春季灌水对晋南晚播冬小麦产量和水分利用的影响

杨 娜 席吉龙 王 珂 席天元 张建诚 姚景珍 王 健

（1有机旱作山西省重点实验室/山西省农业科学院旱地农业研究中心，030031，山西太原；2山西省农业科学院棉花研究所，044000，山西运城）

晋南是山西省粮食主产区和国家小麦优势区，2019年山西运城小麦种植面积28.69万hm2[1]，其中水地小麦面积约占小麦种植总面积的50%以上[2]。因此，提高灌溉水利用效率是确保小麦高产的关键。近年来，运城盆地地下水超采严重，已形成严重的漏斗现象，截止到 2013年，运城市漏斗面积达 2100km2（330m 水位等值线圈），超过了全国94.27%的城市。除水分因素对小麦产量影响较大外，极端低温也会对其造成较大影响[3]。随着全球气候变暖，运城市气温主要表现为冬春季节气温升高[4]，冬季、春季气温分别以0.33和0.35℃/10年的速度上升[5]，使冬小麦冬春生长快，拔节期提前，幼穗抗霜能力降低[6]。春季霜冻害极易造成小麦冻害[7]，特别是幼穗在药隔分化期对低温最敏感[8]，而运城盆地传统播种多在10月上旬至10月15日，冬小麦的幼穗药隔分化期正处于晚霜冻害的高发期，不仅春季冻害风险加大，还会造成水肥资源的浪费。研究[9-10]表明，冬小麦适度晚播可免浇冬水，实现节水灌溉，同时冬小麦也能够安全越冬。前人[11-13]在运城盆地冬小麦水分利用特性和产量的研究多针对传统播期进行，而对当地晚播冬小麦耗水特性及免浇冬水条件下春季灌水模式则少见报道。因此，了解晚播冬小麦水分利用特性，并采取合理有效的栽培措施，对实现当地晚播冬小麦稳产、高产具有重要意义。基于节水、高产、抗逆的要求，本研究针对传统播种小麦存在的旺苗、春季霜冻害风险加大等问题，通过研究适时晚播与不同灌水模式对冬小麦水分利用特性和籽粒产量的影响，探寻适合晋南晚播冬小麦产量和水分利用效率的共同提高、同时降低春季冻害风险的灌水模式，为该区晚播冬小麦高产高效栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年10月至2020年6月在山西省农业科学院棉花研究所牛家凹试验农场（111.09°E，35.19°N）进行。试验区属温带季风气候，年均温13.5℃，年均降水量529.5mm。生育期月降水如图1所示（10月数据为晚播日期至10月31日降水），小麦生育期2018年10月27日至2019年6月上旬的降水量为89.5mm，较多年年均降水量（185.6mm）低 96.1mm，属于干旱年；2019年 10月 28日至2020年6月上旬的降水量为174.1mm，较多年平均值低11.5mm，减少6.2%，属于平水年[14]。

图1 2018-2020年冬小麦生育期降水Fig.1 Precipitation during winter wheat growth period in 2018-2020

1.2 试验设计

运城盆地冬小麦传统播期在 10月 5日至 15日，通过对近年研究成果和前人对冬小麦冬前积温等方面的研究[15]进行总结，明确运城盆地适度晚播时间以10月16日至30日为宜，同时增加密度提高成穗数[16-17]，实现冬小麦稳产、增产。由于受播前降雨、土壤墒情等不可抗因素影响，实际播种时间在年际间略有差异。

以传统播期（返青起身期+开花期2水）为对照（CK），设置晚播灌水处理5个，分别为W1（生育期不灌水）、W2（返青起身期1水）、W3（拔节期 1水）、W4（返青起身期+开花期 2水）和W5（拔节期+开花期2水）。3次重复，小区面积15m2（2.5m×6.0m），每小区周围设1m隔离区。每次灌水量约90mm，用水表控制灌水量。供试小麦品种为济麦22。2018-2019年度传统播期为2018年10月8日，基本苗255万/hm2，晚播日期2018年10月27日，基本苗420万/hm2，收获日期2019年6月7日；2019-2020年度受降雨影响，传统播期为2019年10月13日，基本苗270万/hm2，晚播日期2019年10月28日，基本苗420万/hm2，收获日期2020年6月7日。施肥量为纯氮225kg/hm2、P2O5180kg/hm2，均作底肥一次性施入。氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%）。播前0～2m土壤储水量、灌水日期如表1所示。其他管理措施与大田一致。

