不同滴灌量下冬小麥耗水特性及干物質(zhì)積累分配研究

孫乾坤，章建新，趙連佳，薛麗華，段麗娜

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所， 新疆 烏魯木齊 830091)

不同滴灌量下冬小麥耗水特性及干物質(zhì)積累分配研究

孫乾坤1，章建新1，趙連佳1，薛麗華2，段麗娜1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所， 新疆 烏魯木齊 830091)

在2013—2014年、2014—2015年田間試驗研究了W1(2 550、2 325 m3·hm-2)，W2(3 450、3 000 m3·hm-2)，W3(4 350、3 675 m3·hm-2)，W4(5 250、4 350 m3·hm-2)4種滴水量處理對0～140 cm土層含水量及小麥葉面積指數(shù)、光合勢、干物質(zhì)積累分配、水分利用效率及產(chǎn)量等的影響。結(jié)果表明，拔節(jié)至灌漿期間，在每次滴水225～900 m3·hm-2的范圍內(nèi)，增加滴水量主要直接增加0～60 cm土層含水量，間接減少60～140 cm土層儲水消耗量，W4土壤儲水消耗較W1減少50%左右；增加拔節(jié)至成熟期間冬小麥群體葉面積指數(shù)、光合勢；增加干物質(zhì)積累量和花后光合產(chǎn)物對子粒的貢獻率，降低花前營養(yǎng)器官貯藏物向子粒的轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率和其對子粒的貢獻率，增加產(chǎn)量、降低灌溉水利用效率。總滴水量大于3 675 m3·hm-2(其中，拔節(jié)至灌漿期間的滴水量大于2 700 m3·hm-2)增產(chǎn)不顯著，并且大幅度降低灌溉水利用效率。降水量對冬小麥產(chǎn)量形成影響很小，灌水量對小麥產(chǎn)量和水分利用效率起決定性作用；北疆冬小麥全生育期適宜總滴水量為3 450～3 675 m3·hm-2(其中，拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期各450～675 m3·hm-2)，可以獲得的產(chǎn)量是6 737.4～8 604.1 kg·hm-2。

冬小麥；滴灌量；耗水量；干物質(zhì)積累；產(chǎn)量；水分利用效率

新疆作物生產(chǎn)必需依靠灌溉，灌溉水資源匱乏是限制新疆農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)展的重要因素。冬小麥是新疆種植面積最大的糧食作物。目前，仍然主要采用漫灌方式，灌溉水利用效率不高，節(jié)水潛力很大，節(jié)水高產(chǎn)是新疆小麥生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢。目前，滴灌技術(shù)已在新疆小麥生產(chǎn)上大面積應用，節(jié)水、增產(chǎn)效果顯著[1]，且應用面積逐步增大。滴灌技術(shù)不僅能通過局部濕潤的方式將水肥控制在根區(qū)內(nèi)促進作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用,還能減少地表徑流、棵間蒸發(fā)和深層滲漏[2]。滴灌條件下的水分利用效率顯著高于漫灌[3-4]。Arafa等[5]小麥滴灌研究表明，產(chǎn)量比噴灌少16%～27%, 但可節(jié)水43%～76%。謝小清等[6-7]管栽試驗認為增加滴灌量，增加土層濕潤深度，促進深層根系生長，并延緩衰老。田間試驗認為隨著每次滴灌量增加，水分在水平方向的擴散距離增大，避免遠離毛管處小麥受旱[8]。滴灌量特別是春季滴灌量對冬小麥產(chǎn)量和灌溉水利用效率影響很大。有關(guān)滴灌量對冬小麥耗水特性和產(chǎn)量及水分利用效率的影響缺乏系統(tǒng)研究[7，9-10]。本文研究了高產(chǎn)麥田拔節(jié)期至成熟期間不同滴灌量對冬小麥耗水特性、干物質(zhì)積累分配及產(chǎn)量的影響規(guī)律，為冬小麥節(jié)水高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

