引用本文
杨传邦, 于振文, 张永丽, 石玉. 测墒补灌深度对济麦22冠层光截获和荧光特性及籽粒产量的影响. 作物学报, 2017, 43(2): 253-262
YANG Chuan-Bang, YU Zhen-Wen, ZHANG Yong-Li, SHI Yu. Effect of Soil Depth with Supplemental Irrigation on Canopy Photosynthetically Active Radiation Interception and Chlorophyll Fluorescence Parameters in Jimai 22. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2017, 43(2): 253-262  
Permissions
Copyright©2017, 作物学报编辑部
作物学报编辑部
测墒补灌深度对济麦22冠层光截获和荧光特性及籽粒产量的影响
杨传邦, 于振文, 张永丽*, 石玉
山东农业大学农学院 / 农业部作物生理生态与耕作重点实验室, 山东泰安 271018
* 通讯作者(Corresponding author): 张永丽, E-mail: zhangyl@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8247828

第一作者联系方式: E-mail: yangchuanbang@yeah.net

收稿日期:2016-03-12 接受日期:2016-07-27 网络出版日期:2016-11-28
基金:本研究由山东省自然科学基金项目(ZR2016CM34), 国家自然科学基金项目(31101115)和国家现代农业产业技术体系专项(CARS-3- 1-19)资助
摘要

测墒补灌是近年开发的一种小麦节水栽培新技术, 水分管理的土层深度是该技术的关键因素之一。本研究以济麦22为试验品种, 于2013—2014和2014—2015年度在山东兖州进行大田试验, 设置4个测墒补灌土层深度, 补灌至目标土层拔节期相对含水量70%和开花期相对含水量75%, 以定量灌溉(拔节期和开花期各灌水60 mm)和全生育期不灌水处理为对照, 通过测定花后0~30 d灌浆阶段小麦冠层光截获特性、群体光合速率、旗叶荧光特性, 以及最终籽粒产量和水分利用效率, 以明确测墒补灌达到增产的光合基础及最佳土层。当补灌土层为0~20 cm时, 灌水量为50.1~51.2 mm, 小麦叶面积指数、冠层光合有效辐射截获量、冠层光截获率和群体光合速率, 以及旗叶实际光化学效率( ΦPSII)和最大光化学效率( Fv/ Fm)在各灌水处理中最低; 补灌土层为0~40 cm时, 灌水量为73.1~93.1 mm, 上述前4项指标比补灌深度20 cm时依次提高6.0%~42.4%、8.5%~27.9%、6.7%~14.5%、11.0%~14.6%, 同时旗叶 ΦPSII和 Fv/ Fm亦显著提高; 补灌深度加大至60 cm (灌水量87.5~105.4 cm)和80 cm (灌水量101.8~115.0 cm)时, 这些指标无显著增加。与光合特性相关指标一致, 籽粒产量也表现为补灌深度大于40 cm的3个处理间无显著差异, 且与定量灌溉对照无显著差异, 但都显著高于补灌深度20 cm处理。在本试验条件下, 对0~40 cm土层实施测墒补灌, 较定量灌溉减少用水26.9~46.9 mm, 水分利用效率提高16.2%~16.7%, 灌溉效益增加34.0%~68.1%, 说明在类似生态条件下, 中穗型小麦品种济麦22测墒补灌节水栽培技术的目标土层为0~40 cm。

关键词: 小麦; 冠层光截获; 荧光特性; 测墒补灌; 土层深度
Effect of Soil Depth with Supplemental Irrigation on Canopy Photosynthetically Active Radiation Interception and Chlorophyll Fluorescence Parameters in Jimai 22
YANG Chuan-Bang, YU Zhen-Wen, ZHANG Yong-Li*, SHI Yu
College of Agronomy, Shandong Agricultural University / Key Laboratory of Crop Eco-physiology and Cultivation, Ministry of Agriculture, Tai’an 271018, China
Fund:This study was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2016CM34), the National Natural Science Foundation of China (31101115), and China Agriculture Research System (CARS-3-1-19)
Abstract

