不同灌水定額下冬灌效應(yīng)及其隨時間的變化特征

馬武光，胡笑濤，周始威，王文娥，冉 輝

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

冬灌是促進小麥增產(chǎn)的有效措施之一[1]，其效應(yīng)可分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。作為一種灌溉措施，冬灌的直接效應(yīng)可認(rèn)為是提升農(nóng)田土壤水儲量、改善土壤水分狀況[2-4]。而對于小麥生長及產(chǎn)量的影響則可認(rèn)為是冬灌的間接效應(yīng)。已有研究表明，適宜的土壤水分狀況可防止凍害[5]，有利于根系活力的維系，可增加小麥的分蘗，從而增加小麥產(chǎn)量[6,7]?？梢?，間接效應(yīng)的實現(xiàn)是以直接效應(yīng)為基礎(chǔ)的。冬灌效應(yīng)也受時間影響，其中，冬灌的直接效應(yīng)隨時間逐漸消退，直至某一時刻冬灌補充水分消耗殆盡，效應(yīng)消失，而間接效應(yīng)并未隨直接效應(yīng)的消失而消失，有可能作用至生育期末。

灌水量是灌溉的重要指標(biāo)。通過控制灌水量可以調(diào)控土壤水分含量及空間分布, 以此調(diào)節(jié)根系生長分布[8,9]。而根系作為作物吸收水分、養(yǎng)分的組織器官，其生長分布的變化也會影響到作物的生長及水分利用狀況?？梢姡喽~的差異勢必會對冬灌效應(yīng)產(chǎn)生影響。

本研究以陜西楊凌地區(qū)冬小麥為研究對象，以不同灌水定額進行冬灌，分析不同冬灌定額下農(nóng)田土壤水分時空變化及作物生長狀況，探究灌水定額對冬灌效應(yīng)及其隨時間變化特征的影響，篩選最優(yōu)冬灌定額，為實現(xiàn)科學(xué)灌溉、提高作物水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及試驗設(shè)計

大田試驗于2012年10月-2013年6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點開放試驗室進行。試驗區(qū)位于陜西省楊凌區(qū)(34°17′N，108°04′E)，屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤半干旱氣候，區(qū)域年平均氣溫為12.9 ℃，歷年平均日照時數(shù)為2 094.9 h，多年平均降雨量在650 mm左右，主要集中在6-9月，年平均蒸發(fā)量可達1 500 mm左右。土壤質(zhì)地為壚土，容重為1.35 g/cm3，田間持水量為 32.4%(體積含水率)。冬小麥生育期內(nèi)共9次有效降雨[10](降雨量大于5 mm)，且集中于抽穗灌漿期，最大降雨達72.4 mm(5月25日)。

試驗區(qū)種植的冬小麥品種采用當(dāng)?shù)胤€(wěn)產(chǎn)小麥品種—“小偃22”，試驗設(shè)置不同冬灌定額，灌水方式為畦灌。冬灌定額設(shè)3個水平，分別為45 mm(T1)、75 mm(T2)和105 mm(T3)，各處理均于越冬前(1月2日)進行灌溉，其余生育階段不做灌水處理。每個處理3個重復(fù)，共計9個小區(qū)，各試驗小區(qū)面積為96 m2(16 m×6 m)，每個小區(qū)隨機分布并設(shè)保護行。冬小麥于10月17號播種，播種密度為250 萬株/hm2，采用機器條播，行距為15 cm，冬小麥于次年6月1日收獲，生育期共227 d。灌溉水量采用精度為0.001 m3的水表控制，整個生育期不施肥，各小區(qū)的其他條件及管理措施均與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.2 測定項目和方法

1.2.1 土壤含水率測定

土壤含水率采用取土烘干法進行測定，使用直徑為3.5 cm土鉆取土，測量深度為100 cm，間隔10 cm，每周測定一次，在灌水與強降雨前后加測一次。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)測定

氣象數(shù)據(jù)由試驗區(qū)內(nèi)的楊凌氣象站采集，主要包括日最高氣溫、最低氣溫，大氣相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射和降雨時間及降雨量的情況。