表1 灌水时间Table 1 Time of irrigation

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦群体动态 每个处理在小麦 3叶期前选取固定点调查基本苗数，在春季调查最高总茎数，在成熟期调查成穗数。

成穗率（%）=成熟期单位面积穗数/起身期单位面积最高总茎数×100。

1.3.2 小麦耗水量和水分利用效率 在小麦各关键生育期用中子水分仪CNC203B测定0～2m土壤水分，每10cm为一个土层，计算土壤含水量。小麦生育期耗水量ET=P+U-R-F+ΔW+I[18]，式中，P为生育期内降雨量，U为地下水上移补充给作物的水量，R为地表径流量，F为补给地下水量，ΔW为土壤贮水消耗量，I为灌水量。试验地块地势平坦，地下水深度超过5m，降水入渗深度不超过2m，故U、R和F均为0。

水分利用效率（WUE）[kg/（hm2·mm）]=Y/ET，Y为籽粒产量（kg/hm2），ET为生育期耗水量（mm）。

1.3.3 干物质积累和转运 在开花期对长势一致的植株进行挂牌标记，在开花期和成熟期，每个处理分别取样20株，剪去根系，带回室内，按照茎、叶、穗分开，于105℃杀青30min，80℃烘干至恒重，称重，并计算干物质转运参数[19]。

花前营养器官干物质转运量=开花期营养器官干重-成熟期营养器官干重；

营养器官花前贮藏干物质转运效率（%）=花前干物质转运量/开花期干重×100；

开花前贮藏干物质对籽粒产量的贡献率（%）=花前干物质转运量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.4 产量及其构成因素 成熟后每小区随机取样20穗，调查穗粒数。小区整体收获风干后测产，并随机取500粒，3次重复，计算千粒重。

1.4 数据处理

利用Excel和SPSS 21.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水模式对冬小麦群体的影响

由表2可知，2018-2019年，晚播增密各处理最高总茎数显著低于 CK；2019-2020年，晚播增密返青起身期灌水最高总茎数与传统播期差异不显著，说明晚播增密+合理的灌溉措施能够保证冬小麦的群体数量。2019年冬季气温偏高，日均温低于0℃的天数较少，小麦在冬季生长并未停止，2020年春季降水充足，气温回升快，冬小麦返青时间早、生长快，返青起身期灌水促进了群体的分蘖，使其最高总茎数与传统播期差异不显著。W4处理最高总茎数显著高于其他晚播增密灌水处理，这是由于返青起身期灌水有效促进了春季分蘖和小蘖生长，而拔节期灌水最高总茎数调查处于灌水时间之前，故最高总茎数与不灌水处理差异不显著。由此说明，返青起身期灌水对小麦群体调控作用明显。

表2 不同晚播灌水处理下冬小麦群体动态Table 2 Population dynamics of different late sowing irrigation treatments of winter wheat

2.2 不同灌水模式对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，2018-2019年，W4和W5处理冬小麦产量显著高于CK，分别比CK高2.98%和7.11%，主要是由于穗数和穗粒数较高，穗数分别较CK高10.74%和7.48%；W2和W3处理产量低于CK；该年度为干旱年，适度晚播增密+合理的灌溉措施对小麦增产效果明显。2019-2020年为底墒较充足的平水年，CK处理冬小麦产量最高，W5和W4处理次之，但2种模式间差异未达到显著水平；W1处理产量最低。说明晚播增密冬小麦灌2水能够维持冬小麦产量的稳定，而返青起身期灌水亦不会造成大幅度减产。2个试验年度晚播增密不灌水和灌1水的产量均低于传统播期和晚播灌2水处理的产量，说明运城盆地晚播增密冬小麦春季仅灌1水对产量影响较大，不能满足高产的需求。

表3 不同灌溉模式对产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of different irrigation patterns on yield and its components

