全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(11): 20452054 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家科技支撑计划项目(2007BAD69B05)和北京市自然科学基金项目(6072018)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 王志敏, E-mail: zhimin206@263.net; Tel: 010-62734011
第一作者联系方式: E-mail: zsq8200@126.com; Tel: 010-62732557
Received(收稿日期): 2009-02-24; Accepted(接受日期): 2009-05-31.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.02045
冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成
张胜全 1 方保停 1,2 张英华 1 周顺利 1 王志敏 1,*
1 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100193; 2 河南省农业科学院小麦研究中心, 河南郑州 450002
摘 要: 为探讨华北平原冬小麦节水栽培适宜灌溉模式及其产量形成与资源利用规律, 2004—2008 连续 4 年在同一
地块比较春不灌水(I0)、春灌 1水(I1)和春灌 2水(I2) 3种灌溉模式对冬小麦水氮利用特性与产量形成的影响。在均实
行晚播和一次性底施氮量 157.5 kg hm2条件下, 各模式年际间籽粒产量稳定, I0、I1和 I2模式的 4年平均产量分别为
6 134、7 515和 8 134 kg hm2, 平均总耗水量分别为 3 334、3 829和 4 270 m3 hm2, 平均总吸氮量分别为 162.5、197.9
和 212.2 kg hm2。在耗水构成中, 土壤贮水消耗占总耗水量的比例分别为 66.7%、49.2%和 37.8%。3种灌溉模式的
水分利用效率达 1.9~2.0 kg m3, 灌溉模式间无显著差异; 氮素利用效率在 3 个灌溉模式间也无显著差异, 平均为
38.0 kg kg1 N。3种灌溉模式主茎穗占成穗数比例平均为 81%, 开花期上三叶叶面积指数 2.6~3.8, 旗叶节以上非叶
绿色器官面积指数 2.7~3.6。综合以上结果, 冬小麦 3种灌溉模式及其配套技术形成的群体结构可在不同产量水平上
实现水、氮资源高效利用。
关键词: 冬小麦; 节水栽培; 氮素利用效率; 高产; 灌溉模式
Utilization of Water and Nitrogen and Yield Formation under Three Limit-
ed Irrigation Schedules in Winter Wheat
ZHANG Sheng-Quan1, FANG Bao-Ting1,2, ZHANG Ying-Hua1, ZHOU Shun-Li1, and WANG Zhi-Min1,*
1 College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2 Wheat Research Center, Henan Academy of
Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China
Abstract: Water shortage is a great challenge in winter wheat (Triticum aestivum L.) production worldwide. Studies on wheat
physiology and ecology have been carried out aiming at yielding more grains with less consumptions of water and nitrogen ferti-
lizer. Cultivation techniques based on limited irrigation and nitrogen application are highly emphasized in North China Plain,
where water stress is the most major problem in regular years. In Wuqiao area, Hebei province, China, a series cultivation systems
have been established with distinct effects of high yield and small water consumption. The principle measure in the technique
system was controlling the irrigation frequency and water amount. The purpose of this study was to disclose the mechanism of
high-yielding and high resource use efficiency in the cultivation system established in Wuqiao. In the consecutive growing sea-
sons from 2004 to 2008, field experiments were conducted at the Wuqiao Experimental Station of China Agriculture University
under three limited irrigation schedules, i.e., no irrigation in spring (I0), 750 m3 ha1 of water at jointing (I1) and each 750 m3 ha1
of water at jointing and anthesis (I2). Fertilizers were only applied before sowing, including urea 225 kg ha1, (NH4)2HPO4
300 kg ha1 (thus, the total nitrogen was 157.5 kg ha1), K2SO4 225 kg ha1, and ZnSO4 22.5 kg ha1. The characteristics of water
and nitrogen use and the formation of grain yield were investigated at jointing, booting, anthesis, and maturity stages. The results
showed that the average yield was 6 134 kg ha1 for I0, 7 515 kg ha1 for I1, and 8 134 kg ha1 for I2 treatment, and the average
total evapotranspiration was in the order of 3 334, 3 829, and 4 270 m3 ha1. The ratio of soil water consumption to total
evapotranspiration was 67%, 49%, and 38% in I0, I1, and I2 treatments, respectively. The water use efficiency ranged from 1.9 to
2.0 kg m3 with no significant differences among treatments. This indicated that approximately 52.6 m3 of water was required for
yielding 100 kg of grains. Under the nitrogen application level of 157.5 kg ha1, the average total nitrogen accumulation was 163,
198, and 212 kg ha1 in I0, I1, and I2 treatments, respectively. Consistent results with slight variations were observed in the total
nitrogen accumulation across years. The average nitrogen use efficiency of the three irrigation treatments was 38 kg kg1 and there
were no significant differences among treatments. In terms of the characteristics of plant population, the leaf area index (LAI) at
2046 作 物 学 报 第 35卷

booting and anthesis, as well as the LAI for the top three leaves were not significantly different between I1 and I2 treatments, but
they were significantly higher than those in I0 treatment. The LAI for the top three leaves and non-leaf organs green area index
(NAI) above flag leaf ranged from 2.6 to 3.8 and from 2.7 to 3.6, respectively. The ratios of non-leaf organs green area above flag
leaf to the uppermost three leaf area and total leaf area were more than 1.0 and 0.7, respectively. Three limited irrigation schedules
showed steady grain yield and high resource use efficiency for consecutive four years.
