劉帥康，林 祥，谷淑波，胡鑫慧，雷柯頤，王 森，王 雪，王 東

(山東農(nóng)業(yè)大學/作物生物學國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，山東泰安 271018)

黃淮海地區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥總產(chǎn)約占全國的70%左右，對保障國家糧食安全有極其重要的作用[1]。該區(qū)年平均降水量約600 mm，小麥-玉米一年兩熟種植周年需水約虧缺30%，其中小麥生長季降水量僅為110～180 mm，只能滿足小麥需水量的25%～40%，因而補灌是該地區(qū)小麥實現(xiàn)高產(chǎn)的重要技術途徑[2-4]。然而該地區(qū)人均水資源占有量僅為全國的15%，約80%以上的地表徑流和地下水資源被用于農(nóng)田灌溉，水資源日益短缺[5-6]。如何在保持原有高產(chǎn)水平或持續(xù)增產(chǎn)的基礎上，提高水分利用效率，減少灌溉水投入，保護水資源，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是該地區(qū)亟待解決的技術難題。

有研究認為，小麥生長季需灌溉2～4次才能滿足其水分需要[7-8]。由于年際間小麥季降水量及其時間分布存在較大差異，各年度適宜灌水次數(shù)和灌水量亦不同[9-10]，采用傳統(tǒng)定額灌溉的辦法難以實現(xiàn)補灌水量與自然供水量之間的精準匹配，制約產(chǎn)量和水分利用效率的提高[11]。為解決定額灌溉試驗存在的局限性，有研究者提出，依據(jù)各關鍵生育時期土壤相對含水率確定補灌水量的辦法[12]，在小麥播種期、拔節(jié)期和開花期將0～140 cm土層土壤相對含水率分別補灌至80%、70%和70%田間持水率時，籽粒產(chǎn)量、灌溉水利用效率和灌溉效益均較高[13]。在擬濕潤層深度為0～40 cm的條件下，拔節(jié)期和開花期補灌目標以70%田間持水率最優(yōu)[14]。當擬濕潤層深度為0～20 cm時，拔節(jié)期和開花期補灌目標均以100%田間持水率最優(yōu)[15-16]。由此可以看出，以土壤相對含水率為標準確定補灌水量時，擬濕潤層深度不同，適宜的補灌水目標亦有較大差異。此外，小麥各關鍵生育時期的土壤相對含水率只能反映當時的土壤供水能力，之后降水量的多少對前期補灌調(diào)控效果的影響及不同品種適宜的補灌方案是否存在差異尚需進一步探討。

本試驗在前期研究的基礎上，選用穗型不同的小麥品種，結合開花至成熟階段的降水條件，研究拔節(jié)后不同補灌方案對小麥耗水、產(chǎn)量及水分利用效率的調(diào)節(jié)效應及其生理基礎，以期為黃淮海地區(qū)小麥節(jié)水高產(chǎn)栽培提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1. 1 試驗設計

試驗于2017-2019年在山東省泰安市道朗鎮(zhèn)玄莊村(E116°54′，N36°12′)大田進行，該地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為13.0～ 13.6 ℃，年均降雨量為621.2～688 mm，地下水位為15～25 m。土壤類型為壤土，試驗地前茬作物為玉米。兩年度小麥季各生育階段自然降水量如表1所示，播種前0～20 cm土層土壤養(yǎng)分狀況如表2所示，試驗田0～200 cm各土層土壤容重、田間持水率及播種前土壤相對含水率見表3。

表1 小麥各生育階段降水量

表2 試驗田播種前 0～20 cm 土層土壤養(yǎng)分含量

表3 試驗田0～200 cm各土層土壤容重，田間持水率及播種前土壤相對含水率

供試材料為小麥大穗型品種山農(nóng)23和中多穗型品種山農(nóng)29，設置四個水分處理，分別為拔節(jié)后無灌水(T1)、拔節(jié)期以0～20 cm土層相對含水率達100%田間持水率為目標進行補灌(T2)、拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層相對含水率達100%田間持水率為目標進行補灌(T3)和拔節(jié)期以0～40 cm土層相對含水率達100%田間持水率為目標進行補灌(T4)。各處理灌水量根據(jù)灌水定額公式計算：

Is=10ρH(FC-θ)

式中,Is為灌水量(mm)；ρ為擬濕潤層土壤平均容重(g·cm-3)；H為擬濕潤層深度(cm)；FC為擬濕潤層土壤最大持水率(%)；θ為灌水前擬濕潤層土壤質量含水率(%)。

