不同底墒条件下补灌对冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率的影响

林 祥 王 东

山东农业大学 / 作物生物学国家重点实验室 / 农业部作物生理生态与耕作重点实验室, 山东泰安 271018

不同底墒条件下补灌对冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率的影响

林 祥 王 东*

山东农业大学 / 作物生物学国家重点实验室 / 农业部作物生理生态与耕作重点实验室, 山东泰安 271018

我国黄淮平原水资源紧缺, 而且年际间降水量及其时间分布存在较大差异, 探明不同底墒条件下补充灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的调节效应及其生理基础, 可为该地区冬小麦节水高产栽培提供理论和技术支持。2013—2014和2014—2015年冬小麦生长季, 在播种期0～100 cm土层土壤贮水量分别为201.5 (A)、266.3 (B)和317.0 mm (C) 3种底墒条件下, 各设置4个补灌水处理, 包括不灌水、拔节期+开花期补灌、越冬期+拔节期+开花期补灌、播种期+拔节期+开花期补灌, 研究不同处理冬小麦耗水特性、旗叶光合、干物质积累与分配、产量及水分利用效率的差异。结果表明, 冬小麦生育期总耗水量和土壤水消耗量均随播种期底墒的提高而增加。在底墒A和B条件下, 冬小麦主要消耗降水和灌溉水。提高播种期补灌水平或于越冬期补灌, 冬小麦在底墒A条件下对土壤水的消耗量显著增加, 在底墒B条件下对土壤水的消耗量显著减少。在底墒C条件下, 冬小麦耗水以土壤水为主, 其次为降水, 再次为灌溉水; 播种期或越冬期补灌显著增加生育期总耗水量, 对土壤水消耗量则无显著影响。于播种期、拔节期和开花期补灌, 冬小麦在底墒A条件下可获得较高的籽粒产量, 但水分利用效率较低; 在底墒B条件下籽粒产量和水分利用效率均较高; 在底墒 C条件下, 仅于拔节期和开花期补灌即可获得高产和高水分利用效率, 播种期和越冬期无需补灌。综上所述, 播前底墒是实施冬小麦合理补灌的重要依据。

底墒; 补灌; 耗水特性; 干物质积累与分配; 籽粒产量

黄淮平原耕地面积2300万公顷, 约占全国耕地面积的 19%, 小麦产量占全国总产量的 70%左右,是我国重要的粮食主产区[1]。该地区水资源总量为21.6亿立方米, 仅占全国的 7.7%, 紧缺的水资源已成为该地区粮食生产的重要制约因素[2]。另外, 该地区全年70%以上的降水主要集中在7月至9月, 冬小麦生长期内降水较少, 只能满足小麦需水量的25%～40%[1,3-4], 如何高效利用小麦播种时贮存在土壤中的夏季降水(即底墒水)及小麦生长期间的自然降水, 减少灌溉用水, 是冬小麦节水栽培亟待解决的问题。播前底墒的丰欠对小麦产量形成有重要作用, 底墒充足可显著提高冬小麦产量[5], 高底墒条件下不同生态类型冬小麦的平均产量为 2344 kg hm–2, 分别比中低底墒条件下的提高 28%和 23%,水分利用效率分别提高70%和75%[6]。但底墒并非决定小麦产量的唯一因素, 没有一定量的灌溉和降水, 也难以实现高产。有研究指出, 在播前0～100 cm土层土壤贮水量为196.0 mm的条件下, 每次灌水量为40 mm或80 mm时, 越冬期+抽穗期+灌浆期灌溉处理的籽粒产量显著高于拔节期+抽穗期+灌浆期灌溉处理[7]; 而在底墒充足的条件下, 拔节期和开花期各灌溉60 mm, 或拔节期和抽穗期各灌溉60 mm,亦可获得较高的籽粒产量和水分利用效率[8-9]。可见播种期底墒不同, 小麦生育期内适宜的灌水时间和灌水量亦存在差异。由于年际间降水总量及其时间分布存在较大差异, 小麦播前底墒亦会明显不同,不同底墒条件下补充灌溉对冬小麦产量的调节效果尚缺乏系统的研究。本文在前茬作物夏玉米生长季,通过不同的水分管理措施创造冬小麦播前底墒的差异, 研究不同底墒下补灌时期和水平对冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率的调节效应及其生理基础,旨在为小麦节水高产栽培提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

