微噴灌不同供水條件對石羊河春小麥耗水和產(chǎn)量的影響

趙 祥，李援農(nóng)，方 恒，陳朋朋，申勝龍，谷曉博

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點試驗室，陜西 楊凌 712100)

石羊河流域地處西北干旱、半干旱地區(qū)，氣候干旱少雨，年平均降雨量不到170 mm，且降水存在時間差異，無法保證作物需水要求，因此水資源短缺是制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展最主要的因素[1]。春小麥是該地區(qū)的主要糧食作物之一，灌水方式主要以畦灌為主，水分利用效率低，水資源浪費嚴重。如何在提高作物產(chǎn)量的同時又能充分利用灌溉水量，從而提高灌溉效益，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥，已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的緊迫任務。

研究表明，小麥植株水分狀況的動態(tài)變化直接或間接影響其營養(yǎng)吸收、光合生產(chǎn)及物質轉運和代謝，從而決定最終產(chǎn)量[2]，且小麥籽粒產(chǎn)量隨土壤含水量的增加而增加[3,4]。但Xue等[5]研究發(fā)現(xiàn)，灌水量超過一定范圍不僅對提高籽粒產(chǎn)量無益，還會降低水分利用效率。另外，研究表明灌水頻率過大和過小都不利于小麥的生長，只有采用合適的灌水間隔才能使作物產(chǎn)量最大[6]。因此，降低農(nóng)田灌溉水量、選取合適的灌水次數(shù)、提高水分利用效率是實現(xiàn)作物節(jié)水高產(chǎn)種植的有效途徑。

微噴帶灌溉是一種微灌方式，利用微噴帶[7]將水均勻地噴灑在田間，所用設備相對簡單、廉價、易于收放[8,9]。與畦灌相比，微噴帶灌溉可減少灌水量67.5～75.0 mm，降低表層土壤容重，抑制土壤水分下滲，具有節(jié)水和灌溉均勻等特點[10]。目前，關于河西地區(qū)通過微噴帶進行春小麥灌溉的研究甚少。本研究在微噴灌模式下設多種灌溉定額和灌水次數(shù)處理，研究春小麥的耗水量、耗水強度、葉面積指數(shù)、水分利用效率以及產(chǎn)量，從而確定一種高效合理的灌水組合，以期為河西走廊地區(qū)春小麥節(jié)水高產(chǎn)種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年3-8月在甘肅省武威市中國農(nóng)業(yè)大學石羊河試驗站(N37°52′，E102°50′)進行。該區(qū)海拔1 581 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫8 ℃，年積溫3 550 ℃，多年平均降水量164.4 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm左右，干旱指數(shù)為15～25，年均日照時數(shù)3 000 h，無霜期150 d。地下水埋深40～50 m，0～90 cm深度土壤平均容重1.50 g/cm3，平均田間持水量28%(體積含水量)。0～30 cm表層土壤平均全氮含量為0.038%，全磷含量為0.058%，全鉀含量為1.56%，速效磷含量為16.887 mg/kg，速效鉀含量為147.842 mg/kg，有機質含量為0.753%，水溶性總鹽含量為0.0194%。站內設有縣級氣象站，按照國家氣象局的《地面氣象觀測規(guī)范》進行氣溫、濕度、降水、日照、水面蒸發(fā)、風速、氣壓和地溫的觀測，并設有自動氣象站自動記錄氣溫、相對濕度、太陽輻射和風速。本次試驗，小麥整個生育期內共降雨16次，其中有效降雨4次，累計有效降雨量36.2 mm。

1.2 試驗設計

試驗方案(見表1)采用裂區(qū)試驗設計，灌溉定額為主區(qū)，灌水次數(shù)為副區(qū)。小區(qū)面積24 m2(4.8 m×5.0 m)，四周設保護行，寬度為2 m。試驗采用微噴灌灌水方式。灌溉定額設置300、350、400 mm 3個水平，記為M300、M350、M400。在每個灌溉定額下又設置3個不同的灌溉次數(shù)為5、7、9 次，記為N5、N7、N9，共9個處理。不同處理的施肥量相同[氮肥(N) 160 kg/hm2，磷肥(P2O5) 60 kg/hm2，鉀肥(K2O) 176 kg/hm2]。采用隨機區(qū)組試驗設計，每個處理重復3次，試驗共設27個小區(qū)。

