0 引言
【研究意义】黄土高原南部是中国北方冬小麦产区的一部分。近年来随着化肥的大量施用和农田生产力的提高,该地区限制作物产量的主控因子已逐步从养分条件转变为水分条件,农田生产力的进一步提升很大程度上取决于当地水资源供应状况及利用水平[1-2]。研究并探明该地区冬小麦产量与水分供给之间的关系对于小麦增产及其水分高效利用皆具有重要意义。【前人研究进展】黄土高原深厚的土层可以贮存大量水分持续供给冬小麦生长发育,对冬小麦防旱抗旱具有积极作用[3-6]。底墒的重要性与冬小麦的生长特性和期间所处的气候环境紧密相关。在小麦返青前的较长时期,小麦根系分布较浅,充足的上层土壤水分,可以满足苗期和休眠时期用水;而在返青后,小麦迅速生长,但此时期正值黄土高原春季少雨阶段,因此,播前底墒对冬小麦的作用尤其重要[7-9]。“麦收隔年墒”“三伏多雨好种麦”等农谚也反映了中国北方劳动人民在长期生产中积累的宝贵经验：充足的播前底墒是冬小麦生产的重要保障。节水农业作为灌溉农业与旱地农业的有效结合,是农业进一步发展的必然选择[10-11],黄土高原通过降雨径流蓄水进行补充灌溉已成为该地区农业增产的途径之一[12]。该区域冬小麦生育期内降水只及冬小麦需水量的1/2左右[9],且降水季节分布不均匀,小麦生长处于种植年的雨季后以及收获年的雨季前,关键生育期易发生旱情,导致粮食减产。可见在黄土塬区,麦田水分亏缺是不可避免的,加之小麦在不同生育阶段的需水要求有别,保证小麦生育期内特别是高需水阶段的水分供应可实现产量与水分利用效率的同步提高[13-14]。【本研究切入点】目前关于底墒对冬小麦产量的重要性已经取得共识,但是对底墒变化的研究以及底墒、生育期降水与补充灌溉结合的研究还需加强;冬小麦全生育期产量与水分间的关系模型,也有待于进一步的探究。【拟解决的关键问题】黄土塬区冬小麦产量与水分利用效率对播前底墒变化以及生育期差别供水的响应过程特征,不同生育时期增加等量供水对产量的影响差别,具有普适性的冬小麦水分生产函数模型,以及考虑区域冬小麦旱作生产潜力实现的田间水分管理措施选择。1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地位于陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站。该区属暖温带半湿润偏旱性季风气候,年均气温9.1℃,降水年际及季节变化大,年均降水量584 mm,主要集中在7—9月,为典型的一年一熟旱作农业区;地带性土壤为中壤质黑垆土,土层深厚,地下水埋深40—80 m,田间持水量22.4%,萎蔫湿度9%[1,15-16]。试验时间为2015年7月至2016年6月,其中7—9月为夏闲期,10月到次年6月为冬小麦生育期。从播种到收获,试验年份冬小麦生育期降水量为207.8 mm,与同期多年均值大致相等,逐月分布也比较接近（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1试验期间逐月降水量
-->Fig. 1Monthly precipitation during the experiment
-->
1.2 试验设计
田间划设小区,每小区面积6 m×4.5 m,于2015年夏闲期通过覆盖保墒与玉米不同密度种植差别耗水形成不同底墒基础。具体操作为：在小区初始水分状况调查的基础上,对含水量高的小区进行覆膜、秸秆覆盖以及休闲等保水处理,而在含水量低的小区种植不同密度玉米,最终形成高低差别的冬小麦播前底墒条件,并在播种前采用混土法把所有小区耕层土壤混合匀平,消除养分差异。供试冬小麦品种为长旱58,于2015年9月26日播种,翌年6月25日收获。各小区统一施肥达到当地中上供肥水平（180 kg N·hm-2,N﹕P﹕K = 16﹕9﹕3）。每小区播种量按170 kg·hm-2计算,行距25 cm。
试验设计包括对照CK和WT1—WT8共9组水分处理,重复3次。CK、WT1、WT2、WT3为4组不同底墒处理,全生育期不灌溉,2 m土层底墒变化范围在350—550 mm;WT4、WT5、WT6分别于拔节、孕穗、灌浆期各灌1水;WT7于拔节、孕穗期灌2水;WT8于返青、拔节、孕穗、灌浆期灌4水。其中WT2、WT4、WT5、WT6底墒基本处于同一水平,2 m土层约为502 mm,WT3与WT7底墒相近约为543 mm。具体底墒情况与试验设计见表1。
