春季灌水對(duì)晉南晚播冬小麥產(chǎn)量和水分利用的影響

楊 娜 席吉龍 王 珂 席天元 張建誠(chéng) 姚景珍 王 健

（1有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心，030031，山西太原；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，044000，山西運(yùn)城）

晉南是山西省糧食主產(chǎn)區(qū)和國(guó)家小麥優(yōu)勢(shì)區(qū)，2019年山西運(yùn)城小麥種植面積28.69萬(wàn)hm2[1]，其中水地小麥面積約占小麥種植總面積的50%以上[2]。因此，提高灌溉水利用效率是確保小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵。近年來(lái)，運(yùn)城盆地地下水超采嚴(yán)重，已形成嚴(yán)重的漏斗現(xiàn)象，截止到 2013年，運(yùn)城市漏斗面積達(dá) 2100km2（330m 水位等值線圈），超過(guò)了全國(guó)94.27%的城市。除水分因素對(duì)小麥產(chǎn)量影響較大外，極端低溫也會(huì)對(duì)其造成較大影響[3]。隨著全球氣候變暖，運(yùn)城市氣溫主要表現(xiàn)為冬春季節(jié)氣溫升高[4]，冬季、春季氣溫分別以0.33和0.35℃/10年的速度上升[5]，使冬小麥冬春生長(zhǎng)快，拔節(jié)期提前，幼穗抗霜能力降低[6]。春季霜凍害極易造成小麥凍害[7]，特別是幼穗在藥隔分化期對(duì)低溫最敏感[8]，而運(yùn)城盆地傳統(tǒng)播種多在10月上旬至10月15日，冬小麥的幼穗藥隔分化期正處于晚霜凍害的高發(fā)期，不僅春季凍害風(fēng)險(xiǎn)加大，還會(huì)造成水肥資源的浪費(fèi)。研究[9-10]表明，冬小麥適度晚播可免澆冬水，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，同時(shí)冬小麥也能夠安全越冬。前人[11-13]在運(yùn)城盆地冬小麥水分利用特性和產(chǎn)量的研究多針對(duì)傳統(tǒng)播期進(jìn)行，而對(duì)當(dāng)?shù)赝聿ザ←満乃匦约懊鉂捕畻l件下春季灌水模式則少見(jiàn)報(bào)道。因此，了解晚播冬小麥水分利用特性，并采取合理有效的栽培措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)赝聿ザ←湻€(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義?；诠?jié)水、高產(chǎn)、抗逆的要求，本研究針對(duì)傳統(tǒng)播種小麥存在的旺苗、春季霜凍害風(fēng)險(xiǎn)加大等問(wèn)題，通過(guò)研究適時(shí)晚播與不同灌水模式對(duì)冬小麥水分利用特性和籽粒產(chǎn)量的影響，探尋適合晉南晚播冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的共同提高、同時(shí)降低春季凍害風(fēng)險(xiǎn)的灌水模式，為該區(qū)晚播冬小麥高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年10月至2020年6月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所牛家凹試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（111.09°E，35.19°N）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，年均溫13.5℃，年均降水量529.5mm。生育期月降水如圖1所示（10月數(shù)據(jù)為晚播日期至10月31日降水），小麥生育期2018年10月27日至2019年6月上旬的降水量為89.5mm，較多年年均降水量（185.6mm）低 96.1mm，屬于干旱年；2019年 10月 28日至2020年6月上旬的降水量為174.1mm，較多年平均值低11.5mm，減少6.2%，屬于平水年[14]。

圖1 2018-2020年冬小麥生育期降水Fig.1 Precipitation during winter wheat growth period in 2018-2020

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)城盆地冬小麥傳統(tǒng)播期在 10月 5日至 15日，通過(guò)對(duì)近年研究成果和前人對(duì)冬小麥冬前積溫等方面的研究[15]進(jìn)行總結(jié)，明確運(yùn)城盆地適度晚播時(shí)間以10月16日至30日為宜，同時(shí)增加密度提高成穗數(shù)[16-17]，實(shí)現(xiàn)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。由于受播前降雨、土壤墑情等不可抗因素影響，實(shí)際播種時(shí)間在年際間略有差異。

