膠東半濕潤(rùn)區(qū)滴灌制度對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤水分、作物生長(zhǎng)及水分利用的影響

王志軍，王碧勝，孫筱璐，徐夢(mèng)杰，楊曉慧，侯靳錦，房全孝

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)耕作與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266109）

0 引言

水分是影響中國(guó)北方冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[1]。滴灌技術(shù)在作物節(jié)水管理中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)[2]，逐漸成為作物精確灌溉提高水分利用效率的重要措施[3]。20世紀(jì)90年代末期，在大田作物上的推廣使得滴灌技術(shù)有了更廣闊的應(yīng)用空間[4]。如何有效地把滴灌技術(shù)和農(nóng)學(xué)節(jié)水灌溉制度相結(jié)合是進(jìn)一步提高作物水分利用效率和緩解水資源日益短缺的重要課題。

目前滴灌技術(shù)在經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)（如蔬菜、果園等）應(yīng)用較多[5-6]，在糧食生產(chǎn)中應(yīng)用相對(duì)較少，主要集中在玉米等作物，如在玉米膜下滴灌比地面灌水分利用效率提高18%[7]，滴灌能夠增加夏玉米吐絲后干物質(zhì)積累量，從而提高產(chǎn)量[8]。滴灌技術(shù)在冬小麥中應(yīng)用較少，主要集中在水資源匱乏地區(qū)[9-11]。如在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)冬小麥全生育期最優(yōu)灌水制度為灌水5次，灌水定額為365 mm[12]，而在陜西省涇惠渠灌區(qū)最優(yōu)灌溉制度是冬小麥全生育期灌水2次（冬灌+返青灌）255 mm[13]。在黃淮海平原地區(qū)冬小麥采用測(cè)墑補(bǔ)灌和滴灌施肥相結(jié)合的方法較常規(guī)對(duì)照水分利用效率顯著提高57.46%，小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高21.13%[14]。張娜[15]研究表明在新疆干旱區(qū)冬小麥滴灌定額為375 mm時(shí)，產(chǎn)量最高，同樣在該地區(qū)，雷鈞杰[16]認(rèn)為冬小麥滴灌量在465 mm時(shí)可達(dá)到高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的統(tǒng)一。

針對(duì)農(nóng)業(yè)水資源短缺，傳統(tǒng)的灌溉方式（如大水漫灌、畦灌等）節(jié)水潛力有限，滴灌具有明顯的節(jié)水優(yōu)勢(shì)，通過與作物節(jié)水灌溉制度相結(jié)合，進(jìn)一步提高作物水分利用效率[17-18]。前人對(duì)于節(jié)水灌溉研究多集中于干旱地區(qū)[19-20]，而膠東半島年降雨量在650～ 850 mm，降雨較多，但是季節(jié)分布明顯不均，超過60%集中在夏季[21]，冬小麥整個(gè)生育期需水量在450 mm左右[22]，有效降水無法滿足冬小麥各生育時(shí)期需水量。因此本研究在滴灌條件下設(shè)計(jì)冬小麥節(jié)水灌溉制度，分析不同灌溉時(shí)期和灌溉量對(duì)土壤水分、冬小麥生長(zhǎng)及水分利用效率的影響，為該地區(qū)篩選滴灌條件下冬小麥最優(yōu)灌溉制度提供理論依據(jù)。

通過深入分析不同灌溉時(shí)期與灌溉量對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)、作物水分利用及產(chǎn)量形成的影響，探尋滴灌條件下冬小麥最佳灌溉時(shí)期和灌溉量，為該區(qū)冬小麥高產(chǎn)高效栽培提供理論與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016—2019年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州試驗(yàn)基地進(jìn)行，該地區(qū)位于山東半島，屬溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，全年平均氣溫11～ 14℃[23]，雨熱同季，屬于半濕潤(rùn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為砂姜黑土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為全氮1.1 g/kg，堿解氮128.2 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效鉀134.9 mg/kg。有機(jī)質(zhì)16.8 g/kg，pH 7.5。在試驗(yàn)實(shí)施3年內(nèi)（圖1），2016—2017年降雨量為265.3 mm，主要集中在10月和6月，分別占總降雨量的31.13%、27.74%，2017—2018年降雨量為275.9 mm，降雨量較其他2年多，主要集中在5月和6月，分別占總降雨量的29.87%、32.55%，2018—2019年降雨量為190.5 mm，主要集中在4月和6月，分別占總降雨量的20.47%、22.89%。根據(jù)該地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)降雨量及其分布狀況（圖1），試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理（表1），各處理設(shè)置3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積7m×20m=140m2，相鄰小區(qū)之間設(shè)置1 m寬的保護(hù)行，冬小麥行距20 cm，每個(gè)小區(qū)種植35行，滴灌帶每隔1行進(jìn)行鋪設(shè)（一帶兩行模式），每個(gè)小區(qū)都安裝一個(gè)水表來控制灌水量。小麥品種為‘濟(jì)麥21號(hào)’。在冬小麥播種時(shí)間為10月15日，播種前一天（10月14日）施用氮磷鉀復(fù)合肥(15-15-15)，施肥量為562 kg/hm2。

