不同灌水量和礦化度對小麥生長影響的試驗研究

張濟斌，蔣 靜, 馬娟娟，馮紹元，李國安

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

隨著淡水資源的日益緊缺，咸水灌溉逐漸引起了人們的關注，研究咸水資源灌溉的增產效益和土壤、生態(tài)環(huán)境效應，對解決水資源危機、指導農業(yè)生產具有重要意義[1]。咸水灌溉可以在一定程度上緩解淡水資源短缺的問題，但是同時也會造成土壤中鹽分的積累，從而對土壤環(huán)境和作物生長產生不利的影響。

國內外學者進行了大量關于咸水灌溉對作物生長及土壤環(huán)境影響的研究。利用微咸水進行灌溉時要考慮的因素包括作物耐鹽性、灌溉制度、水資源管理策略、灌溉頻率以及土壤特性，只要控制土壤含鹽量、水分、相對溶液濃度指標不超過作物耐鹽限度，對作物產量、品質沒有明顯影響，而且可以起到節(jié)約淡水的作用，且安全可行[2-5]。李紅等[6]以株高為指標研究不同濃度微咸水對小麥的影響，發(fā)現(xiàn)當微咸水濃度較低時，鹽分對株高的抑制不明顯，并一直保持到試驗結束。對小麥進行不同灌溉水礦化度處理的灌溉試驗，發(fā)現(xiàn)作物地上部干物質總量隨灌溉水礦化度增加而減少，作物產量及其要素也隨灌溉水礦化度增加而減小[7,8]。河北省東南部鹽漬化地區(qū)進行冬小麥3.2 g/L微咸水灌溉試驗研究，結果表明：利用微咸水進行灌溉對冬小麥的生長有一定的抑制作用，地上部干物質累積量只有淡水灌溉處理的75%左右，但對其最后的經濟產量影響不大，相應地提高了收獲指數(shù)[9]。本研究將灌水量與灌水礦化度相結合，對作物生長(株高、葉面積指數(shù)、地上干物質量)及產量進行分析研究。

石羊河流域位于我國西北部屬干旱、半干旱地區(qū)，降雨稀少，水資源短缺是當?shù)剞r業(yè)發(fā)展最主要的制約因素[10]。小麥作為當?shù)刂饕Z食作物，耗水量大，因此研究灌水量、灌水礦化度對小麥生長及產量的影響對該地區(qū)咸水資源利用及節(jié)水灌溉的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在中國農業(yè)大學石羊河試驗站進行，該站位于甘肅省武威市，地處石羊河流域中游。該地區(qū)屬于典型的大陸性氣候，年平均氣溫7.8 ℃，降水量少，年平均164.4 mm；蒸發(fā)量大，年平均約2 000 mm；日照時間長，2 200～3 030 h；無霜期為85～165 d。耕地土壤為粉沙壤土，土壤密度為1.58 g/cm3，土壤初始含鹽量0.9～1.5 g/kg，pH值為8.3，田間持水率為0.30 cm3/cm3。

1.2 試驗概況

1.2.1試驗材料與設計

試驗材料選取小麥(永良四號)，播種日期為2014年3月30日，收獲日期為7月24日，生育期117 d。試驗設計2個因素，灌水量3個水平(355、280、205 mm)，礦化度4個水平(0.7、3.0、5.0、7.0 g/L)，共計12個處理，3組重復，布置了36個3 m×3 m的小區(qū)，小區(qū)之間保護區(qū)1 m。0.7 g/L灌溉水由地下水抽取，咸水采用質量比為1∶2∶2的CaSO4、MgSO4和NaCl與地下水按比例混合配制而成。灌溉制度如表1所示。

1.2.2測試項目及方法

采用精度0.01的米尺測量株高，每個處理測定10株植株取其平均值。葉面積指數(shù)采用冠層分析儀(SunScan Canopy Analysis System，type SS1，Delta-T Devices Ltd，U.K.)測定。收獲時每個小區(qū)人工收割1 m2，風干后測土地上所收獲作物地上部分的干物質總量和籽粒產量，折算出每公頃產量。小麥播種前、收獲后、灌水前后用土鉆取土法進行水鹽觀測。取土深度為120 cm，共分為7層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)。觀測項目主要包括質量含水率(烘干法)、土壤pH值(Mettler-Toledo Five Easy 20)、電導率(SG3-ELK742，Mettler-Toledo International Inc.，Switzerland)等，試驗站設有氣象站對當?shù)貧庀筮M行實時監(jiān)測。

