微喷灌不同供水条件对石羊河春小麦耗水和产量的影响

赵 祥，李援农，方 恒，陈朋朋，申胜龙，谷晓博

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西 杨凌 712100)

石羊河流域地处西北干旱、半干旱地区，气候干旱少雨，年平均降雨量不到170 mm，且降水存在时间差异，无法保证作物需水要求，因此水资源短缺是制约当地农业发展最主要的因素[1]。春小麦是该地区的主要粮食作物之一，灌水方式主要以畦灌为主，水分利用效率低，水资源浪费严重。如何在提高作物产量的同时又能充分利用灌溉水量，从而提高灌溉效益，实现节水、节肥，已成为该地区农业发展的紧迫任务。

研究表明，小麦植株水分状况的动态变化直接或间接影响其营养吸收、光合生产及物质转运和代谢，从而决定最终产量[2]，且小麦籽粒产量随土壤含水量的增加而增加[3,4]。但Xue等[5]研究发现，灌水量超过一定范围不仅对提高籽粒产量无益，还会降低水分利用效率。另外，研究表明灌水频率过大和过小都不利于小麦的生长，只有采用合适的灌水间隔才能使作物产量最大[6]。因此，降低农田灌溉水量、选取合适的灌水次数、提高水分利用效率是实现作物节水高产种植的有效途径。

微喷带灌溉是一种微灌方式，利用微喷带[7]将水均匀地喷洒在田间，所用设备相对简单、廉价、易于收放[8,9]。与畦灌相比，微喷带灌溉可减少灌水量67.5～75.0 mm，降低表层土壤容重，抑制土壤水分下渗，具有节水和灌溉均匀等特点[10]。目前，关于河西地区通过微喷带进行春小麦灌溉的研究甚少。本研究在微喷灌模式下设多种灌溉定额和灌水次数处理，研究春小麦的耗水量、耗水强度、叶面积指数、水分利用效率以及产量，从而确定一种高效合理的灌水组合，以期为河西走廊地区春小麦节水高产种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年3-8月在甘肃省武威市中国农业大学石羊河试验站(N37°52′，E102°50′)进行。该区海拔1 581 m，属温带大陆性干旱气候，多年平均气温8 ℃，年积温3 550 ℃，多年平均降水量164.4 mm，年蒸发量2 000 mm左右，干旱指数为15～25，年均日照时数3 000 h，无霜期150 d。地下水埋深40～50 m，0～90 cm深度土壤平均容重1.50 g/cm3，平均田间持水量28%(体积含水量)。0～30 cm表层土壤平均全氮含量为0.038%，全磷含量为0.058%，全钾含量为1.56%，速效磷含量为16.887 mg/kg，速效钾含量为147.842 mg/kg，有机质含量为0.753%，水溶性总盐含量为0.0194%。站内设有县级气象站，按照国家气象局的《地面气象观测规范》进行气温、湿度、降水、日照、水面蒸发、风速、气压和地温的观测，并设有自动气象站自动记录气温、相对湿度、太阳辐射和风速。本次试验，小麦整个生育期内共降雨16次，其中有效降雨4次，累计有效降雨量36.2 mm。

1.2 试验设计

试验方案(见表1)采用裂区试验设计，灌溉定额为主区，灌水次数为副区。小区面积24 m2(4.8 m×5.0 m)，四周设保护行，宽度为2 m。试验采用微喷灌灌水方式。灌溉定额设置300、350、400 mm 3个水平，记为M300、M350、M400。在每个灌溉定额下又设置3个不同的灌溉次数为5、7、9 次，记为N5、N7、N9，共9个处理。不同处理的施肥量相同[氮肥(N) 160 kg/hm2，磷肥(P2O5) 60 kg/hm2，钾肥(K2O) 176 kg/hm2]。采用随机区组试验设计，每个处理重复3次，试验共设27个小区。

