限量灌溉對京郊小麥產(chǎn)量、水分利用效率及效益的影響

周吉紅，毛思帥，王俊英，薛緒掌，佟國香，羅 軍，解春源

(1．北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100029； 2．北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3．北京市房山區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，北京 102446)

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限量灌溉對京郊小麥產(chǎn)量、水分利用效率及效益的影響

周吉紅1，毛思帥1，王俊英1，薛緒掌2，佟國香3，羅 軍3，解春源3

(1．北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100029； 2．北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3．北京市房山區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，北京 102446)

為明確北京及周邊地區(qū)限量灌溉下小麥適宜的灌水制度，設(shè)置5個灌水梯度，以北京平均灌溉水平 2 550 m3·hm-2為對照(CK)，逐漸減少用水量到2 100、1 650、1 200和750 m3·hm-2，通過田間和盆栽試驗，研究灌水對小麥生長、產(chǎn)量、水分利用效率及效益的影響。結(jié)果表明，與對照相比，灌水量為2 100和1 650 m3·hm-2的處理下，小麥產(chǎn)量降幅未達顯著水平，其余兩個處理(1 200和750 m3·hm-2)的產(chǎn)量顯著降低。減產(chǎn)源于有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的減少；有效穗數(shù)的減少源于群體莖蘗數(shù)(起身、拔節(jié))的減少，穗粒數(shù)的減少源于穗長的縮短、不孕小穗數(shù)增加和有效小穗數(shù)減少。隨著灌水量的減少，小麥的水分利用效率提高，其中灌水1 650 m3·hm-2的處理水分利用效率最高。與對照相比，灌水2 100和1 650 m3·hm-2的處理，每公頃效益減少290元以內(nèi)，其余兩個處理減少超過1 700元。綜合考慮產(chǎn)量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量無補貼的情況下，灌水量為1 650 m3·hm-2(越冬水750 m3·hm-2、拔節(jié)水450 m3·hm-2、灌漿水450 m3·hm-2)的節(jié)水灌溉模式最佳。

限量灌溉；小麥；產(chǎn)量；水分利用效率；效益

京津冀地區(qū)水資源極度緊缺，其所屬海河流域水資源總量僅占全國的1.3%，卻承擔全國13%的GDP、10%的糧食產(chǎn)量和人口的用水任務(wù)，因此，推行節(jié)水農(nóng)業(yè)極為重要[1]。小麥是高耗水作物，麥田灌溉是農(nóng)業(yè)用水的主要方面[2-4]，區(qū)域水資源不足，直接影響著小麥的生產(chǎn)。且該地區(qū)降雨的時間分布與小麥需水的耦合性較差，多年平均降雨量為500 mm左右，然而70%的降雨發(fā)生在7～9月份，小麥全生育期的平均有效降水量僅占平均需水量的15.5%，遠不能滿足冬小麥的生長需求[5-8]。要解決這一矛盾，需采用地下水灌溉以滿足其生長。但該地區(qū)地下水過度開發(fā)，地下水位不斷下降，出現(xiàn)了罕見的地下漏斗區(qū)，為了保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須采取節(jié)水措施，提高水資源利用效率[9-12]。2014年，北京市市委市政府出臺了《關(guān)于調(diào)整結(jié)構(gòu)方式、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見》、農(nóng)業(yè)局制定了《北京市地下水超采區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實施方案》，調(diào)整實施方案中糧田全年用水定額控制在2 700 m3·hm-2以內(nèi)。而農(nóng)情定位監(jiān)測表明：全市冬小麥用水在2 550 m3·hm-2左右，夏玉米用水在450 m3·hm-2左右。灌水現(xiàn)狀與調(diào)整政策不符。另外，以往研究多側(cè)重于水分利用效率的考慮[8,12-15]，缺乏對生產(chǎn)效益的分析。本研究通過田間和盆栽試驗，在限量灌溉下，對冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率和效益進行綜合研究分析，以期為北京及周邊地區(qū)限量灌溉下小麥灌水方案的制定提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料及試驗地

供試小麥品種為農(nóng)大212，由中國農(nóng)業(yè)大學選育，為北京市主栽品種。

試驗于2014-2015年在北京市房山區(qū)竇店鎮(zhèn)竇店村(39.65°N，116.06°E)和昌平小湯山農(nóng)科院基地(40.18°N，116.45°E)進行。兩地均屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候。試驗?zāi)攴菪←溔诮涤炅繛?23.2 mm，常年平均降雨量為142.2 mm。兩地土壤為沙壤土，肥力相近，為中高等水平， 0～20 cm土層含有機質(zhì)24.8 g·kg-1，全氮 1.3 g·kg-1，堿解氮103.1 mg·kg-1，有效磷32.2 mg·kg-1，速效鉀106.8 mg·kg-1。

