高曉麗，馬娟娟，賈雨蕊，劉恩科，宋璐璐

晉北谷子耗水規(guī)律和水分高效利用研究

高曉麗1,2，馬娟娟2，賈雨蕊2，劉恩科1，宋璐璐2

（1.有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

【】闡明晉北地區(qū)谷子的耗水規(guī)律和水分高效利用模式，為實(shí)現(xiàn)晉北地區(qū)農(nóng)業(yè)的節(jié)水高產(chǎn)提供指導(dǎo)。以晉谷-53號(hào)谷子為研究對(duì)象，在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期分別設(shè)置輕度、中度和重度的水分脅迫處理，拔節(jié)期的灌溉下限分別為田間持水率的64.2%（A1）、50.9%（A2）和40.0%（A3），抽穗期的灌溉下限分別為田間持水率的73.6%（B1）、62.3%（B2）和50.9%（B3），灌漿期的灌溉下限分別為田間持水率的68.0%（C1）、57.0%（C2）和45.0%（C3），3個(gè)階段的灌溉上限均為田間持水率的90.0%，研究了不同水分虧缺模式谷子的耗水規(guī)律和水分生產(chǎn)效率。谷子的全生育期耗水量在177.96～454.87 mm之間，各生育階段耗水量和耗水模數(shù)呈現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律，依次為拔節(jié)期/抽穗期>苗期>灌漿期>成熟期，耗水強(qiáng)度表現(xiàn)為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期>苗期；水分生產(chǎn)效率較高的灌水處理谷子作物系數(shù)在0.65～0.78之間；水分生產(chǎn)效率最高的W4（組合A2B1C2）處理在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的作物耗水系數(shù)分別為0.27、0.68、2.10、0.51和0.42；谷子各生育階段的水分敏感指數(shù)依次為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期；谷子最優(yōu)灌溉模式是在拔節(jié)期和抽穗期分別進(jìn)行中度和輕度組合的水分脅迫，可將谷子的水分生產(chǎn)效率提高至1.56～1.57 kg/m3。晉北地區(qū)應(yīng)在拔節(jié)期進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充灌溉，使谷子農(nóng)田土壤含水率不低于50.9%的田間持水率。

谷子；水分虧缺；耗水量；作物系數(shù)；水分生產(chǎn)效率；水分敏感指數(shù)

0 引言

【研究意義】山西省是我國(guó)嚴(yán)重缺水省份之一，水資源總量?jī)H21.9億m3，水資源緊缺嚴(yán)重制約著山西省農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)，近年來(lái)山西省玉米種植面積及產(chǎn)量逐漸增加，單一的種植結(jié)構(gòu)與氣候空間差異相矛盾。為了充分利用氣候資源，在農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革趨勢(shì)下，2015年農(nóng)業(yè)部公布的《關(guān)于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見(jiàn)》、2016年中央一號(hào)文件、山西十三五規(guī)劃和《山西省加快有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展2018年行動(dòng)計(jì)劃》中均明確提出要優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大雜糧種植面積和大力發(fā)展雜糧這一特色農(nóng)業(yè)?！狙芯窟M(jìn)展】谷子耐旱性較強(qiáng)，山西省獨(dú)特的地形、氣候和土壤為谷子的生長(zhǎng)發(fā)育提供了優(yōu)越的種植環(huán)境條件，且富含豐富的蛋白質(zhì)、維生素、硒、鐵等，具有藥用和保健作用，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高；同時(shí)，雜糧之首的“谷子”種植也為山西省旱作農(nóng)業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)，省內(nèi)谷子種植面積接近21.6萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量高達(dá)55.0萬(wàn)t，位居全國(guó)第一，谷子屬C4植物，固定CO2能力強(qiáng)，凈光合速率較高，屬高產(chǎn)作物類型[1]。然而，谷子種植地區(qū)的降水量均較少，又多以雨養(yǎng)種植為主，產(chǎn)量約為20.0 kg/hm2左右，在枯水年減產(chǎn)較為嚴(yán)重，谷子產(chǎn)量受土壤水分虧缺影響較大[2-3]。近年來(lái)，諸多學(xué)者針對(duì)水分虧缺對(duì)谷子產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究。高亮等[4]試驗(yàn)得出拔節(jié)期或抽穗期補(bǔ)灌可使谷子增產(chǎn)10.1%～18.6%，趙歡等[5]研究表明灌溉可使谷子水分生產(chǎn)效率提高幅度達(dá)19.2%，郭賢仕[6]研究認(rèn)為谷子在苗期和拔節(jié)期經(jīng)過(guò)干旱脅迫后復(fù)水可提高水分生產(chǎn)效率，王永麗等[7]研究認(rèn)為灌漿期干旱使谷子產(chǎn)量顯著下降，丁瑞霞等[8]研究認(rèn)為增加谷子的需水要求可使谷子產(chǎn)量增幅高達(dá)178.9%。

