滴灌冬小麥不同滴灌量土壤水分時空分布及冠層特征響應

賽力汗·賽，陳傳信，薛麗華，張永強，雷鈞杰，陳興武，王志敏

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，北京 100193)

0 引 言：

【研究意義】滴灌條件下，水分圍繞滴頭向四周擴散，水分入滲淺且分布在作物根系周圍，其水分利用效率顯著高于漫灌(Wood M L，2006；Alam B，2000；Alexiou I，2003)[1,2,3]。有研究結(jié)果認為，滴灌小麥根系主要吸收0～60 cm土層水分，苗期、分蘗期主要消耗0～40 cm土層水分，拔節(jié)期后主要消耗0～60 cm土層水分，80～100 cm土層含水率變化不大；春小麥生育期耗水量為523.53 mm。分析其各階段耗水比例和耗水強度認為拔節(jié)期和抽穗期為小麥需水關鍵期，尤其在抽穗期對水分最敏感[4]；在不同滴管帶配置春小麥土壤水分變化及對其生長和產(chǎn)量的影響認為：在相同灌水情況下，不同滴管帶配置造成了土壤水分分布特征的差異，引起作物對灌溉水利用效率的差異，研究灌溉冬小麥不同滴灌量土壤水分時空分布及冠層特征響應?！厩叭搜芯窟M展】影響滴灌春小麥的株高、葉面積系數(shù)及產(chǎn)量[5]；王克全等[6]研究了株高、葉面積指數(shù)隨灌水量的變化趨勢問題，認為株高和葉面積指數(shù)隨灌水量的增加而增加；姜國軍等[7]在滴灌春小麥1管5行種植模式下，距滴灌毛管水平距離不同行小麥長勢具有明顯差異,灌溉定額的增加對近行與中遠行小麥生長的影響不大，但顯著促進遠行小麥的生長；蔣桂英等[8]，研究不同灌水頻率對農(nóng)田土壤水分分布及春小麥水分利用效率的影響認為，全生育期灌水量為375 mm，高頻灌溉(每4 d 1次)處理0～40 cm土層含水率和土壤貯水量較高，而深層(40～100 cm)土壤較低；低頻灌溉(每10 d 1次)處理有利于水分的下滲和側(cè)滲，深層土壤含水率和土壤貯水量較高，但表層土壤含水率和貯水量偏低；認為每7 d滴1次水有利于水分在土壤剖面中的均勻分配，有利于作物生長，產(chǎn)量和水分利用效率都高于低頻和高頻滴灌；(吳巍等[9]在池栽條件下研究了滴灌與壟溝耕作條件下冬小麥田間土壤水分的動態(tài)變化認為:滴灌對0～60 cm土壤水分含量影響比較明顯，0～30 cm土壤水分含量在整個生育時期內(nèi)變化最為劇烈，90～120 cm層次的土壤水分含量最穩(wěn)定。冬小麥的灌漿期是其活躍的耗水期，其次是抽穗期。也有對新疆小麥常規(guī)漫灌與滴灌條件下的生理特性、耗水規(guī)律、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量構(gòu)成因素、根系分布特征等探索研究[10-13]?！颈狙芯壳腥朦c】目前研究以春小麥較多；部分內(nèi)容在高頻滴灌、滴灌次數(shù)多、滴灌量偏大等條件下進行研究，從減少勞務投入次數(shù)、輕簡化管理、提高勞動生產(chǎn)率、灌溉水合理分配、節(jié)約用水等實用性角度來看，缺乏對生產(chǎn)實踐的理論指導意義和參考應用價值。小麥滴灌條件下土壤水分時空分布對小麥生長發(fā)育的影響，缺水診斷及滴灌參考指標等還需要進一步探索研究和完善。【擬解決的關鍵問題】以北疆生產(chǎn)上推廣應用最多的1管4行(滴灌帶間距60 cm，隔4行小麥1條滴灌帶),研究滴灌量對冬小麥農(nóng)田土壤水分隨時間和空間的分布狀況以及冠層結(jié)構(gòu)特性的響應， 為滴灌冬小麥高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)、確定滴灌量、科學灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2011～2012年在新疆農(nóng)業(yè)科學院瑪納斯農(nóng)業(yè)試驗站(E85°34′～86°43′，N43°28′～45°38′)進行，該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候區(qū)。全年無霜期165～172 d；小麥生育期平均降水量167.2 mm。試驗地土壤為沙壤土，0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量為：全氮1.02 g/kg、堿解氮75.0 mg /kg、有效磷13.1 mg /kg、速效鉀135.0 mg /kg、有機質(zhì)15.6 g/kg。表1

