非充分灌溉对冬小麦产量及水分利用效率影响研究

褚桂红，杨丽霞(山西省水利水电科学研究院，太原 030002)

近年来，面对频频告急的全国用水形势，农业灌溉所面临的用水危机更加严峻，充分供水的灌溉制度已愈来愈难以实现。在半干旱区，虽然气温、日照和土壤肥力等条件良好，但降水量短缺，限制了其他因素的发挥，冬小麦产量在很大程度上取决于水分这个最低量因素[1]。如何根据冬小麦的生长发育规律，在确保合理产量的同时有目的的实行非充分灌溉，使其在某个生育阶段经受水分胁迫，达到节水增产的目的，已成为国内外研究的热点[2-6]。本文针对半干旱区冬小麦生育期灌水次数多、水分利用效率低等实际情况，以非充分灌溉理论为基础，研究冬小麦关键生育期水分胁迫对其生长发育、产量及水分利用效率的影响，为揭示作物高效用水机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2009-2010年在汾西水利管理局灌溉试验站进行，试验站位于山西省临汾市尧都区刘村镇东宜村西，地理位置在东经111°18′38″，北纬36°06′00″，海拔449.00 m，引用龙子祠泉水和试验站井水灌溉，灌溉条件优越。试验田属于中壤土，土壤平均干密度1.42 g/cm3，田间持水率25.7%，地下水埋深平均3 m以下，0～100及0～160 cm土壤肥力情况见表1。试验区多年平均气温为12.1 ℃，降雨量为486.7 mm，蒸发量为1 568 mm(20 cm口径蒸发皿)，属温带大陆性半干旱气候类型。耕作制度为冬小麦-夏玉米一年两作，管理水平较高。

表1 汾西灌溉试验站土壤肥力本底情况表

1.2 试验方案

根据汾西灌溉试验站当地降水量和作物需水量情况，并参考以往的试验研究成果，确定了2009-2010年冬小麦灌水试验方案。试验设旱作处理1个，灌1水和灌2水处理各3个，灌3水处理1个，共计8个处理。小区每次灌水量为75 mm，每个处理设3个重复，小区采用管道输水灌溉，规格20 m×3.3 m=66 m2。冬小麦于2009年10月播种，播前对试验小区进行20～30 cm的翻耕，小麦品种为临抗11号，下种300 kg/hm2；底肥是复合肥，不追肥，气象资料取自临汾市灌溉试验站气象站测定结果。2009-2010年小麦生育期降水量146.6 mm，就冬小麦整个生育期而言为枯水年。

2 结果分析

2.1 冬小麦叶面积变化过程

冬小麦叶面积与产量有较好的空间结构特征[7]，其大小在一定程度上反映产量的高低。图1为不同灌水处理下的冬小麦叶面积变化过程，从图1中可以看出，返青至拔节期单株叶面积迅速增加，至抽穗期叶面积与植株总茎数均达到极大值，叶面积变化总体呈偏抛物线形式(见图1)。不同灌水量处理对叶面积扩展影响不同，返青期各处理叶面积差异不显著，抽穗灌浆期处理T6、T7的叶面积显著高于其他处理，拔节至成熟期旱作处理T0的叶面积与其他处理均存在显著差异，而T7的产量也显著高于其他处理，可见，在一定范围内产量随叶面积的增大而增加，灌水在影响冬小麦叶面积的同时，也影响了产量。

图1 冬小麦叶面积变化过程注：不同字母表示不同处理间达到0.05或0.01显著差异水平，字母相同表示无显著差异，下同。

2.2 冬小麦各生育阶段耗水量差异与耗水组成

不同灌水条件下，冬小麦播种至拔节、拔节至灌浆阶段耗水量变化规律基本一致，即随着灌水量的增加，耗水量均呈增大趋势，而灌浆至成熟阶段耗水量则没有明显变化趋势，但灌3水的T7处理耗水量明显高于其他处理，如表2。从整个生育期来看，冬小麦各生育期耗水比例相差较大，播种至拔节期各处理耗水量基本占冬小麦整个生育期耗水量的50%左右，拔节至灌浆期耗水量约占总耗水量的30%左右，灌浆至成熟期耗水量占总耗水量的20%左右。不同处理间，总耗水量的变化量与灌溉水的增加量并不相等，这可能是由于一方面灌水时间、灌水量与冬小麦耗水高峰期不同步，另一方面随着灌水量的增加，冬小麦对灌溉水消耗增大，降低了土壤水的利用率。因此，在确保合理产量的前提下，应减少灌水，增加土壤水的消耗，以达到节水增产的目的。

