灌溉畦長對小麥冠層光能利用特性的影響

延飛龍，趙俊曄，石 玉，于振文

(1.山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，山東泰安271018；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081)

受季風氣候影響，黃淮海地區(qū)降水量主要集中在夏季，小麥生長季降水稀少，只能滿足小麥需水量的25%～40%，水分虧缺是限制小麥高產(chǎn)的主要因素[1]。小麥拔節(jié)期和開花期灌溉是獲得高產(chǎn)的重要措施[2]，畦灌是該地區(qū)主要的灌溉方式，生產(chǎn)中普遍存在畦長過長的問題，畦長過長導致灌水量過高，造成水資源浪費。研究表明，按照水流到達畦尾后再灌一會才停止灌水的灌溉方式，畦長180 m處理的灌水量較畦長90 m處理多30 mm，而籽粒產(chǎn)量無顯著增加[3]。改水成數(shù)90%(即當水流前鋒到達畦長長度90%位置時停止灌水)灌溉能夠有效減少灌溉量，提高水分利用效率[4]。在改水成數(shù)90%條件下，畦寬為8.3 m時，畦長由15 m增加至60 m，灌水量增加75 mm，小麥生育期總耗水量增加105.5 mm，水分利用效率降低4.4 kg·hm-2·mm-1[5]；畦寬為2 m時，畦長由10 m增加至60 m，灌水量增加60.08 mm，小麥生育期總耗水量降低26.9 mm，水分利用效率增加2.38 kg·hm-2·mm-1[6]。這表明畦田的長度和寬度能夠顯著影響小麥的耗水量和水分利用效率。目前有關(guān)畦長效應的研究多集中在畦長對小麥耗水特性的影響，而有關(guān)其對小麥冠層光能利用特性的影響研究尚少。本試驗在改水成數(shù)90%灌溉條件下，研究灌溉畦長對小麥冠層光能利用特性及產(chǎn)量的影響，以期為小麥節(jié)水高產(chǎn)栽培的適宜畦長選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

于2017-2018年小麥生長季在山東省兗州市小孟鎮(zhèn)史家王子村進行田間試驗。土壤類型為壤土，前茬作物為玉米，收獲后全部秸稈還田。全生育期內(nèi)有效降水量為151.9 mm。小麥播種前0～20 cm土層有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為14.31 mg·kg-1、1.17 g·kg-1、118.82 mg·kg-1、39.29 mg·kg-1和116.37 mg·kg-1。

供試品種為濟麥22。試驗設(shè)置4個畦長水平，分別為10 m(L10)、20 m(L20)、30 m(L30)、40 m(L40)，畦寬為2 m。隨機區(qū)組排列，3次重復，處理間設(shè)置寬2 m隔離帶。小麥播種前不灌水，于拔節(jié)期和開花期按照改水成數(shù)90%灌水。播種前鉀肥、磷肥全部底施，施用量分別為P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。播前底施純氮 105 kg·hm-2，拔節(jié)期追施純氮135 kg·hm-2。小麥于2017年10月23號播種，2018年6月8號收獲。3葉期定苗，留苗密度為270株·m-2。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 區(qū)間劃分

將試驗小區(qū)沿灌水方向分為0～10 m、10～20 m、20～30 m、30～40 m 4個區(qū)間，在各區(qū)間的中間位置處取樣測定，3次重復。各處理的試驗結(jié)果為處理內(nèi)各區(qū)間測定結(jié)果數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.2 開花期土壤含水量測定

于小麥開花期灌水前在各區(qū)間用土鉆取0～200 cm土層，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。

1.2.3 葉面積指數(shù)(LAI)和冠層光合有效輻射(PAR)的測定

于小麥花后0、7、14 、21、28 d，用英國生產(chǎn)的SUNSCAN作物冠層分析儀測定葉面積指數(shù)和植株冠層頂部、底部光合有效輻射。

1.2.4 冠層PAR截獲率(CaR)、截獲量(IPAR) 和透射率(PeR) 的計算[7]

CaR=(PAR1-PAR2) /PAR1×100%

PeR= PAR2/PAR1×100%

IPAR=RT×CaR× 0.5

式中，PAR1和PAR2分別表示植株冠層頂部和底部的光合有效輻射；RT表示實際光能總輻射量，數(shù)據(jù)來源于試驗基地氣象觀測站。

1.2.5 冠層光合有效輻射轉(zhuǎn)化率、利用率的計算

通過以下公式[8]計算干物質(zhì)凈積累量(NDMM)、PAR轉(zhuǎn)化率(PCE)和利用率(PUE)

NDMM=M2-M1

PCE=NDMM/IPAR

PUE=CaR × PCE

式中，M2為成熟期干物質(zhì)積累量 ( g·m-2)；M1為開花期干物質(zhì)積累量 ( g·m-2)；IPAR 為冠層 PAR 截獲量 (MJ·m-2)；CaR為PAR截獲率(%)。

1.2.6 籽粒產(chǎn)量及水分利用效率測定

于小麥成熟期按小區(qū)收獲，脫粒風干至含水量為12.5%時稱重測產(chǎn)。水分利用效率=籽粒產(chǎn)量/生育期耗水量[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)、SPSS 13.0軟件統(tǒng)計分析和LSD多重比較，SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 畦長對小麥拔節(jié)期和開花期灌水量及開花期土壤含水量

小麥拔節(jié)期和開花期灌水量及開花期土壤含水量均隨畦長的增加而增加(表1)。除了拔節(jié)期灌水量和開花期土壤含水量在L20、L10處理間差異不顯著外，其他處理間差異均達顯著水平。這說明增加畦長有助于補充土壤水分。

表1 不同處理灌水量與開花期0～200 cm土層平均土壤含水量Table 1 Irrigation amount and average soil water content in 0-200 cm soil layer at anthesis under different treatments

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 下表同。

Different letters within the same columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in tables 2 and 3.

