馮素偉，劉朝陽，胡鐵柱，丁位華，王光濤，茹振鋼

(河南科技學院，河南省雜交小麥重點實驗室，現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

華北地區(qū)是我國小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)區(qū)和主產(chǎn)區(qū)，但近年來水資源的日益緊缺和地下水的嚴重超采，已經(jīng)影響到該地區(qū)的糧食安全。由于小麥生育期的耗水量遠高于同期降水量，因此，生育期補充灌溉是滿足小麥生育期間需水、實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要途徑[1-2]。

在小麥適宜的生育階段進行科學的灌溉有利于提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，而在不恰當?shù)纳龝r期進行有限灌水和大量灌水則會導致小麥產(chǎn)量和水分利用效率明顯下降[3-5]。因此，合理的灌溉制度是小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。小麥關鍵生育時期需要進行補灌，而補灌的適宜時期和補灌次數(shù)目前研究結果尚不統(tǒng)一[6-8]。大多研究認為，拔節(jié)水和開花水組合是高產(chǎn)和高水分利用效率相統(tǒng)一的灌水模式[9-10]。也有人認為，拔節(jié)期補灌1水即可實現(xiàn)高產(chǎn)高效協(xié)同提高的目標[11-14]。在小麥關鍵生育時期土壤含水量大于60%的條件下，補灌時期和次數(shù)對產(chǎn)量影響不大[15]；在灌水總量相同的條件下，增加補灌次數(shù)的增產(chǎn)效果也不明顯[16]。Wen等[17]則認為，不同降水年型，灌水次數(shù)和灌水量有較大差異。

當前，依據(jù)小麥需水規(guī)律進行的調(diào)虧灌溉、測墑補灌、按需補灌等灌水模式的節(jié)水效果明顯，但生產(chǎn)上農(nóng)民較難掌握，灌溉成本高，畦灌仍然是華北平原目前最常用的灌水方式。然而，生產(chǎn)中存在灌溉次數(shù)過多、灌溉水過量、水分利用率低等突出問題，造成水資源的極度浪費。

本試驗采用生產(chǎn)中普遍實施的畦田灌水方式，研究冬小麥不同生育時期灌水組合，并結合不同的降水年型，探討不同的灌水模式對冬小麥產(chǎn)量形成、營養(yǎng)器官干物質積累與轉運、水分利用效率以及灌溉水效益等的影響，以期為該區(qū)合理畦灌提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年在河南省國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范展示基地(新鄉(xiāng))進行，該試驗區(qū)平均年降水量為573.4 mm，小麥全生育期平均降雨量150 mm。試驗地土質為沙壤，小麥播種前茬作物均為玉米，玉米抽穗授粉期壓青并澆水，小麥播種前0～20 cm土層養(yǎng)分狀況及土壤容重見表1。小麥全生育期降雨量2個年度分別為94.5，130.7 mm，均低于試驗區(qū)平均降水量，各生育階段的降水量詳見表2。

表1 冬小麥播前0～20 cm土層養(yǎng)分狀況Tab.1 Soil nutrient condition in 0—20 cm soil layer in experimental field before sowing winter wheat

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積(15.0 m×2.6 m)=39.0 m2，13行區(qū)，供試材料為百農(nóng)4199。在播種期水分管理一致的基礎上，采用畦田灌溉方式分別于小麥的返青期、拔節(jié)期和開花期設置4個不同的灌水組合：冬小麥出苗后至收獲不灌水(W0)、拔節(jié)水(W1)、拔節(jié)水+開花水(W2)、返青水+拔節(jié)水+開花水(W3)。小區(qū)間設置深0.5 m、寬0.8 m的保護行，以防止相鄰小區(qū)間出現(xiàn)水分側滲影響。畦田灌水時，改水成數(shù)為90%，用水表記錄實際灌水量，不同灌水處理全生育期補灌水量見表3。

表3 不同處理冬小麥不同生育時期的補灌水量Tab.3 Supplemental irrigation amount at different growing stages of winter wheat under different treatments mm