Supplemental irrigation based on moisture measurement of soil is a water-saving technology newly developed in wheat cultivation, in which soil depth is one of the key factors. In this study, we conducted a field experiment with the high-yield variety Jimai 22 in Yanzhou, Shandong province in 2013-2014 and 2014-2015 winter wheat seasons to unravel the photosynthetic basis of high yield by supplemental irrigation in the proper soil layer. Four supplemental irrigation treatments (relative soil water content of 70% and 75% at jointing and anthesis stage, respectively) were designed with the target soil depths of 20 cm (T20), 40 cm (T40), 60 cm (T60), and 80 cm (T80), and no irrigation and traditionally fixed irrigation (60 mm at jointing and anthesis each) were used as the controls. The indices measured were canopy photosynthetically active radiation (PAR) interception, canopy apparent photosynthesis (CAP), and chlorophyll fluorescence parameters of flag leaves from 0 to 30 days after anthesis, as well as grain yield and water use efficiency (WUE). The leaf area index, PAR interception, canopy light interception rate, CAP of treatment T40 were 6.0%-42.4%, 8.5%-27.9%, 6.7%-14.5%, and 11.0%-14.6% higher than those of treatment T20, respectively. At the same time, the maximal quantum yield of PSII ( Fv/ Fm), actual efficiency of PSII ( ΦPSII) of flag leaves also improved significantly. When making supplemental irrigation to 60 cm and 80 cm soil layers, the above parameters had no significant increase. The grain yield of treatment T40 was not significantly different from that of T60, T80 and fixed irrigation control. However, irrigation amount significantly decreased by 26.9-46.9 mm, water use efficiency and irrigation benefit significantly increased by 16.2%-16.7% and 34.0%-68.1% respectively during both wheat growing seasons as compared with those of fixed irrigation control. Supplemental irrigation based on soil moisture measurement in 0-40 cm soil layer is the most appropriate treatment in similar ecological conditions to this study for Jimai 22 wheat cultivar.

Keyword: Wheat; Canopy photosynthetically active radiation interception; Chlorophyll fluorescence parameters; Supplemental irrigation based on soil moisture measurement; Soil layers

土壤水分对小麦产量有重要影响。土壤水分亏缺会影响小麦正常生长发育, 降低籽粒产量[1, 2]; 与充分灌溉相比, 连续受旱、早期受旱、雨养及后期受旱的小麦产量分别下降65.5%、40.6%、30.5%和24.0%[3]。黄淮冬麦区小麦全生育期降水量不足200 mm, 仅占小麦需水量的25%~40%[4, 5], 降水不足是该区小麦生产的主要限制因子。为了充分利用自然降水, 在控制灌水量条件下, 实现小麦高产优质生产, 提高水分利用效率, 很多研究团队开展了系列研究, 均认为在小麦关键生育期适量灌水对提高产量有重要作用[6, 7, 8], 例如, 张胜全等[8]于2004— 2008年度在河北吴桥进行了3种节水灌溉模式的大田试验, 结果表明, 在播种前灌底墒水75 mm条件下, 全生育期不灌水、拔节期灌水75 mm、拔节期和开花期各灌水75 mm平均产量分别为6134、7515和8134 kg hm-2, 处理间水分利用效率无显著差异。本课题组经多年试验研究建立了一种根据土壤墒情适量灌溉的“ 测墒补灌” 技术体系, 通过大量试验, 发现拔节期和开花期依据0~40土层深度的土壤含水量来设计补灌量, 是一种高产高水分利用效率的节水灌溉模式, 并研究明确了该模式下小麦的耗水特性和旗叶光合特性[9, 10]。目前, 本课题组对不同测墒补灌土层下小麦增产机制还在细化和深入研究。

小麦冠层截获的光合有效辐射对产量有重要影响[11, 12, 13]。土壤水分可通过改变群体内光合有效辐射的垂直分布及转化效率影响产量和光能利用效率[14]。在一定灌溉总量范围内, 灌溉次数与群体光合速率呈抛物线型关系, 较多的灌溉次数下群体光合速率的提高归因于叶面积指数增大和群体光截获的增加; 群体光合速率与冠层透光率呈极显著的负相关, 灌浆期群体光合速率与花后干物质积累量和产量呈极显著的正相关[15]。吕丽华等[16]研究表明, 灌水1200 m3 hm-2 (分4次灌溉)的处理冠层结构适宜、光能截获率较高, 是其籽粒产量和水分利用效率较高的主要原因。旗叶是小麦生育后期冠层的主要构成者, 成熟时籽粒干物质的30%来自旗叶光合碳同化底物的供应[17], 叶绿素荧光参数可快速检测旗叶光合作用能力[18]。据Yao等[19]报道, 拔节期和孕穗期各灌水60 mm的处理旗叶最大光化学效率显著高于仅在拔节期灌水60 mm的处理, 并且千粒重和籽粒产量显著提高。本研究利用黄淮地区中穗型冬小麦主栽品种济麦22, 设计不同土层深度测墒补灌处理, 观测小麦群体冠层光截获和旗叶荧光特性, 旨在从群体光合和单叶荧光相结合的角度阐明测墒补灌条件下小麦产量形成机制, 为该技术体系的推广和应用提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料与试验设计

于2013— 2014和2014— 2015年度, 在山东省济宁市兖州区小孟镇史家王子村(35° 41′ N, 116° 41′ E)进行大田试验, 试验田土壤质地为壤土, 播种前测定0~20 cm土层养分含量(表1)和0~80 cm各土层质量含水量(表2)。小麦生育阶段降水量见表3。

表1 播种前0~20 cm土层土壤养分含量 Table 1 Soil nutrient content in 0-20 cm soil layer before sowing
表2 播种前各土层土壤质量含水量 Table 2 Water content in different soil layers before sowing (%)
表3 小麦各生育阶段降水量 Table 3 Precipitation in different wheat growth periods (mm)

