魏志莉，李 強，曹曉華，陳新明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省涇惠渠灌溉管理局，陜西 三原 713800)

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水資源供需矛盾越來越突出，從整體上提高農(nóng)業(yè)用水效率已成為緩解用水危機的根本措施，農(nóng)作物的非充分灌溉成為提高農(nóng)業(yè)用水效率的主要手段之一。任何農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)都必須充分考慮土壤--作物--水分的關(guān)系，實現(xiàn)水--土--作物關(guān)系的最優(yōu)協(xié)調(diào)[1]。國內(nèi)外研究表明：水分階段性虧缺對作物生長發(fā)育具有雙重性，在特定生育期使作物處于水分脅迫，不但不會減產(chǎn)，還可節(jié)約用水量[2,3]。在水資源日益緊張的今天，如何利用水分虧缺的雙重性，研究作物非充分灌溉模式，對提高農(nóng)業(yè)用水效率，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展具有重大的科學(xué)意義。涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，是一個從涇河自留引水的大型灌區(qū)，現(xiàn)有設(shè)施灌溉面積9.7 萬hm2，有效灌溉面積8.8 萬hm2，灌區(qū)以占全省2.4%的耕地，生產(chǎn)全省5.8%的糧食，提供商品糧占全省的10%，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地之一[4]。隨著農(nóng)業(yè)用水要求的提高，涇惠渠灌區(qū)開始了非充分灌溉試驗的嘗試，但目前還沒有具體可行的灌溉制度及模式。

因此，本研究采用理論與試驗相結(jié)合的方式，研究涇惠渠灌區(qū)冬小麥不同生育期灌水量組合對其生理生長、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、水分利用效率和節(jié)水經(jīng)濟效益的影響，分析冬小麥不同生育期的虧水灌溉最佳組合方式，提出合理的非充分灌溉制度模式，為確定灌區(qū)合理的灌水方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年10月至2016年6月在陜西省咸陽市涇陽縣三渠鎮(zhèn)涇惠渠灌區(qū)試驗站進行。試驗站地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°54′，北緯34°33′，海拔433.72 m，水源為井水，灌溉用水量通過水表讀數(shù)計量。土壤以中壤土為主，容重為1.43 g/cm3，孔隙率46%，入滲系數(shù)在150 mm/hm2左右，最大田間持水量(質(zhì)量含水率)為24.4%，耕種條件良好，地下水埋藏深度30 m，故試驗中地下水向上補給部分可忽略不計。小麥試驗地前茬為玉米，每年夏玉米收后，10月中旬足熵散播小麥，小麥播量375 kg/hm2，品種為“豫麥49”，次年6月上旬收獲。底肥為小麥專用肥，播量為750 kg/hm2。

涇陽縣屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候，根據(jù)國家氣象網(wǎng)陜西涇陽站氣象資料顯示，1986-2016年平均降雨量443.4 mm，蒸發(fā)量1 218.9 mm，但降雨多集中在夏季，小麥生育期多年平均降雨量175.9 mm，蒸發(fā)量559.6 mm，其有效降雨量不足小麥需水量的50%，較為干旱。2013-2016年小麥生育期內(nèi)氣象資料見表1，根據(jù)30年的降雨資料排頻分析，其中2013，2014年為枯水年，2015，2016年為平水年。

表1 冬小麥生育期內(nèi)氣象資料表 mm

1.2 試驗設(shè)計

試驗地的田間排列采用順序排列法，布設(shè)于灌溉站第二耕作區(qū)中部，根據(jù)冬小麥的生育特點和灌區(qū)的農(nóng)作習(xí)慣，將冬小麥生育期劃分為分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期及成熟期7個階段。關(guān)中地區(qū)不同降水年型降水總量以及季節(jié)特征不同，但總體表現(xiàn)為越冬期及返青----拔節(jié)期缺水較為嚴(yán)重[5]，考慮上述因素，將灌水期分為冬灌、返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌和灌漿灌。本試驗共設(shè)8個處理，水分處理用TR表示，每個處理設(shè)重復(fù)2次，采用大田小區(qū)試驗，每個小區(qū)面積為20×2.6 m2，四周設(shè)有保護區(qū)。試驗處理和灌溉定額詳見表2。

1.3 試驗測定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水率測定。在播種前、收獲后以及每次灌水前后3 d進行土壤含水率的測定。方法采用土鉆取土烘干法，在每個試驗小區(qū)前中后各取1個測點，每個測點在0～100 cm土壤深度范圍每隔10 cm取一個樣進行測定，若有大量降雨則加測。

