磁化水灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

2020-07-06张莹莹单志杰刘小飞宁慧峰吴金龙陈智芳

灌溉排水学报 2020年6期

张莹莹，宋妮，单志杰，刘小飞，宁慧峰*，吴金龙，陈智芳

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南新乡 453002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.济南益水科技有限公司，济南 250031）

0 引言

【研究意义】小麦是我国重要的粮食作物，也是我国主要口粮之一。我国虽然土地资源辽阔，但农业生产用水占总用水量的60%以上，农业水资源短缺和灌溉水利用率低的问题一直存在。面对水资源日益紧张的严峻形势，如何同时提高冬小麦产量及灌溉水利用效率已经成为节水农业共同关注的焦点问题。【研究进展】为达到节水优质高产的目标，前人从灌溉水源[1-2]、灌溉定额[3-5]、灌溉方式[6]、灌溉制度[7-10]等方面开展了大量研究工作，但是对于磁场技术对冬小麦生长发育等方面的深入研究还鲜有报道。磁化水灌溉作为一种先进的农业灌溉技术，受到了国内外学者广泛关注。普通水经过磁化处理后形成磁化水，磁化作用后，灌溉水物理化学性状会发生改变，如电导率增大、聚合度下降、表面张力降低、水分子间氢键减弱等[11-12]。关于磁化水对土壤质地[13-14]、种子萌发[15-17]及作物生长发育[18-21]的影响，许多学者已做过大量的研究。但目前关于磁化水对冬小麦的研究相对较少，邱念伟等[22]通过磁化水对小麦种子萌发、幼苗生长和生理特性影响的研究发现，磁化水对小麦种子萌发和幼苗生长无明显的生物学效应，但赵国林等[23-24]的试验研究却发现，磁化水浸种能显著提高小麦种子的发芽势和出苗率，促进形成较多的有效分蘖和次生根，促进小麦生长发育的同时也提高小麦的抗旱性。【切入点】邱念伟等[22]和赵国林等[23-24]通过系统研究分析了磁化水对冬小麦幼苗生长发育的影响，但由于试验条件和供试作物基因类型等因素的不同导致二者研究结果略有差异，为进一步探究磁化种子对冬小麦生长及产量的影响，同时更深层次探讨磁化水灌溉对冬小麦生长发育及水分利用效率的影响。【拟解决的关键问题】通过 2 个生长季的田间试验重点研究磁化种子及磁化水灌溉对冬小麦株高、叶面积指数、干物质积累、籽粒产量、耗水量及水分利用效率的调控效应，以期为冬小麦节水优质高产提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年和2018年10月—次年6月（冬小麦生长季）在中国农业科学院农田灌溉研究所七里营基地（N 35°18′，E 113°45′，海拔81 m）进行。试验区多年平均降雨量610 mm，气温13.5 ℃，＞0 ℃积温5 070 ℃，年累积日照时间2 497 h，无霜期220 d。试验地土壤质地为轻壤土，0～100 cm平均土壤干体积质量为1.51 g/cm3，饱和含水率、田间持水率和凋萎系数分别为0.403、0.310 4和0.147 cm3/cm3，饱和导水率129.72 cm/d，地下水水位埋深＞5 m。土壤有机质量为1.64 g/kg，全氮量0.059 g/kg，全磷量0.012 g/kg，全钾量0.123 g/kg。

1.2 试验设计

供试作物为冬小麦（品种为“周麦22”），依据冬小麦生长发育特点将其生长过程划分为播种—拔节期、拔节—抽穗期、抽穗—扬花期和灌浆—成熟期4 个生育阶段。根据当地生产实践，于2017 年10 月22 日和2018年10月15日播种，播量180 kg/hm2，行距20 cm，2018 年5 月31 日和2019 年6 月3 日收获。播种前以复合肥（N、P、K 质量比为20∶15∶5）为基肥，用量为675 kg/hm2，返青后结合灌水追施尿素300 kg/hm2（纯氮量≥46%）。锄草打药等田间管理活动与当地生产习惯相同。所有灌溉水源为同一水源，常规灌溉水通过变频磁化装置后（磁场强度0.2 T，由山东济南益水科技有限公司生产）变成磁化灌溉水，磁化种子处理方式为将种子放入磁化装置内磁化5 min。

