滴灌条件下秸秆覆盖和土壤含水量对冬小麦灌浆特性的影响

白田田1，2，裴新涌3，关小康1，2，杨明达1，2，张鹏钰1，王静丽1，2，王和洲4，王同朝1，2

( 1.河南农业大学农学院，河南郑州 450002；2.河南粮食作物协同创新中心，河南郑州 450002；3.河南省农业科学院农业经济与信息研究所，河南郑州 450002；4.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002)

摘要：为阐明滴灌条件下秸秆覆盖和土壤含水量以及两因素交互作用对冬小麦籽粒灌浆、产量形成的影响，以冬小麦矮抗58为试验材料，设计了秸秆处理(覆盖T、不覆盖T0)与土壤相对含水量(40%(W1)、50%(W2)、60%(W3)、70%(W4)4个水平)两因素裂区试验。结果表明：Richards方程拟合秸秆覆盖和水分调控下冬小麦籽粒灌浆过程的决定系数在0.977 5～0.999 6，达到极显著水平。秸秆覆盖和水分调控间的交互作用对除最大灌浆速率和平均灌浆速率

外其他冬小麦籽粒灌浆特征参数的影响达到显著或极显著水平。其中，秸秆覆盖下土壤相对含水量60%(TW3)处理组合具有最长的灌浆持续期T(51.91 d)，最长的灌浆中期持续期T2 (15.230 d)和灌浆后期持续期T3 (26.556 d)，最大的灌浆中期灌浆速率R2(0.897 mg/d)和灌浆后期灌浆速率R3(1.365 mg/d)。产量、水分利用效率和耗水量的二次曲线关系表明，在耗水量240～270 mm可达到产量与水分利用效率双高的效果。本试验中以秸秆覆盖与土壤相对含水量60%(TW3)处理组合水分利用效率最高(29.02 kg/(mm·hm2))，较秸秆覆盖下土壤相对含水量的70%(TW4)提高了5.30%；产量为7 097.7 kg/hm2，与TW4处理组合差异不显著。

关键词：冬小麦；秸秆覆盖；滴灌；土壤含水量；灌浆特性；产量

水资源不足是制约当今农业持续快速发展的核心因素，如何有效利用有限的水资源，满足作物的正常需水是农业生产面临的重大问题[1-2]。冬小麦产量形成受多方因素的影响，其中籽粒灌浆期是冬小麦产量形成的关键时期。籽粒的灌浆期除受小麦品种自身生物遗传学特性的影响外，水分利用效率对冬小麦籽粒灌浆进程以及冬小麦籽粒质量都有着重要作用[3]。研究表明，在灌浆期间持续干旱会引起作物的最大灌浆速率降低，且籽粒到达最大灌浆速率的时间提前；且干旱持续时间过久还会影响其他部位营养往籽粒运输的比例，破坏库源关系，造成植株早衰而减产[4-5]。因此，研究土壤水分对冬小麦灌浆特性影响及冬小麦产量形成有一定的理论与实践意义。

滴灌作为当今农业领域先进的节水灌溉技术，以作物需水规律为依据，通过高频率、小流量的灌水方式将作物所需水分与养分均匀、持续地运送至作物根部，可最大限度地降低农田土壤水分往下渗漏及农业用水浪费[6-7]。张洁梅等[8]通过大田试验得出小麦产量和水分利用效率表现为滴灌>微喷>喷灌。赵志成等[9]对不同膜下滴灌方式下黄瓜水分利用效率的研究显示，分根交替滴灌可使灌水量减少17%、水分利用效率提高18.6%。

杜尧东等[10]研究表明，在作物生长前期秸秆覆盖可减少土壤水分蒸发；在生育后期通过秸秆覆盖可以加强植株蒸腾作用，促进干物质积累，为冬小麦生育后期提供大量水分、改善土体结构[11-12]、优化农田生态环境[13]。秸秆覆盖(9 000 kg/hm2)能够显著增加冬小麦籽粒灌浆中后期旗叶叶绿素a含量，有效抑制籽粒灌浆期旗叶光合速率的下降，提高冬小麦叶面积系数，延缓冬小麦植株衰老和光合作用下降[14-15]。而冬小麦的籽粒灌浆，是光合产物在籽粒中充实积累的过程，因此，可通过秸秆覆盖延缓灌浆期。