表2 冬小麥不同生育期灌水試驗設(shè)計 m3/hm2

(2)小麥株高、產(chǎn)量測定。小麥成熟后，每個小區(qū)取面積為1 m2長勢平均具有代表性的植株，采用直尺和游標(biāo)卡尺測量從根基部到株高最高點即為株高。繼而測定穗長等產(chǎn)量性狀，然后進行脫?？挤N，測定穗粒數(shù)，計算千粒重、每平方米產(chǎn)量和最終產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

試驗采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)錄入和計算，DPS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理，LSD法進行多重比較，運用方差分析統(tǒng)計法分析不同生育期灌水組合對冬小麥生理生態(tài)和產(chǎn)量及水分利用效率等的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量對冬小麥株高的影響

不同生育期灌水量組合對小麥生長發(fā)育有不同的影響，受水分脅迫時，植株體內(nèi)生理結(jié)構(gòu)、代謝活動發(fā)生變化，從而改變植株生長狀況。株高是體現(xiàn)植物生長發(fā)育及冠層對水分效應(yīng)的重要指標(biāo)[6]，表3為2013-2016年不同灌水處理下冬小麥成熟后的株高。由表3知，灌水次數(shù)不同，植株株高差異顯著；隨著灌水量即灌溉定額的增大，株高總體呈現(xiàn)增加趨勢，TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)處理株高最大。在2013年，2015年中，灌2水處理TR4、TR5、TR6三者相比較，植株株高無顯著差異，但與僅冬灌的處理TR2相比，株高均有顯著差異，2013年分別增加了0.8%，5.3%和6.6%，2015年分別增加了7.0%，9.0%和5.6%，這說明返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌對冬小麥株高呈顯著性影響，且處理TR3株高顯著大于TR1，兩年分別增加了2.9%和4.8%。返青期后，由于氣溫升高，冬小麥進入快速生長時期，需水量也增加，故應(yīng)避免該階段的水分虧缺，保證返青期、拔節(jié)期的土壤水分含量，對冬小麥株高增長有積極的影響，這一結(jié)果與高振曉[7]、劉泉斌[8]等的研究結(jié)果是一致的。

2.2 不同灌水量對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

表4為不同灌水處理下2013-2016年冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子分析表，冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子主要有株數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量。

表3 不同灌水處理冬小麥株高

表4 不同灌水處理冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子分析表

由表4知，各處理情況下，2013年、2014年TR2(冬灌)與TR1(不灌)相比株數(shù)差異顯著，分別增加了8.6%和7.7%，2015年、2016年株數(shù)差異并不顯著，但TR2比TR1分別增加了8.6%和14.8%，這說明冬小麥生育前期旱象明顯時，適當(dāng)?shù)亩鄷黾佣←湹姆痔Y數(shù)，進而增加株數(shù)，是冬小麥豐產(chǎn)的基礎(chǔ)[9]；2013年、2014年、2016年穗粒數(shù)無顯著差異，2015年中TR3(返青灌)穗粒數(shù)最小，與TR4(冬灌+返青灌)相比差異達到顯著，說明冬灌可增加冬小麥穗粒數(shù)；在千粒重方面，TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)相比TR5(冬灌+拔節(jié)灌)和TR1(不灌)差異均達到顯著水平，較TR5分別增長了16%、11.5%、8.2%和8.5%，這說明冬小麥千粒重與灌漿期水分供應(yīng)密切相關(guān)，灌漿期水分脅迫會使冬小麥的千粒重降低；較TR1分別增長了32.3%、20.7%、10.7%和15.3%，所以千粒重和灌水量也密切相關(guān)，呈正相關(guān)關(guān)系，灌水量越多，千粒重越大[10]。