【切入點(diǎn)】關(guān)于各生育期不同程度水分虧缺對(duì)谷子耗水量和水分生產(chǎn)效率的系統(tǒng)研究較少。因此，明確谷子的耗水規(guī)律和耗水特性對(duì)實(shí)現(xiàn)晉北農(nóng)業(yè)節(jié)水高產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)性意義?！緮M解決的問(wèn)題】試驗(yàn)在“雜糧之都”的忻州地區(qū)開(kāi)展，研究不同程度水分虧缺對(duì)谷子耗水規(guī)律及水分生產(chǎn)效率的影響，提出谷子節(jié)水高產(chǎn)的灌水模式，對(duì)于探索谷子耗水特性、發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)、提高谷子產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年5月6日在山西省忻州市代縣高街村開(kāi)展，試驗(yàn)地地處東經(jīng)112°44′―113°21′，北緯38°50′―39°21′，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，境內(nèi)四季分明，多年平均降水量為424.3 mm，年內(nèi)降水主要集中在7―9月，年蒸發(fā)量1 759.8 mm，年平均氣溫為8.5 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，最低氣溫-24.5 ℃，無(wú)霜期160 d左右。試驗(yàn)區(qū)土壤為褐土，其中，有機(jī)質(zhì)量為13.9 g/kg，pH值為6.5，全氮量為6.6 g/kg，堿解氮量為98.8 mg/kg，有效磷量為15.8 mg/kg，速效鉀量為146.9 mg/kg，土壤體積質(zhì)量為1.3 g/cm3，土壤田間持水率為26.5%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

谷子整個(gè)生育期劃分為苗期（0506―0614）、拔節(jié)期（0615―0718）、抽穗期（0719―0804）、灌漿期（0805―0821）和成熟期（0822―0908）5個(gè)階段，其中，苗期需要充足的水分來(lái)保障谷子的出苗及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，成熟期對(duì)水分的需求不敏感[9]。本試驗(yàn)谷子灌溉上下限是參考西北地區(qū)[9-10]的谷子灌溉試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)雨養(yǎng)種植模式進(jìn)行確定的。與其他地區(qū)谷子試驗(yàn)相一致，本試驗(yàn)中谷子在苗期—灌漿期的灌水控制上限均設(shè)為90.0%，苗期控水下限選擇較優(yōu)的灌溉模式相應(yīng)的65.0%的田間持水率[10]；成熟期對(duì)水分的需求較少，參照前期傳統(tǒng)雨養(yǎng)處理谷子在苗期的土壤含水率（表1），本試驗(yàn)谷子在成熟期的灌溉上下限分別設(shè)為68.0%和45.0%的田間持水率；并根據(jù)前期雨養(yǎng)處理谷子在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期的土壤含水率變化閾值，對(duì)本試驗(yàn)谷子在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期的控水下限分別設(shè)置大于、相當(dāng)和小于傳統(tǒng)雨養(yǎng)谷子土壤含水率的3種水平，其中，拔節(jié)期的灌溉下限為64.2%（A1）、50.9%（A2）和40.0%（A3）的田間持水率，抽穗期的灌溉下限為73.6%（B1）、62.3%（B2）和50.9%（B3）的田間持水率，灌漿期的灌溉下限為68.0%（C1）、57.0%（C2）和45.0%（C3）的田間持水率，分別代表輕度、中度和重度虧缺水平，為了分析其他缺水處理對(duì)谷子水分生產(chǎn)效率的影響，本試驗(yàn)將連續(xù)輕度水分脅迫處理W1作為對(duì)照處理。試驗(yàn)對(duì)拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別設(shè)計(jì)了3種水分脅迫方式并進(jìn)行了組合，共有9個(gè)水平組合，分別為A1B1C1（W1）、A1B2C2（W2）、A1B3C3（W3）、A2B1C2（W4）、A2B2C3（W5）、A2B3C1（W6）、A3B1C3（W7）、A3B2C1（W8）和A3B3C2（W9）（如表2所示），即共有9個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，共27個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。當(dāng)土壤含水率降至土壤水分下限時(shí)進(jìn)行點(diǎn)澆式灌溉，即采用手動(dòng)方式移動(dòng)灌水管，對(duì)小區(qū)耕作層進(jìn)行較為均勻的“點(diǎn)澆式灌溉”，以達(dá)到僅對(duì)耕作層灌溉的目的，并采用安裝在小區(qū)內(nèi)的水表記錄每次的灌水量。對(duì)各小區(qū)經(jīng)“點(diǎn)澆式灌溉”后，在本小區(qū)內(nèi)選取均勻的3個(gè)點(diǎn)，采用土壤水分測(cè)定儀對(duì)所選定的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以控制其處于灌水上下限的范圍之內(nèi)，在非灌水期，每隔5～7 d采用土壤水分測(cè)定儀隨機(jī)選取均勻的3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行土壤水分的測(cè)定，以確定測(cè)點(diǎn)土壤水分含水率在灌水上下限范圍之內(nèi)。各小區(qū)面積為2 m×3 m，降雨時(shí)用簡(jiǎn)易防雨棚防雨。試驗(yàn)供試品種為晉谷-53號(hào)，平均行距為30 cm，株距為10 cm，于播種前一次性施入基肥（N、P2O5、K2O質(zhì)量比為18∶18∶18，總養(yǎng)分≥54%，600 kg/hm2）。計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為60 cm。

