不同灌水量和矿化度对小麦生长影响的试验研究

张济斌，蒋 静, 马娟娟，冯绍元，李国安

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

随着淡水资源的日益紧缺，咸水灌溉逐渐引起了人们的关注，研究咸水资源灌溉的增产效益和土壤、生态环境效应，对解决水资源危机、指导农业生产具有重要意义[1]。咸水灌溉可以在一定程度上缓解淡水资源短缺的问题，但是同时也会造成土壤中盐分的积累，从而对土壤环境和作物生长产生不利的影响。

国内外学者进行了大量关于咸水灌溉对作物生长及土壤环境影响的研究。利用微咸水进行灌溉时要考虑的因素包括作物耐盐性、灌溉制度、水资源管理策略、灌溉频率以及土壤特性，只要控制土壤含盐量、水分、相对溶液浓度指标不超过作物耐盐限度，对作物产量、品质没有明显影响，而且可以起到节约淡水的作用，且安全可行[2-5]。李红等[6]以株高为指标研究不同浓度微咸水对小麦的影响，发现当微咸水浓度较低时，盐分对株高的抑制不明显，并一直保持到试验结束。对小麦进行不同灌溉水矿化度处理的灌溉试验，发现作物地上部干物质总量随灌溉水矿化度增加而减少，作物产量及其要素也随灌溉水矿化度增加而减小[7,8]。河北省东南部盐渍化地区进行冬小麦3.2 g/L微咸水灌溉试验研究，结果表明：利用微咸水进行灌溉对冬小麦的生长有一定的抑制作用，地上部干物质累积量只有淡水灌溉处理的75%左右，但对其最后的经济产量影响不大，相应地提高了收获指数[9]。本研究将灌水量与灌水矿化度相结合，对作物生长(株高、叶面积指数、地上干物质量)及产量进行分析研究。

石羊河流域位于我国西北部属干旱、半干旱地区，降雨稀少，水资源短缺是当地农业发展最主要的制约因素[10]。小麦作为当地主要粮食作物，耗水量大，因此研究灌水量、灌水矿化度对小麦生长及产量的影响对该地区咸水资源利用及节水灌溉的发展具有重要意义。

1 试验方法

1.1 试验区概况

本试验在中国农业大学石羊河试验站进行，该站位于甘肃省武威市，地处石羊河流域中游。该地区属于典型的大陆性气候，年平均气温7.8 ℃，降水量少，年平均164.4 mm；蒸发量大，年平均约2 000 mm；日照时间长，2 200～3 030 h；无霜期为85～165 d。耕地土壤为粉沙壤土，土壤密度为1.58 g/cm3，土壤初始含盐量0.9～1.5 g/kg，pH值为8.3，田间持水率为0.30 cm3/cm3。

1.2 试验概况

1.2.1试验材料与设计

试验材料选取小麦(永良四号)，播种日期为2014年3月30日，收获日期为7月24日，生育期117 d。试验设计2个因素，灌水量3个水平(355、280、205 mm)，矿化度4个水平(0.7、3.0、5.0、7.0 g/L)，共计12个处理，3组重复，布置了36个3 m×3 m的小区，小区之间保护区1 m。0.7 g/L灌溉水由地下水抽取，咸水采用质量比为1∶2∶2的CaSO4、MgSO4和NaCl与地下水按比例混合配制而成。灌溉制度如表1所示。

1.2.2测试项目及方法

采用精度0.01的米尺测量株高，每个处理测定10株植株取其平均值。叶面积指数采用冠层分析仪(SunScan Canopy Analysis System，type SS1，Delta-T Devices Ltd，U.K.)测定。收获时每个小区人工收割1 m2，风干后测土地上所收获作物地上部分的干物质总量和籽粒产量，折算出每公顷产量。小麦播种前、收获后、灌水前后用土钻取土法进行水盐观测。取土深度为120 cm，共分为7层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)。观测项目主要包括质量含水率(烘干法)、土壤pH值(Mettler-Toledo Five Easy 20)、电导率(SG3-ELK742，Mettler-Toledo International Inc.，Switzerland)等，试验站设有气象站对当地气象进行实时监测。

