宁夏引黄灌区头水灌溉对春小麦生长和产量的影响

南学军 胡宏远 马国飞 刘兆宇 姜琳琳 张婍 徐蕊

摘要：通过对宁夏引黄灌区春小麦进行不同时期头水灌溉处理，研究不同時期头水灌溉对春小麦生育形态、生育结构和产量的影响。结果表明，黄河来水前提早5 d和10 d灌头水（T2、T3处理）下春小麦生育期期间密度、单株分蘖数、株高均最高，其株高随着生育期进程迅速增大，其密度和单株分蘖数保持在较高水平;灌水提早10 d处理春小麦地上部鲜质量和干质量为最高，分别达到10.3 g/株和4.8 g/株，春小麦在分蘖至抽穗期阶段含水率保持在较高水平，加速了叶片和茎秆等器官的生长，植株体内组织运水、储水能力得以迅速提高;灌溉时间提早5 d和10 d显著延长了春小麦灌浆进程，春小麦花后 15～20 d灌浆速率达到最大值;灌溉时间提早5 d和10 d处理理论产量和实际产量显著高于 CK处理，理论产量分别增加31.39%和21.83%，实际产量分别增加18.75%和11.45%，说明在黄河来水之前提前5～10 d灌头水对补偿籽粒灌浆具有一定的促进作用，有利于提升春小麦产量。

关键词：春小麦;头水灌溉;生长;产量;引黄灌区;宁夏

中图分类号： S512.1+20.7  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）13-0064-06

小麦是世界上第三大粮食作物，世界1/4的人口以小麦为主粮。然而，在当前全球气候变暖和淡水资源短缺背景下，干旱已成为限制世界小麦增产的最主要自然灾害之一。近几十年来，随着气候变化不断加剧，干旱等极端灾害性气象事件频发，危害愈发严重[1]。据统计，冬春季干旱频率已经占到旱灾发生频率的30%～40%，成为限制我国小麦增产的关键因素[2]。农业干旱直接限制作物的生长发育，其影响主要表现在根、茎、叶等器官的长短、粗细以及干物质积累上[3-5]。干旱使得小麦生长受到抑制，株高较低，加速了小麦的生长发育进程[6]。小麦在不同生育阶段均可能遭受干旱胁迫，播种期到苗期干旱容易造成小麦出苗不齐，缺苗断垄，导致小麦根系不扎实，基苗不足[3]。分蘖期干旱限制分蘖的发生，而在拔节期会加速无效分蘖的死亡，影响成穗数[4]。拔节期至抽穗期是小麦的水分临界期，此时受到干旱会导致小麦叶面积降低，造成小麦干物质积累降低，植株矮小[3]。

水分对作物的影响是复杂的，研究表明，苗期和拔节期短期轻度干旱复水对玉米的生长有最佳补偿效果[7];也有研究表明，水分胁迫条件下低温能够显著影响小麦干物质的积累[8];魏秀华等研究认为，在小麦生长后期灌水84 mm最佳，最佳灌水时段为开花至开花后15 d，灌水过晚会产生负作用，加速根系的死亡[9]。还有一些研究认为，干旱复水后的产量补偿效应因生育阶段的不同而存在差异[10-12];国外的一些研究揭示了植株生长状况对干旱的响应及其对产量形成的影响。

植物的生长受水分胁迫影响异常敏感，春小麦自出苗至分蘖期期间，干旱不仅影响春小麦分蘖的发生，更对早期春小麦生长发育和形态建成有深刻影响，最终影响营养器官干物质的积累。干旱严重影响小麦生产，但前期干旱条件下灌水对小麦产量的影响仍不明确，因此深入研究小麦分蘖至拔节期间不同时期灌水对小麦形态建成、物质积累和产量形成的影响十分重要。本研究选用引黄灌区宁夏永宁县主栽品种永春4号作为试验材料，在大田试验环境下，于小麦分蘖中期、后期和拔节前期开展水分灌溉试验，通过调查不同时间头水灌溉处理下土壤湿度、春小麦发育性状和产量，分析不同时间头水灌溉处理下土壤湿度、春小麦生育结构等的差异，找出春小麦苗期头水灌溉最佳时间，为实现区域小麦高产节水栽培提供一定参考的依据，研究成果可为开展头水灌溉最佳时间预报提供第一手数据。