表1 傳統(tǒng)雨養(yǎng)處理谷子在拔節(jié)期―灌漿期的實(shí)測(cè)土壤含水率（2018年）

表2 谷子灌溉上下限正交試驗(yàn)L9（34）設(shè)計(jì)方案

注 上述灌溉上下限均為田間持水率的百分?jǐn)?shù)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1）土壤含水率：自谷子播種開(kāi)始每7～10 d進(jìn)行1次取土，取土深為0～20、20～40 cm和40～60 cm，采用烘干法測(cè)定土壤的質(zhì)量含水率，以3個(gè)取樣點(diǎn)處的平均值作為該小區(qū)的含水率值。

2）常規(guī)氣象觀測(cè)：采用距離試驗(yàn)地1.2 km的峪里氣象站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行每日記錄，包括降雨量、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓和日照時(shí)間。

3）產(chǎn)量：在谷子成熟期對(duì)每個(gè)小區(qū)的谷子進(jìn)行收取，并經(jīng)過(guò)風(fēng)干、晾曬和脫粒后測(cè)定產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算方法與分析

1.4.1 作物耗水量

谷子各生育期的耗水量（t）采用田間水量平衡方程式（1）計(jì)算。

t0tetttt， （1）

式中：0t分別為試驗(yàn)小區(qū)時(shí)段內(nèi)的始末土壤含水量；et為有效降水量；t為灌溉量；t為地下水補(bǔ)給量；t為小區(qū)排水量，單位均為mm。由于試驗(yàn)地地下水位較低，降水量較小，灌溉采用點(diǎn)澆式，并設(shè)有簡(jiǎn)易防雨棚，因此，et、t和t均忽略不計(jì)。

1.4.2 作物耗水系數(shù)

作物耗水系數(shù)（c）為作物耗水量（c）與0的比值（式2）。

cc0。（2）

1.4.3 作物水分生產(chǎn)效率

作物水分生產(chǎn)效率（）[11]為單位作物耗水量的谷子產(chǎn)量，計(jì)算式為：

yc，（3）

式中：為谷子產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4.4 水分生產(chǎn)函數(shù)

作物-水模型可以較好地表征水分脅迫對(duì)作物產(chǎn)量的影響，是制定合理的灌溉制度和提高農(nóng)業(yè)用水效率的重要指導(dǎo)依據(jù)。本試驗(yàn)采用Blank加法模型和Jensen乘法模型進(jìn)行水分生產(chǎn)函數(shù)研究，模型中作物敏感指數(shù)越大，水分虧缺對(duì)減產(chǎn)影響越嚴(yán)重[12]。其計(jì)算式為：

