播種方式對不同灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量及土壤水熱條件的影響

董 飛，閆秋艷，楊 峰，賈亞琴，李 峰，魯晉秀，張建誠

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，山西 臨汾 041000)

冬小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物之一，在我國華北水資源短缺地區(qū)，節(jié)水灌溉對冬小麥穩(wěn)產(chǎn)栽培具有重要意義[1]。山西省冬小麥種植主要集中在晉南地區(qū)，其中臨汾市冬小麥常年種植面積約24.7萬hm2，旱地冬小麥占總面積的2/3[2]。臨汾市冬小麥生育期常年干旱缺雨，降雨量不足以及降水季節(jié)分布不均限制了冬小麥產(chǎn)量提高[3]。另外，灌溉條件制約了水地冬小麥的增產(chǎn)增效，關(guān)鍵生育期常因延遲澆水或水資源短缺等問題使冬小麥總產(chǎn)減少10%左右[4]。這些限制因素導(dǎo)致冬小麥生育狀況及產(chǎn)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

節(jié)水旱作模式是保障冬小麥穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑[5]。為了大幅度提高灌溉水利用率，一些學(xué)者試圖從改變作物的播種模式入手，研究了種植模式對作物灌溉水利用率的影響[6-7]。播種方式對構(gòu)建高效用水群體、提高水分利用效率以及獲得冬小麥高產(chǎn)高效至關(guān)重要[6]。近年來，在冬小麥播種方式上，寬幅精播、寬窄行、探墑溝播等播種技術(shù)在旱地冬小麥蓄水保墑、增產(chǎn)增效方面起到積極的作用[7-8]。探墑溝播技術(shù)是一項(xiàng)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代科技相結(jié)合的抗旱減災(zāi)增產(chǎn)的新技術(shù)。在不同地區(qū)如山西省的臨汾市洪洞縣、運(yùn)城市、聞喜縣等均有一定應(yīng)用和推廣面積[9-10]。在溝播的基礎(chǔ)上有覆膜溝播和秸稈覆蓋溝播等配套保墑技術(shù)[11]。與直播相比，溝播耕層土壤踏實(shí)，保水能力強(qiáng)，下層根系分布比例較大，冬小麥產(chǎn)量提高8.4%～10.0%[12]，且冬小麥壟作比平作種植節(jié)水30%[13]。綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于探墑溝播技術(shù)在旱地冬小麥生產(chǎn)中的保墑效果研究較多，而關(guān)于探墑溝播技術(shù)結(jié)合灌水條件的區(qū)域性研究尚未見報(bào)道。為此，在臨汾市不同區(qū)域，系統(tǒng)分析了不同播種方式(探墑溝播和常規(guī)條播)對不同灌溉條件(雨養(yǎng)旱地?zé)o灌水和拔節(jié)期澆一水)下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、養(yǎng)分吸收、土壤含水量和土壤溫度的影響，旨在為確定山西省晉南地區(qū)冬小麥節(jié)水旱作模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2016年在山西省臨汾市堯都區(qū)吳村鎮(zhèn)洪堡村(旱地，Site1)、洪洞縣劉家垣村(旱地，Site2)、洪洞縣西李村(水地，Site3)和洪洞縣馬三村(水地，Site4)4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行。臨汾市冬小麥生育期降雨量及氣溫見表1，4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表1 冬小麥生育期間臨汾市降雨量和氣溫

