关中西部灌区限量节水灌溉对冬小麦水分利用效率和产量的影响

2018-03-21刘小利贾志宽任小龙西北农林科技大学农学院陕西杨凌712100农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室陕西杨凌712100西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

节水灌溉 2018年1期

刘小利，蔡铁，徐悦，贾志宽，任小龙(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室，陕西杨凌 712100； 3.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

我国水资源严重短缺，其中农业用水量占经济社会用水总量的60%左右[1]；同时我国降水南多北少、夏多冬少的特殊分布，导致北方小麦主产区长年超采地下水，严重破坏固有生态环境，农业用水面临的挑战更大。关中平原是重要的小麦产区，该地区有效灌溉面积77.5 万hm2，占全省有效面积的56.7%，占全省耕地面积的20.2%，是陕西省水利化程度较高的地区[2]，农业用水为30.2 亿m3，占总用水量的65.9%，从2004年又持续略有升高，2007年达到66.0%[3]，农业用水面临的挑战更大。因此，发展以节水和提高水分利用效率的节水型农业，将是解决农业缺水问题的关键[4-6]。

集雨技术是通过在田间修筑交替的沟垄，垄面覆膜，沟内种植作物的一种田间集水农业技术，为旱区农业主要的节水措施之一。通过垄上覆盖地膜可使当季无效和微效降水形成径流，叠加到种植沟内，促进降水入渗，转变为可供作物利用的土壤水[7-9]。同时由于集雨区覆盖地膜，又可抑制膜下土壤水分的无效蒸发，进一步提高土壤有效贮水量，改善作物根域土壤水分状况[10, 11]。目前该项技术已经广泛用于玉米、马铃薯、谷子、苜蓿、燕麦等[12-15]。显著提高作物产量及水分利用率[16-18]。如能应用该技术于半湿润灌溉农业区小麦种植，可使农田灌溉用水量降低50%左右。目前在该区关于集雨种植模式下土壤水分时空分布、小麦产量形成及其对限量灌水调控的响应，目前相关研究甚少，限制着该技术的应用于发展。为探明基于集雨种植模式的小麦高产节水的技术途径，本试验通过与传统平作对比，研究集雨种植结合限量灌水处理对农田土壤水分、小麦产量形成及农田水分利用效率的调控效应。研究结果将进一步丰富和完善集雨种植理论与技术体系；同时有利于实现旱作栽培耕作技术在灌区作物种植上应用，实现作物节水稳产增产目标，具有重要的实践价值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2015-2016年在西北农林科技大学农学试验基地(E 108°04′，N 34°20′)进行，该试验地位于秦岭北麓，渭河平原西部的头道塬上。年均气温13.5 ℃，≥0℃积温4 800 ℃，≥10 ℃积温4 143 ℃，全年太阳总辐射为4.808×105J/cm2，多年平均降水量580.5 mm，年均蒸发量993.2 mm，属暖温带半湿润偏旱型气候，且降水主要集中在7-9三个月，其中小麦生长期降水量仅203.3 mm。土壤为塿土，播前0～20 cm土壤养分为有机质11.97 g/kg，全氮1.31 g/kg，碱解氮20.53 g/kg，速效磷22.34 g/kg，速效钾97.37 g/kg，pH为7.59 g/kg，密度1.25 g/cm3。

1.2 试验设计

试验选用现阶段该区主栽小麦品种西农979为材料。种植密度为225 万hm2，行距20 cm，小区面积为22 m2(5 m×4.4 m)，3次重复；其中集雨补灌种植的沟垄比为60:40，垄高15 cm，每小区共5垄4沟，每沟种4行(图1)，分别为2015年10月7播种，2016年6月5日收获，2016年10月4日播种，2017年6月1日收获。从播种出苗到成熟收获, 小麦植株生育正常。

采用二因素随机区组设计，主区为种植模式处理，为传统平作和集雨种植；副区为灌水处理，设150和75 mm 2个灌水量水平(表1)。其中，传统平作+灌水150 mm为对照处理，是该区小麦高产高效栽培模式[19]；集雨种植+灌水处理仅沟内种植区灌水(F150处理具体灌水量为1 500 m3/hm2，F75处理具体灌水量为750 m3/hm2；因集雨种植沟垄比为60∶40，故R150处理具体灌水量为900 m3/hm2，R75处理具体灌水量为450 m3/hm2)；不同处理灌水量由实验室自行研制的滴灌系统精确控制实现，所有处理均施氮肥(以纯N计)225 kg/hm2、磷肥(以P2O5计)75 kg/hm2、钾肥(以K2O计)150 kg/hm2、氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵，钾肥为氯化钾，一次基施。其他管理措施同一般大田。

