测墒补灌对新麦26产量、品质及耗水特性的影响

李晓航,蒋志凯

(1.河南省新乡市农业科学院，河南 新乡 453000；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453000)

黄淮平原小麦产量占全国总产量的75%[1]，该地区年均小麦播种面积约为全国总面积的62%[2]。但是从我国的水系分布图可以看出，该地区水资源量仅占全国水资源总量的7.7%，人均占有量也仅占全国平均水平的20%。黄淮地区的降雨在时空上分布不均，农业生产需水有65%可以来源于降雨，全年总降雨量的70%以上集中在7—9月份，但是冬小麦的生育关键期降水偏少，无法满足冬小麦整个生育期的需水量，需通过补充灌溉以填补其亏缺部分[3]。补充灌溉可以缓解该区域小麦生产可持续发展中遇到的问题，大力推广高效节水栽培技术可以实现社会、经济、生态效益协调发展。

提高冬小麦水分利用效率和产量，必须要优化灌溉制度，以前的很多研究多集中在灌水量、灌溉频率及灌水时间对冬小麦产量及水分利用效率的影响方面[4-6]。土壤贮水、降水和灌溉水是冬小麦生育期内消耗水的主要来源。随着灌水量增加，总耗水量升高，土壤贮水消耗量与灌水量呈负相关[7-9]。冬小麦需水关键期为小麦拔节～抽穗期，此时土壤缺水可严重影响产量[10-13]。通过在冬小麦的越冬期、拔节期、开花期灌水可实现较高的经济产量和水分利用效率[14]。关于灌溉对冬小麦品质的影响前期研究表明，“少量多次”灌溉可实现作物节水增效及品质改善的目标[15]。Shao等[16]研究表明，小麦生育期内灌水90 mm可实现最大产量，如果灌水量过多则会显著引起产量和水分利用效率的降低。王晓英等[17]的研究结果得出，灌水频率会显著影响冬小麦的品质，籽粒蛋白和湿面筋含量会随着灌水频率的增加而提高[17]。本研究在前人研究的基础上，在冬小麦不同生育时期设置不同水分控制下限，根据0～40 cm耕层土壤中的水分含量进行补充灌溉以满足冬小麦对水分的需求，研究各个测墒补灌处理对冬小麦耗水特点及产量、品质的影响，以期待为实现测墒补灌高效灌水技术的大力推广提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年在新乡市农科院辉县试验基地(36°9′N，113°7′E)进行，小麦播种前0～20 cm土层土壤含有机质14.14 g·kg-1、全氮1.08 g·kg-1、速效磷11.39 mg·kg-1、速效钾111.2 mg·kg-1、pH 8.16。小麦播种前没有进行底墒水灌溉，采用国内通用环刀法测定田间持水量。地下水位在5 m以下，试验地土壤0～140 cm各土层田间持水量和土壤容重见表1，小麦生长全生育期的降水量见表2。

1.2 试验设计

采用优质高产强筋小麦新麦26。试验设置5个处理，W0为小麦全生育期不浇水处理，Wck为当地传统灌溉处理即采用田间畦灌(土壤表面出现积水即为灌溉完成)，W70、W75和W80为烘干法测墒补灌处理，即根据烘干法测定冬小麦在拔节期和开花期0～40 cm土层深度的实测含水量与70%、75%、80%的目标相对含水量之间的差值为单次灌水量。各测墒补灌处理的测墒深度、补灌时期及补灌的目标相对含水量如表3所示。本试验运用随机区组试验设计，小区面积2.6 m ×9 m，每个处理3次重复,小区之间设置隔离区，隔离区不灌水，其他管理措施与大田相同。试验地块四周设置有保护区，保护区同样不灌水。小区在田间的排列参照图1。由于测墒补灌每次灌水量一般较少，不宜采用畦田漫灌的形式，可沿畦田方向，人工拖动输水带在田间喷洒，用水表计量实际灌水量，逐个小区灌溉，完成整畦灌水。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水率 采用烘干法测定土壤含水率：用土钻分层取土，每20 cm为一层，取土后立即装入铝盒，盖好盖子，以防水分散失。先称铝盒与土壤鲜重的总重量，然后置于烘箱中，105℃烘干12 h至恒重，称土壤干重和铝盒重，按以下公式计算土壤质量含水量和相对含水量。土壤质量含水量=(土壤鲜重-土壤干重) /土壤干重×100%。土壤相对含水量=土壤质量含水量/田间持水量×100%。

