耕作方式和灌水量对小麦生长发育及产量的影响
2022-03-27且天真路战远那顺勿日图张向前程玉臣张德健
郑 美，且天真，路战远，那顺勿日图，李 娟，张向前，程玉臣，张德健
（1.内蒙古大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特 010070；2.牧草与特色作物生物技术教育部重点实验室，内蒙古呼和浩特010070；3.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031；4.通辽市林业局有害生物防治站，内蒙古通辽 028000）
小麦是我国主要的粮食作物之一[1-2]。内蒙古作为小麦主产区之一，干旱缺水是制约该地区小麦生产的关键因素[3-6]。小麦对水的需求量相对较大[7]，然而灌水量过多，成本增加，导致效益下降[8]。了解小麦各个生长发育阶段的水分需求，实现高效用水成为今后小麦生产的重要课题[9-12]。研究表明，多数农作物的需水量与其生长时期密切相关[13-14]。小麦苗期适量灌水可以在一定程度上提高其生物学产量，拔节期灌水可提高穗粒数和千粒重，对产量提高有极显著作用[15-16]。韩占江等[17]研究了灌水量对小麦干物质积累的影响，结果表明，苗期灌水可显著提高小麦产量，干旱严重时效果更明显。黄玲等[18]研究表明，拔节期和灌浆期灌水可提高小麦籽粒产量。郑成岩等[19]研究不同水肥条件下土壤养分变化动态，发现在播种前和小麦拔节期灌水定额均为60 mm 时，可显著提高水分利用效率及产量。
目前，内蒙古赤峰地区采用的耕作方式主要为深松秸秆还田、传统翻耕播种、旋耕秸秆还田常规播种等[20]，主要农作物为春小麦，一年一季。小麦一般在苗期、拔节期、灌浆期灌水，在灌浆期灌水量为675～825 m3/hm2[21-22]。目前，国内外有关灌水时间和灌水量与春小麦生长发育进程的关系研究较少[23]。因此，本试验在内蒙古赤峰市对不同耕作方式下小麦不同生育时期的灌水量进行了研究，旨在为该地区小麦节水灌溉提供理论依据及技术支撑。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验于2019年在内蒙古自治区赤峰市喀喇沁旗乃林镇（41°50′～41°59′N，119°12′～119°19′E）进行。该地区平均海拔510 m，属北温带干旱半干旱大陆性季风气候。年日照时数2 900～3 000 h，年平均降水量400 mm，年平均气温6.7 ℃，日最高气温39 ℃、最低气温－30 ℃，≥10 ℃有效积温为2 900～3 100 ℃，无霜期130～145 d。春季少雨多风，气候干旱；夏季高温多雨，雨热同季。土壤类型为潮棕壤土，基础养分含量为有机质27.80 g/kg、速效磷14.50 mg/kg、速效钾200.00 mg/kg、全氮1.30 g/kg；前茬作物为玉米。
1.2 供试材料
供试小麦为当地主栽品种垦九10 号，黑龙江省农垦总局九三科学研究所选育。
1.3 试验设计
试验选取耕作方式和灌水量两个因素，耕作方式设置旋耕秸秆还田常规播种（XG）、秸秆还田免耕播种（MG）、传统翻耕播种（CT）、深松秸秆还田播种（SS）4 种方式。灌水量设置5 个水平：900 m3/hm2，拔节期灌水900 m3/hm2；1 350 m3/hm2，拔节期、抽穗—开花期分别灌水750、600 m3/hm2；1 800 m3/hm2，拔节期、抽穗期和开花—灌浆期分别灌水600、600、600 m3/hm2；2 250 m3/hm2，拔节期、抽穗期和开花—灌浆期分别灌水750、750、750 m3/hm2；2 700 m3/hm2，拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期分别灌水750、750、750、450 m3/hm2。共20 个处理，每个处理3 次重复，共计60 个小区，小区面积为30 m2（长10 m，宽3 m），随机排列。井水灌溉，灌溉方式为滴灌。磷酸二铵225 kg/hm2（含P2O546%、N 18%）、尿素45 kg/hm2（含N 46%）、硫酸钾75 kg/hm2（含K2O 50%）作底肥一次性施入。2019年4月10日播种，播种量为650 万粒/hm2，行距为15 cm，8月25日收获。