表1 冬小麥播種前土壤容重和田間持水量
Table 1 Soil bulk density and soil water content before sowing of winter wheat

指標Index土層深度 Soil layers (cm)1020406080100120140土壤容重Soil bulk density(g/cm)1.381.51.451.431.431.461.461.51田間持水量Field capacity (%)29.5027.1023.5022.8022.7025.30--

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

在大田滴灌條件下，采用單因素試驗設計，分別設置了：3 750 m3/hm2(高水處理)、3 150 m3/hm2(中水處理)、2 475 m3/hm2(低水處理)共3個灌水定額水平。分別于冬小麥拔節(jié)前、孕穗期、開花期、灌漿前期、灌漿中期共滴灌 5 次，每次的灌水定額分別為750、630、495 m3/hm2。越冬前各處理統(tǒng)一灌水450 m3/hm2。試驗材料為新冬33號，采用15 cm等行距機播，小區(qū)面積54 m2(5.4 m×10 m)，滴管帶鋪設方式為1管4行(滴管帶間距60 cm)，為防止?jié)B漏，小區(qū)間留1.8 m防滲帶。播前結(jié)合整地深施純氮97.125 kg/hm2、純P2O5138.0 kg/hm2作為基肥，拔節(jié)期隨水滴施純氮58.275 kg/hm2、孕穗期隨水滴施純氮38.85 kg/hm2。

1.2.2 測試項目

滴管帶單側(cè)離滴灌帶最近麥行定為近管麥行(管下)，兩條滴灌帶中間離滴灌帶最遠麥行定為遠管麥行(管間)，測定項目均分別于各處理遠管麥行、近管麥行取樣。

1.2.2.1 小麥群體動態(tài)

基本苗、冬前總莖數(shù)、返青總莖數(shù)、起身期總莖數(shù)(春季最大總莖數(shù))、收獲穗數(shù)。

1.2.2.2 小麥植株莖節(jié)形態(tài)

在小麥開花期，每處理每重復滴灌帶單側(cè)第二行連續(xù)選取生長一致的20個單莖，用直尺測量每個單莖的株高、節(jié)間長度。節(jié)間主要測定穗長、穗下節(jié)間長度、倒一節(jié)間長度、倒二節(jié)間長度、倒三節(jié)間長度、倒四節(jié)間長度、到五節(jié)間長度。

1.2.2.3 小麥植株葉片形態(tài)

于冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、開花期，花后12 d、花后24 d，每處理每重復滴灌帶側(cè)第二行連續(xù)選取20個單莖，測定每個單莖的綠色葉片的長度和寬度。葉長即為葉基部到葉尖的距離(cm)；葉寬即為葉基部到葉尖最寬處的寬度(cm)。并根據(jù)以下公式計算出葉面積指數(shù)(LAI)。

單莖葉面積=長×寬×0.82

LAI=單莖葉面積×每公頃莖數(shù)/108.

1.2.2.4 土壤含水量

采用烘干稱重法進行測定。在冬小麥拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期各測定一次土壤含水量，并在灌水前、后各加測1次，所取土樣為各小區(qū)近管和遠管0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 和20～140 cm處，不同時空分布在停水后1、6、12、18、24、48 h在滴管帶下、單側(cè)距滴管帶15 cm(第一行間)、30 cm(第二行間)、45 cm(第三行間)0～100 cm土層每隔20 cm為一層的土壤裝入鋁盒稱重，記作W1，然后將其放入烘箱80℃烘干至恒重，記作W2，鋁盒干重為W0，土壤含水量為W，則土壤水分變化率為：

W=(W1-W2)/(W2-W0)×100%.

圖1 同一土層土壤含水量動態(tài)變化
Fig.1 The variation of soil water content in same layer

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010作圖，用DPS7.05軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤水分分布特征

2.1.1 土壤水分不同空間變化特征

不同處理土壤含水量縱向分布有一定差異。不同滴灌量0～20 cm表土層在不同生育階段土壤水分變化比較劇烈，隨滴灌量的增加而趨于緩和。同一土層土壤含水量大多表現(xiàn)為,近管麥行>遠管麥行，隨著滴灌量的增加，縱向重力入滲土壤水分含量較充足，水分盡早橫向入滲，使遠管與近管麥行土壤含水量的差異逐漸縮小，合理增加滴灌量可減少遠管麥行土壤水分虧缺對其小麥生長發(fā)育的影響。0～140 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)波動的變化趨勢，中水、低水處理各土層土壤含水量波動變化幅度較大，且隨生育進程推進消耗了更深層土壤貯水。圖1

