滴灌冬小麦不同滴灌量土壤水分时空分布及冠层特征响应

赛力汗·赛，陈传信，薛丽华，张永强，雷钧杰，陈兴武，王志敏

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；2.中国农业大学农学院，北京 100193)

0 引 言：

【研究意义】滴灌条件下，水分围绕滴头向四周扩散，水分入渗浅且分布在作物根系周围，其水分利用效率显著高于漫灌(Wood M L，2006；Alam B，2000；Alexiou I，2003)[1,2,3]。有研究结果认为，滴灌小麦根系主要吸收0～60 cm土层水分，苗期、分蘖期主要消耗0～40 cm土层水分，拔节期后主要消耗0～60 cm土层水分，80～100 cm土层含水率变化不大；春小麦生育期耗水量为523.53 mm。分析其各阶段耗水比例和耗水强度认为拔节期和抽穗期为小麦需水关键期，尤其在抽穗期对水分最敏感[4]；在不同滴管带配置春小麦土壤水分变化及对其生长和产量的影响认为：在相同灌水情况下，不同滴管带配置造成了土壤水分分布特征的差异，引起作物对灌溉水利用效率的差异，研究灌溉冬小麦不同滴灌量土壤水分时空分布及冠层特征响应。【前人研究进展】影响滴灌春小麦的株高、叶面积系数及产量[5]；王克全等[6]研究了株高、叶面积指数随灌水量的变化趋势问题，认为株高和叶面积指数随灌水量的增加而增加；姜国军等[7]在滴灌春小麦1管5行种植模式下，距滴灌毛管水平距离不同行小麦长势具有明显差异,灌溉定额的增加对近行与中远行小麦生长的影响不大，但显著促进远行小麦的生长；蒋桂英等[8]，研究不同灌水频率对农田土壤水分分布及春小麦水分利用效率的影响认为，全生育期灌水量为375 mm，高频灌溉(每4 d 1次)处理0～40 cm土层含水率和土壤贮水量较高，而深层(40～100 cm)土壤较低；低频灌溉(每10 d 1次)处理有利于水分的下渗和侧渗，深层土壤含水率和土壤贮水量较高，但表层土壤含水率和贮水量偏低；认为每7 d滴1次水有利于水分在土壤剖面中的均匀分配，有利于作物生长，产量和水分利用效率都高于低频和高频滴灌；(吴巍等[9]在池栽条件下研究了滴灌与垄沟耕作条件下冬小麦田间土壤水分的动态变化认为:滴灌对0～60 cm土壤水分含量影响比较明显，0～30 cm土壤水分含量在整个生育时期内变化最为剧烈，90～120 cm层次的土壤水分含量最稳定。冬小麦的灌浆期是其活跃的耗水期，其次是抽穗期。也有对新疆小麦常规漫灌与滴灌条件下的生理特性、耗水规律、干物质积累及产量构成因素、根系分布特征等探索研究[10-13]。【本研究切入点】目前研究以春小麦较多；部分内容在高频滴灌、滴灌次数多、滴灌量偏大等条件下进行研究，从减少劳务投入次数、轻简化管理、提高劳动生产率、灌溉水合理分配、节约用水等实用性角度来看，缺乏对生产实践的理论指导意义和参考应用价值。小麦滴灌条件下土壤水分时空分布对小麦生长发育的影响，缺水诊断及滴灌参考指标等还需要进一步探索研究和完善。【拟解决的关键问题】以北疆生产上推广应用最多的1管4行(滴灌带间距60 cm，隔4行小麦1条滴灌带),研究滴灌量对冬小麦农田土壤水分随时间和空间的分布状况以及冠层结构特性的响应， 为滴灌冬小麦高产高效栽培提供理论依据、确定滴灌量、科学灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2011～2012年在新疆农业科学院玛纳斯农业试验站(E85°34′～86°43′，N43°28′～45°38′)进行，该区属于温带大陆性干旱半干旱气候区。全年无霜期165～172 d；小麦生育期平均降水量167.2 mm。试验地土壤为沙壤土，0～20 cm耕层土壤养分含量为：全氮1.02 g/kg、碱解氮75.0 mg /kg、有效磷13.1 mg /kg、速效钾135.0 mg /kg、有机质15.6 g/kg。表1

