海河平原春季限水灌溉下冬小麥農(nóng)田水分動態(tài)及產(chǎn)量形成特征

劉雪靜， 鮑曉遠， 候曉陽， 甄文超

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北 保定 071001）

海河平原是我國重要的小麥產(chǎn)區(qū)之一[1]。該區(qū)冬小麥種植季降水量100～130 mm，僅為7 500 kg·hm—2以上產(chǎn)量需水的1/4～1/3，小麥生產(chǎn)依靠250～300 mm 灌水維持[2-3]，灌溉用水60%以上為地下水，導(dǎo)致地下水超采，形成了大面積水文漏斗，引發(fā)系列生態(tài)問題[4]，亟需進一步壓減小麥灌水量，建立與區(qū)域水資源承載力相適應(yīng)的限水灌溉制度[5-8]。

近年來，介于充分灌溉與旱作雨養(yǎng)之間的限水灌溉得到廣泛關(guān)注[9]。優(yōu)化灌溉制度的關(guān)鍵是解決需水關(guān)鍵期的水分供應(yīng)，提高灌水利用效率，實現(xiàn)節(jié)水與豐產(chǎn)統(tǒng)一[10-11]。根據(jù)作物耗水規(guī)律，把有限水量最優(yōu)分配，允許在特定時期使作物經(jīng)受一定程度水分虧缺，發(fā)揮適度干旱脅迫的有益調(diào)節(jié)作用[12-13]。多數(shù)研究者認為，作物在早期營養(yǎng)生長階段對水分虧缺不敏感，是限水灌溉的適宜階段[14-16]。而有研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥春季任一生長時期水分虧缺均影響產(chǎn)量和水分利用效率，在春季水分臨界期和需水關(guān)鍵期，由于干旱脅迫對產(chǎn)量造成的不利影響很難通過后期灌溉得到彌補[17]。亦有研究證實，作物在特定發(fā)育時期水分脅迫解除后會表現(xiàn)出一定的補償生長功能，可同步提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[18]。

綜上，通過優(yōu)化作物灌溉制度，即在減少作物水分供應(yīng)前提下，確定作物生育期內(nèi)最佳灌水時期、灌水次數(shù)和灌水量，減少無效水分消耗，提高農(nóng)田水分利用效率，獲得最大經(jīng)濟和生態(tài)效益，具有重要的理論和實踐意義。本研究在海河平原代表性區(qū)域，選用不同類型品種，足墑播種并通過播期播量匹配，構(gòu)建冬小麥冬前充足群體，在此基礎(chǔ)上，比較春季不同時期限水灌溉對冬小麥產(chǎn)量形成的影響，為構(gòu)建精量高效的限水豐產(chǎn)灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018—2020年在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所深州試驗站（37°91′N，115°71′E）和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)辛集試驗站（37°99′N，115°20′E）完成。試驗地均為中性壤土，0—20 cm 土壤有機質(zhì)含量分別為 16.7、14.6 g·kg—1，堿解氮含量分別為95.28、92.79 mg·kg—1，有效磷含量分別為31.85、23.83 mg·kg—1，速效鉀含量分別為 159.51、136.48 mg·kg—1。試驗地 0—200 cm 土壤容重和田間持水量見表1，試驗期間降水量和日平均溫度見圖1，氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）。

圖1 2018—2020年小麥生長季降水量和日平均溫度Fig.1 Precipitation and daily average temperature in wheat growing season from 2018 to 2020

表1 土壤容重和田間持水量Table 1 Soil bulk density and field capacity

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用三因素裂區(qū)設(shè)計，供試小麥品種為旱地組（石麥22、衡觀35和冀麥418）和水地組（石農(nóng) 086、冀麥 585 和石新 828）2 種類型，供試品種由育種單位提供。設(shè)適期播種和晚播2 種播期處理：2018年試驗點為深州，播期為10月13日和10月23日；2019年試驗點為深州和辛集，播期均為10月 15日和 10月 23日；分別按基本苗 375 萬和600 萬株·hm—2確定播量。設(shè)4個不同春季全展葉齡1次灌水處理，以春季2次灌水和不灌水處理為對照（表2），共 72個處理，每處理3 次重復(fù)，每重復(fù)1個小區(qū)，小區(qū)面積40 m2。

