膜調(diào)控潤灌對冬小麥生長及水分利用效率的影響

韓明明，張西平，程伍群，繩莉麗，段啟蒙

（河北農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設學院，河北 保定 071001）

華北平原作為我國大糧倉，也是我國小麥的主要產(chǎn)區(qū)之一，其小麥全生育期的降雨量低于200 mm［1］，種植基本依賴于人工灌水，水資源不足以及水分利用效率低成為制約華北糧食產(chǎn)量的重要原因［2］。因此在作物穩(wěn)產(chǎn)或少量減產(chǎn)的情況下，既保證糧食安全又減少地下水超采是目前面臨的重要問題［3］。而地下滴灌通過局部濕潤的方式，將水分控制在根系主要活動層，提高了作物對水肥的吸收利用，可有效減少地表徑流和棵間蒸發(fā)［2,4-5］；且配備設施在地表以下，不影響田間耕作活動，因此地下滴灌作為1 種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)水灌溉技術在實際中得到了廣泛應用［6］；但是該技術最突出的問題是當?shù)喂喙苈裆钸^大時，水分向上濕潤范圍和上移量不足，易引起水肥深層滲漏，灌水均勻度不易控制［8］，另外常出現(xiàn)由于根系向水性而使根系纏繞滴頭造成的外部堵塞［7］和負壓作用使土壤顆粒反向運動而導致土壤吸附堵塞灌水器［9］。

針對傳統(tǒng)地下滴灌容易出現(xiàn)的深層滲漏問題，本課題組提出了膜調(diào)控潤灌技術并申請相關專利［10-11］，該技術利用傳統(tǒng)地下滴灌管道系統(tǒng)將水流輸送到耕層土壤，并在滴頭處布置調(diào)控膜，調(diào)控膜從上至下依次為上層調(diào)控膜（聚乙烯薄膜）、透水基質(zhì)層（過濾棉）和下層調(diào)控膜（聚乙烯薄膜），上層調(diào)控膜和透水基質(zhì)層為一體結構，對稱放置在滴頭上方，下層調(diào)控膜對稱鋪設在滴頭下方；該系統(tǒng)采用的地下輸水系統(tǒng)，可將水肥直接輸送至作物根區(qū)，解決了其他地面節(jié)水灌溉方式配水環(huán)節(jié)多、水肥損失多的問題，達到了減少地面壟溝，提高土地利用率的效果；并且調(diào)控膜的鋪設使出水位置由滴頭轉(zhuǎn)化為上層調(diào)控膜的邊界，擴大了出水范圍，同時借助下層調(diào)控膜的阻水作用延遲水分開始下滲的時間，縮短下滲時長，從而減少下滲量；另外通過布置調(diào)控膜旨在避免由根系向水性和負壓作用導致灌水器堵塞的問題［8］，提高系統(tǒng)使用壽命和運行效益。

膜調(diào)控潤灌作為1 種新的灌水技術，確定合理的膜規(guī)格、滴頭間距等參數(shù)是研究該技術的重要內(nèi)容［12］，翟炳諶［13］于2002 年在衡水進行農(nóng)田示范，但缺乏系統(tǒng)科學的試驗設計和研究。鑒于此，本研究以冬小麥為供試作物，通過大田試驗，探究不同膜規(guī)格、滴頭間距和灌水總量處理下的膜調(diào)控潤灌對冬小麥生長指標、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為膜調(diào)控潤灌技術的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2018—2019 年在河北省衡水市景縣龍華鎮(zhèn)（N 37°37′，E 115°58′）的試驗田完成，試驗區(qū)屬于溫帶半干旱地區(qū)，大陸性季風氣候，日照充足，自然降雨少，降雨年內(nèi)分布不均，多集中在夏季，與農(nóng)作物需水關鍵期不對應。供試小麥品種為‘觀35’，于2018年10月20號播種，2019年6月13號收獲，采用15 cm 等行距播種，播種深度10 cm，播種量225 kg/hm2。試驗地土壤為壤土，平均容重為1.45 g/cm3。

