成　林， 劉榮花

(1.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南鄭州 450003)

黃淮麥區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，該區(qū)域熱量和光照條件充足，灌溉條件便利，是我國生態(tài)條件最適宜冬小麥生長的地區(qū)[1]，冬小麥種植面積和總產(chǎn)量居全國各區(qū)域首位，對我國糧食總產(chǎn)有重要貢獻(xiàn)。然而，該區(qū)域有較強(qiáng)的氣候過渡性特征，降水分布不均，大部分年份自然降水不能滿足冬小麥正常生長的水分需求，灌溉是冬小麥高產(chǎn)的重要保證。

近年來針對灌溉農(nóng)區(qū)生產(chǎn)，在不同生育期灌溉對小麥光合特性[2]、養(yǎng)分吸收積累、水分利用效率[3-4]、籽粒品質(zhì)、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成的影響，以及如何實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉[5]、提高水分利用效率[6]方面的研究已取得了顯著成果。以小麥抗旱高產(chǎn)為目的，研究學(xué)者根據(jù)冬小麥不同生育期需水特征和不同麥區(qū)的氣候特征，已明確了冬小麥灌溉需水的關(guān)鍵期[7]，朱津輝等利用WOFOST模型對河北保定3個(gè)不降水年型冬小麥灌溉時(shí)期的模擬證明，冬小麥拔節(jié)至孕穗期，以及抽穗至灌漿期2個(gè)時(shí)期灌溉對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最高[8]；譚念童等通過田間試驗(yàn)手段，證實(shí)了拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期灌水是影響作物葉片光合作用最重要的時(shí)期[9-11]。在灌溉量的研究方面，多針對高產(chǎn)節(jié)約和提高水分利用效率，既有通過需水量和降水量的差值計(jì)算灌溉需水量的技術(shù)方法[12]，也可通過測墑補(bǔ)灌技術(shù)測算理論灌溉量[13-14]，一般認(rèn)為黃淮麥區(qū)不同生育期灌溉量在50～70 mm為宜[15]。因此，目前在冬小麥生產(chǎn)中關(guān)于哪個(gè)生育期灌溉、需灌溉多少水量都已有較明確的結(jié)論[16]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，具體的灌溉時(shí)間多具有隨機(jī)性和盲目性，現(xiàn)有成果中關(guān)于灌溉時(shí)期的分析多針對大的生育期，而對于該生育期內(nèi)最優(yōu)灌溉日期的成果尚不多見，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化需求。本研究利用DSSAT-CERES Wheat模型在田間管理方面的優(yōu)勢，考慮冬小麥需水關(guān)鍵期和傳統(tǒng)灌溉習(xí)慣，開展不同生育期、不同灌溉日期對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的模擬研究，從產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性等角度分析最佳灌水時(shí)機(jī)，為開展精細(xì)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)指導(dǎo)提供科學(xué)依據(jù)。

1　資料與方法

1.1　資料來源

在黃淮地區(qū)選擇氣候特征不同、種植品種屬性有一定差異的河南新鄉(xiāng)(35°19′N，113°53′E)、河南商丘(34°27′N，115°40′E)、江蘇徐州(34°17′N，117°09′E)和安徽蒙城(33°17′N，116°32′E)為代表站點(diǎn)。1981—2010年代表站逐日平均氣溫(℃)、降水量(mm)、最低氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn/)，1981—2010年冬小麥發(fā)育期觀測資料源于各省氣象局，歷史產(chǎn)量資料源于統(tǒng)計(jì)部門。各土壤層的深度、質(zhì)地、全氮含量、土壤容重、pH值以及有機(jī)碳含量和陽離子交換量等土壤數(shù)據(jù)，來源于《中國土種志》[17]。

1.2　作物模型

農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移決策支持系統(tǒng)DSSAT(Decision Support System for Agrotechnology Transfer)由農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移國際基準(zhǔn)網(wǎng)IBSNAT(International Benchmark Sites Network for Agrotechnoloy Transfer)開發(fā)研制，該系統(tǒng)支持下的CERES Wheat模型，近年來已被我國學(xué)者證實(shí)可適用于大部分冬小麥生產(chǎn)區(qū)[18-19]。在建立作物管理文件、土壤文件和氣象數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上，采用DSSAT V4.5中的的GLUE模塊對作物品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，采用歸一化均方根誤差、一致性指數(shù)[20]及模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M效果。

