董志强, 张丽华, 李谦, 吕丽华, 申海平, 崔永增, 梁双波^*, 贾秀领
河北省农林科学院粮油作物研究所 / 农业部华北地区作物栽培科学观测实验站, 河北石家庄 050035
^* 通讯作者(Corresponding author): 梁双波, E-mail: l2208@163.com, Tel: 0311-87670601 第一作者联系方式: E-mail: woshidongzhiqiang81@126.com, Tel: 0311-87670620
收稿日期:2015-09-04 接受日期:2016-03-02网络出版日期:2016-03-11基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201303133-1-1, 201203100), 河北省自然科学基金项目(C2014301007)和河北省渤海粮仓科技示范工程专项资助

摘要为探讨华北地区微喷灌模式下冬小麦节水高产栽培适宜的灌溉制度, 于2012—2013年(平水年)和2013—2014年度(枯水年), 在同一块地观测了微喷灌和畦灌模式不同灌水处理对冬小麦群体变化、叶面积指数和籽粒产量, 以及水分利用效率和耗水特性的影响。微喷灌模式灌水次数为2~6次, 总灌水量为60~180 mm; 畦灌模式灌水次数为1~3次, 总灌水量为74~229 mm。2012—2013年度, 微喷灌各处理小麦平均产量较畦灌增加5.6%, 灌水量低于或等于90 mm时, 微喷灌的产量显著高于畦灌; 微喷灌模式下, 灌水量120 mm时获得最高产量, 但灌水量超过150 mm时, 微喷灌模式产量显著低于畦灌模式。2013—2014年度, 微喷灌模式平均产量较畦灌模式增加0.8%, 灌水量150 mm时微喷灌模式的产量最高。千粒重和水分利用效率也表现为微喷灌模式高于畦灌模式, 2012—2013年度分别增加5.1%和8.7%, 2013—2014年度分别增加7.9%和10.7%。在本试验条件下, 为获得冬小麦高产、高水分利用效率, 建议微喷灌模式在平水年灌水量90~120 mm、耗水量325~355 mm, 在枯水年灌水量105~150 mm、耗水量335~380 mm, 单次灌水定额30~45 mm。微喷灌与畦灌相比, 在同等产量水平下, 平水年节水潜力为20~50 mm, 枯水年为70~110 mm。

关键词:冬小麦; 微喷灌; 畦灌; 产量; 水分利用效率
Grain Yield and Water Use Characteristics of Winter Wheat under Micro- sprinkler Irrigation
DONG Zhi-Qiang, ZHANG Li-Hua, LI Qian, LÜ Li-Hua, SHEN Hai-Ping, CUI Yong-Zeng, LIANG Shuang-Bo^*, JIA Xiu-Ling
Institute of Cereal and Oil Crops, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences / Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in North China, Ministry of Agriculture, Shijiazhuang 050035, China
Fund:This study was supported by the National Special Fund for Agro-Scientific Research in the Public Interests (201303133-1-1, 201203100), the Natural Science Foundation of Hebei Province, China (C2014301007) and Hebei Provincial Special Fund for Building up Bohai Grain-Store” of Hebei Province
AbstractThe objective of this study was to establish the water-saving and high-yield irrigation system using micro-sprinkler in winter wheat in North China Plain. A two-yield experiment was carried out in the same field in 2012-2013 (normal precipitation) and 2013-2014 (dry year) wheat growing seasons to compare the effects of different irrigation amounts in micro-sprinkler and furrow irrigation modes on wheat population, leaf area index, grain yield, water use efficiency, and water consumption. The total water amount in micro-sprinkler mode ranged from 60 to 180 mm in 2-6 irrigations and the total water amount in furrow irrigation mode ranged from 74 to 229 mm in 1-3 irrigations. In the 2012-2013 growing season, the average wheat yield of micro-sprinkler irrigation was 5.6% higher than that of furrow irrigation, and the highest yield was obtained under micro-sprinkler irrigation of 120 mm. Yield increased significantly in the micro-sprinkler treatment than in the furrow irrigation treatment when water amount ≤90 mm, but decreased significantly when the water amount was larger than 150 mm. In the 2013-2014 growing season, the average yield of micro-sprinkler irrigation was 0.8% higher than that of furrow irrigation, and the highest yield was obtained under micro-sprinkler irrigation of 150 mm. Thousand-grain weight and water use efficiency under micro-sprinkler irrigation were also higher than those under furrow irrigation, and the increased rations were 5.1% and 8.7% in 2012-2013 growing season and 7.9% and 10.7% in 2013-2014 growing season, respectively. We recommend that winter wheat production with micro-sprinkler under the similar condition of this experiment should be irrigated with water amount of 90-120 mm and water consumption of 325-355 mm in normal precipitation year and with water amount of 105-150 mm (30-45 mm for each irrigation) and water consumption of 335-380 mm in dry year. Compared with furrow irrigation, micro-sprinkler irrigation has the water-saving potential of 20-50 mm in normal year and 70-110 mm in dry year at the same yield level.