各處理拔節(jié)期之前的水分管理一致，采用按需補灌方法[17]確定播種期和冬前期是否需要補灌以及所需補灌水量。具體方法如下：

(1)播種期測定0～20 cm土層土壤體積含水率θv(%)、相對含水率θr(%)和0～100 cm土層土壤貯水量Ss(mm)。

(2)確定播種期需補灌水量Is：當θr>70%且Ss>317 mm時，無需補灌；當θr>70%且Ss≤317 mm時，按公式“Is=317-Ss”計算需補灌水量。當θr≤70%時，按公式“Is=2×(FC20-θv)”計算需補灌水量。式中，F(xiàn)C20為0～20 cm土層土壤田間持水率(%)。

(3)計算播種至冬前期主要供水量Wsw(mm)：Wsw=Ss+Psw+Is，Psw為播種至冬前期有效降水量(mm)。

(4)確定冬前期需補灌水量Iw(mm)：當Wsw≥326.8 mm時，無需補灌；當Wsw<326.8 mm時，按公式“Iw=326.8-Wsw”計算需補灌水量。

采用小麥專用微噴帶灌溉，用水表計量灌水量。不同處理各生育時期補灌水量見表4。

表4 不同處理各生育時期的補灌水量

每處理三次重復，小區(qū)面積為56 m2(2 m×23 m)，小區(qū)間設1 m保護行以消除水分滲漏影響。播前每公頃底施復合肥900 kg，折合純氮135 kg·hm-2、P2O5135 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2；三葉期定苗，山農(nóng)23留苗密度為 300×104株·hm-2，山農(nóng)29留苗密度為180×104株·hm-2。所有處理拔節(jié)期每公頃追施純氮75 kg，用尿素作氮肥。第一年度試驗于2017年10月18日播種，2018年6月7日收獲。第二年度試驗于2018年10月8日播種，2019年6月12日收獲。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤含水率的測定

于小麥播種前、冬前期、拔節(jié)期、開花期、成熟期，以及每次灌水前1 d和灌水后3 d用土鉆取 0～200 cm土層的土樣，每20 cm為一層裝入鋁盒密封，稱鮮重后置于烘箱中，110 ℃烘 12～24 h至恒重，稱干土重，計算土壤質量含水率。土壤相對含水率=土壤質量含水率/田間持水率×100%。

1.2.2 農(nóng)田耗水量及土壤總供水表觀消耗量的計算

參照Chattaraj[18]的方法計算農(nóng)田耗水量。

ETc=ΔW+I+Pr+K

式中ETc為農(nóng)田耗水量(mm)；ΔW為階段初與階段末0～200 cm土層土壤貯水量的差值；Pr為降水量(mm)；I為補灌水量(mm)；K為地下水補給量(mm)，該地區(qū)地下水埋深在15 m以下,因此不考慮地下水補給影響。

土壤總供水表觀消耗量計算公式：

S=10 ×Dh×γbd×(θ1-θ2)

式中S為土壤總供水表觀消耗量(mm)；Dh土層深度(cm)；γbd為土壤容重；θ1和θ2分別為階段初和階段末土壤質量含水率(%)。計算拔節(jié)期至開花期土壤總供水表觀消耗量時，θ1和θ2分別為拔節(jié)期補灌后3 d至開花期補灌前各土層土壤總供水消耗量。計算開花期至成熟期土壤總供水表觀消耗量時，θ1和θ2分別為開花期補灌后 3 d至成熟期各土層土壤總供水消耗量。

1.2.3 旗葉凈光合速率測定

旗葉凈光合速率用 Li-6400 便攜式光合儀(LI-COR Inc. 美國)測定系統(tǒng)測定。于花后0 d、10 d、20 d和30 d晴日上午9:30-11:30，在人工紅藍光源(光照強度1 200 μmol·m-2·s-1)下測定旗葉凈光合速率。各試驗小區(qū)隨機選取5 片旗葉測定。

1.2.4 籽粒產(chǎn)量及其構成因素測定

成熟期在各試驗小區(qū)內(nèi)隨機取1 m2，調(diào)查單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，另外隨機選取2 m2全部收獲脫粒，自然風干至籽粒含水率 12.5%左右時稱重，再折算為公頃產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

使用Excel 2010處理試驗數(shù)據(jù)，采用IBM SPSS Statistics 21對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性檢驗，并采用Sigmaplot 12.5 繪圖。

