劉志良, 李曉爽, 曹彩云, 鄭春蓮, 馬俊永, 李科江, 楊會英, 李樹寧, 黨紅凱**

春灌一水時間對冬小麥灌漿特性和水分利用效率的影響*

劉志良1,2, 李曉爽3, 曹彩云2, 鄭春蓮2, 馬俊永2, 李科江2, 楊會英4, 李樹寧1**, 黨紅凱2**

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院 泰安 271018; 2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所 衡水 053000; 3. 衡水學(xué)院 衡水 053000; 4. 武強縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 武強 053300)

針對河北平原區(qū)水糧矛盾尖銳, 開展冬小麥春一水優(yōu)化灌溉研究, 可為區(qū)域糧食安全和地下水超采治理提供技術(shù)依據(jù)。本研究于2018—2020年采用田間定位試驗方法, 以節(jié)水小麥品種‘衡4399’為材料, 設(shè)置5個春灌一水時間處理(拔節(jié)后0 d, AJ0; 拔節(jié)后5 d, AJ5; 拔節(jié)后10 d, AJ10; 拔節(jié)后15 d, AJ15; 拔節(jié)后20 d, AJ20)和2個對照處理(無春灌, CK1; 春灌二水, CK2), 分析了不同處理對冬小麥籽粒灌漿特性參數(shù)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 隨著春灌一水時間的推遲, 冬小麥灌漿持續(xù)時間增長, 平均灌漿速率減小, 理論最大千粒重增大; 與AJ0相比, 其他春灌一水處理的灌漿持續(xù)時間延長3～7 d, 平均灌漿速率減小2.40%～13.51%, 理論最大千粒重增加1.61%～18.62%。春灌一水條件下, 冬小麥單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量隨著灌水時間的推遲均是先增大后減小, 千粒重逐漸增加, 其中, 籽粒產(chǎn)量最高的處理為AJ5, 其次是AJ10, 二者間差異不顯著(>0.05), 但均顯著高于AJ0、AJ15、AJ20處理(<0.05); 2018—2019年和2019—2020年, 與CK1相比, AJ5、AJ10處理的產(chǎn)量分別增加96.04%和52.18%、90.15%和49.84%; 與CK2相比, AJ5、AJ10處理的產(chǎn)量依次降低0.80%和16.75%、3.79%和18.03%。兩個試驗?zāi)甓却汗嘁凰幚淼乃掷眯? 都是灌水較早的AJ0、AJ5和AJ10處理較高, 且3個處理間的差異均不顯著(>0.05), AJ15和AJ20的水分利用效率明顯降低(0.05)。與CK1和CK2相比, AJ5處理的水分利用效率2018—2019年分別增加20.78%和18.47% (<0.05)、2019—2020年分別增加41.07% (<0.05)和5.33% (>0.05), AJ10處理2018—2019年分別增加12.34%和10.19% (>0.05)、2019—2020年分別增加37.50% (<0.05)和2.67% (>0.05)。綜上所述, 在試驗區(qū)冬小麥春灌一水條件下, 最優(yōu)灌水時間為拔節(jié)后5～10 d, 能獲得較高產(chǎn)量和水分利用效率。

冬小麥; 春灌一水; 灌水時間; 灌漿特性; 籽粒產(chǎn)量; 水分利用效率

小麥()是我國主要糧食作物之一, 種植面積占糧食種植面積的22%[1], 小麥的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)對確保糧食安全具有重要意義。河北省小麥播種面積居全國前列, 但降水量無法滿足其生長發(fā)育的需求, 必須在生育期, 特別是播種后第2年春季進行灌溉才能獲得高產(chǎn)[2-4]。然而, 該區(qū)地表淡水資源匱乏, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期超采地下水, 造成地下水漏斗, 引發(fā)地面沉降等嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題[5-7]。隨著國家地下水限采政策的實施, 地下水超采井灌區(qū)如何平衡灌溉用水不足和糧食生產(chǎn)對水分剛性需求的矛盾,是當前亟需解決的重要議題[8]。拔節(jié)期是小麥需水關(guān)鍵期, 也是根系向下生長最旺盛時期[9]。張喜英[10]研究發(fā)現(xiàn), 限水條件下冬小麥拔節(jié)期灌溉一次, 可顯著促進作物營養(yǎng)生長和根系生長, 利于水分利用效率提高。李曉爽等[11]研究表明, 冬小麥拔節(jié)階段適期春灌一水可保持較高產(chǎn)量水平。在穩(wěn)定小麥產(chǎn)量和減少地下水開采量的雙重壓力下, 實施春灌一水在本地區(qū)冬小麥水分管理中越來越有必要。

