膜调控润灌对冬小麦生长及水分利用效率的影响

韩明明，张西平，程伍群，绳莉丽，段启蒙

（河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001）

华北平原作为我国大粮仓，也是我国小麦的主要产区之一，其小麦全生育期的降雨量低于200 mm［1］，种植基本依赖于人工灌水，水资源不足以及水分利用效率低成为制约华北粮食产量的重要原因［2］。因此在作物稳产或少量减产的情况下，既保证粮食安全又减少地下水超采是目前面临的重要问题［3］。而地下滴灌通过局部湿润的方式，将水分控制在根系主要活动层，提高了作物对水肥的吸收利用，可有效减少地表径流和棵间蒸发［2,4-5］；且配备设施在地表以下，不影响田间耕作活动，因此地下滴灌作为1 种具有很大发展潜力的节水灌溉技术在实际中得到了广泛应用［6］；但是该技术最突出的问题是当滴灌管埋深过大时，水分向上湿润范围和上移量不足，易引起水肥深层渗漏，灌水均匀度不易控制［8］，另外常出现由于根系向水性而使根系缠绕滴头造成的外部堵塞［7］和负压作用使土壤颗粒反向运动而导致土壤吸附堵塞灌水器［9］。

针对传统地下滴灌容易出现的深层渗漏问题，本课题组提出了膜调控润灌技术并申请相关专利［10-11］，该技术利用传统地下滴灌管道系统将水流输送到耕层土壤，并在滴头处布置调控膜，调控膜从上至下依次为上层调控膜（聚乙烯薄膜）、透水基质层（过滤棉）和下层调控膜（聚乙烯薄膜），上层调控膜和透水基质层为一体结构，对称放置在滴头上方，下层调控膜对称铺设在滴头下方；该系统采用的地下输水系统，可将水肥直接输送至作物根区，解决了其他地面节水灌溉方式配水环节多、水肥损失多的问题，达到了减少地面垄沟，提高土地利用率的效果；并且调控膜的铺设使出水位置由滴头转化为上层调控膜的边界，扩大了出水范围，同时借助下层调控膜的阻水作用延迟水分开始下渗的时间，缩短下渗时长，从而减少下渗量；另外通过布置调控膜旨在避免由根系向水性和负压作用导致灌水器堵塞的问题［8］，提高系统使用寿命和运行效益。

膜调控润灌作为1 种新的灌水技术，确定合理的膜规格、滴头间距等参数是研究该技术的重要内容［12］，翟炳谌［13］于2002 年在衡水进行农田示范，但缺乏系统科学的试验设计和研究。鉴于此，本研究以冬小麦为供试作物，通过大田试验，探究不同膜规格、滴头间距和灌水总量处理下的膜调控润灌对冬小麦生长指标、产量和水分利用效率的影响，以期为膜调控润灌技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018—2019 年在河北省衡水市景县龙华镇（N 37°37′，E 115°58′）的试验田完成，试验区属于温带半干旱地区，大陆性季风气候，日照充足，自然降雨少，降雨年内分布不均，多集中在夏季，与农作物需水关键期不对应。供试小麦品种为‘观35’，于2018年10月20号播种，2019年6月13号收获，采用15 cm 等行距播种，播种深度10 cm，播种量225 kg/hm2。试验地土壤为壤土，平均容重为1.45 g/cm3。

1.2 试验设计

在大田试验条件下，试验以滴头间距、膜规格和灌水总量为因素，各设置2 个水平。滴头间距为80 和100 cm；膜规格为40 cm×20 cm和40 cm×30 cm（下膜边长×上膜边长）；灌水总量为1 350 和1 800 m3/hm2，分别于拔节期、孕穗期和灌浆期各灌水1 次；以相同灌水总量和滴头间距处理下的地下滴灌作为对照，共12 个处理（表1）；各处理在田间随机排列，对照处理小区面积为450 m2，其余处理小区面积由于地块原因在600 ～7 000 m2之间；每个处理小区进水口安装水表控制灌水量。和群体密度计算叶面积指数（LAI）（叶面积指数=单株叶面积×每公顷茎数/108计算［23］）。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3.3 干物质重 在小麦各生育期，每个处理随机取3 个重复，每个重复取10 株，去除根部，放置在105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。