图1 种植方式示意图Fig 1 Planting pattern schematic diagram

表1 试验处理设置Tab.1 The trial processing set

1.3 测定方法

1.3.1 土壤水分测定

自播种之日起，在小麦主要生育期分别由TDR仪测定，可测深度为2 m，0～20 cm每10 cm测一次，20～200 cm每20 cm测一次，每处理重复3次。测定沟垄种植区时分别测垄上和沟中。

W=10CρH

(1)

式中：W为贮水量，mm；C为土壤质量含水量，%；ρ为土壤容重，g/cm3；H为土层深度，cm。

ET=W1-W2+P+IV

(2)

式中：ET为作物生育期耗水量，mm；W1为播前土壤贮水量，mm；W2为收获后土壤贮水量，mm；P为小麦生育期有效降雨量，mm；IV为小麦生育期灌水量，mm。

IUE=Y/I

(3)

式中：IUE为灌水利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为作物籽粒产量，kg/hm2；I为小麦生育期灌溉水量，mm。

WUE=Y/ET

(4)

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为作物籽粒产量，kg/hm2；ET为小麦生育期耗水量。

1.3.2 产量

在小麦成熟期，每个小区随机收获2 m2小麦籽粒，计算小麦产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel和SPSS23进行数据处理和统计，采用origin2016进行绘图。方差分析用随机区组试验设计分析方法, 用Duncan新复极差(SSR)法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生育期降雨情况

两年小麦生育期的降雨量分别为175.7、293.1 mm，该区小麦生育期多年平均降雨量为203.3 mm，2015年属于平水年，大于5 mm的有效降雨为126.9 mm；2016年属于丰水年，且降雨主要集中在返青期以后，大于5 mm的有效降雨为286 mm。整个小麦生育期降雨分布不均，降雨与小麦需水关键期错位。冬小麦从播种到越冬(10月4日-2月13日)由于前期降雨充足，土壤墒情较好；拔节到扬花(3月9日-5月初)此时是小麦需水关键期，但2015年降水较少，仅19.4 mm；灌浆到成熟(5月初-5月末)两年降雨较多，尤其2016年，为64.6 mm(图2)，导致小麦倒伏率增加，小麦贪青晚熟。

2.2 不同处理对农田土壤含水量的影响

由图3，图4可知，小麦苗期时由于降雨充足，且集雨种植能将低于5 mm的无效降雨转化为有效降雨，提高了苗期[图3(a)、图4(a)]的土壤含水量，之后开始逐渐下降，冬灌后由于返青期[图3(b)、图4(b)]几乎无降雨，导致作物只能大量吸收灌溉水，土壤含水量降低，拔节期[图3(c)、图4(c)]再灌水后土壤含水量又逐渐回升，开花到成熟期[图3(d)、图3(f)、图4(d)、图4(f)]由于作物需水关键期，需要吸收大量的水分，导致上层土壤含水量又逐渐降低，两年土壤含水量分布情况相同。整个生育过程中上层0～60 cm土层的土壤含水量变化幅度较大，在补灌之前，苗期覆膜集雨处理(R150、R75)其1 m以下的土壤含水量高于未覆膜处理(F150、F75)，1 m以上则相反，而在这期间降雨充足，由于小麦植株小，地表覆盖较小，蒸腾速率较小，覆膜叠加的雨水主要下渗到土壤深层，以供小麦安全越冬。

图2 小麦生育期降雨量Fig.2 The growth period of wheat rainfall

冬灌后，2015年和2016年返青期由于几乎无降雨，小麦生长利用的水主要来自于冬灌的水，此时各处理表层土壤含水量变化幅度较大，2015年返青期1 m以上覆膜集雨处理R150、R75土壤含水量相较于对照增加了4.4%、5.7%，2016年由于返青期前降雨较多，1 m以上覆膜集雨R150、R75土壤含水量较对照只增加了4.7%和3.4%，1 m以下的传统畦灌(F150、F75)

