華北冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素

張經(jīng)廷 呂麗華 董志強(qiáng) 張麗華 姚艷榮 申海平 姚海坡 賈秀領(lǐng)

華北冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素

張經(jīng)廷 呂麗華 董志強(qiáng) 張麗華 姚艷榮 申海平 姚海坡 賈秀領(lǐng)*

河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 河北石家莊 050035

為闡明華北地區(qū)冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素, 制定穩(wěn)產(chǎn)節(jié)灌制度, 于2007—2016連續(xù)10年進(jìn)行了大田定位試驗(yàn), 研究在冬小麥拔節(jié)期灌水基礎(chǔ)上, 播前底墑、長(zhǎng)期不同施氮及生育期降水等對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)及水分利用的影響。裂區(qū)設(shè)計(jì), 灌水量為主區(qū), 設(shè)春灌1次水(拔節(jié)期75 mm, W1)和2次水(拔節(jié)期和開(kāi)花期各75 mm, W2) 2個(gè)處理; 施氮量為副區(qū), 設(shè)6個(gè)水平, 分別為0 (N0)、60 (N60)、120 (N120)、180 (N180)、240 (N240)、300 kg hm-2(N300)。冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)受播前底墑?dòng)绊戯@著, 播前2 m土體貯水量越大開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率越小。施氮水平也顯著影響開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng), 隨著定位試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾? N0和N60處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量逐年下降, 從第6年開(kāi)始開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)基本喪失。在足墑播種和正常供氮(施氮量不低于120 kg hm-2)條件下, 開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)還受冬小麥生育期有效降水量的影響, 尤其是拔節(jié)–開(kāi)花期的有效降水量。開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率隨生育期以及開(kāi)花后的有效降水量的增加而降低。拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm時(shí), 開(kāi)花期補(bǔ)灌沒(méi)有顯著優(yōu)化穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、生物量、收獲指數(shù)等產(chǎn)量性狀, 最終增產(chǎn)不顯著; 此情景下, 拔節(jié)期灌1次水(75 mm左右), 即可在維持較高產(chǎn)量的前提下, 降低耗水、提高水分利用效率, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)與節(jié)水協(xié)同。本研究表明, 華北平原冬小麥在足墑播種、施氮量不低于120 kg hm-2、拔節(jié)期灌水前提下, 拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量可作為開(kāi)花期灌水與否的重要決策依據(jù)。

冬小麥; 灌溉策略; 水氮耦合; 華北平原; 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)

華北平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 冬小麥–夏玉米一年兩作是該地區(qū)主要種植模式, 水資源匱乏是冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素。受季風(fēng)性氣候影響, 華北平原70%以上的降水分布在6月至9月的夏玉米季, 而冬小麥季平均降雨量?jī)H100 mm左右, 遠(yuǎn)低于冬小麥生育期350~450 mm的耗水量[1-2], 地下水超采導(dǎo)致的地下水位迅速下降和漏斗群形成已引起高度關(guān)注[3-4]。研究表明, 在特定生育時(shí)期, 適度水分虧缺不僅不會(huì)造成作物減產(chǎn), 還能顯著提高水分利用效率[5], 結(jié)合適宜的農(nóng)藝措施, 限水灌溉可以在節(jié)水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與水分利用效率的協(xié)同提高[6-9]。為改變?nèi)A北平原傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中冬小麥灌水次數(shù)多、灌水量大, 水分利用效率低的局面, 多年來(lái)已開(kāi)展了大量節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究, 也已形成多種成熟的冬小麥灌溉模式[10], 其中“春灌兩水”模式因兼顧節(jié)水高產(chǎn)而被廣泛接受, 推廣范圍較大。這種灌溉模式是指足墑播種的基礎(chǔ)上, 在春季的拔節(jié)期和開(kāi)花期灌2次水, 灌水量根據(jù)苗情和墑情而定[11]。但近年來(lái), 華北地下水位持續(xù)下降, 漏斗群繼續(xù)擴(kuò)大, 衍生出一系列生態(tài)地質(zhì)災(zāi)害, 因此對(duì)地下水開(kāi)采的管理會(huì)愈加嚴(yán)格, 亟需建立更節(jié)水的灌溉技術(shù)體系, 即在保障小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下, 在“春灌兩水”模式上進(jìn)一步減少灌水次數(shù)和灌水量。