设置4个测墒补灌土层深度, 分别为0~20 cm (T20)、0~40 cm (T40)、0~60 cm (T60)、0~80 cm (T80), 各处理土层土壤平均相对含水量拔节期均补灌至70%, 开花期均补灌至75%, 以当地生产实践的定量灌溉(拔节期和开花期各灌水60 mm)和全生育期不灌水处理作为对照。小区面积4 m × 4 m = 16 m2, 3次重复, 随机区组排列, 小区间设1 m隔离区。

于拔节期和开花期灌水前2 d测定土壤质量含水量和相对含水量, 根据公式M = 10γ H (β i - β j) [20]计算补灌水量。式中, M为补灌水量(mm), H为补灌土层深度(cm), γ 为补灌土层的土壤容重(g m-3), β i为目标相对含水量, β j为灌溉前的土壤相对含水量。补灌时用水龙带从输水管道出水口引水至小区, 水龙带出水口安装水表计量灌水量。于补灌后3 d待水分平衡后测定各土层土壤含水量以验证。

小麦播种前底施纯氮105 kg hm-2、P2O5和K2O各150 kg hm-2, 拔节期开沟追施纯氮135 kg hm-2。肥料为尿素、磷酸二铵和氯化钾。试验品种为中穗型小麦品种济麦22, 于2013年10月10日和2014年10月13日用小麦宽幅精量播种机播种, 行距0.225 m。四叶期定苗, 基本苗225株 m-2。2014年6月5日和2015年6月13日收获。其他管理措施同一般高产田。

1.2 光合特性相关性状和参数测定方法

1.2.1 叶面积指数(LAI)、冠层截获的光合有效辐射(IPAR)和光截获率 开花期当天及开花后10、20和30 d的晴朗天气, 用LP-80植物冠层分析仪(美国)分别测定小麦LAI以及冠层上部(麦穗上方10 cm处)的光合有效辐射(PAR)和小麦底部(贴近地面)的光合有效辐射(TPAR)[21]。IPAR = PAR - TPAR, 光截获率 = IPAR / PAR。

1.2.2 小麦群体光合速率 采用董树亭等[22]的方法并略有改进, 同化箱改为长和宽各1.0 m、高1.2 m。于开花后100 d和20 d的晴朗天气用同化箱和CO2分析仪测定小麦群体光合速率。

1.2.3 叶绿素荧光参数 选择开花期标记的同一天开花的小麦单茎, 用FMS-2型叶绿素荧光仪(Hansatech, 英国), 于开花后10、20和30 d的晴天9:00— 11:00测定自然光照下的旗叶叶绿素荧光参数。

1.3 土壤含水量和耗水量测定方法

于播种前和成熟期用土钻取0~200 cm土层的土壤, 每20 cm为一层土样, 取土后立即装入铝盒, 用烘干(105℃至恒重)称重法(鲜重和干重)测定土壤质量含水量和土壤相对含水量。用环刀法[23]测定田间持水量。土壤质量含水量(%) = (土壤鲜重– 土壤干重) / 土壤干重 × 100%; 土壤相对含水量(%) = 土壤质量含水量 / 田间持水量 × 100%。

本试验的地下水深在5 m以下, 故可以忽略地下水补给[24]。因此, 小麦生育期的耗水量(ETα , mm)可用如下公式计算。

式中, i为土层编号, n为总土层数, γ 为土壤容重(g cm-3), H为土壤厚度(cm), 本研究中测定的土层总厚度为200 cm, θ 1和θ 2分别为播种前和成熟期的土壤质量含水量, M为全生育期灌水量(mm), P为有效降水量(mm)。

1.4 产量和水分利用效率测定方法

于小麦成熟期从每小区收获2 m2, 脱粒后自然风干(含水量12.5%)并称重, 折算成每公顷产量, 3次重复。

根据小麦产量(Y, kg hm-2)、生育期耗水量(ETα , mm)、补灌导致的产量增加(Δ Y, kg hm-2)和补灌水量(I, mm)计算水分利用率(WUE)和灌溉效益(IB)。

WUE = Y / ETα [25]; IB=Δ Y/I [26]。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件处理数据和绘图, DPS7.05统计分析软件检验差异显著性 (LSD法)。

2 结果与分析
2.1 不同处理的叶面积指数

T20处理开花后0、10、20和30 d的LAI比不灌水对照明显提高(表4), 2013— 2014年度分别高17.9%、3.7%、20.8%和20.4%, 2014-2015年度分别高18.3%、11.1%、21.5%和16.9%。表明适量补灌比不灌水提高了小麦开花后的叶面积指数。T40处理的LAI在开花后0、10、20和30 d显著高于T20处理, 2013— 2014年度分别高6.0%、14.6%、37.4%和42.4%, 2014— 2015年度分别高11.4%、14.2%、12.8%和28.9%。补灌深度由40 cm增至60 cm和80 cm时, 小麦开花后0、10、20和30 d的LAI均无显著变化(表4)。表明依据0~40 cm土层测墒补灌比依据0~20 cm土层测墒补灌提高了小麦开花后的LAI, 有利于截获较多的光合有效辐射, 促进群体光合物质生产; 测墒补灌深度超过40 cm时, 操作难度增加, 且对提高LAI无益。与定量灌溉处理相比, T40处理开花后0、10、20和30的LAI亦无显著变化。

