胶东半湿润区滴灌制度对冬小麦农田土壤水分、作物生长及水分利用的影响

王志军，王碧胜，孙筱璐，徐梦杰，杨晓慧，侯靳锦，房全孝

（青岛农业大学耕作与生态实验室，山东青岛266109）

0 引言

水分是影响中国北方冬小麦产量的关键因素之一[1]。滴灌技术在作物节水管理中表现出明显优势[2]，逐渐成为作物精确灌溉提高水分利用效率的重要措施[3]。20世纪90年代末期，在大田作物上的推广使得滴灌技术有了更广阔的应用空间[4]。如何有效地把滴灌技术和农学节水灌溉制度相结合是进一步提高作物水分利用效率和缓解水资源日益短缺的重要课题。

目前滴灌技术在经济作物生产（如蔬菜、果园等）应用较多[5-6]，在粮食生产中应用相对较少，主要集中在玉米等作物，如在玉米膜下滴灌比地面灌水分利用效率提高18%[7]，滴灌能够增加夏玉米吐丝后干物质积累量，从而提高产量[8]。滴灌技术在冬小麦中应用较少，主要集中在水资源匮乏地区[9-11]。如在内蒙古河套灌区冬小麦全生育期最优灌水制度为灌水5次，灌水定额为365 mm[12]，而在陕西省泾惠渠灌区最优灌溉制度是冬小麦全生育期灌水2次（冬灌+返青灌）255 mm[13]。在黄淮海平原地区冬小麦采用测墒补灌和滴灌施肥相结合的方法较常规对照水分利用效率显著提高57.46%，小麦籽粒产量显著提高21.13%[14]。张娜[15]研究表明在新疆干旱区冬小麦滴灌定额为375 mm时，产量最高，同样在该地区，雷钧杰[16]认为冬小麦滴灌量在465 mm时可达到高产和优质的统一。

针对农业水资源短缺，传统的灌溉方式（如大水漫灌、畦灌等）节水潜力有限，滴灌具有明显的节水优势，通过与作物节水灌溉制度相结合，进一步提高作物水分利用效率[17-18]。前人对于节水灌溉研究多集中于干旱地区[19-20]，而胶东半岛年降雨量在650～ 850 mm，降雨较多，但是季节分布明显不均，超过60%集中在夏季[21]，冬小麦整个生育期需水量在450 mm左右[22]，有效降水无法满足冬小麦各生育时期需水量。因此本研究在滴灌条件下设计冬小麦节水灌溉制度，分析不同灌溉时期和灌溉量对土壤水分、冬小麦生长及水分利用效率的影响，为该地区筛选滴灌条件下冬小麦最优灌溉制度提供理论依据。

通过深入分析不同灌溉时期与灌溉量对土壤水分动态、作物水分利用及产量形成的影响，探寻滴灌条件下冬小麦最佳灌溉时期和灌溉量，为该区冬小麦高产高效栽培提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验方法

试验于2016—2019年在青岛农业大学胶州试验基地进行，该地区位于山东半岛，属温带季风性气候区，全年平均气温11～ 14℃[23]，雨热同季，属于半湿润区。试验区土壤类型为砂姜黑土，土壤基础理化性质为全氮1.1 g/kg，碱解氮128.2 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效钾134.9 mg/kg。有机质16.8 g/kg，pH 7.5。在试验实施3年内（图1），2016—2017年降雨量为265.3 mm，主要集中在10月和6月，分别占总降雨量的31.13%、27.74%，2017—2018年降雨量为275.9 mm，降雨量较其他2年多，主要集中在5月和6月，分别占总降雨量的29.87%、32.55%，2018—2019年降雨量为190.5 mm，主要集中在4月和6月，分别占总降雨量的20.47%、22.89%。根据该地区冬小麦生育期内降雨量及其分布状况（图1），试验共设置4个处理（表1），各处理设置3次重复，共12个小区，每个小区面积7m×20m=140m2，相邻小区之间设置1 m宽的保护行，冬小麦行距20 cm，每个小区种植35行，滴灌带每隔1行进行铺设（一带两行模式），每个小区都安装一个水表来控制灌水量。小麦品种为‘济麦21号’。在冬小麦播种时间为10月15日，播种前一天（10月14日）施用氮磷钾复合肥(15-15-15)，施肥量为562 kg/hm2。

