针对华北黑龙港流域冬小麦-夏玉米种植制度中冬小麦灌溉水用量过大的问题, 以节水和稳产为目标设计了冬小麦滴灌制度定位试验, 比较了滴灌与漫灌及不同滴灌模式下的小麦产量和水分利用效率。结果表明, 在实验年份的降水条件下, 传统灌溉定额和次数(总量225 mm, 分1~3次灌溉)的滴灌与漫灌处理的小麦产量和水分利用效率差异均不显著; 在两年降水特点不同的情况下, 滴灌量比对照减少45~105 mm的处理产量下降不显著, 水分利用效率显著提高。相关分析结果表明, 对产量的贡献表现为穗粒数>千粒重>穗数。研究结果初步表明, 冬小麦滴灌技术在黑龙港流域具有节水稳产的潜力。
A field experiment with different drip irrigation patterns was conducted in Heilonggang region, Hebei Province, China in the 2010-2011 and 2011-2012 winter wheat growing seasons to develop suitable drip irrigation schedule in this region. The yields and water use efficiencies (WUE) of wheat in different drip irrigation treatments with flood irrigation as control were compared under total water supplies of 225, 180, 150, and 120 mm, respectively. Under the condition of 225 mm irrigation, drip irrigation and irrigation frequency (1-3 times) had no significant difference in effect on yield and WUE. Drip irrigation resulted in 45-105 mm reduction of irrigation amount as compared to the control, with no significant yield loss, and a significant increase of WUE. Correlation analysis indicated that the contribution of yield components showed a sequence of spike number > 1000-grain weight > grain number per spike. These results showed that drip irrigation technique should have potentials of water saving and yield stability in wheat production of the experimental region.
华北平原水资源紧缺日趋严峻, 地下水超采已经引起一系列生态问题, 农业用水是该地区水资源消耗的主要原因, 地下水开采量与小麦和玉米产量呈正相关[1]。1978年以来, 每增产10 000吨小麦和玉米, 年地下水开采量平均增加0.04×108 m3 [2], 灌溉麦田面积增加和灌溉水利用效率低是其主要原因[3]。小麦全生育期耗水450 mm左右, 生育期内的降雨量只有50~150 mm, 灌溉水需求非常大[4]。因此, 推行节水农业、减少小麦灌溉量、提高水分利用效率对于保证区域地下水可持续性和国家粮食安全十分重要。
华北平原小麦节水技术以品种[5]、耕作覆盖[6,7,8]、种植模式[9]、调亏灌溉[3,10]等为主, 并已对主要节水技术进行了集成[11,12]。其中, 河北吴桥地区建立的“冬小麦节水高产技术体系” 3种模式[13]已广泛应用和推广。目前, 这些技术的应用只是在一定程度上缓解了地下水下降, 因此采用更节水的栽培技术对小麦生产和生态环境都具有十分重要的意义。
滴灌技术不仅能通过局部湿润的方式将水肥控制在根区内提高作物对水分和养分的吸收利用, 还能减少地表径流、棵间蒸发和深层渗漏[14]。Arafa等[15]在埃及的小麦滴灌研究表明, 产量比喷灌少16%~27%, 但可节水43%~76%。杜文勇等[18]在河北吴桥比较了滴灌、喷灌、漫灌在传统灌溉定额下冬小麦的产量效应, 发现滴灌产量低于喷灌, 但高于漫灌8.63%。程裕伟等[17]在新疆石河子研究发现适当的滴灌制度与传统漫灌相比有显著的增产效果, 同时可以节水25%。但滴灌技术因其生产成本较高, 在粮食作物上应用较少, 关于小麦滴灌的研究也主要集中在干旱、灌溉定额较大的新疆地区, 而在华北平原较少。