冬小麥產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，首先TR1(不灌)處理下，產(chǎn)量顯著低于所有處理，隨著灌水次數(shù)即灌溉定額的增加，產(chǎn)量也顯著增加；灌2水處理下，2013年產(chǎn)量大小為TR4(冬灌+返青灌)>TR6(冬灌+抽穗灌)>TR5(冬灌+拔節(jié)灌)，冬灌+返青灌最佳，但差異不顯著；2014年、2015年結(jié)果相同；2016年為TR4(冬灌+返青灌)>TR5(冬灌+拔節(jié)灌)>TR6(冬灌+抽穗灌)，冬灌+返青灌最佳，差異顯著；冬小麥生育中期是植株生長和營養(yǎng)生長的旺盛期，營養(yǎng)物質(zhì)需要水分的調(diào)運送到果實中去，這個階段缺水的話會使果實缺乏營養(yǎng)造成不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)量減少，即使復(fù)水也難以彌補，所以返青期應(yīng)是影響冬小麥產(chǎn)量的敏感時期，應(yīng)保證該階段的水分供應(yīng)，這與王聲峰[11]等人“拔節(jié)期為影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時期，返青期可適度缺水”的結(jié)論稍有不同，這與關(guān)中地區(qū)降雨總體表現(xiàn)為冬小麥返青期缺水、抽穗期降水較多有關(guān)。灌3水處理下，TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)>TR7(冬灌+拔節(jié)灌+抽穗灌)，且大于任何灌2水處理，差異顯著，所以抽穗-灌漿期也是影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時期[12]，此外，涇惠渠灌區(qū)為小麥、玉米連作的種植結(jié)構(gòu)，冬小麥灌漿期灌水也可保證夏玉米播種期的土壤水分[13]。2013年所有處理產(chǎn)量偏低，該降雨年型雖為枯水年，但是在灌漿期降雨過多，造成冬小麥根系早亡導(dǎo)致產(chǎn)量偏低。2016年所有處理產(chǎn)量比其他年份高，是因為該降雨年型為平水年，在灌漿期降雨量比2014年、2015年高，但比2013年低，灌漿期的水分供給合適，故而產(chǎn)量高?？梢姡酀{期只能適當(dāng)灌水，過多過少都會影響產(chǎn)量。保證返青期、抽穗-灌漿期的水分供應(yīng)是提高冬小麥產(chǎn)量的保證，其他生育階段如分蘗期、成熟期的水分脅迫不會顯著影響產(chǎn)量。

2.3 不同處理下冬小麥耗水量及水分利用效率分析

不同生育期灌水組合下，冬小麥的耗水量和產(chǎn)量都存在一定的差異，所以其水分利用效率也有一定差別。植物的水分利用效率(WUE)指消耗1 m3的水獲得的產(chǎn)量[14]：

(1)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為冬小麥在漑灌溉制度下的產(chǎn)量，kg/hm2；P為冬小麥生育期內(nèi)的自然降水量，m3/hm2；I為該灌溉制度下的灌水總量，m3/hm2；WE為冬小麥?zhǔn)斋@后0～100cm耕作層土壤中的儲水量，m3/hm2；WI為冬小麥播種前0～100 cm耕作層土壤中的儲水量，m3/hm2。

由上式計算不同處理下冬小麥的耗水量以及水分利用效率，用數(shù)學(xué)方法來量化表示產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系，對耗水量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行線性擬合，圖1為冬小麥最終產(chǎn)量和其整個生育階段耗水量之間的關(guān)系。由圖1知，在一定范圍內(nèi)，小麥的產(chǎn)量隨著耗水量的增加而增加，但不是無限制的，對擬合結(jié)果較好的2014年、2016年曲線進行求導(dǎo)可得冬小麥產(chǎn)量最高時的耗水量范圍是6 600～8 900 m3/hm2之間，過量的供水會使植物地上冠層過分生長，營養(yǎng)物質(zhì)向小麥粒籽轉(zhuǎn)移慢，不僅影響冬小麥的產(chǎn)量，還會造成對水資源的浪費[14]。

圖1 冬小麥產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系

表5為不同處理下冬小麥水分利用效率分析表。由表5知，隨著灌水次數(shù)的增加，水分利用效率呈降低趨勢。灌一水的情況下水分利用率最高，2013年，TR1的WUE最高，為2.87 kg/m3，2014年、2015年，TR3的WUE最高，分別為2.17、2.14 kg/m3，雖達到了節(jié)水的目的，但其不符合高產(chǎn)的實際要求。灌2水處理下，TR4的WUE最大，2014年、2015年、2016年結(jié)果相同。由此可見，灌2水時，冬灌+返青灌是冬小麥水分利用效率提高的最佳灌水方式。處理TR7、TR8雖能獲得高產(chǎn)量，但其水分利用效率較低，與其他處理差異顯著，且TR8>TR7，可見在灌漿期灌水比抽穗期灌水的水分利用效率高。所以，要在高產(chǎn)和節(jié)水之間做好協(xié)調(diào)，需合理分配灌水時期，在滿足冬小麥最需灌水的返青期基礎(chǔ)上，適當(dāng)保證灌漿期的水分，即可實現(xiàn)高產(chǎn)，又可最大程度的節(jié)水，對冬小麥水分利用效率的提高有積極的作用。