Table 1
表1
表1试验设计
Table 1Design of experiment
| 处理 Treatment | 播前2 m土层底墒 Soil water storage in 2 m depth before sowing (mm) | 生育期灌溉Irrigation amount in growth period (mm) | 总灌溉量 Total irrigation (mm) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 返青期 Regreening stage | 拔节期 Jointing stage | 孕穗期 Booting stage | 灌浆期 Filling stage | |||
| CK | 358.2 | / | / | / | / | / |
| WT1 | 444.8 | / | / | / | / | / |
| WT2 | 500.4 | / | / | / | / | / |
| WT3 | 543.8 | / | / | / | / | / |
| WT4 | 501.4 | / | 40 | / | / | 40 |
| WT5 | 497.5 | / | / | 40 | / | 40 |
| WT6 | 507.9 | / | / | / | 40 | 40 |
| WT7 | 542.3 | / | 40 | 40 | / | 80 |
| WT8 | 571.6 | 25 | 40 | 40 | 40 | 145 |
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1.3 田间测定与计算
1.3.1 土壤含水量及贮水量 采用烘干法测定土壤含水量,播种期和收获期测定深度为5 m,其余生育期测定深度为2 m,其中1 m以上土层每10 cm、1 m以下土层每20 cm测定一次,称量湿土重后105℃烘至恒重,再称量干土重,计算土壤质量含水量。土壤贮水量由式（1）计算：
SW=0.1θ×ρ×H （1）
式中,SW为贮水量（mm）;θ为土壤质量含水量（%）;ρ为土壤容重（g·cm-3）,试验田土壤取值1.3 g·cm-3;H为土层深度（cm）。
1.3.2 叶面积指数 采用LAI-2000植物冠层仪测定。
1.3.3 冬小麦耗水量与水分利用效率 采用农田水量平衡法计算冬小麦生育期耗水量即麦田蒸散量ET。研究区域地下水埋藏较深,其上移补给可忽略不计;同时试验田地势平坦,小区间有垄相隔,无地表径流产生;以5 m深度计,降水及灌水均难以形成渗漏损失。因此耗水量采用式（2）计算：
ET=P+I+ΔSW （2）
式中,ET为计算时段耗水量（mm）;P为同时段降水量（mm）;I为同时段灌溉量（mm）;ΔSW为计算时段5 m土层土壤贮水量初始值与期末值之差（mm）。
水分利用效率（WUE）由式（3）计算：
WUE=Y/ET （3）
式中,WUE为作物水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）;
Y为作物籽粒产量（kg·hm-2）;ET为全生育期耗水量（mm）。产量及产量组成测定按照《农业气象观测规范》[17]进行。其他气象资料由试验站布设的气象观测场提供。
1.4 数据处理及分析
采用Microsoft Excel 2013、Spss 19.0等软件进行数据处理及统计分析。2 结果
2.1 不同水分处理对冬小麦叶面积指数（LAI）的影响
叶面积指数（LAI）是作物蒸腾耗水以及产量形成过程中的重要参数[18-19]。图2是不同处理冬小麦全生育期平均LAI与产量结果。平均LAI的计算方法为拟合LAI与生育天数之间的曲线关系式后,采用积分运算求得曲线与生育天数围成的面积从而获取平均LAI。LAI与产量（Y）间有很好的关系,由过原点的直线模拟,Y= 3448LAI,决定系数R²为 0.96,达极显著水平。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同处理下冬小麦叶面积指数与产量表现
-->Fig. 2LAI and grain yield of winter wheat in different treatments