1.3.4 产量及产量构成因素 在小麦成熟收获期，每个处理随机取3 个重复，1 m 双行测算穗数、穗粒数和千粒重，取平均值；另外每个处理分别选取1 m×1.5 m 的样方，取3 个重复，进行脱粒后获得所有籽粒，待风干后测定小麦籽粒含水率，并称重。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图，SPSS 进行差异显著性分析。

2 结果与分析

1.3 项目测定及方法

1.3.1 株高 在小麦拔节、孕穗、开花、灌浆和成熟期，用精度1 mm 直尺测定植株基部至顶端高度，每个处理随机选取10 个单株，重复3 次。

1.3.2 叶面积 在小麦拔节、孕穗、开花、灌浆和孕穗期，每个处理随机选出10 株，重复3 次，用精度1 mm 直尺测量各株绿色叶片的长度和宽度，计算叶面积拟合公式=叶长×叶宽×0.82［22］，各叶片叶面积加和作为单株叶面积，并通过单株叶面积

2.1 不同处理对株高的影响

株高在膜调控润灌和地下滴灌条件下均表现出了前期株高长势快，灌浆期后株高长势变慢。与地下滴灌相比，膜调控润灌条件下株高在拔节期增大-1.76%～9.55%，其中T4、T5与相应的对照处理之间存在显著差异，在孕穗、开花、灌浆和成熟期分别增大8.65% ～24.19%、3.57% ～12.70%、2.68%～11.43%和4.97%～13.87%，除开花和灌浆期的T4和T10处理外，其余处理均与对照处理存在显著差异（图1）。

图1 不同处理植株高度在各生育期的变化Fig. 1 Variation of plant height under different treatments at different growth stages

膜调控润灌条件下，膜规格、滴头间距和灌水总量对株高影响显著。滴头间距和灌水总量相同时，M1相比M2处理下的株高在各生育期内增大-3.47%～7.61%，孕穗期开始不同膜规格之间差异显著；膜规格和灌水总量相同时，S1相比S2处理下的株高在各生育期内增大3.24%～15.64%，增大比例随着植株生长呈递减的趋势，且各生育期内不同滴头间距之间均差异显著；膜规格和滴头间距相同时，L2相比L1处理下的株高在各生育期增大-2.26%～6.18%，自开花期开始，不同灌水总量之间差异显著（滴头间距为S1时）。地下滴灌条件下，灌水总量相同时，S1相比S2处理下的株高在各生育期增大6.08%～15.43%，增大比例随生育期延长呈减小趋势，不同滴头间距之间差异显著；滴头间距相同时，L2相比L1增大-2.49%～8.75%，各生育期内的不同灌水总量之间差异显著（拔节期除外）。

2.2 不同处理对叶面积指数的影响

各处理下的冬小麦叶面积指数（LAI）在全生育期内表现出先增大后又下降至最小的趋势，在开花期附近达到最大值。在全生育期内，以T5处理的叶面积指数最大，达到7.68，T9处理一直处于最低状态，最大值为5.08（图2）。与地下滴灌相比，膜调控润灌条件下的叶面积指数在拔节、孕穗、开花、灌浆和成熟期分别增大8.62%～33.41%、1 4.1 4% ～ 4 1.6 5%、5.3 8% ～ 2 3.1 7%、3.40%～40.99%和15.27%～36.04%，自孕穗期开始均与相应的对照处理之间存在显著差异（T7和T10除外）。

图2 不同处理叶面积指数在各生育期的变化Fig. 2 Changes of LAI in different growth stages under different treatments

膜调控润灌条件下，滴头间距和灌水总量相同时，M1相比M2增大5.17%～24.10%，孕穗期至灌浆期，不同膜规格之间差异显著（滴头间距为S1的条件下）；膜规格和灌水总量相同时，S1相比S2增大9.67%～37.63%，并且当灌水总量为L1时，不同滴头间距在各生育期之间差异显著；膜规格和滴头间距相同时，L2相比L1增大6.26%～25.71%，拔节和灌浆期的不同灌水总量之间差异显著；地下滴灌条件下，增大灌水总量和减小间距均可增大叶面积指数，不同处理之间在各生育期均无显著差异。

2.3 不同处理对干物质重的影响

相比地下滴灌，膜调控润灌条件下的单株茎、叶和穗干重均有一定程度的增大，茎干重在孕穗和开花期差异显著，叶和穗干重自开花期开始差异逐渐显著；同样单株总干物质重相比地下滴灌增大2.29%～28.39%，增大量随着生长期延长呈现先增大后减小的趋势，并且2 种灌水方式之间的差异逐渐显著（表2 ～5）。