Keyword:Winter wheat; Micro-sprinkler irrigation; Furrow irrigation; Yield; Water use efficiency
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冬小麦是我国华北平原主要粮食作物, 其产量约占粮食总产量的61%^[1]。该地区冬小麦生育期耗水量为450 mm左右^{[2, 3]}, 河北省山前平原冬小麦生育期降水量范围为60~150 mm^[4], 不能满足生长发育需求, 易造成冬小麦生育期的水分亏缺^[5], 补充灌溉是保证该地区小麦高产的重要措施之一。长期以来, 小麦采用地面漫灌方式, 灌水定额大、水分利用效率低、水资源浪费严重, 导致地下水严重超采、地下水位下降、地基沉降等一系列生态环境问题。因此, 如何合理高效利用有限水资源, 提高作物水分生产效率是小麦生产面临的严峻挑战^[6]。
传统的地面大水漫灌方式是节水生产中亟需替换的灌溉技术。近年来, 针对冬小麦节水灌溉国内外已开展了大量研究, 多数以地面灌溉模式下水分高效利用研究为主。研究表明, 在一定范围内, 小麦籽粒产量随土壤水分含量的增加而增加^[7]; 通过调控灌水量^{[8, 9]}和灌水时期^[10]形成适度水分胁迫, 可提高小麦籽粒产量和水分利用效率。与传统地面灌溉相比, 喷灌能有效地控制灌水定额, 显著减少总灌水量, 改善麦田生态环境, 提高灌水分布均匀系数^{[11, 12]}, 显著提高小麦产量和水分利用效率^{[13, 14]}。
微喷带灌溉是在喷灌和滴灌基础上发展起来的一种新型灌溉方式, 利用微喷带^[15]将水均匀地喷洒在田间, 所用设施相对简单、廉价^[16]。与畦灌相比, 微喷带灌溉可减少灌水量67.5~75.0 mm, 降低表层土壤容重, 抑制土壤养分下渗, 具有节水和灌溉均匀等特点^{[17, 18]}。满建国等^[19]研究表明, 冬小麦拔节期和开花期采用微喷带测墒补灌, 各处理总耗水量为383.6~475.2 mm, 且表现为随喷灌带带长缩短, 开花期灌水量和总灌水量减少, 总耗水量显著减少, 而籽粒产量和水分利用效率显著增加的趋势。目前, 关于冬小麦微喷灌条件下水肥一体化模式的研究报道甚少。本研究在该模式下对不同灌水处理冬小麦籽粒产量、耗水特征、群体动态变化和水分利用效率进行了探讨, 针对华北山前平原高产限水区不同降水年型提出微喷带灌溉水肥一体化模式冬小麦优化灌溉制度, 为该地区冬小麦节水高产栽培提供相应的理论依据和技术支持。
1 材料与方法1.1 试验区概况在河北省农林科学院粮油作物研究所藁城堤上试验站(38° 41' N, 116° 85' E, 海拔51.2 m)同一地块进行田间试验。前茬种植玉米, 试验地0~20 cm土壤含有机质15.68 g kg^-1、全氮1.04 g kg^-1、全磷2.13 g kg^-1、碱解氮80.0 mg kg^-1、速效磷21.4 mg kg^-1、速效钾113.9 mg kg^-1。
2012— 2013年度, 前茬玉米季降水量为380.0 mm, 冬小麦生育期总降水量为136.0 mm, 属平水年, 其中播种至越冬前29.6 mm、越冬至返青期27.1 mm、拔节至开花期22.4 mm、开花至成熟期56.9 mm; 2013— 2014年度玉米季降水量为520.0 mm, 小麦季降水量为66.4 mm, 属枯水年, 上述4个小麦生育阶段降水量分别为15.8、5.9、17.5和27.2 mm。
1.2 试验设计采取裂区设计, 主区为灌溉模式, 设微喷带灌溉(简称微喷灌)和畦灌两种模式; 副区为灌水次数和总灌水量, 微喷灌模式设6个水平, 畦灌模式设3个水平, 小区随机排列, 4次重复, 小区面积7.0 m × 5.4 m, 处理间设1.0 m隔离区。微喷带为并列斜5孔、孔径0.8 mm、带宽40.0 mm、喷射角范围45° ~70° , 微喷带铺设间距1.8 m; 畦灌模式采用PE软管灌溉, 即每个小区用两根直径63.0 mm的软管(软管间距2.5 m)输送至小区中部。微喷灌模式和畦灌模式各处理的灌水时期、灌水量分别见表1和表2。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 畦灌模式下不同处理的灌溉量 Table 1 Irrigation quantities of different furrow irrigation treatments during two wheat growing seasons 处理 Treatment 灌水次数 Irrigation frequency 灌水总量 Total amount (mm) 越冬期 Pre-wintering (mm) 拔节期 Jointing (mm) 拔节后 After jointing (mm) 开花期 Anthesis (mm) 2012-2013 FI1 1 74 — — 74 — FI2 2 138 — 67 — 71 FI3 3 167 56 55 — 56 2013-2014 FI1 1 75 — — 75 — FI2 2 191 — 105 — 86 FI3 3 229 69 83 — 77 FI: 畦灌。FI: furrow irrigation.