目前，关于秸秆还田、滴灌量对冬小麦灌浆特性及产量影响的研究较多[16-19]，但针对黄淮海平原地区滴灌条件下秸秆覆盖和土壤含水量互作对冬小麦灌浆特性及产量影响的研究较少。为此，在前人研究的基础上，将秸秆覆盖与水分调控结合，探究滴灌下秸秆覆盖和土壤水分条件对冬小麦灌浆及其产量形成的影响，明确冬小麦节水高产栽培机制，为黄淮海区滴灌下秸秆覆盖结合滴灌技术的推广和应用提供技术支撑。

1 材料和方法

本试验于2015年10月-2016年6月在河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(N 34°35′13″，E 115°34′30″)大型移动式防雨棚测坑下进行。该地区属暖温带大陆性季风气候，2015-2016年冬小麦生育期内实照时数1 282 h。该地2015，2016年的平均气温为13.9 ℃，全年大于10 ℃积温4 000～4 800 ℃，无霜期205～230 d。2015-2016年平均降雨量841.9 mm，2015-2016年平均蒸发量1 735 mm。试验地土壤呈碱性，pH值9.26，土壤0～40 cm平均容重为1.37 g/cm3，土壤0～40 cm田间持水量平均值为21%(体积含水量)。不同覆盖处理土壤基础养分如表1。

采用两因素裂区试验设计，主区为秸秆处理，设覆盖(T)、不覆盖(T0)2个水平，将每小区粉碎的玉米秸秆和根茬全部覆盖还田(全量还田，9 000 kg/hm2)，均匀覆盖于地表，地表秸秆(包括根茬)全部清除的小区作为不覆盖；副区为灌溉：设土壤相对含水量40%(W1)、50%(W2)、60%(W3)、70%(W4)4个水平(表2)，每个处理组合重复3次，每个测坑为1个小区；当测定土壤相对含水量低于相应处理控制的土壤相对含水量时，通过公式

计算灌溉量，灌水补充至相应控水水平。每小区面积均为6.6 m2(3.3 m×2 m)，小区四周用0.5 cm厚的钢板圈围防止侧渗。播种前灌溉至田间持水量，冬小麦返青-拔节期控水。灌水计划湿润层深度：拔节前为0.6 m，拔节-成熟期间为0.8 m，其他与当地种植习惯一致。试验期间严格控制旱棚防止自然降水落入试验小区。各小区施肥量保持一致，采用地面滴灌方式供水，水肥一体化施氮(纯氮300 kg /hm2，基肥∶追肥=7∶3)，分别于冬小麦苗期和拔节期施入。滴灌带为以色列Netafirm公司生产，滴头间距离0.3 m，滴头流量1.1 L/h，承压1.4 ATM。供试冬小麦品种为矮抗58，播种量为165 kg/hm2。其他管理同一般大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒灌浆特性于冬小麦开花期选择开花时间相同的麦穗进行标记，于花后5 d开始取样，每5 d取1次，直至小麦成熟结束。每小区取5穗(3次重复)迅速剥离籽粒(穗中部籽粒30粒)，在105 ℃条件下杀青30 min，然后置于80 ℃恒温烘干至恒干质量，称重。用模型Richards拟合花后籽粒干质量变化规律[20-21]，以灌浆时间(t)为自变量，每次测得的千粒干质量(w)为因变量，Richards方程的表达式为：

式中： A为灌浆结束时所能达到的最大千粒质量，B、K、N为方程参数，N为生长曲线的形状参数；决定系数R2(w依t的回归平方和占总平方和的比率)表示方程拟合优度。通过千粒干质量w和灌浆时间t的拟合，得出各方程参数，建立秸秆覆盖与水分梯度互作处理籽粒灌浆过程模型。

