张玉顺，路振广，邱新强，秦海霞，和 刚，张明智，孙 彬

(1.河南省水利科学研究院，郑州 450000；2.河南省节水灌溉工程技术研究中心，郑州 450000；3.河南省灌溉试验中心站，郑州 450000；4.许昌市灌溉试验站，河南 许昌 461000)

作物灌溉制度中，灌水上下限的确定，直接影响灌水次数与灌水量，进一步影响作物生长及土壤水分利用。地面灌溉是目前农业生产中最常用的灌水方式之一，多次地面灌水以及为提高作物产量大量使用化肥，使得农田耕作层易出现土壤容重增大、孔隙度减小等现象，利用深松耕技术可有效打破犁底层，改善土壤结构，提高土壤孔隙率，促进作物对土壤深层水分的吸收，具有节水、抗旱、增产等优势[1-4]。不同灌水上下限与深松耕作相结合，势必对土壤水、肥、气环境产生不同程度上的影响。研究表明畦灌灌水下限为田间持水率的60%有助于提高夏玉米产量及水分利用效率[5]，玉米产量随灌水下限的减小而减小[6]；深松耕可以显著提高玉米根系活力、产量与水分利用效率[7, 8]，适宜灌水定额下播前深松耕35 cm可提高作物产量与水分利用效率[9]。土壤播前深松和补灌，可提高蓄水量，有利于小麦在灌浆中后期保持较高的光合能力，提高作物干物质积累及产量[10]。但灌水下限为田间持水率的80%与深松耕结合夏玉米产量与水分利用效率有所减小，同时降低根际土壤酶活性与微生物数量[3, 11]。

目前，随河南省工业化、城镇化的快速推进，农业用水的比重日趋减少，灌溉水资源的短缺对农业发展和粮食生产的约束日益突出[5, 12]。为了有效地节约农业用水，应对干旱及水资源紧缺造成的粮食危机，研究河南省主要作物节水高效灌溉标准，制定合理高效的灌溉制度刻不容缓。同时，有关灌溉与播前深松耕作技术结合对冬小麦生长及产量的影响研究鲜见，因此，本试验拟通过研究灌水下限与播前深松耕作技术结合对冬小麦生长及产量的影响，得出适宜的灌水下限与播前深松耕深度，为冬小麦高产高效节水以及河南省水资源优化配置提供理论基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2014年10月-2015年6月在河南许昌灌溉试验站遮雨棚内(113°59′E、34°09′N)进行，海拔72.8 m，该地区属暖温带半湿润气候，全年无霜期220 d，年均日照时数2 400 h。年均降雨量700 mm，且多集中在7-9月。供试土壤为黏土，100 cm 土层内平均重量田间持水率为25.40%，体积饱和含水率38.86%，凋萎含水率为7.50%，平均土壤容重为1.53 g/cm3。该站地下水埋深12.38 m，故忽略地下水补给。

1.2 试验设计

本试验考虑灌水下限和深松耕两个因素，各因素3水平，采用完全随机试验设计，共9个处理，各处理重复3次，试验小区共27个。

灌水下限控制：分别为田间持水率的40% (I1)、55% (I2)、70% (I3)，即40%F、55%F、70%F，灌水上限为田间持水率的90%，灌水方式采用常规灌溉方式。采用TRIME-PICO(德国)测定全生育期土壤体积含水率，每隔7 d左右测定一次，分别测量0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层深度的土壤含水率。即当土壤含水量分别达到灌水下限时，开始灌溉，如果土壤含水量高于控制下限，则不进行灌溉。灌水量[8]的计算可用下式计算：

M=10 (0.9θF-θi)H

(1)

式中：M为次灌水量，mm；θF为土壤田间持水率(体积含水率)；θi为H土层内的平均含水率(体积含水率)；H为计划湿润层深度，m。

土壤计划湿润层深度在苗期、拔节期、抽穗期与灌浆成熟期分别取0.6、1.0、1.0与1.0 m，根据灌水上限和计划湿润层深度计算出灌水量。

深松耕：采用多功能深松机(江苏农丰机械有限公司)松土，播前深松耕深度20 cm (R1)、40 cm (R2)、60 cm (R3)。播前根据试验设计要求对各小区进行整体均匀深松。