表4 不同处理的叶面积指数 Table 4 Leaf area index of different treatments
2.2 不同处理冠层截获的光合有效辐射量和冠层光截获率

与不灌水对照相比, T20处理冠层截获的光合有效辐射量在开花后0、10、20和30 d明显提高, 尤其在开花后20 d, 2013— 2014年度分别提高4.7%、0.9%、39.7%和15.6%, 2014— 2015年度分别提高5.9%、6.7%、9.6%和7.1%。表明适量补灌比不灌水提高了小麦开花后冠层截获的光合有效辐射量。T40处理较T20进一步提高各灌浆期小麦冠层截获的光合有效辐射量, 2013— 2014年度比T20处理分别高9.2%、9.7%、27.9%和13.8%, 2014— 2015年度分别高9.2%、13.1%、8.5%和10.3%, 但与T60、T80处理和定量灌溉对照均无显著差异(表5)。

表5 不同处理小麦冠层截获的光合有效辐射量和冠层光截获率 Table 5 Photosynthetically active radiation interception and light interception rate of wheat canopy in different treatments

与冠层截获光合有效辐射量的表现相似, T20处理比不灌水对照提高了小麦开花后0、10、20和30 d的冠层光截获率, 2013— 2014年度各灌浆期分别提高2.3%、4.8%、5.1%和17.1%, 2014— 2015年度分别提高4.7%、6.0%、5.1%和6.0%; 而T40处理又比T20处理进一步提高各灌浆期的冠层光截获率, 尤其是开花后10~30 d, T40处理比T20处理高11.5%~14.5% (2013— 2014年度)和7.9%~11.3% (2014— 2015年度); 同时, T40、T60、T80和定量灌溉对照之间无显著差异(表5)。

从小麦冠层截获的光合有效辐射量和光截获率来看, 0~40 cm土层测墒补灌在各处理中最有利于济麦22群体对光能的吸收和利用, 这是获得高产的基础; 而继续增加补灌量, 使补灌深度达到60 cm和80 cm, 并不能持续提高小麦冠层对光能的有效利用。

2.3 不同处理的小麦群体光合速率

两年度试验一致表明, 与不灌水对照相比, 所有灌水处理均可显著提高小麦群体的光合速率; T40处理开花后10 d和20 d的群体光合速率均显著高于T20处理, 但与T60和定量灌溉对照无显著差异(图1)。

图1 不同处理的群体光合速率
T20~T60为测墒补灌处理, 目标土层深度分别为20、40和60 cm; CK1和CK2分别为全生育期无灌水对照和定量灌溉对照。各处理误差线上方不同字母表示同一生育期处理间差异显著(P < 0.05)。Fig. 1 Canopy apparent photosynthesis of different treatments
T20 to T60 refer to supplemental irrigation treatments with target soil layer depth of 20, 40, and 60 cm, respectively. CK1 and CK2 refer to no irrigation and fixed irrigation controls, respectively. Different letters above error bars indicate significant difference among treatments at the same stage (P < 0.05).

2.4 不同处理的旗叶实际光化学效率和最大光化学效率

对旗叶Φ PSII和Fv/Fm连续两年的观测表明, 开花后10、20和30 d各处理均呈现不灌水对照< T20处理< 其他灌水处理, T40处理与T60、T80和定量灌溉对照均无显著差异(图2)。因此, 从小麦旗叶光合能力来看, 仍以T40处理最佳。

图2 不同处理的旗叶实际光合效率(A, B)和最大光化学效率(C, D)
T20~T80为测墒补灌处理, 目标土层深度分别为20、40、60和80 cm; CK1和CK2分别为全生育期无灌水对照和定量灌溉对照。各处理误差线上方不同字母表示同一生育期处理间差异显著(P < 0.05)。Fig. 2 Φ PSII (A, B) and Fv/Fm (C, D) of flag leaf in different treatments
T20 to T80 refer to supplymental irrigation treatments with target soil layer depth of 20, 40, 60, and 80 cm, respectively. CK1 and CK2 refer to no irrigation and fixed irrigation controls, respectively. Different letters above error bars indicate significant difference among treatments at the same stage (P < 0.05).

