太行山前平原冬小麦优化灌溉制度的研究
张喜英，裴 冬，由懋正
(中国科学院 石家庄农业现代化研究所)
关键词：冬小麦；土壤水分下限指标；优化灌溉制度
收稿日期：1999-12-22节水高效的优化灌溉制度是根据作物的需水规律，把有限的灌溉水量在作物生育期内进行最优分配，达到高产高效的目的。根据研究对象的生长发育规律以及生产的实际需要，有目的的不充分供给水分，使作物经受水分胁迫，在特定时期限制作物某些方面的生长，达到既节水又增产的目标[1]。本研究的目的是针对太行山山前平原井灌区冬小麦生长期间，灌水次数偏多，农田水分利用效率偏低，建立优化的冬小麦灌溉制度，在增加产量的条件下，减少冬小麦灌水次数和灌水定额，从而减缓地下水下降速度，为本区农业持续发展提供依据。
1 实验材料和方法试验于1996～2000年连续4年在位于太行山山前平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站水分实验厨行。分别通过大田实验和盆栽实验研究了冬小麦不同生育时期水分亏缺对产量的影响和灌水次数、灌水时间对产量和水分利用效率的影响以及不同生育时期允许的水分亏缺程度。盆栽实验所用盆的直径25cm，高50cm，在小麦返青时，选择在大田中生长一致的小麦，取原状土移栽至盆中，置于田间，设有防雨棚。根据大田密度，每个盆留苗70茎。在不同生育时期分3个调亏水平：重度、中度和轻度水分亏缺，另有整个生长期间不发生水分亏缺的对照处理。每个处理重复3次。其中不同程度水分亏缺控制方法用前期蒸散量乘以一系数，作为下一次加水量，即：
WA=ET×K |
(1) |
式中：K值分别取1.0，0.8，0.6和0.4作为无水分亏缺、轻度、中度和重度水分亏缺处理的系数，ET为两次称重期间的水分减少量，即蒸散量，WA为加入的水量。
移栽时每个盆的土壤含水量均增加到田间持水量的80%，然后每隔一天称重，计算WA.不进行水分亏缺处理的盆，K取1，进行水分调亏处理的盆从某个生育期开始至其结束，根据要求K取0.8，0.6和0.4，当调亏的生育期结束后，加水至原来的水平，以后K取1.
大田实验小区面积40～50m2，每个处理重复3次，随机排列。各处理灌水次数和灌水时间不同，形成不同的灌溉制度，同时根据当地农民的灌水习惯，设立一个大田水平处理的灌水次数和时间。灌水定额根据本地大田水平，小畦灌溉的次灌水量一般为600m3/hm2，相当于60mm.灌溉通过地下管道输水，塑料软管输送到小区，用水表计量各小区的灌水量。小区之间设有2m宽的保护行，其它田间管理措施与当地大田水平一致。冬小麦品种四年分别是：高优503、冀麦38、4185和4185，均是本区大田常用品种。主要观测项目如下：(1)用IH-Ⅱ型中子仪测定土壤含水量。每周一次，降水和灌溉后加测，测定深度0～180cm，每20cm一层。(2)作物生长发育状况，包括叶面积、生物量、密度等，每个处理每个生育期测定一次。(3)气孔阻力、光合速率和叶片水势的测定：选择晴好天气，对不同处理的大田和盆栽冬小麦进行日过程观测，所用仪器分别为：MK3型气孔仪、CID-2000 CO2分析仪和ZLZ5植物水份仪。(4)产量和考种分析。每个小区人工收割，用小型脱离机进行脱粒，测产。(5)气象条件测定：位于实验场的标准地面气象观测场可以定时记录温、湿、风、降水、地温和E601水面蒸发。
2 结果和分析
2.1 气候条件 在实验的4年中，1997～1998年冬小麦生长期间降水量126.5mm，是湿润年份，1996～1997年麦季降水量87.5mm，接近常年平均，属偏旱年份，1998～1999和1999～2000年冬小麦生长期间，降水量低于多年平均值，分别为60.4mm和54.1mm，是干旱年份。其它气象因素差异不大，只是1997～1998年度冬小麦生长后期阴天多，导致病害严重，影响了冬小麦最后产量。
2.2 不同生育时期调亏对冬小麦产量的影响
图1 冬小麦耗水量、产量和水分利用效率关系(1998～1999和1999～2000，栾城站大田实验)2.2.1