各处理在全生育期灌水量见表1。试验小区长宽为2.8 m×4.0 m，各小区间距1 m，小区间埋设1 m 深建筑防水膜苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)隔离，以防止土壤水分横向渗透运移。冬小麦品种于豫麦49-198，行距20 cm，10月21日播种，6月2日收获。播种前施基肥：鸡粪6 kg/m2；复合肥750 kg/hm2(N、P、K≥15%)。施肥方式均为撒施。播种前对种子进行筛选并灌水至田间持水率的90%，以保证出苗。

表1 试验方案及各处理灌溉定额

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植株特性指标

株高：分别在返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期用米尺测量；每个处理随机选取长势均匀的10株小麦测量株高，抽穗前为土面至最高叶尖的高度，抽穗后由土面量至雄穗顶端的高度。不选边行的植株观测，每处理最好取样挂牌固定测定株高和叶面积的植株。

叶面积指数。单株叶面积计算公式为：

(2)

式中：a为系数，取0.83；Li为第i片叶长；Wi为第i片叶宽；i为第i片叶；n为叶片数。

每个点或处理定点挂牌进行测量10株，与株高和数苗同步进行。

茎粗：在灌浆成熟期用游标卡尺于植株基部测量。

作物干物质质量：各小区随机选取具有代表性的冬小麦5株，取其鲜质量后，将其放入烘箱中105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量并采用1/100天平称质量。并分析不同处理对单植株干物质质量的影响[13, 14]。

1.3.2 穗特性指标

成熟后每小区收获10 株果穗用于穗部相关性状的考察, 考察的性状包括：穗长、小穗数、无效穗数、穗粒数、千粒重。

1.3.3 产量及水分利用效率

产量：在收获期分区收割，进行脱粒获得所有籽粒，待风干后测其产量，kg/hm2。

作物水分利用效率[15]WUE：指作物单位耗水量产出的籽粒产量，用下式计算：

WUE=Y/ETa

(3)

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；ETa为作物生育期耗水量，mm。

灌溉水分利用效率[16]，单位灌溉水量消耗所获得的籽粒产量，可用下式计算：

iWUE=Y/I

(4)

式中：iWUE为作物灌溉水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为作物籽粒产量，kg/hm2；I为作物生育期灌溉定额，mm。

1.4 数据处理

利用SPSS 22.0进行均值误差分析，采用OriginPro 9.0作图，差异显著分析采用F检验，显著水平设置为P<0.05，图表中数据除特殊标注外均为所有重复的平均值，为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 灌溉与深松耕对冬小麦株高的影响

冬小麦株高受气候条件、遗传、土壤条件及耕作栽培技术等因素的影响较大，株高是形成产量的基础，与作物抗旱性及籽粒产量密切相关，就增长速率而言，基本服从苗期均匀增长，拔节前快速增加，抽穗期增速放缓至灌浆成熟期基本停止生长的时间变化规律，因此，选取不同生育期不同处理冬小麦株高进行动态变化分析，见表2。

表2 不同处理对冬小麦株高的影响 cm

注:同列数据后不同字母表示差异显著性水平P<5%。*和**分别为P<5%和P<1%水平上差异显著，ns表示差异不显著(P>5%)，下表同。

由表2可知，冬小麦株高随生育进程的推进逐渐增加。单变量显著性分析发现，灌水下限对各生育期冬小麦株高有显著影响(P<0.05)；深松耕在拔节期、抽穗期对冬小麦株高有显著影响(P<0.05)；然而，两因素交互作用仅在返青期对冬小麦株高有显著影响(P<0.05)。随冬小麦生育期的推进，灌水下限的F-value值呈减小趋势，深松耕的F-value值呈先增加后减小趋势。

通过单因素方差分析发现，灌水下限、深松耕两因素在冬小麦全生育期株高达最优组合为I3S处理，I1S1组合效果最差。灌水下限一定时，随松土深度的增加，冬小麦株高呈增加趋势，各处理间显著性差异性较小。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦株高呈增加趋势，灌水下限为55%F与70%F的株高显著高于40%F(P<0.05)，然而55%F与70%F之间无显著性差异(P>0.05)。

