调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响

1、1调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响摘摘 要要 以高产中筋冬小麦品种济麦 22 为材料，在山东兖州小孟镇史王村进行田间试验，研究了调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响。结果表明：在全生育期降水 228 mm 条件下，W1（土壤相对含水量：播种期 80%+拔节期 70%+开花期 70%）和 W4（土壤相对含水量：播种期 90%+拔节期 85%+开花期 85%）处理总耗水量高于 W0（土壤相对含水量：播种期 80%+拔节期 65%+开花期 65%） 、W2（土壤相对含水量：播种期 80%+拔节期 80%+开花期 80%）和 W3（土壤相

2、对含水量：播种期 90%+拔节期 80%+开花期 80%）处理，W1和 W4处理间无显著差异；W1处理增加了 0200 cm 土层土壤贮水消耗量，降低了小麦拔节至开花期的耗水模系数，提高了开花至成熟期的耗水模系数；W4处理在开花至成熟期、拔节至开花期的耗水量和耗水模系数均较大。调亏灌溉条件下，W0处理水分利用效率较高，但产量最低；随灌溉量增加，其他处理水分利用效率为先增加后降低的趋势。耗水量最高的 W1和 W4处理产量也最高，W1处理灌溉水利用效率和灌溉效益均高于 W4处理，为本试验条件下高产节水的最佳处理。关键词关键词 冬小麦; 调亏灌溉; 耗水特性; 水分利用效率Effects of re

3、gulated deficit irrigation on water consumption characteristics and water use efficiency of winter wheat. Abstract：Field experiment was conducted to examine the effects of regulated deficit irrigation on water consumption and water use efficiency (WUE) in wheat plants (cv. Jimai 22) at Shiwang Villa

4、ge, Yanzhou, Shandong, China. Under 228 mm annual precipitation precondition, the water consumption amount of treatment W1 (with soil relative water content (SRWC) of 80%, 70% and 70% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively) and W4 (with SRWC of 90%, 85% and 85% at sowing, jointing, a

5、nd anthesis stages, respectively) were significantly higher than those of W0 (with SRWC of 80%, 65% and 65% at sowing, jointing, and anthesis stages, respectively), W2 (with SRWC at sowing, jointing, and anthesis stages of 80%, 80%, and 80%，respectively), and W3 (with SRWC of 90%，80% and 80% at sowi

6、ng, jointing, and anthesis stages, respectively). Compared with W4, the treatment W1 increased the ratio of soil water consumption amount to water consumption amount, used more water in 0-200 cm soil layers, and it decreased water consumption percentage from jointing to anthesis stages, whereas incr

7、eased that from anthesis to maturity stages. The water consumption percentages of W4 at both stages from jointing to anthesis and anthesis to maturity were higher. Under regulated deficit irrigation condition, although the WUE of treatment W0 was higher, its grain yield was lowest. The WUE of other

8、treatments firstly increased, thereafter decreased with increasing irrigation amount. Treatments W1 and W4 with the highest water consumption amount had the highest grain yield. Furthermore, the irrigation water use efficiency and irrigation benefit of treatment W1 were significantly higher than tho

9、se of W4. Thus, based on the experimental results, it was suggested that the irrigation regime of treatment W1 would be the optimal one in terms of sustainable use of water resource.Key words: winter wheat; regulated deficit irrigation; water consumption characteristics; water use efficiency.水资源缺乏已成

10、为全球性急需解决的问题。黄淮海平原水资源总量仅占全国水资源的 6.65，而灌溉面积却占全国灌溉面积的 40，耕地单位面积水资源量约为全国平均值的 25%，供需矛盾突出1。该区大部分地区常年降雨量为 500700 mm，且主要集中在夏季，冬小麦生长期间降水量少，不能满足生长发育需求。如何合理利用有限的水资源，减少灌溉用水，提高水分利用效率，是冬小麦生产迫切需要解决的问题。调亏灌溉是调控土壤-植物-大气之间的关系，降低水分消耗、提高水分利用效率的有效途径。近年来，关于大田作物调亏灌溉的研究国内外进展较快，并主要集中在棉花、玉米和小麦上2-3。研究表明，适时适度的水分调亏可显著抑制冬小麦的蒸腾速率，

