水分調(diào)控對冬小麥的農(nóng)藝性狀和水分利用效率的影響分析

薛婷婷，馬娟娟，孫西歡,2，郭向紅，蓋志遠(yuǎn)

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引 言

我國水資源十分匱乏，農(nóng)業(yè)用水的利用率較低，可通過改變灌水方法來提高農(nóng)業(yè)水資源利用率使我國水資源短缺的問題得到一定程度的緩解。華北地區(qū)全年降雨主要集中在6-8月份，在冬小麥生長耗水量較大的拔節(jié)至灌漿期，降雨量較少，為保證冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，制定科學(xué)合理的灌水方案就顯得至關(guān)重要[1,2]。影響冬小麥產(chǎn)量的因子諸多，其中水分脅迫為限制其產(chǎn)量增長的關(guān)鍵因素[3,4]，前人關(guān)于冬小麥節(jié)水灌溉的研究主要集中在地面灌溉，通過分析不同的灌溉制度找到最佳灌水方案[5-7]。冬小麥在常規(guī)的地面灌溉下，部分的灌溉水被用于土壤蒸發(fā)，這種情況下冬小麥的灌溉水利用率較低，僅為30%～40%。為減小用于土壤蒸發(fā)而消耗的水量，提高冬小麥的灌溉水利用率，需要找尋新的節(jié)水灌溉方法。考慮到隨著冬小麥的生長其計劃濕潤層發(fā)生變化，所以結(jié)合土層含水量對冬小麥進(jìn)行深層灌溉可作為一種新的灌溉模式進(jìn)行深入研究。

小麥根系的生長與土層的含水率變化密切相關(guān)，衡量小麥耐旱性的標(biāo)準(zhǔn)之一就是小麥根系部分的深度[8]。王兵等[9]的研究表明，在灌水量一定的情況下，與地面灌溉相比深層灌溉更有利于作物根系的下扎，可更有效的利用深層土壤的水分，提高作物的抗旱能力。苗果園等[10]研究表明作物的深層土壤水分利用率對產(chǎn)量和需水量有顯著影響，在作物需水量一定的情況下，通過調(diào)節(jié)灌水時期、灌水深度，促進(jìn)冬小麥對深層土體水分的吸收利用，提高水分利用效率[11]。

本試驗通過比較分析不同灌水深度下冬小麥的各生育期內(nèi)的耗水特性、根區(qū)土壤含水率的情況、根系生長狀況、植株形態(tài)以及最終產(chǎn)量等指標(biāo)，尋找最佳的灌溉深度，為節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在山西省運城市水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實訓(xùn)基地進(jìn)行。運城屬于暖大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度為9.2～13.3 ℃，≥10 ℃的有效積溫年平均值為4 675 ℃，全年無霜期大致為190～240 d左右，多年平均降雨量為559.3 mm。播種前在地表施加基肥并對地表以下0～30 cm的耕作層土壤進(jìn)行翻耕，測得耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，全磷含量0.769 g/kg，全鉀含量19.43 g/kg，有效氮含量62.90 g/kg，有效磷含量45.79 mg/kg，有效鉀含量206.5 mg/kg。0～300 cm土壤的基本物理參數(shù)見表1。

表1 土壤的基本物理參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用外徑20 cm(內(nèi)徑18.6 cm)長300 cm的PVC管作為小麥的種植容器，在部分PVC土柱中布設(shè)用于測定土壤含水率的PVC管(采用TDR技術(shù)測定土壤含水率)，灌溉水源為地下水，通過人工自制的塑料灌水器進(jìn)行灌溉，PVC土柱的灌水器布置圖如圖1所示。試驗品種為國審麥良星99號，小麥于2017年10月7日播種，2018年5月28日收獲，整個生育期為230 d左右。每根土柱三葉期定苗至12株(按大田種植密度計算得到)。隨著冬小麥的生長其計劃濕潤層發(fā)生變化，本試驗在各個灌水時期前將土柱取出使用卷尺測量該時期的最大根深來確定計劃濕潤層深度，并結(jié)合各土層含水量進(jìn)行深層灌水，試驗以灌水深度為控制因子，共設(shè)置5個處理(見表2)，每個處理在冬小麥的各個生育期內(nèi)分別設(shè)置3個重復(fù)，每個土柱的單次灌水總量根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉方式的灌水定額進(jìn)行折算得出為1 723 mL(無含水率管)、1 833 mL(有含水率管)。試驗共進(jìn)行5次灌水，分別為越冬、返青、拔節(jié)、抽穗和灌漿水，其中越冬水均為地面灌溉，其余4次灌水為深層灌溉，具體灌水時間及灌水孔深見表3，每一土層的灌水量的計算公式如下，將總灌水量從下到上依次根據(jù)計算所得的各土層的灌水量進(jìn)行分配。