(1)

(2)

(3)

1.3　冬小麥主要生育階段水分虧缺量

冬小麥生長某一時(shí)段的水分虧缺量(mm)用D表示：

D=Kc×ET0-P。

(4)

式中：Kc為作物系數(shù)，采用方文松等推薦的數(shù)據(jù)[21]計(jì)算；ET0為某時(shí)候的潛在蒸散量(mm)，采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算[22]。

1.4　模擬方案

由于冬小麥生育期內(nèi)水分虧缺情況各異，越冬期氣溫條件不同，各地形成了不同的農(nóng)業(yè)灌溉習(xí)慣，如新鄉(xiāng)、商丘站一般全生育期灌溉3次，即越冬水、拔節(jié)水和抽穗灌漿水，徐州和蒙城地區(qū)大部分年份以灌返青水和抽穗水為主。為區(qū)分不同生育期內(nèi)不同灌溉日期的影響，模擬設(shè)定小麥全生育期僅灌水1次，具體灌溉時(shí)間：將新鄉(xiāng)和商丘站該生長年度的越冬開始日期、拔節(jié)普遍期和抽穗普遍期分別記為W、J和T，灌溉日期以5 d為間隔，分別模擬W-20 d至W+20 d，J-20 d至J+20 d，T-20 d至T+20 d灌溉的影響；將徐州和蒙城站返青普遍期記為G，抽穗普遍期也記為T，分別模擬G-20 d 至G+20 d以及T-20 d至T+20 d灌溉的影響。灌溉量均設(shè)為60 mm。各處理以該發(fā)育期普遍期當(dāng)日灌溉為對照。

采用相對變化率定量評(píng)價(jià)不同灌溉日期對產(chǎn)量或產(chǎn)量構(gòu)成要素的變化幅度：

(5)

Ywi是第i個(gè)灌溉日期處理影響的產(chǎn)量或產(chǎn)量構(gòu)成要素的相對變化率，Yi是第i個(gè)灌溉日期處理影響的產(chǎn)量或產(chǎn)量構(gòu)成要素值，YCK是其對應(yīng)的對照值。

將某一站點(diǎn)同一發(fā)育期灌溉處理的產(chǎn)量進(jìn)行排序，采用累計(jì)百分位法分別計(jì)算10%、25%、75%和90%百分位對應(yīng)的產(chǎn)量值，利用箱形圖分析產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

2　結(jié)果與分析

2.1　模型適應(yīng)性驗(yàn)證

利用各站連續(xù)3年的作物資料對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)調(diào)試后的模型參數(shù)，分別利用新鄉(xiāng)2004—2009年、商丘2005—2010年、蒙城1995—2000年，以及徐州1995—1999年模型模擬的開花期、成熟期及實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證，資料驗(yàn)證年份與參數(shù)調(diào)試年份無重合。發(fā)育期模擬效果是本研究開展的前提，從圖1和表1可以看出，各站開花期和成熟期的模擬值相對均方根誤差在2%以內(nèi)，符合度和相關(guān)系數(shù)接近于1，產(chǎn)量模的均方根誤差均小于9%，其他參數(shù)也在可接受范圍內(nèi)。

2.2　冬小麥主要生育階段水分虧缺量

從圖2可以看出，各代表站點(diǎn)冬小麥主要生育期多年平均水分虧缺量變化趨勢基本一致，水分虧缺量分蘗—返青前變化平穩(wěn)，新鄉(xiāng)和商丘站11月中旬至次年2月上旬的平均水分虧缺量分別為71.2 mm和59.0 mm，而徐州和蒙城站為50.9 mm和45.7 mm。2月中下旬返青以后水分虧缺量迅速增加，返青至拔節(jié)期前后(2月中旬至3月下旬)各站的水分虧缺在45～65 mm之間，而抽穗(4月中旬)至灌漿盛期(5月上旬)的水分虧缺在55～76 mm之間。因此按多年平均 60 mm 灌溉量可基本滿足關(guān)鍵生育階段的水分供給。