表1 冬小麦滴灌条件下节水灌溉制度设计 mm

图1 冬小麦生育期内月平均降雨量（2016—2019年）

1.2 测定内容及方法

土壤水分：用德国IMKOTRIME-PICOTD便携式土壤水分测量仪测定土壤体积含水量。每个小区中部安装中子管，深度为80 cm，测定时每层间隔10 cm，每7～ 10天观测一次，降水和灌水后各加测一次。

作物叶面积：每隔7～ 10天测定一次，同时调查小麦群体密度和作物生育时期。

作物产量：成熟期选取代表性样点收获地上部植株测定作物产量和生物量。

作物生物量：在冬小麦出苗期开始取样，返青期后每7～ 10天取一次样烘干后来测定冬小麦各生育时期生物量。

1.3 农田蒸散量计算

根据土壤水量平衡方程（不考虑地表径流及地下水影响）可得到公式(1)[24-25]。

式中，ET是冬小麦生育期耗水总量(mm)；I是冬小麦生育期内灌水量(mm)；P是冬小麦生育期内降水量(mm)；ΔS是冬小麦生育期开始和结束时的土壤贮水量变化量(mm)。

1.4 水分利用效率计算

水分利用效率定义为消耗单位土壤水分所产生的经济产量，表达如公式(2)所示[26]。

式中，WUE表示水分利用效率[kg/(mm·hm2)]，Y表示籽粒产量(kg/hm2)，ET为作物生育期耗水量(mm)。

灌溉水利用效率计算公式如公式(3)[27]。

式中，WUEI表示灌溉水利用效率[kg/(mm·hm2)]，GYi表示灌水后籽粒产量(kg/hm2)，GYd表示无灌水籽粒产量(kg/hm2)，Ii表示灌溉水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉制度对不同层次土壤体积含水量的影响

2.1.1 不同灌溉制度对0～ 30 cm土壤体积含水量的影响 由图2a可以看出，2017年土壤水分含量整体上呈先下降后升高的趋势，其中以T4处理含水量最高，T1处理含量最低；拔节期灌水后（4月26日）T2和T4处理土壤含水量显著增加，分别比T1处理高26.6%和43.8%；开花期灌水后（5月14日）T3、T4处理分别比T1处理提高69.7%和68.5%。

2018年土壤水分含量总体变化较小（图2b），以T2处理含水量最高，T1处理含量最低。拔节期灌水后T2、T4处理土壤含水量分别较T1提高41.2%、35.0%；开花期灌水后T3、T4土壤含水量分别较T1处理提高11.5%、28.4%。

2019年土壤水分含量整体上呈先升高后下降的趋势（图2c），其中以T2处理含水量最高，T1处理含量最低；拔节期灌水后T2、T4处理土壤含水量分别较T1提高18.4%、4.9%；开花期灌水后T3、T4土壤含水量分别较T1处理提高28.6%、14.8%。

图2 滴灌条件下不同灌溉制度下对0～ 30 cm土壤体积含水量的影响（2017—2019年）

3年结果表明0～ 30 cm土壤体积含水量整体上呈下降的趋势，2018年由于冬小麦生育期内降雨较多（图1），0～ 30 cm土壤体积含水量总体变化较平缓。T2处理在2018年和2019年中土壤含水量都比较高，而在2017年中T2处理含水量总体低于T4处理，原因为2017年T4处理初始含水量高于T2处理。2017年第1次测量（3月10日）的0～ 30 cm的土壤含水量显著高于其他两年该时间的土壤含水量，原因为2017年1月份和2月份降雨量较多（图1）。

