黃土塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率對播前底墑變化與生育期差別供水的響應(yīng)

李超，劉文兆,，林文，韓曉陽，周玲，王亞萍

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

黃土塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率對播前底墑變化與生育期差別供水的響應(yīng)

李超1，劉文兆1,2，林文2，韓曉陽2，周玲1，王亞萍1

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】通過黃土塬區(qū)播前底墑變化和生育期差別供水（降水+補充灌溉）對冬小麥產(chǎn)量、耗水量以及水分利用效率影響的田間試驗，揭示該區(qū)域農(nóng)田有限水資源高效利用的調(diào)控機制，明確現(xiàn)有措施下冬小麥旱作生產(chǎn)潛力可實現(xiàn)水平?！痉椒ā縿澰O(shè)田間試驗小區(qū)，在夏閑期通過覆蓋保水與生物耗水措施形成底墑差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計如下試驗：（1）由不同底墑+生育期降水形成4個冬小麥全生育期無補灌處理，以分析冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率對播前底墑變化的響應(yīng)。其 2 m土層底墑變化范圍為 350—550 mm。（2）相同底墑下不同生育期灌一水處理：在平均底墑約為500 mm下分別在拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期補充灌溉40 mm，探討冬小麥不同生育期對等量灌溉的響應(yīng)差別。（3）高底墑542.3 mm與571.6 mm下分別進行灌2水與4水處理，形成冬小麥全生育期比較充分的供水條件，研究冬小麥在低水分脅迫下產(chǎn)量提升的可能程度及其水分利用效率特征?！窘Y(jié)果】（1）在黃土塬區(qū)降水季節(jié)分布特征下，播前底墑對冬小麥產(chǎn)量具有決定性作用，產(chǎn)量隨底墑線性增加。在做好夏閑期蓄水保墑的基礎(chǔ)上，旱作冬小麥產(chǎn)量可達到充分供水情況下能夠取得產(chǎn)量的 88%—90%水平。（2）與2 m土層底墑為500 mm且生育期無補充灌溉的處理比較，供水增加同為40 mm時，表現(xiàn)為底墑增加處理的產(chǎn)量提高了 11.8%，次之是在拔節(jié)期與孕穗期分別補灌的處理，但三者間產(chǎn)量無顯著差異；播前底墑較高并在拔節(jié)期及孕穗期補充灌溉的處理冬小麥產(chǎn)量達到試驗?zāi)攴葺^高水平，且作物水分利用效率（WUE）也得到提高。（3）冬小麥產(chǎn)量與耗水量表現(xiàn)為Logistic曲線關(guān)系，隨著耗水量的增大，產(chǎn)量提升速率表現(xiàn)為先快后慢，邊際水分利用效率（MWUE）則持續(xù)降低，而WUE表現(xiàn)為上升、達到峰值和下降三個階段，且WUE到達其最高值的耗水量小于產(chǎn)量到達其最高值的耗水量?！窘Y(jié)論】黃土塬區(qū)氣候條件下，播前底墑差別與生育期差別供水對冬小麥產(chǎn)量均有影響，由底墑或不同生育時期分別增加等量供水在總供水水平相同時其增產(chǎn)效應(yīng)基本一致；采用Logistic曲線模型可以較好地模擬冬小麥產(chǎn)量與耗水量之間的關(guān)系，揭示產(chǎn)量、耗水量及WUE間的內(nèi)在聯(lián)系。

