灌溉制度和品種對(duì)冬小麥產(chǎn)量性狀和水分利用效率的影響

付佳祥，黨紅凱，李曉爽，柴春嶺，高惠嫣，王曉玲，劉宏權(quán)

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所，河北 衡水 053000；3.衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000）

0 引 言

華北地區(qū)用僅占全國(guó)6%的水資源支撐了占全國(guó)18%的耕地并生產(chǎn)出占全國(guó)23%的糧食［1］，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)國(guó)家糧食的生產(chǎn)具有很大的貢獻(xiàn)，但長(zhǎng)期灌溉造成了華北平原地下水資源的嚴(yán)重虧損，地下水位持續(xù)下降，由于多年來(lái)的持續(xù)地下水超采，遼闊的華北平原已經(jīng)成為世界上最大的“漏斗區(qū)”［2，3］。冬小麥生長(zhǎng)期正處于華北平原降水較少的干旱季節(jié)，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)依賴于灌溉，是華北平原地下水超采的主導(dǎo)因素之一［4］。因此在水資源有限的情況下提高水分利用效率WUE是當(dāng)務(wù)之急，特別是在生態(tài)系統(tǒng)脆弱，缺水嚴(yán)重的干旱和半干旱地區(qū)［5］。Sushil Thapa 等［6］提出供水和分配是半干旱地區(qū)小麥產(chǎn)量的主要限制因素。馮魁等［7］人得出適當(dāng)增加灌溉次數(shù)可以提高冬小麥的產(chǎn)量，楊永輝等［8］指出隨著灌水量的增加，小麥的水分利用效率均先增加后降低，而生物量和千粒質(zhì)量均增加。Meng Zhang等［9］提出冬小麥的水分利用效率與基因型有很強(qiáng)的相關(guān)性，黃桂榮［10］得出冬小麥的水分利用效率受基因型的影響最大，水分條件次之；產(chǎn)量和耗水量受水分條件影響最大，其次為基因型影響。王家瑞等［11］研究人為正常降水年份在拔節(jié)期灌1 次水、干旱年份灌拔節(jié)水+孕穗水（2 水）為小麥節(jié)水高產(chǎn)灌溉模式。目前對(duì)于篩選抗旱性品種和灌溉對(duì)水分利用效率影響的研究很多，但綜合研究灌溉制度和品種對(duì)產(chǎn)量和水分利用的影響的研究較少。本研究選擇4 個(gè)冬小麥品種，研究不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量性狀、生物量和水分利用效率的變化。本研究在水分的基礎(chǔ)上，分析了華北平原4 個(gè)品種的產(chǎn)量和水分利用效率，為冬小麥節(jié)水高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020-2021年在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行（37°44′N，115°47′E），供試土壤類型為黏質(zhì)壤土，0～20 cm 土層有機(jī)質(zhì)量平均值為20.14 g/kg，全氮量1.205 g/kg，全磷量1.259 g/kg，全鉀量19.318 g/kg，堿解氮量86.87 mg/kg，有效磷量14.63 mg/kg，速效鉀量143.39 mg/kg。試驗(yàn)地土壤肥力中等，地勢(shì)平坦，灌溉條件好，多年種植小麥、玉米輪作。冬小麥全生育期降水64 mm，降雨量和溫度變化見圖1。

圖1 2020-2021年降雨量和溫度變化Fig.1 Changes in rainfall and temperature from 2020 to 2021

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為灌溉制度，分設(shè)置5個(gè)處理：CK（不灌水）、W1（拔節(jié)水）、W2（拔節(jié)水+開花水）、W3（起身水+抽穗水+灌漿水）和W4（起身水+拔節(jié)水+開花水+灌漿水），灌溉時(shí)間見表1；副處理為4 個(gè)品種：衡4399、衡4444、衡麥28、石麥22（表2）。3 次重復(fù)，小區(qū)面積13×7.5=97.5 m2，小區(qū)之間60 cm 寬的隔離帶。于2020年10月17日播種，播種量為210 kg/hm2，底肥施復(fù)合肥750 kg/hm2，春季追施尿素375 kg/hm2，結(jié)合春季第1水撒施（4 水處理在春季第1 水和第2 水時(shí)分2 次等量追施，CK處理尿素4月15日趁雨開溝施入），其他管理同大田，2021年6月9日收獲。試驗(yàn)地灌溉水為當(dāng)?shù)氐叵滤?，灌溉方式為地面灌溉，通過水表計(jì)量灌水量。

