不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦生长发育及产量的影响

胡宏远，南学军，马国飞*

(1.中国气象局 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象科研所，宁夏 银川 750002)

随着社会经济的发展，粮食安全问题已成为21世纪人类面临最严峻的挑战之一，充足的粮食供应是保障和谐社会的重要物质基础，而区域粮食供需平衡是确保国家粮食安全的重要前提[1]。2021年6月1日，《中华人民共和国乡村振兴促进法》正式施行，将“粮食安全战略”写进法律，用法律武器保障国家粮食安全。小麦作为世界最重要的粮食作物之一，其总面积、产量及贸易额均居粮食作物之首，是世界35%人口的主要粮食作物。在我国，小麦是第三大粮食作物，仅次于水稻和玉米，常年种植面积在2400万hm2以上，总产量超过1.15亿t，约占粮食作物产量的20%，有超过50%的人口以小麦为主要粮食，小麦生产的稳定发展、产量高低及品质优劣对保障粮食安全和人民生活水平的提高具有极其重要的意义[2-3]。因此，在新时代新发展环境条件下，探究小麦生产安全、提质增产具有重要意义。

中国北方特别是西北地区水资源严重短缺，加之灌溉用水利用率低，干旱缺水问题已成为制约当地社会经济可持续发展的重要瓶颈[4]。小麦作为我国北方地区的重要粮食作物，虽然具有较强的抗旱能力，但区域干旱缺水已成为该地区小麦生产的主要因素之一[5]。宁夏地处我国西北内陆，降水稀少且时空分布不均，有“十年九旱”之说，而北部引黄灌区位于黄河中上游，具有地势平坦、土壤肥沃、有效积温高等得天独厚的地理和气候条件优势，历来自流灌溉、取水便利、有天下黄河富宁夏之“塞上江南”之美誉[6]，该区域农作物病虫害轻，又有丰富的黄河水资源，为无公害、优质粮食生产奠定了良好的基础条件[7]。近年来，宁夏自治区政府将优质粮食作为全区13个优势特色产业之一[8]，又通过实施“优质粮食工程”，保障全区优质粮食生产[9]。据统计，2019年宁夏小麦种植面积达107773 hm2，占粮食作物播种面积的15.91%，产量34.6145万t，占粮食总产的9.28%，单位面积产量3212.0 kg/hm2，占粮食单位面积产量的58.30%，灌区已成为主要的粮食生产基地，对宁夏粮食生产作出了重大贡献[10]。

宁夏头水灌溉一般在4月中下旬，灌区春小麦正值3叶期到分蘖期，也是幼穗分化的关键期，对水分极其敏感，此期水分缺乏会造成分蘖和穗粒数减少而影响小麦的产量。针对头水灌溉前人也开展了相关研究，马金虎等[11]研究表明，在4月25日前后进行头水灌溉试验，常规4次灌水能满足小麦各时期正常生长发育而获得高产。马文礼等[12]将宁夏灌区头水灌溉时间提早2周，在对株高无影响的前提下，延长了小麦生育期，促进了分蘖，增加了小麦的穗数。

前人的研究用科学的方法进一步阐明了头水灌溉对小麦生产的重要意义，但针对宁夏小麦头水灌溉系统性的研究鲜为报道。因此，本文在前人研究的基础上，探究不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦生长发育及产量的影响，旨在进一步明确头水灌溉的时间，为提高水分利用效率，提质增效、提质增产奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019年在宁夏银川永宁县望洪镇西和村进行，试验地处引黄灌区中部，属中温带干旱气候区，大陆性气候特征明显。年平均气温9.6 ℃，夏季各月平均气温在20 ℃以上，日较差13.6 ℃，≥10 ℃平均积温3626.3 ℃·d，无霜期平均166 d，年日照时数2892.3 h。前茬作物为玉米，供试品种为永春4号，播量262.5 kg/hm2，行距10 cm，试验过程中田间管理保持与大田一致。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，小区面积24 m2(4 m×6 m)，3次重复，小区间及保护行间铺设1.0 m深塑料膜，以防止水分下渗及径流。试验于小麦分蘖期开始处理，以大田常规灌溉为对照(CK)，按照不同灌水时间设置：提前1 d灌头水(T1)、提前5 d灌头水(T2)、提前10 d头水(T3)、推迟11 d灌头水(T4)4个处理，详细设计见表1。

表1 试验设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高及密度测定 采用定点标记法，每隔5 d，随机选取10株小麦，3次重复，用直尺测定株高。

孕穗期前每隔5 d，每小区随机选取3行，分别测定每平方米的分蘖数和行数，孕穗期后测定每行总茎数，3次重复，并计算密度(茎/m2)。

1.3.2 干物质积累和灌浆速率测定 在关键生育时期随机选取生长一致的植株10株，重复3次，置于烘箱105 ℃杀青，随后在75 ℃条件下烘至恒重，用电子天平称取干重。