表1 2015—2016年播种前各土层田间持水量和土壤容重

表2 小麦各个生育时期的降雨量/mm

表3 各处理测墒深度、补灌时期和目标相对含水量

保护区Protectionzone保护区Protection zoneW0隔离区Isolation areaWck隔离区Isolation areaW70隔离区Isolation areaW75隔离区Isolation areaW80保护区Protection zone隔离区Isolationarea保护区Protection zoneW80隔离区 Isolation areaW75隔离区Isolation areaW70隔离区Isolation areaWck隔离区 Isolation areaW0保护区Protection zone隔离区Isolationarea保护区Protection zoneW80隔离区Isolation areaW75隔离区 Isolation areaW70隔离区 Isolation areaWck隔离区 Isolation areaW0保护区Protection zone保护区Protectionzone

1.3.2 小麦需水时期补灌量测定 测墒补灌是根据小麦关键生育时期的需水特点，设定关键生育时期的目标土壤相对含水量，根据目标土壤相对含水量和实测的土壤含水量，利用公式计算需要补充的灌水量。2

补灌水量(m3·666.7m-2)=20aH(B1-B2)/3

式中,a为测墒土层土壤平均容重(g·cm-3)，H为测墒土层深度(cm)，B1为目标土壤质量含水量(田间持水量乘以目标土壤相对含水量)；B2为灌溉前土壤质量含水量。

1.3.3 各生育时期群体总茎数调查 于冬前、返青、拔节、开花期定点调查群体总茎数。

1.3.4 籽粒产量及构成因素 将1 m×1 m样方内的小麦全部收获脱粒，待籽粒自然风干至含水率为12.5%时称量。此外，另取3个长度为50 cm 样段，测定穗数、穗粒数及千粒质量。

1.3.5 小麦籽粒品质测定 利用新乡市农业科学院小麦品质实验室器材，用旋风磨(Foss公司，美国)制作全麦粉。利用2200型面筋数量和品质测定系统(erten公司，瑞典)，按GB/T 5506.2—2008方法测定湿面筋含量；用Perten Centdfuge 2015离心机的面筋筛测定面筋指数，即面筋筛上留存的面筋/(面筋筛上留存的面筋+过筛的面筋)×100。

1.3.6 麦田耗水量

麦田耗水量(mm)=小麦全生育期总灌水量(mm)+小麦全生育期有效降水量(mm)+小麦全生育期土壤贮水消耗量(mm)

首先，记录小麦生育期间降水量和灌水量。小麦全生育期土壤贮水消耗量为0～200 cm土层土壤贮水消耗量，按照下式计算：

土壤贮水消耗量(mm)=10×(0～200 cm土层土壤平均容重)×200×(播种期灌水前0～200 cm。土层平均质量含水量-成熟期0～200 cm土层平均质量含水量)

1.3.7 水分利用效率和灌溉水效益的计算

水分利用效率指麦田每消耗1 mm水生产的小麦籽粒产量，表示水分利用程度的高低。

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒产量÷麦田耗水量；

灌溉水利用效率IWUE(kg·hm-2·mm-1)=籽粒产量÷灌溉水量;

灌溉效益IB(kg·hm-2·mm-1)=灌溉后增加的籽粒产量÷灌溉水量。

2 结果与分析

2.1 不同处理的新麦26全生育期群体变化的影响

试验数据分析结果如图2可得，不同处理下的新麦26群体数量变化规律一致，在拔节期群体数量达到最高值。本年度冬季土壤墒情较好， W0、Wck、W70、W75、W80五个处理在越冬期群体数量均为1 000万～1 100万蘖·hm-2，不同处理之间没有出现显著差异。后期根据试验设计的目标补灌量处理的不同，冬小麦发育受到土壤含水量的水分调控，开始出现差异，尤其到开花期W0处理由于完全没有灌水，冬小麦生长发育受到水分胁迫，群体数量显著低于其它灌水处理。但是Wck和W80属于“高水”处理，两者差异不显著，W70和W75可以满足冬小麦生长需水量，两个处理下的冬小麦并未出现群体分蘖显著减少，造成最后的减产。由此可得，冬小麦在拔节、开花期的水分处理控制下限在70%～75%是适宜的。

