抽穗期补充灌溉对河套灌区地膜春小麦生长的影响

白岗栓，杜社妮，苗庆丰

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌712100；3.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010020）

春小麦（Triticum aestivum）是中国西北地区的主要粮食作物之一[1]。内蒙古河套灌区是中国北方优质春小麦生产基地[2-4]。近年来，随着国家对黄河流域用水量的宏观调控，河套灌区农业用水日渐减少，土壤盐渍化日益加重，春小麦种植面积不断减少[5]。地膜覆盖可有效改善土壤的水热状况[6-9]，降低土壤盐分含量[10-11]，提高土壤养分有效性及利用效率[9]，促进春小麦提早出苗[12]和积累较多的干物质[8]，利于春小麦早期的穗分化及产量形成[13-14]。为了稳定河套灌区春小麦生产，地膜春小麦在河套灌区已逐渐被推广[15]。河套灌区是无灌溉便无农业的地区，土壤水分、养分不足往往导致春小麦生理代谢紊乱，叶面积减小，光合作用降低，千粒质量、单穗质量及产量降低[16]；且在相同水肥条件下，地膜春小麦较露地春小麦分蘖力强，生物量大，根冠比低，耗水量高[11-12]，生长后期土壤水分及养分不足，更易造成千粒质量及经济系数降低[11-12,17]；此外，地膜春小麦分蘖成穗比例高，个体生长旺盛，生长后期个体间竞争加剧，也不利于千粒质量的提高[18-19]。干旱及半干旱地区春小麦的产量往往随灌溉次数及灌溉量的增加而增加[20-23]。春小麦在扬花期耗水量大，土壤水分亏缺往往会造成减产[24]。河套灌区地处干旱、半干旱、半荒漠草原区，春小麦生长在干旱少雨的春夏季，灌溉是春小麦获得高产、稳产最关键的技术之一[25]。地膜覆盖增加了春小麦拔节期至灌浆期的耗水量[26-27]，减少了土壤水分含量，易造成生长期缩短，叶片早衰，特别是扬花期至灌浆期的土壤水分不足会显著降低春小麦的千粒质量及产量[28]。笔者前期研究表明：河套灌区西部的磴口县往往在春小麦分蘖期（4 月下旬）、拔节孕穗期（5 月上中旬）、扬花期（6 月中下旬）和灌浆期（7月上旬）进行灌溉，其中，孕穗期至扬花期地膜春小麦土壤水分亏缺严重[11]；因此，河套灌区地膜春小麦需在原有灌溉的基础上适当增加灌水量，以提高春小麦产量及品质[12]。为了弥补土壤水分不足，防止春小麦生长后期出现脱水现象，本文在河套灌区地膜春小麦抽穗期（5月下旬）开展补充灌溉试验，探讨不同补灌量对土壤水分及地膜春小麦生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于内蒙古河套灌区西部的磴口县坝楞村（40°24′32″N，107°02′19″E），海拔1 048.6 m，年均气温7.1 ℃，年日照时数3 187.3 h，降水量142.1 mm，干燥度16.51，无霜期178 d。试验地土壤为灌於土，土层厚度1.5～1.8 m，地下水位2.0 m左右，其中：耕层（0～20 cm 土层）土壤有机质质量分数为9.80 g/kg，速效氮、有效磷和速效钾质量分数分别为63.24、12.6 和171.4 mg/kg，田间持水量23.23%，萎蔫系数7.48%，含盐量1.50 g/kg 左右，pH 8.8；0～100 cm 土层内土壤平均容重为1.48 g/cm3。灌溉水来源于过境的黄河水，pH 8.1 左右，矿化度0.32 g/L左右。试验地长60.0 m，宽40.0 m。

1.2 试验材料与设计

供试材料为每穴播种12 粒（播种量283.33 kg/hm2）的地膜春小麦[11-12]，品种为‘永良4 号’；覆盖的地膜为白色聚乙烯地膜，厚0.004 mm，宽110 cm，平畦覆盖，长12.2 m。地膜春小麦采用穴播，2018年3月15日种植，行距15 cm，穴距12 cm，密度55.56穴/m2，每幅地膜种植7行，每行100穴。每个试验小区由2幅地膜组成，2幅地膜之间留25 cm的压土带，地膜两侧覆盖厚6.0 cm、宽7.0 cm 的土（图1）。供试春小麦处于抽穗初期，生长状况见表1。