1.2試驗設(shè)計

試驗設(shè)5個灌水量梯度，以北京小麥平均灌水量5水(W5，2 550 m3·hm-2)為對照(CK，模擬生產(chǎn))，逐漸減少灌水量至4水(W4，2 100 m3·hm-2)、3水(W3，1 650 m3·hm-2)、2水(W2，1 200 m3·hm-2)和1水(W1，750 m3·hm-2)，處理設(shè)置見表1 。試驗設(shè)田間和盆栽試驗，田間試驗灌水方式為半固定式噴灌，用水表記載灌水量；盆栽試驗用量筒灌水記錄灌水量。其他田間管理同常規(guī)生產(chǎn)。

表1　限量灌溉處理設(shè)置

田間試驗在房山竇店進行，3次重復(fù)，共15個區(qū)，每個區(qū)域面積800 m2。盆栽試驗在昌平農(nóng)科院基地進行，盆栽裝置為1.5 m長的原裝土柱，4次重復(fù)，共20個盆，每盆面積0.096 25 m2。于2014年9月28日播種，基本苗均為450萬株·hm-2。田間試驗注重群體指標的調(diào)查，盆栽試驗注重個體指標的調(diào)查。

1.3檢測項目與方法

1.3.1莖蘗數(shù)(群體指標)調(diào)查

田間試驗中，選定具有代表性的樣點，分別于起身期(4月6日)、拔節(jié)期(4月20日)調(diào)查群體莖蘗數(shù)。

1.3.2個體指標測定

盆栽試驗中，于灌漿期測定旗葉的葉長、葉寬，并計算葉面積；于成熟期考察穗長、總小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)。

1.3.3產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

成熟期每個小區(qū)單獨測產(chǎn)，并測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

1.3.4耗水量及水分利用效率測定

在田間，于小麥播種前、收獲后，用土鉆取0～200 cm(每20 cm 為一土層)土樣, 烘干后測定土壤含水量，采用土壤水分平衡法計算總耗水量。

水分利用效率=籽粒產(chǎn)量/總耗水量；灌水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌溉水量。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用SAS 8.0 軟件進行方差分析，其他分析在Excel中進行。

2　結(jié)果與分析

2.1限量灌溉對小麥產(chǎn)量及三要素的影響

限量灌溉下，灌水量對小麥產(chǎn)量有顯著性影響。隨著灌水量的減少，小麥產(chǎn)量降低(表2)。與對照相比，田間試驗4水、3水、2水、1水處理下小麥產(chǎn)量的減幅分別為2.4%、4.1%、13.5%和22.0%；盆栽試驗對應(yīng)的減幅分別為5.7%、15.9%、28.2%和45.9%，2水、1水處理下的減幅均達到顯著水平(P<0.05)。

灌水量對產(chǎn)量三因素的影響分析表明，隨著灌水量的減少，小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重呈降低趨勢。對于有效穗數(shù)而言，田間試驗4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少了0.6%、2.6%、10.8%和15.6%，后兩者減幅達到顯著水平；盆栽試驗對應(yīng)的減幅分別為0.1%、0.4%和0.3%和1.4%，1水處理的減幅達顯著水平。

對穗粒數(shù)而言，田間試驗4水、3水、2水、1水處理較對照的減幅分別為0.4%、0.2%、1.1%和4.9%；盆栽試驗對應(yīng)的減幅分別為0.0%、0.4%、0.7%和1.5%， 1水處理下的減幅均達到顯著水平。

對于千粒重而言，田間試驗中各處理間差異均不顯著；盆栽試驗中，當灌水減少至2水時，千粒重的減幅達到顯著水平，2水和1水處理下，千粒重的減幅分別為1.3%和1.4%。

表2　不同灌水處理小麥的產(chǎn)量及其三要素

同列數(shù)值后的不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。表3至表6同。

Different letters within the same column indicate significant difference among treatments at 5% level. The same as in table 3-6.

