雷 媛，劉戰(zhàn)東，張偉強，黃 超，段愛旺，婁 和，劉祖貴

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng)453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學院 研究生院，北京100081；3.河南省科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究所，鄭州450003；4.河南威盛電器有限公司，河南 新鄉(xiāng)450001）

0 引 言

【研究意義】20 世紀60年代以來，黃淮海地區(qū)出現(xiàn)了氣溫升高、降水減少的氣候演變趨勢，水資源短缺已成為制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的主要原因[1-2]，但該地區(qū)灌溉水有效利用率低，水資源浪費嚴重[3]。如何在保障作物高產(chǎn)的前提下大幅度減少農(nóng)業(yè)用水量，實現(xiàn)作物高產(chǎn)與節(jié)水的協(xié)同，是緩解農(nóng)業(yè)用水短缺與糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)矛盾的關鍵[4]。

【研究進展】冬小麥是華北地區(qū)主要糧食作物之一，灌溉是保障冬小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要農(nóng)田管理措施之一[5-6]，對于提高冬小麥灌溉水利用效率尤其是優(yōu)化冬小麥灌溉控制指標的研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的工作[6-10]，主要包括適宜灌溉水量的確定[7-8]以及在生育期內(nèi)灌水量的合理分配[9-11]。李曉航等[12]發(fā)現(xiàn)在冬小麥的需水關鍵期（拔節(jié)期、開花期）將0～80 cm 土壤墑情保持在田間持水率的75%為較佳灌水處理；金修寬等[13]發(fā)現(xiàn)在冬小麥拔節(jié)期、開花期將0～40 cm 土層土壤質(zhì)量含水率保持在田間持水率的60%為冬小麥最優(yōu)的節(jié)水、高產(chǎn)組合。此類試驗本質(zhì)上都可通過控制不同生育期計劃濕潤層深度和土壤含水率控制上、下限指標來對土壤有效含水率（AWC）進行調(diào)控[14-16]來實現(xiàn)。AWC是指土壤一定深度內(nèi)能夠貯藏并能被植物利用的水，灌溉的主要目的就是為了補充土壤中AWC被消耗掉的部分，在實際生產(chǎn)中一般采用土壤作物根系層易被直接吸收的有效水量（RAW）來制定灌溉制度，RAW與土壤性質(zhì)、計劃濕潤層深度以及植物發(fā)生水分脅迫之前能從根系層中消耗的水量占土壤總有效水量的比例相關[17-18]，所以RAW值的大小要同時受到計劃濕潤層深度和選定的土壤含水率控制上下限的共同影響[19]。

【切入點】目前許多針對冬小麥灌溉制度的研究只是將土壤含水率控制下限作為研究對象，把計劃濕潤層深度設為某一定值來開展研究，忽略了2 個因子交互作用對RAW的影響。因此對于適宜的土壤含水率控制下限及計劃濕潤層深度組合需要進一步探究?！緮M解決的關鍵問題】通過控制土壤含水率控制下限和計劃濕潤層深度，使作物處于對應的土壤水分條件下，研究其對冬小麥灌水次數(shù)、灌水定額和產(chǎn)量、水分利用效率等的影響，探究節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的灌溉控制指標組合，為高效灌水技術推廣和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年10月—2019年6月在中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所七里營試驗基地進行。試驗區(qū)位于華北平原河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)（東經(jīng)113°54′、北緯35°18′，海拔84 m），屬于典型的暖溫帶半濕潤半干旱地區(qū)，年平均降水量582 mm，其中6—10月降水量占全年降水量的70%～80%；年平均氣溫14 ℃，年日照時間2 399 h，無霜期210 d，年潛在蒸散量2 000 mm。土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕砂壤土，試驗區(qū)土壤pH 值為8.8，地下水埋深大于5 m，在華北平原南部地區(qū)具有較好的代表性。生育期降水總量為92.5 mm。表1 為試驗點土壤物理參數(shù)，其中土壤粒徑采用BT-9300HT 型激光粒度分析儀測定，田間持水率采用田測法測定，凋萎系數(shù)采用高速離心法測定，土壤體積質(zhì)量和土壤飽和含水率通過環(huán)刀法測定。