冬小麦耗水量与产量 很多实验都表明了作物耗水量与产量的关系并不是一个直线关系[2]，从栾城试验站的结果也说明了这个问题[3]，如图1所示，随着冬小麦耗水量的增加，产量增加，增加到一定程度，产量反而递减。产量和水分利用效率则非最高耗水量时最高，从这一点可说明作物生长期间并不是灌水量越多，产量越高。而对于同样灌水次数的冬小麦，由于灌水时间的不同，同样的灌水量可产生不同的产量和水分利用效率(WUE)，如表1所示，返青后同样灌两水，总耗水量470mm的水平下，由于灌水时间的不同，最高和最低产量相差15.3%，WUE相差16.73%.这进一步说明冬小麦生育期总耗水量相同，但由于各生育阶段水分分配不均导致产量差异，在同一产量下，总耗水量也不同，产生不同的水分利用效率。这种产量的上下波动和耗水量、水分利用效率的差异表明冬小麦最优供水方式的存在和各生育时期对水分状况反应差异的存在。
表1 返青后同样灌两水的冬小麦产量、水分利用效率差异比较
(1996～1997，大田实验，栾城站)| 灌水日期 | 总耗水量/mm | 产量/(kg/hm2) | WUE/(kg/m3) |
| 3月27、4月29 | 475.9 | 6308.6 | 1.33 |
| 3月27、5月7 | 460.8 | 6503.3 | 1.41 |
| 3月27、5月14 | 476.1 | 6219.8 | 1.31 |
| 4月18、5月14 | 470.1 | 7170.0 | 1.53 |
2.2.2
不同生育时期水分亏缺对冬小麦产量构成因素的影响 构成冬小麦产量的三个因素，是穗数、穗粒数和粒重。表2是盆栽实验各处理的穗粒数、千粒重以及有效穗数与充分供水小麦的比较，从拔节开始的各生育时期水分亏缺均减少了有效穗数；拔节后的重度水分亏缺处理和孕穗开花期的各水分亏缺处理降低了穗粒数，并随着水分亏缺程度的加剧，穗粒数减少；灌浆期轻度水分亏缺对穗粒数没有影响，而对千粒重的影响明显，随着亏缺程度的增加，千粒重明显降低；而孕穗、开花期的水分亏缺反而增加了千粒重，表明作物在经历了一定程度的干旱后可以促进后期干物质向籽粒的转移而提高其经济产量[4]。总之，在拔节～孕穗期的水分亏缺主要减少了有效穗数，孕穗开花期间的水分亏缺减少了穗粒数，灌浆期间的水分亏缺使粒重显著降低。表2 冬小麦不同生育时期不同水分亏缺程度对其产量构成因素的影响(盆栽实验，1997)
| 与对照相比减少或增加的百分数(%) | ||||||||||||||||
| 项目 | 对照 | |||||||||||||||
| 返青起身期调亏 | 拔节期调亏 | 孕穗期调亏 | 抽穗开花调亏 | 灌浆期调亏 | ||||||||||||
| 轻度 | 中度 | 重度 | 轻度 | 中度 | 重度 | 轻度 | 中度 | 重度 | 轻度 | 中度 | 重度 | 轻度 | 中度 | 重度 | ||
| 有效 穗数 |
46.7 | 0.7 | 0.6 | 0.0 | -1.4 | -6.4 | -17.9 | -7.8 | -9.2 | -16.4 | -6.4 | -4.2 | -8.5 | -2.8 | -4.2 | -5.0 |
| 穗粒数 | 33.9 | -0.7 | 0.0 | -0.9 | 1.5 | 2.4 | -1.2 | -1.4 | -9.9 | -17.1 | -5.3 | -12.5 | -13.7 | 1.6 | -2.8 | -2.8 |
| 千粒重/g | 36.1 | 1.3 | 3.4 | -1.7 | -5.3 | 0.2 | -0.4 | 0.5 | 5.9 | 3.9 | 3.0 | 0.1 | 1.3 | -0.9 | -5.6 | -21.5 |
*轻度、中度、重度分别为轻度水分亏缺、中度水分亏缺和重度水分亏缺。 |
