不同灌溉条件对冬小麦产量及水分利用效率的影响

郝秀钗，李建波，张胜爱，郭佳，陈素英，史占良，刘长悦

（1.石家庄市藁城区农业技术推广中心，河北藁城052160；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，中国科学院农业水资源重点实验室，河北省节水农业重点实验室，河北石家庄050022；3.石家庄市农林科学研究院，河北石家庄050041；4.天津科润黄瓜研究所，天津300192）

不同灌溉条件对冬小麦产量及水分利用效率的影响

郝秀钗1，李建波1，张胜爱1，郭佳1，陈素英2*，史占良3，刘长悦4

（1.石家庄市藁城区农业技术推广中心，河北藁城052160；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，中国科学院农业水资源重点实验室，河北省节水农业重点实验室，河北石家庄050022；3.石家庄市农林科学研究院，河北石家庄050041；4.天津科润黄瓜研究所，天津300192）

为优化华北地区冬小麦灌溉制度，提高水分利用效率，达到节水增产目的，以冬小麦品种石麦19和石麦22为试材，灌溉条件设冬小麦生育期灌溉次数1、2、3次3个水平(依次用I1、I2、I3表示)，其中，2次灌溉处理又根据灌溉时间的不同设定了4种组合〔起身期＋灌浆期灌溉（I2-1），越冬期＋起身期灌溉（I2-2），越冬期＋拔节期灌溉（I2-3），越冬期＋拔节后期灌溉（I2-4）〕，研究了不同灌溉条件对冬小麦产量及水分利用效率的影响。结果表明：石麦22产量潜力较高，不同灌溉条件处理的平均产量较石麦19提高8.75%。2个品种的产量均随灌溉次数的增加而明显提高；但从同一灌溉次数处理的平均产量看，石麦22更适于节水灌溉，其中，灌溉1水条件下产量较石麦19略高，灌溉2水条件下较石麦19平均增产14.16%。在灌溉2水的处理中，石麦19产量以越冬期＋拔节后期灌溉组合（I2-4）最高，且与其他灌溉时间组合处理差异均达到了极显著水平；石麦22产量以越冬期＋起身期灌溉组合（I2-2）最高，与起身期＋灌浆期灌溉组合（I2-1）差异不显著，但二者均与其他灌溉时间组合差异达到了极显著水平。2个品种的产量均与成熟时的单位面积有效穗数呈极显著正相关。生产上可根据不同的灌溉条件选择灌溉次数和小麦品种，节水灌溉条件下，推荐选种石麦22；在条件允许灌溉2水的区域，应在越冬水的基础上进行1次春季灌溉，推荐石麦19在拔节后期灌溉，石麦22在起身期灌溉。

冬小麦；灌溉次数；灌溉时间；节水灌溉；产量；产量构成因素；水分利用率

河北省是我国粮食生产大省，也是水资源短缺省份之一，全省水资源总量204.8亿m3，人均占有量仅为全国平均水平的1/7，已逼近国际公认的人均300 m3的正常生存最低线[1]。当前河北省的水资源消耗主要是农业用水，农业灌溉用水占全省总用水量的71%左右。冬小麦-夏玉米一年两熟制为河北省农业主要种植模式，两季作物总耗水量为800～850 mm/a[2，3]。而河北省年均降水量为480～500 mm，且70%以上的降水集中在7～9月，其中，10月至翌年6月冬小麦生育期的降水量仅为100～120 mm[4]，远远不能满足高产用水需求，需要进行补充灌溉。由于地表水缺乏，农业灌溉用水全部靠超采地下水资源，致使河北省山前平原的地下水位由1970年的10 m左右下降到目前的40 m左右，且还引起了地面沉降和潜在海水入侵等一系列环境问题[5，6]。实施优化灌溉制度，不但可以减少地下水开采，缓解水资源短缺的问题，而且还可以根据作物的需水规律，把有限的灌溉水量在作物生育期内进行最优分配，达到高产高效的目的[7]。

