測墑補(bǔ)灌對(duì)新麥26產(chǎn)量、品質(zhì)及耗水特性的影響

李曉航,蔣志凱

(1.河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000)

黃淮平原小麥產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的75%[1]，該地區(qū)年均小麥播種面積約為全國總面積的62%[2]。但是從我國的水系分布圖可以看出，該地區(qū)水資源量僅占全國水資源總量的7.7%，人均占有量也僅占全國平均水平的20%。黃淮地區(qū)的降雨在時(shí)空上分布不均，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水有65%可以來源于降雨，全年總降雨量的70%以上集中在7—9月份，但是冬小麥的生育關(guān)鍵期降水偏少，無法滿足冬小麥整個(gè)生育期的需水量，需通過補(bǔ)充灌溉以填補(bǔ)其虧缺部分[3]。補(bǔ)充灌溉可以緩解該區(qū)域小麥生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展中遇到的問題，大力推廣高效節(jié)水栽培技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。

提高冬小麥水分利用效率和產(chǎn)量，必須要優(yōu)化灌溉制度，以前的很多研究多集中在灌水量、灌溉頻率及灌水時(shí)間對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響方面[4-6]。土壤貯水、降水和灌溉水是冬小麥生育期內(nèi)消耗水的主要來源。隨著灌水量增加，總耗水量升高，土壤貯水消耗量與灌水量呈負(fù)相關(guān)[7-9]。冬小麥需水關(guān)鍵期為小麥拔節(jié)～抽穗期，此時(shí)土壤缺水可嚴(yán)重影響產(chǎn)量[10-13]。通過在冬小麥的越冬期、拔節(jié)期、開花期灌水可實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率[14]。關(guān)于灌溉對(duì)冬小麥品質(zhì)的影響前期研究表明，“少量多次”灌溉可實(shí)現(xiàn)作物節(jié)水增效及品質(zhì)改善的目標(biāo)[15]。Shao等[16]研究表明，小麥生育期內(nèi)灌水90 mm可實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量，如果灌水量過多則會(huì)顯著引起產(chǎn)量和水分利用效率的降低。王曉英等[17]的研究結(jié)果得出，灌水頻率會(huì)顯著影響冬小麥的品質(zhì)，籽粒蛋白和濕面筋含量會(huì)隨著灌水頻率的增加而提高[17]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，在冬小麥不同生育時(shí)期設(shè)置不同水分控制下限，根據(jù)0～40 cm耕層土壤中的水分含量進(jìn)行補(bǔ)充灌溉以滿足冬小麥對(duì)水分的需求，研究各個(gè)測墑補(bǔ)灌處理對(duì)冬小麥耗水特點(diǎn)及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，以期待為實(shí)現(xiàn)測墑補(bǔ)灌高效灌水技術(shù)的大力推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2016年在新鄉(xiāng)市農(nóng)科院輝縣試驗(yàn)基地(36°9′N，113°7′E)進(jìn)行，小麥播種前0～20 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì)14.14 g·kg-1、全氮1.08 g·kg-1、速效磷11.39 mg·kg-1、速效鉀111.2 mg·kg-1、pH 8.16。小麥播種前沒有進(jìn)行底墑水灌溉，采用國內(nèi)通用環(huán)刀法測定田間持水量。地下水位在5 m以下，試驗(yàn)地土壤0～140 cm各土層田間持水量和土壤容重見表1，小麥生長全生育期的降水量見表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)強(qiáng)筋小麥新麥26。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，W0為小麥全生育期不澆水處理，Wck為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉處理即采用田間畦灌(土壤表面出現(xiàn)積水即為灌溉完成)，W70、W75和W80為烘干法測墑補(bǔ)灌處理，即根據(jù)烘干法測定冬小麥在拔節(jié)期和開花期0～40 cm土層深度的實(shí)測含水量與70%、75%、80%的目標(biāo)相對(duì)含水量之間的差值為單次灌水量。各測墑補(bǔ)灌處理的測墑深度、補(bǔ)灌時(shí)期及補(bǔ)灌的目標(biāo)相對(duì)含水量如表3所示。本試驗(yàn)運(yùn)用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積2.6 m ×9 m，每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)之間設(shè)置隔離區(qū)，隔離區(qū)不灌水，其他管理措施與大田相同。試驗(yàn)地塊四周設(shè)置有保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)同樣不灌水。小區(qū)在田間的排列參照?qǐng)D1。由于測墑補(bǔ)灌每次灌水量一般較少，不宜采用畦田漫灌的形式，可沿畦田方向，人工拖動(dòng)輸水帶在田間噴灑，用水表計(jì)量實(shí)際灌水量，逐個(gè)小區(qū)灌溉，完成整畦灌水。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水率 采用烘干法測定土壤含水率：用土鉆分層取土，每20 cm為一層，取土后立即裝入鋁盒，蓋好蓋子，以防水分散失。先稱鋁盒與土壤鮮重的總重量，然后置于烘箱中，105℃烘干12 h至恒重，稱土壤干重和鋁盒重，按以下公式計(jì)算土壤質(zhì)量含水量和相對(duì)含水量。土壤質(zhì)量含水量=(土壤鮮重-土壤干重) /土壤干重×100%。土壤相對(duì)含水量=土壤質(zhì)量含水量/田間持水量×100%。