山东省兖州市小孟镇史家王子村(35°40′N, 116°41′E)和肥城市边院镇南仇村(35°98′N, 116°88′E)大田土壤类型为壤土, 前茬种植夏玉米。小麦播种前先将玉米秸秆全部粉碎还田, 再翻耕整地。播种前0～20 cm土层土壤养分含量如表1所示; 0～200 cm各土层土壤质地、容重和田间持水量如表 2所示; 2013—2014和2014—2015年度降水量分别为475.5 mm 和 557.2 mm, 小麦生育期间的降水量分别为156.0 mm和 160.1 mm, 其中播种至越冬期分别为47.0 mm和22.5 mm, 越冬至拔节期分别为14.0 mm和68.8 mm, 拔节至开花期分别为41.0 mm和29.1 mm, 开花至成熟期分别为54.0 mm和39.7 mm, 小麦生长季的月降水量见图1。

1.2 试验设计与实施

1.2.1 补灌方案 2013—2014年度, 在同一地块(土壤肥力、容重和田间持水量均匀一致)而底墒不同的A、B两种条件下试验(表3)。各设置4个补灌水处理(表 4), 包括不灌水处理(A1、B1)、拔节期+开花期补灌处理(A2、B2)、越冬期+拔节期+开花期补灌处理(A3、B3)、播种期+拔节期+开花期补灌处理(A4、B4), 每次补灌均以0～20 cm土层土壤相对含水量达 100%为目标。由于两种底墒条件在播种期0～20 cm土层相对含水量均低于60%, 为保证出苗,播种后将A1至A3处理均补灌至60%, B1至B3处理均补灌至80%。

2014—2015年度为底墒C条件, 0～200 cm各土层土壤相对含水量和土壤贮水量如表3所示。设全生育期不灌水(C1)、拔节期+开花期补灌(C2)、越冬期+拔节期+开花期补灌(C3)和播种期+拔节期+开花期补灌(C4)处理, 每次补灌均以 0～20 cm土层土壤相对含水量达100%为目标。各处理具体补灌方案见表4。

每次灌水前均测定土壤含水量, 参照Wang等[11]的方法用灌水定额公式计算补灌水量。灌溉水水源为井水, 灌溉时采用输水带输水并均匀喷洒入试验小区内。分别用水表和闸阀计量和控制灌水量。

表1 试验田0～20 cm土层播种前土壤养分含量Table 1 Soil nutrient contents in 0–20 cm soil layer of experimental field before seeding

表2 试验田0～200 cm土层土壤质地、容重和田间持水量Table 2 Soil texture, bulk density, and field capacity in 0–200 cm soil layer of experimental field

表3 播种前0～200 cm各土层土壤相对含水量和贮水量Table 3 Soil relative water content and soil water storage in 0–200 cm soil layer before seeding

表4 不同处理的补灌方案Table 4 Supplement irrigation scheme in different treatments

图1 2013–2014和2014–2015年冬小麦生长季降水量Fig. 1 Precipitation in the 2013–2014 and 2014–2015 growing seasons of winter wheat

1.2.2 田间种植与管理 两年度供试冬小麦品种均为济麦22。小区面积为4 m × 4 m = 16 m2, 随机区组排列, 3次重复, 小区之间留 1 m宽的隔离区,以防小区间侧渗影响。播种前施纯氮105 kg hm-2、P2O5150 kg hm-2、K2O 150 kg hm-2, 拔节期追施纯氮135 kg hm-2。以尿素(含N 46%)作氮肥, 磷酸二铵(含P2O546%, N 18%)作氮肥和磷肥, 氯化钾(含K2O 60%)作钾肥。分别于2013年10月10日和2014年10月11日播种, 于2014年5月31日和2015年6月14日收获。其他管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量的测定 用土钻采集 0～10、 10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm共12个土层土样, 采用烘干法[12]测定土壤质量含水量, 并计算土壤相对含水量。每小区(重复)取1个点,每处理取3次重复。