表1 冬小麦播种前土壤容重和田间持水量
Table 1 Soil bulk density and soil water content before sowing of winter wheat

指标Index土层深度 Soil layers (cm)1020406080100120140土壤容重Soil bulk density(g/cm)1.381.51.451.431.431.461.461.51田间持水量Field capacity (%)29.5027.1023.5022.8022.7025.30--

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在大田滴灌条件下，采用单因素试验设计，分别设置了：3 750 m3/hm2(高水处理)、3 150 m3/hm2(中水处理)、2 475 m3/hm2(低水处理)共3个灌水定额水平。分别于冬小麦拔节前、孕穗期、开花期、灌浆前期、灌浆中期共滴灌 5 次，每次的灌水定额分别为750、630、495 m3/hm2。越冬前各处理统一灌水450 m3/hm2。试验材料为新冬33号，采用15 cm等行距机播，小区面积54 m2(5.4 m×10 m)，滴管带铺设方式为1管4行(滴管带间距60 cm)，为防止渗漏，小区间留1.8 m防渗带。播前结合整地深施纯氮97.125 kg/hm2、纯P2O5138.0 kg/hm2作为基肥，拔节期随水滴施纯氮58.275 kg/hm2、孕穗期随水滴施纯氮38.85 kg/hm2。

1.2.2 测试项目

滴管带单侧离滴灌带最近麦行定为近管麦行(管下)，两条滴灌带中间离滴灌带最远麦行定为远管麦行(管间)，测定项目均分别于各处理远管麦行、近管麦行取样。

1.2.2.1 小麦群体动态

基本苗、冬前总茎数、返青总茎数、起身期总茎数(春季最大总茎数)、收获穗数。

1.2.2.2 小麦植株茎节形态

在小麦开花期，每处理每重复滴灌带单侧第二行连续选取生长一致的20个单茎，用直尺测量每个单茎的株高、节间长度。节间主要测定穗长、穗下节间长度、倒一节间长度、倒二节间长度、倒三节间长度、倒四节间长度、到五节间长度。

1.2.2.3 小麦植株叶片形态

于冬小麦拔节期、孕穗期、开花期，花后12 d、花后24 d，每处理每重复滴灌带侧第二行连续选取20个单茎，测定每个单茎的绿色叶片的长度和宽度。叶长即为叶基部到叶尖的距离(cm)；叶宽即为叶基部到叶尖最宽处的宽度(cm)。并根据以下公式计算出叶面积指数(LAI)。

单茎叶面积=长×宽×0.82

LAI=单茎叶面积×每公顷茎数/108.

1.2.2.4 土壤含水量

采用烘干称重法进行测定。在冬小麦拔节期、开花期、灌浆期、成熟期各测定一次土壤含水量，并在灌水前、后各加测1次，所取土样为各小区近管和远管0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 和20～140 cm处，不同时空分布在停水后1、6、12、18、24、48 h在滴管带下、单侧距滴管带15 cm(第一行间)、30 cm(第二行间)、45 cm(第三行间)0～100 cm土层每隔20 cm为一层的土壤装入铝盒称重，记作W1，然后将其放入烘箱80℃烘干至恒重，记作W2，铝盒干重为W0，土壤含水量为W，则土壤水分变化率为：

W=(W1-W2)/(W2-W0)×100%.

图1 同一土层土壤含水量动态变化
Fig.1 The variation of soil water content in same layer

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010作图，用DPS7.05软件统计分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤水分分布特征

2.1.1 土壤水分不同空间变化特征

不同处理土壤含水量纵向分布有一定差异。不同滴灌量0～20 cm表土层在不同生育阶段土壤水分变化比较剧烈，随滴灌量的增加而趋于缓和。同一土层土壤含水量大多表现为,近管麦行>远管麦行，随着滴灌量的增加，纵向重力入渗土壤水分含量较充足，水分尽早横向入渗，使远管与近管麦行土壤含水量的差异逐渐缩小，合理增加滴灌量可减少远管麦行土壤水分亏缺对其小麦生长发育的影响。0～140 cm土层土壤含水量呈现波动的变化趋势，中水、低水处理各土层土壤含水量波动变化幅度较大，且随生育进程推进消耗了更深层土壤贮水。图1