試驗于2013—2014、2014—2015年在新疆農(nóng)業(yè)科學院瑪納斯實驗站進行，實驗站降水資源見表1。參試品種為新冬18號。

2013—2014年施基肥前取土樣測定0～20 cm土壤養(yǎng)分，有機質(zhì)為2.49%，堿解氮51.03 mg·kg-1、速效磷為21.46 mg·kg-1，速效鉀為217.0 mg·kg-1?；┠蛩?5 kg·hm-2，磷酸二銨375 kg·hm-2，2013年9月25日播種，行距15 cm，兩毛管間距60 cm。在拔節(jié)期用環(huán)刀分別取(重復3次)0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm土樣測定容重，結(jié)果分別為1.6、1.7、1.6、1.6、1.6、1.6、1.6 g·cm-3。拔節(jié)期、孕穗期分別滴入尿素225 kg·hm-2。6月24日至29日成熟。

2014—2015年施基肥前取土樣測定0～20 cm土壤有機質(zhì)含量為2.27%，堿解氮53.21 mg·kg-1、速效磷含量23.23 mg·kg-1，速效鉀含量為231.3 mg·kg-1，0～140 cm拔節(jié)期測土壤容重同2014年?；屎妥贩释?013年，2014年9月25日播種，行距15 cm，兩毛管間距60 cm。小麥生長期間各月累計降水量見表1。6月21日至29日成熟。

1.2 試驗設計

2013—2014年、2014—2015年試驗全生育期設W1(2 550、2 325 m3·hm-2)，W2(3 450、3 000 m3·hm-2)、W3(4 350、3 675 m3·hm-2)、W4(5 250、4 350 m3·hm-2)4種滴灌水處理，具體滴水時期和滴水量見表2。田間按滴水量從多到少的順序排列，試驗小區(qū)長7 m、寬4.2 m，面積29.4 m2，重復3次，各處理間設2 m寬隔離帶。

表1 冬小麥生長期間各月的累計降水量/mm

表2 各滴水處理的滴水時期和滴水量/(m3·hm-2)

注：2014年春季灌水日期分別為：4月25日、5月9日、5月29日、6月11日；2015年春季灌水日期分別為：4月22日、5月4日、5月28日。

Note: The irrigation were performed on April 25th, May 9th, May 29th, and June 11th in 2014 and those for 2015 were April 22nd, May 4th, May 28th.

1.3 主要測定項目及方法

1.3.1 土壤含水量測定 播種前用鋁盒烘干法測定0～140 cm土層含水量(每層20 cm，共分7層)。春季從滴頭水前1天開始，每7 d左右測定一次0～140 cm土層含水量(在毛管間距1/2處取樣，分層同上)，測至成熟期停止，在每次滴水前、后，各處理加測1次0～20、20～40、40～60 cm土層含水量，重復2次。

1.3.2 葉面積指數(shù)、光合勢及干物質(zhì)的測定 在2014、2015年分別于拔節(jié)期(04-20、04-25)、孕穗期(05-13、05-11)、開花期(06-02、05-20)、灌漿期(06-16、06-11)各處理選取具代表性30個莖，用長寬系數(shù)法測定葉面積，同時選樣點0.3 m2測定單位面積總莖數(shù)，重復3次，計算各處理葉面積指數(shù)(LAI)和光合勢；每次將各處理植株樣在80℃下烘至恒重，分別稱重計算干物質(zhì)量。

葉面積指數(shù)(LAI)=綠葉面積/土地面積

光合勢=(L2-L1)×(T2-T1)，式中L表示葉面積，T為時間。

1.3.3 花前營養(yǎng)器官貯藏物轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率及其對產(chǎn)量的貢獻率測定 開花期各處理分別選取當天開花且大小相似的莖80個掛牌標記，開花當天各處理分別自莖基部取10個莖烘干稱重，重復3次；成熟期各處理分別自莖基部取開花期掛牌莖10個，重復3次，烘干稱總重后，脫粒稱粒重，計算花前營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率和貢獻率。

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉(zhuǎn)運量(kg·hm-2)=開花期總干重-成熟期營養(yǎng)器官干重

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉(zhuǎn)運率(%)=營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉(zhuǎn)運量/開花期總干重×100%