1.2 試驗材料與處理

試驗設置計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限2 個因素，其中計劃濕潤層深度因素設置60 cm（T60）、80 cm（T80）和100 cm（T100）3 個水平，土壤含水率控制下限因素設置為土壤有效含水率（AWC）的40%（L）、50%（M）、60%（H），采用雙因子隨機區(qū)組設計，合計9 個處理，每個處理重復3 次（表2）。

表1 試驗點土壤物理參數(shù)Table1 Soil physical parameters of the test site

表2 試驗設計Table2 Experimental design

每個處理小區(qū)面積為10 m×30 m=300 m2，處理間設置隔離帶2 m。采用微噴灌方式灌溉，當計劃濕潤層深度的平均土壤含水率下降至設定的土壤含水率控制下限時，即開始實施灌溉，到計劃濕潤層灌至田間持水率時停止，灌水量用水表計量。

研究對象為冬小麥，品種為周麥22，2018年10月15日播種，翌年6月7日收獲。播種量均為225 kg/hm2，種植行距為20 cm。播種前所有處理都基施緩控尿素300 kg/hm2，復合肥750 kg/hm2，其他時期不再施肥。在冬小麥全生育期中，各處理除設計的試驗因素不同外，其他田間栽培管理措施均保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率

土壤含水率采用“智墑”土壤水分原位監(jiān)測儀器（東方智感科技股份有限公司）測定。每隔10 cm布置探頭，監(jiān)測深度至土壤表層下100 cm ，時間間隔為1 h。

1.3.2 作物耗水量計算

冬小麥耗水量運用水量平衡法計算：

式中：ETi為作物各生育階段耗水量（mm）；ΔW時段內(nèi)土壤儲水量變化（mm）；I為時段內(nèi)的灌水量（mm）；G為時段內(nèi)地下水補給量（mm）；P為時段內(nèi)有效降雨量（mm）；D為時段內(nèi)深層滲漏量（mm）；R為地表徑流量（mm）。試驗區(qū)域地下水的補給量可忽略不計，觀測作物生育期內(nèi)降雨和灌水沒有形成明顯徑流，深層滲漏量依據(jù)D=M0+Hi-Mt來推算[20]，M0、Hi、Mt分別為90～100 cm 土層在灌水或降雨前的初始體積含水量（mm）、灌水或降雨后水分增量（mm）及田間持水量（mm）。故式（1）可簡化為：

1.3.3 籽粒產(chǎn)量

小麥成熟后，每個小區(qū)隨機選取2 m2（1 m×2 m）為樣本，籽粒自然風干后稱質(zhì)量。每處理重復3 次，換算成單位面積產(chǎn)量。

1.3.4 生長發(fā)育調(diào)查

從播種后第170 天開始，每隔10 d 觀測株高、葉面積、生物量等生長發(fā)育指標。隨機取可代表整體趨勢的10 株樣本，利用精度為1 mm 刻度的直尺測量各處理株高（地上部分底部到頂端），冬小麥的葉面積指數(shù)采用冠層分析儀測量。

生物量每隔10 d 采樣1 次，取冬小麥地上部分殺青、烘干后稱質(zhì)量。小麥成熟后，每個小區(qū)隨機選取2 m2（1 m×2 m）為測產(chǎn)樣本，籽粒自然風干后稱質(zhì)量計產(chǎn)。每處理重復3 次，換算成單位面積產(chǎn)量

1.3.5 水分利用效率（Water Use Efficient，WUE）

水分利用效率利用計算式：

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm））；籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為耗水量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)處理；利用OringinPro 2017 軟件進行圖表的繪制；采用SPSS 25 計算各處理的統(tǒng)計特征值；利用Duncan’s 新復極差法（SSR）進行差異性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理灌水情況