2.2 灌溉与深松耕对冬小麦叶面积指数的影响

叶面积指数是小麦理想株型育种的一个重要性状指标，灌溉与深松耕条件下冬小麦叶面积指数均有所改变，所以对本研究冬小麦叶面积指数进行分析，见表3。

由表3可知，冬小麦叶面积指数随生育进程的推进呈先增加后减小趋势。单变量显著性分析发现，灌水下限对冬小麦各生育阶段叶面积指数有显著影响(P<0.05)；深松耕在拔节期与抽穗期对冬小麦各阶段叶面积指数有显著影响(P<0.05)； 两因素交互作用对冬小麦茎粗影响较小(P<0.05)。

通过单因素方差分析发现，灌水下限、深松耕两因素在冬小麦各生育期叶面积指数达最优组合为I3S2处理，该处理显著性高于I1S1处理。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦叶面积指数呈增加趋势，灌水下限为55%F与70%F的叶面积指数显著高于40%F(P<0.05)，55%F与70%F之间无显著性差异(P>0.05)。灌水下限一定时，随深松耕深度的增加，冬小麦叶面积指数基本呈增加趋势，各处理间显著性差异较小(P>0.05)。

表3 不同处理对冬小麦叶面积指数的影响

2.3 灌溉与深松耕对冬小麦地上干物质积累的影响

作物籽粒产量则是由生物产量即由干物质积累的多少决定，干物质积累越多，籽粒产量也就越高，因此，研究深松耕条件下调亏灌溉对冬小麦干物质积累及其分配的差异有利于揭示影响冬小麦产量的物质基础[17]。故对冬小麦干物质质量进行分析，见图1。

图1 不同处理对冬小麦干物质质量的影响

由图1可知，冬小麦地上干物质质量随生育进程的推进呈增加趋势。单变量显著性分析发现，灌水下限对冬小麦返青期、拔节期、抽穗期与灌浆成熟期的干物质质量有显著影响(P<0.05)，深松耕对冬小麦各生育期干物质质量也有显著影响(P<0.05)，返青期、拔节期除外。地上干物质质量随冬小麦生育期的推进，灌水下限与深松耕的F-value值基本均呈增加趋势。

通过单因素方差分析发现，灌水下限、深松耕两因素在冬小麦全生育期地上干物质质量达最优组合为I3S处理，I1S1处理最差。播前深松耕深度一定时，地上干物质质量随灌水下限的增加呈增加趋势，除返青期外，灌水下限为55%F与70%F的地上干物质质量显著高于40%F(P<0.05)，同时55%F与70%F之间无显著性差异；灌水下限一定时，随松土深松耕深度的增加，冬小麦地上干物质质量呈增加趋势，抽穗期与灌浆成熟期各处理之间显著性差异较大。

2.4 灌溉与深松耕对冬小麦产量构成因素的影响

不同处理对冬小麦的产量构成性状有不同程度的影响，采用单因素方差与显著性分析方法对各处理进行对比分析，见表4。

表4 不同处理对冬小麦产量构成因素的影响

由表4可知，单变量显著性分析发现，灌水下限对冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重有显著性影响(P<0.05)；深松耕对冬小麦穗长、穗粒数与千粒重有显著影响(P<0.05)；然而两因素交互作用对其影响较小。

通过单因素方差分析发现，灌水下限、深松耕两因素在冬小麦穗长、茎粗、小穗数、无效穗数、穗粒数与千粒重达最优组合的处理分别为I3S、I3S3、IS1、I1S1、I3S与I3S1，从节水效率与深松耕施工难易角度综合考虑，与最优组合处理相比，不存在显著性降低冬小麦穗长、茎粗、小穗数、穗粒数与千粒重的最佳处理为IS。

