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于2012~2013和2013~2014年度,在山东省兖州市进行大田试验,供试小麦品种为济麦22。2012~2013年度,试验设置拔节水、播种水+拔节水、冬前水+拔节水、拔节水+开花水、播种水+拔节水+开花水、冬前水+拔节水+开花水6个补灌时期组合,0~140 cm土层为拟湿润层,以全生育期不灌水和播种期、拔节期、开花期定额补灌60mm处理为对照,共8个处理。2013~2014年度,试验设置补灌时期组合与2012~2013年度一致,设置0~20 cm和0~140 cm两个土层为拟湿润层,以全生育期不灌水处理和播种期、拔节期、开花期定额补灌60mm处理为对照,共14个处理。同时,2012~2013年设置不同仪器法测定土壤含水量差异性和相关性试验,试验分别采用频域反射(FDR)、时域反射(TDR)、驻波率(SWR)土壤水分测试仪及传统烘干法于小麦冬前期、拔节期和开花期进行土壤含水量测定,设置0~20、0~40和0~60 cm三个拟湿润层深度。各处理补灌的目标相对含水量在冬前期、拔节期和开花期分别为80%、70%和70%,共12个处理。研究不同补灌时期和不同拟湿润层深度对小麦耗水特性、碳氮代谢和籽粒产量的影响主要结果如下:1补灌时期和拟湿润层深度对小麦产量和水分利用效率的影响1.1补灌时期和拟湿润层深度对小麦根系分布和耗水特性的影响播种期补灌,小麦0~20 cm土层根系在冬前期的生长受到抑制,但返青后根长密度、根表面积密度和根干重密度迅速提高,冬前期补灌亦有利于返青后小麦根系的生长;小麦开花期0~100 cm土层根系的根长密度、根表面积密度和根干重密度随土层深度的增加而降低。开花期前不灌水或者仅在在拔节期灌1水,可以促进根系下扎,提高60~100 cm土层土壤中根系的根长密度、表面积密度和干重密度。播种期和拔节期补灌或冬前期和拔节期补灌,促进了20~40 cm和40~60 cm土层中根系的生长。播种期灌水量及之后的灌水频率和时期一致的条件下,拟湿润层深度为0~20 cm的处理与拟湿润层深度为0~140 cm的处理相比,总灌水量减少12.2~43.1mm,总耗水量减少1.9~35.1mm.。小麦全生育期各处理对80~140 cm土层土壤贮水的消耗量最大。全生育期不灌水或只在拔节期补灌1水,促进了小麦对80~200 cm土层土壤水的利用;开花期补灌,显著降低小麦对80~200 cm土层土壤水的消耗。在补灌时期和次数相同条件下,拟湿润层为0~20cm,目标相对含水量为100%的处理比拟湿润层0~140cm,目标相对含水量为70%的处理和定额60mm补灌的处理,总灌水量和总耗水量显著降低,土壤贮水消耗量显著增加。1.2不同处理对小麦土壤温度的影响在拟湿润层深度均为0~20cm土层条件下,播种期补灌后5~30cm土层土壤温度日较差降低,且播种期至冬前期期间5~30cm土层积温比播种期不补灌处理低0.4~16.8℃,在此土层范围内,随土层深度增加,两处理之间的积温差增大。冬前期补灌可提高冬前期至返青期间的土壤温度;播种期+拔节期补灌处理与冬前期+拔节期补灌处理相比,拔节后的土壤温度升高;播种期+拔节期+开花期补灌处理与冬前期+拔节期+开花期补灌处理相比,全生育期5~30cm各土层积温提高了60.3~136.7℃。小麦各土层每日各时段的温度呈周期性变化,以“s”曲线由表层向深层渐次递减或递增,以5cm土层土壤温度变化幅度最大,日最高和最低温度均出现在该土层;在5~30cm土层范围内随土层加深,土壤温度日变化幅度逐渐减缓。不同补灌处理对土壤温度有显著影响,播种期补灌降低了土壤温度日变化幅度;冬前期补灌后2d内,其土壤温度明显高于播种期补灌水的处理。1.3不同处理对小麦内源激素的影响小麦拔节期和开花期,处理间aba含量表现为随补灌次数增加而降低的趋势,ga含量表现为随灌水次数增加而提高的趋势;播种期+拔节期+开花期补灌处理的小麦旗叶aba含量在拔节期和开花期低于其余处理,而旗叶ga含量则高于其余处理。播种期+拔节期+开花期补灌处理拔节期和开花期的旗叶aba含量最低,ga含量最高。1.4不同处理对旗叶衰老的影响小麦开花后,各处理旗叶过氧化氢酶(cat)活性随灌水次数增加呈降低趋势,可溶性蛋白含量随灌水次数增加呈升高趋势。小麦生育期补灌3水处理旗叶丙二醛(mda)含量在开花后0d至28d期间一直低于其余处理,而可溶性蛋白含量则一直高于其余处理。说明冬前期+拔节期+开花期补灌有利于降低小麦旗叶细胞膜结构受损程度,延缓旗叶衰老,维持较高的细胞代谢水平。