遮雨棚模拟黄土旱塬区降水变化对冬小麦生长及产量的影响

来兴发，杨宪龙，王自奎，沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，草业科学国家级实验教学中心，甘肃兰州 730020)

黄土高原旱作塬区是我国典型的雨养农业区，也是我国重要的粮食生产区之一[1]。冬小麦是该地区主要的粮食作物，对于保障该区域粮食安全发挥着重要作用。降水是影响冬小麦生产的主要因素[2]。降水会改变田间的土壤水分状况，进而影响到冬小麦的生长发育过程，最终使得冬小麦的产量受到影响[3-4]。然而，黄土旱塬区的降水在年际间与年内分配极不均衡，加之近年来极端降水事件频发，使得该地区冬小麦的产量长期处于不稳定状态[5-6]。因此，研究不同降水情景下黄土旱塬区的冬小麦生长特性以及产量的变化特征，对于了解冬小麦适应气候的变化以及农田水分管理有重要的生产实践意义。

在旱作雨养农业区，降水是限制作物生长的最主要因素[5]。降水通过改变土壤水分状况，进一步使得植物叶片的形态特征发生变化[7]。叶片是植物最主要的器官，对外界环境的变化比较敏感，其形态特征的变化是对环境适应性的体现[8-9]。叶片形态的变化会引起植物的叶面积指数[10]、归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)[11]、干物质积累量等一系列指标变化[12]。其中NDVI是一个能够很好地反映作物生长状况的指标，可用于作物生长状况评估和监测。当土壤干旱缺水时，为适应环境的变化，植物叶片会卷曲、失绿，甚至萎蔫，同时叶片面积增长慢，LAI增长速率变小，NDVI降低，植物光合作用减弱，干物质积累速率变缓[13]。当增加土壤水分时，植物叶片逐渐恢复绿色，冠层的郁闭度增加，植物光合作用增强，叶面积增长较快，叶面积指数显著增加，干物质的积累逐渐增加[12,14-15]。目前，通常采用人工模拟降水[16]、作物模型[17]、不同灌溉制度[10]等方法来研究水分变化对作物生长发育的影响，但上述方法都不能较好地反映田间实际状况。而遮雨棚技术是通过控制降雨的截留，达到控制地表降雨净输入的效果，可以较好地实现降雨强度和降雨时间与自然降水的一致性，具有较大的应用前景。例如，倪盼盼等[18]通过遮雨棚控制降水对冬小麦产量的降水效应进行了研究，发现这种方法比较真实地反映了田间实际情况。但是，截止目前，通过遮雨棚控制降水梯度技术来探究不同降水条件下冬小麦生长动态以及产量的变化相对较少。因此，本研究采用遮雨棚控制降雨形成减少30%降水、对照和增加30%降水不同降水梯度，分析生长季不同降水条件下冬小麦叶面积指数、归一化植被指数、干物质积累量、产量及其构成等变化特征，以期为未来降水变化背景下黄土旱塬区冬小麦的高效栽培提供指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2016年9月-2018年6月在兰州大学庆阳黄土高原试验站进行。该站位于东经107°51′，北纬35°39′，海拔1 297 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。据多年气象资料显示(2001-2015)，该站多年平均降水量为548.9 mm，主要集中在7-9月；多年平均气温为 9.5 ℃，1月份平均气温为-3.7 ℃，7月份平均气温为22.1 ℃。2016-2017和2017-2018年降水量分别为530.2和713.9 mm，降水距平百分率分别为-3.4%和30.04%，可分别视为正常降水年份和湿润年份[21]；2017年1月份的气温为 -1.4 ℃，而2018年1月份的气温为-5.71 ℃(图1)。该地区是典型的黄土旱作区，土壤为黑垆土。0～20 cm土层全氮含量为0.94 g·kg-1，硝态氮含量为85.1 mg·kg-1，全磷含量为0.75 g·kg-1，速效磷含量为34.4 mg·kg-1，全钾含量为13.2 g·kg-1，速效钾135.7 mg·kg-1，有机质含量为1.02 g·kg-1。