国内外关于优化灌溉制度和节水灌溉模式的研究已经开展了多年[8]，结果显示，由传统的充分灌溉发展为非充分灌溉，即在作物对水分不敏感的生育期进行适度干旱，产量不一定降低。研究表明，小麦、玉米、水稻等作物实施非充分灌溉后，用水效率可以提高10%～42%[9]；在冬小麦返青~起身期、灌浆后期控水，产量分别增加8.5%和1.1%，而在其他生育期进行水分胁迫时产量则降低[10]；在小麦灌浆期进行水分胁迫，可以促进同化物运输，不仅明显改善水分利用效率，而且还可以提高收获指数和千粒重[11]。因此，在有限的水资源供给下，综合考虑灌水成本与产品价值，确定合理的灌水量、灌水时间，以及灌水在作物间的分配等[12]，是目前很多学者正在研究和亟需解决的问题。

河北山前平原井灌区冬小麦生产上普遍存在灌水次数偏多、农田水分利用效率偏低的现象。针对该区实际现状，进行不同灌溉条件（灌溉次数、灌溉定额、灌溉时间）对冬小麦产量及水分利用效率影响的研究，以期建立优化的冬小麦灌溉制度，在保证增产的基础上降低小麦生育期的灌水次数和灌水定额，减缓该区地下水的下降速度，促进该区农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014～2015年在河北省石家庄市藁城区刘家庄村进行。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均降水量494 mm，无霜期190 d；地势平坦，土壤质地良好，为典型的太行山前平原高产农区；种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟，夏玉米秸秆全部还田。

1.2 试验材料

参试小麦试材为石家庄市农林科学院选育的国审冬小麦品种石麦19和石麦22。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计采取大区对比试验设计，每个试验区面积均为0.133 hm2，随机排列。灌溉条件设冬小麦生育期灌溉次数1、2、3次3个水平，依次用I1、I2、I3表示，其中，2次灌溉处理又根据灌溉时间的不同设定了4种组合（表1），每次灌溉量均为75 mm，每处理均3次重复。

表1 不同处理的灌溉次数、灌溉时间和灌水总量Table 1 Irrigation times，period and amounts under different irrigation conditions

小麦播种前施双联复合肥（N、P2O5、K2O含量分别为18%、22%、5%）750 kg/hm2做基肥；2014年10月8日播种，播种量165 kg/hm2，采用行距12 cm-12 cm-12 cm-24 cm的“三密一稀”形式种植，播种前后2次镇压；2014年11月13日喷1次除草剂进行冬季除草，2015年3月27日喷1次除草剂进行春季除草，2015年5月6日和15日各喷施1次10%吡虫啉粉剂300 g/hm2＋25%粉锈宁粉剂300 g/hm2进行冬小麦病虫害综合防治；其他管理措施同大田常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 小麦株高和产量性状。小麦收获期，每处理随机选取10株，测定株高。小麦成熟后，采用“S”型取样法取样，每处理取3点，每点取样面积均约2 m2，进行室内考种，测定成穗数、穗粒数、千粒重和产量。

1.3.2.2 水分利用效率。根据土壤储水量、农田耗水量和经济产量指标，计算水分利用效率。

（1）土壤储水量。小麦播种前和收获后，在0～1 m土层，每处理随机取土样3个，采用烘干法测定土壤含水量。根据公式，计算土壤储水量：

式中，i＝20，40，60，80，100；hi为土层深度（cm）；pi为土壤容重（g/cm3）；bi为每层的土壤含水量（g/g）；n为土层数（说明：0～20 cm为1层，1～5层）。

（2）农田耗水量。计算公式为：

式中，ET为作物实际耗水量（mm）；SWD为0～1 m土层的土壤水分消耗量（mm），即收获时该土层土壤储水量与播种前该土层土壤储水量的差值；P为降水量（mm），数据来自石家庄市藁城区气象站；I为灌溉量（mm）；W为土壤毛细管提升水量（mm）；D为水分下渗量（mm）；R为地表径流量（mm）。