在膜调控润灌条件下，不同膜规格、滴头间距和灌水总量条件下的植株各器官干物质重有所差异。增大灌水总量（滴头间距为S1条件下）和减小滴头间距在开花期之后均可增大叶干重，且差异显著，在S1处理条件下，减小上膜尺寸可增大叶干重，差异不显著（表2）；减小滴头间距可增大茎干重和穗干重，并且开花期后差异逐渐显著，增大灌水总量和减小上膜尺寸均可增大茎干重和穗干重，但灌水总量和膜规格影响不显著（表3、4）。

表2 各处理在不同时期的单株叶干重Table 2 Leaf dry weight per plant in different stages of each treatment

表3 各处理在不同时期的单株茎干重Table 3 Stem dry weight per plant of each treatment at different stages

表4 各处理在不同时期的单株穗干重Table 4 Dry weight per panicle of each treatment at different stages

由于不同处理对各器官干重的影响，因此单株总干重差异明显，但不同处理下的单株总干重变化趋势均表现为开花期之前增速缓慢，之后积累迅速，灌浆期后趋于平缓（表5）。滴头间距和灌水总量相同时，M1相比M2增大4.03%～10.57%，不同膜规格之间差异不显著；膜规格和灌水总量相同时，S1相比S2增大9.48%～25.89%，随着生长期延长，不同滴头间距之间差异逐渐显著；膜规格和滴头间距相同时，L2相比L1增大5.66%～18.21%，增大比例随着植株生长逐渐降低，自开花期开始，不同灌水总量之间差异显著（滴头间距为S1条件下）；地下滴灌条件下，滴头间距相同时，L2相比L1增大5.17%～24.08%，灌水总量相同时，S1相比S2增大13.01%～31.22%，不同处理之间无显著差异。

表5 各处理在不同时期的单株干重Table 5 Dry weight per plant of each treatment at different stages

2.4 不同处理对产量和产量构成因素的影响

与地下滴灌相比，膜调控润灌的穗数、穗粒数和千粒重分别增大了7.20% ～20.13%、2.16%～12.50%和-1.00%～5.82%，穗数与穗粒数在2 种灌水方式之间存在显著差异，千粒重差异不显著（表6）。在膜调控润灌条件下，千粒重在不同膜规格、滴头间距和灌水总量处理下差异不显著；穗数受灌水总量和滴头间距影响显著，L2相比L1条件下的穗数增大6.46%～10.40%，S1相比S2增大8.44%～13.69%，减少上膜尺寸可增大穗数，但影响不显著；穗粒数在不同滴头间距之间存在显著差异，S1相比S2增大3.31%～10.61%，减小上膜尺寸和增大灌水总量均对穗粒数有增大趋势，但影响不显著。

与地下滴灌相比，膜调控润灌条件下产量提高1.36%～12.60%，除T4、T10外，其余处理均与相应的对照处理之间存在显著差异。膜调控润灌在不同处理之间存在显著差异，膜规格和灌水总量相同时，S1相比S2处理的产量提高9.06%～17.16%，差异显著；滴头间距相同时，增大灌水总量和减小上膜尺寸可分别提高产量3.51% ～11.20% 和9.06% ～17.16%，差异不显著。地下滴灌条件下，灌水总量和滴头间距均对产量影响显著，S1相 比S2增 产12.14% ～20.44%，L2相 比L1增 产6.85%～14.76%。

2.5 不同处理对水分利用效率的影响

膜调控润灌的水分利用效率在2.23 ～2.85 kg/m3之间，相比地下滴灌增大7.83%～17.39%，差异显著（表6）。在膜调控润灌条件下，不同处理之间的水分利用效率差异显著，膜规格和灌水总量相同时，S1相比S2增大16.96% ～30.12%，不同滴头间距之间差异显著；滴头间距为S1时，M1相比M2增大2.52%～7.52%，L1相比L2增大-1.84%～6.12%，膜规格和灌水总量对水分利用效率影响显著，而滴头间距为S2时，减小上膜尺寸和灌水总量对水分利用效率均有增大趋势，但影响不显著；地下滴灌条件下，滴头间距为S1时，L1相比L2处理下的水分利用效率增大6.67%，滴头间距为S2时则减小4.79%，差异均不显著；灌水总量相同时，S1相比S2增大10.50%～23.80%，差异显著。

