韩美坤,张 萌,李金鹏,徐学欣,王云奇,张英华,王志敏
(中国农业大学农学院,北京 100193)
播前贮墒量对黑龙港平原旱作冬小麦产量及水分利用的影响
韩美坤,张 萌,李金鹏,徐学欣,王云奇,张英华,王志敏
(中国农业大学农学院,北京 100193)
为明确黑龙港平原正在推广应用的冬小麦贮墒旱作栽培的播前土壤适宜墒情,研究了不同贮墒水平对小麦产量和水分利用效率的影响。试验于2014-2015和2015-2016年在河北吴桥进行,通过播前补灌设置5个贮墒水平,即2 m土体含水量分别为田间持水量的75%(W1)、 80%(W2)、 85%(W3)、90%(W4)、100%(W5)。结果表明,随贮墒量的增加,小麦全生育期耗水量显著增大,以W5处理的耗水量最大;提高贮墒量可促进小麦增产,但在贮墒量达到一定程度后产量变化不再明显,两年平均产量以W4处理最大;在W1、W2和W3处理间小麦水分利用效率差异不显著,而W4和W5处理显著低于前三个处理。在本试验土壤及降雨条件下,把播前2 m土壤含水量调整为田间持水量的85%~90%是贮墒旱作最适宜的贮墒水平。
冬小麦;贮墒量;产量;水分利用效率
Abstract:To evaluate effects of different soil water content before sowing on grain yield and water use characteristics in winter wheat without supplemental irrigation during whole growing season,a field experiment was conducted with five soil relative water content treatments in 0-2 m soil layer by 75%(W1),80%(W2),85%(W3),90%(W4) and 100%(W5) applied before wheat sowing in 2014-2015 and 2015-2016 at Wuqiao,Hebei. The results showed that,with the increase of soil water content before sowing,the total water consumption was increased concomitantly.The high soil water content before sowing could increase wheat grain yield,but the excessive soil water could not concomitantly enhance the yield. The water use efficiency(WUE) showed a trend of increase and then decrease with the increase of soil water content before sowing. The highest yield and WUE were achieved under W4 and W3 treatments,respectively.These results indicated that the optimal soil water content for no-irrigation wheat was 85%-90% of field capacity in the Heilonggang Plain.
Keywords:Wheat; Soil water storage before sowing; Grain yield; Water use efficiency
河北黑龙港平原区水资源紧缺,每年降雨量的70%以上集中在7-9月份,冬小麦季降水不能满足其正常生长发育的需求[1-2]。传统栽培为了保证冬小麦高产,生育期常灌溉3~4次,灌溉用水主要依靠大量抽取地下水来供应,从而产生地下水资源日趋减少、水质恶化、地面沉降等生态环境问题[3]。近年来推广应用了冬小麦节水栽培技术[4-5],已使小麦春季灌溉次数减至2水,节省了灌溉用水,但小麦灌溉用水紧缺局面的缓解依然任重道远。
底墒对旱地小麦生长发育有重要影响[6-8]。在底墒充足的条件下,冬小麦生育期受旱后仍能获得较好的产量[8-10]。上官周平等[11]认为,在黄土旱塬,底墒是作物产量形成的基础,生育期降雨对作物产量形成至关重要。合适的底墒能够增强冬小麦早期生长势,增加冬前植被覆盖率,减少土壤蒸发[12];通过促进根系横向伸展和纵向伸长,使小麦吸收更多的水分和养分[13];增加分蘖数,提高成穗率,累积更多的干物质,增加潜在籽粒库容[14];底墒供水能够持续到灌浆后期,配合合适的肥料基施,增强对土壤贮水的有效利用,提高氮素利用效率[14-15];花后干旱可促进同化物和氮素转运,对维持籽粒产量、提高品质具有重要意义[16-17]。近年来,针对黑龙港平原地下水严重超采区节灌压采的现实需求,我们把旱地小麦栽培技术与节水灌溉技术相结合,研究提出了冬小麦贮墒旱作栽培模式,即在小麦播种前浇足底墒水(贮墒),生育期内不再灌溉,充分利用土壤水和降水实现小麦丰产高效。多年定位试验[18]表明,浇足底墒水、生育期不灌水的贮墒旱作模式可使小麦稳定获得6 000~7 500 kg·hm-2产量。目前,冬小麦贮墒旱作栽培模式正在地下水严重超采区示范应用,但有关贮墒旱作小麦产量形成特征与水分利用特性研究尚少,为促进该项技术的推广,需要进一步明确黑龙港平原生态条件下贮墒旱作冬小麦播前合适的贮墒量及其效应。为此,本研究探讨了不同播前贮墒量对冬小麦产量、耗水特性和水分利用效率的影响,以期为贮墒旱作小麦适宜贮墒量的确定提供依据。
