劉小利，蔡 鐵，徐 悅，賈志寬，任小龍(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

我國水資源嚴(yán)重短缺，其中農(nóng)業(yè)用水量占經(jīng)濟社會用水總量的60%左右[1]；同時我國降水南多北少、夏多冬少的特殊分布，導(dǎo)致北方小麥主產(chǎn)區(qū)長年超采地下水，嚴(yán)重破壞固有生態(tài)環(huán)境，農(nóng)業(yè)用水面臨的挑戰(zhàn)更大。關(guān)中平原是重要的小麥產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)有效灌溉面積77.5 萬hm2，占全省有效面積的56.7%，占全省耕地面積的20.2%，是陜西省水利化程度較高的地區(qū)[2]，農(nóng)業(yè)用水為30.2 億m3，占總用水量的65.9%，從2004年又持續(xù)略有升高，2007年達(dá)到66.0%[3]，農(nóng)業(yè)用水面臨的挑戰(zhàn)更大。因此，發(fā)展以節(jié)水和提高水分利用效率的節(jié)水型農(nóng)業(yè)，將是解決農(nóng)業(yè)缺水問題的關(guān)鍵[4-6]。

集雨技術(shù)是通過在田間修筑交替的溝壟，壟面覆膜，溝內(nèi)種植作物的一種田間集水農(nóng)業(yè)技術(shù)，為旱區(qū)農(nóng)業(yè)主要的節(jié)水措施之一。通過壟上覆蓋地膜可使當(dāng)季無效和微效降水形成徑流，疊加到種植溝內(nèi)，促進(jìn)降水入滲，轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┳魑锢玫耐寥浪甗7-9]。同時由于集雨區(qū)覆蓋地膜，又可抑制膜下土壤水分的無效蒸發(fā)，進(jìn)一步提高土壤有效貯水量，改善作物根域土壤水分狀況[10, 11]。目前該項技術(shù)已經(jīng)廣泛用于玉米、馬鈴薯、谷子、苜蓿、燕麥等[12-15]。顯著提高作物產(chǎn)量及水分利用率[16-18]。如能應(yīng)用該技術(shù)于半濕潤灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)小麥種植，可使農(nóng)田灌溉用水量降低50%左右。目前在該區(qū)關(guān)于集雨種植模式下土壤水分時空分布、小麥產(chǎn)量形成及其對限量灌水調(diào)控的響應(yīng)，目前相關(guān)研究甚少，限制著該技術(shù)的應(yīng)用于發(fā)展。為探明基于集雨種植模式的小麥高產(chǎn)節(jié)水的技術(shù)途徑，本試驗通過與傳統(tǒng)平作對比，研究集雨種植結(jié)合限量灌水處理對農(nóng)田土壤水分、小麥產(chǎn)量形成及農(nóng)田水分利用效率的調(diào)控效應(yīng)。研究結(jié)果將進(jìn)一步豐富和完善集雨種植理論與技術(shù)體系；同時有利于實現(xiàn)旱作栽培耕作技術(shù)在灌區(qū)作物種植上應(yīng)用，實現(xiàn)作物節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)目標(biāo)，具有重要的實踐價值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2015-2016年在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗基地(E 108°04′，N 34°20′)進(jìn)行，該試驗地位于秦嶺北麓，渭河平原西部的頭道塬上。年均氣溫13.5 ℃，≥0℃積溫4 800 ℃，≥10 ℃積溫4 143 ℃，全年太陽總輻射為4.808×105J/cm2，多年平均降水量580.5 mm，年均蒸發(fā)量993.2 mm，屬暖溫帶半濕潤偏旱型氣候，且降水主要集中在7-9三個月，其中小麥生長期降水量僅203.3 mm。土壤為塿土，播前0～20 cm土壤養(yǎng)分為有機質(zhì)11.97 g/kg，全氮1.31 g/kg，堿解氮20.53 g/kg，速效磷22.34 g/kg，速效鉀97.37 g/kg，pH為7.59 g/kg，密度1.25 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗選用現(xiàn)階段該區(qū)主栽小麥品種西農(nóng)979為材料。種植密度為225 萬hm2，行距20 cm，小區(qū)面積為22 m2(5 m×4.4 m)，3次重復(fù)；其中集雨補灌種植的溝壟比為60:40，壟高15 cm，每小區(qū)共5壟4溝，每溝種4行(圖1)，分別為2015年10月7播種，2016年6月5日收獲，2016年10月4日播種，2017年6月1日收獲。從播種出苗到成熟收獲, 小麥植株生育正常。