表1　代表站點(diǎn)冬小麥開花期、成熟期與產(chǎn)量的模擬值與觀測值的統(tǒng)計(jì)比較

2.3　不同灌溉時(shí)間的產(chǎn)量平均變化率

商丘和新鄉(xiāng)站返青前水分虧缺量相對大，且冬季氣溫相對較低，因此該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上形成了冬灌的習(xí)慣。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌溉時(shí)間間隔為5 d對產(chǎn)量的影響卻十分明顯，不同處理產(chǎn)量的變幅可達(dá)±15%。越冬期(圖3-a)，商丘和新鄉(xiāng)站越冬后灌溉的產(chǎn)量明顯高于越冬前，且越冬前灌溉時(shí)間越早，產(chǎn)量越低；越冬后，新鄉(xiāng)站W(wǎng)+10 d處理產(chǎn)量最高，隨著時(shí)間后移氣溫降低，產(chǎn)量有所降低；商丘站W(wǎng)+15 d處理產(chǎn)量最高。表明越冬后灌溉對提高產(chǎn)量有利，但灌溉時(shí)間不宜過晚，易出現(xiàn)凍害風(fēng)險(xiǎn)，以進(jìn)入越冬期后5～15 d為宜。

蒙城和徐州站返青期不同日期灌溉產(chǎn)量的變化趨勢與越冬水相似(圖3-b)，即返青后灌溉對產(chǎn)量的形成更為有利，但對產(chǎn)量的影響率僅在5%以內(nèi)。返青后灌溉產(chǎn)量明顯高于返青前灌溉處理。與返青當(dāng)日灌溉相比，蒙城站G+10 d處理有較高的增產(chǎn)率，徐州站的增產(chǎn)率與返青后灌溉時(shí)間的關(guān)系不明顯。

拔節(jié)期不同日期灌溉的產(chǎn)量變化趨勢與越冬期、返青期相反(圖3-c)，商丘和新鄉(xiāng)兩站產(chǎn)量隨著灌溉時(shí)間的推遲而大幅減產(chǎn)，J+20 d處理商丘和新鄉(xiāng)較拔節(jié)普遍期當(dāng)日灌溉分別減產(chǎn)17.7%和11.1%。拔節(jié)前5～15 d灌溉兩站產(chǎn)量增加0.9%～5.6%，最大產(chǎn)量商丘和新鄉(xiāng)分別出現(xiàn)在J-10 d和 J-5 d。

抽穗不同日期灌溉導(dǎo)致的產(chǎn)量相對變化率最大(圖4)，4個(gè)代表站一致表現(xiàn)為灌溉時(shí)間越早，產(chǎn)量越高。T-20 d灌溉，各站的平均產(chǎn)量變化率達(dá)21.09%，而抽穗期以后5～15 d 再灌溉則明顯減產(chǎn)，T+15 d處理各站的平均產(chǎn)量變化率為-9.8%，T+20 d處理灌溉產(chǎn)量的相對變化率與T+15 d 處理接近，減產(chǎn)率不再明顯增加。

2.3　不同灌溉時(shí)間產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化

單位面積穗密度、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量是產(chǎn)量構(gòu)成的3個(gè)重要因素，不同灌溉日期產(chǎn)量變化主要受產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化的影響。從越冬期2個(gè)站點(diǎn)的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來看，W-20 d處理，兩站密度減小12.2%～14.2%，隨著灌溉時(shí)間延后至越冬后5～10 d，群體密度達(dá)最大值，商丘和新鄉(xiāng)密度較越冬當(dāng)日灌溉分別增加7.0%和4.1%。模擬數(shù)據(jù)顯示，越冬后灌溉對穗粒數(shù)增長有一定作用，但平均變化率僅在1%左右。千粒質(zhì)量的變化可以忽略(表1)。結(jié)合圖3-a來看，越冬期灌溉適當(dāng)延遲利于群體密度的提高， 越冬普遍期前后不同日期灌溉處理密度的變化量級(jí)與產(chǎn)量的變化率相當(dāng)，是影響產(chǎn)量變化的主要因素。

在灌水的情況下，返青期灌水同時(shí)影響群體密度與穗粒數(shù)(表2、表3)，但返青日前后灌水蒙城與徐州站冬小麥產(chǎn)量各要素的變幅相對較小；與返青普遍期當(dāng)日灌水相比，返青前處理密度的變化相對小，負(fù)變化率最大值-1.2%出現(xiàn)在徐州的G-20 d處理；而返青后灌溉可以提高分蘗成穗率，既有利于群體穗密度的增加，也利于單穗粒數(shù)的增加。返青后，同一站點(diǎn)的穗粒數(shù)變化率均大于密度的變化率。返青前灌溉處理的密度與穗粒數(shù)的變化有正有負(fù)，而返青后灌溉有利于促進(jìn)群體有效穗的增加，也利于單穗粒數(shù)的增加。返青期灌溉處理千粒質(zhì)量變化率在0.1%左右，可忽略。因此，返青后灌溉對產(chǎn)量形成更為有利，而返青普遍期后灌溉的時(shí)機(jī)選擇有較強(qiáng)的靈活性。

