噴灌水分處理對冬小麥產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響

魏闖 雷成霞 郭銀

摘 要：為探索華北平原冬小麥籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率對水分脅迫的響應(yīng)規(guī)律，通過2個生長季（2010—2012年）的大田試驗，重點研究噴灌條件下，不同水分供應(yīng)模式對冬小麥地上部生物量、經(jīng)濟產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)及水分利用效率的影響。結(jié)果表明：與全生育期充分供水處理相比，返青—拔節(jié)期適度水分虧缺以及灌漿成熟期適度水分虧缺處理的收獲指數(shù)、水分利用效率以及灌溉水利用效率均有不同程度的提高，籽粒產(chǎn)量略有增加或減產(chǎn)幅度較小，同時不同程度改善了籽粒品質(zhì);綜合考慮經(jīng)濟產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)以及水分利用效率和灌溉水利用效率，試驗條件下返青—拔節(jié)期適度水分虧缺和灌漿—成熟期輕度水分虧缺可作為當(dāng)?shù)貒姽喽←溸m宜的優(yōu)質(zhì)高效灌水模式。

關(guān)鍵詞：噴灌;灌水量;產(chǎn)量;籽粒品質(zhì);水分利用效率

中圖分類號：S275.6 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.033

Abstract： In order to explore the irrigation index of winter wheat with sprinkling irrigation in North China， a 2-yeargrowing season （2010—2012） field experiment was carried out to investigate the effects of economic yield， grain quality and water use efficiency of winter wheat with different sprinkling irrigation. The results show that the different effects of water-deficits on biomass， economic yield， grain quality and water use efficiency based on the growing stages in which the water deficits are applied. There is no significantly decreased grain yield， but the grain quality water use efficiency and irrigation water use efficiency are significantly increased and the protein ratio and gluten ratio have been improved when water deficits applied during from turning green to elongation stage and grain filling of winter wheat. Comprehensive consideration economic yield， grain quality， water use efficiency especially irrigation water use efficiency， irrigation strategy of T2， T3 and T6 can be used as appropriate sprinkling irrigation mode for the local winter wheat.

Key words： sprinkling irrigation; irrigation amount; economic yield; wheat grain quality; water use efficiency

小麥是世界三大糧食作物之一，華北平原是中國主要的優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)基地，但該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源日趨緊張。華北平原高產(chǎn)條件下冬小麥耗水量在400～600 mm之間，但冬小麥生育期處于該地區(qū)降水較少的冬春季。歷史氣象資料分析結(jié)果表明，該地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)累計降水量不足200 mm，維持作物正常生長所需的水分主要依靠灌溉補充[1-3]。為了保證較高的冬小麥產(chǎn)量，抽取地下水進行灌溉，農(nóng)田灌溉所需水資源隨著灌溉面積的不斷擴大以及氣候變化的影響不斷增加，導(dǎo)致華北平原地下水位逐年下降[4]，不僅增加了灌溉提水成本，而且不利于當(dāng)?shù)厮h(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

隨著節(jié)水灌溉的普及，特別是調(diào)虧灌溉[5-6]、小定額及關(guān)鍵時期補充灌溉[7]的推廣應(yīng)用，在降低麥田灌溉用水量的同時，大幅提高了灌溉水利用效率。目前，華北平原冬小麥生產(chǎn)中所應(yīng)用的灌溉方式以地面畦灌為主，所采用的優(yōu)質(zhì)高效灌溉指標[8]仍以地面灌溉為基礎(chǔ)。隨著節(jié)水灌溉新技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用，噴灌特別是移動式噴灌以其灌水均勻度高，輪灌周期短，對灌溉水水質(zhì)要求低等優(yōu)勢得到了快速發(fā)展。與地面灌相比，噴灌不僅改變了農(nóng)田土壤水、肥分布[9]，而且改變了農(nóng)田小氣候[10]，從而影響小麥產(chǎn)量、水肥利用效率以及籽粒品質(zhì)[11]。目前，有關(guān)噴灌的研究大多集中于耗水過程[12]、籽粒產(chǎn)量[13]及水分利用效率[14]等方面，而有關(guān)噴灌條件下不同時期、不同程度水分脅迫對冬小麥產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)及水分利用效率影響的研究還鮮有報道。筆者通過大田試驗，研究噴灌條件下不同水分供應(yīng)模式對冬小麥地上部生物量、經(jīng)濟產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)及水分利用效率的影響，以期為當(dāng)?shù)囟←溤谄焚|(zhì)和產(chǎn)量方面同時達到最佳提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