表2 試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)Tab.2 Soil physical-chemical properties in the experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2種播種方式，分別是寬窄行探墑溝播(T)，采用免耕探墑溝播機(jī)一次性完成深開溝、深施肥和淺覆土播種，播種后壟高12 cm，溝深8 cm，一次播種8行；常規(guī)條播(L)，采用常規(guī)施肥條播機(jī)，行距20 cm，一次播種11行。2種播種方式的施肥量相同，均施純氮120 kg/hm2、磷(P2O5)90 kg/hm2和鉀(K2O)90 kg/hm2，種肥同播。旱地?zé)o灌溉水(W0)，水地在拔節(jié)期人工灌水1次，灌水量120 mm(W1)。每種播種方式播種面積225 m2，無重復(fù)。水地供試冬小麥品種為良星99，播種日期為2015年10月18日，播種量225 kg/hm2。旱地供試冬小麥品種為晉麥92號，播種日期為2015年9月30日，播種量150 kg/hm2。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于冬小麥成熟期(旱地：6月2日；水地：6月14日)，每個(gè)播種處理均隨機(jī)取樣10株，測量株高，烘干后測地上部干質(zhì)量，每個(gè)播種處理均選取1 m2的3個(gè)樣點(diǎn)，測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。

1.3.2 根系形態(tài) 冬小麥拔節(jié)期，選取長勢均勻的麥行10 cm，割掉地上部分，采用直徑為6 cm的根鉆沿冬小麥主根方向垂直向下取40 cm，冬小麥根系全部收集至網(wǎng)袋，用清水沖洗網(wǎng)袋至根系清洗干凈。采用根系掃描分析系統(tǒng)(EPSON PERFECTION V700 PHOTO)進(jìn)行根系掃描，用圖像分析軟件WinRHIZO(加拿大Regent Instruments公司)分析根系平均直徑、總根長、根系體積和根系表面積等指標(biāo)。各處理重復(fù) 3 次。

1.3.3 植株養(yǎng)分含量 分別于冬小麥拔節(jié)期和成熟期，每個(gè)處理隨機(jī)選取1 m2的3個(gè)樣點(diǎn)，將地上部植株收割放于尼龍網(wǎng)袋中。取樣后用純水洗干凈，用紗布將植株擦干，105 ℃烘箱殺青30 min，于75 ℃烘干24 h后，稱質(zhì)量，然后粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，用半自動凱氏定氮儀測定氮含量，用鉬銻抗比色法測定磷含量，用火焰光度計(jì)法測鉀含量。

1.3.4 土壤含水量和貯水量 每個(gè)小區(qū)用土鉆取3個(gè)點(diǎn)，取土深度0～200 cm，每隔20 cm取樣1次。用烘干法測定土壤含水量，土壤含水量=(土壤鮮質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量× 100%。根據(jù)A=0.1×W×ρ×H，計(jì)算土壤貯水量。式中：A為不同深度土壤貯水量，W為土壤含水量，H為土層厚度，ρ為土壤容重。

1.3.5 土壤溫度 土壤溫度測定采用智能全自動土壤溫度記錄儀(L93-4，杭州路格儀器有限公司)，測量精度±0.2 ℃，分辨率0.1 ℃。冬小麥出苗后埋設(shè)于冬小麥行間20 cm和40 cm深處，每小時(shí)自動記錄1次土壤溫度。土壤日平均溫度為全天24 h 的土壤溫度平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2010軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖。采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種方式對不同灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表3可以看出，在W0和W1條件下，與條播處理相比，溝播處理冬小麥地上部干質(zhì)量分別顯著提高26.6%(W0)和30.3%(W1)，有效穗數(shù)分別顯著增加10.3%(W0)和29.3%(W1)，株高分別顯著增加5.0%(W0)和2.6%(W1)；穗長分別減少8.7%(W0)和4.7%(W1)，W0條件下穗粒數(shù)減少8.9%，W1條件下處理間差異不顯著；千粒質(zhì)量分別增加27.1%(W0)和1.3%(W1)，W0條件下處理間差異顯著；產(chǎn)量顯著提高5.0%(W0)和15.4%(W1)。相關(guān)分析表明，產(chǎn)量提高的主要原因是地上部干質(zhì)量和有效穗數(shù)的增加，且這種增產(chǎn)作用在水地條件下更明顯。

表3 播種方式對不同灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一試驗(yàn)點(diǎn)不同處理間的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),下同；*、**分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

Note:The different lowercase letters within a column mean significant differences among different treatments in the same experiment site (P<0.05)，the same below； *，**mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels，respectively.