图1 地膜春小麦试验小区示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental plot of filmmulched spring wheat

春小麦播种前0～100 cm土层内土壤贮水量为449.21 mm，抽穗期补灌前为283.95 mm（图2），播种至抽穗期土壤水分减少了165.26 mm；灌溉2 次共180.0 mm，降水10.8 mm；土壤耗水量为356.06 mm，补灌前的土壤水分蒸散强度为4.75 mm/d。

试验以当地春小麦的常规灌溉模式为对照，即分蘖期（4月20日）漫灌90 mm（根据潜水泵抽水时间来控制）、拔节孕穗期（5月10日）漫灌90 mm、扬花期（6 月12 日）漫灌90 mm 和灌浆期（7 月5 日）漫灌90 mm，全生育期共漫灌360 mm；在常规灌溉的基础上，在地膜春小麦抽穗初期（5月30日）分别补充漫灌90、70 和50 mm，即地膜春小麦全生育期（3 月15日—7 月17 日）灌溉量由360 mm 分别增加到450、430和410 mm（图3），探讨抽穗初期不同补灌量对土壤水分及地膜春小麦生长的影响。试验重复3次，共12个小区。不同小区随机排列，之间间隔100 cm，小区两侧修筑宽30 cm、高20 cm的土埂，以防灌溉水串流。春小麦生长期共降水29.0 mm，主要集中在播种后至出苗期、扬花期和成熟期（图3）。

表1 补灌前地膜春小麦生长状况Table 1 Growth status of film-mulched spring wheat before supplementary irrigation

图2 播种前及抽穗期试验地土壤贮水量Fig.2 Soil moisture content of experimental field before sowing and at heading stage

图3 春小麦生长期间的降水量及灌溉量Fig.3 Precipitation and irrigation during spring wheat growth

不同处理均在覆膜前施磷酸二铵375.0 kg/hm2（N 172.5 kg/hm2，P2O567.5 kg/hm2），氯化钾37.5 kg/hm2（K2O 21.5 kg/hm2）。拔节孕穗期（5月10日）随灌水追施尿素150.0 kg/hm2（N 69.0 kg/hm2）。不同处理的施肥、播种、除草等管理措施均相同。

1.3 监测项目

土壤水分：在春小麦抽穗期、扬花期、灌浆期灌水前及成熟期收获前，以10 cm土层为一层，在每幅地膜第3—4 行或第4—5 行的行中部，用土钻分层采集0～100 cm土层土壤，每小区采集3 次，用烘干法测定不同小区的土壤水分含量，然后根据不同土层的土壤水分含量、土层厚度和土壤容重，换算成不同土层的土壤贮水量，mm[3,29]。

生长状况：在扬花期、灌浆期灌水前及成熟期收获前每个小区随机抽取5 穴，用常规方法测定每穴茎数、株高和地上部茎秆、叶片和叶鞘、穗的生物量（105 ℃烘烤30 min 后，于80 ℃条件下烘烤至恒量），计算单茎生物量及单位面积生物量。同时，监测不同处理的成熟期。

经济性状：成熟期以1.0 m2（55.56 穴）为单位，近地面收割，每个小区随机采集3处，测定不同小区春小麦的穗长、穗粒数、籽粒产量和千粒质量等。根据不同处理的籽粒产量与生物量计算经济系数；根据不同处理的春小麦耗水量、生物量和籽粒产量计算不同处理的水分利用效率（water use efficiency,WUE）和水分生产效率（water production efficiency,WPE）；根据不同生长期的耗水量和持续天数计算不同生长期的土壤水分蒸散强度[11]；根据补灌水量与增产量计算补灌增产强度。计算公式如下：

经济系数=籽粒产量/生物量，

WUE=B/Et，

WPE=Y/Et，

Et=P＋I±Δh.