冬小麥拔節(jié)期植株生長(zhǎng)迅速, 水分需求量大, 對(duì)土壤水分十分敏感, 為需水關(guān)鍵期[4,12], 而華北地區(qū)冬小麥拔節(jié)之前天氣干燥多風(fēng)少雨, 地面蒸發(fā)量大。因此冬小麥拔節(jié)期灌水是保障小麥生長(zhǎng)發(fā)育的必要措施和手段, 灌水效果最佳, 調(diào)控的余地不大。冬小麥拔節(jié)期以后, 降水逐漸增多, 給開(kāi)花期灌水留有較大的調(diào)控空間。因此, 在拔節(jié)期灌水的基礎(chǔ)上開(kāi)花期灌水的調(diào)減對(duì)進(jìn)一步減少灌水量, 提高水分利用率, 緩解地下水位下降有重要意義。然而, 目前還缺乏相關(guān)的系統(tǒng)性研究。本文利用太行山前平原區(qū)的10年大田水氮耦合定位試驗(yàn)結(jié)果, 分析冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素, 為華北地下水超采區(qū)冬小麥節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2006年10月至2016年6月, 在河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所堤上試驗(yàn)站(114°72'E, 37°94'N)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)屬太行山前平原, 為暖溫帶半溫潤(rùn)性季風(fēng)氣候, 四季分明, 年平均溫度12.5℃, 年均降水量494 mm, 日照時(shí)數(shù)2711.4 h, 無(wú)霜期190 d。試驗(yàn)田土壤深厚, 質(zhì)地輕壤質(zhì), 2006年試驗(yàn)開(kāi)始前0~20 cm土壤含有機(jī)質(zhì)1.55%、全氮0.097%、全磷0.22%、堿解氮72.7 mg kg-1、有效磷19.5 mg kg–1、有效鉀91.0 mg kg–1。試驗(yàn)區(qū)為冬小麥–夏玉米輪作區(qū),秸稈還田。試驗(yàn)期間冬小麥季降水量見(jiàn)表1, 本文試驗(yàn)?zāi)甓戎甘斋@年份。

采用二因子裂區(qū)設(shè)計(jì), 小區(qū)面積25.92 m2(4.8 m × 5.4 m)。以灌水處理為主區(qū), 設(shè)冬小麥拔節(jié)期灌1次水(W1)和拔節(jié)期、開(kāi)花期各灌1次水(W2) 2個(gè)處理, 每次灌水量約為75 mm, 年度間有浮動(dòng)(表1), 灌溉方式為塑料軟管小區(qū)畦灌。

以施氮水平為副區(qū), 設(shè)置6個(gè)施氮水平, 純氮(N)量分別為0、60、120、180、240、300 kg hm–2。氮肥(尿素, 含N 46.4%) 50%作基肥于播前撒施后旋耕施入, 50%在拔節(jié)期撒施后灌水。磷肥(重過(guò)磷酸鈣, 含P2O543%)和鉀肥(氯化鉀, 含K2O 60%)用量分別為P2O5165 kg hm–2和K2O 105 kg hm–2, 均做基肥一次性施入。冬小麥?zhǔn)斋@后, 硬茬免耕播種夏玉米, 夏玉米季無(wú)灌水處理, 施肥處理與小麥季相同。

表1 試驗(yàn)期間各年度降水量和灌水量

降水量數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)站內(nèi)田間氣象站。

Data from the field weather station in the experimental station.

冬小麥品種為當(dāng)年試驗(yàn)區(qū)主推品種, 播種密度為3.75′106hm-2, 播種期為10月10日至20日, 收獲期為次年6月5日至15日。按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行田間管理。

1.2 土壤水分及耗水量測(cè)定方法

冬小麥播前和成熟期分別在每小區(qū)用土鉆采集0~200 cm土層樣品, 每20 cm一層, 共10層, 每重復(fù)取1個(gè)樣點(diǎn)。采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量(%)。2 m土體土壤貯水量為各層土壤貯水量之和。

土層貯水量(mm) = 土壤容重(g cm–3) × 土層厚度(cm) × 土壤質(zhì)量含水量(%) × 0.1。

采用農(nóng)田水分平衡法計(jì)算生育期耗水量(mm):

ET = P + I + ΔSWS + Wg-D-Rf (1)

式中, ET為生育期耗水量, P為降水量, I為灌溉量, ΔSWS為播前和收獲后測(cè)定深度土壤貯水的表觀變化量, Wg為毛管上升水量, D為土壤水的深層滲漏量, Rf為徑流損失量。當(dāng)?shù)叵滤裆畹陀? m時(shí), Wg可以忽略[13]。本試驗(yàn)的地下水埋深在10 m以下, 且地勢(shì)平坦, 沒(méi)有地表水分徑流損失, 也未發(fā)現(xiàn)水分的深層滲漏損失, 故方程(1)中的Wg、Rf和D均為0。

1.3 籽粒產(chǎn)量及水分利用效率測(cè)定方法

冬小麥生理成熟后用聯(lián)合收割機(jī)收獲, 烘干法測(cè)定水分, 折算為含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率(%)=(YW2-YW1)/YW1×100 (2)

式中, YW1和YW2分別表示拔節(jié)期灌1次水(W1)和拔節(jié)期、開(kāi)花期各灌1次水(W2)的小麥籽粒產(chǎn)量。

WUE＝Y(jié)/ET (3)

式中, WUE為水分利用效率(kg hm-2mm–1), Y為籽粒產(chǎn)量(kg hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2010計(jì)算數(shù)據(jù)和繪圖, 用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差與相關(guān)分析, 采用最小顯著差法進(jìn)行處理間的多重比較(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥播前底墑對(duì)開(kāi)花期灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

