不同水分處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

黃彩霞，柴守璽，趙德明，李志賢，常磊，王婷

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；3.甘肅省政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，甘肅 蘭州730030；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 廣州510642；5.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

河西走廊綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，光熱條件好，晝夜溫差較大，年降水量少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴于地下水和地表水，是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)區(qū)和節(jié)水潛力區(qū)［1，2］，也是沙塵暴高頻區(qū)。近年來受資源配置、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等許多問題的影響，提出改種春小麥（Triticumaestivum）為冬小麥的舉措，同時(shí)，將高效開發(fā)和合理利用水資源作為該區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。為此研究冬小麥對(duì)不同供水的生理和產(chǎn)量效應(yīng)，是建立節(jié)水型農(nóng)業(yè)體系的重要基礎(chǔ)。

水分利用效率是作物節(jié)水灌溉基礎(chǔ)研究的中心問題。多年來關(guān)于不同水分處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響進(jìn)行了大量的研究［3－7］，由于試驗(yàn)方法和處理時(shí)期不同，所用土壤、品種和環(huán)境條件的差異，研究結(jié)果也不盡一致［8－11］。許振柱和于振文［8］研究表明，冬小麥耗水強(qiáng)度最大的時(shí)期是拔節(jié)～開花期，耗水強(qiáng)度最小的是越冬～返青期，生育后期過多灌水或土壤嚴(yán)重缺水均顯著影響冬小麥對(duì)土壤水分的利用效率。房全孝和陳雨海［10］研究表明，在土壤水分狀況較好條件下冬小麥農(nóng)田耗水強(qiáng)度呈雙峰曲線變化，不同灌溉處理的耗水高峰出現(xiàn)時(shí)期及其峰值不同，而與灌水時(shí)期一致，同時(shí)灌溉能夠明顯降低冬小麥利用土壤底墑水能力。在拔節(jié)以前冬小麥農(nóng)田耗水與大氣蒸發(fā)力呈顯著直線相關(guān)；拔節(jié)后與其干物質(zhì)積累以及土壤水分含量呈顯著正相關(guān)，拔節(jié)期是冬小麥需水的生理生態(tài)臨界期。李建民等［12］研究表明，起身期澆水主要增加穗數(shù)，拔節(jié)水可顯著增加穗粒數(shù)，孕穗期或開花期澆水對(duì)提高千粒重有重要作用，而在灌漿期澆水卻使千粒重降低；張忠學(xué)和于貴瑞［13］研究表明，籽粒產(chǎn)量與灌水量之間呈拋物線關(guān)系，適度水分虧缺有益于提高作物產(chǎn)量。孫宏勇等［14］研究還表明，各生育時(shí)期灌水量的差異對(duì)作物的產(chǎn)量和WUE具有顯著的影響。

在生態(tài)生理指標(biāo)方面，劉增進(jìn)等［15］研究指出干旱脅迫導(dǎo)致光合速率，氣孔導(dǎo)度顯著下降，在營養(yǎng)生長期間由于干旱導(dǎo)致生理上的變化在后期復(fù)水也同樣表現(xiàn)出與干旱脅迫相同的現(xiàn)象，光合速率伴隨氣孔導(dǎo)度一起下降，但是二者沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。Xue等［16］指出在適度的水分脅迫下，由于氣孔的關(guān)閉，CO2同化速率會(huì)逐漸減弱。

本試驗(yàn)在不同灌水處理?xiàng)l件下，通過對(duì)各生育時(shí)期的土壤水分動(dòng)態(tài)變化及不同水分對(duì)冬小麥生態(tài)生理指標(biāo)、產(chǎn)量及WUE的影響及機(jī)制的研究，旨在為當(dāng)?shù)亟⒏弋a(chǎn)、高效、節(jié)水的冬小麥生產(chǎn)體系提供理論依據(jù)，不僅可指導(dǎo)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

