泾惠渠灌区冬小麦非充分灌溉模式研究

魏志莉，李 强，曹晓华，陈新明

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.陕西省泾惠渠灌溉管理局，陕西 三原 713800)

随着我国经济社会的快速发展，水资源供需矛盾越来越突出，从整体上提高农业用水效率已成为缓解用水危机的根本措施，农作物的非充分灌溉成为提高农业用水效率的主要手段之一。任何农业节水技术都必须充分考虑土壤--作物--水分的关系，实现水--土--作物关系的最优协调[1]。国内外研究表明：水分阶段性亏缺对作物生长发育具有双重性，在特定生育期使作物处于水分胁迫，不但不会减产，还可节约用水量[2,3]。在水资源日益紧张的今天，如何利用水分亏缺的双重性，研究作物非充分灌溉模式，对提高农业用水效率，保证农业生产持续发展具有重大的科学意义。泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，是一个从泾河自留引水的大型灌区，现有设施灌溉面积9.7 万hm2，有效灌溉面积8.8 万hm2，灌区以占全省2.4%的耕地，生产全省5.8%的粮食，提供商品粮占全省的10%，是陕西省重要的粮食生产基地之一[4]。随着农业用水要求的提高，泾惠渠灌区开始了非充分灌溉试验的尝试，但目前还没有具体可行的灌溉制度及模式。

因此，本研究采用理论与试验相结合的方式，研究泾惠渠灌区冬小麦不同生育期灌水量组合对其生理生长、产量及其构成因素、水分利用效率和节水经济效益的影响，分析冬小麦不同生育期的亏水灌溉最佳组合方式，提出合理的非充分灌溉制度模式，为确定灌区合理的灌水方案提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年10月至2016年6月在陕西省咸阳市泾阳县三渠镇泾惠渠灌区试验站进行。试验站地理坐标为东经108°54′，北纬34°33′，海拔433.72 m，水源为井水，灌溉用水量通过水表读数计量。土壤以中壤土为主，容重为1.43 g/cm3，孔隙率46%，入渗系数在150 mm/hm2左右，最大田间持水量(质量含水率)为24.4%，耕种条件良好，地下水埋藏深度30 m，故试验中地下水向上补给部分可忽略不计。小麦试验地前茬为玉米，每年夏玉米收后，10月中旬足熵散播小麦，小麦播量375 kg/hm2，品种为“豫麦49”，次年6月上旬收获。底肥为小麦专用肥，播量为750 kg/hm2。

泾阳县属温带大陆季风性气候，根据国家气象网陕西泾阳站气象资料显示，1986-2016年平均降雨量443.4 mm，蒸发量1 218.9 mm，但降雨多集中在夏季，小麦生育期多年平均降雨量175.9 mm，蒸发量559.6 mm，其有效降雨量不足小麦需水量的50%，较为干旱。2013-2016年小麦生育期内气象资料见表1，根据30年的降雨资料排频分析，其中2013，2014年为枯水年，2015，2016年为平水年。

表1 冬小麦生育期内气象资料表 mm

1.2 试验设计

试验地的田间排列采用顺序排列法，布设于灌溉站第二耕作区中部，根据冬小麦的生育特点和灌区的农作习惯，将冬小麦生育期划分为分蘖期、越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期及成熟期7个阶段。关中地区不同降水年型降水总量以及季节特征不同，但总体表现为越冬期及返青----拔节期缺水较为严重[5]，考虑上述因素，将灌水期分为冬灌、返青灌、拔节灌、抽穗灌和灌浆灌。本试验共设8个处理，水分处理用TR表示，每个处理设重复2次，采用大田小区试验，每个小区面积为20×2.6 m2，四周设有保护区。试验处理和灌溉定额详见表2。

1.3 试验测定指标与方法

(1)土壤含水率测定。在播种前、收获后以及每次灌水前后3 d进行土壤含水率的测定。方法采用土钻取土烘干法，在每个试验小区前中后各取1个测点，每个测点在0～100 cm土壤深度范围每隔10 cm取一个样进行测定，若有大量降雨则加测。