表1 2015—2016年播種前各土層田間持水量和土壤容重

表2 小麥各個(gè)生育時(shí)期的降雨量/mm

表3 各處理測墑深度、補(bǔ)灌時(shí)期和目標(biāo)相對(duì)含水量

保護(hù)區(qū)Protectionzone保護(hù)區(qū)Protection zoneW0隔離區(qū)Isolation areaWck隔離區(qū)Isolation areaW70隔離區(qū)Isolation areaW75隔離區(qū)Isolation areaW80保護(hù)區(qū)Protection zone隔離區(qū)Isolationarea保護(hù)區(qū)Protection zoneW80隔離區(qū) Isolation areaW75隔離區(qū)Isolation areaW70隔離區(qū)Isolation areaWck隔離區(qū) Isolation areaW0保護(hù)區(qū)Protection zone隔離區(qū)Isolationarea保護(hù)區(qū)Protection zoneW80隔離區(qū)Isolation areaW75隔離區(qū) Isolation areaW70隔離區(qū) Isolation areaWck隔離區(qū) Isolation areaW0保護(hù)區(qū)Protection zone保護(hù)區(qū)Protectionzone

1.3.2 小麥需水時(shí)期補(bǔ)灌量測定 測墑補(bǔ)灌是根據(jù)小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的需水特點(diǎn)，設(shè)定關(guān)鍵生育時(shí)期的目標(biāo)土壤相對(duì)含水量，根據(jù)目標(biāo)土壤相對(duì)含水量和實(shí)測的土壤含水量，利用公式計(jì)算需要補(bǔ)充的灌水量。2

補(bǔ)灌水量(m3·666.7m-2)=20aH(B1-B2)/3

式中,a為測墑土層土壤平均容重(g·cm-3)，H為測墑土層深度(cm)，B1為目標(biāo)土壤質(zhì)量含水量(田間持水量乘以目標(biāo)土壤相對(duì)含水量)；B2為灌溉前土壤質(zhì)量含水量。

1.3.3 各生育時(shí)期群體總莖數(shù)調(diào)查 于冬前、返青、拔節(jié)、開花期定點(diǎn)調(diào)查群體總莖數(shù)。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素 將1 m×1 m樣方內(nèi)的小麥全部收獲脫粒，待籽粒自然風(fēng)干至含水率為12.5%時(shí)稱量。此外，另取3個(gè)長度為50 cm 樣段，測定穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量。

1.3.5 小麥籽粒品質(zhì)測定 利用新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室器材，用旋風(fēng)磨(Foss公司，美國)制作全麥粉。利用2200型面筋數(shù)量和品質(zhì)測定系統(tǒng)(erten公司，瑞典)，按GB/T 5506.2—2008方法測定濕面筋含量；用Perten Centdfuge 2015離心機(jī)的面筋篩測定面筋指數(shù)，即面筋篩上留存的面筋/(面筋篩上留存的面筋+過篩的面筋)×100。

1.3.6 麥田耗水量

麥田耗水量(mm)=小麥全生育期總灌水量(mm)+小麥全生育期有效降水量(mm)+小麥全生育期土壤貯水消耗量(mm)

首先，記錄小麥生育期間降水量和灌水量。小麥全生育期土壤貯水消耗量為0～200 cm土層土壤貯水消耗量，按照下式計(jì)算：

土壤貯水消耗量(mm)=10×(0～200 cm土層土壤平均容重)×200×(播種期灌水前0～200 cm。土層平均質(zhì)量含水量-成熟期0～200 cm土層平均質(zhì)量含水量)