1.3 灌水、施肥控制措施

每個小區(qū)配備一個閘閥，一個施肥罐和一個水表，以保證每個小區(qū)單獨灌水、施肥的要求。微噴帶垂直于小麥種植方向布置，2個微噴帶之間的間距為1.6 m。微噴帶采用甘肅大禹節(jié)水股份有限公司生產(chǎn)的帶寬40 mm、并列斜5孔、孔徑0.8 mm、噴射仰角45°～70°的黑色PE微噴帶。磷肥20%作為底肥一次施入，剩余80%和氮鉀全部通過微噴灌水肥一體化技術噴施。除去底肥，整個生育期內施肥2次，分別安排5月4日和6月3日，所有處理統(tǒng)一灌水并施肥，所有處理施肥量一致。

表1 試驗中的9個處理

1.4 農(nóng)藝措施

供試小麥品種為“永良四號“春小麥。3月25日施基肥(重過磷酸鈣27.3 kg/hm2，P2O5≥44.0%)、整地。3月27日播種，采用機械條播方式，播種量為525 kg/hm2，行距15 cm，每個小區(qū)種植32行。4月7日出苗，拔節(jié)期和開花期各追肥一次，追肥量分別為尿素(總N≥46.4%)172.4 kg/hm2，重過磷酸鈣(P2O5≥44.0%)54.5 kg/hm2，硫酸鉀(K2O≥52%)169.2 kg/hm2。其他管理同當?shù)卮筇铩?/p>

1.5 測定項目與方法

1.5.1 土壤水分監(jiān)測及作物耗水與水分利用效率計算

(1)土壤含水率測定。每個生育期末在滴管帶下和2滴管帶中間分別取土(取土深度為100 cm，間隔20 cm)，用烘干法測定不同處理的土壤含水率。

(2)作物耗水量計算。作物耗水量用水量平衡法計算，依據(jù)相臨2次土壤水分的測定結果，計算該時段內作物蒸騰蒸發(fā)量。計算公式[11]如下：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；γi為第i層土壤干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段初的含水率(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時段末的含水率(干土重的百分率)；I為時段內的灌水量，mm；P為時段內的降水量，mm；K為時段內的地下水補給量，mm，因試驗區(qū)地下水位在20 m以下，可以忽略地下水的補給量，故K=0；C為時段內的深層滲漏量，mm，因試驗期間灌水計劃濕潤層深度遠小于100 cm，且生育期內降水量較小，故可忽略此項，即C=0。

(3)水分利用效率(WUE)的計算[12]如下：

WUE=作物籽粒產(chǎn)量/ET

(2)

1.5.2 小麥葉面積指數(shù)的測定

分別于小麥分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期，在每個小區(qū)選取有代表性的小麥植株10株，用LI-3000C葉面積儀(美國LI-Cor公司)測定葉面積，取其均值計算葉面積指數(shù)。

1.5.3 測 產(chǎn)

每個小區(qū)收獲1 m2小麥，隨機取20株小麥，用直尺測量小麥穗長，計數(shù)有效穗數(shù)。人工脫粒，風干后測定千粒重和籽粒產(chǎn)量。

1.5.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS l8.0統(tǒng)計軟件進行處理，用F檢驗法分析各處理之間差異的顯著性，用最小顯著極差法(LSR法)進行多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水組合對土壤水分分布的影響

圖1為整個生育期內不同灌水處理春小麥田間土壤沿深度方向水分分布情況。由圖1分析知，田間各層的土壤含水率大體上都隨著灌溉定額的增加而增加。M400處理的平均含水率最高為18.8%，M350次之為16%，M300最低為13.1%。在同一水平的灌溉定額下不同灌水次數(shù)所對應的各層含水率呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在0～40 cm耕層，N9的平均含水率最高為14.6%，N7為13.6%，N5最低為13.1%。在40～100 cm土層卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，隨著灌溉次數(shù)的增加各層的土壤含水率均下降，N9處理最低為17.1%，然后是N7為17.9%，最高的是N5為18.4%。