表2 試驗處理設(shè)置Table 2 Experimental treatment

小 麥 播 前 底 施 N 150 kg·hm—2，P2O5105 kg·hm—2，K2O 120 kg·hm—2，春季隨第 1 次灌水追施純 N 150 kg·hm—2，春季不灌水處理在起身至拔節(jié)期隨降水追施純N 150 kg·hm—2。采用測墑補灌方法，灌溉目標為0—60 cm 土壤含水量達到田間持水量的80%，利用微噴灌設(shè)備（河北迪龍科技有限公司），用水表計量控制灌水量。冬小麥土壤墑情指標參照《冬小麥測墑灌溉技術(shù)規(guī)程》[19]，其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 土壤含水量 分別于小麥播前、越冬前、返青期、起身期等關(guān)鍵生育時期，以及春3葉齡后每5～7 d 采用 TDR 水分儀（IMIKO, 德國）測定 0—200 cm 土層含水量，測定間隔20 cm。灌前、灌后、雨前、雨后加測。

1.3.2 產(chǎn)量及構(gòu)成 在冬小麥成熟期，每小區(qū)選擇3個1 m 長定位監(jiān)測樣段調(diào)查穗數(shù)。從各小區(qū)選取2 m2樣點，單獨收割，實收測定產(chǎn)量并換算成含水量13%的籽粒產(chǎn)量，并隨機選取30個小麥穗，測定穗粒數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 采用SPSS 21.0 軟件進行方差分析；采用LSD法進行差異顯著性檢驗；采用Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 春季限水灌溉下麥田土壤水分變化特征

2.1.1 不同處理麥田土壤水分時空動態(tài) 由圖2可知，處理間0—60 cm 土壤含水量差異最大，60—120 cm 次之，120—200 cm 差異最小。同時，0—60 cm 也是受灌水和降水影響最顯著的層次，其含水量波動最大。作為農(nóng)田耗水活躍層，0—60 cm 土壤貯水消耗占0—200 cm 土壤總耗水45.1%～63.7%。因此，在春季限水灌溉條件下，0—60 cm 土層為主要供水層，其含水量變化會顯著影響小麥生長發(fā)育與產(chǎn)量形成，也應(yīng)是分析春季限水灌溉形成的階段性干旱脅迫時間和強度的重點層次。

圖2 不同葉齡灌水后麥田土壤含水量動態(tài)Fig.2 Dynamics of soil water content in wheat field after irrigation at different leaf ages.

2.1.2 不同處理麥田土壤干旱程度 由圖3 可知，春3葉灌水前，各處理0—60 cm土層相對含水量（soil water content,SWC60）約60%，低于65%的輕度干旱閾值，2個試驗點以辛集略高，2個年度以2019—2020年略高。2018—2019年度深州試驗點較具代表性，至春4葉齡灌水前，未灌水處理SWC60 為57%，已達中度干旱。至春5 葉齡灌水前，未灌水處理SWC60已低于55%。至春6葉齡，L6處理SWC60低于53%，接近重度干旱。各處理灌溉復(fù)水后，SWC60 均恢復(fù)至80%左右。至灌漿中期，L3 和 L4 處理 SWC60 接近 60%，至灌漿末期，L3 處理SWC60 低于55%，達中度干旱，此時L4、L5和L6處理干旱相對較輕。與春季1次灌水處理相比，CKⅡ除灌漿末期SWC60降至63%，其余時期均高于65%。推遲播期各處理與對應(yīng)適期播種處理相比，SWC60 低0.2～5.8個百分點（平均低2.55個百分點）。2020年 5月 7 至 8日深州和辛集試驗點降雨量分別為49.7 和131.9 mm，導(dǎo)致小麥灌漿期干旱程度低于2018—2019年相應(yīng)處理。