自花后10 d后开始，每隔5 d，随机选取10株麦穗，重复3次，待在实验室烘干后，测定穗粒数和穗粒重，计算千粒重。

灌浆速率/[g/(1000粒·d)]为该时段千粒重与前期千粒重差值，除以间隔天数。

1.3.3 测产及考种 小麦成熟后，随机选取有代表性植株30株进行考种，考种项目包括：穗长、穗粒重、穗数、千粒重、茎秆重、小穗数、不孕小穗率等指标，产量为各小区实测产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 10.0软件进行数据处理及作图，不同处理之间多重比较采用Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦株高的影响

由图1表明，不同头水灌溉时间处理下，灌区春小麦株高在18.00～86.26 cm，且在6月6日达到最大值。不同处理条件下小麦株高依次为T2>T3>T1>CK>T4，与CK相比，T1、T2、T3处理的株高分别增加了3.46%、9.58%、8.66%，T4处理的株高减少了19.55%，各处理与CK均存在显著差异(P<0.05)。

图1 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦株高的影响

2.2 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦密度的影响

由图2表明，各处理春小麦的密度变化均呈现先升高后下降趋势，前期增加较快，后期趋于平缓。不同处理条件下，小麦密度由大到小依次为T3>CK>T2>T1>T4，与CK相比，T3处理的密度增加了52.60%，T1、T2、T4处理的密度依次减少了15.33%、0.37%、47.18%，各处理与CK差异均达显著差异(P<0.05)水平。

图2 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦密度的影响

2.3 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦干物质积累的影响

由图3表明，不同处理条件下春小麦地上部干重、鲜重变化整体呈现先升高后下降趋势，6月21日(乳熟期)均达到最大值。与CK相比，T1、T2、T3处理的鲜重分别增加了1.18%、5.44%和12.05%，T4处理减少37.93%；T1、T2、T3处理的干重分别增加了5.94%、12.70%和29.32%，T4处理干重减少18.53%。T3处理的地上部鲜重和干重均显著高于CK(P<0.05)，且增速最快，T4处理的地上部鲜重和干重最低，且与CK差异显著(P<0.05)，增速最慢，其他处理间差异不显著(P<0.05)。

图3 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦地上部干重、鲜重的影响

2.4 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦灌浆速率的影响

由图4表明，不同处理间宁夏灌区春小麦灌浆速率呈现“降-升-降”变化趋势，且在6月26日(乳熟后期)达到最大值。与CK相比，T1、T2、T3、T4处理的灌浆速率分别下降0.29%、11.74%、7.48%、4.12%。不同处理间的灌浆速率存在明显差异，其中，T4处理在花后10～15 d的灌浆速率维持在较高水平，且显著(P<0.05)高于其他处理，其次为CK和T2处理。随后三者灌浆速率均呈现下降趋势。处理开始时T1和T3处理的灌浆速率较低，随着生长发育进程的推进，其灌浆速率开始持续增加，于6月26日(乳熟后期)灌浆速率达最大，且与其他处理差异达到显著水平(P<0.05)。各处理在花后15～20 d，其灌浆速率迅速下降，其中T4处理下降最明显，其次为T1处理，二者差异显著(P<0.05)，其他处理间差异不显著(P<0.05)。

图4 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦灌浆速率的影响

2.5 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量的影响

2.5.1 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量构成要素的影响 由表1表明，T2和T3处理的穗长、穗重、茎秆重、小穗数、穗粒数、穗粒重均显著(P<0.05)高于CK。与相比CK，T2处理分别增加了11.90%、14.62%、32.44%、5.94%、22.85%、20.05%，T3处理分别增加了12.70%、25.09%、39.19%、14.18%、26.89%、32.64%。其中，穗重、小穗数、穗粒重以T3处理显著(P<0.05)高于T2。相比于CK，T4处理的穗长、穗重、茎秆重、小穗数、穗粒数、穗粒重分别减少了24.60%、30.99%、28.53%、12.84%、41.18%、27.71%，且与CK达到显著(P<0.05)差异水平。T1处理的小穗数、穗粒数、穗粒重与CK之间达到差异显著(P<0.05)水平。不孕小穗数、不孕小穗率以T4处理最大，且显著(P<0.05)高于其他处理，T2、T3处理则显著(P<0.05)低于CK，T1处理的不孕小穗率与CK差异不显著(P<0.05)。T4处理的千粒重最大，且显著(P<0.05)高于其他处理，T1、T2、T3处理则显著(P<0.05)低于CK，各处理间均达到显著差异(P<0.05)。T2、T3处理的穗秆比显著(P<0.05)低于其他处理，其他处理间的差异不显著(P<0.05)。

表1 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量构成要素的影响

2.5.2 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量的影响 由表2可知，在不同处理条件下小麦理论产量和实际产量差异较大。其中，理论产量由高到低依次为T2>T3>T1>CK>T4，与CK相比，T1、T2、T3分别增产2.27%、31.39%、21.83%，T4处理则减产41.54%。方差分析结果表明：T1与CK处理差异不显著(P<0.05)，二者与其他处理均达到差异显著(P<0.05)水平，T4处理的理论产量则显著(P<0.05)低于其他处理。实际产量由高到低依次为T3>T2>T1>CK>T4，与CK相比，T1、T2、T3分别增产0.23%、11.46%、18.75%，T4处理则减产21.98%。T1与CK差异不显著(P<0.05)，其他各处理间均达到差异显著(P<0.05)水平。