圖1 不同灌水處理生育期內麥田的平均土壤含水率

通常高頻灌溉有利于形成易于植物根系吸收的土壤水分條件，提高水分利用效率，增加作物產(chǎn)量[13,11]，但灌水間隔過大或過小均不利用作物生長，會造成相對不利的水分條件和鹽分條件，導致作物生長受到脅迫而減產(chǎn)。N9相當于少量多次的灌溉方式，可維持0～40 cm土層含水率處于較高的水平。但由于灌水定額低沒有足夠的水分下滲到深耕層，導致在40～100 mm深的土層含水率普遍低于N7和N5處理。王淑芬[14]等認為小麥分蘗-拔節(jié)期表層土壤根長密度最大，隨著土層加深，根長密度呈指數(shù)下降。在小麥生長的中后期，隨著作物生長重心不斷向生殖生長轉移，下層根系比例明顯增加。因此在M300處理下，前期小麥根系生長較淺，高頻灌溉尚可滿足小麥需水要求，隨著生育期的推移，小麥根系逐漸延伸至深層土壤，但由于深層土壤水分的匱乏無法滿足小麥生殖生長所需，高頻灌溉會造成一定程度的減產(chǎn)。劉坤[15]等認為少量多次雖然促進中下層根系發(fā)育但后期灌水不足，會影響灌漿，降低千粒重，最終導致減產(chǎn)。N5相當于少次多量的灌溉方式，單次灌水量較大，一定程度上可以保證40～100 mm土層有足夠的水分供給，但由于灌水間隔較大，不能保證0～40 cm土層有持續(xù)的水分供給，表層土壤含水率普遍低于N9和N7，因此無法提供小麥前期營養(yǎng)生長階段適宜的土壤水分條件，進而對產(chǎn)量造成一定的影響。

2.2 不同灌水組合對春小麥耗水的影響

表2為不同灌水處理春小麥各生育階段的耗水情況。由表2分析知，在當?shù)氐乩砗蜌夂颦h(huán)境下，微噴灌春小麥生育期內蒸發(fā)蒸騰量基本變化趨勢為：分蘗期-拔節(jié)期>抽穗期>灌漿期-成熟期>苗期，即小麥在營養(yǎng)生長階段蒸發(fā)蒸騰量大于生殖生長階段。耗水強度基本變化趨勢為：抽穗期>分蘗期-拔節(jié)期>灌漿期-成熟期>苗期。經(jīng)方差分析知不同灌溉定額處理之間小麥的耗水差異顯著。除苗期外(苗期沒有灌水)不同灌水處理各個生育期以及整個生育期的耗水量大體上均隨著灌溉定額的增加而增加，M400處理的耗水最多平均為459 mm，M350的耗水為409 mm，M300的耗水最少為358 mm。在同一灌溉定額水平下不同灌水次數(shù)所對應的總耗水量沒有顯著規(guī)律，N9、N7、N5處理的平均耗水量分別為406、409和411 mm。

表2 不同灌水處理春小麥各生育階段的耗水情況

3組不同灌溉定額的處理均呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，說明不同生育期的耗水量和灌溉定額成正相關，灌水次數(shù)對耗水量的影響不大，這與前人的研究結果一致[12]。

2.3 不同灌水組合對小麥葉面積的影響

圖2為不同灌水處理下小麥的葉面積系數(shù)在整個生育期內的變化情況。對于各灌溉定額處理，不同灌水次數(shù)之間的葉面積指數(shù)差異很大，并呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，多次灌水更有利于葉面積指數(shù)的增加。冉輝、李寧[16,17]等發(fā)現(xiàn)高頻灌溉更有利于葉面積指數(shù)的增加。本研究中，M350N9的葉面積指數(shù)為3.63，在所有灌水組合中最大，分別比M350N7和M350N5提高了9.7%和15.8%。相同灌水次數(shù)下不同灌溉定額下，M350的葉面積指數(shù)最大，為3.36，M350N9的葉面積指數(shù)比M300N9和M400N9提高了25.2%和1.4%。而M400處理生育前期的葉面積指數(shù)普遍高于M300和M350，在抽穗期達到最大，灌漿期迅速下降，并且在生育末期明顯低于M350(P<0.05)。說明灌水量過大會導致葉面積的降低。

圖2 不同灌水組合小麥的葉面積指數(shù)

灌水次數(shù)和灌水量過大會使小麥前期生長過旺，群體過大，田間提前郁蔽，下部葉片因受光不足而提前衰老，導致后期葉面積迅速下降，會影響籽粒的發(fā)育和灌漿，進而導致產(chǎn)量的降低[18]。本研究并沒有出現(xiàn)由于灌水次數(shù)過大而導致葉面積指數(shù)降低的情況，可能是因為試驗設置的灌水次數(shù)偏少，沒有達到對小麥葉面積的生長產(chǎn)生抑制作用的灌水次數(shù)。

2.4 不同灌水組合對春小麥產(chǎn)量構成及水分利用效率的影響

產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的核心目標，幾乎所有的生產(chǎn)技術及水肥田間管理措施都是以提高產(chǎn)量為目的，因此，產(chǎn)量是衡量灌溉水分調控效果的一項重要指標。表3為不同灌水處理下小麥的產(chǎn)量構成和水分利用效率。