2.1.2 不同生育時期土壤含水量變化特征

冬小麥各生育時期，不同處理0～140 cm土層水平方向土壤含水量表現(xiàn)為高水>中水>低水；近管麥行>遠管麥行位置。在垂直方向土壤含水量差異主要集中在0～40 cm土層，且變化較激烈；滴灌水主要擴散分布在20～80 cm土層當中。低水處理及中水處理遠管麥行位置冬小麥進入孕穗期開始消耗了更深層(40～60 cm土層)土壤貯水；進入揚花期后，0～60 cm土層中水、低水處理土壤水分含量明顯低于高水處理。說明在新疆干旱地區(qū)冬小麥滴灌條件下滴灌量低于3 150 m3/hm2條件下出現(xiàn)一定程度的缺水現(xiàn)象，不利于小麥正常生長發(fā)育。圖2

圖2 不同處理土壤含水量隨土壤深度動態(tài)變化
Fig.2 The variation of soil water content with soil depth in different treatments

2.2 滴灌后不同時段土壤水分含量變化特征

研究表明,各處理隨滴灌量減少水分縱向和橫向擴散范圍在縮小。滴灌先擴散到橫向離滴管帶最近麥行，然后逐步擴散到離滴管帶遠的麥行，隨著時間的推移水分縱向擴散到更深層次的土壤當中。各處理土壤水分擴散性狀與田間持水量呈“V”字型結(jié)構(gòu)。不同滴灌量處理隨時間變化，在離滴管帶不同位置麥行土壤含水量差異明顯。表土10 cm位置，滴管帶下、離滴灌帶15、30、45 cm麥行位置滴灌停水后1 h高水處理土壤含水量分別達到田間持水量的53.7%、57.2%、49.9%、44.5%；中水處理則45.4%、44.1%、40.0%、35.9%；低水處理則32.5%、36.2%、30.5%、30.5%；停水48 h后，高水處理土壤含水量分別達到田間持水量的41.5%、49.1%、44.4%、38.1%；中水處理則37.9%、38.5%、35.2%、34.9%；低水處理則26.7%、30.5%、31.0%、31.0%，40～100 cm土層為灌水主要擴散貯水層；滴灌擴散穩(wěn)定后(滴灌停水后48 h)，高水處理0～40 cm土層土壤水分含量在滴管帶下達到田間持水量的65%左右，離滴灌帶15 cm為60%左右，30 cm為55%左右，45 cm為42%左右；中水處理0～40 cm土層土壤水分含量在滴灌帶下達到田間持水量的55%左右，離滴灌帶15 cm為50%左右，30 cm為45%左右，45 cm為40%左右；低水處理0～40 cm土層土壤水分含量在滴灌帶下達到田間持水量的37%左右，離滴灌帶15 cm為40%左右，30 cm為38%左右，45 cm為35%左右。圖3

2.4 冠層結(jié)構(gòu)垂直變化2.4.1 葉片特征差異

研究表明,不同處理滴灌冬小麥葉長、葉寬及葉面積均表現(xiàn)為：旗葉>倒二葉>倒三葉>倒四葉。同一滴灌量下，冬小麥葉長、葉寬及葉面積表現(xiàn)為近管麥行>遠管麥行；而同一位置則表現(xiàn)為：高水>中水>低水。單莖綠葉總面積表現(xiàn)為：高水近管麥行>中水近管麥行>高水遠管麥行>低水近管麥行>中水遠管麥行>低水遠管麥行。方差分析結(jié)果顯示，三種滴灌量旗葉葉長和面積近管麥行顯著大于遠管麥行位置(P<0.05)，中水、和低水處理倒二葉葉長和面積近管麥行顯著大于遠管麥行位置(P<0.05)。滴灌量對旗葉面積影響較大，不同麥行位置土壤水分差異導致了近管麥行葉面積總體大于遠管麥行。表2

2.4.2 葉面指數(shù)變化

研究表明,不同處理滴灌冬小麥各葉層LAI 均隨著葉片層次的降低呈下降的變化趨勢。處理間，隨著滴灌量的降低，各葉層LAI表現(xiàn)為：高水>中水>低水；近管麥行>遠管麥行的變化規(guī)律。累積平均各處理近管、遠管單莖總?cè)~面積指數(shù)得出，最大為4.73(高水處理)，其分別較中水、低水處理LAI增大了5.85%和14.25%，處理間差異顯著(P<0.05)?？?cè)~面積指數(shù)近管麥行位置較遠管麥行位置高水處理增加9.50%，中水處理增加7.40%，低水處理增加5.72%，差異顯著(P<0.05)，滴灌冬小麥近管麥行位置與遠管麥行位置葉面積指數(shù)有一定差異。表3