播前底墑；補充灌溉；冬小麥產(chǎn)量；耗水量；水分利用效率；黃土高原

Abstract:【Objective】A field experiment was carried out to study the influence of soil water storage before sowing anddifferent water supplies (precipitation + supplemental irrigation) during a growing period on wheat yield, water consumption and water use efficiency, to reveal the regulation mechanism of effective utilization of limited water resources in farmland, and to make clear the achievable level of dryland production potential of winter wheat under the existing measures in the Loess Tableland.【Method】Field experimental plots were designed as follows, based on different soil water contents achieved by either covering the plot or growing a crop in the summer fallow period. (1) In order to analyze the response of wheat yield and water use efficiency to the change of soil water storage before sowing, four rain-fed treatments with different soil water storage levels were formed in the whole growth period of winter wheat. The water storage in 2 m soil profile changed in the range of 350 - 550 mm.（2）Under the same average soil water storage of 500 mm, 3 respective treatments with one time irrigation of 40 mm at jointing stage, booting stage or filling stage were applied to explore different responses of equal irrigation at different growth stages of winter wheat.（3）Under the high water storage levels of 542.3 mm and 571.6 mm, treatments of 2 times and 4 times irrigation were carried out, respectively, to study the possible increase of winter wheat yield and the features of water use efficiency under low water stress.【Result】(1) Under the seasonal distribution of precipitation characteristics of Loess Plateau, the soil water storage before sowing had a decisive effect on wheat yield, and wheat yield increases linearly with the soil water storage. When soil water is well conserved in the summer fallow period, the yield of winter wheat in dryland farming can reach 88% - 90% level of wheat yields under sufficient water supply.（2）Compared with the treatment of 500 mm water storage in the 2 m soil profile and no supplemental irrigation, per increase of 40 mm water supply yield increased by 11.8% for the soil water storage increase, followed by irrigation at the jointing stage and booting stage respectively. However, no significant differences between the three treatments were detected. The winter wheat yield of the treatment with higher soil water storage before sowing and 2 times irrigation in both the jointing stage and booting stage reached a high yield level in the test years with a high WUE. (3) There was a Logistic relationship between yield and water consumption. With the increase of water consumption, the yield increased fast at first and then slowly; the marginal water use efficiency (MWUE)declined continuously; WUE showed three stages of change: rising, peak and falling; and the water consumption at the maximum WUE was less than that at the maximum yield . 【Conclusion】Under the climate condition of the Loess Plateau, both the soil water storage before sowing and different water supply during a growing period influenced the yield of winter wheat. Equal incremental water supply by soil water storage or irrigation in different growth periods had basically the same effect on yield when the total water supply was the same. The relationship between yield and water consumption of winter wheat could be simulated by a Logistic curve model that can be used to reveal the intrinsic relationships among yield, water consumption and WUE.

Key words:soil water storage before sowing; supplementary irrigation; winter wheat yield; water consumption; water use efficiency; Loess Plateau