表2 試驗的各個處理

表3 各生育期不同處理的灌水時間和灌水深度

圖1 PVC土柱的灌水器布置示意圖

M=10γH(θi-θj)

(1)

式中：M為該土層的灌水量，mm；H為計劃濕潤層的厚度，cm；γ為計劃濕潤層的土壤容重；θi為目標(biāo)含水量(田持的85%)；θk為灌溉之前的土壤含水量，%。

整個試驗過程對試驗田進(jìn)行遮雨處理，其他管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硐嗤?/p>

1.3 試驗測定項目與方法

(1)株高、葉面積指數(shù)、根冠比及產(chǎn)量的測定。取土柱前用卷尺分別隨機(jī)量取各處理所對應(yīng)植株的株高、葉長(L)、葉寬(W)值，以及每個土柱的總?cè)~數(shù)，計算其葉面積指數(shù)(LAI)，公式如下，

(2)

式中：ρ種為冬小麥土柱中的種植密度；m為所測定的株數(shù)；n為第i株所對的總?cè)~片數(shù)，

將取得的作物的地下和地上部分分別烘干稱重，計算出各處理下冬小麥各生育期內(nèi)的根冠比。冬小麥成熟收割后，測量每柱的生物量、單柱穗數(shù)、單穗粒數(shù)、千粒重、柱產(chǎn)量等指標(biāo)。

(2)土柱含水率的測定及水分利用效率的計算。試驗采用DIVINER2000便攜式土壤水分測定儀(與烘干法對比進(jìn)行數(shù)據(jù)修正)檢測土壤含水率。使用該方法測定含水率時，每周測定一次，有降雨時要進(jìn)行加測。

水分利用效率的計算公式為[12]：

WUE=Y/ETa

(3)

IWUE=Y/I

(4)

式中:WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm);Y為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2;ETα為小麥生育期耗水量，mm;IWUE為灌溉水利用率，kg/(hm2·mm);I為灌水量，mm。

(3)統(tǒng)計分析。使用 Office軟件對已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，使用SPSSS 21軟件對其進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對冬小麥各生育期內(nèi)株高及葉面積指數(shù)的影響

不同處理下冬小麥各個生育期的株高值見表4，由表4可知，在不同灌水處理下，冬小麥整個生育期內(nèi)的株高值均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。冬小麥在拔節(jié)-抽穗期均主要進(jìn)行營養(yǎng)生長，株高的增長速度較快；在抽穗期后，冬小麥由主要的營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為生殖生長，小麥的葉片莖稈部分出現(xiàn)輕微程度的衰老，其中T5冬小麥株高下降最為明顯。綜合分析，在各個灌水處理下冬小麥的株高值均表現(xiàn)為深層灌溉大于地面灌溉，且差異顯著，表明相較于地面灌溉而言深層灌水更有利于株高的增長，但各深層灌溉處理間的株高值差異較小。

表4 不同處理下冬小麥各生育期的株高值

不同處理下冬小麥各個生育期的葉面積指數(shù)見表5，由表5可知，在不同灌水處理下，冬小麥整個生育期內(nèi)的葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到最大值，這與黃潔[13]對冬小麥進(jìn)行不同深度灌水的試驗結(jié)果相吻合。在冬小麥的各個生育期，深層灌水處理下的葉面積指數(shù)均大于地面灌溉下的葉面積指數(shù)。在越冬-返青期，深層灌溉下冬小麥的葉面積指數(shù)與地面灌溉下的相比增長幅度較??；在拔節(jié)期后隨著灌水深度的增加其增長幅度提高，且差異顯著，表明深層灌水有利于冬小麥葉面積指數(shù)的增長和促進(jìn)葉片的生長。

