底墑和補(bǔ)灌量對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用的影響

許衛(wèi)娜, 楊寶平, 聶俊峰,丁瑞霞, 楊萬(wàn)忠,韓清芳,王俊鵬, 張 鵬, 韓文霆, 賈志寬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著干旱的頻繁發(fā)生、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)水資源缺乏的問(wèn)題日益嚴(yán)重。干旱半干旱區(qū)是以旱作為主的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，自然降水少、年際波動(dòng)大、季節(jié)分布不均勻，作物供水主要依賴于大氣降水，而大氣降水對(duì)作物的水分供應(yīng)又需要依附于土壤調(diào)節(jié)。因此，從大氣降水-土壤水-作物循環(huán)系統(tǒng)的理論觀點(diǎn)出發(fā)，探討該區(qū)農(nóng)田土壤貯水耗水特點(diǎn)及土壤貯水量對(duì)作物產(chǎn)量旳影響程度，對(duì)土壤水庫(kù)充分利用具有十分重要的意義。冬小麥休閑期正值干旱半干旱區(qū)的降雨高峰，此時(shí)土壤蓄需水量(底墑)是冬小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成的重要水源。如何合理利用有限的農(nóng)業(yè)水資源，提高水分利用效率備受關(guān)注[1-9]。研究表明，底墑對(duì)旱地小麥的產(chǎn)量有顯著影響[10-13]。REGMI et al[14]研究表明，充足底墑可供給小麥225 mm的水分，并能保持到抽穗。0～200 cm土層有效底墑介于270～320 mm時(shí)，0～200 cm有效底墑最大供水率為72%，可供給小麥大約200 mm的水分，并能保持到灌漿后期[15]。干旱半干旱區(qū)由于自然降水的不均勻和不合理的灌溉使冬小麥底墑的利用率不高，還有較大的利用潛力，且以往的研究只考慮底墑或灌水量一個(gè)因子對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和耗水特性的影響[5,8,15-17]，很少對(duì)底墑和灌水量之間的相互關(guān)系、作用程度進(jìn)行深入研究。為此，本研究在大型防雨池栽條件下，設(shè)置不同底墑和生育期補(bǔ)灌量，精準(zhǔn)研究水分條件變化對(duì)冬小麥底墑供水特征和產(chǎn)量的影響，以期為旱區(qū)麥田降水資源的合理利用和適水種植、量水生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013—2015年在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院大型作物控水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)啟閉式防雨棚下進(jìn)行。該試場(chǎng)位于陜西楊凌(34°18′N、108°04′E)，海拔高度466.7 m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，試驗(yàn)?zāi)甑臍夂蜃兓?jiàn)表1。試驗(yàn)小區(qū)面積為6.7 m2(3.15 m×2.13 m)的水泥池，池深3 m，每池四周為17 cm厚水泥墻，用以防止水分水平交換。池中土壤為2.5 m深壚土原狀土柱(原位土)，分層填入。池底部設(shè)有濾層(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防池底積水。遇雨雪蓋棚，全年防雨水進(jìn)入。0～60 cm土層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分如表2。

表2 供試土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分

試驗(yàn)采用裂-裂區(qū)設(shè)計(jì)，2次重復(fù)。土壤底墑(SMSp)為主區(qū)處理，設(shè)3個(gè)土壤底墑(0～200 cm土層)，分別為350、450、650 mm，即在每年八月和九月分別灌溉100、200、350 mm，進(jìn)行人工造墑，播種前再測(cè)墑補(bǔ)灌調(diào)整至試驗(yàn)設(shè)計(jì)底墑。生育期間補(bǔ)灌量(R)為副區(qū)處理，設(shè)4個(gè)灌量：0.0 mm(R0)、56.3 mm(R1)、78.1 mm(R2)、100.0 mm(R3)，具體補(bǔ)灌量見(jiàn)表 3，用水表計(jì)量，池內(nèi)每小區(qū)又分成4個(gè)微區(qū)進(jìn)行均勻微滴灌補(bǔ)灌，以減少測(cè)滲，確保入滲率。

