趙 祥，李援農(nóng)，方 恒，陳朋朋，申勝龍，谷曉博

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

石羊河流域地處西北干旱、半干旱地區(qū)，氣候干旱少雨，年平均降雨量不到170 mm，且降水存在時(shí)間差異，無法保證作物需水要求，因此水資源短缺是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展最主要的因素[1]。春小麥?zhǔn)窃摰貐^(qū)的主要糧食作物之一，灌水方式主要以畦灌為主，水分利用效率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。如何在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)又能充分利用灌溉水量，從而提高灌溉效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥，已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的緊迫任務(wù)。

研究表明，小麥植株水分狀況的動(dòng)態(tài)變化直接或間接影響其營養(yǎng)吸收、光合生產(chǎn)及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，從而決定最終產(chǎn)量[2]，且小麥籽粒產(chǎn)量隨土壤含水量的增加而增加[3,4]。但Xue等[5]研究發(fā)現(xiàn)，灌水量超過一定范圍不僅對(duì)提高籽粒產(chǎn)量無益，還會(huì)降低水分利用效率。另外，研究表明灌水頻率過大和過小都不利于小麥的生長，只有采用合適的灌水間隔才能使作物產(chǎn)量最大[6]。因此，降低農(nóng)田灌溉水量、選取合適的灌水次數(shù)、提高水分利用效率是實(shí)現(xiàn)作物節(jié)水高產(chǎn)種植的有效途徑。

微噴帶灌溉是一種微灌方式，利用微噴帶[7]將水均勻地噴灑在田間，所用設(shè)備相對(duì)簡單、廉價(jià)、易于收放[8,9]。與畦灌相比，微噴帶灌溉可減少灌水量67.5～75.0 mm，降低表層土壤容重，抑制土壤水分下滲，具有節(jié)水和灌溉均勻等特點(diǎn)[10]。目前，關(guān)于河西地區(qū)通過微噴帶進(jìn)行春小麥灌溉的研究甚少。本研究在微噴灌模式下設(shè)多種灌溉定額和灌水次數(shù)處理，研究春小麥的耗水量、耗水強(qiáng)度、葉面積指數(shù)、水分利用效率以及產(chǎn)量，從而確定一種高效合理的灌水組合，以期為河西走廊地區(qū)春小麥節(jié)水高產(chǎn)種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年3-8月在甘肅省武威市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站(N37°52′，E102°50′)進(jìn)行。該區(qū)海拔1 581 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫8 ℃，年積溫3 550 ℃，多年平均降水量164.4 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm左右，干旱指數(shù)為15～25，年均日照時(shí)數(shù)3 000 h，無霜期150 d。地下水埋深40～50 m，0～90 cm深度土壤平均容重1.50 g/cm3，平均田間持水量28%(體積含水量)。0～30 cm表層土壤平均全氮含量為0.038%，全磷含量為0.058%，全鉀含量為1.56%，速效磷含量為16.887 mg/kg，速效鉀含量為147.842 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為0.753%，水溶性總鹽含量為0.0194%。站內(nèi)設(shè)有縣級(jí)氣象站，按照國家氣象局的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》進(jìn)行氣溫、濕度、降水、日照、水面蒸發(fā)、風(fēng)速、氣壓和地溫的觀測(cè)，并設(shè)有自動(dòng)氣象站自動(dòng)記錄氣溫、相對(duì)濕度、太陽輻射和風(fēng)速。本次試驗(yàn)，小麥整個(gè)生育期內(nèi)共降雨16次，其中有效降雨4次，累計(jì)有效降雨量36.2 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案(見表1)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，灌溉定額為主區(qū)，灌水次數(shù)為副區(qū)。小區(qū)面積24 m2(4.8 m×5.0 m)，四周設(shè)保護(hù)行，寬度為2 m。試驗(yàn)采用微噴灌灌水方式。灌溉定額設(shè)置300、350、400 mm 3個(gè)水平，記為M300、M350、M400。在每個(gè)灌溉定額下又設(shè)置3個(gè)不同的灌溉次數(shù)為5、7、9 次，記為N5、N7、N9，共9個(gè)處理。不同處理的施肥量相同[氮肥(N) 160 kg/hm2，磷肥(P2O5) 60 kg/hm2，鉀肥(K2O) 176 kg/hm2]。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)共設(shè)27個(gè)小區(qū)。

