黃 潔 ，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，狄 楠

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044004)

冬小麥作為我國北方地區(qū)主要糧食作物之一，整個生長季需水量在450 mm左右，但由于受季風氣候的影響，華北地區(qū)約70%的降水量集中于每年的7-9月，而冬小麥生長季降雨量較少，一般僅有100～150 mm，因此灌溉補水是保證冬小麥高產(chǎn)的重要措施。對于表層土壤中沒有較充足水分的干旱半干旱地區(qū)(如華北平原丘陵地區(qū))，作物對深層土壤水分的吸收利用成為影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[1]。

為提高灌溉水的利用效率，學(xué)者們已對不同的作物灌溉方式進行了大量的研究工作[2-5]。李秧秧[6]認為灌溉深度和灌溉時間間隔相結(jié)合，以每15 d灌溉一次的組合獲得的產(chǎn)量和水分利用效率最好；Turner和Bray則認為一定的水分范圍內(nèi)根系生長與土壤水分狀況之間呈正相關(guān)關(guān)系[7]，水分不足或水分過多都會改變作物根系的大小、數(shù)量及分布，使根系生長異常或抑制根系的功能，進而影響到冠層生長發(fā)育和籽粒產(chǎn)量[8]。另外，隨著對土壤水分狀況與作物水分狀況研究的不斷深入，將農(nóng)田水分指標與作物生理指標(株高、葉面積等)相結(jié)合的研究開辟了很多新的研究領(lǐng)域[9-11]。地面灌溉以其方便、技術(shù)簡單易行的優(yōu)點依然是當前我國乃至世界最為廣泛的灌溉方式，但這種方式的水量損失和棵間土壤水分蒸發(fā)量頗大，作物棵間土壤蒸發(fā)量占其總耗水量的25%～30%，或再高一些[12]。以往的節(jié)水灌溉制度主要集中于灌水定額、灌水次數(shù)和灌水時期方面的研究[13]，而關(guān)于不同土層深度土壤水分調(diào)控對作物生長發(fā)育的影響，由于試驗條件限制和測根等技術(shù)存在的困難而研究較少。本文將采用土柱管栽技術(shù)，研究在相同供水量情況下不同灌水深度對冬小麥生長狀況及產(chǎn)量的影響，為我國干旱半干旱地區(qū)作物合理灌溉，提高土壤貯水利用率，變被動抗旱為主動抗旱提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2014年9月至2015年6月在山西省運城市鹽湖區(qū)山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)基地進行，該實訓(xùn)基地位于北緯 34°48′27″， 東經(jīng) 110°41′23″，平均海拔370 m。多年平均降雨量559.3 mm，主要集中在7-9月，年平均日照時數(shù)2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗區(qū)土壤屬于中壤土，有效氮62.90 mg/kg，有效磷45.79 mg/kg，有效鉀206.5 mg/kg，全氮1.150 g/kg，全磷0.769 g/kg，全鉀19.43 g/kg，有機質(zhì)20.20 g/kg。土壤0～300 cm基本物理參數(shù)如表1所示(表1中含水率數(shù)值均為土壤體積含水率)。

表1 土壤基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameter of soil

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗所用冬小麥品種為國審麥良星99，屬半冬性中晚熟品種，生育期240 d左右。試驗設(shè)計以灌水深度為控制因子，設(shè)4個處理，即：地表灌溉(T1)、灌水深度為根系分布的60%(T2)、灌水深度為根系分布的75%(T3)、灌水深度為根系分布的90%(T4)，各處理根據(jù)冬小麥不同生育期(越冬期、返青拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期)分別設(shè)4個重復(fù)，即每個處理需20根土柱，共80根土柱。土柱外徑20 cm，內(nèi)徑18.6 cm，共占用面積250 cm×2 100 cm，土柱隨機排列成三列，行與行，列與列之間均再種植一行(列)小麥作為保護行(列)。

冬小麥于2014年10月12日播種，每根土柱播種9棵，三葉期每柱定苗3棵，次年6月上旬收獲。本次試驗期間對冬小麥共進行了4次灌水，各處理土柱灌水時間、灌水孔布置及計劃灌水深度情況見表2。每個灌水深度的灌水量由下式(山侖等，2004年)計算得出：

M=10ρbH(βi-βj)

(1)

