雷 媛,劉戰(zhàn)東,張偉強(qiáng),黃 超,段愛旺,婁 和,劉祖貴
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng)453002;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院,北京100081;3.河南省科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究所,鄭州450003;4.河南威盛電器有限公司,河南 新鄉(xiāng)450001)
【研究意義】20 世紀(jì)60年代以來,黃淮海地區(qū)出現(xiàn)了氣溫升高、降水減少的氣候演變趨勢(shì),水資源短缺已成為制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的主要原因[1-2],但該地區(qū)灌溉水有效利用率低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[3]。如何在保障作物高產(chǎn)的前提下大幅度減少農(nóng)業(yè)用水量,實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)與節(jié)水的協(xié)同,是緩解農(nóng)業(yè)用水短缺與糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)矛盾的關(guān)鍵[4]。
【研究進(jìn)展】冬小麥?zhǔn)侨A北地區(qū)主要糧食作物之一,灌溉是保障冬小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要農(nóng)田管理措施之一[5-6],對(duì)于提高冬小麥灌溉水利用效率尤其是優(yōu)化冬小麥灌溉控制指標(biāo)的研究,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的工作[6-10],主要包括適宜灌溉水量的確定[7-8]以及在生育期內(nèi)灌水量的合理分配[9-11]。李曉航等[12]發(fā)現(xiàn)在冬小麥的需水關(guān)鍵期(拔節(jié)期、開花期)將0~80 cm 土壤墑情保持在田間持水率的75%為較佳灌水處理;金修寬等[13]發(fā)現(xiàn)在冬小麥拔節(jié)期、開花期將0~40 cm 土層土壤質(zhì)量含水率保持在田間持水率的60%為冬小麥最優(yōu)的節(jié)水、高產(chǎn)組合。此類試驗(yàn)本質(zhì)上都可通過控制不同生育期計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和土壤含水率控制上、下限指標(biāo)來對(duì)土壤有效含水率(AWC)進(jìn)行調(diào)控[14-16]來實(shí)現(xiàn)。AWC是指土壤一定深度內(nèi)能夠貯藏并能被植物利用的水,灌溉的主要目的就是為了補(bǔ)充土壤中AWC被消耗掉的部分,在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用土壤作物根系層易被直接吸收的有效水量(RAW)來制定灌溉制度,RAW與土壤性質(zhì)、計(jì)劃濕潤(rùn)層深度以及植物發(fā)生水分脅迫之前能從根系層中消耗的水量占土壤總有效水量的比例相關(guān)[17-18],所以RAW值的大小要同時(shí)受到計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和選定的土壤含水率控制上下限的共同影響[19]。
【切入點(diǎn)】目前許多針對(duì)冬小麥灌溉制度的研究只是將土壤含水率控制下限作為研究對(duì)象,把計(jì)劃濕潤(rùn)層深度設(shè)為某一定值來開展研究,忽略了2 個(gè)因子交互作用對(duì)RAW的影響。因此對(duì)于適宜的土壤含水率控制下限及計(jì)劃濕潤(rùn)層深度組合需要進(jìn)一步探究。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過控制土壤含水率控制下限和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,使作物處于對(duì)應(yīng)的土壤水分條件下,研究其對(duì)冬小麥灌水次數(shù)、灌水定額和產(chǎn)量、水分利用效率等的影響,探究節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的灌溉控制指標(biāo)組合,為高效灌水技術(shù)推廣和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2018年10月—2019年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所七里營(yíng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于華北平原河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣七里營(yíng)鎮(zhèn)(東經(jīng)113°54′、北緯35°18′,海拔84 m),屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱地區(qū),年平均降水量582 mm,其中6—10月降水量占全年降水量的70%~80%;年平均氣溫14 ℃,年日照時(shí)間2 399 h,無霜期210 d,年潛在蒸散量2 000 mm。土壤類型為潮土,質(zhì)地為輕砂壤土,試驗(yàn)區(qū)土壤pH 值為8.8,地下水埋深大于5 m,在華北平原南部地區(qū)具有較好的代表性。生育期降水總量為92.5 mm。表1 為試驗(yàn)點(diǎn)土壤物理參數(shù),其中土壤粒徑采用BT-9300HT 型激光粒度分析儀測(cè)定,田間持水率采用田測(cè)法測(cè)定,凋萎系數(shù)采用高速離心法測(cè)定,土壤體積質(zhì)量和土壤飽和含水率通過環(huán)刀法測(cè)定。