表1 畦灌模式下不同处理的灌溉量 Table 1 Irrigation quantities of different furrow irrigation treatments during two wheat growing seasons

表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 微喷灌模式下不同处理的灌溉量 Table 2 Irrigation quantities of different micro-sprinkler irrigation treatments during two wheat growing seasons 处理 Treatment 灌水次数 Irrigation frequency 灌水总量 Total amount (mm) 越冬期 Pre-wintering stage 返青期 Re-greening stage 起身期 Erecting stage 拔节期 Jointing stage 孕穗期 Booting stage 开花期 Anthesis stage 灌浆期 Filling stage 2012-2013 MSI1 3 90 — — — 30 — 30 30 MSI2 3 120 — — — 45 — 45 30 MSI3 4 120 — — 30 30 — 30 30 MSI4 4 120 — — — 30 30 30 30 MSI5 5 150 — — 30 30 30 30 30 MSI6 6 180 — 30 30 30 30 30 30 2013-2014 MSI1 2 60 — — — 30 — 30 — MSI2 3 83 — — — 30 23 30 — MSI3 3 105 — — — 45 30 30 — MSI4 4 120 30 — — 30 30 30 — MSI5 5 150 — — 30 30 30 30 30 MSI6 6 180 — 30 30 30 30 30 30 MSI: 微喷灌。MSI: micro-sprinkler irrigation.

表2 微喷灌模式下不同处理的灌溉量 Table 2 Irrigation quantities of different micro-sprinkler irrigation treatments during two wheat growing seasons

采用小麦小区播种机(8行)播种, 15 cm等行距种植。出水井口安装变频柜, 供水水压控制为0.1 MPa, 微喷灌模式灌水定额可控, 畦灌模式灌水量以畦(小区)自然灌满为标准。小麦品种为冀麦585, 前茬作物玉米收获后秸秆全部还田。2012年10月9日播种, 2013年6月14日收获, 播种量180 kg hm^-2; 2013年10月8日播种, 2014年6月10日收获, 播种量210 kg hm^-2。整地播种前施入小麦专用复合肥600 kg hm^-2 (N∶ P₂O₅∶ K₂O = 20∶ 26∶ 8), 春季追施尿素270 kg hm^-2 (含氮46.4%), 畦灌模式于小麦拔节期随灌水一次性撒施, 微喷灌模式采用水肥一体化技术于拔节期追施189 kg hm^-2, 抽穗开花期追施81 kg hm^-2。两年度微喷灌模式和畦灌模式各处理均未灌溉底墒水。
1.3 小麦耗水量和水分利用效率测定方法于小麦播种后、收获前和各生育期浇水前用CNC503B型中子土壤水分仪(北京核子仪器公司)测定0~200 cm土层水分含量, 以20 cm为一个土壤层次。作物生育期耗水量ETα = P + U - R - F + Δ W + I ^[20], 式中Δ W为土壤贮水消耗量, P为该时段降水量(mm), U为地下水通过毛管作用上移补给作物水量(mm), R为地表径流量(mm), F为补给地下水量(mm), I为灌水量(mm)。本试验地块地势平坦, 地下水埋深5 m以下, 降水入渗深度不超过2 m, 因此U、R、F均为0。
水分利用效率WUE_y=Y/ETa ^[21], 式中Y为籽粒产量(kg hm^-2), ETa为作物全生育期总耗水量(mm)。
1.4 小麦群体调查指标和产量相关性状测定方法小麦出苗后选取长势均一、有代表性的1 m双行定点, 出苗后计数定点区域的株数, 分别在冬前、起身末期和成熟期计数分蘖数, 开花前后用SunScan冠层分析系统(Delta-T, 英国)测定叶面积指数; 用小区收获机单独收获脱粒, 每小区收获面积33.6 m², 待籽粒自然风干后分别称重, 采用谷物水分测定仪测定籽粒含水量, 折算为含水量13%的标准产量。
1.5 统计分析用Microsoft Excel 2003处理数据和作图, 采用DPS7.05软件进行方差分析, 用最小极差(LSD)法检验差异显著性。

