調虧灌溉對新疆滴灌冬小麥產量及水分利用效率的影響

摘要：為探明調虧灌溉對新疆冬小麥的產量和水分利用效率的影響，于2022—2023年在新疆農業(yè)科學院奇臺麥類試驗站進行田間試驗，采用二因素裂區(qū)設計，主區(qū)品種（A）為新冬22號（A1）和新冬18號（A2），副區(qū)灌水量（W）為300 m3/hm2（W1）、1 200 m3/hm2（W2）、2 100 m3/hm2（W3）、2 700 m3/hm2（W4）、3 000 m3/hm2（CK）5個處理，研究冬小麥葉面積指數(shù)（LAI）、葉綠素相對含量（SPAD值）、水分利用效率及產量等對調虧灌溉的響應。結果表明，在拔節(jié)期至灌漿期進行調虧灌溉處理，LAI呈先增后減的變化趨勢，在孕穗期W4處理下達到最大，為6.32；葉片SPAD值隨著灌溉量的減少而降低，且在灌漿期達到最大，與CK相比，調虧灌溉處理下SPAD值平均下降幅度由大到小依次為 W1gt;W2gt;W3gt;W4處理，其中SPAD值和LAI在調虧灌溉中均以W4處理最高；與CK相比，0～80 cm土壤含水量在不同調虧灌溉處理下平均下降幅度由大到小依次為W1gt;W2gt;W3gt;W4處理，其中W4處理在抽穗期土壤含水量下降幅度達到最小，與CK相比，隨著灌水量的減少，不同調虧灌溉處理下的灌溉水利用效率和水分利用效率均呈先升后降的變化趨勢，且其產量呈逐漸降低趨勢，W2處理獲得最大灌水利用效率和水分利用效率，而W3處理穩(wěn)產效果最佳。因此，在本試驗條件下，滴灌量為1 200～2 100 m3/hm2的A2品種為最適的品種灌水量組合。

關鍵詞：調虧灌溉；滴灌；冬小麥；水分利用效率；產量

中圖分類號：S512.1+10.7" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）24-0079-07

收稿日期：2023-12-27

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項（編號：2022A02003-6）。

作者簡介：王子騫（2000—），男，甘肅天水人，碩士研究生，主要從事小麥作物栽培與耕作學研究。E-mail：3034374984@qq.com。

通信作者：石書兵，博士，教授，從事小麥作物栽培與耕作學研究。E-mail：shubshi@sina.com。

小麥（Triticum aestivum L.）是僅次于玉米和水稻的第三大糧食作物，對全球的糧食安全和營養(yǎng)供應至關重要，全球年產量為7.8×10¹¹ kg^［1］。預計到2050年，對小麥的需求將增加60%，而由于氣候因素引起的非生物因素的影響，小麥產量可能會下降29%^［2］。眾所周知，水分是影響作物生長發(fā)育的重要因素之一，而我國北方地區(qū)存在降水與作物需水供求矛盾，生產上需要進行補充灌溉才能滿足作物的正常生長發(fā)育^［3］。水資源短缺和氣候干旱是限制小麥產量提高的重要因素之一^［4］，尤其在新疆地區(qū)，氣候干旱、降水量少、農業(yè)用水效率不高和水資源浪費問題嚴重阻礙了新疆小麥的可持續(xù)發(fā)展^［5］。

