黄土高原是中国典型的旱作农业区[1],该区域年均降水量在150～750mm,小麦休闲期降水量占周年降水量的60%以上,且该地区周年潜在蒸发量可达1400～2000mm[2],降水量、蒸发量、降水时期与小麦需水量及需水时期的矛盾尖锐;此外,黄土高原地下水位较深,少有灌溉条件[3]。因此,充分利用有限的水分资源,提高作物的水分利用效率是该地区提高小麦生产力的关键。

水分利用效率不仅受施肥、播量及其他栽培措施等[4,5,6,7]因素的影响,也存在品种间差异。有关资料[8]显示,不同小麦品种的籽粒产量和水分利用效率存在明显差异。据董宝娣等[9]对19个小麦品种的研究表明,不同品种间产量差异达44.9%,水分利用效率差异达42.2%;闫学梅等[10]研究表明,各小麦品种水分利用效率与土壤水分吸收显著相关,小麦通过调控自身对土壤水分的吸收消耗进而影响水分利用效率[11]。

黄土高原有一个得天独厚的优势,即拥有深厚的黄土沉积,其0—3m土层可储存719～816mm的降水[12]。因此,土壤水在此区域是作物生长的重要水分来源。Zhang等[13]研究表明,在干旱年,雨养小麦80%的水分消耗来源于播前土壤水分,而在湿润年占60%。在黄土高原地区,土壤蒸发和作物根系吸收导致作物生育后期表层土壤水分严重匮乏,但同时,仍有大量的水分残留在100—300cm深层土壤中可供作物吸收利用。Kirkegaard等[14]研究表明,在冬小麦开花期之后,每消耗10.5mm的深层土壤水分就可以生产0.62t/hm2的籽粒,其边际水分利用效率可达59kg/(hm2·mm)。因此,提高作物对深层土壤水分的利用是旱地作物产量提高的关键。

“长航1号”是继“长旱58”后培育的新的旱地小麦品种[15]。前人[15,16,17]研究结果表明,“长航1号”具有较高的产量及水分利用效率,具有较大的推广空间。因此,本试验选用“长旱58”和“长航1号”为供试材料,并根据试验地实际情况,每个品种设计150kg/hm2和180kg/hm22种播种量作为平行试验,以此研究2个品种水分利用效率差异及其与深层土壤水分利用的关系,以期为提高旱地作物水分利用效率,指导旱地小麦生产提供一定的理论依据。

1、材料与方法

1.1试验地概况

试验地点位于长武农业生态试验站(107°45′E,35°12′N),海拔1220m。年均降水量584.1mm,且7—9月降水量占全年降水量的55%以上,年均温9.1℃,属暖温带半干旱大陆性季风气候。该地区农业生产用水主要来自天然降水,为典型旱作农业区。2017—2018年及2018—2019年年降水量分别为504.6,670.5mm,其中冬小麦生育期降水量分别为249,306mm。

试验地土壤为中壤质黑垆土,孔隙率50%左右,有机质含量为11.57g/kg,全氮含量为0.80g/kg,碱解氮含量为52.33mg/kg,全磷含量为(P2O5)0.68g/kg,速效磷含量为11.11mg/kg,速效钾含量为154.9mg/kg。

1.2试验材料与设置

供试材料为“长航1号”和当地主栽品种“长旱58”,于每年9月24日播种,翌年6月30日收获。试验地前茬为冬小麦,夏季休闲。试验以品种为主处理(A:“长旱58”,B:“长航1号”),播量为副处理(10:播量150kg/hm2,12:播量180kg/hm2),共4个处理。小区试验中每处理设3重复,小区面积4m×5m,随机区组排列。

1.3测定项目与方法

1.3.1群体、地上生物量的测定

于每年的冬前期(12月24日)、返青期(3月15日)、拔节期(4月13日)、开花期(5月20日)在各处理小区随机选取1行,采集1m长度,每个小区取2次重复,在统计地上群体株数和分蘖数后于80℃烘箱中烘至恒重后称重。