1.3.7 水分利用效率和灌溉水效益的計(jì)算

水分利用效率指麥田每消耗1 mm水生產(chǎn)的小麥籽粒產(chǎn)量，表示水分利用程度的高低。

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產(chǎn)量÷麥田耗水量；

灌溉水利用效率IWUE(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產(chǎn)量÷灌溉水量;

灌溉效益IB(kg·hm-2·mm-1)=灌溉后增加的籽粒產(chǎn)量÷灌溉水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的新麥26全生育期群體變化的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖2可得，不同處理下的新麥26群體數(shù)量變化規(guī)律一致，在拔節(jié)期群體數(shù)量達(dá)到最高值。本年度冬季土壤墑情較好， W0、Wck、W70、W75、W80五個(gè)處理在越冬期群體數(shù)量均為1 000萬～1 100萬蘗·hm-2，不同處理之間沒有出現(xiàn)顯著差異。后期根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)補(bǔ)灌量處理的不同，冬小麥發(fā)育受到土壤含水量的水分調(diào)控，開始出現(xiàn)差異，尤其到開花期W0處理由于完全沒有灌水，冬小麥生長發(fā)育受到水分脅迫，群體數(shù)量顯著低于其它灌水處理。但是Wck和W80屬于“高水”處理，兩者差異不顯著，W70和W75可以滿足冬小麥生長需水量，兩個(gè)處理下的冬小麥并未出現(xiàn)群體分蘗顯著減少，造成最后的減產(chǎn)。由此可得，冬小麥在拔節(jié)、開花期的水分處理控制下限在70%～75%是適宜的。

2.2 不同測墑補(bǔ)灌處理的補(bǔ)灌量比較

由表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，依據(jù)冬小麥需水關(guān)鍵期的0～40 cm土壤含水量和試驗(yàn)設(shè)置的目標(biāo)含水量計(jì)算出補(bǔ)充灌水量有所不同。由于播種時(shí)期的墑情較好和冬季降水滿足冬小麥出苗期和越冬期的水分需要，土壤含水量達(dá)到了目標(biāo)含水量因而未進(jìn)行底墑和越冬期灌水。Wck、W70、W75、W80四個(gè)灌水處理在兩次灌水量和總灌水量之間差異顯著，即Wck>W80>W75>W70。Wck處理的灌水標(biāo)準(zhǔn)則是依據(jù)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)是否出現(xiàn)積水。當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌水量一般在60mm左右，這種灌溉通常超過田間持水量造成土壤徑流和滲水，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。W70、W75、W80根據(jù)土壤實(shí)際墑情和試驗(yàn)設(shè)定的目標(biāo)含水量進(jìn)行灌溉，這三個(gè)處理下得出的拔節(jié)期灌水量普遍低于開花期灌水量，即冬小麥生育前期測墑補(bǔ)灌量偏少，在開花期補(bǔ)灌需水量增加顯著。這是由于開花后光合作用增強(qiáng)，氣溫升高使蒸騰作用加強(qiáng)，作物需水量較大，但是只需保證正常生長需求即可，否則過多的無效蒸騰蒸發(fā)加劇水量消耗。在冬小麥需水關(guān)鍵期(拔節(jié)期、開花～灌漿期)及時(shí)進(jìn)行適當(dāng)水量補(bǔ)充，契合冬小麥生長發(fā)育的需水規(guī)律，實(shí)現(xiàn)水分高效利用[18]。

圖2 不同測墑補(bǔ)灌處理對(duì)冬小麥群體的影響Fig.2 Effect of different sputum irrigation treatments on winter wheat population

2.3 不同測墑補(bǔ)灌處理對(duì)0～200 cm土層土壤貯水消耗量的影響

從圖3可以看出，Wck處理在0～40 cm淺土層的土壤貯水消耗量顯著高于其它灌水處理。過多的水分處理不利于小麥縱向生長、吸收深層土壤水，使得淺層根系發(fā)育過旺，淺層土壤貯水消耗量偏多；所有處理中0～80 cm土層中的土壤貯水消耗量較多，80～200 cm土層土壤貯水消耗量較少。這說明0～80 cm土層中的水分是冬小麥生長發(fā)育所需水分的主要來源。而且5個(gè)處理均表現(xiàn)出在0～60 cm土層中的土壤貯水消耗量隨著土層加深不斷增加，60～200 cm土層則隨著土層深度的增加土壤貯水消耗量減少。W80處理0～60 cm土層的土壤貯水消耗量顯著高于W70、W75，在140～180 cm土層的土壤貯水消耗量則顯著小于W70、W75。Wck與W80處理在0～200 cm各個(gè)土層中土壤貯水消耗量沒有顯著性差異，Wck和W80的“高水”處理不利于冬小麥對(duì)深層土壤中水分的利用，不利于冬小麥根系的縱向生長。