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同处理下冬小麦返青后LAI动态变化a：不同播前底墒处理;b：相同底墒条件下不同生育期等量灌溉处理;c：充足底墒条件下不同灌溉量处理
-->Fig. 3LAI changes of winter wheat in different treatments after regreening stagea: Different soil water storage before sowing; b: Equivalent irrigation at different growth stages under the same soil moisture; c: Different irrigation amount under high soil moisture
-->
冬小麦叶面积指数的变化大致可以分为两个阶段,从出苗到越冬期,LAI缓慢增长,进而在一个较低水平上相对稳定;小麦返青后,叶面积指数快速增加,于抽穗期前后达到最高,而后随着叶片的泛黄枯萎迅速减小。图3为本试验各处理的LAI动态图,可以看到冬小麦进入返青期后, LAI开始迅速增加,不同供水水平下各处理LAI变化的动态相似,但峰值与均值有别。
2.2 冬小麦产量与水分利用效率对播前底墒和生育期灌溉的响应
2.2.1 冬小麦水分消耗、产量及WUE对播前底墒的响应 已有研究表明,试验区域冬小麦90%根系在0—200 cm范围内[20-21], 按2 m深度计算土壤底墒如表2所示。随着播前底墒的提高,冬小麦生育期内总耗水量、土壤耗水量及其占比均不断增大,WT1、WT2、WT3处理总耗水量较CK分别增加了24.1%、48.9%、82.3%;土壤耗水增加82.5%、167.5%、281.9%。 产量较CK分别提高28.4%、51.4%、69.3%,在产量组成中有效穗数与穗粒数均随底墒的提高而增加,千粒重基本不变。Table 2
表2
表2各处理冬小麦水分消耗、产量、WUE与产量组成
Table 2Water consumption, yield, WUE and yield components of winter wheat in different treatments
| 处理 Treatment | 底墒 Soil water storage before sowing (mm) | 总耗水量 Total water consumption (mm) | 土壤耗水量 Soil water consumption (mm) | 产量 Yield (kg·hm-2) | （灌溉水+降水） 利用效率 Use efficiency of precipitation and irrigation water (kg·hm-2·mm-1) | 作物水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1) | 有效穗数 Number of efficient panicles (个/m2) | 穗粒数 Grain number per panicle (颗) | 千粒重 1000-grain weight (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 358.2e | 293.5e | 85.7e | 3183e | 15.32f | 10.85ab | 327.1d | 26.8bc | 45.1a |
| WT1 | 444.8d | 364.2d | 156.4cd | 4088d | 19.67d | 11.22ab | 382.4d | 26.4bc | 45.4a |
| WT2 | 500.4c | 437.1c | 229.3b | 4820c | 23.20b | 11.03ab | 422.5c | 28.1bc | 45.6a |
| WT3 | 543.8ab | 535.1b | 327.3a | 5388b | 25.93a | 10.07ab | 498.8b | 31.1abc | 45.5a |
| WT4 | 501.4c | 446.9c | 199.1bc | 5279b | 21.30c | 11.81a | 494.4b | 27.9bc | 45.2a |