表1 咸水灌溉試驗灌水方案Tab.1 Irrigation schedule for saline irrigation experiment

2 結果與分析

2.1 咸水灌溉對小麥株高的影響

2.1.1灌水量對小麥株高的影響

圖1為4種灌水礦化度下，不同灌水量對小麥株高的影響。拔節(jié)期前期和抽穗期前期，小麥生長速度較快約為0.5 cm/d；拔節(jié)期末期和抽穗期末期，生長速度較慢約為0.3 cm/d，抽穗期結束后，小麥株高基本不再變化，灌水對小麥節(jié)間伸長已不起作用。

圖1 不同灌水量小麥株高動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of wheat height under different irrigation amount

不同灌水量處理之間抽穗期以后開始對株高影響產生差異，各處理之間差異并不明顯(p>0.05)，灌水礦化度為0.7、3.0 g/L時，株高隨灌水量的增大而增大；在5.0 g/L處理下[圖1(c)]，W3S3處理株高最小，W2S3株高高于W1S3處理，原因是灌水量增大時，也向土壤帶入了更多的鹽分，對作物的鹽分脅迫更為明顯；在7.0 g/L處理下[圖1(d)]，不同灌水量小麥株高差別較小，與W1S4相比，W2S4減少2%，W3S4減少4.7%；7.0 g/L處理下株高隨灌水量的減少而降低。

2.1.2灌水礦化度對小麥株高的影響

由圖2可知，在抽穗后期至灌漿期，3種灌水量條件下不同灌水礦化度對株高產生不同的影響。在充分灌溉條件W1下[圖2(a)]，與0.7 g/L處理相比，3.0 g/L處理引起株高降低不超過1%。小麥株高表現(xiàn)為W1S1>W1S2>W1S4>W1S3，W1S3與W1S4之間不存在顯著性差異(p<0.05)；W2條件下，4種鹽分水平影響株高差異并不明顯，小麥株高相近，表現(xiàn)為隨礦化度的增加而降低，與S1相比S2、S3、S4依次降低0.7%、1.6%、2.7%；W3條件下，不同礦化度條件下株高差異不顯著。

圖2 不同礦化度條件下小麥株高動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of wheat height under different irrigation water salinity

灌水礦化度3.0 g/L咸水灌溉對小麥有良好效果，株高降低不超過1%，多項研究[9,11,12]也表明微咸水灌溉對小麥有良好效果。灌水礦化度大于5.0 g/L，鹽分脅迫開始顯著，在灌水礦化度較高(7.0 g/L)時，株高主要受鹽分的影響，不同灌水量的影響較小。充分灌溉時灌水礦化度對株高的影響較明顯，株高最大降低16%；在缺水時，灌水礦化度對株高的影響并不明顯，缺水時鹽分影響株高減低不超過8.4%。綜上所述，選取3.0 g/L的咸水對小麥進行充分灌溉，對小麥株高影響不明顯。

2.2 咸水灌溉對小麥葉面積指數(shù)的影響

2.2.1灌水量對小麥葉面積指數(shù)的影響

圖3表示了小麥在相同灌水礦化度條件下不同灌水量對葉面積指數(shù)的影響。5月18日以前小麥葉面積指數(shù)受灌水量影響不是很明顯，降低不超過0.6 cm2/cm2，隨灌水量的減少而降低；7月1日，在S1、S2、S3處理下，W1與W2差距明顯縮小，相差不超過2.7%，可見灌水礦化度低于5.0 g/L時，灌水量W3(280 mm)對葉面積指數(shù)的影響不明顯，在S4處理下，葉面積指數(shù)在充分灌溉W1S4處理下明顯高于虧水灌溉W2S4、W3S4處理，分別降低21.6%、24.0%；到了成熟期7月15日，淡水灌溉W1S1分別比W2S1、S3S1高出26.2%、34.6%，而在S2、S3、S4處理下，3種灌水量對小麥葉面積指數(shù)的影響相差較小，相差幅度為4.76%～20.07%；W3處理的作物葉面積指數(shù)在每個生育期均比W1、W2處理小，生長相對緩慢。

圖3 不同灌水量對葉面積指數(shù)的影響Fig.3 Effect of different irrigation water amount on leaf area index