以傳統(tǒng)播期（返青起身期+開(kāi)花期2水）為對(duì)照（CK），設(shè)置晚播灌水處理5個(gè)，分別為W1（生育期不灌水）、W2（返青起身期1水）、W3（拔節(jié)期 1水）、W4（返青起身期+開(kāi)花期 2水）和W5（拔節(jié)期+開(kāi)花期2水）。3次重復(fù)，小區(qū)面積15m2（2.5m×6.0m），每小區(qū)周?chē)O(shè)1m隔離區(qū)。每次灌水量約90mm，用水表控制灌水量。供試小麥品種為濟(jì)麥22。2018-2019年度傳統(tǒng)播期為2018年10月8日，基本苗255萬(wàn)/hm2，晚播日期2018年10月27日，基本苗420萬(wàn)/hm2，收獲日期2019年6月7日；2019-2020年度受降雨影響，傳統(tǒng)播期為2019年10月13日，基本苗270萬(wàn)/hm2，晚播日期2019年10月28日，基本苗420萬(wàn)/hm2，收獲日期2020年6月7日。施肥量為純氮225kg/hm2、P2O5180kg/hm2，均作底肥一次性施入。氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過(guò)磷酸鈣（P2O546%）。播前0～2m土壤儲(chǔ)水量、灌水日期如表1所示。其他管理措施與大田一致。

表1 灌水時(shí)間Table 1 Time of irrigation

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 小麥群體動(dòng)態(tài) 每個(gè)處理在小麥 3葉期前選取固定點(diǎn)調(diào)查基本苗數(shù)，在春季調(diào)查最高總莖數(shù)，在成熟期調(diào)查成穗數(shù)。

成穗率（%）=成熟期單位面積穗數(shù)/起身期單位面積最高總莖數(shù)×100。

1.3.2 小麥耗水量和水分利用效率 在小麥各關(guān)鍵生育期用中子水分儀CNC203B測(cè)定0～2m土壤水分，每10cm為一個(gè)土層，計(jì)算土壤含水量。小麥生育期耗水量ET=P+U-R-F+ΔW+I[18]，式中，P為生育期內(nèi)降雨量，U為地下水上移補(bǔ)充給作物的水量，R為地表徑流量，F(xiàn)為補(bǔ)給地下水量，ΔW為土壤貯水消耗量，I為灌水量。試驗(yàn)地塊地勢(shì)平坦，地下水深度超過(guò)5m，降水入滲深度不超過(guò)2m，故U、R和F均為0。

水分利用效率（WUE）[kg/（hm2·mm）]=Y/ET，Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），ET為生育期耗水量（mm）。

1.3.3 干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn) 在開(kāi)花期對(duì)長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行掛牌標(biāo)記，在開(kāi)花期和成熟期，每個(gè)處理分別取樣20株，剪去根系，帶回室內(nèi)，按照莖、葉、穗分開(kāi)，于105℃殺青30min，80℃烘干至恒重，稱(chēng)重，并計(jì)算干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)參數(shù)[19]。

花前營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)器官干重-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干重；

營(yíng)養(yǎng)器官花前貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率（%）=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期干重×100；

開(kāi)花前貯藏干物質(zhì)對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率（%）=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 成熟后每小區(qū)隨機(jī)取樣20穗，調(diào)查穗粒數(shù)。小區(qū)整體收獲風(fēng)干后測(cè)產(chǎn)，并隨機(jī)取500粒，3次重復(fù)，計(jì)算千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水模式對(duì)冬小麥群體的影響