| WT5 | 497.5c | 428.5c | 180.7d | 5157b | 20.81cd | 12.03a | 436.3bc | 27.8bc | 45.0a |
| WT6 | 507.9bc | 474.1c | 226.3b | 5043bc | 20.35cd | 10.64ab | 426.5c | 28.5bc | 46.4a |
| WT7 | 542.3ab | 508.4b | 220.6b | 6120a | 21.26c | 12.04a | 685.0a | 31.6ab | 41.6b |
| WT8 | 571.6a | 656.0a | 303.2a | 6073a | 17.21e | 9.26b | 672.2a | 33.9a | 41.5b |
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无补充灌溉条件下,冬小麦耗水量、产量均受到播前底墒的显著影响。冬小麦全生育期耗水量随着播前底墒的增加而增加。WUE则表现为先上升后下降的趋势,WT1处理的WUE较高为11.22 kg·hm-2·mm-1。
产量与播前2 m土层底墒存在显著的线性正相关关系,生育期雨养条件下每公顷农田2 m土层底墒每增加1 mm,产量可提高11.9 kg。本试 验所有无灌溉处理中以WT3的产量表现最高,为5 388 kg·hm-2,该处理2 m土层播前底墒为543.8 mm（达田间持水量的93.4%）,说明在黄土塬区气候条件下充足的播前底墒是旱作冬小麦高产的关键因素。
2.2.2 生育期补充灌溉对冬小麦产量、产量组成和WUE的影响 WT2、WT4、WT5、WT6四组处理播前底墒基本一致（表2）。WT4、WT5、WT6分别在拔节期、孕穗期和灌浆期灌溉40 mm,产量较WT2均有所提高,其中拔节期和孕穗期灌溉产量提升达到显著水平,而在灌浆期灌溉并不显著,表明冬小麦补充灌溉在时期选择上不宜太迟。拔节、孕穗期灌溉处理的WUE对比WT2有所增加,灌浆期灌溉则使WUE降低,但均未达到显著水平;说明在底墒达到500 mm时,灌溉时期对冬小麦WUE影响不明显。
WT7、WT8两组处理在高底墒下进行多次灌溉,以检验比较持续的充分供水条件下冬小麦的产量效应。两组处理有效穗数显著高于其他处理,穗粒数也处于较高水平,虽然千粒重有一定程度的降低,但产量显著高于其他处理,达到试验中的最高水平。WT3、WT7、WT8处理在小麦拔节期未灌水之前2 m土层含水量为17.0%、16.6%、17.2%,均超过田间持水量的70%,显示充足的播前底墒可以使小麦在播种至拔节期都能得到较为充分的水分供应。而在灌浆期WT3处理2 m土层含水量为13.2%,WT7、WT8则由于补充灌溉分别为16.3%、17.3%,未进行补灌的WT3处理在灌浆期及其后受到较重的水分胁迫,产量受到一定影响。
WT8处理较WT7多消耗147.6 mm水量,产量却较WT7略有降低,但无显著差异,居同一水平。WT7处理的WUE显著高于WT8,表明WT8存在水资源的浪费。因此黄土塬区冬小麦生产应首先设法提升播前底墒水平,在拔节前期适度供水以形成合理的群体结构,孕穗期适度供水使冬小麦灌浆在良好的水分条件下进行,从而获得较高产量。在较高的播前底墒以及与降水分布相协调的合理灌溉定额下,冬小麦可由低于持续充分供水条件下的耗水量而获得高产,增产与节水得到同步实现。
处于雨养条件下的WT3处理播前底墒较WT2、WT4、WT5和WT6处理高约40 mm,产量较WT2提升显著,增加了568 kg·hm-2,增幅达11.8%,与不同生育期通过等量补灌使总的供水量居同一水平的WT4、WT5和WT6相比,产量有增加但不显著,说明通过提高播前底墒与增加等量的生育期灌溉得到的增产效果在统计意义上具有一致性。
2.3 冬小麦产量、WUE与水分消耗的关系
有关作物全生育期水分生产函数的研究有很多报道[22-25],通过分析作物产量与水分利用效率变化过程,以寻求有效的管理方式使水资源得到充分利用。图4为本试验所有处理冬小麦产量Y与总耗水量ET的数据点,采用Logistic曲线拟合。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4冬小麦耗水量、产量及水分利用效率之间的关系**表示0.01水平下显著性