灌漿期是小麥產(chǎn)量形成的重要時期, 粒重作為小麥產(chǎn)量的構(gòu)成要素之一, 與籽粒灌漿特性密切相關(guān)。關(guān)于水分對小麥灌漿影響的研究已有很多[12-16]: Kang等[12]研究表明, 適當控制土壤水分含量可以促進小麥干物質(zhì)向有利的方向轉(zhuǎn)移; 吳少輝等[14]研究發(fā)現(xiàn), 在一定干旱脅迫下小麥平均灌漿時間相對縮短, 而平均灌漿速率增加, 可短期內(nèi)快速積累籽粒干物質(zhì); 惠海濱等[15]研究表明, 水分供應(yīng)不足會顯著提高小麥灌漿前期灌漿速率, 卻不利于中后期粒重穩(wěn)定持續(xù)增加; 黃玲等[16]研究發(fā)現(xiàn), 適度水分脅迫促使小麥花前和花后干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)移及對籽粒的貢獻率更加平衡?？梢? 關(guān)于水分對灌漿特征影響的結(jié)論并不一致, 但大多數(shù)研究認為小麥整個生育期內(nèi)始終保持充足的水分供應(yīng)是不必要的[17-18]。前人對限量灌溉下小麥灌漿規(guī)律的研究已較深入, 但關(guān)于不同時間春灌一水對小麥灌漿特性影響的報道較少。明確拔節(jié)期不同灌水時間下小麥灌漿特征參數(shù), 闡述其對產(chǎn)量形成的影響效應(yīng), 對確定適宜灌水時間具有重要意義?；诖? 本文研究了不同時間春灌一水對冬小麥灌漿特性、籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的影響, 旨在探尋適宜的春灌一水時間, 構(gòu)建河北平原區(qū)小麥節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)體系。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018—2020年冬小麥生長季在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站(115°72′E, 37°91′N)進行。該站位于河北省深州市護駕遲鎮(zhèn), 地處河北平原中南部, 海拔高度21.0 m, 屬于溫帶大陸性季風氣候, 年均日照時數(shù)2509.4 h、無霜期188 d、蒸發(fā)量1785 mm、降水量510 mm、年均氣溫12.8 ℃。試驗區(qū)地勢平坦, 地下水埋深>5 m, 土壤質(zhì)地為壤土, 0～200 cm土壤平均容重為1.46 g·cm–3, 0～20 cm耕作層土壤有機質(zhì)含量15.68～17.42 g·kg–1, 全氮1.48～ 1.54 g·kg–1, 速效氮127.24～134.68 mg·kg–1, 速效磷21.95～24.13 mg·kg–1, 速效鉀113.68～128.42 mg·kg–1。2018—2019年和2019—2020年冬小麥生長季降水量分別為133.7 mm和124.1 mm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)種植制度為冬小麥-夏玉米()一年兩熟制, 前茬作物為夏玉米, 收獲后秸稈全量粉碎還田。供試材料為節(jié)水冬小麥品種‘衡4399’。2018—2020年冬小麥播種時間為2018年10月15日和2019年10月15日, 播種量225 kg·hm–2, 行間距15 cm, 收獲時間分別為2019年6月5日和2020年6月7日。冬小麥播種前底施磷酸二銨525 kg·hm–2、氯化鉀150 kg·hm–2, 拔節(jié)期追施尿素375 kg·hm–2, 折合N、P2O5、K2O施用量分別為267 kg·hm–2、241.5 kg·hm–2和90 kg·hm–2。為保證足墑播種, 所有處理在夏玉米收獲前(9月25日)灌水75 mm。試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計, 在小麥需水關(guān)鍵期(3—4月)設(shè)置5個春灌一水時間處理, 分別為拔節(jié)后0 d (AJ0)、拔節(jié)后5 d (AJ5)、拔節(jié)后10 d (AJ10)、拔節(jié)后15 d (AJ15)和拔節(jié)后20 d (AJ20); 設(shè)2個對照處理, 分別為儲墑旱作無春灌(CK1)和生產(chǎn)常規(guī)春灌二水(CK2)。各處理的灌水量和灌水時間如表1所示, 每個處理3次重復(fù), 小區(qū)面積40 m2(5 m×8 m), 處理間設(shè)置寬0.5 m的隔離區(qū)。