求式①一阶导数，得冬小麦籽粒灌浆速率(Vt)方程：

求式①二阶导数，并令其为0，可以求出达到最大灌浆速率(Vmax)时的日期(Tmax)：

将Tmax代入式②即得Vmax。

活跃生长期D为灌浆结束时所能达到的最大千粒质量A除以

即

将灌浆过程划分为前、中、后期，生长速率方程Vt出现2个拐点，对其求t得二阶导数，并令其为0，可得2个拐点在t坐标上的值t1和t2，公式如下：

假定达到99%A为实际灌浆终止期t3，则

可得：<t1的阶段为籽粒灌浆前期T1；≥t1、<t2阶段为籽粒灌浆中期T2；>t2阶段为灌浆后期T3。

1.3.2 土壤体积含水量作物生长全生育期采用TRIME(TRIME-FM，IMKO，Ettlingen，DE，Germany)土壤水分测定仪测定土壤0～80 cm剖面土壤体积含水量(V%)，深度间隔为20 cm。

作物耗水量根据土壤体积含水量计算冬小麦生育期耗水量，作物耗水量采用土壤水量平衡法，其公式为：

式中：ET为冬小麦生育期耗水量(mm)，包括作物蒸腾失水和土壤蒸发水；P为有效降雨量(mm，本试验在旱棚下进行，可忽略不计)；I为生育期内灌水量(mm)；G为地下水补给量(mm，忽略不计)；R0为地表径流量(mm，无地表径流)；ΔW(mm)为播前土壤贮水量与收获后土壤贮水量的差值。因此，耗水量公式可简化为：

土壤贮水量根据土壤体积含水量计算冬小麦田0～80 cm(20 cm为1层)土壤总贮水量，其公式如下：

式中：W为0～80 cm土层总贮水量(mm)；r为土壤体积含水量(%)；h为土层间隔的厚度(cm)。

土壤灌水量依据测定土壤含水量计算冬小麦不同生育时期灌水量(mm)。水分处理阶段灌水量依据公式

计算。由于测坑填土为分层填土，每个土层与外界大田基本一致，拔节期后土壤水分计算用0～40 cm容重。

式中：M为灌水量(mm)；h 为土层厚度(cm)；p为土壤容重(g/cm3)；30为0～80 cm田间持水量(M/%)；Xi为设置的土壤水分控制水平(Xi=40%，50%，60%，70%)；V0为灌溉前土壤含水量(%)。冬小麦全生育期灌水时期及灌水量如表3所示。由表3可知秸秆不覆盖下各处理冬小麦全生育期灌水量分别比秸秆覆盖高0.57%，22.85%，12.24%，3.10%。

1.3.3 产量及产量构成因素在冬小麦成熟期对小区样点进行调查，计算3个样点平均穗数。每个小区随机选取10株，进行考种；同时每个小区选取1 m2样方进行收割、脱粒计产。

产量水平的水分利用效率(WUE，(kg/(hm2·mm))(Water use efficiency)如公式所示：

式中：Y表示籽粒产量(kg/hm2)；ET表示全生育期总耗水量(mm)。

1.4 数据处理与分析

试验数据用Microsoft Office Excel 2010进行处理，利用Origin 8.0进行线性拟合(GLM Model)和图表制作，采用SAS V8.0统计分析软件进行裂区试验的方差分析(Duncan test)，冬小麦灌浆特性采用Curve Expert 1.6.5软件进行Richard模型模拟。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖与土壤水分互作对冬小麦产量、产量构成因素及水分利用效率的影响