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2.2.3 冬小麦不同时期水分亏缺对产量的影响 冬小麦不同生育时期对水分亏缺敏感程度差异显著，如表3是冬小麦返青后不同生育时期水分亏缺对其产量的影响，在返青-起身期间和灌浆后期控制水分供应，冬小麦产量反而比无水分亏缺处理增产8.5%，而拔节期间控制水分供应，产量降低幅度最大，表现为不同发育时期对水分亏缺产生了不同反应。用Jensen模型[5]分析冬小麦产量与各生育阶段耗水量关系的水分生产函数，从中计算的冬小麦各生育时期对水分亏缺敏感程度的指数λi如表4所示。λi越大，表明此阶段对水分亏缺更敏感，对产量的影响也越大。表4表明冬小麦对水分最敏感的生育时期是拔节期，其次是孕穗至灌浆前期，而返青起身期间和灌浆后期λi是负值，在这些生育期适当控制水分供应对产量更有利。特别是返青起身期间，λi的负值较大，原因可能是由于一般年份在试验所在的山前平原，冬小麦大多进行冬前灌溉，再加上春季土壤处于消融阶段，利于土壤水分向土壤上层运动，土壤水分含量较高，使春季无效分蘖增加，而削弱了后期的养分供应，最终影响产量，故λi负值偏大。
表3 冬小麦返青后不同时期控水对产量影响(1996～1997，大田实验，栾城站)
| 调亏时期 | 返青-起身 | 拔节期间 | 孕穗期间 | 抽穗-灌浆 | 灌浆后期 | 无水分亏缺(对照) |
| 产量/(kg/hm2) | 7059 | 6196.5 | 6237 | 6378.8 | 6575.25 | 6503.3 |
| 与对照差异(%) | +8.5 | -4.7 | -4.1 | -1.9 | +1.1 | - |
表4 用Jensen模型计算的冬小麦返青后各生育期敏感指数λi(大田实验，栾城站)
| 生育时期 | 返青-起身 | 拔节期间 | 孕穗期间 | 抽穗-灌浆 | 灌浆后期 |
| λi | -0.1213 | 0.3145 | 0.2721 | 0.1016 | -0.087 |
2.2.4 冬小麦不同生育时期适宜土壤水分下限指标 不同生育时期水分亏缺及其亏缺程度对冬小麦产量均有明显影响[5]，因此在冬小麦不同生育时期有其不等的土壤水分适宜范围和最大可能的亏缺程度，如果低于这个极限，将造成显著减产。根据4年的实验结果，冬小麦不同生育时期土壤水分的适宜下限指标分别是：越冬前0～50cm土壤含水量不低于田间持水量的60%；返青～起身期间0～50cm土壤体积含水量不低于55%，但高于80%～85%时，会随着土壤含水量的增加，产量降低。拔节期间0～50cm土壤含水量应高于田间持水量的65%，孕穗期间0～80cm土壤含水量应不低于60%的田间持水量，抽穗～灌浆前期应维持0～100cm土壤含水量高于60%，而灌浆后期低于55%～50%将不会造成冬小麦明显减产。
2.2.5
冬小麦气孔、光合和叶水势对土壤水分的阈值反映 不仅作物不同生育阶段有其适宜的土壤含水量指标，作物的各生理过程对土壤水分变动也有一明显的阈值反应，在此阈值以上的土壤水分对作物的生理过程是等效的，只有低于此阈值，才显著降低，如图2是盆栽实验不同供水处理的冬小麦气孔阻力、单叶光合速率、叶片水势随土壤水分的变动，在整个盆栽中的土壤重量含水量低于13%～14%时(相当于占田间持水量的54%～58%)，冬小麦的这些生理指标随着含水量的降低，才出现剧烈的变动，而在高于这个值时，随着含水量的升高，变化很小，这时的土壤水分对这些生理指标可以说是等效的，因此占田持60%左右的土壤含水量可作为冬小麦生理过程的适宜土壤含水量下限指标。图2 冬小麦气孔阻力、叶片光合速率和叶片水势随土壤水分的变动(气孔和叶片水势是1997年4月18日的日平均观测值，光合速率是当日的16：00的观测值。盆栽实验，所用土壤的田间持水量为24%)
2.3 冬小麦优化灌溉制度 通过以上分析和根据4年来的实验结果(表5～8)，可以看出，在不同降水年型中，不同的灌溉制度产生了不同的产量和水分利用效率，在降水量多的1997～1998年，没有灌水处理冬小麦产量与灌水处理的最高产量相差较小，大约为12%；而在最旱的1999～2000年，两着相差52.4%，说明在干旱年份灌溉对于本区冬小麦生产的重要性。这4年的实验结果也表明，湿润年份灌1水，常年灌2水，干旱年份灌3水，灌水定额60mm，冬小麦水分利用效率和产量都比当地农民所采用的灌水制度高，产量提高幅度在7%～10%，水分利用效率在11%～24%.