2 結果與分析

2.1 補灌對麥田土壤相對含水率的影響

2.1.1 拔節(jié)期補灌后土壤相對含水率的變化

2017-2018年度，拔節(jié)期補灌3 d后，兩品種的T2和T3處理0～60 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T1處理，T4處理0～80 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T2和T3處理。2018-2019年度，拔節(jié)期補灌3 d后，兩品種的T2和T3處理0～60 cm土層土壤相對含水率也均顯著高于T1處理，T4處理0～100 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T2和T3處理(圖1)。這說明拔節(jié)期以0～20 cm和0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌均可分別改善0～60 cm和0～100 cm土層土壤水分狀況，但對100～200 cm土層土壤水分無顯著影響。

2.1.2 開花期補灌后土壤相對含水率的變化

2017-2018年度，開花期補灌3 d后，兩品種的T2處理20～80 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T1處理，T3和T4處理0～100 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T1處理；T3處理0～40 cm土層土壤相對含水率顯著高于T2和T4處理，60～100 cm土層土壤相對含水率顯著低于T4處理；T2處理0～100 cm土層土壤相對含水率顯著低于T4處理(圖1)。2018-2019年度，開花期補灌3 d后,兩品種的T2處理0～60 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T1處理，T3和T4處理0～80 cm土層土壤相對含水率均顯著高于T1處理；T3處理0～60 cm土層土壤相對含水率顯著高于T2處理，0～40 cm土層土壤相對含水率顯著高于T4處理；T2處理40～80 cm土層相對含水率均顯著低于T4處理。上述結果說明，拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌可顯著改善開花期0～40 cm土層土壤水分條件，僅于拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌可使60～100 cm土層土壤含水率在開花期仍保持較高水平。

2.1.3 補灌后成熟期土壤相對含水率的變化

2017-2018年度，兩品種成熟期各處理 0～160 cm土層土壤相對含水率總體上隨全生育期總灌水量的增加而上升；與T1處理相比，T2處理20～80 cm土層土壤相對含水率及T3與T4處理0～200 cm多數(shù)土層土壤相對含水率均顯著升高；與T2處理相比，T3處理0～40 cm土層土壤相對含水率和T4處理0～60 cm土層土壤相對含水率均顯著升高；T4與T3處理相比，各土層土壤相對含水率無顯著差異(圖1)。2018-2019年度兩品種各處理成熟期土壤相對含水率變化規(guī)律與2017-2018年度基本一致，只是不同處理間0～100 cm土層土壤相對含水率的差異相對較小，多數(shù)未達顯著水平。上述結果說明在拔節(jié)至開花期和開花至成熟期降水均較多的年份，拔節(jié)期+開花期補灌或僅于拔節(jié)期補灌均不同程度提高了小麥成熟期0～160 cm土壤相對含水率；相反在拔節(jié)后降水較少的年份，不同灌水處理間在小麥成熟期各土層土壤相對含水率差異較小，這與小麥對灌溉水和土壤貯水消耗較多有關。

J、A、M分別為拔節(jié)期、開花期和成熟期。SN23：山農(nóng)23；SN29：山農(nóng)29。

2.2 補灌對小麥耗水特性的影響

2.2.1 小麥不同生育階段耗水量的變化

2017-2018年度兩個品種階段耗水規(guī)律一致。拔節(jié)至開花期，T2和T4處理階段耗水量較T1處理分別增加21.6%～31.9%和56.3%～60.4%；開花至成熟期，T2、T3和T4處理階段耗水量較T1處理分別增加7.0%～7.6%、14.2%～14.5%和16.0%～18.4%(表5)。2018-2019年度，拔節(jié)至開花期，兩個品種的T2和T4處理階段耗水量較T1處理分別增加24.8%～28.8%和60.5%～76.1%；開花至成熟期，T2、T3和T4處理階段耗水量較T1處理分別增加21.2%～29.2%、 53.1%～53.4%和30.2%～35.1%。由此可以看出，拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌與拔節(jié)和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌相比，拔節(jié)至開花期階段耗水量較高，在開花至成熟期降水較多的年份，二者的開花至成熟期階段耗水量無顯著差異，前者全生育期總耗水量較高；在開花至成熟期降水較少的年份，前者開花至成熟期階段耗水量顯著降低，二者全生育期總耗水量無顯著差異。