加法模型：

乘法模型：

式中：a為作物在不同的水分條件下的實(shí)際產(chǎn)量（kg/hm2）；m為作物充分灌溉條件下的產(chǎn)量（kg/hm2）；為作物在不同水分條件下實(shí)際消耗的蒸發(fā)蒸騰量（mm）；mi為作物充分灌溉條件下實(shí)際消耗的蒸發(fā)蒸騰量（mm）；為生育階段編號(hào)，分別取2、3、4；K為作物缺水敏感系數(shù)；為缺水敏感指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行初步處理，用SPSS 22.0做顯著性分析和方差分析，用Origin9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理谷子的耗水規(guī)律

2.1.1 耗水量

不同灌水處理的谷子耗水量如表3所示，生育階段耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，各生育期耗水量為拔節(jié)期/抽穗期>苗期>灌漿期>成熟期。全生育期谷子的耗水量為177.96～454.87 mm，其中，苗期的耗水量較小，為55.45～58.31 mm，該階段作物較小，耗水量主要為土壤蒸發(fā)；隨著生育期的推進(jìn)，谷子的耗水量在拔節(jié)期達(dá)到峰值50.59～178.89 mm，該生育階段較長(zhǎng)且作物蒸騰蒸發(fā)能力較強(qiáng)，導(dǎo)致該階段谷子耗水量較大；谷子在抽穗期耗水量為43.80～146.05 mm，但該階段持續(xù)時(shí)間較短；灌漿期是作物籽粒的形成過(guò)程，谷子在該階段的耗水量為14.80～52.25 mm；谷子成熟期的耗水量為10.67～26.67 mm。

表3 不同處理的谷子各生育期的耗水量

注 同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（<0.05），下同。

2.1.2 耗水強(qiáng)度

耗水強(qiáng)度反應(yīng)了作物蒸發(fā)蒸騰和生長(zhǎng)代謝的能力。谷子全生育期內(nèi)的平均耗水強(qiáng)度為2.57 mm/d，各生育階段耗水強(qiáng)度依次為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期>苗期。由表4可知，苗期的谷子植株較小，蒸騰能力較弱，同時(shí)，該時(shí)期的氣溫也較低，土壤蒸發(fā)量也較小，使苗期谷子的耗水強(qiáng)度最小，為1.39～1.46 mm/d，平均為1.42 mm/d，主要用于維持植株成活；隨著生育期的推進(jìn)，植株蒸騰能力與土壤蒸發(fā)量增強(qiáng)，谷子的耗水強(qiáng)度在拔節(jié)期增加至1.49～5.26 mm/d；谷子在抽穗期處于生長(zhǎng)旺盛期，該階段耗水強(qiáng)度達(dá)到峰值，為2.58～8.59 mm/d；在灌漿期，作物較為茂盛，此時(shí)的土壤蒸發(fā)較小，作物耗水量大部分用于植株蒸騰，該階段谷子的耗水能力逐漸衰減，耗水強(qiáng)度逐漸下降在0.87～3.07 mm/d之間變動(dòng)。

與標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)民專業(yè)合作社相比較，農(nóng)機(jī)合作社更強(qiáng)調(diào)入社的股份(包括農(nóng)機(jī)折價(jià)形成的股份)，這是由于農(nóng)機(jī)的價(jià)值較大，同時(shí)合作社股份構(gòu)成較為復(fù)雜(農(nóng)機(jī)、土地、資金等)，但在管理方式上依然強(qiáng)調(diào)民主，強(qiáng)調(diào)民辦、民管、民受益。農(nóng)機(jī)合作社是中國(guó)農(nóng)民對(duì)于世界合作社運(yùn)動(dòng)的重要貢獻(xiàn)。

表4 不同處理的谷子各生育期的耗水強(qiáng)度

2.1.3 耗水模數(shù)

耗水模數(shù)為各生育階段耗水量占全生育期耗水量的比例，代表各生育階段對(duì)耗水量的需求能力。不同灌溉處理谷子各生育階段耗水模數(shù)依次為拔節(jié)期/抽穗期>苗期>灌漿期>成熟期。由表5可知，苗期植株較小，但由于包括播種和出苗期在內(nèi)，該階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)（40 d），其耗水模數(shù)僅次于拔節(jié)期和抽穗期，為12.63%～31.77%；在拔節(jié)期，谷子的耗水強(qiáng)度增強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，導(dǎo)致該階段耗水模數(shù)最大，為18.78%～55.71%；抽穗期耗水強(qiáng)度大，但其持續(xù)時(shí)間較短暫，耗水模數(shù)僅為15.42%～45.78%；灌漿期耗水模數(shù)為5.73%～14.18%；成熟期耗水模數(shù)最小，在4.79%～7.54%的范圍內(nèi)變動(dòng)。