2.2 播種方式對不同灌溉條件下冬小麥根系形態(tài)和植株養(yǎng)分含量的影響

從表4可以看出，在W0和W1條件下，溝播處理冬小麥根長較條播處理提高17.0%和10.6%，根體積分別提高13.3%和10.7%，根直徑提高9.9%和22.5%，W0條件下處理間差異總體上顯著。但溝播處理冬小麥的根表面積小于條播處理，在W0和W1條件下分別減少6.4%和6.8%，W0條件下處理間差異顯著。

表4 播種方式對不同灌溉條件下冬小麥根系形態(tài)的影響Tab.4 Effect of sowing method on root morphology of winter wheat under different irrigation conditions

從表5可以看出，相同生育時(shí)期，溝播處理冬小麥植株氮和磷含量高于條播處理，且處理間的差異在W1條件下表現(xiàn)更明顯，均達(dá)到顯著水平。鉀含量表現(xiàn)為，拔節(jié)期W0條件下，T處理低于L處理，而W1條件下相反；成熟期，鉀含量在處理間的變化趨勢與拔節(jié)期表現(xiàn)相反?？梢?，澆水對溝播條件下小麥的養(yǎng)分吸收有較好的促進(jìn)作用。

表5 播種方式對不同灌溉條件下冬小麥植株養(yǎng)分含量的影響Tab.5 Effect of sowing method on nutrient content of winter wheat under different irrigation conditions mg/kg

2.3 播種方式對不同灌溉條件下土壤含水量的影響

從圖1可以看出，W0條件下，隨土層加深，0～140 cm土壤含水量總體呈增加趨勢；與條播處理相比，溝播處理總體上增加了0～200 cm各土層含水量。W1條件下，除Site3 60～120 cm土層、Site4 160～200 cm土層外，溝播處理土壤含水量均較條播處理高，各土層土壤含水量變化幅度比W0條件下小。

從圖2可以看出，溝播處理0～200 cm土層土壤貯水量均較條播處理增加，Site1、Site2、Site3和Site4試驗(yàn)點(diǎn)分別增加8.9 mm、9.7 mm、19.9 mm和14.9 mm。

2.4 播種方式對不同灌溉條件下土壤溫度的影響

從表6可以看出，4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，溝播處理11、12、1、3、4月份0～20 cm土壤溫度均比條播處理高，增加幅度分別為0.88～1.13、0.55～1.66、0.58～1.62、0.15～1.22、0.20～0.50 ℃；2月份較條播處理降低1.43～3.12 ℃。其中，2月份2種播種方式的土壤溫度相差較大。20～40 cm土壤溫度的變化不太規(guī)律，12、1月份溝播處理20～40 cm土壤溫度高于條播處理，2月份相反；且除2月份溫度低于0～20 cm外，其余月份20～40 cm土壤溫度總體上高于0～20 cm。

圖1 播種方式對不同灌溉條件下土壤含水量的影響

圖2 播種方式對不同灌溉條件下土壤貯水量的影響

3 結(jié)論與討論

節(jié)水旱作是應(yīng)對未來水資源短缺的重要途徑。溝播技術(shù)對冬小麥的增產(chǎn)作用主要是通過提高土壤含水量和貯水量來實(shí)現(xiàn)的[12]。眾多研究表明，溝播處理土壤含水量較條播處理高，且根據(jù)降雨量和生育時(shí)期不同，溝播對土壤水分含量的提高幅度不同，增幅為7.86%～13.24%[14-16]。無論有無灌溉條件，溝播均比條播的蓄水能力強(qiáng)，而且這種提高土壤蓄水的能力存在于冬小麥的整個(gè)生育期[17]。另外，灌水條件下，灌水集中在溝內(nèi)，使灌溉水的入滲率增加，更多的水分儲存在土層深處。在本研究中，灌水條件下，溝播種植模式出現(xiàn)干區(qū)，土層水分含量較條播低，Site3出現(xiàn)在60～120 cm土層，Site4出現(xiàn)在160～200 cm土層，這可能是灌水的溝和非灌水的壟之間形成的水勢梯度差以及根土系統(tǒng)水分再分配所導(dǎo)致[18]，關(guān)于此現(xiàn)象仍需系統(tǒng)研究。

