生育后期灌水量對河西春小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

張 舵，李援農(nóng)，王增紅，閔 迪，楊金宇

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

干旱地區(qū)在我國北方分布廣泛，每年都有不同程度的干旱危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，導致糧食減產(chǎn)，是精細農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量穩(wěn)定的主要威脅[1]。我國是世界上種植小麥面積最大、產(chǎn)量最高的國家[2]，而干旱半干旱區(qū)小麥的產(chǎn)量占全國小麥生產(chǎn)總量的50%以上，占有十分重要的地位[3]，但該地區(qū)農(nóng)業(yè)耗水量高，水分利用效率低，提高水資源利用效率對于緩解農(nóng)業(yè)用水壓力具有重要意義[4]。

河西地區(qū)地處西北干旱區(qū)，作物生長必須依賴于灌溉，抗旱能力較強的春小麥在該區(qū)占有較大的比例。但與此同時該地區(qū)小麥也存在著春季低溫和干旱使得播種困難，后期高溫導致產(chǎn)量低等諸多問題。因此改善灌溉條件、提高小麥抗旱保墑能力成為春小麥節(jié)水增產(chǎn)的關(guān)鍵[5-6]。研究表明，小麥植株水分狀況的動態(tài)化直接或間接影響其營養(yǎng)吸收、光合能力及物質(zhì)轉(zhuǎn)運和代謝，且小麥籽粒產(chǎn)量隨土壤含水量的增加而增加[7]，但當灌水量超過一定范圍不僅對提高籽粒產(chǎn)量無益，還會降低水分利用效率[8]。灌水時期也會顯著影響小麥的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[9-12]。拔節(jié)—開花期是春小麥水分敏感期，水分虧缺將顯著影響小麥株高、產(chǎn)量與水分利用效率[13,14]，而孕穗期灌水的處理產(chǎn)量高于拔節(jié)期灌水的處理[15]，后期適度灌水可以增加春小麥葉綠素含量，延緩根系衰老，提高作物的光合速率和干物質(zhì)累積量，并且對提高小麥穗粒數(shù)和千粒重具有十分重要的意義[16-19]。因此確定河西春小麥生育后期適宜的農(nóng)田灌溉水量、分析對春小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率的影響對確定河西地區(qū)春小麥節(jié)水高產(chǎn)的灌溉制度有重要作用。

微噴灌溉是在噴灌和滴灌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型灌溉方式，它兼具了噴灌和滴灌的優(yōu)點，利用微噴將水均勻地噴灑在田間，所用設(shè)備相對簡單、廉價、易于收放[20]。與畦灌相比，微噴灌溉具有減少土壤表層板結(jié)，降低土壤水分滲漏量，提高灌水均勻度等特點[21]。研究表明，微噴灌溉有利于改善冠層溫度和濕度條件，減少氮肥在深層土壤中的淋失，提高小麥弱勢粒的千粒質(zhì)量，使灌漿期葉面積衰減率低，有利于光合產(chǎn)物的合成，促進小麥干物質(zhì)的積累、分配和轉(zhuǎn)運，從而提高產(chǎn)量[22-24]。目前，在河西地區(qū)采用微噴灌溉研究不同水量對春小麥的影響較少。本研究在微噴灌溉方式下，設(shè)置春小麥生育后期不同灌水量，研究各處理對春小麥在生育后期的植株生長、耗水量、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素和水分利用效率的影響，從而確定春小麥生育后期能夠節(jié)水高產(chǎn)的適宜灌水量。

1 試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年3-8月在甘肅省武威市中國農(nóng)業(yè)大學石羊河實驗站(N37°52′，E102°50′)進行。該區(qū)海拔1 581 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫8 ℃，年積溫3 550 ℃，多年平均降水量164.4 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm左右，干旱指數(shù)15～25，年均日照時數(shù)3 000 h，無霜期85～165 d。地下水埋深40～50 m，0～90 cm深度土壤平均容重1.50 g/cm3，平均田間持水量28%(體積含水量)。