土壤相对含水量(%) = 土壤质量含水量/田间持水量×100。

1.3.2 土壤贮水量与农田耗水量的计算 土壤贮水量(mm) = 0.1×土壤容重(g cm–3)×土层厚度(cm)×土壤质量含水量(%)[13]; 参照 Lv等[14]和 Chattaraj等[15]描述的方法计算农田耗水量。

式中, ETc为农田耗水量(mm); P为降水量(mm); CIR为补灌水量(mm); ΔW为阶段初与阶段末土壤贮水量的差值。因试验田地势平坦, 且地下水埋深在 10 m以下, 故未考虑地下水及地表径流和渗漏的影响。

1.3.3 干物质积累、分配与转运的测定与计算

分别在越冬期、返青期、拔节期、开花期和成熟期, 从每试验小区随机选取1 m2面积调查总茎数并采集植株样品。越冬期、返青期和拔节期从每小区采集30株, 剪去根部留地上部分; 开花期和成熟期从每小区采集30个单茎, 并按器官分样。其中开花期样品分为茎秆+叶鞘、叶片和穗3个部分, 成熟期分为茎秆+叶鞘、叶片、穗轴+颖壳和籽粒4个部分。将所有样品置 80℃烘箱, 烘至恒量, 称干物质质量。相关指标计算公式[16]如下。

营养器官干物质再分配量=开花期营养器官干物质量–成熟期营养器官干物质量;

营养器官干物质再分配量对籽粒的贡献率(%)=营养器官干物质再分配量/成熟期籽粒干物质量×100;

开花后干物质同化量=成熟期籽粒干物质量–营养器官干物质再分配量;

开花后干物质同化量对籽粒的贡献率(%)=开花后干物质同化量/成熟期籽粒干物质量×100。

1.3.4 籽粒产量及其构成因素的测定 成熟期调查单位面积穗数、每穗粒数和千粒重。从每个试验小区收获3 m2脱粒测产, 每处理3次重复。

1.3.5 水分利用效率的计算 水分利用效率(kg hm–2mm–1) = 籽粒产量(kg hm–2)/总耗水量(mm)[17]。

1.4 数据处理和统计分析

用Microsoft Excel 2003计算数据, 用DPS7.05统计软件检验显著性(LSD 法, α=0.05)。利用SigmaPlot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦耗水特性

2.1.1 耗水量及其来源 冬小麦全生育期对土壤水的消耗量随土壤底墒的提高而显著增加。2013—2014年度, 在底墒 A条件下, 播种至越冬期, 各处理的耗水主要来源于灌溉水和降水, 对土壤水的净消耗量为负值, 说明200 cm土体的土壤蓄水量在该期间不降反增。A4处理的补灌水量高于其他处理,其在该阶段的耗水量及土壤贮水增加量亦高于其他处理。越冬至拔节期, A4处理的耗水主要来源于土壤水, 其对土壤水的消耗量明显高于其他处理; A3处理的耗水主要来源于灌溉水和降水, A1和A2处理的耗水主要来源于降水, 其对土壤水的消耗量低于A3和A4处理。拔节至开花期和开花至成熟期, 各处理耗水均以灌溉水和降水为主, 对土壤水的消耗量较少, A4处理对土壤水的消耗量显著高于其他处理。从全生育期看, A4和A3处理的耗水均以灌溉水为主, 其次为降水, A4和A3处理的总耗水量明显高于其他处理。在底墒 B条件下, 各处理所表现的规律与在底墒A条件下的部分一致。不同之处在于, B4和 B3处理在拔节至开花阶段的耗水量无显著差异,均显著低于B2处理; B4、B3和B2处理在开花至成熟阶段的耗水量及全生育期的总耗水量均无显著差异; B4和B3处理在拔节至开花和开花至成熟阶段对土壤水的消耗量, 及全生育期对土壤水的总消耗量显著低于B2和B1处理(表5)。