11、而光合速率下降不明显，复水后光合速率具有补偿效应，有利于光合产物向籽粒转运，抑制营养生长，促进生殖生长，提高小麦籽粒产量、收获指数和水分利用效率4。在西北干旱地区，冬小麦水分亏缺程度可达到田间持水量的 45%50%，对作物产量没有不利影响，但可明显提高作物水分利用效率5-6。孟兆江等7研究表明，在冬小麦三叶至返青期进行 40%60%田间持水率处理，调亏处理平均比对照增产 0.9%8.3%，节水 12.8%18.6%，水分利用效率提高16.0%33.0%；也有研究指出，在冬小麦不同时期进行不同的调亏灌溉处理有利于冬小麦利用有限的土壤水分资源8，在拔节和开花期亏缺灌溉可促进小麦根系生长，提高土壤水

12、分利用效率9，随着灌溉量和降雨量的增加，冬小麦利用土壤底墒水的能力下降10。但有关冬小麦调亏灌溉技术尚不完善，还有待深入2研究。本文在田间试验条件下，以土壤目标相对含水量为基础，通过准确定量，研究调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响，为制定冬小麦高产节水栽培技术提供理论依据。1 材料与方法材料与方法1.1 试验材料与试验设计试验于 20072008 年在山东省兖州市小孟镇史王村（35.41 N，116.41 E）大田进行，供试材料为高产中筋冬小麦品种济麦 22。试验田 020 cm 土层土壤养分含量为：有机质 15.0 gkg-1、全氮 1.0 gkg-1、碱解氮 62.6 mgkg-

13、1、速效磷 25.0 mgkg-1、速效钾 139.8 mgkg-1。小麦生育期间降水量为：播种至拔节期 51.4 mm、拔节至开花期 88.4 mm、开花至成熟期 88.2 mm。播种前 020 cm、2040 cm、4060 cm、6080 cm、80100 cm、100120 cm 和 120140 cm 土层土壤田间持水量分别为24.7%、25.3%、24.7%、25.0%、24.63%、23.51%和 23.18%，土壤容重分别为1.55、1.50、1.51、1.52、1.53、1.58 和 1.56 gcm-3，相对含水量分别为62.4%、54.6%、75.4%、89.4%、77.

14、5%、77.0%和 82.7%。试验设置的灌水组合为底墒水+拔节水+开花水，底墒水设 2 个水平，拔节水设 4 个水平，开花水设4 个水平，共 5 个处理，分别用 W0、W1、W2、W3和 W4表示（表 1） 。表表 1 水分处理方案（水分处理方案（0140 cm 土层相对含水量平均值）土层相对含水量平均值）Table 1 Water treatments (average soil relative water content at 0-140 cm soil layer, %)灌水时期 Irrigation stage处理Treatment播种期 Sowing拔节期 Jointing开花期

15、 AnthesisW0806565W1807070W2808080W3908080W4908585灌水量由灌水定额计算公式确定11，计算公式为：m=10bH（i -j） 式中：m 为灌水量（mm） ；H 为该时段土壤计划湿润层的深度（cm） ，本试验计划湿润层深度为 140 cm；b 为计划湿润层内土壤容重（gcm-3） ；i为目标含水量（田间持水量乘以目标相对含水量） ；j为自然含水量，即灌溉前土壤含水量。灌水量用水表计量。小区面积 4 m4 m，小区间设置 1.0 m 隔离区，随机区组排列，3 次重复。冬小麦播种前，前茬玉米的秸秆全部粉碎翻压还田。基肥用量为 N 105 kghm-2，P2

16、O5 112.5 kghm-2，K2O 112.5 kghm-2；拔节期追施 N 135 kghm-2。所施肥料为尿素（含 N 46.4%） 、磷酸二铵（含 P2O5 46%，N 18%） 、硫酸钾（含 K2O 52%） 。2007 年 10 月 8 日播种，4 叶期定苗，基本苗为 180 株m-2，其他管理措施同丰产田，2008 年 6月 11 日收获。1.2 水分测定与计算方法1.2.1 土壤含水量的测定 用土钻取 0200 cm 土层土样，分层取土，20 cm 为一层，置于铝盒中，采用烘干法测定土壤含水量，其公式为：土壤含水量=（土壤鲜质量-土壤干质量）/土壤干质量100%。1.2.2

17、农田耗水量的计算 采用测定土壤含水量计算作物耗水量的方法12，耗水量的计算公式为： ET1-2=iHi（i1i2）+M+P0+Kn1i10式中：ET1-2为阶段耗水量（mm） ；i 为土层编号；n 为总土层数；i为第 i 层土壤干容重（gcm-3） ；Hi为第 i 层土壤厚度（cm） ；i1和 i2分别为第 i 层土壤时段初和时段末的含水率，以占干土质量的百分数计；M 为时段内的灌水量（mm） ；P0为有效降水量（mm） ；K 为时段内的地下水补给量（mm） ，当地下水埋深大于 2.5 m 时，K 值可以忽略不计，本试验的地下水埋深在 5 m 以下，故地下水补给量可视为 0。日耗水量=各生育阶