0 引言

【研究意義】黃土高原南部是中國北方冬小麥產(chǎn)區(qū)的一部分。近年來隨著化肥的大量施用和農(nóng)田生產(chǎn)力的提高，該地區(qū)限制作物產(chǎn)量的主控因子已逐步從養(yǎng)分條件轉(zhuǎn)變?yōu)樗謼l件，農(nóng)田生產(chǎn)力的進一步提升很大程度上取決于當(dāng)?shù)厮Y源供應(yīng)狀況及利用水平[1-2]。研究并探明該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量與水分供給之間的關(guān)系對于小麥增產(chǎn)及其水分高效利用皆具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】黃土高原深厚的土層可以貯存大量水分持續(xù)供給冬小麥生長發(fā)育，對冬小麥防旱抗旱具有積極作用[3-6]。底墑的重要性與冬小麥的生長特性和期間所處的氣候環(huán)境緊密相關(guān)。在小麥返青前的較長時期，小麥根系分布較淺，充足的上層土壤水分，可以滿足苗期和休眠時期用水；而在返青后，小麥迅速生長，但此時期正值黃土高原春季少雨階段，因此，播前底墑對冬小麥的作用尤其重要[7-9]?！胞?zhǔn)崭裟陦劇薄叭嘤旰梅N麥”等農(nóng)諺也反映了中國北方勞動人民在長期生產(chǎn)中積累的寶貴經(jīng)驗：充足的播前底墑是冬小麥生產(chǎn)的重要保障。節(jié)水農(nóng)業(yè)作為灌溉農(nóng)業(yè)與旱地農(nóng)業(yè)的有效結(jié)合，是農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展的必然選擇[10-11]，黃土高原通過降雨徑流蓄水進行補充灌溉已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的途徑之一[12]。該區(qū)域冬小麥生育期內(nèi)降水只及冬小麥需水量的1/2左右[9]，且降水季節(jié)分布不均勻，小麥生長處于種植年的雨季后以及收獲年的雨季前，關(guān)鍵生育期易發(fā)生旱情，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)?？梢娫邳S土塬區(qū)，麥田水分虧缺是不可避免的，加之小麥在不同生育階段的需水要求有別，保證小麥生育期內(nèi)特別是高需水階段的水分供應(yīng)可實現(xiàn)產(chǎn)量與水分利用效率的同步提高[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于底墑對冬小麥產(chǎn)量的重要性已經(jīng)取得共識，但是對底墑變化的研究以及底墑、生育期降水與補充灌溉結(jié)合的研究還需加強；冬小麥全生育期產(chǎn)量與水分間的關(guān)系模型，也有待于進一步的探究。【擬解決的關(guān)鍵問題】黃土塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率對播前底墑變化以及生育期差別供水的響應(yīng)過程特征，不同生育時期增加等量供水對產(chǎn)量的影響差別，具有普適性的冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)模型，以及考慮區(qū)域冬小麥旱作生產(chǎn)潛力實現(xiàn)的田間水分管理措施選擇。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤偏旱性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.1℃，降水年際及季節(jié)變化大，年均降水量584 mm，主要集中在7—9月，為典型的一年一熟旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；地帶性土壤為中壤質(zhì)黑壚土，土層深厚，地下水埋深40—80 m，田間持水量22.4%，萎蔫濕度9%[1,15-16]。試驗時間為2015年7月至2016年6月，其中7—9月為夏閑期，10月到次年6月為冬小麥生育期。從播種到收獲，試驗?zāi)攴荻←溕诮邓繛?07.8 mm，與同期多年均值大致相等，逐月分布也比較接近（圖1）。

圖1 試驗期間逐月降水量Fig. 1 Monthly precipitation during the experiment

1.2 試驗設(shè)計

田間劃設(shè)小區(qū)，每小區(qū)面積6 m×4.5 m，于2015年夏閑期通過覆蓋保墑與玉米不同密度種植差別耗水形成不同底墑基礎(chǔ)。具體操作為：在小區(qū)初始水分狀況調(diào)查的基礎(chǔ)上，對含水量高的小區(qū)進行覆膜、秸稈覆蓋以及休閑等保水處理，而在含水量低的小區(qū)種植不同密度玉米，最終形成高低差別的冬小麥播前底墑條件，并在播種前采用混土法把所有小區(qū)耕層土壤混合勻平，消除養(yǎng)分差異。

供試冬小麥品種為長旱58，于2015年9月26日播種，翌年6月25日收獲。各小區(qū)統(tǒng)一施肥達到當(dāng)?shù)刂猩瞎┓仕剑?80 kg N·hm-2，N∶P∶K = 16∶9∶3）。每小區(qū)播種量按170 kg·hm-2計算，行距25 cm。

試驗設(shè)計包括對照CK和WT1—WT8共9組水分處理，重復(fù) 3次。CK、WT1、WT2、WT3為 4組不同底墑處理，全生育期不灌溉，2 m土層底墑變化范圍在350—550 mm；WT4、WT5、WT6分別于拔節(jié)、孕穗、灌漿期各灌1水；WT7于拔節(jié)、孕穗期灌2水；WT8于返青、拔節(jié)、孕穗、灌漿期灌4水。其中WT2、WT4、WT5、WT6底墑基本處于同一水平，2 m土層約為502 mm，WT3與WT7底墑相近約為 543 mm。具體底墑情況與試驗設(shè)計見表 1。

1.3 田間測定與計算

1.3.1 土壤含水量及貯水量 采用烘干法測定土壤含水量，播種期和收獲期測定深度為5 m，其余生育期測定深度為2 m，其中1 m以上土層每10 cm、1 m以下土層每20 cm測定一次，稱量濕土重后105℃烘至恒重，再稱量干土重，計算土壤質(zhì)量含水量。