表2 冬小麦不同生育阶段的耗水及其组成

2.3 冬小麦产量与水分利用效率分析

产量与耗水量关系密切，但并非越多越好。如表3，各处理中，旱作处理T0的产量、总耗水量和WUE均最小，与灌3水的处理T7相比，总耗水量降低了46.1%，产量相应地减少了55.0%，说明不灌水会显著降低冬小麦产量和水分利用效率；T2处理的灌溉水利用效率和边际效益最大，T4处理的水分利用效率和产量均较高，因此灌拔水对其增产和提高灌溉水利用效率的作用非常显著，灌冬浇水与拔节水可获得较理想的产量和水分利用效率。在灌水量相同的情况下，各处理因灌水时间的差异导致了不同的产量和WUE，说明冬小麦最优灌水方式的存在和各生育期对水分状况反映差异的存在[8]。

表3 不同灌水处理下冬小麦耗水量、产量和水分利用效率

灌水次数和灌水量对根系吸收不同土层的土壤水分有较大影响[9]。在枯水年份，各灌水处理对0～80 cm土层的耗水量占土壤总耗水量的绝大部分(表4)，灌3水的T7处理耗水量近70%来自80 cm以上土层，而旱作处理T0对深层土壤水分的消耗达47.7%，灌水次数多，灌水量大，根系对上层土壤水分吸收利用就多；反之，根系对深层土壤水分吸收则明显增加。因此，可适当减少冬小麦生育期的灌水次数和灌水量，有利于促进根系对深层土壤水分的吸收，促进根系下扎[10]，特别是在小麦生育后期表土干旱的情况下对作物产量的形成非常重要。

表4 小麦整个生育期各层土壤耗水情况表

产量和WUE是目前研究较多的一个层次，相关试验结果表明WUE与产量二者最高点并不重合[11]。由图2可知，当耗水量小于444.37 mm时，WUE和产量均增加；当耗水量达到444.37 mm时，WUE达到最大值1.18 kg/m3，此时产量为524.09 g/m2；当耗水量大于444.37 mm时，WUE开始下降，产量继续增加，当耗水量为514.70 mm时，产量达到最大值567.62 g/m2，而WUE降到1.10 kg/m3。说明随着冬小麦生育期总耗水量的增加，WUE较产量更为敏感，先于产量达到最大值。因此，在半干旱地区枯水年份，应使冬小麦生育期总耗水量控制在444.37 mm左右，实现灌溉水资源利用效率的最大化。

图2 冬小麦生育期产量、总耗水量与水分利用效率关系

3 结 语

(1)不同灌水条件下，冬小麦各生育期耗水比例相差较大，总耗水量随灌水量的增加而增大，灌水降低了土壤水的利用率，干旱年份，在确保合理产量的前提下，减少灌水、增加土壤水的消耗，可达到节水增产的目的。

(2)非充分灌溉对冬小麦叶面积、产量和水分利用率均会产生显著影响，旱作处理T0的产量、总耗水量和WUE均最小，与灌3水的T7处理相比，总耗水量降低了46.1%，产量相应地减少了55.0%；T2处理的灌溉水利用效率和边际效益均最大，T4处理的水分利用效率和产量较高，说明在半干旱地区，当水资源不足时，浇越冬水和拔节水可获得较理想的产量和水分利用效率，可作为冬小麦优化灌溉模式。

(3)冬小麦对0～80 cm土层的耗水量占土壤总耗水量的绝大部分，且随灌水次数和灌水量的减少，根系对深层土壤水分吸收则明显增加；适当减少冬小麦生育期的灌水次数和灌水量，可提高根系对深层土壤水分利用效率，特别是在冬小麦灌浆成熟期表土干旱的情况下对作物产量的形成非常重要。

(4)WUE与产量二者最高点不重合，WUE先于产量达到最大值。在半干旱地区，当冬小麦总耗水量控制在444.37 mm左右时，可实现水资源利用效率的最大化。

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