本試驗(yàn)于2005－2006年在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行（北緯37°23′，東經(jīng)103°23′），平均海拔1 776 m，該區(qū)屬于典型的內(nèi)陸型干旱氣候，年均降水量160 mm左右，年蒸發(fā)量1 919 mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.8℃，1月份最低氣溫－11.8℃，7月份最高氣溫24.0℃。≥0℃年積溫為3 513.4℃；≥10℃年積溫為2 985.4℃。年無霜期156 d，絕對(duì)無霜期118 d，年日照時(shí)數(shù)2 945 h。年均大風(fēng)日數(shù)12 d，年均沙塵暴日數(shù)為9 d，最多年沙塵暴日數(shù)為34 d。

播種時(shí)間在9月14日，基本苗為600萬株／hm2。供試材料是當(dāng)?shù)仄贩N冬小麥臨抗2號(hào)。每hm2施純N 165 kg／hm2，P2O5105 kg／hm2作為底肥。

試驗(yàn)地土壤為灌淤土，播前0～30 cm土層的土壤基本理化性狀：容重1.12～1.39 g／cm3，全氮0.77 g／kg，速效氮49.2 mg／kg，全磷0.141 3 g／kg，速效磷9.11 mg／kg，速效鉀93.95 mg／kg，p H 值為8.5。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理（表1）。采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積27.5 m2。灌水方法采用管灌，水表計(jì)量。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Experimental design mm

1.3 主要測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 光合生理特性測(cè)定 冬小麥起身后在各處理內(nèi)選擇生長整齊一致的植株30株，單株掛牌標(biāo)記，隨著生育進(jìn)程連續(xù)測(cè)定。測(cè)定時(shí)間選擇晴朗的早晨10：00－12：00，在各生育期用美國CID公司生產(chǎn)的CI－310型光合測(cè)定儀測(cè)定，各處理選擇長勢(shì)均勻一致的頂部完全展開葉3～5片，測(cè)定其凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速度（Tr）。

1.3.2 土壤含水量 （SWC）、土壤有效含水量（AWC）和土壤水分變化量（SWU）的確定 本試驗(yàn)用烘干法測(cè)定土壤含水量，全生育期每隔10 d測(cè)定0～10，10～30，30～60，60～90，90～120和120～150 cm土壤水分含量（每小區(qū)選3點(diǎn)取土樣），播前、收獲后和降水后分別加測(cè)。土壤永久萎蔫水分含量（PWP）為土壤水勢(shì)在－1.5 MPa時(shí)的含水量，土壤水勢(shì)由GQT1－WP4露點(diǎn)水勢(shì)速測(cè)儀測(cè)定。并利用下列公式［17］計(jì)算土壤有效含水量（AWC），土壤貯水量（TSW）和土壤水分變化量（SWU）。

式中，PWP為土壤永久萎蔫水分含量（體積%）；TSW為土壤貯水量（mm）；TSWs、TSWe分別代表某個(gè)生育階段內(nèi)150 cm厚土層貯水量的變化（mm）；HT為土壤厚度（cm）。

本試驗(yàn)將150 cm土壤剖面分成上層（0～10 cm）、中上層（10～30 cm）、中間層（30～60 cm）和下層（60～150 cm）4層進(jìn)行研究。

1.3.3 作物耗水量、水分利用效率（WUE）及灌溉水利用效率（IWUE）的計(jì)算 根據(jù)澳大利亞學(xué)者Philip［18］提出的SPAC（soil－plant－atmosphere continuum，土壤－植物－大氣連續(xù)體理論），作物耗水量用農(nóng)田水分平衡法計(jì)算。農(nóng)田水量平衡方程為［19］：

式中，P為該時(shí)段降水量（mm）；U是地下水通過毛管作用上移補(bǔ)給作物水量（mm）；R是地表徑流量（mm）；F為補(bǔ)給地下水量（mm）；ETa為作物生育期耗水量（mm），包括植株蒸騰量與植株間地表蒸發(fā)量；I為灌溉用水量（mm）。