2 结果与分析2.1 不同灌水处理冬小麦籽粒产量、产量构成及水分利用效率的差异2012— 2013年度, 微喷灌模式籽粒产量平均值较畦灌模式增加5.8%, MSI1处理籽粒产量较灌水量相近的FI1处理增加12.0%, 差异显著, 说明平水年在限水灌溉(≤ 90 mm)条件下, 微喷灌模式增产效果显著。微喷灌模式籽粒产量随灌水量的增加先增大后减小, 灌水量120 mm时获得最高籽粒产量, 灌水量大于或等于150 mm的处理籽粒产量显著低于MSI2处理。灌水量为120 mm的MSI2、MSI4处理小麦产量与灌水量为138 mm、167 mm的FI2、FI3处理相近, 说明平水年在同等产量水平下微喷灌模式较畦灌模式可节省灌溉水20~50 mm。MSI6处理籽粒产量较FI3处理减少6.4%, 差异显著, 说明灌水量大于或等于180 mm时微喷灌模式较畦灌模式有减产趋势。灌水总量相同、灌水时期和灌水次数不尽相同的MSI2、MSI3、MSI4处理间相比较, 籽粒产量差异不显著, 说明微喷灌模式下春季浇3次水即可满足冬小麦生长对水分的需求。拔节期首次浇水的MSI4处理籽粒产量有高于起身期首次浇水的MSI3处理趋势, 说明推迟春一水到拔节期的节水灌溉原则同样适用于微喷灌模式。畦灌模式籽粒产量随灌水量的增加而逐渐增大, 春一水FI1处理产量显著低于春二水FI2处理, 而FI2处理与FI3处理差异不显著(表3)。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 不同灌水处理籽粒产量、产量构成和水分利用效率 Table 3 Grain yield, yield components and water use efficiency of different irrigation treatments 处理 Treatment 收获穗数 Spike number (× 104 hm-2) 穗粒数 Grain number per spike 千粒重 Thousand-grain weight (g) 籽粒产量 Grain yield (kg hm-2) 水分利用效率 Water use efficiency (kg hm-2 mm-1) 2012-2013 FI1 696 c 29.7 a 34.2 c 7350 d 22.2 c FI2 739 ab 28.6 ab 35.6 bc 8277 ab 20.7 d FI3 743 a 28.3 ab 37.5 ab 8287 ab 21.0 cd MSI1 727 ab 27.6 b 37.1 b 8235 ab 25.2 a MSI2 731 ab 26.7 b 39.4 a 8352 a 24.1 a MSI3 739 ab 27.9 b 37.9 ab 8199 ab 23.9 ab MSI4 752 a 28.2 ab 36.7 b 8313 ab 22.3 c MSI5 745 a 29.0 a 36.8 b 7950 b 21.2 cd MSI6 744 a 27.5 b 37.6 ab 7790 c 20.2 d 2013-2014 FI1 819 b 27.9 ab 40.3 d 9032 c 29.3 b FI2 869 a 26.4 c 43.9 bc 9995 ab 23.6 d FI3 887 a 26.7 bc 42.2 c 9843 ab 22.6 e MSI1 738 c 27.0 bc 44.4 bc 8988 c 31.4 a MSI2 758 c 26.5 bc 45.3 ab 9243 bc 30.7 ab MSI3 762 c 26.3 c 45.6 ab 9681 abc 28.8 b MSI4 764 c 28.1 a 46.3 a 10014 ab 27.0 c MSI5 767 c 28.7 a 46.5 a 10149 a 26.9 c MSI6 771 c 27.6 ab 44.7 ab 9729 abc 24.4 d FI: furrow irrigation; MSI: micro-sprinkler irrigation. In the same growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. FI: 畦灌; MSI: 微喷灌。同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表3 不同灌水处理籽粒产量、产量构成和水分利用效率 Table 3 Grain yield, yield components and water use efficiency of different irrigation treatments