2.2 不同测墒补灌处理的补灌量比较

由表4的试验数据可知，依据冬小麦需水关键期的0～40 cm土壤含水量和试验设置的目标含水量计算出补充灌水量有所不同。由于播种时期的墒情较好和冬季降水满足冬小麦出苗期和越冬期的水分需要，土壤含水量达到了目标含水量因而未进行底墒和越冬期灌水。Wck、W70、W75、W80四个灌水处理在两次灌水量和总灌水量之间差异显著，即Wck>W80>W75>W70。Wck处理的灌水标准则是依据试验小区内是否出现积水。当地常规灌水量一般在60mm左右，这种灌溉通常超过田间持水量造成土壤径流和渗水，水资源浪费严重。W70、W75、W80根据土壤实际墒情和试验设定的目标含水量进行灌溉，这三个处理下得出的拔节期灌水量普遍低于开花期灌水量，即冬小麦生育前期测墒补灌量偏少，在开花期补灌需水量增加显著。这是由于开花后光合作用增强，气温升高使蒸腾作用加强，作物需水量较大，但是只需保证正常生长需求即可，否则过多的无效蒸腾蒸发加剧水量消耗。在冬小麦需水关键期(拔节期、开花～灌浆期)及时进行适当水量补充，契合冬小麦生长发育的需水规律，实现水分高效利用[18]。

图2 不同测墒补灌处理对冬小麦群体的影响Fig.2 Effect of different sputum irrigation treatments on winter wheat population

2.3 不同测墒补灌处理对0～200 cm土层土壤贮水消耗量的影响

从图3可以看出，Wck处理在0～40 cm浅土层的土壤贮水消耗量显著高于其它灌水处理。过多的水分处理不利于小麦纵向生长、吸收深层土壤水，使得浅层根系发育过旺，浅层土壤贮水消耗量偏多；所有处理中0～80 cm土层中的土壤贮水消耗量较多，80～200 cm土层土壤贮水消耗量较少。这说明0～80 cm土层中的水分是冬小麦生长发育所需水分的主要来源。而且5个处理均表现出在0～60 cm土层中的土壤贮水消耗量随着土层加深不断增加，60～200 cm土层则随着土层深度的增加土壤贮水消耗量减少。W80处理0～60 cm土层的土壤贮水消耗量显著高于W70、W75，在140～180 cm土层的土壤贮水消耗量则显著小于W70、W75。Wck与W80处理在0～200 cm各个土层中土壤贮水消耗量没有显著性差异，Wck和W80的“高水”处理不利于冬小麦对深层土壤中水分的利用，不利于冬小麦根系的纵向生长。

表4 不同处理冬小麦不同生育期的补灌量及全生育期总灌水量/mm

2.4 不同测墒补灌处理冬小麦耗水量及其占总耗水量比例

如表5所示，在2015—2016年冬小麦生长季，各个灌水处理下冬小麦整个生育期总耗水量显著大于W0不灌水处理，土壤水和降水占总耗水量的比重较大。其中3个测墒补灌处理(W70、W75、W80)的降水利用比例和土壤水利用比例都高于传统灌溉处理，尤其是对降水的利用比例显著高于传统灌水高于传统灌水处理，各处理对降水的利用比例大小依次是W0>W70>W75>W80>Wck，不同处理之间差异显著；土壤水是作物生长和生存的物质基础，长期过多的依赖消耗土壤水势必会影响土壤中生态环境，测墒补灌处理随着水分控制下限的提高加大了对土壤水的消耗，因此要选择适宜的水分控制下限，这样既能满足作物生长发育的需求又不破坏土壤水环境。水分亏缺促进冬小麦对降水的利用以维持正常的生长发育。以上结果表明，W70、W75、W80依据0～40 cm土层土壤相对含水量进行测墒补灌，其补灌量均较Wck处理的补灌量小，促进了冬小麦对土壤贮水和降水的吸收利用，有利于节约灌溉水

2.5 不同测墒补灌处理对冬小麦籽粒品质的影响

根据表6得出的试验数据可知，冬小麦籽粒容重在W0处理下显著低于其他灌水处理，严重的水分亏缺会造成冬小麦后期籽粒灌浆不足，造成籽粒容重降低。随着目标土壤相对含水量的增加，籽粒容重亦随之增大，呈现变化规律为W80> W75> W70，W75与W80处理之间差异不显著，W70与W80之间差异显著，W75、W80与Wck相比则没有出现籽粒容重显著降低。三个测墒补灌处理对冬小麦实施在特定生育时期水分限量供应并没有对籽粒容重产生影响。当目标土壤相对含水量设定在75%～80%之间时，既可以减少灌溉水的投入，又不会影响籽粒容重。就不同灌水处理对籽粒湿面筋的影响而言,W70、W75、W80三个处理与Wck相比显著提高了冬小麦的湿面筋含量。面筋指数则是灌水处理(Wck、W70、W75、W80)都大于未灌水处理(W0)，且W70、W75、W80处理下的面筋指数高于Wck，这与前人研究得出冬小麦在适宜的节水灌水处理下有利于籽粒品质改善的结论一致[19]。