2.5 不同处理的籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益

两年度籽粒产量和水分利用效率(WUE)均以不灌水对照最低, T40处理最高(2013— 2014年度产量为9397.3 kg hm-2, WUE为25.1 kg hm-2 mm-1; 2014— 2015年度产量为9543.1 kg hm-2, WUE为18.2 kg hm-2 mm-1)。T40处理显著优于T20处理, 其中两年度产量分别提高13.4%和14.3%, WUE分别提高10.1%和10.3%; T40的籽粒产量与T60、T80和定量灌溉对照均无显著差异, 但T40的WUE显著高于T80和定量灌溉对照(表6)。

表6 不同处理的籽粒产量、灌水量、水分利用效率和灌溉效益 Table 6 Grain yield, irrigation amount, WUE and irrigation benefit in different treatments

2013— 2014年度, T40的灌水量比T60和T80分别减少14.4 mm和28.7 mm, 耗水量减少22.1 mm和50.8 mm, 但水分利用效率分别增加8.7%和14.6%, 灌溉效益增加31.8%和43.2%; 2014— 2015年度, T40的灌水量比T60和T80分别减少12.3 mm和21.9 mm, 耗水量减少15.1 mm和30.7 mm, 水分利用效率分别增加3.4%和7.7%, 灌溉效益增加15.2%和31.5%。

与定量灌溉对照相比, 2013— 2014年度, T40的灌水量和耗水量分别减少46.9 mm和57.9 mm, 水分利用效率和灌溉效益分别增加16.2%和68.1%; 2014— 2015年度, T40的灌水量和耗水量分别减少26.9 mm和81.4 mm, 水分利用效率和灌溉效益分别增加16.7%和34.0%。

上述结果表明, 依据0~40 cm土层测墒补灌比依据0~20 cm土层测墒补灌和不灌水处理显著提高了籽粒产量和水分利用效率, 测墒补灌土层加深至60 cm和80 cm, 籽粒产量无显著增加, 水分利用效率和灌溉效益显著降低。定量灌溉处理比依据0~40 cm土层测墒补灌处理的灌水量和耗水量均显著增加, 但水分利用效率和灌溉效益显著降低。

3 讨论

小麦栽培技术中对水分管理的研究已有很多报道, 大多是不同研究团队在不同地区, 采用当地主要品种, 按定量灌溉的试验设计, 探讨各种灌溉模式, 以及小麦关键生育期的适当灌水量, 而对自然降水和分布, 及其对小麦生育期内土壤墒情的影响考虑较少。本研究采用测墒补灌技术, 依据不同土层的墒情确定灌水量, 不仅可以充分利用自然降水、节约灌溉用水, 而且还对不同深度土层实施目标管理, 促进小麦对土壤深层水分的利用。本研究中两年度降水量分别为156 mm和220 mm, 在各生育阶段的分配不均, 其中2013— 2014年度播种至开花期为79 mm、开花至成熟期为77 mm, 而2014— 2015年度播种至开花期为210 mm、开花至成熟期仅10 mm; 但在补灌前充分考虑了降水和土壤水因素, 依据土壤墒情确定补灌水量, 在降水量不同的年份均满足了小麦对水分的需求, 未见田间异常生长, 均取得了较高产量。

叶面积指数是影响冠层光合有效辐射的重要因素[27, 28, 29], 小麦冠层截获的光合有效辐射与叶面积指数呈显著正相关[30]。小麦生育期实施补灌能明显增加叶面积指数[31, 32], 但是过多灌水会导致冠层叶面积过高, 降低冠层通风透光, 不利于高产[16]。本研究表明, 随补灌深度增加, 灌水量增加; 针对0~40 cm土层测墒补灌的叶面积指数高于0~20 cm土层测墒补灌处理, 是其冠层截获的光合有效辐射量和光截获率较高的主要原因, 测墒补灌土层加深至60 cm和80 cm, 叶面积指数、冠层截获的光合有效辐射量和光截获率无显著增加。定量灌溉比依据0~40 cm土层测墒补灌处理的灌水量两年度分别增加46.9 mm和26.9 mm, 但叶面积指数、冠层截获的光合有效辐射量和冠层光截获率均无显著增加。

在一定水分条件下, 小麦群体光合速率和旗叶叶绿素荧光特性均对产量有显著影响。Ahmed等[33]试验证实, 生育期不灌水处理的小麦叶片Fv/Fm显著降低; 房全孝等[14]研究表明, 小麦群体光合速率与灌水量呈抛物线型关系, 在灌水量0~120 mm范围内, 群体光合速率随灌水量的增加而增大; 当灌水量超过120 mm时, 群体光合速率降低; 董浩等[34]试验也得出类似结论, 在灌水0~180 mm范围内, 小麦旗叶Fv/Fm和Φ PSII随灌水量的增加而增加。本研究团队的前期试验结果表明, 依据0~40 cm土层测墒补灌的旗叶光合速率和蒸腾速率最高是该处理产量较高的原因之一[10]。本文结果表明, 依据0~40 cm土层测墒补灌的群体光合速率高于依据0~20 cm土层测墒补灌的处理, 同时该处理的旗叶Fv/Fm和Φ PSII亦显著高于依据0~20 cm土层测墒补灌的处理, 是其籽粒产量较高的重要原因; 并且该处理与测墒补灌深度为60 cm处理和生产实践的定量灌溉对照相比, 群体光合速率和实际光化学效率升高, 最大光化学效率降低, 但各处理间差异未达到显著水平, 造成这种细微差异的原因与大田生产条件复杂多变, 光合速率和荧光参数受温度、光照、湿度、CO2浓度等多种因素影响有关。