2013— 2014年度, 微喷灌模式籽粒产量平均值略高于畦灌模式, 较畦灌模式增加0.8%, 籽粒产量随灌水量的增加先增大后减小, 灌水量150 mm时获得最高产量, 当灌水量大于或等于105 mm时产量增幅变缓, 处理间差异不显著。灌水量105 mm的MSI3处理产量略低于灌水量191 mm的FI2处理, 差异不显著, 说明微喷灌模式较畦灌模式具有明显的节水效果。灌水量为120 mm的MSI4处理产量略高于灌水量为191 mm和229 mm的FI2、FI3处理, 说明枯水年在同等产量水平下微喷灌模式较畦灌模式可节省灌溉水70~110 mm。灌水量相近的微喷灌模式和畦灌模式相比较, MSI2处理产量较FI1处理增加2.3%, 随灌水量的增加, MSI6处理产量较FI2处理减少2.7%, 结果表明枯水年灌水量较小时(≤ 90 mm)微喷灌较畦灌具有一定的增产作用, 灌水量较大时(≥ 180 mm)微喷灌模式产量低于畦灌模式(表3)。
微喷灌模式收获穗数随灌水量增加的变化趋势两年度间存在一定差异, 平水年表现为先增大后减小, 灌水量120 mm时收获穗数达最大值, 枯水年收获穗数随灌水量的增加而逐渐缓慢增大, 最大值对应的灌水量为180 mm。畦灌模式收获穗数两年度年均表现为随灌水量的增加而逐渐增加。同年度微喷灌模式不同处理间收获穗数差异均不显著, 且两年度灌水量相近的处理间收获穗数差异亦较小, 换言之, 灌水量在60~180 mm范围内微喷灌模式对冬小麦收获穗数的影响较小。平水年微喷灌模式收获穗数平均值较畦灌模式增加1.9%, MSI1处理收获穗数较FI1处理增加4.5%, 差异显著, MSI5、MSI6处理收获穗数较FI2、FI3处理分别增加0.8%和0.1%, 差异不显著; 枯水年微喷灌模式收获穗数平均值较畦灌模式减少11.5%, MSI2、MSI6处理收获穗数较FI1、FI2处理分别减少7.5%和11.3%, 差异均达显著水平。结果表明, 在灌水量相同情况下, 平水年微喷灌模式收获穗数高于畦灌模式, 且灌水量较小时二者差值较大; 枯水年微喷灌模式收获穗数显著低于畦灌模式, 且灌水量较大时二者差值较大(表3)。
穗粒数的变化和收获穗数相反, 平水年微喷灌模式平均值较畦灌模式减少3.6%, 枯水年微喷灌模式平均值较畦灌模式增加1.4%。两年度千粒重的变化趋势相同, 平水年、枯水年微喷灌模式平均值较畦灌模式分别增加5.1%和7.9%。平水年MSI1处理千粒重较FI1处理增加8.5%, 差异显著, MSI5、MSI6处理千粒重较FI2、FI3处理分别增加3.4%和0.3%, 差异均不显著; 枯水年MSI2、MSI6处理千粒重较FI1、FI3处理分别增加12.4%和5.9%, 差异均显著。水分利用效率和千粒重的变化相一致, 平水年、枯水年微喷灌模式平均值较畦灌模式分别增加7.1%和12.0%。平水年MSI1处理水分利用效率较FI1处理增加13.0%, 差异显著, MSI5处理较FI2处理增加2.4%, MSI6处理较FI3处理减少3.8%; 枯水年MSI2、MSI6处理水分利用效率较FI1、FI2处理分别增加4.8%和3.4%, 差异均不显著。结果表明, 平水年灌水量较小(≤ 90 mm)情况下微喷灌模式较畦灌模式能显著提高小麦水分利用效率, 灌水量较大(≥ 180 mm)时微喷灌模式水分利用效率反而低于畦灌模式; 枯水年微喷灌模式小麦水分利用效率均略高于灌水量相近的畦灌模式(表3)。
2.2 不同灌水处理冬小麦耗水量的耗水组成及其占总耗水量的比例小麦耗水量主要与生育期灌水量、降水量及初始土壤含水率有关。灌水量相近的两模式相比较, 平水年、枯水年畦灌模式总耗水量平均值较微喷灌模式分别增加2.7%和4.6% (表4)。平水年, FI1处理总耗水量较MSI1处理减少4.4%, 差异不显著, FI2、FI3处理较MSI5、MSI6处理分别增加6.5%和5.0%, 差异均达显著水平; 枯水年, FI1处理总耗水量较MSI2处理增加2.2%, 差异不显著, FI2处理较MSI6处理增加6.3%, 差异显著。说明在灌水量较小(≤ 90 mm)情况下微喷灌模式总耗水量和畦灌模式差异不显著, 灌水量较大(≥ 150 mm)时畦灌模式总耗水量显著高于微喷灌模式。平水年畦灌模式土壤水消耗量及占总耗水量比例的平均值均大于微喷灌模式, 灌溉量及占总耗水量比例的平均值均小于微喷灌模式; 枯水年畦灌模式土壤水消耗量及占总耗水量比例和灌溉量平均值均大于微喷灌模式。平水年, 灌水量较小(≤ 90 mm)时微喷灌模式与畦灌模式土壤水消耗量及占总耗水量的比例差异不显著, FI2、FI3处理(≥ 150 mm)土壤水消耗量及占总耗水量的比例分别显著高于MSI5、MSI6处理; 枯水年, FI1、FI2处理土壤水消耗量分别显著高于MSI2、MSI6处理, 较MSI2、MSI6处理分别增加9.7%和9.0%。