1.3 灌水、施肥控制措施

每個(gè)小區(qū)配備一個(gè)閘閥，一個(gè)施肥罐和一個(gè)水表，以保證每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌水、施肥的要求。微噴帶垂直于小麥種植方向布置，2個(gè)微噴帶之間的間距為1.6 m。微噴帶采用甘肅大禹節(jié)水股份有限公司生產(chǎn)的帶寬40 mm、并列斜5孔、孔徑0.8 mm、噴射仰角45°～70°的黑色PE微噴帶。磷肥20%作為底肥一次施入，剩余80%和氮鉀全部通過微噴灌水肥一體化技術(shù)噴施。除去底肥，整個(gè)生育期內(nèi)施肥2次，分別安排5月4日和6月3日，所有處理統(tǒng)一灌水并施肥，所有處理施肥量一致。

表1 試驗(yàn)中的9個(gè)處理

1.4 農(nóng)藝措施

供試小麥品種為“永良四號(hào)“春小麥。3月25日施基肥(重過磷酸鈣27.3 kg/hm2，P2O5≥44.0%)、整地。3月27日播種，采用機(jī)械條播方式，播種量為525 kg/hm2，行距15 cm，每個(gè)小區(qū)種植32行。4月7日出苗，拔節(jié)期和開花期各追肥一次，追肥量分別為尿素(總N≥46.4%)172.4 kg/hm2，重過磷酸鈣(P2O5≥44.0%)54.5 kg/hm2，硫酸鉀(K2O≥52%)169.2 kg/hm2。其他管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.5.1 土壤水分監(jiān)測(cè)及作物耗水與水分利用效率計(jì)算

(1)土壤含水率測(cè)定。每個(gè)生育期末在滴管帶下和2滴管帶中間分別取土(取土深度為100 cm，間隔20 cm)，用烘干法測(cè)定不同處理的土壤含水率。

(2)作物耗水量計(jì)算。作物耗水量用水量平衡法計(jì)算，依據(jù)相臨2次土壤水分的測(cè)定結(jié)果，計(jì)算該時(shí)段內(nèi)作物蒸騰蒸發(fā)量。計(jì)算公式[11]如下：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為土壤層次號(hào)數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；γi為第i層土壤干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時(shí)段初的含水率(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時(shí)段末的含水率(干土重的百分率)；I為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)的降水量，mm；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm，因試驗(yàn)區(qū)地下水位在20 m以下，可以忽略地下水的補(bǔ)給量，故K=0；C為時(shí)段內(nèi)的深層滲漏量，mm，因試驗(yàn)期間灌水計(jì)劃濕潤層深度遠(yuǎn)小于100 cm，且生育期內(nèi)降水量較小，故可忽略此項(xiàng)，即C=0。

(3)水分利用效率(WUE)的計(jì)算[12]如下：

WUE=作物籽粒產(chǎn)量/ET

(2)

1.5.2 小麥葉面積指數(shù)的測(cè)定

分別于小麥分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期，在每個(gè)小區(qū)選取有代表性的小麥植株10株，用LI-3000C葉面積儀(美國LI-Cor公司)測(cè)定葉面積，取其均值計(jì)算葉面積指數(shù)。

1.5.3 測(cè) 產(chǎn)

每個(gè)小區(qū)收獲1 m2小麥，隨機(jī)取20株小麥，用直尺測(cè)量小麥穗長，計(jì)數(shù)有效穗數(shù)。人工脫粒，風(fēng)干后測(cè)定千粒重和籽粒產(chǎn)量。

1.5.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS l8.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，用F檢驗(yàn)法分析各處理之間差異的顯著性，用最小顯著極差法(LSR法)進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水組合對(duì)土壤水分分布的影響

圖1為整個(gè)生育期內(nèi)不同灌水處理春小麥田間土壤沿深度方向水分分布情況。由圖1分析知，田間各層的土壤含水率大體上都隨著灌溉定額的增加而增加。M400處理的平均含水率最高為18.8%，M350次之為16%，M300最低為13.1%。在同一水平的灌溉定額下不同灌水次數(shù)所對(duì)應(yīng)的各層含水率呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在0～40 cm耕層，N9的平均含水率最高為14.6%，N7為13.6%，N5最低為13.1%。在40～100 cm土層卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，隨著灌溉次數(shù)的增加各層的土壤含水率均下降，N9處理最低為17.1%，然后是N7為17.9%，最高的是N5為18.4%。