表1 不同處理冬小麥春季生育期間灌水情況

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率

于每年小麥播種前和收獲時, 用土鉆采集0～200 cm土層的土樣, 其中0～100 cm每10 cm分為一層, 100～200 cm每20 cm分為一層, 裝入鋁盒帶回實驗室, 采用烘干法測定土壤含水率。每個重復(fù)各取一個樣點。

1.3.2 籽粒干質(zhì)量

小麥開花時, 各小區(qū)選擇花期一致, 穗型、長勢和大小基本相同, 無病蟲害的單穗掛牌標記。開花3 d后開始取樣, 此后每3 d取樣1次, 直至小麥完熟。各小區(qū)每次取樣5穗, 全部取出籽粒, 調(diào)查總粒數(shù)。籽粒于105 ℃下處理15 min后80 ℃烘干至恒重, 稱量干重, 換算成千粒重。

1.3.3 考種與測產(chǎn)

小麥收獲時, 各小區(qū)隨機選取3個點調(diào)查1 m雙行的穗數(shù), 換算成每公頃穗數(shù); 每點隨機選取10穗小麥測定穗粒數(shù); 每個小區(qū)隨機收獲3 m2測產(chǎn), 換算成每公頃產(chǎn)量, 并測定千粒重。

1.3.4 耗水量和水分利用效率

耗水量采用水量平衡公式計算, 公式為:

ETc=1+++???2(1)

式中: ETc為時段內(nèi)耗水量,1、2為時段開始、結(jié)束時0～200 cm土層土壤儲水量,為時段內(nèi)降水量,為時段內(nèi)灌水量,為時段內(nèi)地下水對作物根系的補給量,為時段內(nèi)測定區(qū)域的地表徑流量,為時段內(nèi)根區(qū)深層滲漏量, 單位均為mm。試驗區(qū)地勢平坦且有田埂, 無地表徑流損失; 地下水位埋深大于5 m, 不計地下水補給; 冬小麥生長期間降水強度較小, 0～200 cm土層無深層滲漏產(chǎn)生。因此, 公式可簡化為:

ETc=1++?2(2)

水分利用效率計算公式為:

WUE=/ET (3)

式中: WUE為水分利用效率, kg?m–3;為小麥籽粒產(chǎn)量, kg?hm–2; ET為小麥生育期耗水量, m3?hm–2。

1.3.5 灌漿模型及參數(shù)計算

參照江曉東等[13]報道的方法, 采用Logistic模型對小麥籽粒灌漿進程進行擬合, 以開花后天數(shù)()為自變量, 花后籽粒千粒重()為因變量, 灌漿擬合方程為:

=(1+e?Bt)–1(4)

式中:為花后籽粒千粒重, g;為理論最大千粒重, g;為開花后天數(shù), d;、為擬合方程參數(shù)。

對灌漿擬合方程求一階導(dǎo)數(shù), 得到灌漿速率方程為:

R=e?Bt(1+e?Bt)?2(5)

式中:R為灌漿速率, g?(1000-grain)–1?d?1。

由擬合方程和灌漿速率方程可推導(dǎo)出主要灌漿參數(shù):

1=?ln[(2+31/2)/]/(6)

2=?ln[(2?31/2)/]/(7)

=?ln(1/99/)/(8)

max=(ln)/(9)

max=/4 (10)

mean=/(11)

式中:1、2分別為兩個拐點出現(xiàn)時間, d;為籽粒千粒重達理論最大千粒重99%的時間, 即灌漿持續(xù)時間, d;max為最大灌漿速率出現(xiàn)時間, d;max為最大灌漿速率, g?(1000-grain)?1?d?1;mean為平灌漿速率, g?(1000-grain)?1?d?1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理、分析和作圖。采用LSD法對數(shù)據(jù)進行多重比較, 顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對冬小麥籽粒灌漿特性的影響