圖3 不同葉齡灌水條件下冬小麥土壤干旱程度Fig.3 Soil drought degree of winter wheat under irrigation at different leaf ages

分析上述結(jié)果認為，春5 葉齡和6 葉齡灌水，雖然灌漿后期土壤干旱程度較輕，但灌水前SWC60已低于60%，干旱程度較重；春3葉齡灌水與之相反，灌水前僅接近輕度干旱，但后期干旱過重。而春4 葉齡灌水，其灌水前為輕度干旱，至乳熟末期SWC60 才降低60%，干旱程度同樣相對較低。

2.2 春季限水灌溉對小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

如圖4～5所示，適期播種下，旱地組（石麥22、衡觀35 和冀麥418）和水地組（石農(nóng)086、冀麥585和石新828）品種春季2 次灌水處理平均穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重分別為781.8萬·hm—2、30.9個、40.4g和778.1 萬·hm—2、29.7個、41.3 g，均為常年豐產(chǎn)水平的產(chǎn)量要素正常值。

圖4 不同春季葉齡灌水處理冬小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)Fig.4 Spike number and grains per spike of winter wheat under irrigation at different spring leaf ages

而春季限水灌溉顯著影響產(chǎn)量構(gòu)成要素，旱地組和水地組品種在春季1次灌水條件下，2地點2年度單位面積穗數(shù)較CKⅡ處理平均下降6.7%和10.5%。 水地組品種穗數(shù)降幅更大（8.8%～12.5%），降幅最大的品種為石農(nóng)086；旱地組穗數(shù)降幅則相對較小，較CKⅡ平均下降13.0%，衡觀35降幅最小（9.76%），石麥22 降幅最大（14.9%）。3個水地組品種穗粒數(shù)平均下降14.1%，石農(nóng)086降幅最大（15.8%），石新828 降幅最?。?3.2%）；3個旱地組品種千粒重比CKⅡ平均下降5.3%，衡觀35降幅最小（4.3%）；3個水地組品種千粒重平均下降6.7%，冀麥585降幅最大（7.5%）。

適期播種條件下，供試小麥品種均表現(xiàn)為隨春季1 次灌水推遲，穗粒數(shù)逐漸降低，而粒重逐漸升高的趨勢，每推遲1個葉齡灌溉，穗粒數(shù)平均降低2.47個，千粒重增加1.65 g。除石農(nóng)086 外，其他品種均表現(xiàn)為L4處理穗數(shù)最高，較L3、L5和L6處理分別高9.4%、14.2%和25.8%。晚播條件下，各處理單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重變化趨勢與適期播種條件下對應(yīng)處理基本一致。

2.3 春季限水灌溉對冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

如表3所示，旱地組和水地組春季1次灌水處理產(chǎn)量較2 次灌水處理降低10.9%～38.7% 和16.5%～38.8%。除石農(nóng)086 外，其余5個品種L4處理減產(chǎn)最少（11.22%），產(chǎn)量達6 897.8～8 208.3 kg·hm—2。而 L3、L5 和 L6 處理產(chǎn)量平均減產(chǎn)幅度29.62%。6個品種WCKⅡ產(chǎn)量較CKⅡ降低2.54%，而 WL3 與 L3、WL4 與 L4、WL5 與 L5、WL6 與 L6 產(chǎn)量差異均不顯著。春季2 次灌水處理，2年度2 地點 2 播期 WUE 平均為 18.9 kg·hm—2·mm—1，L4 與CKⅡ、WL4 與WCKⅡ相比WUE 差異不顯著，但較其他春季1次灌水處理平均高23.11%。雖然春季限水灌溉導(dǎo)致小麥減產(chǎn)，但旱地品種減產(chǎn)幅度相對較低，春4 葉齡灌水減產(chǎn)幅度最小，采用抗旱品種與春4 葉齡灌水的限水灌溉組合，節(jié)水豐產(chǎn)效果最佳。