采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計，主區(qū)為種植模式處理，為傳統(tǒng)平作和集雨種植；副區(qū)為灌水處理，設(shè)150和75 mm 2個灌水量水平(表1)。其中，傳統(tǒng)平作+灌水150 mm為對照處理，是該區(qū)小麥高產(chǎn)高效栽培模式[19]；集雨種植+灌水處理僅溝內(nèi)種植區(qū)灌水(F150處理具體灌水量為1 500 m3/hm2，F(xiàn)75處理具體灌水量為750 m3/hm2；因集雨種植溝壟比為60∶40，故R150處理具體灌水量為900 m3/hm2，R75處理具體灌水量為450 m3/hm2)；不同處理灌水量由實驗室自行研制的滴灌系統(tǒng)精確控制實現(xiàn)，所有處理均施氮肥(以純N計)225 kg/hm2、磷肥(以P2O5計)75 kg/hm2、鉀肥(以K2O計)150 kg/hm2、氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為氯化鉀，一次基施。其他管理措施同一般大田。

圖1 種植方式示意圖Fig 1 Planting pattern schematic diagram

表1 試驗處理設(shè)置Tab.1 The trial processing set

1.3 測定方法

1.3.1 土壤水分測定

自播種之日起，在小麥主要生育期分別由TDR儀測定，可測深度為2 m，0～20 cm每10 cm測一次，20～200 cm每20 cm測一次，每處理重復(fù)3次。測定溝壟種植區(qū)時分別測壟上和溝中。

W=10CρH

(1)

式中：W為貯水量，mm；C為土壤質(zhì)量含水量，%；ρ為土壤容重，g/cm3；H為土層深度，cm。

ET=W1-W2+P+IV

(2)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；W1為播前土壤貯水量，mm；W2為收獲后土壤貯水量，mm；P為小麥生育期有效降雨量，mm；IV為小麥生育期灌水量，mm。

IUE=Y/I

(3)

式中：IUE為灌水利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；I為小麥生育期灌溉水量，mm。

WUE=Y/ET

(4)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為小麥生育期耗水量。

1.3.2 產(chǎn) 量

在小麥成熟期，每個小區(qū)隨機收獲2 m2小麥籽粒，計算小麥產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和SPSS23進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計，采用origin2016進(jìn)行繪圖。方差分析用隨機區(qū)組試驗設(shè)計分析方法, 用Duncan新復(fù)極差(SSR)法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期降雨情況

兩年小麥生育期的降雨量分別為175.7、293.1 mm，該區(qū)小麥生育期多年平均降雨量為203.3 mm，2015年屬于平水年，大于5 mm的有效降雨為126.9 mm；2016年屬于豐水年，且降雨主要集中在返青期以后，大于5 mm的有效降雨為286 mm。整個小麥生育期降雨分布不均，降雨與小麥需水關(guān)鍵期錯位。冬小麥從播種到越冬(10月4日-2月13日)由于前期降雨充足，土壤墑情較好；拔節(jié)到揚花(3月9日-5月初)此時是小麥需水關(guān)鍵期，但2015年降水較少，僅19.4 mm；灌漿到成熟(5月初-5月末)兩年降雨較多，尤其2016年，為64.6 mm(圖2)，導(dǎo)致小麥倒伏率增加，小麥貪青晚熟。

