韓美坤，張 萌，李金鵬，徐學(xué)欣，王云奇，張英華，王志敏

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

播前貯墑量對黑龍港平原旱作冬小麥產(chǎn)量及水分利用的影響

韓美坤，張 萌，李金鵬，徐學(xué)欣，王云奇，張英華，王志敏

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

為明確黑龍港平原正在推廣應(yīng)用的冬小麥貯墑旱作栽培的播前土壤適宜墑情，研究了不同貯墑水平對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響。試驗于2014-2015和2015-2016年在河北吳橋進(jìn)行，通過播前補(bǔ)灌設(shè)置5個貯墑水平，即2 m土體含水量分別為田間持水量的75%(W1)、 80%(W2)、 85%(W3)、90%(W4)、100%(W5)。結(jié)果表明，隨貯墑量的增加，小麥全生育期耗水量顯著增大，以W5處理的耗水量最大；提高貯墑量可促進(jìn)小麥增產(chǎn)，但在貯墑量達(dá)到一定程度后產(chǎn)量變化不再明顯，兩年平均產(chǎn)量以W4處理最大；在W1、W2和W3處理間小麥水分利用效率差異不顯著，而W4和W5處理顯著低于前三個處理。在本試驗土壤及降雨條件下，把播前2 m土壤含水量調(diào)整為田間持水量的85%～90%是貯墑旱作最適宜的貯墑水平。

冬小麥；貯墑量；產(chǎn)量；水分利用效率

Abstract:To evaluate effects of different soil water content before sowing on grain yield and water use characteristics in winter wheat without supplemental irrigation during whole growing season,a field experiment was conducted with five soil relative water content treatments in 0-2 m soil layer by 75%(W1),80%(W2),85%(W3),90%(W4) and 100%(W5) applied before wheat sowing in 2014-2015 and 2015-2016 at Wuqiao,Hebei. The results showed that,with the increase of soil water content before sowing,the total water consumption was increased concomitantly.The high soil water content before sowing could increase wheat grain yield,but the excessive soil water could not concomitantly enhance the yield. The water use efficiency(WUE) showed a trend of increase and then decrease with the increase of soil water content before sowing. The highest yield and WUE were achieved under W4 and W3 treatments,respectively.These results indicated that the optimal soil water content for no-irrigation wheat was 85%-90% of field capacity in the Heilonggang Plain.

Keywords:Wheat; Soil water storage before sowing; Grain yield; Water use efficiency

河北黑龍港平原區(qū)水資源緊缺，每年降雨量的70%以上集中在7-9月份，冬小麥季降水不能滿足其正常生長發(fā)育的需求[1-2]。傳統(tǒng)栽培為了保證冬小麥高產(chǎn)，生育期常灌溉3～4次，灌溉用水主要依靠大量抽取地下水來供應(yīng)，從而產(chǎn)生地下水資源日趨減少、水質(zhì)惡化、地面沉降等生態(tài)環(huán)境問題[3]。近年來推廣應(yīng)用了冬小麥節(jié)水栽培技術(shù)[4-5]，已使小麥春季灌溉次數(shù)減至2水，節(jié)省了灌溉用水，但小麥灌溉用水緊缺局面的緩解依然任重道遠(yuǎn)。