表3 不同灌水組合小麥的產(chǎn)量構成和水分利用效率

2.4.1 不同灌水組合對小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表3可知，不同的灌水組合間的產(chǎn)量構成差異顯著(P<0.05)。相同灌溉次數(shù)不同灌溉定額下，M350處理的產(chǎn)量最高，為7 657 kg/hm2，分別較M400和M300增產(chǎn)2.5%和22.2%。M350N9的產(chǎn)量在所有處理中最高為7 943 kg/hm2，分別比M300N9和M400N9增產(chǎn)了22.7%和5.3%。M350N9的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均高于M300N9和M400N9，其中單位面積小穗數(shù)差異顯著，分別提高了12.3%和3.9%。相同灌溉定額不同灌水次數(shù)下，N9的產(chǎn)量最高為7 319 kg/hm2。M350N9處理的產(chǎn)量分別比 M350N7和 M350N5提高了1.6%和10.2%，N9的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)也普遍高于N7和N5，N9的平均單位面積穗數(shù)為753 個/m2，高于N7和N5的732和643 個/m2。本研究表明，隨著灌水量的增加小麥的產(chǎn)量沒有持續(xù)增大，而是先增大后減小，在M350灌水水平時達到最大。石巖[19]等研究認為耗水量與產(chǎn)量呈拋物線關系，即隨灌水量增加，產(chǎn)量增加，但當灌水量到一定程度后，產(chǎn)量下降或保持平穩(wěn)。M300的產(chǎn)量普遍低于其他處理，該處理整個生育期的灌水量太少，無法滿足小麥正常生長所需，尤其是生育前期灌水少導致單位面積穗數(shù)下降，產(chǎn)量下降。M400為本次試驗灌水最多的處理，但是相較于M350，穗粒數(shù)出現(xiàn)了明顯的下滑，從而影響了產(chǎn)量。灌水過多尤其是前期灌水過多，容易引起小麥群體過大，嚴重影響穗粒數(shù)和粒重的提高，導致產(chǎn)量下降；后期灌水較多雖有利于千粒重的提高，但由于穗數(shù)的不足而導致產(chǎn)量下降[20]。灌水次數(shù)的增加也顯著提高了小麥產(chǎn)量，在一定的范圍內，通過增加灌溉頻率可以有效地提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而增加小麥產(chǎn)量[21]。

2.4.2 灌溉定額對WUE的影響

水分利用效率的變化趨勢基本和產(chǎn)量一致。M350N9處理的水分利用效率為1.96 kg/m3，為所有處理中最高。處理 M350的平均水分利用效率最大為1.87 kg/m3，M300平均水分利用效率為1.75 kg/m3， M400最小為1.63 kg/m3，M350的處理水分利用效率分別比M300和M400處理提高了6.8%和14.7%。M400平均產(chǎn)量雖然高于M300，但是由于灌水量的增大，最終導致水分利用效率低于M300。同一灌溉定額下隨著灌溉次數(shù)的增加，水分利用效率的變化規(guī)律和產(chǎn)量相同，N9比N7和N5分別提高了1.7%和9%。說明灌水量對水分利用效率的大小起到了決定性的作用，灌溉定額的增加在一定的范圍內可以提高小麥的水分利用效率，但超過某一特定值后產(chǎn)量的增速放緩，甚至下降，從而導致水分利用效率的下降。

3 結 論

(1)微噴灌條件下，灌溉定額不變的情況下，適當?shù)卦黾庸嗨螖?shù)可以有效地提高小麥的LAI、產(chǎn)量和水分利用效率，N9的水分利用效率比N7和N5分別提高了1.7%和9%。

(2)微噴灌條件下，相同的灌水次數(shù)下，隨著灌溉定額的加大，小麥的產(chǎn)量和LAI先增加后減小。灌水量過多，導致前期葉片群體過大，田間提前郁蔽，生殖生長階段下部葉片因受光不足而提前衰老，葉面積迅速下降，會影響籽粒的發(fā)育和灌漿，產(chǎn)量下降。

(3)綜合考慮灌水量、耗水量、LAI、產(chǎn)量4個因素，在本試驗條件下，全生育期內總灌水量為350 mm和灌水9次的處理M350N9的灌水組合最優(yōu)，產(chǎn)量和水分利用效率最大為7 943 kg/hm2和1.96 kg/m3。

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