調虧灌溉（regulated deficit irrigation，RDI）是根據作物生長發(fā)育特性，在作物某一生育階段進行虧水鍛煉，使其增加對干旱程度的忍耐度，提高作物根系對土壤水分利用效率，最終影響其生理生化過程，從而達到作物增產穩(wěn)產的效果^［6］。近年來，該技術已廣泛應用于果樹、小麥、棉花等農作物的生產實踐中^［7］。作物生長的評估通常依賴于關鍵生長指標，如株高、葉面積指數(shù)（LAI）和葉片葉綠素相對含量。株高不僅反映了作物的垂直生長，而且與作物的產量有著密切關聯(lián)。Chen等的研究表明，灌水量對小麥株高有積極影響，隨著灌水量的增加，株高增幅為17.76%^［8］。Cao等進一步研究發(fā)現(xiàn)，在小麥全生育期內，抽穗灌漿期的灌水對株高和LAI有顯著提升效果，且確定了抽穗期和灌漿期作為冬小麥高產的最佳限量灌水時期^［9］。SPAD值作為反映光合作用效率的重要指標與灌水量存在顯著關聯(lián)^［10］。Hou等研究發(fā)現(xiàn)，在灌水定額為40 mm時，SPAD值達到最高。水分虧缺是影響小麥產量及其水分利用效率的重要非生物因素之一^［11］，因此，制定合理的節(jié)水灌溉策略對小麥生產愈發(fā)重要。李倩等研究發(fā)現(xiàn)冬小麥產量隨灌水量的增加呈現(xiàn)開口向下的二次函數(shù)關系分布，且在灌水量為80 mm時產量達到最大值^［12］。章杰等的研究表明，灌水量對籽粒產量和水分利用效率均有顯著影響，與灌水量 150 mm 相比，灌水90 mm可以增產14.5%，且提高水分利用效率15.5%^［13］。與之相反，Zhao等研究發(fā)現(xiàn)，減少灌水量不僅不顯著影響產量，還有利于提高水分利用效率^［14］。因此，合理的灌水量是小麥高產穩(wěn)產的重要保障。目前，在調虧灌溉技術和灌溉策略對小麥生長發(fā)育特性方面的影響已有初步研究。但在調虧灌溉條件下，品種和灌水量對冬小麥產量和水分利用效率的影響等方面研究尚未深入。

本試驗在前人研究的基礎上，采用雙因素裂區(qū)試驗設計，設置2個品種水平和5個水分虧缺處理，通過對不同調虧灌溉方案下新疆冬小麥產量及其水分利用效率的影響，明確影響冬小麥產量的關鍵水分因子，確定不同調虧灌溉方案對冬小麥產量及其水分利用效率的影響，旨在為新疆冬小麥產區(qū)精準灌溉方案的制定提供一定參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2022—2023年在新疆農業(yè)科學院奇臺麥類試驗站（43°59′57″ N，89°45′23″ E）進行，試驗地為沙壤土，含有機質12.22 g/kg、堿解氮54.6 mg/kg、有效磷16.1 mg/kg、速效鉀81.3 mg/kg，有效降水量為48.04 mm，有效積溫為2 087.5 ℃（gt;0 ℃），小麥生育期氣候變化見圖1。

1.2 試驗設計

采用雙因素裂區(qū)試驗設計，主區(qū)品種（A）設新冬22號（A1）和新冬18號（A2），副區(qū)灌水量（W）設300 m3/hm2（W1）、1 200 m3/hm2（W2）、2 100 m3/hm2（W3）、2 700 m3/hm2（W4）、3 000 m3/hm2（CK），灌溉方式為滴灌，用水表精確控制灌水量（表1）。播種量為300萬粒/hm2，人工條播，行距0.2 m，小區(qū)面積為8 m2（2 m×4 m），重復3次。播種前統(tǒng)一施純氮225 kg/hm2（基追比為6 ∶4，追肥拔節(jié)期開溝施入）、P2O5 120 kg/hm2和K2O 120 kg/hm2，試驗地四周設置保護行，其他管理措施與當?shù)卮筇锕芾泶胧┮恢隆?/p>

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)測定

在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期，各處理隨機選取10株整株，用長寬系數(shù)法測定葉面積^［15］，并計算葉面積指數(shù)：

葉面積（cm2）=長（cm）×寬（cm）×0.83（矯正系數(shù)）；

葉面積指數(shù)=單位土地面積葉片總面積/土地面積。

1.3.2 SPAD值測定

采用SPAD-503葉綠素儀，在開花和籽粒灌漿中期，各處理隨機選取10株，于上午10：00—12：00，測定旗葉、倒2葉和倒3葉SPAD值^［16］，并取平均值。

1.3.3 耗水量及水分利用效率測定

土壤質量含水量用烘干法測定，每20 cm土層為1個層次，總共4層，土壤耗水量和水分利用效率用以下公式計算^［17］：

WUE=Y/ET。

式中：WUE為水分利用效率，kg/（hm2·mm）；Y為產量，kg/hm2；ET為耗水量，mm。

全生育期總耗水量（m3/hm2）＝全生育期土壤貯水消耗量＋全生育期有效降水量＋全生育期總灌水量+地下水補給量；

全生育期土壤貯水消耗量=10×∑ρiHi（θi1-θi2），（i＝1，2，……，n）；

式中：i為土層編號；n為總土層數(shù)；ρi為第i層土壤干容重；Hi為第i層土壤厚度；θi1和θi2分別為第i層土壤播前和收獲時的含水量，以占干土重的百分數(shù)計；全生育期有效降水量為48.04 mm（當?shù)貧庀笳咎峁?，全生育總灌水量通用水表精準測定；試驗點地下水埋深大于4 m，地下水補給量可忽略不計。