土壤貯水是冬小麥耗水來(lái)源的重要組成部分, 播前土壤貯水量直接影響灌水或降水對(duì)作物的生物學(xué)效應(yīng)。冬小麥播前2 m土體貯水量與開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)作用呈顯著負(fù)相關(guān), 貯水量越大開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)作用就越小(圖1)。因此, 在冬小麥底墑充足的條件下, 應(yīng)適度減少開(kāi)花期灌水量。

圖1 冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與播前2 m土體貯水量的關(guān)系

2.2 施氮水平對(duì)冬小麥開(kāi)花期灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

由于不同小麥生長(zhǎng)季的氣候條件尤其是降水量及其分配差異較大, 冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)年際間變化明顯, 最大值為2011年度N120的42.98%,最小值為2012年度N0的–10.19% (圖2)。施氮水平對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率及其年際變化也有明顯影響, 施氮量超過(guò)60 kg hm–2的N120、N180、N240和N300處理不同年份的開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率差異不大, 且年際變化趨勢(shì)趨同(圖2)。由于受氮素基礎(chǔ)肥力較高的影響, N0與N60處理前2年開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與其他處理差異不大, 從定位第3年開(kāi)始顯著低于其他處理, 且N60處理高于或顯著高于N0 (圖2)。

低量施氮(N60)水平下, 試驗(yàn)前5年(2007—2011) W2的產(chǎn)量高于或顯著高于W1 (圖3), 說(shuō)明灌拔節(jié)水基礎(chǔ)上, 開(kāi)花期補(bǔ)灌有明顯的增產(chǎn)作用。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾? 由于長(zhǎng)期低量施氮(60 kg hm–2), 土壤氮素供給能力不足, 從2012年開(kāi)始W1與W2產(chǎn)量已沒(méi)有差異, 甚至W2產(chǎn)量低于W1 (圖3), 說(shuō)明隨著土壤氮素供應(yīng)能力的下降, 開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸消失(圖3)。不施氮(N0)條件下, 由于試驗(yàn)開(kāi)始前土壤氮素基礎(chǔ)含量較高, 前3年(2007—2009)不施氮沒(méi)有影響開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)的發(fā)揮, W2的產(chǎn)量高于W1; 隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng), 土壤基礎(chǔ)氮素不斷消耗, 從2010年開(kāi)始N0W2處理的產(chǎn)量與N0W1已沒(méi)有差異, 灌開(kāi)花水已沒(méi)有增產(chǎn)作用(圖3)?？梢?jiàn), 只有長(zhǎng)期適量施氮與培肥地力使土壤有充足持續(xù)的氮素供應(yīng)能力才能充分發(fā)揮灌水的增產(chǎn)作用。

由不同施氮水平耕層土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮含量的逐年變化(圖4)可知, 不施氮(N0)和低量施氮處理(N60)隨著定位年限的增加, 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈逐年下降的趨勢(shì), 定位幾年后顯著低于其他施氮水平, 土壤肥力耗竭嚴(yán)重, 導(dǎo)致開(kāi)花期補(bǔ)灌失去增產(chǎn)作用。N0和N60這2個(gè)處理土壤有機(jī)質(zhì)含量下降可能與作物氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏, 生物量小, 秸稈還田量少,土壤有機(jī)質(zhì)補(bǔ)給輸入遠(yuǎn)低于其分解輸出有關(guān); 土壤全氮含量下降可能與土壤氮素長(zhǎng)期入不敷出有關(guān)。

圖2 不同施氮水平下冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率的年度變化

圖3 不施氮和低量施氮條件下開(kāi)花期補(bǔ)灌對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

圖4 不同施氮水平耕層土壤有機(jī)質(zhì)(a)與土壤全氮(b)含量逐年變化

2.3 冬小麥生長(zhǎng)期降水量對(duì)開(kāi)花期灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

2.3.1 全生育期降水量對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率的影響

冬小麥生育期有效降水量與開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率呈顯著負(fù)相關(guān)(圖5)。生育期有效降水量低于70 mm時(shí), 開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率高達(dá)25%以上; 當(dāng)生育期有效灌水量達(dá)到250 mm時(shí), 開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)率低至3%以下。

2.3.2 拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率的影響 拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量偏少的條件下, 開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率隨著拔節(jié)–開(kāi)花期間有效降水量的減少而顯著增大(=-0.958,= 0.000); 拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量偏多的條件下, 開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與拔節(jié)–開(kāi)花期間的有效降水量負(fù)相關(guān)不顯著(=-0.233,= 0.251), 灌水增產(chǎn)率隨這期間有效降水量的增加緩慢降低(圖6)。回歸線的拐點(diǎn)坐標(biāo)為(25.3, 5.4), 表示當(dāng)冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期間有效降水量小于25.3 mm時(shí), 開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)顯著, 平均增產(chǎn)率高達(dá)19.7%; 拔節(jié)–開(kāi)花期間有效降水量大于25.3 mm時(shí), 開(kāi)花期灌水沒(méi)有顯著增產(chǎn)效應(yīng), 平均增產(chǎn)率低至4.9%。