试验于2014-2015和2015-2016年在河北黑龙港平原区吴桥县姚庄村(116°37′E,37°41′N)进行。该地海拔14~22 m。试验地土壤为壤质潮土,0~20 cm土壤有机质含量10.4 g·kg-1,全氮含量0.98 g·kg-1,碱解氮含量60.23 g·kg-1,速效磷含量39.5 g·kg-1,速效钾含量92 g·kg-1。0~200 cm 土体自上而下每20 cm土层对应的土壤容重分别为1.35、1.38、1.43、1.41、1.44、1.46、1.45、1.42、1.42和1.42 g·cm-3。田间持水量和萎蔫点在0~80 cm土层分别为22.2%和6.5%,在80~140 cm土层分别为23.8%和10.2%,在140~200 cm土层分别为29%和11.3%。2个小麦季降水分布见表1。
2年试验处理一致,设置5个播前2 m土体贮墒水平处理,分别为相对含水量(土壤含水量/田间持水量)75%、80%、85%、90%和100%。根据前茬夏玉米收获后土壤墒情和设定的目标贮墒水平确定播前底墒水灌溉量,使之达到目标土壤含水量。实际贮墒水平见表2。供试小麦品种为石麦15。2014-2015和2015-2016年小麦分别在10月19日和10月14日播种,播种量均为270 kg·hm-2。各处理均底施磷酸二铵(含氮18%)300 kg·hm-2、尿素(含氮46%)273.9 kg·hm-2、钾肥(K2O)225 kg·hm-2和锌肥(ZnSO4)30 kg·hm-2,小麦生长期不再施肥。其他田间管理措施按小麦节水栽培技术[5]进行。
表1 2014-2015和2015-2016年冬小麦生长季降水分布Table 1 Distribution of rainfall during growing seasons of winter wheat in 2014-2015 and 2015-2016 mm
1.2.1 土壤水分含量测定
在播前和不同生育时期,用土钻在0~200 cm土体分层取土样,每20 cm为一层,用烘干法测定土壤含水量。计算耗水量(WCA)、耗水模系数、耗水强度和土壤有效水含量。
WCA=ΔS+Pr+I-R-D+C;耗水模系数=生育阶段耗水量/全生育期总耗水量×100%;耗水强度=生育阶段耗水量/生育期持续天数; 土壤有效水含量=土壤贮水量-萎蔫点含水量。
公式中,ΔS为土壤贮水消耗量(播种时与成熟时或生育阶段前、后土壤含水量之差),Pr为降水量,I为灌溉量,R为地表径流量,D为深层渗漏量,C为毛细管水利用量。在本试验中,生育期内没有灌溉和地表径流,地下水位低于9 m,所以I、R、D、C均设为0 mm。
1.2.2 产量测定
在冬小麦成熟后,每小区取2 m2代表性样点,脱粒测产,籽粒含水率按13%计。灌溉水生产力=产量/播前灌溉量;水分利用效率=产量/总耗水量。
数据用Excel 2010整理,用SPSS 20.0进行统计分析和处理间差异显著性检验(LSD法)。
表2 2014-2015和2015-2016年不同处理冬小麦播前灌溉量2 m土体贮墒量和有效水含量Table 2 Storable water content and available water content of 2 m soil before sowing under five water treatments in 2014-2015 and 2015-2016 growing seasons of wheat
方差分析表明,年份及播前贮墒量对小麦产量及其构成因素均影响显著,在产量、穗数及穗粒数上年份与播前贮墒量的交互作用也显著。2015-2016 年度播期较早,小麦产量均高于2014-2015年(表3)。2个年度的小麦产量均随播前贮墒量的增加而增加,但增加到一定程度时产量变化不再明显。2年的平均产量以W4处理最高。各产量构成因素也随贮墒量增加呈现出与产量相似的变化趋势,但收获指数则呈现出降低趋势。
表3 播前贮墒量对旱作冬小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effect of different soil water treatments before sowing on yield,yield components,and harvest index under no irrigation condition
同列数据后不同字母表示同一生长季不同处理间有显著差异(P<0.05)。下表同。
Values fallowed by different letters within same columns are significantly different among treatments in same growth season at 0.05 level.The same in other tables.