土壤貯水量由式（1）計算：

表1 試驗設(shè)計Table 1 Design of experiment

式中，SW為貯水量（mm）；θ為土壤質(zhì)量含水量（%）；ρ為土壤容重（g·cm-3），試驗田土壤取值1.3 g·cm-3；H為土層深度（cm）。

1.3.2 葉面積指數(shù) 采用 LAI-2000植物冠層儀測定。

1.3.3 冬小麥耗水量與水分利用效率 采用農(nóng)田水量平衡法計算冬小麥生育期耗水量即麥田蒸散量ET。研究區(qū)域地下水埋藏較深，其上移補給可忽略不計；同時試驗田地勢平坦，小區(qū)間有壟相隔，無地表徑流產(chǎn)生；以5 m深度計，降水及灌水均難以形成滲漏損失。因此耗水量采用式（2）計算：

式中，ET為計算時段耗水量（mm）；P為同時段降水量（mm）；I為同時段灌溉量（mm）；ΔSW為計算時段 5 m土層土壤貯水量初始值與期末值之差（mm）。

水分利用效率（WUE）由式（3）計算：

式中，WUE為作物水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為作物籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）；ET為全生育期耗水量（mm）。產(chǎn)量及產(chǎn)量組成測定按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[17]進行。其他氣象資料由試驗站布設(shè)的氣象觀測場提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2013、Spss 19.0等軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 不同水分處理對冬小麥葉面積指數(shù)（LAI）的影響

葉面積指數(shù)（LAI）是作物蒸騰耗水以及產(chǎn)量形成過程中的重要參數(shù)[18-19]。圖2是不同處理冬小麥全生育期平均LAI與產(chǎn)量結(jié)果。平均LAI的計算方法為擬合LAI與生育天數(shù)之間的曲線關(guān)系式后，采用積分運算求得曲線與生育天數(shù)圍成的面積從而獲取平均LAI。LAI與產(chǎn)量（Y）間有很好的關(guān)系，由過原點的直線模擬，Y= 3448LAI，決定系數(shù) R2為 0.96，達極顯著水平。

冬小麥葉面積指數(shù)的變化大致可以分為兩個階段，從出苗到越冬期，LAI緩慢增長，進而在一個較低水平上相對穩(wěn)定；小麥返青后，葉面積指數(shù)快速增加，于抽穗期前后達到最高，而后隨著葉片的泛黃枯萎迅速減小。圖3為本試驗各處理的LAI動態(tài)圖，可以看到冬小麥進入返青期后， LAI開始迅速增加，不同供水水平下各處理LAI變化的動態(tài)相似，但峰值與均值有別。

2.2 冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率對播前底墑和生育期灌溉的響應(yīng)

2.2.1 冬小麥水分消耗、產(chǎn)量及WUE對播前底墑的響應(yīng) 已有研究表明，試驗區(qū)域冬小麥90%根系在0—200 cm范圍內(nèi)[20-21], 按2 m深度計算土壤底墑如表2所示。隨著播前底墑的提高，冬小麥生育期內(nèi)總耗水量、土壤耗水量及其占比均不斷增大，WT1、WT2、WT3處理總耗水量較CK分別增加了24.1%、48.9%、82.3%；土壤耗水增加82.5%、167.5%、281.9%。 產(chǎn)量較CK分別提高28.4%、51.4%、69.3%，在產(chǎn)量組成中有效穗數(shù)與穗粒數(shù)均隨底墑的提高而增加，千粒重基本不變。

圖2 不同處理下冬小麥葉面積指數(shù)與產(chǎn)量表現(xiàn)Fig. 2 LAI and grain yield of winter wheat in different treatments

圖3 不同處理下冬小麥返青后LAI動態(tài)變化Fig. 3 LAI changes of winter wheat in different treatments after regreening stage

無補充灌溉條件下，冬小麥耗水量、產(chǎn)量均受到播前底墑的顯著影響。冬小麥全生育期耗水量隨著播前底墑的增加而增加。WUE則表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，WT1 處理的 WUE 較高為 11.22 kg·hm-2·mm-1。