表1 冬小麥灌溉制度Tab.1 Winter wheat irrigation schedule

表2 冬小麥試驗(yàn)品種介紹Tab.2 Introduction of winter wheat test varieties

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤重量含水率

在冬小麥播種前、收獲后及關(guān)鍵生育期以10 cm 為一土層采集土樣，采用烘干法測(cè)定每小區(qū)0～200 cm 土層（共20 個(gè)土層）的土壤質(zhì)量含水率。

1.3.2 耗水量和水分利用效率計(jì)算

（1）耗水量計(jì)算：各個(gè)生育階段及全生育期作物耗水量采用水量平衡方程計(jì)算：

ET=P+I+S+ΔW-R-D

式中：ET為作物耗水量，mm；P為有效降水量，mm；I為灌水量，mm；S為地下水補(bǔ)給量，mm；ΔW為土壤含水率的變化量，mm；R為地表徑流，mm；D為深層滲漏，mm。

因試驗(yàn)地點(diǎn)地下水埋深大于10 m，故不考慮地下水補(bǔ)給量；試驗(yàn)地點(diǎn)地勢(shì)平坦，各小區(qū)之間有隔離，無(wú)地表徑流損失；土壤水分的測(cè)定深度為2 m，在試驗(yàn)期間沒有暴雨或特大暴雨，故不考慮深層滲漏。

（2）水分利用效率計(jì)算：

WUE=Y ET

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物耗水量，m3/hm2。

1.3.3 生物量及穗部性狀

小麥?zhǔn)斋@前每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取40 穗小麥考種，測(cè)定穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)，選取10 株進(jìn)行莖、葉、穗分樣，放入烘箱80 ℃烘10 h，稱其干重。

1.3.4 產(chǎn)量及構(gòu)成要素

冬小麥成熟期各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取2 個(gè)長(zhǎng)勢(shì)均勻的1 m2樣方，將所有麥穗剪下后脫粒、風(fēng)干、稱重，用PM8188-A谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水量，冬小麥按照13%安全含水量折算單位面積產(chǎn)量；冬小麥?zhǔn)斋@前在每個(gè)小區(qū)數(shù)兩個(gè)一米雙行計(jì)算穗數(shù)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取40 穗數(shù)穗粒數(shù)，隨機(jī)取1 000 粒（2 份）測(cè)籽粒重量，按照13%安全含水量折算千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Spss.25 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析、回歸分析和模型擬合，作圖軟件采用GraphPad Prism 8.3.0和Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉制度對(duì)冬小麥穗部性狀的影響

表3為不同灌溉制度下不同品種冬小麥的穗部性狀變化。不同品種下的穗長(zhǎng)均隨春季灌溉次數(shù)的增加而增加，衡4399、衡4444、衡麥28和石麥22不同灌溉制度下的穗長(zhǎng)較CK 處理增幅分別為4.68%～7.09%、4.26%～7.65%、1.31%～7.97%和1.70%～7.44%，衡4399、衡麥28 和石麥22 在W4 處理下的穗長(zhǎng)，顯著高于CK 處理，衡4444 在W1、W2 和W3 處理下的穗長(zhǎng)顯著高于其他3 個(gè)品種。小穗數(shù)隨灌溉次數(shù)的增加而降低，在W3 處理小穗數(shù)達(dá)到最大值，W4 處理較W3 處理降低0.21%～1.55%，衡麥28 在W2 處理下的小穗數(shù)顯著高于其他品種，石麥22 在W3 處理下顯著高于衡4444，4 個(gè)品種在CK、W1 和W4 處理無(wú)顯著性差異。不孕小穗數(shù)在W2處理最小，衡4399、衡4444、衡麥28和石麥22 的W2 處理較其他灌水處理分別降低17.95%～32.39%、3.60%～25.00%、13.38%～32.66%和13.70%～29.19%，衡麥28 的不孕小穗數(shù)低于其他3個(gè)品種。

2.2 灌溉制度對(duì)冬小麥生物量的影響

由表4可以得出，同一灌溉次數(shù)下，衡麥28 和石麥22 的生物量無(wú)顯著性差異，這2 個(gè)品種的生物量分別較衡4399 顯著提高19.81%～37.36%和18.46%～45.24%。在CK 處理下，衡4444和衡4399 的生物量無(wú)顯著性差異，衡麥28 和石麥22 無(wú)顯著性差異，衡麥28 較衡4444 和衡4399 分別顯著增加20.41%和22.01%。