1.2 試驗設計

在大田試驗條件下，試驗以滴頭間距、膜規(guī)格和灌水總量為因素，各設置2 個水平。滴頭間距為80 和100 cm；膜規(guī)格為40 cm×20 cm和40 cm×30 cm（下膜邊長×上膜邊長）；灌水總量為1 350 和1 800 m3/hm2，分別于拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期各灌水1 次；以相同灌水總量和滴頭間距處理下的地下滴灌作為對照，共12 個處理（表1）；各處理在田間隨機排列，對照處理小區(qū)面積為450 m2，其余處理小區(qū)面積由于地塊原因在600 ～7 000 m2之間；每個處理小區(qū)進水口安裝水表控制灌水量。和群體密度計算葉面積指數(shù)（LAI）（葉面積指數(shù)=單株葉面積×每公頃莖數(shù)/108計算［23］）。

表1 試驗設計Table 1 Experimental design

1.3.3 干物質(zhì)重 在小麥各生育期，每個處理隨機取3 個重復，每個重復取10 株，去除根部，放置在105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素 在小麥成熟收獲期，每個處理隨機取3 個重復，1 m 雙行測算穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，取平均值；另外每個處理分別選取1 m×1.5 m 的樣方，取3 個重復，進行脫粒后獲得所有籽粒，待風干后測定小麥籽粒含水率，并稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和作圖，SPSS 進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

1.3 項目測定及方法

1.3.1 株高 在小麥拔節(jié)、孕穗、開花、灌漿和成熟期，用精度1 mm 直尺測定植株基部至頂端高度，每個處理隨機選取10 個單株，重復3 次。

1.3.2 葉面積 在小麥拔節(jié)、孕穗、開花、灌漿和孕穗期，每個處理隨機選出10 株，重復3 次，用精度1 mm 直尺測量各株綠色葉片的長度和寬度，計算葉面積擬合公式=葉長×葉寬×0.82［22］，各葉片葉面積加和作為單株葉面積，并通過單株葉面積

2.1 不同處理對株高的影響

株高在膜調(diào)控潤灌和地下滴灌條件下均表現(xiàn)出了前期株高長勢快，灌漿期后株高長勢變慢。與地下滴灌相比，膜調(diào)控潤灌條件下株高在拔節(jié)期增大-1.76%～9.55%，其中T4、T5與相應的對照處理之間存在顯著差異，在孕穗、開花、灌漿和成熟期分別增大8.65% ～24.19%、3.57% ～12.70%、2.68%～11.43%和4.97%～13.87%，除開花和灌漿期的T4和T10處理外，其余處理均與對照處理存在顯著差異（圖1）。

圖1 不同處理植株高度在各生育期的變化Fig. 1 Variation of plant height under different treatments at different growth stages

膜調(diào)控潤灌條件下，膜規(guī)格、滴頭間距和灌水總量對株高影響顯著。滴頭間距和灌水總量相同時，M1相比M2處理下的株高在各生育期內(nèi)增大-3.47%～7.61%，孕穗期開始不同膜規(guī)格之間差異顯著；膜規(guī)格和灌水總量相同時，S1相比S2處理下的株高在各生育期內(nèi)增大3.24%～15.64%，增大比例隨著植株生長呈遞減的趨勢，且各生育期內(nèi)不同滴頭間距之間均差異顯著；膜規(guī)格和滴頭間距相同時，L2相比L1處理下的株高在各生育期增大-2.26%～6.18%，自開花期開始，不同灌水總量之間差異顯著（滴頭間距為S1時）。地下滴灌條件下，灌水總量相同時，S1相比S2處理下的株高在各生育期增大6.08%～15.43%，增大比例隨生育期延長呈減小趨勢，不同滴頭間距之間差異顯著；滴頭間距相同時，L2相比L1增大-2.49%～8.75%，各生育期內(nèi)的不同灌水總量之間差異顯著（拔節(jié)期除外）。