2.1.2 不同生育时期土壤含水量变化特征

冬小麦各生育时期，不同处理0～140 cm土层水平方向土壤含水量表现为高水>中水>低水；近管麦行>远管麦行位置。在垂直方向土壤含水量差异主要集中在0～40 cm土层，且变化较激烈；滴灌水主要扩散分布在20～80 cm土层当中。低水处理及中水处理远管麦行位置冬小麦进入孕穗期开始消耗了更深层(40～60 cm土层)土壤贮水；进入扬花期后，0～60 cm土层中水、低水处理土壤水分含量明显低于高水处理。说明在新疆干旱地区冬小麦滴灌条件下滴灌量低于3 150 m3/hm2条件下出现一定程度的缺水现象，不利于小麦正常生长发育。图2

图2 不同处理土壤含水量随土壤深度动态变化
Fig.2 The variation of soil water content with soil depth in different treatments

2.2 滴灌后不同时段土壤水分含量变化特征

研究表明,各处理随滴灌量减少水分纵向和横向扩散范围在缩小。滴灌先扩散到横向离滴管带最近麦行，然后逐步扩散到离滴管带远的麦行，随着时间的推移水分纵向扩散到更深层次的土壤当中。各处理土壤水分扩散性状与田间持水量呈“V”字型结构。不同滴灌量处理随时间变化，在离滴管带不同位置麦行土壤含水量差异明显。表土10 cm位置，滴管带下、离滴灌带15、30、45 cm麦行位置滴灌停水后1 h高水处理土壤含水量分别达到田间持水量的53.7%、57.2%、49.9%、44.5%；中水处理则45.4%、44.1%、40.0%、35.9%；低水处理则32.5%、36.2%、30.5%、30.5%；停水48 h后，高水处理土壤含水量分别达到田间持水量的41.5%、49.1%、44.4%、38.1%；中水处理则37.9%、38.5%、35.2%、34.9%；低水处理则26.7%、30.5%、31.0%、31.0%，40～100 cm土层为灌水主要扩散贮水层；滴灌扩散稳定后(滴灌停水后48 h)，高水处理0～40 cm土层土壤水分含量在滴管带下达到田间持水量的65%左右，离滴灌带15 cm为60%左右，30 cm为55%左右，45 cm为42%左右；中水处理0～40 cm土层土壤水分含量在滴灌带下达到田间持水量的55%左右，离滴灌带15 cm为50%左右，30 cm为45%左右，45 cm为40%左右；低水处理0～40 cm土层土壤水分含量在滴灌带下达到田间持水量的37%左右，离滴灌带15 cm为40%左右，30 cm为38%左右，45 cm为35%左右。图3

2.4 冠层结构垂直变化2.4.1 叶片特征差异

研究表明,不同处理滴灌冬小麦叶长、叶宽及叶面积均表现为：旗叶>倒二叶>倒三叶>倒四叶。同一滴灌量下，冬小麦叶长、叶宽及叶面积表现为近管麦行>远管麦行；而同一位置则表现为：高水>中水>低水。单茎绿叶总面积表现为：高水近管麦行>中水近管麦行>高水远管麦行>低水近管麦行>中水远管麦行>低水远管麦行。方差分析结果显示，三种滴灌量旗叶叶长和面积近管麦行显著大于远管麦行位置(P<0.05)，中水、和低水处理倒二叶叶长和面积近管麦行显著大于远管麦行位置(P<0.05)。滴灌量对旗叶面积影响较大，不同麦行位置土壤水分差异导致了近管麦行叶面积总体大于远管麦行。表2

2.4.2 叶面指数变化

研究表明,不同处理滴灌冬小麦各叶层LAI 均随着叶片层次的降低呈下降的变化趋势。处理间，随着滴灌量的降低，各叶层LAI表现为：高水>中水>低水；近管麦行>远管麦行的变化规律。累积平均各处理近管、远管单茎总叶面积指数得出，最大为4.73(高水处理)，其分别较中水、低水处理LAI增大了5.85%和14.25%，处理间差异显著(P<0.05)。总叶面积指数近管麦行位置较远管麦行位置高水处理增加9.50%，中水处理增加7.40%，低水处理增加5.72%，差异显著(P<0.05)，滴灌冬小麦近管麦行位置与远管麦行位置叶面积指数有一定差异。表3