Keywords: Winter wheat; Water-saving cultivation; Nitrogen use efficiency; High yield; Irrigation schedule
华北地区是我国小麦主产区, 水资源不足是限
制该地区小麦生产持续发展的主要因素[1-2]。传统小
麦高产栽培全生育期内需灌水 4~5 次 , 总灌水量
3 000 m3 hm2左右, 不仅灌水和耗水量大, 而且水
分利用效率低[1-2]。近年来, 为提高小麦水肥利用效
率开展了节水灌溉理论与技术研究[2-7]。作物对适度
水分胁迫有一定适应性, 在某些作物上早期适度水
分亏缺有利于增产[8]。小麦前期适度水分亏缺会改
善株群结构 [9-10], 改善同化物分配 , 提高收获指
数[2-3,10], 从而显著提高水分利用效率。在适度的水
分供给条件下, 小麦氮素吸收与利用效率较高, 而
水分过多或严重亏缺均会降低氮素吸收和氮利用效
率[11-16]。由于各地自然与生产环境不同, 供水条件
有较大的区域间和年际间差异, 因此需要研究不同
的节水灌溉模式及与之相适应的高产栽培技术模
式。在河北吴桥地区建立的“冬小麦节水高产技术
体系”[1-2], 包括 3 种节水栽培灌溉模式, 即在适当
晚播、浇足底墒水的基础上, 根据供水条件在小麦生
育期采取不浇水、浇 1 水或浇 2 水的灌溉方式。这 3
种灌溉模式在华北地区具有较广泛的代表性[2-4], 但
其水氮利用特性、高产形成机制及其在年际间的稳
定性需要进一步阐明。本研究基于“冬小麦节水高
产技术体系”长期定位试验, 对这 3 种节水灌溉模
式的多年数据进行综合分析, 以期揭示节水高产冬
小麦产量形成机制及水氮利用特性, 为华北平原冬
小麦节水栽培实践提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验点和试验地概况
试验于 2004—2008年在中国农业大学吴桥试验
站(北纬 37°4102, 东经 116°3723, 海拔 14~22 m)
进行。全年光照 2 724.8 h, 年平均气温 12.9℃, 无霜
期 201 d, 小麦生长季多年平均降水量 124 mm, 2004—
2008 年冬小麦生长季实际降水量及分布见表 1。试验
地土壤为壤质底黏潮土, 试验前 0~20 cm 土壤含有机
质 1.1%、全氮 0.09%、碱解氮 71.8 mg kg1、速效磷
21.1 mg kg1、速效钾 96.6 mg kg1。地下水位 7~9 m。
1.2 试验设计
供试田块为连续多年冬小麦节水灌溉定位示范
田, 实行冬小麦—夏玉米一年两熟种植制度, 夏玉
米 6月 10~15日播种, 9月 30日至 10月 5日收获, 生
育期内田间管理措施多年保持一致, 生长季无灌溉,
种植品种均为郑单 958, 施纯氮量均为 180 kg hm2,
收获后玉米秸秆全部还田。冬小麦 10月 14~16日播
种, 为该地区典型晚播冬小麦(该地区常规播种期为
10月 5~10日), 12月 10日之后进入越冬期, 越冬期
主茎叶龄 4.0~4.5, 次年 6 月 4~9 日成熟。多年供试
品种均为石家庄 8号。
试验处理为 3 种灌溉模式, 均在播前灌足底墒
水(750 m3 hm2), 2007年度播前降雨 70 mm, 未浇底
墒水。春季分别设不灌水(I0)、灌 1次拔节水(I1)和拔
节期和开花期各灌 1次水(I2) 3种模式(表 2), 每次灌
水定额 750 m3 hm2。2008年因花前降雨, I2处理第
二水推迟至灌浆期, 灌溉量为 596 m3 hm2。使用水
表计量灌溉水量。每处理 4次重复, 小区面积 56 m2,
处理之间设置 2 m 隔离带。底肥一次性施入尿素
(含纯 N 46%) 225 kg hm2、磷酸二铵(含纯 N 18%) 300
kg hm2(合计纯氮量为 157.5 kg hm2)、K2SO4 225 kg
hm2和 ZnSO4 22.5 kg hm2, 春季不追肥, 其他田间
管理措施参照小麦节水高产栽培技术[1]。
表 1 2004—2008年冬小麦生长季降雨分布
Table 1 Precipitation distribution during winter wheat growth period from 2004 to 2008 (mm)