式中：H為土壤計劃濕潤層的深度，cm；ρb為計劃濕潤土層的土壤密度，g/cm3；βi為目標含水量；βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

表2 灌水時間及灌水深度計劃表Tab.2 Irrigation time and irrigation depth

注：其中“0”、“-”指地表灌水；平均最大根深由每個生育期的剖根試驗獲得。

1.3 測定項目與方法

土壤含水率采用Diviner2000土壤水分廓線儀[14]定期測定，每隔一周測一次，灌水或降雨前后加測；在每個生育期選擇兩天晴朗天氣，用LI- 6400便攜式光合儀測定各處理冬小麥葉片光合指標；在主要生育期每隔半個月用直尺測量植株株高，同時，測定所有植株葉子的長和寬，計算葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，然后求得葉面積指數(shù)LAI=LA/S(S為試驗筒底面積)。收獲時記錄每根土柱的有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)，然后用天平稱量柱生物量、千粒重以及柱產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

光合數(shù)據(jù)采用與儀器相配套的設(shè)備(數(shù)據(jù)管理器、采集軟件)對數(shù)據(jù)進行讀取和保存，所有數(shù)據(jù)均使用Excel和SPSS 21軟件進行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水深度對冬小麥光合日變化的影響

選取天氣晴朗的典型日(4月28日，抽穗期末)，進行光合日變化的測定，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出：4種灌水方式處理的冬小麥凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度在一天中的變化趨勢基本一致，都呈“M”形的雙峰曲線[見圖1(a)～圖1(c)]，在上午11∶00和下午15∶00出現(xiàn)峰值，13∶00出現(xiàn)谷值，存在明顯的“午休”現(xiàn)象，但是深層灌的午睡現(xiàn)象不如地表灌的明顯；而冬小麥葉片的胞間CO2濃度與凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度有相反的日變化進程，呈“W”形的雙峰曲線，在凈光合速率較高的11∶00和15∶00，胞間CO2濃度則較低，而凈光合速率較低的13∶00，胞間CO2濃度卻較高。這是因為在11∶00和15∶00凈光合速率較高，冬小麥葉片對CO2的利用率也相應(yīng)提高，由于細胞內(nèi)存在阻力，使外界CO2不能及時補充，從而導(dǎo)致胞間CO2濃度在11∶00和15∶00出現(xiàn)谷值。

從圖1還可以看出，深層灌處理的4項光合指標在同一時刻均要比地表灌的要高，且隨灌水深度的增加而增加，以上午11∶00為例，比較如下：T4Pn>T3Pn>T2Pn>T1Pn、T4Tr>T3Tr>T2Tr>T1Tr、T4Cond>T3Cond>T2Cond>T1Cond、T4Ci>T3Ci>T2Ci>T1Ci。深層灌凈光合速率明顯大于地表灌處理，達到第一個峰值時，處理T1、T2、T3較地表灌分別要高11%、17%、27%；蒸騰速率分別高24%、29%、53%；氣孔導(dǎo)度分別高55%、64%、67%；胞間CO2濃度在第一個谷值分別高22%、26%、30%。以上說明深層灌灌水深度越大，對應(yīng)的光合速率越大，有效蒸騰速率也越大，而地表灌較小，因此，深層灌的冬小麥在抽穗期之前的株高、葉面積等各形態(tài)指標增長也比較快。11∶00之后，隨著光照強度的繼續(xù)增大，冬小麥在13∶00左右出現(xiàn)光合午睡現(xiàn)象，之后繼續(xù)增大，在15∶00出現(xiàn)第二個峰值，但是這個峰值沒有第一個峰值大，15∶00以后，隨光照強度的下降，凈光合速率開始下降，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度也開始下降，且灌水深度越大，下降的速率便會越快，17∶00左右，各處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度值接近日最小值，胞間CO2濃度也接近達到日最大值。

圖1 冬小麥抽穗期光合日變化曲線Fig.1 Diurnal variation of photosynthesis of winter wheat in shooting stage

2.2 不同灌水深度處理對冬小麥株高的影響

株高是衡量作物株型狀況是否合理的敏感指標。不同生育期株高除了取決于自身遺傳特性外，也受土壤水分、養(yǎng)分等外部環(huán)境的影響[15]。分別于小麥生長 的140、155、170、185、200、215和230 d測量自植株地面至植株頂端的高度(不連芒高)。每根土柱取3個方向測量，每個處理求平均值，以cm為單位表示的不同灌水深度條件下各處理冬小麥株高具體值見表3和圖2。