根據(jù)試驗(yàn)地自然條件，地勢(shì)平坦，可視地表徑流為0；地下水埋深4 m以下可視為地下水補(bǔ)給量為0；降水入滲深度不超過2 m，可視深層滲漏為0，R、U、F可忽略不計(jì)。故（4）式簡(jiǎn)化為：

式中，Y是實(shí)際產(chǎn)量（kg／hm2）；IT是在整個(gè)生長季節(jié)灌水總量（mm）。

1.3.4 產(chǎn)量構(gòu)成因素測(cè)定 成熟期在每個(gè)小區(qū)各選20株進(jìn)行常規(guī)考種，并結(jié)合實(shí)收測(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

方差分析和回歸分析采用唐啟義和馮明光［20］的DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期冬小麥土壤有效含水量（AWC）分析

土壤含水量（SWC）和萎蔫系數(shù)（PWP）常用來檢測(cè)土壤水分狀況和估計(jì)灌溉時(shí)間，而AWC能夠反應(yīng)土壤水分變化對(duì)植株的影響。返青期各土層AWC都較低，尤其是0～60 cm層，AWC最高僅為3.36 mm，作物受到水分脅迫；進(jìn)入拔節(jié)期后，不同灌水處理下各層AWC逐漸降低，至成熟期達(dá)到最低，特別是處理W1和W2在成熟期0～60 cm層的AWC出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)土壤含水量處于萎蔫點(diǎn)以下 （表2）。

處理間AWC的差異在灌漿期表現(xiàn)最為明顯，尤其處理W1和W3，在0～60 cm層AWC呈顯著（P＜0.05）和極顯著（P＜0.01）差異。從生育期的差異來看，處理W3和W5在整個(gè)生育期基本無差異，其他處理有顯著或極顯著差異，拔節(jié)期和灌漿期表現(xiàn)尤為明顯。

從整個(gè)生育期各層AWC的變化看，拔節(jié)期各處理AWC最高的是10～30 cm，開花期為30～60 cm，灌漿期后為60～180 cm，且隨著植株的生長和灌水量的變化，深層土壤的AWC與中上層相近，表明作物沿著土壤深度梯度，逐層吸收和利用深層土壤水分。

2.2 不同生育期冬小麥的耗水特性分析

冬小麥日耗水強(qiáng)度最大的時(shí)期是抽穗～開花期，拔節(jié)～抽穗期次之，返青～拔節(jié)期最小，變幅為1.1～8.4 mm（表3）；而階段耗水量最大的時(shí)期是播種～返青，此階段耗水量占總耗水量的50%以上，由于當(dāng)?shù)貧夂虻奶厥庑?，冬灌水量大?80 mm）才能保證較高的出苗率以及后期適當(dāng)補(bǔ)充灌溉后冬小麥的正常生長，因此在當(dāng)?shù)夭粌H冬灌水是必要的，且灌溉量要足。

從作物整個(gè)生育期耗水量情況來看，處理間耗水量最高的是 W3，最低的是 W5，變幅為743.97～834.69 mm。不同灌水處理在不同生育階段耗水沒有明顯的規(guī)律，灌溉定額最高W3除了在拔節(jié)～抽穗期日耗水量較小外，其余生育階段均高于其他處理，而灌水次數(shù)少、灌溉定額較小的處理W1和W2在拔節(jié)～抽穗期卻高于其他處理。這種差異主要是由于作物對(duì)深層土壤水分利用率不同造成，與居輝等［11］研究結(jié)論一致。

2.3 不同灌水處理對(duì)冬小麥光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響

各處理Pn隨生育期的進(jìn)程而逐漸下降。Gs的變化因處理不同而不同，W3、W4、W5三處理的Gs隨生育期的進(jìn)程而持續(xù)上升，至灌漿期達(dá)到最大，W1、W2兩處理隨生育期的進(jìn)程而逐漸下降。處理間Tr與Gs的趨勢(shì)基本相同 （圖1～3）。

