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调亏灌溉对冬小麦耗水特性和水分利用效率的影响
作者姓名
（作者地址）
摘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228mm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0～200cm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.
关键词冬小麦调亏灌溉耗水特性水分利用效率
Effectsofregulateddeficitirrigationonwaterconsumptioncharacteristicsandwateruseefficiencyofwinterwheat.作者姓名英文（作者地址英文）
abstract：
Fieldexperimentwasconductedtoexaminetheeffectsofregulateddeficitirrigationonwaterconsumptionandwateruseefficiency（WUE）inwheatplants（cv.Jimai22）atShiwangVillage,Yanzhou,Shandong,China.Under228mmannualprecipitationprecondition,thewaterconsumptionamountoftreatmentW1（withsoilrelativewatercontent（SRWC）of80%,70%and70%atsowing,jointing,andanthesisstages,respectively）andW4（withSRWCof90%,85%and85%atsowing,jointing,andanthesisstages,respectively）weresignificantlyhigherthanthoseofW0（withSRWCof80%,65%and65%atsowing,jointing,andanthesisstages,respectively）,W2（withSRWCatsowing,jointing,andanthesisstagesof80%,80%,and80%，respectively）,andW3（withSRWCof90%，80%and80%atsowing,jointing,andanthesisstages,respectively）.ComparedwithW4,thetreatmentW1increasedtheratioofsoilwaterconsumptionamounttowaterconsumptionamount,usedmorewaterin0-200cmsoillayers,anditdecreasedwaterconsumptionpercentagefromjointingtoanthesisstages,whereasincreasedthatfromanthesistomaturitystages.ThewaterconsumptionpercentagesofW4atbothstagesfromjointingtoanthesisandanthesistomaturitywerehigher.Underregulateddeficitirrigationcondition,althoughtheWUEoftreatmentW0washigher,itsgrainyieldwaslowest.TheWUEofothertreatmentsfirstlyincreased,thereafterdecreasedwithincreasingirrigationamount.TreatmentsW1andW4withthehighestwaterconsumptionamounthadthehighestgrainyield.Furthermore,theirrigationwateruseefficiencyandirrigationbenefitoftreatmentW1weresignificantlyhigherthanthoseofW4.Thus,basedontheexperimentalresults,itwassuggestedthattheirrigationregimeoftreatmentW1wouldbetheoptimaloneintermsofsustainableuseofwaterresource.
keywords:
winterwheat;regulateddeficitirrigation;waterconsumptioncharacteristics;wateruseefficiency.
本文由资助Thisworkwassupportedby.
---Received,-Accepted.
*通讯作者Correspondingauthor.E-mail:
水资源缺乏已成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500～700mm，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，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、收获指数及水分利用效率[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0.88%~8.25%，节水12.80%~18.55%,水分利用效率提高15.96%~32.98%；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
1.1试验材料与试验设计
试验于2007—2008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0~20cm土层土壤养分含量为：
有机质15.0g•kg-1、全氮1.0g•kg-1、碱解氮62.6mg•kg-1、速效磷25.0mg•kg-1、速效钾139.8mg•kg-1.小麦生育期间降水量为：
播种至拔节期51.4mm、拔节至开花期88.4mm、开花至成熟期88.2mm.播种前0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm和120～140cm土层土壤田间持水量分别为24.70%、25.27%、24.73%、25.01%、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1.56g•cm-3，相对含水量分别为62.42%、54.60%、75.44%、89.36%、77.49%、77.00%和82.73%.
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1水分处理方案（0～140cm土层相对含水量平均值）
Table1Watertreatments（averagesoilrelativewatercontentat0～140cmsoillayer）
处理
Treatment
灌水时期Irrigationstage
播种期Sowing
拔节期Jointing
开花期Anthesis
W0
80%
65%
65%
W1
80%
70%
70%
W2
80%
80%
80%
W3
90%
80%
80%
W4
90%
85%
85%
灌水量由灌水定额计算公式确定[11]，计算公式为：
m=10ρbH（βi-βj）
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140cm；ρb为计划湿润层内土壤容重（g•cm-3）；βi为目标含水量（田间持水量乘以目标相对含水量）；βj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4m×4m，小区间设置1.0m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N105kg•hm-2，P2O5112.5kg•hm-2，K2O112.5kg·hm-2；拔节期追施N135kg•hm-2.所施肥料为尿素（含N46.4%）、磷酸二铵（含P2O546%，N18%）、硫酸钾（含K2O52%）.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0~200cm土层土样，分层取土，20cm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=
γiHi（θi1－θi2）+M+P0+K
式中：
ET1-2为阶段耗水量（mm）；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土壤干容重（g•cm-3）；Hi为第i层土壤厚度（cm）；θi1和θi2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2.5m时，K值可以忽略不计，本试验的地下水埋深在5m以下，故地下水补给量可视为0.
日耗水量=各生育阶段麦田耗水量/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/ETα，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=ΔY/I，式中：
WUE、IWUE和IB分别为水分利用效率（kg•hm-2•mm-1）、灌溉水利用效率（kg•hm-2•mm-1）和灌溉效益（kg•hm-2•mm-1）；Y为籽粒产量（kg•hm-2）；ΔY为灌溉后增加的产量（kg•hm-2）；ETα为小麦生育期间实际耗水量（mm），为各阶段耗水量之和；I为实际灌水量（mm）.
1.2.4棵间蒸发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7.5cm，壁厚5mm.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0.001g的电子天平称量后立即放回行间，2d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10cm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2～3d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MicrosoftExcel2003软件对数据进行处理和绘图，采用DPS7.5和SPSS11.5统计分析软件对数据进行差异显著性检验（LSD法，α=0.05）.