表2 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量的影响

2.5.3 不同头水灌溉时间对宁夏灌区春小麦产量结构及产量相关性分析 由表3可知，除小麦千粒重与其他产量结构要素、茎秆重和小穗数二者与穗秆比之间相关性不显著(P<0.05)，穗秆比与穗长相关性显著(P<0.05)外，其他产量结构之间均呈现极显著(P<0.01)相关关系。产量相关性分析表明，穗秆比、千粒重与产量之间呈现负相关关系，且差异不显著(P<0.05)，其他产量结构要素与产量间相关性均达到极显著水平(P<0.01)，其中，不孕小穗率与产量之间存在极显著(P<0.01)负相关，其他指标与产量间均存在极显著(P<0.01)正相关。

表3 不同头水灌溉时间对宁夏灌区小麦产量结构及产量相关性分析

3 讨论

小麦灌头水后，开始进入旺盛生长阶段，该时期作为营养生长与生殖生长的并进期，也是幼穗分化时期，对水分的需求量急剧增加，土壤水分直接影响有效小穗数和穗粒数的分化[13-14]。研究表明，分蘖期、拔节期适当灌溉，能促进小麦叶片早发、早分蘖、生根，提高水分利用效率，增加光合作用和光合产物积累和转运，群体光合能力的大小反映了干物质积累多少及供给籽粒实体的营养高低，最终决定了产量的高低。在干物质积累量的大小受群体结构、密度、叶面积和土壤水分等诸多制约因子中，仍以水分占主导作用[15]。而缺灌头水导致减产幅度最大达13.48%，缺灌拔节水减产幅度较小为4.35%[16]，试验研究表明：不同处理条件下，小麦株高均在6月6日达到最大值，提前灌头水均能显著提高小麦株高，而推迟灌水能显著降低小麦株高。提前10 d灌头水能显著提高小麦密度，且密度最先达到最大值，提前1 d、5 d灌头水均能显著降低小麦密度。提前灌头水均能显著增加小麦鲜重、干重，且随着提前时间的增加而增加。不同处理灌浆速率在6月26日均达到最大值，随后开始下降，但各处理的灌浆速率变化程度不同。其中T3和T1处理的小麦灌浆速率整体呈上升趋势，达到极值后，T1处理下降幅度较大，而T3处理在下降的同时维持在较高水平，且变化平缓。T2处理灌浆速率在前期有下降趋势，达到极值后，开始下降且维持在较高水平。T4处理的灌浆速率波动最大，前期较好，达到极值后，速率最低。

提前灌头水均能显著提高小麦穗长、穗重、茎秆重、小穗数、穗粒数、穗粒重，一定程度上能显著降低不孕小穗数、不孕小穗率、穗秆比，延迟灌头水不利于小麦生长。其中，T3处理的效果最理想，均能显著增加小麦穗长、穗重、茎秆重、小穗数、穗粒数、穗粒重，能显著降低不孕小穗数、不孕小穗率、穗秆比，千粒重显著低于T4、CK，这可能与二者小穗数、穗粒数较少而导致千粒重增加有关。产量结构、产量相关性分析表明，不同时间灌水通过影响穗长、穗重、茎秆重、小穗数、穗粒数、穗粒重等产量结构指标，进而影响到灌区小麦产量的形成。在本试验条件下，不同时间灌水方式使得千粒重与小麦产量呈现负相关关系，这可能与头水灌水时间推迟影响了春小麦单株分蘖数，导致春小麦单株分蘖率下降有关，而灌水时间提前，单株分蘖较多，小麦群体分蘖穗重量较小，受分蘖穗的影响，进而导致千粒重下降，最终导致千粒重与产量之间呈现较弱的负相关关系。对理论产量、实际产量的分析表明，提前灌头水均能显著提高产量，其中，T3处理增产最显著，T4处理不利于产量增加，说明宁夏灌区春小麦在4月中旬灌头水，能促进群体构成、单株发育，为高产奠定了基础，这与王岩萍[17]、王红光[18]等研究结果相同。

4 结论

在目前小麦生产现行灌溉制度下，宁夏灌区春小麦提前灌头水能不同程度提高产量，以4月中旬灌头水的效果最理想，能显著促进群体构成、单株发育，可以更大程度地提高小麦产量。

近年来，在全球气候变暖大背景下，宁夏灌区春季回温快，春小麦播种普遍开始提前，而目前灌区春小麦生产多采用传统的渠水漫灌方式，水利部门、农户应更加认识到早灌头水的重要意义，敢于打破现行的春小麦灌溉制度，结合小麦需水规律、土壤水分状况，为今后以水定地、以水定产、科学种田、科技养田，提高水分利用效率，增产体质奠定实践基础。