灌溉策略對冬小麥水分利用和生長的影響

郭曉磊，薛緒掌，趙 倩，張 馨，李友麗，陳 菲，王志敏

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

華北地區(qū)作為我國冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，具有良好的光、熱條件，但水資源短缺嚴(yán)重，限制了該地區(qū)冬小麥種植的進(jìn)一步發(fā)展[1]。受季風(fēng)氣候影響，華北地區(qū)在冬小麥生育期間降水較少[2]，人為灌溉補水是保證冬小麥高產(chǎn)的重要措施。但現(xiàn)行灌溉方式水分利用效率較低，僅40%左右[1]，水資源浪費嚴(yán)重。為保障冬小麥產(chǎn)量，需進(jìn)一步提高有限水資源下的水分利用效率，探索節(jié)水高效的灌溉方式。

冬小麥全生育期可分為冬前、冬季和春后生長3個階段[3]，耗水呈雙峰曲線規(guī)律[4]，其中拔節(jié)至開花期既是冬小麥耗水的主要時期，又是冬小麥需水的生理生態(tài)臨界期[5]，此時期水分供給對冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響最大[6]。有研究表明，以灌溉量增加為基礎(chǔ)的增產(chǎn)途徑會提高冬小麥的耗水量，不利于水分利用效率的提高[7]，許多學(xué)者針對不同灌溉方式、灌水量、灌水時期等對冬小麥水分利用效率的影響進(jìn)行了大量的試驗研究[6,8-10]，提出了不同生態(tài)環(huán)境下相對高效的灌溉方式。土壤水分環(huán)境會影響作物的生長發(fā)育，而不同的灌溉方式會對土壤水環(huán)境產(chǎn)生較大影響，低速率小范圍的灌溉有利于土壤環(huán)境中水分的均勻分布和作物生長[11-13]。同時有研究指出，即使在干旱地區(qū)，深層土壤水分仍未被植物充分利用[14]，植株根系在深層土壤中分布不足限制了植株對深層有效水的充分吸收[15]。

以往的研究側(cè)重于通過調(diào)整灌溉量和灌溉時期來提高水分利用效率，在灌溉速率對作物水分利用的影響方面研究相對較少。本試驗在總灌溉量相同的前提下，研究了冬小麥在不同灌溉策略下對土壤水的主要利用層次、水分蒸散特征以及植株生長動態(tài)和產(chǎn)量，探究低速率灌溉策略的可行性，為冬小麥節(jié)水增產(chǎn)提供新視角。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年10月-2017年6月在北京市昌平區(qū)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地內(nèi)進(jìn)行，該地區(qū)位于東經(jīng)116.39°，北緯40.17°，海拔50 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均總降水量500～600 mm，年均溫11.1 ℃。試驗場地中建有24套蒸滲儀(1 m×0.75 m)系統(tǒng)，深2 m，每個蒸滲儀內(nèi)裝大田原狀土壤，同時配置有美國進(jìn)口的杠桿式稱重系統(tǒng)和重量傳感器，配合利用北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每隔5 min自動測定和記錄土體重量變化，靈敏度在0.05～0.1 mm之間。試驗區(qū)配備氣象站，實時記錄太陽輻射強度、空氣溫濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年10月9日播種，2017年6月1日收獲，供試品種為中麥1062。播前澆足底墑水，有機肥一次性基施，尿素45 g·m-2，磷酸氫二銨45 g·m-2，硫酸鉀30 g·m-2，硫酸鋅1.5 g·m-2。每蒸滲儀小區(qū)有效種植面積0.75 m2(1 m×0.75 m)，每小區(qū)人工點播5行，行間距15 cm，穴距2 cm，每穴2粒，間距1 cm，播深4 cm。無越冬水，無降雨阻隔措施，春季不追肥，常規(guī)栽培管理。參考傳統(tǒng)節(jié)水灌溉水量，2017年4月12日灌拔節(jié)水(75 mm)，2017年5月5日灌開花水(75 mm)，設(shè)置相同灌溉量下3個不同灌溉速率的水分處理：單次參比蒸散30%灌溉(W1)；單次參比蒸散60%灌溉(W2)；大水漫灌(W3)。每個處理三次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。