播種前每公頃底施純N 90 kg、P2O590 kg、K2O 90 kg，拔節(jié)期追施純N 90 kg/hm2，底肥選用N、P2O5、K2O比例為15∶15∶15的復合肥，追肥選用含純N 46%的尿素。分別于2018年10月10日和2019年10月8日機播，基本苗分別為180，170萬株/hm2，于2019年6月8日和2020年6月2日收獲。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 農(nóng)田耗水量 農(nóng)田耗水量ET=C+M+P+K。式中，M表示生育期補灌水量(mm)；P表示生育期降水量(mm)；K表示生育階段內(nèi)地下水補給量(mm)，當?shù)叵滤裆疃瘸^2.5 m時，K值可以忽略不計，本試驗地塊的地下水埋深度在8 m以下，故計算農(nóng)田耗水量時未考慮地下水的影響；C表示生育期內(nèi)土壤貯水消耗量。

農(nóng)田總耗水量為各階段耗水量的總和。

1.3.2 干物質積累與分配 于小麥開花期與成熟期分別取樣，成熟期植株按營養(yǎng)器官和籽粒分別取樣，于105 ℃恒溫干燥箱中殺青30 min后，降至70 ℃繼續(xù)烘干至恒質量，用千分之一天平稱質量，計算營養(yǎng)器官花前貯藏同化物轉運量(DMR)、轉運率(DMRE)和對籽粒的貢獻率(CDMR)，以及營養(yǎng)器官花后貯藏同化物輸入籽粒量(DMA)和對籽粒的貢獻率(CDMA)，各指標的計算均參照Feng等[18]的方法。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素 于冬小麥蠟熟期數(shù)取1 m雙行內(nèi)總穗數(shù)，并折合為每公頃穗數(shù)，每小區(qū)重復3次；在統(tǒng)計穗數(shù)的1 m雙行內(nèi)不間斷數(shù)取60穗統(tǒng)計穗粒數(shù)；完熟初期每小區(qū)收獲6 m2，脫粒后自然風干稱質量，籽粒質量按12.5%含水量計算，并折算成公頃產(chǎn)量，每處理重復3次；同時測定千粒質量，每處理重復9次。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE，kg/(hm2·mm))=籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/生育期總耗水量(mm)；灌溉水效益(IB，kg/(hm2·mm))=每公頃較不灌水處理增產(chǎn)量(kg/hm2)/生育期灌水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007進行試驗數(shù)據(jù)的計算和整理，數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗和相關性統(tǒng)計分析等用SPSS 13.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同補灌處理對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

由表4可知，產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素受灌水處理的影響較大。在播種期水分管理一致的條件下，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)均隨生育期灌水次數(shù)的增加而提高，處理間均達到了顯著差異。千粒質量年度間有較大的差異，2018—2019年，W0處理千粒質量為45.69 g，顯著高于其他處理(P<0.05)，其次為W2處理，W1處理最低；2019—2020年，W0處理的千粒質量為39.53 g，顯著低于其他處理(P<0.05)，W1、W2、W3處理間無顯著差異。隨著灌水次數(shù)的增加，籽粒產(chǎn)量有增加的趨勢，2個年度變化趨勢一致。2018—2019年，W3處理籽粒產(chǎn)量達到了10 100.05 kg/hm2，W2處理的籽粒產(chǎn)量為9 900.05 kg/hm2，2個處理間無顯著差異，但二者均顯著高于其他處理(P<0.05)，W0處理籽粒產(chǎn)量最低；2019—2020年，籽粒產(chǎn)量由高到低為W3>W2>W1>W0，W0處理的籽粒產(chǎn)量僅為2 074.02 kg/hm2。W1處理的產(chǎn)量兩年度分別為8 416.71，7 594.09 kg/hm2，均超過7 500 kg/hm2。籽粒產(chǎn)量年度之間有較大差異，2018—2019年的籽粒產(chǎn)量均高于2019—2020年相應處理。

表4 不同補灌處理冬小麥籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構成因素Tab.4 Grain yield and yield factors under different supplemental irrigation treatments