由圖1可看出, 不同年份各處理冬小麥籽粒增重曲線均呈“S”型, 可用Logistic模型對其進行模擬。所有處理的擬合優(yōu)度2均大于0.99, 說明Logistic曲線可以較好地反映出小麥籽粒灌漿進程。

Logistic模擬下各處理冬小麥的灌漿模型參數(shù)如表2所示。同一年份隨春灌一水時間的推遲, 籽粒平均灌漿速率(mean)和最大灌漿速率(max)呈降低趨勢, 最大灌漿速率出現(xiàn)時間(max)推遲, 而灌漿持續(xù)時間()延長, 理論最大千粒重()逐漸增加。與AJ0處理相比, 2018—2019年和2019—2020年小麥生長季AJ5、AJ10、AJ15、AJ20處理的mean分別降低5.60%和9.46%、2.40%和8.78%、3.20%和10.81%、4.00%和13.51%,分別增加3.14 d和3.13 d、4.35 d和3.60 d、5.09 d和4.95 d、6.19 d和6.59 d,依次增大5.71%和1.61%、13.51%和3.75%、15.32%和6.70%、18.62%和8.58%。所有春灌一水處理的mean、max和均大于CK1處理, 其中, 2018—2019年三者的增加幅度分別為8.26%～14.68%、7.53%～21.76%和4.72%～24.21%; 2019—2020年增加幅度依次為6.67%～23.33%、2.73%～34.77%和2.19%～10.96%。與CK2處理相比, 2018—2019年, 春灌一水處理的有所增大(AJ0和AJ5處理除外), 但mean和max均減小(AJ0處理除外); 2019—2020年所有春灌一水處理的mean(AJ20處理除外)和max均有所增大, 但減小。由此使得兩年CK2處理的均大于春灌一水處理, 分別增加7.85%～27.93%和7.65%～16.89%。

圖1 2018—2020年不同灌水處理下冬小麥籽粒干質(zhì)量積累曲線

表2 2018—2020年不同灌水處理下冬小麥籽粒灌漿模型參數(shù)

各處理詳細描述見表1。1、2分別為兩個拐點出現(xiàn)時間,max為最大灌漿速率,max為最大灌漿速率出現(xiàn)時間,mean為平均灌漿速率,為灌漿持續(xù)時間,為理論最大千粒重。The description of each treatment is shown in the table 1.1and2are the appear times of two inflection points,maxis the maximum grain filling rate,maxis the appear time of the maximum grain filling rate,meanis the average grain filling rate,is the grain filling duration,is the theoretical maximum 1000-grain weight.

2.2 不同灌水處理對冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2018—2020年各處理冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素如表3所示。對春灌一水處理而言, 冬小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)隨灌水時間的推遲先增大后減小, 千粒重逐漸增加。2018—2019年AJ5處理的穗數(shù)最大, 與AJ5相比, AJ10、AJ15、AJ20處理分別降低3.80%、4.21%、4.28%, 差異達顯著水平(<0.05)。2019—2020年穗數(shù)最大的處理為AJ10, 與AJ10相比, AJ5處理僅降低0.26%, 差異不顯著(>0.05); AJ0、AJ15、AJ20則分別顯著降低12.63%、17.67%和17.76%(<0.05)。2年中穗粒數(shù)最多的處理均為AJ5, 與之相比, AJ0、AJ10、AJ15和AJ20處理穗粒數(shù)的減小幅度依次為11.78%和4.92%、1.43%和3.50%、22.33%和5.41%、25.73%和9.36%。兩個試驗?zāi)甓? 冬小麥千粒重最小和最大的處理均分別為AJ0和AJ20, 與AJ0相比, AJ5、AJ10、AJ15和AJ20處理的千粒重分別增加4.82%和1.24%、10.90%和3.74%、14.57%和5.44%、15.80%和6.89%。

表3 2018—2020年不同灌水處理下冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

各處理詳細描述見表1。同一生長季同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達<5%顯著水平。The description of each treatment is shown in the table 1. In the same growing season, different lowercase letters after data in the same column mean significant differences among treatments at<5% level.