表5 小麥不同生育階段耗水量

2.2.2 小麥不同生育階段耗水的來源差異

2017-2018年度，兩品種的T3處理全生育期灌水量均顯著高于T2處理，低于T4處理，土壤水消耗量均顯著低于T2和T4處理。2018-2019年度，T3處理全生育期灌水量與T4處理無顯著差異，但顯著高于T2處理，土壤水消耗量與T4處理無顯著差異，但顯著低于T2處理(表6)。兩年度兩品種的T3處理土壤水消耗量在拔節(jié)至開花期均顯著高于T4處理，在開花至成熟期均顯著低于T4處理。上述結果說明拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌與拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌相比，顯著降低了拔節(jié)至開花期土壤水消耗量，增加了開花至成熟期土壤水消耗量。

2.2.3 小麥不同生育階段0～200 cm土層土壤總供水表觀消耗量變化

2017-2018年度，拔節(jié)至開花期山農(nóng)23的T4處理0～80 cm土層土壤總供水(含播種期土壤貯水和階段前降水與灌溉水)表觀消耗量均顯著高于T2和T3處理；山農(nóng)29的T4處理20～80 cm土層土壤總供水表觀消耗量均顯著高于T2和T3處理；開花至成熟期兩品種的T3處理 0～40 cm土層土壤總供水表觀消耗量均顯著高于T2和T4處理，60～200 cm多數(shù)土層土壤總供水表觀消耗量均顯著低于T2和T4處理(表7)。2018-2019年度規(guī)律與上一年度基本一致。上述結果說明拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌與拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌相比，增加了拔節(jié)至開花期土壤水分，提高了該階段小麥對上層土壤總供水的表觀消耗量及開花至成熟階段對深層土壤總供水的表觀消耗量，但顯著降低了小麥在開花至成熟階段對上層土壤總供水的表觀消耗量。

2.3 補灌對小麥開花后旗葉凈光合速率的影響

2017-2018年度，山農(nóng)23的T4處理開花后旗葉凈光合速率與T3處理無顯著差異，但在花后10～30 d顯著高于T2處理；山農(nóng)29的T4處理開花后旗葉凈光合速率顯著高于T2處理，但在花后10～30 d與T3處理無顯著差異(圖2)。2018-2019年度，兩品種在開花后0 d均以T4處理最高，開花10 d后均以T3處理最高，T4處理次之。上述結果說明拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層的補灌與拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌相比，在開花至成熟期降水較多的年份，二者開花后旗葉光合同化能力無顯著差異；在開花至成熟期降水較少的年份，前者開花后旗葉光合同化能力顯著降低。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同處理對產(chǎn)量及其構成因素的影響

2017-2018年度，與T3處理相比，山農(nóng)23的T4處理穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著增加，千粒重和水分利用效率均顯著降低，籽粒產(chǎn)量無顯著差異；T2處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)和水分利用效率均無顯著差異，千粒重和籽粒產(chǎn)量均顯著降低(表8)。與T3處理相比，山農(nóng)29的T4處理穗數(shù)顯著增加，千粒重和水分利用效率均顯著降低，穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量均無顯著差異；T2處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)和水分利用效率均無顯著差異，千粒重和籽粒產(chǎn)量均顯著降低。2018-2019年度，兩個品種的T4處理產(chǎn)量構成因素及水分利用效率相對于T3處理的變化規(guī)律與2017-2018年度基本一致，但兩個品種的T4處理籽粒產(chǎn)量均顯著低于T3處理，T2處理的千粒重和籽粒產(chǎn)量與T3處理相比均顯著降低，穗數(shù)、穗粒數(shù)和水分利用效率與T3處理均無顯著差異。上述結果說明拔節(jié)期補灌增加擬濕潤層深度有利于提高成穗數(shù)；拔節(jié)期以0～40 cm土層為目標濕潤層補灌的籽粒產(chǎn)量，在開花至成熟期降水較多的年份，與拔節(jié)期和開花期均以0～20 cm土層為目標濕潤層的補灌相比無顯著差異，水分利用效率顯著降低；在開花至成熟期降水較少的年份，前者的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較后者均顯著降低。