試驗(yàn)設(shè)置計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和土壤含水率控制下限2 個(gè)因素,其中計(jì)劃濕潤(rùn)層深度因素設(shè)置60 cm(T60)、80 cm(T80)和100 cm(T100)3 個(gè)水平,土壤含水率控制下限因素設(shè)置為土壤有效含水率(AWC)的40%(L)、50%(M)、60%(H),采用雙因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),合計(jì)9 個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3 次(表2)。
表1 試驗(yàn)點(diǎn)土壤物理參數(shù)Table1 Soil physical parameters of the test site
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table2 Experimental design
每個(gè)處理小區(qū)面積為10 m×30 m=300 m2,處理間設(shè)置隔離帶2 m。采用微噴灌方式灌溉,當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度的平均土壤含水率下降至設(shè)定的土壤含水率控制下限時(shí),即開始實(shí)施灌溉,到計(jì)劃濕潤(rùn)層灌至田間持水率時(shí)停止,灌水量用水表計(jì)量。
研究對(duì)象為冬小麥,品種為周麥22,2018年10月15日播種,翌年6月7日收獲。播種量均為225 kg/hm2,種植行距為20 cm。播種前所有處理都基施緩控尿素300 kg/hm2,復(fù)合肥750 kg/hm2,其他時(shí)期不再施肥。在冬小麥全生育期中,各處理除設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素不同外,其他田間栽培管理措施均保持一致。
1.3.1 土壤含水率
土壤含水率采用“智墑”土壤水分原位監(jiān)測(cè)儀器(東方智感科技股份有限公司)測(cè)定。每隔10 cm布置探頭,監(jiān)測(cè)深度至土壤表層下100 cm ,時(shí)間間隔為1 h。
1.3.2 作物耗水量計(jì)算
冬小麥耗水量運(yùn)用水量平衡法計(jì)算:
式中:ETi為作物各生育階段耗水量(mm);ΔW時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量變化(mm);I為時(shí)段內(nèi)的灌水量(mm);G為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量(mm);P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量(mm);D為時(shí)段內(nèi)深層滲漏量(mm);R為地表徑流量(mm)。試驗(yàn)區(qū)域地下水的補(bǔ)給量可忽略不計(jì),觀測(cè)作物生育期內(nèi)降雨和灌水沒有形成明顯徑流,深層滲漏量依據(jù)D=M0+Hi-Mt來推算[20],M0、Hi、Mt分別為90~100 cm 土層在灌水或降雨前的初始體積含水量(mm)、灌水或降雨后水分增量(mm)及田間持水量(mm)。故式(1)可簡(jiǎn)化為:
1.3.3 籽粒產(chǎn)量
小麥成熟后,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取2 m2(1 m×2 m)為樣本,籽粒自然風(fēng)干后稱質(zhì)量。每處理重復(fù)3 次,換算成單位面積產(chǎn)量。
1.3.4 生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)查
從播種后第170 天開始,每隔10 d 觀測(cè)株高、葉面積、生物量等生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)。隨機(jī)取可代表整體趨勢(shì)的10 株樣本,利用精度為1 mm 刻度的直尺測(cè)量各處理株高(地上部分底部到頂端),冬小麥的葉面積指數(shù)采用冠層分析儀測(cè)量。
生物量每隔10 d 采樣1 次,取冬小麥地上部分殺青、烘干后稱質(zhì)量。小麥成熟后,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取2 m2(1 m×2 m)為測(cè)產(chǎn)樣本,籽粒自然風(fēng)干后稱質(zhì)量計(jì)產(chǎn)。每處理重復(fù)3 次,換算成單位面積產(chǎn)量