1.3 試驗系統(tǒng)簡介

試驗采用北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計的基于彭曼公式的自動控制系統(tǒng)，包括氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)計算決策系統(tǒng)和控制策略實現(xiàn)方法，其工作原理是每10 min采集和分析氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行灌溉啟動時間和灌溉量的智能決策。具體過程：(1)通過采集10 min的氣象數(shù)據(jù)(光輻照度、風(fēng)速、溫度和濕度)預(yù)算單日潛在蒸散Etp1(mm·d-1)，計算得到10 min 的Etp2(mm·10 min-1)；(2)Etp2(mm·10 min-1)每10 min進(jìn)行一次累計得到參比蒸散Etp3(mm)；(3)W1在Etp3(mm)大于3.0(mm)時啟動灌溉，且單次灌溉量為Etp3(mm)的30%，即W1處理為單次參比蒸散30%灌溉處理(拔節(jié)水+開花水)；W2處理在Etp3(mm)大于1.5(mm)時啟動灌溉，且單次灌溉量為Etp3(mm)的60%，即W2處理為單次參比蒸散60%灌溉處理(拔節(jié)水+開花水)。此決策下W1和W2處理單次灌溉量基本一致，保證滴灌帶出水均勻，但灌溉啟動時間不同，單日灌溉次數(shù)不同，以此控制不同處理在總灌溉量相同的情況下不同的灌溉天數(shù)，即灌溉速率不同。

λ=0.251-0.002361AirTAvg

△=0.200(0.00738AirTAvg+0.8072)7-0.000116

ed=RHAvg×es

式中，G為地面熱通量密度(MJ·m-2·d-1)，取0。

1.4 測定指標(biāo)與方法

株高的測量：每個小區(qū)在起身期選取長勢基本一致的3棵植株定株，并在拔節(jié)期(4月14日)、孕穗期(4月25日)、開花期(5月3日)和灌漿期(5月16日)，測其地上部株高，取平均值。

旗葉SPAD值的測量：采用便攜式葉綠素儀，分別在拔節(jié)期(最上部展開葉)、孕穗期、開花期和灌漿期測定株植株旗葉的SPAD值。

實際蒸散Eta：稱重式蒸滲儀自動連續(xù)記錄各個小區(qū)土體重量變化。試驗期間，通過在每個蒸滲儀上增減鉛塊的方法，得到關(guān)于重量-電壓(kg-mV)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，最終計算出冬小麥實際耗水量：

Eta=(AΔV+B)/S

式中，Eta為小麥實際蒸散(mm·d-1)，A、B為常數(shù)，ΔV為一天內(nèi)電壓的變化值(mV)，S為每個蒸滲儀小區(qū)面積(m2)。

土壤含水量的測量：每個蒸滲儀小區(qū)中間設(shè)置有一個深2 m的PVC管，內(nèi)徑5.4 cm，使用Diviner 2000進(jìn)行測量，拔節(jié)水處理后各小區(qū)每天17：00-18:00測量一次。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成測定：成熟期，收獲每個小區(qū)，測其穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

根據(jù)每個小區(qū)全生育期耗水量和籽粒產(chǎn)量計算水分利用效率WUE：

WUE=Y×103/ET

Y為籽粒產(chǎn)量(kg·m-2)，ET為實際耗水量(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft office 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，SAS進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉策略處理下土壤含水量的變化

2.1.1 拔節(jié)水處理后100 cm土層含水量的變化

拔節(jié)水灌溉期間不同灌溉策略對100 cm土層水分含量變化的影響不同(表1)。從4月12日灌拔節(jié)水開始，低速率灌溉(W1和W2)處理的表土層(0～40 cm)水分含量下降程度顯著小于大水漫灌(W3)處理(P<0.05)，而深土層(70～100 cm)含水量下降程度均大于W3處理。因此，低速率灌溉策略改變了冬小麥植株對土壤水分的利用層次，促進(jìn)根系生長，提高逆境耐性。

2.1.2 開花水處理后100 cm土層含水量的變化

從5月5日灌開花水開始，在5月20日前(5月21-5月22降雨)，W1和W2處理的表土層(0～30 cm)水分含量變化較小，而W3處理的0～20 cm土層含水量下降明顯(P<0.05)。3種處理下70～100 cm土層含水量均下降，但W1和W2處理的下降程度大于W3處理。因此，低速率灌溉處理到灌漿期一直維持表層土壤水分穩(wěn)定，增強植株根系對深層土壤水分的吸收。

表1 拔節(jié)水灌溉期間不同處理土壤水分含量的變化Table 1 Change of soil moisture under different treatments during jointing stage g·10 cm-1

同列數(shù)值后字母不同表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

The different letters following the values in same column mean significant difference among treatments at 0.05 level. The same below.

