不同种植模式对冬小麦产量及水分利用特性的影响

董志强，吕丽华，崔永增，申海平，张经廷，姚艳荣，贾秀领

(河北省农林科学院粮油作物研究所/农业部华北地区作物栽培科学观测实验站，河北石家庄 050035)

不同种植模式对冬小麦产量及水分利用特性的影响

董志强，吕丽华，崔永增，申海平，张经廷，姚艳荣，贾秀领

(河北省农林科学院粮油作物研究所/农业部华北地区作物栽培科学观测实验站，河北石家庄 050035)

为探讨适宜河北山前平原高产限水区冬小麦节水稳产的种植模式，于2014-2015年研究了不同种植模式对最大叶面积指数、群体变化、表层土壤水分含量、耗水特性、产量及水分利用效率的影响。试验设秸秆覆盖(微喷灌)、全膜覆土穴播(不灌水)、垄上覆膜(膜侧条播，淋灌)、免耕沟播(每沟淋灌)、免耕沟播(隔沟淋灌)、微喷灌对照、畦灌对照共7个处理，畦灌对照灌水量为150 mm(越冬水和拔节水各75 mm)，各微灌处理灌水量均为30 mm(拔节水)。结果表明，秸秆覆盖处理较微喷灌对照增产2.1%，差异不显著，水分利用效率二者相同；秸秆覆盖处理冬前、返青期、拔节期表层土壤水分含量均高于微喷灌对照。秸秆覆盖处理、微喷灌对照较畦灌对照分别减产0.6%和2.6%，差异不显著，而水分利用效率同为31.7 kg·hm-2·mm-1，较畦灌对照增加32.1%，差异极显著。秸秆覆盖处理成穗率显著高于微喷灌对照，微喷灌对照成穗率显著高于畦灌对照；秸秆覆盖处理冬前0～20 cm土层含水量较微喷灌对照、畦灌对照分别增加6.36%和5.92%，差异均显著。秸秆覆盖处理下冬小麦生育期土壤水消耗量略低于膜侧条播处理，而高于其他微灌处理，说明秸秆覆盖模式在降水量偏少的年份有利于冬小麦利用0～2 m土壤贮水。

种植模式；冬小麦；籽粒产量；水分利用效率；耗水特性

河北山前平原地区冬小麦生育期间一般年份降水量为110 mm左右[1]，而耗水量约为450 mm[2-3]，进行补充灌溉成为该地区冬小麦获得高产、稳产的重要手段之一。长期以来，生产中采用地面大水漫灌方式补充灌水，水资源浪费较大，整个华北平原缺水现象十分严重。因此，如何合理高效地利用自然降水和有限的地下水资源，提高水分生产效率是目前冬小麦生产中需要迫切解决的难题[4]。农田节水调控主要目的是通过科学的灌水方式和各种农业节水措施的实施，减少作物棵间土壤蒸发的无效耗水[5]。与传统地面灌溉相比，微灌能有效控制灌水定额，改善田间生态环境，提高灌水分布均匀系数、籽粒产量和水分利用效率[6-8]。农田覆盖保墒技术作为非工程节水的重要措施之一，近年来备受关注[9]。地膜覆盖和秸秆覆盖是提高灌溉水利用效率的有效措施[10-11]，具有减少土壤蒸发和养分损耗、保蓄雨水、保护土壤结构、调节地温、抑制杂草生长等作用[12-17]。方日尧等[18]研究表明，冬小麦在生长期采用渗水地膜、秸秆、常规地膜覆盖技术均有显著增产效果。河北山前平原农区玉米秸秆的利用途径主要是秸秆还田，即冬小麦播种时随深耕或旋耕翻压至耕层，其保墒效应明显低于秸秆覆盖。前人对小麦微灌技术和覆盖免耕措施节水方面的研究大多是分开进行的[19-33]，把二者相结合的研究报道甚少。本试验把微灌技术和农艺措施(覆盖、免耕)结合起来，研究了7种不同种植模式对冬小麦生长发育、籽粒产量及水分利用的影响，以期为农艺节水技术在冬小麦生产中的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2014-2015年在河北省农林科学院粮油作物研究所藁城堤上试验站(37.56°N，114.43°E，海拔51.2 m)进行。试验地耕层(0～20 cm)土壤有机质含量为11.60 g·kg-1，全氮含量为0.83 g·kg-1，全磷含量为1.85 g·kg-1，碱解氮含量为75.0 mg·kg-1，速效磷含量为32.1 mg·kg-1，速效钾含量为106.9 mg·kg-1。