一般认为地下水位埋深＞4 m后，农作物对于地下水的提取作用可以忽略不计[13]。目前试验区的地下水位埋深约为40 m，故土壤毛细管提升水可以忽略不计[14]。试验期间没有发现地表径流，D为根层水分渗漏量，与每次的灌溉量和降水量有关，试验区小麦生育期每次灌溉量均为75 mm，湿润土壤深度一般在1 m之内，生育期每次降水量也较小，不会造成渗漏。因此，将W、R和I设定为0，农田耗水量计算公式则简化为：ET＝SWD＋P＋I。

（3）水分利用效率。计算公式为：

式中，WUE为水分利用效率；Y为经济产量（kg/hm2）；ET为农田耗水量（mm）。

1.3.3 数据处理采用EXCEL 2007和SPSS 16.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉条件对冬小麦株高的影响

不同灌溉条件对参试小麦品种株高的影响效果不同（表2）。石麦19株高随灌溉次数的增加而提高，且不同灌溉次数处理的差异均达到了极显著水平；在灌溉2水处理的不同灌溉时间组合中，I2-1组合株高最大且显著＞I2-2除外的其他组合处理，I2-3组合株高最低且与其他组合处理差异均达到了显著水平。石麦22株高以灌溉3水处理最高，极显著＞其他灌水次数处理；在灌溉2水处理中，不同灌溉时间组合的株高差异均达到了极显著水平，其中，I2-2组合株高最大，I2-3组合株高最低。

表2 不同灌溉条件对冬小麦株高的影响（cm）Table 2 Effect of different irrigation conditions on the plant height of winter wheat

2.2 不同灌溉条件对冬小麦产量及其构成因素的影响

2.2.1 灌溉条件对产量的影响石麦22不同灌溉条件处理的平均产量为7 430.88 kg/hm2，较石麦19高8.75%（表3）。表明石麦22的产量潜力高于石麦19。

2个参试小麦品种对灌溉次数的产量响应表现一致，均随灌溉次数的增加而提高，且不同灌溉次数之间的产量差异均达到了极显著水平。石麦19灌溉1水、2水、3水处理的平均产量分别为6 196.55、6 607.43和8 373.10 kg/hm2，其中，灌溉2水处理较灌溉1水处理增产6.60%，灌溉3水处理分别较灌溉1水、2水处理增产35.10%和26.70%；石麦22灌溉1水、2水、3水处理的平均产量分别为6 214.35、7 543.26和8 197.90 kg/hm2，其中，灌溉2水处理较灌溉1水处理增产21.38%，灌溉3水处理分别较灌溉1水、2水处理增产31.92%和8.67%。

从参试小麦品种同一灌溉次数处理的平均产量看，灌溉1水条件下，石麦22产量略高，但与石麦19差异不大；灌溉2水条件下，石麦22较石麦19平均增产14.16%；而灌溉3水条件下，石麦22较石麦19却平均减产2.1%。可以看出，石麦19在灌溉3水时产量潜力最大，而石麦22在灌溉2水时即能充分发挥增产潜力。因此，初步确定石麦22较石麦19更适于节水灌溉。

在灌溉2水条件下，参试小麦品种4个灌溉时间组合的产量顺序不同，其中，石麦19产量顺序为I2-4＞I2-3＞I2-2＞I2-1，其中，I2-4组合与其他组合差异均达到了极显著水平，I2-3与I2-2组合差异不显著但均与I2-1组合差异达到了极显著水平；石麦22产量顺序为I2-2＞I2-1＞I2-3＞I2-4，其中，I2-2与I2-1组合差异不显著但均与其他2个组合差异达到了极显著水平，I2-3与I2-4组合差异也达到了极显著水平。总体分析不同灌溉时间下参试小麦品种的产量变化，认为灌溉2水时选择越冬期＋春季灌溉效果较好。进一步对不同小麦品种越冬水＋春季灌溉的3个组合（I2-2、I2-3、I2-4）产量进行分析发现，随着春季灌溉时间的推迟，石麦19产量呈逐渐增高趋势，其中，起身期灌溉与拔节期灌溉差异不大；而石麦22产量则呈极显著逐渐降低趋势。因此，在生产上可以针对小麦品种的不同适当调节春季灌溉的时间，其中，石麦19在拔节后期灌溉产量最高，石麦22在起身期灌溉产量最高。