2.3.3 開(kāi)花后有效降水量對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率的影響 冬小麥開(kāi)花后至成熟期的有效降水量與開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率也呈顯著負(fù)相關(guān)(= ?0.324,= 0.008) (圖7)。說(shuō)明冬小麥只在拔節(jié)期灌1次水(W1)的條件下, 開(kāi)花后較多的有效降水能有效彌補(bǔ)生育后期土壤虧缺, 盡可能保障了灌漿期的水分供給, 最終縮小了與W2的產(chǎn)量差異, 開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率降低。

2.4 拔節(jié)-開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm時(shí)兩種灌溉模式的產(chǎn)量性狀、耗水特性及水分利用效率

當(dāng)冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量小于25.3 mm時(shí), 相同施氮水平春灌2次水(W2)冬小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和生物量都高于或顯著高于春灌1次水模式(W1), 穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和生物量各施氮水平的平均值W2依次比W1提高11.6%、8.4%、7.6%和17.2%, 可見(jiàn), 拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水較少時(shí), 開(kāi)花期灌水可顯著優(yōu)化產(chǎn)量性狀, 增加物質(zhì)積累, 增產(chǎn)效果顯著。當(dāng)冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm時(shí), 除了N240和N300的千粒重W1顯著小于W2外, 其余施氮不低于120 kg hm–2各處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和生物量在W1和W2兩種水分條件下都沒(méi)有顯著差異。W1和W2兩種水分條件下收獲指數(shù)隨施氮量的增加均表現(xiàn)“先增后減”的趨勢(shì), 且受拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量的影響不顯著(表2)。

圖5 冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與生育期有效降水量的關(guān)系

圖7 冬小麥開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與開(kāi)花-成熟期有效降水量的關(guān)系

與W1相比, W2由于灌水的增加耗水結(jié)構(gòu)中土壤水的消耗量大幅降低, 除N0外, 其余施氮處理W1的土壤耗水都顯著高于W2。與土壤耗水不同, W2模式下各施氮水平小麥生育期總耗水量高于或顯著高于W1, 這可能與灌水增加群體增大以及生育后期貪青晚熟有關(guān)。冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm時(shí), 在拔節(jié)期灌1次水的基礎(chǔ)上(W1), 開(kāi)花期補(bǔ)灌(W2)增產(chǎn)效果甚微, W1各施氮水平的小麥產(chǎn)量與W2都沒(méi)有顯著差異, 而耗水量顯著降低, 從而導(dǎo)致W1各施氮水平的水分利用效率顯著高于W2, 平均提高20.30% (圖8)。

相關(guān)分析表明, 本試驗(yàn)條件下冬小麥籽粒產(chǎn)量與土壤耗水量及水分利用效率呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 與生育期總耗水量呈顯著正相關(guān)(<0.05);土壤耗水量與總耗水量負(fù)相關(guān)不顯著(>0.05); 土壤耗水量與水分利用效率呈極顯著正相關(guān), 而總耗水量與水分利用效率卻呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)?？梢?jiàn), 在提高冬小麥產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增加耗水結(jié)構(gòu)中土壤水消耗占比是進(jìn)一步提高水分利用效率的有效技術(shù)途徑。

3 討論

3.1 冬小麥播前底墑對(duì)春季灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

播前底墑水的高效利用是冬小麥節(jié)水栽培的關(guān)鍵技術(shù)措施。冬小麥播前底墑主要有土壤基礎(chǔ)貯水, 夏季降水(灌水)殘留和播前灌水3個(gè)來(lái)源。冬小麥足墑播種可顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率[14-15], 尤其是在雨養(yǎng)旱作條件下, 底墑發(fā)揮的作用更大[16]。底墑豐欠直接影響小麥的耗水量和耗水結(jié)構(gòu), 底墑充足的條件下, 冬小麥總耗水量顯著增加, 耗水以土壤水為主, 其次為降水, 再次為灌水[17]。鑒于播前底墑與春季灌水和降水對(duì)滿足小麥水分需求在一定程度上是等效的, 因此底墑的豐欠勢(shì)必會(huì)對(duì)灌水和降水效應(yīng)的發(fā)揮產(chǎn)生影響。王東等[17]研究發(fā)現(xiàn), 小麥播前0~1 m土層土壤貯水量為201.5 mm時(shí), 拔節(jié)和開(kāi)花期分別補(bǔ)灌處理較全生育期不灌水處理增產(chǎn)91.7%, 而0~1 m土層播前底墑為317.0 mm時(shí), 拔節(jié)和開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)率僅為13.7%。本研究結(jié)果也表明, 冬小麥開(kāi)花期灌水增產(chǎn)率隨播前2 m土體貯水量的增加而減小。但需要指出的是, 播前底墑不是小麥產(chǎn)量的唯一決定因素, 若春季不適時(shí)適量地補(bǔ)充灌溉, 也難以保障高產(chǎn)。即使在足墑播種的條件下, 若春季不灌水小麥產(chǎn)量較灌水處理顯著下降[18-20]。

圖8 冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25 mm時(shí)2個(gè)灌溉處理作物耗水及水分利用特征比較

數(shù)據(jù)為2006?2016年試驗(yàn)期內(nèi)拔節(jié)-開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm年份的平均值, 誤差線上不同字母表示處理間在0.05水平顯著差異(LSD法,<0.05)。

Data are the means of the years in which effective rainfall was above 25 mm from jointing to flowering in 2006?2016. Different letters above error bars indicate significant difference among treatments at< 0.05 (LSD method,< 0.05).