拔節(jié)期灌溉對產(chǎn)量三要素均有一定程度的影響。其中，拔節(jié)前灌溉比拔節(jié)當(dāng)日灌溉更有利于穗粒數(shù)的提高，商丘和新鄉(xiāng)站均在J-15 d處理灌溉時(shí)穗粒數(shù)最大，分別增加 5.65% 和1.81%；而隨著灌溉時(shí)間的推遲，穗粒數(shù)明顯降低，到拔節(jié)后20 d，穗粒數(shù)可減少20%以上。拔節(jié)普遍期以前灌溉，對群體密度的影響很小，而過了拔節(jié)普遍期以后再灌溉，出現(xiàn)有效穗密度減少的趨勢，這可能與前期水分供給不及時(shí)影響成穗有關(guān)。從表2、表3還可以看出，拔節(jié)期灌溉對提高千粒質(zhì)量也有一定的促進(jìn)作用。

表2　商丘和新鄉(xiāng)灌溉處理產(chǎn)量結(jié)構(gòu)相對變化率　%

模擬發(fā)現(xiàn)，抽穗不同時(shí)期灌溉，對產(chǎn)量三要素均有影響，其中，群體密度隨著灌溉時(shí)間推后減小，抽穗前灌溉處理群體增加，抽穗后灌溉密度減小。千粒質(zhì)量隨著灌溉時(shí)間的推后而增加，相對于抽穗普遍期當(dāng)日灌溉，過早灌溉對千粒質(zhì)量沒有促進(jìn)作用；各站各處理的千粒質(zhì)量均在T+15 d時(shí)達(dá)到最大值，千粒質(zhì)量的增幅在1.6%～12.2%之間，表明抽穗后 15 d 之內(nèi)灌水對提高粒重最為有利。

穗粒數(shù)的變化趨勢與千粒質(zhì)量相反。抽穗前，即孕穗期灌溉，有利于減少小花的退化，提高結(jié)實(shí)率，增加穗粒數(shù)，而抽穗后再灌溉，這種促進(jìn)作用減弱。結(jié)合產(chǎn)量的變化率看，抽穗前灌水增重的主要原因，是穗粒數(shù)的明顯增加。而抽穗后灌水雖然千粒質(zhì)量增加，但穗粒數(shù)的減少導(dǎo)致產(chǎn)量仍較抽穗當(dāng)日灌溉偏低。

表3　蒙城和徐州灌溉處理產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化率　%

2.4　不同灌溉時(shí)間的產(chǎn)量穩(wěn)定性分析

將累計(jì)百分位25%～<75%之間的產(chǎn)量區(qū)間定義為穩(wěn)產(chǎn)區(qū)間，75%～90%的產(chǎn)量區(qū)間為高產(chǎn)區(qū)間，累計(jì)百分位10%～<25%為低產(chǎn)區(qū)間。各區(qū)間分布范圍越大，表明產(chǎn)量離散程度越高，變異性越大，各區(qū)間分布越密集，表明產(chǎn)量的穩(wěn)定程度高。

從圖5可以看出，越冬普遍期前后灌溉，穩(wěn)產(chǎn)區(qū)間變化不大，但越冬前后5 d內(nèi)灌溉的，25%～<75%的區(qū)間相對更集中，表明接近越冬期灌溉易獲得穩(wěn)產(chǎn)。W+5 d至W+15 d處理，高產(chǎn)區(qū)間較大，也在一定程度上表明進(jìn)入越冬后，在某些年份推遲灌溉出現(xiàn)高產(chǎn)的可能性較大。