2.2 不同處理對農(nóng)田土壤含水量的影響

由圖3，圖4可知，小麥苗期時由于降雨充足，且集雨種植能將低于5 mm的無效降雨轉(zhuǎn)化為有效降雨，提高了苗期[圖3(a)、圖4(a)]的土壤含水量，之后開始逐漸下降，冬灌后由于返青期[圖3(b)、圖4(b)]幾乎無降雨，導(dǎo)致作物只能大量吸收灌溉水，土壤含水量降低，拔節(jié)期[圖3(c)、圖4(c)]再灌水后土壤含水量又逐漸回升，開花到成熟期[圖3(d)、圖3(f)、圖4(d)、圖4(f)]由于作物需水關(guān)鍵期，需要吸收大量的水分，導(dǎo)致上層土壤含水量又逐漸降低，兩年土壤含水量分布情況相同。整個生育過程中上層0～60 cm土層的土壤含水量變化幅度較大，在補灌之前，苗期覆膜集雨處理(R150、R75)其1 m以下的土壤含水量高于未覆膜處理(F150、F75)，1 m以上則相反，而在這期間降雨充足，由于小麥植株小，地表覆蓋較小，蒸騰速率較小，覆膜疊加的雨水主要下滲到土壤深層，以供小麥安全越冬。

圖2 小麥生育期降雨量Fig.2 The growth period of wheat rainfall

冬灌后，2015年和2016年返青期由于幾乎無降雨，小麥生長利用的水主要來自于冬灌的水，此時各處理表層土壤含水量變化幅度較大，2015年返青期1 m以上覆膜集雨處理R150、R75土壤含水量相較于對照增加了4.4%、5.7%，2016年由于返青期前降雨較多，1 m以上覆膜集雨R150、R75土壤含水量較對照只增加了4.7%和3.4%，1 m以下的傳統(tǒng)畦灌(F150、F75)

圖3 2016年土壤水分動態(tài)變化Fig.3 The dynamics of water content in 2016

圖4 2017年土壤水分動態(tài)變化Fig.4 The dynamics of water content in 2017

的土壤含水量均大于集雨補灌，說明集雨補灌主要增加上層土壤含水量，增強小麥的抗旱性，在降雨較少年份更明顯；拔節(jié)期補灌后，各處理上層土壤含水量都有所增加，開花到成熟期由于作物根系需要吸收大量的水分，各處理的土壤含水量又降低，2015年整個生育期0～100 cm集雨補灌R150、R75相較于對照(F150)分別增加了5.2%、5.9%，而100～200 cm對照F150比集雨補灌R150、R75增加了0.6%和0.8%。2016年由于小麥整個生育期降雨較多，為293.1 mm(多年平均為203.3 mm)，因此與2015年比，整個生育期集雨種植與傳統(tǒng)平作相比土壤含水量差異不大，0～100 cm集雨補灌R150、R75相較于對照(F150)分別只增加了4.8%、5.2%，100～200 cm對照F150比集雨補灌R150、R75增加了0.8%、0.4%。

綜上所述，集雨補灌在降雨較少年份能明顯的增加小麥上層土壤含水量，增加作物對水分的利用，而傳統(tǒng)畦灌主要增加下層土壤含水量，并不利于作物的吸收利用。

2.3 限量補灌對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

連續(xù)兩年試驗表明，隨著灌水量的增加，作物產(chǎn)量出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(表2)。以傳統(tǒng)畦灌(F150)為對照，在這基礎(chǔ)上減少50%的灌水量(F75)，小麥產(chǎn)量顯著降低，在2015年，降低18.9%，在2016年，降低10.1%；而集雨種植R75與對照相比產(chǎn)量略有小幅下降，但差異不顯著，在2015年，籽粒產(chǎn)量只降低了2.3%；在2016年，增加了2.1%；2015年，集雨補灌R75較R150產(chǎn)量增加了1.3%，2016年，較R150增加了0.2%，且差異不顯著。這可能是因為集雨種植將小麥分成了條狀，導(dǎo)致小麥的邊行優(yōu)勢，彌補了中行產(chǎn)量的降低，從而使整體籽粒產(chǎn)量增高。兩個生長季的小麥?zhǔn)斋@指數(shù)均以R75最高，2015年，較對照增加4.0%；2016年，較對照減少2.6%，且兩年均與對照無顯著(P<0.05)差異。說明在降雨較少年份，集雨種植能以較低的灌水量在增加作物收獲指數(shù)的基礎(chǔ)上達(dá)到常規(guī)水平畦灌種植基本模式的一致產(chǎn)量水平。

表2 限量灌溉對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Tab.2 Effect of winter wheat three elements under the limited irrigation