2.2限量灌溉對小麥群體動態(tài)的影響

由表3可知，與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥起身期莖蘗數(shù)分別減少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔節(jié)期小麥莖蘗數(shù)分別減少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%，后三者減幅均達到顯著水平。到成熟期，3水處理下小麥有效穗數(shù)減幅縮小，與對照差異不顯著；2水和1水處理下的有效穗數(shù)較對照減幅達顯著水平。

表3　不同灌水處理下小麥的莖蘗數(shù)(群體動態(tài))

2.3限量灌溉對小麥穗部性狀的影響

由表4可知，與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥穗長分別減少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%，總小穗數(shù)分別減少0.6%、6.9%、10.3%和7.7%，后三者減幅均達到顯著水平。對于有效小穗數(shù)而言，4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水處理與對照差異顯著。

2.4限量灌溉對小麥旗葉性狀的影響

由表5可知，4水、3水、2水、1水處理下小麥旗葉葉長較對照分別減少2.9%、8.6%、10.2%和21.4%，后兩者的減幅達到顯著水平；葉寬分別較對照減少2.1%、6.8%、8.2%和13.0%，后

三者的減幅達到顯著水平。對于旗葉葉面積而言，4水、3水、2水、1水處理較對照分別減少4.6%、16.4%、16.5%和31.4%，后三者的減幅達到顯著水平。

表4　不同灌水處理下小麥的穗部性狀

表5　不同灌水處理下小麥的旗葉性狀

2.5限量灌溉對小麥水分利用效率及耗水組成的影響

灌水量對小麥水分利用效率有顯著性影響。3水處理下，小麥的水分利用效率最高，為1.60 kg·m-3，且顯著高于對照。隨著灌水量的減少，灌水利用效率顯著增加，且各處理間差異顯著(表6)。

表6　不同灌水處理下小麥的耗水總量及水分利用效率

對于耗水組成而言，灌水量減少，土壤供水量增加，1水處理下，小麥從土壤中獲取水分的比例最高，達48%(表7)。

2.6限量灌溉對小麥經(jīng)濟效益的影響

各處理間，除灌水投入外，其他投入一致。與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下的效益分別減少213、290、1 770和3 077元·hm-2(表8)。灌水量降至2水時，合計每公頃效益減少1 500元以上。

目前北京小麥灌水水電投入只有電費投入，假定收水費，灌溉水投入在1～3元·m-3時，3水處理下的小麥凈效益達到最大；灌溉水投入在4～6元·m-3時，1水處理下的小麥凈效益達到最大，常規(guī)灌溉、4水處理出現(xiàn)負效益(表9)。

表7　不同灌水處理下小麥的耗水組成

表8　不同灌水處理下小麥的產(chǎn)值及成本投入分析

小麥單價按照2.4元·kg-1計算；灌溉水按照0.5元·m-3計算。

The price of wheat was calculated as 2.4 yuan·kg-1;The price of irrigation water was calculated as 0.5 yuan·m-3.

表9　不同灌水處理下灌溉用水價格與凈收益的關(guān)系

3　討 論

3.1灌水量對小麥產(chǎn)量的影響

劉昌明等[16]通過灌水試驗資料的統(tǒng)計分析得出：拋物線關(guān)系式最符合灌區(qū)小麥生產(chǎn)的實際情況。這就意味著，在一定的灌水范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨著灌水的增加而增加[17-18]。本試驗中，以平均灌水量2 550 m3·hm-2為對照，隨著灌水量的減少，產(chǎn)量降低，說明2 550 m3·hm-2在產(chǎn)量最高點(灌水量)的范圍內(nèi)。因此，在現(xiàn)有灌溉現(xiàn)狀基礎(chǔ)上限水，產(chǎn)量會降低。當水量減至2水(1 200 m3·hm-2)時，產(chǎn)量開始出現(xiàn)顯著降低，減幅達13%以上；水量減至1 650 m3·hm-2時，產(chǎn)量未出現(xiàn)顯著降低。

限量灌溉下，水分對小麥產(chǎn)量的影響主要是通過影響有效穗數(shù)、穗粒數(shù)實現(xiàn)的。本試驗中，當水量減少至2水時，有效穗數(shù)開始出現(xiàn)顯著降低；水量減至1水時，穗粒數(shù)顯著降低。有效穗數(shù)的減少是因為群體的減少，試驗中，4水、3水、2水、1水處理下小麥起身期總莖數(shù)較對照分別減少2.2%、12.8%、9.5%和11.3%，拔節(jié)期總莖數(shù)分別較對照減少5.7%、22.6%、25.3%和32.4%。穗粒數(shù)的減少是因為穗長縮短、不孕小穗數(shù)增加、有效小穗數(shù)減少。與對照相比，4水、3水、2水、1水處理下小麥穗長減少2.4%、5.0%、9.6%和9.2%；有效小穗數(shù)減少2.7%、0.8%、4.9%和12.5%，1水處理的有效小穗數(shù)減少顯著。