產(chǎn)量與播前2 m土層底墑存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，生育期雨養(yǎng)條件下每公頃農(nóng)田2 m土層底墑每增加1 mm，產(chǎn)量可提高11.9 kg。本試驗所有無灌溉處理中以WT3的產(chǎn)量表現(xiàn)最高，為5 388 kg·hm-2，該處理2 m土層播前底墑為543.8 mm（達田間持水量的93.4%），說明在黃土塬區(qū)氣候條件下充足的播前底墑是旱作冬小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

表2 各處理冬小麥水分消耗、產(chǎn)量、WUE與產(chǎn)量組成Table 2 Water consumption, yield, WUE and yield components of winter wheat in different treatments

2.2.2 生育期補充灌溉對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量組成和WUE的影響 WT2、WT4、WT5、WT6四組處理播前底墑基本一致（表2）。WT4、WT5、WT6分別在拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期灌溉 40 mm，產(chǎn)量較WT2均有所提高，其中拔節(jié)期和孕穗期灌溉產(chǎn)量提升達到顯著水平，而在灌漿期灌溉并不顯著，表明冬小麥補充灌溉在時期選擇上不宜太遲。拔節(jié)、孕穗期灌溉處理的WUE對比WT2有所增加，灌漿期灌溉則使 WUE降低，但均未達到顯著水平；說明在底墑達到500 mm時，灌溉時期對冬小麥WUE影響不明顯。

WT7、WT8兩組處理在高底墑下進行多次灌溉，以檢驗比較持續(xù)的充分供水條件下冬小麥的產(chǎn)量效應(yīng)。兩組處理有效穗數(shù)顯著高于其他處理，穗粒數(shù)也處于較高水平，雖然千粒重有一定程度的降低，但產(chǎn)量顯著高于其他處理，達到試驗中的最高水平。WT3、WT7、WT8處理在小麥拔節(jié)期未灌水之前2 m土層含水量為17.0%、16.6%、17.2%，均超過田間持水量的70%，顯示充足的播前底墑可以使小麥在播種至拔節(jié)期都能得到較為充分的水分供應(yīng)。而在灌漿期 WT3處理2 m土層含水量為13.2%，WT7、WT8則由于補充灌溉分別為16.3%、17.3%，未進行補灌的WT3處理在灌漿期及其后受到較重的水分脅迫，產(chǎn)量受到一定影響。

WT8處理較WT7多消耗147.6 mm水量，產(chǎn)量卻較WT7略有降低，但無顯著差異，居同一水平。WT7處理的WUE顯著高于WT8，表明WT8存在水資源的浪費。因此黃土塬區(qū)冬小麥生產(chǎn)應(yīng)首先設(shè)法提升播前底墑水平，在拔節(jié)前期適度供水以形成合理的群體結(jié)構(gòu)，孕穗期適度供水使冬小麥灌漿在良好的水分條件下進行，從而獲得較高產(chǎn)量。在較高的播前底墑以及與降水分布相協(xié)調(diào)的合理灌溉定額下，冬小麥可由低于持續(xù)充分供水條件下的耗水量而獲得高產(chǎn)，增產(chǎn)與節(jié)水得到同步實現(xiàn)。

處于雨養(yǎng)條件下的WT3處理播前底墑較WT2、WT4、WT5和WT6處理高約40 mm，產(chǎn)量較WT2提升顯著，增加了568 kg·hm-2，增幅達11.8%，與不同生育期通過等量補灌使總的供水量居同一水平的WT4、WT5和WT6相比，產(chǎn)量有增加但不顯著，說明通過提高播前底墑與增加等量的生育期灌溉得到的增產(chǎn)效果在統(tǒng)計意義上具有一致性。

2.3 冬小麥產(chǎn)量、WUE與水分消耗的關(guān)系

有關(guān)作物全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)的研究有很多報道[22-25]，通過分析作物產(chǎn)量與水分利用效率變化過程，以尋求有效的管理方式使水資源得到充分利用。圖 4為本試驗所有處理冬小麥產(chǎn)量Y與總耗水量ET的數(shù)據(jù)點，采用Logistic曲線擬合。