2结果与分析
2.1调亏灌溉后0～140cm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%，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2不同处理的灌水量和土壤相对含水量（0～140cm土层平均值）
Table2Irrigationamountandsoilrelativewatercontent（averagevalueof0-140cm）underdifferenttreatments
处理
Treatment
底墒水Pre-sowingwater
拔节水Wateratjointingstage
开花水Wateratanthesisstage
目标相对含水量
Targetrelativewatercontent（%）
相对含水量
Relativewatercontent（%）
相对
误差
Relativeerror
（%）
灌水量
Irrigationamount（mm）
目标相对含水量
Targetrelativewatercontent（%）
相对含水量
Relativewatercontent（%）
相对
误差
Relativeerror（%）
灌水量
Irrigation
amount
（mm）
目标相对含水量
Targetrelativewatercontent（%）
相对含水量
Relativewatercontent（%）
相对
误差
Relativeerror
（%）
灌水量
Irrigation
amount
（mm）
W0
80
79.43
0.7
0
65
61.07
6.0
0
65
65.10
0.2
0
W1
80
79.43
0.7
0
70
66.90
4.4
0
70
69.21
1.1
43.83
W2
80
79.43
0.7
0
80
81.16
1.5
37.78
80
73.86
7.7
45.25
W3
90
90.43
0.5
80.90
80
76.86
3.9
0
80
75.22
6.0
22.48
W4
90
90.43
0.5
80.90
85
82.63
2.8
55.92
85
83.12
2.2
63.95
2.2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壤贮水.不同处理灌水量及其占总耗水量的比例为W4>W3>W2>W1，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W1>W2>W3>W4，各处理间差异显著；总耗水量为W4、W1>W2>W3，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87.65%和82.88%，降水量占总耗水量的比例变化幅度为11.45%，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，能达到提高土壤贮水利用比例、节约灌溉水的目的.
表3不同处理耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例
Table3Sourcesofwaterconsumptionandtheirpercentageoftotalwaterconsumptionamountunderdifferenttreatments
处理
Treatment
耗水来源
Waterconsumptionsource
总耗水量
Waterconsumptionamount（mm）
占总耗水量的比例
Percentageoftotalwaterconsumptionamount
灌水量
Irrigationamount
（mm）
土壤贮水消耗量
Soilwaterconsumption
amount（mm）
降水量
Precipitation
（mm）
RIW
（%）
RPW
（%）
RSW
（%）
W0
0
101.34b
228.0
329.34d
0
69.23a
30.77b
W1
43.83d
153.63a
228.0
425.46a
10.30d
53.59d
36.11a
W2
83.03c
63.29c
228.0
374.32b
22.18c
60.91c
16.91c
W3
103.38b
21.10d
228.0
352.48c
29.33b
64.68b
5.99d
W4
200.77a
-2.22e
228.0
426.55a
47.07a
53.45d
-0.52e
CV（%）
87.31
92.60
—
11.40
82.88
11.45
87.65
同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）Differentsmalllettersinthesamecolumnmeantsignificantdifferenceat0.05levelamongtreatments.下同Thesamebelow.RIW：
灌水量占总耗水量的比例Percentageofirrigationamounttototalwaterconsumptionamount;RPW：
降水量占总耗水量的比例Percentageofprecipitationtototalwaterconsumptionamount;RSW：
土壤贮水消耗量占总耗水量的比例Percentageofsoilwaterconsumptionamounttototalwaterconsumptionamount.CV：
变异系数Coefficientofvariation.
2.3调亏灌溉对0～200cm各土层土壤贮水消耗量的影响
由图1可以看出，冬小麦可以利用0～200cm各土层的土壤水分.W0处理0～40cm和100～140cm土层土壤贮水消耗量显著高于其他处理，说明播种期、拔节期和开花期0～140cm土层土壤相对含水量分别为79.43%、61.07%和65.10%时，可以显著提高冬小麦对土壤贮水的利用.随着底墒水、拔节水和开花水土壤相对含水量的提高，冬小麦全生育期0～200cm各土层土壤贮水消耗量呈下降趋势.W1处理0～180cm土层的土壤贮水消耗量显著高于其他灌水处理；W2和W3处理次之；W4处理0～200cm各土层土壤贮水消耗量最低，均在7.83mm以下，表明底墒水、拔节水和开花水土壤相对含水量分别达到90.43%、82.63%和83.12%时，显著抑制了冬小麦对土壤贮水的利用，尤其是对深层土壤水分的利用.
0~20
20~40
40~60
60~80
80~100
100~120
120~140
140~160
160~180
180~200
图1调亏灌溉对不同土层土壤贮水消耗量的影响
Fig.1Effectsofregulateddeficitirrigationonsoilwaterconsumptionamountatdifferentsoillayers.
2.4调亏灌溉对冬小麦棵间蒸发的影响
由图2可以看出，在冬小麦抽穗期，W3和W4处理的累积蒸发量显著高于W0、W1和W2处理，其中W3和W4处理间无显著差异，W2和W0处理间无显著差异，说明浇底墒水+拔节水的处理土壤相对含水量较高，促进了冬小麦抽穗期的棵间蒸发。
在冬小麦灌浆期，W1和W4处理的累积蒸发量显著高于W0、W2和W3处理，W1和W4处理间无显著差异，这是W1处理总耗水量高的原因之一.
日期Date（m-d）
图2调亏灌溉对冬小麦棵间蒸发的影响
Fig.2Effectsofregulateddeficitirrigationonevaporationinwinterwheatfield.
a）抽穗期Headingstage;b）灌浆期Fillingstage.
2.5调亏灌溉对不同生育阶段麦田耗水量、耗水模系数及日耗水量的影响
由表4可以看出，W0处理开花至成熟期的耗水量、耗水模系数和日耗水量为拔节至开花期>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
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