1.2 试验材料与设计

试验共设7种种植模式：C1，秸秆覆盖(秸秆粉碎后长为3～5 cm收集起来，小麦播种后均匀撒于地表，秸秆覆盖量为4 500 kg·hm-2)，微喷带灌溉(以下简称微喷灌)；C2，全膜覆土穴播，不灌水；C3，垄上覆膜，膜侧条播，淋灌；C4，免耕沟播，淋灌，每沟均灌水；C5，免耕沟播，淋灌，隔沟灌水；C6，微喷灌对照；C7，畦灌对照。微喷带上并列斜5孔，孔径0.8 mm，带宽40 mm，喷射角范围45°～70°，微喷带铺设间距1.8 m；畦灌对照采用PE软管灌溉，即每个小区用两根直径为63 mm的软管(软管间距2.5 m)输送至小区中部。淋灌模式采用容积为300 L的机动喷药机灌溉，去掉喷枪头，用软管将水引至沟内，人工手持软管来回移动，喷药机中的水快用完时，及时用软管从出水井口往其加水)。

随机区组设计，重复4次，小区采用完全随机排列，小区面积6.5 m×5.6 m，处理间设1 m隔离区。其中C1、C6和C7处理等行距播种，行距15 cm；C2处理行距、穴距均为15 cm(每穴7～8粒种子)；C3处理垄宽30 cm，沟宽30 cm，沟内播种3行小麦，平均行距20 cm；C4、C5处理平均行距15 cm。小麦品种为冀麦585，2014年10月16日播种，C2、C3处理播量为330万·hm-2，其他处理播量均为450万·hm-2，2015年6月10日收获。夏玉米收获后、冬小麦播种前，底施史丹利复合肥675 kg·hm-2(含纯N 23%、P2O520%、K2O 8%)，拔节期追施尿素(含纯N 46%)225 kg·hm-2。C7处理冬小麦生育期灌水量为150 mm(越冬水和拔节水各灌75 mm)，其他微灌处理灌水量均为30 mm(拔节水)。前茬玉米季降水量为246 mm，本年度冬小麦生长期内总降水量为95.7 mm，其中播种至越冬前7.5 mm，返青至拔节期16.5 mm，拔节至开花期66.1 mm，开花至成熟期5.6 mm，其他管理采用常规方法。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 耗水量和水分利用效率的测定

小麦播种前及成熟期用CNC503B型中子土壤水分仪测定0～200 cm土层土壤水分含量，根据SPAC理论用农田水分平衡法[34]计算耗水量。作物生育期耗水量ETa=P+U-R-F+ΔW+I。式中，ΔW为土壤贮水消耗量；P为该时段降水量(mm)；U为地下水通过毛管作用上移补给作物水量(mm)；R为地表径流量(mm)；F为补给地下水量(mm)；I为灌水量(mm)。试验地地势平坦，地下水埋深5 m以下，降水入渗深度不超过2 m，因此U、R、F均为0 mm；本试验以20 cm为一个土层。水分利用效率计算公式：WUE=Y/ETa，式中WUE为产量水分利用效率；Y为籽粒产量(kg·hm-2)[35]。

1.3.2 小麦群体和籽粒产量的测定

小麦出苗后选取长势一致、有代表性的1 m2行区或3行定点，分别在出苗后、冬前、起身末期和成熟期调查定点区域小麦群体；成熟后，从每小区随机收割3个1.2 m2小麦植株，脱粒后晒干称重并测定籽粒含水量，换算为13%水分时的产量，并折合成每公顷产量。

1.4 数据计算与统计分析

用Microsoft Excel 2007处理数据和作图，采用DPS 7.05软件统计分析，用LSD(α=0.05)法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 种植模式对小麦株高和最大叶面积指数(LAI)的影响