把未灌水處理與灌水處理分開進行分析，其Y-ET關(guān)系都表現(xiàn)為線性趨勢。未灌水處理生育期除降水外無額外水分投入，與灌水處理相比其耗水量與產(chǎn)量總體上要小一些，但Y-ET趨勢線較之于灌溉處理者，其斜率卻要大一些，說明在此情況下，增加單位水分消耗的產(chǎn)出效率較高，而在補充灌溉的處理中，增加單位水分投入的效率降低。

圖4 冬小麥耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率之間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between ET, grain yield and water use efficiency of winter wheat

全部處理的Y-ET關(guān)系曲線表現(xiàn)為隨ET增加先快速后緩慢的上升趨勢，在水分條件較差時，隨著耗水量的增加冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)較為明顯；隨著水分投入的不斷增大，水分對小麥生長的制約作用逐漸減弱，單位耗水量的增產(chǎn)效應(yīng)不斷下降。當(dāng)總耗水量在300、400、500和600 mm時，每公頃增加單位毫米水分消耗分別可增產(chǎn) 15.36、11.71、6.18和2.67 kg，表明邊際水分利用效率[24]持續(xù)降低。根據(jù)Y-ET關(guān)系繪制WUE-ET曲線，如圖4示，可以看到WUE-ET曲線分為明顯上升，趨于穩(wěn)定以及逐漸下降3個階段，當(dāng)冬小麥總耗水量處于 402 mm左右時，WUE 達到最大 11.60 kg?hm-2?mm-1；當(dāng)耗水量超過402 mm后，WUE隨著耗水量的增加逐漸減小。

圖5為本試驗數(shù)據(jù)及康紹忠等[26]與房全孝等[27]的試驗數(shù)據(jù)各自做標(biāo)準(zhǔn)化計算后的結(jié)果，2條線分別是本試驗結(jié)果的擬合線與所有數(shù)據(jù)的擬合線。與康紹忠及房全孝的試驗數(shù)據(jù)相比，本試驗中各處理相對產(chǎn)量高于0.5，更低的產(chǎn)量需要進一步的水分脅迫才能實現(xiàn)，在水分脅迫各階段均有足量試驗的基礎(chǔ)上，可得到更具普遍意義的Logistic模型。一般情況下，水分、養(yǎng)分等資源投入于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都會有報酬遞減的現(xiàn)象，通過水分生產(chǎn)函數(shù)，分析邊際水分利用效率，尋找供水水平、水分消耗與產(chǎn)量之間的最佳結(jié)合點，在獲得較高產(chǎn)量的同時，又有較高的水分利用效率，可使水資源投入的產(chǎn)出效率達到最佳。這對于在有限的水資源條件下，緩解地區(qū)缺水、保證糧食安全具有重要的意義。

圖5 冬小麥相對產(chǎn)量與相對耗水量關(guān)系Fig. 5 Relationship between relative yield and relative ET of winter wheat

標(biāo)準(zhǔn)化計算：

式（4）、（5）中Y、ET為同一來源數(shù)據(jù)中的產(chǎn)量與耗水量；Ymax、ETmax-y為其最大產(chǎn)量與相應(yīng)的耗水量；RY、RET即為相對產(chǎn)量與相對耗水量。

圖6是總供水水平（water supply，即WS）與耗水量（ET）的關(guān)系圖，二者間存在顯著的線性關(guān)系，表明在試驗條件下耗水量隨著供水量的增加而線性增加。這里總供水量是指生育期降水量、補充灌溉量與2 m土層底墑貯水量之和。當(dāng)處理不同，但總供水量相同時，其耗水量在統(tǒng)計上也是相同的。由圖4給出的產(chǎn)量與耗水量的擬合曲線知，其產(chǎn)量在統(tǒng)計上也是相同的。這與前面對不同時段增加等量供水，包括播前底墑或生育期補灌，在總供水水平相同時，增產(chǎn)效果基本一致的結(jié)論相同。

圖6 冬小麥農(nóng)田供水水平與耗水量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between water supply and water consumption in the winter wheat field