2018—2019年所有春灌一水處理冬小麥的穗數(shù)均大于CK1和CK2, 其中較CK1增加16.61%～21.83%,比CK2增加9.48%～14.37%, 差異均達顯著水平(<0.05); 2019—2020年僅AJ5和AJ10處理的穗數(shù)大于CK1和CK2, 二者較CK1顯著增加7.97%和8.25%, 較CK2增加2.99%和3.25%, 差異不顯著。兩個試驗?zāi)甓人写汗嘁凰幚淼乃肓?shù)和千粒重均大于CK1, 小于CK2 (除2018—2019年AJ5處理的穗粒數(shù)外)。與CK1相比, 春灌一水處理穗粒數(shù)和千粒重的增加幅度分別為16.51%～56.87%和5.49%～22.17%; 與CK2相比, 減小幅度依次為1.13%～25.50%和1.27%～19.21%。

兩個試驗?zāi)甓? 春灌一水處理冬小麥籽粒產(chǎn)量隨灌水時間推遲均是先增加后減小。其中, AJ5處理的產(chǎn)量最高, AJ10處理次之, 二者間差異不顯著, 但均顯著大于AJ0、AJ15和AJ20處理(<0.05)。所有春灌一水處理的產(chǎn)量均大于CK1, 小于CK2。2018—2019年和2019—2020年, 與CK1相比, AJ5、AJ10處理的產(chǎn)量分別增加96.04%和52.18%、90.15%和49.84%, 差異均達顯著水平(<0.05); 與CK2相比, AJ5、AJ10處理的產(chǎn)量依次降低0.80%和16.75%、3.79%和18.03%, 其中2019—2020年差異達顯著水平(<0.05)。

2.3 不同灌水處理對冬小麥耗水量及水分利用效率的影響

2018—2020年冬小麥耗水量來源及水分利用效率如表4所示。由表4可知, 同年份春灌一水處理隨灌水時間的推遲, 土壤供水量增加, 耗水量(ET)逐漸增大。兩個試驗?zāi)甓? 與AJ0相比, AJ5、AJ10、AJ15和AJ20處理的ET分別增加19.5～68.4 mm、38.2～72.8 mm、49.1～75.0 mm和57.4～84.7 mm。其中, 2018—2019年AJ0和AJ20處理較CK1多138.6 mm和196.0 mm, 較CK2少101.0 mm和43.6 mm; 2019—2020年AJ0處理較CK1和CK2分別少41.8 mm和167.6 mm, AJ20處理較CK1多42.9 mm, 較CK2處理少82.9 mm。

表4 2018—2020年不同灌水處理下冬小麥耗水量來源及水分利用效率

各處理詳細描述見表1。同一生長季同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達<5%顯著水平。The description of each treatment is shown in the table 1. In the same growing season, different lowercase letters after data in the same column mean significant differences among treatments at<5% level.

兩年中春灌一水處理的水分利用效率(WUE), 灌水較早的AJ0、AJ5和AJ10處理均較高, 且3個處理之間的差異不顯著(>0.05), AJ15顯著低于AJ5(<0.05), AJ20顯著低于AJ0、AJ5和AJ10 (<0.05)。春灌一水中AJ0、AJ5和AJ10處理的WUE均大于CK1和CK2。其中, 2018—2019年, AJ5處理的WUE較CK1和CK2顯著增加20.78%和18.47%(<0.05), AJ10處理較CK1和CK2分別增加12.34%和10.19%; 2019—2020年, AJ5和AJ10處理的WUE較CK1顯著增加41.07%和37.50%(<0.05), 二者較CK2分別增加5.33%和2.67%, 差異均未達顯著水平(>0.05)。

2.4 冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、耗水量和水分利用效率的相關(guān)性

由表5可以看出, 除千粒重與穗數(shù)以及WUE與千粒重之間為不顯著的負相關(guān)以外, 產(chǎn)量及3個產(chǎn)量構(gòu)成因素、ET、WUE兩兩之間均為正相關(guān)關(guān)系。其中, 產(chǎn)量與穗數(shù)和穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 但穗數(shù)與穗粒數(shù)間相關(guān)性不顯著, 且二者與千粒重亦無顯著相關(guān)性; ET與產(chǎn)量和千粒重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 與穗粒數(shù)為顯著正相關(guān)關(guān)系, 但與穗數(shù)相關(guān)性不顯著; WUE與穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 與穗數(shù)為顯著正相關(guān)關(guān)系。以上相關(guān)性結(jié)論表明, 產(chǎn)量和WUE是灌水處理對各產(chǎn)量構(gòu)成因素間制約平衡的結(jié)果。