表5 1996～1997年返青后不同灌水条件下冬小麦产量、水分利用效率*(大田实验，栾城站)
| 灌水时间 | 总灌水量/mm | 总耗水量/mm | 产量/(kg/hm2) | 水分利用效率/(kg/m3) |
| 没有灌 | 67.5 | 364.7 | 5500.6 | 1.51 |
| 4-22 | 144.4 | 428.6 | 6900.8 | 1.61 |
| 4-29 | 153.5 | 434.5 | 6164.3 | 1.42 |
| 3-27,4-22 | 171.4 | 428.9 | 6494.3 | 1.51 |
| 3-27,4-29 | 200.1 | 475.9 | 6308.6 | 1.33 |
| 3-27,5-7 | 186.7 | 460.0 | 6503.3 | 1.41 |
| 3-27,5-14 | 193.7 | 476.1 | 6219.8 | 1.31 |
| 4-18,5-14 | 194.8 | 470.1 | 7170.0 | 1.53 |
| 4-29，5-22 | 176.7 | 413.2 | 6236.6 | 1.51 |
| 3-27,4-22,5-14** | 252.5 | 474.7 | 6503.3 | 1.37 |
*：所有处理越冬时进行了冬灌；**:试验地点周围大田农民所采用的灌水次数和灌水时间 |
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表6 1997～1998年不同灌水条件下冬小麦产量、水分利用效率(大田实验，栾城站)
| 灌水时间 | 总灌水量/mm | 总耗水量/mm | 产量/(kg/hm2) | WUE/(kg/m3) |
| 没有灌水 | 0.0 | 299.4 | 5413.8 | 1.81 |
| 3-25,4-21 | 95.0 | 338.4 | 5954.9 | 1.76 |
| 3-25,5-20 | 151.3 | 366.0 | 5958.0 | 1.63 |
| 4-15 | 84.7 | 333.7 | 6088.2 | 1.83 |
| 3-25,4-21,5-20* | 175.9 | 375.6 | 5650.7 | 1.50 |
| 4-7,4-21,5-20 | 166.6 | 389.8 | 6066.0 | 1.56 |
*：试验地点周围大田农民所采用的灌水次数和灌水时间 |
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表7 1998～1999年不同灌水条件下冬小麦产量、水分利用效率(大田实验，栾城站)
| 灌水时间 | 总灌水量/mm | 总耗水量/mm | 产量/(kg/hm2) | WUE/(kg/m3) |
| 没有灌水 | 0 | 323.0 | 5325.8 | 1.65 |
| 3-16 | 80 | 366.4 | 7023.8 | 1.92 |
| 4-3 | 80 | 338.2 | 6697.5 | 1.98 |
| 4-24 | 80 | 370.4 | 7058.3 | 1.91 |
| 3-4,4-24 | 160 | 444.2 | 7592.0 | 1.71 |
| 3-11,4-24 | 160 | 438.4 | 7422.5 | 1.69 |
| 3-17,5-6 | 160 | 399.0 | 6915.0 | 1.73 |
| 3-17,5-14 | 160 | 403.9 | 7344.6 | 1.82 |
| 11-21,4-24 | 160 | 400.3 | 6923.0 | 1.73 |
| 3-31,5-5 | 160 | 442.5 | 7296.0 | 1.65 |
| 11-21,3-31,4-24,5-5* | 240 | 478.5 | 6937.5 | 1.45 |
*:试验地点周围大田农民所采用的灌水次数和灌水时间 |
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表8 1999～2000年不同灌水条件下冬小麦产量、水分利用效率(大田实验，栾城站)