表4 播前贮墒量对旱作冬小麦不同生育阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度的影响Table 4 Effect of different soil water content before sowing on water consumption amount,percent,and intensity at different growth stages under no irrigation condition
WCA、WCP和WCD分别指耗水量、耗水模系数和耗水强度。
WCA,WCP and WCD refer to the amount,percent,and intensity of water consumption,respectively.
播前贮墒量对冬小麦各生育阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度均具有显著影响。本试验把底墒水归为土壤贮水,生育期内没有灌溉,耗水量主要由降雨和土壤水消耗量构成。2年的试验结果表明,随播前土壤贮水量的增加,小麦各生育阶段耗水量及全生育期总耗水量均增加(表4)。由于2个年份播期和降水分布有所不同,小麦各生育阶段耗水模系数及耗水强度在年份间也存在差异,但阶段耗水强度均以开花至成熟期最高,拔节至开花期次之,播种至拔节期较小。随着贮墒量的增加,阶段耗水强度也增加,且全生育期的耗水强度在处理间差异显著。
2.3.1 不同贮墒量下土壤有效水含量的变化
由表5可以看出,随着生育期的推进,土壤有效水含量逐渐减少,且小麦播前土壤贮墒量越高,各生育阶段土壤有效水消耗量越大。在2014-2015年度,W1、W2、W3、W4和W5处理全生育期土壤有效水累积消耗量分别为162、183、206、235和298 mm,2015-2016年度则分别为170、190、228、262和300 mm。2年度土壤水消耗量最大的时期均为开花到成熟期。冬小麦成熟后,土壤有效水残留量随贮墒量的增加而增加,2个年度不同处理平均有效水残留值分别为128和116 mm。由此可见,增大播前土壤贮墒量在增加小麦对土壤水分消耗的同时,也提高了小麦收获后土壤含水量。
2.3.2 土壤水消耗的空间分布及对相关特性的影响
冬小麦在整个生育期对2 m土体不同土层的水分均有利用,且耗水量随土层深度的增加呈减少趋势;贮墒量越多,各土层耗水量也越多,且处理间的差异随土层的下移而减少(表6)。不同处理平均而言,0~140 cm的耗水量占全生育期2 m土体土壤水总消耗量的80%~90%。
随着贮墒量的增加,土壤贮水消耗量逐渐增加,消耗量占土壤总贮水量和有效水贮量的比例均逐渐提高(表7)。2年中,土壤水消耗量占贮水量的平均比例为37%,占有效水量的平均比例为65%。土壤贮水消耗量占总耗水量的比例为53%~69%,也随播前贮墒量的增加而增加。
表5 播前贮墒量对旱作冬小麦不同生育时期土壤有效水含量的影响Table 5 Effect of different soil water treatments before sowing on available water content in soil under no irrigation condition mm
括号中的数据为有效水累计消耗量。
The amount of accumulated soil water consumption during growth stage was shown in bracket.
表6 播前贮墒量对旱作冬小麦2米土体不同土层有效水消耗量的影响Table 6 Effect of different soil water content before sowing on water consumption amount in various soil layers of wheat under no irrigation condition
旱地雨养小麦的水分来源是底墒水和生育期降水,在降水少的西北旱区,播前土壤底墒直接影响小麦产量丰歉。因此,增加底墒并充分利用土壤水和降水一直是旱地雨养农业的重要研究方向[19-22]。华北是我国粮食主产区,以冬小麦-夏玉米一年两熟为主要种植制度,但由于降水量不足和季节分配不均,冬小麦长期依靠超采地下水维持高产[23]。为了减少地下水超采,对于地下水严重超采的河北黑龙港地区,推行冬小麦节水技术,发展旱作雨养种植是当前农业研究的重要方向。
表7 贮墒量对旱作冬小麦土壤贮水利用的影响Table 7 Effect of different soil water content before sowing on consumption of soil water in wheat under no irrigation condition %