2014—2015年度在底墒C条件下, 播种至越冬期, C4处理的耗水主要来源于灌溉水和降水, 对土壤水的净消耗量为负值; C1、C2和C3处理的耗水主要来源于降水, 对土壤水的净消耗量为0。越冬至拔节期, 各处理的耗水主要来源于降水, 其次为土壤水; C4处理在该阶段的耗水量与C3处理无显著差异, 对土壤水的消耗量则显著高于 C3处理; C1和C2处理在该阶段的耗水量显著低于 C3处理, 对土壤水的消耗量则与C3处理无显著差异。拔节至开花期、开花至成熟期及全生育期, 各处理耗水均以土壤水为主, 其次为降水, 再次为灌溉水。各处理在拔节至开花阶段的耗水量无显著差异, C4、C3和 C2处理在开花至成熟阶段的耗水量无显著差异, 均显著高于C1处理; C4和C3处理全生育期的总耗水量无显著差异, 均显著高于C1和C2处理; C4和C3处理在拔节至开花阶段及全生育期对土壤水的消耗量与C2处理的无显著差异, 均显著低于C1处理(表5)。

上述结果说明, 在本试验所涉及的各底墒条件下, 播种期底墒越高, 冬小麦全生育期对土壤水的消耗量和全生育期总耗水量越高。在底墒较低的条件下, 冬小麦的耗水主要来源于降水和灌溉水, 提高播种期补灌水平或于越冬期补灌, 均可显著促进冬小麦对土壤水的消耗; 在一定范围内提高底墒水平后, 增加播种期补灌水量或于越冬期补灌, 冬小麦对土壤水的消耗量反而减少。在更高底墒条件下,冬小麦耗水以土壤水为主, 其次为降水, 再次为灌溉水; 播种期或越冬期补灌处理与该时期不补灌处理相比, 冬小麦对土壤水的消耗量无显著变化, 但全生育期总耗水量显著增加。

2.1.2 土壤贮水消耗量 如图 2所示, 2013—2014年度, 在底墒A条件下, 各处理0～20 cm土层土壤贮水消耗量无显著差异; 20～120 cm土层土壤贮水消耗量以A4处理最高, A3处理次之, A2处理最低; 120 cm以下土层土壤贮水消耗量各处理之间无显著差异。在底墒B条件下, B2和B4处理40～80 cm土层土壤贮水消耗量显著高于 B3处理; B2处理80～180 cm土层土壤贮水消耗量显著高于B4和B3处理, B4处理80～140 cm土层土壤贮水消耗量显著高于B3处理。2014—2015年度, 在底墒C条件下,各处理的0～20 cm土层土壤贮水消耗量无显著差异; C1处理的20～120 cm土层土壤贮水消耗量显著高于C2、C3和C4处理, C2、C3和C4处理之间无显著差异; 各处理120 cm以下土层土壤贮水消耗量无显著差异。上述结果表明, 在底墒较低的条件下, 适当增加补灌次数和补灌量, 尤其是全生育期分别于播种期、拔节期和开花期补灌, 有利于小麦对 20～120 cm土层土壤水的吸收利用; 随着底墒的提高, 减少苗期灌水, 保障生育中后期灌水, 可促进小麦对40～180 cm 土层土壤水的吸收利用; 而在较高的底墒条件下, 雨养处理对20～120 cm土层土壤贮水的消耗量最高, 即使仅于拔节期和开花期补灌, 亦会减少小麦对深层土壤水的吸收利用。

图2 不同处理全生育期0～200 cm土层土壤贮水消耗量Fig. 2 Soil water consumption in 0–200 cm soil layer of whole growth period under different treatments

2.2 冬小麦干物质积累与分配

2.2.1 群体发育及干物质积累动态变化 2013—2014年度, A4处理越冬期单位面积茎(分蘖)数和干物质积累量均显著高于其他处理; 返青期、拔节期和开花期单位面积茎数和干物质积累量均以 A3和A4处理最高; 成熟期 A4处理单位面积茎数与 A3处理无显著差异, 但干物质积累量显著高于 A3处理, A2处理干物质积累量显著低于A3处理, 但高于A1处理(图3)。说明在底墒A条件下, 提高播种期补灌水平或于越冬期补灌均能促进分蘖的发生, 增加成穗数和干物质积累量; 播种期足量补灌比播种期少灌保苗于越冬期再灌的处理更有利于发挥开花水对干物质积累的促进作用。