底墑對旱地小麥生長發(fā)育有重要影響[6-8]。在底墑充足的條件下，冬小麥生育期受旱后仍能獲得較好的產(chǎn)量[8-10]。上官周平等[11]認(rèn)為，在黃土旱塬，底墑是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，生育期降雨對作物產(chǎn)量形成至關(guān)重要。合適的底墑能夠增強(qiáng)冬小麥早期生長勢，增加冬前植被覆蓋率，減少土壤蒸發(fā)[12]；通過促進(jìn)根系橫向伸展和縱向伸長，使小麥吸收更多的水分和養(yǎng)分[13]；增加分蘗數(shù)，提高成穗率，累積更多的干物質(zhì)，增加潛在籽粒庫容[14]；底墑供水能夠持續(xù)到灌漿后期，配合合適的肥料基施，增強(qiáng)對土壤貯水的有效利用，提高氮素利用效率[14-15]；花后干旱可促進(jìn)同化物和氮素轉(zhuǎn)運，對維持籽粒產(chǎn)量、提高品質(zhì)具有重要意義[16-17]。近年來，針對黑龍港平原地下水嚴(yán)重超采區(qū)節(jié)灌壓采的現(xiàn)實需求，我們把旱地小麥栽培技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合，研究提出了冬小麥貯墑旱作栽培模式，即在小麥播種前澆足底墑水(貯墑)，生育期內(nèi)不再灌溉，充分利用土壤水和降水實現(xiàn)小麥豐產(chǎn)高效。多年定位試驗[18]表明，澆足底墑水、生育期不灌水的貯墑旱作模式可使小麥穩(wěn)定獲得6 000～7 500 kg·hm-2產(chǎn)量。目前，冬小麥貯墑旱作栽培模式正在地下水嚴(yán)重超采區(qū)示范應(yīng)用，但有關(guān)貯墑旱作小麥產(chǎn)量形成特征與水分利用特性研究尚少，為促進(jìn)該項技術(shù)的推廣，需要進(jìn)一步明確黑龍港平原生態(tài)條件下貯墑旱作冬小麥播前合適的貯墑量及其效應(yīng)。為此，本研究探討了不同播前貯墑量對冬小麥產(chǎn)量、耗水特性和水分利用效率的影響，以期為貯墑旱作小麥適宜貯墑量的確定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2014-2015和2015-2016年在河北黑龍港平原區(qū)吳橋縣姚莊村(116°37′E，37°41′N)進(jìn)行。該地海拔14～22 m。試驗地土壤為壤質(zhì)潮土，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量10.4 g·kg-1，全氮含量0.98 g·kg-1，堿解氮含量60.23 g·kg-1，速效磷含量39.5 g·kg-1，速效鉀含量92 g·kg-1。0～200 cm 土體自上而下每20 cm土層對應(yīng)的土壤容重分別為1.35、1.38、1.43、1.41、1.44、1.46、1.45、1.42、1.42和1.42 g·cm-3。田間持水量和萎蔫點在0～80 cm土層分別為22.2%和6.5%，在80～140 cm土層分別為23.8%和10.2%，在140～200 cm土層分別為29%和11.3%。2個小麥季降水分布見表1。

2年試驗處理一致，設(shè)置5個播前2 m土體貯墑水平處理，分別為相對含水量(土壤含水量/田間持水量)75%、80%、85%、90%和100%。根據(jù)前茬夏玉米收獲后土壤墑情和設(shè)定的目標(biāo)貯墑水平確定播前底墑水灌溉量，使之達(dá)到目標(biāo)土壤含水量。實際貯墑水平見表2。供試小麥品種為石麥15。2014-2015和2015-2016年小麥分別在10月19日和10月14日播種，播種量均為270 kg·hm-2。各處理均底施磷酸二銨(含氮18%)300 kg·hm-2、尿素(含氮46%)273.9 kg·hm-2、鉀肥(K2O)225 kg·hm-2和鋅肥(ZnSO4)30 kg·hm-2，小麥生長期不再施肥。其他田間管理措施按小麥節(jié)水栽培技術(shù)[5]進(jìn)行。

表1 2014-2015和2015-2016年冬小麥生長季降水分布Table 1 Distribution of rainfall during growing seasons of winter wheat in 2014-2015 and 2015-2016 mm

1.2 測定項目

1.2.1 土壤水分含量測定

在播前和不同生育時期，用土鉆在0～200 cm土體分層取土樣，每20 cm為一層，用烘干法測定土壤含水量。計算耗水量(WCA)、耗水模系數(shù)、耗水強(qiáng)度和土壤有效水含量。

WCA=ΔS+Pr+I-R-D+C；耗水模系數(shù)=生育階段耗水量/全生育期總耗水量×100%；耗水強(qiáng)度=生育階段耗水量/生育期持續(xù)天數(shù); 土壤有效水含量=土壤貯水量-萎蔫點含水量。

