宋文品，王志敏，陈晓丽，王利春，薛绪掌，

孙维拓1，郭文忠1，李友丽1，陈 菲1

(1.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097； 2.中国农业大学农学院，北京 100193)



深层渗灌对冬小麦蒸散动态及水分利用效率的影响

宋文品1,2，王志敏2，陈晓丽1，王利春1，薛绪掌1，

孙维拓1，郭文忠1，李友丽1，陈 菲1

(1.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097； 2.中国农业大学农学院，北京 100193)

为了解渗灌方式下冬小麦的水分蒸散动态及水分利用情况，设置春不灌水(T1)、地上灌拔节水(T2)、地下灌拔节水(T3)、地下灌拔节水+开花水(T4)、地上灌溉拔节水+开花水(T5)5个水分处理，利用称重式蒸渗仪研究了5种水分管理模式下冬小麦的蒸散特征、水分动态及水分利用效率。结果表明，从全生育期来看，冬小麦的耗水速率呈双峰曲线变化，渗灌(T3和T4)的蒸散速率高峰出现在灌拔节水后第五天，常规灌溉(T2和T5)的高峰值出现在灌拔节水后第三天；从每天蒸散动态来看，渗灌和常规灌溉耗水速率均呈“单峰曲线”变化，渗灌拔节水前期呈现“反奢侈耗水”现象，将更多的水用在拔节后期-灌浆期，而渗灌开花水明显抑制了冬小麦耗水，全生育期耗水总量比常规灌溉低1.99%～4.77%；渗灌主要增加了60～100 cm土层含水量，常规灌溉增加了0～40 cm土层含水量；渗灌增加了穗粒数、千粒重、水分利用效率和收获指数，降低了生物量、籽粒的氮素积累量。综合来看，渗灌通过影响不同土层含水量改变植物的耗水模式，即抑制土壤蒸发并将节余水用于生长后期；提高了水分利用效率和收获指数，降低了籽粒蛋白质含量。

渗灌；冬小麦；蒸散；水分利用效率

水资源是农业发展的基础资源，农田灌溉水的利用效率只有30%～40%，农田灌溉有效利用系数每提高0.1，就能节省300多亿m3水[1]，因此提高水资源利用效率已成为农业生产亟待解决的问题。地面灌溉是目前小麦生产中应用最广泛、最主要的灌水方式，但这种灌溉由于地表径流、土壤蒸发、渗漏等因素造成水资源浪费较大，因此喷灌、膜上灌、滴灌、渗灌、膜下滴灌等节水灌溉新技术应运而生。加强节水灌溉技术的研究和应用对中国农业节水有重要的指导意义。渗灌技术亦称地下灌溉，是通过渗漏管以土壤渗漏的方式，为植物的根层进行供水的新型节水灌溉方式[2]。目前，该种灌溉方式在日本、美国等国家广泛应用于温室、果园及绿化灌溉上[3-4]。渗灌能促进冬小麦地上部干物质积累、叶面积及根系生长，有利于吸收20～60 cm土层的水分[5]，具有节水、节能、降湿、增温、改善土壤结构、增加产量、改善作物品质、减少病虫害等优点[6-11]。以往有关渗灌的研究主要集中于水分利用、作物产量、品质改善等方面，而对其耗水方式、蒸散动态探讨甚少。本研究在北京市昌平区国家精准农业示范基地，利用24套中型称重式蒸渗仪和一套大型蒸渗仪研究渗灌下冬小麦的耗水模式、土层土壤含水量的变化及该种灌溉方式对冬小麦产量及品质的影响，以期为小麦节水灌溉技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于北京市昌平区小汤山镇国家精准农业示范研究基地进行。试验场地建有24套中型称重式蒸渗仪和一套大型称重式蒸渗仪(3 m×3 m)，每个中型蒸渗仪小区有效种植面积为0.75 m2(1 m×0.75 m)，深2 m，内装大田原状土壤，配有国外进口的杠杆式称重系统和重量传感器，能将压力信号转换成电信号，每隔5 min记录一次土体重量变化，灵敏度为0.05 mm，由计算机自动控制采集记录。试验场地配备有自动气象站，全程按小时间隔记录空气温度、空气湿度、太阳辐射强度、风速、风向和降雨量。

