豫西北地区土壤水分控制下限对冬小麦产量形成与水分利用的影响研究

2018-04-13韦强军

中国农村水利水电 2018年3期

韦强军

(中科华水工程管理有限公司，郑州 450000)

0　引　言

广利灌区位于河南焦作市西南部，规划面积3.4 万hm2，其中灌溉面积2.07 万hm2、补源面积1.33 万hm2，现有效灌溉面积为1.6 万hm2。灌区气候温和，土地肥沃，盛产小麦、玉米，兼种棉花和“四大怀药”等经济作物，是河南省粮食高产稳产区，对保障国家粮食安全和全区经济社会可持续发展意义重大。

目前，广利灌区除汛期降水普遍较多，灌区基本不引水，其他月份来水量约8 000 万m3，因此水量缺口很大。近年来，灌区供水矛盾日益突出。一方面，随着沁河年径流量的减少及沁河上游山西境内水资源的大量开发利用，灌区及下游用水十分紧缺，对农业生产造成严重威胁。另一方面灌区农田灌溉设施落后、灌溉水利用系数较低，造成有限的水资源大量浪费，加之灌区下游大量乡镇企业的工业废水及城区生活废水排入河道，局部河段水质污染严重，也在一定程度上加剧了水资源供需矛盾。冬小麦是广利灌区的主要粮食作物。冬小麦自身耗水量大，对土壤水分依赖性高，因此，研究冬小麦的耗水量及耗水规律具有非常重要的现实意义。本项目通过研究冬小麦在充分供水条件下的生长发育规律，耗水特性及水分利用效率，并分析了产量与耗水量的关系，为确定冬小麦的节水高产灌溉制度，也为灌溉工程的规划设计、水资源的合理调配与高效利用提供理论基础。

1　试验材料与方法

1.1　试验区概况

试验在河南省焦作市广利灌区灌溉试验站进行。试验站地理位置为112°55′E， 35°4′N，海拔150 m。试验场多年平均气温14.5 ℃，无霜期216～240 d，日照时数2 200～2 400 h，多年平均降水量为593.5 mm，年降水量变化较大，据1971-2009的气象资料，年最大值(1954年)为1 094.2 mm，年最小值(1965年)为262.9 mm，丰水年与枯水年可相差4倍，且降水年内季节分配不均，6-9月份降水量占全年降水量的70%以上；多年平均蒸发量1 774.8 mm(水面蒸发皿直径为20 cm)，是多年平均降水量的3倍。年内蒸发量的变化基本与气温变化一致，变化规律呈正态分布，一年中以6月份最大，平均306.2 mm，11月份最小，平均86.7 mm。

表1　冬小麦的灌溉制度试验设计　%

注：表中的数值为土壤水分控制下限占田间持水量的百分数。

1.2　试验处理设置

试验于2014-2016年在焦作市广利灌区灌溉试验站试验场进行。供试作物为冬小麦，品种为“温麦19”。2014-2015年试验播种前整地时每公顷使用复合肥525 kg、尿素75 kg作底肥，耕翻耙平后打畦划小区，小区规格20 m×6 m。2014年10月5日播种，行距25 cm，播量210 kg/hm2，10月14日出苗，2015年6月18日收获。2015-2016年度试验播前整地时施用900 kg/hm2复合肥作底肥，耕翻耙平后打畦划小区，小区规格20 m×6 m，于2015年9月27日播种，行距25 cm，播量142.5 kg/hm2，10月4日出苗，2016年6月18日收获。

冬小麦灌溉制度试验安排了4个不同的水分处理，以土壤水分下限分别占田间持水量的80%、70%、60%和50%作为控制灌水的标准(见表1)，当土壤水分达到下限时，就进行灌水。每个处理重复3次，不同处理间设置一个保护小区作为隔离区。灌溉采用管道供水，水表量水。各处理除土壤水分控制标准不同外，其他农业栽培管理措施均相同，冬小麦收获前，各处理均取样进行室内考种。

1.3　试验观测项目及方法

1.3.1气象资料

气象资料的获得是通过灌溉试验站内安装的Vantage Pro自动气象站自动测定，气象站安装高度为3 m，安装地点为试验站大田内，测定内容包括太阳辐射、气温、空气湿度、风速、日照时数、蒸发量以及降雨量等。

1.3.2土壤含水率测定

土壤含水量测定基本按照每10 d进行一次，包括作物播前、收获后以及灌溉降雨前后都进行测定，测定深度为1 m，分5层，每20 cm一层。表土层0～20 cm采用取土烘干法测定；20～100 cm借助定点埋设的PVC管，利用FDR土壤水分测定仪器定时定点测定。