試驗區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量582 mm，但年內(nèi)降水分布不均勻，70%的降水集中于7—9月，年平均氣溫14.4 ℃，多年平均日照時數(shù)2 398 h，無霜期210 d。試驗田土壤質(zhì)地為壤土，0～120 cm土層平均土壤干密度為1.46 g/cm3，田間持水率

30.24%（體積含水率），地下水埋深大于10 m。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置10個處理，分別為全生育期充分供水、不同生育期輕度和重度虧水以及全生育期不灌水的雨養(yǎng)處理（見表1）。在已有研究成果的基礎(chǔ)上，試驗以處理T1為對照處理，其返青—拔節(jié)、拔節(jié)—灌漿以及灌漿—成熟期的灌水控制下限分別為田間持水率的65%、75%和

65%，各處理重復(fù)3次。當(dāng)處理T1計劃濕潤層土壤含水率達到或接近灌水控制下限時進行灌溉，所有處理同時進行灌水，灌水定額見表1。灌溉方式為移動式噴灌，每個處理的灌水量通過水表控制，灌溉水源為淺層地下水。

根據(jù)冬小麥生長習(xí)性以及試驗區(qū)降水情況，足墑播種條件下不進行冬灌，僅需在返青后進行灌溉施肥。冬小麥分別于2010年10月18日和2011年10月12日足墑播種，播量為180 kg/hm2，播種行距為18 cm，分別于2011年6月10日和2012年6月9日收獲。播前施底肥750 kg/hm2（復(fù)合肥，N、P、K含量分別為18%、18%和5%），返青期結(jié)合灌水施入尿素300 kg/hm2（N含量為46%）。

1.3 試驗觀測指標

（1）土壤含水率。田間土壤含水率的測定采用烘干法分層進行，每隔20 cm測定一次，深度直至地表以下100 cm。在灌水前、后及小麥全生育期內(nèi)每10 d測定一次。

根據(jù)《灌溉試驗規(guī)范》（SL 13—2004） [15]，計算作物耗水量采用如下公式：

式中：ET1-2為時段內(nèi)作物耗水量，mm;P為自然降雨量，mm;I為灌水量，mm;K為地下水補給量，mm;C為排水量，mm（因試驗田地下水埋深超過10 m，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)篩選要求，本文取K=0，C=0）;ΔW為土壤貯水量的減少量，ΔW=Wi-Wi+1，Wi和Wi+1分別為第i個時段初和時段末的土壤貯水量，由實測的土壤含水率求得。

（2）地上部生物量。從小麥返青期開始每5～7 d測量一次不同處理的地上部生物量，各處理分別選長勢均一的冬小麥，每次取樣30 cm，105 ℃殺青30 min，隨后在75 ℃條件下烘干至恒重，利用精度0.01 g的電子天平稱量。

（3）籽粒產(chǎn)量。收獲時，采用單打單收的方式測定各處理實際產(chǎn)量，折合成每公頃產(chǎn)量。理論產(chǎn)量的獲得需通過群體密度、單株穗粒數(shù)、千粒重指標進行計算，均選有代表性的植株進行考種。

（4）水分利用效率（WUE）。利用式（2）和式（3）計算不同處理的水分利用效率及灌溉水利用效率。

（5）籽粒品質(zhì)。蛋白質(zhì)含量及其組分采用半微量凱氏定氮法測定;氨基酸含量及組分利用氨基酸分析儀（日立L-8800全自動氨基酸分析儀）、分離柱（標準蛋白質(zhì)水解法分離柱，可以分離18種氨基酸）測定;采用瑞士Perten公司生產(chǎn)的2200型面筋洗滌儀，對濕面筋進行測定;沉降值按國際谷物化學(xué)學(xué)會（AACC）56—61標準測定;面團流變學(xué)特性的測定，采用德國公司Brabender產(chǎn)810106002型粉質(zhì)儀。