圖1 不同灌水處理生育期內(nèi)麥田的平均土壤含水率

通常高頻灌溉有利于形成易于植物根系吸收的土壤水分條件，提高水分利用效率，增加作物產(chǎn)量[13,11]，但灌水間隔過大或過小均不利用作物生長，會(huì)造成相對(duì)不利的水分條件和鹽分條件，導(dǎo)致作物生長受到脅迫而減產(chǎn)。N9相當(dāng)于少量多次的灌溉方式，可維持0～40 cm土層含水率處于較高的水平。但由于灌水定額低沒有足夠的水分下滲到深耕層，導(dǎo)致在40～100 mm深的土層含水率普遍低于N7和N5處理。王淑芬[14]等認(rèn)為小麥分蘗-拔節(jié)期表層土壤根長密度最大，隨著土層加深，根長密度呈指數(shù)下降。在小麥生長的中后期，隨著作物生長重心不斷向生殖生長轉(zhuǎn)移，下層根系比例明顯增加。因此在M300處理下，前期小麥根系生長較淺，高頻灌溉尚可滿足小麥需水要求，隨著生育期的推移，小麥根系逐漸延伸至深層土壤，但由于深層土壤水分的匱乏無法滿足小麥生殖生長所需，高頻灌溉會(huì)造成一定程度的減產(chǎn)。劉坤[15]等認(rèn)為少量多次雖然促進(jìn)中下層根系發(fā)育但后期灌水不足，會(huì)影響灌漿，降低千粒重，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。N5相當(dāng)于少次多量的灌溉方式，單次灌水量較大，一定程度上可以保證40～100 mm土層有足夠的水分供給，但由于灌水間隔較大，不能保證0～40 cm土層有持續(xù)的水分供給，表層土壤含水率普遍低于N9和N7，因此無法提供小麥前期營養(yǎng)生長階段適宜的土壤水分條件，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量造成一定的影響。

2.2 不同灌水組合對(duì)春小麥耗水的影響

表2為不同灌水處理春小麥各生育階段的耗水情況。由表2分析知，在當(dāng)?shù)氐乩砗蜌夂颦h(huán)境下，微噴灌春小麥生育期內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量基本變化趨勢(shì)為：分蘗期-拔節(jié)期>抽穗期>灌漿期-成熟期>苗期，即小麥在營養(yǎng)生長階段蒸發(fā)蒸騰量大于生殖生長階段。耗水強(qiáng)度基本變化趨勢(shì)為：抽穗期>分蘗期-拔節(jié)期>灌漿期-成熟期>苗期。經(jīng)方差分析知不同灌溉定額處理之間小麥的耗水差異顯著。除苗期外(苗期沒有灌水)不同灌水處理各個(gè)生育期以及整個(gè)生育期的耗水量大體上均隨著灌溉定額的增加而增加，M400處理的耗水最多平均為459 mm，M350的耗水為409 mm，M300的耗水最少為358 mm。在同一灌溉定額水平下不同灌水次數(shù)所對(duì)應(yīng)的總耗水量沒有顯著規(guī)律，N9、N7、N5處理的平均耗水量分別為406、409和411 mm。

表2 不同灌水處理春小麥各生育階段的耗水情況

3組不同灌溉定額的處理均呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，說明不同生育期的耗水量和灌溉定額成正相關(guān)，灌水次數(shù)對(duì)耗水量的影響不大，這與前人的研究結(jié)果一致[12]。

2.3 不同灌水組合對(duì)小麥葉面積的影響

圖2為不同灌水處理下小麥的葉面積系數(shù)在整個(gè)生育期內(nèi)的變化情況。對(duì)于各灌溉定額處理，不同灌水次數(shù)之間的葉面積指數(shù)差異很大，并呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，多次灌水更有利于葉面積指數(shù)的增加。冉輝、李寧[16,17]等發(fā)現(xiàn)高頻灌溉更有利于葉面積指數(shù)的增加。本研究中，M350N9的葉面積指數(shù)為3.63，在所有灌水組合中最大，分別比M350N7和M350N5提高了9.7%和15.8%。相同灌水次數(shù)下不同灌溉定額下，M350的葉面積指數(shù)最大，為3.36，M350N9的葉面積指數(shù)比M300N9和M400N9提高了25.2%和1.4%。而M400處理生育前期的葉面積指數(shù)普遍高于M300和M350，在抽穗期達(dá)到最大，灌漿期迅速下降，并且在生育末期明顯低于M350(P<0.05)。說明灌水量過大會(huì)導(dǎo)致葉面積的降低。

圖2 不同灌水組合小麥的葉面積指數(shù)

灌水次數(shù)和灌水量過大會(huì)使小麥前期生長過旺，群體過大，田間提前郁蔽，下部葉片因受光不足而提前衰老，導(dǎo)致后期葉面積迅速下降，會(huì)影響籽粒的發(fā)育和灌漿，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量的降低[18]。本研究并沒有出現(xiàn)由于灌水次數(shù)過大而導(dǎo)致葉面積指數(shù)降低的情況，可能是因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)置的灌水次數(shù)偏少，沒有達(dá)到對(duì)小麥葉面積的生長產(chǎn)生抑制作用的灌水次數(shù)。

