黄淮地区冬小麦最佳灌水日期模拟研究

成　林， 刘荣花

(1.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，河南郑州 450003)

黄淮麦区属于温带季风气候区，该区域热量和光照条件充足，灌溉条件便利，是我国生态条件最适宜冬小麦生长的地区[1]，冬小麦种植面积和总产量居全国各区域首位，对我国粮食总产有重要贡献。然而，该区域有较强的气候过渡性特征，降水分布不均，大部分年份自然降水不能满足冬小麦正常生长的水分需求，灌溉是冬小麦高产的重要保证。

近年来针对灌溉农区生产，在不同生育期灌溉对小麦光合特性[2]、养分吸收积累、水分利用效率[3-4]、籽粒品质、农艺性状、产量构成的影响，以及如何实现节水灌溉[5]、提高水分利用效率[6]方面的研究已取得了显著成果。以小麦抗旱高产为目的，研究学者根据冬小麦不同生育期需水特征和不同麦区的气候特征，已明确了冬小麦灌溉需水的关键期[7]，朱津辉等利用WOFOST模型对河北保定3个不降水年型冬小麦灌溉时期的模拟证明，冬小麦拔节至孕穗期，以及抽穗至灌浆期2个时期灌溉对产量的贡献率最高[8]；谭念童等通过田间试验手段，证实了拔节期、孕穗期和灌浆期灌水是影响作物叶片光合作用最重要的时期[9-11]。在灌溉量的研究方面，多针对高产节约和提高水分利用效率，既有通过需水量和降水量的差值计算灌溉需水量的技术方法[12]，也可通过测墒补灌技术测算理论灌溉量[13-14]，一般认为黄淮麦区不同生育期灌溉量在50～70 mm为宜[15]。因此，目前在冬小麦生产中关于哪个生育期灌溉、需灌溉多少水量都已有较明确的结论[16]。但在实际生产中，具体的灌溉时间多具有随机性和盲目性，现有成果中关于灌溉时期的分析多针对大的生育期，而对于该生育期内最优灌溉日期的成果尚不多见，远不能满足现代农业生产的精细化需求。本研究利用DSSAT-CERES Wheat模型在田间管理方面的优势，考虑冬小麦需水关键期和传统灌溉习惯，开展不同生育期、不同灌溉日期对产量及产量构成要素的模拟研究，从产量及产量稳定性等角度分析最佳灌水时机，为开展精细化的现代农业生产服务指导提供科学依据。

1　资料与方法

1.1　资料来源

在黄淮地区选择气候特征不同、种植品种属性有一定差异的河南新乡(35°19′N，113°53′E)、河南商丘(34°27′N，115°40′E)、江苏徐州(34°17′N，117°09′E)和安徽蒙城(33°17′N，116°32′E)为代表站点。1981—2010年代表站逐日平均气温(℃)、降水量(mm)、最低气温(℃)、日照时数(h)源于中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn/)，1981—2010年冬小麦发育期观测资料源于各省气象局，历史产量资料源于统计部门。各土壤层的深度、质地、全氮含量、土壤容重、pH值以及有机碳含量和阳离子交换量等土壤数据，来源于《中国土种志》[17]。

1.2　作物模型

农业技术转移决策支持系统DSSAT(Decision Support System for Agrotechnology Transfer)由农业技术转移国际基准网IBSNAT(International Benchmark Sites Network for Agrotechnoloy Transfer)开发研制，该系统支持下的CERES Wheat模型，近年来已被我国学者证实可适用于大部分冬小麦生产区[18-19]。在建立作物管理文件、土壤文件和气象数据文件的基础上，采用DSSAT V4.5中的的GLUE模块对作物品种参数进行调试，采用归一化均方根误差、一致性指数[20]及模拟值与观测值的相关系数检验模型的模拟效果。

(1)

(2)

(3)

1.3　冬小麦主要生育阶段水分亏缺量

冬小麦生长某一时段的水分亏缺量(mm)用D表示：

D=Kc×ET0-P。

(4)

式中：Kc为作物系数，采用方文松等推荐的数据[21]计算；ET0为某时候的潜在蒸散量(mm)，采用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算[22]。