2.2 不同處理對葉面積指數(shù)的影響

各處理下的冬小麥葉面積指數(shù)（LAI）在全生育期內(nèi)表現(xiàn)出先增大后又下降至最小的趨勢，在開花期附近達到最大值。在全生育期內(nèi)，以T5處理的葉面積指數(shù)最大，達到7.68，T9處理一直處于最低狀態(tài)，最大值為5.08（圖2）。與地下滴灌相比，膜調(diào)控潤灌條件下的葉面積指數(shù)在拔節(jié)、孕穗、開花、灌漿和成熟期分別增大8.62%～33.41%、1 4.1 4% ～ 4 1.6 5%、5.3 8% ～ 2 3.1 7%、3.40%～40.99%和15.27%～36.04%，自孕穗期開始均與相應的對照處理之間存在顯著差異（T7和T10除外）。

圖2 不同處理葉面積指數(shù)在各生育期的變化Fig. 2 Changes of LAI in different growth stages under different treatments

膜調(diào)控潤灌條件下，滴頭間距和灌水總量相同時，M1相比M2增大5.17%～24.10%，孕穗期至灌漿期，不同膜規(guī)格之間差異顯著（滴頭間距為S1的條件下）；膜規(guī)格和灌水總量相同時，S1相比S2增大9.67%～37.63%，并且當灌水總量為L1時，不同滴頭間距在各生育期之間差異顯著；膜規(guī)格和滴頭間距相同時，L2相比L1增大6.26%～25.71%，拔節(jié)和灌漿期的不同灌水總量之間差異顯著；地下滴灌條件下，增大灌水總量和減小間距均可增大葉面積指數(shù)，不同處理之間在各生育期均無顯著差異。

2.3 不同處理對干物質(zhì)重的影響

相比地下滴灌，膜調(diào)控潤灌條件下的單株莖、葉和穗干重均有一定程度的增大，莖干重在孕穗和開花期差異顯著，葉和穗干重自開花期開始差異逐漸顯著；同樣單株總干物質(zhì)重相比地下滴灌增大2.29%～28.39%，增大量隨著生長期延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且2 種灌水方式之間的差異逐漸顯著（表2 ～5）。

在膜調(diào)控潤灌條件下，不同膜規(guī)格、滴頭間距和灌水總量條件下的植株各器官干物質(zhì)重有所差異。增大灌水總量（滴頭間距為S1條件下）和減小滴頭間距在開花期之后均可增大葉干重，且差異顯著，在S1處理條件下，減小上膜尺寸可增大葉干重，差異不顯著（表2）；減小滴頭間距可增大莖干重和穗干重，并且開花期后差異逐漸顯著，增大灌水總量和減小上膜尺寸均可增大莖干重和穗干重，但灌水總量和膜規(guī)格影響不顯著（表3、4）。

表2 各處理在不同時期的單株葉干重Table 2 Leaf dry weight per plant in different stages of each treatment

表3 各處理在不同時期的單株莖干重Table 3 Stem dry weight per plant of each treatment at different stages

表4 各處理在不同時期的單株穗干重Table 4 Dry weight per panicle of each treatment at different stages

由于不同處理對各器官干重的影響，因此單株總干重差異明顯，但不同處理下的單株總干重變化趨勢均表現(xiàn)為開花期之前增速緩慢，之后積累迅速，灌漿期后趨于平緩（表5）。滴頭間距和灌水總量相同時，M1相比M2增大4.03%～10.57%，不同膜規(guī)格之間差異不顯著；膜規(guī)格和灌水總量相同時，S1相比S2增大9.48%～25.89%，隨著生長期延長，不同滴頭間距之間差異逐漸顯著；膜規(guī)格和滴頭間距相同時，L2相比L1增大5.66%～18.21%，增大比例隨著植株生長逐漸降低，自開花期開始，不同灌水總量之間差異顯著（滴頭間距為S1條件下）；地下滴灌條件下，滴頭間距相同時，L2相比L1增大5.17%～24.08%，灌水總量相同時，S1相比S2增大13.01%～31.22%，不同處理之間無顯著差異。