表5 2018—2020年冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、耗水量和水分利用效率的相關(guān)性

*和**分別表示在<5%和<1%水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。* and ** indicate significant correlation at<5% and<1% levels (bilateral), respectively.

3 討論

3.1 春灌一水時間對冬小麥籽粒灌漿特性的影響

灌漿期是小麥籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期。合理的灌溉可調(diào)控土壤濕度與農(nóng)田小氣候, 減小干旱、高溫等逆境脅迫對小麥灌漿過程的影響[19-20]。本研究基于Logistic模型得到的冬小麥籽粒灌漿特性參數(shù)表明, 隨著春灌一水時間的推遲, 冬小麥平均灌漿速率呈降低趨勢, 但開花時間提前, 灌漿持續(xù)時間增長, 理論最大千粒重增大。這說明不同時間春灌一水因影響灌漿持續(xù)時間而決定粒重形成, 與李世清等[21]和吳少輝等[22]研究得出相似的結(jié)論, 究其原因是拔節(jié)后春灌一水時間早, 拔節(jié)中前期田間水分適宜、小麥生長發(fā)育較好, 但由于抽穗開花后田間水分不足, 致使籽粒灌漿時間縮短、粒重降低; 拔節(jié)后春灌一水時間晚, 拔節(jié)前期土壤水分不足, 小麥群體生長受到抑制, 但抽穗開花后麥田水分相對充足, 促使灌漿持續(xù)時間延長, 小麥出現(xiàn)晚熟?？梢? 本研究條件下, 春灌一水偏早, 土壤水分不能滿足灌漿后期的水分需求而降低粒重; 灌水偏晚, 則因成穗數(shù)和穗粒數(shù)不足而降低產(chǎn)量。從本文結(jié)論可知AJ20和AJ15的粒重較高, 是有利于灌漿的灌水處理, 然而由于其穗數(shù)或穗粒數(shù)不足, 產(chǎn)量并不理想, 最優(yōu)處理要綜合產(chǎn)量構(gòu)成因素的協(xié)調(diào)情況確定。與春灌一水處理相比, CK1的灌漿速率和灌漿持續(xù)時間有所降低, 致使其粒重下降, 原因是該處理小麥生長期間未灌水, 土壤干旱抑制了小麥正常生長發(fā)育。相比之下CK2灌水兩次, 小麥各生長階段的土壤水分較為適宜, 促使其平均灌漿速率較大、灌漿持續(xù)時間較長, 理論最大千粒重顯著高于其他處理。

3.2 灌水時間對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

群體穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是小麥籽粒產(chǎn)量構(gòu)成的三要素。以往研究指出, 冬小麥拔節(jié)期灌水對穗數(shù)的形成具有重要影響[23-24]。本研究表明, 春灌一水處理冬小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)隨灌水時間的推遲均是先增大后減小, 拔節(jié)后5～10 d灌水可獲得最高值, 這與Li等[25]得到的研究結(jié)論相似, 原因是適期春灌可促使小麥分蘗消亡減少, 小花發(fā)育的持續(xù)時間延長、退化減少[26]。冬小麥千粒重隨拔節(jié)期灌水時間的推遲逐漸增加, 這與理論最大千粒重的變化規(guī)律一致。隨著春灌一水時間的推遲, 冬小麥籽粒產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢, 以AJ5或AJ10處理產(chǎn)量最大或較大, 二者間差異不明顯但均顯著大于其他春灌一水處理。由此可見, 適度推遲灌溉拔節(jié)水至拔節(jié)后5～10 d, 既能保證灌漿期水分的供應(yīng), 也能滿足分蘗成穗和小花發(fā)育對水分的需求, 進而通過產(chǎn)量構(gòu)成因素的協(xié)調(diào)而顯著增加籽粒產(chǎn)量。通過對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 冬小麥籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)和穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān), 與千粒重并無顯著相關(guān)性, 說明通過調(diào)控春一水灌水時間, 在保證灌漿期小麥對水分需求的同時, 如何進一步提高穗數(shù)和穗粒數(shù), 才是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。春灌一水各處理冬小麥的籽粒產(chǎn)量均顯著高于CK1, 表明在拔節(jié)期進行補灌是非常有必要的。與CK2的籽粒產(chǎn)量相比, 2018—2019年AJ5和AJ10處理與之差異不顯著, 2019—2020年二者顯著降低16.75%～18.03%, 說明在水資源極度短缺的河北平原, 在冬小麥生長關(guān)鍵期進行限量補灌, 可能達到與春季灌溉2次相當?shù)妮^高籽粒產(chǎn)量。年際間各處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量差異較大, 原因是2019—2020年冬小麥生長季出現(xiàn)倒春寒, 造成穗粒數(shù)明顯減少, 產(chǎn)量較低。