表3 不同灌溉条件对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of different irrigation conditions on the yield and yield components of winter wheat

2.2.2 灌溉条件对产量构成因素的影响

2.2.2.1 对成穗数的影响。相同灌溉条件下，石麦22的成穗数均＞石麦19，最终，平均成穗数为747.37穗/m2，较石麦19多18.02%。表明石麦22的成穗数多于石麦19。

参试小麦品种的平均成穗数均随灌溉次数的增加而明显增多。石麦19灌溉1水、2水、3水处理的平均成穗数分别为498.88、641.63和734.11穗/m2，差异达到了极显著水平，其中，灌溉2水处理较灌溉1水处理增加28.6%，灌溉3水处理分别较灌溉1水、2水处理增加47.2%和14.4%。石麦22灌溉1水、2水、3水处理的平均穗数分别为631.07、765.79和790.02穗/m2，差异达到了极显著水平，其中，灌溉2水处理较灌溉1水处理增加21.35%，灌溉3水处理分别较灌溉1水、2水处理增加25.18%和3.17%。

在灌溉2水处理的4个灌溉时间组合中，参试小麦品种的成穗数均以春季灌溉2水组合（I2-1）最少，且与其他组合差异均达到了极显著水平，表明在灌溉越冬水的基础上于春季再灌溉1次较春季灌溉2水能明显促进小麦成穗数增多。在越冬水＋春季灌溉的3个组合中，随着春季灌溉时间的推迟，石麦19成穗数呈逐渐增多趋势，石麦22成穗数表现为I2-2＞I2-4＞I2-3且差异均达到了极显著水平。生产上针对不同的小麦品种进行春水灌溉时，若仅仅是从提高成穗数角度考虑，认为石麦19的春季灌溉时间可以从拔节期开始，至拔节后期结束；石麦22的春季灌溉时间可以从起身期开始，至拔节期结束。

2.2.2.2 对穗粒数的影响。相同灌溉条件下，石麦19除春季灌溉2水处理的平均穗粒数＜石麦22外，其他灌溉条件处理的成穗数均较多，最终，平均穗粒数为33.67粒/穗，较石麦22多9.10%。表明石麦19的穗粒数多于石麦22。

石麦19灌溉1水处理的穗粒数最多，且与其他处理差异均达到了极显著水平；而灌溉2水和3水各处理的穗粒数差异均不显著。石麦22春季灌溉2水（I2-1）处理的穗粒数最多，越冬期＋起身期灌溉组合（I2-2）的穗粒数最少。

2.2.2.3 对千粒重的影响。石麦19不同灌溉条件处理的平均千粒重为38.04 g，较石麦22略高，但差异不大。不同灌溉条件对参试小麦品种的千粒重影响均较大，石麦19不同灌溉次数的平均千粒重顺序为1水＞3水＞2水，且差异均达到了极显著水平；石麦22的千粒重随着灌溉次数的增加而增加。在灌溉2水的4个灌溉时间组合中，参试小麦品种均表现为春季灌溉2水组合千粒重最高。因此，仅仅从提高千粒重角度考虑，认为在起身期和灌浆期灌溉效果最好。

2.2.3 冬小麦产量与产量构成因素之间的相关性参试小麦品种产量均与成穗数呈极显著正相关；与穗粒数呈不显著负相关；与千粒重呈正相关，其中，石麦22产量与千粒重的相关性达到了极显著水平（表4）。因此，通过适期灌溉增加成熟时的成穗数是提高小麦产量的关键。