在底墒 B条件下, 越冬期单位面积茎数和干物质积累量均以B4处理最高; B3处理在返青期的茎数与B4处理无显著差异, 但显著高于B2和B1处理,其在拔节期的茎数显著高于其余处理, 在开花期和成熟期的茎数则与B4和B2处理无显著差异, 均显著高于B1处理; B3和B4处理返青至成熟期的干物质积累量均显著高于其他处理, 二者之间无显著差异(图3)。说明在底墒B条件下, 提高播种期补灌水平或播种期少灌保苗于越冬期再灌均能促进分蘖的发生和植株干物质的积累, 只是对最终成穗数无显著影响。

2014—2015年度, 在底墒C条件下, 各处理越冬期至拔节期的单位面积茎数和干物质积累量均无显著差异, C2、C3和C4处理的开花期和成熟期的单位面积茎数和干物质积累量亦无显著差异, 均显著高于C1处理(图3)。说明在底墒较高的条件下, 播种期和越冬期补灌对冬小麦分蘖和干物质积累的调节作用不明显。

2.2.2 开花后旗叶光合速率动态变化 在底墒 A条件下, A2和A3处理开花后旗叶光合速率无显著差异, 均显著小于A4处理, 高于A1处理; 在底墒B条件下, B2处理开花后旗叶光合速率显著小于B3和B4处理, 高于B1处理, B3与B4处理之间无显著差异; 在底墒C条件下, C2、C3和C4处理之间无显著差异, 均显著高于 C1处理(图4)。说明在底墒较低的条件下, 播种期足量补灌比播种期少灌保苗于越冬期再灌的处理更有利于发挥开花水对旗叶光合速率的促进作用; 中等底墒条件下, 提高播种期补灌水平或播种期少灌保苗于越冬期再灌均能促进开花后旗叶光合速率的提高; 在底墒较高的条件下, 播种期和越冬期补灌对冬小麦开花后旗叶光合速率的调节作用不明显。

图3 不同处理群体总茎数和干物质积累的动态变化Fig. 3 Dynamic changes of population culms and dry matter accumulation in different treatments柱上不同字母表示在同一生育期的不同处理之间差异显著(P＜0.05)。Different letters above columns indicate significant difference among treatments at the same growth stage (P ＜ 0.05).

图4 不同处理开花后旗叶光合速率(Pn)变化动态Fig. 4 Dynamic changes of photosynthetic rate (Pn) of flag leaf after anthesis in different treatments

2.2.3 成熟期植株各器官中干物质分配量 在底墒 A条件下, 小麦成熟期籽粒中分配的干物质量由高到低依次为 A4、A3、A2、A1, 且各处理之间差异达显著水平; 叶片和茎秆+叶鞘中分配的干物质量均以A3和A4处理最高, 穗轴+颖壳中分配的干物质量以A4处理最高, 其次为A2和A3处理。在底墒 B条件下, 小麦成熟期籽粒和茎秆+叶鞘中分配的干物质量均以B3和B4处理最高, B2处理次之,B1处理最低; 叶片和穗轴+颖壳中分配的干物质量, B2、B3和B4处理之间无显著差异, 均显著高于B1处理。在底墒 C条件下, 小麦成熟期各器官中分配的干物质量, 各补灌处理之间无显著差异, 均显著高于不灌水处理(图 5)。说明在底墒较低的条件下,播种期、拔节期和开花期合理补灌有利于干物质在各器官中的分配和积累; 在底墒较高且于拔节期和开花期合理补灌的条件下, 播种期和越冬期补灌对小麦成熟期各器官干物质分配量无显著调节作用。

图5 成熟期干物质在各器官中的分配量Fig. 5 Dry matter distribution amount in different organs at maturity柱上不同字母表示在相同器官的不同处理之间差异显著(P＜0.05)。Different letters above columns indicate significant difference among treatments in the same organ (P ＜ 0.05).