1.2 試驗設(shè)計

春小麥采用農(nóng)機播種，供試品種為“永良4號”，播種日期為2018年3月28日，收獲日期為7月24日。試驗小區(qū)尺寸為6 m×4.2m，每個處理重復(fù)3次，共12個小區(qū)，小區(qū)處理隨機分布。采用微噴帶灌水，微噴帶平行于小麥種植方向布置。小區(qū)采用一帶14行布置，小麥種植行距為15 cm，播種量為500 kg/hm2，播種前兩天施肥翻耕，各處理的施肥量相同[氮肥(N)：160 kg/hm2，磷肥(P2O5)：70 kg/hm2，鉀肥(K2O)：176 kg/hm2]。試驗區(qū)周圍布置2 m寬的作物保護帶。冬季儲水地面灌溉90 mm，在全生育期內(nèi)共灌水8次，分蘗期至拔節(jié)期灌水3×35 mm。自拔節(jié)期結(jié)束后每隔10 d灌水一次，共灌水5次，灌水定額分別為30、40、50、60 mm，記為W30、W40、W50、W60(表1)。微噴帶采用甘肅大禹節(jié)水股份有限公司生產(chǎn)的帶寬40 mm、并列斜5孔、孔徑0.8 mm、噴射仰角45°～70°的黑色PE微噴帶。

表1 各處理生育期內(nèi)的灌水情況

1.3 測定指標與方法

(1)春小麥株高。分別在春小麥分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期取樣，在各個小區(qū)隨機選取10株能夠代表小區(qū)整體長勢的植株進行標記，用米尺測定春小麥的株高。在抽穗前，測量莖基部到葉頂端的長度，在抽穗后，測量從莖基至穗頂?shù)拈L度。

(2)春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素。收獲時，在試驗小區(qū)取1 m2樣區(qū)，將地上部全部收獲，隨機取10株春小麥，測定穗粒數(shù)，然后再測定每個樣區(qū)的穗數(shù)，風干后稱質(zhì)量并計算千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量。

(3)收獲指數(shù)(HI)的計算。收獲指數(shù)=樣區(qū)的籽粒產(chǎn)量/樣區(qū)地上部分干物質(zhì)質(zhì)量。

(4)作物耗水量的計算。作物耗水量的計算公式為：

ET=P+U+I-R-F-ΔW

(1)

式中:ET為作物耗水量；P為降水量；U為地下水補給量；I為灌水量；R為徑流量；F為深層滲漏量；ΔW為試驗初期和末期土壤水分變化量。式中各分量單位均以mm計。

根據(jù)試驗區(qū)實際情況，式(1)中地下水補給量、徑流量和深層滲漏量均忽略不計，故上式簡化為:

ET=P+I-ΔW

(2)

(5)作物水分利用效率的計算。水分利用效率[WUE，kg/(hm2·mm)]用公式(3)計算：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y為春小麥籽粒產(chǎn)量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2010和Origin Pro8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理并繪圖，利用DPS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥生育后期灌水量對株高的影響

由圖1分析知，隨著生育期的延長，各處理株高逐漸增大。各處理在分蘗期和拔節(jié)期的株高差異不顯著。在抽穗期，W30處理的株高最低為86.56 cm，W40、W50和W60各處理的株高較W30處理分別高出2.35%、6.14%、8.73%，各處理間差異顯著(P<0.05)。在成熟期，W30處理的株高最低為89.13 cm，W40、W50和W60各處理的株高較W30處理分別高出3.65%、7.30%、9.27%，其中W50與W60處理差異不顯著，但二者與W30、W40處理差異顯著。說明，水分虧缺越重，作物生長受到的抑制作用越明顯[25]，拔節(jié)期過后灌水有利于小麥的生長[26]，進入開花期后增長緩慢[13]，灌水量的增加明顯有利于小麥株高的生長，這與王振華[27]的研究結(jié)果一致。