表2 冬小麦不同生育期灌水试验设计 m3/hm2

(2)小麦株高、产量测定。小麦成熟后，每个小区取面积为1 m2长势平均具有代表性的植株，采用直尺和游标卡尺测量从根基部到株高最高点即为株高。继而测定穗长等产量性状，然后进行脱粒考种，测定穗粒数，计算千粒重、每平方米产量和最终产量。

1.4 数据处理及分析方法

试验采用Excel 2010进行数据录入和计算，DPS软件进行数据统计分析处理，LSD法进行多重比较，运用方差分析统计法分析不同生育期灌水组合对冬小麦生理生态和产量及水分利用效率等的影响。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对冬小麦株高的影响

不同生育期灌水量组合对小麦生长发育有不同的影响，受水分胁迫时，植株体内生理结构、代谢活动发生变化，从而改变植株生长状况。株高是体现植物生长发育及冠层对水分效应的重要指标[6]，表3为2013-2016年不同灌水处理下冬小麦成熟后的株高。由表3知，灌水次数不同，植株株高差异显著；随着灌水量即灌溉定额的增大，株高总体呈现增加趋势，TR8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)处理株高最大。在2013年，2015年中，灌2水处理TR4、TR5、TR6三者相比较，植株株高无显著差异，但与仅冬灌的处理TR2相比，株高均有显著差异，2013年分别增加了0.8%，5.3%和6.6%，2015年分别增加了7.0%，9.0%和5.6%，这说明返青灌、拔节灌、抽穗灌对冬小麦株高呈显著性影响，且处理TR3株高显著大于TR1，两年分别增加了2.9%和4.8%。返青期后，由于气温升高，冬小麦进入快速生长时期，需水量也增加，故应避免该阶段的水分亏缺，保证返青期、拔节期的土壤水分含量，对冬小麦株高增长有积极的影响，这一结果与高振晓[7]、刘泉斌[8]等的研究结果是一致的。

2.2 不同灌水量对冬小麦产量及其构成因子的影响

表4为不同灌水处理下2013-2016年冬小麦产量及其构成因子分析表，冬小麦产量构成因子主要有株数、穗粒数、千粒重、产量。

表3 不同灌水处理冬小麦株高

表4 不同灌水处理冬小麦产量及其构成因子分析表

由表4知，各处理情况下，2013年、2014年TR2(冬灌)与TR1(不灌)相比株数差异显著，分别增加了8.6%和7.7%，2015年、2016年株数差异并不显著，但TR2比TR1分别增加了8.6%和14.8%，这说明冬小麦生育前期旱象明显时，适当的冬灌会增加冬小麦的分蘖数，进而增加株数，是冬小麦丰产的基础[9]；2013年、2014年、2016年穗粒数无显著差异，2015年中TR3(返青灌)穗粒数最小，与TR4(冬灌+返青灌)相比差异达到显著，说明冬灌可增加冬小麦穗粒数；在千粒重方面，TR8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)相比TR5(冬灌+拔节灌)和TR1(不灌)差异均达到显著水平，较TR5分别增长了16%、11.5%、8.2%和8.5%，这说明冬小麦千粒重与灌浆期水分供应密切相关，灌浆期水分胁迫会使冬小麦的千粒重降低；较TR1分别增长了32.3%、20.7%、10.7%和15.3%，所以千粒重和灌水量也密切相关，呈正相关关系，灌水量越多，千粒重越大[10]。