表2 開花水灌溉期期間不同處理土壤水分含量的變化Table 2 Change of soil moisture under different treatments during flowering stage g·10 cm-1

2.2 不同灌溉策略下冬小麥的蒸散特征

整體來看，不同處理下冬小麥蒸散速率的變化規(guī)律一致，存在單日蒸散高峰，與單日氣象變化相關(guān)(圖1、圖2)。拔節(jié)水灌溉測定期間， W3處理的日蒸散量最大值可達(dá)13.20 mm·d-1，而W1和W2處理的日蒸散量最大值相對較小，分別為10.58和10.82 mm·d-1。同時，W1處理的蒸散速率高峰值全部低于1.2 mm·h-1，其中66.7%的測定值低于1.0 mm·h-1；W2處理的蒸散速率高峰值全部低于1.5 mm·h-1，其中44.4%的測定值低于1.2 mm·h-1；W3處理的蒸散速率高峰值集中在1.2～2.0 mm·h-1，61.1%的測定值超過1.5 mm·h-1。開花水灌溉測定期間，W3處理的日蒸散量最大值仍然相對最高，達(dá)到15.10 mm·d-1；W1和W2處理的日蒸散量最大值相對較小，分別為9.10和10.57 mm·d-1。此外，W1處理的蒸散速率高峰值全部低于1.5 mm·h-1，其中67.7%的測定值低于1.0 mm·h-1；W2處理的蒸散速率高峰值中有45.2%低于1.0 mm·h-1，其余分布在1.0～1.9 mm·h-1之間；W3處理的蒸散速率高峰值除一天外均在1.0 mm·h-1以上，其中一半的測定值超過1.5 mm·h-1。以上分析表明，較低的灌溉速率能夠降低單日蒸散的高峰值，從而減少中午時段無效或低效的水分消耗，留存更多的水分供給植株的有效生長，提高水分利用效率。

圖1 拔節(jié)水灌溉期間冬小麥每小時蒸散量(ET)的變化Fig.1 Variation of evapotranspiration per hour(ET) under different treatments during jointing irrigation

圖2 開花水灌溉期間冬小麥每小時蒸散量(ET)的變化Fig.2 Variation of evapotranspiration per hour(ET) under different treatments during flowering irrigation

2.3 不同灌溉策略下冬小麥的生長動態(tài)

2.3.1 不同灌溉策略下冬小麥株高的變化

不同灌溉策略下，冬小麥株高的變化表現(xiàn)出一定的差異(表3)。在拔節(jié)水灌溉處理前期即4月8日到4月21日，W1、W2和W3處理下株高的增加幅度相差不大，分別增加了19.80、19.07和 17.98 cm，到拔節(jié)后期，W1處理的株高最大，但三種處理間無顯著差異；從拔節(jié)后期到灌漿期，W1、W2和W3處理下株高分別增加了18.22、13.96和9.39 cm，到灌漿期W1處理的株高最大，而W3處理最小，且W1和W3處理間存在顯著差異(P<0.05)。由此可知，一次性大水漫灌后較長的無灌溉期會影響冬小麥的生長，而低速率持續(xù)灌溉則有助于冬小麥株高的形成。

表3 不同灌溉處理下冬小麥株高的變化Table 3 Change of height of wheat under different irrigation treatments cm

2.3.2 不同灌溉策略下冬小麥葉片SPAD值的變化

不同灌溉策略下小麥旗葉(最上部展開葉)SPAD值隨生育時期的變化有所不同(圖3)。W1和W2處理的變化趨勢相似，隨植株生育進(jìn)程，SPAD值持續(xù)升高并較長時間維持在較高水平，有利于植株高光合效率的維持和產(chǎn)量形成；W3處理在測定期間波動明顯，開花水灌溉前有一次明顯的下降，開花水灌溉后有所回升，之后在灌漿期再次表現(xiàn)出提早下降的趨勢。

2.4 不同灌溉策略對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率的影響

不同灌溉策略處理對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率有明顯的影響(W1處理測產(chǎn)出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)未顯示)(表4)。不同處理間基本苗、穗數(shù)無顯著差異；W2處理的穗粒數(shù)高于W3處理，但差異不顯著；W2處理的千粒重較高，但與W3處理無明顯差異；W2處理的產(chǎn)量較高，耗水量達(dá)572.99 mm，W3處理的產(chǎn)量較低，耗水量比W2處理多25.70 mm，W2處理的水分利用效率較W3處理提高0.43 kg·m-3。這表明在灌溉總量一致的條件下，降低灌溉速率有利于冬小麥穗粒數(shù)、千粒重的提高，從而增加產(chǎn)量，同時降低耗水量，使得水分利用效率提高。

表4 不同灌溉速率處理下冬小麥的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率Table 4 Yield,yield components and water use efficiency of winter wheat under different irrigation treatments

同列數(shù)值后*表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

* following the value in a column means significant difference among the treatments at 0.05 level.