1 材料与方法

1.1 区域概述

试验地位于宁夏永宁县望洪镇西和村，地处引黄灌区中部地带，地理位置38°14′9″N，106°14′20″E，海拔1 102 m，属中温带干旱气候区，大陆性气候特征十分明显。年平均气温9.6 ℃，夏季各月平均气温在20 ℃以上，气候年较差30.6 ℃，日较差13.6 ℃，≥10 ℃平均积温3 626.3 ℃，无霜期平均166 d，年日照时数2 892.3 h。温度和日照条件可满足多数农作物生长发育的需要。

1.2 试验设计

试验年份为2019年，进行为期1年的田间试验，于春小麦分蘖到拔节期共设5个不同时期头水灌溉处理，各处理分别为CK（拔节始期引渠头水，对照）、T1（提前1 d头水，拔节始期头水）、T2（提前5 d头水，分蘖后期头水）、T3（提前10 d头水，分蘖初期头水）、T4（分蘖期不灌水，推迟11 d头水）等5个小麦不同发育时期头水灌溉对比试验，于当年5月10日各处理进行第2次灌溉（对于T4处理为推迟头水），之后统一进行补灌，灌溉量同常规渠水。各处理试验小区面积为4 m×6 m=24 m2，小区设计采用随机排列方式，3次重复。小区之间和小区四周与保护行之间埋压 1.2～1.4 m深塑料膜防止侧渗，引水沟渠铺设防渗膜防止水分下渗，试验具体设计见表1。

1.3 样本采集与测定

1.3.1 样本采集 于春小麦不同发育期取样，采用定点法，于每小区取3行进行小麦密度和株高的测定，再随机连续齐地刈割10株带回实验室进行干物质的测定，待小麦开花10 d之后每隔5 d每小区取大小接近的10穗进行灌浆速率的测定，小麦收获期随机连续齐地刈割30株带回实验室进行产量结构测定，并于每个小区选取3个1 m×1 m样方，齐地刈割地上部，取其穗部进行脱粒，脱粒之后晒干测其单产。土壤采集采样时间同植株采样，每小区每隔10 cm土层取不同深度土壤，取土深度取到 60 cm，取土之后带回实验室进行土壤水分测定。

1.3.2 植株测定 每隔5 d左右，每个处理选取10株小麦，用直尺测定小麦株高（于孕穗期之前每隔 3～5 d左右分别测定每行1 m分蘖数和每米行数，孕穗期之后则分别测定每行总茎数，最后计算春小麦密度）。于各生育期选取各处理春小麦生长均匀一致的植株 10株放入烘箱，先进行 105 ℃ 杀青，然后置于75 ℃下烘至恒质量，用电子天平称取干质量。剪取10株麦穗带回实验室进行灌浆速率测定。小麦成熟后，在小区内选取有代表性的植株30株考种，考种项目包括穗长、穗粒质量、穗数、千粒质量、茎秆质量、小穗数、不孕小穗率等指标。