1.2 试验设计

称重式蒸渗仪内耕层土壤容重为1.43 g·cm-3，供试冬小麦品种为农大212。播前有机肥一次性基施，浇足底墒水，基施尿素45 g·m-2、磷二铵45 g·m-2、硫酸钾30 g·m-2和硫酸锌1.5 g·m-2。小麦于2014年9月29日播种，2015年6月1日收获。每个蒸渗仪小区播5行小麦，行间距15 cm，株间距1 cm。为了保证麦苗安全越冬，所有试验小区均灌溉了越冬水，播种至起身期未遮雨，期间累计降雨量26.1 mm，待返青起身后利用遮雨棚阻隔降水。阻隔降水期间，进行灌溉处理：春不灌水(T1)、地上灌拔节水(T2)、地下灌拔节水(T3)、地下灌拔节水+开花水(T4)、地上灌溉拔节水+开花水(T5)，每个处理3个重复，随机排列。各水分处理按大田灌溉量标准，每次灌溉每个小区时，利用电子称称取所需要的灌水。常规灌溉处理小区(T2、T5)一次性灌溉，地下灌溉处理(T3、T4)由于渗灌难度大，采用多次多天灌溉(拔节水用时7 d，开花水用时5 d)，每天的灌水量视渗灌速率而定。越冬水、拔节水和开花水的灌溉(初始)时间分别为11月16日、4月14日和5月4日，总灌水量均为75 mm。春季不追肥，常规栽培管理。

渗灌系统的安置：利用85 cm的PVC(内径3.52 cm)管(出水口管壁用砂轮打磨至1mm)，在渗灌处理(T2、T3)的6个小区里面，每个小区均匀安装10根PVC管，管间距19.5 cm，地下出水口距离地面55 cm，地上进水口距离地面30 cm。灌溉时，水分经过PVC管直接到达距离地面55 cm的小麦根系周围。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 实际蒸散量的测定

称重式蒸渗仪自动连续记录各个小区土体重量变化。试验期间，通过在每个蒸渗仪上增减铅块的方法，得到关于重量-电压(kg-mV)的标准曲线，最终计算出冬小麦实际耗水量：

ETa=(AΔV+B)/S

式中，ETa为小麦实际蒸散(mm·d-1)，A、B为常数，ΔV为一天内电压的变化值(mV)，S为每个蒸渗仪小区面积(m2)。

1.3.2 土壤含水量的测定

仪器的校准：首先用Diviner2000在3个蒸渗仪小区分别测出每10 cm一个土层含水量的对应频率，然后用土钻在小区内垂直方向120 cm取土样，分别将每10 cm一个土层的土样放在对应的铝盒内，称其湿重；再将土样放在105 ℃烘箱内，至重量不在发生变化，称其干重。最后利用线性回归得到一个关于仪器测量值和实测值的函数。

土壤含水量测定：试验期间，每天17：00-18：00在每个蒸渗仪小区用Diviner2000测量重复3次，水分处理前后加测。

1.3.3 小麦生物量、产量及器官氮素含量的测定

生育期内，因拔节水处理方式不同，各处理小麦开花和收获的时间有所差异。常规灌溉处理(T2、T5)于5月2日开花，渗灌处理(T3、T4)于5月3日开花，春不灌水T1处理于5月1日开花，5月31日达到收获标准的处理有T1、T2、T5处理。

为了保证各处理耗水时间的一致性，于6月1日统一收获每个小区，测其生物量、籽粒产量；每个小区收取10株地上部器官，分为茎、叶、籽粒、穗残，放在105 ℃烘箱，杀青0.5 h，然后在75 ℃下烘干粉样，用凯氏定氮仪测每个器官的氮素含量。收获时，每个小区取10个单茎，65 ℃烘干至恒量，称总干重，手工脱粒并将所有籽粒全部收集，烘干至恒量，称籽粒干重。计算水分利用效率(WUE)和收获指数：

WUE=Y×103/ET

收获指数=籽粒干质量/地上部干质量

Y为籽粒产量(kg·m-2)，ET为实际耗水量(mm)。

1.4 数据分析及处理

利用Microsoft office 2010对数据进行绘图，用SPSS 20.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理下冬小麦全生育期耗水特征

2.1.1 各处理冬小麦全生育期日蒸散速率的变化

春不灌水(T1)、地上灌拔节水(T2)、地下灌拔节水(T3)、地下灌拔节水+开花水(T4)、地上灌拔节水+开花水(T5)5个处理的冬小麦日耗水速率变化规律一致，均随时间的变化呈双峰曲线(图1)。冬前，蒸散速率高峰值平均为2.44 mm·d-1；冬后，不同处理的蒸散速率高峰值不尽相同，五个处理分别为8.4、11.6、9.3、9.32和12.8 mm·d-1。越冬期间，蒸散速率最低，平均在0.5 mm·d-1以下；3月初，随着冬小麦返青起身，日蒸散速率逐渐增大，于拔节期达到最大。