不同灌水條件下，處理間光合速率（Pn）在灌漿前期存在顯著性差異，Tr和Gs在各測(cè)定期均存在顯著或極顯著差異，說明水分對(duì)蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響較明顯。處理間產(chǎn)量最高的W3其各時(shí)期的Pn都沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，但在開花期和灌漿前期具有較高的Gs和Tr，這可能是W3高產(chǎn)的生理基礎(chǔ)。

表2 不同生育時(shí)期土壤剖面土壤有效含水量的比較Table 2 Comparisons of available water contents among different growth stages and treatments mm

表3 不同灌水處理下全生育期總耗水量、階段耗水量及日耗水量分析Table 3 Analysis of total consumption，stage consumption and daily consumption of water under different soil moisture conditions mm

圖1 不同灌水處理光合速率的差異Fig.1 The difference of photosynthetic rate under different irrigation treatment

圖2 不同灌水處理蒸騰速率的差異Fig.2 The difference of transpiration rate under different irrigation treatment

2.4 不同灌水處理對(duì) WUE、IWUE、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

處理間籽粒產(chǎn)量、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異。處理 W3具有最高籽粒產(chǎn)量（6 296.52 kg／hm2）、千粒重（53.12 g）、單位面積穗數(shù)（61.83 萬穗／hm2）；W5的籽粒產(chǎn)量（4 674.65 kg／hm2）、千粒重（47.65 g）、穗粒數(shù)（18.77個(gè)／穗）均低于其他處理。相關(guān)分析表明（表5），產(chǎn)量與千粒重（R＝0.99＊＊）和穗粒數(shù)（R＝0.87＊）呈顯著或極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，而千粒重與CAm（R＝0.80＊）、CAt（R＝0.89＊）呈顯著（P＜0.05）正相關(guān)，表明生育后期水分脅迫，導(dǎo)致千粒重和穗粒數(shù)下降，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量下降（表4）。

WUE和IWUE是衡量作物高效用水的重要指標(biāo)。通過分析發(fā)現(xiàn)（表4），灌溉總量、灌水次數(shù)相同的處理W4和W5對(duì)WUE和IWUE的影響不同。W4具有最高的 WUE和IWUE，分別為7.91和15.41 kg／（hm2·mm），W5的 WUE和IWUE卻最低。相關(guān)分析還表明（表5），產(chǎn)量與 WUE（R＝0.97＊＊）、CAm（R＝0.88＊）、CAt（R＝0.88＊）呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，說明后期過多灌溉和土壤嚴(yán)重缺水都顯著影響了冬小麥對(duì)土壤水分的利用效率。

圖3 不同灌水處理氣孔導(dǎo)度的差異Fig.3 The difference of stomatal conductance under different irrigation treatment

3 討論

河西綠洲區(qū)年降水量少、蒸發(fā)量大，氣候干燥，特殊的土壤和氣候條件要求較高的灌水定額。張步翀和黃高寶［21］在春小麥調(diào)虧灌溉研究中表明，河西地區(qū)春小麥生育期最佳灌溉定額為440 mm／hm2。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，河西走廊農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥要達(dá)到5 305～6 296 kg／hm2的產(chǎn)量水平，生育期灌水量可減少到345 mm／hm2，節(jié)水效果明顯。

在本試驗(yàn)條件下，W3具有最高的產(chǎn)量、千粒重和耗水量，但灌溉水利用效率和水分利用效率以W4最高，說明，適量減少灌水量可以提高水分利用效率，但后期的水分脅迫，不利于千粒重的提高，相關(guān)分析表明，千粒重是影響產(chǎn)量的最主要因素。Jensen［22］認(rèn)為適度的水分脅迫能使作物的水分利用效率顯著提高。張秋英等［23］研究表明，冬小麥以拔節(jié)～抽穗期的2次灌水效果最好，隨著灌水總量的增加，水分利用效率先于產(chǎn)量達(dá)到最大值。王俊儒等［9］研究表明，后期中度干旱對(duì)穗粒數(shù)、千粒重?zé)o影響，對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響較小，提高了收獲指數(shù)和水分利用效率。嚴(yán)重干旱顯著降低了株高、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，顯著降低了產(chǎn)量，同時(shí)收獲指數(shù)和水分利用效率也降低。陳曉遠(yuǎn)和羅培元［24］認(rèn)為在小麥孕穗、抽穗、開花和灌漿的需水高峰期，充足的水分對(duì)增加穗粒數(shù)、提高粒重都有明顯的效應(yīng)。