2.2.2礦化度對作物葉面積指數(shù)的影響

圖4表示了小麥在相同灌水量條件下不同灌水礦化度對葉面積指數(shù)的影響。由圖4可知，葉面積值指數(shù)各生育期內表現(xiàn)為隨灌水礦化度的增加而降低，大量研究[10,13-15]得出結論與本研究一致。5月9日3種灌水量處理條件下，葉面積指數(shù)都表現(xiàn)為隨灌水礦化度的增加而降低。在充分灌溉W1下，5月18日，與W1S1處理下的葉面積指數(shù)相比，W1S2處理下葉面積指數(shù)高出4.2%，因為微咸水灌溉可以促進小麥葉片生長，張展羽等[16]也得出微咸水有利于作物生長的結論，7月1日、7月15日葉面積指數(shù)都表現(xiàn)為隨灌水礦化度的增加而降低，淡水處理明顯高于咸水灌溉，3種灌水礦化度處理相差不大，最大差距不超過0.26 cm2/cm2；W2、W3處理下，各個時期均表現(xiàn)為葉面積指數(shù)都表現(xiàn)為隨灌水礦化度的增加而降低，但各鹽分處理差別不是十分明顯，差距不超過0.86 cm2/cm2，W3處理下葉面積指數(shù)各個時期都較小，且灌水礦化度對小麥葉面積指數(shù)影響差別較小。

研究表明在淡水處理時缺水W2與W3對葉面積指數(shù)影響較小，各種灌水量處理下葉面積指數(shù)隨灌水礦化度成增加而降低。研究表明相同灌水量條件下，葉面積指數(shù)隨灌水礦化度成增加而降低，且一定時期葉面積指數(shù)W1S2處理大于W1S1處理。綜上所述：3.0 g/L咸水充分灌溉對小麥葉面積指數(shù)影響較小，且一定時期能促進葉片生長。

2.3 咸水灌溉對小麥產量及干物質的影響

2.3.1咸水灌溉對小麥產量的影響

圖5表示了不同灌水量對小麥產量的影響。由圖5可知：在相同灌水礦化度處理下，小麥產量隨灌溉水量的減少而降低，文獻[17,18]得出與本研究相似結論，W1處理與W3處理存在顯著性差異(p<0.05)，W2S1與W1S1、W3S1之間沒有顯著性差異(p>0.05)。淡水灌溉處理下，與充分灌溉W1S1相比，W2S1、W3S1分別減產7.31%、27.70%；咸水灌溉時，充分灌溉W1處理下的產量明顯大于非充分灌溉(W2、W3)，3.0 g/L水平下，W2S2比W1S2降低16.16%，5.0 g/L水平下，W2S3比W1S3降低15.59%，7.0 g/L水平下，W2S4比W1S4降低11.97%，7.0 g/L條件下產量下降較低，由于灌水量的增加鹽分含量隨之增加所導致，而非充分灌溉W2、W3處理的產量差異不是很明顯，W3與W2處理的產量相比，在3.0 g/L處理下，產量降低13.31%，在5.0 g/L處理下產量降低6.03%，在7.0 g/L的處理下產量降低11.26%。

圖5 不同灌水量對產量的影響Fig.5 Effect of different treatment irrigation amount on wheat yield

圖6表示了不同灌水礦化度對小麥產量的影響。由圖6可知：在相同灌水量處理下，產量隨著灌水礦化度的升高而減少，大量研究[15,19-22]結論與本研究一致，經分析僅S1與S4之間存在顯著性差異(p<0.05)。在充分灌溉W1處理下，W1S1與W1S2處理產量相差1.81%，W1S3與W1S4處理產量相差4.61%，灌水礦化度大于5.0 g/L，鹽分對產量影響開始加重；在虧水W2、W3條件下，淡水處理S1明顯高于咸水灌溉S2、S3、S4，而S2、S3、S4處理下產量相差較小，W2條件下，W2S2、W2S3、W2S4處理產量相差不超過7.39%，產量隨礦化度的增高而降低；W3條件下W3S2、W3S3、W3S4處理產量相差不超過1%，主要因為灌水量減少鹽分隨之減少，鹽脅迫對產量的影響也隨之降低。

圖6 不同灌水礦化度對產量的影響Fig.6 Effect of different irrigation water salinity on wheat yield