2.3 不同灌水模式对冬小麦物质运转的影响

小麦籽粒产量的形成一部分来源于开花前物质运转。由表4可知，开花期CK处理冬小麦干物质积累显著高于其他处理。晚播增密条件下，冬小麦干物质积累量随灌水次数增加而增加，相同灌水次数的处理间差异不显著，开花期晚播灌水处理中以W4处理干物质积累量最高。各处理间成熟期和花后干物质积累量与开花期干物质积累量趋势相同，以CK最高，W1最低。各处理对花前营养器官干物质运转量、运转率和花前干物质积累对籽粒贡献率有相同的效应，以W4处理最高，W3处理最低。

表4 不同灌水模式下物质积累与运转（2019-2020）Table 4 Dry matter accumulation amount and translocation of different irrigation modes in 2019-2020

2.4 不同灌水模式对水分利用的影响

2.4.1 对冬小麦耗水特性的影响 由表5可知，2018-2019年，晚播增密下各处理生育期耗水量低于 CK，W2和 W3处理比 CK分别低 26.85%和21.27%，W4和W5处理耗水量比CK分别低1.89%和3.28%；而水分利用效率均高于CK，W2和W3处理比CK分别高30.61% 和21.05%，W4和W5处理比CK分别高6.50%和12.37%，W1处理比CK高8.06%。与CK相比，2019-2020年晚播耗水量和水分利用效率表现与上年度一致。由此可知，在干旱年和平水年，适度晚播增密+合理灌溉能够实现产量和水分利用效率的共同提高。晚播灌2水条件下，返青起身+开花2水模式产量略低于拔节+开花2水模式，水分利用效率相当。

表5 不同灌水模式耗水组成分析Table 5 Water consumption composition in different irrigation treatments

2.4.2 不同灌水模式土壤水分利用效应差异 由图2可知，不同年份传统播期和适度晚播冬小麦对各土层土壤贮水的利用不同。在干旱年（2018-2019）成熟期，CK处理深层（130～200cm）各土层土壤含水量低于晚播各处理，30～100cm 各土层土壤含水量高于晚播各处理；平水年（2019-2020）成熟期，40～200cm CK处理各土层土壤含水量高于晚播各处理。由此说明，干旱年CK处理对各土层土壤贮水的利用增加；而平水年由于降水相对充足，传统播期对土壤贮水的利用减少。晚播灌1水时，W2处理100～200cm土层土壤含水量均低于W3处理，说明晚播冬小麦仅灌1水时，在返青起身期灌水有利于植株对深层水的利用，从而发挥深层水的补偿作用。晚播灌 2水时，干旱年（2018-2019）W4处理50～200cm土层土壤含水量低于W5处理；平水年（2019-2020）W4处理 0～150cm 土层土壤含水量低于 W5处理，不同年份返青+开花期灌水对土壤各土层的水分利用略有不同，但对 50～150cm土层土壤含水量的影响表现一致。由此可知，干旱年和平水年，晚播冬小麦灌1水或2水及返青起身期灌水有利于植株对土壤深层水的利用。

图2 冬小麦成熟期不同土层含水量Fig.2 Water contents of different soil layers at maturity stage of winter wheat