2 结果与分析

2.1 不同时期头水灌溉下春小麦旱情的变化

从表2可以看出，不同处理的土壤湿度具有不同的变化特征。根据国家标准《农业干旱等级》（GB/T 321360—2015），CK处理春小麦分蘖后期 0～10 cm土层经历了由重度干旱进入到湿润的过程，10～20 cm土层则经历了由轻度干旱进入到湿润的过程。T1处理春小麦在拔节初期0～10 cm土层经历了由重度干旱到湿润的过程，10～20 cm土层则经历了由轻度干旱到湿润的过程。T2处理由于灌水较早，使得前期农田旱情缓解，春小麦分蘖盛期0～10 cm土层由重度干旱逐渐进入到湿润状态，10～20 cm土层则经历了由轻度干旱进入到湿润的过程。T3处理灌水时间最早，各土层土壤相对湿度处于湿润的状态，从而使得前期农田旱情解除最早。T4处理由于灌水推迟，导致分蘖到孕穗期期间0～10 cm土层处于中度至重度干旱范围内，10～20 cm 土层处于中度干旱的状态，20～40 cm土层则处于由轻度干旱进入中度干旱的过程。

2.2 不同时期头水灌溉对春小麦生育形态的影响

2.2.1 密度和单株分蘖数 从图1看出，各处理春小麦的密度变化均为先升高后下降，小麦生育前期密度增加较快，后期密度下降趋缓。分蘖期期间，T2、T3处理的小麦密度与CK处理之间具有显著差异（P<0.05），其中4月25日2个处理分别为CK处理的1.43倍和2.42倍。拔节期（5月1日），T2、T3处理密度分别为CK处理的1.44倍和2.52倍，T3处理拔节盛期（5月11日）密度达到最大，为CK处理的1.77倍。孕穗期（5月21日），T1、T2、CK处理密度达到最大。抽穗期时，各处理密度分别为 T3≈T2≈CK>T1>T4。由图2可见，在分蘖到孕穗期T3处理的分蘖数远远高于其他处理，开花期（6月21日）生育进程中以T2处理的密度最高，T3的次之，T4处理的最低，说明不同时间头水灌溉处理下T3处理的分蘖力较强。

2.2.2 株高 分蘖期是否灌水的春小麦株高有明

显的差异（图3）。T4处理由于分蘖期未灌水，0～20 cm 表层土壤湿度下降到50%以下， 即使后期恢复正常灌溉，其株高仍然较低，说明分蘖期水分亏缺对小麦的生长影响极大，T1、CK处理由于在拔节始期灌水，0～20 cm表层土壤湿度迅速上升到60%以上，株高于拔节前期开始上升。T2、T3处理由于分蘖盛期灌水，灌水较早，造成0～20 cm表层土壤湿度维持在到70%以上，这就使得春小麦株高迅速增长，其中T3处理增幅最迅速，而T2处理于5月上旬开始株高迅速上升，二者于6月上旬达到最大值，其增幅相比CK处理达9.57%，并持续维持到成熟期。

2.3 不同时期头水灌溉对春小麦生育结构的影响

2.3.1 干物质积累动态 由图4可见，不同时间灌水条件下分蘖到开花期营养生长阶段期间各处理春小麦地上部鲜质量和干质量均呈增加趋势。其中，T3处理春小麦地上部鲜质量和干质量均显著高于CK处理（P<0.05），且增速最快，其地上部鲜质量和干质量至开花期均达到最大值，分别达到 10.3 g/株和4.8 g/株;T4处理地上部鲜质量和干质量最低，与CK处理之间的差异显著（P<0.05），且增速最慢，鲜质量与干质量最大值仅分别 为5.7 g/株和3.0 g/株;其他处理则与CK处理无显著性差异（P>0.05）。抽穗至开花期（6月6日）之后各处理冬小麦长势呈现下降趋势，其中T3处理春小麦地上鲜质量和干质量下降幅度最迅速，其鲜质量降幅达30.13%，干质量则为10.38%。乳熟期T1和T2处理地上部鲜质量和干质量最大，但二者差异不显著（P>0.05），T4处理最低，且与其他处理差异显著（P<0.05）。