图1 实验小区设计 Fig. 1 Design of the experiment area

试验共设3 个处理，分别为磁化种子+磁化水灌溉（T1）、常规种子+磁化水灌溉（T2）和常规种子+常规灌溉水灌溉（T3），各处理重复3 次，共9 个小区，小区面积为20 m×9 m，各处理灌水方式均为地面畦灌。小区设计如图1 所示，处理间设有不小于2 m 的保护区。各处理除灌溉水和种子处理方式不同外，灌水时间（2017 年12 月8 日和2018 年3 月1 日；2018 年12 月5 日、2019 年3 月11 日和2019 年4 月26 日）和灌水定额（90 mm）以及田间锄草、打药等管理措施完全相同。

1.3 观测项目与方法

1）土壤含水率。在冬小麦生育期内每隔10 d 采用取土烘干法分层（每20 cm 为1 层）观测0～120 cm土层土壤含水率，灌水前后加测，然后利用积分中值定理的方法计算观测点处土壤平均含水率。

2）形态指标。在冬小麦生育期内每7～10 d，随机取样观测冬小麦的株高、叶面积和地上部分干物质积累量。各处理每次取样20 株观测株高和叶面积，株高采用精度1 cm 的直尺测量；叶面积采用精度1 mm的塑料直尺测量各植株每片完全展开时完整绿色叶片的长度和最大宽度，然后采用叶面积拟合公式（叶面积=叶长×叶宽×0.78）计算取其平均值，通过单株叶面积和群体密度计算出叶面积指数（LAI）；各处理每次取样30 株观测地上部分干物质积累量，样品在鼓风干燥箱中110 ℃杀青30 min，然后在75 ℃条件下烘干至恒质量，用精度0.01 g 的电子天平称其质量。在作物主要生育期内，每个处理选取3 个1 m 行定点调查冬小麦的群体密度。

3）叶片叶绿素量。在冬小麦各生育阶段利用叶绿素仪（YF-L）测定各处理冬小麦叶片的叶绿素量。各处理随机取样，每个处理观测10 片叶子（抽穗前选取顶端第1 片展开叶，抽穗后选取旗叶），取平均值代表处理的平均值。

4）收获考种与田间测产。试验结束时各试验小区随机取30 株进行考种，测定株高、有效穗数、穗粒数、千粒质量（用精度0.01 g 的电子天平称量随机取样的1 000 粒干籽粒质量）、地上部干物质积累量等指标。收获时各小区选取3 个2 m2的样方取样，调查有效穗数，每样方的样品单打单收计产测算各处理产量，折合为单位面积产量。

5）耗水量与水分利用效率计算。各处理耗水量采用水量平衡方程计算：

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量（mm）；R为降水量（mm）；I为灌水量（mm）；F为地表径流（mm），Q为地下水补给量（mm）；S为深层渗漏量（mm），试验地地势平坦，试验期间不存在地表径流，故F=0；本试验的灌水量是通过水量平衡方程计算确定的，不存在深层渗漏，故S=0；试验区域地下水埋深大于5 m，不存在地下水补给量，Q=0；ΔW为土壤贮水量的减少量，由实测的土壤含水率求得：

式中：Wi和Wi+1分别为第i个时段初和时段末的土壤贮水量（mm）。

各处理水分利用效率计算式为：

式中：WUE为冬小麦水分利用效率（kg/m3）；Y为冬小麦籽粒产量（kg/hm2）；ET为与籽粒产量相对应处理的冬小麦全生育期耗水量（m3/hm2）。

6）气象资料。利用自动气象站观测冬小麦生育期内日最高温度、最低温度、日照时间、空气湿度、2 m 风速、降雨量等常规气象指标。图2 为试验期间冬小麦生长季的有效降水（次降水量大于5 mm）情况。从图2 可以看到，2017—2018 年冬小麦生长季降雨较为充沛，全生育期内有效降水超过了200 mm（202.6 mm），而2018—2019 冬小麦生长季的降水稀少，全生育期内有效降水仅为89.9 mm。2017—2018年灌水量为180 mm，2018—2019 年灌水量为270 mm。

图2 冬小麦生长季降水情况 Fig. 2 Cumulative precipitation during two years of wheat growth periods

1.4 数据统计分析

用Excel 对试验获得的数据进行处理并作图，用SPSS 进行方差分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦生长指标的影响