由表4可知，除穗粒数外，秸秆覆盖、土壤相对含水量及二者之间的交互作用对冬小麦的成穗数、产量、总耗水量、水分利用效率均有显著或极显著影响；秸秆覆盖对千粒质量的影响不显著,土壤相对含水量和二者间的交互作用对千粒质量影响达极显著水平。相同水分条件下，TW1、TW2、TW3、TW4的产量较T0W1、T0W2、T0W3、T0W4组合分别高18.43%，14.77%，-2.43%，11.15%，说明相同水分条件下通过秸秆覆盖可以增加作物产量；TW1、TW2、TW3、TW4的WUE较T0W1、T0W2、T0W3、T0W4分别高7.02%,7.21%,4.28%,15.85%，说明秸秆覆盖还能够显著提高冬小麦产量水平的WUE。在相同覆盖模式下，随着控水水平的提高T0与T成穗数增加，均表现为W4水分条件下成穗数最高，分别较W1高66.87%，54.68%；TW1、TW2、TW3、TW4 4个处理组合下的冬小麦千粒质量较T0W1、T0W2、T0W3、T0W4分别高4.29%，-9.58%，3.62%，7.05%。由此可见，造成冬小麦产量增加的主要原因是成穗数增多，千粒质量增大。而且TW3和TW4产量差异不显著，水分利用效率差异显著，在TW3时WUE最高(29.02 kg/(hm2·mm))，较TW4处理WUE提高5.3%产量和水分利用效率同步提高。

由图1可知，耗水量与籽粒产量和WUE均呈二次曲线关系：

YPY=-0.194 3x2+134.2x-14 822

YWUE=-0.001 5x2 + 0.757 6x -71.979

由图1可以看出，水分利用效率和产量随耗水量变化的趋势并不同步，产量和水分利用效率在耗水量240 mm处有一交点，为二者理论上的最佳结合点，可以得出在耗水量240～270mm能够达到产量和水分利用效率双高的效果。

注：表中数据采用平均值，同一指标同列数值间的不同字母表示差异显著性，*.P≤0.05，**.P≤0.01)，NS表示无显著差异。图4、表6同。

Note：The data in the table are presented with the mean，and values with in the same column with different lower case letters mean significant difference at 0.05 levels，* means significant difference at P≤0.05，**means significant difference.at P≤0.01，NS means no significant difference。The same as Fig.4，Tab.6.

2.2 不同处理组合冬小麦籽粒灌浆数学模型的建立

采用非线性最小二乘法，对秸秆覆盖及水分交互作用下冬小麦花后灌浆时间t与千粒干质量w的关系采用Richards方程进行模拟，各方程参数见表5。由表5可知各处理方程的R2处于0.977 5～0.999 6，这说明用Richards模型描述秸秆覆盖与水分梯度互作下冬小麦籽粒灌浆增重过程是合适的。

由图2可以看出，Richards生长模型是由N的大小决定的一簇曲线，01时，速率曲线右偏。同一水分条件下不同覆盖模式间，整体表现为秸秆不覆盖下的N小于秸秆覆盖，说明秸秆覆盖处理的生长曲线更为右偏。相同覆盖模式下，秸秆覆盖下各时期平均千粒质量较不覆盖处理低46.32%，36.60%，25.75%，10.70%，4.60%，7.10%，-0.97%，随着灌浆时间的增长，秸秆不覆盖处理在30 d时提前降低，而秸秆覆盖处理在35 d仍有增加的趋势，说明秸秆覆盖可以延缓灌浆时间。

2.3 不同处理下冬小麦籽粒灌浆特征分析

根据Richards模型计算出不同处理冬小麦籽粒灌浆特征参数如表6所示，秸秆覆盖和水分调控及二者之间的交互作用对除最大灌浆速率和平均灌浆速率外其他冬小麦籽粒灌浆特征参数的影响达到显著或极显著水平。在同一水分条件下，秸秆覆盖下各处理平均灌浆速率较不覆盖相应分别提高13.02%，1.91%，-6.18%，17.91%，最大灌浆速率Vmax较不覆盖分别高13.61%，2.98%，-10.19%，20.97%，说明秸秆覆盖能够提高冬小麦籽粒灌浆速率。在相同覆盖模式下，秸秆不覆盖区W3灌浆速率Vmax最大为2.513 mg/d，最高平均灌浆速率为1.634 mg/d；秸秆覆盖区处理W3有最长的灌浆持续期T(51.91 d)，较长的灌浆中期持续期T2 (15.230 d)和灌浆后期持续期T3 (26.556 d)，较大的灌浆中期灌浆速率R2(0.897 mg/d)和灌浆后期灌浆速率R3(1.365 mg/d)。

注：A.最大千粒质量；B、K、N.Richards方程参数；R2.决定系数。

Note：A.Largest thousand seed weight；B，K，N.The arguments of Richards equation；R2 .Determination coefficient.