C2处理小麦株高在返青期和拔节期均显著高于其他处理(表1)，返青期较其他处理增加24.2%～61.2%，拔节期增加13.0%～31.2%，成熟期株高略高于C7处理，差异不显著，除C7处理外显著高于其他处理，较其他处理增加3.4%～5.2%，表明全膜覆土穴播种植模式能显著增加小麦株高，生育前期效果好于后期。C4、C5处理返青期小麦株高显著高于C1、C3、C6、C7处理，而拔节期则显著低于上述4个处理，表明在气温较低的情况下，免耕沟播模式能明显促进小麦植株生长，在气温升高后该模式植株生长较其他模式缓慢。这可能是由地温不同造成的。C7处理成熟期小麦株高显著高于其他微灌处理，不同微灌处理间均无显著差异。

表1 不同处理下小麦的株高及最大叶面积指数

Table 1 Plant height and maximum leaf area index of wheat under different treatments

处理Treatment最大叶面积指数MaximumLAI株高 Plantheight/cm返青期Re-greeningstage拔节期Jointingstage成熟期MaturestageC16.58b12.5de41.7b80.5bC26.52b19.5a50.5a83.2aC36.26c14.1c44.7b79.1bC46.05c15.5b38.8d79.4bC56.13c15.7b38.5d79.1bC66.76b12.1e41.2c79.6bC77.17a12.8d40.9c83.1a

叶面积指数测定日期为2015年4月30日。同列数据后字母不同表示处理间在0.05水平上差异显著。下表同。

The measurement date of leaf area index was on April 30, 2015. Different letters in the same column indicate the significant differences among the treatments at 0.05 level. The same as in the following tables.

孕穗期小麦LAI达到最大。最大LAI表现为C7>C6>C1>C2>C3>C5>C4，C7处理与其他处理差异均显著，较其他处理增加6.1%～18.5%；C6处理较C3、C5、C4处理分别增加8.0%、10.3%、11.7%，差异均显著；C1处理较C3、C5、C4处理分别增加5.1%、7.3%、8.8%，差异均显著。

2.2 种植模式对小麦群体的影响

小麦成穗率表现为C3>C4>C5>C1>C2>C6>C7，冬前分蘖和拔节期分蘖期的变化趋势与成穗率相反，即冬前群体和拔节期群体越大，成穗率越低(表2)。其中C3、C4、C5处理成穗率显著高于灌水量相同的C1和C6处理，原因是这三个处理小麦拔节期群体较小，田间通风透光性好，有利于长势较弱的分蘖成穗。C7处理成穗率在所有处理中最低，较其他处理减少6.5%～23.4%，原因是小麦拔节期C7处理进行了充分灌溉，进而导致群体过大，田间植株长势郁闭，不利于弱小分蘖成穗。同是微喷灌模式，C1处理的成穗率显著高于C6处理，其冬前分蘖、拔节分蘖在所有处理中排第二、三位，说明秸秆覆盖+微喷灌模式下小麦不同生育时期群体均较合理，为其高产奠定了一定基础。

2.3 种植模式对土壤含水量的影响

由图1可见，在小麦播种时土壤墒情相同情况下，冬前C1、C2和C4处理表层土壤含水量显著高于C6处理，较C6处理分别增加7.4%、7.4%和7.2%，表明这3种种植模式可明显增加麦田冬前表层土壤水分，为麦苗安全越冬提供一定的保障。由于C7处理灌溉了越冬水，而其他微灌处理均未灌溉，故其返青期表层土壤含水量较C1、C3、C6处理分别增加18.6%、17.9%和24.8%，差异均显著；C7处理较C4、C5处理分别增加8.6%和6.5%，差异均不显著。C2处理返青期表层土壤含水量较C7处理减少1.6%，差异不显著，而显著高于C1、C3、C6处理。小麦拔节期C2处理表层土壤含水量较C7处理增加4.0%，差异不显著，但显著高于C1、C5、C6处理，较C1、C5、C6处理分别增加14.2%、12.4%和13.7%。以上结果表明，全膜覆土穴播模式可有效地抑制小麦生育前期棵间表层土壤水分的无效蒸发，进而显著增加返青至拔节期麦田表层土壤水分。