3 讨论

3.1 灌水时间对冬小麦水分利用的影响

晚播冬小麦冬前生育时间短，苗龄较小，抗寒性较强，有利于安全越冬，同时可以减少冬前无效耗水[9]；张胜全等[20]研究认为，晚播（10月17日）免浇冬水条件下，春季第1水推迟至拔节期能够实现阶段节水。本研究结果表明，在干旱年和平水年免浇冬水条件下，适度晚播增密后冬小麦生育期耗水量显著低于传统播期，水分利用效率显著高于传统播期，这与前人的研究[20]结论一致。在干旱年，传统播期下冬小麦成熟期土壤含水量低于晚播，这是由于传统播期群体数量高于晚播，对水分的消耗增加，在灌水量和降水相同的条件下，对土壤贮水的消耗量增加；在平水年，传统播期下冬小麦成熟期土壤含水量高于晚播，这是由于冬小麦生长季需水量在370～450mm[21-22]，2019-2020年，传统播期生育期降水和灌溉水量已基本达到冬小麦生长所需，冬小麦对土壤贮水的消耗量少于晚播，因此成熟期深层土壤含水量高于晚播。研究[23-24]表明，小麦产量和水分利用效率随总耗水量的增加先升高后降低。本研究中，平水年传统播期冬小麦产量最高，但产量与晚播灌2水处理差异未达到显著水平，且水分利用效率最低，有以下2点原因，传统播期与晚播2水灌水量相同，生育期总降水量243.1mm较晚播多69mm（苗期），总耗水量增加，小麦对土壤贮水的利用减少；该年度冬季属于暖冬，冬小麦生长发育快，群体大，加之返青起身期灌水使无效分蘖增加，无效耗水增加[25]。因此，传统播期灌水应结合生产中降水情况对灌水量酌情调整，以达到产量和水分利用效率的协同提高。提高土壤贮水的利用是实现节水栽培的重要途径之一[26]。本研究表明，晚播条件下，返青起身期灌水对土壤贮水特别是深层贮水的利用高于拔节期灌水。适度水分亏缺条件下，冬小麦产量随总耗水量增加而增加[26]，本研究条件下，晚播返青起身期+开花期2水处理的总耗水量高于拔节期+开花期2水处理，说明晚播未浇冬水条件下，返青期+开花期2水模式仍具有一定的增产潜力。

3.2 灌水时间对冬小麦产量的影响

关于灌水时间对冬小麦产量的影响已有较多研究，刘志良等[27]认为，春灌1水条件下冬小麦拔节中期灌水的产量效果优于其他时期；孙明清等[28]认为，正常年份，石家庄地区冬小麦春灌1水条件下灌水时间以拔节前期为宜。本研究结果表明，不同年份晚播冬小麦产量形成的影响存在差异。干旱年，晚播冬小麦灌2水产量高于传统播期，这是由于传统播期最高总茎数虽显著高于晚播，但成穗率和穗粒数低于晚播灌水处理。而晚播冬小麦由于冬前苗龄小，减少了无效耗水，水分利用效率提高，产量增加。因此，干旱年，冬小麦适度晚播更具有增产优势。而降水较为充足的平水年，则是传统播期产量最高，晚播灌2水次之，但二者间差异未达到显著水平，且传统播期冬小麦水分利用效率低于晚播增密处理。从产量构成因素来看，拔节期灌水对提高作物产量效果最好。晚播增密条件下，2个试验年度均以拔节期+开花期2水模式产量最高，该结果与前人研究[20]结论基本一致；返青期+开花期2水产量略低于拔节期+开花期2水，但2种模式差异不显著。适度晚播增密+合理灌溉也能实现稳产或高产。

3.3 不同灌水模式对晚播冬小麦对春季低温响应的影响

冬小麦随春季气温回升而快速生长，生育进程加快，但幼穗对低温的敏感性增加[29]，承受霜冻害的能力降低[30]；进入拔节期后，冬小麦出现霜冻害的最低温呈上升趋势，即生育期越迟，冬小麦所能承受的最低温反而越高[31]。本课题组通过对不同灌水时间冬小麦低温和穗分化的观测得知，返青起身期灌水能够延缓冬小麦的穗分化进程，提高冬小麦春季抗霜冻能力。因此，适度晚播增密+返青起身期灌水能够延缓穗分化进程，调控群体，提高抗霜冻能力，实现“平抑生育进程”。这对当前气候变暖情境下，缓解冬小麦春季发育提前、降低春季冻害风险具有重要作用。生产实践中，在对籽粒产量影响不大的前提下，灌水时间的确定除考虑苗情、降水等因素外，降低春季冻害风险也是确定灌水模式的重要因素。

4 结论

在干旱年，晚播（10月27日）灌2水时冬小麦增产优势明显。在平水年，传统播期（10月13日）处理产量最高。综合产量、抗霜冻、水分利用等方面因素，不灌冬水条件下，适度晚播增密+合理灌水不仅能够保证产量，还可以延缓穗分化进程，降低春季冻害对冬小麦的影响。实际生产中，具体实施过程还应依据田间情况做进一步确定。