-->Fig. 4Relationship between ET, grain yield and water use efficiency of winter wheat * * Indicates 0.01 level of significance
-->
把未灌水处理与灌水处理分开进行分析,其Y-ET关系都表现为线性趋势。未灌水处理生育期除降水外无额外水分投入,与灌水处理相比其耗水量与产量总体上要小一些,但Y-ET趋势线较之于灌溉处理者,其斜率却要大一些,说明在此情况下,增加单位水分消耗的产出效率较高,而在补充灌溉的处理中,增加单位水分投入的效率降低。
全部处理的Y-ET关系曲线表现为随ET增加先快速后缓慢的上升趋势,在水分条件较差时,随着耗水量的增加冬小麦的增产效应较为明显;随着水分投入的不断增大,水分对小麦生长的制约作用逐渐减弱,单位耗水量的增产效应不断下降。当总耗水量在300、400、500和600 mm时,每公顷增加单位毫米水分消耗分别可增产15.36、11.71、6.18和2.67 kg,表明边际水分利用效率[24]持续降低。根据Y-ET关系绘制WUE-ET曲线,如图4示,可以看到WUE-ET曲线分为明显上升,趋于稳定以及逐渐下降3个阶段,当冬小麦总耗水量处于402 mm左右时,WUE达到最大11.60 kg•hm-2•mm-1;当耗水量超过402 mm后,WUE随着耗水量的增加逐渐减小。
图5为本试验数据及康绍忠等[26]与房全孝等[27]的试验数据各自做标准化计算后的结果,2条线分别是本试验结果的拟合线与所有数据的拟合线。与康绍忠及房全孝的试验数据相比,本试验中各处理相对产量高于0.5,更低的产量需要进一步的水分胁迫才能实现,在水分胁迫各阶段均有足量试验的基
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5冬小麦相对产量与相对耗水量关系
-->Fig. 5Relationship between relative yield and relative ET of winter wheat
-->
础上,可得到更具普遍意义的Logistic模型。一般情况下,水分、养分等资源投入于农业生产都会有报酬递减的现象,通过水分生产函数,分析边际水分利用效率,寻找供水水平、水分消耗与产量之间的最佳结合点,在获得较高产量的同时,又有较高的水分利用效率,可使水资源投入的产出效率达到最佳。这对于在有限的水资源条件下,缓解地区缺水、保证粮食安全具有重要的意义。
标准化计算：
式（4）、（5）中Y、ET为同一来源数据中的产量与耗水量;Ymax、ETmax-y为其最大产量与相应的耗水量;RY、RET即为相对产量与相对耗水量。
图6是总供水水平（water supply,即WS）与耗水量（ET）的关系图,二者间存在显著的线性关系,表明在试验条件下耗水量随着供水量的增加而线性增加。这里总供水量是指生育期降水量、补充灌溉量与2 m土层底墒贮水量之和。当处理不同,但总供水量相同时,其耗水量在统计上也是相同的。由图4给出的产量与耗水量的拟合曲线知,其产量在统计上也是相同的。这与前面对不同时段增加等量供水,包括播前底墒或生育期补灌,在总供水水平相同时,增产效果基本一致的结论相同。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6冬小麦农田供水水平与耗水量的关系
-->Fig. 6Relationship between water supply and water consumption in the winter wheat field
-->
3 讨论
播前底墒显著影响小麦产量这一结论已有共识[6, 28-35]。本研究通过设定不同的底墒水平,以播种前2 m土层土壤储水量为底墒进行分析表明,播前底墒影响冬小麦对土壤水分的利用程度,随着播前底墒的提高,冬小麦总耗水量、土壤耗水量不断增大,对降水依赖减小。在黄土旱塬地区,雨养条件下冬小麦产量与底墒呈现线性关系,播前底墒每增加1 mm,冬小麦产量可提高11.9 kg•hm-2,试验中最高底墒已达到田间持水量的98%。充足的播前底墒保证冬小麦良好的出苗状况并促进其分蘖,最终提升成熟期单位面积有效穗数,产量得到提高。已有研究中[6, 35-36]底墒对WUE的影响多与小麦品种、氮肥、磷肥等因素的效应一起进行讨论。