图3 2016年土壤水分动态变化Fig.3 The dynamics of water content in 2016

图4 2017年土壤水分动态变化Fig.4 The dynamics of water content in 2017

的土壤含水量均大于集雨补灌，说明集雨补灌主要增加上层土壤含水量，增强小麦的抗旱性，在降雨较少年份更明显；拔节期补灌后，各处理上层土壤含水量都有所增加，开花到成熟期由于作物根系需要吸收大量的水分，各处理的土壤含水量又降低，2015年整个生育期0～100 cm集雨补灌R150、R75相较于对照(F150)分别增加了5.2%、5.9%，而100～200 cm对照F150比集雨补灌R150、R75增加了0.6%和0.8%。2016年由于小麦整个生育期降雨较多，为293.1 mm(多年平均为203.3 mm)，因此与2015年比，整个生育期集雨种植与传统平作相比土壤含水量差异不大，0～100 cm集雨补灌R150、R75相较于对照(F150)分别只增加了4.8%、5.2%，100～200 cm对照F150比集雨补灌R150、R75增加了0.8%、0.4%。

综上所述，集雨补灌在降雨较少年份能明显的增加小麦上层土壤含水量，增加作物对水分的利用，而传统畦灌主要增加下层土壤含水量，并不利于作物的吸收利用。

2.3 限量补灌对冬小麦产量及产量构成要素的影响

连续两年试验表明，随着灌水量的增加，作物产量出现先增加后降低的趋势(表2)。以传统畦灌(F150)为对照，在这基础上减少50%的灌水量(F75)，小麦产量显著降低，在2015年，降低18.9%，在2016年，降低10.1%；而集雨种植R75与对照相比产量略有小幅下降，但差异不显著，在2015年，籽粒产量只降低了2.3%；在2016年，增加了2.1%；2015年，集雨补灌R75较R150产量增加了1.3%，2016年，较R150增加了0.2%，且差异不显著。这可能是因为集雨种植将小麦分成了条状，导致小麦的边行优势，弥补了中行产量的降低，从而使整体籽粒产量增高。两个生长季的小麦收获指数均以R75最高，2015年，较对照增加4.0%；2016年，较对照减少2.6%，且两年均与对照无显著(P<0.05)差异。说明在降雨较少年份，集雨种植能以较低的灌水量在增加作物收获指数的基础上达到常规水平畦灌种植基本模式的一致产量水平。

表2 限量灌溉对冬小麦产量构成要素的影响Tab.2 Effect of winter wheat three elements under the limited irrigation

注：不同字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。下同。

两年试验集雨种植(R150、R75)的公顷穗数较传统畦灌(F150、F75)都显著(P<0.05)降低。在2015年，集雨种植R150、R75较对照其穗粒数显著(P<0.05)增加16.13%、16.28%； 2016年，集雨种植的穗粒数较对照分别减少0.3%、7.4%，但差异不显著(P<0.05)；其千粒重较对照分别显著(P<0.05)增加24.3%、13.7%；说明集雨种植主要通过增加小麦的穗粒数及千粒重来提过作物产量。

2.4 限量灌溉对冬小麦农田水分利用效率的影响

农田水分利用效率是农业节水的重要指标，其主要包括作物水分利用效率和灌水利用效率等[20]。在2015年，在传统畦灌F150的基础上减少50%灌水量(F75)，小麦水分利用效率增加2.4%，二者差异不显著(P<0.05)，但是其产量较对照显著下降；而集雨补灌R75相较于对照(F150)在灌水量减少70%的情况下其水分利用效率显著(P<0.05)增加，增加23.3%；传统畦灌F75、集雨补灌R75与对照(F150)相比其灌水利用效率显著(P<0.05)增加，分别增加68.0%、95.5%；在2016年，F75较对照(F150)其水分利用效率差异不显著(P<0.05)，但F75产量显著(P<0.05)降低，而集雨补灌R75较对照其水分利用效率显著(P<0.05)增加13.0%；传统畦灌F75、集雨补灌R75其灌水利用率较对照显著(P<0.05)增加，分别增加81.7%、104.2%。两年试验中，随着灌水量的减少，作物耗水量呈下降趋势，其利用土壤水的能力增加。当灌水量减少对照的70%时，集雨补灌R75作物全生育期耗水量显著(P<0.05)降低，2015年和2016年较对照分别降低26.2%、10.3%。说明覆膜集雨在减少灌水量的同时，能很好地提高对降雨和土壤水分的利用，这与郑成岩[21]的结果一致，更能达到高产节水的目的。

以上结果表明，适量灌水可以增加小麦的水分利用效率和灌水利用率，其中在降雨较少或降雨分布不均情况下，集雨种植可显著(P<0.05)增加小麦水分利用效率，明显达到节水目的。

表3 限量灌溉对冬小麦耗水量、作物水分利用效率和灌水利用率的影响Tab.3 Effect of winter wheat use efficiency、WUE and IUE under the limited irrigation