随着华北地区地下水资源状况的持续恶化, 滴灌有可能成为该区域未来粮食生产所必需的技术和手段之一, 因此, 本研究试图引进滴灌技术以改变黑龙港流域等量大水漫灌的方式, 并实现节水、高产或稳产及高效, 为该地区节水滴灌的应用提供理论与实证依据。
2010年10月—2012年6月连续2个生长季在河北省吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°41′ N, 116°37′ E)进行大田试验。2010—2011生长季, 供试小麦品种为石麦15, 采用机条播, 行距15 cm, 播量为375 kg hm-2。播前0~40 cm土层容重1.42 g cm-3, 含有机质9.71 g kg-1、全氮0.58 g kg-1、有效磷3.22 mg kg-1、速效钾141.37 mg kg-1。采用迷宫式滴灌带(新疆天业公司), 滴头流量2.0 L h-1, 滴头间距30 cm, 铺设行距为50 cm。小区长9.0 m, 宽5.5 m, 小区间隔离行宽1.5 m, 过道宽3.0 m。2011—2012生长季供试品种为济麦22, 机条播, 行距15 cm, 播量为337.5 kg hm-2。播前0~40 cm土层容重1.34 g cm-3, 含有机质10.48 g kg-1、全氮0.69 g kg-1、有效磷9.88 mg kg-1、速效钾118.29 mg kg-1。采用内镶式滴灌管(Netafim公司), 滴头流量1.0 L h-1, 滴头间距30 cm, 铺设方式为一管4行。小区长8.0 m, 宽4.0 m, 小区间隔离行宽1.5 m, 过道宽1.5 m。
采用随机区组设计, 3次重复, 以常规漫灌为对照, 设4个灌溉定额和2个灌溉次数处理(表1)。灌水定额由每个小区独立的水表控制。各处理实施相同的除草、施肥、喷药等管理措施, 底肥随旋耕施入, 追肥随水滴施。2010—2011年度底肥为纯N 87.2 kg hm-2和P2O5 67.5 kg hm-2, 返青期追肥为纯N 169.8 kg hm-2和P2O5 20.5 kg hm-2; 2011—2012年度底肥为纯N 104.3 kg hm-2和P2O5 67.5 kg hm-2, 返青期追肥为纯N 139.1 kg hm-2。
2010—2011小麦季降水量仅88.2 mm, 较常年降水量少27%, 72%的降水出现在抽穗-灌浆阶段, 集中在扬花期的若干天, 全生育期缺水率达80%。2011—2012小麦季降水量与常年平均值接近, 且降水时间与需水关键期基本吻合, 其中播种-返青、返青-拔节和拔节-抽穗期的降水量分别为44.9、11.8和51.6 mm, 仍然不能满足冬小麦生长对水分的需求, 缺水率达70%。
1.3.1 土壤水分测定 采用烘干法测定0~20 cm表层土壤水分, 并在每次取表层土壤时测容重, 用于计算体积含水量。采用CNC100型中子仪(北京核子仪器公司)测定20~200 cm水分, 每小区取一个代表性样点, 每20 cm一层, 在关键时期及灌水前后测定, 降雨后加测一次。在播种前、拔节至抽穗期和收获期同时采用烘干法和中子仪法进行测定, 用于校正中子仪的测定数据。
1.3.2 考种和田间测产 收获时从每个小区取2个1 m双行在田间测定穗数, 并随机取10株考察每穗粒数和千粒重。以每小区代表性的2个1 m2样方测产计算理论产量。
 | 表1 2010-2012年度小麦生长季灌水定额Table 1 Irrigation quotas of different treatments in 2010-2012 winter wheat growing seasons (mm) |
1.3.3 耗水量计算方法 用水量平衡公式计算不同处理的耗水量, ET= R+ I- F± Q±Δ W。式中, ET (mm)为作物蒸发蒸腾量, R(mm)为降雨量, I (mm)为灌溉量, F(mm)为地表径流, Q (mm)为上移或下渗量, Δ W (mm)为土壤贮水的减少量。由于试验所在地地下水埋深为9 m左右, 上移或下渗量较小, 且未见地表径流的发生, 所以 F和 Q可忽略不计, 将耗水量公式简化为 ET= R+ I±Δ W。