不同灌溉次數(shù)對(duì)冬小麥各器官的影響不同。不同品種的莖的干物質(zhì)量隨灌溉次數(shù)的增加表現(xiàn)不盡相同，但莖的干物質(zhì)量所占比例均隨灌溉次數(shù)增加而減少，CK 處理的莖的干物質(zhì)量所占比例較W1、W2、W3 和W4 處理分別顯著增加26.13%、35.23%、44.27%和57.17%。葉的干物質(zhì)量均隨灌溉次數(shù)的增加而增加，其所占比例也呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)；穗的干物質(zhì)量及其所占比例變化趨勢(shì)與葉相同，均隨灌溉次數(shù)的增加而增加。生物量隨著灌溉次數(shù)的增加而逐漸增加，W3處理和W4處理的生物重?zé)o顯著性差異，CK 處理的生物重較W1、W2、W3 和W4處理分別顯著降低19.60%、27.73%、34.72%和38.25%。

2.3 灌溉制度對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

單位面積穗數(shù)、單穗粒數(shù)和千粒重是冬小麥籽粒產(chǎn)量構(gòu)成的3 個(gè)要素。從表5可以看出，冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成要素受灌溉制度的影響顯著。不同品種的穗數(shù)均隨著春季灌水次數(shù)的增加而增加，不同灌溉制度下衡4399 的穗數(shù)無(wú)顯著性差異，CK 處理較其他處理減少5.18%～17.01%；衡4444 的W3 處理和W4處理無(wú)顯著性差異，W3處理和W2處理無(wú)顯著性差異W2處理較CK 處理顯著增加10.80%；衡麥28的W2、W3和W4處理無(wú)顯著性差異，W1 和CK 處理無(wú)顯著性差異，W2 處理較CK 處理和W1 處理分別顯著增加26.89%和17.39%；石麥22 的W3 處理和W2處理無(wú)顯著性差異，W2處理較CK處理和W1處理分別顯著增加14.59%和10.27%。衡4399、衡4444 和衡麥28 的穗粒數(shù)隨春季灌溉次數(shù)的增加而減少，W1、W2、W3 和W4 處理的穗粒數(shù)無(wú)顯著性差異；石麥22的穗粒數(shù)隨春季灌溉次數(shù)的增加而增加，各處理之間無(wú)顯著性差異。衡4399的千粒重隨灌溉次數(shù)的增加而增加，且不同灌溉制度之間無(wú)顯著性差異；衡4444、衡麥28 和石麥22 隨春季灌溉次數(shù)的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，W4處理分別較W3處理降低5.30%、3.03%和4.36%。

表5 不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響Tab.5 Effects of different treatments on winter wheat yield and components

不同冬小麥品種的籽粒產(chǎn)量對(duì)灌溉制度的響應(yīng)相同，不同灌溉制度下4 個(gè)品種的產(chǎn)量均表現(xiàn)為W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞CK，W1、W2、W3 和W4 處理分別較CK 處理顯著增加40.53%、49.67%、54.70%和57.78%。衡4399、衡4444 和衡麥28 在不同灌溉制度下的產(chǎn)量差異性顯著，石麥22 的W2 處理和W3 處理無(wú)顯著性差異，W2 處理較W1 處理顯著增加14.82%。CK 處理下衡麥28 的產(chǎn)量較衡4399、衡4444 和石麥22 分別顯著高47.28%、20.02%和32.14%。

2.4 灌溉制度對(duì)冬小麥水分利用效率的影響

表6為冬小麥全生育期的耗水量及耗水組成。從表6可以看出，不同灌溉制度下冬小麥對(duì)土壤水的消耗量差異性顯著，所占總耗水量的比例隨灌溉次數(shù)的增加而降低；冬小麥全生育期總耗水量隨灌溉次數(shù)的增加而增加，與土壤水的消耗量呈負(fù)相關(guān)。

表6 不同灌溉制度對(duì)冬小麥耗水量及耗水組成的影響Tab.6 Effects of different irrigation schedules on water consumption and water consumption composition of winter wheat