2.2.4 开花后植株干物质的积累与再分配 2013—2014年度, 在底墒A条件下, A2、A3和A4处理的营养器官干物质再分配量无显著差异, 均高于A1处理; 但营养器官干物质再分配量对籽粒的贡献率以A1处理最高, A2和A3处理次之, A4处理最低;开花后干物质同化量由高到低依次为A4、A3、A2、A1, 且处理之间差异达显著水平; 开花后干物质同化量对籽粒的贡献率以A4处理最高, A2和A3处理次之, A1处理最低。在底墒B条件下, 小麦营养器官干物质再分配量以B2、B3和B4处理最高, 且三者之间无显著差异; 营养器官干物质再分配量对籽粒的贡献率则以B2、B3和B4处理最低; B3和B4处理开花后干物质同化量显著高于B2处理, B2处理显著高于B1处理; 开花后干物质同化量对籽粒的贡献率以B2、B3和B4处理最高, 且三者之间无显著差异(表6)。

2014—2015年度在底墒C条件下, 小麦营养器官干物质再分配量及其对籽粒的贡献率, C2、C3和C4处理之间无显著差异, 均显著低于C1处理; 开花后干物质同化量及其对籽粒的贡献率, C2、C3和C4处理之间无显著差异, 均显著高于C1处理(表6)。

上述结果表明, 在底墒较低的条件下, 播种期、拔节期和开花期合理补灌不仅有利于增加营养器官干物质再分配量, 而且显著提高开花后干物质同化量及其对籽粒的贡献率; 在底墒较高的条件下, 仅于拔节期和开花期补灌, 就能显著提高开花后干物质同化量及其对籽粒的贡献率, 但营养器官干物质再分配量及其对籽粒的贡献率均显著降低, 在此基础上, 增灌播种水和越冬水, 对开花后干物质同化量和营养器官干物质再分配量无显著影响。

2.3 冬小麦籽粒产量和水分利用效率

在底墒A条件下, 小麦籽粒产量由高到低依次为A4、A3、A2、A1, 且处理之间差异达显著水平; A2处理的水分利用效率显著高于A1和A3处理, A4处理的水分利用效率最低; 与A2处理相比, A3处理的穗数显著增加, 千粒重和穗粒数无显著变化, A4处理的穗数和千粒重均显著提高。在底墒B条件下, B4和B3处理的千粒重和籽粒产量均显著高于B2处理, B3处理的水分利用效率与 B4处理无显著差异, 但显著高于B2处理。在底墒C条件下, C2、C3和C4处理的穗数、穗粒数和籽粒产量无显著差异, 均显著高于C1处理; C1、C3和C4处理的水分利用效率无显著差异, 均显著低于C2处理(表7)。

上述结果表明, 在底墒较低的条件下, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可获得较高的籽粒产量,但降低了水分利用效率; 而增加底墒至0～100 cm土层土壤贮水量为266.3 mm时, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可同时获得高产和高水分利用效率;在底墒较高的条件下, 仅于拔节期和开花期补灌即可获得高产和高水分利用效率, 播种期和越冬期无需补灌。

表6 冬小麦开花后同化物干重及营养器官干物质再分配量Table 6 Dry weight of assimilation and redistribution amount from vegetative organs after anthesis of winter wheat

表7 冬小麦籽粒产量和水分利用效率Table 7 Grain yield and water use efficiency (WUE) of winter wheat