表1 冬小麥滴灌條件下節(jié)水灌溉制度設(shè)計(jì) mm

圖1 冬小麥生育期內(nèi)月平均降雨量（2016—2019年）

1.2 測(cè)定內(nèi)容及方法

土壤水分：用德國(guó)IMKOTRIME-PICOTD便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)定土壤體積含水量。每個(gè)小區(qū)中部安裝中子管，深度為80 cm，測(cè)定時(shí)每層間隔10 cm，每7～ 10天觀測(cè)一次，降水和灌水后各加測(cè)一次。

作物葉面積：每隔7～ 10天測(cè)定一次，同時(shí)調(diào)查小麥群體密度和作物生育時(shí)期。

作物產(chǎn)量：成熟期選取代表性樣點(diǎn)收獲地上部植株測(cè)定作物產(chǎn)量和生物量。

作物生物量：在冬小麥出苗期開始取樣，返青期后每7～ 10天取一次樣烘干后來測(cè)定冬小麥各生育時(shí)期生物量。

1.3 農(nóng)田蒸散量計(jì)算

根據(jù)土壤水量平衡方程（不考慮地表徑流及地下水影響）可得到公式(1)[24-25]。

式中，ET是冬小麥生育期耗水總量(mm)；I是冬小麥生育期內(nèi)灌水量(mm)；P是冬小麥生育期內(nèi)降水量(mm)；ΔS是冬小麥生育期開始和結(jié)束時(shí)的土壤貯水量變化量(mm)。

1.4 水分利用效率計(jì)算

水分利用效率定義為消耗單位土壤水分所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，表達(dá)如公式(2)所示[26]。

式中，WUE表示水分利用效率[kg/(mm·hm2)]，Y表示籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，ET為作物生育期耗水量(mm)。

灌溉水利用效率計(jì)算公式如公式(3)[27]。

式中，WUEI表示灌溉水利用效率[kg/(mm·hm2)]，GYi表示灌水后籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，GYd表示無灌水籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，Ii表示灌溉水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉制度對(duì)不同層次土壤體積含水量的影響

2.1.1 不同灌溉制度對(duì)0～ 30 cm土壤體積含水量的影響 由圖2a可以看出，2017年土壤水分含量整體上呈先下降后升高的趨勢(shì)，其中以T4處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節(jié)期灌水后（4月26日）T2和T4處理土壤含水量顯著增加，分別比T1處理高26.6%和43.8%；開花期灌水后（5月14日）T3、T4處理分別比T1處理提高69.7%和68.5%。

2018年土壤水分含量總體變化較小（圖2b），以T2處理含水量最高，T1處理含量最低。拔節(jié)期灌水后T2、T4處理土壤含水量分別較T1提高41.2%、35.0%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高11.5%、28.4%。

2019年土壤水分含量整體上呈先升高后下降的趨勢(shì)（圖2c），其中以T2處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節(jié)期灌水后T2、T4處理土壤含水量分別較T1提高18.4%、4.9%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高28.6%、14.8%。

圖2 滴灌條件下不同灌溉制度下對(duì)0～ 30 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

3年結(jié)果表明0～ 30 cm土壤體積含水量整體上呈下降的趨勢(shì)，2018年由于冬小麥生育期內(nèi)降雨較多（圖1），0～ 30 cm土壤體積含水量總體變化較平緩。T2處理在2018年和2019年中土壤含水量都比較高，而在2017年中T2處理含水量總體低于T4處理，原因?yàn)?017年T4處理初始含水量高于T2處理。2017年第1次測(cè)量（3月10日）的0～ 30 cm的土壤含水量顯著高于其他兩年該時(shí)間的土壤含水量，原因?yàn)?017年1月份和2月份降雨量較多（圖1）。