1.2.3 作物生長指標(biāo)測定

(1)物候期觀測。物候期是指作物的生長發(fā)育等規(guī)律對季節(jié)氣候的反應(yīng)，冬小麥主要生育期有苗期、分蘗期、越冬期、返青-起身期、拔節(jié)-孕穗期和灌漿-成熟期，根據(jù)各生育期冬小麥生長狀態(tài)，以全試驗區(qū)50%以上植株進入該生育期為標(biāo)志，劃分冬小麥主要生育期起止時間，如表1所示。

表1 冬小麥物候期 d

注：DAP表示冬小麥播種后天數(shù)(Day after plant)。

(2)株高葉面積。在小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別于各小區(qū)隨機取10株能代表小區(qū)整體長勢的植株作為測量樣本，使用精度為0.01 m的卷尺測量其株高、葉長及葉寬，結(jié)果取平均值。計算葉面積時，采用長寬系數(shù)法。單株葉面積計算公式為：

(1)

式中：A為每株小麥的總?cè)~面積；n為每株小麥的葉片總數(shù)；li和di分別為第i片葉片長和寬；α為葉面積折算系數(shù)，取0.78[11]。

(3)根重密度。在冬小麥灌漿期(5月15日)進行1次根系取樣，在各小區(qū)隨機選取3株小麥取根樣。以樣本根莖為中心，用直徑為7 cm，高為10 cm的根鉆取根，取樣深度為1 m，間隔10 cm。將取出根樣用水浸泡、清洗、去除死根，得到干凈根系樣品，置75 ℃烘箱烘干，用精度為0.01 g的電子天平稱其質(zhì)量。

根重密度為單位土壤體積的根重，反映作物在某一土壤層次根系的多少，單位為g/cm3計算公式為[12]：

RDw=Wd/Vs

(2)

式中：RDw根重密度，g/cm3；Vs為取得的含有根系的土體(包括根)樣品體積，cm3；Wd為該土體所含根系總重，g。

(4)作物產(chǎn)量。在冬小麥成熟時于各小區(qū)單獨收獲，脫粒后計產(chǎn)，每個小區(qū)測產(chǎn)面積為1 m2(1 m×1 m)，每個處理3次重復(fù)測產(chǎn)，取平均值得到各處理實際產(chǎn)量。

1.3 水分利用效率計算

水分利用效率=單位面積籽粒產(chǎn)量/單位面積作物耗水量。作物耗水量根據(jù)水量平衡法計算[13]：

M=W1-W2+I+P-Dp

(3)

式中：M為作物耗水量，mm；W1為某一階段初土壤含水量，mm；W2為某一階段末土壤含水量，mm；I為階段灌水量，mm；P為階段有效降雨量，mm；Dp為深層滲漏量，mm， 關(guān)中地區(qū)1 m土層無深層滲漏，即Dp=0。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2007進行分析、繪圖。采用SPSS22.0軟件進行單因素方差分析，利用LSD(Least Significant Difference)方法進行顯著性差異比較(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬灌的直接效應(yīng)

圖1為不同冬灌定額情況下0～1 m土層的平均土壤含水量隨時間變化情況(圖1中的水平虛線是冬灌前0～1 m土層平均土壤水分含量)。由圖1可知，各處理0～1 m土層平均土壤含水量在冬灌處理前基本相等，冬灌(77 DAP)后，土壤含水量顯著提高，且灌水量越高，土壤水分增加效果越明顯。灌水后土壤含水量垂直分布情況見圖2(a)，各處理土壤水分補充量隨土壤深度的增加而減小，但各處理間土壤水分隨土壤深度的變化差異明顯，在0～30 cm處土壤水補充量表現(xiàn)為T1T2>T1。在冬小麥返青拔節(jié)期(122 DAP)，各處理土壤含水量均有所降低，但空間分布無明顯差異，如圖2(b)所示，各處理在0～20 cm土層含水量較灌水后下降幅度較大，其余土層含水量除T3有一定幅度下降外，均無明顯下降。至播種后150 d左右時(圖1)，T1和T2處理0～1 m土層土壤含水量下降至灌前水平，T3較前二者約晚10 d到達灌前水平，至此冬灌水量消耗殆盡。且由圖2(c)可知，T2和T3土壤30～60 cm土層含水率仍明顯高于灌前水平，其余土層土壤含水量略高于或低于灌前水平。在播種后200 d左右，各處理0～1 m土層土壤含水率降低到同一水平，隨后出現(xiàn)較大的連續(xù)降雨事件，各處理土壤含水率顯著提高，且處理間差異不顯著。