3 讨论

半干旱地区小麦生育期灌溉量由 60 mm增至210 mm时, 总耗水量由326.3 mm增至429.4 mm,土壤贮水消耗量则从216.9 mm降至95.7 mm[18]。也有研究指出, 冬前期、拔节期和开花期分别灌水75、75和70 mm的处理较拔节期和孕穗期分别灌水75 mm和70 mm的处理, 土壤贮水消耗量和总耗水量分别增加59.4 mm和134.4 mm[19]。说明减少灌水量并非一定能促进冬小麦对土壤贮水的消耗。本试验结果表明, 冬小麦全生育期对土壤水的消耗量和总耗水量均随土壤底墒的增加而提高。在底墒较低的条件下, 冬小麦的耗水主要来源于降水和灌溉水,提高播种期补灌水平或于越冬期补灌, 均可显著促进冬小麦对土壤水的消耗; 尤其是于播种期、拔节期和开花期补灌, 有利于小麦对20～120 cm土层土壤水的吸收利用。在一定范围内提高底墒水平后,增加播种期补灌水量或于越冬期补灌, 冬小麦对土壤水的消耗量反而降低, 尤其减少了对 40～180 cm土层土壤水的吸收利用; 而在更高底墒条件下, 冬小麦耗水以土壤水为主, 其次为降水, 再次为灌溉水; 雨养处理对20～120 cm土层土壤贮水的消耗量最高, 即使仅于拔节期和开花期补灌, 亦会减少小麦对深层土壤水的吸收利用。

小麦籽粒灌浆所需的碳源主要来源于开花后的光合同化及营养器官临时贮存碳水化合物的再分配[20]。土壤水分显著影响同化物在植株各器官的分配和积累。干旱条件下, 营养器官转移再分配进入籽粒的干物质对产量的贡献率显著增加, 但开花后的同化产物减少, 最终导致产量较低[21], 适宜水分条件下, 开花后同化的干物质对产量的贡献率则占主要地位[22-23]。本试验结果进一步证明, 生长季补灌时期和水量与播种期底墒的配合是调控冬小麦群体发育、干物质积累, 及开花后干物质同化与再分配实现高产的重要途径。在底墒较低的条件下, 播种期适量补灌可促进分蘖发生, 在此基础上于拔节期和开花期补灌,则显著增加成穗数, 提高开花后同化物干重及其对籽粒的贡献率, 而且营养器官干物质向籽粒的再分配量亦保持较高水平; 而在底墒较高的条件下, 仅于拔节期和开花期补灌, 就能获得较高的成穗数,并显著提高开花后同化物干重及其对籽粒的贡献率,取得较高的籽粒产量, 在此基础上, 增灌播种水或越冬水, 对小麦分蘖成穗、开花后同化物干重及营养器官干物质再分配量均无显著影响。

适宜的底墒可促进小麦盘根分蘖, 为丰产奠定基础[24]。在黄土高原旱作区, 高底墒条件下不同生态类型冬小麦的平均产量为 2344 kg hm–2, 分别比中、低底墒条件下的提高 28%和 23%, 水分利用效率分别提高70%和75%[6]。华北地区0～200 cm土层底墒为449.5～490.9 mm和全生育期人工控制供水的条件下, 小麦穗粒数、千粒重和水分利用效率均随底墒的提高而提高[25]。在华北地区水浇地麦田, 浇足底墒水的基础上, 拔节期和开花期分别灌水 75 mm, 可获得7500 kg hm–2的高产和较高的水分利用效率[26-27]。本试验在黄淮平原年降水量为 475.5～557.2 mm的条件下, 当播种期0～100 cm土层土壤贮水量为201.5 mm时, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可获得较高的籽粒产量, 但降低了水分利用效率; 而增加底墒至 0～100 cm 土层土壤贮水量为266.3 mm时, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可同时获得高产和高水分利用效率; 在播种期 0～100 cm土层土壤贮水量为317.0 mm的条件下, 仅于拔节期和开花期补灌即可获得高产和高水分利用效率,播种期和越冬期无需补灌。

相对于土壤含水量, 用土壤水势确定作物灌溉指标有利于在不同质地和理化性质的土壤上推广[28]。然而由于以往测定土壤水势的方法在使用过程中存在某些不足, 制约了这一指标在作物节水研究和生产中的应用[29]。本文以土壤含水量为指标, 在生产上应用则会受到土壤类型的限制。但试验所选麦田为壤土, 是我国黄淮和北部冬麦区主要的土壤质地类型, 分布面积较广[30], 因此, 可为该类型土壤质地麦田节水灌溉提供理论和技术参考。今后尚需加强对不同土壤类型及土壤水势灌溉指标的研究。另外, 小麦对土壤水分的需求存在品种间的差异[31]。本文以黄淮和北部冬麦区主推冬小麦品种济麦 22为试验材料, 研究结果对指导该品种小麦节水高产栽培有较强的针对性, 也可供同类型品种参考。对其他类型品种的适用性尚需进一步试验验证。