月份 Month 生长季
Growing season 10 11 12 1 2 3 4 5 6
总计
Total
2004–2005 2.0 5.3 8.6 0.0 16.3 0.0 3.7 33.7 0.0 69.6
2005–2006 0.0 7.2 0.0 1.3 2.9 0.0 3.5 107.3 1.9 124.1
2006–2007 0.2 16.6 2.0 0.0 7.5 55.2 0.0 47.9 0.2 129.6
2007–2008 0.0 0.0 0.3 0.8 1.5 11.2 27.5 80.0 33.2 154.5
第 11期 张胜全等: 冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成 2047


表 2 不同灌溉模式生育进程及灌水日期(日/月)
Table 2 Date of growth stage and irrigation time in various irrigation schedules (day/month)
生育期 Growth stage 灌溉 Irrigation 处理
Treatment 播种
Sowing
拔节
Jointing
孕穗
Booting
开花
Anthesis
成熟
Maturity
第 1次
First
第 2次
Second
2004–2005
I0 15/10 8/4 21/4 6/5 6/6
I1 15/10 8/4 21/4 7/5 7/6 14/4
I2 15/10 8/4 21/4 7/5 7/6 14/4 8/5
2005–2006
I0 16/10 10/4 22/4 6/5 7/6
I1 16/10 10/4 22/4 7/5 8/6 14/4
I2 16/10 10/4 22/4 7/5 8/6 14/4 10/5
2006–2007
I0 15/10 7/4 22/4 7/5 7/6
I1 15/10 7/4 22/4 8/5 9/6 13/4
I2 15/10 7/4 22/4 8/5 9/6 13/4 13/5
2007–2008
I0 14/10 6/4 20/4 4/5 4/6
I1 14/10 6/4 21/4 6/5 7/6 27/3
I2 14/10 6/4 21/4 6/5 9/6 27/3 23/5

1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤水分蒸散量 于冬小麦拔节期、孕穗
期、开花期及成熟期, 在每小区内取 3点, 采用烘干
法以 20 cm为一层测定 2 m土体内土壤含水量, 采
用土壤水分平衡法计算土壤水分蒸散总量 ET =
SWD+P+I–D+Wg–R [4,6], 式中, SWD 为生育期土壤
水分变化量, P为降雨量, I为灌溉量, D为灌溉后土
壤水向下层流动量, Wg为深层地下水利用量, R为地
表径流。本试验地下水位 9 m, 且无地表径流, Wg、D
和 R 均可忽略。各生育阶段土壤水分蒸散总量采用
同样方法计算。
水分利用特征参数采用如下公式[2-6]计算, 耗水
模系数=生育阶段水分蒸散量/全生育期水分蒸散总
量×100; 耗水强度=生育阶段水分蒸散量/生育阶段
持续天数 ; 水分干物质生产率=生育阶段地上部干
物质积累量/生育阶段水分蒸散量; 水分利用效率=
经济产量/生长季水分蒸散总量。
1.3.2 植株干物质及氮素积累 于冬小麦拔节
期、孕穗期、开花期及成熟期从每小区内随机取
50 cm样段按照叶片、茎鞘、穗颖及籽粒等器官分样,
105℃杀青 30 min, 80℃烘干 48 h后称重, 2次重复。
将烘干植株样品粉碎过筛, 采用半微量凯式定氮法
测定氮含量 , 计算群体氮积累动态及氮利用指
标[2,14]。开花前贮藏物质转运率=(开花期营养器官干
物重－成熟期营养器官干物重)/开花期营养器官干
物重×100; 开花前吸收氮的转运率=(开花期营养器
官氮素量成熟期营养器官氮素量)/开花期营养器官
氮素量×100; 开花前贮藏物质对籽粒贡献率=(开花
期营养器官干物重成熟期营养器官干物重)/总粒重
×100; 开花前吸收氮对籽粒氮贡献率=(开花期营养
器官氮量成熟期营养器官氮量)/籽粒总氮量×100;
氮收获指数=成熟期籽粒总氮量/成熟期地上部总吸