注：不同字母表示不同处理差异性显著(p<0.05)，下同。

2.5 产量与水分利用效率等相关性

由表4可知，两年试验中，冬小麦产量与水分利用效率和收获指数呈正相关，而水分利用效率和灌水利用率与作物耗水量呈负相关。说明影响作物产量的主要因素是水分利用效率和收获指数，因此通过集雨种植结合合理的补灌技术来提高小麦的水分利用效率和收获指数。

表4 产量等指标之间的相关性Tab.4 The correlation between indicators of yield and other indicators

注：*代表显著相关(p<0.05)。

3 讨论

(1)沟垄集雨技术通过垄上产流，沟内集流，来蓄水保墒，改变了北方干旱地区降雨时空分布不均，降低土壤的无效蒸发，显著(P<0.05)增加了土壤含水量，从而提高了小麦的水分利用效率[22, 23]。李巧珍[24]等表明，覆膜集雨可降低深层土壤水分，提高上层土壤水分，以供作物利用。本研究结果表明，沟垄集雨技术结合小麦生育期补灌能显著(P<0.05)增加小麦全生育期1 m上层的土壤含水量，随着灌水量的减少，各处理土壤耗水量均降低，其中2015年R75在灌水减少对照的70%情况下显著(P<0.05)降低32.5%，2016年降低10.3%，说明覆膜集雨在减少灌水量的同时，能很好地提高对降雨和土壤水分的利用，这与郑成岩[21]的结果一致。

(2)作为影响小麦产量因素之一的水分，适宜的土壤水分可以提高小麦产量[25]。张忠学和于贵瑞[26]等研究表明，小麦产量和灌水量呈开口向下的抛物线关系，即在一定范围内，随着灌水量的增加小麦产量增加，当达到一定数值后灌水量再增加，小麦产量反下降，适度的灌溉可以降低麦田的耗水量，提高水分利用效率[27]。本试验中，以传统畦灌灌水150 mm为对照，随着灌水量的减少，产量降低，说明传统畦灌灌水150 mm在产量的最高点，而集雨补灌灌水150 mm(较对照减少40%)时其产量较对照显著(P<0.05)降低，但当灌水量为集雨补灌75 mm(较对照减少70%)时，其产量较对照未出现显著(P<0.05)下降，2015年当降雨量为175.7 mm时，产量只降低了2.3%。2016年当降雨量为293.1 mm时，产量较对照增加2.1%。这可能是因为集雨种植能将小于5 mm的无效降水转化为有效降水，且集雨种植存在显著(P<0.05)的边行优势，可以弥补40%的覆膜面积。

籽粒产量与每公顷穗数、穗粒数、千粒重等产量构成要素之间关系密切[28]，本试验中，当灌水量降低时，集雨补灌的公顷穗数显著(P<0.05)降低，2015年，R150、R75分别降低了43.4%、38.8%，但是其穗粒数较对照显著(P<0.05)增加16.1%和16.3%。说明集雨补灌可以显著(P<0.05)增加小麦的穗粒数，从而提高其产量，这与沈新磊[28]的结果相一致。

(3)小麦节水栽培作为节水农业的主要内容，其首要解决的就是提高水分利用率和灌溉水的利用率[29]，其中灌水利用效率是评价灌溉水利用程度的主要指标[30]。沟垄集雨种植模式可以改变土壤水分状况，因为膜垄的覆盖可以有效减少水分的无效蒸发，显著(P<0.05)提高作物水分利用效率和灌水利用效率[31]。在本试验中，当灌水为传统畦灌150 mm时，其水分利用效率和灌水利用率最低，随着灌水量逐渐减少，其水分利用效率呈先下降后增加的趋势，当集雨补灌75 mm时，其水分利用效率和灌水利用率最高。张鹏等[32]研究表明与不灌水相比，集雨灌溉条件下的玉米水分利用效率可提高10.46%且其灌水利用效率相较于传统平作显著(P<0.05)增加；王俊鹏等[14]研究表明，与平作相比，沟垄集雨种植玉米水分利用效率显著(P<0.05)提高，这与本试验的结果相似，说明在节水灌溉时，不仅可以增加其灌水利用率也可以提高其水分利用效率，减少成本[33]。

4 结语

沟垄集雨补灌技术能显著改善土壤水分状况，提高冬小麦产量和水分利用效率，其中集雨补灌R75提高幅度最大，两年试验其水分利用效率较对照分别提高了32.2%和13.1%，说明降雨偏少，或分布不均(前期较多)情况下，水分利用效率提升效果更明显。R75与对照相比在灌水量减少70%的情况下其产量能与传统畦灌F150保持基本一致的水平，R75具有节水高产的特性，因此，可作为半湿润易旱区高产节水栽培模式。

[1] 倪文进. 中国农村水利发展状况与科技需求[J]. 农业工程学报, 2010,(3):1-8.