拔节期是耗水量较大的时期，地上灌拔节水处理的日蒸散速率高达11.6 mm·d-1，地下灌拔节水处理日耗水速率最大值相对较小，为9.3 mm·d-1。开花期也是冬小麦耗水较大的时期，该时期水分的供应直接关系到最终产量的形成。地下灌开花水处理日蒸散速率最大值为8.93 mm·d-1，出现在5月14日(地下灌溉开花水时间：5月4日-5月8日)；地上开花水处理日蒸散速率最大值为11.2 mm·d-1，出现在5月5日(5月4日灌溉开花水)。以上分析表明，地下灌溉处理能够降低小麦蒸散高峰值，平均降低23.69%，这可能是由于减少了土壤蒸发引起的。

2.1.2 不同处理冬小麦全生育期总耗水量

5种不同处理冬小麦全生育期的总耗水量表现为T5(577.81 mm)>T4(550.22 mm)>T2(500.90 mm)>T3(494.22 mm)>T1(442.18 mm)(图2)。与春不灌水(T1)相比，常规灌溉春后一水(拔节水)、春后两水(拔节水+开花水)能显著增加冬小麦全生育期耗水量，增幅分别为13.28%、30.67%；同常规灌溉相比，地下灌春后一水、春后两水的耗水量分别减少1.33%、4.77%，但差异不显著。

2.1.3 不同灌溉方式对冬小麦每小时蒸散量的影响

整体上看，灌拔节水处理在拔节期-抽穗期、开花期-灌浆期及灌开花水处理在开花期-灌浆期的每小时蒸散量变化趋势一致(图3)。地上灌溉拔节水(4月14日)后，从4月14日至4月23日每小时蒸散量高于地下灌拔节水(4月14-20日)处理，从4月24日至5月31日每小时蒸散量低于地下灌拔节水处理；地上灌开花水(5月4日)后，每天的每小时蒸散量均高于地下灌开花水(5月4-8日)处理。说明地下灌溉改变了冬小麦的耗水模式，即地下灌溉时冬小麦拔节期对拔节水消耗减少，孕穗期-灌浆期增加了对拔节水的消耗力度；地下灌溉也减少了冬小麦开花期对水分的消耗。

图1 冬小麦全生育期每日蒸散量(ET)的变化

图柱上的字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different letters on the columns mean significantly different among the treatments at 0.05 level.

图2 不同处理冬小麦全生育期总耗水量

Fig.2 Total water consumption of wheat

under different water treatments

2.1.4 拔节水、开花水对累计蒸散量的影响

由图4可以看出，从4月14日至5月10日，地上灌拔节水处理的累计蒸散增长速率高于地下灌拔节水处理；从5月11日至5月31日，累计蒸散速率逐渐降低至0，但地上灌拔节水处理的累计蒸散增长速率依然低于地下灌拔节水处理。就开花水而言，地上灌溉处理的累计蒸散增长速率始终大于地下灌溉处理。整体来看，各处理的累计蒸散增长速率均逐渐减少，成熟期几乎降低到0。这表明，引起各处理累计蒸散量变化的原因是地下灌溉降低了蒸散速率；同时通过改变作物耗水模式，保证了后期水分供应。这种“反奢侈耗水”的现象跟水分在不同土层的分布有关。

2.2 水分处理前后土壤含水量的变化动态

2.2.1 拔节水处理后土壤含水量的时空动态变化

图5为拔节期-灌浆期各处理1 m土层含水量的变化。5月25日之前，春不灌水处理80和90 cm土层水分下降较为明显；5月25日之后，各土层水分无明显变化。地上灌拔节水处理提高了0～50 cm土层的含水量，在4月15日至4月25日期间，0～50 cm土层的含水量下降迅速；4月25日之后，各土层含水量均有所下降，但下降缓慢；5月25日之后，各土层含水量几乎不变。地下灌拔节水处理明显增加了60～90 cm土层的含水量；由于土壤毛细管的作用，该处理对40和50 cm土层也有轻微的改善作用，增加了土壤含水量；4月15日至4月20日，每天补灌的拔节水使40～100 cm土层含水量都有上升；4月21日至5月6日，40～100 cm土层的含水量下降较快；5月7日至5月25日，各土层含水量下降缓慢；5月25日之后，各土层含水量几乎不变。因此，地下灌溉处理改变了灌溉水在土层的分布。引起这种灌溉方式“反奢侈蒸散”的原因：一是不同土层根系数量分布不同；二是植物吸取深层地下水需要消耗较大的能量。

图3 不同水分处理下冬小麦每小时蒸散量ET的变化

表1 不同水分处理的土壤含水量

同行数值后字母不同表示同一时间不同处理间差异显著(P<0.05)。

The different letters after the values in a line mean significantly different among the treatments at the same time at 0.05 level.