式中：WUE 为水分利用效率，kg/（hm2·mm）；B 为生物总量，kg/hm2；Et为田间耗水量，mm；WPE 为水分生产效率，kg/（hm2·mm）；Y 为籽粒产量，kg/hm2；P为生育期间的降水量，mm；I为生育期间的灌水量，mm；Δh 为生育期间土壤水分含量的变化量，mm。试验地地下水位在2.0 m 左右，试验期间虽然存在灌溉水渗漏、地下水补给等现象，但由于试验地比较均一，不同处理的灌溉水渗漏量、地下水补给量较相近且灌溉水渗漏量、地下水补给量影响较小，故试验期间灌溉水渗漏量及地下水补给量未进行监测及分析。

增产强度/（kg/（hm2·mm））=增产量/（kg/hm2）÷补灌水量/mm。

土壤水分蒸散强度/（mm/d）=某一生长期的田间耗水量/mm÷某一生长期的持续时间/d.

1.4 数据处理

采用Excel 2010制作图表；用SPSS 19.0软件对试验数据进行方差分析，若差异有统计学意义，则采用邓肯新复极差检验法进行多重比较，以检验不同处理之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤贮水量的影响

扬花期漫灌前补灌90、70、50 mm 和常规灌溉下0～100 cm 土层内土壤贮水量分别为221.31、203.57、187.74和178.84 mm，其中：土壤贮水量以补灌90 mm 极显著高于补灌50 mm 和常规灌溉（P＜0.01），并显著高于补灌70 mm（P＜0.05）；补灌70 mm极显著高于常规灌溉（P＜0.01），显著高于补灌50 mm（P＜0.05）；补灌50 mm 与常规灌溉处于同一水平（图4）。

图4 扬花期灌溉前不同处理的土壤贮水量Fig.4 Soil moisture content of different treatments before irrigation at flowering stage

灌浆期漫灌前补灌90、70、50 mm 和常规灌溉下0～100 cm 土层内土壤贮水量分别为228.70、215.92、202.57和198.89 mm，其中：土壤贮水量以补灌90 mm 极显著高于补灌50 mm 和常规灌溉（P＜0.01），并显著高于补灌70 mm（P＜0.05）；补灌70 mm显著高于补灌50 mm和常规灌溉（P＜0.05）；补灌50 mm与常规灌溉之间无显著差异（图5）。

图5 灌浆期灌溉前不同处理的土壤贮水量Fig.5 Soil moisture content of different treatments before irrigation at filling stage

成熟期收获前补灌90、70、50 mm 和常规灌溉下0～100 cm 土层内土壤贮水量分别为294.59、283.56、272.10和269.60 mm，其中：土壤贮水量以补灌90 mm 显著高于补灌50 mm 和常规灌溉（P＜0.05），略高于补灌70 mm；补灌70 mm 略高于补灌50 mm 和常规灌溉，三者之间差异无统计学意义（图6）。

图6 成熟期收获前不同处理的土壤贮水量Fig.6 Soil moisture content of different treatments before harvesting at maturity stage

2.2 不同处理对土壤耗水量及蒸散强度的影响

由表2可见：抽穗至扬花期补灌90、70和50 mm的土壤耗水量及土壤水分蒸散强度均极显著高于常规灌溉（P＜0.01）。扬花至灌浆期补灌90 mm 的土壤耗水量及土壤水分蒸散强度均极显著高于常规灌溉（P＜0.01），补灌70 mm 和补灌50 mm 均显著高于常规灌溉（P＜0.05）。灌浆至成熟期补灌90 mm的土壤耗水量及土壤水分蒸散强度均极显著高于补灌50 mm和常规灌溉（P＜0.01），显著高于补灌70 mm（P＜0.05）；补灌70 mm极显著高于常规灌溉（P＜0.01），显著高于补灌50 mm（P＜0.05），补灌50 mm与常规灌溉之间差异无统计学意义。播种至成熟期补灌90 mm 的土壤耗水量极显著高于常规灌溉（P＜0.01），补灌70 mm 和补灌50 mm 均显著高于常规灌溉（P＜0.05）；播种至成熟期补灌90、70和50 mm 的土壤水分蒸散强度均极显著高于常规灌溉（P＜0.01）。

