不同灌水深度对冬小麦生长及产量的影响

黄 洁 ，孙西欢,2，马娟娟，郭向红，狄 楠

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

冬小麦作为我国北方地区主要粮食作物之一，整个生长季需水量在450 mm左右，但由于受季风气候的影响，华北地区约70%的降水量集中于每年的7-9月，而冬小麦生长季降雨量较少，一般仅有100～150 mm，因此灌溉补水是保证冬小麦高产的重要措施。对于表层土壤中没有较充足水分的干旱半干旱地区(如华北平原丘陵地区)，作物对深层土壤水分的吸收利用成为影响作物产量的关键因素[1]。

为提高灌溉水的利用效率，学者们已对不同的作物灌溉方式进行了大量的研究工作[2-5]。李秧秧[6]认为灌溉深度和灌溉时间间隔相结合，以每15 d灌溉一次的组合获得的产量和水分利用效率最好；Turner和Bray则认为一定的水分范围内根系生长与土壤水分状况之间呈正相关关系[7]，水分不足或水分过多都会改变作物根系的大小、数量及分布，使根系生长异常或抑制根系的功能，进而影响到冠层生长发育和籽粒产量[8]。另外，随着对土壤水分状况与作物水分状况研究的不断深入，将农田水分指标与作物生理指标(株高、叶面积等)相结合的研究开辟了很多新的研究领域[9-11]。地面灌溉以其方便、技术简单易行的优点依然是当前我国乃至世界最为广泛的灌溉方式，但这种方式的水量损失和棵间土壤水分蒸发量颇大，作物棵间土壤蒸发量占其总耗水量的25%～30%，或再高一些[12]。以往的节水灌溉制度主要集中于灌水定额、灌水次数和灌水时期方面的研究[13]，而关于不同土层深度土壤水分调控对作物生长发育的影响，由于试验条件限制和测根等技术存在的困难而研究较少。本文将采用土柱管栽技术，研究在相同供水量情况下不同灌水深度对冬小麦生长状况及产量的影响，为我国干旱半干旱地区作物合理灌溉，提高土壤贮水利用率，变被动抗旱为主动抗旱提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2014年9月至2015年6月在山西省运城市盐湖区山西水利职业技术学院实训基地进行，该实训基地位于北纬 34°48′27″， 东经 110°41′23″，平均海拔370 m。多年平均降雨量559.3 mm，主要集中在7-9月，年平均日照时数2 247.4 h，年平均气温13.6 ℃。试验区土壤属于中壤土，有效氮62.90 mg/kg，有效磷45.79 mg/kg，有效钾206.5 mg/kg，全氮1.150 g/kg，全磷0.769 g/kg，全钾19.43 g/kg，有机质20.20 g/kg。土壤0～300 cm基本物理参数如表1所示(表1中含水率数值均为土壤体积含水率)。

表1 土壤基本物理参数Tab.1 Basic physical parameter of soil

1.2 试验材料与设计

试验所用冬小麦品种为国审麦良星99，属半冬性中晚熟品种，生育期240 d左右。试验设计以灌水深度为控制因子，设4个处理，即：地表灌溉(T1)、灌水深度为根系分布的60%(T2)、灌水深度为根系分布的75%(T3)、灌水深度为根系分布的90%(T4)，各处理根据冬小麦不同生育期(越冬期、返青拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期)分别设4个重复，即每个处理需20根土柱，共80根土柱。土柱外径20 cm，内径18.6 cm，共占用面积250 cm×2 100 cm，土柱随机排列成三列，行与行，列与列之间均再种植一行(列)小麦作为保护行(列)。

冬小麦于2014年10月12日播种，每根土柱播种9棵，三叶期每柱定苗3棵，次年6月上旬收获。本次试验期间对冬小麦共进行了4次灌水，各处理土柱灌水时间、灌水孔布置及计划灌水深度情况见表2。每个灌水深度的灌水量由下式(山仑等，2004年)计算得出：