不同處理的灌水定額、灌水次數(shù)、灌水時間及灌水總量如圖1 所示。同一土壤含水率控制下限，灌水定額與計劃濕潤層深度呈正比，T100 處理灌水定額比T80 處理增大了25.0%，T100 處理比T60 處理增大了66.7%；同一計劃濕潤層深度，灌水定額與土壤含水率控制下限呈反比，H 處理比M 處理的灌水定額減少了21.1%，H 處理比L 處理減少了37.5%。灌水定額越小，灌水次數(shù)越多，T60H 和T80H 處理的灌水次數(shù)最多為4 次。總灌水量受灌水定額和灌水次數(shù)共同影響，9 個處理間T80H 和T100L 處理總灌水量最大，為240 mm；T60L 處理總灌水量最小，為144 mm。

圖1 不同處理灌水定額、灌水次數(shù)及灌水總量Fig.1 Irrigation water quota,irrigation times and total amount of irrigation water of each treatments

2.2 不同水分處理土壤水分動態(tài)變化

各處理土壤含水率動態(tài)變化情況如圖2 所示。生育后期有3 次大于15 mm 的降水。各處理由于灌水定額及灌水時間的差異，自播種130 d 之后土壤貯水量發(fā)生明顯差異（P＜0.05）。播種137 d 后，T60H 處理率先到達其對應的土壤含水率控制下限，對其補灌到對應的灌水定額（45 mm）使土層60 cm 的平均土壤含水率到達田間持水率。T60L 處理和T100M 處理首次到達對應的土壤含水率控制下限時已是播種后第171 天。各處理的灌水時間在播種后第200 天至220 天的次數(shù)占總灌水次數(shù)的比例高達52.0%。與圖1 灌水情況相對應，同一土壤含水率控制下限（40%～60%），計劃濕潤層深度越深（60～100 cm），處理越遲抵達其對應的土壤含水率控制下限，且對應的灌水次數(shù)越少、灌水定額越大；同一計劃濕潤層深度（60～100 cm），其土壤含水率控制下限設置越高（40%～60%），灌水次數(shù)越多，灌水定額越小。此外，在冬小麥收獲期，不同計劃濕潤層深度H 處理的土壤貯水量均最大，H處理較M處理土壤貯水量平均增大7.7%，較L 處理大15.0%。

圖2 不同處理間土壤含水率均值動態(tài)變化Fig.2 The mean value of soil water changed dynamically between different treatments

2.3 不同處理株高、葉面積指數(shù)

由圖3 可知，各處理葉面積指數(shù)（LAI）變化趨勢一致，呈先增大后減少的趨勢，播種180 d 后進入快速生長期，播種220 d 后，植株生長基本停止，葉片萎蔫，LAI值明顯降低。不同灌水處理對冬小麥LAI和株高產(chǎn)生一定影響，在播種后220 d 左右LAI達到最大，具體表現(xiàn)為T60 處理=T80 處理＞T100 處理，H處理=M 處理＞L 處理，其中T60 處理和T80 處理LAI值較T100 處理增大了8.3%～13.4%，H 處理和M 處理LAI值較L 處理增大了7.2%～8.3%。最終9 個處理中T80M 的LAI相對最大，最大值達到了5.34。各處理間株高變化趨勢一致，在播種210 d 之后增長趨勢變緩。

圖3 不同處理株高及葉面積指數(shù)變化Fig.3 The changes of plant height and leaf area index between different treatments

2.4 不同處理干物質(zhì)累積情況

由表3 可知，不同處理間計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限交互作用會對冬小麥花前及花后的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運和積累產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），但計劃濕潤層深度間和土壤含水率控制下限間差異不顯著（P＞0.05）。9 個處理花前干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為T80H處理和T80M 處理最大，T60L 處理最小，最大值與最小值之前差異達到29.5%，花后干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為T80M 處理最大，達到了85 272.67 kg/hm2，其次為T80H處理，T60L處理最小，值為52 020.33 kg/hm2，最大和最小值之間的差異達到39.0%。因此，隨計劃濕潤層深度（60～100 cm）和土壤含水率控制下限（40%～60%）的增大，冬小麥花前及花后的干物質(zhì)累積量呈先增大后減小的趨勢。

