关中地区秸秆还田冬小麦节水灌溉制度试验研究

李巧鱼 马龙 李振全

摘 要：通过试验分析关中地区秸秆还田条件下不同生育期灌水处理对冬小麦植株生理指标、水分利用效率和产量的影响，确定两个连续年份秸秆还田条件下冬小麦适宜的灌溉制度。结果表明：在一定灌溉定额内，返青期和拔节期灌水有利于作物株高生长和地上部分干物质的积累，拔节期和抽穗期灌水促进根系生长发育。返青期、拔节期、抽穗期是影响穗粒数和千粒重的重要需水期，拔节期和抽穗期是影响冬小麦产量的水分敏感期。秸秆还田处理对冬小麦植株的生长发育影响显著，并且可以一定程度上提高产量和水分利用效率。2016—2017年度最优灌溉制度是全生育期灌水4次，越冬期+返青期+拔节期+抽穗期每期900 m3/hm2，灌溉定额3 600 m3/hm2;2017—2018年度最优灌溉制度是全生育期灌水3次，越冬期+拔节期+抽穗期每期900 m3/hm2，灌溉定额2 700 m3/hm2。

关键词：冬小麦;秸秆还田;灌溉制度;水分利用效率;产量;关中地区

中图分类号：S274.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.033

Abstract：Field and plot experiments were conducted at Guanzhong Irrigation Test Station in Shaanxi Province.The results indicate that under the same irrigation ration，different irrigation periods have significant effects on agronomic traits and yield of winter wheat. Returning green irrigation and jointing irrigation are beneficial to growth and development. Joint irrigation and male pumping irrigation are water sensitive stages affecting yield of winter wheat.The optimum irrigation system from 2016 to 2017 is winter irrigation + greening irrigation + jointing irrigation + heading irrigation 4 times during the whole growth period， irrigation quota is 3 600 m3/hm2. The optimum irrigation system from 2017 to 2018 is winter irrigation + jointing irrigation + heading irrigation for three times during the whole growth period， irrigation quota is 2 700 m3/hm2.

Key words： winter wheat; straw returning; irrigation system; water use efficiency; yield; Guanzhong area

陕西关中地区是我国工农业和文化发达地区之一，面积占陕西省土地总面积的15%，为陕西主要的粮棉生产基地。小麦是中国最重要的口粮之一和战略物资，直接关系到国家粮食安全和社会稳定。在很多地区仍采取大水漫灌方式灌溉农田，没有形成高效节水灌溉体系，不仅没有使作物高产，而且造成灌水过量的情况导致了水资源的浪费[1]。目前我国每年秸秆总量约为7亿t，但利用率不足四成[2]。秸秆还田作为农业生产中普遍采用的一项培肥地力、蓄水保墒的增产措施，是今后作物二次资源利用的主要方式[3]。因此，在秸秆还田措施下研究作物的非充分灌溉技术非常必要。

目前，对秸秆还田的研究主要集中在改善土壤结构、保墒蓄水、增加作物产量和不同覆盖程度对作物的影响等方面[4-6]，灌溉制度研究多限于滴灌[7]，对大田试验的灌溉制度研究较少。因此，本试验采用大田和小区相结合的方式，研究关中地区秸秆还田方式下冬小麦不同生育期灌水和不同灌水次数对其生长发育状况、产量构成和水分利用效率等方面的影响，提出不同年份秸秆还田条件下冬小麦非充分灌溉方式，以期為关中地区农田灌溉用水合理配置和秸秆还田条件下作物灌溉制度研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

本试验经历2016—2018两个种植年度（每年10月至次年6月）在陕西关中地区某农业灌溉试验区进行。试验区前茬作物为夏玉米，分别于2016年10月5日、2017年10月11日用玉米收割机收割，并用秸秆粉碎还田机进行秸秆还田。冬小麦于2016年10月12日、2017年10月15日采用小麦播种机进行播种，供试品种为“郑麦366”，播种量为370 kg/hm2，伴施种肥腐殖酸三安复混肥600 kg/hm2。试验区多年平均降水量为544.2 mm，蒸发量为1 218.9 mm，研究期冬小麦生育期内降水量和蒸发量见表1。

1.2 试验设计

根据关中地区冬小麦的种植经验和灌溉试验规范，将冬小麦的生育期划分为越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期5个生育阶段。试验采用随机区组设计，小区面积60 m2（3 m×20 m），水分处理用W表示（分别选取越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期5个灌水时期），采用畦灌方式，灌水定额均为900 m3/hm2;不灌水处理为对照组，随机选取生育期灌2水1组、灌3水4组、灌4水3组、灌5水1组，共10组处理，秸秆还田处理用B表示，与不还田处理A形成对照，共计20个处理，每个处理作3次重复，共60个试验区，试验设计详见表2。