開花后同化物輸入子粒量(kg·hm-2)=成熟期子粒干重-營養(yǎng)器官花前貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運量

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物對子粒產(chǎn)量的貢獻率(%)=開花前營養(yǎng)器官貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/成熟期子粒干重×100%

1.3.4 產(chǎn)量和水分利用效率的測定 各處理分別取3個具有代表性的樣點(每點4.5 m2)實收、單脫，曬干后稱重，以3個樣點平均值計算折合產(chǎn)量。

水分利用效率(%)=經(jīng)濟產(chǎn)量/總耗水量

總耗水量=土壤貯水消耗量+小麥生長期總降水量+總灌水量

土壤貯水消耗量=140 cm土層播種時貯水量-成熟時140 cm土層貯水量

灌溉水利用效率(kg·m-3)=子粒產(chǎn)量/總灌水量

水分利用效率(kg·m-3)=子粒產(chǎn)量/總耗水量

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot-v10進行圖表的繪制，用SAS8.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌量處理對0～140 cm土壤含水量的影響

不同滴水處理0～140 cm土層含水量變化見圖1。各滴水處理0～20 cm土層含水量在灌水前、后連續(xù)呈現(xiàn)明顯的“谷”、“峰”變化，20～40 cm土層含水量除W1處理外，其余處理在灌水前、后仍連續(xù)呈現(xiàn)明顯的“谷”、“峰”變化，40～60 cm土層含水量僅W2、W4連續(xù)呈現(xiàn)明顯的“谷”、“峰”變化，增加每次滴水量，增大0～60 cm土層含水量，以0～20 cm土層增幅最大，其次是20～40 cm土層，40～60 cm土層最??；隨著滴水量的增加，開花后60～140 cm土層含水量降幅明顯減少；兩年結(jié)果相似，同一處理(如W1)2014—2015年較2013—2014年少灌最后1次水，灌漿期各土層含水量明顯低于2013—2014年。隨滴水量增加，濕潤土層深度增加，在每次225～900 m3·hm-2滴水范圍內(nèi)，主要直接增加0～60 cm土層含水量，間接減少生育中、后期麥田60～140 cm土層儲水耗水量和耗水深度。

2.2 不同滴灌量處理對冬小麥葉面積指數(shù)和光合勢的影響

由圖2可見，不同滴水處理葉面積指數(shù)在拔節(jié)期后迅速增加，孕穗期達峰值后緩慢下降。并隨著滴水量的增加，顯著增加冬小麥拔節(jié)至成熟期間葉面積指數(shù)，2014年、2015年孕穗期葉面積指數(shù)分別由W1的3.83、4.18增加到W4的6.42、6.45，分別增加67.6%、54.3%；增加滴水量，顯著增加春季各生育階段光合勢和春季總光合勢(見圖3)，2014年、2015年開花至花后20 d的光合勢分別由W1的51.57、27.1 m2·d·m-2增加到W4的90.61、83.70 m2·d·m-2，2014年、2015年W4處理的春季總光合勢分別比W1增加50.0%、76.4%，W3與W4的總光合勢差異不顯著，兩年結(jié)果一致。增加滴水量，增加冬小麥拔節(jié)至成熟期間各生育階段的葉面積指數(shù)和光合勢，以W3和W4拔節(jié)后的總光合勢較高。

