壤貯水量最高，T1貯水量最低，拔節期灌水后T2和T4處理土壤貯水量顯著高于T1，分別提高9.0%和11.3%；開花期灌水后T3和T4處理顯著高于T1，分別提高15.1%和31.2%。2018年T4處理在冬小麥生育期內土壤貯水量最高，T1貯水量最低，拔節期灌水后T2、T4處理顯著提高土壤貯水量，分別比T1提高12.5%、17.7%；開花期灌水后T3、T4土壤貯水量分別較T1處理提高23.2%、26.7%，達到顯著水平。2019年拔節期灌水后T2、T4處理土壤貯水量與T1之間無顯著性差異；開花期灌水后T4土壤貯水量顯著高于T1處理，提高8.8%；土壤貯水量在2017年和2018年T4最高，T1最低，而這一結果在2019年表現并不明顯。

圖5 滴灌條件下不同灌溉制度下對0～ 90 cm土壤貯水量的影響（2017—2019年）

2.3 不同灌溉制度對冬小麥葉面積指數的影響

圖6可以看出，2017年拔節和開花期灌水處理灌水后葉面積指數相比于未灌水的處理有所增加；拔節期灌水后，T2、T4葉面積指數分別較T1處理提高11.9%和13.3%，開花期灌水后T3葉面積指數較T1提高 26.6%；至收獲期，T2、T3、T4處理分別比T1高47.3%、145.4%和112.0%。2018年拔節期灌水后T2、T4葉面積指數分別較T1處理提高37.5%和25.1%，開花期灌水后T3葉面積指數較T1提高38.9%。2019年拔節期灌水后，T2、T4葉面積指數顯著高于T1，分別較T1處理提高29.4%和27.5%；開花期灌水后，T3處理葉面積指數較T1提高7.5%；至收獲期，T3、T4處理分別比T1高34.1%、24.7%，T2比T1下降11.2%。3年試驗結果表明，與不灌水處理相比，灌水處理更能顯著增加冬小麥葉面積，其中以T3處理影響最大。

圖6 滴灌條件下不同灌溉制度下對葉面積指數的影響（2017—2019年）

2.4 不同灌溉制度對冬小麥地上部生物量影響

由圖7中可以看出，2017年拔節期灌水后T2、T4處理生物量顯著高于T1，分別提高42.7%、45.1%；開花期灌水后T3、T4處理分別較T1提高18.7%、7.8%；小麥收獲生物量T3、T4分別較T1處理高17.1%、20.3%，達到顯著水平，T2較T1僅高1.6%。2018年拔節期灌水后T2、T4處理顯著提高小麥生物量，分別比T1提高21.1%、36.5%；開花期灌水后T3、T4處理生物量分別比T1提高31.7%和24.0%，達到顯著水平；小麥收獲生物量T2、T3、T4分別較T1處理高10.4%、25.6%和18.6%。2019年拔節期灌水后T2、T4處理生物量分別較T1提高20.6%、16.1%；開花期灌水后T3、T4處理生物量分別較T1提高18.4%和32.1%；小麥收獲生物量T2、T3、T4處理分別較T1高6.6%、33.4%和27.3%。3年試驗結果表明，與不灌水處理相比，灌水處理能顯著提高小麥生物量，其中以T3處理影響最大。

圖7 滴灌條件下不同灌溉制度下對生物量的影響（2017—2019年）

2.5 不同灌溉制度對冬小麥產量及其構成要素的影響

2017—2019年小麥產量均表現為灌水處理顯著高于不灌水處理，T2、T3、T4處理3年平均產量分別較T1提高16.5%、26.4%和25.2%（表2）。產量構成要素中T2、T3、T4處理每平方米穗數3年平均值分別較T1提高0.6%、10.5%和4.5%，以T3處理最高；穗粒數T2、T3、T4處理3年平均值分別較T1提高12.1%、10.1%和18.0%，以T4處理最高；千粒重T3、T4處理3年平均值分別較T1提高7.0%和8.0%，T2處理較T1降低0.5%。2017年冬小麥生育期降雨量為265.3 mm，要高于2019年的190.5 mm，但主要分布在10月（出苗期）和6月（收獲期），分別占總降雨量的31.13%和27.74%，在其他冬小麥生育期降雨趨勢與2019年相似，因此產量變化趨勢與2019年一致：T2、T3、T4處理產量顯著高于T1，T3、T4處理產量顯著高于T2。2018年冬小麥生育期降雨量為275.9 mm，在冬小麥生育后期分布較多，如5月和6月降雨占總降雨量的29.87%和32.55%，因此2018年T2、T3、T4處理產量顯著高于T1，而T2、T3、T4之間產量無顯著差異。綜上可知，灌水能夠顯著提高小麥產量，當冬小麥生育期內降雨量較少時，拔節期灌水處理對產量增加要低于開花期灌水處理和2次灌水處理，當冬小麥生育期內降雨量較多時，對產量的影響灌水處理之間差異并不顯著。相同灌水量下開花期灌水對成穗數和千粒重的提高效果強于拔節期灌水，灌2次水對穗粒數和千粒重的影響大于開花期灌水。