1.4　模拟方案

由于冬小麦生育期内水分亏缺情况各异，越冬期气温条件不同，各地形成了不同的农业灌溉习惯，如新乡、商丘站一般全生育期灌溉3次，即越冬水、拔节水和抽穗灌浆水，徐州和蒙城地区大部分年份以灌返青水和抽穗水为主。为区分不同生育期内不同灌溉日期的影响，模拟设定小麦全生育期仅灌水1次，具体灌溉时间：将新乡和商丘站该生长年度的越冬开始日期、拔节普遍期和抽穗普遍期分别记为W、J和T，灌溉日期以5 d为间隔，分别模拟W-20 d至W+20 d，J-20 d至J+20 d，T-20 d至T+20 d灌溉的影响；将徐州和蒙城站返青普遍期记为G，抽穗普遍期也记为T，分别模拟G-20 d 至G+20 d以及T-20 d至T+20 d灌溉的影响。灌溉量均设为60 mm。各处理以该发育期普遍期当日灌溉为对照。

采用相对变化率定量评价不同灌溉日期对产量或产量构成要素的变化幅度：

(5)

Ywi是第i个灌溉日期处理影响的产量或产量构成要素的相对变化率，Yi是第i个灌溉日期处理影响的产量或产量构成要素值，YCK是其对应的对照值。

将某一站点同一发育期灌溉处理的产量进行排序，采用累计百分位法分别计算10%、25%、75%和90%百分位对应的产量值，利用箱形图分析产量的稳定性。

2　结果与分析

2.1　模型适应性验证

利用各站连续3年的作物资料对模型参数进行调试。根据调试后的模型参数，分别利用新乡2004—2009年、商丘2005—2010年、蒙城1995—2000年，以及徐州1995—1999年模型模拟的开花期、成熟期及实际产量进行验证，资料验证年份与参数调试年份无重合。发育期模拟效果是本研究开展的前提，从图1和表1可以看出，各站开花期和成熟期的模拟值相对均方根误差在2%以内，符合度和相关系数接近于1，产量模的均方根误差均小于9%，其他参数也在可接受范围内。

2.2　冬小麦主要生育阶段水分亏缺量

从图2可以看出，各代表站点冬小麦主要生育期多年平均水分亏缺量变化趋势基本一致，水分亏缺量分蘖—返青前变化平稳，新乡和商丘站11月中旬至次年2月上旬的平均水分亏缺量分别为71.2 mm和59.0 mm，而徐州和蒙城站为50.9 mm和45.7 mm。2月中下旬返青以后水分亏缺量迅速增加，返青至拔节期前后(2月中旬至3月下旬)各站的水分亏缺在45～65 mm之间，而抽穗(4月中旬)至灌浆盛期(5月上旬)的水分亏缺在55～76 mm之间。因此按多年平均 60 mm 灌溉量可基本满足关键生育阶段的水分供给。

表1　代表站点冬小麦开花期、成熟期与产量的模拟值与观测值的统计比较

2.3　不同灌溉时间的产量平均变化率

商丘和新乡站返青前水分亏缺量相对大，且冬季气温相对较低，因此该地区农业生产上形成了冬灌的习惯。模拟结果发现，灌溉时间间隔为5 d对产量的影响却十分明显，不同处理产量的变幅可达±15%。越冬期(图3-a)，商丘和新乡站越冬后灌溉的产量明显高于越冬前，且越冬前灌溉时间越早，产量越低；越冬后，新乡站W+10 d处理产量最高，随着时间后移气温降低，产量有所降低；商丘站W+15 d处理产量最高。表明越冬后灌溉对提高产量有利，但灌溉时间不宜过晚，易出现冻害风险，以进入越冬期后5～15 d为宜。

蒙城和徐州站返青期不同日期灌溉产量的变化趋势与越冬水相似(图3-b)，即返青后灌溉对产量的形成更为有利，但对产量的影响率仅在5%以内。返青后灌溉产量明显高于返青前灌溉处理。与返青当日灌溉相比，蒙城站G+10 d处理有较高的增产率，徐州站的增产率与返青后灌溉时间的关系不明显。