2.5 不同處理產(chǎn)量構成、耗水量及水分利用效率

表4 為不同處理下的冬小麥產(chǎn)量構成、耗水量及水分利用效率。由表4 可知，計劃濕潤層深度和土壤含水率控制下限及其交互作用對于冬小麥穗數(shù)的影響不顯著（P＞0.05），而對于穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率均有顯著影響（P＜0.05）。

不同處理間穗粒數(shù)表現(xiàn)為H 處理＞M 處理＞L 處理，T80 處理＞T100 處理＞T60 處理，L 處理和M 處理的穗粒數(shù)較H 處理分別少5.9%、1.3%，T80 處理和T100 處理的穗粒數(shù)較T60 處理分別多1.8%、0.6%。T80H 處理和T100H 處理的穗粒數(shù)最多，T100L 處理和T60L 處理的穗粒數(shù)最少，其差異在6.9%～7.8%之間。可見，土壤含水率控制下限為60%時，穗粒數(shù)相對較多，而計劃濕潤層深度比土壤含水率控制下限對穗粒數(shù)的影響小。

表3 不同處理下冬小麥干物質(zhì)累積情況Table 3 Dry matter accumulation of winter wheat under different treatments kg/hm2

不同處理間千粒質(zhì)量表現(xiàn)為L 處理＞M 處理=H處理，T60 處理＞T80 處理＞T100 處理，L 處理和M處理較H 處理其千粒質(zhì)量分別增大了1.5%、0.1%，T80 處理和T100 處理較T60 處理千粒質(zhì)量分別減小了2.3%、2.6%。T60L 處理和T60M 處理的千粒質(zhì)量最大。故土壤含水率控制下限越高，千粒質(zhì)量呈增大的趨勢，60 cm 的低計劃濕潤層深度較80 cm 和100 cm 更有利于千粒質(zhì)量的增加。

不同水分處理間產(chǎn)量表現(xiàn)為H 處理＞L 處理＞M處理，T80 處理＞T60 處理=T100 處理，L 處理和M處理產(chǎn)量較H 處理分別減少了12.7%、4.6%，T60 處理和T80 處理產(chǎn)量較T100 處理分別增大了1.3%、6.0%。T80H 處理產(chǎn)量最大，T100L 處理產(chǎn)量最小，最大值和最小值之間相差16.1%。土壤含水率控制下限越高，產(chǎn)量呈增加趨勢；當計劃濕潤層深度為80 cm時產(chǎn)量相對最高。而不同水分處理間耗水量表現(xiàn)為H處理＞M 處理＞L 處理，T80 處理＞T100 處理＞T60 處理。其中T100H 處理耗水量最大，比耗水量最小的T60L 處理耗水量增加13.9%。

表4 不同水分處理下冬小麥產(chǎn)量構成、耗水量及水分利用效率Table 4 Yield composition,water consumption and water use efficiency of winter wheat under different treatments

最終，水分利用效率表現(xiàn)為H 處理=M 處理＞L處理，T60 處理＞T80 處理＞T100 處理，T60H 處理的水分利用效率達到最大，為19.96 kg/（hm2·mm）。由此可見，計劃濕潤層深度越低（60～100 cm），土壤含水率控制下限越高（40%～60%），冬小麥水分利用效率呈增高的趨勢。

3 討論

在本研究中，較小的計劃濕潤層深度和較高的土壤含水率控制下限縮短了灌水間隔，減少了灌水定額，當計劃濕潤層深度較小時，土壤水主要分布在表層，易于被蒸騰作用所消耗，因此表層及淺層土壤水能及時獲得補充[21-22]，而灌水頻率越高，土壤含水率變異性也越高[23-24]，在這2 個因子的共同作用下，土層水分交換頻繁。相關研究表明，增加灌水頻率將增加土壤表層水分濕潤時間，增大土壤蒸發(fā)損失。但當葉面積指數(shù)大于一定數(shù)值時，土壤蒸發(fā)占蒸散比例顯著降低。因此，對于冬小麥限水灌溉下增加灌水頻率的時間應在作物生長的中后期[19]。在本研究中，整個生育期測墑補灌后不同處理之間的灌水差異也多集中在播種150 d 之后。