2.4 种植模式对小麦耗水组成及其占总耗水量比例的影响

由于C7处理(畦灌对照)采用大水漫灌方式，故其小麦生育期总耗水量最高，显著高于其他6个微灌处理，较其他处理增加31.4%～40.8%(表3)；C7处理的土壤水消耗量最少，显著低于C1、C3处理，较C1、C3处理分别减少13.5%和13.9%；土壤水消耗量占总耗水量的比例较其他处理减少17.2%～20.5%。C2处理由于小麦生育期未浇水，其总耗水量显著低于其他处理，较其他处理减少10.1%～36.5%；土壤水消耗量略高于C4、C7处理，而低于其他处理，表明全膜覆土穴播模式具有较大的节水潜力。C4、C5处理同为免耕沟播模式，C5处理土壤水消耗量较C4处理增加8.6%，而产量较C4处理减少2.5%，表明免耕沟播+每沟均灌水模式较佳。C1处理土壤水消耗量略低于C3处理，而高于其他微灌处理，说明秸秆覆盖+微喷灌模式在降水量偏少的年份较其他种植模式有利于冬小麦利用0～2 m的土壤贮水。

表2 不同生育期小麦群体的变化

Table 2 Changes of wheat population at different growth stages

处理Treatment群体数量Populationsize/(×104·hm-2)基本苗Basicseedling冬前分蘖Tilleringbeforewinter拔节分蘖Jointingtiller成穗率Spikerate/%C1460a1413a1830b42.9bC2209c1010c1365c40.9cC3332b1106b1275d49.1aC4449a1364a1470c48.6aC5446a1352a1425c47.5aC6457a1389a1905b40.2cC7452a1431a2150a37.6d

浇越冬水、拔节水时间分别为2014年11月21日和2015年4月7日；图柱上不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

Pre-wintering and jointing irrigation time were November 21, 2014 and April 7, 2015；Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

图1 不同处理0～20 cm土层土壤含水量的变化

Fig.1 Changes of 0-20 cm soil water content under different treatments

表3 不同处理耗水组成及其占总耗水量的比例

Table 3 Water consumption composition and its proportion to total water consumption under different treatments

处理Treatment总耗水量Totalwaterconsumptionamount/mm土壤水 Soilwater消耗量Consumptionamount/mm比例Proportion/%灌溉水 Irrigation灌溉量Irrigationamount/mm比例Proportion/%降水 Precipitation降水量Precipitation/mm比例Proportion/%C1297b171ab57.63010.19632.3C2250d154c61.600.09638.4C3300b174a58.13010.09631.9C4278c152c54.83010.89634.4C5290c164bc56.63010.39633.1C6290bc165abc56.73010.39633.0C7394a148c37.615038.19624.3

2.5 种植模式对小麦产量、产量构成和水分利用效率的影响

由表4可见 ，C7处理冬小麦籽粒产量最高，其次为C1、C6处理，C7处理较C1、C6处理分别增产0.6%和2.7%，差异均不显著，三个处理均显著高于C2、C3、C4、C5处理，成穗数较多是其高产的主要原因。C2处理产量最低，显著低于除C5处理外的其他处理，成穗数偏少是其产量低的主要原因。成穗数的变化趋势和籽粒产量基本相同，C7、 C1、 C6处理显著高于其他处理，除C3处理外穗数越高，产量就越高。穗粒数表现为C3>C2>C6>C1>C5>C7>C4，其中C3处理略高于C2处理，二者均显著高于其他处理。千粒重表现为C3>C2>C7>C6>C1= C5>C4，C3处理较C2处理增加0.5%，差异不显著，二者均显著高于其他处理。C3处理的穗数高于C2处理，而低于其他所有处理，但其穗粒数和千粒重均最高，故其产量高于C3、C4处理。C1、C6处理水分利用效率相同，均为所有处理中最大值，其次为C2处理。C1处理水分利用效率显著高于灌水总量相同的C3、C4、C5处理，较C3、C4、C5处理分别增加8.9%、8.9%和10.5%；C7处理水分利用效率最低，较其他处理降低16.4%～24.3%，差异均达显著水平。在所有处理中C1处理水分利用效率第一，产量第二，即在灌水量很小的情况下(30 mm)可获得较高籽粒产量，故初步确定秸秆覆盖+微喷灌模式可作为适宜河北山前平原高产限水区冬小麦节水稳产的种植模式。