灌溉水利用效率［kg/（hm2·mm）］=冬小麥籽粒產量/全生育期總灌水量。

水分利用效率［kg/（hm2·mm）］=冬小麥籽粒產量/全生育期總耗水量。

1.3.4 小麥產量和收獲指數(shù)

成熟期每處理任選10株小麥考種隨機選取1 m2樣方實收測產。

1.4 數(shù)據分析

采用Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據進行整理，用R語言軟件進行方差分析和制圖，采用最小顯著差異法（LSD）進行多重比較^［18］。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉對不同生育時期滴灌冬小麥LAI的影響

小麥葉面積指數(shù)在各生育期下不同調虧灌溉處理中差異顯著，隨著灌水量的降低，LAI呈現(xiàn)下降趨勢（圖2）。在CK處理下，A2品種LAI在孕穗期、抽穗期、開花期以及灌漿前期與A1品種差異不顯著，而在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期和灌漿后6 d顯著（P＜0.01）或極顯著（P＜0.001）高于A1品種；與CK相比，在拔節(jié)期至灌漿后6 d，不同調虧灌溉處理下LAI指數(shù)平均下降幅度依次從大到小為60.25%（W1）gt;48.00%（W2）gt;35.73%（W3）gt;17.82%（W4）；隨著生育進程的推進，LAI指數(shù)在不同調虧灌溉處理下呈先上升后下降的趨勢，在孕穗期達到最大，分別為6.32（W4）、5.06（W3）、4.42（W2）、3.28（W1），且A2品種在W4、W3、W2、W1處理下LAI指數(shù)均大于A1品種。

2.2 調虧灌溉對不同生育時期滴灌冬小麥SPAD值的影響

由圖3可知，調虧灌溉對不同冬小麥品種的葉綠素含量（SPAD值）產生了顯著影響。隨著灌溉量的減少，SPAD值呈現(xiàn)下降趨勢。特別是，在極端干旱條件下，A2品種相比A1品種能更好地維持較高的葉片光合作用。從拔節(jié)期到灌漿后6 d，與CK相比，不同灌溉處理下冬小麥SPAD值的平均降幅由大到小依次為W1gt;W2gt;W3gt;W4。在拔節(jié)期和孕穗期，A2品種在W4、W3、W2和W1處理下的SPAD值相比A1品種提高。與CK相比，在W4處理下，A2品種的SPAD值增加了3.41%和4.60%。在抽穗期至灌漿后6 d的水分虧缺條件下，A1品種的SPAD值下降，而A2品種在W4、W3、W2處理下的SPAD值下降幅度較小，分別為3.14%、10.27%、16.13%，表明在水分調虧灌溉條件下，A2品種能較好地保持葉片的光合作用活力。

2.3 調虧灌溉對滴灌冬小麥產量及構成因素的影響

由表2可知，調虧灌溉主要通過影響穗粒數(shù)和千粒重來直接決定冬小麥的產量。這種灌溉方式對不同冬小麥品種的穗數(shù)沒有顯著影響（P＜0.05）。與CK相比，W1～W4處理在不同的調虧灌溉處理下，冬小麥的穗粒數(shù)平均降幅由大到小依次為W1（69.02%）gt;W2（46.21%）gt;W3（28.18%）gt;W4（13.88%）；千粒重分別下降22.70%、17.95%、12.33%、3.70%。相應地，產量的平均下降幅度分別為44.34%（W1）、33.09%（W2）、23.54%（W3）、5.27%（W4）。表明在實施節(jié)水增產策略時，選擇A2品種在W3、W2、W1處理下可能會帶來更好的經濟效益。