試驗中各處理的灌水量同時受到土壤含水率控制下限與計劃濕潤層深度的影響。例如，T80H 和T100L 處理總灌水量最大均為240 mm，但在試驗中二處理的灌水情況又有所差異，T80H 處理的初次灌水時間為播種后第156 d，而T100L 處理的初次灌水時間為播種后190 d，T100L 處理的計劃濕潤層深度最大，土壤含水率控制下限最低，首次達到對應的灌溉控制下限所需的時間也較長，可以通過該2 個灌溉控制指標來控制初次灌水時間。且冬小麥在返青后初次灌水時間的早晚會對植株后期的生長發(fā)育造成較大影響[22-23]，李曉爽等[10]發(fā)現(xiàn)在冬小麥拔節(jié)后10～15 d 灌水，既能夠充分利用土壤蓄水，也有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率，劉志良等[22]發(fā)現(xiàn)在春灌一水條件下，適當推遲灌拔節(jié)水有利于小麥產(chǎn)量的提高，其中4月5日灌水效果最好。在本研究中對應T80H 處理的初次補灌時間，而最終T80H 處理的產(chǎn)量比T100L 處理大16.1%，這與前人研究結果[10,22-24]一致。

巨龍等[24]研究表明，隨著灌水量的增加，邊際土壤含水率先增大后減小，水分利用效率呈遞減趨勢。在本試驗中，過度地提高計劃濕潤層深度或者將土壤含水率控制下限設置過低均不利于冬小麥葉片的生長發(fā)育，這可能是因為計劃濕潤層深度較深或土壤含水率控制下限過低會導致冬小麥根系附近的土壤較長時間處于含水量較低的狀態(tài)，水分過多集中到了深層土壤[25-26]。本研究中花前花后的干物質(zhì)累積量與灌溉定額整體上呈正相關關系，傅曉藝等[27]發(fā)現(xiàn)灌溉次數(shù)越多，灌水總量越大，冬小麥生物產(chǎn)量越高，這與本研究結果一致。

本試驗表明，計劃濕潤層深度越淺（60～100 cm）、土壤含水率控制下限越高（40%～60%）的處理使得水分利用效率相對最大，這可能是由于在這種灌溉策略下，灌水時間與冬小麥需水規(guī)律相契合，且水分主要集中在冬小麥主要根系分布區(qū)，深層滲漏量較少，更易于被冬小麥吸收利用[28-29]。另外，當主要根系分布層土壤水分達到閾值時，能及時獲得補充，避免了因水分虧缺而導致的減產(chǎn)[30-31]。因此，在本試驗條件下，計劃濕潤層深度越淺、土壤含水率控制下限越高，其水分利用效率越高。

4 結論

1）計劃濕潤層深度（60～100 cm）過高或土壤含水率控制下限（40%～60%）過低，均會抑制LAI的增長。隨計劃濕潤層深度（60～100 cm）和土壤含水率控制下限（40%～60%）的增大，冬小麥花前及花后的干物質(zhì)累積量呈先增大后減小的趨勢。

2）土壤含水率控制下限（40%～60%）越高，產(chǎn)量及耗水量均呈現(xiàn)增加趨勢；當計劃濕潤層深度為80 cm時產(chǎn)量最高，耗水量也最高；而計劃濕潤層深度（60～100 cm）越低，土壤含水率控制下限（40%～60%）越高，冬小麥水分利用效率呈現(xiàn)增高的趨勢。

3）在本試驗條件下，計劃濕潤層深度為60 cm、土壤含水率控制下限為土壤有效含水率的60%時，節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)效果相對最優(yōu)。