2.1.4 不同灌水處理谷子的作物耗水系數(shù)變化規(guī)律

本研究?jī)H針對(duì)水分生產(chǎn)效率較高的W1、W2、W4處理進(jìn)行分析，谷子作物耗水系數(shù)隨著生育期的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。由表6可知，在各處理中，苗期谷子耗水系數(shù)為0.26～0.27，拔節(jié)期增加為0.68～1.11，抽穗期達(dá)到了峰值1.23～2.10，之后逐漸下降，在灌漿期和成熟期分別下降至0.46～0.64和0.41～0.46。

表5 不同處理的谷子各生育期的耗水模數(shù)

表6 不同處理谷子各生育期的作物耗水系數(shù)

2.2 水分脅迫對(duì)谷子耗水規(guī)律的影響

拔節(jié)期和抽穗期缺水對(duì)谷子耗水量具有重要的影響。在拔節(jié)期（W4、W5、W6）、抽穗期（W2、W5、W8）和灌漿期（W2、W4、W9）分別進(jìn)行中度水分脅迫所相應(yīng)的階段耗水量分別較對(duì)照處理減少66.64～68.50、52.83～55.70 mm和10.45～14.45 mm；耗水強(qiáng)度較對(duì)照處理分別減少1.96～2.01、3.11～3.28 mm/d和0.61～0.85 mm/d，減小幅度分別為37.61%～38.66%、37.39%～39.42%和20.00%～27.66%。表明拔節(jié)期和抽穗期水分脅迫對(duì)谷子耗水量、耗水強(qiáng)度的影響大于灌漿期。

連續(xù)中重度水分脅迫對(duì)谷子耗水量的影響較為嚴(yán)重。拔節(jié)期和抽穗期連續(xù)重度水分脅迫（W9）谷子耗水量和耗水強(qiáng)度僅為177.96 mm和1.47 mm/d，較對(duì)照減少276.90 mm和2.29 mm/d，減小幅度均為60.87%；其次為拔節(jié)期重度與抽穗期中度水分脅迫（W8），谷子作物耗水量和耗水強(qiáng)度分別為226.11 mm和1.87 mm/d，較對(duì)照減少了228.76 mm和1.89 mm/d，減小幅度均為50.29%；拔節(jié)期中度與抽穗期重度水分脅迫（W6）谷子作物耗水量和耗水強(qiáng)度分別為269.81 mm和2.23 mm/d，較對(duì)照減少了185.06 mm和1.53 mm/d，減小幅度均為40.68%；拔節(jié)期與抽穗期連續(xù)中度水分脅迫（W5）谷子的作物耗水量和耗水強(qiáng)度分別為302.47 mm和2.50 mm/d，較對(duì)照減少了152.40 mm和1.26 mm/d，減小幅度均為33.50%。拔節(jié)期和灌漿期中度水分脅迫（W2）、抽穗期和灌漿期中度水分脅迫（W4）對(duì)谷子耗水量影響較小。

在拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行重度缺水會(huì)對(duì)谷子耗水量產(chǎn)生一定的滯后性。與拔節(jié)期輕度水分脅迫處理（W1）相比較，拔節(jié)期重度缺水（W7）的谷子在抽穗期、灌漿期和成熟期的耗水量分別減少了15.00、31.12 mm和8.07 mm；耗水強(qiáng)度分別減少了0.88、1.83 mm/d和0.62 mm/d，減小幅度分別為10.62%、59.57%和30.27%。與抽穗期輕度水分脅迫處理（W1）相比較，抽穗期重度缺水（W3）的谷子在灌漿期和成熟期的耗水量分別減少了34.12 mm和9.76 mm，耗水強(qiáng)度分別減少了2.01 mm/d和0.75 mm/d，減小幅度分別為65.31%和36.60%。綜上，抽穗期對(duì)谷子耗水規(guī)律的影響略大于拔節(jié)期。