公式中，ΔS為土壤貯水消耗量(播種時與成熟時或生育階段前、后土壤含水量之差)，Pr為降水量，I為灌溉量，R為地表徑流量，D為深層滲漏量，C為毛細(xì)管水利用量。在本試驗中，生育期內(nèi)沒有灌溉和地表徑流，地下水位低于9 m，所以I、R、D、C均設(shè)為0 mm。

1.2.2 產(chǎn)量測定

在冬小麥成熟后，每小區(qū)取2 m2代表性樣點，脫粒測產(chǎn)，籽粒含水率按13%計。灌溉水生產(chǎn)力=產(chǎn)量/播前灌溉量；水分利用效率=產(chǎn)量/總耗水量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析和處理間差異顯著性檢驗(LSD法)。

表2 2014-2015和2015-2016年不同處理冬小麥播前灌溉量2 m土體貯墑量和有效水含量Table 2 Storable water content and available water content of 2 m soil before sowing under five water treatments in 2014-2015 and 2015-2016 growing seasons of wheat

2 結(jié)果與分析

2.1 播前貯墑量對旱作冬小麥產(chǎn)量的影響

方差分析表明，年份及播前貯墑量對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均影響顯著，在產(chǎn)量、穗數(shù)及穗粒數(shù)上年份與播前貯墑量的交互作用也顯著。2015-2016 年度播期較早，小麥產(chǎn)量均高于2014-2015年(表3)。2個年度的小麥產(chǎn)量均隨播前貯墑量的增加而增加，但增加到一定程度時產(chǎn)量變化不再明顯。2年的平均產(chǎn)量以W4處理最高。各產(chǎn)量構(gòu)成因素也隨貯墑量增加呈現(xiàn)出與產(chǎn)量相似的變化趨勢，但收獲指數(shù)則呈現(xiàn)出降低趨勢。

表3 播前貯墑量對旱作冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of different soil water treatments before sowing on yield,yield components,and harvest index under no irrigation condition

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一生長季不同處理間有顯著差異(P<0.05)。下表同。

Values fallowed by different letters within same columns are significantly different among treatments in same growth season at 0.05 level.The same in other tables.

表4 播前貯墑量對旱作冬小麥不同生育階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of different soil water content before sowing on water consumption amount,percent,and intensity at different growth stages under no irrigation condition

WCA、WCP和WCD分別指耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度。

WCA,WCP and WCD refer to the amount,percent,and intensity of water consumption,respectively.

2.2 播前貯墑量對小麥不同生育階段耗水特性的影響

播前貯墑量對冬小麥各生育階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度均具有顯著影響。本試驗把底墑水歸為土壤貯水，生育期內(nèi)沒有灌溉，耗水量主要由降雨和土壤水消耗量構(gòu)成。2年的試驗結(jié)果表明，隨播前土壤貯水量的增加，小麥各生育階段耗水量及全生育期總耗水量均增加(表4)。由于2個年份播期和降水分布有所不同，小麥各生育階段耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度在年份間也存在差異，但階段耗水強(qiáng)度均以開花至成熟期最高，拔節(jié)至開花期次之，播種至拔節(jié)期較小。隨著貯墑量的增加，階段耗水強(qiáng)度也增加，且全生育期的耗水強(qiáng)度在處理間差異顯著。

2.3 不同貯墑量下土壤水的消耗特征及利用特性

2.3.1 不同貯墑量下土壤有效水含量的變化

由表5可以看出，隨著生育期的推進(jìn)，土壤有效水含量逐漸減少，且小麥播前土壤貯墑量越高，各生育階段土壤有效水消耗量越大。在2014-2015年度，W1、W2、W3、W4和W5處理全生育期土壤有效水累積消耗量分別為162、183、206、235和298 mm，2015-2016年度則分別為170、190、228、262和300 mm。2年度土壤水消耗量最大的時期均為開花到成熟期。冬小麥成熟后，土壤有效水殘留量隨貯墑量的增加而增加，2個年度不同處理平均有效水殘留值分別為128和116 mm。由此可見，增大播前土壤貯墑量在增加小麥對土壤水分消耗的同時，也提高了小麥?zhǔn)斋@后土壤含水量。