1.3 灌水、施肥控制措施

每个小区配备一个闸阀，一个施肥罐和一个水表，以保证每个小区单独灌水、施肥的要求。微喷带垂直于小麦种植方向布置，2个微喷带之间的间距为1.6 m。微喷带采用甘肃大禹节水股份有限公司生产的带宽40 mm、并列斜5孔、孔径0.8 mm、喷射仰角45°～70°的黑色PE微喷带。磷肥20%作为底肥一次施入，剩余80%和氮钾全部通过微喷灌水肥一体化技术喷施。除去底肥，整个生育期内施肥2次，分别安排5月4日和6月3日，所有处理统一灌水并施肥，所有处理施肥量一致。

表1 试验中的9个处理

1.4 农艺措施

供试小麦品种为“永良四号“春小麦。3月25日施基肥(重过磷酸钙27.3 kg/hm2，P2O5≥44.0%)、整地。3月27日播种，采用机械条播方式，播种量为525 kg/hm2，行距15 cm，每个小区种植32行。4月7日出苗，拔节期和开花期各追肥一次，追肥量分别为尿素(总N≥46.4%)172.4 kg/hm2，重过磷酸钙(P2O5≥44.0%)54.5 kg/hm2，硫酸钾(K2O≥52%)169.2 kg/hm2。其他管理同当地大田。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 土壤水分监测及作物耗水与水分利用效率计算

(1)土壤含水率测定。每个生育期末在滴管带下和2滴管带中间分别取土(取土深度为100 cm，间隔20 cm)，用烘干法测定不同处理的土壤含水率。

(2)作物耗水量计算。作物耗水量用水量平衡法计算，依据相临2次土壤水分的测定结果，计算该时段内作物蒸腾蒸发量。计算公式[11]如下：

(1)

式中：ET1-2为阶段蒸发蒸腾量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数目；γi为第i层土壤干密度，g/cm3；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1为第i层土壤在时段初的含水率(干土重的百分率)；Wi2为第i层土壤在时段末的含水率(干土重的百分率)；I为时段内的灌水量，mm；P为时段内的降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm，因试验区地下水位在20 m以下，可以忽略地下水的补给量，故K=0；C为时段内的深层渗漏量，mm，因试验期间灌水计划湿润层深度远小于100 cm，且生育期内降水量较小，故可忽略此项，即C=0。

(3)水分利用效率(WUE)的计算[12]如下：

WUE=作物籽粒产量/ET

(2)

1.5.2 小麦叶面积指数的测定

分别于小麦分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期，在每个小区选取有代表性的小麦植株10株，用LI-3000C叶面积仪(美国LI-Cor公司)测定叶面积，取其均值计算叶面积指数。

1.5.3 测 产

每个小区收获1 m2小麦，随机取20株小麦，用直尺测量小麦穗长，计数有效穗数。人工脱粒，风干后测定千粒重和籽粒产量。

1.5.4 数据分析方法

试验数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS l8.0统计软件进行处理，用F检验法分析各处理之间差异的显著性，用最小显著极差法(LSR法)进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水组合对土壤水分分布的影响

图1为整个生育期内不同灌水处理春小麦田间土壤沿深度方向水分分布情况。由图1分析知，田间各层的土壤含水率大体上都随着灌溉定额的增加而增加。M400处理的平均含水率最高为18.8%，M350次之为16%，M300最低为13.1%。在同一水平的灌溉定额下不同灌水次数所对应的各层含水率呈现出不同的变化规律。在0～40 cm耕层，N9的平均含水率最高为14.6%，N7为13.6%，N5最低为13.1%。在40～100 cm土层却呈现出相反的规律，随着灌溉次数的增加各层的土壤含水率均下降，N9处理最低为17.1%，然后是N7为17.9%，最高的是N5为18.4%。