图3 不同处理滴灌后不同位置土壤含水量空间变化特征
Fig.3 Variation characteristics of soil water content in different locations after drip irrigation

表3 不同处理滴灌冬小麦开花期叶面积指数垂直分布
Table 3 Leaf configuration of individual plant at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

处理Treatments旗叶Flag leaf倒二叶2nd from flag倒三叶3rd from flag倒四叶4th from flag总叶面积指数Total leaf Area index高水High-water 近管1.68a 1.26a 1.12a 0.88a 4.94a远管1.47a 1.23a 1.05b 0.76c 4.51c中水Medium-water近管1.51a 1.24a 1.09ab 0.80b 4.64b远管1.45a 1.13b 0.99c 0.76c 4.32d 低水Low-water近管1.44a 1.10bc 0.96c 0.74c 4.25d远管1.35d 1.08c 0.95c 0.64d 4.02e

2.5 茎型特征差异

2.5.1 株高与节间长度变化

研究表明,处理间滴灌冬小麦株高、穗长均呈现为：高水近管麦行>中水近管麦行>高水远管麦行>低水近管麦行>中水远管麦行>低水远管麦行的变化规律；高水处理最大株高为83.61 cm、穗长为7.23 cm，分别较中水、低水处理的株高、穗长增加5.92%、1.81%和12.28%、7.0%；分别平均各处理近管、远管麦行株高、穗长，累积求其平均，除与高水间穗长差异不显著外，其他处理间差异均达显著水平(P<0.05)，说明滴灌量低于3 150 m3/hm2对穗长有显著影响。各处理离滴管带远、近麦行位置株高有显著差异，主要差异体现在上部节间(P<0.05)。各处理滴灌冬小麦节间长度均随节间层次的下降呈现依次缩短的变化规律。同一滴灌量下，冬小麦节间长度表现为：近管麦行>远管麦行；而同一位置则表现为高水>中水>低水。表4

表4 不同处理滴灌冬小麦开花期节间长度与株高构成指数
Table 4 Internode length and plant height component index at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

处理Treatments株高Plant height(cm)穗长Ear length(cm)各节间长度 Internode length (cm)J1J2J3J4J5高水High-water 近管85.09a7.43a25.85a19.88b14.28a11.61a6.05a远管82.13b7.03b23.24c20.83a13.37b11.68a5.98a中水Medium-water近管81.40bc7.38a24.11b18.90c13.72b11.38a5.92a远管76.47d 6.83c23.49c18.65c12.37c9.78b5.35b低水Low-water近管77.75cd 6.98bc21.10d19.29b13.32b11.24a5.83a远管71.19e 6.54d21.13d17.28d12.11c9.47b4.66c

2.5.2 茎节粗度

研究表明,随节位由上而下，不同处理冬小麦的茎粗均在倒三节达到最大值，且各处理均呈现出近管麦行>远管麦行位置的变化规律，最大值为0.210 cm(高水近管麦行)，最小值为0.182 cm(低水远管麦行)。表5

表5 不同处理滴灌冬小麦开花期茎粗特征(cm)
Table 5 Characteristics of stem diameter at anthesis of winter wheat under drip irrigation in different treatments

处理Treatments倒一节粗1st stemdiameter倒二节粗2nd stemdiameter倒三节粗3rd stemdiameter倒四节粗4th stemdiameter倒五节粗5th stemdiameter高水High-water 近管0.160a0.178a0.210a0.171a0.182a远管0.157b 0.174a0.206a0.168b0.177b中水Medium-water近管0.156b 0.168b0.202a0.164b0.157d远管0.152b 0.157c0.194b0.157c0.170c低水Low-water近管0.149c 0.152c0.185c0.146e0.130e远管0.143d 0.158c0.182c0.150d0.133e