18、段麦田耗水量/生育阶段天数耗水模系数=各生育阶段麦田耗水量/麦田总耗水量1.2.3 水分利用效率和灌溉效益的计算 水分利用效率的计算公式13-14为：WUE=Y/ET，灌溉水利用效率的计算公式14为：IWUE=Y/I，灌溉效益的计算公式15为：IB=Y/I，式中：WUE、IWUE 和 IB 分别为水分利用效率（kghm-2mm-1） 、灌溉水利用效率（kghm-2mm-1）和灌溉效益（kghm-2mm-1） ；Y 为籽粒产量（kghm-2） ；Y 为灌溉后增加的产量（kghm-2） ；ET为小麦生育期间实际耗水量（mm） ，为各阶段耗3水量之和；I 为实际灌水量（mm） 。1.2.4 棵间蒸发

19、的测定 采用自制的小型蒸发器16测定冬小麦棵间蒸发量，将其置于冬小麦行间土壤。该蒸发器用 PVC 管做成，内径为 7.5 cm，壁厚 5 mm。每次取土时，将其垂直压入土壤内，然后用自封袋封底，称量。每天 17：00 用精度为 0.001 g 的电子天平称量后立即放回行间，2 d 内质量的差值为其蒸发量，测定时段内每天蒸发量的逐日累加值为累积蒸发量。为保证操作时不破坏附近土体结构，用内径为10 cm 的 PVC 管做成外套，固定于土壤中，使其表面与附近土壤持平。蒸发器中原状土每 23 d 更换 1次，降雨或灌溉后立即更换原状土体。1.3 数据处理采用 Microsoft Excel 2003

20、软件对数据进行处理和绘图，采用 DPS 7.5 和 SPSS 11.5 统计分析软件对数据进行差异显著性检验（LSD 法，=0.05） 。2 结果与分析结果与分析2.1 调亏灌溉后 0140 cm 土层土壤相对含水量由表 2 可以看出，底墒水调控所得相对含水量和目标相对含水量的相对误差（以下简称“调控误差”）分别为 0.7%(W0、W1、W2)、0.5%(W3和 W4)，拔节水 W0、W1、W2、W3和 W4处理的调控误差分别为6.0%、4.4%、1.5%、3.9%和 2.8%，开花水 4 个处理的调控误差分别为 0.2%、1.1%、7.7%、6.0%和2.2%；各处理平均调控误差为 2.8%

21、，表明按照灌水定额计算公式所得水量进行调亏灌溉，能够达到预期的目标相对含水量。表表 2 不同处理的灌水量和土壤相对含水量（不同处理的灌水量和土壤相对含水量（0140 cm 土层平均值）土层平均值）Table 2 Irrigation amount and soil relative water content (average value of 0-140 cm) under different treatments底墒水 Pre-sowing water拔节水 Water at jointing stage开花水 Water at anthesis stage处理Treatment目标相对含

22、水量Target relative water content（%）相对含水量Relative water content （%）相对误差Relative error（%）灌水量Irrigation amount（mm）目标相对含水量Target relative water content（%）相对含水量Relative water content （%）相对误差Relative error（%）灌水量Irrigationamount（mm）目标相对含水量Target relative water content（%）相对含水量Relative water content （%）相对误差Re

23、lative error（%）灌水量Irrigationamount（mm）W08079.430.706561.076.006565.100.20W18079.430.707066.904.407069.211.143.83W28079.430.708081.161.537.788073.867.745.25W39090.430.580.908076.863.908075.226.022.48W49090.430.580.908582.632.855.928583.122.263.952.2 调亏灌溉对麦田耗水量的影响由表 3 可以看出，W0处理的总耗水量显著低于各灌水处理，耗水来源于降水和土

24、壤贮水。不同处理灌水量及其占总耗水量的比例为 W4W3W2W1，各处理间差异显著；土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例为 W1W2W3W4，各处理间差异显著；总耗水量为 W4、W1W2W3，W4与 W1处理间的总耗水量无显著差异，但两者显著高于 W2和 W3处理。以上结果表明，提高底墒水、拔节水和开花水的土壤相对含水量显著促进了冬小麦对灌溉水的利用，降低了其对土壤贮水的利用；其中土壤贮水消耗量和灌水量占总耗水量的比例变化幅度较大，分别为 87.7%和 82.9%，降水量占总耗水量的比例变化幅度为11.5%，表明灌水量和土壤贮水消耗量有较大的调控范围，降低冬小麦主要生育时期的土壤相对含水量，能达到