表4 不同种植模式下小麦产量、产量构成和水分利用效率的变化

Table 4 Changes in wheat grain yield, yield components and water use efficiency under different cropping patterns

处理Treatment穗数Earnumber/(×104·hm-2)穗粒数Grainnumberperspike千粒重1000-grainweight/g籽粒产量Grainyield/(kg·hm-2)WUE/(kg·hm-2·mm-1)C1784a29.3bc41.5bc9381a31.7aC2558d32.4a43.4a7836d31.4aC3626c32.5a43.6a8736b29.1bC4714b28.2c41.2c8288c29.1bC5676b28.9c41.5bc8085cd28.7bC6766a30.4b42.0b9192a31.7aC7806a28.8c42.1b9438a24.0d

3 讨 论

已有研究表明，秸秆覆盖处理能减少冬小麦生育前期的土壤水分消耗，增加冬小麦生育后期的阶段耗水量，使覆盖与不覆盖处理总耗水量差异不大[19]。在一年两熟灌溉区，秸秆覆盖对冬小麦产量影响的研究结果不尽一致。方文松等[20]在河南郑州的研究表明，秸秆覆盖可使冬小麦增产8.08%～10.71%。朱自玺等[21]指出秸秆覆盖可改变作物的耗水规律，在作物生长前期抑制土壤蒸发，生长后期增加植株蒸腾，促进干物质积累，保证作物生育后期需水，有利于提高作物产量和水分利用效率。伊德里萨等[22]研究表明，充分灌溉、轻度水分胁迫和重度水分胁迫条件下，秸秆覆盖均使冬小麦产量增加，与无秸秆覆盖相比分别增加0.98%、16.42%和24.32%。而陈素英等[23-25]在河北栾城实验站的多年研究结果显示，秸秆覆盖处理有效地抑制了土壤蒸发，冬小麦生育期内覆盖处理的土壤蒸发平均比对照减少了30.7%，秸秆覆盖处理春季的低温效应导致冬小麦生育期推迟3～7 d，加上后期的干热风，造成冬小麦非正常成熟，引起减产，4 年平均减产7%左右。汪丙国等[36]在河北冬小麦试验中发现，秸秆量为4 500 kg·hm-2的处理较对照未增产；在河北省黑龙港地区，秸秆覆盖处理的冬小麦产量低于不覆盖处理，但差异不显著[26]。李全起等[27]在山东禹城研究发现，不论有无灌溉，秸秆覆盖均趋于降低冬小麦产量。前人研究结果存在一定差异的主要原因可能是试验地和年度间光温水资源不同，从而使小麦生育期的生长条件差异较大，其次是不同供试小麦品种对秸秆覆盖的反应以及秸秆覆盖量多少也存在较大差异。本研究结果表明，微喷灌模式下秸秆覆盖处理的冬前、返青期、拔节期表层土壤水分含量均高于不覆盖处理，而其总耗水量较不覆盖处理增加6 mm，说明秸秆覆盖可减少冬小麦生育前期土壤水分消耗，而增加生育后期的阶段耗水量，这和李全起等[19]的研究结论相同。微喷灌模式下，秸秆覆盖处理的冬小麦籽粒产量较对照增加2.1%，差异不显著，二者水分利用效率相同。灌溉模式不同、灌水量的多少均会导致秸秆覆盖对小麦产量的影响存在一定差异。本试验中微喷灌模式下冬小麦生育期灌水量仅为30 mm，灌溉量小，且微喷灌类似自然降雨，该模式下秸秆覆盖春季的低温效应可能小于传统畦灌模式。有关微喷灌模式下不同灌水量对秸秆覆盖麦田地温的影响有待进一步的研究。在河北、山东和河南等地的免耕覆盖条件下, 小麦产量比对照减产18%～30%[28-32]。本研究中，免耕覆盖沟播种植模式下冬小麦产量较畦灌对照减少9.2%～12.0%，略低于上述减产幅度。