2.2 不同補灌處理對冬小麥水分利用效率的影響

冬小麥生育期耗水量隨著灌水次數(shù)的增加呈上升趨勢，處理間均達到了顯著水平(P<0.05)(表5)。水分利用效率年度間有一定差異，2018—2019年，W2和W1處理的水分利用效率分別為17.99，17.25 kg/(hm2·mm)，2個處理間無顯著差異，W2處理顯著高于W3和W0處理(P<0.05)；2019—2020年，W2處理的水分利用效率為19.75 kg/(hm2·mm)，顯著高于W3和W0處理(P<0.05)，但與W1處理差異不顯著。灌溉水效益隨著灌水次數(shù)的增加而降低，不同灌水處理間達到了顯著差異，2個年度均以W3處理的灌溉水效益最低。

表5 不同補灌處理冬小麥的耗水特性和水分利用效率Tab.5 Water consumption characteristics and water use efficiency under different supplemental irrigation treatments

2.3 不同補灌處理對冬小麥營養(yǎng)器官干物質轉運和再分配的影響

由表6可知，不同補灌處理對冬小麥營養(yǎng)器官同化物再分配及對籽粒的貢獻率有著顯著的影響，年度間亦有較大差異。2018—2019年，W0處理的DMR、DMRE、CDMR均顯著高于除W3處理DMR外其他補灌處理(P<0.05)，而DMA與CDMA均顯著低于其他補灌處理(P<0.05)，其隨著灌水次數(shù)的增加而增加。2019—2020年，W1處理的DMR和DMRE均顯著高于其他處理，CDMR隨灌水次數(shù)的增加而降低，而DMA和CDMA均隨著灌水次數(shù)增加而增加，處理間差異均達到了顯著水平。W3處理的DMA最高，達到了7 150.44 kg/hm2，CDMA高達68.29%，說明補灌3水條件下，籽粒中分配的大部分同化物為花后營養(yǎng)器官的貢獻。

表6 不同補灌處理冬小麥營養(yǎng)器官同化物的轉運及再分配Tab.6 Dry matter translocation from vegetative organs and redistribution of photoassimilate under different supplemental irrigation treatments

2.4 冬小麥物質轉運與產(chǎn)量及水分利用效率間的相關性

從表7可以看出，冬小麥的籽粒產(chǎn)量和生育期耗水量與花后貯藏同化物輸入籽粒量和花后干物質轉運對籽粒的貢獻率呈顯著和極顯著正相關，與開花前貯藏物質對籽粒產(chǎn)量的貢獻率呈極顯著負相關(P<0.01)。千粒質量與花前貯藏同化物轉運量呈顯著正相關(P<0.05)，農(nóng)田水分利用效率與花前營養(yǎng)器官貯藏同化物轉運量呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

表7 冬小麥營養(yǎng)器官同化物積累及轉運與產(chǎn)量及水分利用效率間的相關分析Tab.7 Correlation coefficients between yield，WUE and dry matter accumulation and remobilization of winter wheat