2.4 不同灌水組合對(duì)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率的影響

產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的核心目標(biāo)，幾乎所有的生產(chǎn)技術(shù)及水肥田間管理措施都是以提高產(chǎn)量為目的，因此，產(chǎn)量是衡量灌溉水分調(diào)控效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。表3為不同灌水處理下小麥的產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率。

表3 不同灌水組合小麥的產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率

2.4.1 不同灌水組合對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知，不同的灌水組合間的產(chǎn)量構(gòu)成差異顯著(P<0.05)。相同灌溉次數(shù)不同灌溉定額下，M350處理的產(chǎn)量最高，為7 657 kg/hm2，分別較M400和M300增產(chǎn)2.5%和22.2%。M350N9的產(chǎn)量在所有處理中最高為7 943 kg/hm2，分別比M300N9和M400N9增產(chǎn)了22.7%和5.3%。M350N9的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均高于M300N9和M400N9，其中單位面積小穗數(shù)差異顯著，分別提高了12.3%和3.9%。相同灌溉定額不同灌水次數(shù)下，N9的產(chǎn)量最高為7 319 kg/hm2。M350N9處理的產(chǎn)量分別比 M350N7和 M350N5提高了1.6%和10.2%，N9的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)也普遍高于N7和N5，N9的平均單位面積穗數(shù)為753 個(gè)/m2，高于N7和N5的732和643 個(gè)/m2。本研究表明，隨著灌水量的增加小麥的產(chǎn)量沒有持續(xù)增大，而是先增大后減小，在M350灌水水平時(shí)達(dá)到最大。石巖[19]等研究認(rèn)為耗水量與產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系，即隨灌水量增加，產(chǎn)量增加，但當(dāng)灌水量到一定程度后，產(chǎn)量下降或保持平穩(wěn)。M300的產(chǎn)量普遍低于其他處理，該處理整個(gè)生育期的灌水量太少，無法滿足小麥正常生長所需，尤其是生育前期灌水少導(dǎo)致單位面積穗數(shù)下降，產(chǎn)量下降。M400為本次試驗(yàn)灌水最多的處理，但是相較于M350，穗粒數(shù)出現(xiàn)了明顯的下滑，從而影響了產(chǎn)量。灌水過多尤其是前期灌水過多，容易引起小麥群體過大，嚴(yán)重影響穗粒數(shù)和粒重的提高，導(dǎo)致產(chǎn)量下降；后期灌水較多雖有利于千粒重的提高，但由于穗數(shù)的不足而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[20]。灌水次數(shù)的增加也顯著提高了小麥產(chǎn)量，在一定的范圍內(nèi)，通過增加灌溉頻率可以有效地提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而增加小麥產(chǎn)量[21]。

2.4.2 灌溉定額對(duì)WUE的影響

水分利用效率的變化趨勢(shì)基本和產(chǎn)量一致。M350N9處理的水分利用效率為1.96 kg/m3，為所有處理中最高。處理 M350的平均水分利用效率最大為1.87 kg/m3，M300平均水分利用效率為1.75 kg/m3， M400最小為1.63 kg/m3，M350的處理水分利用效率分別比M300和M400處理提高了6.8%和14.7%。M400平均產(chǎn)量雖然高于M300，但是由于灌水量的增大，最終導(dǎo)致水分利用效率低于M300。同一灌溉定額下隨著灌溉次數(shù)的增加，水分利用效率的變化規(guī)律和產(chǎn)量相同，N9比N7和N5分別提高了1.7%和9%。說明灌水量對(duì)水分利用效率的大小起到了決定性的作用，灌溉定額的增加在一定的范圍內(nèi)可以提高小麥的水分利用效率，但超過某一特定值后產(chǎn)量的增速放緩，甚至下降，從而導(dǎo)致水分利用效率的下降。

3 結(jié) 論

(1)微噴灌條件下，灌溉定額不變的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾庸嗨螖?shù)可以有效地提高小麥的LAI、產(chǎn)量和水分利用效率，N9的水分利用效率比N7和N5分別提高了1.7%和9%。

(2)微噴灌條件下，相同的灌水次數(shù)下，隨著灌溉定額的加大，小麥的產(chǎn)量和LAI先增加后減小。灌水量過多，導(dǎo)致前期葉片群體過大，田間提前郁蔽，生殖生長階段下部葉片因受光不足而提前衰老，葉面積迅速下降，會(huì)影響籽粒的發(fā)育和灌漿，產(chǎn)量下降。

(3)綜合考慮灌水量、耗水量、LAI、產(chǎn)量4個(gè)因素，在本試驗(yàn)條件下，全生育期內(nèi)總灌水量為350 mm和灌水9次的處理M350N9的灌水組合最優(yōu)，產(chǎn)量和水分利用效率最大為7 943 kg/hm2和1.96 kg/m3。

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