1.4 测定指标与方法
每小区随机选定3 个样点（面积为1 m×1 m=1 m2），4月28—30日采用定点法取样，测定出苗率。在苗期、拔节期、孕穗期、抽穗期测定叶面积指数。收获期随机选取20 个单茎测定株高、穗粗、穗长、单穗粒重、单穗粒数、千粒重、单株成穗数、产量。其中叶面积指数计算公式为
叶面积指数＝（单茎叶面积×茎数）/面积
1.5 数据处理
试验数据采用IBM SPSS Statistics 21 统计学软件进行方差分析，结合Microsoft Excel 2013 软件作图。
2 结果与分析
2.1 不同处理对小麦出苗的影响
灌水量处理在拔节期开始进行，因此小麦的出苗天数不受灌水量处理的影响。由表1 可知，不同耕作方式小麦出苗天数表现为XG=CT
表1 不同处理对小麦出苗的影响
2.2 不同处理对小麦生长发育的影响
2.2.1 不同处理对小麦成熟期株高的影响
由表2 可知，XG 耕作方式下，不同灌水量对小麦成熟期株高具有显著影响，随着灌水量的增加株高增加，灌水量900 m3/hm2处理的小麦株高与1 350 m3/hm2处理相比无显著差异（P>0.05），这两个处理与其他灌水量处理间差异显著（P<0.05）；灌水量2 700 m3/hm2处理的小麦株高最大，为93.52 cm。MG 耕作方式下，不同灌水量处理对小麦株高有显著影响，灌水量900 m3/hm2处理的小麦株高与其余4 个灌水量处理相比差异显著（P<0.05）；灌水量2 700 m3/hm2处理下株高最大，为95.67 cm。CT 耕作方式下，灌水量900 m3/hm2处理的小麦株高与1 800 m3/hm2处理相比差异显著（P<0.05），与其余灌水量处理差异不显著（P>0.05）；灌水量1 800 m3/hm2处理下株高最大，为93.00 cm。SS 耕作方式下，灌水量900 m3/hm2处理小麦植株偏矮，株高为91.00 cm，与其他处理相比差异显著（P<0.05），其余灌水量处理间小麦株高差异不显著（P>0.05）；灌水量2 700 m3/hm2处理小麦株高最大，为94.00 cm。
表2 不同处理对小麦成熟期株高的影响
2.2.2 不同处理对小麦叶面积指数的影响
随着小麦生育时期的推进，小麦叶面积指数变化幅度不大，这与小麦生长过程中叶片的生长、衰老、脱落相关。拔节期浇第1 水，此时小麦的分蘖数已经达到最高值，之后随着小麦的生长分蘖向两极分化，单位面积茎数基本不变，灌水量只影响叶片大小，在水分能够满足小麦基本需求时，不同灌水量对叶片数量影响更小。由图1 可知，XG 耕作方式下，除孕穗期、灌浆期和成熟期外，其他各生育时期随着灌水量的增加，叶面积指数呈先上升后下降的趋势；孕穗期灌水量1 800 m3/hm2处理小麦叶面积指数最大，为3.88，且与900 m3/hm2处理相比小麦叶面积指数增加4.30%。
图1 XG 耕作方式下小麦叶面积指数变化
由图2 可知，MG 耕作方式下，小麦各生育时期叶面积指数随灌水量增加上下波动，灌水量1 800～2 700 m3/hm2处理对拔节期和成熟期小麦叶面积指数影响较大，小麦拔节期和成熟期叶面积指数在该灌水量区间不断增加；孕穗期灌水量1 350 m3/hm2处理小麦叶面积指数最大，为3.71，其次为灌水量1 800 m3/hm2处理，为3.67。
图2 MG 耕作方式下小麦叶面积指数变化
由图3 可知，CT 耕作方式下，小麦各生育时期随着灌水量的增加，叶面积指数总体呈上升趋势，各灌水量处理下小麦孕穗期叶面积指数均大于其他生育时期；孕穗期灌水量2 700 m3/hm2处理叶面积指数最大，为3.52。
图3 CT 耕作方式下小麦叶面积指数变化
由图4 可知，SS 耕作方式下，小麦各生育时期随灌水量的增加叶面积指数上下波动。开花期、灌浆期及成熟期小麦叶面积指数在灌水量2 250 m3/hm2处理下急剧升高，而孕穗期和抽穗期小麦叶面积指数在该灌水量处理下略有下降。
图4 SS 耕作方式下小麦叶面积指数变化
综上所述，灌水量对小麦除苗期外的各生育时期叶面积指数均有不同程度影响，MG 和CT 耕作方式下灌水量在1 350～2 700 m3/hm2时，对小麦叶面积指数增长有微弱的促进作用。
2.3 不同处理对小麦产量的影响
2.3.1 不同处理对小麦产量性状的影响