2.2 畦長對小麥花后葉面積指數(shù)、光能截獲與利用的影響

隨畦長的增大，小麥花后0～28 d的葉面積指數(shù)、花后14 d冠層PAR截獲率和截獲量以及花后冠層PAR轉(zhuǎn)化效率和利用率均呈增加趨勢(圖1、圖2和表2)，花后14 d冠層光能透射率呈下降趨勢(表2)。各指標除了L20、L10處理間差異不顯著外，其他處理間均差異顯著。這表明畦長的增加可擴大小麥光合面積，促進植株對光能的有效利用。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in figure 2.

圖1 不同處理小麥花后葉面積指數(shù)

Fig.1Leaf area index of wheat after anthesis under different treatments

表2 不同處理小麥花后14 d冠層光截獲特性Table 2 Effects of different treatments on light interception characteristics in wheat canopy on the 14th day after anthesis

2.3 不同處理小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率

在不同畦長處理間小麥耗水量差異不顯著。小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率隨畦長的增大呈增加趨勢，而且除水分利用效率在L20、L10兩個處理間差異不明顯外，不同處理間籽粒產(chǎn)量和水分利用效率差異均顯著(表3)，說明畦長的增加可促進小麥增產(chǎn)和水分高效利用。

表3 不同處理小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率Table 3 Grain yield and water use efficiency of wheat under different treatments

圖2 不同處理對PAR轉(zhuǎn)化率、利用率的影響

3 討 論

葉面積指數(shù)是反映作物冠層結(jié)構(gòu)和光能截獲的重要指標之一[10-11]，對冠層光能的轉(zhuǎn)化和利用有重要影響[12]。研究表明，在華北地區(qū)，僅在拔節(jié)期一次灌水60 mm的處理會造成小麥花后水分虧缺，灌漿中期葉面積指數(shù)較拔節(jié)期和灌漿期各灌水60 mm處理低21.73%[13]，顯著降低了灌漿中期植株40 cm以上冠層PAR截獲率，使冠層光能利用率下降了5.17%[14]。在黃淮海麥區(qū)，在改水成數(shù)90%、畦長80 m條件下，畦寬2.5 m處理的灌水量較畦寬1.5 m處理高4.53 mm，灌漿中期凈光合速率高5.11%，籽粒產(chǎn)量高168 kg·hm-2[15]。亦有研究表明，灌水量73.1～ 93.1 mm處理的冠層PAR截獲量較灌水量 50.1～51.2 mm處理高8.5%～27.9%，冠層PAR截獲率高6.7%～14.5%；當灌水量增加至87.5～105.4 mm和灌水量101.8～115.0 mm時，冠層PAR截獲量和PAR截獲率無顯著變化[16]。本試驗條件下，L40處理獲得較高的灌水量，增加了開花期土壤含水量，有利于有效延緩了小麥葉片衰老，從而在開花中后期維持較高的葉面積指數(shù)和冠層光合有效輻射截獲，促進光合產(chǎn)物的積累，這是其光能轉(zhuǎn)化率和利用率顯著高于其他處理的重要生理基礎(chǔ)。

畦田規(guī)格對灌水量和灌水均勻度影響顯著，進而影響作物產(chǎn)量和水分利用效率[17-18]。前人對小麥不同畦田規(guī)格灌溉的研究表明，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)，在畦長45 m條件下，畦寬為5 m時，小麥產(chǎn)量較高，水分利用效率最高，為13.8 kg·hm-2·mm-1[17]。在畦長30 m條件下，與畦寬5 m處理相比，畦寬3 m處理的小麥總耗水量降低14.43 mm，產(chǎn)量高531.75 kg·hm-2，水分利用效率高1.55 kg·hm-2·mm-1[19]。亦有研究認為，在華北平原地區(qū)，在畦寬5 m條件下，畦長由10 m增加至100 m，小麥總耗水量由286.48 mm增加至313.94 mm，籽粒產(chǎn)量無顯著增加，而水分利用效率降低了3.1 kg·hm-2·mm-1[20]。本試驗條件下，L40處理灌水量顯著高于其他處理，但L40處理總耗水量較其他處理無顯著增加，且較高的光能利用率使其積累了更多的光合產(chǎn)物，從而獲得最高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。綜合考慮冠層光能利用特性、籽粒產(chǎn)量及水分利用效率，L40處理是本試驗條件下的最佳灌溉畦長。本研究中，L40處理籽粒產(chǎn)量最高，但畦長范圍較小，高于40 m的畦長的應用效果有可能更好，因此在今后的試驗中將進一步增大畦長范圍進行研究。