1.3.3作物耗水量测定

作物耗水量通过前后两次测定的土体含水量的差值，并考虑灌水、渗漏等过程造成的水量变化，用水量平衡法确定，其计算公式如下：

ET=I+P+G-S-ΔW

(1)

ΔW=Wt-W0

(2)

式中：ET、I、P、G、S、ΔW分别为耗水量、灌水量、降水量、地下水补给量、渗漏量和土壤储水变化量，mm；W0、Wt分别为时段初和时段末的土壤储水量，mm。由于试验是在小区中进行的，用塑料软管灌水，每次的灌水量不超过75 mm，通过灌水或降水前后取土根据水量平衡法分析得出，灌溉和降雨基本上不产生深层渗漏，因此深层渗漏量S为0 。当地的地下水位较深(一般在3.0～5.0 m)，作物无法吸收利用，故地下水利用量G=0。

1.3.4作物产量及产量构成因子的调查

收获前每处理随机取样15穗测定穗长、穗粗、有效穗数、穗粒数、千粒质量。同时每处理去掉边行，收获中间2行，测定生物产量和经济产量。

2　结果与分析

2.1　对产量构成因素的影响

冬小麦的3个产量构成因素为有效穗数、穗粒数和千粒重。表2显示，有效穗数和穗粒数随着土壤水分的降低而减少，千粒重则随着土壤水分的减少而增加。受旱严重的处理(T-50)的有效穗数、穗粒数最少，产量也最低，但千粒重最高。从穗粒重来看，T-60的穗粒重和产量最高。干旱处理(T-50)不仅大大减少了有效穗数，而且导致穗粒数最少，因而减产最多(18.5%～21.36%)。此外，土壤水分对无效穗数没有明显的影响。2015-2016年由于播的早，冬前降雨多，促进了苗早生、快发，群体过大，使得有效穗数和无效穗数都高于2014-2015年，而穗粒数则少于2014-2015年。由于2015-2016年冬小麦生长期间的降雨较均匀，且产量构成因素间的协调配合得当，因此，各处理的产量均高于2014-2015年(5.57%～17.01%)。

林寒生[7]指出“宁德话鼻韵尾与入声韵尾在20 世纪 50-60 年代还保留着 m、n、ŋ-p、t、k 三套完整的对应系统，但至今已发生急剧变化。目前在60-70岁以上老年人中，仍有极少数人还保留这种读法；但绝大多数人口语中只保留m、ŋ-p、k、ʔ尾（即 n →ŋ、t→k、k→ʔ），而五、六十岁以下的人上述辅音系统已经混乱，变化不一。三、四十岁的中青辈m、n尾多混入ŋ尾，p、t尾则已混入ʔ尾了”。作者描写的宁德方言音系（文中虽未明确指出调查的是宁德城关方言，但也未说明是乡镇点的调查，可以认为是对城关方言的调查）有5个辅音韵尾[m、ŋ、p、k、ʔ]，其中的鼻音韵尾有 2 个[m、ŋ]。

表2　冬小麦在不同水分处理下的产量及产量构成因素

注：不同的小写字母和大写字母分别表示产量的差异达到显著(P=0.05)和极显著水平(P=0.01)。

通过对冬小麦不同处理下的产量结果进行的方差分析可看出，区组间的差异不显著，而处理间的差异达到极显著水平。用Duncan新复极差法(SSR)对各处理的平均产量进行显著性检验的结果表明：2014-2015年T-80、T-70、T-60三者之间的产量差异不显著，干旱处理T-50的产量与其他处理间的差异达到了极显著水平；2015-2016年T-60与T-70、T-70与T-80处理间的产量差异不显著，T-60与T-80间的产量差异显著，而受旱处理(T-50)与T-70、T-60处理间的差异均达到了极显著水平；高水分处理(T-80)造成显著减产的原因是群体过大、植株过高造成轻度倒伏所致(表5)。

2.2　冬小麦耗水规律及水分生产效率

2.2.1耗水量的计算

2014-2015年、2015-2016年冬小麦的灌溉制度试验是在大田小区中进行的，采用水量平衡法计算耗水量。根据试验记录，两年大田小区试验冬小麦耗水量的计算结果列于表3之中。通过表中数据可知，冬小麦的耗水量随着生育期间土壤水分的降低而降低，土壤水分越低，耗水量越小，灌水量越多，耗水量越大。

2.2.2冬小麦的耗水规律

作物的耗水量与土壤、气候、栽培管理措施(灌水、施肥、病虫防治等)以及作物种类和自身生长的快慢、群体结构、器官大小等因素有关，这些因素的综合作用使得其日耗水量呈现规律性的变化，在生育期内一般遵循前期小→中期大→后期小的变化规律。