表1 咸水灌溉试验灌水方案Tab.1 Irrigation schedule for saline irrigation experiment

2 结果与分析

2.1 咸水灌溉对小麦株高的影响

2.1.1灌水量对小麦株高的影响

图1为4种灌水矿化度下，不同灌水量对小麦株高的影响。拔节期前期和抽穗期前期，小麦生长速度较快约为0.5 cm/d；拔节期末期和抽穗期末期，生长速度较慢约为0.3 cm/d，抽穗期结束后，小麦株高基本不再变化，灌水对小麦节间伸长已不起作用。

图1 不同灌水量小麦株高动态变化Fig.1 Dynamics of wheat height under different irrigation amount

不同灌水量处理之间抽穗期以后开始对株高影响产生差异，各处理之间差异并不明显(p>0.05)，灌水矿化度为0.7、3.0 g/L时，株高随灌水量的增大而增大；在5.0 g/L处理下[图1(c)]，W3S3处理株高最小，W2S3株高高于W1S3处理，原因是灌水量增大时，也向土壤带入了更多的盐分，对作物的盐分胁迫更为明显；在7.0 g/L处理下[图1(d)]，不同灌水量小麦株高差别较小，与W1S4相比，W2S4减少2%，W3S4减少4.7%；7.0 g/L处理下株高随灌水量的减少而降低。

2.1.2灌水矿化度对小麦株高的影响

由图2可知，在抽穗后期至灌浆期，3种灌水量条件下不同灌水矿化度对株高产生不同的影响。在充分灌溉条件W1下[图2(a)]，与0.7 g/L处理相比，3.0 g/L处理引起株高降低不超过1%。小麦株高表现为W1S1>W1S2>W1S4>W1S3，W1S3与W1S4之间不存在显著性差异(p<0.05)；W2条件下，4种盐分水平影响株高差异并不明显，小麦株高相近，表现为随矿化度的增加而降低，与S1相比S2、S3、S4依次降低0.7%、1.6%、2.7%；W3条件下，不同矿化度条件下株高差异不显著。

图2 不同矿化度条件下小麦株高动态变化Fig.2 Dynamics of wheat height under different irrigation water salinity

灌水矿化度3.0 g/L咸水灌溉对小麦有良好效果，株高降低不超过1%，多项研究[9,11,12]也表明微咸水灌溉对小麦有良好效果。灌水矿化度大于5.0 g/L，盐分胁迫开始显著，在灌水矿化度较高(7.0 g/L)时，株高主要受盐分的影响，不同灌水量的影响较小。充分灌溉时灌水矿化度对株高的影响较明显，株高最大降低16%；在缺水时，灌水矿化度对株高的影响并不明显，缺水时盐分影响株高减低不超过8.4%。综上所述，选取3.0 g/L的咸水对小麦进行充分灌溉，对小麦株高影响不明显。

2.2 咸水灌溉对小麦叶面积指数的影响

2.2.1灌水量对小麦叶面积指数的影响

图3表示了小麦在相同灌水矿化度条件下不同灌水量对叶面积指数的影响。5月18日以前小麦叶面积指数受灌水量影响不是很明显，降低不超过0.6 cm2/cm2，随灌水量的减少而降低；7月1日，在S1、S2、S3处理下，W1与W2差距明显缩小，相差不超过2.7%，可见灌水矿化度低于5.0 g/L时，灌水量W3(280 mm)对叶面积指数的影响不明显，在S4处理下，叶面积指数在充分灌溉W1S4处理下明显高于亏水灌溉W2S4、W3S4处理，分别降低21.6%、24.0%；到了成熟期7月15日，淡水灌溉W1S1分别比W2S1、S3S1高出26.2%、34.6%，而在S2、S3、S4处理下，3种灌水量对小麦叶面积指数的影响相差较小，相差幅度为4.76%～20.07%；W3处理的作物叶面积指数在每个生育期均比W1、W2处理小，生长相对缓慢。

图3 不同灌水量对叶面积指数的影响Fig.3 Effect of different irrigation water amount on leaf area index