Tab.6 Parameters of grain filling properties of winter wheat under different treatments

注：灌浆速率=籽粒增加质量(W1、W2、W3)/灌浆持续期(T1、T2、T3)。

Note: Grain filling rate=Increased grain quality(W1, W2, W3) / Grain filling duration (T1, T2, T3).

2.4 不同处理下冬小麦灌浆期0～80 cm土壤水分变化特征

2.4.1 土壤总贮水量变化由图3可以看出，在相同覆盖模式下，秸秆覆盖与不覆盖均表现为W4>W3>W2>W1。在同一水分调控下，秸秆覆盖下各水分处理较秸秆不覆盖分别高6.23%,5.45%,-5.50%,4.30%，说明秸秆覆盖可以增加土壤贮水量。

2.4.2 土壤耗水量变化由图4可知，秸秆覆盖与水分调控间的交互作用对冬小麦0～80 cm土壤耗水量的影响表现为：W3处理间差异不显著外，W1、W2、W4处理间差异显著。在相同水分条件下，秸秆覆盖下土壤耗水量较秸秆不覆盖分别高30.26%，21.47%，-1.59%，-14.10%。在相同覆盖模式下，秸秆覆盖下土壤耗水量随着水分梯度的增高先增后降，秸秆不覆盖下土壤耗水量依次增高。

3 结论与讨论

土壤水分利用效率是影响作物生理特性和生长活动的重要生态因子，其供应状况与作物的生长发育有着密切的联系，最终影响作物产量[22-23]。而籽粒灌浆是作物产量形成的关键过程，籽粒灌浆强度、灌浆速率决定着冬小麦库容的充实程度[17]。姚素梅、孟兆江等[24-25]采用Richards模型对冬小麦籽粒灌浆过程进行拟合，方程的R2均在0.990 0以上，说明用Richards模拟冬小麦籽粒的灌浆过程是合适的。本试验采用Richards生长模型对秸秆覆盖与水分调控下冬小麦籽粒灌浆过程进行模拟，结果显示冬小麦灌浆过程均符合“S”型生长曲线，R2在0.977 5～0.999 6。因此Richards能够准确地反映出秸秆覆盖与水分调控互作下冬小麦籽粒灌浆增重的过程。

冬小麦的籽粒灌浆过程是光合产物在籽粒中的充实和积累，受外界条件影响较大，因此，必须了解在特定处理下冬小麦的灌浆持续时间及灌浆速率，从而选择适宜的农艺措施，达到节水、高产、高效的目的。分析Richards模型计算出的与产量形成密切相关的特征参数，选择产量与WUE双高的处理组合。刘培等[26]通过对冬小麦灌浆过程进行不同程度水分胁迫处理发现，冬小麦籽粒重量的形成取决于灌浆速率，而与灌浆持续时间无显著相关。杨茹等[17]通过对不同灌溉模式下春小麦灌浆过程进行模拟，得出千粒质量与快增期、缓增期以及整个灌浆持续期显著相关，而与灌浆速率无显著相关。本研究通过秸秆覆盖与水分调控互作，对比分析了冬小麦灌浆期各处理间灌浆特征参数：TW3有最长的灌浆持续期T(51.91 d)，较长的灌浆中期持续期期T2 (15.230 d)和灌浆后期持续期T3 (26.556 d)，较大的灌浆中期灌浆速率R2(0.897 mg/d)和灌浆后期灌浆速率R3(1.365 mg/d)。本试验条件下，造成TW3籽粒质量与籽粒灌浆有极显著影响的原因可能与土壤水分有关。前人研究表明，秸秆覆盖可使土壤蓄水增加45.2～69.3 mm，土壤蒸发量减少21.5%～63.2%[27]；滴灌比传统灌溉增产204.15 kg/hm2，总耗水量减少32.91 mm，水分利用效率增加0.73 kg/(mm·hm2)[28]。邓振镛等[29]在黄土高原地区研究了土壤贮水量与农田耗水量对冬小麦产量的影响，认为冬小麦产量与农田耗水量间的关系呈显著正相关，农田耗水量每增加1 mm生物产量就增加1.416 kg。本研究结果表明，秸秆覆盖下各水分处理土壤贮水量较秸秆不覆盖分别高6.23%，5.45%，-5.50%，4.30%，秸秆覆盖下土壤贮水量高。虽然秸秆不覆盖下各处理冬小麦全生育期灌水量分别比秸秆覆盖高0.57%，22.85%，12.24%，3.10%，TW3灌浆期耗水量所占比重最高，通过蒸腾作用可以带给植株充足的水分，从而达到延长灌浆持续时间的目的。