冬小麦产量与灌水量呈正相关关系，首先TR1(不灌)处理下，产量显著低于所有处理，随着灌水次数即灌溉定额的增加，产量也显著增加；灌2水处理下，2013年产量大小为TR4(冬灌+返青灌)>TR6(冬灌+抽穗灌)>TR5(冬灌+拔节灌)，冬灌+返青灌最佳，但差异不显著；2014年、2015年结果相同；2016年为TR4(冬灌+返青灌)>TR5(冬灌+拔节灌)>TR6(冬灌+抽穗灌)，冬灌+返青灌最佳，差异显著；冬小麦生育中期是植株生长和营养生长的旺盛期，营养物质需要水分的调运送到果实中去，这个阶段缺水的话会使果实缺乏营养造成不可逆转的产量减少，即使复水也难以弥补，所以返青期应是影响冬小麦产量的敏感时期，应保证该阶段的水分供应，这与王声峰[11]等人“拔节期为影响冬小麦产量的关键时期，返青期可适度缺水”的结论稍有不同，这与关中地区降雨总体表现为冬小麦返青期缺水、抽穗期降水较多有关。灌3水处理下，TR8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)>TR7(冬灌+拔节灌+抽穗灌)，且大于任何灌2水处理，差异显著，所以抽穗-灌浆期也是影响冬小麦产量的关键时期[12]，此外，泾惠渠灌区为小麦、玉米连作的种植结构，冬小麦灌浆期灌水也可保证夏玉米播种期的土壤水分[13]。2013年所有处理产量偏低，该降雨年型虽为枯水年，但是在灌浆期降雨过多，造成冬小麦根系早亡导致产量偏低。2016年所有处理产量比其他年份高，是因为该降雨年型为平水年，在灌浆期降雨量比2014年、2015年高，但比2013年低，灌浆期的水分供给合适，故而产量高。可见，灌浆期只能适当灌水，过多过少都会影响产量。保证返青期、抽穗-灌浆期的水分供应是提高冬小麦产量的保证，其他生育阶段如分蘖期、成熟期的水分胁迫不会显著影响产量。

2.3 不同处理下冬小麦耗水量及水分利用效率分析

不同生育期灌水组合下，冬小麦的耗水量和产量都存在一定的差异，所以其水分利用效率也有一定差别。植物的水分利用效率(WUE)指消耗1 m3的水获得的产量[14]：

(1)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为冬小麦在漑灌溉制度下的产量，kg/hm2；P为冬小麦生育期内的自然降水量，m3/hm2；I为该灌溉制度下的灌水总量，m3/hm2；WE为冬小麦收获后0～100cm耕作层土壤中的储水量，m3/hm2；WI为冬小麦播种前0～100 cm耕作层土壤中的储水量，m3/hm2。

由上式计算不同处理下冬小麦的耗水量以及水分利用效率，用数学方法来量化表示产量与耗水量的关系，对耗水量与产量数据进行线性拟合，图1为冬小麦最终产量和其整个生育阶段耗水量之间的关系。由图1知，在一定范围内，小麦的产量随着耗水量的增加而增加，但不是无限制的，对拟合结果较好的2014年、2016年曲线进行求导可得冬小麦产量最高时的耗水量范围是6 600～8 900 m3/hm2之间，过量的供水会使植物地上冠层过分生长，营养物质向小麦粒籽转移慢，不仅影响冬小麦的产量，还会造成对水资源的浪费[14]。

图1 冬小麦产量与耗水量的关系

表5为不同处理下冬小麦水分利用效率分析表。由表5知，随着灌水次数的增加，水分利用效率呈降低趋势。灌一水的情况下水分利用率最高，2013年，TR1的WUE最高，为2.87 kg/m3，2014年、2015年，TR3的WUE最高，分别为2.17、2.14 kg/m3，虽达到了节水的目的，但其不符合高产的实际要求。灌2水处理下，TR4的WUE最大，2014年、2015年、2016年结果相同。由此可见，灌2水时，冬灌+返青灌是冬小麦水分利用效率提高的最佳灌水方式。处理TR7、TR8虽能获得高产量，但其水分利用效率较低，与其他处理差异显著，且TR8>TR7，可见在灌浆期灌水比抽穗期灌水的水分利用效率高。所以，要在高产和节水之间做好协调，需合理分配灌水时期，在满足冬小麦最需灌水的返青期基础上，适当保证灌浆期的水分，即可实现高产，又可最大程度的节水，对冬小麦水分利用效率的提高有积极的作用。