分蘖至拔节盛期（4月28日至5月11日）各处理植株含水率都保持在较高水平（图4），其中T3处理最高;拔节到抽穗期，各处理含水率呈下降趋势，其中CK和T3處理下降最迅速，其降幅分别为27.02%和18.23%，T4处理下降幅度最低，为5.47%;抽穗期到开花期期间（5月23日至6月21日）CK处理含水率则保持一定水平，T4处理含水率下降最迅速;开花期（6月6日）以后各处理含水量呈现不同的下降趋势，其中T4处理含水率达到50%以下最低水平;成熟期（7月6日以后）时T2处理含水率最高。

2.3.2 灌浆速率 供试春小麦品种的籽粒灌浆速率表现为“慢—快—慢”的变化趋势（图5），不同时期头水灌溉处理间存在明显差异。T4处理在花后10～15 d灌浆速率显著高于其他处理;T2处理在花后10～15 d灌浆速率较低;T1、T3处理在花后10～15 d灌浆速率缓慢增加，花后15～20 d灌浆速率与T2和T4处理差异显著（P<0.05）。各处理在花后15～20 d，灌浆速率迅速下降，其中T4处理下降最明显。花后20～30 d，除T4和T1处理外，其他处理灌浆速率差异不显著（P>0.05）。

2.4 不同时期头水灌溉对春小麦产量的影响

从表3可以看出，T2和T3处理理论产量和实际产量均显著高于 CK （P<0.05），但两者之间理论产量差异不显著（P>0.05），与CK相比二者理论产量分别增加31.39%和21.83%，实际产量分别增加18.75%和11.45%，T1处理理论产量和实际产量分别仅增加2.27%和0.23%，T4处理二者则显著低于CK，分别降低41.54%和21.98%。

3 讨论与结论

3.1 土壤湿度对不同时期头水灌溉的响应

头水灌溉条件下，分蘖到孕穗期期间不灌头水处理造成土壤湿度较低，尤其是0～20 cm表层土壤旱情严重，这种状态一直持续到拔节后期灌水之后才得以解除。提前5～10 d灌水处理由于灌水时间较早，土壤湿度较好，从而使得旱情解除较早。拔节期进行头水灌溉处理由于灌水时间推迟，造成分蘖期期间土壤缺水，0～20 cm土层旱情较重，这种状态一直持续到拔节期灌溉之后才得以解除。

3.2 春小麦生育形态对不同时期头水灌溉的响应

水分胁迫条件下，株高、灌浆速率、含水率等生育指标可以作为判定作物抗旱能力高低的间接依据，即成穗数多、籽粒饱满、株高稳定性好的小麦品种抗旱性好。Subramanian等研究发现，水分胁迫条件下进行复水处理延长了叶片功能期，提高了作物后期光合速率，并为产量的补偿奠定了良好的冠层条件[13-14]。Acevedo等发现，作物在胁迫解除后，存在短暂的快速生长，以部分补偿胁迫损失[15];也有研究认为，水分胁迫与补偿效应呈显著的正相关关系，尤其是水分胁迫历时越长，作物恢复越缓慢[16]。本试验条件下，春小麦自出苗至分蘖期期间，持续40～60 d左右未灌水，说明此时水分胁迫严重，从本研究结果来看，分蘖期提前5～10 d 灌水处理的小麦株高增长最迅速，其密度在生育期前期也最高，而拔节期以后灌水处理则最低，说明分蘖期处理的春小麦分蘖力较强，这与上述的研究结果类似，表明分蘖期干旱进行复水灌溉有利于缓解水分胁迫带来的负面效应。但到了开花期，分蘖期处理下降速率较快，这可能是由于前期作物密度过大，在光照、水分等资源有限情况下，群体种内竞争激烈，因此植物自主选择放弃长势较弱的分支，导致其分蘖迅速下降。而分蘖期不灌头水导致春小麦分蘖发生时间延缓，其株高、密度相比CK处理也最低，田梦雨研究表明苗期水分胁迫导致小麦叶面积和株高显著降低，同时地上部干物质积累量随胁迫程度的加重和时间延长而降低[17]，本研究结果与之一致，说明分蘖期灌水促进春小麦迅速增长的措施是切实可行的。