2.2.2矿化度对作物叶面积指数的影响

图4表示了小麦在相同灌水量条件下不同灌水矿化度对叶面积指数的影响。由图4可知，叶面积值指数各生育期内表现为随灌水矿化度的增加而降低，大量研究[10,13-15]得出结论与本研究一致。5月9日3种灌水量处理条件下，叶面积指数都表现为随灌水矿化度的增加而降低。在充分灌溉W1下，5月18日，与W1S1处理下的叶面积指数相比，W1S2处理下叶面积指数高出4.2%，因为微咸水灌溉可以促进小麦叶片生长，张展羽等[16]也得出微咸水有利于作物生长的结论，7月1日、7月15日叶面积指数都表现为随灌水矿化度的增加而降低，淡水处理明显高于咸水灌溉，3种灌水矿化度处理相差不大，最大差距不超过0.26 cm2/cm2；W2、W3处理下，各个时期均表现为叶面积指数都表现为随灌水矿化度的增加而降低，但各盐分处理差别不是十分明显，差距不超过0.86 cm2/cm2，W3处理下叶面积指数各个时期都较小，且灌水矿化度对小麦叶面积指数影响差别较小。

研究表明在淡水处理时缺水W2与W3对叶面积指数影响较小，各种灌水量处理下叶面积指数随灌水矿化度成增加而降低。研究表明相同灌水量条件下，叶面积指数随灌水矿化度成增加而降低，且一定时期叶面积指数W1S2处理大于W1S1处理。综上所述：3.0 g/L咸水充分灌溉对小麦叶面积指数影响较小，且一定时期能促进叶片生长。

2.3 咸水灌溉对小麦产量及干物质的影响

2.3.1咸水灌溉对小麦产量的影响

图5表示了不同灌水量对小麦产量的影响。由图5可知：在相同灌水矿化度处理下，小麦产量随灌溉水量的减少而降低，文献[17,18]得出与本研究相似结论，W1处理与W3处理存在显著性差异(p<0.05)，W2S1与W1S1、W3S1之间没有显著性差异(p>0.05)。淡水灌溉处理下，与充分灌溉W1S1相比，W2S1、W3S1分别减产7.31%、27.70%；咸水灌溉时，充分灌溉W1处理下的产量明显大于非充分灌溉(W2、W3)，3.0 g/L水平下，W2S2比W1S2降低16.16%，5.0 g/L水平下，W2S3比W1S3降低15.59%，7.0 g/L水平下，W2S4比W1S4降低11.97%，7.0 g/L条件下产量下降较低，由于灌水量的增加盐分含量随之增加所导致，而非充分灌溉W2、W3处理的产量差异不是很明显，W3与W2处理的产量相比，在3.0 g/L处理下，产量降低13.31%，在5.0 g/L处理下产量降低6.03%，在7.0 g/L的处理下产量降低11.26%。

图5 不同灌水量对产量的影响Fig.5 Effect of different treatment irrigation amount on wheat yield

图6表示了不同灌水矿化度对小麦产量的影响。由图6可知：在相同灌水量处理下，产量随着灌水矿化度的升高而减少，大量研究[15,19-22]结论与本研究一致，经分析仅S1与S4之间存在显著性差异(p<0.05)。在充分灌溉W1处理下，W1S1与W1S2处理产量相差1.81%，W1S3与W1S4处理产量相差4.61%，灌水矿化度大于5.0 g/L，盐分对产量影响开始加重；在亏水W2、W3条件下，淡水处理S1明显高于咸水灌溉S2、S3、S4，而S2、S3、S4处理下产量相差较小，W2条件下，W2S2、W2S3、W2S4处理产量相差不超过7.39%，产量随矿化度的增高而降低；W3条件下W3S2、W3S3、W3S4处理产量相差不超过1%，主要因为灌水量减少盐分随之减少，盐胁迫对产量的影响也随之降低。

图6 不同灌水矿化度对产量的影响Fig.6 Effect of different irrigation water salinity on wheat yield