2.6 不同测墒补灌处理对冬小麦产量及水分利用效率的影响

Wck处理下的籽粒产量最高，为7 515 kg·hm-2,显著高于W0、W70、W80处理，但与W75处理差异不显著。在W70、W75、W80 、Wck处理下随着灌水量的增加，籽粒产量不断增加，增加幅度变小。测墒补灌处理下的水分利用效率、灌溉水利用效率、灌溉效益都高于常规传统灌溉处理，尤其是灌溉水利用效率和灌溉效益均显著提高。在三个水分控制下限的不断增大情况下，补灌处理的灌溉水利用效率却是显著降低。水分利用效率和灌溉效益的最大值出现在W75处理下，灌溉水利用效率的最大值则出现在W70处理下。可表明冬小麦需水关键期将其水分下限控制在70%～75%范围内较为合适。随之可得：在冬小麦生育需水关键期，适当的水分胁迫可增加其对水分的利用效率，促使水分较多地用于籽粒形成的生理过程，测墒补灌有益于提高地面灌溉的精确度和灌溉质量，减少水资源浪费。

图3 不同测墒补灌处理对各个土层土壤贮水消耗量Fig.3 Soil water consumption in each soil layer by different irrigation treatments

表5 不同处理耗水来源及其占总耗水量的比例

表6 2015—2016年度不同灌水处理下冬小麦的籽粒特性

表7 不同灌水处理冬小麦籽粒产量、水分利用效率

3 讨论与结论

为解除河南北部冬小麦产业发展的限制瓶颈，提高水分利用效率、维持产量稳定和改良品质必须改进传统灌溉方式。寻求冬小麦合理的需水关键期以及适宜的灌水量也是降低其生育期耗水量及提高水分利用效率的主要途径。易立攀等[20]得出:依据0～40 cm土层测墒补灌不仅在生产上易实现,而且有利于减少补灌量，促进对深层土壤水的消耗。前人研究认为，越冬水和拔节水是强筋小麦需水关键时期，不主张花后灌水[21]。拔节期灌水处理100 cm土层以下的土壤水利用效率高于其它生育时期灌水[22]。本试验在前人研究的基础上，设定在冬小麦需水关键时期(拔节期、开花期),通过测定0～40 cm 土层墒情进行不同水分下限的精准补灌。本研究结论得出，W70、W75、W80三个处理拔节期补灌量均少于开花期，随着补灌量增加，土壤贮水消耗量、土壤水利用效率和深层土壤水利用量减少。明确以土壤墒情为前提进行补灌有利于冬小麦抗旱锻炼，增强对土壤水和降水的利用，降低对灌溉水的依赖程度。

有研究表明，冬小麦籽粒品质会由于生育后期灌水而降低，籽粒中蛋白质含量随着灌水量的增加显著减少[23-24]。王晨阳等[25]研究结论得出，花后灌水量增加造成籽粒各品质性状显著减低[25]。W70、W75、W80处理下的湿面筋含量和面筋指数均高于Wck处理，由此得出，一定程度下的水分亏缺有利于品质的提高。在降水量为174.5 mm前提下，W75处理下的总灌水量为66.79 mm，籽粒产量为7 355 kg·hm-2，比传统灌溉补灌量减少44%，而籽粒产量无显著减少，水分利用效率、灌溉水利用率、灌溉效益都显著提高。综合考虑籽粒产量、籽粒品质和水分利用效率等因子，在本试验条件下的W75处理是最佳处理。本试验根据土壤墒情和冬小麦本身需水特性相结合来确定灌水量，充分发挥降水和土壤贮水的作用，最终可实现冬小麦高产高效的节水栽培模式。该模式并未增加过多复杂程序和成本投入，便于农业生产上推广应用，是改良地面灌溉的新方式。此研究是基于河南北部气候土壤条件，对该地区强筋小麦新麦26具有参考价值，但如果加大推广面积还需要进一步加强研究，切实解决不同地域农业灌溉问题。