[2] 任志远, 郭彩玲. 区域水土资源开发利用潜力研究-以陕西关中灌区为例[J]. 资源科学, 2000,(1):23-26.

[3] 郑爱勤, 王文科, 段磊. 关中盆地用水结构变化及其驱动因子分析[J]. 干旱区资源与环境, 2011,(9):75-79.

[4] 朱永达, 朱冬麟, 娄世忠. 高产高效机械化节水农业技术体系初探[J]. 农业工程学报, 1998,(2):7-12.

[5] 韩思明. 黄土高原旱作农田降水资源高效利用的技术途径[J]. 干旱地区农业研究, 2002,(1):1-9.

[6] 罗良国, 任爱胜, 王瑞梅, 等. 我国农业可持续发展的水危机及广泛开展节水农业前景初探[J]. 节水灌溉, 2000,(5):6-9.

[7] Wang X L, Li F M, Ha Y, et al. Increasing potato yields with additional water and increased soil temperature [J]. Agricultural Water Management, 2005,78(3):181-194.

[8] Jia Y, Li F M, Wang X L, et al. Soil water and alfalfa yields as affected by alternating ridges and furrows in rainfall harvest in a semiarid environment[J]. Field Crops Reseapch, 2006,97(2-3):167-175.

[9] Li X, Su D, Yuan Q. Ridge-furrow planting of alfalfa (Medicago sativa L.) for improved rainwater harvest in rainfed semiarid areas in Northwest China[J]. Soil & Tillage Research, 2007,93(1):117-125.

[10] Xie Z K, Wang Y J, Li F M. Effect of plastic mulching on soil water use and spring wheat yield in and region of northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2005,75(1):71-83.

[11] Zhang J, Sun J, Duan A, et al. Effects of different planting patterns on water use and yield performance of winter wheat in the Huang-Huai-Hai plain of China[J]. Agricultural Water Management, 2007,92(1-2):41-47.

[12] 邴昊阳, 张艳, 贾志宽, 等.沟垄集雨节灌种植技术对土壤水分和玉米产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2013,(5):30-33.

[13] 侯慧芝, 王娟, 张绪成, 等.半干旱区全膜覆盖垄上微沟种植对土壤水热及马铃薯产量的影响[J]. 作物学报, 2015,(10):1 582-1 590.

[14] 王俊鹏, 马林, 蒋骏, 等.宁南半干旱地区农田微集水种植技术研究[J]. 西北农业大学学报, 1999,(3):25-30.

[15] 寇江涛, 师尚礼, 周万海, 等. 垄覆膜集雨种植对二年龄苜蓿草地土壤养分的影响[J]. 草业学报, 2011,(5):207-216.

[16] 张玉, 韩清芳, 成雪峰, 等. 关中灌区沟垄集雨种植补灌对冬小麦光合特征、产量及水分利用效率的影响[J]. 应用生态学报, 2015,(5):1 382-1 390.

[17] 肖继兵. 辽西地区旱作农田微型集雨种植试验研究[J]. 陕西农业科学, 2006,(2):18-20.

[18] 韩娟, 贾志宽, 任小龙, 等. 模拟降雨量下微集水种植对玉米光合速率及水分利用效率的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2008,(1):81-85.

[19] 于振文. 全国小麦高产高效栽培技术规程[M]. 济南：山东科学技术出版社, 2015.

[20] 王会肖, 蔡燕. 农田水分利用效率研究进展及调控途径[J]. 中国农业气象, 2008,(3):272-276.

[21] 郑成岩, 于振文, 张永丽, 等. 土壤深松和补灌对小麦干物质生产及水分利用率的影响[J]. 生态学报, 2013,(7):2 260-2 271.

[22] 韩娟, 廖允成, 贾志宽, 等. 半湿润偏旱区沟垄覆盖种植对冬小麦产量及水分利用效率的影响[J]. 作物学报, 2014,(1):101-109.

[23] 李小雁, 张瑞玲. 旱作农田沟垄微型集雨结合覆盖玉米种植试验研究[J]. 水土保持学报, 2005,(2):45-48.