2.3 不同灌水處理對(duì)水分生產(chǎn)效率的影響

表7 不同水分脅迫處理谷子的水分生產(chǎn)效率

適度的水分脅迫可以減少無(wú)效水分的消耗，提高水分生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)作物的節(jié)水高產(chǎn)[13]，拔節(jié)期或抽穗期中度水分脅迫可有效提高谷子的水分生產(chǎn)效率，但不應(yīng)進(jìn)行連續(xù)中重度水分脅迫和抽穗期重度水分脅迫。僅在拔節(jié)期（W4）或抽穗期中度水分脅迫（W2）的谷子水分生產(chǎn)效率分別為1.57 kg/m3和1.56 kg/m3，較全生育期輕度水分脅迫處理（W1）提高了0.16～0.17 kg/m3，提高幅度為11.79%～13.08%，且耗水量節(jié)約了73.43～75.05 mm，節(jié)約幅度為16.14%～16.50%；與本研究谷子最高生產(chǎn)率1.57 kg/m3（W4）相比較，拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期三階段連續(xù)重度中度水分脅迫（W9）導(dǎo)致谷子水分生產(chǎn)效率下降幅度高達(dá)60.53%，拔節(jié)期重度水分脅迫和抽穗期中度水分脅迫處理（W8）的谷子水分生產(chǎn)效率下降了36.14%，拔節(jié)期中度水分脅迫和抽穗期重度水分脅迫處理（W6）的谷子水分生產(chǎn)效率下降了34.71%，抽穗期和灌漿期重度水分脅迫處理（W3）的谷子水分生產(chǎn)效率下降了30.66%，拔節(jié)期和灌漿期重度水分脅迫處理（W7）的谷子水分生產(chǎn)效率下降了26.42%。由于晉北地區(qū)降雨量較少，在谷子拔節(jié)期和抽穗期應(yīng)進(jìn)行適量的灌溉，以實(shí)現(xiàn)谷子的高產(chǎn)。

雖然抽穗期對(duì)谷子需水規(guī)律影響略大于拔節(jié)期，但拔節(jié)期水分虧缺較抽穗期水分虧缺對(duì)谷子水分生產(chǎn)效率的影響大。

2.4 谷子的作物-水模型

谷子各生育階段的水分敏感指數(shù)依次為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期，其中Jensen模型能夠更好地反映谷子的“作物-水分”函數(shù)關(guān)系。如表8所示，Blank模型和Jensen模型的2分別為0.850和0.890，其中，在Blank加法模型中，谷子的水分敏感指數(shù)在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期分別為0.444、0.468和0.093，在Jensen乘法模型中，谷子的水分敏感指數(shù)在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期分別為0.585、0.651和0.036。拔節(jié)期與抽穗期是谷子耗水最多的階段，約占整個(gè)生育期需水總量的50%以上，是谷子形成產(chǎn)量的重要耗水時(shí)期，在抽穗期受到中重度水分脅迫，會(huì)導(dǎo)致花粉發(fā)育嚴(yán)重不良或谷子抽穗少，最終產(chǎn)生空殼和秕籽多的情況。在谷子灌漿期時(shí)，如果受到了重度水分脅迫，谷子灌漿過(guò)程受阻，秕谷增多，造成大量減產(chǎn)。

表8 谷子各生育階段的敏感指數(shù)

3 討論

不同地區(qū)、耕作方式、品種、改良劑施用、降雨年型和灌溉方式下的耗水量和產(chǎn)量存在一定差異。受氣象和土壤因素的影響，不同地區(qū)的谷子耗水量不同，科爾沁沙地南緣、甘肅、陜北和新疆石河子墾區(qū)等各地區(qū)雨養(yǎng)谷子全生育期的耗水量分別為432.30、239.00～398.00、333.20 mm和452.20 mm[14-17]，吉林省梨樹縣豐水年和平水年雨養(yǎng)谷子全生育期內(nèi)的耗水量分別為593.00 mm和529.00 mm[18]，張家口宣化露地雨養(yǎng)谷子在豐水年和枯水年的耗水量分別為370.20 mm和317.20 mm[19]，內(nèi)蒙古阿拉善綠洲的膜下滴灌谷子耗水量為336.91 mm[9]；干旱脅迫使谷子耗水量下降，露地灌溉條件下科爾沁谷子全生育期的耗水量為489.00 mm[14]，白崗栓等[16]在陜北的試驗(yàn)得出施用PAM后的谷子耗水量為337.60 mm，Bello等[20]在南非的谷子水分脅迫試驗(yàn)表明，各灌溉處理下谷子耗水量在363.53～549.25 mm之間。壟膜覆蓋是谷子節(jié)水增產(chǎn)的有效方式[21-22]，西北地區(qū)谷子在不同壟膜覆蓋模式下的谷子產(chǎn)量較常規(guī)谷子增產(chǎn)28.3%～87.6%。壟溝覆膜條件下，遼寧、山西太谷、陜西恒山的谷子全生育期耗水量分別為340.80～361.50、404.12～419.85 mm和296.00 mm[10,23-24]。