25、提高土壤贮水利用比例、节约灌溉水的目的。表表 3 不同处理耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例不同处理耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例Table 3 Sources of water consumption and their percentage of total water consumption amount under different treatments处理Treatment耗水来源Water consumption source总耗水量Water consumption amount (mm)占总耗水量的比例Percentage of total water consump

26、tion amount4灌水量Irrigation amount(mm)土壤贮水消耗量Soil water consumptionamount (mm)降水量Precipitation(mm)RIW(%)RPW(%)RSW(%)W00101.34b228.0329.34d069.23a 30.77bW143.83d153.63a 228.0425.46a 10.30d53.59d36.11a W283.03c63.29c 228.0374.32b22.18c 60.91c 16.91c W3103.38b21.10d228.0352.48c 29.33b64.68b5.99dW4200.77a

27、-2.22e228.0426.55a 47.07a 53.45d-0.52eCV（%）87.3192.6011.4082.8811.4587.65同列不同小写字母表示处理间差异显著（P开花至成熟期返青至拔节期冬前至返青期播种至冬前期；W1和 W2处理为开花至成熟期拔节至开花期、返青至拔节期冬前至返青期播种至冬前期；W3和 W4处理为开花至成熟期拔节至开花期返青至拔节期播种至冬前期冬前至返青期，说明冬小麦耗水主要集中在拔节至成熟阶段，耗水量占冬小麦全生育期耗水量的 63.5%76.4%。底墒水土壤相对含水量为 79.43%的 W0、W1和 W2处理间、底墒水土壤相对含水量为 90.4%的 W3和

28、W4处理间阶段耗水量、日耗水量的差异主要表现在拔节至开花期和开花至成熟期，在拔节至开花期为W0W4W2W3W1；在开花至成熟期为 W1W4W2W3W0。播种至冬前期、返青至拔节期为 W0、W1和 W2处理显著低于 W3和 W4处理；冬前至返青期为 W0、W1和 W2处理显著高于 W3和 W4处理，说明底墒水土壤相对含水量增加，促进了冬小麦播种至冬前期的水分消耗，减少了冬前至返青期的水分消耗。由表 3 和表 4 可以看出，与其他处理相比，总耗水量最高的 W1和 W4处理均为开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量较高，两处理间比较，W4处理拔节至开花期的耗水量、耗水模系数和日耗水量均较高，而

29、W1处理显著降低了拔节至开花期的耗水量、耗水模系数和日耗水量，提高了开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量，有利于籽粒产量的提高。表表 4 调亏灌溉对不同生育阶段麦田耗水量、耗水模系数和日耗水量的影响调亏灌溉对不同生育阶段麦田耗水量、耗水模系数和日耗水量的影响Table 4 Effects of regulated deficit irrigation on water consumption amount, water consumption percentage and diurnal water consumption amount at different growth stage

30、s in wheat field播种期-冬前期Sowing to before winter stage冬前期-返青期Before winter to turn green stage返青期-拔节期Turn green to jointing stage拔节期-开花期Jointing to anthesis stage开花期-成熟期Anthesis to maturity stage处理TreatmentCA(mm)CP(%)CD(mm)CA(mm)CP(%)CD(mm)CA(mm)CP(%)CD(mm)CA(mm)CP(%)CD(mm)CA(mm)CP(%)CD(mm)W010.83b 3.

31、29c 0.18b 26.74a 8.12a 0.31a 62.67b 19.03b 1.96b 127.26a 38.64a 4.71a 101.83e 30.92e 2.48e W110.83b 2.55e 0.18b26.74a 6.29c 0.31a 62.67b 14.73e 1.96b 57.19e 13.44d 2.12e 268.02a 63.00a 6.54a W210.83b 2.89d 0.18b 26.74a 7.14b 0.31a 62.67b 16.74d 1.96b 94.97c 25.37b 3.52c 179.11c 47.85b 4.37c W329.49a

32、 8.37a 0.48a 21.36b 6.06c 0.25b 77.67a 22.03a 2.43a 73.10d20.74c 2.71d 150.87d 42.80d 3.68d W429.49a 6.91b 0.48a 21.36b 5.01d 0.25b 77.67a 18.21c 2.43a 107.60b 25.23b 3.99b 190.43b 44.65c 4.64b CA: 耗水量 Water consumption amount; CP: 耗水模系数 Water consumption percentage; CD: 日耗水量 Diurnal water consumpti