表5 各處理在不同時期的單株干重Table 5 Dry weight per plant of each treatment at different stages

2.4 不同處理對產(chǎn)量和產(chǎn)量構成因素的影響

與地下滴灌相比，膜調(diào)控潤灌的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重分別增大了7.20% ～20.13%、2.16%～12.50%和-1.00%～5.82%，穗數(shù)與穗粒數(shù)在2 種灌水方式之間存在顯著差異，千粒重差異不顯著（表6）。在膜調(diào)控潤灌條件下，千粒重在不同膜規(guī)格、滴頭間距和灌水總量處理下差異不顯著；穗數(shù)受灌水總量和滴頭間距影響顯著，L2相比L1條件下的穗數(shù)增大6.46%～10.40%，S1相比S2增大8.44%～13.69%，減少上膜尺寸可增大穗數(shù)，但影響不顯著；穗粒數(shù)在不同滴頭間距之間存在顯著差異，S1相比S2增大3.31%～10.61%，減小上膜尺寸和增大灌水總量均對穗粒數(shù)有增大趨勢，但影響不顯著。

與地下滴灌相比，膜調(diào)控潤灌條件下產(chǎn)量提高1.36%～12.60%，除T4、T10外，其余處理均與相應的對照處理之間存在顯著差異。膜調(diào)控潤灌在不同處理之間存在顯著差異，膜規(guī)格和灌水總量相同時，S1相比S2處理的產(chǎn)量提高9.06%～17.16%，差異顯著；滴頭間距相同時，增大灌水總量和減小上膜尺寸可分別提高產(chǎn)量3.51% ～11.20% 和9.06% ～17.16%，差異不顯著。地下滴灌條件下，灌水總量和滴頭間距均對產(chǎn)量影響顯著，S1相 比S2增 產(chǎn)12.14% ～20.44%，L2相 比L1增 產(chǎn)6.85%～14.76%。

2.5 不同處理對水分利用效率的影響

膜調(diào)控潤灌的水分利用效率在2.23 ～2.85 kg/m3之間，相比地下滴灌增大7.83%～17.39%，差異顯著（表6）。在膜調(diào)控潤灌條件下，不同處理之間的水分利用效率差異顯著，膜規(guī)格和灌水總量相同時，S1相比S2增大16.96% ～30.12%，不同滴頭間距之間差異顯著；滴頭間距為S1時，M1相比M2增大2.52%～7.52%，L1相比L2增大-1.84%～6.12%，膜規(guī)格和灌水總量對水分利用效率影響顯著，而滴頭間距為S2時，減小上膜尺寸和灌水總量對水分利用效率均有增大趨勢，但影響不顯著；地下滴灌條件下，滴頭間距為S1時，L1相比L2處理下的水分利用效率增大6.67%，滴頭間距為S2時則減小4.79%，差異均不顯著；灌水總量相同時，S1相比S2增大10.50%～23.80%，差異顯著。

表6 不同處理下的冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率Table 6 Yield and water use efficiency of winter wheat under different treatments

3 討論

由試驗范圍內(nèi)分析可知，地下滴灌條件下冬小麥存在長勢不均的情況，當增大灌水總量和減小滴頭間距均可顯著增大作物株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)重和產(chǎn)量，但水分利用效率有一定程度的減低，產(chǎn)量最高可達8 330.4 kg/hm2，水分利用效率最高達到2.44 kg/m3，與張娜［14］、位國峰［15］研究結果一致，這可能是由于地下滴灌所形成的垂向濕潤范圍顯著高于水平濕潤寬度，容易引起相鄰滴頭形成的濕潤體外側(cè)無法充分交匯，附近土壤的水分分布不均勻，影響根系吸水，造成了植株長勢不佳，而滴頭間距直接影響田間灌水均勻性以及作物對水分和養(yǎng)分的吸收效率［16-17］，因此減小滴頭間距，可有效緩解水分橫向運移不足的問題，與Tefo［18］研究結果一致；灌水量主要影響濕潤范圍大小和水量分布，增大灌水總量有利于增大水量橫向均勻性，同時增大濕潤體外側(cè)含水率［19-20］，從而改善根系主要活動層的水分環(huán)境狀況，提高根系數(shù)量和吸水活力，作物生長指標和產(chǎn)量均增大，但水分利用效率有一定降低，與謝小清、薛麗華［21-22］研究結果一致。