表6 不同处理下的冬小麦产量及水分利用效率Table 6 Yield and water use efficiency of winter wheat under different treatments

3 讨论

由试验范围内分析可知，地下滴灌条件下冬小麦存在长势不均的情况，当增大灌水总量和减小滴头间距均可显著增大作物株高、叶面积指数、干物质重和产量，但水分利用效率有一定程度的减低，产量最高可达8 330.4 kg/hm2，水分利用效率最高达到2.44 kg/m3，与张娜［14］、位国峰［15］研究结果一致，这可能是由于地下滴灌所形成的垂向湿润范围显著高于水平湿润宽度，容易引起相邻滴头形成的湿润体外侧无法充分交汇，附近土壤的水分分布不均匀，影响根系吸水，造成了植株长势不佳，而滴头间距直接影响田间灌水均匀性以及作物对水分和养分的吸收效率［16-17］，因此减小滴头间距，可有效缓解水分横向运移不足的问题，与Tefo［18］研究结果一致；灌水量主要影响湿润范围大小和水量分布，增大灌水总量有利于增大水量横向均匀性，同时增大湿润体外侧含水率［19-20］，从而改善根系主要活动层的水分环境状况，提高根系数量和吸水活力，作物生长指标和产量均增大，但水分利用效率有一定降低，与谢小清、薛丽华［21-22］研究结果一致。

相比地下滴灌，膜调控润灌增大了冬小麦的株高、叶面积指数和干物质积累量，在孕穗期后差异逐渐显著，植株长势更均匀；产量和水分利用效率最高可分别增大12.60%和17.39%，达到8 839.9 kg/hm2和2.85 kg/m3；这可能是调控膜的布置，减少了下渗范围和渗漏量，增大了水分上移量，同时出水点由滴头转变为上膜四周边界，有效增大了湿润体水平湿润范围以及湿润体外侧水量分布，为作物根系提供良好的生长环境，更有利于不同位置根系对水分的吸收，从而促进植株长势均匀，并增大产量和水分利用效率。在膜调控润灌条件下，减小滴头间距使产量和水分利用效率均有了提高，差异显著，并且滴头间距为S1时，减小上膜尺寸和增大灌水总量均可增大产量，减小上膜尺寸和灌水总量均会使水分利用效率增大，且膜规格和灌水总量影响显著，这可能是由于膜规格和灌水量对湿润体形状大小和含水率分布有一定影响，因此上膜尺寸较小时，水分上移量增大，但水平湿润范围相对较小，而增大灌水总量可增大湿润体水平扩散距离和外侧水量分布，而滴头间距直接影响田间灌水均匀性以及作物对水分和养分的吸收效率［16-17］，因此减小间距，更有助于相邻湿润体搭接交汇［18,23］，在交汇过程中同时促进水分上移，增大了主要根系层的水分分布均匀性，为根系提供均匀充足的水分吸收利用［24］，从而增大产量和水分利用效率；在滴头间距较大时，改变上膜尺寸和灌水总量对增产节水效果不显著，这可能是由于滴头间距过大，而相邻两滴头形成的湿润体湿润范围有限，此时通过增大灌水总量和上膜尺寸在一定程度上可增大水平湿润范围，提高水量横向分布均匀性，缓解湿润体无法充分交汇的问题，但下渗量也随之增大，水分利用效率降低［25］。

4 结论

本文通过大田试验，分析膜规格、滴头间距和灌水总量对膜调控润灌条件下冬小麦生长指标、产量和水分利用效率的影响，得到以下结果：

（1）相比地下滴灌，膜调控润灌下的冬小麦株高、叶面积指数和干物质重等生长指标均有不同程度的增加；减小滴头间距、上膜尺寸或增大灌水总量均可增大上述生长指标，且滴头间距和灌水总量影响显著，膜规格影响不显著。

（2）膜调控润灌产量较地下滴灌增大1.36%～12.60%，其中T5处理最高，为8 839.9 kg/hm2；减小滴头间距、上膜尺寸或增大灌水总量均可增加产量，且滴头间距影响显著。

（3）膜调控润灌的水分利用效率在2.23 ～2.85 kg/m3之间，较地下滴灌增大；减小滴头间距、灌水总量或上膜尺寸均可增大水分利用效率；且滴头间距为S1时，灌水总量和膜规格对水分利用效率影响显著。