3.2灌水量對小麥水分利用的影響

本試驗中，當灌水減少至3水時，水分利用效率達到最高，為1.60 g·m-3。隨著灌水量的減少，小麥對土壤水的利用增加，1水處理下，小麥耗水組成中，從土壤中獲取水分的比例達48.1%，這與許振柱等[19]、孫 敏等[20]節(jié)水增產(chǎn)的理論基礎(chǔ)一致。節(jié)水增產(chǎn)措施基于對土壤水的充分利用，減少灌溉量，可以提高土壤水的利用效率，降低麥田總耗水量[21-23]。

3.3灌水量對小麥經(jīng)濟效益的影響

灌水在2 550 m3·hm-2內(nèi)，隨著灌水量的減少，效益也減少，當水量減少至4水、3水時，每公頃效益減少在300元以內(nèi)；當水量減少至2水、1水時，畝效益減少達118元以上。如果實施灌水收費制度，當灌水投入在1元·m-3以上，每公頃灌水量超過1 650 m3，凈效益相對減少，灌水投入單價越大，灌水量越需控制。在實施灌水收費制度或強制限水時，農(nóng)戶灌水量減少，小麥生產(chǎn)的絕對效益是較充分灌溉降低的，此時應(yīng)考慮適當補貼彌補限水地區(qū)小麥生產(chǎn)損失。

綜合考慮產(chǎn)量、效益、水分利用效率，在限制灌溉量無補貼的情況下，半固定式灌溉下3水(越冬水750 m3·hm-2、拔節(jié)水450 m3·hm-2、灌漿水450 m3·hm-2)的灌水方式是最佳選擇；再降低灌水量，效益損失加大，種植戶不容易接受。

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Effect of Limited Irrigation on Wheat Yield, Water Use Efficiency and Its Planting Benefits in Beijing

ZHOU Jihong1, MAO Sishuai1, WANG Junying1, XUE Xuzhang2,TONG Guoxiang3, LUO Jun3, XIE Chunyuan3

(1.Beijing Agricultural Technology Extension Station, Beijing 100029, China; 2.Beijing Research Center for Intelligent Agricultural Equipments, Beijing 100097, China; 3.Fangshan Institute of Agricultural Technology in Beijing, Beijing 102446,China)

Four irrigation treatments(2 100 m3·hm-2, 1 650 m3·hm-2, 1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2) were set to investigate the effects of limited irrigation in Beijing on wheat growth, yield, water use efficiency and its planting benefits by field and pot experiments, with the average amount of irrigation(2 550 m3·hm-2) as control(CK).The results indicated that:compared with the control, yield reduction was not significant under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, while that was significant under the other two treatments(1 200 m3·hm-2and 750 m3·hm-2). Yield reduction was due to the decrease of effective spikes and kernels per spike. Decreased spikes were due to the reduction of tillers(setting stage and jointing stage). The spike length was shortened, and sterile spikelets was increased, and eventually effective spikelets was reduced, which led to the reduction of kernel number per spike. With the reduction of irrigation, water use efficiency increased and reached the maximum under the treatment of 1 650 m3·hm-2. Compared with the control, the net output of wheat was decreased less than 290 yuan per hectare under irrigation amount of 2 100 m3·hm-2and 1 650 m3·hm-2, and that was decreased more than 1 700 yuan under the other two treatments. Taking the yield, water use efficiency and benefits into account, under limited irrigation without subsidies, the irrigation amount of 1 650 m3·hm-2(winter water 750 m3·hm-2, jointing water 450 m3·hm-2and filling water 450 m3·hm-2) is suitable.

Limited irrigation; Wheat; Yield; Water use efficiency; Benefits

2016-01-29

2016-03-01

2015年北京農(nóng)業(yè)技術(shù)試驗研究項目；北京市農(nóng)業(yè)局團隊建設(shè)專項(BAIC09-2015)；國家自然科學基金項目(31171489)

E-mail：tgzzjh@126.com(周吉紅)；msshhappy@163.com(毛思帥，與第一作者同等貢獻)

S512.1；S318

A

1009-1041(2016)08-1043-07

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-08-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1120.018.html