Dong等[35]利用石家庄8号的田间试验表明, 灌水120 mm比不灌水处理在干旱年份、正常年份和湿润年份分别增产3844.2、1611.3和597.2 kg hm-2。Li等[5]报道, 在总灌水量相同条件下, 小麦拔节期和抽穗期分别灌水60 mm较拔节、抽穗和灌浆期各灌水40 mm处理的籽粒产量高1662 kg hm-2。本研究通过连续测定灌浆期的小麦LAI、冠层光合有效辐射截获量、冠层光截获率和群体光合速率, 以及旗叶Φ PSII和Fv/Fm, 发现籽粒各发育阶段均以0~40 cm土层测墒补灌(T40处理)的参数及最终籽粒产量与0~60 cm和0~80 cm土层测墒补灌处理无显著差异, 但总灌水量减少12.3~28.7 mm, 耗水量减少15.1~50.8 mm, 水分利用效率增加3.4%~14.6%, 灌溉效益增加15.2%~43.2%; T40处理与定量灌溉对照的籽粒产量无显著差异, 但两年度灌水量分别减少46.9 mm和26.9 mm, 耗水量分别减少57.9 mm和81.4 mm, 水分利用效率提高16.2%和16.7%, 灌溉效益显著提高, 因此认为, 对0~40 cm土层测墒补灌是最佳选择。本试验是在壤土大田进行的, 小麦生长期间降水量为156~220 mm, 采用了中穗型小麦品种, 初步认为相似生态条件、同类型小麦品种也适用本研究的推荐技术。