表3 補(bǔ)灌方案/mm

以冬小麥‘長(zhǎng)旱 58’(半冬性旱地主栽，國(guó)審品種)為供試材料(指示植物)，該材料由梁增基研究員培育，張睿研究員提供。于每年10月中旬播種，播種量為135 kg·hm-2，行距25 cm，人工開(kāi)溝點(diǎn)播，株距1.5 cm，深度5～7 cm，播后用水平尺測(cè)平，利于后期均勻補(bǔ)灌。出苗三葉期后定苗，于每年6月上旬收獲。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

冬小麥從播種前一天起每隔15 d測(cè)定各處理小區(qū)0～200 cm土層的土壤含水量。0～30 cm用常規(guī)土鉆取土烘干法測(cè)定，40～200 cm用TDR(德國(guó)IMKO 公司TRIME-FM)測(cè)定，10 cm為一間隔。

成熟時(shí)分區(qū)測(cè)產(chǎn)，每處理選取有代表性的30株小麥按常規(guī)法進(jìn)行室內(nèi)單株考種分析。

土壤蓄水量：

W=∑Wi×Di×Hi×10/100

(1)

式中，W為土壤蓄水量，mm；Wi為第i層土壤質(zhì)量含水量，%；Di為第i層土壤容重，g·cm-3；Hi為第i層土層厚度，cm[17]。

作物耗水量：

ET=R+ΔW

(2)

式中，ET為作物生育期內(nèi)耗水量，mm；R為生育期內(nèi)補(bǔ)灌量，mm；ΔW為播前期與收獲期0～200 cm土壤蓄水量之差，mm[18-19]。

土壤有效底墑供水量：

Ac=Wi-Wi+1

(3)

式中，Ac為土壤有效底墑供水量，mm；Wi為小麥某一生育時(shí)期開(kāi)始時(shí)的土壤蓄水量，mm；Wi+1為小麥相應(yīng)生育時(shí)期末期時(shí)的土壤儲(chǔ)水量，mm[14]。

有效底墑利用率表達(dá)式為：

(4)

式中，Rc為有效底墑利用率，%；SW為有效底墑，mm[14]。

水分利用效率：

WUE=GY/ET

(5)

式中,WUE為產(chǎn)量水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；GY為作物籽粒產(chǎn)量，kg·hm-2[20]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進(jìn)行方差(ANOVA)分析，采用LSD 法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 底墑和補(bǔ)灌量對(duì)土壤耗水特性的影響

2.1.1 冬小麥有效底墑利用率 由表 4可見(jiàn)，兩年研究結(jié)果均表明，在不補(bǔ)灌條件下隨底墑的增加，冬小麥全生育期土壤供水量增加。不補(bǔ)灌(R0)條件下，0～200 cm 土層有效底墑利用率介于 41.9%～73.4% 之間。其中上層 0～50 cm 有底墑利用率介于89.0%～123.6%之間，中層50～100 cm有效底墑利用率介于50.1%～78.1%之間，下層100～200 cm 有效底墑利用率介于2.5%～54.3%之間?？梢?jiàn)無(wú)論底墑高低，土壤淺層(0～50 cm)底墑利用率顯著大于深層底墑利用率。

表4 有效底墑供水量(mm)和有效底墑利用率(%)

隨著補(bǔ)灌量的增加，低、中、高底墑冬小麥全生育期0～200 cm土層有效底墑供水量和有效底墑利用率增加。低、中、高底墑高量補(bǔ)灌(R3)比中量補(bǔ)灌(R2)有效底墑利用率分別增加6.0%、26.0%、3.0%，中量補(bǔ)灌(R2)較低量補(bǔ)灌(R1)有效底墑利用率分別增加4.0%、37.4%(P<0.05)、1.3%。上層0～50 cm有效底墑利用率為68.6%～93.9%；中層50～100 cm 有效底墑利用率為20.4%～97.8%；下層100～200 cm 有效底墑利用率為2.0%～61.6%，可見(jiàn)上層有效底墑利用率最高，其次是中層，100 cm以下較少。兩年研究結(jié)果表明，隨著底墑的增加，全生育期供水量增加。無(wú)論底墑高低，土壤淺層(0～50 cm)供水量比其他深層供水量顯著偏多，均占整層供水量40.0%以上；隨著底墑的增加，淺層供水量比例減少，深層供水量比例增加。50 cm以下土層供水量顯著減少，各土層僅占7.1%～36.3%，說(shuō)明土壤深層底墑利用尚有很大潛力。低、中底墑處理100 cm以下土層的有效底墑利用率均在6.7%以下，亦說(shuō)明深層底墑幾乎沒(méi)有被冬小麥所利用。