3 結論與討論

華北平原冬小麥生育期內(nèi)多年平均降雨量在150 mm左右，生育期內(nèi)水分虧缺約為300 mm，需要進行多次補灌才能實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[19-20]。本試驗2 a研究中，冬小麥生育期間的降水量均低于當?shù)仄骄?，屬于枯水年型。不同處理冬小麥的籽粒產(chǎn)量年度間差異較大，綜合分析可知，籽粒產(chǎn)量與當年的總耗水量關系密切，總耗水量越多，籽粒產(chǎn)量越高，而冬小麥生育期間總耗水量與降水量和補灌水量有關。前人關于灌水時期和灌水次數(shù)的研究結果不一[12-14，20-21]，Wen等[17]研究表明，不同降水年型影響灌水次數(shù)和灌水量。但無論哪種年型，補灌處理的冬小麥產(chǎn)量均得到顯著提高[1]，在一定的灌水量范圍內(nèi)，隨著總灌水量的增加，千粒質量、穗粒數(shù)、穗數(shù)顯著增加，灌水量較多時，產(chǎn)量構成各因素則均有下降趨勢，但不顯著[19]。2018—2019年，播種期前后降水量較少，為保證出苗及幼苗生長，于播種期補灌1水。從籽粒產(chǎn)量和水分利用效率綜合來看，播種期補灌后，補灌3水處理與補灌2水相比，產(chǎn)量增加不顯著，反而造成水分利用效率的顯著降低，于拔節(jié)期和開花期補灌2次可兼顧產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提高，這與薛佳欣等[20]的研究結果一致。2019—2020年播種前后降水量達61.9 mm，但越冬后降水不集中，降水量較少，導致籽粒產(chǎn)量顯著低于2018—2019年各相應補灌處理。說明冬小麥籽粒產(chǎn)量與生育期灌水次數(shù)和降水量有關，這與趙彥茜等[22]的研究結果一致。播種期未補灌，于返青期+拔節(jié)期+開花期進行補灌，籽粒產(chǎn)量最高，但水分利用效率和灌溉水效益降低。

本試驗中，2個年度小麥生育期降水量均低于試驗地區(qū)平均降水量，且拔節(jié)后的降水量均較少，若播種期未補灌，越冬后各關鍵生育時期處于干旱脅迫狀態(tài)。Feng等[18]認為，未補灌越冬水，可增加根系在深層和表層土壤中的吸收面積，同時加速拔節(jié)期后干物質積累；徐建文等[2]通過分析黃淮海平原近30 a干旱對冬小麥產(chǎn)量的潛在影響表明，黃淮海平原冬小麥需水關鍵生育階段為拔節(jié)至抽穗期，此期的潛在干旱減產(chǎn)率較高，是補灌的關鍵時期，本試驗也驗證了這一點。試驗表明，穗數(shù)、穗粒數(shù)均隨灌水次數(shù)的增加而增加，補灌返青水可增大群體，提高生物量，同時促進花后營養(yǎng)器官貯藏同化物向籽粒的輸入，從而提高花后同化物轉運對籽粒的貢獻率。楊麗麗等[23]認為，水分脅迫后復水，小麥葉片性能較好，花后有較多的莖鞘同化物向籽粒轉運以及較高的弱勢粒庫活性，增加穗粒數(shù)和千粒質量，這與本研究2019—2020年試驗結果一致。拔節(jié)期和開花期補灌還有利于協(xié)調(diào)光合同化物積累與花后再轉化的光合產(chǎn)物之間的關系，進而提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[13，24-25]。本試驗中，水分利用效率與開花前同化物輸入籽粒量呈極顯著正相關，而花前同化物對籽粒的貢獻率越高，耗水量就越少。Xu等[13]認為，拔節(jié)期或孕穗期單一補灌，主要是通過協(xié)調(diào)“源-庫”關系和高庫容量及源供應能力來提高產(chǎn)量和水分利用效率。

在本研究開展的2個年度中，無論播種期補灌與否，生育期僅補灌拔節(jié)水的籽粒產(chǎn)量均在7 500 kg/hm2以上，可實現(xiàn)“一水千斤”目標，且水分利用效率和灌溉水效益較高，而隨著補灌水量的增加籽粒產(chǎn)量逐漸增加，2個年度均以生育期補灌3水籽粒產(chǎn)量最高。播種期灌水后，于拔節(jié)期和開花期補灌有利于產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提高。播種期未補灌，可推遲至植株快速增長期到來之前的返青期補灌，配合拔節(jié)期和開花期補灌實現(xiàn)高產(chǎn)目標，但水分利用效率和灌溉水效益降低；僅在拔節(jié)期和開花期補灌2次，產(chǎn)量略下降，但水分利用效率和灌溉水效益顯著提高。冬小麥大田試驗受自然降水的影響較大，造成籽粒產(chǎn)量年度間差異較大，本試驗結果是在2 a基礎上得出，且僅采用了一個品種，未來需要多年田間驗證和更多的品種參與比較試驗。