许卫娜, 杨宝平, 聂俊峰,丁瑞霞, 杨万忠,韩清芳,王俊鹏, 张 鹏, 韩文霆, 贾志宽

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；2.农业农村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.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

随着干旱的频繁发生、经济的发展和人口的增长,农业水资源缺乏的问题日益严重。干旱半干旱区是以旱作为主的雨养农业区，自然降水少、年际波动大、季节分布不均匀，作物供水主要依赖于大气降水，而大气降水对作物的水分供应又需要依附于土壤调节。因此，从大气降水-土壤水-作物循环系统的理论观点出发，探讨该区农田土壤贮水耗水特点及土壤贮水量对作物产量旳影响程度，对土壤水库充分利用具有十分重要的意义。冬小麦休闲期正值干旱半干旱区的降雨高峰，此时土壤蓄需水量(底墒)是冬小麦生长及产量形成的重要水源。如何合理利用有限的农业水资源，提高水分利用效率备受关注[1-9]。研究表明，底墒对旱地小麦的产量有显著影响[10-13]。REGMI et al[14]研究表明，充足底墒可供给小麦225 mm的水分，并能保持到抽穗。0～200 cm土层有效底墒介于270～320 mm时，0～200 cm有效底墒最大供水率为72%，可供给小麦大约200 mm的水分，并能保持到灌浆后期[15]。干旱半干旱区由于自然降水的不均匀和不合理的灌溉使冬小麦底墒的利用率不高，还有较大的利用潜力，且以往的研究只考虑底墒或灌水量一个因子对作物生长发育和耗水特性的影响[5,8,15-17]，很少对底墒和灌水量之间的相互关系、作用程度进行深入研究。为此，本研究在大型防雨池栽条件下，设置不同底墒和生育期补灌量，精准研究水分条件变化对冬小麦底墒供水特征和产量的影响，以期为旱区麦田降水资源的合理利用和适水种植、量水生产提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料和试验设计

试验于2013—2015年在西北农林科技大学旱区节水农业研究院大型作物控水监测试验场启闭式防雨棚下进行。该试场位于陕西杨凌(34°18′N、108°04′E)，海拔高度466.7 m，属暖温带半湿润易旱气候区，试验年的气候变化见表1。试验小区面积为6.7 m2(3.15 m×2.13 m)的水泥池，池深3 m，每池四周为17 cm厚水泥墙，用以防止水分水平交换。池中土壤为2.5 m深垆土原状土柱(原位土)，分层填入。池底部设有滤层(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防池底积水。遇雨雪盖棚，全年防雨水进入。0～60 cm土层土壤基础养分如表2。

表2 供试土壤基础养分

试验采用裂-裂区设计，2次重复。土壤底墒(SMSp)为主区处理，设3个土壤底墒(0～200 cm土层)，分别为350、450、650 mm，即在每年八月和九月分别灌溉100、200、350 mm，进行人工造墒，播种前再测墒补灌调整至试验设计底墒。生育期间补灌量(R)为副区处理，设4个灌量：0.0 mm(R0)、56.3 mm(R1)、78.1 mm(R2)、100.0 mm(R3)，具体补灌量见表 3，用水表计量，池内每小区又分成4个微区进行均匀微滴灌补灌，以减少测渗，确保入渗率。

表3 补灌方案/mm

以冬小麦‘长旱 58’(半冬性旱地主栽，国审品种)为供试材料(指示植物)，该材料由梁增基研究员培育，张睿研究员提供。于每年10月中旬播种，播种量为135 kg·hm-2，行距25 cm，人工开沟点播，株距1.5 cm，深度5～7 cm，播后用水平尺测平，利于后期均匀补灌。出苗三叶期后定苗，于每年6月上旬收获。

1.2 测定指标及方法

冬小麦从播种前一天起每隔15 d测定各处理小区0～200 cm土层的土壤含水量。0～30 cm用常规土钻取土烘干法测定，40～200 cm用TDR(德国IMKO 公司TRIME-FM)测定，10 cm为一间隔。

成熟时分区测产，每处理选取有代表性的30株小麦按常规法进行室内单株考种分析。

土壤蓄水量：

W=∑Wi×Di×Hi×10/100

(1)

式中，W为土壤蓄水量，mm；Wi为第i层土壤质量含水量，%；Di为第i层土壤容重，g·cm-3；Hi为第i层土层厚度，cm[17]。

作物耗水量：

ET=R+ΔW

(2)