表3 不同灌水深度條件下冬小麥的株高 cm

注：表3中字母表示同一測定時期內(nèi)相同項目在P0.05水平上的差異顯著性。

圖2 不同灌水深度條件下冬小麥的株高Fig.2 Plant height of winter wheat under different irrigation depth

由表3可知，各處理冬小麥種后140 d(返青期)株高普遍在18 cm左右，差異并不顯著；種后170 d(拔節(jié)期)植株增長迅速，T4增長最快，株高達54.75 cm，比處理T1、T2、T3分別高4.78、3.75、2.41 cm；等到200 d(抽穗期)，株高T3>T4>T2>T1，T4株高不再最大；在植株成長后期(215～230 d)，各處理成長趨于穩(wěn)定，尤其是T4幾乎不再生長，成熟期株高T3最大，為80.56 cm，最低是T1，為74.25 cm，兩者相差6.31 cm。

對比表3中株高數(shù)據(jù)可知：在返青期之前灌水深度對冬小麥株高的影響都不顯著；拔節(jié)期開始(170 d)，地表灌水和深層灌水之間差異開始顯著，但是3個不同深度處理之間依然差異不顯著；到了灌漿期和成熟期，由于T4的生長速度減慢導(dǎo)致T2、T4兩個處理之間差異性不顯著，但是T4和T1、T3之間差異依然顯著，T3和T1、T2、T4之間差異也顯著。這就說明，在灌水量一定的范圍內(nèi)，株高隨灌水深度的增加而增大，但超過一定深度后，株高便不再隨灌水深度的增加而增大。

進一步采用式(2)形式的冪函數(shù)，對圖2中的冬小麥株高變化曲線進行擬合，擬合結(jié)果見表4。

Y=Alnx+b

(2)

式中：Y為株高，cm；x為冬小麥種植后天數(shù)。

表4 冬小麥株高隨時間變化擬合參數(shù)值Tab.4 The fitting parameter values with the timeof plant height of winter wheat

從表4可以看出，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說明不同深度灌水條件下冬小麥的株高隨時間的分布符合式(2)形式的冪函數(shù)。同時可知，處理T3的參數(shù)A、B和相關(guān)系數(shù)R2均最大，處理T1的參數(shù)A、B最小。

2.3 不同灌水深度處理對冬小麥葉面積指數(shù)的影響

綠葉面積也是作物生長狀況的重要指標，它關(guān)系到作物對光能量的截獲多少，同時展現(xiàn)了作物光合面積范圍的大小，從而可以直接影響到其光合作用、蒸騰作用和最終的產(chǎn)量。已有研究表明土壤水分條件對作物葉面積擴展有很大的影響,并最終影響作物根系發(fā)育和壯苗指數(shù)等作物生長指標[16]，葉面積的大小是影響產(chǎn)量的主要生理指標。小麥生長發(fā)育過程中葉面積指數(shù)的消長動態(tài)，對于選用合理的栽培措施，創(chuàng)造合理的群體結(jié)構(gòu)，增加小麥的產(chǎn)量有著重要的意義[17]。統(tǒng)計分析表明(見表5),小麥葉面積指數(shù)在灌水處理間差異顯著(F=9.137,P=0.005<0.01 )。由圖3可知，整個生育期冬小麥 葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢。相比之下,增加灌水深度可明顯增加葉面積指數(shù),而且灌水深度大的T4葉面積指數(shù)最先達到最大值,但是在生長后期下降迅速,而較低灌水深度處理的T2、T3變化相對穩(wěn)定,尤其在后期能保持較高的葉面積,這說明灌水深度過大會使小麥前期生長旺盛,群體過大,田間提前郁蔽,下部葉片因受光不足而提前衰老,從而導(dǎo)致整個植株后期葉面積迅速下降,不利于小麥植株平穩(wěn)生長,尤其會影響到籽粒的發(fā)育和灌漿,因而合理的灌水深度非常重要。

表5 不同灌水深度條件下冬小麥的葉面積指數(shù)Tab.5 Leaf area index of winter wheat under differentirrigation depth