节水农业追求的主要目标是作物产量与水分利用效率同步提高。研究表明，水分利用效率与产量的最高点并不重合，水分利用效率早于产量达到最高点[30-31]。本研究表明，水分利用效率和产量随耗水量变化的趋势并不同步，产量和水分利用效率在耗水量240 mm处有一交点，为二者理论上的最佳结合点，可以得出在耗水量240～270 mm能够达到产量和水分利用效率双高的效果。本试验中，秸秆覆盖条件下，W3水分处理(TW3)时冬小麦的产量与TW4处理间差异不显著，且TW3水分处理组合时水分利用效率最高为29.02 kg/(mm·hm2)，与TW4的水分利用效率间差异显著，TW3为本试验条件下最好的节水高产灌溉组合。秸秆覆盖与水分互作，可以减小土壤水与大气的接触面积，降解的秸秆可增大有机质含量，从而促进土壤中团粒结构的形成[32]，增大冬小麦根系在土壤中的分布，能够保持冬小麦根际的水分与养分[14]。同时，土壤贮水量还是冬小麦生产力的重要因素，与产量呈正相关[29]。本试验将秸秆覆盖与水分调控结合，以Richards模型拟合冬小麦籽粒灌浆过程，研究结果显示，秸秆覆盖与水分互作条件下冬小麦籽粒灌浆过程符合“S”型生长曲线，秸秆覆盖下水分调控W3(田间持水量的60%)可以延长冬小麦籽粒灌浆持续期、增大灌浆中后期的灌浆速率、延长灌浆时间提高籽粒千粒质量，从而提高作物产量。

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Effects of Straw Mulching and Soil Water Content on Grain Filling Characteristics of Winter Wheat under Drip Irrigation

BAI Tiantian1，2，PEI Xinyong3，GUAN Xiaokang1，2，YANG Mingda1，2，ZHANG Pengyu1，WANG Jingli1，2，WANG Hezhou4，WANG Tongchao1，2

(1.Agricultural College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002， China；2.Henan Food Crops Collaborative Innovation Center，Zhengzhou 450002，China；3.Agricultural Economy of Information Research Center，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China；4.Farmland Irrigation Research Institute,ChineseAcademy of Agricultural Sciences,Xinxiang 453002，China)

d. Yield, water use efficiency and water consumption of quadratic curve relationship indicate that crop yield and water use efficiency achieve the highest level at the same time in the water consumption of 240-270 mm. What is more, TW3 obtained the maximum WUE, 29.02 kg/(mm·hm2), increasing by 5.30% relative to TW4, while grain yield was 7 097.7 kg/ha with no significant difference with TW4.

Key words：Winter wheat；Straw-mulching；Drop irrigation；Soil water content；Grain-filling characteristics；Yield

作者简介：白田田(1990-),女,河南洛阳人,在读硕士,主要从事旱作节水理论与技术研究。

通讯作者：王同朝(1964-),男,河南社旗人,教授,博士,主要从事作物抗旱节水栽培理论与技术研究。