1.3.2土壤含水率的测定及储水量的计算

土壤水分测定用土钻取土,于每年的播前(9月24日)、拔节期(4月13日)、开花期(5月20日)、收获后(6月30日)在各处理小麦行间分层采集0—300cm土层土样(0—100cm每10cm1个土样,100—300cm每20cm1个土样),全生育期共采样4次,用烘干法测定土壤含水量,土壤容重用环刀法测定,之后再计算土壤储水量,计算公式为:Q=d×h×c

式中:Q为某土层储水量(mm);d为土壤容重(g/cm3);h为土层厚度(mm);c为土层含水百分率(%)。本试验中总土壤储水指0—300cm土层储水量,首先按照不同土层土壤含水量进行分层计算求得各层储水量,最后将各层储水量累计加和求得总储水量。

1.3.3作物耗水量的测定

各处理耗水量采用水量平衡公式计算,计算公式为:

ET=R+I-F+Q-S+W

式中:ET为作物蒸腾蒸发量(mm);R为降水量(mm);I为灌水量(mm);F为地表径流量(mm);Q为地下水补给量(mm);S为深层渗漏量(mm);W为土壤贮水量的变化量(mm)。本试验中小麦全生育期无灌溉,因此I=0;在黄土高原,由于降水量较少且地下水位埋藏较深,因此F、Q和S均按零计算。

1.3.4作物水分利用效率的计算

WUE=Y/ET

式中:WUE为水分利用效率(kg/(hm2·mm));Y为作物产量(kg/hm2);ET为作物整个生育期总耗水量(mm)。

1.3.5产量测定

在小麦成熟期分别在每个小区长势均匀处取1m×1m完整植株样,调查穗数及穗粒数之后,风干称其干重即地上生物量,最后脱粒测定籽粒产量及千粒重。

1.4数据分析

采用Excel2007整理数据和绘图,通过SPSS软件进行方差分析,用LSD法进行差异显著比较,显著性水平设为0.05。

2、结果与分析

2.1品种、播量处理对冬小麦产量及水分利用效率的影响

由表1可知,无论是“长旱58”还是“长航1号”品种,2年度土壤贮水消耗量均随播量的增加而增加,与播量150kg/hm2相比,播量180kg/hm2土壤贮水消耗量平均增幅达18.2%,表明播量180kg/hm2可明显增加冬小麦田间耗水量,这可能与播量180kg/hm2增加了小麦群体有关。播量180kg/hm2也显著提高了产量,2年平均播量180kg/hm2较播量150kg/hm2增产5.9%。从表1还可看出,与“长旱58”相比,2年度“长航1号”处理土壤贮水消耗量、小麦产量、水分利用效率分别提高12.2%,10.0%,6.2%,说明“长航1号”较“长旱58”的土壤水分的消耗程度更高,能获得更高的产量及水分利用效率。从方差分析结果来看,品种、播量、年份均对土壤贮水消耗量、小麦产量及水分利用效率有显著影响,其中产量受品种和年份交互作用的影响显著。

表1品种、播量对水分利用效率的影响导出到EXCEL

从表2可以看出,2年度试验结果基本一致,即品种与播量处理对冬小麦产量构成要素有明显的调控效应,2个品种均在播量180kg/hm2时穗数最多,比播量150kg/hm2增多15.2%;“长航1号”品种较“长旱58”品种能获得更高的穗粒数和收获指数,其增幅分别为8.7%,6.1%。从方差分析结果来看,播量对小麦穗数、收获指数均有显著影响;品种主要影响小麦穗粒数和收获指数;年型对小麦穗粒数和成穗率有显著影响。