3.3 灌水時間對冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響

水分利用效率是衡量作物產(chǎn)量與用水量關(guān)系的一種指標, 也是評價水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標之一。通過對冬小麥耗水特性和水分利用效率的分析發(fā)現(xiàn), 春灌一水時間越晚, 土壤供水量越多, 小麥耗水量增大, 這與李曉爽等[11]研究結(jié)果一致, 原因是推遲春灌時間可促使小麥根系下扎, 提高其對深層土壤水分的吸收利用[9]。春灌一水條件下, AJ5處理的水分利用效率最高, AJ10與之差異不顯著, 原因是適期灌溉可優(yōu)化冬小麥群體指標與冠層結(jié)構(gòu), 促進籽粒發(fā)育[27], 進而增加產(chǎn)量, 提高水分利用效率。與AJ5處理相比, CK1和CK2的水分利用效率顯著降低。原因是與適期春灌一水相比, CK1處理因后期遭受干旱脅迫而導(dǎo)致產(chǎn)量降低, 不利于產(chǎn)量和水分利用效率的同步提高; CK2處理產(chǎn)量較高, 但由于灌水較多, 導(dǎo)致耗水量偏大、水分利用效率較低。相比而言, 本研究在春灌一水條件下通過調(diào)控灌水時間, 既能穩(wěn)定小麥產(chǎn)量, 又可提高水分利用效率, 是適宜在本地區(qū)推廣的節(jié)水灌溉模式。

4 結(jié)論

1)春灌一水條件下, 隨著灌水時間的推遲, 冬小麥平均灌漿速率與最大灌漿速率降低, 但灌漿持續(xù)時間延長, 理論最大千粒重增大; 與拔節(jié)后0 d灌水相比, 其他灌水處理的灌漿持續(xù)時間延長3～7 d, 平均灌漿速率減小2.40%～13.51%, 理論最大千粒重增加1.61%～18.62%。

2)隨著春灌一水時間的推遲, 冬小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量均是先增大后減小, 千粒重逐漸增加。春灌一水處理中, 拔節(jié)后5 d灌水的籽粒產(chǎn)量最高, 其次是拔節(jié)后10 d灌水, 二者間差異不顯著但顯著高于其他處理。所有春灌一水處理的產(chǎn)量均大于不灌水處理而小于春灌二水處理。

3)春灌一水處理冬小麥耗水量隨灌水時間的推遲逐漸增大, 水分利用效率則是灌水較早的拔節(jié)后0～10 d灌水處理較高, 且3個處理間差異不顯著; 與不灌水處理和春灌二水處理相比, 拔節(jié)后5 d和10 d灌水處理的水分利用效率明顯提高。

綜上所述, 研究區(qū)冬小麥適期春灌一水可獲得較高產(chǎn)量和水分利用效率, 在冬小麥限水春灌一水條件下, 推薦最優(yōu)灌水時間為拔節(jié)后5～10 d。

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Effects of time of spring one irrigation on the grain filling characteristics and water use efficiency of winter wheat*

LIU Zhiliang1,2, LI Xiaoshuang3, CAO Caiyun2, ZHENG Chunlian2, MA Junyong2, LI Kejiang2, YANG Huiying4, LI Shuning1**, DANG Hongkai2**