2.1.2 不同時(shí)段不同層次有效底墑利用率 從表5可知，冬小麥不同生育期底墑利用率有明顯差異。從播種到抽穗期，不補(bǔ)灌處理土壤上層(0～50 cm)有效底墑利用率較高，均在62.8%以上，且底墑越小其利用率越高；除了中、低底墑的100 cm以下底墑幾乎沒(méi)有被利用外，高底墑的各土層底墑均得到了充分利用，高底墑的下層(100～200 cm)有效底墑利用率仍達(dá)39.1%；整個(gè)土層有效底墑利用率與底墑變化趨勢(shì)一致。隨著補(bǔ)灌量的增加，低、中底墑上層有效底墑利用率升高，高底墑上層有效底墑利用率降低，且底墑越小其利用率越高。其中，低、中底墑0～50 cm土層高量補(bǔ)灌(R3)比中量補(bǔ)灌(R2)有效底墑利用率分別增加11.1%和26.7%(P<0.05)，中量補(bǔ)灌(R2)比低量補(bǔ)灌(R1)有效底墑利用率分別增加13.6%和13.3%(P<0.05)；高底墑0～50 cm土層高量補(bǔ)灌(R3)比中量補(bǔ)灌(R2)有效底墑利用率減少2.9%，中量補(bǔ)灌(R2)比低量補(bǔ)灌(R1)有效底墑利用率減少3.6%。

表5 不同時(shí)段有效底墑利用率/%

從抽穗到成熟期在不補(bǔ)灌處理下，有效底墑供水量因土壤水分不足而明顯減少，0～50 cm有效底墑利用率為20.2%～42.5%，與底墑變化趨勢(shì)一致，深層除高底墑處理外均在6.8%以下，在小麥生長(zhǎng)后期只有高底墑處理的小麥仍然可以部分利用100～200 cm的底墑。隨著補(bǔ)灌量的增加，上層有效底墑利用率降低，中層和下層的有效底墑利用率增加，與底墑變化趨勢(shì)一致；整個(gè)土層有效底墑利用率與底墑變化趨勢(shì)一致。其中，低、中、高底墑100～200 cm土層高量補(bǔ)灌(R3)比中量補(bǔ)灌(R2)有效底墑利用率分別增加12.5%、30.2%、9.7%，中量補(bǔ)灌(R2)比低量補(bǔ)灌(R1)有效底墑利用率分別增加20.0%、20.5%、24.5%。

2.1.3 冬小麥耗水深度的時(shí)空變異 作物的耗水通常來(lái)自生長(zhǎng)期的補(bǔ)灌量和土壤蓄水量?jī)蓚€(gè)方面，二者相輔相成，調(diào)節(jié)供給。兩年研究結(jié)果表明，土壤底墑和補(bǔ)灌量顯著影響冬小麥土壤耗水深度(圖1)。拔節(jié)期前，由于作物群體數(shù)量較少，大部分地面裸露，蒸發(fā)的主要是土壤蓄水，土壤耗水深度較淺。拔節(jié)期補(bǔ)灌后，抽穗期各處理土壤耗水深度差異顯著。在不補(bǔ)灌條件下，土壤耗水深度為100～160 cm土層；而在補(bǔ)灌條件下，土壤耗水深度較淺。補(bǔ)灌量越大，土壤耗水深度越淺。抽穗期補(bǔ)灌后，灌漿中期各處理土壤耗水深度差異顯著。在不補(bǔ)充水分的情況下，土壤耗水深度沒(méi)有大的變化，土壤水分利用率進(jìn)一步提高。由于前期供水，補(bǔ)灌處理產(chǎn)生了較大的作物群體。為了滿足作物對(duì)水分、根系深部滲透、耗水深度的要求，補(bǔ)灌比不補(bǔ)灌的耗水深度加深。灌漿期補(bǔ)灌后，到成熟期土壤耗水深度繼續(xù)增加，而低底墑的耗水深度變淺。中、高底墑播種期和收獲期土壤體積含水量之間從上到下直到200 cm深的間距均較大，各層均有水分消耗，低底墑處理播前和收獲期土壤體積含水量之間從上到下直到70 cm土層有較大間距，在70 cm以下到200 cm間距很小，有些層次甚至重合，水分消耗很少。因此，高、中底墑的供水層深度在200 cm以下，低底墑的供水層厚度僅在200 cm 以內(nèi)，且70 cm以下層次供水量很少。