注：不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

兩年試驗集雨種植(R150、R75)的公頃穗數(shù)較傳統(tǒng)畦灌(F150、F75)都顯著(P<0.05)降低。在2015年，集雨種植R150、R75較對照其穗粒數(shù)顯著(P<0.05)增加16.13%、16.28%； 2016年，集雨種植的穗粒數(shù)較對照分別減少0.3%、7.4%，但差異不顯著(P<0.05)；其千粒重較對照分別顯著(P<0.05)增加24.3%、13.7%；說明集雨種植主要通過增加小麥的穗粒數(shù)及千粒重來提過作物產(chǎn)量。

2.4 限量灌溉對冬小麥農(nóng)田水分利用效率的影響

農(nóng)田水分利用效率是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要指標(biāo)，其主要包括作物水分利用效率和灌水利用效率等[20]。在2015年，在傳統(tǒng)畦灌F150的基礎(chǔ)上減少50%灌水量(F75)，小麥水分利用效率增加2.4%，二者差異不顯著(P<0.05)，但是其產(chǎn)量較對照顯著下降；而集雨補灌R75相較于對照(F150)在灌水量減少70%的情況下其水分利用效率顯著(P<0.05)增加，增加23.3%；傳統(tǒng)畦灌F75、集雨補灌R75與對照(F150)相比其灌水利用效率顯著(P<0.05)增加，分別增加68.0%、95.5%；在2016年，F(xiàn)75較對照(F150)其水分利用效率差異不顯著(P<0.05)，但F75產(chǎn)量顯著(P<0.05)降低，而集雨補灌R75較對照其水分利用效率顯著(P<0.05)增加13.0%；傳統(tǒng)畦灌F75、集雨補灌R75其灌水利用率較對照顯著(P<0.05)增加，分別增加81.7%、104.2%。兩年試驗中，隨著灌水量的減少，作物耗水量呈下降趨勢，其利用土壤水的能力增加。當(dāng)灌水量減少對照的70%時，集雨補灌R75作物全生育期耗水量顯著(P<0.05)降低，2015年和2016年較對照分別降低26.2%、10.3%。說明覆膜集雨在減少灌水量的同時，能很好地提高對降雨和土壤水分的利用，這與鄭成巖[21]的結(jié)果一致，更能達(dá)到高產(chǎn)節(jié)水的目的。

以上結(jié)果表明，適量灌水可以增加小麥的水分利用效率和灌水利用率，其中在降雨較少或降雨分布不均情況下，集雨種植可顯著(P<0.05)增加小麥水分利用效率，明顯達(dá)到節(jié)水目的。

表3 限量灌溉對冬小麥耗水量、作物水分利用效率和灌水利用率的影響Tab.3 Effect of winter wheat use efficiency、WUE and IUE under the limited irrigation

注：不同字母表示不同處理差異性顯著(p<0.05)，下同。

2.5 產(chǎn)量與水分利用效率等相關(guān)性

由表4可知，兩年試驗中，冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率和收獲指數(shù)呈正相關(guān)，而水分利用效率和灌水利用率與作物耗水量呈負(fù)相關(guān)。說明影響作物產(chǎn)量的主要因素是水分利用效率和收獲指數(shù)，因此通過集雨種植結(jié)合合理的補灌技術(shù)來提高小麥的水分利用效率和收獲指數(shù)。

表4 產(chǎn)量等指標(biāo)之間的相關(guān)性Tab.4 The correlation between indicators of yield and other indicators

注：*代表顯著相關(guān)(p<0.05)。

3 討 論

(1)溝壟集雨技術(shù)通過壟上產(chǎn)流，溝內(nèi)集流，來蓄水保墑，改變了北方干旱地區(qū)降雨時空分布不均，降低土壤的無效蒸發(fā)，顯著(P<0.05)增加了土壤含水量，從而提高了小麥的水分利用效率[22, 23]。李巧珍[24]等表明，覆膜集雨可降低深層土壤水分，提高上層土壤水分，以供作物利用。本研究結(jié)果表明，溝壟集雨技術(shù)結(jié)合小麥生育期補灌能顯著(P<0.05)增加小麥全生育期1 m上層的土壤含水量，隨著灌水量的減少，各處理土壤耗水量均降低，其中2015年R75在灌水減少對照的70%情況下顯著(P<0.05)降低32.5%，2016年降低10.3%，說明覆膜集雨在減少灌水量的同時，能很好地提高對降雨和土壤水分的利用，這與鄭成巖[21]的結(jié)果一致。