表2 不同处理各生长期的土壤耗水量及土壤水分蒸散强度Table 2 Soil moisture consumption and evapotranspiration strength of different treatments at different growth stages

2.3 不同处理对春小麦生长的影响

从表3可以看出：无论是扬花期、灌浆期还是成熟期，不同处理的株高和穗长均为补灌90 mm的居首，补灌70 mm和补灌50 mm的居中，常规灌溉的居尾，不同处理之间无显著差异；而不同时期不同处理的单穴茎数基本一致，无显著差异。扬花期、灌浆期和成熟期不同处理的茎粗均为补灌90 mm的较大，补灌70 mm和补灌50 mm的居中，常规灌溉的较细，其中扬花期和灌浆期补灌90 mm显著大于常规灌溉（P＜0.05），成熟期补灌90、70和50 mm均显著大于常规灌溉（P＜0.05）。不同处理的单穗生物量在扬花期表现为补灌90 mm显著大于常规灌溉（P＜0.05）；灌浆期和成熟期补灌90和70 mm极显著大于常规灌溉（P＜0.01），补灌50 mm 显著大于常规灌溉（P＜0.05）。不同处理的茎秆生物量在扬花期和成熟期表现为补灌90 mm极显著大于常规灌溉（P＜0.01），补灌70和50 mm显著大于常规灌溉（P＜0.05）；灌浆期补灌90、70 和50 mm 均极显著大于常规灌溉（P＜0.01）。不同处理的叶片和叶鞘生物量在扬花期和成熟期表现为补灌90 mm 极显著大于常规灌溉（P＜0.01），补灌70 和50 mm 显著大于常规灌溉（P＜0.05）；灌浆期补灌90和70 mm均极显著大于常规灌溉（P＜0.01），补灌50 mm 显著大于常规灌溉（P＜0.05）。不同处理的地上部生物量在扬花期表现为补灌90 mm 极显著大于常规灌溉（P＜0.01）且显著大于补灌50 mm（P＜0.05），补灌70和50 mm均显著大于常规灌溉（P＜0.05）；灌浆期补灌90、70和 50 mm均极显著大于常规灌溉（P＜0.01）；成熟期补灌90和70 mm 均极显著大于常规灌溉（P＜0.01），补灌50 mm显著大于常规灌溉（P＜0.05）。

表3 不同处理各生长期的地膜春小麦生长状况Table 3 Growth status of film-mulched spring wheat with different treatments at different growth stages

2.4 不同处理对春小麦经济性状的影响

常规灌溉的地膜春小麦于7月12日成熟，补灌50、70 和90 mm 分别于7 月15 日、7 月16 日和7 月17日成熟，较常规灌溉分别晚成熟3、4和5 d。

由表4 可见：不同处理的小穗数和穗粒数均以补灌90 mm 的较多，补灌70 和50 mm 的居中，常规灌溉的较少，不同处理之间无显著差异。补灌90、70 和50 mm 的不孕小穗数极显著少于常规灌溉（P＜0.01），千粒质量均显著高于常规灌溉（P＜0.05）。补灌90 mm 的籽粒产量极显著高于常规灌溉（P＜0.01），补灌70 和50 mm 均显著高于常规灌溉（P＜0.05）。不同处理的经济系数为常规灌溉的较高，补灌70和50 mm的居中，补灌90 mm的较低，不同处理之间无显著差异。

2.5 不同处理的土壤水分利用效率

由表5 可见：从播种至成熟期，常规灌溉的土壤贮水量降低幅度最大，其次为补灌50 mm，二者之间无显著差异，而补灌90 mm 的降低幅度最小，极显著低于常规灌溉和补灌50 mm（P＜0.01），显著低于补灌70 mm（P＜0.05）。从播种至成熟期，补灌90 mm 的耗水量极显著高于常规灌溉（P＜0.01），补灌70 和50 mm 显著高于常规灌溉（P＜0.05）。从播种至成熟期，不同处理的水分利用效率为补灌90 mm 的较高，补灌70 和50 mm 的居中，常规灌溉的较低，不同处理之间无显著差异；不同处理的水分生产效率为补灌50 mm 的较高，补灌70 mm 的居中，补灌90 mm 和常规灌溉的较低，不同处理之间无显著差异。从播种至成熟期，补灌50 mm 的增产强度极显著高于补灌90 mm（P＜0.01）并显著高于补灌70 mm（P＜0.05），补灌70 mm极显著高于补灌90 mm（P＜0.01），即补灌量越大，增产强度越低。