相比地下滴灌，膜調(diào)控潤灌增大了冬小麥的株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量，在孕穗期后差異逐漸顯著，植株長勢更均勻；產(chǎn)量和水分利用效率最高可分別增大12.60%和17.39%，達到8 839.9 kg/hm2和2.85 kg/m3；這可能是調(diào)控膜的布置，減少了下滲范圍和滲漏量，增大了水分上移量，同時出水點由滴頭轉(zhuǎn)變?yōu)樯夏に闹苓吔?，有效增大了濕潤體水平濕潤范圍以及濕潤體外側(cè)水量分布，為作物根系提供良好的生長環(huán)境，更有利于不同位置根系對水分的吸收，從而促進植株長勢均勻，并增大產(chǎn)量和水分利用效率。在膜調(diào)控潤灌條件下，減小滴頭間距使產(chǎn)量和水分利用效率均有了提高，差異顯著，并且滴頭間距為S1時，減小上膜尺寸和增大灌水總量均可增大產(chǎn)量，減小上膜尺寸和灌水總量均會使水分利用效率增大，且膜規(guī)格和灌水總量影響顯著，這可能是由于膜規(guī)格和灌水量對濕潤體形狀大小和含水率分布有一定影響，因此上膜尺寸較小時，水分上移量增大，但水平濕潤范圍相對較小，而增大灌水總量可增大濕潤體水平擴散距離和外側(cè)水量分布，而滴頭間距直接影響田間灌水均勻性以及作物對水分和養(yǎng)分的吸收效率［16-17］，因此減小間距，更有助于相鄰濕潤體搭接交匯［18,23］，在交匯過程中同時促進水分上移，增大了主要根系層的水分分布均勻性，為根系提供均勻充足的水分吸收利用［24］，從而增大產(chǎn)量和水分利用效率；在滴頭間距較大時，改變上膜尺寸和灌水總量對增產(chǎn)節(jié)水效果不顯著，這可能是由于滴頭間距過大，而相鄰兩滴頭形成的濕潤體濕潤范圍有限，此時通過增大灌水總量和上膜尺寸在一定程度上可增大水平濕潤范圍，提高水量橫向分布均勻性，緩解濕潤體無法充分交匯的問題，但下滲量也隨之增大，水分利用效率降低［25］。

4 結論

本文通過大田試驗，分析膜規(guī)格、滴頭間距和灌水總量對膜調(diào)控潤灌條件下冬小麥生長指標、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，得到以下結果：

（1）相比地下滴灌，膜調(diào)控潤灌下的冬小麥株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)重等生長指標均有不同程度的增加；減小滴頭間距、上膜尺寸或增大灌水總量均可增大上述生長指標，且滴頭間距和灌水總量影響顯著，膜規(guī)格影響不顯著。

（2）膜調(diào)控潤灌產(chǎn)量較地下滴灌增大1.36%～12.60%，其中T5處理最高，為8 839.9 kg/hm2；減小滴頭間距、上膜尺寸或增大灌水總量均可增加產(chǎn)量，且滴頭間距影響顯著。

（3）膜調(diào)控潤灌的水分利用效率在2.23 ～2.85 kg/m3之間，較地下滴灌增大；減小滴頭間距、灌水總量或上膜尺寸均可增大水分利用效率；且滴頭間距為S1時，灌水總量和膜規(guī)格對水分利用效率影響顯著。