图3为2017—2018生长季不同处理下冬小麦株高变化过程。从图3 可知，各处理的株高均随生育进程的推进呈增加趋势，在播种后131 d 到152 d，磁化水灌溉处理（T1 和T2 处理）的株高与常规水灌溉处理（T3 处理）的株高存在显著性差异（P＜0.05），但种子是否磁化处理（T1 和T2 处理）的株高不存在显著性差异。收获前（播后186 d）T1、T2 和T3 处理的平均株高分别为75.78、74.51 和71.38 cm，与T3 处理相比，T1 和T2 处理的株高分别增加了6.16%和4.83%，说明磁化水灌溉有利于冬小麦株高的生长，在磁化水灌溉条件下，磁化种子对冬小麦株高影响不显著。

2017—2018 生长季不同处理冬小麦叶面积指数（LAI）随播后时间的变化，均先增大后减小，且前期增长速率明显高于后期减小的速率（图4）。返青后（播种后25 d）叶面积生长速度快速增加，播种后169 d 前后达到高峰，生长后期冬小麦叶面积随着叶片逐渐枯萎凋落而减小。从图4 可知，在播种后152 d 时T1 和T3 处理的叶面积指数存在显著性差异（P＜0.05）。在播种后169 d 时，各处理叶面积指数达到最大值，T1、T2 和T3 处理的叶面积指数分别为6.67、6.36 和5.97，与T3 处理相比，T1 和T2 处理分别增加了11.73%和6.53%。随后叶面积开始缓慢下降，播种后207 d 的T1、T2 和T3 处理的叶面积指数分别为4.13、3.98 和3.42，与T3 处理相比，T1 和T2 处理的叶面积指数分别增加了20.76%和16.37%。通过对播种后169 d 及播种后207 d 的叶面积指数比较，发现T3 处理下降幅度最大，降低了42.71%；T1处理下降了23.08%，T2 处理下降了37.42%，说明磁化水灌溉可缓解冬小麦叶片衰老。

图3 2017—2018 生长季不同处理冬小麦株高 Fig.3 Plant height of winter wheat in different treatments during 2017—2018

图5 为2017—2018 生长季不同处理下的冬小麦地上部生物量的变化情况。由图5 可知，冬小麦生长前期地上部干物质积累较慢，这是由于播种后50 d左右冬小麦进入越冬期，因气温过低作物生长速度明显降低，次年3 月初随着气温的回升，冬小麦进入快速生长期，各处理下的冬小麦地上部干物质累积量均迅速增加。由于前期没有进行灌溉，麦田土壤水分类型和含水率大致相同,进入返青后，随着麦田灌溉处理及种子是否磁化的不同，地上部生物量开始表现差异，在返青期后T1 处理的冬小麦地上部生物量最高。冬小麦生长前期地上部干物质积累较慢，播种后25 d，T1、T2 和T3 处理的地上部生物量分别为360.25、372.17 和380.42 kg/hm2，但在播种后152 d，T1、T2和T3 处理地上部生物量分别为2 525.42、2 361.33和2 202.75 kg/hm2，后期各处理地上部生物量均迅速增加。从播种后152 d 开始，T1 和T2 处理的地上部生物量均高于T3 处理的地上部生物量，且T1 处理与T3 处理差异显著（P＜0.05）。

2.2 不同处理对冬小麦叶片叶绿素的影响

2017—2018 冬小麦生长季，不同处理下的返青后不同时期冬小麦叶片叶绿素SPAD值如图6 所示。整个生长季各时期的叶片叶绿素SPAD值均以T1 处理最高，在播种后186 d 时达到最高值。SPAD值均呈先降低后升高，又逐渐降低的变化。这可能是播后152～169 d 气温度下降，低温可能会引起叶绿素指数下降[25]。后期随着小麦叶片成熟，叶片开始变黄，叶绿素指数逐渐下降。在冬小麦营养生长和生殖生长并进的抽穗扬花期，与T3 处理相比（SPAD平均值为57.08），T1 和T2 处理的叶片SPAD平均值分别提高了5.74%和4.18%，而且这种差异随着生育进程的推进不断扩大，T1 与T3 处理有显著差异（P＜0.05）。