33、on.2.6 调亏灌溉对冬小麦籽粒产量和水分利用效率的影响由表 5 可以看出，W0处理水分利用效率较高，但籽粒产量最低；随灌溉量增加，其他处理水分利用效率表现为先增加后降低的趋势。全生育期灌水量在 43.83103.38 mm 时，水分利用效率为6W1W2W2W3W4，处理间差异显著。表明 W1是本试验条件下高产节水的最佳调亏处理，其底墒水、拔节水和开花水的土壤相对含水量分别为79.4%、66.9%和 69.2%；籽粒产量、水分利用效率、灌溉水利用效率及灌溉效益分别为 8838 kghm-2、20.77 kghm-2mm-1、201.64 kghm-2mm-1和 40.31 kghm-2mm-

34、1。表表 5 调亏灌溉对冬小麦籽粒产量和水分利用效率的影响调亏灌溉对冬小麦籽粒产量和水分利用效率的影响Table 5 Effects of regulated deficit irrigation on grain yield and water use efficiency of winter wheat处理Treatment籽粒产量Grain yield(kghm-2)总耗水量Total water consumption amount（mm）灌水量Irrigation amount（mm）水分利用效率Water use efficiency （kghm-2mm-1）灌溉水利用效率Irri

35、gation water use efficiency（kghm-2mm-1）灌溉效益Irrigation benefit（kghm-2mm-1）W07071d 329.34d021.47c-W18838a 425.46a43.83d20.77d201.64a40.31a W28466b 374.32b83.03c22.62b101.96b16.80 bW38156c 352.48c103.38b23.14a78.90c10.50c W48872a 426.55a200.77a20.80d44.19d8.97d 3 讨讨 论论本研究以土壤相对含水量为基础，依据冬小麦需水规律17，确定冬小麦主要

36、生育时期的土壤目标含水量，按照灌水定额计算公式所得水量进行灌溉，各处理调控误差总体平均为 2.8%，能够达到预期的目标含水量。研究表明，在中等干旱条件下冬小麦耗水量大幅度下降，而产量下降幅度较小，有利于水分利用效率的提高18，但水分逆境则显著降低了冬小麦粒重和产量19。也有研究认为，随着灌水次数的增加及灌水量的增多，灌溉水的利用效率逐渐减小20。在底墒水充足的条件下，分别在拔节期、挑旗期（或开花期）各灌水 60 mm 可获得较高的水分利用效率，籽粒产量可达 70007500 kghm-210。本研究结果表明，在自然降水条件下，调亏处理 W1、W2、W3和 W4的籽粒产量均在 8000 kghm

37、-2以上，W1处理全生育期调亏灌溉量最低，仅开花期灌水 43.83 mm，获得籽粒产量 8838 kghm-2，灌溉水利用率和灌溉效益也较高，达到了减少灌水次数和灌溉量、增产增效的目的。随着土壤目标相对含水量的提高，灌溉水利用效率、灌溉效益显著降低。本研究结果表明，调亏灌溉条件下，W0处理水分利用效率较高，但籽粒产量最低；随着灌水量的增加，水分利用效率呈先增加后降低趋势，说明在一定程度上提高土壤相对含水量可以提高小麦水分利用效率，但土壤相对含水量不宜过高。耗水量最高的 W1和 W4处理获得的产量也最高，并显著高于其他处理，但两处理间无显著差异；W1处理的灌溉水利用效率和灌溉效益高于 W4处理，

38、是本试验条件下高产节水的最佳调亏处理。麦田总耗水量由降水量、灌水量和土壤贮水消耗量 3 部分组成。有研究认为，随着灌水量和灌水次数的增加，冬小麦利用土壤水的能力下降，限量供水可以增加深层土壤贮水的利用程度。本研究结果表明，随土壤目标相对含水量的提高，灌水量及其占总耗水量的比例增加，土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例降低。在全生育期降水 228 mm 条件下，W0处理的总耗水量显著低于各灌水处理，小麦耗水全部来源于降水和土壤贮水；W1和 W4处理总耗水量显著高于 W0、W2和 W3处理，W1和 W4处理均为开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量较高。W1处理增加了 0200 cm 土层土壤贮

39、水消耗量，降低了拔节至开花期的耗水量、耗水模系数和日耗水量，提高了开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量；W4处理拔节至开花期和开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量均较高，表明开花至成熟期具有较高的耗水模系数是高产冬小麦的需水特点。冬小麦耗水特性受降雨的影响较大9，关于不同降水年型调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响还有待于进一步研究。参考文献参考文献1 刘昌明, 陈志恺. 中国水资源现状评价和供需发展趋势分析. 北京: 中国水利水电出版社, 2001 Liu C-M, Chen Z-K. Current Situation Evaluation and Supply and

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