表5 不同處理下冬小麥水分利用效率分析表

2.4 不同處理下冬小麥節(jié)水經(jīng)濟效益分析

如今發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)成為了解決日益嚴(yán)重的水資源矛盾的主要方法，但過量節(jié)水勢必影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，因此有必要通過節(jié)水經(jīng)濟效益分析來確定灌區(qū)合理的灌溉制度，達到節(jié)水和高產(chǎn)的統(tǒng)一。根據(jù)涇惠渠管理局提供的資料顯示，涇惠渠灌區(qū)2013-2016年共種植冬小麥6 600 hm2，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水價格為0.2 元/m3，小麥?zhǔn)召弮r格按2.5 元/kg計，得到不同處理下冬小麥的節(jié)水經(jīng)濟效益分析表如表6，由表6知：2013年，處理TR1(不灌)節(jié)水量最多，但同時減產(chǎn)量也較高，綜合考慮低減產(chǎn)率和高節(jié)水率，以益損比為基礎(chǔ)，處理TR2(冬灌)益損比最大，在2次灌水處理中，益損比大小為TR4>TR6>TR5；2014年，2015年，處理TR3(返青灌)益損比最大，在2次灌水處理中，益損比大小為TR4>TR6>TR5，冬灌+返青灌處理有較好的節(jié)水經(jīng)濟效益；所以返青灌也是影響冬小麥經(jīng)濟效益的關(guān)鍵時期，保證返青期灌水能獲得較高的經(jīng)濟效益，這與上述水分利用效率分析的結(jié)論是一致的。

3 結(jié) 論

(1)不同生育期灌水量對小麥生長發(fā)育影響不同，就株高而言，灌水次數(shù)不同，植株株高差異顯著；隨著灌溉定額的增大，株高總體呈現(xiàn)增加趨勢。冬灌對株高影響不大，而返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌均影響冬小麥株高，其中返青灌尤為顯著，所以返青期是冬小麥生長發(fā)育的需水敏感期。

(2)不同灌水量對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子影響很大。小麥生育前期旱象情況下，適當(dāng)冬灌會增加冬小麥的株數(shù)及穗粒數(shù)；在千粒重方面，灌漿期水分脅迫會使冬小麥的千粒重顯著降低，且千粒重和灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，灌水量越多，千粒重越大；冬小麥產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，隨著灌水次數(shù)即灌溉定額的增加，產(chǎn)量也顯著增加，但不是無限制的，由耗水量----產(chǎn)量擬合曲線可得冬小麥產(chǎn)量最高時的耗水量范圍是6 600～8 900 m3/hm2，過量的供水不僅會影響冬小麥的產(chǎn)量，還會造成對水資源的浪費。此外返青期和抽穗-灌漿期是影響冬小麥產(chǎn)量的重要時期，應(yīng)保證此階段的水分供應(yīng)，其他生育階段的水分脅迫，不會對產(chǎn)量造成顯著的影響。

表6 不同處理下冬小麥的節(jié)水經(jīng)濟效益分析表

(3)不同灌水處理中，處理TR1(不灌)節(jié)水量最多，但產(chǎn)量較低；處理TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)雖能獲得最高的產(chǎn)量，但節(jié)水量最少，水分利用效率較低；返青灌是獲得冬小麥WUE較高的關(guān)鍵生育期，也是影響冬小麥經(jīng)濟效益的關(guān)鍵期。要在高產(chǎn)和節(jié)水之間做好協(xié)調(diào)，需合理分配灌水時期，在滿足冬小麥需水的返青期基礎(chǔ)上，適當(dāng)保證灌漿期的水分，實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益。

(4)平水年和枯水年降雨年型下，涇惠渠灌區(qū)追求高產(chǎn)的最優(yōu)灌溉制度是冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌，全生育期3次灌水，灌溉定額為3 600 m3/hm2；綜合考慮產(chǎn)量、灌溉水利用系數(shù)及節(jié)水經(jīng)濟效益的最優(yōu)灌溉制度是冬灌+返青灌，全生育期2次灌水，灌溉定額為2 550 m3/hm2。另外，不管是平水年還是枯水年降雨年型，在冬小麥生育期后期降雨較多時，灌漿期可不灌水，最優(yōu)灌溉制度仍是冬灌+返青灌，全生育期2次灌水，灌溉定額為2 550 m3/hm2。

上述實驗結(jié)果表明返青灌和灌漿灌是涇惠渠灌區(qū)冬小麥需水的重要時期。本試驗未設(shè)返青灌+灌漿灌處理，所以未能獲得此處理下的試驗結(jié)果作為對比，需進一步完善研究，另外對節(jié)水效果合理性可作進一步分析。

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