圖5 不同春季葉齡灌水處理冬小麥千粒重Fig.5 1 000-grain weight of winter wheat under irrigation at different spring leaf ages

表3 不同處理冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率Table 3 Yield，water use efficiency of winter wheat under different treatment

3 討論

3.1 春季限水灌溉下麥田土壤水分變化與干旱脅迫特征

已有研究認為，土壤耗水層受灌溉制度影響較大，麥田灌水量由100 增至300 mm，土壤耗水層則由140上升至80 cm，拔節(jié)至成熟適度干旱脅迫可增加深層水分消耗[20]。冬小麥返青至孕穗期0—60 cm 土壤耗水占農(nóng)田總耗水量的比例由返青至孕穗期的43.3% 降至孕穗至成熟期的12.0%，而60—120 cm 土壤耗水則由 20.1% 增至40.8%。小麥80%根系分布在0—100 cm 土層，上層土壤水分虧缺會促進根系對深層土壤貯水的利用，從而提高WUE[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，春季限水灌溉下，0—60 cm 土壤含水量波動最大，處理間差異最大，是分析春季限水灌溉形成的階段性干旱脅迫時間和強度的重點層次。

小麥在拔節(jié)期和開花期灌水可同步實現(xiàn)高產(chǎn)和高水分利用效率[22-23]，而在春季1次灌水的限水灌溉條件下，在拔節(jié)前灌溉能基本滿足小麥拔節(jié)至開花階段水分需要，但開花后土壤干旱脅迫嚴重，且灌水時期越早，后期水分虧缺程度越嚴重，造成的減產(chǎn)越嚴重[24]，這與本研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，小麥在春4葉齡補灌，僅在起身至拔節(jié)階段及灌漿末期處于輕度干旱脅迫狀態(tài)，灌漿期干旱脅迫程度顯著低于春3 葉齡灌水處理，而起身至拔節(jié)階段干旱脅迫程度顯著低于春5、6 葉齡灌水處理，對小麥生長發(fā)育的不利影響最低。

3.2 春季限水灌溉對冬小麥產(chǎn)量形成的影響

合理的灌溉可協(xié)調(diào)小麥產(chǎn)量三因素（穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重），限水條件下，拔節(jié)前灌水較后期灌水對產(chǎn)量貢獻更大[25]。早期灌水會造成花后灌漿進程水分虧缺，使千粒重較低，對產(chǎn)量形成有明顯負效應(yīng)。拔節(jié)期補灌可顯著降低小麥分蘗的消亡速率，提高成穗數(shù)[26]。也有研究認為，小麥返青期干旱顯著抑制無效分蘗的發(fā)生，拔節(jié)期干旱加速無效分蘗的消亡[27]。在本研究通過足墑播種、播期播量匹配，小麥冬前群體充足、個體健壯，提升節(jié)水抗旱能力。在4個不同春季葉齡1 次灌水處理中，春 3、4 葉齡灌水 WUE 顯著高于 5、6 葉齡灌水。但春3 葉齡灌溉時間較早，導(dǎo)致花后水分虧缺嚴重，千粒重顯著降低，成為產(chǎn)量顯著下降的重要因素。春5、6 葉齡灌水處理成穗數(shù)降低、穗粒數(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。春4 葉齡灌水則有效協(xié)調(diào)了前期和后期干旱脅迫的矛盾，灌水前的適度干旱脅迫發(fā)揮了有益調(diào)控作用，相對其他處理使產(chǎn)量三要素更為協(xié)調(diào)，籽粒產(chǎn)量最高。同時發(fā)現(xiàn)，水地組品種的穗粒數(shù)和單位面積穗數(shù)對春季限水灌溉更為敏感，穗數(shù)和穗粒數(shù)在限水灌溉下顯著降低，導(dǎo)致該類品種減產(chǎn)幅度顯著大于旱地組品種。