1.2.1 冬小麦生理指标测定

冬小麦的株高采用直尺测量，干物质量采用烘干法测定。每个生育期末在试验区前、中、后各选取10株（3组）冬小麦具备代表性的完整植株，测量株高、地上部分和地下根系部分干物质量。待冬小麦成熟期后，每个试验区选取1 m×1 m区域冬小麦植株，在室内进行脱粒考种，计算产量、千粒重和穗粒数等。

1.2.2 数据处理

试验数据采用Excel 2013进行统计分析、Origin8.0软件画图，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦生长速度和发育进程的影响

2.1.1 不同处理对冬小麦株高的影响

作物的地上部分是对水分效应的直观表现，主要体现在植株的冠层结构生长发育过程中。由图1可以看出，冬小麦的株高随生育期变化总体呈现出梯度增长的趋势。2016—2017年度返青前期W1处理下的株高比其他9个处理平均减少22.26%，2017—2018年度减少了20.26%，说明越冬期灌水对冬小麦生育前期的株高影响较大[8]。2016—2017年度W2返青期的株高比W5增加12.86%，2017—2018年度增加11.68%，达到显著差异水平，说明返青期是影响冬小麦生长发育的关键需水期[9-10]。2016—2017年度W3拔节期的株高比W7增加12.92%，2017—2018年度增加11.56%，两处理间达到显著差异水平，说明拔节期亏水处理对冬小麦生育期株高影响较大[10]。进入抽穗期后，冬小麦的株高开始定形，进入营养生长阶段，对比W7～W10四种处理抽穗期和灌浆期的株高，平均株高差异在2.35%～3.24%范围内，差异不显著，说明抽穗期和灌浆期不是冬小麦植株必要需水期。

秸秆不还田和还田处理下冬小麦生育期内的株高增长趋势相似。2016—2017年度返青期初期B处理下的平均株高比A处理增加12.82%，拔节期增加7.35%，2017—2018年度分别增加10.99%和6.73%，均达到显著差异水平;2016—2017年度抽穗期和灌浆期平均增加3.18%和2.92%，2017—2018年度分别增加2.59%和2.73%，未达到显著差异水平。说明秸秆还田处理有一定保墒作用，能够促进冬小麦植株的生长发育，且抽穗期之前作用明显。

2.1.2 不同处理对冬小麦根系及地上部分干物质量的影响

作物的根系是获取水分的营养器官，根系的发育与作物从土壤中获取水分和营养联系较为紧密，根系越发达，作物吸收的养分和水分越丰富[11]。冬小麦地上冠层部分和地下根系部分是相互影响促进的共同体。不同土壤含水量影响地下部分根系的同时，地上部分冠层也受到影响。

由图2可知，冬小麦根系干物质量随生育期变化呈现先增加后减少的趋势。返青期前温度较低，同时冬小麦苗期根系营养源发育较慢，根系生长发育较缓。返青期起加速生长，拔节期进一步增加，抽穗期达到峰值，灌浆前期开始逐渐衰减。W1和W5处理下返青期根系干物质量比其他8个处理平均减少4.93%，差异不显著，说明返青期不是冬小麦根系干物质量积累的重要需水阶段。对比W7～W10四种处理可以看出，拔节和抽穗期亏水处理根系干物质量比未亏水处理分别平均减少21.7%和19.8%，而灌浆期亏水处理仅减少4.25%。

由图3可知，冬小麦地上部分干物质累积量随生育期变化呈逐渐增加的趋势，前期增长缓慢，返青和拔节期逐渐增加并产生一定的差异，抽穗期再次增加，灌漿期达到峰值。返青期、拔节期灌水对冬小麦地上部分发育起着决定性作用;抽穗期、灌浆期灌水对地上干物质积累影响不显著。

秸秆还田条件下冬小麦生育期内的根系及地上部分干物质量累积趋势与秸秆不还田基本相同。2016—2017年度和2017—2018年度，冬小麦各生育期根系干物质量在秸秆还田处理下与不还田处理呈现出显著性差异;返青期前B处理下的地上部分干物质量比A处理平均增加3.72%，没有呈现出显著差异;拔节期和抽穗期差异均较为显著，分别增加12.51%和15.82%;灌浆期增加3.98%。说明秸秆还田处理下在生育期土壤蓄水保墒效果好，在关键需水期促进了冬小麦生长发育和干物质的累积，而对中后期冬小麦干物质累积影响较前期大。