图4 不同水分处理下累计蒸散量的变化

2.2.2 拔节水对0～160 cm土层含水量垂直分布的影响

对于春不灌水处理，由于未补充灌溉，所以各土层含水量前后变化不明显；在地上灌拔节水后第二天(4月15日)。0～50 cm土层水分显著增加，但冬小麦对水分的强烈需求和土壤蒸发，最终也导致了水分的大量消耗；地下灌拔节水处理减少了土壤水的损失，相对增加了60～100 cm土层的水分，但影响不显著(表1)。由此可知，地下灌溉处理下耕层土壤较干燥，不利于上层土壤养分的吸收利用，对生物量、产量、产量品质可能产生影响。

2.2.3 开花水处理后土壤含水量的时空动态变化

地上灌开花水处理(5月4日)增加了0～30 cm土层的含水量(图6)。地上灌开花水后5 d内，0～30 cm土层含水量下降较快；5月9日至5月20日，0～30 cm土层含水量下降缓慢；5月20日之后，0～100 cm土层含水量无明显变化。地下灌开花水处理(5月4日至5月8日)增加了40～100 cm土层含水量；5月9日至5月13日，冬小麦对40～100 cm土层水分消耗缓慢；5月14日至5月20日，60～90 cm土层水分被大量消耗，该土层含水量下降较快；5月20日之后，只有80～90 cm土层水分有所减少，但减少幅度很小。

图5 T1、T2和T3处理下土壤水分含量的变化

2.3 不同水分处理对冬小麦产量、产量构成、水分利用效率及各器官氮素积累的影响

从表2可以看出，5种处理间小麦基本苗、穗数差异不显著；T1处理的穗粒数低于其他处理，T3处理的穗粒数高于T2处理，但差异不明显；T4处理的千粒重最大，但不同处理间差异不明显；T5的产量最大，但耗水量达到577.81 mm； T4处理产量仅次于T5处理，耗水量比T5少27.59 mm；T3的耗水量比T2仅少6.39 mm；T3、T4的水分利用效率最大，分别为1.63、1.62 kg·m-3，但处理间无明显差异；T4处理的收获指数最大，但处理间差异不明显。这表明，春灌一水条件下，地下灌拔节水有利于提高小麦穗数、穗粒数、千粒重，从而增产；同时因为降低了蒸散(减少6.39 mm)，水分利用效率提高。春灌两水条件下，地下灌溉虽然提高了千粒重，但产量降低，耗水量只减少27.59 mm。

从表3可以看出，T1、T2处理的生物量明显低于其他三种处理。T5处理的茎氮素积累量最大，与其他处理差异显著；T2、T5处理的叶氮素积累量高于T3、T4处理，但差异不显著；T5处理的穗残氮素积累量最大，但与T1、T3、T4处理差异不显著。从籽粒氮素积累和蛋白积累量来看，T2与T3、T4与T5处理间无明显差异。所以，春后地下灌溉降低了氮素在茎、叶、穗的积累，但对冬小麦蛋白质含量影响不明显。

3 讨 论

从全生育期来看，地下灌溉与常规灌溉的蒸散速率变化趋势一致，表现为双峰曲线，但高峰值及其出现的时间均有所差异：地上灌溉处理出现在灌溉后第三天，最大为12.79 mm·d-1；地下灌溉处理出现在灌溉后第六天，最大值为9.32 mm·d-1。这可能是与地下灌溉对土壤蒸发的抑制[11]、灌溉水在土壤层的分布[13-14]及渗灌水需要借助土壤毛细管渗透作用向植物根系中的扩散[15-17]有关。与常规灌溉相比，地下灌溉明显降低了全生育期的水分消耗[18]，是灌溉水利用效率最高的灌溉方式[19]，但可能由于渗灌的深度[20]差异，全生育期耗水量平均减少(渗灌比常规灌溉)仅16.99 mm。

灌溉方式影响了每天作物的蒸散动态，改变了灌溉水在土层的分布。本研究中由于渗灌深度的原因，地下灌溉主要增加了60～100 cm土层水分，地上灌溉主要增加了0～40 cm土层水分；冬小麦的次生根群一般在40 cm以上的土层，初生根可以达到2 m土层，所以两种灌溉方式每天的蒸散动态变化不一，可能是由于次生根群与灌溉水的耦合度有关。图3中，拔节前期，地下灌拔节水处理每天蒸散高峰低于地上灌拔节水处理；拔节后期至灌浆期地下灌拔节水处理的每日蒸散高峰高于地上灌拔节水处理；同时，开花期至灌浆期，地下灌开花水处理每天的蒸散高峰始终低于地上灌开花水处理。综合来看，地下灌溉改变了冬小麦的耗水模式，每天的蒸散高峰与地下灌溉速率无关。

表2 不同水分处理下冬小麦的产量、产量构成及水分利用效率

同列数值后的字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Different letters after the values in a column mean significantly different among the treatments at 0.05 level.The same as in table 3.