2.3.2 土壤水消耗的空間分布及對相關(guān)特性的影響

冬小麥在整個生育期對2 m土體不同土層的水分均有利用，且耗水量隨土層深度的增加呈減少趨勢；貯墑量越多，各土層耗水量也越多，且處理間的差異隨土層的下移而減少(表6)。不同處理平均而言，0～140 cm的耗水量占全生育期2 m土體土壤水總消耗量的80%～90%。

隨著貯墑量的增加，土壤貯水消耗量逐漸增加，消耗量占土壤總貯水量和有效水貯量的比例均逐漸提高(表7)。2年中，土壤水消耗量占貯水量的平均比例為37%，占有效水量的平均比例為65%。土壤貯水消耗量占總耗水量的比例為53%～69%，也隨播前貯墑量的增加而增加。

表5 播前貯墑量對旱作冬小麥不同生育時期土壤有效水含量的影響Table 5 Effect of different soil water treatments before sowing on available water content in soil under no irrigation condition mm

括號中的數(shù)據(jù)為有效水累計消耗量。

The amount of accumulated soil water consumption during growth stage was shown in bracket.

表6 播前貯墑量對旱作冬小麥2米土體不同土層有效水消耗量的影響Table 6 Effect of different soil water content before sowing on water consumption amount in various soil layers of wheat under no irrigation condition

3 討 論

旱地雨養(yǎng)小麥的水分來源是底墑水和生育期降水，在降水少的西北旱區(qū)，播前土壤底墑直接影響小麥產(chǎn)量豐歉。因此，增加底墑并充分利用土壤水和降水一直是旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的重要研究方向[19-22]。華北是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，以冬小麥-夏玉米一年兩熟為主要種植制度，但由于降水量不足和季節(jié)分配不均，冬小麥長期依靠超采地下水維持高產(chǎn)[23]。為了減少地下水超采，對于地下水嚴(yán)重超采的河北黑龍港地區(qū)，推行冬小麥節(jié)水技術(shù)，發(fā)展旱作雨養(yǎng)種植是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的重要方向。

表7 貯墑量對旱作冬小麥土壤貯水利用的影響Table 7 Effect of different soil water content before sowing on consumption of soil water in wheat under no irrigation condition %

表8 播前貯墑量對旱作冬小麥耗水構(gòu)成、灌溉水生產(chǎn)力和水分利用效率的影響Table 8 Effect of different soil water content before sowing on water consumption,irrigation water productivity and water use efficiency of wheat under no irrigation condition

考慮到該區(qū)域一年兩熟資源利用特點和冬小麥播前底墑的不確定性，為保證小麥正常出苗、安全越冬和維持適度高產(chǎn)，我們認(rèn)為通過播前灌溉調(diào)整土壤貯水，確保足夠底墑是必要的，在此基礎(chǔ)上可于生育期內(nèi)實施旱作栽培。此種“貯墑旱作”模式既不同于西北一熟地區(qū)的純旱作模式，也不同于華北兩熟區(qū)現(xiàn)行春季補(bǔ)灌的節(jié)水灌溉模式，可以在大幅度減少灌溉用水的同時獲得較高產(chǎn)量[18]。冬小麥根系可深扎2 m，2 m的土層是個龐大的土壤水庫。從本試驗土壤類型看，2 m土體有效水貯量最高可達(dá)443 mm。2年的試驗結(jié)果表明，隨著播前土壤貯墑量的增加，旱作小麥的產(chǎn)量也增加，當(dāng)土壤貯墑量達(dá)田間持水量的90%(W4)左右時，旱作小麥的產(chǎn)量也達(dá)到最高值。因此，播前調(diào)整土壤貯水使其達(dá)到足墑水平，對于旱作高產(chǎn)是必要的。