1.2 试验设计

由于试验站多年平均降水量为549 mm，向上浮动30%为713 mm，可以达到半湿润地区降水量的标准；而向下浮动30%为384 mm，可达到半干旱地区降水量的下限标准。由于这两个降水量接近气候分界线[21]，对当地的生产实践有很大的参考价值，因此选择30%的降水量波动范围。在冬小麦整个生长季内，设置减少30%降水(R-30%)、正常降水(CK)和增加30%降水(R+30%)3个降水梯度，3次重复，小区面积为9 m2(3 m×3 m)。减少30%降水与增加30%降水处理如图2所示。其中，减少30%降水采用4 cm×6 cm的方钢焊接而成的遮雨棚来实现，试验期间遮雨棚一直固定在小区内。遮雨棚底部为3 m×3 m，遮雨棚前高为2.0 m，后高为2.2 m，使得遮雨棚顶部有一定的倾角。将透明(透光)的亚克力管(直径为10 cm)沿直径方向剖开，使其成为集雨槽，每个遮雨棚顶部均匀固定10个集雨槽，使其截留30%降水(模拟减少30%降水)，然后通过集雨槽将截留的雨水通过水管导入到集雨桶内。待降雨结束后，将收集的30%降水通过滴灌水管将收集的雨水导入到另一个小区，使得另一个小区增加30%降水，以保证三个降雨处理下降雨的同期性。

P：降水量；T：平均气温。

P：Precipition;T:Average are temperature.

图1 冬小麦生长季内的月降水量和平均气温

Fig.1Monthly precipitation and air temperature during the winter wheat growing seasons

图2 田间减少30%降水与增加30%降水示意图

本试验供试冬小麦为当地栽培品种陇育4号，两年分别于2016年9月26日和2017年9月23日播种，于2017年6月23日和2018年6月24日收获。小麦播种采用条播方式，行距为15 cm，播深5～6 cm，播量为225 kg·hm-2。冬小麦在播种前施氮120 kg·hm-2和P2O535 kg·hm-2，生育期内不再追肥。氮肥为尿素(含氮46%)，磷肥为普通过磷酸钙(含P2O516%)。试验期间人工除草，田间管理措施按当地生产实践进行。

1.3 测定指标

1.3.1 土壤相对有效含水量测定

在冬小麦返青后，采用烘干法和TDR相结合测定0～1.2 m土壤含水量，每14～ 20 d测定一次，采用土壤相对有效含水量(AW)来表示不同降水处理下土壤的水分状况，该值在0～1之间[10,19]。由于冬小麦的根系主要分布在0～60 cm土层内[20]，因此本研究选择0～60 cm土层的土壤水分数据来计算土壤相对有效含水量，以此来量化不同降水处理的土壤水分状况。

式中θa为土壤体积含水量，θf为田间持水量，θwp为凋萎系数。

1.3.2 叶面积指数(LAI)测定

冬小麦返青后，每隔10～14 d用LAI-2000冠层分析仪测定冬小麦LAI，每个小区测定2次重复。

1.3.3 归一化植被指数(NDVI)测定

冬小麦返青后，用便携式GreenSeeker光谱仪(上海泽泉科技股份有限公司)每隔10～14 d测定不同降水梯度下冬小麦冠层归一化植被指数。测定时传感器与冬小麦冠层保持平行且垂直麦垄方向，距离冬小麦冠层顶部高度40 cm，每个小区测定2次重复。

1.3.4 冬小麦地上干物质量及产量测定

干物质量的测定：在冬小麦返青后，每隔10～14 d测定一次冬小麦的干物质量，测定时选取长势均匀0.5 m样段，齐地面刈割后带回实验室，放在烘箱中105 ℃杀青30 min后，将温度调至65 ℃烘干后称干重。

产量的测定：在冬小麦成熟期，选取每个小区中间5行1 m的小麦样段，齐地面刈割后带回实验室，测定冬小麦的穗数、穗粒数、千粒重和产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2013进行数据整理并绘图，利用Genstat 19.0对数据进行单因素进行方差分析和多重比较(α=0.05)。

2 结果分析

2.1 降水变化对土壤相对有效含水量的影响

冬小麦生长季内土壤相对有效含水量在连续两年观测期呈现出不同的变化特征(图3)。在2016-2017年生长季内，R-30%处理的土壤相对有效含水量均低于CK和R+30%处理，且三个降水处理下土壤相对有效含水量在返青-孕穗期呈现下降趋势。相比之下，在2017-2018生长季内，从冬小麦返青期到抽穗期，R+30%处理的土壤相对有效含水量高于CK和R-30%处理，这是由于这一时期冬小麦耗水较少，同时此期间降水较多，使得土壤相对有效含水量保持较高水平。而从孕穗期到收获期，冬小麦生长耗水量不断增加，使得三个降水处理下土壤水分逐渐减少，三个降水条件下土壤相对有效含水量均保持在0.2左右，差异不明显。

小麦返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期在2016-2017年分别为播种后187、199、213、220、256和270 d，在2017-2018年分别为播种后181、195、215、225、254和273 d。

The time of regreening, jointing, heading, flowering, grain-filling and maturity stages of wheat are 187, 199, 213, 220, 256 and 270 d after sowing in 2016-2017, respectively, and 181, 195, 215, 225, 254 and 273 d after sowing in 2017-2018, respectively.