拔节期不同日期灌溉的产量变化趋势与越冬期、返青期相反(图3-c)，商丘和新乡两站产量随着灌溉时间的推迟而大幅减产，J+20 d处理商丘和新乡较拔节普遍期当日灌溉分别减产17.7%和11.1%。拔节前5～15 d灌溉两站产量增加0.9%～5.6%，最大产量商丘和新乡分别出现在J-10 d和 J-5 d。

抽穗不同日期灌溉导致的产量相对变化率最大(图4)，4个代表站一致表现为灌溉时间越早，产量越高。T-20 d灌溉，各站的平均产量变化率达21.09%，而抽穗期以后5～15 d 再灌溉则明显减产，T+15 d处理各站的平均产量变化率为-9.8%，T+20 d处理灌溉产量的相对变化率与T+15 d 处理接近，减产率不再明显增加。

2.3　不同灌溉时间产量结构变化

单位面积穗密度、每穗粒数和千粒质量是产量构成的3个重要因素，不同灌溉日期产量变化主要受产量结构变化的影响。从越冬期2个站点的产量结构数据来看，W-20 d处理，两站密度减小12.2%～14.2%，随着灌溉时间延后至越冬后5～10 d，群体密度达最大值，商丘和新乡密度较越冬当日灌溉分别增加7.0%和4.1%。模拟数据显示，越冬后灌溉对穗粒数增长有一定作用，但平均变化率仅在1%左右。千粒质量的变化可以忽略(表1)。结合图3-a来看，越冬期灌溉适当延迟利于群体密度的提高， 越冬普遍期前后不同日期灌溉处理密度的变化量级与产量的变化率相当，是影响产量变化的主要因素。

在灌水的情况下，返青期灌水同时影响群体密度与穗粒数(表2、表3)，但返青日前后灌水蒙城与徐州站冬小麦产量各要素的变幅相对较小；与返青普遍期当日灌水相比，返青前处理密度的变化相对小，负变化率最大值-1.2%出现在徐州的G-20 d处理；而返青后灌溉可以提高分蘖成穗率，既有利于群体穗密度的增加，也利于单穗粒数的增加。返青后，同一站点的穗粒数变化率均大于密度的变化率。返青前灌溉处理的密度与穗粒数的变化有正有负，而返青后灌溉有利于促进群体有效穗的增加，也利于单穗粒数的增加。返青期灌溉处理千粒质量变化率在0.1%左右，可忽略。因此，返青后灌溉对产量形成更为有利，而返青普遍期后灌溉的时机选择有较强的灵活性。

拔节期灌溉对产量三要素均有一定程度的影响。其中，拔节前灌溉比拔节当日灌溉更有利于穗粒数的提高，商丘和新乡站均在J-15 d处理灌溉时穗粒数最大，分别增加 5.65% 和1.81%；而随着灌溉时间的推迟，穗粒数明显降低，到拔节后20 d，穗粒数可减少20%以上。拔节普遍期以前灌溉，对群体密度的影响很小，而过了拔节普遍期以后再灌溉，出现有效穗密度减少的趋势，这可能与前期水分供给不及时影响成穗有关。从表2、表3还可以看出，拔节期灌溉对提高千粒质量也有一定的促进作用。

表2　商丘和新乡灌溉处理产量结构相对变化率　%

模拟发现，抽穗不同时期灌溉，对产量三要素均有影响，其中，群体密度随着灌溉时间推后减小，抽穗前灌溉处理群体增加，抽穗后灌溉密度减小。千粒质量随着灌溉时间的推后而增加，相对于抽穗普遍期当日灌溉，过早灌溉对千粒质量没有促进作用；各站各处理的千粒质量均在T+15 d时达到最大值，千粒质量的增幅在1.6%～12.2%之间，表明抽穗后 15 d 之内灌水对提高粒重最为有利。

穗粒数的变化趋势与千粒质量相反。抽穗前，即孕穗期灌溉，有利于减少小花的退化，提高结实率，增加穗粒数，而抽穗后再灌溉，这种促进作用减弱。结合产量的变化率看，抽穗前灌水增重的主要原因，是穗粒数的明显增加。而抽穗后灌水虽然千粒质量增加，但穗粒数的减少导致产量仍较抽穗当日灌溉偏低。