2.1.2 不同灌溉制度对30～ 60 cm土壤体积含水量的影响 由图3a可以看出，2017年土壤水分含量整体上呈下降的趋势，其中以T4处理含水量最高；拔节期灌水后T2和T4处理土壤含水量分别比T1处理高10.0%和1.2%；开花期灌水后T3、T4处理分别比T1处理高13.6%、30.1%。

2018年土壤水分含量总体变化较平缓（图3b），以T4处理含水量最高，T1处理含量最低；拔节期灌水后T2、T4处理土壤含水量比T1提高14.1%、23.3%；开花期灌水后T3、T4土壤含水量分别较T1处理提高12.6%、17.4%。

2019年土壤水分含量整体呈下降趋势（图3c），其中以T4处理含水量最高。拔节期灌水后T3处理土壤含水量比T1提高5.6%；开花期灌水后T3土壤含水量较T1处理提高7.5%。

3年结果表明30～ 60 cm土壤体积含水量普遍高于0～ 30 cm土壤体积含水量，2018年冬小麦生育期内降雨比较多（图1），30～ 60 cm土壤体积含水量总体变化趋势较其他两年平缓。3年结果表明在30～ 60 cm中T1处理土壤含水量最低，T4处理土壤含水量在2017年和2018年中最高，而在2019年T3处理土壤含水量高于T4原因为T3处理初始含水量较高。

2.1.3 不同灌溉制度对60～ 90 cm土壤体积含水量的影响 由图4中可以看出，冬小麦田60～ 90 cm土壤水分含量整体上呈下降趋势，与30～ 60 cm土壤水分含量变化趋势一致（图3），但是各处理之间的差异变小（如2017和2019；图4a、c）。2018年土壤各处理之间差异明显：拔节期灌水后T2、T4处理土壤含水量比T1提高16.7%、23.0%；开花期灌水后T3、T4土壤含水量分别较T1处理提高17.6%、18.6%。3年结果表明60～ 90 cm土壤体积含水量整体变化量低于0～ 30 cm和30～ 60 cm土壤体积含水量变化

图3 滴灌条件下不同灌溉制度对30～ 60 cm土壤体积含水量的影响（2017—2019年）

图4 滴灌条件下不同灌溉制度下对60～ 90 cm土壤体积含水量的影响（2017—2019年）

2.2 不同灌溉制度对土壤贮水量的影响

由图5可以看出，3年冬小麦生育期内0～ 90 cm土壤贮水量呈现下降的趋势。2017年T4处理在冬小麦生育期内土壤贮水量最高，T1贮水量最低，拔节期灌水后T2和T4处理土壤贮水量显著高于T1，分别提高9.0%和11.3%；开花期灌水后T3和T4处理显著高于T1，分别提高15.1%和31.2%。2018年T4处理在冬小麦生育期内土壤贮水量最高，T1贮水量最低，拔节期灌水后T2、T4处理显著提高土壤贮水量，分别比T1提高12.5%、17.7%；开花期灌水后T3、T4土壤贮水量分别较T1处理提高23.2%、26.7%，达到显著水平。2019年拔节期灌水后T2、T4处理土壤贮水量与T1之间无显著性差异；开花期灌水后T4土壤贮水量显著高于T1处理，提高8.8%；土壤贮水量在2017年和2018年T4最高，T1最低，而这一结果在2019年表现并不明显。

图5 滴灌条件下不同灌溉制度下对0～ 90 cm土壤贮水量的影响（2017—2019年）

2.3 不同灌溉制度对冬小麦叶面积指数的影响

图6可以看出，2017年拔节和开花期灌水处理灌水后叶面积指数相比于未灌水的处理有所增加；拔节期灌水后，T2、T4叶面积指数分别较T1处理提高11.9%和13.3%，开花期灌水后T3叶面积指数较T1提高 26.6%；至收获期，T2、T3、T4处理分别比T1高47.3%、145.4%和112.0%。2018年拔节期灌水后T2、T4叶面积指数分别较T1处理提高37.5%和25.1%，开花期灌水后T3叶面积指数较T1提高38.9%。2019年拔节期灌水后，T2、T4叶面积指数显著高于T1，分别较T1处理提高29.4%和27.5%；开花期灌水后，T3处理叶面积指数较T1提高7.5%；至收获期，T3、T4处理分别比T1高34.1%、24.7%，T2比T1下降11.2%。3年试验结果表明，与不灌水处理相比，灌水处理更能显著增加冬小麦叶面积，其中以T3处理影响最大。