4 结论

针对0~40 cm土层测墒补灌, 在小麦全生育期灌水量为73.1~93.1 mm, 籽粒产量达到9397.3~ 9543.1 kg hm-2。与针对0~20 cm土层测墒补灌和不灌水对照相比, 显著提高了叶面积指数、冠层截获的光合有效辐射量、冠层光截获率、群体光合速率和旗叶Fv/Fm、Φ PSII, 为高产奠定了基础。与测墒补灌土层加深至60 cm和80 cm两处理, 以及当地生产中采用的定量灌溉相比, 针对0~40 cm土层测墒补灌, 灌水量减少12.3~46.9 mm, 耗水量减少15.1~ 81.4 mm, 水分利用效率增加3.4%~16.7%, 灌溉效益增加15.2%~68.1%。综合考虑小麦产量、耗水量和水分利用效率, 建议在与本试验条件相类似的地区采用测墒补灌技术时, 水分管理土层深度为40 cm。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 杨再洁, 陈阜, 史磊刚, 文新亚. 华北平原不同年代小麦品种旗叶光合特性对水分亏缺的响应. 作物学报, 2013, 39: 693-703
Yang Z J, Chen F, Shi L G, Wen X Y. Responses of photosynthetic characteristics of winter wheat cultivars released in different decades to water deficit in North China Plain. Acta Agron Sin, 2013, 39: 693-703 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[2] 姚宁, 宋利兵, 刘健, 冯浩, 吴淑芳, 何建强. 不同生长阶段水分胁迫对旱区冬小麦生长发育和产量的影响. 中国农业科学, 2015, 48: 2379-2389
Yao N, Song L B, Liu J, Feng H, Wu S F, He J Q. Effects of water stress at different growth stages on the development and yields of winter wheat in arid region. Sci Agric Sin, 2015, 48: 2379-2389 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[3] Ozturk A, Aydin F. Effect of water stress at various growth stages on some quality characteristics of winter wheat. J Agron Crop Sci, 2004, 190: 93-99 [本文引用:1]
[4] Li Q Q, Zhou X B, Chen Y H, Yu S L. Water consumption characteristics of winter wheat grown using different planting patterns and deficit irrigation regime. Agric Water Manag, 2012, 105: 8-12 [本文引用:1]
[5] Li Q Q, Dong B D, Qiao Y Z, Liu M Y, Zhang J W. Root growth, available soil water, and water-use efficiency of winter wheat under different irrigation regimes applied at different growth stages in North China. Agric Water Manag, 2010, 97: 1676-1682 [本文引用:2]
[6] Liu X W, Shao L W, Sun H Y, Chen S Y, Zhang X Y. Responses of yield and water use efficiency to irrigation amount decided by pan evaporation for winter wheat. Agric Water Manag, 2013, 129: 173-180 [本文引用:1]
[7] Jiang J, Huo Z L, Feng S Y, Zhang C B. Effect of irrigation amount and water salinity on water consumption and water productivity of spring wheat in Northwest China. Field Crops Res, 2012, 137: 78-88 [本文引用:1]
[8] 张胜全, 方保停, 张英华, 周顺利, 王志敏. 冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成. 作物学报, 2009, 35: 2045-2054
Zhang S Q, Fang B T, Zhang Y H, Zhou S L, Wang Z M. Utilization of water and nitrogen and yield formation under three limited irrigation schedules in winter wheat. Acta Agron Sin, 2009, 35: 2045-2054 (in Chinese with English abstract) [本文引用:2]
[9] 易立攀, 于振文, 张永丽, 王东, 石玉, 赵俊晔. 不同土层测墒补灌对冬小麦耗水特性及产量的影响. 应用生态学报, 2013, 24: 1361-1366
Yi L P, Yu Z W, Zhang Y L, Wang D, Shi Y, Zhao J Y. Effects of supplemental irrigation based on the measurement of moisture content in different soil layers on the water consumption characteristics and grain yield of winter wheat. Chin J Appl Ecol, 2013, 24: 1361-1366 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[10] 满建国, 于振文, 石玉, 张永丽. 不同土层测墒补灌对冬小麦耗水特性与光合速率和产量的影响. 应用生态学报, 2015, 26: 2353-2361
Man J G, Yu Z W, Shi Y, Zhang Y L. Effects of supplemental irrigation by measuring moisture content in different soil layers on water consumption characteristics, photosynthesis and grain yield of winter wheat. Chin J Appl Ecol, 2015, 26: 2353-2361 (in Chinese with English abstract) [本文引用:2]
[11] Zhang Y P, Zhang Y H, Wang Z M, Wang Z J. Characteristics of canopy structure and contributions of non-leaf organs to yield in winter wheat under different irrigated conditions. Field Crops Res, 2011, 123: 187-195 [本文引用:1]
[12] 张黎萍, 荆奇, 戴廷波, 姜东, 曹卫星. 温度和光照强度对不同品质类型小麦旗叶光合特性和衰老的影响. 应用生态学报, 2008, 19: 311-316
Zhang L P, Jing Q, Dai T B, Jing D, Cao W X. Effects of temperature and illumination on flag leaf photosynthetic characteristics and senescence of wheat cultivars with different grain quality. Chin J Appl Ecol, 2008, 19: 311-316 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[13] Zhao D D, Shen J Y, Lang K, Liu Q R, Li Q Q. Effects of irrigation and wide-precision planting on water use, radiation interception, and grain yield of winter wheat in the North China Plain. Agric Water Manag, 2013, 118: 87-92 [本文引用:1]
[14] 房全孝, 陈雨海, 李全起, 于舜章, 罗毅, 于强, 欧阳竹. 土壤水分对冬小麦生长后期光能利用及水分利用效率的影响. 作物学报, 2006, 32: 861-866
Fang Q X, Chen Y H, Li Q Q, Yu S Z, Luo Y, Yu Q, Ou-Yang Z. Effects of soil moisture on radiation utilization during late growth stages and water use efficiency of winter wheat. Acta Agron Sin, 2006, 32: 861-866 (in Chinese with English abstract) [本文引用:2]
[15] 刘丽平, 欧阳竹, 武兰芳, 孙振中, 李发东. 灌溉模式对不同群体小麦光合特性的调控机制, 中国生态农业学报, 2012, 20: 189-196
Liu L P, Ou-Yang Z, Wu L F, Sun Z Z, Li F D. Regulation mechanism of irrigation schedule on population photosynthesis of winter wheat. Chin J Eco-Agric, 2012, 20: 189-196 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[16] 吕丽华, 李谦, 董志强, 张丽华, 梁双波, 贾秀领, 姚海坡. 灌水方式和灌溉量对冬小麦根冠结构的影响. 麦类作物学报, 2014, 34: 1537-1544