返青前后不同產(chǎn)量區(qū)間的變化不大，2個(gè)站的共同特點(diǎn)是返青后灌溉處理的25%～<75%產(chǎn)量區(qū)間增大，從表3可以發(fā)現(xiàn)，返青后灌溉對產(chǎn)量三要素的影響相對更明顯，因此產(chǎn)量的波動(dòng)性也增加。拔節(jié)前灌溉處理，商丘和新鄉(xiāng)站的穩(wěn)產(chǎn)區(qū)間相對緊湊，除商丘J-20 d處理高產(chǎn)區(qū)間相對較大外，拔節(jié)以前的灌溉處理產(chǎn)量均相對穩(wěn)定。拔節(jié)后，低產(chǎn)區(qū)域增大，表明出現(xiàn)低產(chǎn)的可能性更高。同時(shí)，25%～<75%產(chǎn)量區(qū)間的間隔增大，表明拔節(jié)以后灌水產(chǎn)量年際間波動(dòng)性大于拔節(jié)前。

抽穗的不同時(shí)期灌溉，穩(wěn)產(chǎn)區(qū)間的變化比其他時(shí)期處理穩(wěn)定(圖6)。各站的產(chǎn)量波動(dòng)區(qū)間存在差異，但共同點(diǎn)是，抽穗前灌溉處理的高產(chǎn)區(qū)間大于低產(chǎn)區(qū)間，隨著灌溉時(shí)間的推后，這種可能獲得高產(chǎn)的區(qū)間減小?？梢钥闯觯樗肫诠喔葧r(shí)間不同對穩(wěn)產(chǎn)的影響相對小，但提早灌溉能夠高產(chǎn)的概率較高。

3　結(jié)論與討論

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)楣喔热掌谙嗖畈淮?，引起的產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)差異往往被忽視。從已有的分析結(jié)果來看，灌溉日期的細(xì)化的確對小麥生長有一系列影響[23-25]。在無凍害的年份，冬小麥越冬普遍期后15 d以內(nèi)灌溉，有利于構(gòu)建更合理的群體和提高產(chǎn)量；返青期灌溉宜遲不宜早，在返青后5～15 d內(nèi)灌溉最佳，過晚灌溉對獲得穩(wěn)產(chǎn)不利；拔節(jié)水適宜早灌，對提高有效密度和穗粒數(shù)均有利，抽穗前后不同日期對穩(wěn)產(chǎn)的影響不大，但提早15 d灌溉對提高產(chǎn)量有利，這對于開展精細(xì)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)有積極意義。

本研究中越冬普遍日期以連續(xù)5 d滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃為依據(jù)，另一方面，CERES Wheat模型中并沒有對越冬日期的模擬，因此本研究分析的越冬期最優(yōu)灌溉日期可能與大田實(shí)際情況不完全相符，但已有一些試驗(yàn)分析認(rèn)為進(jìn)入越冬期后5～10 d灌溉利于最終群體密度的增加[26-27]。結(jié)合王文佳等[28]、楊林林等[29]的研究成果來看，返青期適當(dāng)晚灌利于促進(jìn)春生分蘗生長，并可避免過早灌溉氣溫偏低形成凍害。而拔節(jié)期適宜提前5～10 d早灌，偏晚灌溉則穗粒數(shù)明顯下降，主要原因是拔節(jié)前正是小花分化、雌雄蕊分化的關(guān)鍵時(shí)期，對于極易發(fā)生春旱的黃淮麥區(qū)，拔節(jié)前有效的水分補(bǔ)充才能確保籽粒的形成，錯(cuò)過最佳灌溉時(shí)機(jī)，則穗粒數(shù)大幅下降。淮麥區(qū)因冬季低溫風(fēng)險(xiǎn)低、冬前水分虧缺量相對小等原因一般不灌越冬水，返青期晚灌的作用與豫麥區(qū)拔節(jié)水早灌的效果相當(dāng)。小麥需水的臨界期一般出現(xiàn)在孕穗前[30]，水分不足主要影響小花退化不孕，減少穗粒數(shù)，抽穗前灌溉的模擬結(jié)果即反映出對穗粒數(shù)的貢獻(xiàn)，這與前人的研究結(jié)果[31-32]一致。灌漿期水分主要影響千粒質(zhì)量[33]，但過晚灌溉，水分增質(zhì)量的效果減弱，還可能增加后期倒伏的風(fēng)險(xiǎn)。但抽穗期前后灌溉對產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響最小，可能的原因是大多數(shù)年份抽穗灌漿期均存在水分虧缺的現(xiàn)象，受年型變化影響相對小。本研究未按降水年型對模擬結(jié)果進(jìn)行分類，但可通過產(chǎn)量的波動(dòng)性特征反映同一日期灌溉在不同年型下的表現(xiàn)。

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