由表2可知，2018-2019年，晚播增密各處理最高總莖數(shù)顯著低于 CK；2019-2020年，晚播增密返青起身期灌水最高總莖數(shù)與傳統(tǒng)播期差異不顯著，說(shuō)明晚播增密+合理的灌溉措施能夠保證冬小麥的群體數(shù)量。2019年冬季氣溫偏高，日均溫低于0℃的天數(shù)較少，小麥在冬季生長(zhǎng)并未停止，2020年春季降水充足，氣溫回升快，冬小麥返青時(shí)間早、生長(zhǎng)快，返青起身期灌水促進(jìn)了群體的分蘗，使其最高總莖數(shù)與傳統(tǒng)播期差異不顯著。W4處理最高總莖數(shù)顯著高于其他晚播增密灌水處理，這是由于返青起身期灌水有效促進(jìn)了春季分蘗和小蘗生長(zhǎng)，而拔節(jié)期灌水最高總莖數(shù)調(diào)查處于灌水時(shí)間之前，故最高總莖數(shù)與不灌水處理差異不顯著。由此說(shuō)明，返青起身期灌水對(duì)小麥群體調(diào)控作用明顯。

表2 不同晚播灌水處理下冬小麥群體動(dòng)態(tài)Table 2 Population dynamics of different late sowing irrigation treatments of winter wheat

2.2 不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知，2018-2019年，W4和W5處理冬小麥產(chǎn)量顯著高于CK，分別比CK高2.98%和7.11%，主要是由于穗數(shù)和穗粒數(shù)較高，穗數(shù)分別較CK高10.74%和7.48%；W2和W3處理產(chǎn)量低于CK；該年度為干旱年，適度晚播增密+合理的灌溉措施對(duì)小麥增產(chǎn)效果明顯。2019-2020年為底墑?shì)^充足的平水年，CK處理冬小麥產(chǎn)量最高，W5和W4處理次之，但2種模式間差異未達(dá)到顯著水平；W1處理產(chǎn)量最低。說(shuō)明晚播增密冬小麥灌2水能夠維持冬小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定，而返青起身期灌水亦不會(huì)造成大幅度減產(chǎn)。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓韧聿ピ雒懿还嗨凸?水的產(chǎn)量均低于傳統(tǒng)播期和晚播灌2水處理的產(chǎn)量，說(shuō)明運(yùn)城盆地晚播增密冬小麥春季僅灌1水對(duì)產(chǎn)量影響較大，不能滿(mǎn)足高產(chǎn)的需求。

表3 不同灌溉模式對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of different irrigation patterns on yield and its components

2.3 不同灌水模式對(duì)冬小麥物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

小麥籽粒產(chǎn)量的形成一部分來(lái)源于開(kāi)花前物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)。由表4可知，開(kāi)花期CK處理冬小麥干物質(zhì)積累顯著高于其他處理。晚播增密條件下，冬小麥干物質(zhì)積累量隨灌水次數(shù)增加而增加，相同灌水次數(shù)的處理間差異不顯著，開(kāi)花期晚播灌水處理中以W4處理干物質(zhì)積累量最高。各處理間成熟期和花后干物質(zhì)積累量與開(kāi)花期干物質(zhì)積累量趨勢(shì)相同，以CK最高，W1最低。各處理對(duì)花前營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)率和花前干物質(zhì)積累對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率有相同的效應(yīng)，以W4處理最高，W3處理最低。

表4 不同灌水模式下物質(zhì)積累與運(yùn)轉(zhuǎn)（2019-2020）Table 4 Dry matter accumulation amount and translocation of different irrigation modes in 2019-2020

2.4 不同灌水模式對(duì)水分利用的影響

2.4.1 對(duì)冬小麥耗水特性的影響 由表5可知，2018-2019年，晚播增密下各處理生育期耗水量低于 CK，W2和 W3處理比 CK分別低 26.85%和21.27%，W4和W5處理耗水量比CK分別低1.89%和3.28%；而水分利用效率均高于CK，W2和W3處理比CK分別高30.61% 和21.05%，W4和W5處理比CK分別高6.50%和12.37%，W1處理比CK高8.06%。與CK相比，2019-2020年晚播耗水量和水分利用效率表現(xiàn)與上年度一致。由此可知，在干旱年和平水年，適度晚播增密+合理灌溉能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率的共同提高。晚播灌2水條件下，返青起身+開(kāi)花2水模式產(chǎn)量略低于拔節(jié)+開(kāi)花2水模式，水分利用效率相當(dāng)。

表5 不同灌水模式耗水組成分析Table 5 Water consumption composition in different irrigation treatments