1.5不同处理对小麦碳代谢的影响补灌播种水、冬前水、拔节水和开花水,对提高小麦旗叶最大光化学效率(fv/fm)、旗叶实际光化学效率(ΦpsⅡ)和旗叶电子传递效率(etr)以及光合速率(pn)均有显著调节作用,补灌播种水+拔节水+开花水或冬前水+拔节水+开花水的处理,花后旗叶最大光化学效率(fv/fm)、旗叶实际光化学效率(ΦpsⅡ)、旗叶电子传递效率(etr)、旗叶光合速率(pn)和旗叶水分利用效率(wueleaf)均高于其余处理。在本试验小麦生长季补灌水0~3次条件下,补灌次数越少,开花后旗叶可溶性糖积累越快,但积累总量越低,释放越快;全生育期补灌次数越多,开花后旗叶可溶性糖积累相对越慢,但后期积累量越大,释放平稳,有利于可溶性糖向籽粒淀粉转化。适当增加补灌次数,小麦灌浆中后期源叶有更强的供应能力。补灌时期和次数相同的情况下,拟湿润层深度为0~20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0~140cm、目标相对含水量为70%的处理以及定额补灌60mm处理对小麦开花后旗叶可溶性糖含量的影响无显著差异。小麦开花后14d和28d旗叶同化的13c同位素在成熟期籽粒中分配的比例高于开花后0d旗叶13c同位素标记的处理,说明小麦灌浆中后期旗叶光合碳同化物对籽粒灌浆的贡献较大;小麦全生育期补灌冬前水+拔节水+开花水处理的13c同化积累量显著高于其余处理,说明其花后旗叶光合碳同化能力较强。小麦生长季补灌播种水、冬前水、拔节水、开花水,均可以提高小麦干物质积累量,其中全生育期补灌3水的处理成熟期干物质积累量高于补灌2水、1水和0水的处理。补灌开花水显著提高了开花后同化的干物质量对籽粒的贡献率。在拔节期和开花期补灌的条件下,增灌播种水或冬前水均能提高小麦开花前营养器官贮存干物质向籽粒的转运量和开花后干物质积累量。补灌时期和次数相同的条件下,拟湿润层深度为0~20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0~140cm、目标相对含水量为70%的处理以及定额补灌60mm处理对小麦开花后干物质积累和转运的影响无显著差异。1.6不同处理对小麦氮代谢的影响小麦全生育期补灌3水比补灌2水更有利于提高小麦开花前营养器官氮素积累量及其向籽粒的转运量,增加籽粒氮素积累量,但对氮素利用效率无显著影响;在拔节期和开花期补灌的条件下,增灌播种水对小麦植株氮素积累量、籽粒氮素积累和氮素吸收利用效率的调节作用与增灌冬前水无显著性差异;补灌时期和次数相同的条件下,拟湿润层深度为0~20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0~140cm、目标相对含水量为70%处理以及60mm定额灌溉处理对小麦氮素积累、转运和吸收利用的调节作用无显著差异。1.7不同处理对籽粒产量和水分利用效率的影响两年度试验各处理籽粒产量均呈现随补灌次数增加而增加的趋势,但全生育期补灌播种水+拔节水+开花水的处理与补灌冬前水+拔节水+开花水处理之间无显著差异。补灌时期和次数相同条件下,2012~2013年度,以0~140 cm土层为拟湿润层补灌的处理与每次60 mm定额灌溉处理相比,产量无显著差异,但灌水量减少25.4 mm~57.2 mm,水分利用效率明显提高;2013~2014年度,拟湿润层深度为0~20 cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0~140 cm、目标相对含水量为70%的处理和定额60mm补灌处理相比,籽粒产量无显著差异,但灌水量减少了9.8 mm~42.5 mm,水分利用效率提高0.3~1.3 kg·hm-1·mm-1。上述结果表明在相同的灌水频率和时期条件下,以0~20 cm土层相对含水量达到100%为目标补灌或以0~140 cm土层达到70%~80%为目标补灌可挖掘出小麦高产水平下节水的更大潜力。2不同仪器法测定土壤含水量的相关性和差异性FDR和SWR仪器测得的FCv换算为以水土质量百分比表示的田间持水量FCv-m,与传统方法测得的田间持水量FCm之间的相对误差为0.4%~2.6%;TDR仪器测定计算得出的WCv-m值与烘干法测得的WCm值的相对误差与相应土层土壤温度呈极显著正相关,在冬小麦播种期、开花期和成熟期较高,在冬前期和拔节期较低;SWR仪器测定计算得出的WCv-m值与WCm值的相对误差与相应土层土壤含水量呈极显著负相关,在土壤含水量较高的条件下测量的准确度较高。FDR仪器在冬小麦生育期内测量的准确性受土壤温度和水分的影响较小,准确度和稳定性均较高,直接利用其测定的FCv和WCv值计算灌水定额补灌,获得了与传统烘干法测定土壤含水量后按需补灌一致的效果。