1.3.4 水分利用效率 按公式 WUE = Y/ ET计算水分利用效率。式中, WUE (kg hm-2 mm-1)为水分利用效率, Y (kg hm-2)为籽粒产量, ET (mm)为冬小麦全生育期内农田耗水量。
用Microsoft Excel 2010软件整理数据, 用SPSS 13.0统计软件进行方差分析和显著性检验。
在225 mm常规灌溉定额下, 滴灌与漫灌的产量无显著差异, 均可达到7400 kg hm-2 (2010—2011)和7700 kg hm-2以上(2011—2012)。在滴灌方式下, 小麦产量随着灌溉定额的减少呈逐渐降低的趋势。灌溉次数对产量的影响较小, 相同灌溉定额、不同次数的处理间产量差异不显著, 但除180 mm (2010—2011)灌溉定额外, 都表现出相同灌溉定额下增加灌溉次数引起减产的趋势, 尤其是2011—2012年度(表2)。其原因可能是增加灌溉次数使前期的灌水量减少, 影响小麦成穗, 降低了成熟期穗数。
通径分析结果表明, 产量构成三因素中穗粒数贡献最大(0.736, P=0.001), 其次为千粒重(0.407, P=0.011), 均达到显著水平。穗数虽然对产量的直接作用很小, 但是通过穗粒数间接作用较大(0.473), 因此对产量有显著的正效应( r=0.519, P=0.027)。穗粒数是滴灌条件下最重要产量构成因素, 与产量呈极显著正相关; 千粒重对产量直接效应为0.407 ( P=0.011), 但是其通过穗数和穗粒数对产量均有一定的负向效应, 因而千粒重与产量的最终相关度仅为0.280 (表3)。
2010—2011年度, 常规灌溉定额下滴灌和漫灌的水分利用效率无显著差异; 随着灌溉定额的降低, 土壤贮水消耗比例提高, 水分利用效率呈先增大后减小的趋势, 其中D180/5处理的水分利用效率最大(表4)。与常规漫灌相比, D180/5的水分供给后移, 减少了拔节期灌水量, 同 时在灌浆期2次灌溉使千粒重提高幅度较大, 弥补了穗数和穗粒重的不足, 产量仅降低8.7%; 而显著减少耗水18.9%, 使水分利用效率增加6.0%, 是偏旱年型的最优滴溉模式。
| 表2 2010-2012两年小麦季产量及其构成因素比较Table 2 Yield and yield components of winter wheat during 2010-2012 growing seasons |
| 表3 年小麦季产量及其构成因素间的通径分析(2010-2011)Table 3 Path coefficient analysis of winter wheat yield and its components (2010-2011) |
| 表4 2010-2012两年小麦季耗水及水分利用效率比较Table 4 Water consumption and water use efficiency of winter wheat during 2010-2012 growing seasons |
2011—2012年度, 小麦耗水规律与2010—2011年度基本一致, 水分利用效率随着灌溉定额的减少而降低(表4)。D150/5和D120/4水分利用效率均较大, 与常规漫灌相比, 耗水强度和总耗水量均降低20%左右。D120/4灌溉次数较少, 增加了小麦根系对深层土壤水分的利用, 土壤贮水消耗比例提高8.46个百分点, 水分利用效率显著提高, 被认为是平水年型的最优滴溉模式。
比较两年度D180/5和D120/4的水分投入, 其总 耗水量接近, 且均在耗水360 mm左右的基础上达到稳 产, 水分利用效率都显著高于漫灌对照, 分别达到 19.11 kg hm-2 mm-1和20.31 kg hm-2 mm-1。从阶段性 水分投入来看(表5), D180/5主要通过抽穗-灌浆阶段 持续的水分供给使千粒重增加2.2 g, 在一定程度上 弥补穗粒数和穗数的不足, 而D120/4则依靠拔节-抽 穗阶段的降雨和灌溉形成较为稳定的穗粒数, 从而达到稳产。
在225 mm灌溉定额下, 滴灌与漫灌相比没有显著的增产和节水优势。Arafa等[15]认为小麦滴灌的效果主要是节水, 滴灌会引起一定程度的减产, 而杜文勇等[16]和程裕伟 等[17]试验表明滴灌可以达到增产效果。程裕伟等[17]的春小麦滴灌试验地处新疆石河子地区, 试验设置为等灌溉次数不同灌水定额, 因该区降水少, 蒸发量大, 滴灌减少了水分无效蒸发并维持了土壤湿润持续期, 因此滴灌节水增产效果明显。杜文勇等[16]的试验地区与本研究一致, 试验年度和滴灌措施与本研究有所不同, 其结果表明, 滴灌比漫灌仅增产8.63%。而本试验的漫灌对照是该地区已经广泛应用的节水技术, 多年试验验证是既节水又高产的灌溉制度[18,19,20], 在此灌溉定额基础上难以获得产量的大幅提高; 同时2012年小麦生长期间降水频繁, 对试验结果有一定的干扰。因此, 有必要继续开展冬小麦滴灌模式的试验, 以明确不同水分年型下的增产和节水效果, 在试验设计上应采取适当措施避免或减轻自然降水等气象因素带来的干扰。