灌水下限一定时，随松土深度的增加，冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重均呈增加趋势，小穗数、无效穗数呈先增加后减小趋势，其中深松耕60 cm处理冬小麦穗长、穗粒数与千粒重穗分别显著性高于20 cm处理7.62%、17.42%、6.56%(P<0.05)。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重均呈增加趋势，小穗数、无效穗数呈先增加后减小趋势，其中灌水下限为40%F处理的冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重分别显著性低于灌水下限为55%F与70%F处理4.43%与8.59%、8.97%与12.65%、13.95%与24.03%、5.44%与7.85%(P<0.05)，然而灌水下限为55%F与70%F差异性较小。

2.5 灌溉与深松耕对冬小麦产量及水分利用效率的影响

灌溉与播前深松耕技术结合对冬小麦的产量、作物水分利用效率及灌溉水分利用效率有不同程度的影响，采用单因素方差与显著性分析方法对各处理进行对比分析，见表5。

由表5可知，灌水下限与深松耕对冬小麦产量、耗水量与灌溉水分利用效率有显著性影响，对作物水分利用效率影响较小。I3S、I3S、I1S1与I1S1处理分别使的冬小麦产量、耗水量、作物水分利用效率及灌溉水分利用效率达到峰值，从节水效率与深松耕施工难易角度综合考虑，同时与最优组合处理相比，IS处理可不显著性降低冬小麦产量，同时提高作物水分利用效率以灌溉水分利用效率。

灌水下限一定时，随深松耕深度的增加，冬小麦产量与耗水量呈增加趋势，作物水分利用效率及灌溉水分利用效率基本均呈减小趋势，其中深松耕60与40 cm产量显著性高于20 cm约9.22%与4.98%；深松耕60与20 cm相比，耗水量显著性增加12.27%，然而20与40 cm相比无显著性差异；深松耕20与60 cm相比灌溉水分利用效率显著性提高10.19%，深松耕40与60 cm相比灌溉水分利用效率也显著性提高4.03%，40与20 cm相比灌溉水分利用效率差异性较小。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦产量与耗水量均呈增加趋势，作物水分利用效率与灌溉水分利用效率基本均呈减小趋势。灌水下限为55%F与70%F处理的冬小麦产量是灌水下限为40%F的1.12与1.14倍(P<0.05)，灌水下限为55%F与70%F处理冬小麦耗水量显著性高于灌水下限为40%F约为15.45%与23.50%(P<0.05)，灌水下限为55%F与40%F处理的冬小麦灌溉水分利用效率分别显著高于灌水下限为70%F的1.24与1.26倍(P<0.05)，灌水下限55%F与40%F处理间无显著性差异(P>0.05)。

表5 不同处理对冬小麦产量及水分利用效率的影响

3 讨 论

灌水下限与播前深松耕直接或间接的影响土壤微环境，例如土壤水、热、气、肥、作物根际土壤酶活性及微生物数量等，从而对作物的生长及产量产生不同程度的影响。

(1)灌溉与深松耕对冬小麦生长的影响。根系生长层土壤含水率的适宜度决定作物能否正常生长，是土壤中确保作物高产关键因素，在一定范围内随土壤含水率的增加，作物产量呈增加趋势，若低于或者高于则限制或抑制作物正常生长[18, 19]。本研究发现随灌水下限的增加，冬小麦株高、叶面积指数、干物质质量均呈增加趋势，与胡燕哲[20]对冬小麦生长、袁宇霞[19]对番茄生长的研究结果不一致，可能是由于本试验播前深松耕增加土壤空隙率，提高土壤通气性，减少高灌水引起作物根系无氧呼吸的影响，增加根际土壤酶活性与微生物数量，提高根系对土壤样养分的吸收，从而导致冬小麦生长指标提高[3, 11]，还可能由于本研究最高灌水下限设置较低以及试验区域的差异性造成。与仝国栋[21]在一定灌水下限范围内变化，干物质的积累呈增加趋势基本一致。