3 討論

播前底墑顯著影響小麥產(chǎn)量這一結(jié)論已有共識[6,28-35]。本研究通過設(shè)定不同的底墑水平，以播種前2 m土層土壤儲水量為底墑進行分析表明，播前底墑影響冬小麥對土壤水分的利用程度，隨著播前底墑的提高，冬小麥總耗水量、土壤耗水量不斷增大，對降水依賴減小。在黃土旱塬地區(qū)，雨養(yǎng)條件下冬小麥產(chǎn)量與底墑呈現(xiàn)線性關(guān)系，播前底墑每增加 1 mm，冬小麥產(chǎn)量可提高11.9 kg?hm-2，試驗中最高底墑已達到田間持水量的98%。充足的播前底墑保證冬小麥良好的出苗狀況并促進其分蘗，最終提升成熟期單位面積有效穗數(shù)，產(chǎn)量得到提高。已有研究中[6,35-36]底墑對WUE的影響多與小麥品種、氮肥、磷肥等因素的效應(yīng)一起進行討論。本研究在其他條件一致的前提下，設(shè)定系列底墑水平，表明隨著播前底墑不斷提高，旱作冬小麥WUE表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢。播前底墑對產(chǎn)量的影響說明了研究區(qū)域做好夏閑期蓄水保水的重要性。各類抑制土表蒸發(fā)的覆蓋措施在保蓄雨水方面發(fā)揮了重要作用，目前生產(chǎn)實踐中應(yīng)用到的覆蓋措施包括秸稈覆蓋與薄膜覆蓋等。

較為充分的持續(xù)供水的 WT7處理產(chǎn)量為 6 120 kg?hm-2，相同底墑水平但未施行生育期補灌的 WT3處理產(chǎn)量為5 388 kg?hm-2, 相當(dāng)于前者的88.0%。WT3的底墑是夏閑期通過覆蓋措施達到的中上土壤含水量水平，在試驗條件下，WT8所實現(xiàn)的底墑水平更高，2 m土層貯水量為571.6 mm，如果不作生育期補充灌溉，依據(jù)圖4和圖6可推算出其產(chǎn)量為5 502.3 kg?hm-2, 相當(dāng)于WT7處理的89.9%，亦即表明試驗?zāi)攴菰谧龊孟拈e期蓄水保墑的條件下，黃土塬區(qū)旱作冬小麥產(chǎn)量可達到充分供水情況下能夠取得產(chǎn)量的88%—90%。

合理的補充灌溉時期是實現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障[37-43]。關(guān)于冬小麥最佳補充灌溉時期的研究已有很多，最佳灌溉時期自播種期至灌漿期均有報道，如王朝輝等[44]研究發(fā)現(xiàn)分蘗、拔節(jié)和灌漿期是小麥需水關(guān)鍵期，在拔節(jié)期補充灌溉小麥對氮、磷、鉀的吸收量增加幅度最大；崔世明等[39]研究表明灌底墑水和拔節(jié)中期水是兼顧小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的最佳方式。本研究結(jié)果顯示增加等量供水，由播前底墑提供或由生育期灌溉得到，在總供水量相同時，其增產(chǎn)效果基本一致。小麥拔節(jié)期和孕穗期對水分的需求強度較大，應(yīng)保證水分供給。對比播前底墑充足的3個處理的冬小麥產(chǎn)量、LAI以及各生育階段的土壤水分狀況，充足的底墑在冬小麥拔節(jié)期前可以持續(xù)發(fā)揮充足的水分供給作用，其后隨著小麥對水分的不斷消耗，加之降雨補充不能及時跟進，底墑已不能完全保證冬小麥生長的水分需求，冬小麥植株發(fā)育及產(chǎn)量形成受到一定的影響。本試驗顯示在底墑充分的前提下進行拔節(jié)、孕穗期補充灌溉可獲得高產(chǎn)（WT7），表明充足的播前底墑加上與降水分布相配合的適度灌溉可使冬小麥產(chǎn)量與WUE同時得到顯著提高。