2.1.2 不同灌溉制度對(duì)30～ 60 cm土壤體積含水量的影響 由圖3a可以看出，2017年土壤水分含量整體上呈下降的趨勢(shì)，其中以T4處理含水量最高；拔節(jié)期灌水后T2和T4處理土壤含水量分別比T1處理高10.0%和1.2%；開花期灌水后T3、T4處理分別比T1處理高13.6%、30.1%。

2018年土壤水分含量總體變化較平緩（圖3b），以T4處理含水量最高，T1處理含量最低；拔節(jié)期灌水后T2、T4處理土壤含水量比T1提高14.1%、23.3%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高12.6%、17.4%。

2019年土壤水分含量整體呈下降趨勢(shì)（圖3c），其中以T4處理含水量最高。拔節(jié)期灌水后T3處理土壤含水量比T1提高5.6%；開花期灌水后T3土壤含水量較T1處理提高7.5%。

3年結(jié)果表明30～ 60 cm土壤體積含水量普遍高于0～ 30 cm土壤體積含水量，2018年冬小麥生育期內(nèi)降雨比較多（圖1），30～ 60 cm土壤體積含水量總體變化趨勢(shì)較其他兩年平緩。3年結(jié)果表明在30～ 60 cm中T1處理土壤含水量最低，T4處理土壤含水量在2017年和2018年中最高，而在2019年T3處理土壤含水量高于T4原因?yàn)門3處理初始含水量較高。

2.1.3 不同灌溉制度對(duì)60～ 90 cm土壤體積含水量的影響 由圖4中可以看出，冬小麥田60～ 90 cm土壤水分含量整體上呈下降趨勢(shì)，與30～ 60 cm土壤水分含量變化趨勢(shì)一致（圖3），但是各處理之間的差異變?。ㄈ?017和2019；圖4a、c）。2018年土壤各處理之間差異明顯：拔節(jié)期灌水后T2、T4處理土壤含水量比T1提高16.7%、23.0%；開花期灌水后T3、T4土壤含水量分別較T1處理提高17.6%、18.6%。3年結(jié)果表明60～ 90 cm土壤體積含水量整體變化量低于0～ 30 cm和30～ 60 cm土壤體積含水量變化

圖3 滴灌條件下不同灌溉制度對(duì)30～ 60 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

圖4 滴灌條件下不同灌溉制度下對(duì)60～ 90 cm土壤體積含水量的影響（2017—2019年）

2.2 不同灌溉制度對(duì)土壤貯水量的影響

由圖5可以看出，3年冬小麥生育期內(nèi)0～ 90 cm土壤貯水量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。2017年T4處理在冬小麥生育期內(nèi)土壤貯水量最高，T1貯水量最低，拔節(jié)期灌水后T2和T4處理土壤貯水量顯著高于T1，分別提高9.0%和11.3%；開花期灌水后T3和T4處理顯著高于T1，分別提高15.1%和31.2%。2018年T4處理在冬小麥生育期內(nèi)土壤貯水量最高，T1貯水量最低，拔節(jié)期灌水后T2、T4處理顯著提高土壤貯水量，分別比T1提高12.5%、17.7%；開花期灌水后T3、T4土壤貯水量分別較T1處理提高23.2%、26.7%，達(dá)到顯著水平。2019年拔節(jié)期灌水后T2、T4處理土壤貯水量與T1之間無顯著性差異；開花期灌水后T4土壤貯水量顯著高于T1處理，提高8.8%；土壤貯水量在2017年和2018年T4最高，T1最低，而這一結(jié)果在2019年表現(xiàn)并不明顯。

圖5 滴灌條件下不同灌溉制度下對(duì)0～ 90 cm土壤貯水量的影響（2017—2019年）

2.3 不同灌溉制度對(duì)冬小麥葉面積指數(shù)的影響

圖6可以看出，2017年拔節(jié)和開花期灌水處理灌水后葉面積指數(shù)相比于未灌水的處理有所增加；拔節(jié)期灌水后，T2、T4葉面積指數(shù)分別較T1處理提高11.9%和13.3%，開花期灌水后T3葉面積指數(shù)較T1提高 26.6%；至收獲期，T2、T3、T4處理分別比T1高47.3%、145.4%和112.0%。2018年拔節(jié)期灌水后T2、T4葉面積指數(shù)分別較T1處理提高37.5%和25.1%，開花期灌水后T3葉面積指數(shù)較T1提高38.9%。2019年拔節(jié)期灌水后，T2、T4葉面積指數(shù)顯著高于T1，分別較T1處理提高29.4%和27.5%；開花期灌水后，T3處理葉面積指數(shù)較T1提高7.5%；至收獲期，T3、T4處理分別比T1高34.1%、24.7%，T2比T1下降11.2%。3年試驗(yàn)結(jié)果表明，與不灌水處理相比，灌水處理更能顯著增加冬小麥葉面積，其中以T3處理影響最大。