2.4 調虧灌溉對不同生育時期滴灌冬小麥水分時空變化規(guī)律的影響

由圖4可知，在不同生育階段，A1和A2這2個冬小麥品種的土壤含水量表現(xiàn)出不同的趨勢。 A1品種在拔節(jié)至灌漿期的土壤含水量隨土層深度增加明顯上升，而A2品種則大體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。與CK相比，在 0～80 cm土壤深度上，不同調虧灌溉處理下的土壤含水量平均下降幅度從大到小依次為W1gt;W2gt;W3gt;W4。在抽穗期，W4處理下的土壤含水量下降幅度相對較小，為5.75%，而W1處理在灌漿期的下降幅度最小，為26.95%。相比之下，拔節(jié)期的下降幅度最高，分別為40.48%（W1）、28.85%（W2）、20.92%（W3）、12.51%（W4）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在拔節(jié)和孕穗期，與A1品種相比，A2品種在W3、W2、W1處理下的土壤含水量在 40～60 cm土層中較低，分別為17.15%、15.18%、9.97%和12.93%、11.20%、9.62%。在拔節(jié)期的0～20 cm土層中，A2品種的土壤含水量比A1提高了16.67%，而在20～40、40～60、60～80 cm土層中分別下降了7.25%、17.94%、13.20%。在孕穗期的20～40 cm土層中，土壤含水量較高，這表明A2品種的根系在拔節(jié)期和孕穗期主要集中在40～80 cm土層。在抽穗期，與A1品種相比，A2品種在0～20 cm土層中土壤含水量提高了7.65%，而在20～40、40～60、60～80 cm 土層中分別降低了7.27%、8.30%、14.34%。到了開花期至灌漿期，A2品種在0～20 cm和20～40 cm土層中的土壤含水量均提高，而在40～60 cm和60～80 cm土層中土壤含水量降低，這說明A2品種的小麥根系在生育后期主要依賴40～80 cm土層的水分。

2.5 調虧灌溉對不同生育時期滴灌冬小麥水分利用效率的影響

隨著灌溉量的減少 不同冬小麥品種表現(xiàn)出不同的耗水特性。A1品種在灌溉水利用效率、水分利用效率上表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，且在總耗水量上表現(xiàn)為依次下降趨勢，而A2品種在灌水利用效率和水分利用效率方面呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，耗水量表現(xiàn)為先降后升的趨勢（表3）。與CK相比，不同調虧灌溉處理下的灌溉水利用效率和水分利用效率平均增加幅度由大到小依次為W2gt;W1gt;W3gt;W4和W1gt;W2gt;W4gt;W3，而總耗水量平均下降幅度為W1gt;W2gt;W4gt;W3，其中灌水利用效率與水分利用效率在W1處理下達到最大，而耗水量在W1處理下最小。說明W2處理有利于顯著提高小麥的灌溉水利用效率和水分利用效率，而W1處理則有助于小麥更有效地進行深層吸水。

3 討論與結論

葉面積指數(shù)是評估作物冠層覆蓋度和反映作物生長動態(tài)的重要參數(shù)^［19］。水分作為決定作物生長的關鍵條件，在作物生理過程中扮演著至關重要的角色。減少灌水量會顯著降低小麥的葉面積指數(shù)（LAI）^［20］，具體而言，在灌水礦化度一致的條件下，灌水量減少導致小麥葉面積指數(shù)降低 14.07%～20.45%。本研究發(fā)現(xiàn)，在調虧灌溉處理下，隨著灌水量下降，葉面積指數(shù)呈顯著下降趨勢，而不同品種冬小麥下降趨勢呈不同程度變化，與A1品種相比，A2品種LAI下降幅度介于18.60%～65.72%之間。然而，葉面積指數(shù)與滴灌量關系呈拋物線關系，隨滴灌量的增加，LAI先增加后降低，且適宜的滴灌量對葉片干物質向籽粒中轉運有積極作用，在本研究中，不同調虧灌溉處理下，冬小麥LAI隨著灌水量的降低呈現(xiàn)單一的下降趨勢。SPAD值作為反映光合作用效率的重要指標，與灌水量存在顯著關聯(lián)^［10］。本研究進一步探明，SPAD值不僅與灌水量有關，還與生育階段密切相關，在不同灌水量下，SPAD值大小依次為CKgt;W4gt;W3gt;W2gt;W1，且在整個生育期間，A2品種的SPAD值平均下降幅度低于A1品種，表明A2品種在調虧灌溉處理下仍能保持較強的葉片光合能力。