Lyu L H, Li Q, Dong Z Q, Zhang L H, Liang S B, Jia X L, Yao H B. Effects of different irrigation methods and amount on root and canopy structure of winter wheat. J Triticeae Crops, 2014, 34: 1537-1544 (in Chinese with English abstract) [本文引用:2]
[17] 郑丕尧. 作物生理学导论. 北京: 北京农业大学出版社, 1992. pp 121-127
Zheng P Y. Introduction of Crop Physiology. Beijing: Beijing Agricultural University Press, 1992. pp 121-127(in Chinese) [本文引用:1]
[18] Krause G, Weis E. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1991, 42: 313-349 [本文引用:1]
[19] Yao Z J, Li B L, Chen R Y, Guo T C. Effects of water and nitrogen application on photosynthetic characteristics of flag leaves and grain yield of wheat. Agric Sci Tech, 2011, 12: 258-261 [本文引用:1]
[20] 山仑, 康绍忠, 吴普特. 中国节水农业. 北京: 中国农业出版社, 2004. pp 229-230
Shan L, Kang S Z, Wu P T. Water Saving Agriculture in China. Beijing: China Agriculture Press, 2004. pp 229-230(in Chinese) [本文引用:1]
[21] 史泽艳, 高晓飞, 谢云. 冠层底部光合有效辐射三种测量方法的比较. 资源科学, 2005, 27: 104-107
Shi Z Y, Gao X F, Xie Y. Comparison of three methods for measurement of transmitted photo-synthetically active radiation. Resour Sci, 2005, 27: 104-107 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[22] 董树亭, 高荣岐, 胡昌浩, 王群瑛, 王空军. 玉米花粒期群体光合性能与高产潜力研究. 作物学报, 1997, 23: 318-325
Dong S T, Gao R Q, Hu C H, Wang Q Y, Wang K J. Study of canopy photosynthesis property and high yield potential after anthesis in maize. Acta Agron Sin, 1997, 23: 318-325 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[23] 骆洪义, 丁方军. 土壤学实验. 成都: 成都科技大学出版社, 1995. p 91
Luo H Y, Ding F J. Soil Science Experiments. Chengdu: Chengdu Science and Technology University Press, 1995. p 91 (in Chinese) [本文引用:1]
[24] 刘增进, 李宝萍, 李远华, 崔远来. 冬小麦水分利用效率与最优灌溉制度的研究. 农业工程学报, 2004, 20: 58-63
Liu Z J, Li B P, Li Y H, Cui Y L. Research on the water use efficiency and optimal irrigation schedule of the winter wheat. Trans CSAE, 2004, 20: 58-63 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[25] Sepakhah A R, Tafteh A. Yield and nitrogen leaching in rapeseed field under different nitrogen rates and water saving irrigation. Agric Water Manag, 2012, 112: 55-62 [本文引用:1]
[26] 王建生, 徐子恺, 姚建文. 单位水量粮食生产能力分析. 水科学进展, 1999, 10: 429-434 (in Chinese)
Wang J S, Xu Z K, Yao J W. Analysis of food throughput per unit water use. Adv Water Sci, 1999, 10: 429-434 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[27] Maddonni G A, Otegui M E, Cirilo A G. Plant population density, row spacing and hybrid effects on maize canopy architecture and light attenuation. Field Crops Res, 2001, 71: 183-193 [本文引用:1]
[28] Cirilo A G, Dardanelli J, Balzarini M, Andrade F H, Cantarero M, Luque S, Pedrol H M. Morpho-physiological traits associated with maize crop adaptations to environments differing in nitrogen availability. Field Crops Res, 2009, 113: 116-124 [本文引用:1]
[29] Duncan W G. Maize. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1975. pp 23-50 [本文引用:1]
[30] 陈素英, 张喜英, 毛任钊, 王彦梅, 孙宏勇. 播期和播量对冬小麦冠层光合有效辐射和产量的影响. 中国生态农业学报, 2009, 17: 681-685
Chen S Y, Zhang X Y, Mao R Z, Wang Y M, Sun H Y. Effect of sowing date and rate on canopy intercepted photo-synthetically active radiation and yield of winter wheat. Chin J Eco-Agric, 2009, 17: 681-685 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[31] 倪永静, 贺群岭, 李金沛, 朱培培, 胡新, 张丽琴, 王世杰. 不同灌水次数与氮肥运筹对‘豫教5号’叶面积指数及产量的影响. 中国农学通报, 2015, 31: 35-42
Ni Y J, He Q L, Li J P, Zhu P P, Hu X, Zhang L Q, Wang S J. Effect of different irrigation times and nitrogen fertilization on leaf area index and grain yield of ‘Yujiao 5’. Chin Agric Sci Bull, 2015, 31: 35-42 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[32] 吴忠东, 王全九. 阶段性缺水对冬小麦耗水特性和叶面积指数的影响. 农业工程学报, 2010, 26: 63-68
Wu Z D, Wang Q J. Effects of stage water shortage on water consumption and leaf area index of winter wheat. Trans CSAE, 2010, 26: 63-68 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[33] Ahmed I M, Dai H X, Zheng W T, Cao F B, Zhang G P, Sun D F, Wu F B. Genotypic differences in physiological characteristics in the tolerance to drought and salinity combined stress between Tibetan wild and cultivated barley. Plant Physiol Biochem, 2013, 63: 49-60 [本文引用:1]
[34] 董浩, 毕军, 夏光利, 周勋波, 陈雨海. 灌溉和种植方式对冬小麦生育后期旗叶光合特性及产量的影响. 应用生态学报, 2014, 25: 2259-2266
Dong H, Bi J, Xia G L, Zhou X B, Chen Y H. Effects of irrigation and planting patterns on photosynthetic characteristics of flag leaf and yield at late growth stages of winter wheat. Chin J Appl Ecol, 2014, 25: 2259-2266 (in Chinese with English abstract) [本文引用:1]
[35] Dong B D, Shi L, Shi C H, Qiao Y Z, Liu M Y, Zhang Z B. Grain yield and water use efficiency of two types of winter wheat cultivars under different water regimes. Agric Water Manag, 2011, 99: 103-110 [本文引用:1]