表8 不同處理對小麥產(chǎn)量構成因素，籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的影響

3 討 論

小麥生育期間的耗水與補灌次數(shù)和時期密切相關，返青至拔節(jié)期補灌可顯著提高小麥營養(yǎng)生長階段的耗水量和干物質積累量[19-20]。有研究認為，小麥籽粒產(chǎn)量與出苗至越冬期和返青至拔節(jié)期的階段耗水量呈正相關，與拔節(jié)至開花期和開花至成熟期的階段耗水量呈負相關[21]，在有限供水條件下，保證小麥返青至抽穗階段的耗水可以最大程度地減少產(chǎn)量損失，灌漿階段水分虧缺對產(chǎn)量的影響相對較小[22]。然而，也有研究認為，小麥在營養(yǎng)生長階段的耗水需求有限，在該階段過多的灌溉會導致水資源浪費；減少拔節(jié)至開花階段耗水量，增加開花至成熟階段耗水量，可獲得較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[23-24]。對本試驗結果進行相關分析，小麥拔節(jié)至開花期耗水量與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關，開花至成熟期耗水量與籽粒產(chǎn)量無顯著相關，與WUE呈顯著負相關，這與前人研究結果均有不同。進一步分析發(fā)現(xiàn)，與拔節(jié)和開花期將0～20 cm土層作為濕潤層的補灌處理相比，拔節(jié)期將0～40 cm土層作為濕潤層的補灌處理顯著提高了小麥拔節(jié)至開花期階段耗水量，增加了穗數(shù)；在開花至成熟期降水較多(121.2 mm)的年份，兩處理間開花至成熟期的階段耗水量和籽粒產(chǎn)量無顯著差異，但后者全生育期總耗水量顯著增加，水分利用效率顯著降低；在開花至成熟期降水較少(45.2 mm)的年份，后者開花至成熟期的階段耗水量和籽粒產(chǎn)量均顯著降低，兩處理間全生育期總耗水量無顯著差異，水分利用效率顯著降低。上述結果說明小麥各生育階段的耗水量及其與產(chǎn)量和水分利用效率的關系受階段降水量的影響，在開花至成熟期降水較少的條件下，即使增加拔節(jié)期補灌水量，提高小麥拔節(jié)至開花期耗水量，也會導致小麥開花至成熟期耗水量過低，顯著降低籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。

小麥水分消耗取決于土壤中有效水含量和根系分布，通常80%以上的根系分布在0～100 cm土層中[25-26]。但是上層土壤水分虧缺會促進根系向深層土壤生長，增加對深層土壤貯水的吸收利用，在一定程度上提高水分利用效率[27-28]。然而，土壤貯水生物有效性隨著土層深度的增加而降低，如果上部土層供水不足，作物過度依賴深層土壤貯水亦會導致水分利用效率降低[14,29]。本試驗通過在拔節(jié)和開花期補灌，顯著提高了小麥拔節(jié)至開花和開花至成熟階段0～60 cm土層土壤供水量，兩年度均獲得了較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在開花至成熟期降水較少的年份，開花期無灌水的處理即使增加拔節(jié)期補灌水量仍然提高了小麥在開花后對60 cm以下深層土壤總供水的表觀消耗量，由于開花后上部土層土壤水分虧缺，旗葉凈光合速率顯著降低，導致籽粒產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。說明小麥開花后保證上部土層一定的供水水平對提高小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率有重要作用。

Wang[30]指出小麥適宜的補灌時期和補灌水量可依據(jù)播種時的土壤貯水量和小麥各生育階段的有效降水量確定。在小麥生長季降水量為118.6～137.9 mm的條件下，小麥實現(xiàn)高產(chǎn)和高水分利用效率的最佳灌水量約在144～180.3 mm之間[31]。有研究數(shù)據(jù)顯示，在小麥生長季降水量少于130 mm的條件下，灌溉2至3水處理的籽粒產(chǎn)量最高，在降水量超過130 mm的條件下，一次灌溉即可獲得最高的籽粒產(chǎn)量[32]。本研究為了驗證依據(jù)自然供水實施小麥補灌的技術在不同小麥品種上的適用性，選用了穗型存在明顯差異的兩類小麥品種開展試驗，發(fā)現(xiàn)兩年度中兩品種適宜的補灌時間和補灌水量一致，在小麥全生育期降水量為111.6～220.2 mm、開花后降水量為45.2～121.2 mm的條件下，大穗型和中多穗型小麥品種均以在拔節(jié)期和開花期將0～20 cm土層補灌至100%田間持水率的補灌方案最優(yōu)，可實現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提高。

4 結 論

小麥各生育階段的耗水量及其與產(chǎn)量和水分利用效率的關系受階段降水量的影響，在開花至成熟期降水較少的條件下，即使增加拔節(jié)期補灌水量，提高小麥拔節(jié)至開花期階段耗水量，也會導致小麥開花至成熟期階段耗水量過低，顯著降低籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。小麥開花后保證上部土層土壤一定的供水水平對提高小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率有重要作用。在小麥全生育期降水量為111.6～220.2 mm、開花后降水量為45.2～121.2 mm的條件下，大穗型和中多穗型小麥品種均以在拔節(jié)期和開花期將0～20 cm土層補灌至100%田間持水率的補灌方案最優(yōu)，可實現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提高。