表8 播前贮墒量对旱作冬小麦耗水构成、灌溉水生产力和水分利用效率的影响Table 8 Effect of different soil water content before sowing on water consumption,irrigation water productivity and water use efficiency of wheat under no irrigation condition
考虑到该区域一年两熟资源利用特点和冬小麦播前底墒的不确定性,为保证小麦正常出苗、安全越冬和维持适度高产,我们认为通过播前灌溉调整土壤贮水,确保足够底墒是必要的,在此基础上可于生育期内实施旱作栽培。此种“贮墒旱作”模式既不同于西北一熟地区的纯旱作模式,也不同于华北两熟区现行春季补灌的节水灌溉模式,可以在大幅度减少灌溉用水的同时获得较高产量[18]。冬小麦根系可深扎2 m,2 m的土层是个庞大的土壤水库。从本试验土壤类型看,2 m土体有效水贮量最高可达443 mm。2年的试验结果表明,随着播前土壤贮墒量的增加,旱作小麦的产量也增加,当土壤贮墒量达田间持水量的90%(W4)左右时,旱作小麦的产量也达到最高值。因此,播前调整土壤贮水使其达到足墒水平,对于旱作高产是必要的。
在贮墒旱作模式下,由于降水的不确定性,土壤贮水的多少对耗水量有决定性影响。从本试验结果看,不同贮墒量下小麦的耗水量有很大差异,贮墒量越多,耗水量越大,2年度不同处理耗水量范围分别为308~444 mm(2014-2015)、305~434 mm(2015-2016)。处理间耗水量的差异性,从时间上看在各生育阶段均有显著表现,从空间上看则主要表现在上层土壤。播前贮墒量少,各阶段水分利用少,会影响干物质生产,特别是小麦生育中期较早出现上层土壤水分亏缺,影响成穗数并降低穗粒数,水分持续严重亏缺还会降低千粒重,从而导致低产 (如W1、W2处理)。但播前贮墒量过高的W5处理的耗水强度大,在时间(各生育阶段)和空间上(主要是0~160 cm)的耗水量均显著高于其他处理。由于播种至拔节期冠层覆盖度小,该阶段的耗水中属于无效蒸发的耗水比例较大,因此,此阶段耗水量过多会造成土壤水较多的浪费,影响水分利用效率[24-25]。2年度的水分利用效率在W1、W2、W3三个处理间差异不大,W3处理最高,再增加贮墒量,水分利用效率降低,与W3处理相比,W5处理的水分利用效率下降16.3%。可见,随贮墒量的增加,产量也增加,但产量最高值并不是在贮墒量最高值获得的;过低的贮墒量不能获得较高的产量,但过高的贮墒量增加了总耗水量和无效耗水量,水分利用效率降低。可见,贮墒旱作小麦高产和高水分利用效率并不完全一致。在本试验条件下,播前贮墒量达田间最大持水量的85%~90%时小麦获得最高产量和较高水分利用效率,此为适宜的贮墒水平。
合适的贮墒量为保障冬小麦正常越冬提供适宜的土壤水分环境,小麦返青后随着土壤水分从上到下不断被吸收利用,表层水分亏缺促进根系深扎,促使小麦开花后利用深层地下水,保障小麦完成整个生育期,稳定小麦产量,提高土壤水分利用率[26-28]。本研究中两年均值表明,随贮墒量的增加,2 m土体每层贮水的消耗量增加,就整个土体而言,从W1~W2、W2~W3、W3~W4、W4~W5,土壤贮墒量分别增加37、36、34、70 mm,对土壤水的利用分别增加20、31、31、51 mm,即增加的土壤水未被完全利用,冬小麦成熟时2 m土体残留的有效水量仍分别有101、117、122、125、144 mm,贮墒量越高,收获后残留的土壤水分也越多。这说明,即使生育期内不灌溉,2 m土体有效水也不能完全被利用,小麦对土壤水的利用尚有很大潜力可挖。在华北一年两熟区,降雨主要集中在7-9月份,通常年份夏秋降雨超过了当时作物需水,为了避免多余的水分流失,需要有较大的土壤空库容接纳雨水。小麦贮墒旱作充分利用土壤水,麦收后腾出了足够大的库容,对提高周年降水的利用效率具有重要作用[18,23]。
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InfluenceofDifferentSoilWaterStoragebeforeSowingonYieldandWaterUseEfficiencyofWinterWheatintheHeilonggangPlain
HANMeikun,ZHANGMeng,LIJinpeng,XUXuexin,WANGYunqi,ZHANGYinghua,WANGZhimin
(College of Agronomy,China Agricultural University,Beijing 100193,China)
时间:2017-09-13
网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170913.1139.012.html
S512.1;S311
A
1009-1041(2017)09-1201-08
2017-02-02
2017-03-21
国家重点研发计划项目(2016YFD0300401);国家小麦产业技术体系项目(CARS301)
E-mail:hanxin8911@163.com
王志敏(E-mail:zhimin206@263.com )