圖3 不同處理滴灌后不同位置土壤含水量空間變化特征
Fig.3 Variation characteristics of soil water content in different locations after drip irrigation

表3 不同處理滴灌冬小麥開花期葉面積指數(shù)垂直分布
Table 3 Leaf configuration of individual plant at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

處理Treatments旗葉Flag leaf倒二葉2nd from flag倒三葉3rd from flag倒四葉4th from flag總?cè)~面積指數(shù)Total leaf Area index高水High-water 近管1.68a 1.26a 1.12a 0.88a 4.94a遠管1.47a 1.23a 1.05b 0.76c 4.51c中水Medium-water近管1.51a 1.24a 1.09ab 0.80b 4.64b遠管1.45a 1.13b 0.99c 0.76c 4.32d 低水Low-water近管1.44a 1.10bc 0.96c 0.74c 4.25d遠管1.35d 1.08c 0.95c 0.64d 4.02e

2.5 莖型特征差異

2.5.1 株高與節(jié)間長度變化

研究表明,處理間滴灌冬小麥株高、穗長均呈現(xiàn)為：高水近管麥行>中水近管麥行>高水遠管麥行>低水近管麥行>中水遠管麥行>低水遠管麥行的變化規(guī)律；高水處理最大株高為83.61 cm、穗長為7.23 cm，分別較中水、低水處理的株高、穗長增加5.92%、1.81%和12.28%、7.0%；分別平均各處理近管、遠管麥行株高、穗長，累積求其平均，除與高水間穗長差異不顯著外，其他處理間差異均達顯著水平(P<0.05)，說明滴灌量低于3 150 m3/hm2對穗長有顯著影響。各處理離滴管帶遠、近麥行位置株高有顯著差異，主要差異體現(xiàn)在上部節(jié)間(P<0.05)。各處理滴灌冬小麥節(jié)間長度均隨節(jié)間層次的下降呈現(xiàn)依次縮短的變化規(guī)律。同一滴灌量下，冬小麥節(jié)間長度表現(xiàn)為：近管麥行>遠管麥行；而同一位置則表現(xiàn)為高水>中水>低水。表4

表4 不同處理滴灌冬小麥開花期節(jié)間長度與株高構(gòu)成指數(shù)
Table 4 Internode length and plant height component index at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

處理Treatments株高Plant height(cm)穗長Ear length(cm)各節(jié)間長度 Internode length (cm)J1J2J3J4J5高水High-water 近管85.09a7.43a25.85a19.88b14.28a11.61a6.05a遠管82.13b7.03b23.24c20.83a13.37b11.68a5.98a中水Medium-water近管81.40bc7.38a24.11b18.90c13.72b11.38a5.92a遠管76.47d 6.83c23.49c18.65c12.37c9.78b5.35b低水Low-water近管77.75cd 6.98bc21.10d19.29b13.32b11.24a5.83a遠管71.19e 6.54d21.13d17.28d12.11c9.47b4.66c

2.5.2 莖節(jié)粗度

研究表明,隨節(jié)位由上而下，不同處理冬小麥的莖粗均在倒三節(jié)達到最大值，且各處理均呈現(xiàn)出近管麥行>遠管麥行位置的變化規(guī)律，最大值為0.210 cm(高水近管麥行)，最小值為0.182 cm(低水遠管麥行)。表5

表5 不同處理滴灌冬小麥開花期莖粗特征(cm)
Table 5 Characteristics of stem diameter at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

處理Treatments倒一節(jié)粗1st stemdiameter倒二節(jié)粗2nd stemdiameter倒三節(jié)粗3rd stemdiameter倒四節(jié)粗4th stemdiameter倒五節(jié)粗5th stemdiameter高水High-water 近管0.160a0.178a0.210a0.171a0.182a遠管0.157b 0.174a0.206a0.168b0.177b中水Medium-water近管0.156b 0.168b0.202a0.164b0.157d遠管0.152b 0.157c0.194b0.157c0.170c低水Low-water近管0.149c 0.152c0.185c0.146e0.130e遠管0.143d 0.158c0.182c0.150d0.133e

3 討 論

吳巍等[9]在研究壟溝耕作條件下滴灌冬小麥田間土壤水分的動態(tài)變化結(jié)果表明，滴灌對0～60 cm土壤含水量的影響比較明顯，0～30 cm土層土壤含水量在小麥整個生育期內(nèi)的變化幅度劇烈，其次是30～60 cm土層，土壤含水量在小麥整個生育期內(nèi)變化最穩(wěn)定的是90～120 cm土層。趙連佳等[14]認為，滴水量的增加明顯提高了0～60 cm土層的土壤含水量，生長后期顯著降低40～100 cm土層土壤水分的消耗，尤其降低了80～100 cm土層土壤水分的消耗。