水分利用效率（WUE）是評價作物對水分利用程度的重要指標，能夠充分反映作物生長發(fā)育過程中對水分的經濟利用程度^［21］。水分利用效率隨著灌水量的增加呈先升高后下降的趨勢^［22］；與之相反，減少灌水量可以有效提高小麥的水分利用效率，優(yōu)化小麥冠層結構，調節(jié)耗水量^［15］。大多數(shù)相關研究表明，隨著灌水量的增加，水分利用效率普遍下降。本研究表明，水分利用效率變化趨勢不僅與灌水量相關，還與品種有關，A1品種水分利用效率隨著灌水量增加呈先下降后上升的趨勢，相比之下，A2品種的水分利用效率隨著灌水量增加表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。在有限的灌水條件下，提高水分利用效率對農業(yè)生產變得越來越重要。在滴灌條件下，冬小麥水分利用效率隨著灌水量的增多呈先升后降的變化趨勢，在3 600 m3/hm2的灌溉量下達到最大^［23］。灌水量對籽粒產量和水分利用效率均有顯著影響，與灌水量150 mm相比，灌水 90 mm 可以增產14.5%，且提高水分利用效率15.5%^［13］。本研究表明，與A1品種相比，在調虧灌溉下A2品種大幅提高了水分利用效率和灌溉水利用效率，說明在極端缺水條件下，A1品種水分利用效率和灌溉水利用效率高于A2品種。本研究發(fā)現(xiàn)，灌水量與耗水量在一定范圍呈正相關關系，而超過一定范圍則相反，與3 000 m3/hm2灌水量相比，不同調虧灌溉下耗水量降低幅度大小依次為1 200 m3/hm2（W2）gt;300 m3/hm2（W1）gt;2 100 m3/hm2（W3）gt;2 700 m3/hm2（W4），其中1 200 m3/hm2耗水量超過300 m3/hm2，其原因可能是在超過一定灌水量后，有利于促進冬小麥根系發(fā)育，從而利用更多的土壤水分。

水分管理是決定小麥產量的關鍵因素。在小麥越冬期和拔節(jié)期進行灌水（600 m3/hm2）能夠顯著增加小麥總莖數(shù)和成穗數(shù)，從而影響產量的形成^［24］。此外，在干旱年份，對冬小麥在關鍵生育期（拔節(jié)期、孕穗期、開花期）進行灌水（450 m3/hm2）不僅能提高籽粒產量，還能達到節(jié)水效果^［25］，本研究結果表明，不同的小麥品種對灌溉的響應存在顯著差異。此外，在小麥拔節(jié)期至灌漿期，每個生育時期的節(jié)水灌溉條件下，產量的形成不僅與灌水量相關，還與品種相關。冬小麥產量受灌水水平的極顯著影響，隨著灌水水平的增大，產量呈現(xiàn)“向下開口拋物線”分布^［26］。然后，本研究中產量隨著調虧灌溉水平的降低呈逐漸下降趨勢。產量構成要素，如穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，是直接決定產量高低的主要指標。在不同灌水量下，穗數(shù)和穗粒數(shù)是影響產量形成的關鍵因素，而千粒重對產量的影響不顯著，且適宜的灌水有利于增加穗粒數(shù)，進而提高產量^［27］。灌水量在127～217 mm范圍內，冬小麥產量構成因素隨著灌水量的增加而增加，且當超過這個范圍，冬小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重呈下降趨勢，但不顯著^［28］。本研究結果表明，在小麥拔節(jié)期至灌漿期調虧灌溉處理對穗數(shù)影響差異不顯著，而對穗粒數(shù)和千粒重影響差異顯著，且灌水量在300～3 000 m3/hm2 范圍內，冬小麥產量及其構成因素隨著灌水量的增加而增加。

綜合考慮不同新疆冬小麥品種產量和水分利用效率對水分虧缺的響應，在新疆滴灌水肥一體化條件下，實現(xiàn)冬小麥群體高產與節(jié)水效應相結合的灌水量范圍為1 200～2 100 m3/hm2，最適宜種植品種為A2品種，且與A1品種相比，A2品種在此灌水范圍內可獲得5 381.28 kg/hm2籽粒產量和達到較高水分利用效率。

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