3 讨 论

吴巍等[9]在研究垄沟耕作条件下滴灌冬小麦田间土壤水分的动态变化结果表明，滴灌对0～60 cm土壤含水量的影响比较明显，0～30 cm土层土壤含水量在小麦整个生育期内的变化幅度剧烈，其次是30～60 cm土层，土壤含水量在小麦整个生育期内变化最稳定的是90～120 cm土层。赵连佳等[14]认为，滴水量的增加明显提高了0～60 cm土层的土壤含水量，生长后期显著降低40～100 cm土层土壤水分的消耗，尤其降低了80～100 cm土层土壤水分的消耗。

研究发现，在相同位置条件下，土壤含水量随生育进程表现为降低的趋势，但在同一生育时期土壤含水量没有明显变化规律。0～60 cm土层不同处理土壤含水量之间差异显著，60～100 cm土层差异不显著，可能是因为滴灌灌溉模式下，滴水入渗比较浅，另外滴灌条件下小麦根系主要分布在0～40 cm土层，分布较浅，土壤中水分被过大消耗[15]。结果发现，增加滴灌水量，重力作用下土壤水分纵向入渗充足，水分可以尽快往横向上渗入，渐渐减小滴管带下和带中间的土壤水分的差异，这说明滴灌量的适当增加，有利于减小远滴灌带、近滴灌带小麦行上土壤水分差异，降低远滴灌带麦行上土壤水分亏缺，减少小麦生长的不利影响。

小麦冠层结构表征了株高、节间长度、叶片性状等的综合性状，是植株地上部分和生态环境之间相互作用的结果，合理的小麦冠层结构通过影响叶片的空间布局，改善群体通透性，提高群体的光、热资源利用效率，最终促进小麦产量的形成[16-17]。然而，小麦的冠层结构一方面由基因控制，另一方面受到外部环境、栽培技术等的影响[18-23]，在诸多因素中，灌水是小麦合理冠层结构形成的重要因素[24-26]。吴永成等[27]研究认为，节水灌溉模式下的小麦上部叶小且直立，穗和旗叶叶鞘等非叶绿色面积占比大，较大的穗叶比等群体冠层特征是抗逆性强、耗水性低、高光效率的群体特征。李朴芳等[25]的研究认为，叶片直立、适中旗叶长宽比、20 cm左右长倒二叶的小麦冠层结构透光性能好。试验结果发现,不同滴灌量下小麦叶长、宽和叶面积都呈现为旗叶>倒二叶>倒三叶>倒四叶的趋势。在相同滴灌量条件下，小麦叶长、宽和叶面积均表现出近管麦行高于远管麦行，距离滴管带不同麦行的小麦叶面积出现差异，滴灌量主要通过影响远、近滴管带麦行小麦旗叶和倒二叶的长度，带来叶面积的差异；在相同位置水平高水最大，低水最小，中水介于二者之间。

4 结 论

4.1 同一土壤层次上土壤含水量整体趋势表现为高水最大，低水最小，中水介于二者之间，近滴管带小麦行高于远滴管带麦行位置。在垂直分布上，各生育时期不同处理间土壤含水量差异主要集中在0～80 cm土层，随土壤深度增加，土壤含水量呈增大趋势；80～120 cm土层差异趋势较小。0～40 cm土层土壤含水量变异较为明显，水分主要储存在20～80 cm土层土壤中。随着时间的推移，土壤含水量基本呈下降的变化趋势。

4.2 进入扬花期后，0～60 cm土层中水、低水处理土壤水分含量明显低于高水处理。说明在新疆干旱地区冬小麦滴灌条件下滴灌量低于3 150 m3/hm2条件下出现一定程度的缺水现象，不利于小麦正常生长发育。

4.3 滴灌扩散稳定后(滴灌停水后48 h)，滴灌量750 m3/(hm2·次)0～40 cm土层土壤水分含量在滴管带下、离滴灌带15、30和45 cm位置分别达到田间持水量的65%、60%、55%、42%左右；滴灌量630 m3/(hm2·次)分别为55%、50%、45%、40%左右；滴灌量495 m3/hm2每次分别为37%、40%、38%、35%左右。

4.4 不同滴灌量，离滴灌带远、近不同麦行位置土壤水分状况对其小麦叶面积性状、株高、穗长、单茎茎粗等均有一定的影响。在一定范围内通过增加滴灌量可缩小远管、近管麦行位置小麦冠层性状差异，可提高群体均匀度。