表3 冬小麥籽粒產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率之間的相關(guān)分析

3.2 土壤供氮能力與春季灌水增產(chǎn)效應(yīng)

水氮是作物生長(zhǎng)發(fā)育最關(guān)鍵的兩大限制因子, 兩者存在明顯的耦合效應(yīng), 水分適宜可顯著提高氮素利用, 干旱則限制肥效[21]; 氮素供應(yīng)充足可充分發(fā)揮灌水的增產(chǎn)效應(yīng)。馬忠明等[22]在西北旱區(qū)研究小麥的水氮耦合效應(yīng), 表明不施氮條件下, 灌水量從1200 m3hm–2增加到2400 m3hm–2, 增產(chǎn)率僅為22.9%, 而施氮270 kg m–2條件下, 增加灌水的增產(chǎn)效果大幅提升到47.8%。本研究中N0與N60處理由于作物氮素?cái)y出遠(yuǎn)高于土壤氮素補(bǔ)給, 長(zhǎng)期處于入不敷出的虧缺狀態(tài), 土壤氮素逐漸耗竭。由于氮素供給遠(yuǎn)不能滿足作物需求, 開(kāi)花期灌水的增產(chǎn)作用受到嚴(yán)重制約。試驗(yàn)定位到第5年后, 兩處理的開(kāi)花期灌水增產(chǎn)率均降至5%以下, 甚至在個(gè)別年份出現(xiàn)開(kāi)花期灌水導(dǎo)致產(chǎn)量降低的現(xiàn)象。土壤供氮能力不足限制水分效應(yīng)發(fā)揮的機(jī)制可能是作物缺氮時(shí)植株發(fā)育不良, 葉面積指數(shù)小, 光合蒸騰弱, 水分吸收運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力不足[23]。

3.3 小麥生育期降水與灌溉決策

冬小麥生育期內(nèi)的有效降水和灌水對(duì)作物是等效的, 可相互替代。最小有效降水量是指一次降水過(guò)程中能使土壤相對(duì)濕度穩(wěn)定增加的最小降水量。前人通過(guò)比較降水量和蒸發(fā)耗散以及實(shí)地觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)5 mm以上的降水可使表層土壤達(dá)到飽和后繼續(xù)下滲, 有效補(bǔ)充根層水分[24], 所以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般把5 mm以上的降水都稱為有效降水[25]。冬小麥生育期內(nèi)的有效降水勢(shì)必會(huì)影響灌水效應(yīng)的發(fā)揮。

華北地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 冬小麥拔節(jié)以前干燥少雨, 地面蒸發(fā)大, 而冬小麥拔節(jié)期正值穗發(fā)育關(guān)鍵期, 對(duì)水分缺乏較為敏感, 因此, 拔節(jié)期灌水是一項(xiàng)必要的保障措施, 同時(shí)也是配合拔節(jié)追肥的需要。本研究和前人研究均表明, 拔節(jié)期灌水增產(chǎn)效果極為顯著, 增產(chǎn)率一般都在20%以上[10,26]。小麥孕穗開(kāi)花期也是其需水關(guān)鍵期, 但自小麥拔節(jié)以后降水概率逐漸增大, 開(kāi)花期灌水因而具有一定的可調(diào)控性。華北地區(qū)冬小麥拔節(jié)?開(kāi)花期間降水分布及降水量年際變異非常大, 例如, 石家莊地區(qū)1986—2018年33年冬小麥拔節(jié)?開(kāi)花期有效降水量的變異幅度為0~90.4 cm (圖9), 由于降水和灌水對(duì)作物具有等效性, 降水的多寡直接影響灌水效應(yīng)的發(fā)揮, 石家莊地區(qū)最近33年小麥開(kāi)花期灌水增產(chǎn)率均值最低為2.48%, 最高為31.08%。本研究表明, 冬小麥開(kāi)花期灌水增產(chǎn)率與拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量呈雙直線關(guān)系, 當(dāng)該階段的有效降水量大于25.3 mm時(shí), 開(kāi)花期灌水的增產(chǎn)作用不顯著, 甚至是減產(chǎn), 這與很多小麥因開(kāi)花期灌水而減產(chǎn)的報(bào)道相一致[27-28]。因此, 這可作為判定開(kāi)花期灌水與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn), 即當(dāng)拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm時(shí), 應(yīng)免灌開(kāi)花水, 可在保障產(chǎn)量的前提下, 顯著降低作物耗水量、增加水分利用率, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)水。石家莊藁城地區(qū)1986—2018年連續(xù)33年中, 冬小麥拔節(jié)–開(kāi)花期有效降水量大于25.3 mm的年份為14年, 發(fā)生概率為42.4%。因此, 我們認(rèn)為華北地區(qū)冬小麥春季只在拔節(jié)期灌一次水(75 mm)在很多年份都具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。

數(shù)據(jù)來(lái)自石家莊氣象局和試驗(yàn)站內(nèi)田間氣象站。

Data were collected from the Shijiahuang Meteorological Bureau and the weather station installed in the experimental field.