研究發(fā)現(xiàn)，在相同位置條件下，土壤含水量隨生育進程表現(xiàn)為降低的趨勢，但在同一生育時期土壤含水量沒有明顯變化規(guī)律。0～60 cm土層不同處理土壤含水量之間差異顯著，60～100 cm土層差異不顯著，可能是因為滴灌灌溉模式下，滴水入滲比較淺，另外滴灌條件下小麥根系主要分布在0～40 cm土層，分布較淺，土壤中水分被過大消耗[15]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加滴灌水量，重力作用下土壤水分縱向入滲充足，水分可以盡快往橫向上滲入，漸漸減小滴管帶下和帶中間的土壤水分的差異，這說明滴灌量的適當增加，有利于減小遠滴灌帶、近滴灌帶小麥行上土壤水分差異，降低遠滴灌帶麥行上土壤水分虧缺，減少小麥生長的不利影響。

小麥冠層結(jié)構(gòu)表征了株高、節(jié)間長度、葉片性狀等的綜合性狀，是植株地上部分和生態(tài)環(huán)境之間相互作用的結(jié)果，合理的小麥冠層結(jié)構(gòu)通過影響葉片的空間布局，改善群體通透性，提高群體的光、熱資源利用效率，最終促進小麥產(chǎn)量的形成[16-17]。然而，小麥的冠層結(jié)構(gòu)一方面由基因控制，另一方面受到外部環(huán)境、栽培技術等的影響[18-23]，在諸多因素中，灌水是小麥合理冠層結(jié)構(gòu)形成的重要因素[24-26]。吳永成等[27]研究認為，節(jié)水灌溉模式下的小麥上部葉小且直立，穗和旗葉葉鞘等非葉綠色面積占比大，較大的穗葉比等群體冠層特征是抗逆性強、耗水性低、高光效率的群體特征。李樸芳等[25]的研究認為，葉片直立、適中旗葉長寬比、20 cm左右長倒二葉的小麥冠層結(jié)構(gòu)透光性能好。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同滴灌量下小麥葉長、寬和葉面積都呈現(xiàn)為旗葉>倒二葉>倒三葉>倒四葉的趨勢。在相同滴灌量條件下，小麥葉長、寬和葉面積均表現(xiàn)出近管麥行高于遠管麥行，距離滴管帶不同麥行的小麥葉面積出現(xiàn)差異，滴灌量主要通過影響遠、近滴管帶麥行小麥旗葉和倒二葉的長度，帶來葉面積的差異；在相同位置水平高水最大，低水最小，中水介于二者之間。

4 結(jié) 論

4.1 同一土壤層次上土壤含水量整體趨勢表現(xiàn)為高水最大，低水最小，中水介于二者之間，近滴管帶小麥行高于遠滴管帶麥行位置。在垂直分布上，各生育時期不同處理間土壤含水量差異主要集中在0～80 cm土層，隨土壤深度增加，土壤含水量呈增大趨勢；80～120 cm土層差異趨勢較小。0～40 cm土層土壤含水量變異較為明顯，水分主要儲存在20～80 cm土層土壤中。隨著時間的推移，土壤含水量基本呈下降的變化趨勢。

4.2 進入揚花期后，0～60 cm土層中水、低水處理土壤水分含量明顯低于高水處理。說明在新疆干旱地區(qū)冬小麥滴灌條件下滴灌量低于3 150 m3/hm2條件下出現(xiàn)一定程度的缺水現(xiàn)象，不利于小麥正常生長發(fā)育。

4.3 滴灌擴散穩(wěn)定后(滴灌停水后48 h)，滴灌量750 m3/(hm2·次)0～40 cm土層土壤水分含量在滴管帶下、離滴灌帶15、30和45 cm位置分別達到田間持水量的65%、60%、55%、42%左右；滴灌量630 m3/(hm2·次)分別為55%、50%、45%、40%左右；滴灌量495 m3/hm2每次分別為37%、40%、38%、35%左右。

4.4 不同滴灌量，離滴灌帶遠、近不同麥行位置土壤水分狀況對其小麥葉面積性狀、株高、穗長、單莖莖粗等均有一定的影響。在一定范圍內(nèi)通過增加滴灌量可縮小遠管、近管麥行位置小麥冠層性狀差異，可提高群體均勻度。