灌溉、覆膜、施用保水劑等措施可使谷子水分生產(chǎn)效率有不同程度的提高，不當(dāng)?shù)母珊得{迫亦使谷子水分生產(chǎn)效率下降[25]。高亮等[4]研究認(rèn)為覆膜補(bǔ)灌谷子比露地雨養(yǎng)處理的水分生產(chǎn)效率提高了10.7%～19.4%；潘永霞等[9]試驗(yàn)得出膜下滴灌谷子水分生產(chǎn)效率最高，為1.59 kg/m3，比覆膜微噴灌、覆膜溝灌和露地溝灌的水分生產(chǎn)效率分別高23.4%、24.7%和28.9%；劉啟等[26]的溝壟集雨試驗(yàn)可使谷子水分生產(chǎn)效率提高6.49%～14.59%；白崗栓等[16]試驗(yàn)得出施用PAM后谷子的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率分別提高了13.16%和14.85%；Mi等[27]在內(nèi)蒙古清水河地區(qū)添加改良劑可使谷子產(chǎn)量提高3%～20%，水分利用有效率提高幅度可達(dá)29%。而有關(guān)土壤水分脅迫對(duì)谷子生產(chǎn)率的影響研究較少，Emendack等[28]認(rèn)為中期連續(xù)10 d進(jìn)行50%的水分虧缺后進(jìn)行復(fù)水灌溉，使谷子減產(chǎn)幅度達(dá)77%，適時(shí)適量灌溉可有效提高谷子產(chǎn)量，丁瑞霞等[8]研究認(rèn)為增加谷子的需水要求可使谷子產(chǎn)量增幅高達(dá)178.9%；樊修武等[29]在山西中部河村的試驗(yàn)得出谷子在拔節(jié)期進(jìn)行30 mm的補(bǔ)灌可達(dá)到顯著的增產(chǎn)作用。通過(guò)適時(shí)適量的灌溉和能夠增加土壤含水率的覆膜和保水劑施用等措施，可有效保障谷子在不同生育階段對(duì)土壤水分的需求，進(jìn)而獲得較高的水分生產(chǎn)效率。本研究得出了具體的高產(chǎn)灌溉土壤水分控制指標(biāo)，可結(jié)合當(dāng)年降雨量制定不同年份的灌溉制度，給出具體的指導(dǎo)灌溉時(shí)間和灌溉量。

Blank加法模型和Jensen乘法模型中谷子各生育階段敏感指數(shù)差異比較大，這是由于Blank加法模型認(rèn)為各生育階段進(jìn)行缺水對(duì)作物產(chǎn)量的影響是相互獨(dú)立的[30]，實(shí)際上在作物某個(gè)生育階段缺水對(duì)本階段和以后各階段的生長(zhǎng)均會(huì)影響，因此，Blank加法模型與實(shí)際不相符，而Jensen乘法模型克服了該缺陷，因此，Jensen模型中谷子各生育階段的敏感指數(shù)更為合理。

本試驗(yàn)認(rèn)為拔節(jié)期和抽穗期是晉北地區(qū)谷子的需水關(guān)鍵期，與張艾英等[31]研究結(jié)果相一致。這是由于晉北地區(qū)的降水量多集中于7—9月，自然降水不能滿足谷子拔節(jié)期的需水要求，需通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充灌溉使谷子農(nóng)田土壤水分在拔節(jié)期階段不低于50.9%的土壤田間持水率。

4 結(jié)論

1）不同灌水處理谷子全生育期耗水量為177.96～454.87 mm，水分生產(chǎn)效率較高的灌水處理谷子作物耗水系數(shù)為0.65～0.78。谷子各生育階段耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，各生育期耗水量為拔節(jié)期/抽穗期>苗期>灌漿期>成熟期，耗水強(qiáng)度表現(xiàn)為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期>苗期，耗水模數(shù)依次為拔節(jié)期/抽穗期>苗期>灌漿期>成熟期。