表4 不同處理冬小麥不同生育期的補(bǔ)灌量及全生育期總灌水量/mm

2.4 不同測墑補(bǔ)灌處理冬小麥耗水量及其占總耗水量比例

如表5所示，在2015—2016年冬小麥生長季，各個(gè)灌水處理下冬小麥整個(gè)生育期總耗水量顯著大于W0不灌水處理，土壤水和降水占總耗水量的比重較大。其中3個(gè)測墑補(bǔ)灌處理(W70、W75、W80)的降水利用比例和土壤水利用比例都高于傳統(tǒng)灌溉處理，尤其是對(duì)降水的利用比例顯著高于傳統(tǒng)灌水高于傳統(tǒng)灌水處理，各處理對(duì)降水的利用比例大小依次是W0>W70>W75>W80>Wck，不同處理之間差異顯著；土壤水是作物生長和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，長期過多的依賴消耗土壤水勢必會(huì)影響土壤中生態(tài)環(huán)境，測墑補(bǔ)灌處理隨著水分控制下限的提高加大了對(duì)土壤水的消耗，因此要選擇適宜的水分控制下限，這樣既能滿足作物生長發(fā)育的需求又不破壞土壤水環(huán)境。水分虧缺促進(jìn)冬小麥對(duì)降水的利用以維持正常的生長發(fā)育。以上結(jié)果表明，W70、W75、W80依據(jù)0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量進(jìn)行測墑補(bǔ)灌，其補(bǔ)灌量均較Wck處理的補(bǔ)灌量小，促進(jìn)了冬小麥對(duì)土壤貯水和降水的吸收利用，有利于節(jié)約灌溉水

2.5 不同測墑補(bǔ)灌處理對(duì)冬小麥籽粒品質(zhì)的影響

根據(jù)表6得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，冬小麥籽粒容重在W0處理下顯著低于其他灌水處理，嚴(yán)重的水分虧缺會(huì)造成冬小麥后期籽粒灌漿不足，造成籽粒容重降低。隨著目標(biāo)土壤相對(duì)含水量的增加，籽粒容重亦隨之增大，呈現(xiàn)變化規(guī)律為W80> W75> W70，W75與W80處理之間差異不顯著，W70與W80之間差異顯著，W75、W80與Wck相比則沒有出現(xiàn)籽粒容重顯著降低。三個(gè)測墑補(bǔ)灌處理對(duì)冬小麥實(shí)施在特定生育時(shí)期水分限量供應(yīng)并沒有對(duì)籽粒容重產(chǎn)生影響。當(dāng)目標(biāo)土壤相對(duì)含水量設(shè)定在75%～80%之間時(shí)，既可以減少灌溉水的投入，又不會(huì)影響籽粒容重。就不同灌水處理對(duì)籽粒濕面筋的影響而言,W70、W75、W80三個(gè)處理與Wck相比顯著提高了冬小麥的濕面筋含量。面筋指數(shù)則是灌水處理(Wck、W70、W75、W80)都大于未灌水處理(W0)，且W70、W75、W80處理下的面筋指數(shù)高于Wck，這與前人研究得出冬小麥在適宜的節(jié)水灌水處理下有利于籽粒品質(zhì)改善的結(jié)論一致[19]。