表4 冬小麦产量与产量构成因素之间的相关关系Table 4 Relationship between yield and yield components of winter wheat

2.5 不同灌溉条件对冬小麦水分利用的影响

不同灌溉条件下，参试冬小麦的耗水量和水分利用率不同（表5）。石麦19、石麦22生育期总耗水量均以灌溉3水处理最高，分别为431.02和478.58 mm，其中，石麦22的总耗水量高于石麦19。2个品种生育期总耗水量最低值的灌溉条件不同，其中，石麦19以I2-1处理最低（348.31 mm），而石麦22以I1处理最低（383.26 mm）。

石麦19水分利用率以I3处理最高（1.93 kg/m3），其次是I2-4、I2-1和I2-2处理；石麦22水分利用效率以I2-2处理最高，其次是I2-3、I2-1和I3处理。

表5 不同灌溉条件对冬小麦水分利用的影响Table 5 Effects of different irrigation conditions on the water use efficiency of winter wheat

3 结论与讨论

作物的节水特性在多种性状中表达[15]，但作物生产的最终目的是减少灌溉，获得高产。我国北方冬小麦种植区小麦生育期降水量较少，不能满足其高产用水需求，因此，补充灌溉对实现小麦高产稳产十分必要[16]。在有限的水资源条件下，通过优化灌溉次数（灌溉定额）和灌溉时间可以建立科学的灌溉制度，从而达到增产、节水的目的。当前，筛选并种植限水灌溉条件下产量潜力高的小麦品种，是实现节水高产的有效途径之一，对缓解区域水资源短缺具有重要意义[17～21]。以石家庄地区种植较广的国审冬小麦品种石麦19和石麦22为试材，通过设定小麦生育期不同灌溉次数以及2次灌溉条件下不同灌溉时间组合，研究了不同灌溉条件对冬小麦产量及水分利用率的影响。结果表明，参试冬小麦品种对不同灌溉次数的产量响应基本相同，均随着灌溉次数的增加而提高，其中，石麦22的产量潜力较大，平均产量较石麦19高8.75%。从参试小麦品种不同灌溉次数的平均产量看，灌溉1水时，石麦22产量略高于石麦19，但差异不显著；灌溉2水时，石麦22较石麦19平均增产14.16%；而灌溉3水时，石麦22较石麦19却平均减产2.1%。2个参试冬小麦品种产量均与其成穗数呈极显著正相关，因此，采用相应的灌溉制度增加成熟时的成穗数可以达到提高产量的目的。在本研究中我们还发现，石麦22的抗冻性和抗旱性均强于石麦19，仅春季灌溉1水就能够保证其足够的成穗数。可以看出，与石麦19相比，石麦22更适于节水高产栽培。在实际生产上，可根据灌溉条件选择适宜的小麦品种和灌溉次数，节水灌溉条件下推荐优先种植石麦22，其中，在灌溉2水时其产量潜力发挥得更充分。本研究中仅测定了小麦生育期0～1 m土层的含水量，而实际中小麦根系较深，通常需要测定0～2 m土层的含水量。因此，小麦生育期的耗水量会比实际值偏低，而水分利用率会比实际值偏高。

试验区2014年夏秋季降水量明显少于往年，造成麦田底墒不足；小麦播种后至返青期降水量为11.1 mm，较前3 a平均降水量（30.7 mm）减少63.9%；而冬季晴天多（日照时数多达154 h，较前3 a平均日照时数多46.3%），积温较前3 a多218.5℃，造成土壤水分蒸发量大，麦田墒情损失较重。受低温、干旱的影响，在2015年早春许多麦田出现了不同程度的死苗现象，本试验中越冬期未进行灌溉的几个区域均发生了死苗，成穗数明显少于冬灌区，尤其是抗寒性较石麦22弱的石麦19。本研究条件下，在灌溉2水处理的4个灌溉时间组合中，石麦19春季灌溉2水组合的产量极显著低于越冬期＋春季灌溉组合，石麦22产量以越冬期＋起身期灌溉组合最高。因此，针对不利气候，进行冬前灌溉是保证冬小麦正常越冬的有力措施。