（6）氣象資料。冬小麥生育期內(nèi)的氣象資料由距離試驗區(qū)200 m左右的自動氣象站觀測獲得，并進行數(shù)據(jù)分析。對于參考作物需水量ET0的計算，采用PM公式。

獲得的以上數(shù)據(jù)采用Excel2016進行整理和分析計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個生長季的氣象和灌水情況

試驗站氣象資料分析結(jié)果（見圖1）表明，2個生長季內(nèi)的參考作物需水量隨冬小麥生育進程推進的變化規(guī)律大致相同。2010—2011年和2011—2012年2個生長季冬小麥生育期內(nèi)的參考作物需水量分別為2.85、2.35 mm/d，總降水量分別為96.1、174.7 mm，次降水量大于5 mm的累計降水量分別為84.6、144.7 mm。

表2給出了2個生長季不同生育期的灌水量，2個生長季的灌溉次數(shù)相同，但因降水的不均勻分布，導(dǎo)致不同生育階段的灌水次數(shù)不同，從而導(dǎo)致相同處理、不同生育階段以及全生育期內(nèi)的灌水量也有所不同。其中：2010—2011年因前期降水較少，而灌漿期降水較多，處理T1返青—拔節(jié)期灌溉了2次，灌水量為120 mm，灌漿—成熟期只灌了1次，灌水量為60 mm;2011—2012年因前期降水較多，而后期降水較少，處理T1返青—拔節(jié)期只灌了1次，灌水量為60 mm，灌漿—成熟期灌了2次，灌水量為120 mm。

2.2 不同灌溉處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

圖2給出了2個生長季不同灌水處理的地上部生物量、冬小麥籽粒產(chǎn)量以及收獲指數(shù)。從圖2（a）可以看出，同一處理2個生長季的籽粒產(chǎn)量略有不同，但不同處理之間變化規(guī)律大致相同。2個生長季的最高產(chǎn)量均為處理T2，隨著虧水程度和虧水時期的不同，各處理的籽粒產(chǎn)量均有不同程度的降低，其中全生育期不灌水的雨養(yǎng)處理T10產(chǎn)量最低，與全生育期充分供水的處理T1相比，籽粒產(chǎn)量降低了39.59%～42.01%。

與充分供水處理（灌水定額為60 mm）相比，返青—拔節(jié)期輕度虧水（灌水定額為45 mm）處理籽粒產(chǎn)量增加了4.57%～7.36%，重度虧水處理（灌水定額為30 mm）的籽粒產(chǎn)量降低2.11%～3.88%;拔節(jié)—灌漿期輕度虧水和重度虧水處理的籽粒產(chǎn)量分別降低了3.54%～3.59%和8.88%～9.04%;灌漿—成熟期輕度虧水和重度虧水處理的籽粒產(chǎn)量分別降低了4.57%～5.11%和7.76%～10.57%。全生育期輕度虧水和重度虧水處理的產(chǎn)量分別降低了15.69%～15.99%和24.91%～25.41%。

就地上部生物量而言，各處理之間的變化規(guī)律與籽粒產(chǎn)量對灌水的響應(yīng)規(guī)律相同，均為處理T2最高，處理T10最低，其他處理地上部生物產(chǎn)量介于兩者之間。從圖2（a）還可以看到，相同虧水程度發(fā)生在前期比發(fā)生在生育后期對地上部生物量的影響大。進一步分析表明（見圖3），冬小麥籽粒產(chǎn)量隨著地上部生物量的增大呈線性增大趨勢，兩者之間的確定系數(shù)R2值分別為0.784 8（2010—2011年）和0.804 8（2011—2012年）。

收獲指數(shù)（收獲時經(jīng)濟產(chǎn)量與生物產(chǎn)量之比）是表征冬小麥生物量和經(jīng)濟產(chǎn)量關(guān)系的重要參數(shù)，通過對2個生長季的試驗資料進行整理分析，結(jié)果（見圖2（b））表明：各處理冬小麥收獲指數(shù)值均在0.3～0.5之間，2010—2011年的最大值和最小值分別為0.48（T3）和0.34（T10）;2011—2012年的最大值和最小值分別為0.47（T2）和0.36（T10）;2個生長季處理T2、T3和T4均獲得了較高的收獲指數(shù)。圖2 不同灌溉處理對冬小麥籽粒產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