2.6 不同測墑補(bǔ)灌處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

Wck處理下的籽粒產(chǎn)量最高，為7 515 kg·hm-2,顯著高于W0、W70、W80處理，但與W75處理差異不顯著。在W70、W75、W80 、Wck處理下隨著灌水量的增加，籽粒產(chǎn)量不斷增加，增加幅度變小。測墑補(bǔ)灌處理下的水分利用效率、灌溉水利用效率、灌溉效益都高于常規(guī)傳統(tǒng)灌溉處理，尤其是灌溉水利用效率和灌溉效益均顯著提高。在三個(gè)水分控制下限的不斷增大情況下，補(bǔ)灌處理的灌溉水利用效率卻是顯著降低。水分利用效率和灌溉效益的最大值出現(xiàn)在W75處理下，灌溉水利用效率的最大值則出現(xiàn)在W70處理下。可表明冬小麥需水關(guān)鍵期將其水分下限控制在70%～75%范圍內(nèi)較為合適。隨之可得：在冬小麥生育需水關(guān)鍵期，適當(dāng)?shù)乃置{迫可增加其對(duì)水分的利用效率，促使水分較多地用于籽粒形成的生理過程，測墑補(bǔ)灌有益于提高地面灌溉的精確度和灌溉質(zhì)量，減少水資源浪費(fèi)。

圖3 不同測墑補(bǔ)灌處理對(duì)各個(gè)土層土壤貯水消耗量Fig.3 Soil water consumption in each soil layer by different irrigation treatments

表5 不同處理耗水來源及其占總耗水量的比例

表6 2015—2016年度不同灌水處理下冬小麥的籽粒特性

表7 不同灌水處理冬小麥籽粒產(chǎn)量、水分利用效率

3 討論與結(jié)論

為解除河南北部冬小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的限制瓶頸，提高水分利用效率、維持產(chǎn)量穩(wěn)定和改良品質(zhì)必須改進(jìn)傳統(tǒng)灌溉方式。尋求冬小麥合理的需水關(guān)鍵期以及適宜的灌水量也是降低其生育期耗水量及提高水分利用效率的主要途徑。易立攀等[20]得出:依據(jù)0～40 cm土層測墑補(bǔ)灌不僅在生產(chǎn)上易實(shí)現(xiàn),而且有利于減少補(bǔ)灌量，促進(jìn)對(duì)深層土壤水的消耗。前人研究認(rèn)為，越冬水和拔節(jié)水是強(qiáng)筋小麥需水關(guān)鍵時(shí)期，不主張花后灌水[21]。拔節(jié)期灌水處理100 cm土層以下的土壤水利用效率高于其它生育時(shí)期灌水[22]。本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)定在冬小麥需水關(guān)鍵時(shí)期(拔節(jié)期、開花期),通過測定0～40 cm 土層墑情進(jìn)行不同水分下限的精準(zhǔn)補(bǔ)灌。本研究結(jié)論得出，W70、W75、W80三個(gè)處理拔節(jié)期補(bǔ)灌量均少于開花期，隨著補(bǔ)灌量增加，土壤貯水消耗量、土壤水利用效率和深層土壤水利用量減少。明確以土壤墑情為前提進(jìn)行補(bǔ)灌有利于冬小麥抗旱鍛煉，增強(qiáng)對(duì)土壤水和降水的利用，降低對(duì)灌溉水的依賴程度。

有研究表明，冬小麥籽粒品質(zhì)會(huì)由于生育后期灌水而降低，籽粒中蛋白質(zhì)含量隨著灌水量的增加顯著減少[23-24]。王晨陽等[25]研究結(jié)論得出，花后灌水量增加造成籽粒各品質(zhì)性狀顯著減低[25]。W70、W75、W80處理下的濕面筋含量和面筋指數(shù)均高于Wck處理，由此得出，一定程度下的水分虧缺有利于品質(zhì)的提高。在降水量為174.5 mm前提下，W75處理下的總灌水量為66.79 mm，籽粒產(chǎn)量為7 355 kg·hm-2，比傳統(tǒng)灌溉補(bǔ)灌量減少44%，而籽粒產(chǎn)量無顯著減少，水分利用效率、灌溉水利用率、灌溉效益都顯著提高。綜合考慮籽粒產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)和水分利用效率等因子，在本試驗(yàn)條件下的W75處理是最佳處理。本試驗(yàn)根據(jù)土壤墑情和冬小麥本身需水特性相結(jié)合來確定灌水量，充分發(fā)揮降水和土壤貯水的作用，最終可實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)高效的節(jié)水栽培模式。該模式并未增加過多復(fù)雜程序和成本投入，便于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，是改良地面灌溉的新方式。此研究是基于河南北部氣候土壤條件，對(duì)該地區(qū)強(qiáng)筋小麥新麥26具有參考價(jià)值，但如果加大推廣面積還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，切實(shí)解決不同地域農(nóng)業(yè)灌溉問題。