4 結(jié)論

冬小麥播前底墑、土壤供氮能力、生育期降水量尤其是拔節(jié)–開(kāi)花期間的有效降水量對(duì)開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)的發(fā)揮都有顯著影響。小麥播前土壤貯水量越高、生育期降水量越大開(kāi)花期補(bǔ)灌的增產(chǎn)作用就越小, 土壤氮素供應(yīng)能力不足顯著降低開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)率, 甚至無(wú)增產(chǎn)效應(yīng)。在足墑播種和中等及以上肥力水平條件下, 冬小麥拔節(jié)?開(kāi)花期間有效降水量是開(kāi)花期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)最關(guān)鍵的制約因素,拔節(jié)?開(kāi)花期間有效降水量大于25.3 mm時(shí)開(kāi)花期灌水增產(chǎn)不顯著, 此時(shí), 冬小麥春灌一次拔節(jié)水(75 mm), 開(kāi)花期不灌水即可在保障產(chǎn)量的前提下, 大幅提高水分利用效率。

[1] 陳博, 歐陽(yáng)竹, 程維新, 劉麗平. 近50年華北平原冬小麥–夏玉米耗水規(guī)律研究. 自然資源學(xué)報(bào), 2012 , 27: 1186–1199. Chen B, Ou-Yang Y Z, Cheng W X, Liu L P. Water consumption for winter wheat and summer maize in the North China Plain in recent 50 years., 2012, 27: 1186–1199 (in Chinese with English abstract).

[2] 韓娜娜, 王仰仁, 孫書洪, 金建華, 郭小英. 灌水對(duì)冬小麥耗水量和產(chǎn)量影響的試驗(yàn)研究. 節(jié)水灌溉, 2010, (4): 4–7. Han N N, Wang Y R, Sun S H, Jin J H, Guo X Y. Experimental study on effects of irrigation on water consumption and yield of winter wheat., 2010, (4): 4–7 (in Chinese with English abstract).

[3] 胡春勝, 張喜英, 程一松, 裴冬. 太行山前平原地下水動(dòng)態(tài)及超采原因分析. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 2002, 18(2): 89–91. Hu C S, Zhang X Y, Cheng Y S, Pei D. An analysis on dynamics of water table and overdraft of groundwater in the piedmont of Mt. Taihang., 2002, 18(2): 89–91 (in Chinese with English abstract)

[4] 龔宇, 花家嘉, 高桂芹, 王璞. 河北平原冬小麥需水關(guān)鍵期降水變化特征. 節(jié)水灌溉, 2009, (11): 8–11. Gong Y, Hua J J, Gao G Q, Wang P. Analysis of precipitation change trend during key water requirement periods of winter wheat in Heibei plain., 2009, (11): 8–11 (in Chinese with English abstract).

[5] 山侖, 徐萌. 節(jié)水農(nóng)業(yè)及其生理生態(tài)基礎(chǔ). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1991, 2: 70–76. Shan L, Xu M. Water-saving agriculture and its physio-ecological bases., 1991, 2: 70–76 (in Chinese with English abstract).

[6] 許振柱, 于振文. 限量灌溉對(duì)冬小麥水分利用的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2003, 21(1): 6–10. Xu Z Z, Yu Z W. Effects of limited irrigation on water use of winter wheat., 2003, 21(1): 6–10 (in Chinese with English abstract).

[7] Oweis T, Pala M, Ryan J. Stabilizing rainfed wheat yields with supplemental irrigation and nitrogen in a Mediterranean climate., 1998, 90: 672–681.

[8] Oweis T, Zhang H P, Pala M. Water use efficiency of rainfed and irrigated bread wheat in a Mediterranean environment., 2000, 92: 231–238.

[9] Xue Q W, Zhu Z X, Musick J T, Stewart B A. Physiological mechanisms contributing to the increased water-use efficiency in winter wheat under deficit irrigation., 2006, 163: 154–164.

[10] 張勝全, 方保停, 張英華, 周順利, 王志敏. 冬小麥節(jié)水栽培三種灌溉模式的水氮利用與產(chǎn)量形成. 作物學(xué)報(bào), 2009, 35: 2045–2054. Zhang S Q, Fang B T, Zhang Y H, Zhou S L, Wang Z M. Utilization of water and nitrogen and yield formation under three limited irrigation schedules in winter wheat., 2009, 35: 2045–2054 (in Chinese with English abstract).

[11] 王志敏, 王璞, 李緒厚, 李建民, 魯來(lái)清. 冬小麥節(jié)水省肥高產(chǎn)簡(jiǎn)化栽培理論與技術(shù). 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2006, 8(5): 38–44. Wang Z M, Wang P, Li X H, Li J M, Lu L Q. Principle and technology of water-saving, fertilizer-saving, high-yielding and simple cultivation in winter wheat., 2006, 8(5): 38–44 (in Chinese with English abstract).