说明平水年灌水量大于或等于150 mm和枯水年大于或等于180 mm时微喷灌模式较畦灌模式不利于冬小麦利用土壤贮水。两年度间相比较, 枯水年微喷灌模式和畦灌模式总耗水量平均值均低于平水年, 土壤水消耗量及占总耗水量比例平均值均显著高于平水年。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 不同灌水处理耗水组成及其占总耗水量的比例 Table 4 Water consumption composition and its proportion to total water consumption in different irrigation treatments 处理 Treatment 总耗水量 Total water consumption (mm) 土壤水 Soil water 灌溉 Irrigation 降水 Precipitation 消耗量 Consumption (mm) 比例 Proportion (%) 灌水量 Amount (mm) 比例 Proportion (%) 降水量 Amount (mm) 比例 Proportion (%) 2012-2013 FI1 312.6 d 100.5 a 32.1 a 73.5 23.5 138.6 44.3 FI2 364.0 a 87.4 b 24.0 b 138.0 37.9 138.6 38.1 FI3 404.1 a 98.5 a 24.4 bc 167.0 41.3 138.6 34.3 MSI1 326.9 d 98.3 a 30.1 a 90.0 27.5 138.6 42.4 MSI2 346.0 c 87.4 b 25.3 b 120.0 34.7 138.6 40.0 MSI3 350.1 c 91.5 b 26.1 b 120.0 34.3 138.6 39.6 MSI4 348.2 c 89.6 b 25.8 b 120.0 34.5 138.6 39.7 MSI5 375.5 b 86.9 b 23.1 c 150.0 39.9 138.6 37.0 MSI6 384.8 b 66.2 c 17.2 d 180.0 46.8 138.6 36.0 2013-2014 FI1 307.9 d 165.7 a 53.8 a 74.6 24.2 67.6 22.0 FI2 424.0 a 164.9 a 38.9 e 191.5 45.2 67.6 15.9 FI3 435.6 a 138.7 c 31.8 f 229.3 52.6 67.6 15.6 MSI1 286.4 e 158.8 ab 55.4 a 60.0 21.0 67.6 23.6 MSI2 301.2 d 151.1 b 50.2 b 82.5 27.4 67.6 22.4 MSI3 336.2 c 163.6 a 48.7 b 105.0 31.2 67.6 20.1 MSI4 346.1 c 158.5 ab 45.8 c 120.0 34.7 67.6 19.5 MSI5 377.7 b 160.1 ab 42.4 d 150.0 39.7 67.6 17.9 MSI6 398.9 b 151.3 b 37.9 e 180.0 45.1 67.6 17.0 FI: furrow irrigation; MSI: micro-sprinkler irrigation. In the same growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. FI: 畦灌; MSI: 微喷灌。同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表4 不同灌水处理耗水组成及其占总耗水量的比例 Table 4 Water consumption composition and its proportion to total water consumption in different irrigation treatments