表4 不同灌水處理下冬小麥水分利用效率、灌溉水利用效率、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的比較Table 4 Comparisons of WUE，IWUE，grain yield and yield components among different treatments

表5 WUE、IWUE、耗水量、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的相關(guān)系數(shù)Table 5 The correlations among WUE，IWUE，water consumption，yield and yield components

從冬小麥各生育時(shí)期耗水特點(diǎn)來看，播種～拔節(jié)期日耗水強(qiáng)度最小，拔節(jié)～開花期日耗水強(qiáng)度大，但前期耗水量大于后期。這是可以理解的，抽穗期～開花期作物生長旺盛，葉面積指數(shù)（LAI）達(dá)到最大，溫度升高，作物蒸騰量大，但歷時(shí)僅39 d，而冬小麥從播種～拔節(jié)期歷時(shí)時(shí)間長達(dá)185 d，而且春季多風(fēng)、干燥，土壤蒸發(fā)量大。因此增大冬灌量，確保冬小麥過冬、返青是必要的。拔節(jié)期灌水量對(duì)冬小麥后期生長影響較大，W1、W2由于及早的消耗了土壤水分，使得灌漿期0～60 cm土壤含水量在萎蔫點(diǎn)以下。劉增進(jìn)等［15］研究表明，60～160 cm土層是水澆地冬小麥深層根系的主要分布層，是土壤水分消耗與蓄積的源和庫。因此，在灌溉水短缺的條件下，小麥的水分調(diào)控應(yīng)集中在提高土壤貯水利用率和水分利用效率上，尤其是提高深層土壤水分的利用程度［16，25］，但開花后的持續(xù)干旱不利于產(chǎn)量的形成［14］。

在生理指標(biāo)上，灌水量最多的W3各時(shí)期的光合速率并不是最高，但在開花期和灌漿前期具有較高的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。研究表明不同的灌水量和灌水時(shí)期，引起各生育時(shí)期不同程度的水分虧缺，而這些生理指標(biāo)對(duì)虧缺程度的反應(yīng)不一［26］。但應(yīng)該考慮到土壤含水量的有限性，土壤儲(chǔ)水的透支會(huì)造成干旱化趨勢(shì)的加劇，影響作物生理功能［27－30］。Abbate等［31］也指出限水灌溉下由于中午氣孔的關(guān)閉限制了蒸騰速率，提高了蒸騰效率，因此WUE較高。房全孝和陳雨海［10］研究表明灌溉使蒸騰速率線性增加而光合速率并沒有同步增加，導(dǎo)致了葉片水分利用效率下降，這是群體與產(chǎn)量水平水分利用效率降低的生理基礎(chǔ)。蒸騰耗水在一定范圍內(nèi)是必需的或者是高效的，而當(dāng)土壤水分含量過高時(shí)，光合速率不再增加，而蒸騰速率持續(xù)增長必然導(dǎo)致作物耗水過多，所以作物蒸騰也存在無效水分的消耗，這是灌溉導(dǎo)致水分利用效率下降的重要原因之一。Kumar等［32］與 Mc Murtrie和Wang［33］研究表明當(dāng)土壤體積含水率在22%左右時(shí)，光合速率幾乎不再增加，繼續(xù)增加土壤水分對(duì)提高光合生產(chǎn)作用不大，而蒸騰速率顯著提高使無效蒸騰耗水增加。

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