[12] 房全孝, 王建林, 于舜章. 華北平原小麥–玉米兩熟制節(jié)水潛力與灌溉對(duì)策. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(7): 37–44. Fang Q X, Wang J L, Yu S Z. Water-saving potential and irrigation strategies for wheat–maize double cropping system in the North China Plain., 2011, 27(7): 37–44 (in Chinese with English abstract).

[13] 劉昌明, 魏忠義. 華北平原農(nóng)業(yè)水文及水資源. 北京: 科學(xué)出版社, 1989. Liu C M, Wei Z Y. Agricultural Hydrology and Water Resources in the North China Plain. Beijing: Science Press, 1989 (in Chinese).

[14] 羅俊杰, 黃高寶. 底墑對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響研究. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2009, 28(3): 102–104. Luo J J, Huang G B. Effects of different soil water before sowing on winter wheat yield and WUE in semi-arid areas., 2009, 28(3): 102–104 (in Chinese with English abstract).

[15] 羅俊杰, 王勇, 樊廷錄. 旱地不同生態(tài)型冬小麥水分利用效率對(duì)播前底墑的響應(yīng). 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(1): 61–65.Luo J J, Wang Y, Fan T L. Effect of winter wheat yield and WUE with different soil water before sowing in semi-arid areas., 2010, 28(1): 61–65 (in Chinese with English abstract).

[16] 韓美坤, 張萌, 李金鵬, 徐學(xué)欣, 王云奇, 張英華, 王志敏. 播前貯墑量對(duì)黑龍港平原旱作冬小麥產(chǎn)量及水分利用的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2017, 37: 1201–1208. Han M K, Zhang M, Li J P, Xu X X, Wang X Q, Zhang Y H, Wang Z M. Influence of different soil water storage before sowing on yield and water use efficiency of winter wheat in the Heilonggang plain., 2017, 37: 1201–1208 (in Chinese with English abstract).

[17] 林祥, 王東. 不同底墑條件下補(bǔ)灌對(duì)冬小麥耗水特性、產(chǎn)量和水分利用效率的影響. 作物學(xué)報(bào), 2017, 43: 1357–1369. Lin X, Wang D. Effects of supplemental irrigation on water consumption characteristics, grain yield and water use efficiency in winter wheat under different soil moisture conditions at seeding stage., 2017, 43: 1357–1369 (in Chinese with English abstract).

[18] 姚寧, 宋利兵, 劉健, 馮浩, 吳淑芳, 何建強(qiáng). 不同生長(zhǎng)階段水分脅迫對(duì)旱區(qū)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48: 2379–2389. Yao N, Song L B, Liu J, Feng H, Wu S F, He J Q. Effects of water stress at different growth stages on the development and yields of winter wheat in arid region., 2015, 48: 2379–2389 (in Chinese with English abstract).

[19] 韓美坤. 冬小麥貯墑旱作產(chǎn)量形成與水氮利用特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 北京, 2017. Han M K. Yield Formation and Water-nitrogen Use Characteristics of No-irrigating Winter Wheat under Storing Available Soil Water sowing. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[20] Li Q Q, Dong B D, Qiao Y Z, Liu M Y, Zhang J W. Root growth, available soil water, and water-use efficiency of winter wheat under different irrigation regimes applied at different growth stages in North China., 2010, 97: 1676–1682.

[21] 武繼承, 楊永輝, 鄭惠玲, 潘曉瑩, 韓偉鋒. 測(cè)墑補(bǔ)灌與氮肥運(yùn)籌對(duì)小麥品種水分利用的影響. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2017, 32(3): 188–195. Wu J C, Yang Y H, Zheng H L, Pan X Y, Han W F. Effect of measuring irrigation and nitrogen planning management on water use of wheat varieties., 2017, 32(3): 188–195 (in Chinese with English abstract).

[22] 馬忠明, 陳娟, 呂曉東, 劉婷婷. 水氮耦合對(duì)固定道壟作栽培春小麥根長(zhǎng)密度和產(chǎn)量的影響. 作物學(xué)報(bào), 2017, 43: 1705–1714. Ma Z M, Chen J, Lyu X D, Liu T T. Effects of water and nitrogen coupling on root length density and yield of spring wheat in permanent raised-bed cropping system., 2017, 43: 1705–1714 (in Chinese with English abstract).

[23] 武維華. 植物生理學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2018. Wu W H. Plant Physiology. Beijing: Science Press, 2018 (in Chinese).

[24] 王文玉, 張強(qiáng), 陽(yáng)伏林. 半干旱榆中地區(qū)最小有效降水量及降水轉(zhuǎn)化率的研究. 氣象學(xué)報(bào), 2013, 71: 952–961. Wang W Y, Zhang Q, Yang F L. Study of the minimum available precipitation and the precipitation conversion rate in the semiarid Yuzhong region,, 2013, 71: 952–961 (in Chinese with English abstract).