M=10ρbH(βi-βj)

(1)

式中：H为土壤计划湿润层的深度，cm；ρb为计划湿润土层的土壤密度，g/cm3；βi为目标含水量；βj为自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

表2 灌水时间及灌水深度计划表Tab.2 Irrigation time and irrigation depth

注：其中“0”、“-”指地表灌水；平均最大根深由每个生育期的剖根试验获得。

1.3 测定项目与方法

土壤含水率采用Diviner2000土壤水分廓线仪[14]定期测定，每隔一周测一次，灌水或降雨前后加测；在每个生育期选择两天晴朗天气，用LI- 6400便携式光合仪测定各处理冬小麦叶片光合指标；在主要生育期每隔半个月用直尺测量植株株高，同时，测定所有植株叶子的长和宽，计算叶面积LA=∑(叶长×叶宽)/1.2，然后求得叶面积指数LAI=LA/S(S为试验筒底面积)。收获时记录每根土柱的有效穗数、穗长、穗粒数，然后用天平称量柱生物量、千粒重以及柱产量。

1.4 数据采集与处理

光合数据采用与仪器相配套的设备(数据管理器、采集软件)对数据进行读取和保存，所有数据均使用Excel和SPSS 21软件进行数据的处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水深度对冬小麦光合日变化的影响

选取天气晴朗的典型日(4月28日，抽穗期末)，进行光合日变化的测定，结果如图1所示。由图1可以看出：4种灌水方式处理的冬小麦净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在一天中的变化趋势基本一致，都呈“M”形的双峰曲线[见图1(a)～图1(c)]，在上午11∶00和下午15∶00出现峰值，13∶00出现谷值，存在明显的“午休”现象，但是深层灌的午睡现象不如地表灌的明显；而冬小麦叶片的胞间CO2浓度与净光合速率、蒸腾速率和气孔导度有相反的日变化进程，呈“W”形的双峰曲线，在净光合速率较高的11∶00和15∶00，胞间CO2浓度则较低，而净光合速率较低的13∶00，胞间CO2浓度却较高。这是因为在11∶00和15∶00净光合速率较高，冬小麦叶片对CO2的利用率也相应提高，由于细胞内存在阻力，使外界CO2不能及时补充，从而导致胞间CO2浓度在11∶00和15∶00出现谷值。

从图1还可以看出，深层灌处理的4项光合指标在同一时刻均要比地表灌的要高，且随灌水深度的增加而增加，以上午11∶00为例，比较如下：T4Pn>T3Pn>T2Pn>T1Pn、T4Tr>T3Tr>T2Tr>T1Tr、T4Cond>T3Cond>T2Cond>T1Cond、T4Ci>T3Ci>T2Ci>T1Ci。深层灌净光合速率明显大于地表灌处理，达到第一个峰值时，处理T1、T2、T3较地表灌分别要高11%、17%、27%；蒸腾速率分别高24%、29%、53%；气孔导度分别高55%、64%、67%；胞间CO2浓度在第一个谷值分别高22%、26%、30%。以上说明深层灌灌水深度越大，对应的光合速率越大，有效蒸腾速率也越大，而地表灌较小，因此，深层灌的冬小麦在抽穗期之前的株高、叶面积等各形态指标增长也比较快。11∶00之后，随着光照强度的继续增大，冬小麦在13∶00左右出现光合午睡现象，之后继续增大，在15∶00出现第二个峰值，但是这个峰值没有第一个峰值大，15∶00以后，随光照强度的下降，净光合速率开始下降，蒸腾速率、气孔导度也开始下降，且灌水深度越大，下降的速率便会越快，17∶00左右，各处理的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度值接近日最小值，胞间CO2浓度也接近达到日最大值。

图1 冬小麦抽穗期光合日变化曲线Fig.1 Diurnal variation of photosynthesis of winter wheat in shooting stage