表4 不同处理地膜春小麦的经济状况Table 4 Economic status of film-mulched spring wheat with different treatments

表5 从播种至收获期不同处理地膜春小麦的产量及水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of film-mulched spring wheat with different treatments from sowing to harvesting stage

3 讨论

水分是限制作物生长与发育的重要因素[30]。拔节至抽穗期[31-32]、拔节至扬花期[33-34]及抽穗至灌浆期[9]是春小麦营养生长与生殖生长的并进阶段，是生理需水关键期和临界期。拔节至孕穗期的土壤水分对小麦的小穗分化、穗长等有显著影响[35-36]，孕穗期的土壤水分含量对穗粒数有显著影响[36-37]。不同处理从播种至拔节、拔节至抽穗期的管理措施相同，因而不同处理的小穗数、每穗粒数及穗长等处于同一水平，未形成显著差异。小麦的籽粒产量约2/3 来自扬花后积累的光合产物，1/3 左右来自扬花前积累的光合产物，扬花期至成熟期是小麦籽粒产量形成的关键时期[38]，该时期的土壤水分状况可显著影响千粒质量[37]，且水分亏缺会降低春小麦叶片的光合速率[39-40]，影响叶片和植株的正常生长发育[41]，导致灌浆速率降低[42]，从而降低春小麦株高，以及千粒质量[43-44]和产量[45-47]。春小麦在抽穗期分别补灌90、70 和50 mm，提高了从抽穗期至成熟期的土壤水分含量，为春小麦扬花授粉、灌浆成熟等提供了良好的土壤水分环境，促进了穗下节的伸长[35]，提高了叶片的光合速率，有助于植株积累更多的光和产物，且补灌处理的成熟期晚，叶片光合时期长[39-40]，因而补灌处理的株高较高，不孕小穗数显著减少，千粒质量和产量显著提高。春小麦生长中期消耗的水量约占整个生长期一半以上[48]。水分亏缺时作物的水分利用效率较高[49-52]。通常情况下作物的产量和水分利用效率随耗水量的增加而增加，但当耗水量超过一定值后，作物的冗长生长量持续增加[12]，其水分生产效率和水分利用效率则降低[53-54]。与常规灌溉相比，抽穗期补灌解决了土壤水分不足对春小麦生长的影响，提高了春小麦的千粒质量及籽粒产量，但不同处理的经济系数、水分利用效率和水分生产效率并没有随补灌量的增加而增加，均与常规灌溉处于同一水平，且不同处理的补灌量越大，增产强度越低。这主要是补充灌溉增加了春小麦的冗长生长量[12]，提高了春小麦生物量，增加了土壤水分消耗量，且土壤水分含量过高不利于春小麦根系生长，从而影响土壤水分利用效率的进一步提高[21,24,30,33-34]，因而不同的经济系数、水分利用效率和水分生产效率没有增加，同时也说明不同处理的补灌量已超出最适宜的补灌量。虽然不同补灌量对春小麦的经济系数、水分利用效率和水分生产效率无显著影响，但补灌70 和50 mm显著提高了补灌水的增产强度，特别是补灌50 mm的增产强度更显著，说明河套灌区地膜春小麦在抽穗期应补充灌溉50～70 mm水量，以促进地膜春小麦正常生长。

4 结论

河套灌区地膜春小麦在抽穗期进行补灌，不同补灌量均提高了地膜春小麦在扬花期、灌浆期及成熟期的土壤水分含量，且补灌量越大，土壤水分含量和土壤水分蒸散强度越高，春小麦成熟期越晚，不孕小穗数越少，千粒质量及产量越高；但不同补灌量对地膜春小麦的经济系数、土壤水分利用效率、土壤水分生产效率无显著影响，且补灌量越大，增产强度越低。根据不同补灌量的增产强度，河套灌区地膜春小麦在抽穗期应补灌50～70 mm水量。