1.3.5 水分利用效率(Water Use Efficient,WUE)
水分利用效率利用計(jì)算式:
WUE=Y/ET
式中:WUE為水分利用效率(kg/(hm2·mm));籽粒產(chǎn)量(kg/hm2);ET為耗水量(mm)。
采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;利用OringinPro 2017 軟件進(jìn)行圖表的繪制;采用SPSS 25 計(jì)算各處理的統(tǒng)計(jì)特征值;利用Duncan’s 新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)(α=0.05)。
不同處理的灌水定額、灌水次數(shù)、灌水時(shí)間及灌水總量如圖1 所示。同一土壤含水率控制下限,灌水定額與計(jì)劃濕潤(rùn)層深度呈正比,T100 處理灌水定額比T80 處理增大了25.0%,T100 處理比T60 處理增大了66.7%;同一計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,灌水定額與土壤含水率控制下限呈反比,H 處理比M 處理的灌水定額減少了21.1%,H 處理比L 處理減少了37.5%。灌水定額越小,灌水次數(shù)越多,T60H 和T80H 處理的灌水次數(shù)最多為4 次??偣嗨渴芄嗨~和灌水次數(shù)共同影響,9 個(gè)處理間T80H 和T100L 處理總灌水量最大,為240 mm;T60L 處理總灌水量最小,為144 mm。
圖1 不同處理灌水定額、灌水次數(shù)及灌水總量Fig.1 Irrigation water quota,irrigation times and total amount of irrigation water of each treatments
各處理土壤含水率動(dòng)態(tài)變化情況如圖2 所示。生育后期有3 次大于15 mm 的降水。各處理由于灌水定額及灌水時(shí)間的差異,自播種130 d 之后土壤貯水量發(fā)生明顯差異(P<0.05)。播種137 d 后,T60H 處理率先到達(dá)其對(duì)應(yīng)的土壤含水率控制下限,對(duì)其補(bǔ)灌到對(duì)應(yīng)的灌水定額(45 mm)使土層60 cm 的平均土壤含水率到達(dá)田間持水率。T60L 處理和T100M 處理首次到達(dá)對(duì)應(yīng)的土壤含水率控制下限時(shí)已是播種后第171 天。各處理的灌水時(shí)間在播種后第200 天至220 天的次數(shù)占總灌水次數(shù)的比例高達(dá)52.0%。與圖1 灌水情況相對(duì)應(yīng),同一土壤含水率控制下限(40%~60%),計(jì)劃濕潤(rùn)層深度越深(60~100 cm),處理越遲抵達(dá)其對(duì)應(yīng)的土壤含水率控制下限,且對(duì)應(yīng)的灌水次數(shù)越少、灌水定額越大;同一計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(60~100 cm),其土壤含水率控制下限設(shè)置越高(40%~60%),灌水次數(shù)越多,灌水定額越小。此外,在冬小麥?zhǔn)斋@期,不同計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H 處理的土壤貯水量均最大,H處理較M處理土壤貯水量平均增大7.7%,較L 處理大15.0%。
圖2 不同處理間土壤含水率均值動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The mean value of soil water changed dynamically between different treatments
由圖3 可知,各處理葉面積指數(shù)(LAI)變化趨勢(shì)一致,呈先增大后減少的趨勢(shì),播種180 d 后進(jìn)入快速生長(zhǎng)期,播種220 d 后,植株生長(zhǎng)基本停止,葉片萎蔫,LAI值明顯降低。不同灌水處理對(duì)冬小麥LAI和株高產(chǎn)生一定影響,在播種后220 d 左右LAI達(dá)到最大,具體表現(xiàn)為T60 處理=T80 處理>T100 處理,H處理=M 處理>L 處理,其中T60 處理和T80 處理LAI值較T100 處理增大了8.3%~13.4%,H 處理和M 處理LAI值較L 處理增大了7.2%~8.3%。最終9 個(gè)處理中T80M 的LAI相對(duì)最大,最大值達(dá)到了5.34。各處理間株高變化趨勢(shì)一致,在播種210 d 之后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。
圖3 不同處理株高及葉面積指數(shù)變化Fig.3 The changes of plant height and leaf area index between different treatments