圖1 0～1 m土層土壤含水量隨時間的變化情況Fig.1 0～1 m soil moisture changes with time

圖2 不同時期土壤垂直方向的水分動態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of the vertical direction of soil moisture in different periods

2.2 冬灌的間接效應(yīng)

2.2.1 根重密度

根重密度是反映土層根系分布多少的重要參數(shù)，已有研究表明土壤水分條件下作物根系分布存在明顯差異[12,13]，馮廣龍[14]等通過人工控制土壤水分剖面調(diào)控根系分布。圖3為各處理分層根重密度情況，由圖3(a)可知，在0～50 cm土層，各處理根重密度規(guī)律表現(xiàn)為T1

圖3 灌漿期各處理分層根重密度及根重比例分布Fig.3 Distribution of stratified root weight density and root weight ratio at filling stage

2.2.2 株高及葉面積

各處理全生育期內(nèi)冬小麥最大株高及最大葉面積指數(shù)見圖4。由圖4可知，各處理冬小麥最大株高基本一致，處理間無顯著性差異。而最大葉面積指數(shù)大小規(guī)律表現(xiàn)為T1

2.2.3 生物量、產(chǎn)量及水分利用效率

水分利用效率是衡量作物耗水和產(chǎn)量轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)，尤其在干旱半干旱地區(qū)，水分利用效率的提高意味著農(nóng)業(yè)用水的節(jié)約。表2為不同處理冬小麥耗水量、產(chǎn)量、和水分利用效率情況，由表2可知，各處理間耗水量有較大差異，表現(xiàn)為T1T2>T3，且T1與T3差異顯著(P<0.05)?？梢?，不同冬灌定額會造成冬小麥耗水差異，而產(chǎn)量并未受到顯著影響，小定額冬灌有利于水分利用效率的提高。

表2 不同處理冬小麥產(chǎn)量、收獲指數(shù)、水分利用效率Tab.2 The yield, harvest index, water use efficiency of winter wheat in different treatment

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié) 語

冬灌能夠有效補充田間土壤水分，灌水量越大，水分補充效果越明顯，但隨著土層深度的增加，各層補充水量逐漸減小。隨著時間的推移，冬灌補充水量逐漸被消耗，且不同冬灌定額水分消耗規(guī)律一致，在垂直方向上水分消耗的先后順序為：淺層(0～20 cm)-深層(70～100 cm)-中層(30～60 cm)。但由于不同冬灌定額對田間土壤水分補充量的不同導(dǎo)致作物生長有一定差異。試驗結(jié)果表明：冬灌灌水量越高，上層土壤(0～50 cm)根系密度越大，根占比也越大，這與馮廣龍[8]等和王淑芬[8]等的研究一致，而下層土壤(50～100 cm)根系情況反之，這是因為高含水量為冬小麥根系生長提供了良好的水環(huán)境，促進冬小麥根系生長。而隨土層深度的增加，雖然仍保持較高含水量，但由于遠(yuǎn)離地面，土壤高含水量導(dǎo)致土體水汽條件不協(xié)調(diào)，反而抑制冬小麥根系生長，從而使低灌水量處理小麥根系在下層土壤生長較優(yōu)。在植株形態(tài)方面，各處理冬小麥最大株高基本保持一致，無顯著差異，而最大葉面積指數(shù)則隨著冬灌定額的增大而增大，且T1與T3間差異顯著(P<0.05)，這說明株高對前期土壤水分不敏感，而葉面積對土壤水分的敏感程度較強，周始威等[16]在對石羊河流域春玉米進行研究時也得出類似結(jié)論。試驗結(jié)果表明不同冬灌定額下冬小麥產(chǎn)量差異不顯著。而耗水量卻有較大差異，以水分利用效率為判別指標(biāo)，本文認(rèn)為關(guān)中地區(qū)冬小麥冬灌水量為45 mm最宜。