2.3 不同灌水处理冬小麦群体的变化由表5可知, 灌水量相近的微喷灌处理和畦灌处理相比较, 2012— 2013年度, MSI1、MSI5、MSI6处理起身末期分蘖数分别显著低于FI1、FI2和FI3处理, 而成穗率分别显著高于FI1、FI2和FI3处理; 2013— 2014年度, MSI2处理起身末期分蘖数较FI1 处理增加4.9%, 差异不显著, 成穗率较FI1处理减少7.7%, 差异显著; MSI6处理起身末期分蘖数较FI2处理增加2.6%, 差异不显著, 成穗率较FI2处理减少16.6%, 差异显著。结果表明, 冬小麦在播量和灌水量相同情况下, 平水年微喷灌模式成穗率显著高于畦灌模式, 微喷灌、畦灌模式收获穗数平均值分别为740× 10⁴ hm^-2和726× 10⁴ hm^-2, 二者差值较小, 微喷灌模式群体结构较畦灌模式合理; 枯水年畦灌模式成穗率显著高于微喷灌模式, 畦灌模式收获穗数平均值为858× 10⁴ hm^-2, 群体过大, 微喷灌模式收获穗数平均值为760× 10⁴ hm^-2, 群体适宜, 微喷灌模式群体结构较畦灌模式合理。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 不同灌水处理冬小麦群体的变化 Table 5 Changes of winter wheat population in different irrigation treatments 处理 Treatment 基本苗 Seedlings (× 104 hm-2) 冬前分蘖 Tillers before winter (× 104 hm-2) 起身末期分蘖 Tillers at end of erecting stage (× 104 hm-2) 成穗率 Spike setting rate (%) 2012-2013 FI1 361 a 982 ab 1742 a 39.9 g FI2 365 a 975 ab 1709 ab 43.2 de FI3 362 a 993 a 1773 a 41.9 f MSI1 362 a 965 b 1505 de 48.3 b MSI2 357 a 957 b 1475 e 48.7 b MSI3 363 a 970 ab 1591 c 46.5 c MSI4 359 a 984 ab 1451 e 53.2 a MSI5 365 a 991 a 1598 c 46.6 c MSI6 361 a 969 ab 1449 e 51.4 a 2013-2014 FI1 421 a 1576 ab 1708 e 48.0 a FI2 418 a 1605 ab 1807 de 49.9 a FI3 426 a 1627 a 2148 a 37.8 d MSI1 423 a 1549 b 1921 b 38.5 cd MSI2 419 a 1555 b 1792 de 44.3 b MSI3 424 a 1596 ab 1905 bc 40.5 c MSI4 420 a 1578 ab 1839 cde 42.8 bc MSI5 422 a 1602 ab 1936 b 37.8 d MSI6 425 a 1585 ab 1854 bcd 41.6 bc FI: furrow irrigation; MSI: micro-sprinkler irrigation. In the same growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. FI: 畦灌; MSI: 微喷灌。同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表5 不同灌水处理冬小麦群体的变化 Table 5 Changes of winter wheat population in different irrigation treatments

2.4 不同灌水处理冬小麦叶面积指数的变化2013— 2014年度两灌溉模式冬小麦叶面积指数(LAI)均表现为随灌水量的增加而逐渐增大(图1), 灌水量相同情况下微喷灌模式LAI大于畦灌模式。灌水量较小(≤ 120 mm)情况下微喷灌模式小麦LAI略大于畦灌模式, 株型结构合理, 田间通风透光性能良好, 适合高产小麦冠层的构建; 当灌水量较大(≥ 150 mm)时微喷灌模式LAI远大于畦灌模式, 旗叶和倒二叶的叶面积过大, 田间郁闭, 通风透光性能差, 反而不利于小麦产量的增加。
图1
Fig. 1

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	图1 不同灌水处理小麦叶面积指数的变化(2013-2014) MSI: 微喷灌; FI: 畦灌。数据为2014年4月24日和5月5日测得叶面积指数的平均值。Fig. 1 Changes of leaf area index of wheat in different irrigation treatments (2013-2014) MSI: micro-sprinkler irrigation; FI: furrow irrigation. Data are the means of measurements on April 24 and May 5, 2014.