2.4.2 不同灌水模式土壤水分利用效應(yīng)差異 由圖2可知，不同年份傳統(tǒng)播期和適度晚播冬小麥對(duì)各土層土壤貯水的利用不同。在干旱年（2018-2019）成熟期，CK處理深層（130～200cm）各土層土壤含水量低于晚播各處理，30～100cm 各土層土壤含水量高于晚播各處理；平水年（2019-2020）成熟期，40～200cm CK處理各土層土壤含水量高于晚播各處理。由此說(shuō)明，干旱年CK處理對(duì)各土層土壤貯水的利用增加；而平水年由于降水相對(duì)充足，傳統(tǒng)播期對(duì)土壤貯水的利用減少。晚播灌1水時(shí)，W2處理100～200cm土層土壤含水量均低于W3處理，說(shuō)明晚播冬小麥僅灌1水時(shí)，在返青起身期灌水有利于植株對(duì)深層水的利用，從而發(fā)揮深層水的補(bǔ)償作用。晚播灌 2水時(shí)，干旱年（2018-2019）W4處理50～200cm土層土壤含水量低于W5處理；平水年（2019-2020）W4處理 0～150cm 土層土壤含水量低于 W5處理，不同年份返青+開(kāi)花期灌水對(duì)土壤各土層的水分利用略有不同，但對(duì) 50～150cm土層土壤含水量的影響表現(xiàn)一致。由此可知，干旱年和平水年，晚播冬小麥灌1水或2水及返青起身期灌水有利于植株對(duì)土壤深層水的利用。

圖2 冬小麥成熟期不同土層含水量Fig.2 Water contents of different soil layers at maturity stage of winter wheat

3 討論

3.1 灌水時(shí)間對(duì)冬小麥水分利用的影響

晚播冬小麥冬前生育時(shí)間短，苗齡較小，抗寒性較強(qiáng)，有利于安全越冬，同時(shí)可以減少冬前無(wú)效耗水[9]；張勝全等[20]研究認(rèn)為，晚播（10月17日）免澆冬水條件下，春季第1水推遲至拔節(jié)期能夠?qū)崿F(xiàn)階段節(jié)水。本研究結(jié)果表明，在干旱年和平水年免澆冬水條件下，適度晚播增密后冬小麥生育期耗水量顯著低于傳統(tǒng)播期，水分利用效率顯著高于傳統(tǒng)播期，這與前人的研究[20]結(jié)論一致。在干旱年，傳統(tǒng)播期下冬小麥成熟期土壤含水量低于晚播，這是由于傳統(tǒng)播期群體數(shù)量高于晚播，對(duì)水分的消耗增加，在灌水量和降水相同的條件下，對(duì)土壤貯水的消耗量增加；在平水年，傳統(tǒng)播期下冬小麥成熟期土壤含水量高于晚播，這是由于冬小麥生長(zhǎng)季需水量在370～450mm[21-22]，2019-2020年，傳統(tǒng)播期生育期降水和灌溉水量已基本達(dá)到冬小麥生長(zhǎng)所需，冬小麥對(duì)土壤貯水的消耗量少于晚播，因此成熟期深層土壤含水量高于晚播。研究[23-24]表明，小麥產(chǎn)量和水分利用效率隨總耗水量的增加先升高后降低。本研究中，平水年傳統(tǒng)播期冬小麥產(chǎn)量最高，但產(chǎn)量與晚播灌2水處理差異未達(dá)到顯著水平，且水分利用效率最低，有以下2點(diǎn)原因，傳統(tǒng)播期與晚播2水灌水量相同，生育期總降水量243.1mm較晚播多69mm（苗期），總耗水量增加，小麥對(duì)土壤貯水的利用減少；該年度冬季屬于暖冬，冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育快，群體大，加之返青起身期灌水使無(wú)效分蘗增加，無(wú)效耗水增加[25]。因此，傳統(tǒng)播期灌水應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)中降水情況對(duì)灌水量酌情調(diào)整，以達(dá)到產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提高。提高土壤貯水的利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)水栽培的重要途徑之一[26]。本研究表明，晚播條件下，返青起身期灌水對(duì)土壤貯水特別是深層貯水的利用高于拔節(jié)期灌水。適度水分虧缺條件下，冬小麥產(chǎn)量隨總耗水量增加而增加[26]，本研究條件下，晚播返青起身期+開(kāi)花期2水處理的總耗水量高于拔節(jié)期+開(kāi)花期2水處理，說(shuō)明晚播未澆冬水條件下，返青期+開(kāi)花期2水模式仍具有一定的增產(chǎn)潛力。