2.2 不同灌水深度处理对冬小麦株高的影响

株高是衡量作物株型状况是否合理的敏感指标。不同生育期株高除了取决于自身遗传特性外，也受土壤水分、养分等外部环境的影响[15]。分别于小麦生长 的140、155、170、185、200、215和230 d测量自植株地面至植株顶端的高度(不连芒高)。每根土柱取3个方向测量，每个处理求平均值，以cm为单位表示的不同灌水深度条件下各处理冬小麦株高具体值见表3和图2。

表3 不同灌水深度条件下冬小麦的株高 cm

注：表3中字母表示同一测定时期内相同项目在P0.05水平上的差异显著性。

图2 不同灌水深度条件下冬小麦的株高Fig.2 Plant height of winter wheat under different irrigation depth

由表3可知，各处理冬小麦种后140 d(返青期)株高普遍在18 cm左右，差异并不显著；种后170 d(拔节期)植株增长迅速，T4增长最快，株高达54.75 cm，比处理T1、T2、T3分别高4.78、3.75、2.41 cm；等到200 d(抽穗期)，株高T3>T4>T2>T1，T4株高不再最大；在植株成长后期(215～230 d)，各处理成长趋于稳定，尤其是T4几乎不再生长，成熟期株高T3最大，为80.56 cm，最低是T1，为74.25 cm，两者相差6.31 cm。

对比表3中株高数据可知：在返青期之前灌水深度对冬小麦株高的影响都不显著；拔节期开始(170 d)，地表灌水和深层灌水之间差异开始显著，但是3个不同深度处理之间依然差异不显著；到了灌浆期和成熟期，由于T4的生长速度减慢导致T2、T4两个处理之间差异性不显著，但是T4和T1、T3之间差异依然显著，T3和T1、T2、T4之间差异也显著。这就说明，在灌水量一定的范围内，株高随灌水深度的增加而增大，但超过一定深度后，株高便不再随灌水深度的增加而增大。

进一步采用式(2)形式的幂函数，对图2中的冬小麦株高变化曲线进行拟合，拟合结果见表4。

Y=Alnx+b

(2)

式中：Y为株高，cm；x为冬小麦种植后天数。

表4 冬小麦株高随时间变化拟合参数值Tab.4 The fitting parameter values with the timeof plant height of winter wheat

从表4可以看出，相关系数均在0.9以上，说明不同深度灌水条件下冬小麦的株高随时间的分布符合式(2)形式的幂函数。同时可知，处理T3的参数A、B和相关系数R2均最大，处理T1的参数A、B最小。

2.3 不同灌水深度处理对冬小麦叶面积指数的影响

绿叶面积也是作物生长状况的重要指标，它关系到作物对光能量的截获多少，同时展现了作物光合面积范围的大小，从而可以直接影响到其光合作用、蒸腾作用和最终的产量。已有研究表明土壤水分条件对作物叶面积扩展有很大的影响,并最终影响作物根系发育和壮苗指数等作物生长指标[16]，叶面积的大小是影响产量的主要生理指标。小麦生长发育过程中叶面积指数的消长动态，对于选用合理的栽培措施，创造合理的群体结构，增加小麦的产量有着重要的意义[17]。统计分析表明(见表5),小麦叶面积指数在灌水处理间差异显著(F=9.137,P=0.005<0.01 )。由图3可知，整个生育期冬小麦 叶面积指数呈现先增后减的趋势。相比之下,增加灌水深度可明显增加叶面积指数,而且灌水深度大的T4叶面积指数最先达到最大值,但是在生长后期下降迅速,而较低灌水深度处理的T2、T3变化相对稳定,尤其在后期能保持较高的叶面积,这说明灌水深度过大会使小麦前期生长旺盛,群体过大,田间提前郁蔽,下部叶片因受光不足而提前衰老,从而导致整个植株后期叶面积迅速下降,不利于小麦植株平稳生长,尤其会影响到籽粒的发育和灌浆,因而合理的灌水深度非常重要。