图1 不同灌水处理生育期内麦田的平均土壤含水率

通常高频灌溉有利于形成易于植物根系吸收的土壤水分条件，提高水分利用效率，增加作物产量[13,11]，但灌水间隔过大或过小均不利用作物生长，会造成相对不利的水分条件和盐分条件，导致作物生长受到胁迫而减产。N9相当于少量多次的灌溉方式，可维持0～40 cm土层含水率处于较高的水平。但由于灌水定额低没有足够的水分下渗到深耕层，导致在40～100 mm深的土层含水率普遍低于N7和N5处理。王淑芬[14]等认为小麦分蘖-拔节期表层土壤根长密度最大，随着土层加深，根长密度呈指数下降。在小麦生长的中后期，随着作物生长重心不断向生殖生长转移，下层根系比例明显增加。因此在M300处理下，前期小麦根系生长较浅，高频灌溉尚可满足小麦需水要求，随着生育期的推移，小麦根系逐渐延伸至深层土壤，但由于深层土壤水分的匮乏无法满足小麦生殖生长所需，高频灌溉会造成一定程度的减产。刘坤[15]等认为少量多次虽然促进中下层根系发育但后期灌水不足，会影响灌浆，降低千粒重，最终导致减产。N5相当于少次多量的灌溉方式，单次灌水量较大，一定程度上可以保证40～100 mm土层有足够的水分供给，但由于灌水间隔较大，不能保证0～40 cm土层有持续的水分供给，表层土壤含水率普遍低于N9和N7，因此无法提供小麦前期营养生长阶段适宜的土壤水分条件，进而对产量造成一定的影响。

2.2 不同灌水组合对春小麦耗水的影响

表2为不同灌水处理春小麦各生育阶段的耗水情况。由表2分析知，在当地地理和气候环境下，微喷灌春小麦生育期内蒸发蒸腾量基本变化趋势为：分蘖期-拔节期>抽穗期>灌浆期-成熟期>苗期，即小麦在营养生长阶段蒸发蒸腾量大于生殖生长阶段。耗水强度基本变化趋势为：抽穗期>分蘖期-拔节期>灌浆期-成熟期>苗期。经方差分析知不同灌溉定额处理之间小麦的耗水差异显著。除苗期外(苗期没有灌水)不同灌水处理各个生育期以及整个生育期的耗水量大体上均随着灌溉定额的增加而增加，M400处理的耗水最多平均为459 mm，M350的耗水为409 mm，M300的耗水最少为358 mm。在同一灌溉定额水平下不同灌水次数所对应的总耗水量没有显著规律，N9、N7、N5处理的平均耗水量分别为406、409和411 mm。

表2 不同灌水处理春小麦各生育阶段的耗水情况

3组不同灌溉定额的处理均呈现出相同的规律，说明不同生育期的耗水量和灌溉定额成正相关，灌水次数对耗水量的影响不大，这与前人的研究结果一致[12]。

2.3 不同灌水组合对小麦叶面积的影响

图2为不同灌水处理下小麦的叶面积系数在整个生育期内的变化情况。对于各灌溉定额处理，不同灌水次数之间的叶面积指数差异很大，并呈现出相同的规律，多次灌水更有利于叶面积指数的增加。冉辉、李宁[16,17]等发现高频灌溉更有利于叶面积指数的增加。本研究中，M350N9的叶面积指数为3.63，在所有灌水组合中最大，分别比M350N7和M350N5提高了9.7%和15.8%。相同灌水次数下不同灌溉定额下，M350的叶面积指数最大，为3.36，M350N9的叶面积指数比M300N9和M400N9提高了25.2%和1.4%。而M400处理生育前期的叶面积指数普遍高于M300和M350，在抽穗期达到最大，灌浆期迅速下降，并且在生育末期明显低于M350(P<0.05)。说明灌水量过大会导致叶面积的降低。

图2 不同灌水组合小麦的叶面积指数

灌水次数和灌水量过大会使小麦前期生长过旺，群体过大，田间提前郁蔽，下部叶片因受光不足而提前衰老，导致后期叶面积迅速下降，会影响籽粒的发育和灌浆，进而导致产量的降低[18]。本研究并没有出现由于灌水次数过大而导致叶面积指数降低的情况，可能是因为试验设置的灌水次数偏少，没有达到对小麦叶面积的生长产生抑制作用的灌水次数。