由表3 可知,不同處理間計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和土壤含水率控制下限交互作用會(huì)對(duì)冬小麥花前及花后的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累產(chǎn)生顯著影響(P<0.05),但計(jì)劃濕潤(rùn)層深度間和土壤含水率控制下限間差異不顯著(P>0.05)。9 個(gè)處理花前干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為T80H處理和T80M 處理最大,T60L 處理最小,最大值與最小值之前差異達(dá)到29.5%,花后干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為T80M 處理最大,達(dá)到了85 272.67 kg/hm2,其次為T80H處理,T60L處理最小,值為52 020.33 kg/hm2,最大和最小值之間的差異達(dá)到39.0%。因此,隨計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(60~100 cm)和土壤含水率控制下限(40%~60%)的增大,冬小麥花前及花后的干物質(zhì)累積量呈先增大后減小的趨勢(shì)。
表4 為不同處理下的冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成、耗水量及水分利用效率。由表4 可知,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和土壤含水率控制下限及其交互作用對(duì)于冬小麥穗數(shù)的影響不顯著(P>0.05),而對(duì)于穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率均有顯著影響(P<0.05)。
不同處理間穗粒數(shù)表現(xiàn)為H 處理>M 處理>L 處理,T80 處理>T100 處理>T60 處理,L 處理和M 處理的穗粒數(shù)較H 處理分別少5.9%、1.3%,T80 處理和T100 處理的穗粒數(shù)較T60 處理分別多1.8%、0.6%。T80H 處理和T100H 處理的穗粒數(shù)最多,T100L 處理和T60L 處理的穗粒數(shù)最少,其差異在6.9%~7.8%之間??梢姡寥篮士刂葡孪逓?0%時(shí),穗粒數(shù)相對(duì)較多,而計(jì)劃濕潤(rùn)層深度比土壤含水率控制下限對(duì)穗粒數(shù)的影響小。
表3 不同處理下冬小麥干物質(zhì)累積情況Table 3 Dry matter accumulation of winter wheat under different treatments kg/hm2
不同處理間千粒質(zhì)量表現(xiàn)為L(zhǎng) 處理>M 處理=H處理,T60 處理>T80 處理>T100 處理,L 處理和M處理較H 處理其千粒質(zhì)量分別增大了1.5%、0.1%,T80 處理和T100 處理較T60 處理千粒質(zhì)量分別減小了2.3%、2.6%。T60L 處理和T60M 處理的千粒質(zhì)量最大。故土壤含水率控制下限越高,千粒質(zhì)量呈增大的趨勢(shì),60 cm 的低計(jì)劃濕潤(rùn)層深度較80 cm 和100 cm 更有利于千粒質(zhì)量的增加。
不同水分處理間產(chǎn)量表現(xiàn)為H 處理>L 處理>M處理,T80 處理>T60 處理=T100 處理,L 處理和M處理產(chǎn)量較H 處理分別減少了12.7%、4.6%,T60 處理和T80 處理產(chǎn)量較T100 處理分別增大了1.3%、6.0%。T80H 處理產(chǎn)量最大,T100L 處理產(chǎn)量最小,最大值和最小值之間相差16.1%。土壤含水率控制下限越高,產(chǎn)量呈增加趨勢(shì);當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為80 cm時(shí)產(chǎn)量相對(duì)最高。而不同水分處理間耗水量表現(xiàn)為H處理>M 處理>L 處理,T80 處理>T100 處理>T60 處理。其中T100H 處理耗水量最大,比耗水量最小的T60L 處理耗水量增加13.9%。
表4 不同水分處理下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成、耗水量及水分利用效率Table 4 Yield composition,water consumption and water use efficiency of winter wheat under different treatments
最終,水分利用效率表現(xiàn)為H 處理=M 處理>L處理,T60 處理>T80 處理>T100 處理,T60H 處理的水分利用效率達(dá)到最大,為19.96 kg/(hm2·mm)。由此可見,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度越低(60~100 cm),土壤含水率控制下限越高(40%~60%),冬小麥水分利用效率呈增高的趨勢(shì)。
在本研究中,較小的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和較高的土壤含水率控制下限縮短了灌水間隔,減少了灌水定額,當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度較小時(shí),土壤水主要分布在表層,易于被蒸騰作用所消耗,因此表層及淺層土壤水能及時(shí)獲得補(bǔ)充[21-22],而灌水頻率越高,土壤含水率變異性也越高[23-24],在這2 個(gè)因子的共同作用下,土層水分交換頻繁。相關(guān)研究表明,增加灌水頻率將增加土壤表層水分濕潤(rùn)時(shí)間,增大土壤蒸發(fā)損失。但當(dāng)葉面積指數(shù)大于一定數(shù)值時(shí),土壤蒸發(fā)占蒸散比例顯著降低。因此,對(duì)于冬小麥限水灌溉下增加灌水頻率的時(shí)間應(yīng)在作物生長(zhǎng)的中后期[19]。在本研究中,整個(gè)生育期測(cè)墑補(bǔ)灌后不同處理之間的灌水差異也多集中在播種150 d 之后。