本研究发现，随深松耕深度的增加，冬小麦株高、叶面积指数与干物质质量基本呈增加趋势。由于深松耕改变土壤结构，提高土壤蓄水能力与通气性，增加根系体积，较大根系体积根系分泌物和细胞脱落物的增多，供给微生物充足的能源与养料，使得土壤微生物及酶活性较高，从而提高土壤养分利用率，宏观上则表现为植物的生长差异[3, 22-24]。晋鹏宇、张哲元等[25, 26]对玉米研究发现深松耕40 cm比常耕20 cm或免耕能够提高株高、叶面积指数与干物质，与本研究基本一致，由此说明深松耕对冬小麦株高、叶面积指数与干物质确实有显著影响。本研究还发现深松耕60 cm株高、叶面积指数与干物质质量增加幅度较小，这可能是由于深松耕60 cm时，打破犁底层，犁地层为非耕作土壤养分较低，深松耕土壤养分均匀，整体上降低主根系土壤附近的养分，减小冬小麦增长幅度。

(2)灌溉与深松耕对冬小麦产量及水分利用效率的影响。灌水下限的提高，使得土壤含水率有所提高，作物产量与土壤含水量在一定范围内呈增加趋势[3]。本研究发现随灌水下限的增加，产量呈增加趋势。邹桂花[37]研究表明水灌水量的增加稻子产量呈先增加后减小趋势，与本研究不一致，由于作物种类与试验土壤类型的不同。张明智[3]研究发现灌水下限由田间持水率的50%增加到80%，夏玉米产量呈先增加后减小趋势，与本研究结论不一致，由于本试验灌水下限最大值为田间持水率的70%，还可能由于作物种类的差异造成的。本研究还发现随灌水下限的增加，在一定范围内水分利用效率呈减小趋势。与牛文全、王京伟[27, 28]对番茄研究结论基本一致。

本研究发现随深松耕的增加，作物产量呈增加趋势。由于深松耕增加土壤空隙，减小土壤水分流动阻力，易于淋洗耕作层土壤养分，使得土壤养分向土壤深层运移，作物为了生长迫使根系向深层生长，增大深层根系体积或质量，提高土壤养分吸收能力，从而提高产量，且本研究发现根系质量随深松耕的增加呈增加趋势。李霞、魏欢欢、王浩等[8, 29, 30]研究表明深松耕可提高土壤含水率与作物产量。张明智[3]研究表明深松耕深度20 cm增加到60 cm均可提高冬小麦根际土壤含水率、根系体积及产量，与本研究基本一致。本研究还发现随深松耕的增加，作物水分利用效率呈减小趋势。与上述研究者结论不一致，可能是由于土壤质地不同，深松耕增加土壤空隙，使得水分更容易向上运移，增加土壤水分蒸发，同时深松耕增加根系体积，作物对于土壤水分消耗也增加。

4 结 语

(1)随冬小麦全生育期的推进，株高、地上干物质质量呈增加趋势，叶面积指数呈先增加后减小趋势。冬小麦生育阶段不同，灌水下限与深松耕均对株高、叶面积指数、地上干物质质量有显著性影响。灌水下限一定时，随深松耕的增加，冬小麦株高、叶面积指数、地上干物质质量均呈增加趋势；深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦株高、叶面积指数、地上干物质质量也均呈增加趋势。

(2)灌水下限对冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重有显著性影响(P<0.05)；深松耕对冬小麦穗长、穗粒数与千粒重有显著影响(P<0.05)。灌水下限一定时，随松土深度的增加，冬小麦穗穗长、穗粒数与千粒重均呈增加趋势。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦穗长、茎粗、穗粒数与千粒重也均呈增加趋势。

(3)灌水下限与深松耕对冬小麦产量、耗水量与灌溉水分利用效率有显著性影响，对作物水分利用效率影响较小。灌水下限一定时，随松土深度的增加，冬小麦产量与耗水量呈增加趋势，灌溉水分利用效率呈减小趋势。播前深松耕深度一定时，随灌水下限的增加，冬小麦产量与耗水量呈增加趋势，灌溉水分利用效率呈减小趋势。

(4)从产量、水分利用效率与播前深松耕工程难易程度综合考虑，灌水下限为田间持水率的55%与播前深松耕40 cm组合(I2S2)处理可不显著性降低冬小麦产量，同时提高作物水分利用效率以灌溉水分利用效率，使得冬小麦株高、叶面积指数、干物质质量、穗长、穗长、茎粗、小穗数、无效穗数、穗粒数、千粒重与耗水量等指标达最优。