由表3 可知，XG 耕作方式下，除灌水量900 m3/hm2处理小麦穗粗显著（P<0.05）低于灌水量1 800 m3/hm2和2 250 m3/hm2处理，其他灌水量处理间小麦穗粗差异不显著（P>0.05）。灌水量900 m3/hm2和1 800 m3/hm2处理小麦穗长显著（P<0.05）低于其余3 个灌水量处理，这两个处理间无显著差异（P>0.05）。灌水量2 250 m3/hm2处理小麦单穗粒数显著（P<0.05）低于除灌水量900 m3/hm2处理外的其他3 个处理。灌水量2 250 m3/hm2处理小麦千粒重与灌水量1 800、2 700 m3/hm2处理相比显著降低（P<0.05），灌水量900、1 350 和1 800 m3/hm2处理间差异不显著（P>0.05）。灌水量对小麦单株成穗数具有显著影响；灌水量2 250 m3/hm2处理的单穗粒重显著（P<0.05）低于其他灌水量处理，而公顷穗数却显著（P<0.05）高于其他处理。
表3 不同处理对小麦产量性状的影响
MG 耕作方式下，灌水量900、1 350 m3/hm2处理小麦穗粗显著（P<0.05）低于其他处理。灌水量1 800 m3/hm2处理小麦穗长显著（P<0.05）低于其他灌水量处理，其余4 个灌水量处理间小麦穗长差异不显著（P>0.05）。灌水量2 700 m3/hm2处理小麦单穗粒数、千粒重、单株成穗数、单穗粒重、公顷穗数最高，与灌水量900 m3/hm2处理相比分别增长2.18%、4.12%、31.82%，灌水量2 250 m3/hm2处理次之，与灌水量900 m3/hm2处理相比分别增长1.56%、2.06%、17.57%。综合各指标认为，灌水量在2 250～2 700 m3/hm2时对小麦产量提高有积极作用。
CT 耕作方式下，增加灌水量对小麦穗粗无显著（P>0.05）影响，但对穗长影响显著（P<0.05）。灌水量1 350、2 250 和2 700 m3/hm2处理小麦的单穗粒数与灌水量900 m3/hm2处理相比分别提高1.37%、2.05%、3.08%，差异显著（P<0.05）。灌水量1 350、1 800 m3/hm2处理小麦的千粒重与灌水量900 m3/hm2处理相比分别提高1.28%和1.60%，差异显著（P<0.05）。灌水量对单株成穗数、单穗粒重、公顷穗数影响显著，其中灌水量2 250 m3/hm2处理的单株成穗数较高，但公顷穗数低于除灌水量900 m3/hm2外的其他处理。综合各指标认为，灌水量在1 800～2 250 m3/hm2时对小麦产量提高效果较好。
SS 耕作方式下，灌水量对小麦穗粗影响不显著（P>0.05），灌水量1 800、2 250、2 700 m3/hm2处理的小麦穗长显著（P<0.05）高于其余两个灌水量处理。灌水量1 800 m3/hm2处理小麦单穗粒数显著（P<0.05）高于灌水量2 250 和2 700 m3/hm2处理，但与灌水量900 和1 350 m3/hm2处理差异不显著（P>0.05）。灌水量对千粒重、单株成穗数、单穗粒重、公顷穗数均有显著影响，其中灌水量1 800 m3/hm2处理的小麦千粒重、单穗粒重、公顷穗数均最高，且灌水量1 800 m3/hm2处理小麦的公顷穗数显著（P<0.05）高于其他各灌水量处理。
综合4 种不同耕作方式下不同灌水量处理对小麦产量性状各指标的影响可知，XG、CT、SS 耕作方式下不同灌水量处理对小麦穗粗无显著影响（P>0.05）；4 种耕作方式下不同灌水量处理对小麦单株成穗数、单穗粒重及公顷穗数均有一定影响，且耕作方式不同，最适灌水量各有差异。
2.3.2 不同处理对小麦产量的影响
由图5 可知，XG 耕作方式下灌水量1 800 m3/hm2处理小麦产量最高，为5 885.01 kg/hm2，与灌水量900 m3/hm2处理相比，增产1 460.01 kg/hm2，增产率为32.99%，差异显著（P<0.05）；灌水量1 800 m3/hm2处理小麦产量与灌水量1 350 m3/hm2处理相比差异不显著（P>0.05），但与灌水量2 250 、2 700 m3/hm2处理相比差异显著（P<0.05）。