圖6 滴灌條件下不同灌溉制度下對(duì)葉面積指數(shù)的影響（2017—2019年）

2.4 不同灌溉制度對(duì)冬小麥地上部生物量影響

由圖7中可以看出，2017年拔節(jié)期灌水后T2、T4處理生物量顯著高于T1，分別提高42.7%、45.1%；開花期灌水后T3、T4處理分別較T1提高18.7%、7.8%；小麥?zhǔn)斋@生物量T3、T4分別較T1處理高17.1%、20.3%，達(dá)到顯著水平，T2較T1僅高1.6%。2018年拔節(jié)期灌水后T2、T4處理顯著提高小麥生物量，分別比T1提高21.1%、36.5%；開花期灌水后T3、T4處理生物量分別比T1提高31.7%和24.0%，達(dá)到顯著水平；小麥?zhǔn)斋@生物量T2、T3、T4分別較T1處理高10.4%、25.6%和18.6%。2019年拔節(jié)期灌水后T2、T4處理生物量分別較T1提高20.6%、16.1%；開花期灌水后T3、T4處理生物量分別較T1提高18.4%和32.1%；小麥?zhǔn)斋@生物量T2、T3、T4處理分別較T1高6.6%、33.4%和27.3%。3年試驗(yàn)結(jié)果表明，與不灌水處理相比，灌水處理能顯著提高小麥生物量，其中以T3處理影響最大。

圖7 滴灌條件下不同灌溉制度下對(duì)生物量的影響（2017—2019年）

2.5 不同灌溉制度對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2017—2019年小麥產(chǎn)量均表現(xiàn)為灌水處理顯著高于不灌水處理，T2、T3、T4處理3年平均產(chǎn)量分別較T1提高16.5%、26.4%和25.2%（表2）。產(chǎn)量構(gòu)成要素中T2、T3、T4處理每平方米穗數(shù)3年平均值分別較T1提高0.6%、10.5%和4.5%，以T3處理最高；穗粒數(shù)T2、T3、T4處理3年平均值分別較T1提高12.1%、10.1%和18.0%，以T4處理最高；千粒重T3、T4處理3年平均值分別較T1提高7.0%和8.0%，T2處理較T1降低0.5%。2017年冬小麥生育期降雨量為265.3 mm，要高于2019年的190.5 mm，但主要分布在10月（出苗期）和6月（收獲期），分別占總降雨量的31.13%和27.74%，在其他冬小麥生育期降雨趨勢(shì)與2019年相似，因此產(chǎn)量變化趨勢(shì)與2019年一致：T2、T3、T4處理產(chǎn)量顯著高于T1，T3、T4處理產(chǎn)量顯著高于T2。2018年冬小麥生育期降雨量為275.9 mm，在冬小麥生育后期分布較多，如5月和6月降雨占總降雨量的29.87%和32.55%，因此2018年T2、T3、T4處理產(chǎn)量顯著高于T1，而T2、T3、T4之間產(chǎn)量無顯著差異。綜上可知，灌水能夠顯著提高小麥產(chǎn)量，當(dāng)冬小麥生育期內(nèi)降雨量較少時(shí)，拔節(jié)期灌水處理對(duì)產(chǎn)量增加要低于開花期灌水處理和2次灌水處理，當(dāng)冬小麥生育期內(nèi)降雨量較多時(shí)，對(duì)產(chǎn)量的影響灌水處理之間差異并不顯著。相同灌水量下開花期灌水對(duì)成穗數(shù)和千粒重的提高效果強(qiáng)于拔節(jié)期灌水，灌2次水對(duì)穗粒數(shù)和千粒重的影響大于開花期灌水。

表2 滴灌條件下不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素及產(chǎn)量（2017—2019年）

2.6 不同灌溉制度對(duì)作物水分利用的影響

3年結(jié)果表明不同灌溉處理下土壤供水占總耗水量的比例不同，表現(xiàn)為T1(26.14%)＞T2處理(23.74%)＞T3處理(24.14%)＞T4處理(20.92%)，說明隨著灌水量的增加，土壤供水占總耗水量的比例下降。不同年份降水量影響土壤供水量的多少，2019年降雨量較少，土壤供水量占總耗水量的34.13%，高于2017年的15.18%和2018年的20.79%，說明降雨量少時(shí)冬小麥對(duì)土壤水分的消耗增加。冬小麥耗水量3年平均以T4處理最高，T2、T3次之，T1最低；T2、T3、T4耗水量分別較T1提高13.5%、14.3%和25.3%。