2.4 不同灌水组合对春小麦产量构成及水分利用效率的影响

产量是农业生产追求的核心目标，几乎所有的生产技术及水肥田间管理措施都是以提高产量为目的，因此，产量是衡量灌溉水分调控效果的一项重要指标。表3为不同灌水处理下小麦的产量构成和水分利用效率。

表3 不同灌水组合小麦的产量构成和水分利用效率

2.4.1 不同灌水组合对小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，不同的灌水组合间的产量构成差异显著(P<0.05)。相同灌溉次数不同灌溉定额下，M350处理的产量最高，为7 657 kg/hm2，分别较M400和M300增产2.5%和22.2%。M350N9的产量在所有处理中最高为7 943 kg/hm2，分别比M300N9和M400N9增产了22.7%和5.3%。M350N9的单位面积穗数、穗粒数和千粒重均高于M300N9和M400N9，其中单位面积小穗数差异显著，分别提高了12.3%和3.9%。相同灌溉定额不同灌水次数下，N9的产量最高为7 319 kg/hm2。M350N9处理的产量分别比 M350N7和 M350N5提高了1.6%和10.2%，N9的单位面积穗数和穗粒数也普遍高于N7和N5，N9的平均单位面积穗数为753 个/m2，高于N7和N5的732和643 个/m2。本研究表明，随着灌水量的增加小麦的产量没有持续增大，而是先增大后减小，在M350灌水水平时达到最大。石岩[19]等研究认为耗水量与产量呈抛物线关系，即随灌水量增加，产量增加，但当灌水量到一定程度后，产量下降或保持平稳。M300的产量普遍低于其他处理，该处理整个生育期的灌水量太少，无法满足小麦正常生长所需，尤其是生育前期灌水少导致单位面积穗数下降，产量下降。M400为本次试验灌水最多的处理，但是相较于M350，穗粒数出现了明显的下滑，从而影响了产量。灌水过多尤其是前期灌水过多，容易引起小麦群体过大，严重影响穗粒数和粒重的提高，导致产量下降；后期灌水较多虽有利于千粒重的提高，但由于穗数的不足而导致产量下降[20]。灌水次数的增加也显著提高了小麦产量，在一定的范围内，通过增加灌溉频率可以有效地提高穗数和穗粒数，从而增加小麦产量[21]。

2.4.2 灌溉定额对WUE的影响

水分利用效率的变化趋势基本和产量一致。M350N9处理的水分利用效率为1.96 kg/m3，为所有处理中最高。处理 M350的平均水分利用效率最大为1.87 kg/m3，M300平均水分利用效率为1.75 kg/m3， M400最小为1.63 kg/m3，M350的处理水分利用效率分别比M300和M400处理提高了6.8%和14.7%。M400平均产量虽然高于M300，但是由于灌水量的增大，最终导致水分利用效率低于M300。同一灌溉定额下随着灌溉次数的增加，水分利用效率的变化规律和产量相同，N9比N7和N5分别提高了1.7%和9%。说明灌水量对水分利用效率的大小起到了决定性的作用，灌溉定额的增加在一定的范围内可以提高小麦的水分利用效率，但超过某一特定值后产量的增速放缓，甚至下降，从而导致水分利用效率的下降。

3 结 论

(1)微喷灌条件下，灌溉定额不变的情况下，适当地增加灌水次数可以有效地提高小麦的LAI、产量和水分利用效率，N9的水分利用效率比N7和N5分别提高了1.7%和9%。

(2)微喷灌条件下，相同的灌水次数下，随着灌溉定额的加大，小麦的产量和LAI先增加后减小。灌水量过多，导致前期叶片群体过大，田间提前郁蔽，生殖生长阶段下部叶片因受光不足而提前衰老，叶面积迅速下降，会影响籽粒的发育和灌浆，产量下降。

(3)综合考虑灌水量、耗水量、LAI、产量4个因素，在本试验条件下，全生育期内总灌水量为350 mm和灌水9次的处理M350N9的灌水组合最优，产量和水分利用效率最大为7 943 kg/hm2和1.96 kg/m3。

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