MG 耕作方式下，随着灌水量的增加小麦产量相应增加，不同灌水量之间差异显著（P<0.05），灌水量2 700 m3/hm2处理小麦产量最高，为8 152.63 kg/hm2，与灌水量900 m3/hm2处理相比，增产3 622.63 kg/hm2，增产率为79.97%；灌水量2 250 m3/hm2处理小麦产量次之，为6 493.55 kg/hm2，与灌水量900 m3/hm2处理相比，增产1 963.55 kg/hm2，增产率为43.35%。CT 耕作方式下，灌水量2 700 m3/hm2处理小麦产量为4 481.52 kg/hm2，显著（P<0.05）高于其他处理，与灌水量900 m3/hm2处理相比，增产689.37 kg/hm2，增产率为18.18%。SS 耕作方式下，不同灌水量处理间小麦产量差异显著（P<0.05），灌水量1 800 m3/hm2处理小麦产量最高，为4 563.72 kg/hm2，显著高于其他处理（P<0.05），与灌水量900 m3/hm2处理相比，增产1 095.08 kg/hm2，增产率为31.57%。
图5 不同处理对小麦产量的影响
综合不同耕作方式和灌水量处理的小麦产量水平，以MG 耕作方式下灌水量2 700 m3/hm2处理的小麦产量最高，且显著（P<0.05）高于其他耕作方式下不同灌水量处理；结合节水和经济效益方面认为，MG 耕作方式下灌水量1 350～2 250 m3/hm2处理水分利用好且产量也较高。
2.3.3 灌水量与农艺性状及产量的相关性
由表4 可知，灌水量与株高、单株成穗数呈极显著（P<0.01）正相关关系，与公顷穗数呈显著（P<0.05）正相关关系；与叶面积、穗粗、穗长、单穗粒数和产量呈正相关关系，但差异不显著（P>0.05）。株高与穗粗、穗长、单穗粒数、单株成穗数、公顷穗数和产量呈极显著（P<0.01）正相关关系，与叶面积、单穗粒重呈显著（P<0.05）正相关关系；与千粒重呈正相关关系，但差异不显著（P>0.05）。叶面积与穗长、公顷穗数呈极显著（P<0.01）正相关关系，与单穗粒数、单株成穗数和产量呈显著（P<0.05）正相关关系。穗粗与穗长、单穗粒数、千粒重呈显著（P<0.05）正相关关系，与单穗粒重、公顷穗数和产量呈极显著（P<0.01）正相关关系；与单株成穗数呈正相关关系，但差异不显著（P>0.05）。穗长与单穗粒数、公顷穗数和产量呈极显著（P<0.01）正相关关系。单穗粒数与单穗粒重、公顷穗数和产量呈极显著（P<0.01）正相关关系。千粒重与单株成穗数呈负相关关系，与单穗粒重呈极显著（P<0.01）正相关关系，与公顷穗数和产量呈显著（P<0.05）正相关关系。单株成穗数和单株粒重与公顷穗数呈极显著（P<0.01）正相关关系。单株粒重和公顷穗数与产量呈极显著（P<0.01）正相关关系。
表4 灌水量与农艺性状及产量的相关性分析
3 讨论与结论
土壤中水分含量的高低直接影响着农作物对土壤养分的吸收[24-25]，因此灌水量对农作物的生长发育有着重要的作用，合理灌溉不仅可以提高农作物产量，还可以在一定程度上减少水资源浪费，节约成本。研究表明，通过控制灌水量可以使农作物产生适宜的水分胁迫，从而提高农作物产量及水分利用率[26-30]。拔节期与灌浆期灌水可显著提高冬小麦产量，该结果与本试验结果一致[31]。孕穗期或灌浆期灌水可以提高小麦千粒重[32]。本试验表明，MG 耕作方式下出苗率最高；XG 和SS 耕作方式下随着灌水量的增加小麦株高呈逐渐上升趋势。灌水量对小麦叶面积指数影响显著，MG 和CT 耕作方式下灌水量在1 350～2 700 m3/hm2时，对小麦叶面积指数增长有微弱的促进作用。不同耕作方式下灌水量对小麦产量均有显著影响，MG 耕作方式下灌水量2 700 m3/hm2处理小麦产量最高，为8 152.63 kg/hm2。通过灌水量与农艺性状及产量的相关性分析可知，灌水量与株高、单株成穗数呈极显著（P<0.01）正相关关系，与公顷穗数呈显著（P<0.05）正相关关系；与叶面积、穗粗、穗长、单穗粒数和产量存在正相关关系，但差异不显著（P>0.05）。
通过对4 种不同耕作方式下控制灌水量效应的比较，灌水量与小麦产量及农艺性状呈正相关关系。MG 耕作方式下灌水量2 700 m3/hm2处理小麦产量最高，考虑到节约用水和经济效益问题，因此认为MG 耕作方式下灌水量1 350～2 250 m3/hm2处理水分生产率达到良好且小麦产量也较高。该试验可为内蒙古赤峰地区探究小麦最适耕作方式及最优灌溉制度提供参考。