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 2. Dryland Farming Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Hengshui 053000, China; 3. Hengshui University, Hengshui 053000, China; 4.Agricultural and Rural Bureau of Wuqiang County, Wuqiang 053300, China)

There is a serious contradiction between water resources and grain production in the Hebei Plain; therefore, this study aimed to investigate the optimal time of once irrigation in spring for winter wheat to provide a technical basis for regional food security and groundwater overdraft control. A field positioning experiment was conducted from 2018 to 2020, with the water-saving winter wheat cultivar ‘Heng 4399’ under five treatments of spring one irrigation time (0 d after jointing, AJ0; 5 d after jointing, AJ5; 10 d after jointing, AJ10; 15 d after jointing, AJ15; and 20 d after jointing, AJ20) and two control treatments (no spring irrigation, CK1; and spring two irrigations, CK2). The effects of different treatments on the grain filling characteristics, yield, and water use efficiency of winter wheat were analyzed. The results showed that the delay of one spring irrigation time increased the duration of grain filling and the theoretical maximum 1000-grain weight, and decreased the average grain filling rate. Compared with AJ0, the duration of grain filling was prolonged by 3–7 d, the average grain filling rate decreased by 2.40%–13.51%, and the theoretical maximum 1000-grain weight increased by 1.61%–18.62% in the other spring one irrigation treatments. Under the spring one irrigation condition, the spike number per unit area, grain number per spike, and grain yield of winter wheat first increased and then decreased with the delay of irrigation date, whereas the 1000-grain weight gradually increased. Grain yield in the AJ5 treatment was the highest, followed by AJ10, and there was no significant difference between AJ5 and AJ10 (>0.05), but both were significantly higher than those of AJ0, AJ15, and AJ20 (<0.05). The yields of AJ5 and AJ10 increased by 96.04% and 52.18% in 2018–2019, and 90.15% and 49.84% in 2019–2020, respectively, compared to CK1. However, compared to CK2, the same treatments decreased by 0.80% and 16.75% in 2018–2019, and 3.79% and 18.03% in 2019–2020, respectively. In the two experimental years, the water use efficiency of spring one irrigation treatments was higher in AJ0, AJ5, and AJ10, and there was no significant difference among the treatments (>0.05). AJ15 and AJ20 significantly decreased the water use efficiency compared to the above-mentioned treatments (<0.05). Compared to CK1 and CK2, the water use efficiency of AJ5 increased by 20.78% and 18.47% (<0.05) in 2018?2019, and by 41.07% (<0.05) and 5.33% (>0.05) in 2019?2020, respectively; AJ10 increased by 12.34% and 10.19% (>0.05) in 2018?2019, and by 37.50% (<0.05) and 2.67% (>0.05) in 2019?2020, respectively. In summary, under spring one irrigation conditions of winter wheat in the experimental area, the optimal irrigation date is 5–10 days after jointing, which resulting in a higher yield and water use efficiency.

Winter wheat; Once irrigation in spring; Irrigation date; Grain filling characteristics; Grain yield; Water use efficiency

s: LI Shuning, E-mail: lishuning001@163.com;DANG Hongkai, E-mail: wheatcrop@126.com

Dec. 29, 2020;

Mar. 28, 2021

S275; S512

李樹寧, 主要研究方向為水資源高效利用, E-mail: lishuning001@163.com; 黨紅凱, 主要研究方向為小麥節(jié)水技術(shù), E-mail: wheatcrop@126.com

劉志良, 研究方向為農(nóng)業(yè)水資源高效利用。E-mail: liuzhiliang_1995@163.com

2020-12-29

2021-03-28

* The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD03009002), the Key Research and Development Program of Hebei Province (18397005D, 19226343D), the Wheat Industry Innovation Team Project of Modern Agricultural Technology System in Hebei Province (494-0503-JSN-NIE3) and the Fund of National Agro-Ecosystem Observation and Research Station of Shangqiu (FIRI202004-0101).

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD03009002)、河北省重點研發(fā)計劃項目(18397005D, 19226343D)、河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目(494-0503-JSN-NIE3)和河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站開放基金項目(FIRI202004-0101)資助