關(guān)于作物全生育期產(chǎn)量-水分關(guān)系已有大量的研究報道[22,24,26-27,45]，作物產(chǎn)量與耗水量間的關(guān)系大都采用直線型或二次拋物線型曲線進行研究，在水分較差時，兩者表現(xiàn)為直線關(guān)系；在水分條件良好時表現(xiàn)為二次拋物線關(guān)系。在二次拋物線中隨著耗水量的增加，產(chǎn)量會出現(xiàn)下降趨勢，但產(chǎn)量下降的原因與顯著性，以及相應(yīng)的 ET測算的可靠性仍是問題。本試驗中著力顯示的是水分脅迫差別對冬小麥生長的影響，在其他脅迫的影響一致或者不凸顯時，當(dāng)產(chǎn)量達到最高水平后，再加大水分供應(yīng)，隨著耗水量的繼續(xù)增加，產(chǎn)量保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)達到顯著水平的升降差別。冬小麥產(chǎn)量（Y）與全生育期耗水量（ET）表現(xiàn)為Logistic曲線關(guān)系，呈現(xiàn)出先快速后緩慢的上升趨勢，在水分狀況較差時，增加麥田水分投入的增產(chǎn)效應(yīng)較為明顯，而當(dāng)水分條件較好時，水分投入的邊際效率降低。WUE則隨著冬小麥水分消耗的增加表現(xiàn)為先快速上升、相對穩(wěn)定和逐漸下降3個階段，且先于產(chǎn)量達到其最高值。已有研究表明，關(guān)于作物產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系，通過邊界線的方法表現(xiàn)為隨 ET先線性增加而后呈平臺穩(wěn)定的特征[46]。Logistic曲線可由單一函數(shù)較好地體現(xiàn)這一特點。圖4中，Y-ET擬合線以與ET軸平行的直線 Y=6 232.4（kg?hm-2）為漸近線，便具有平臺效果。

4 結(jié)論

黃土塬區(qū)播前底墑顯著影響冬小麥產(chǎn)量、耗水量和WUE，充足的底墑對旱作高產(chǎn)具有決定性作用。隨著底墑的提升，小麥產(chǎn)量呈線性增加，本試驗中每公頃農(nóng)田2 m土層播前底墑每增加1 mm，冬小麥產(chǎn)量可提高11.9kg。夏閑期地表覆蓋是增加土壤貯水的有效途徑，由此在試驗?zāi)攴葸_到了充分供水條件下能夠取得產(chǎn)量的88%—90%。

增加等量供水，由播前底墑提供或由生育期補充灌溉給予，在總供水量相同時，其增加冬小麥產(chǎn)量的效果基本一致，但補灌時期不宜太遲。旱作環(huán)境下若有一定補充灌溉條件，應(yīng)設(shè)法保證冬小麥高需水階段包括拔節(jié)與孕穗期的水分供給，如此產(chǎn)量與 WUE都可達到較高水平，增產(chǎn)與節(jié)水目標(biāo)得以同時實現(xiàn)。

冬小麥產(chǎn)量-耗水量關(guān)系采用Logistic曲線進行擬合，隨著耗水量增加產(chǎn)量的變化速率由快而慢，邊際水分利用效率逐漸降低，WUE表現(xiàn)為先升后降的下凹型曲線，WUE的最大值先于產(chǎn)量而實現(xiàn)。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Grain Yield and WUE Responses to Different Soil Water Storage Before Sowing and Water Supplies During Growing Period for Winter Wheat in the Loess Tableland

LI Chao1, LIU WenZhao1,2, LIN Wen2, HAN XiaoYang2, ZHOU Ling1, WANG YaPing1
(1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling 712100 ,Shaanxi;2Institute of Soil and Water Conservation, CAS & MWR, Yangling 712100, Shaanxi)

2017-02-13；接受日期：2017-05-11

國家自然科學(xué)基金（41571036）、國家公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201506001）、國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFC0501602）

聯(lián)系方式：李超，E-mail：915902219@qq.com。通信作者劉文兆，E-mail：wzliu@ms.iswc.ac.cn