2）最適宜的灌溉優(yōu)化方式是拔節(jié)期和抽穗期輕中度組合的水分脅迫，拔節(jié)期應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)灌使谷子農(nóng)田土壤水分保持不低于50.9%的土壤田間持水率。在谷子拔節(jié)期和抽穗期輕度的水分脅迫可使谷子的水分生產(chǎn)效率達(dá)到峰值1.56～1.57 kg/m3，單階段重度水分虧缺和三階段連續(xù)中重度水分虧缺會(huì)降低谷子的水分生產(chǎn)效率。

3）谷子各生育階段的水分敏感指數(shù)依次為抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期，其中Jensen模型能夠更好地反映谷子的“作物-水分”函數(shù)關(guān)系。Jensen模型中谷子的水分敏感指數(shù)在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期分別為0.585、0.651、0.036。

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The Effects of Deficit Irrigation Scheduling on Water Consumption and Water Use Efficiency of Millet in the Northern Shanxi Province

GAO Xiaoli1,2, MA Juanjuan2, JIA Yurui2, LIU Enke1, SONG Lulu2

(1. Shanxi Province Key Laboratory of Organic Dry Farming, Institute of Dryland Farming, Taiyuan, 030031, China;2.College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, 030024, China)

【】Millet is a drought-resistance crop and widely grown in the northern Shanxi province of China. The scarce rainfall in these areas means that millet cultivation is mainly rain-fed, which hinders millet growth and compromises its yield, especially in dry years. Topping up soil water by irrigation could substantially increase millet yield without adding more pressure on water scarcity.【】The purpose of this paper is to investigate how deficit irrigation at different growing stages mediates millet growth and the consequence for its water consumption and water use efficiency. 【】We used the variety of Jingu-53 as the model plant, and the crop was irrigated at the jointing, heading and filling stages, with mild, moderate and severe deficit irrigation. The low soil water content for resuming irrigation at the jointing stage were set to be 64.2% (A1), 50.9% (A2) and 40.0% (A3) of the field capacity; at the heading stage the low limit for irrigation was 73.6% (B1), 62.3% (B2) and 50.9%(B3) of the field capacity; the low limit for irrigation at the filling stage was 68.0% (C1), 57.0% (C2) and 45.0% (C3) of soil field capacity, respectively. In each irrigation, the irrigation amount was calculated based on that the soil water content reached 90.0% of the field capacity after the irrigation. For each treatment in the experiment, we measured and calculated the water consumption and water productivity of the millet.【】①Water consumption during the whole growing season varied between 177.96 and 454.87 mm, depending on the irrigation scheduling. The water consumption and water consumption modulus both increased first followed by a decline as the crop grew; the water consumption at different stages can be ranked in the order of jointing stage-heading stage > seedling stage > filling stage > mature period. The demand of the crop for water was ranked in the order of heading stage > joining stage > filling stage > mature period > seedling stage. ②The crop coefficient of the millet varied between 0.65 and 0.78. The combination of A2, B1and C2was most water-productive and its water consumption coefficient at seedling, jointing, heading, filling and ripening stage was 0.27, 0.68, 2.10, 0.51 and 0.42, respectively. ③The millet was most sensitive to water deficit at heading stage, followed by jointing stage and filling stage. A combination of a moderate water deficit at jointing stage and a mild water stress at heading stage can make the water productivity reach 1.56～1.57 kg/m3.【】A supplementary irrigation during the jointing stage of the millet to keep soil moisture higher than 50.9% of the field capacity is needed to safeguard its production and improve its water use efficiency.

millet; water deficit; water consumption; crop coefficient; water use efficiency (); water sensitivity index

高曉麗, 馬娟娟, 賈雨蕊, 等. 晉北谷子耗水規(guī)律和水分高效利用研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(9): 40-47.

GAO Xiaoli, MA Juanjuan, JIA Yurui, et al. The Effects of Deficit Irrigation Scheduling on Water Consumption and Water Use Efficiency of Millet in the Northern Shanxi Province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 40-47.

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020575

1672 – 3317（2021）09 - 0040 - 08

2020-10-19

有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（201805D111015-3）；土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（2017002）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51579168）

高曉麗（1989-），女，山西忻州人。講師，博士，主要從事節(jié)水灌溉與水資源高效利用研究。E-mail：gaoxiaoli01@tyut.edu.cn

責(zé)任編輯：陸紅飛