(2)作為影響小麥產(chǎn)量因素之一的水分，適宜的土壤水分可以提高小麥產(chǎn)量[25]。張忠學(xué)和于貴瑞[26]等研究表明，小麥產(chǎn)量和灌水量呈開口向下的拋物線關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)，隨著灌水量的增加小麥產(chǎn)量增加，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后灌水量再增加，小麥產(chǎn)量反下降，適度的灌溉可以降低麥田的耗水量，提高水分利用效率[27]。本試驗中，以傳統(tǒng)畦灌灌水150 mm為對照，隨著灌水量的減少，產(chǎn)量降低，說明傳統(tǒng)畦灌灌水150 mm在產(chǎn)量的最高點，而集雨補灌灌水150 mm(較對照減少40%)時其產(chǎn)量較對照顯著(P<0.05)降低，但當(dāng)灌水量為集雨補灌75 mm(較對照減少70%)時，其產(chǎn)量較對照未出現(xiàn)顯著(P<0.05)下降，2015年當(dāng)降雨量為175.7 mm時，產(chǎn)量只降低了2.3%。2016年當(dāng)降雨量為293.1 mm時，產(chǎn)量較對照增加2.1%。這可能是因為集雨種植能將小于5 mm的無效降水轉(zhuǎn)化為有效降水，且集雨種植存在顯著(P<0.05)的邊行優(yōu)勢，可以彌補40%的覆膜面積。

籽粒產(chǎn)量與每公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成要素之間關(guān)系密切[28]，本試驗中，當(dāng)灌水量降低時，集雨補灌的公頃穗數(shù)顯著(P<0.05)降低，2015年，R150、R75分別降低了43.4%、38.8%，但是其穗粒數(shù)較對照顯著(P<0.05)增加16.1%和16.3%。說明集雨補灌可以顯著(P<0.05)增加小麥的穗粒數(shù)，從而提高其產(chǎn)量，這與沈新磊[28]的結(jié)果相一致。

(3)小麥節(jié)水栽培作為節(jié)水農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容，其首要解決的就是提高水分利用率和灌溉水的利用率[29]，其中灌水利用效率是評價灌溉水利用程度的主要指標(biāo)[30]。溝壟集雨種植模式可以改變土壤水分狀況，因為膜壟的覆蓋可以有效減少水分的無效蒸發(fā)，顯著(P<0.05)提高作物水分利用效率和灌水利用效率[31]。在本試驗中，當(dāng)灌水為傳統(tǒng)畦灌150 mm時，其水分利用效率和灌水利用率最低，隨著灌水量逐漸減少，其水分利用效率呈先下降后增加的趨勢，當(dāng)集雨補灌75 mm時，其水分利用效率和灌水利用率最高。張鵬等[32]研究表明與不灌水相比，集雨灌溉條件下的玉米水分利用效率可提高10.46%且其灌水利用效率相較于傳統(tǒng)平作顯著(P<0.05)增加；王俊鵬等[14]研究表明，與平作相比，溝壟集雨種植玉米水分利用效率顯著(P<0.05)提高，這與本試驗的結(jié)果相似，說明在節(jié)水灌溉時，不僅可以增加其灌水利用率也可以提高其水分利用效率，減少成本[33]。

4 結(jié) 語

溝壟集雨補灌技術(shù)能顯著改善土壤水分狀況，提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，其中集雨補灌R75提高幅度最大，兩年試驗其水分利用效率較對照分別提高了32.2%和13.1%，說明降雨偏少，或分布不均(前期較多)情況下，水分利用效率提升效果更明顯。R75與對照相比在灌水量減少70%的情況下其產(chǎn)量能與傳統(tǒng)畦灌F150保持基本一致的水平，R75具有節(jié)水高產(chǎn)的特性，因此，可作為半濕潤易旱區(qū)高產(chǎn)節(jié)水栽培模式。

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