在冬小麦生育后期(4月22 日以后)，水分消耗由以土壤蒸发为主转为以植株蒸腾为主，不论灌溉与否，秸秆覆盖处理的叶面积指数都明显高于不覆盖处理，说明秸秆覆盖可促进冬小麦后期的生长发育[33]。本研究中，秸秆覆盖处理下拔节前小麦株高略高于不覆盖处理，叶片发黄，长势较弱；孕穗期小麦最大叶面积指数略低于不覆盖处理，这与李全起等[19,33]的结论存在一定差异。微喷灌条件下，秸秆覆盖处理和微喷灌对照的籽粒产量较畦灌对照(不覆盖)分别减少0.6%和2.6%，但小麦生育期灌水总量较畦灌对照均减少120 mm，水分利用效率较畦灌对照均增加32.1%，表明在冬小麦生育期降水量偏少的年型下，这两种种植模式的籽粒产量和水分利用效率均较高。冬小麦籽粒灌浆及产量形成受土壤水分及环境的影响相对较大, 秸秆覆盖是一个长期的效应，不同降水年型微喷灌和秸秆覆盖相结合对冬小麦产量、生长发育等的影响有待进一步的试验验证。

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Effect of Different Cropping Patterns on Yield and Water Use Characteristics of Winter Wheat

DONG Zhiqiang,LÜ Lihua,CUI Yongzeng,SHEN Haiping,ZHANG Jingting,YAO Yanrong, JIA Xiuling

(Institute of Cereal and Oil Crops, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in North China, Ministry of Agriculture, Shijiazhuang, Hebei 050035, China)

In order to explore the suitable water-saving cropping pattern of winter wheat in Hebei piedmont plain, the effects of different cropping patterns on the maximum leaf area index, population changes, surface soil moisture content, water consumption characteristics, grain yield and water use efficiency were studied in 2014-2015. The experiment was set with seven treatments: straw mulching with micro-sprinkler irrigation, the whole film casing dibble seeding with no irrigation, the ridge covered with plastic film with film side drilling and leaching irrigation, no-till furrow sowing with each ditch irrigation, no-till furrow sowing with isolation ditch spray irrigation, micro-sprinkler irrigation and border irrigation as controls.Border irrigation amount was 150 mm (pre-wintering and jointing) and each micro-irrigation treatment irrigation were 30 mm (jointing). The results show that the grain yield of straw mulching treatment was increased by 2.1%, with no significant difference, compared to that of micro-sprinkler irrigation, and water use efficiency of both treatments was the same. The surface soil moisture content of pre-wintering, re-greening and jointing of straw mulching treatment were higher than those of micro-sprinkler irrigation. The grain yield of straw mulching treatment and micro-sprinkler irrigation were decreased by 0.6% and 2.6%, respectively, compared to that of border irrigation, with no significant difference. While the water use efficiency of straw mulching and micro-sprinkler irrigation were both 31.7 kg·hm-2·mm-1, which was increased by 32.1% with significant difference, compared to that of border irrigation. The percentage of earbearing tiller of straw mulching treatment was significantly higher than that of micro-sprinkler irrigation, followed by that of border irrigation. The 0-20 cm soil moisture content of straw mulching treatment before winter was increased by 6.36% and 5.92%,respectively, compared to those of micro-sprinkler irrigation and border irrigation, with significant difference. The soil water consumption of straw mulching treatment was slightly lower than that of the film side drilling treatment but higher than those of other micro-irrigation treatments during winter wheat growing period, indicating that straw mulching mode is beneficial to utilize 0-2 m soil water storage of winter wheat in low rainfall years.

Cropping patterns; Winter wheat; Grain yield; Water use efficiency; Water consumption characteristics

时间：2016-11-04

2016-04-22

2016-05-27

国家公益性行业(农业)科研专项(201303133-1-1)；河北省财政项目(A2015060104，2015045083)

E-mail：woshidongzhiqiang81@126.com

贾秀领(E-mail：jiaxiuling2013@163.com)

S512.1；S318

A

1009-1041(2016)11-1532-08

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161104.0926.034.html