表3　蒙城和徐州灌溉处理产量结构变化率　%

2.4　不同灌溉时间的产量稳定性分析

将累计百分位25%～<75%之间的产量区间定义为稳产区间，75%～90%的产量区间为高产区间，累计百分位10%～<25%为低产区间。各区间分布范围越大，表明产量离散程度越高，变异性越大，各区间分布越密集，表明产量的稳定程度高。

从图5可以看出，越冬普遍期前后灌溉，稳产区间变化不大，但越冬前后5 d内灌溉的，25%～<75%的区间相对更集中，表明接近越冬期灌溉易获得稳产。W+5 d至W+15 d处理，高产区间较大，也在一定程度上表明进入越冬后，在某些年份推迟灌溉出现高产的可能性较大。

返青前后不同产量区间的变化不大，2个站的共同特点是返青后灌溉处理的25%～<75%产量区间增大，从表3可以发现，返青后灌溉对产量三要素的影响相对更明显，因此产量的波动性也增加。拔节前灌溉处理，商丘和新乡站的稳产区间相对紧凑，除商丘J-20 d处理高产区间相对较大外，拔节以前的灌溉处理产量均相对稳定。拔节后，低产区域增大，表明出现低产的可能性更高。同时，25%～<75%产量区间的间隔增大，表明拔节以后灌水产量年际间波动性大于拔节前。

抽穗的不同时期灌溉，稳产区间的变化比其他时期处理稳定(图6)。各站的产量波动区间存在差异，但共同点是，抽穗前灌溉处理的高产区间大于低产区间，随着灌溉时间的推后，这种可能获得高产的区间减小。可以看出，抽穗期灌溉时间不同对稳产的影响相对小，但提早灌溉能够高产的概率较高。

3　结论与讨论

在实际生产过程中，因为灌溉日期相差不大，引起的产量及产量结构差异往往被忽视。从已有的分析结果来看，灌溉日期的细化的确对小麦生长有一系列影响[23-25]。在无冻害的年份，冬小麦越冬普遍期后15 d以内灌溉，有利于构建更合理的群体和提高产量；返青期灌溉宜迟不宜早，在返青后5～15 d内灌溉最佳，过晚灌溉对获得稳产不利；拔节水适宜早灌，对提高有效密度和穗粒数均有利，抽穗前后不同日期对稳产的影响不大，但提早15 d灌溉对提高产量有利，这对于开展精细化的农业生产指导有积极意义。

本研究中越冬普遍日期以连续5 d滑动平均气温稳定通过0 ℃为依据，另一方面，CERES Wheat模型中并没有对越冬日期的模拟，因此本研究分析的越冬期最优灌溉日期可能与大田实际情况不完全相符，但已有一些试验分析认为进入越冬期后5～10 d灌溉利于最终群体密度的增加[26-27]。结合王文佳等[28]、杨林林等[29]的研究成果来看，返青期适当晚灌利于促进春生分蘖生长，并可避免过早灌溉气温偏低形成冻害。而拔节期适宜提前5～10 d早灌，偏晚灌溉则穗粒数明显下降，主要原因是拔节前正是小花分化、雌雄蕊分化的关键时期，对于极易发生春旱的黄淮麦区，拔节前有效的水分补充才能确保籽粒的形成，错过最佳灌溉时机，则穗粒数大幅下降。淮麦区因冬季低温风险低、冬前水分亏缺量相对小等原因一般不灌越冬水，返青期晚灌的作用与豫麦区拔节水早灌的效果相当。小麦需水的临界期一般出现在孕穗前[30]，水分不足主要影响小花退化不孕，减少穗粒数，抽穗前灌溉的模拟结果即反映出对穗粒数的贡献，这与前人的研究结果[31-32]一致。灌浆期水分主要影响千粒质量[33]，但过晚灌溉，水分增质量的效果减弱，还可能增加后期倒伏的风险。但抽穗期前后灌溉对产量稳定性的影响最小，可能的原因是大多数年份抽穗灌浆期均存在水分亏缺的现象，受年型变化影响相对小。本研究未按降水年型对模拟结果进行分类，但可通过产量的波动性特征反映同一日期灌溉在不同年型下的表现。

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