2.3.2對作物干物質積累的影響

圖7表示了不同灌水量處理下小麥收獲后地上干物重比較。由圖7可知：在相同鹽分水平下，地上干物重隨著灌水量的減少而減少，文獻[17,18]得出與本研究相似結論，經方差分析知，地上干物質重在只有W1與W3處理之間存在顯著性差異(p<0.05)。灌溉水質為當?shù)叵滤畷r，灌水量對干物質積累影響較小，干物質依次減少5.9%、4.6%；3.0 g/L水平下充分灌溉明顯高于虧水處理W2S2、W3S2，干物質積累分別下降43.2%，50.3%；5.0 g/L水平下，干物質量降低趨勢減弱，依次降低18.8%，18.2%，由此可見在5.0 g/L條件下，W2S3與W3S3對作物干物質量的影響基本相同；在7.0 g/L水平下，虧水W2S4與充分灌溉W1S4作用效果相同，可以適當減少灌水量不影響作物干物質量。

圖7 不同灌水處理下小麥干物質量Fig.7 The dry matter of wheat under different irrigation amount

圖8為不同灌水礦化度處理下小麥收獲后地上干物質量比較。由圖8可知：在充分灌溉處理下，干物質量隨著灌水礦化度的升高而減少，即W1S1>W1S2>W1S3>W1S4，大量研究[8,15,19-22]得出結論與本研究一致。經方差分析知，S1與S2、S3、S4均存在顯著性差異(p<0.05)，S2、S3、S4之間不存在顯著性差異(p>0.05)。充分灌溉時，與W1S1相比，W1S2、W1S3、W1S4依次減低2.2%、16.6%、8.1%，礦化度大于5.0 g/L時，鹽分對干物質量影響變得嚴重，趙志才[15]得出與本節(jié)研究相似結論；W2水平下0.7 g/L干物質量最大，與W2S2相比，W2S3、W2S4依次為9.1%、20%，主要原因是鹽分抑制了作物的生長；W3水平下仍然是0.7 g/L干物質積累最多，但S2、S3、S4對干物質量的影響差距較小，相差不超過6.7%。

圖8 不同礦化度處理下小麥干物質量Fig.8 The dry matter of wheat under different irrigation water salinity

研究表明相同水質的條件下作物產量與干物質隨灌水量的減少而降低，W2與W1不存在顯著差異，重度虧水W3對產量影響顯著，實際灌溉應避免灌水量過少。在相同灌水量時，小麥產量、干物質量(W1處理下)隨灌溉水礦化度增加而降低，灌水礦化度大于5.0 g/L，鹽分對產量、干物質的影響開始明顯，但3.0 g/L在充分灌溉時對產量、干物質影響最小，可以應用于實際灌溉。

3 結 論

(1)在相同灌水量條件下，隨灌水礦化度的增加，株高降低2.7%～16%，W1時灌水礦化度對株高的影響較明顯，株高最大降低16%，在缺水時，灌水礦化度對株高的影響并不明顯；葉面積指數(shù)都表現(xiàn)為隨灌水礦化度的增加而降低，葉面積指數(shù)降低9.65%～28.28%；產量與干物質隨礦水礦化度的增加而降低，產量降低1.81%～27.02%、干物質減少15.66%～34.42%。

(2)在相同灌水礦化度條件下，隨灌水量的減少，株高降低1.37%～11.67%，灌水礦化度大于5.0 g/L，鹽分脅迫開始顯著，在灌水礦化度較高(7.0 g/L)時，株高主要受鹽分的影響，不同灌水量的影響較?。蝗~面積指數(shù)降低14.07%～20.45%，淡水處理時缺水W2與W3對葉面積指數(shù)影響較小；產量與干物質隨灌水量的減少而降低，產量減少7.31%～27.33%、干物質減少10.26%～49.04%。

(3)微咸水充分灌溉W1S2(3.0 g/L)處理與淡水W1S1(0.7 g/L)處理對小麥影響差別不大。株高相差小于1 cm、葉面積指數(shù)減少7.6%、減產0.7%、干物質減少7.1%，因此微咸水充分灌溉W1S2(335 mm，3.0 g/L)可用于當?shù)貙嶋H灌溉以節(jié)約淡水資源。灌水礦化度大于5.0 g/L時，鹽分對作物的影響開始顯著，株高、產量、干物質分別下降16%、28%、26.64%。因此，該地區(qū)若采取5.0 g/L及以上的水質對小麥進行灌溉，需合理規(guī)劃，科學使用大于5.0 g/L的咸水。

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