圖1 生育期水分調(diào)控對春小麥株高的影響

2.2 春小麥生育后期灌水量對產(chǎn)量的影響

孕穗期到抽穗期處于營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變向生殖生長的時期，是確定小麥穗粒數(shù)的關(guān)鍵時期[27]?？挤N結(jié)果(表2)表明，W50穗粒數(shù)顯著高于其他灌水處理，分別比W30、W40和W60高出11.74%、8.26%和3.50%。W30與W40之間差異不顯著，但兩者與W50、W60之間的差異顯著。說明孕穗期到抽穗期的灌水量明顯影響了春小麥穗粒數(shù)，土壤水分虧缺與土壤水分過多均對小麥麥穗發(fā)育有一定的抑制作用，這與合適的水分供應(yīng)能夠提高小麥穗粒數(shù)Saleem M[28]研究結(jié)果一致。而與王文頗[29]認為的不同，可能是因為其實驗拔節(jié)期的不同灌水量所造成的土壤水分差異延續(xù)到了小麥的孕穗階段，進而對小麥穗粒數(shù)產(chǎn)生了影響。W50與W60的千粒質(zhì)量差異不顯著，W60略高于W50，W60處理的千粒質(zhì)量顯著高于W30與W40，分別高出15.29%、9.02%。說明，在本試驗的灌水處理范圍內(nèi)，在小麥生育后期的灌水量越多對小麥籽粒的灌漿過程越有利，可明顯增加籽粒的千粒重[30]，而缺水會嚴重影響作物產(chǎn)量的形成[31]，適宜灌水量對春小麥的粒重及籽粒的飽滿程度有明顯影響這是由于小麥生育后期灌水少使灌漿期的土壤水分狀況較差，降低了光合產(chǎn)物的供應(yīng)強度，導致籽粒充實物質(zhì)不足，粒重低，而土壤水分含量高則有利于光合同化物向小麥籽粒的轉(zhuǎn)移，增加小麥粒重，與王文頗和房全孝[29、32]的研究結(jié)果一致。

表2 不同灌水處理對春小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標注不同字母者表示差異顯著(p<0.05)，下表同。

產(chǎn)量W50處理最高為8 106 kg/hm2，顯著高于其他處理，分別比W30、W40和W60高出35.95%、17.79%和7.15%，且各處理間差異均顯著。隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先遞增后減小的趨勢，說明春小麥抽穗期之后的灌水量對產(chǎn)量有較大影響，小麥生育后期缺水將會嚴重減少作物的產(chǎn)量，而過多的灌水量既浪費水資源還對產(chǎn)量形成負面影響[33]，適宜的灌水量可顯著提高籽粒產(chǎn)量，這與王東[23]的研究結(jié)果一致。

收獲指數(shù)是作物收獲時籽粒產(chǎn)量與地上生物產(chǎn)量之比，反映了碳素從源到籽粒庫的分配比例，該性狀能夠一定程度上反映作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟產(chǎn)品的能力，是評價作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標[34]。收獲指數(shù)W50處理最高為47.08%，顯著高于其他處理，分別比W30、W40和W60高出18.24%、7.13%和4.07%，其中W40與W60之間的差異不顯著，收獲指數(shù)隨著灌水量的增加呈先增大后減小的變化趨勢。說明土壤缺水嚴重降低了產(chǎn)量水平，而土壤含水量高則一定程度會抑制產(chǎn)量水平。小麥生育后期灌水有利于物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移量增加，提高抽穗后的干物質(zhì)積累量，增加春小麥籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)和水分利用效率，與王紅光[12]及黨根友[35]的研究結(jié)果一致。同時，W50處理的每公頃產(chǎn)量最高，說明W50灌水處理可以使春小麥生育后期具有適宜土壤水分含量，對小麥穗粒數(shù)及千粒重的增長有明顯的提高作用，小麥的高產(chǎn)一定要均衡各構(gòu)成要素的均衡發(fā)展。