图6 滴灌条件下不同灌溉制度下对叶面积指数的影响（2017—2019年）

2.4 不同灌溉制度对冬小麦地上部生物量影响

由图7中可以看出，2017年拔节期灌水后T2、T4处理生物量显著高于T1，分别提高42.7%、45.1%；开花期灌水后T3、T4处理分别较T1提高18.7%、7.8%；小麦收获生物量T3、T4分别较T1处理高17.1%、20.3%，达到显著水平，T2较T1仅高1.6%。2018年拔节期灌水后T2、T4处理显著提高小麦生物量，分别比T1提高21.1%、36.5%；开花期灌水后T3、T4处理生物量分别比T1提高31.7%和24.0%，达到显著水平；小麦收获生物量T2、T3、T4分别较T1处理高10.4%、25.6%和18.6%。2019年拔节期灌水后T2、T4处理生物量分别较T1提高20.6%、16.1%；开花期灌水后T3、T4处理生物量分别较T1提高18.4%和32.1%；小麦收获生物量T2、T3、T4处理分别较T1高6.6%、33.4%和27.3%。3年试验结果表明，与不灌水处理相比，灌水处理能显著提高小麦生物量，其中以T3处理影响最大。

图7 滴灌条件下不同灌溉制度下对生物量的影响（2017—2019年）

2.5 不同灌溉制度对冬小麦产量及其构成要素的影响

2017—2019年小麦产量均表现为灌水处理显著高于不灌水处理，T2、T3、T4处理3年平均产量分别较T1提高16.5%、26.4%和25.2%（表2）。产量构成要素中T2、T3、T4处理每平方米穗数3年平均值分别较T1提高0.6%、10.5%和4.5%，以T3处理最高；穗粒数T2、T3、T4处理3年平均值分别较T1提高12.1%、10.1%和18.0%，以T4处理最高；千粒重T3、T4处理3年平均值分别较T1提高7.0%和8.0%，T2处理较T1降低0.5%。2017年冬小麦生育期降雨量为265.3 mm，要高于2019年的190.5 mm，但主要分布在10月（出苗期）和6月（收获期），分别占总降雨量的31.13%和27.74%，在其他冬小麦生育期降雨趋势与2019年相似，因此产量变化趋势与2019年一致：T2、T3、T4处理产量显著高于T1，T3、T4处理产量显著高于T2。2018年冬小麦生育期降雨量为275.9 mm，在冬小麦生育后期分布较多，如5月和6月降雨占总降雨量的29.87%和32.55%，因此2018年T2、T3、T4处理产量显著高于T1，而T2、T3、T4之间产量无显著差异。综上可知，灌水能够显著提高小麦产量，当冬小麦生育期内降雨量较少时，拔节期灌水处理对产量增加要低于开花期灌水处理和2次灌水处理，当冬小麦生育期内降雨量较多时，对产量的影响灌水处理之间差异并不显著。相同灌水量下开花期灌水对成穗数和千粒重的提高效果强于拔节期灌水，灌2次水对穗粒数和千粒重的影响大于开花期灌水。

表2 滴灌条件下不同灌溉制度下冬小麦产量构成要素及产量（2017—2019年）

2.6 不同灌溉制度对作物水分利用的影响

3年结果表明不同灌溉处理下土壤供水占总耗水量的比例不同，表现为T1(26.14%)＞T2处理(23.74%)＞T3处理(24.14%)＞T4处理(20.92%)，说明随着灌水量的增加，土壤供水占总耗水量的比例下降。不同年份降水量影响土壤供水量的多少，2019年降雨量较少，土壤供水量占总耗水量的34.13%，高于2017年的15.18%和2018年的20.79%，说明降雨量少时冬小麦对土壤水分的消耗增加。冬小麦耗水量3年平均以T4处理最高，T2、T3次之，T1最低；T2、T3、T4耗水量分别较T1提高13.5%、14.3%和25.3%。