| 灌水时间 | 总灌水量/mm | 总耗水量/mm | 产量/(kg/hm2) | WUE/(kg/m3) |
| 没有灌水 | 0 | 282.9 | 5103.8 | 1.80 |
| 4-6 | 60 | 325.0 | 6180.8 | 1.90 |
| 12-2,4-6 | 120 | 374.6 | 6810.0 | 1.82 |
| 3-25,4-25 | 120 | 414.2 | 7092.9 | 1.71 |
| 12-2,4-18,5-10 | 180 | 432.6 | 7593.2 | 1.76 |
| 12-2,4-6,4-25,5-15* | 240 | 487.7 | 6937.8 | 1.42 |
*:试验地点周围大田农民所采用的灌水次数和灌水时间 |
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综上所述，在产量增加和提高水分利用率的条件下，减少现状条件下太行山山前平原冬小麦生产期灌1～2水的灌溉制度应是：播前一定底墒充足，然后根据越冬前的气象条件，当0～50cm土壤含水量不低于60%时，越冬水可以不浇；在不浇越冬水，而冬天没有或很少有降雪时，拔节前期进行灌溉，然后孕穗期也进行灌溉，整个生育期灌两水，如1998～1999年，这种灌溉制度下产量比一般大田灌溉次数的产量提高了7%，水分利用效率提高了16.7%；如果越冬前较干旱，可浇越冬水，然后拔节孕穗和灌浆前期各浇一水，也能保证高产和较高的水分利用效率，如干旱的1999～2000年麦季，三水产量最高，比一般大田灌溉次数的产量提高了9.4%，水分利用效率提高了23.9%；如果冬小麦整个生育期降水能达到多年平均水平，在拔节前后浇一水，也能达到最高产量，如1997～1998年麦季，产量比大田灌溉次数的产量水平稍高，而水分利用效率也提高了17.4%.因此对冬小麦实施合理的灌溉制度，在增产的基础上，提高水分利用效率，具有明显的节水效果。
3 结论
提高自然降水和灌溉水利用效率是节水农业的中心，在这方面存在着巨大潜力[6]。为实现这一目标，根据作物各生理过程和各生育阶段对水分亏缺的敏感程度，确定作物对土壤水分亏缺的下限指标，建立节水高效的灌溉制度是农田水分管理的重要手段。从以上结果可以看出，对于冬小麦，当土壤湿度在一定界限值以上时，土壤含水量对作物的气孔阻力、叶水势、光合是等效的，只有低于此值，随着土壤含水量的降低，气孔阻力的倒数气孔导度、叶水势和光合才明显降低，均有一明显的阈值反应。同时不同生育时期，冬小麦对土壤水分亏缺的敏感程度和允许亏缺的最大程度不同，因此制定作物的节水灌溉制度要依赖于作物的生理生态特征对土壤水分亏缺的反应，根据适宜于作物生长的土壤湿度下限，以及达到不同产量水平允许的土壤湿度变化范围指标，和从减少土壤棵间蒸发的角度，控制上层土壤较低的含水量等相结合，来确定不同作物不同供水条件下的最优供水模式，达到节水增产的双重目标。
太行山山前平原高产区冬小麦常年灌溉次数在3～4水，如果实施合理的灌溉制度，可减少灌水次数1～2次，既能保证冬小麦较高的产量，农田水分利用效率也大大提高，这对减缓本地区地下水的下降有重要意义。
参 考 文 献：
[1] English M,Raja SN.Perspectives on deficit irrigation[J]。Agricultural Water Management,1996,32:1-14.[2] Turner NC.Plant water relations and irrigation management[J]。Agricultural Water management,1990,17:59-73.
[3] 张喜英，等。不同时期调亏及不同调亏程度对冬小麦产量的影响[J]。华北农学报，1999，14(2)：79-83.
[4] 李德全，等。冬小麦抗旱生理特性的研究[J]。作物学报，1993，19(2)：125-131.[5] 张喜英，等。冬小麦调亏灌溉制度田间试验研究初报[J]。生态农业研究，1998，6(3)：65-70.
[6] 山仑。节水农业研究的任务与前景[N]。中国科学报，1995-8-18.