2.3 不同处理对冬小麦籽粒产量及产量构成的影响

不同处理下冬小麦产量及其构成因素结果见表1。从表1 可以看出，磁化水灌溉有利于冬小麦有效穗数和穗粒数的形成，最终不同程度提高了冬小麦的籽粒产量。与T3 处理相比，T1 和T2 处理的有效穗数分别增加了38.02、28.20 万穗/hm2（2018 年）和19.00、17.67 万穗/hm2（2019 年）；单穗穗粒数分别增加了5.28%、6.75%（2018 年）和4.05%、5.87%（2019 年）；千粒质量分别降低了3.19%、2.52%（2018年）和0.74%、0.86%（2019 年）。籽粒产量分别提高了439.40、717.10 kg/hm2（2018 年）和372.16、577.75 kg/hm2（2019年），增产率达到了6.14%、8.99%（2018年）和5.20%、7.24%（2019 年）。T1 和T2 处理下的冬小麦千粒质量有所下降，但有效穗数及穗粒数增长幅度明显较高，且产量明显高于T3 处理，说明产量的提升是有效穗数和穗粒数的增加造成的。

图6 2017—2018 不同处理冬小麦叶片叶绿素量 Fig. 6 SPAD of winter wheat leaves in different treatments during 2017—2018

表1 不同处理的产量构成 Table 1 Effects of different treatments on winter wheat yield and its components

表2 不同处理冬小麦耗水量及水分利用效率 Table 2 Total water consumption and water use efficiency of different treatments

2.4 不同处理对冬小麦耗水量及水分利用效率的影响

表2 为不同处理下的冬小麦耗水量及水分利用效率。由表2 可知，与T3 处理相比，T1 和T2 处理的耗水量分别增加了11.8 mm、18.25 mm（2018 年）和7.96 mm、12.67 mm（2019 年），水分利用效率分别提高了3.50%、4.75%（2018 年）和2.39%、5.38%（2019 年），灌溉水利用效率分别提高了6.14%、8.99%（2018 年）和5.20%、7.24%（2019 年）。

3 讨论

Sadeghipour 等[26]研究发现磁化水灌溉可以明显提升豇豆的根、茎、叶的鲜质量及干质量，增加地上生物积累量和叶面积，提升气孔导度和水分利用效率。本试验结论与此有一定相似性，2017—2018 年T1 和T2 处理的冬小麦的株高、叶面积指数和干物质积累量均高于T3 处理，说明磁化水灌溉能促进冬小麦地上部生长。本研究发现T1 和T2 处理的干物质积累量高于T3 处理，同时也发现生育内中T1 和T2 试验处理下的叶片SPAD值也高于T3 处理，说明磁化水灌溉提高了冬小麦叶片的SPAD值，从而促进了冬小麦群体光合生产力，从而促进产量增加。朱练峰等[27]发现磁化水灌溉能够促进水稻生长发育和提高产量及品质，显著增加了水稻的有效穗数、结实率和产量。本研究也获得相应的结论，2 a 的试验数据分析表明，由于有效穗数和穗粒数的增加，导致单位面积籽粒数增多，从而降低了光合同化产物向单个籽粒的运转，因而导致与T3 处理相比，T1 处理的千粒质量略有下降，但有效穗数和穗粒数明显偏高，促使最终的产量提升，即磁化水灌溉能有效提高冬小麦产量。灌溉水经过磁化装置后，物理化学性状发生变化[11-12]，对矿物盐的溶解能力提高，灌溉水中的氮、磷、钾、钙等营养元素溶解度增大，磁化水灌溉土壤后，土壤体积质量降低、孔隙度增加，土壤酶活性得到提升，理化性质得到改善[28]，有利于小麦根系对营养物质的吸收和利用，促进了冬小麦的生长发育，从而提高了冬小麦产量。

本研究发现，T1 和T2 处理下冬小麦的耗水量略有增加，但水分利用效率和灌溉水利用效率高于T3处理，这与Maheshwari 等[29]在芹菜和豌豆的研究结论一致。虽然2 个生长季播前计划湿润层土壤贮水量基本相当，而且生育期内各处理的灌水量相同，但由于试验处理及降水量不同，造成了处理间年内及年际收获期的土壤水分存在不同程度差异，从而导致各处理的耗水量不尽相同。2 个生长季冬小麦生长所需水分主要来源于灌溉和降水及土壤贮水，由于2 个生长季的降雨量相差较大（2017—2018 年和2018—2019年生长季总降雨量分别为202.6 mm 和89.9 mm），2个生长季生育期内总灌水量相差了90 mm，最终导致各处理籽粒产量、水分利用效率也存在明显年际差异，与2017—2018 年生长季相比，2018—2019 年生长季T1、T2 和T3 处理的籽粒产量分别增加了14.50%、13.68%和11.51%，水分利用效率分别增加了16.25%、17.61%和14.19%。