不同处理作物水分利用效率相比，2017年T4处理水分利用效率最低，主要是因为产量与T3无显著差异但耗水量显著高于T3；2018年T2和T3处理最高，T4处理次之，T1处理最低；2019年T3水分利用效率最高，T2处理水分利用效率最低（表3）。3年结果表明T3处理水分利用效率高于其他处理，较T1处理提高11.0%，T2处理较T1提高2.7%，T4处理较T1降低2.0%。不同处理灌溉水利用效率相比较，变化趋势与作物水分利用效率一致，T3处理最高，而T4处理最低（表3）。3年结果表明T3处理较T2处理提高138.5%，较T4处理提高160.4%。

表3 滴灌条件下不同灌溉制度冬小麦耗水组成和水分利用效率（2017—2019年）

3 讨论

土壤含水量受降水、灌水等因素影响明显。有研究表明，滴灌条件下0～ 100 cm土层水分较高[28]或明显增加根部0～ 80 cm土层土壤含水量[29-30]，而本研究中在0～ 30 cm和30～ 60 cm土层中土壤含水量在灌水后的反应证实了这种观点，但对60～ 90 cm土壤含水量的影响较小。不同灌溉制度综合影响冬小麦产量和耗水量，随着灌溉定额的增加，土壤贮水消耗比例减小，水分利用效率呈先增大后减小的趋势，这与聂紫瑾等[11]研究是一致的。

3年试验结果表明开花期是该地区冬小麦的水分敏感期，这与王敏和梁硕硕的研究结果一致[31-32]，但不同于栗丽和张洁梅的研究结果[33-34]。这可能与不同地区的降雨量季节分布有关[20,23]。滴灌条件下冬小麦水分效率在18.39～ 25.59 kg/(mm·hm2)之间，略高于聂紫瑾等[10]研究结果中水分利用效率在17.55～ 20.42 kg/(mm·hm2)之间（黑龙港流域）和陈静等[35]研究结果中水分利用效率在15.1～ 22.8 kg/(mm·hm2)之间（黄淮海平原），一个重要的原因是本试验条件下估算土壤供水在0～ 90 cm的土壤水分变化，由于试验地区地下水位较低在2 m左右，可能存在地下水补充的显现[36]，从而导致土壤供水和作物用水量估算偏低，水分利用效率偏高。本试验灌溉水利用效率在12.83～ 47.4.3 kg/(mm·hm2)之间，这与武继承等[37]研究结果中相似。

4 结论

灌水可以显著增加土壤含水量和贮水量。在不同层次土壤中30～ 60 cm和60～ 90 cm的土壤含水量要高于0～ 30 cm的土壤含水量，灌水后0～ 30 cm土壤含水量增加最多，30～ 60 cm土壤含水量增加次之，60～ 90 cm土壤含水量增加最低。与不灌水处理相比灌水处理能显著增加冬小麦叶面积和生物量，其中以开花期灌水处理增加叶面积和生物量最多。与不灌水处理相比，灌水处理显著提高冬小麦产量，但在不同降雨量或分布情况下存在较大差异：当降雨量较多时，灌水处理之间产量无显著差异，当降雨量较少时，开花期灌水处理和灌水两次处理产量显著高于拔节期灌水处理。不同灌水时期和灌水量对小麦产量构成要素的影响不同，相同灌水量下开花期灌水对千粒重的提高效果高于拔节期灌水，灌两水对穗粒数和千粒重的影响大于开花期灌水。开花期灌水处理水分利用效率和灌溉水利用效率高于其他3个处理。因此综合考虑3年的试验结果，滴灌条件下开花期灌水1次(40 mm)可作为胶东半岛砂姜黑土区在冬小麦最优灌溉制度。