2.3.2对作物干物质积累的影响

图7表示了不同灌水量处理下小麦收获后地上干物重比较。由图7可知：在相同盐分水平下，地上干物重随着灌水量的减少而减少，文献[17,18]得出与本研究相似结论，经方差分析知，地上干物质重在只有W1与W3处理之间存在显著性差异(p<0.05)。灌溉水质为当地下水时，灌水量对干物质积累影响较小，干物质依次减少5.9%、4.6%；3.0 g/L水平下充分灌溉明显高于亏水处理W2S2、W3S2，干物质积累分别下降43.2%，50.3%；5.0 g/L水平下，干物质量降低趋势减弱，依次降低18.8%，18.2%，由此可见在5.0 g/L条件下，W2S3与W3S3对作物干物质量的影响基本相同；在7.0 g/L水平下，亏水W2S4与充分灌溉W1S4作用效果相同，可以适当减少灌水量不影响作物干物质量。

图7 不同灌水处理下小麦干物质量Fig.7 The dry matter of wheat under different irrigation amount

图8为不同灌水矿化度处理下小麦收获后地上干物质量比较。由图8可知：在充分灌溉处理下，干物质量随着灌水矿化度的升高而减少，即W1S1>W1S2>W1S3>W1S4，大量研究[8,15,19-22]得出结论与本研究一致。经方差分析知，S1与S2、S3、S4均存在显著性差异(p<0.05)，S2、S3、S4之间不存在显著性差异(p>0.05)。充分灌溉时，与W1S1相比，W1S2、W1S3、W1S4依次减低2.2%、16.6%、8.1%，矿化度大于5.0 g/L时，盐分对干物质量影响变得严重，赵志才[15]得出与本节研究相似结论；W2水平下0.7 g/L干物质量最大，与W2S2相比，W2S3、W2S4依次为9.1%、20%，主要原因是盐分抑制了作物的生长；W3水平下仍然是0.7 g/L干物质积累最多，但S2、S3、S4对干物质量的影响差距较小，相差不超过6.7%。

图8 不同矿化度处理下小麦干物质量Fig.8 The dry matter of wheat under different irrigation water salinity

研究表明相同水质的条件下作物产量与干物质随灌水量的减少而降低，W2与W1不存在显著差异，重度亏水W3对产量影响显著，实际灌溉应避免灌水量过少。在相同灌水量时，小麦产量、干物质量(W1处理下)随灌溉水矿化度增加而降低，灌水矿化度大于5.0 g/L，盐分对产量、干物质的影响开始明显，但3.0 g/L在充分灌溉时对产量、干物质影响最小，可以应用于实际灌溉。

3 结 论

(1)在相同灌水量条件下，随灌水矿化度的增加，株高降低2.7%～16%，W1时灌水矿化度对株高的影响较明显，株高最大降低16%，在缺水时，灌水矿化度对株高的影响并不明显；叶面积指数都表现为随灌水矿化度的增加而降低，叶面积指数降低9.65%～28.28%；产量与干物质随矿水矿化度的增加而降低，产量降低1.81%～27.02%、干物质减少15.66%～34.42%。

(2)在相同灌水矿化度条件下，随灌水量的减少，株高降低1.37%～11.67%，灌水矿化度大于5.0 g/L，盐分胁迫开始显著，在灌水矿化度较高(7.0 g/L)时，株高主要受盐分的影响，不同灌水量的影响较小；叶面积指数降低14.07%～20.45%，淡水处理时缺水W2与W3对叶面积指数影响较小；产量与干物质随灌水量的减少而降低，产量减少7.31%～27.33%、干物质减少10.26%～49.04%。

(3)微咸水充分灌溉W1S2(3.0 g/L)处理与淡水W1S1(0.7 g/L)处理对小麦影响差别不大。株高相差小于1 cm、叶面积指数减少7.6%、减产0.7%、干物质减少7.1%，因此微咸水充分灌溉W1S2(335 mm，3.0 g/L)可用于当地实际灌溉以节约淡水资源。灌水矿化度大于5.0 g/L时，盐分对作物的影响开始显著，株高、产量、干物质分别下降16%、28%、26.64%。因此，该地区若采取5.0 g/L及以上的水质对小麦进行灌溉，需合理规划，科学使用大于5.0 g/L的咸水。

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