图3 冬小麦生育期内土壤相对有效含水量的动态变化

Fig.3 Dynamics of relative available water content during the wheat growing seasons

2.2 降水变化对冬小麦群体LAI的影响

两年内冬小麦LAI均呈先升后降趋势(图4)。在2016-2017年生长季内，由于4月份降水量较少，而冬小麦的耗水逐渐增多，R-30%处理下土壤水分供应不足，使得冬小麦植株生长受到抑制且发生萎蔫，导致LAI增长缓慢。而R+30%处理下土壤水分比较充足，冬小麦快速生长，LAI增长速度显著高于CK和R-30%处理。随着生育期的推进，在开花期所有处理LAI均达到最大值，分别为 4.05、3.10和2.53，且处理间差异显著(P<0.05)。开花期之后，冬小麦叶片逐渐发黄凋落，各处理LAI均出现了不同程度下降。在2017-2018年生长季内，冬小麦生长季内的降水比较充沛，减少降水时仍然能满足冬小麦生长季内水分需求，植株长势一致。由于小麦植株生长迅速，冠层郁闭度快速升高，所以三个降水梯度下LAI变化一致，在开花期均达到了最大值(5.6左右)，但处理间差异不显著。随着生育期的推进，冬小麦在灌浆期出现了不同程度的倒伏，使得灌浆后期到成熟期LAI降为0。

2.3 降水变化对冬小麦群体NDVI的影响

不同降水处理下冬小麦冠层NDVI值随着时间的推移呈不同的变化趋势(图5)。在2016-2017年，随着生育期的推移，所有处理冬小麦冠层NDVI值均呈先降再升后降的趋势，且R+30%处理的NDVI值均显著高于CK和R-30%处理。在2016-2017生长季内，由于4月份降水偏少，冬小麦为了适应缺水而表现出叶片发黄萎蔫失绿，所以冬小麦在返青到孕穗期所有处理的NDVI值急剧下降。但在抽穗期(播种后220 d)，三个降水处理下冬小麦NDVI值均又呈上升的趋势，这是因为孕穗到抽穗期降雨及时补充了土壤水分，冬小麦叶片逐渐恢复绿色，冠层郁闭度逐渐增加，使得NDVI值逐渐上升。而在抽穗至成熟期，冬小麦冠层郁闭度不断下降，冬小麦叶片逐渐发黄，对红光吸收率降低、反射增加，使得近红外光谱与红光光谱差值变小，所以NDVI值不断下降。而2017-2018年生长季内，三个降水处理NDVI值均呈先升后降的趋势。但由于降水比较充沛，水分供应充足，使得冬小麦长势一致，三个降水处理间NDVI值差异不大。随着冬小麦生育期的推移，所有处理冬小麦冠层在抽穗期趋于稳定，NDVI也达到最大值，均为0.8左右。从抽穗期到成熟期，冬小麦叶片逐渐的发黄凋落，使得三个降水处理下NDVI值不断降低，在成熟期冬小麦NDVI值下降到最小值，为0.2左右。

图4 降水变化条件下冬小麦LAI指数的动态变化

图5 降水变化条件下冬小麦NDVI的动态变化

2.4 降水变化对冬小麦干物质积累的影响

2016-2017年生长季内，由于夏闲期(2016年7-9月)和拔节期(2017年4月)降水量偏少，R-30%处理土壤水分亏缺严重，冬小麦生长速度缓慢，干物质积累速率显著低于CK和R+30%处理。而相比之下，R+30%处理的水分亏缺程度较轻，干物质量保持稳定增长速率优势。在收获期时，相比CK，R-30%处理干物质积累量减少了24.18%，而R+30%处理增加了 22.80%。在2017-2018年生长季内，由于降水量比较充沛，土壤水分供应充足，使得冬小麦在灌浆期之前干物质积累速率显著增加，但不同处理之间相差不大，到成熟期时，R+30%、CK和R-30%三个处理间干物质积累量差异不显著。