表3　冬小麦不同处理的耗水量计算结果

表4、表5显示的是两个试验年份冬小麦的耗水过程。可以看到，在冬小麦返青前日耗水量较小，在越冬期间日耗水量最小，返青以后日耗水量随着气温的升高、作物生长速度的加快以及群体的壮大而迅速增加，到了抽穗～灌浆期达到最大值，随后逐渐降低。从阶段耗水量和模系数来看，冬小麦拔节～抽穗期耗水最多，有的处理耗水量占全生育期的三分之一还多，其次是灌浆～成熟期。不同水分处理的阶段耗水量和日耗水量在越冬期间差异较小，拔节以后差异变大，灌浆后期差异又逐渐变小。不同生育阶段的阶段耗水量和日耗水量均随着土壤水分的降低而下降，受旱处理T-50的阶段耗水量和日耗水量最小，T-80的最大。

表4　冬小麦不同处理的阶段耗水量及日耗水量(2014-2015)

表5　冬小麦不同处理的阶段耗水量及日耗水量(2015-2016)

2.2.3水分生产效率

对于粮食作物来说，水分生产效率(WUE)指的是每消耗1 m3水所能生产的籽粒产量，即：WUE=Y/ET。冬小麦不同水分处理下的水分生产效率见表6。

表6　冬小麦不同土壤水分处理下的水分生产效率WUE

表6显示，T-60的WUE最高，T-50的次之，T-80的最低。随着土壤水分的降低，冬小麦的水分生产效率有提高的趋势，但当土壤水分低于田间持水量的60%时，WUE又开始下降。2014-2015年T-60处理的产量与T-80、T-70的相当，但其耗水量比T-80、T-70的耗水量分别减少13.33%和8.73%，WUE比T-80、T-70的分别增加16.25%和9.38%；2015-2016年T-60处理的耗水量比T-80、T-70的耗水量分别减少28.19%和13.17%，WUE比T-80、T-70的分别增加34.50%和15.50%。2015-2016年由于降雨量多，降雨次数多，且分布比较均匀，因此不同处理冬小麦的产量和水分生产效率都比2014-2015年的高。通过对产量、耗水量及WUE的综合评价，认为T-60处理相关的灌溉制度表现最好，即全生育期土壤水分的控制下限不低于田间持水量的60%，在足墒下种及生育期降水量179.5 mm的情况下，灌水2次，灌溉定额150 mm，拔节～抽穗期灌水1次，灌浆～成熟期灌水1次；在降雨量约235.0 mm的情况下，全生育期仅在拔节～抽穗期灌水1次，灌溉定额75 mm。

2.4　冬小麦产量与耗水量的关系

2.4.1冬小麦产量与全生育期耗水量的关系

2014-2015年、2015-2016年冬小麦的实测试验资料显示，产量与耗水量之间呈现出良好的二次抛物线关系，相关程度较高，其回归方程式分别为：

Y=-1.4×10-3ET2+13.128ET-21 902

(2014-2015年)

(3)

3　主要结论

(1)土壤水分状况是影响冬小麦生长发育最重要的生态因子之一，水分亏缺会对其生长产生不良影响。有效穗数、穗长、穗粒数随着土壤水分的降低而减少，T-50的处理最低，T-80 的处理最高，但土壤水分对无效小穗数的影响无规律性。高水分处理T-80的穗粒重很低，T-60的穗粒重和产量最高，干旱处理T-50不仅大大减少了有效穗数，而且导致穗粒数最少，因而减产最多(18.5%～21.36%)。

(2)冬小麦的耗水量随着土壤水分的降低而减少，随着灌水量的增加而增加。返青前日耗水量较小，在越冬期间日耗水量最小，返青以后日耗水量随着气温的升高、作物生长速度的加快以及群体的壮大而迅速增加，到了抽穗～灌浆期达到最大值，随后逐渐降低。不同生育阶段的耗水量和日耗水量都有随着土壤水分的降低而下降的趋势，受旱越重，其受到的影响越大。根据冬小麦的阶段耗水量和日耗水量变化规律，其拔节～抽穗期和抽穗～灌浆期为耗水临界期。

(3)根据实测的田间试验资料，分别建立了冬小麦产量、水分利用效率与全生育期耗水量之间的二次抛物线关系模型。根据冬小麦产量与全生育期耗水量的关系得出：2014-2015和2015-2016年冬小麦的经济耗水量分别为4 750和4 500 m3/hm2。

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参考文献：

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