式中，ET为作物生育期内耗水量，mm；R为生育期内补灌量，mm；ΔW为播前期与收获期0～200 cm土壤蓄水量之差，mm[18-19]。

土壤有效底墒供水量：

Ac=Wi-Wi+1

(3)

式中，Ac为土壤有效底墒供水量，mm；Wi为小麦某一生育时期开始时的土壤蓄水量，mm；Wi+1为小麦相应生育时期末期时的土壤储水量，mm[14]。

有效底墒利用率表达式为：

(4)

式中，Rc为有效底墒利用率，%；SW为有效底墒，mm[14]。

水分利用效率：

WUE=GY/ET

(5)

式中,WUE为产量水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；GY为作物籽粒产量，kg·hm-2[20]。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 17.0进行方差(ANOVA)分析，采用LSD 法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 底墒和补灌量对土壤耗水特性的影响

2.1.1 冬小麦有效底墒利用率 由表 4可见，两年研究结果均表明，在不补灌条件下随底墒的增加，冬小麦全生育期土壤供水量增加。不补灌(R0)条件下，0～200 cm 土层有效底墒利用率介于 41.9%～73.4% 之间。其中上层 0～50 cm 有底墒利用率介于89.0%～123.6%之间，中层50～100 cm有效底墒利用率介于50.1%～78.1%之间，下层100～200 cm 有效底墒利用率介于2.5%～54.3%之间。可见无论底墒高低，土壤浅层(0～50 cm)底墒利用率显著大于深层底墒利用率。

表4 有效底墒供水量(mm)和有效底墒利用率(%)

随着补灌量的增加，低、中、高底墒冬小麦全生育期0～200 cm土层有效底墒供水量和有效底墒利用率增加。低、中、高底墒高量补灌(R3)比中量补灌(R2)有效底墒利用率分别增加6.0%、26.0%、3.0%，中量补灌(R2)较低量补灌(R1)有效底墒利用率分别增加4.0%、37.4%(P<0.05)、1.3%。上层0～50 cm有效底墒利用率为68.6%～93.9%；中层50～100 cm 有效底墒利用率为20.4%～97.8%；下层100～200 cm 有效底墒利用率为2.0%～61.6%，可见上层有效底墒利用率最高，其次是中层，100 cm以下较少。两年研究结果表明，随着底墒的增加，全生育期供水量增加。无论底墒高低，土壤浅层(0～50 cm)供水量比其他深层供水量显著偏多，均占整层供水量40.0%以上；随着底墒的增加，浅层供水量比例减少，深层供水量比例增加。50 cm以下土层供水量显著减少，各土层仅占7.1%～36.3%，说明土壤深层底墒利用尚有很大潜力。低、中底墒处理100 cm以下土层的有效底墒利用率均在6.7%以下，亦说明深层底墒几乎没有被冬小麦所利用。

2.1.2 不同时段不同层次有效底墒利用率 从表5可知，冬小麦不同生育期底墒利用率有明显差异。从播种到抽穗期，不补灌处理土壤上层(0～50 cm)有效底墒利用率较高，均在62.8%以上，且底墒越小其利用率越高；除了中、低底墒的100 cm以下底墒几乎没有被利用外，高底墒的各土层底墒均得到了充分利用，高底墒的下层(100～200 cm)有效底墒利用率仍达39.1%；整个土层有效底墒利用率与底墒变化趋势一致。随着补灌量的增加，低、中底墒上层有效底墒利用率升高，高底墒上层有效底墒利用率降低，且底墒越小其利用率越高。其中，低、中底墒0～50 cm土层高量补灌(R3)比中量补灌(R2)有效底墒利用率分别增加11.1%和26.7%(P<0.05)，中量补灌(R2)比低量补灌(R1)有效底墒利用率分别增加13.6%和13.3%(P<0.05)；高底墒0～50 cm土层高量补灌(R3)比中量补灌(R2)有效底墒利用率减少2.9%，中量补灌(R2)比低量补灌(R1)有效底墒利用率减少3.6%。