試驗(yàn)中各處理的灌水量同時(shí)受到土壤含水率控制下限與計(jì)劃濕潤(rùn)層深度的影響。例如,T80H 和T100L 處理總灌水量最大均為240 mm,但在試驗(yàn)中二處理的灌水情況又有所差異,T80H 處理的初次灌水時(shí)間為播種后第156 d,而T100L 處理的初次灌水時(shí)間為播種后190 d,T100L 處理的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度最大,土壤含水率控制下限最低,首次達(dá)到對(duì)應(yīng)的灌溉控制下限所需的時(shí)間也較長(zhǎng),可以通過該2 個(gè)灌溉控制指標(biāo)來控制初次灌水時(shí)間。且冬小麥在返青后初次灌水時(shí)間的早晚會(huì)對(duì)植株后期的生長(zhǎng)發(fā)育造成較大影響[22-23],李曉爽等[10]發(fā)現(xiàn)在冬小麥拔節(jié)后10~15 d 灌水,既能夠充分利用土壤蓄水,也有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率,劉志良等[22]發(fā)現(xiàn)在春灌一水條件下,適當(dāng)推遲灌拔節(jié)水有利于小麥產(chǎn)量的提高,其中4月5日灌水效果最好。在本研究中對(duì)應(yīng)T80H 處理的初次補(bǔ)灌時(shí)間,而最終T80H 處理的產(chǎn)量比T100L 處理大16.1%,這與前人研究結(jié)果[10,22-24]一致。
巨龍等[24]研究表明,隨著灌水量的增加,邊際土壤含水率先增大后減小,水分利用效率呈遞減趨勢(shì)。在本試驗(yàn)中,過度地提高計(jì)劃濕潤(rùn)層深度或者將土壤含水率控制下限設(shè)置過低均不利于冬小麥葉片的生長(zhǎng)發(fā)育,這可能是因?yàn)橛?jì)劃濕潤(rùn)層深度較深或土壤含水率控制下限過低會(huì)導(dǎo)致冬小麥根系附近的土壤較長(zhǎng)時(shí)間處于含水量較低的狀態(tài),水分過多集中到了深層土壤[25-26]。本研究中花前花后的干物質(zhì)累積量與灌溉定額整體上呈正相關(guān)關(guān)系,傅曉藝等[27]發(fā)現(xiàn)灌溉次數(shù)越多,灌水總量越大,冬小麥生物產(chǎn)量越高,這與本研究結(jié)果一致。
本試驗(yàn)表明,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度越淺(60~100 cm)、土壤含水率控制下限越高(40%~60%)的處理使得水分利用效率相對(duì)最大,這可能是由于在這種灌溉策略下,灌水時(shí)間與冬小麥需水規(guī)律相契合,且水分主要集中在冬小麥主要根系分布區(qū),深層滲漏量較少,更易于被冬小麥吸收利用[28-29]。另外,當(dāng)主要根系分布層土壤水分達(dá)到閾值時(shí),能及時(shí)獲得補(bǔ)充,避免了因水分虧缺而導(dǎo)致的減產(chǎn)[30-31]。因此,在本試驗(yàn)條件下,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度越淺、土壤含水率控制下限越高,其水分利用效率越高。
1)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(60~100 cm)過高或土壤含水率控制下限(40%~60%)過低,均會(huì)抑制LAI的增長(zhǎng)。隨計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(60~100 cm)和土壤含水率控制下限(40%~60%)的增大,冬小麥花前及花后的干物質(zhì)累積量呈先增大后減小的趨勢(shì)。
2)土壤含水率控制下限(40%~60%)越高,產(chǎn)量及耗水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì);當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為80 cm時(shí)產(chǎn)量最高,耗水量也最高;而計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(60~100 cm)越低,土壤含水率控制下限(40%~60%)越高,冬小麥水分利用效率呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。
3)在本試驗(yàn)條件下,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為60 cm、土壤含水率控制下限為土壤有效含水率的60%時(shí),節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)效果相對(duì)最優(yōu)。