虽然试验年份间比较滴灌的增产优势较弱, 但在滴灌的模式下, 冬小麦可以减少灌溉定额45~105 mm, 减少耗水57.5~86.4 mm, 产量略微下降, 下降幅度在520~649 kg hm-2之间, 而水分利用效率上升1.09~2.80 kg hm-2 mm-1。2010—2011年以石麦15为供试品种, 在其生育关键期缺水严重, 减少灌水后减产明显; 2011—2012年以济麦22为供试品种, 虽然其水分敏感性高于石麦15, 但在生长期内降雨充沛, 使处理间差异未得到充分体现, 120 mm灌溉定额依然可以保证产量的稳定性。应进一步试验不同品种在不同年型下对灌溉模式的响应, 完善华北平原冬小麦滴灌配套技术。
| 表5 D180/5和D120/4滴灌模式各小麦生育阶段的水分投入Table 5 Water supplies at different phases of wheat growth between treatments D180/5 and D120/4 |
灌溉次数是相同灌溉定额在不同生育阶段进行水量配置的体现。刘坤等[21]认为少量多次可解决传统灌溉引起的土壤表层水分少、水养异位问题, 促进表层养分吸收; 少次多量虽然促进中下层根系发育, 但后期供水不足会影响灌浆、降低千粒重, 最终导致减产。另一些研究则表明, 多量少次可以提高水、肥利用效率, 从而达到增产效果[18,19,20]。本研究2个不同水分年型的结果均表明, 少量多次灌溉没有显著影响小麦产量, 仅2010—2011年度180 mm灌溉定额下有所提高, 在更高水分供给情况下产量都略有下降。这与范仲学等[22]的研究结果相似。少量多次或多量少次灌溉的增产作用可能与具体灌溉定额和水分条件有关, 宜根据具体环境和供水水平探讨当地适宜的水分供给期和供给量。
分析冬小麦产量构成因素, 本研究印证了穗粒数对产量形成的贡献大于其他构成因素的结论, 与前人研究认为穗粒数对水分胁迫更为敏感、有限水资源应优先用于穗粒数形成[13]的结论一致。李建民等[18]研究发现, 冬小麦生育中后期限量灌溉能明显增加干物质积累, 减少开花后光合产物再分配量从而提高产量。本研究也有类似发现, 如2010—2011年度225 mm和180 mm灌溉定额下, 在灌浆期增加一次少量灌水, 千粒重分别增加2.0 g和2.8 g; 2011—2012年度180 mm和150 mm灌溉定额下提高灌溉次数, 千粒重均增加0.5 g, 但在225 mm定额下千粒重有所降低。这可能归因于该年度降水比较充沛, 花后无法形成水分适度亏缺, 没有表现出水分适度亏缺促进灌浆的优势。灌浆期土壤水分过低和过高都不利于提高冬小麦千粒重。王冀川等[23]认为适水条件下, 滴灌处理能在灌浆期较长时间保持高水平的净光合速率( Pn)、水分利用效率(WUE)、群体光合速率(CAP)、和群体叶源量(CLSC), 保证籽粒和灌浆需求。在本研究中, 2010—2011生长季225 mm和180 mm灌溉定额下增加灌溉次数对产量的影响不同, 后者土壤偏旱, 灌浆期增加灌水可以显著提高千粒重从而提高产量, 而前者千粒重提高幅度较小, 不能弥补穗数和穗粒数的下降, 最终导致减产71 kg hm-2。此结果在通径分析中的得到了印证, 千粒重对产量的直接作用较大, 通径系数达到0.407, 但其通过穗数和穗粒数对产量起的一定的负效应, 同时起着正、负两向作用。因此, 应在保证穗粒数的基础上适当补充灌浆期的水分以获得高产。
前人研究多从减少灌溉次数入手, 探讨补充灌溉的关键时期[24,25,26,27]。由于漫灌具有一定局限性, 在大田条件下当灌溉量少于75 mm时存在均匀度差的问题。滴灌技术的引入是对水分管理方式的技术突破, 其优势在于低灌水定额下仍能保证田间灌水均匀度, 可以根据冬小麦的需水规律, 将有限的灌溉用水分解在灌浆期补充适量水分, 缓解后期叶片早衰, 达到扩源、强源的目的[8], 保证水分的高效利用。根据本研究的结果, 应综合考虑降雨和灌溉的水分投入, 通过滴灌系统补充特定生育阶段所需水分投入的差额, 实现360 mm左右耗水量, 既保证稳产又节约灌水。
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