表5 不同灌水深度条件下冬小麦的叶面积指数Tab.5 Leaf area index of winter wheat under differentirrigation depth

注：表5中字母表示同一测定时期内相同项目在P0.05水平上的差异显著性。

图3 不同灌水深度条件下冬小麦的叶面积指数 Fig.3 Leaf area index of winter wheat under different irrigation depth

对图3中的冬小麦叶面积指数随时间的变化曲线采用式(3)形式的多项式进行拟合，拟合结果见表6。

LAI=Ax2+B-C

(3)

式中：LAI为叶面积指数；x为观测日期。

表6 冬小麦叶面积指数随时间变化拟合参数值Tab.6 The fitting parameter values with the time ofleaf area index of winter wheat

从表6可以看出，各处理相关系数均在0.9以上，说明不同深度灌水条件下冬小麦的叶面积指数随时间的变化曲线符合式(3)形式的多项式。其中由于此试验的灌溉方式是一种中深层的灌溉方式，拥有独特的灌溉机理，因此，参数A随灌水深度的增加而减小，参数B和C都是随灌水深度的增加而增大，且处理T3的相关系数最大。

2.4 不同灌水深度处理对冬小麦籽粒产量的影响

收获指数是作物收获时经济产量(籽粒)与生物产量之比，又名经济系数。其生理本质反映了碳素从源到子粒库的分配比例，该性状一定程度上反映了作物群体光合同化物转化为经济产品的能力, 是评价作物品种产量水平和栽培成效的重要指标。由表7显示可知，深层灌水会使冬小麦收获指数明显增高，且灌水深度越大，收获指数越高，最高达0.36，比对照组(T1)高0.05；同时冬小麦生育期内的不同深度灌水都将使产量增加，且随着灌水深度的增高，产量的增加呈先递增后减小的趋势，即中深层的灌水对产量的影响要大于较深层的灌水，即深层灌水(T4)条件下粒粒产量比对照组(T1)的高 20.86%，而中深层灌水(T2和T3)条件下籽粒产量比对照组(T1)的高达28.22%和34.74%，说明在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可显著提高产量，但是这一深度达到一定的限值后，产量便不再进一步增长。

从产量构成来看，4个处理的千粒重差异并不显著，但是单穗粒数、柱生物量及柱产量间差异显著。小麦穗长T1

表7 不同灌水深度条件下小麦的产量及其构成Tab.7 Grain yield and components of winter wheat under different irrigation depth

注：小写拉丁字母表示显著水平α=0.05。

3 结 语

对冬小麦所采用不同灌水深度的水分调控方式是一种中深层的立体灌溉方法，灌水深度作为其中重要的参数，将对灌溉制度的制定、灌水质量的评价起到关键作用。通过对不同灌水深度条件下冬小麦光合日变化、株高、叶面积指数、籽粒产量及其构成的分析，可以得出以下结论。

(1)不同灌水深度条件下，冬小麦净光合速率、蒸腾速率和气孔导度日变化呈“M”形的双峰曲线，存在明显的“午休”现象，而胞间CO2浓度则呈“W”形的双峰曲线。深层灌的午睡现象不如地表灌的明显，而且四项光合指标在同一时刻均要比地表灌的要高，并随灌水深度的增加而增加。

(2)不同灌水深度条件下，随生育期的推进，冬小麦株高逐渐增大，叶面积指数也呈先增大后减小的趋势，而且增加灌水深度可明显增加株高和叶面积指数,但是灌水深度过大会使植株生长后期株高增长缓慢，叶面积指数下降速度加快。

(3)不同灌水深度条件下在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可显著提高作物收获指数，但是产量并不是随灌水深度的增加而增加，反而是灌水深度为根系75%的处理亩产量最大。

由于本试验仅分析一个生长期内不同灌溉深度对冬小麦生长及产量的影响，关于其在不同立地条件下的重现性和相关作物生长模型的建立有待进一步研究。

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