2.3 不同滴灌量處理對小麥干物質(zhì)積累及分配的影響

由表3可見，隨著拔節(jié)后滴水量的增加，拔節(jié)至成熟期間干物質(zhì)積累量增加，2013—2014年、2014—2015年 W4成熟期干物質(zhì)量分別較W1增加16.9%、16.5%，W3與W4的總干物質(zhì)積累量差異不顯著；隨著滴水量的增加，2014年花前營養(yǎng)器官貯藏物轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率、對子粒貢獻率分別由W1的2 725.8 kg·hm-2、20.8%、26.1%下降為W3的2 512.3 kg·hm-2、15.8%、20.5%，花后光合產(chǎn)物對子粒的貢獻率由W1的73.9%上升為W3的79.5%；2015年花前營養(yǎng)器官貯藏物轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率、對子粒的貢獻率分別由W1的1 832.8 kg·hm-2、16.8%、27.7%下降為W3的1 281.2 kg·hm-2、6.8%、9.8%，花后光合產(chǎn)物對子粒的貢獻率由W1的72.3%上升到W3的92.8%(見表4)。2015年W2、W3、W4各處理的花前營養(yǎng)器官貯藏物轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率、對子粒的貢獻率明顯低于2014年，是由于2015年灌漿前期發(fā)生嚴重倒伏，導致營養(yǎng)器官儲存物質(zhì)向子粒轉(zhuǎn)移受阻造成的。增加拔節(jié)后滴水量，增加拔節(jié)至成熟期的干物質(zhì)積累量和花后光合產(chǎn)物對子粒的貢獻率，降低花前營養(yǎng)器官貯藏物對子粒的貢獻率；灌漿前期倒伏嚴重抑制花前營養(yǎng)器官貯藏物質(zhì)向子粒的轉(zhuǎn)移。

2014年

2015年

2.4 不同滴灌量處理對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表5和表6可見，隨著滴水量的增加，總耗水量增加，土壤貯水消耗量明顯減少(2014年、2015年W3土壤耗水量分別僅為W1的69%、79.4%)，增加穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終大幅度增加產(chǎn)量，兩年的變化趨勢一致；2014年W3較W1產(chǎn)量增加了15.9%，W2、W3、W4處理間產(chǎn)量差異不顯著，故適宜的滴水量為3 450 m3·hm-2(W2)，其產(chǎn)量為8 604.13 kg·hm-2，灌溉水利用效率為2.49 kg·m-3、水分利用效率為1.18 kg·m-3；2015年W3(W4)產(chǎn)量較高，并與W1、W2間差異顯著，故適宜滴水量為3 675 m3·hm-2(W3)，產(chǎn)量為6 737.37 kg·hm-2，灌溉水利用效率為1.83 kg·m-3、水分利用效率為0.97 kg·m-3。2015年產(chǎn)量較2014年明顯降低是因W3、W4處理在灌漿初期發(fā)生嚴重倒伏，大幅度降低千粒重的結(jié)果。2015年千粒重若按2014年值計算，產(chǎn)量則接近2014年。因此，增加拔節(jié)至成熟期間滴水量，增加冬小麥產(chǎn)量，卻降低水分利用效率，拔節(jié)至成熟期適宜為1 800～2 025 m3·hm-2(總滴水量為3 450～3 675 m3·hm-2)，可獲得6 737.37～8 604.13 kg·hm-2的產(chǎn)量。

圖2 各滴灌處理的葉面積指數(shù)(LAI)動態(tài)變化(2014—2015)

圖3 各滴灌處理春季光合勢(LAD)動態(tài)變化及總光合勢(2014—2015)

表3 不同滴灌處理干物質(zhì)積累/(kg·hm-2)

注：同列數(shù)據(jù)后不同大小寫字母表示處理間差異達1%和5%極顯著和顯著水平，下同。

Note: Values with different upercase(lowercase) letters in a column are significantly different at the levels ofP≤ 1% and 5%. The same as below.

表4 不同滴灌處理對花前營養(yǎng)器官貯藏物向子粒運轉(zhuǎn)率及貢獻率的影響

表5 不同滴灌處理的耗水構(gòu)成

表6 不同滴灌處理的產(chǎn)量和水分利用效率

注：2015年處理W3、W4發(fā)生嚴重倒伏。 Note: Serious lodging occurred for W3and W4treatments in 2015.