图6 降水变化条件下冬小麦干物质积累的动态变化

2.5 降水变化对冬小麦产量及其构成的影响

在2016-2017年，R-30%处理下由于降水偏少，土壤水分供应不足，冬小麦产量比CK减少了 28.4%。而R+30%下处理水分相对比较充足，冬小麦生长速率较快，干物质积累比较多，产量比CK增加了44.2%。R-30%处理下冬小麦的穗数比CK减少了16.2%，且千粒重比CK降低了16.5%。而2017-2018年生长季内降水量比较充沛，即减少30%降水仍然能满足冬小麦生长所需的水分时，最终使得三个降水处理下冬小麦的产量及其构成均相差不大，且R+30%、CK和R-30%三个处理间冬小麦产量差异不显著。

表1 降水变化对冬小麦产量及其构成的影响Table 1 Effect of precipitation change on grain yield and its components of winter wheat

数据后不同小写字母表示在同年度的不同处理间在0.05水平差异显著。

Different small letters following the values of the same columns in same year indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.

3 讨 论

在雨养农业区，降水是作物生长的关键[22-23]。降水通过改变田间土壤水分状况，进而影响到作物的生长。冬小麦生长时为了适应土壤的干旱缺水，叶片会卷曲失绿甚至萎蔫，叶面积缩小，LAI增长变缓[24]，NDVI下降[11]。其中NDVI的变化与作物生长状况、生育时期密切相关[25-26]。本研究发现，冬小麦在2016-2017年拔节期(2017年4月份)的降水量偏少，R-30%处理下水分供应更少，因而土壤有效含水量较低，冬小麦严重缺水。由于水分与作物的生长发育存在显著的相互依赖和相互制约的关系，所以冬小麦的叶片发生萎蔫失绿，冠层NDVI值迅速降低，LAI增长变缓，干物质积累减少，导致冬小麦穗数偏少和千粒重下降，这与许多学者的研究结果一致[27-28]。而倪盼盼等对黄土高原研究认为，返青至拔节期降水减少会对冬小麦LAI、生物量、株高等指标表现出“先促后抑”效应，这是由于水分对植物生长的影响是一个适应到伤害的过程，水分会限制植物的生长，同时植物也会通过调整不同器官的生长速度来适应水分的减少，短期内其叶片的光合作用会有所提高，生物量会稍有增加[7]。本试验中，在拔节期(2017年4月)降水偏少情况下，降水不能满足冬小麦生长发育所需求的水分，此时减少降水对冬小麦生长的抑制作用会更加明显，使得植株生长严重受阻。相比之下，R+30%处理由于降水补充了一定量的土壤水分，所以冬小麦LAI、生物量仍然呈现迅速上升趋势。而冬小麦冠层NDVI值仍然呈现下降趋势，这是由于补充的水分对冬小麦的生长有滞后效应，随着生育期的推移，增加的降水补充了冬小麦生长所需的水分，冠层逐渐恢复了绿色，光合作用增强，干物质积累量、穗数和千粒重增加，最终显著提高产量，这与倪盼盼等[7]等研究一致。

在2017-2018年，冬小麦的生长在处理间未表现出差异。这是由于2017年夏闲期8月份、播种后苗期(2017年10月)以及返青期(2018年4月)的强降水使得水分供应充足，冬小麦迅速生长。冬小麦冠层NDVI值在三个降水条件下未表现出差异，这表明所有处理冬小麦的长势一致，而从测定的LAI、生物量、产量等指标的无差异也说明在降水偏多年份，生长季的降水量不在是限制冬小麦生长的主要因素。同时，由于降水充沛，冬小麦迅速生长，导致在灌浆期出现了不同程度的倒伏，灌浆受抑，产量偏少，使得观测到的冬小麦产量与2016-2017生长季的CK处理相近。而2016-2017年R+30%处理下受水分胁迫很小，冬小麦生长旺盛，且灌浆期水分充足和未倒伏，灌浆速率较大，冬小麦有效穗数增加，最终使得冬小麦的产量显著升高。这与李华龙等[10]研究一致，即当水分供应充足时，冬小麦的分蘖数和有效穗数增加，千粒重升高，导致产量提高。本研究还发现，虽然2017-2018年降水比较充沛，但后两次的土壤相对有效含水量却显著的低于2016-2017年生长季，这可能是由于观测土壤水分的日期恰好在降水之后过后的第2至第3天，使得土壤剖面的土壤水分瞬间升高，从而导致观测的土壤相对有效含水量高于2017-2018生长季。由于本研究年限较短，因此需要更长年限来研究降水变化对黄土旱塬区冬小麦的NDVI、LAI、生物量以及产量等过程特征的影响。