3.2 灌水時(shí)間對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

關(guān)于灌水時(shí)間對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響已有較多研究，劉志良等[27]認(rèn)為，春灌1水條件下冬小麥拔節(jié)中期灌水的產(chǎn)量效果優(yōu)于其他時(shí)期；孫明清等[28]認(rèn)為，正常年份，石家莊地區(qū)冬小麥春灌1水條件下灌水時(shí)間以拔節(jié)前期為宜。本研究結(jié)果表明，不同年份晚播冬小麥產(chǎn)量形成的影響存在差異。干旱年，晚播冬小麥灌2水產(chǎn)量高于傳統(tǒng)播期，這是由于傳統(tǒng)播期最高總莖數(shù)雖顯著高于晚播，但成穗率和穗粒數(shù)低于晚播灌水處理。而晚播冬小麥由于冬前苗齡小，減少了無(wú)效耗水，水分利用效率提高，產(chǎn)量增加。因此，干旱年，冬小麥適度晚播更具有增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。而降水較為充足的平水年，則是傳統(tǒng)播期產(chǎn)量最高，晚播灌2水次之，但二者間差異未達(dá)到顯著水平，且傳統(tǒng)播期冬小麥水分利用效率低于晚播增密處理。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來(lái)看，拔節(jié)期灌水對(duì)提高作物產(chǎn)量效果最好。晚播增密條件下，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓染园喂?jié)期+開(kāi)花期2水模式產(chǎn)量最高，該結(jié)果與前人研究[20]結(jié)論基本一致；返青期+開(kāi)花期2水產(chǎn)量略低于拔節(jié)期+開(kāi)花期2水，但2種模式差異不顯著。適度晚播增密+合理灌溉也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)或高產(chǎn)。

3.3 不同灌水模式對(duì)晚播冬小麥對(duì)春季低溫響應(yīng)的影響

冬小麥隨春季氣溫回升而快速生長(zhǎng)，生育進(jìn)程加快，但幼穗對(duì)低溫的敏感性增加[29]，承受霜凍害的能力降低[30]；進(jìn)入拔節(jié)期后，冬小麥出現(xiàn)霜凍害的最低溫呈上升趨勢(shì)，即生育期越遲，冬小麥所能承受的最低溫反而越高[31]。本課題組通過(guò)對(duì)不同灌水時(shí)間冬小麥低溫和穗分化的觀測(cè)得知，返青起身期灌水能夠延緩冬小麥的穗分化進(jìn)程，提高冬小麥春季抗霜凍能力。因此，適度晚播增密+返青起身期灌水能夠延緩穗分化進(jìn)程，調(diào)控群體，提高抗霜凍能力，實(shí)現(xiàn)“平抑生育進(jìn)程”。這對(duì)當(dāng)前氣候變暖情境下，緩解冬小麥春季發(fā)育提前、降低春季凍害風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。生產(chǎn)實(shí)踐中，在對(duì)籽粒產(chǎn)量影響不大的前提下，灌水時(shí)間的確定除考慮苗情、降水等因素外，降低春季凍害風(fēng)險(xiǎn)也是確定灌水模式的重要因素。

4 結(jié)論

在干旱年，晚播（10月27日）灌2水時(shí)冬小麥增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。在平水年，傳統(tǒng)播期（10月13日）處理產(chǎn)量最高。綜合產(chǎn)量、抗霜凍、水分利用等方面因素，不灌冬水條件下，適度晚播增密+合理灌水不僅能夠保證產(chǎn)量，還可以延緩穗分化進(jìn)程，降低春季凍害對(duì)冬小麥的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，具體實(shí)施過(guò)程還應(yīng)依據(jù)田間情況做進(jìn)一步確定。