在貯墑旱作模式下，由于降水的不確定性，土壤貯水的多少對耗水量有決定性影響。從本試驗結(jié)果看，不同貯墑量下小麥的耗水量有很大差異，貯墑量越多，耗水量越大，2年度不同處理耗水量范圍分別為308～444 mm(2014-2015)、305～434 mm(2015-2016)。處理間耗水量的差異性，從時間上看在各生育階段均有顯著表現(xiàn)，從空間上看則主要表現(xiàn)在上層土壤。播前貯墑量少，各階段水分利用少，會影響干物質(zhì)生產(chǎn)，特別是小麥生育中期較早出現(xiàn)上層土壤水分虧缺，影響成穗數(shù)并降低穗粒數(shù)，水分持續(xù)嚴(yán)重虧缺還會降低千粒重，從而導(dǎo)致低產(chǎn) (如W1、W2處理)。但播前貯墑量過高的W5處理的耗水強(qiáng)度大，在時間(各生育階段)和空間上(主要是0～160 cm)的耗水量均顯著高于其他處理。由于播種至拔節(jié)期冠層覆蓋度小，該階段的耗水中屬于無效蒸發(fā)的耗水比例較大，因此，此階段耗水量過多會造成土壤水較多的浪費，影響水分利用效率[24-25]。2年度的水分利用效率在W1、W2、W3三個處理間差異不大，W3處理最高，再增加貯墑量，水分利用效率降低，與W3處理相比，W5處理的水分利用效率下降16.3%?？梢?，隨貯墑量的增加，產(chǎn)量也增加，但產(chǎn)量最高值并不是在貯墑量最高值獲得的；過低的貯墑量不能獲得較高的產(chǎn)量，但過高的貯墑量增加了總耗水量和無效耗水量，水分利用效率降低?？梢?，貯墑旱作小麥高產(chǎn)和高水分利用效率并不完全一致。在本試驗條件下，播前貯墑量達(dá)田間最大持水量的85%～90%時小麥獲得最高產(chǎn)量和較高水分利用效率，此為適宜的貯墑水平。

合適的貯墑量為保障冬小麥正常越冬提供適宜的土壤水分環(huán)境，小麥返青后隨著土壤水分從上到下不斷被吸收利用，表層水分虧缺促進(jìn)根系深扎，促使小麥開花后利用深層地下水，保障小麥完成整個生育期，穩(wěn)定小麥產(chǎn)量，提高土壤水分利用率[26-28]。本研究中兩年均值表明，隨貯墑量的增加，2 m土體每層貯水的消耗量增加，就整個土體而言，從W1～W2、W2～W3、W3～W4、W4～W5，土壤貯墑量分別增加37、36、34、70 mm，對土壤水的利用分別增加20、31、31、51 mm，即增加的土壤水未被完全利用，冬小麥成熟時2 m土體殘留的有效水量仍分別有101、117、122、125、144 mm，貯墑量越高，收獲后殘留的土壤水分也越多。這說明，即使生育期內(nèi)不灌溉，2 m土體有效水也不能完全被利用，小麥對土壤水的利用尚有很大潛力可挖。在華北一年兩熟區(qū)，降雨主要集中在7-9月份，通常年份夏秋降雨超過了當(dāng)時作物需水，為了避免多余的水分流失，需要有較大的土壤空庫容接納雨水。小麥貯墑旱作充分利用土壤水，麥?zhǔn)蘸篁v出了足夠大的庫容，對提高周年降水的利用效率具有重要作用[18,23]。

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InfluenceofDifferentSoilWaterStoragebeforeSowingonYieldandWaterUseEfficiencyofWinterWheatintheHeilonggangPlain

HANMeikun,ZHANGMeng,LIJinpeng,XUXuexin,WANGYunqi,ZHANGYinghua,WANGZhimin
(College of Agronomy,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

時間：2017-09-13

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170913.1139.012.html

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)09-1201-08

2017-02-02

2017-03-21

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300401)；國家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS301)

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王志敏(E-mail:zhimin206@263.com )