2015年小麦拔节期，试验区的降水量为23.1 mm，较同期常年（前10 a）平均降水量（3.58 mm）多19.52 mm，适时适量的降水弱化了越冬水＋拔节水处理的产量结果。关于不同年份、灌溉次数和灌溉时间组合对冬小麦初生根以及次生根生长发育状况及其产量与产量构成因素的影响，还有待于进一步研究。

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Effects of Different Irrigation Conditions on Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat

HAO Xiu-chai1，LI Jian-bo1，ZHANG Sheng-ai1，GUO Jia1，CHEN Su-ying2*，SHI Zhan-liang3，LIU Chang-yue4
（1.Agricultural Technology Extension Center of Gaocheng District，Gaocheng 052160，China；2.Agricultural Resources Research Center，Institute of Genetics and Developmental Biology，Key Laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Science，Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-Saving，Shijiazhuang 050022，China；3.Shijiazhuang Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijianzhuang 050041，China；4.Tianjin kernel Cucumber Research Institute，Tianjin 300192，China）

In order to optimize the irrigation system to increase the yield and improve the water use efficiency（WUE）of winter wheat in North China，the field experiments of different irrigation conditions to the yield and WUE of winter wheat varieties Shimai19 and Shimai22 were carried out.The experiment included 6 treatments. The irrigation times treatments were design as 1 time，2 times and 3 times in the growth period of wheat， which were successively expressed as I1，I2and I3. Andtherewerefourtreatmentsinirrigation2 times，including irrigation at setting stage and filling stage（I2-1），irrigation at over-wintering stage and setting stage（I2-2），irrigation at over-wintering stage and jointing stage（I2-3），and irrigation at over-wintering stage and after jointing stage（I2-4）. The results showed that the average yield of Shimai22 was higher than that of Shima19 by 8.5%under different irrigation conditions.There was the same response for irrigation times and combination.The yield of the two varieties increased with the increasing of irrigation times.Considering the average yield with same irrigation time，Shimai22 was more suitable for water-saving irrigation.With the irrigation treatment of I1，the average yield of Shimai22 was slightly higher than that of Shimai19，and which increased by 14.16%than that of Shimai19 with the irrigation treatment of I2.With the irrigation treatment of I2，the yield of Shimai19 of I2-4was the highest，which was significantly higher than that with the other treatments.With the irrigation treatment of I2，the yield of Shimai22 of I2-2was the highest，the differences with that of I2-1was not significant，while they were all significantly than that of other treatments.The yield of the two varieties showed highly significant positive correlation to the effective spike number at maturing stage.Therefore we could choose the different irrigation times according to the irrigation resource and equipment.Under the water saving condition，Shimai22 was recommended.If irrigation twice was allowed，irrigation might be carried in spring except irrigation at over-wintering stage.Shimai19 and Shimai 22 should be irrigated at late jointing stage and setting stage，respectively.

Winter wheat；Irrigation times；Irrigation period；Water-saving irrigation；Yield；Yield components；Water use efficiency

S512.1+1

A

1008-1631（2017）03-0001-06

2016-12-19

国家自然科学基金项目（31371578）；国家重点研发计划专项（2016YFD0300808）；河北省渤海粮仓科技示范工程项目

郝秀钗（1968-），女，河北藁城人，农艺师，主要从事农业试验示范和农技推广工作。Tel：0311-88042857；E-mail：hxc82120ok@126.com。

陈素英（1964-），女，河北元氏人，副研究员，主要从事农田节水机理与节水技术研究。Tel：0311-85871757；E-mail：csy@sjziam.ac.cn。