表3 不同处理下冬小麦成熟期的生物量、器官氮素积累及籽粒蛋白积累

图6 T4和T5处理的土壤含水量变化

有研究表明，渗灌小麦的成穗数低于常规灌溉[21]，但增加了产量[22-25]。本研究中春灌一水和春灌两水的渗灌对穗数的影响也不一样：同T2处理相比，T3处理增加了穗数、产量、水分利用效率，仅减少耗水量6.39 mm；同T5处理相比，T4处理减少了穗数、产量，提高了水分利用效率，但耗水量仅减少27.59 mm；渗灌的籽粒品质要低于常规灌溉。造成以上结果的原因可能是：(1) T4处理小区的基本苗少于T5处理，导致成穗数、产量偏低；(2)产量降低可能跟渗灌处理的生育期延迟有关；(3)虽然渗灌能减少蒸发[26]，T4处理比T5处理减少耗水27.59 mm，但T3处理在拔节期节省的大量水分，于开花期至灌浆期时，冬小麦的主根群发挥主要作用，吸收了大量的深层地下水，所以相对地上拔节水处理而言，地下拔节水处理仅节省了6.39 mm；(4)渗灌深度太深[26- 27]，造成大量养分滞留在耕层[28]不被植物利用。

4 结 论

深层渗灌(地下55 cm供水)增加了60～100 cm土层水分，抑制了位于40 cm以上土层次生根群对水分的吸收，同时深层渗灌也抑制了土壤蒸发，这是渗灌处理蒸散速率高峰、总耗水量低于常规灌溉的主要原因。尽管渗灌提高了水分利用效率和收获指数，但深层渗灌造成灌溉水与耕层养分不能高效溶合，导致籽粒氮素积累量和蛋白质含量下降。

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Effect of Deep Subsurface Irrigation on Evapotranspiration and Water Use Efficiency of Winter Wheat Based on Weighing Lysimeters

SONG Wenpin1,2,WANG Zhimin2,CHEN Xiaolin1,WANG Lichun1,XUE Xuzhang1,SUN Weituo1,GUO Wenzhong1,LI Youli1,CHEN Fei1

(1.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China;2.College of Agriculture,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

In order to understand water consumption patterns and water use efficiency of winter wheat under subsurface irrigation,the study was designed five treatments(T1: no spring irrigation,T2:conventional irrigation at jointing stage,T3:subsurface irrigation at jointing stage,T4:subsurface irrigation at jointing and flowering stage,T5:conventional irrigation at jointing and flowering stage). Evapotranspiration,soil moisture dynamic and water use efficiency of these treatments were studied by weighing lysimeters. The results showed that water consumption characteristic of winter wheat was bimodal curve over the whole growth stage; evapotranspiration peak appeared in fifth day of subsurface jointing irrigation,while in third day of conventional jointing irrigation. The daily evapotranspiration characteristic was “single peak curve” under subsurface and conventional irrigation; the treatment of subsurface jointing irrigation appeared “negative luxury water consumption” in the early jointing stage,and much more water was used from late jointing stage to filling stage,then,subsurface flowering irrigation decreased water consumption,thus,the total water use of subsurface irrigation treatment was lower 1.33%-4.77% than conventional.Subsurface irrigation mainly increased soil moisture of 60 cm to 100 cm,while conventional irrigation increased soil moisture of 0-40 cm. Subsurface irrigation increased spike grain number,thousand seed weight,water use efficiency,harvest index,and reduced the biomass,grain nitrogen accumulation amount. Generally,subsurface irrigation changed the water consumption model by affecting soil moisture of layers,namely,saving water was used for late growth stage by restraining soil evaporation; increased water use efficiency and harvest index,reduced grain quality.

Infiltration irrigation；Winter wheat；Evapotranspiration；Water use efficiency

时间：2016-07-07

2015-12-29

2016-01-25

国家自然科学基金项目(31171489); 国家重点基础研究发展计划(863计划)项目(2012CB955904); 农业部公益性行业专项(200903007); 国家小麦产业技术体系项目(CARS-3)

E-mail：wpsong520@163.com

薛绪掌(E-mail：xuexz@nercita.org.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)07-0896-10

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160707.1530.018.html