表2 滴灌條件下不同灌溉制度下冬小麥產量構成要素及產量（2017—2019年）

2.6 不同灌溉制度對作物水分利用的影響

3年結果表明不同灌溉處理下土壤供水占總耗水量的比例不同，表現為T1(26.14%)＞T2處理(23.74%)＞T3處理(24.14%)＞T4處理(20.92%)，說明隨著灌水量的增加，土壤供水占總耗水量的比例下降。不同年份降水量影響土壤供水量的多少，2019年降雨量較少，土壤供水量占總耗水量的34.13%，高于2017年的15.18%和2018年的20.79%，說明降雨量少時冬小麥對土壤水分的消耗增加。冬小麥耗水量3年平均以T4處理最高，T2、T3次之，T1最低；T2、T3、T4耗水量分別較T1提高13.5%、14.3%和25.3%。

不同處理作物水分利用效率相比，2017年T4處理水分利用效率最低，主要是因為產量與T3無顯著差異但耗水量顯著高于T3；2018年T2和T3處理最高，T4處理次之，T1處理最低；2019年T3水分利用效率最高，T2處理水分利用效率最低（表3）。3年結果表明T3處理水分利用效率高于其他處理，較T1處理提高11.0%，T2處理較T1提高2.7%，T4處理較T1降低2.0%。不同處理灌溉水利用效率相比較，變化趨勢與作物水分利用效率一致，T3處理最高，而T4處理最低（表3）。3年結果表明T3處理較T2處理提高138.5%，較T4處理提高160.4%。

表3 滴灌條件下不同灌溉制度冬小麥耗水組成和水分利用效率（2017—2019年）

3 討論

土壤含水量受降水、灌水等因素影響明顯。有研究表明，滴灌條件下0～ 100 cm土層水分較高[28]或明顯增加根部0～ 80 cm土層土壤含水量[29-30]，而本研究中在0～ 30 cm和30～ 60 cm土層中土壤含水量在灌水后的反應證實了這種觀點，但對60～ 90 cm土壤含水量的影響較小。不同灌溉制度綜合影響冬小麥產量和耗水量，隨著灌溉定額的增加，土壤貯水消耗比例減小，水分利用效率呈先增大后減小的趨勢，這與聶紫瑾等[11]研究是一致的。

3年試驗結果表明開花期是該地區冬小麥的水分敏感期，這與王敏和梁碩碩的研究結果一致[31-32]，但不同于栗麗和張潔梅的研究結果[33-34]。這可能與不同地區的降雨量季節分布有關[20,23]。滴灌條件下冬小麥水分效率在18.39～ 25.59 kg/(mm·hm2)之間，略高于聶紫瑾等[10]研究結果中水分利用效率在17.55～ 20.42 kg/(mm·hm2)之間（黑龍港流域）和陳靜等[35]研究結果中水分利用效率在15.1～ 22.8 kg/(mm·hm2)之間（黃淮海平原），一個重要的原因是本試驗條件下估算土壤供水在0～ 90 cm的土壤水分變化，由于試驗地區地下水位較低在2 m左右，可能存在地下水補充的顯現[36]，從而導致土壤供水和作物用水量估算偏低，水分利用效率偏高。本試驗灌溉水利用效率在12.83～ 47.4.3 kg/(mm·hm2)之間，這與武繼承等[37]研究結果中相似。

4 結論

灌水可以顯著增加土壤含水量和貯水量。在不同層次土壤中30～ 60 cm和60～ 90 cm的土壤含水量要高于0～ 30 cm的土壤含水量，灌水后0～ 30 cm土壤含水量增加最多，30～ 60 cm土壤含水量增加次之，60～ 90 cm土壤含水量增加最低。與不灌水處理相比灌水處理能顯著增加冬小麥葉面積和生物量，其中以開花期灌水處理增加葉面積和生物量最多。與不灌水處理相比，灌水處理顯著提高冬小麥產量，但在不同降雨量或分布情況下存在較大差異：當降雨量較多時，灌水處理之間產量無顯著差異，當降雨量較少時，開花期灌水處理和灌水兩次處理產量顯著高于拔節期灌水處理。不同灌水時期和灌水量對小麥產量構成要素的影響不同，相同灌水量下開花期灌水對千粒重的提高效果高于拔節期灌水，灌兩水對穗粒數和千粒重的影響大于開花期灌水。開花期灌水處理水分利用效率和灌溉水利用效率高于其他3個處理。因此綜合考慮3年的試驗結果，滴灌條件下開花期灌水1次(40 mm)可作為膠東半島砂姜黑土區在冬小麥最優灌溉制度。