3.3 春小麦生育结构对不同时期头水灌溉的响应

头水灌溉条件下，分蘖期不同阶段提前5～10 d对小麦进行灌水，其小麦干物质积累和水分吸收效率高，小麦在分蘖至抽穗期阶段干物质积累速率增加，其含水率保持在较高水平，这就使得叶片和茎秆等器官能够得以迅速生长，从而使得植株体内组织运水、储水能力提高。陈晓远等对冬小麦进行试验也认为，即使苗期缺水较严重，只要在开春后某个阶段恢复供水，冬小麦生长速率及干物质积累均受到促进[18]，拔节期推迟灌水处理下小麦干物质积累增加缓慢，其含水率降幅也较小，且其含水率基本保持在较低水平，这与田梦雨等的研究结果[17，19]类似，说明拔节期推迟灌水措施下，后期春小麦叶片和茎秆等器官组织开始老化，植株体内组织运水、储水能力下降，土壤水分亏缺影响到下部叶片对土壤水分的吸收，导致植株水分亏缺严重。

头水灌溉条件下，供试春小麦品种的籽粒灌浆速率则表现为“慢—快—慢”的变化趋势，拔节期推迟灌水造成小麦灌浆速率显著高于其他处理;而分蘖期提前灌水造成春小麦贪青晚熟，其灌浆速率较低，但各处理在花后15～20 d，灌浆速率迅速下降，其中拔节期推迟灌水处理下降最明显。王勇通过研究认为，渭北灌浆期干旱是影响小麦灌浆期时长的主要影响因子，这与小麦此时出现的逼熟、青干现象相符合[20]。本研究结果则表明，拔节期推迟灌水下土壤干旱是造成小麦干物质积累下降，导致春小麦灌浆前期灌浆速率显著高于其他处理的主要原因。

3.4 春小麦产量对不同时期头水灌溉的响应

不同头水灌溉时间对小麦产量的影响较大，由于头水灌溉时间不同影响到小麦对土壤水分和养分的吸收，从而使得植株产量表现出较大的差异性，头水灌溉时间推迟造成后期小麦生长状况下光合能力下降，从而使得小麦代谢失衡，并最终导致穗粒数、穗质量、茎秆质量等下降，而适当提前灌头水的小麦代谢稳定，从而对产量形成影响相对较小。王俊儒等设置不同生育时期水分亏缺试验，结果表明小麦苗期、拔节期进行水分亏缺处理显著影响小麦经济学和生物学产量[10]，本研究结果与之一致，说明小麦生长进入拔节期前后，对水分缺乏极度敏感，若在此时期不灌水，后期小麦生长期间植株体内生理代谢失衡，最终直接影响到小麦产量的形成。

头水灌溉时间提前5～10 d小麦生育期期間密度、单株分蘖数、株高均最高，株高随着生育期进程迅速增大，春小麦在分蘖至抽穗期阶段密度和单株分蘖数保持在较高水平。头水灌溉时间提前5～10 d 对春小麦生长期间干物质积累、成熟期干物质分配以及产量等性状影响较大。提前10 d灌溉头水处理春小麦地上部鲜质量和干质量为最高，分别达到10.3 g/株和4.8 g/株。春小麦在分蘖至抽穗期阶段含水率保持在较高水平，加速了叶片和茎秆等器官的生长，植株体内组织运水、储水能力得以迅速提高。灌溉时间提前显著延长了春小麦灌浆进程，提高了小麦水分含量，使得植株体内含水率保持在较高水平，花后 15～20 d灌浆速率达到最大值，从而有利于碳水化合物的积累和转运，春小麦代谢稳定，春小麦灌浆期之前干物质积累较多和水分含量较高。提前5～10 d灌溉头水处理理论产量和实际产量显著高于 CK处理，理论产量分别增加31.39%和21.83%，实际产量分别增加18.75%和11.45%。说明提前5～10 d灌水对补偿籽粒灌浆具有一定的促进作用，从而有利于提升春小麦产量。