本研究在其他条件一致的前提下,设定系列底墒水平,表明随着播前底墒不断提高,旱作冬小麦WUE表现为先上升后下降的趋势。播前底墒对产量的影响说明了研究区域做好夏闲期蓄水保水的重要性。各类抑制土表蒸发的覆盖措施在保蓄雨水方面发挥了重要作用,目前生产实践中应用到的覆盖措施包括秸秆覆盖与薄膜覆盖等。较为充分的持续供水的WT7处理产量为6 120 kg•hm-2,相同底墒水平但未施行生育期补灌的WT3处理产量为5 388 kg•hm-2, 相当于前者的88.0%。WT3的底墒是夏闲期通过覆盖措施达到的中上土壤含水量水平,在试验条件下,WT8所实现的底墒水平更高,2 m土层贮水量为571.6 mm,如果不作生育期补充灌溉,依据图4和图6可推算出其产量为5 502.3 kg•hm-2, 相当于WT7处理的89.9%,亦即表明试验年份在做好夏闲期蓄水保墒的条件下,黄土塬区旱作冬小麦产量可达到充分供水情况下能够取得产量的88%—90%。
合理的补充灌溉时期是实现小麦高产稳产的重要保障[37-43]。关于冬小麦最佳补充灌溉时期的研究已有很多,最佳灌溉时期自播种期至灌浆期均有报道,如王朝辉等[44]研究发现分蘖、拔节和灌浆期是小麦需水关键期,在拔节期补充灌溉小麦对氮、磷、钾的吸收量增加幅度最大;崔世明等[39]研究表明灌底墒水和拔节中期水是兼顾小麦籽粒产量和水分利用效率的最佳方式。本研究结果显示增加等量供水,由播前底墒提供或由生育期灌溉得到,在总供水量相同时,其增产效果基本一致。小麦拔节期和孕穗期对水分的需求强度较大,应保证水分供给。对比播前底墒充足的3个处理的冬小麦产量、LAI以及各生育阶段的土壤水分状况,充足的底墒在冬小麦拔节期前可以持续发挥充足的水分供给作用,其后随着小麦对水分的不断消耗,加之降雨补充不能及时跟进,底墒已不能完全保证冬小麦生长的水分需求,冬小麦植株发育及产量形成受到一定的影响。本试验显示在底墒充分的前提下进行拔节、孕穗期补充灌溉可获得高产（WT7）,表明充足的播前底墒加上与降水分布相配合的适度灌溉可使冬小麦产量与WUE同时得到显著提高。
关于作物全生育期产量-水分关系已有大量的研究报道[22, 24, 26-27, 45],作物产量与耗水量间的关系大都采用直线型或二次抛物线型曲线进行研究,在水分较差时,两者表现为直线关系;在水分条件良好时表现为二次抛物线关系。在二次抛物线中随着耗水量的增加,产量会出现下降趋势,但产量下降的原因与显著性,以及相应的ET测算的可靠性仍是问题。本试验中着力显示的是水分胁迫差别对冬小麦生长的影响,在其他胁迫的影响一致或者不凸显时,当产量达到最高水平后,再加大水分供应,随着耗水量的继续增加,产量保持稳定,未出现达到显著水平的升降差别。冬小麦产量（Y）与全生育期耗水量（ET）表现为Logistic曲线关系,呈现出先快速后缓慢的上升趋势,在水分状况较差时,增加麦田水分投入的增产效应较为明显,而当水分条件较好时,水分投入的边际效率降低。WUE则随着冬小麦水分消耗的增加表现为先快速上升、相对稳定和逐渐下降3个阶段,且先于产量达到其最高值。已有研究表明,关于作物产量与耗水量的关系,通过边界线的方法表现为随ET先线性增加而后呈平台稳定的特征[46]。Logistic曲线可由单一函数较好地体现这一特点。图4中,Y-ET拟合线以与ET轴平行的直线Y=6 232.4（kg•hm-2）为渐近线,便具有平台效果。
4 结论
黄土塬区播前底墒显著影响冬小麦产量、耗水量和WUE,充足的底墒对旱作高产具有决定性作用。随着底墒的提升,小麦产量呈线性增加,本试验中每公顷农田2 m土层播前底墒每增加1 mm,冬小麦产量可提高11.9kg。夏闲期地表覆盖是增加土壤贮水的有效途径,由此在试验年份达到了充分供水条件下能够取得产量的88%—90%。增加等量供水,由播前底墒提供或由生育期补充灌溉给予,在总供水量相同时,其增加冬小麦产量的效果基本一致,但补灌时期不宜太迟。旱作环境下若有一定补充灌溉条件,应设法保证冬小麦高需水阶段包括拔节与孕穗期的水分供给,如此产量与WUE都可达到较高水平,增产与节水目标得以同时实现。
冬小麦产量-耗水量关系采用Logistic曲线进行拟合,随着耗水量增加产量的变化速率由快而慢,边际水分利用效率逐渐降低,WUE表现为先升后降的下凹型曲线,WUE的最大值先于产量而实现。
The authors have declared that no competing interests exist.