表6 播種方式對不同灌溉條件下土壤溫度的影響

溝播冬小麥在不同時(shí)期其溝、壟部位具有不同的溫度效應(yīng)，溝部在低溫季節(jié)有增溫效應(yīng),高溫季節(jié)有降溫效應(yīng)(低增高降)；壟部在高溫季節(jié)有增溫效應(yīng)，低溫季節(jié)有降溫效應(yīng)(高增低降)[19]。李俊紅等[20]研究結(jié)果表明，冬小麥種植區(qū)春季0～20 cm土層平均溫度溝播低于平播，且各土層最高溫度出現(xiàn)在14:00，5～10 cm土層溫度變幅較大，20 cm土層溫度變幅較小。本研究結(jié)果表明，2月份低溫季節(jié)溝播處理較條播處理土壤溫度低，這可能與冬季溝播積雪多、水分含量高、土壤熱容量大有關(guān)，此時(shí)期溝播具有吸熱快、散熱快的特點(diǎn)[21]。溝播處理土壤溫度的晝夜溫差大于條播處理，這將有利于田間冬小麥的生長發(fā)育及其干物質(zhì)的積累[20]。

溝播處理冬小麥播種在溝底，充分利用土壤有限水分，蓄墑保墑，有利于提高冬小麥抗旱、抗寒能力[10]。本研究結(jié)果表明，同一試驗(yàn)點(diǎn)，無論有無灌溉條件，與條播處理相比，溝播處理均可提高冬小麥地上部干質(zhì)量和有效穗數(shù)，但降低穗長和穗粒數(shù)。在4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，溝播對冬小麥產(chǎn)量均有提高作用，在灌水條件下增產(chǎn)效果更明顯。薛遠(yuǎn)賽等[11]研究指出，溝播主要是通過增加有效穗數(shù)來提高冬小麥產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果一致。在溝播條件下，株高也相應(yīng)增加，植株可能存在過高生長，不利于培育壯苗[18]。因此，溝播技術(shù)配套的適宜灌溉技術(shù)尚需要系統(tǒng)研究。溝播種植，有利于通風(fēng)透光，提高光合效率，籽粒較大、較均勻。薛遠(yuǎn)賽等[12]和毛祥敏等[22]研究均指出，溝播較等行距條播能顯著提高冬小麥葉面積指數(shù)、旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進(jìn)而提高產(chǎn)量。此外，溝播處理根系指標(biāo)優(yōu)于條播處理，可能是由于溝播方式下壟體具有疏松的土壤環(huán)境條件，利于根系的生長[23]。溝播技術(shù)肥料集中施于種子下層，比一般條播深施4～5 cm，減少肥料的揮發(fā)損失，增加冬小麥根系附近的肥料濃度，充分提高了肥料的利用率，這對培育壯苗、增加成穗率有明顯成效[24]。越冬后，溝內(nèi)貯雪融化有效解決返青期干旱問題，有利于根系生長，各形態(tài)指標(biāo)改善，同時(shí)后期延緩了根系的衰亡，對最終的產(chǎn)量提高具有重要作用[25-26]。溝播塑造了較優(yōu)的根系結(jié)構(gòu)，麥苗素質(zhì)好，使得麥苗后期生長狀況好，產(chǎn)量增加潛力大。

在溝壟比例方面，有研究指出，溝播3行是較為合理的增產(chǎn)播種方式[27]。本研究側(cè)重于溝播2行的種植模式，對種植行數(shù)的研究有待進(jìn)一步分析。