表5 不同处理下冬小麦水分利用效率分析表

2.4 不同处理下冬小麦节水经济效益分析

如今发展节水农业成为了解决日益严重的水资源矛盾的主要方法，但过量节水势必影响农作物的产量，因此有必要通过节水经济效益分析来确定灌区合理的灌溉制度，达到节水和高产的统一。根据泾惠渠管理局提供的资料显示，泾惠渠灌区2013-2016年共种植冬小麦6 600 hm2，当地农业灌溉用水价格为0.2 元/m3，小麦收购价格按2.5 元/kg计，得到不同处理下冬小麦的节水经济效益分析表如表6，由表6知：2013年，处理TR1(不灌)节水量最多，但同时减产量也较高，综合考虑低减产率和高节水率，以益损比为基础，处理TR2(冬灌)益损比最大，在2次灌水处理中，益损比大小为TR4>TR6>TR5；2014年，2015年，处理TR3(返青灌)益损比最大，在2次灌水处理中，益损比大小为TR4>TR6>TR5，冬灌+返青灌处理有较好的节水经济效益；所以返青灌也是影响冬小麦经济效益的关键时期，保证返青期灌水能获得较高的经济效益，这与上述水分利用效率分析的结论是一致的。

3 结 论

(1)不同生育期灌水量对小麦生长发育影响不同，就株高而言，灌水次数不同，植株株高差异显著；随着灌溉定额的增大，株高总体呈现增加趋势。冬灌对株高影响不大，而返青灌、拔节灌、抽穗灌均影响冬小麦株高，其中返青灌尤为显著，所以返青期是冬小麦生长发育的需水敏感期。

(2)不同灌水量对冬小麦产量及产量构成因子影响很大。小麦生育前期旱象情况下，适当冬灌会增加冬小麦的株数及穗粒数；在千粒重方面，灌浆期水分胁迫会使冬小麦的千粒重显著降低，且千粒重和灌水量呈正相关关系，灌水量越多，千粒重越大；冬小麦产量与灌水量呈正相关关系，随着灌水次数即灌溉定额的增加，产量也显著增加，但不是无限制的，由耗水量----产量拟合曲线可得冬小麦产量最高时的耗水量范围是6 600～8 900 m3/hm2，过量的供水不仅会影响冬小麦的产量，还会造成对水资源的浪费。此外返青期和抽穗-灌浆期是影响冬小麦产量的重要时期，应保证此阶段的水分供应，其他生育阶段的水分胁迫，不会对产量造成显著的影响。

表6 不同处理下冬小麦的节水经济效益分析表

(3)不同灌水处理中，处理TR1(不灌)节水量最多，但产量较低；处理TR8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)虽能获得最高的产量，但节水量最少，水分利用效率较低；返青灌是获得冬小麦WUE较高的关键生育期，也是影响冬小麦经济效益的关键期。要在高产和节水之间做好协调，需合理分配灌水时期，在满足冬小麦需水的返青期基础上，适当保证灌浆期的水分，实现最大的经济效益。

(4)平水年和枯水年降雨年型下，泾惠渠灌区追求高产的最优灌溉制度是冬灌+拔节灌+灌浆灌，全生育期3次灌水，灌溉定额为3 600 m3/hm2；综合考虑产量、灌溉水利用系数及节水经济效益的最优灌溉制度是冬灌+返青灌，全生育期2次灌水，灌溉定额为2 550 m3/hm2。另外，不管是平水年还是枯水年降雨年型，在冬小麦生育期后期降雨较多时，灌浆期可不灌水，最优灌溉制度仍是冬灌+返青灌，全生育期2次灌水，灌溉定额为2 550 m3/hm2。

上述实验结果表明返青灌和灌浆灌是泾惠渠灌区冬小麦需水的重要时期。本试验未设返青灌+灌浆灌处理，所以未能获得此处理下的试验结果作为对比，需进一步完善研究，另外对节水效果合理性可作进一步分析。

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