3 討 論

低速率灌溉策略可以改變冬小麥植株根系對土壤水利用的層次。在拔節(jié)水灌溉期間，大水漫灌處理主要利用表層土壤水，可能因為一次性大水漫灌使即時水量充足，滿足作物短期的需水要求，不利于植株根系的下扎；而低速率灌溉處理降低了供水速率，表層土壤水不足，促進(jìn)了植株根系下扎。到開花水灌溉期間，W3處理下部分小區(qū)深層土壤水含量甚至有所升高，可能因為大水漫灌處理下未被表層根系及時利用的水分發(fā)生了滲漏，同時無深層根系對其吸收再利用，產(chǎn)生了無效耗水；而W1和W2處理下植株進(jìn)一步增加對深層土壤水的利用，在雨季來臨前創(chuàng)造豐富的地下蓄水空間，利用華北地區(qū)夏秋季大量的雨水補充深層地下水，為下一季作物種植創(chuàng)造良好的水分環(huán)境。

拔節(jié)水處理后，冬小麥日耗水量變化在不同灌溉策略下都會出現(xiàn)相應(yīng)的波峰[4]，但低速率灌溉處理因單次灌溉量較小，日蒸散波峰相應(yīng)較低，減少了奢侈耗水，與灌溉量越大、蒸散量越大、波峰越高的研究結(jié)果相呼應(yīng)[6,16]。同時，植株葉片在中午時段為適應(yīng)氣象環(huán)境高溫強光低濕的變化，氣孔導(dǎo)度相應(yīng)下降[17-18]，不利于植株進(jìn)行光合作用和物質(zhì)合成，而低速率灌溉策略通過降低此時段的無效耗水，提高了水分利用效率。

株高是水分對作物形態(tài)產(chǎn)生影響的重要指標(biāo)之一，拔節(jié)水對株高的影響最為突出[19]。在拔節(jié)水灌溉處理前期，不同灌溉策略下冬小麥株高的變化無明顯差異，可能因為W3處理一次性灌溉水分充足，滿足短時間內(nèi)植株對水分的需求，而雖然低速率灌溉的單次灌溉量較低，但都可以滿足該階段植株生長對水分的基本需求，未出現(xiàn)水分虧缺；直到拔節(jié)水灌溉后期，三種處理下株高的增加程度開始出現(xiàn)差異，W3處理下株高隨時間的后移增加程度愈小，可能因為W3處理后期水分不足，影響了冬小麥的營養(yǎng)生長；而W1處理下株高則保持相對穩(wěn)定的增加幅度，可能與W1處理在測定期間一直維持緩慢而穩(wěn)定的灌水，從而保證了植株生長所需的水分供應(yīng)有關(guān)。另外，水分短缺也會導(dǎo)致葉片葉綠素含量的下降[20]，缺水嚴(yán)重時會加快葉綠素的分解[21]，因此低速率灌溉處理下植株旗葉保持相對較高且穩(wěn)定的SPAD值；而大水漫灌的W3處理下，拔節(jié)水灌溉過程結(jié)束較早，與開花水開始灌溉的間隔較長，作物發(fā)生水分虧缺，導(dǎo)致葉片SPAD值下降，影響產(chǎn)量。

因不同處理間基本苗存在的差異主要影響了穗數(shù)(不顯著)，本研究所以側(cè)重分析產(chǎn)量構(gòu)成要素中的穗粒數(shù)和千粒重。單次參比蒸散60%灌溉處理(W2)的穗粒數(shù)較大水漫灌處理(W3)提高7.25%，千粒重提高3.93%，對產(chǎn)量的進(jìn)一步提高存在較大的貢獻(xiàn)潛力。綜合來看，低速率灌溉策略延長了供水時間，均勻化冬小麥春后生長階段的水分供應(yīng)，避免或減輕葉綠素在冬小麥籽粒灌漿期的損傷，提高穗粒數(shù)和千粒重，增加產(chǎn)量。