表5 不同时段有效底墒利用率/%

从抽穗到成熟期在不补灌处理下，有效底墒供水量因土壤水分不足而明显减少，0～50 cm有效底墒利用率为20.2%～42.5%，与底墒变化趋势一致，深层除高底墒处理外均在6.8%以下，在小麦生长后期只有高底墒处理的小麦仍然可以部分利用100～200 cm的底墒。随着补灌量的增加，上层有效底墒利用率降低，中层和下层的有效底墒利用率增加，与底墒变化趋势一致；整个土层有效底墒利用率与底墒变化趋势一致。其中，低、中、高底墒100～200 cm土层高量补灌(R3)比中量补灌(R2)有效底墒利用率分别增加12.5%、30.2%、9.7%，中量补灌(R2)比低量补灌(R1)有效底墒利用率分别增加20.0%、20.5%、24.5%。

2.1.3 冬小麦耗水深度的时空变异 作物的耗水通常来自生长期的补灌量和土壤蓄水量两个方面，二者相辅相成，调节供给。两年研究结果表明，土壤底墒和补灌量显著影响冬小麦土壤耗水深度(图1)。拔节期前，由于作物群体数量较少，大部分地面裸露，蒸发的主要是土壤蓄水，土壤耗水深度较浅。拔节期补灌后，抽穗期各处理土壤耗水深度差异显著。在不补灌条件下，土壤耗水深度为100～160 cm土层；而在补灌条件下，土壤耗水深度较浅。补灌量越大，土壤耗水深度越浅。抽穗期补灌后，灌浆中期各处理土壤耗水深度差异显著。在不补充水分的情况下，土壤耗水深度没有大的变化，土壤水分利用率进一步提高。由于前期供水，补灌处理产生了较大的作物群体。为了满足作物对水分、根系深部渗透、耗水深度的要求，补灌比不补灌的耗水深度加深。灌浆期补灌后，到成熟期土壤耗水深度继续增加，而低底墒的耗水深度变浅。中、高底墒播种期和收获期土壤体积含水量之间从上到下直到200 cm深的间距均较大，各层均有水分消耗，低底墒处理播前和收获期土壤体积含水量之间从上到下直到70 cm土层有较大间距，在70 cm以下到200 cm间距很小，有些层次甚至重合，水分消耗很少。因此，高、中底墒的供水层深度在200 cm以下，低底墒的供水层厚度仅在200 cm 以内，且70 cm以下层次供水量很少。

图1 冬小麦播种至成熟期土壤体积含水量(%)时空变化图

2.2 底墒和补灌量对冬小麦产量及产量构成的影响

由表6可知，两年结果表明，不同底墒和补灌量处理下小麦产量及产量构成存在显著性差异，交互作用差异不显著，底墒处理产量、穗数、穗粒数大小顺序为高底墒>中底墒>低底墒，千粒重大小顺序为高底墒>低底墒>中底墒。底墒对冬小麦产量的影响效应十分明显。在不补灌条件下，中底墒产量、穗数、穗粒数较低底墒处理分别增加 815.4%、251.0%、10.44粒，高底墒产量、穗数、穗粒数较中底墒处理分别增加252.1%、72.5%、19.34粒，低、中底墒处理的千粒重基本一致，高底墒千粒重较中、低底墒处理分别增加 12.24%和10.2%。在不同补灌条件下，无论是低底墒、中底墒还是高底墒，随补灌量的增加，产量及产量构成因素均随之增大，且底墒越小增加幅度越大，各处理之间产量及产量构成因素差异不显著。而且，增幅随着补灌的增多而增加。低底墒产量、穗数、穗粒数和千粒重的增加效应分别较中底墒提高 70.9%～108.5%、86.0%～125.9%、0.02～0.12粒、0.6%～2.3%，中底墒处理的增加效应分别较高底墒提升57.4%～66.0%、4.3%～11.9%、0.32～0.91粒、4.3%～4.8%。在底墒不足情况下，增加补灌量可在一定程度上减少由于墒情不足引起的产量及其构成的损失，但底墒仍是决定产量及其构成的主导因素，生育期补灌不能克服底墒不足所造成的影响。低底墒补灌处理下产量、穗数、穗粒数分别较中底墒不补灌的减少 35.4%～58.9%、28.0%～44.1%、7.8～9.4粒，中底墒补灌处理分别较高底墒不补灌的减少57.3%～66.9%、26.3%～35.9%、16.8～18.4粒。