3 討 論

已有試驗結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，增加灌水量進而增加產(chǎn)量，但過量灌水反而會降低產(chǎn)量和水分利用效率[11]。高產(chǎn)條件下，冬小麥的產(chǎn)量與耗水量之間呈非線性關(guān)系[12]。增加冬小麥春季滴水量，增加總耗水量和產(chǎn)量，降低土壤貯水消耗量和水分利用效率[7]；在一定范圍內(nèi)，減少冬小麥滴灌量，產(chǎn)量下降不顯著,水分利用效率顯著提高[13]。本試驗結(jié)果表明，滴灌冬小麥拔節(jié)至成熟期間每次滴水量在225～900 m3·hm-2的范圍內(nèi)，隨著滴水量增加，增加總耗水量和土層濕潤深度，主要直接增加0～60 cm土層含水量，間接減少60～140 cm土層儲水消耗量；總滴水量為3 450～3 675 m3·hm-2(其中，拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期各450～675 m3·hm-2)，獲得產(chǎn)量6 737.4～8 604.1 kg·hm-2。

本研究2014—2015年試驗因6月上旬降雨量大，與2013—2014年相比，各處理少灌灌漿水。W4、W3處理在灌漿初期發(fā)生嚴重倒伏、后期貪青，營養(yǎng)器官儲存物質(zhì)向子粒轉(zhuǎn)移受阻，大幅度降低千粒重，產(chǎn)量和水分利用效率明顯下降。可見，在選擇抗倒伏性強的高產(chǎn)品種基礎(chǔ)上，適時適量施氮肥和灌水是實現(xiàn)滴灌冬小麥節(jié)水高產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

冬小麥總耗水由生育期間降水量、灌水量和土壤儲水消耗量三部分組成。其中，2013—2014年、2014—2015年在產(chǎn)量形成關(guān)鍵期(4—6月)的降水量分別為71.6、62.5 mm，分別占小麥整個生育期間總降水量的50.8%、49.2%，加上每次降水量很少，濕潤土層淺，小麥根系難于吸收利用。因此，降水量對新疆冬小麥產(chǎn)量形成作用很小。在土壤儲水量一致的條件下，影響小麥產(chǎn)量形成主要是灌水量。而冬小麥總灌水量由冬前灌水(出苗水、越冬水)和春灌(拔節(jié)水、孕穗水、開花水、灌漿水)組成。本文僅研究了春季不同滴水量對冬小麥干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。有關(guān)減少出苗水和越冬水量對冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響有待進一步研究。

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Waterconsumptionanddrymatteraccumulationanddistributionofwinterwheatunderdifferentdripirrigationamount

SUN Qian-kun1, ZHANG Jian-xin1, ZHAO Lian-jia1, XUE Li-hua2, DUAN Li-na1

(1.CollegeofAgronomy,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China; 2.GraincropsResearchInstituteoftheXinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

To research water consumption characteristics and dry matter accumulation and distribution for high yielding winter wheat in North Xinjiang, four drip irrigation amount treatments, i.e. W1(2 550, 2 325 m3·hm-2), W2(3 450, 3 000 m3·hm-2), W3(4 350, 3 675 m3·hm-2), and W4(5 250, 4 350 m3·hm-2), were applied in 2013—2014 and 2014—2015 years. We measured the leaf area index, photosynthetic potential, dry matter accumulation, and moisture contents at 0～140 cm soil layers. The results showed that increase in drip water amount improved moisture contents mainly at the 0～60 cm soil layers, while reduced the storage consumption of 60～140 cm soil layers with a range of 225～900 m3·hm-2from booting and filling stage. The consumption of W4was reduced by about 50% compared with W1, from booting and maturity stages. Increase in yield was not significant when total drip water amount being above 3 675 m3·hm-2. The effect of precipitation was very small on winter wheat yield, but irrigation amount played a decisive role in the yield and WUE of winter wheat. The proposed drip water amount was 3 450～3 675 m3·hm-2for the whole growth period of winter wheat in North Xinjiang, with a yield level of 6 737.4～8 604.1 kg·hm-2.

winter wheat; drip irrigation amount; water consumption; dry matter accumulation; yield; WUE

1000-7601(2017)03-0066-08doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.11

2016-04-01

：2016-11-07

：國家自然科學基金項目(31101121)；新疆農(nóng)業(yè)大學產(chǎn)學研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項目(xjaucxy-yjs-20151009)

孫乾坤(1991—),男，碩士研究生，研究方向為滴灌小麥節(jié)水栽培。 E-mail:1228217534@qq.com。

薛麗華(1978—)，女，副研究員，研究方向為作物高產(chǎn)栽培研究。 E-mail:xuelihua521@126.com。

S275.6

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