2.2 不同处理对冬小麦产量及其构成因素的效应

不同时期的灌水处理导致的土壤水分条件的不同，对产量构成因素也会产生差异。如图4所示，冬小麦的穗粒数和千粒重随着灌水次数的增加呈现增长趋势，说明在生育期内充足的水分是冬小麦穗粒数和千粒重的根本保障[12]。不同处理下穗粒数，W1比W2减少18.42%，W3比W2增加了15.23%，说明返青期和拔节期灌水对穗粒数影响较大。对比W7～W10四种处理可以看出，抽穗期灌水比不灌水处理穗粒数增加8.15%，对穗粒数影响显著。不同处理下的千粒重，W6处理比W5和W4平均增加了9.82%和7.34%，说明抽穗期是影响冬小麦千粒重的水分敏感期。对比W7～W10四种处理，千粒重平均差异为4.98%，各处理间差异不显著。

通过对不同处理下产量进行分析，灌水次数相同，不同生育期灌水对产量影响不同，水分敏感期灌水处理下的产量增加明显。2016—2017年度，灌3水的产量W5>W4>W3>W6，灌4的水产量W9>W8>W7。2017—2018年度基本得出和上一年一致的结果，由于返青期后期降水量较大，灌3水的产量W5>W6>W3>W4;灌4水的产量W9>W8>W7。结果表明：一定灌水范围内，冬小麦的产量随着生育期灌水量的增加而增加，拔节期和抽穗期是影响冬小麦产量的关键需水期。在一般水平年，灌浆期适当亏水处理不会显著影响冬小麦的产量;在生育前期降水量较大的年份，越冬期和灌浆期的适当亏水处理不会严重影响冬小麦的产量，可以达到节水增产的目的。2016—2017和2017—2018两个不同水平年度试验结果表明，秸秆还田可以明显增加冬小麦的穗粒数、千粒重和产量。

2.3 不同处理对冬小麦水分利用效率的影响

不同处理下冬小麦平均水分利用效率见图5。根据2016—2017年度和2017—2018年度试验结果，全生育期灌5次水的W10处理下的水分利用效率低于灌3次和4次水的处理，比生育期不灌水处理的W1平均提高12.87%。2016—2017年度试验中，相同灌溉次数下，灌4水的W9的水分利用效率是各处理中最高的。在生育期内灌4次水的处理下，水分利用效率W9处理>W8处理>W7处理，各处理之间平均差异为27.61%;灌3次水的处理下，水分利用效率W5处理>W3处理>W4处理>W6处理，各处理之间平均差异为18.82%。2017—2018年度试验结果与前一年度试验有所不同，生育期中期降水量较大，相同灌溉次数下，灌3次水处理的水分利用效率W5处理>W6处理>W4处理>W3处理，各处理之间平均差异为20.53%;灌4次水的处理下，水分利用效率W9处理>W8处理>W7处理，各处理之间平均差异为24.55%。说明冬小麦在整个生育期内，拔节期和抽穗期是冬小麦生长发育且提高产量的重要需水生育期[13]。针对不同年度应当采用不同的灌溉制度，适当的灌水时期和灌溉次数可以提高作物的水分利用效率、增加产量，是冬小麦节水增产的必要条件。2016—2017和2017—2018两年度试验结果表明，秸秆还田处理可以显著提高冬小麦的水分利用效率;秸秆还田处理下冬小麦的平均水分利用效率与不还田处理相比显著提高，分别提高14.72%和13.23%。

3 结 论

试验结果表明，冬小麦株高总体随着灌溉次数和灌水量的增加呈增加趋势，返青期和拔节期是株高增长的关键需水期，也对植株地上部分干物质积累起着决定性作用。拔节期、抽穗期灌水有利于根系干物质积累。秸秆还田处理可以有效促进冬小麦生长发育和地上、根系干物质的积累，一方面秸秆还田进入土壤分解后增加许多微量元素，是作物生长发育的重要有机肥源[14];另一方面秸秆还田可以显著提高土壤保墒蓄水能力[15]。

一般情况下，冬小麦产量及其构成因素值均随着灌水次数的增多而增大。返青期、拔节期、抽穗期是穗粒数和千粒重的水分敏感期。灌水次数相同，灌水期不同，在非关键需水期适当亏水处理不会显著影响产量，而且能提高水分利用效率。在前期冬灌条件下，返青期、拔节期和抽穗期灌水均能提高产量和水分利用效率。秸秆还田处理可以明显增加冬小麦的穗粒数、千粒重、产量和提高水分利用效率。

综合两年度试验数据可以得出：秸秆还田条件下，2016—2017年度最优灌溉制度是全生育期灌水4次，越冬期+返青期+拔节期+抽穗期每期灌900 m3/hm2，灌溉定额3 600 m3/hm2;2017—2018年度最优灌溉制度是全生育期灌水3次，越冬期+拔节期+抽穗期每期灌900 m3/hm2，灌溉定额2 700 m3/hm2。此外，本试验仅是在两个连续年度进行，需要利用连续多个年度进一步论证;同时，秸秆还田的方式、数量等均对作物生长发育产生影响，对土壤特性的改善、养分释放的规律和产量的影响也较为复杂，需要进一步研究。

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【责任编辑 许立新】