3 讨论减少灌水量或实施亏缺灌溉是降低小麦生育期耗水和提高水分利用效率的有效方法^{[22, 23, 24]}。在一定范围内增加冬小麦的灌水量具有增产作用, 但灌水量过多会导致籽粒产量显著降低^[25]。冬小麦的供水量与总耗水量呈线性正相关, 回归斜率为0.67~ 0.71^[26]。灌水量越多, 冬小麦耗水量和生物量越高, 籽粒最高产量却是在适度水分亏缺情况下获得的^[27]。受灌水方式的限制, 畦灌模式单次灌水额至少为70 mm, 实施节水灌溉只能减少灌水次数。经多年试验研究与示范推广, 目前华北山前平原推广畦灌模式小麦节水灌溉技术一般年份春季灌拔节水(或起身水)和开花水, 干旱年份根据降水情况增加越冬水或灌浆水, 全生育期灌2~3次水。与畦灌模式相比, 微喷灌水肥一体化模式单次灌水定额大幅下降, 从畦灌模式75~105 mm降至30~45 mm, 从而可以通过减少单次灌水额来进一步挖掘小麦的节水潜力。微喷灌克服了地面漫灌易造成土壤板结且氮素向深层土壤渗漏的不足, 从而提高小麦对氮素的吸收利用, 改善土壤物理性质, 这些因素均对小麦的生长发育产生综合有利影响, 在灌水量相近情况下可提高小麦产量与水分利用效率(待发表)。本试验结果表明, 两年度微喷灌模式冬小麦籽粒产量均随灌水量增加先增大后减小, 平水年、枯水年产量最大值对应的灌水量分别为120 mm和150 mm; 畦灌模式籽粒产量均随灌水量增加逐渐增大, 当灌水量高于或等于150 mm时产量增幅变缓。在灌水量较小情况下(≤ 90 mm), 微喷灌模式小麦籽粒产量高于畦灌模式; 在灌水量较大情况下(≥ 180 mm), 微喷灌模式产量低于畦灌模式。同等产量水平下, 平水年、枯水年微喷灌模式较畦灌模式可分别节省灌溉水20~50 mm和70~110 mm。
郭增江等^[28]试验表明, 0~40 cm土层平均土壤相对含水量拔节期65%和开花期70%的处理小麦籽粒产量最高, 同时获得较高的水分利用效率。小麦拔节期和开花期各灌溉60 mm的处理成熟期干物质积累量显著高于仅拔节期灌溉处理, 每株增加2.4 g^[29]。本研究结果与上述结论相同, 平水年、枯水年畦灌模式拔节期和开花期各灌溉60~85 mm的处理冬小麦籽粒产量和水分利用效率均较高。
冬小麦产量和水分利用效率与耗水量之间均呈二次函数关系^{[27, 30]}, 耗水量为350~490 mm时冬小麦籽粒产量和水分利用效率较优^{[30, 31]}。本研究结果表明, 平水年、枯水年微喷灌模式冬小麦耗水量分别为330~360 mm和340~400 mm, 畦灌模式分别为360~410 mm和390~440 mm时籽粒产量和水分利用效率均较高, 两年度畦灌模式冬小麦耗水量均在上述研究结论范围内, 微喷灌模式耗水量远小于畦灌模式。随着灌水次数的增加, 灌溉量从80 mm增加至240 mm, 冬小麦生育期耗水量增加80~90 mm, 水分利用效率降低0.3~0.4 kg m^{-3 [32]}。本研究中, 平水年畦灌模式灌溉量从74 mm增加至167 mm, 冬小麦生育期耗水量增加92 mm, 水分利用效率降低0.1~0.2 kg m^-3, 这与上述结论基本相同。微喷灌模式灌溉量从90 mm增加至180 mm, 冬小麦生育期耗水量增加58 mm, 水分利用效率降低0.5 kg m^-3; 枯水年畦灌模式灌溉量从75 mm增加至229 mm, 冬小麦生育期耗水量增加127 mm, 水分利用效率降低0.6~0.7 kg m^-3, 与上述结论存在一定差异。微喷灌模式灌溉量从60 mm增加至180 mm, 冬小麦生育期耗水量增加98 mm, 水分利用效率降低0.6~0.7 kg m^-3。关于丰水年畦灌模式和微喷灌模式冬小麦籽粒产量随灌水量增加的变化、最大值对应的灌水量及不同灌水处理耗水量及水分利用效率的变化有待进一步的试验研究。
4 结论平水年冬小麦生育期微喷灌模式灌溉90~ 120 mm、耗水量325~355 mm和畦灌模式灌溉135~ 170 mm、耗水量360~410 mm可获得较高籽粒产量和水分利用效率; 枯水年微喷灌模式灌溉105~ 150 mm、耗水量335~380 mm和畦灌模式灌溉190~ 230 mm、耗水量420~440 mm可获得较高籽粒产量和水分利用效率。微喷灌模式与畦灌模式相比, 在同等产量水平下平水年节水潜力为20~50 mm, 枯水年为70~110 mm, 该模式可在我国华北水资源匮乏地区因地制宜推广应用。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.


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