2.2品种、播量处理对冬小麦各生育期群体及地上生物量的影响

从图1可以看出,2年度小麦群体均先增加后降低,拔节期达到最大,之后逐渐降低。在两个品种下,随播量的增加冬小麦各个时期的群体数都显著增加,在冬前期、返青期、拔节期、开花期群体数分别较常规播量处理增加23.7%,14.9%,16.1%,15.9%。从图1也可以看出,在各个生育期品种对群体数的影响不显著。2018—2019年较2017—2018年在冬前期群体数明显降低,这可能与2018—2019年冬前降水量偏少有关,但在2018—2019年冬前期到返青期分蘖数增加速率明显高于2017—2018年。

由图2可知,冬小麦生物量随生长时间的推移也在持续增加,增加速率整体呈“慢-快-慢”的趋势。返青期—拔节期出现第一个生物量增加高峰,拔节期—开花期生物量增长速度最快,开花期—成熟期生物量增加缓慢。2个品种在各生育期均是播量180kg/hm2的生物量大于播量150kg/hm2生物量,在冬前期、返青期、拔节期、开花期、成熟期生物量分别较常规播量处理高22.8%,13.3%,13.6%,9.2%,8.8%。品种对各个生育期生物量的影响均不显著。

2.3品种、播量处理对冬小麦各生育期土壤含水率的影响

图3中a1～a4分别为2017—2018年返青期、拔节期、开花期、成熟期各处理麦田含水量状况,b1～b4分别为2018—2019年返青期、拔节期、开花期、成熟期各处理麦田含水量状况。在同一品种下,播量180kg/hm2较播量150kg/hm22年度均明显降低了拔节期土壤80—300cm土层土壤含水量(图3a2、b2);播量180kg/hm2较播量150kg/hm2明显降低了2年度成熟期180—300cm土层土壤含水量(图3a4、b4)。从图3还可以看出,“长航1号”较“长旱58”2年度成熟期各土层的含水量明显不同,“长航1号”较“长旱58”显著降低了2年度180—300cm土层土壤含水量。

表2品种、播量对产量构成要素的影响

图1不同处理各生育阶段群体动态变化情况

图2不同处理各生育阶段地上生物量动态变化情况

2.4品种、播量处理对冬小麦各生育期土壤贮水量的影响

由图4可知,在同一品种下,播量180kg/hm2较播量150kg/hm2均明显降低了2年度开花期和成熟期土壤贮水量,降幅分别达4.7%,4.8%,对播前、返青期、拔节期的影响较小。从图4也可以看出,“长航1号”品种较“长旱58”品种2年度播前、返青期、拔节期土壤贮水量均无明显差异,但“长航1号”较“长旱58”2年度均降低了开花期和成熟期的土壤含水量。2017—2018年度播前—返青期降水量大,所以2017—2018年度冬小麦播前—返青期土壤贮水显著增加,返青期之后土壤贮水量不断降低;2018—2019年度拔节期—成熟期降水量大,所以土壤贮水在拔节期—成熟期变化量不大,降水满足了拔节期—成熟期冬小麦对水分的消耗。

图3品种、播量对各生育期麦田含水量的影响

图4品种、播量对各生育期麦田贮水量的影响

2.5品种、播量处理对冬小麦各土层阶段耗水量的影响

图5中1,2为“长旱58”播量150kg/hm2和180kg/hm2,图5中3,4为“长航1号”播量150kg/hm2和180kg/hm2;图5中a、b为2017—2018年播前—返青期和返青期—成熟期麦田各土层储水变化量,图5中c、d为2018—2019年播前—返青期和返青期—成熟期麦田各土层储水变化量。根据水分消耗规律,分别计算0—100,100—200,200—300cm水分消耗情况(图5),图中外边框为虚线的负数表示此生育阶段此层土壤消耗的水量,外边框为实线的正数表示此生育阶段此层土壤补充的水量。从图5(a1～a4)可以看出,同一品种下,2017—2018年播量180kg/hm2和播量150kg/hm2对播前—返青期土壤耗水量无明显差异;在2018—2019年播量180kg/hm2较播量150kg/hm2明显增加了播前—返青期对0—100cm土层土壤水分的消耗,增加土壤水消耗10mm,增幅22.9%(图5c1～c4);播量180kg/hm2较播量150kg/hm2增加了在返青期—成熟期对200—300cm土层土壤贮水的消耗,2年度平均多消耗17mm,增幅达61.0%(图5,b1～b4、d1～d4)。“长航1号”较“长旱58”在播前—返青期土壤贮水消耗无明显差异,但“长航1号”较“长旱58”增加了在返青期—成熟期对200—300cm土层土壤贮水的消耗,多消耗13.5mm,增幅达39.4%。