圖1 冬小麥播種至成熟期土壤體積含水量(%)時(shí)空變化圖

2.2 底墑和補(bǔ)灌量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表6可知，兩年結(jié)果表明，不同底墑和補(bǔ)灌量處理下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成存在顯著性差異，交互作用差異不顯著，底墑處理產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)大小順序?yàn)楦叩讐?中底墑>低底墑，千粒重大小順序?yàn)楦叩讐?低底墑>中底墑。底墑對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)十分明顯。在不補(bǔ)灌條件下，中底墑產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)較低底墑處理分別增加 815.4%、251.0%、10.44粒，高底墑產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)較中底墑處理分別增加252.1%、72.5%、19.34粒，低、中底墑處理的千粒重基本一致，高底墑千粒重較中、低底墑處理分別增加 12.24%和10.2%。在不同補(bǔ)灌條件下，無(wú)論是低底墑、中底墑還是高底墑，隨補(bǔ)灌量的增加，產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均隨之增大，且底墑越小增加幅度越大，各處理之間產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素差異不顯著。而且，增幅隨著補(bǔ)灌的增多而增加。低底墑產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的增加效應(yīng)分別較中底墑提高 70.9%～108.5%、86.0%～125.9%、0.02～0.12粒、0.6%～2.3%，中底墑處理的增加效應(yīng)分別較高底墑提升57.4%～66.0%、4.3%～11.9%、0.32～0.91粒、4.3%～4.8%。在底墑不足情況下，增加補(bǔ)灌量可在一定程度上減少由于墑情不足引起的產(chǎn)量及其構(gòu)成的損失，但底墑仍是決定產(chǎn)量及其構(gòu)成的主導(dǎo)因素，生育期補(bǔ)灌不能克服底墑不足所造成的影響。低底墑補(bǔ)灌處理下產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)分別較中底墑不補(bǔ)灌的減少 35.4%～58.9%、28.0%～44.1%、7.8～9.4粒，中底墑補(bǔ)灌處理分別較高底墑不補(bǔ)灌的減少57.3%～66.9%、26.3%～35.9%、16.8～18.4粒。

2.3 底墑和補(bǔ)灌量對(duì)冬小麥水分利用效率的影響

從表6可知，兩年結(jié)果表明，在不補(bǔ)灌條件下，高底墑?shì)^中底墑處理水分利用效率降低3.8%，中底墑?shì)^低底墑處理水分利用效率提高438.2%。隨補(bǔ)灌量增加，低底墑處理水分利用效率增大，中、高底墑處理籽粒產(chǎn)量水平上的水分利用效率減小，且水分利用效率的增加量減小。低底墑高量補(bǔ)灌(R3)處理的水分利用效率最高，中、高底墑不補(bǔ)灌(R0)處理的水分利用效率最高，比低量補(bǔ)灌(R1)處理分別提高16.9%(P<0.05)和18.1%，比中量補(bǔ)灌(R2)處理提高1.7%。中底墑補(bǔ)灌處理比低底墑水分利用效率提高 77.6%～148.3%，高底墑補(bǔ)灌處理比中底墑水分利用效率分別提高1.4%～40.8%。

表6 各處理冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率

2.4 土壤有效底墑供水量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

利用土壤有效底墑供水量與籽粒產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析，得到方程為：

2013—2014年：

Y=0.0351Ac2+27.7792Ac+88.8553 (R2=0.9332)

2014—2015年：

Y=0.0431Ac2+29.4653Ac+81.0981 (R2=0.9275)