2.3 不同灌溉處理對冬小麥籽粒品質(zhì)及水分利用效率的影響

表3給出了不同灌水處理冬小麥千粒重、蛋白質(zhì)含量、氨基酸含量及出粉率，可以看到，2010—2011年各處理冬小麥籽粒千粒重為35.49～41.07 g，2011—2012年各處理冬小麥籽粒千粒重為35.93～41.24 g;2個生長季的結(jié)果均表明，返青—拔節(jié)期輕度水分虧缺有利于籽粒千粒重的提高，水分虧缺時期和虧缺程度的不同，對籽粒千粒重的影響也不同。從表3可以看到前期水分虧缺對千粒重影響較小，而灌漿—成熟期以及全生育期水分虧缺對千粒重的負面影響較大。與充分灌水處理相比，全生育期重度水分脅迫和雨養(yǎng)處理的籽粒千粒重分別降低了8.89%～9.02%和11.36%～13.06%。

2010—2011年和2011—2012年各處理的出粉率分別為69.77%～71.61%和69.03%～71.24%，而且虧水灌溉處理對出粉率的負面影響較小。2個生長季相同水分處理對冬小麥籽粒出粉率的影響有所不同，2010—2011年處理T7的出粉率最大（71.61%），而2011—2012年處理T5的出粉率最大（71.24%），但2個生長季出粉率最低的處理均為全生育期不灌水的處理T10。

蛋白質(zhì)和氨基酸含量是表征冬小麥籽粒品質(zhì)性狀特別是營養(yǎng)品質(zhì)性狀的重要指標，2個生長季的試驗結(jié)果均表明，返青—拔節(jié)期水分虧缺對冬小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的負面影響較小，2個生長季蛋白質(zhì)含量最高的處理均為返青—拔節(jié)期水分虧缺的處理（T3或T2），氨基酸含量均以返青—拔節(jié)期虧水處理（T3）為最高，說明返青—拔節(jié)期水分虧缺有利于籽粒品質(zhì)的改善。

圖4為不同灌水處理對冬小麥水分利用效率及灌溉水利用效率的影響，可以看出，2個生長季冬小麥水分利用效率對灌水處理的響應(yīng)規(guī)律大致相同，均以返青—拔節(jié)期水分虧缺處理最高;灌溉水利用效率在各處理間的變化略有不同，但均以全生育期重度水分虧缺處理為最高。處理T9的籽粒產(chǎn)量偏低，以犧牲經(jīng)濟產(chǎn)量獲得較高灌溉水利用效率的灌溉策略不應(yīng)作為適宜灌溉措施。綜合考慮籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)以及灌溉水利用效率，處理T2、T3及T6可以作為當(dāng)?shù)剡m宜的噴灌冬小麥灌溉模式。

3 結(jié) 論

（1）噴灌條件下全生育期充分供水處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量并非最高，而返青—拔節(jié)期適度水分虧缺處理的籽粒產(chǎn)量最高，增產(chǎn)幅度為4.57%～7.36%，收獲指數(shù)也處于較高水平，比充分供水處理提高了2.94%～4.09%;返青—拔節(jié)期水分虧缺有利于籽粒品質(zhì)的改善;返青—拔節(jié)期水分虧缺處理以及灌漿—成熟期輕度虧水處理，在保證較高產(chǎn)量的同時，均獲得了較高的水分利用效率和灌溉水利用效率。

（2）與全生育期充分供水處理相比，處理T2、T3和T6的籽粒產(chǎn)量分別提高了5.97%、-3.00%和-4.83%，水分利用效率分別提高了13.92%、12.90%和4.74%，灌溉水利用效率分別提高了15.81%、15.62%和4.07%，籽粒品質(zhì)也有不同程度的改善。

（3）綜合考慮經(jīng)濟產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)以及灌溉水利用效率，處理T2、T3（返青—拔節(jié)期適度水分虧缺）和T6（灌漿—成熟期輕度水分虧缺）的灌水措施在維持較高產(chǎn)量的同時，提高了灌溉水利用效率，在節(jié)約有限灌溉水資源的同時改善了籽粒品質(zhì)性狀，可作為當(dāng)?shù)囟←渻?yōu)質(zhì)高產(chǎn)的灌溉模式。

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【責(zé)任編輯 許立新】