2.3 底墒和补灌量对冬小麦水分利用效率的影响

从表6可知，两年结果表明，在不补灌条件下，高底墒较中底墒处理水分利用效率降低3.8%，中底墒较低底墒处理水分利用效率提高438.2%。随补灌量增加，低底墒处理水分利用效率增大，中、高底墒处理籽粒产量水平上的水分利用效率减小，且水分利用效率的增加量减小。低底墒高量补灌(R3)处理的水分利用效率最高，中、高底墒不补灌(R0)处理的水分利用效率最高，比低量补灌(R1)处理分别提高16.9%(P<0.05)和18.1%，比中量补灌(R2)处理提高1.7%。中底墒补灌处理比低底墒水分利用效率提高 77.6%～148.3%，高底墒补灌处理比中底墒水分利用效率分别提高1.4%～40.8%。

表6 各处理冬小麦产量、产量构成和水分利用效率

2.4 土壤有效底墒供水量对冬小麦产量的影响

利用土壤有效底墒供水量与籽粒产量进行相关分析，得到方程为：

2013—2014年：

Y=0.0351Ac2+27.7792Ac+88.8553 (R2=0.9332)

2014—2015年：

Y=0.0431Ac2+29.4653Ac+81.0981 (R2=0.9275)

式中，Y为籽粒产量，kg·hm-2；Ac为土壤有效底墒供水量，mm。经检验，其信度水平达到0.01。两者呈显著的抛物线关系(图2)，土壤有效底墒供水量在0～300 mm 范围内，随着底墒供水量的增加产量呈明显增加趋势。

图2 籽粒产量与土壤有效底墒供水量的关系

3 讨论与结论

研究表明，播种前土壤有效水的多少直接影响小麦的出苗与生长状况，能够弥补春季的水分不足而形成较好的产量[21-24]，这与本试验结果一致。多数研究指出，改善水分条件可以协调产量构成因素，提高产量[5,25-26]。本研究结果亦表明，随着补灌量的增加，冬小麦产量及其构成呈增加趋势，且底墒越小产量及其构成增加效应越大，这与前人的研究结论一致。在低底墒条件下，没有灌溉和降水补给，底墒能够提供大约43 mm的水分，并且保持到抽穗，其冬小麦产量仅为136.6 kg·hm-2。

雨养农业条件下，天然降水是农田土壤水分的唯一来源，降水年型不同，则农田土壤贮水状况及土壤供水性能明显不同，作物农田土壤贮水利用程度也不同。其干旱年各层次土壤贮水的利用程度明显高于湿润年；冬小麦土壤耗水深度无论干旱年还是湿润年都在1 m土层以下。无论干旱年还是正常年，冬小麦生育期内均存在较严重的土壤水分亏缺[27]，这与本研究结论一致。相关研究认为：限量供水提高了作物对底墒尤其是对1～2 m深层底墒的利用[28-31]。本研究结果亦表明，随着补灌量的增加，高、中、低底墒全生育期0～200 cm土层总供水量和有效底墒利用率增加。无论底墒高低，土壤浅层(0～50 cm)供水量比其他深层供水量显著偏多，均占整层供水量40.7% 以上；随着底墒的增加，浅层供水量比例减少，深层供水量比例增加。50 cm以下土层供水量显著减少，各层仅占4.6%～36.3%，说明深层底墒利用尚有很大潜力。中、低底墒处理100 cm以下土层的有效底墒利用率均在5.4%以下，说明深层底墒几乎没有被冬小麦所利用。

研究认为，底墒充足或比较充足时有利于作物利用土壤储蓄的水分；当底墒较差时，增加灌水量才能提高植株利用土壤水分的能力和效率[8,30,32]，这与本研究结论相一致。本研究亦表明，冬小麦营养生长阶段浅层耗水量大于生殖阶段,但深层耗水量正好相反，随着冬小麦生育期的推进，尤其在生殖生长阶段，深层土壤贮水量发挥了积极的“补偿作用”。随补灌量的增加,土壤贮水利用率呈上升趋势。因而在干旱半干旱地区冬小麦生产管理中,播种时重视灌足底墒水，增加土壤蓄水量，特别是深层蓄水，可减少春季灌水次数和灌水量，是推行农业节水灌溉，节约农业水资源,量水生产的有效措施。

本试验条件下，作物产量与土壤底墒供水量之间并不呈简单的线性关系，而是呈明显的非线性关系，其原因有待进一步研究。

土壤深层蓄水有利于小麦增产。应足墒播种，适水种植，量水生产。如底墒不足，必须补灌。