式中，Y為籽粒產(chǎn)量，kg·hm-2；Ac為土壤有效底墑供水量，mm。經(jīng)檢驗(yàn)，其信度水平達(dá)到0.01。兩者呈顯著的拋物線關(guān)系(圖2)，土壤有效底墑供水量在0～300 mm 范圍內(nèi)，隨著底墑供水量的增加產(chǎn)量呈明顯增加趨勢(shì)。

圖2 籽粒產(chǎn)量與土壤有效底墑供水量的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

研究表明，播種前土壤有效水的多少直接影響小麥的出苗與生長(zhǎng)狀況，能夠彌補(bǔ)春季的水分不足而形成較好的產(chǎn)量[21-24]，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。多數(shù)研究指出，改善水分條件可以協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高產(chǎn)量[5,25-26]。本研究結(jié)果亦表明，隨著補(bǔ)灌量的增加，冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成呈增加趨勢(shì)，且底墑越小產(chǎn)量及其構(gòu)成增加效應(yīng)越大，這與前人的研究結(jié)論一致。在低底墑條件下，沒(méi)有灌溉和降水補(bǔ)給，底墑能夠提供大約43 mm的水分，并且保持到抽穗，其冬小麥產(chǎn)量?jī)H為136.6 kg·hm-2。

雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)條件下，天然降水是農(nóng)田土壤水分的唯一來(lái)源，降水年型不同，則農(nóng)田土壤貯水狀況及土壤供水性能明顯不同，作物農(nóng)田土壤貯水利用程度也不同。其干旱年各層次土壤貯水的利用程度明顯高于濕潤(rùn)年；冬小麥土壤耗水深度無(wú)論干旱年還是濕潤(rùn)年都在1 m土層以下。無(wú)論干旱年還是正常年，冬小麥生育期內(nèi)均存在較嚴(yán)重的土壤水分虧缺[27]，這與本研究結(jié)論一致。相關(guān)研究認(rèn)為：限量供水提高了作物對(duì)底墑?dòng)绕涫菍?duì)1～2 m深層底墑的利用[28-31]。本研究結(jié)果亦表明，隨著補(bǔ)灌量的增加，高、中、低底墑全生育期0～200 cm土層總供水量和有效底墑利用率增加。無(wú)論底墑高低，土壤淺層(0～50 cm)供水量比其他深層供水量顯著偏多，均占整層供水量40.7% 以上；隨著底墑的增加，淺層供水量比例減少，深層供水量比例增加。50 cm以下土層供水量顯著減少，各層僅占4.6%～36.3%，說(shuō)明深層底墑利用尚有很大潛力。中、低底墑處理100 cm以下土層的有效底墑利用率均在5.4%以下，說(shuō)明深層底墑幾乎沒(méi)有被冬小麥所利用。

研究認(rèn)為，底墑充足或比較充足時(shí)有利于作物利用土壤儲(chǔ)蓄的水分；當(dāng)?shù)讐勢(shì)^差時(shí)，增加灌水量才能提高植株利用土壤水分的能力和效率[8,30,32]，這與本研究結(jié)論相一致。本研究亦表明，冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段淺層耗水量大于生殖階段,但深層耗水量正好相反，隨著冬小麥生育期的推進(jìn)，尤其在生殖生長(zhǎng)階段，深層土壤貯水量發(fā)揮了積極的“補(bǔ)償作用”。隨補(bǔ)灌量的增加,土壤貯水利用率呈上升趨勢(shì)。因而在干旱半干旱地區(qū)冬小麥生產(chǎn)管理中,播種時(shí)重視灌足底墑水，增加土壤蓄水量，特別是深層蓄水，可減少春季灌水次數(shù)和灌水量，是推行農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源,量水生產(chǎn)的有效措施。

本試驗(yàn)條件下，作物產(chǎn)量與土壤底墑供水量之間并不呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是呈明顯的非線性關(guān)系，其原因有待進(jìn)一步研究。

土壤深層蓄水有利于小麥增產(chǎn)。應(yīng)足墑播種，適水種植，量水生產(chǎn)。如底墑不足，必須補(bǔ)灌。