图5不同处理各生育阶段不同土层深度水分变化情况

3、讨论

结果表明,“长航1号”较“长旱58”的产量和水分利用效率更高。小麦产量受小麦穗数、穗粒数、千粒重共同影响[18],“长航1号”主要增加了小麦穗粒数,增幅8.7%,对穗数和千粒重的影响不显著;据田文仲等[19]的研究指出,小麦生长期生物量的积累量影响籽粒产量的形成。本研究中,“长航1号”在整个生育周期较“长旱58”都有更高的干物质积累量,并且“长航1号”的收获指数高于“长旱58”,表明在营养生长阶段“长航1号”较“长旱58”积累更多的生物量,在生殖生长阶段“长航1号”较“长旱58”将更多的碳水化合物转移到籽粒中,因此“长航1号”最终获得了更高的产量。从小麦生育期土壤各土层含水量及贮水量来看,开花期和成熟期的差异最明显。据苗果园等[20]的研究指出,高产型小麦品种,深层根系分布相对较多,在小麦生长的中后期往往能消耗更多的深层水分,在本研究中,“长航1号”小麦品种在拔节期—成熟期对200—300cm的土壤耗水较“长旱58”更高,这为“长航1号”在各生育期干物质积累量较“长旱58”高提供了水分支持,同时也为“长航1号”较“长旱58”高产提供了水分的支持。

本研究表明,播量对小麦的群体性状、产量、深层水分消耗都有重要影响。适当增加播量,能显著提高小麦籽粒产量[21,22,23]。从产量构成要素看,适当增加播量主要影响了小麦穗数,其次为穗粒数,对千粒重的影响不大[24,25]。从小麦群体动态过程来看,适当增加播量提高了小麦各生育阶段的群体数,且成穗率与常规播量相比没有下降,最终使收获期穗数显著提高,这与刘丽平等[26]研究结果一致。从小麦各生育期麦田土壤水含量及贮水量的变化来看,拔节期和开花期差异最大,增加播量导致贮水量降低[27]。从小麦对土壤水分消耗角度看,为满足庞大地上群体对水分的需要,小麦需要从土壤中吸收更多的水分。在本试验中,所供试的2个小麦品种“长航1号”和“长旱58”都是适应旱作生长的小麦品种,都能较好地利用深层土壤水分。本试验结果表明,适当增加播量,增加了从拔节期—成熟期小麦对200—300cm土层的水分消耗。这为支撑因增加播量而构建起的小麦庞大群体稳定生长提供了水分上的支持。但适当增加播量并没有提高小麦水分利用效率,这与相关研究[28,29,30]结果基本一致。

4、结论

(1)品种“长旱58”与品种“长航1号”都能较好地利用深层土壤水分,是适宜旱作条件下种植的品种。相比较“长航1号”较“长旱58”品种从深层土壤中吸收水分的能力更强,有更高的产量及水分利用效率。

(2)适当增加播量能增加小麦穗数从而增加籽粒产量。但增加播量在增加穗数的同时也降低了小麦穗粒数以及收获指数。

(3)不同品种小麦对深层土壤水分吸收能力的不同是影响水分利用效率差异的重要因素。笔者在试验中所选用的材料是选育时间间隔较长的品种,并进行了2个播量下的重复认证,取得的试验结果对育种及大田生产具有一定的指导意义。

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基金:国家科技支撑计划项目(2015BAD22B01);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB150402).