表5 不同處理下冬小麥各生育期的葉面積指數(shù)

2.2 不同灌水處理對冬小麥各個生育期內(nèi)根冠比的影響

不同處理下冬小麥各個生育期內(nèi)的根冠比見表6，由表6可知同一灌水處理下，根冠比隨著植株的生長先增大后減小，因為生育前期是冬小麥根系生長的主要階段,根系干重占總干物質(zhì)的比例最大，到返青期，植株根冠比達(dá)到最大，反映出了冬小麥“先長根后長苗”的特點；拔節(jié)期后冬小麥的生長由營養(yǎng)生長逐漸向生殖生長轉(zhuǎn)移，植株地上部分迅速生長,生長重心偏向于地上，起身以后,盡管根系與地上部均迅速生長,但地上部的生長漸占優(yōu)勢，根冠比減??；拔節(jié)到抽穗期，各處理的根冠比大小關(guān)系為T1>T2>T3>T4>T5，說明深層灌水有利于地上部分干物質(zhì)的積累，且灌水深度越大越有利于地上部分的生長；在成熟期，各處理的根冠比大小關(guān)系為T4>T3>T2>T1>T5(P<0.01)，上述分析表明T4處理下的根冠比最大，是由于隨著生育期的推后，在地上部分生物量趨于不變時，T4深度的灌水有效抑制了根系衰老的速度，使得根干重相對其他處理較大，導(dǎo)致根冠比最大。

表6 不同灌水深度下冬小麥各個生育期內(nèi)的根冠比

通過調(diào)節(jié)冬小麥的地上和地下部分的生長關(guān)系來影響其根冠比的大小，合理的根冠比能更好地促進(jìn)作物對較深層土壤水分的利用，緩解在生育期后期由于地表干旱缺水而對作物正常生長和最終產(chǎn)量產(chǎn)生的影響。

2.3 不同灌水處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

不同灌水深度下冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成見表7，由表7可知，在不同處理下，小麥的單柱穗粒數(shù)的差異較小，但千粒重、單柱穗數(shù)、每柱生物量和每柱產(chǎn)量的差異明顯，單柱穗數(shù)隨灌水深度的增加而增加，但T5與T4處理的單穗粒數(shù)沒有差異。單穗粒數(shù)、千粒重和每柱的生物量隨灌水深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與地面灌溉(T1)相比，其他處理的冬小麥產(chǎn)量都有所增加，但當(dāng)灌水深度過大時，上述各產(chǎn)量指標(biāo)出現(xiàn)下降現(xiàn)象，綜合來看，小麥的最佳的灌水深度為中深層，這種處理下使得冬小麥的產(chǎn)量和生物量達(dá)到最優(yōu)。

表7 不同灌水深度下冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成

2.4 不同灌水處理對冬小麥水分利用效率的影響

不同灌水深度下冬小麥的水分利用效率見表8，每個處理的總灌水量相等，冬小麥各處理下的水分利用效率和灌溉水利用率隨著灌溉深度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，均在T4處理下達(dá)到最大。與地面灌溉相比，深層灌溉的水分利用效率和灌溉水利用率的增量顯著。

表8 不同處理下冬小麥的水分利用效率

3 結(jié) 語

通過分析冬小麥的地下、地上部分的生長情況、產(chǎn)量、水分利用效率等，表明在不同灌水深度處理下：

(1)冬小麥的株高和葉面積指數(shù)隨著灌水深度的增加不斷增大，表明深層灌水有利于其株高和葉片的生長；

(2)通過調(diào)節(jié)冬小麥的地上與地下部分的關(guān)系，得到合理的根冠比，能更好的促使作物根系部分利用較深層的土壤水分，提高作物的抗旱能力；

(3)各深層灌水與地面灌溉相比，在產(chǎn)量上均有一定程度的提高，且隨著灌水深度的增加呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，在T4處理下產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)；

(4)在總灌水量一定的前提下，深層灌水有效提高冬小麥的水分利用效率，但過大的灌水深度反而會降低其水分利用率，在T4處理下水分利用效率達(dá)到最大。

綜上所述，對冬小麥進(jìn)行水分調(diào)控，以灌水深度為根系分布的75%的處理(T4)下表現(xiàn)效果最好，達(dá)到了節(jié)水高產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)目的。