從表7可以得出，冬小麥的水分利用效率不隨產(chǎn)量和耗水量的增加而增加，隨著春季灌溉次數(shù)的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。衡4399 在W3 處理水分利用效率最高，為2.39 kg/m3，較CK 處理顯著增加111.50%，W4處理的產(chǎn)量和耗水量最高，水分利用效率比W3 處理顯著降低8.79%。衡4444、衡麥28 和石麥22 的水分利用效率均在W2 處理達(dá)到最高，其他灌溉處理分別較W2 處理顯著降低6.45%～43.95%、6.43%～32.93%和7.00%～48.15%。從CK處理來(lái)看，4個(gè)品種之間的水分利用效率差異性顯著，衡麥28的水分利用效率分別較衡4399、衡4444和石麥22顯著增加47.79%、20.14%和32.54%。

表7 不同處理對(duì)冬小麥水分利用效率的影響Tab.7 Effects of different treatments on water use efficiency of winter wheat

3 討 論

3.1 不同灌溉制度對(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育階段不同灌水期和灌水量對(duì)其產(chǎn)量和構(gòu)成要素影響顯著［12］，石學(xué)萍等［13］人研究得出當(dāng)灌水量為127～217 mm 時(shí)，隨著灌水量的增加，千粒重、穗粒數(shù)顯著增加；當(dāng)灌水量為217～315 mm 時(shí)，隨著灌水量的增加，千粒重、穗粒數(shù)呈緩慢減少的趨勢(shì)。本研究得出冬小麥的穗粒數(shù)和千粒重在W3（225 mm）處理最大，在W4 處理（300 mm）開始降低，與石學(xué)萍研究結(jié)果一致。干物質(zhì)積累量隨著灌水次數(shù)的增加而增加［14］，產(chǎn)量的增加潛力來(lái)自于生物量的增加［10］，郝秀釵等［15］得出產(chǎn)量與成熟時(shí)的單位面積有效穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)且產(chǎn)量均隨灌溉次數(shù)的增加而明顯提高。在本試驗(yàn)中，冬小麥生物量、單位面積有效穗數(shù)和產(chǎn)量均隨灌溉次數(shù)的增加而增加，與以上研究者的研究結(jié)果一致。

3.2 不同灌溉制度對(duì)冬小麥耗水及水分利用效率的影響

籽粒產(chǎn)量和水分利用效率由品種和水分互作效應(yīng)決定，春灌2 水可明顯提高籽粒產(chǎn)量水平，并在一定程度上提高了水分利用效率［16，17］。蔡煥杰等［18］對(duì)小麥的研究表明，適度的水分虧缺對(duì)作物產(chǎn)量影響較小，但水分利用效率會(huì)明顯增加。對(duì)于冬小麥在限水灌溉下的最優(yōu)灌溉時(shí)期拔節(jié)水，節(jié)水栽培的最優(yōu)灌溉方式為春灌2水（拔節(jié)水+揚(yáng)花水），高產(chǎn)的最佳灌溉方式為春灌3 水（拔節(jié)水+揚(yáng)花水+灌漿水）［19］。不同品種的冬小麥對(duì)灌水的反應(yīng)有較大差別，不同品種產(chǎn)量和水分利用效率對(duì)水分的響應(yīng)存在明顯差異，抗旱性強(qiáng)的品種在干旱脅迫下表現(xiàn)出成穗率高、單位面積穗數(shù)多的特征［20，21］，從而有效保證干旱處理的產(chǎn)量和水分利用效率的提高。本試驗(yàn)得出冬小麥的總耗水量隨灌溉次數(shù)的增加而增加，差異性主要由灌溉水量所致。品種間冬小麥WUE 規(guī)律性不一，水分利用效率不隨灌水量的增加而增加，與前人研究結(jié)果一致，衡4444、衡麥28 和石麥22 的WUE在W2處理最大，衡4399在W3處理最大。

4 結(jié) 論

在2020-2021年的降水年型下，不孕小穗數(shù)不同灌溉制度和不同品種差異性均較大，但均表現(xiàn)為：W2 處理最少，CK 處理最多。衡麥28 的穗部生物量較衡4399、衡4444 和石麥22 分別提高29.27%、8.28%和0.37%；產(chǎn)量分別提高12.53%、6.33%和6.55%；在W2 處理下水分利用效率提高28.35%、0.40% 和2.47%。衡麥28 搭配W2 處理可獲得較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。

灌溉制度受降水量影響較大，本研究?jī)H針對(duì)冬小麥的灌溉制度做了一個(gè)生長(zhǎng)季的研究，存在一定的局限性，但可為華北平原冬小麥的灌溉制度的制定提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。