注：表5中字母表示同一測定時期內(nèi)相同項目在P0.05水平上的差異顯著性。

圖3 不同灌水深度條件下冬小麥的葉面積指數(shù) Fig.3 Leaf area index of winter wheat under different irrigation depth

對圖3中的冬小麥葉面積指數(shù)隨時間的變化曲線采用式(3)形式的多項式進行擬合，擬合結(jié)果見表6。

LAI=Ax2+B-C

(3)

式中：LAI為葉面積指數(shù)；x為觀測日期。

表6 冬小麥葉面積指數(shù)隨時間變化擬合參數(shù)值Tab.6 The fitting parameter values with the time ofleaf area index of winter wheat

從表6可以看出，各處理相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說明不同深度灌水條件下冬小麥的葉面積指數(shù)隨時間的變化曲線符合式(3)形式的多項式。其中由于此試驗的灌溉方式是一種中深層的灌溉方式，擁有獨特的灌溉機理，因此，參數(shù)A隨灌水深度的增加而減小，參數(shù)B和C都是隨灌水深度的增加而增大，且處理T3的相關(guān)系數(shù)最大。

2.4 不同灌水深度處理對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

收獲指數(shù)是作物收獲時經(jīng)濟產(chǎn)量(籽粒)與生物產(chǎn)量之比，又名經(jīng)濟系數(shù)。其生理本質(zhì)反映了碳素從源到子粒庫的分配比例，該性狀一定程度上反映了作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟產(chǎn)品的能力, 是評價作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標。由表7顯示可知，深層灌水會使冬小麥收獲指數(shù)明顯增高，且灌水深度越大，收獲指數(shù)越高，最高達0.36，比對照組(T1)高0.05；同時冬小麥生育期內(nèi)的不同深度灌水都將使產(chǎn)量增加，且隨著灌水深度的增高，產(chǎn)量的增加呈先遞增后減小的趨勢，即中深層的灌水對產(chǎn)量的影響要大于較深層的灌水，即深層灌水(T4)條件下粒粒產(chǎn)量比對照組(T1)的高 20.86%，而中深層灌水(T2和T3)條件下籽粒產(chǎn)量比對照組(T1)的高達28.22%和34.74%，說明在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可顯著提高產(chǎn)量，但是這一深度達到一定的限值后，產(chǎn)量便不再進一步增長。

從產(chǎn)量構(gòu)成來看，4個處理的千粒重差異并不顯著，但是單穗粒數(shù)、柱生物量及柱產(chǎn)量間差異顯著。小麥穗長T1

表7 不同灌水深度條件下小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成Tab.7 Grain yield and components of winter wheat under different irrigation depth

注：小寫拉丁字母表示顯著水平α=0.05。

3 結(jié) 語

對冬小麥所采用不同灌水深度的水分調(diào)控方式是一種中深層的立體灌溉方法，灌水深度作為其中重要的參數(shù)，將對灌溉制度的制定、灌水質(zhì)量的評價起到關(guān)鍵作用。通過對不同灌水深度條件下冬小麥光合日變化、株高、葉面積指數(shù)、籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成的分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)不同灌水深度條件下，冬小麥凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度日變化呈“M”形的雙峰曲線，存在明顯的“午休”現(xiàn)象，而胞間CO2濃度則呈“W”形的雙峰曲線。深層灌的午睡現(xiàn)象不如地表灌的明顯，而且四項光合指標在同一時刻均要比地表灌的要高，并隨灌水深度的增加而增加。

(2)不同灌水深度條件下，隨生育期的推進，冬小麥株高逐漸增大，葉面積指數(shù)也呈先增大后減小的趨勢，而且增加灌水深度可明顯增加株高和葉面積指數(shù),但是灌水深度過大會使植株生長后期株高增長緩慢，葉面積指數(shù)下降速度加快。

(3)不同灌水深度條件下在灌水量一定的前提下，增加灌水深度可顯著提高作物收獲指數(shù)，但是產(chǎn)量并不是隨灌水深度的增加而增加，反而是灌水深度為根系75%的處理畝產(chǎn)量最大。

由于本試驗僅分析一個生長期內(nèi)不同灌溉深度對冬小麥生長及產(chǎn)量的影響，關(guān)于其在不同立地條件下的重現(xiàn)性和相關(guān)作物生長模型的建立有待進一步研究。

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