[25] 苑文華, 張玉潔, 孫茂璞, 王瑜. 山東省降水量與不同強(qiáng)度降水日數(shù)變化對(duì)干旱的影響. 干旱氣象, 2010, 28(1): 35–40. Yuan W H, Zhang Y J, Sun M P, Wang Y. Impact of annual precipitation and rainy days with different grades variation on drought disaster in Shandong province., 2010, 28(1): 35–40 (in Chinese with English abstract).

[26] 秦欣, 劉克, 周麗麗, 周順利, 魯來(lái)清, 王潤(rùn)政. 華北地區(qū)冬小麥–夏玉米輪作節(jié)水體系周年水分利用特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45: 4014–4024. Qin X, Liu K, Zhou L L, Zhou S L, Lu L Q, Wang R Z. Characteristics of annual water utilization in winter wheat summer maize rotation system in North China Plain., 2012, 45: 4014–4024 (in Chinese with English abstract).

[27] 趙雪飛, 王麗金, 李瑞奇, 李雁鳴. 不同灌水次數(shù)和施氮量對(duì)冬小麥群體動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2009, 29: 1004–1009. Zhao X F, Wang L J, Li R Q, Li Y M. Effect of irrigation times and nitrogen application rate on population dynamics and grain yield of winter wheat., 2009, 29: 1004–1009 (in Chinese with English abstract).

[28] 李法計(jì), 徐學(xué)欣, 何中虎, 肖永貴, 陳新民, 王志敏. 三種限水灌溉水平下中麥175干物質(zhì)積累與水分利用特性解析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51: 374–385. Li F J, Xu X X, He Z H, Xiao Y G, Chen X M, Wang Z M. Dry matter accumulation and water use performance of winter wheat cultivar Zhongmai 175 under three limited irrigation levels., 2018, 51: 374–385 (in Chinese with English abstract).

Yield-increasing effect of supplementary irrigation at winter wheat flowering and its influencing factors based on water and nitrogen coupling in north China

ZHANG Jing-Ting, LYU Li-Hua, DONG Zhi-Qiang, ZHANG Li-Hua, YAO Yan-Rong, SHEN Hai-Ping, YAO Hai-Po, and JIA Xiu-Ling*

Institute of Cereal and Oil Crops, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences / Scientific Observing Experimental Station of Crop Cultivation in North China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs of PRC, Shijiazhuang 050035, Hebei, China

Facing the increasing water shortage in North China, new techniques for high-yield and less irrigation are urgently needed in winter wheat production. A 10-year successive field experiment was carried out from 2007 to 2016 to clarify the effects of soil water storage before sowing and effective precipitation in wheat growth duration on the yield-increasing efficiency of supplementary irrigation at flowering stage, as well as the interaction of irrigation with nitrogen (N) application rate. The objective of the study was to propose an applicable standard of irrigation for winter wheat in North China Plain. The plots were arranged in a split-plot design with the main factor of irrigation amount and sub-factor of N rate. On the condition that 75 mm water was given at jointing stage of wheat, the main-plots were assigned with supplementary water of 0 (W1) and 75 mm (W2) at flowering stage. The sub-plot treatments were N rate of 0 (N0), 60 (N60), 120 (N120), 180 (N180), 240 (N240), and 300 kg hm-2(N300). The yield-increasing ratio of supplementary irrigation at flowering stage was negatively correlated (< 0.05) with the water storage in 2 m soil body before sowing and influenced by soil N level. The soil organic matter and total N content of N0 and N60 declined gradually with the years of experiment, and no positive effect of W2 on yield was observed since the sixth year. Under the condition of adequate soil water before sowing and normal nitrogen supply (at least 120 kg hm-2), the effect of W2 on yield was also influenced by the effective precipitation during wheat growth, especially that from jointing to flowering stage. The yield-increasing ratio of W2 decreased with the increasing effective precipitation in wheat growing period. When the effective precipitation from jointing to flowering stage was more than 25.3 mm, W2 had no significant advantage on spike number, grain number per spike, 1000-grain weight, biomass, harvest index, and final grain yield, indicating that irrigation of 75 mm at jointing stage was available for water-saving, high water use efficiency and high yield level. In conclusion, under the condition of well soil water content before sowing, N application rate ≥120 kg hm-2and irrigation at jointing stage, the effective precipitation from jointing to flowering might be considered as an important criterion to determine the necessity of supplementary irrigation at flowering stage of winter wheat in North China Plain.

winter wheat; irrigation regime; water and nitrogen coupling effect; North China Plain; high-stable-yield

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31701373), 河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2018301050)和河北省農(nóng)業(yè)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(C19C4896, C19C1101)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31701373), the Natural Science Foundation of Hebei Pro-vince (C2018301050), and the Hebei Agricultural Innovation Project (C19C4896, C19C1101).

賈秀領(lǐng), E-mail: jiaxiuling2013@163.com

E-mail: jingting58@126.com

2018-08-26;

2019-06-12;

2019-07-09.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190705.1258.006.html

10.3724/SP.J.1006.2019.81060