2.3 春小麥生育后期灌水量對水分利用效率的影響

不同處理的春小麥耗水量和水分利用效率見表4。水分利用效率能綜合反映耗水量與籽粒產(chǎn)量的相互關(guān)系[36]。由表3分析知，春小麥生長期間有效降水量為38.4 mm，可以看出隨著灌水量的增加，小麥不同生育期內(nèi)的土壤水分含量是具有明顯差異的，小麥在生育期內(nèi)的耗水量是逐漸增加的，而水分利用效率則是在W50處理時達到最高的1.82 kg/m3，與其他各處理差異顯著，分別比W30、W40、W60高出16.25%、6.83%、13.6%，其中W30與W60差異不顯著。本試驗研究結(jié)果表明，灌水量超過一定范圍不僅對提高籽粒產(chǎn)量無益，還會降低水分利用效率，隨著灌水量的增加，水分利用效率呈先升后降的趨勢，這與Qingwu Xue[8]及肖俊夫[9]的研究結(jié)果一致。已有研究表明與充分灌溉相比，水分虧缺條件下的小麥產(chǎn)量和水分利用效率較高[37]，本研究結(jié)果與其不一致，這是由于河西地區(qū)干旱少雨，缺水會嚴重影響到春小麥的生長發(fā)育過程，導致產(chǎn)量與水分利用效率均遠低于適宜的灌水量處理。因此，在春小麥生育后期進行W50的灌水處理具有最高的水分利用效率，在此灌水量下獲得高產(chǎn)及優(yōu)異的水分利用效率。

表3 不同灌水量處理下的春小麥耗水量及水分利用效率

2.4 全生育期灌水量與產(chǎn)量及水分利用效率的關(guān)系

春小麥產(chǎn)量(y)與全生育期灌水量(x)呈二次拋物線關(guān)系，r2=0.9165，P<0.05，方程擬合較好，這說明小麥灌水量對于產(chǎn)量的形成具有決定性作用[圖2(a)]。由產(chǎn)量和灌水量的關(guān)系可知過高和過低的灌水量均不利于小麥獲得高產(chǎn)，適宜的灌水量有利于小麥獲得高產(chǎn)，在全生育期灌水量為350～400 mm時，小麥可以獲得最理想的產(chǎn)量。春小麥水分利用效率(y)與全生育期灌水量(x)同樣呈二次拋物線關(guān)系，r2=0.846 9，P<0.05，方程擬合較好，這說明小麥灌水量對于水分利用效率的提高有顯著影響[圖2(b)]?？芍S著灌水量的增加，小麥的水分利用效率呈先增大后減小的拋物線形式，其中，過高和過低的灌水量均會降低小麥的水分利用效率，適宜的灌水量有利于小麥獲得較高的水分利用效率，在全生育期灌水量為300～350 mm時，河西春小麥將具有較高的水分利用效率。綜合比較圖2(a)與圖2(b)中的相關(guān)關(guān)系，在全生育灌水量為350 mm左右時，春小麥將獲得節(jié)水高產(chǎn)的效益。

圖2 全生育期灌水量與產(chǎn)量和水分利用效率的關(guān)系

3 結(jié) 論

生育后期不同灌水量對春小麥生長發(fā)育有顯著影響，灌水量最少的W30處理小麥植株后期發(fā)育差，灌水量較多的處理對春小麥的生長有利。不同灌水量對春小麥產(chǎn)量及水分利用效率有顯著影響，各處理千粒重隨著灌水量的增加而增加，單株穗粒數(shù)、產(chǎn)量及水分利用效率隨著灌水量的增多呈先增加后減小的變化趨勢，過多的灌水量不僅不利于河西春小麥穗粒數(shù)的發(fā)育，還降低產(chǎn)量和水分利用效率。綜合考慮灌水量、產(chǎn)量和水分利用率，在本實驗條件下，河西春小麥分蘗至拔節(jié)灌水3次(3×35 mm)，孕穗至成熟灌水5次(5×50 mm)，灌溉定額為355 mm的灌溉制度最優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)。