不同處理作物水分利用效率相比，2017年T4處理水分利用效率最低，主要是因?yàn)楫a(chǎn)量與T3無顯著差異但耗水量顯著高于T3；2018年T2和T3處理最高，T4處理次之，T1處理最低；2019年T3水分利用效率最高，T2處理水分利用效率最低（表3）。3年結(jié)果表明T3處理水分利用效率高于其他處理，較T1處理提高11.0%，T2處理較T1提高2.7%，T4處理較T1降低2.0%。不同處理灌溉水利用效率相比較，變化趨勢(shì)與作物水分利用效率一致，T3處理最高，而T4處理最低（表3）。3年結(jié)果表明T3處理較T2處理提高138.5%，較T4處理提高160.4%。

表3 滴灌條件下不同灌溉制度冬小麥耗水組成和水分利用效率（2017—2019年）

3 討論

土壤含水量受降水、灌水等因素影響明顯。有研究表明，滴灌條件下0～ 100 cm土層水分較高[28]或明顯增加根部0～ 80 cm土層土壤含水量[29-30]，而本研究中在0～ 30 cm和30～ 60 cm土層中土壤含水量在灌水后的反應(yīng)證實(shí)了這種觀點(diǎn)，但對(duì)60～ 90 cm土壤含水量的影響較小。不同灌溉制度綜合影響冬小麥產(chǎn)量和耗水量，隨著灌溉定額的增加，土壤貯水消耗比例減小，水分利用效率呈先增大后減小的趨勢(shì)，這與聶紫瑾等[11]研究是一致的。

3年試驗(yàn)結(jié)果表明開花期是該地區(qū)冬小麥的水分敏感期，這與王敏和梁碩碩的研究結(jié)果一致[31-32]，但不同于栗麗和張潔梅的研究結(jié)果[33-34]。這可能與不同地區(qū)的降雨量季節(jié)分布有關(guān)[20,23]。滴灌條件下冬小麥水分效率在18.39～ 25.59 kg/(mm·hm2)之間，略高于聶紫瑾等[10]研究結(jié)果中水分利用效率在17.55～ 20.42 kg/(mm·hm2)之間（黑龍港流域）和陳靜等[35]研究結(jié)果中水分利用效率在15.1～ 22.8 kg/(mm·hm2)之間（黃淮海平原），一個(gè)重要的原因是本試驗(yàn)條件下估算土壤供水在0～ 90 cm的土壤水分變化，由于試驗(yàn)地區(qū)地下水位較低在2 m左右，可能存在地下水補(bǔ)充的顯現(xiàn)[36]，從而導(dǎo)致土壤供水和作物用水量估算偏低，水分利用效率偏高。本試驗(yàn)灌溉水利用效率在12.83～ 47.4.3 kg/(mm·hm2)之間，這與武繼承等[37]研究結(jié)果中相似。

4 結(jié)論

灌水可以顯著增加土壤含水量和貯水量。在不同層次土壤中30～ 60 cm和60～ 90 cm的土壤含水量要高于0～ 30 cm的土壤含水量，灌水后0～ 30 cm土壤含水量增加最多，30～ 60 cm土壤含水量增加次之，60～ 90 cm土壤含水量增加最低。與不灌水處理相比灌水處理能顯著增加冬小麥葉面積和生物量，其中以開花期灌水處理增加葉面積和生物量最多。與不灌水處理相比，灌水處理顯著提高冬小麥產(chǎn)量，但在不同降雨量或分布情況下存在較大差異：當(dāng)降雨量較多時(shí)，灌水處理之間產(chǎn)量無顯著差異，當(dāng)降雨量較少時(shí)，開花期灌水處理和灌水兩次處理產(chǎn)量顯著高于拔節(jié)期灌水處理。不同灌水時(shí)期和灌水量對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響不同，相同灌水量下開花期灌水對(duì)千粒重的提高效果高于拔節(jié)期灌水，灌兩水對(duì)穗粒數(shù)和千粒重的影響大于開花期灌水。開花期灌水處理水分利用效率和灌溉水利用效率高于其他3個(gè)處理。因此綜合考慮3年的試驗(yàn)結(jié)果，滴灌條件下開花期灌水1次(40 mm)可作為膠東半島砂姜黑土區(qū)在冬小麥最優(yōu)灌溉制度。