综合各处理结果来看，相比对照处理，提前5～10 d头水灌溉显著提高了春小麦密度、单株分蘖数、株高，加速了叶片和茎秆等器官的生长，且春小麦地上部鲜质量和干质量为最高，并显著提高了作物产量，同时提前5～10 d头水灌溉处理显著延长了春小麦灌浆进程，其灌溉措施效果最明显，因此研究认为，提前5～10 d头水灌溉措施更能够促进春小麦生长和产量的形成。

参考文献：

[1]Mishra A K，Singh V P. A review of drought concepts[J]. Journal of Hydrology，2010，391（1/2）：202-216.

[2]王 浩. 综合应对中国干旱的几点思考[J]. 中国水利，2010（8）：4，6.

[3]关正君，霍艳林. 干旱对小麦生长发育的影响研究[J]. 安徽农学通报，2006，12（2）：48-49.

[4]许振柱，王崇爱，李 晖. 土壤干旱对小麦叶片光合和氮素水平及其转运效率的影响[J]. 干旱地区农业研究，2004，22（4）：75-79，91.

[5]王 晨. 土壤水分胁迫对小麦形态及生理影响的研究[[J]. 河南农业大学学报，1992，26（1）：89-98.

[6]王 辉，曾 艳，王鹏云，等. 干旱对昆明小麦生长发育的影响研究[J]. 中国农学通报，2008，24（7）：191-194.

[7]郝树荣，郭相平，王文娟. 不同时期水分胁迫对玉米生长的后效性影响[J]. 农业工程学报，2010，26（7）：71-75.

[8]柴雨葳，黄彩霞，陆军胜，等. 水分胁迫条件下低温对小麦幼苗生长发育的影响[J]. 灌溉排水学报，2017，36（4）：53-58.

[9]魏秀华，齐鲁江，姜官恒，等. 小麦生长发育后期灌水对产量的影响[J]. 山东农业科学，2014，46（10）：47-49.

[10]王俊儒，李生秀. 不同生育时期水分有限亏缺对冬小麦产量及其构成因素的影响[J]. 西北植物学报，2000，20（2）：193-200.

[11]周秋峰，黄长志，王保林. 干旱胁迫对小麦生长发育及产量形成的影响[J]. 农业科技通讯，2011（9）：129-133.

[12]李钰春，袁淑杰，郭晓梅，等. 土壤水分条件对冬小麦生长发育及产量构成的影响[J]. 气象与环境学报，2014，30（5）：90-97.

[13]Subramanian V B，Maheswari M. Compensatory growth responses during reproductive phase of cowpea after relief and water stress[J]. Journal of Agronomy and Crop Science，2008，168（2）：85-90.

[14]郭相平，康绍忠. 玉米调亏灌溉的后效性[J]. 农业工程学报，2000，16（4）：58-60.

[15]Acevedo E，Hsiao T C，Henderson D W. Immediate and subsequent growth responses of maize leaves to changes in water status[J]. Plant Physiology，1971，48（5）：631-636.

[16]张明炷，李远华，崔远来，等. 非充分灌溉条件下水稻生长发育及生理机制研究[J]. 灌溉排水，1994，13（4）：6-10.

[17]田梦雨. 干旱胁迫对小麦苗期生长的影響及其生理机制[D]. 南京：南京农业大学，2009.

[18]陈晓远，罗远培. 土壤水分变动对冬小麦生长动态的影响[J]. 中国农业科学，2001，34（4）：403-409.

[19]岳文俊，张富仓，李志军，等. 返青期水分胁迫、复水和施肥对冬小麦生长及产量的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2012，40（2）：57-63，78.

[20]王 勇. 渭北自然降水条件下小麦灌浆性状及其干旱的胁迫效应[J]. 咸阳师范学院学报，2007，22（6）：72-74.