4 结论

冬小麦对土壤水的消耗量和总耗水量均随土壤底墒的增加而提高。在播种期0～20 cm和0～100 cm土层土壤贮水量分别为13.7 mm和201.5 mm的条件下, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可获得较高的籽粒产量, 但土壤贮水消耗量和总耗水量均明显增加, 水分利用效率较低; 底墒增加至 0～20 cm和0～100 cm土层土壤贮水量分别为21.9 mm和266.3 mm时, 播种期、拔节期和开花期适量补灌可同时获得高产和高水分利用效率。在播种期 0～20 cm 和0～100 cm 土层土壤贮水量分别为 28.9 mm 和317.0 mm的条件下, 仅于拔节期和开花期补灌即可显著提高开花后同化物干重及其对籽粒的贡献率,获得高产和高水分利用效率, 播种期和越冬期补灌无益。

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Effects of Supplemental Irrigation on Water Consumption Characteristics, Grain Yield and Water Use Efficiency in Winter Wheat under Different Soil Moisture Conditions at Seeding Stage

LIN Xiang and WANG Dong*

Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System, Ministry of Agriculture, Tai’an 271018, China

Water shortage and unbalanced precipitation distribution are major problems threatening agricultural sustainability, especially winter wheat production, in the Yellow-Huaihe Rivers Plain of China and water-saving cultivation with limited irrigation is a promising technique in this area. It is important to understand the regulation effect and physiological basis of supplemental irrigation on grain yield and water use efficiency (WUE) of winter wheat under different soil moisture conditions at seeding stage. In the 2013–2014 and 2014–2015 winter wheat growing seasons, we designed three soil (0–100 cm) moisture conditions at seeding stage (201.5 mm for A, 266.3 mm for B, and 317.0 mm for C) by supplemental irrigation and four irrigation treatments under each soil moisture condition (no-irrigation; irrigated twice at jointing and anthesis stages; irrigated thrice at over-wintering, jointing and anthesis stages; and irrigated thrice at seeding, jointing and anthesis stages). The water consumption characteristics, photosynthesis of flag leaves, dry matter accumulation and distribution, grain yield and WUE of winter wheat were investigated. The soil water consumption and the total water consumption during wheat growth increased when more soil water was available at seeding stage. Wheat mainly consumed precipitation and irrigation water under condition A and B. Supplemental irrigation at seeding or over-wintering stage resulted in significant increase of soil water consumption under condition A, but decrease of soil water consumption under condition B. Under condition C, wheat mainly consumed soil water, followed bywater consumption under condition B. Under condition C, wheat mainly consumed soil water, followed by precipitation and irrigation water. In this situation, supplemental irrigation at seeding and over-wintering stages resulted in significant increase of total water consumption but no significant effect on soil water consumption. Our results showed high yield but low WUE under condition A and high yield and high WUE under condition B, when watering at seeding, jointing and anthesis stages. Under condition C, high yield and high WUE were obtained only when watering at jointing and anthesis stages, whereas, supplemental irrigation at seeding and over-wintering stages were unnecessary. We conclude that available soil water at seeding stage is the basis and important to reasonable supplemental irrigation during wheat growth.

Available soil water at seeding stage; Supplemental irrigation; Water consumption characteristics; Dry matter accumulation and distribution; Grain yield

(

): 2016-09-26; Accepted(接受日期): 2017-04-19; Published online(网络出版日期): 2017-05-23.

10.3724/SP.J.1006.2017.01357

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项经费(201503130)和国家自然科学基金项目(31271660)资助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503130) and the National Natural Science Foundation of China (31271660).

*通讯作者(Corresponding author): 王东, E-mail: wangd@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8240096

联系方式: E-mail: sdwslinxiang@163.com

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170523.1856.006.html