氮量; 氮吸收强度=生育阶段地上部吸氮量/生育阶
段持续天数; 氮素干物质生产率=生育阶段地上部
干物重/生育阶段地上部吸氮量; 氮利用效率=经济
产量/成熟期地上部总吸氮量; 氮肥偏生产力=经济
产量/施用氮素总量。
1.3.3 小麦群体结构 于拔节期、孕穗期和开花
期, 分别从每小区内随机取 50 cm 样段, 测定样段
内植株各绿色器官面积, 2次重复。叶面积采用长宽
系数法 , 穗面积通过测定穗颖片及芒的表面积求
得[17-18], 茎鞘面积按圆柱形表面积测定。库容量=单
位土地面积穗数×每穗结实粒数; 穗叶比=单位土地
面积穗数/开花期相同土地面积上三叶叶面积; 粒叶
比=总结实粒数/开花期总叶面积; 单位籽粒占有花
前干物质量=开花期干物重/总结实粒数; 单位籽粒
占有花后干物质量=(成熟期干物重开花期干物重)/
总结实粒数。
1.3.4 籽粒产量 成熟期从各小区选取 2 m2样点,
单独收割, 脱粒测产, 2次重复。
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1.4 数据分析
采用 SPSS 11.5和 Microsoft Excel 2003进行统
计分析。
2 结果与分析
2.1 冬小麦产量形成分析
2.1.1 产量构成因素 每种节水灌溉模式的产量
水平年际间相对稳定, 变异系数较小(表 3)。I0、I1和
I2模式的 4年平均产量分别为 6 134、7 515和 8 134
kg hm2, 收获指数分别为 0.44、0.45和 0.46。产量构
成三因素中, 以穗数的年际变异较大, 主要受基本
苗制约, 穗粒数和粒重变异较小。穗数、穗粒数随灌
水量增加而增加, 且群体总库容量表现为 I2>I1>I0, 模
式间达显著差异; 而千粒重在 3 种模式间无显著差
异, 且以 I0最高(表 3)。因此, 不同模式产量的差异
主要决定于库容量。通径分析表明, 穗数与穗粒数
对群体库容量的直接影响表现为穗数(0.885)>穗粒
数(0.627), 说明穗数是决定群体库容量的主要因素。
2.1.2 群体结构 3种节水灌溉模式 4年的平均基
本苗为 615×104 hm2, 越冬期群体总茎数 1 531×104
hm2, 起身期群体最大总茎数为 1 992×104 hm2, 至
成熟期不同灌溉模式获得成穗数 727×104~798×104
hm2 (表 3), 主茎穗占成穗数比例达 77%~85%。由
于拔节前无灌溉, 小麦上部叶片生长受到控制, 而
群体非叶器官面积比例增加, 旗叶节以上非叶绿色
器官(穗、穗下节间和旗叶鞘)面积与群体叶面积之比
平均为 0.7, 与上三叶叶面积之比为 1.0~1.1, 且随着
灌水量减少, 叶面积比例降低, 非叶绿色器官面积
所占比例增加(表 4)。3 种节水灌溉模式开花期群体
结构特征为, I0 的群体叶面积指数(LAI)为 3.3~4.5,
上三叶 LAI为 2.1~3.1, 旗叶节以上非叶绿色器官面
积指数(NAI) 2.6~2.9, 群体穗/叶比 271~322穗 m2;
I1与 I2的 LAI为 4.6~5.7, 上三叶 LAI为 2.9~4.4, 旗叶
节以上NAI为 3.1~3.8, 群体穗叶比为 160~259穗m2。

表 3 不同灌溉模式下产量结构特征
Table 3 Yield components of winter wheat under three irrigation schedules
处理
Treatment
穗数
Panicle number
(×104 hm2)
穗粒数
Grain number
per panicle
千粒重
1000-grain weight
(g)
库容量
Sink capacity
(107 grain hm2)
籽粒产量
Grain yield
(kg hm2)
收获指数
Harvest index
2004–2005
I0 587 26.9 42.9 15.8 6098 0.44
I1 670 29.4 40.3 19.7 6953 0.46
I2 684 29.9 40.3 20.5 7501 0.47
2005–2006
I0 806 19.1 47.5 15.4 6400 0.45
I1 834 26.7 45.0 22.3 7639 0.46
I2 879 28.2 45.3 24.8 8514 0.47
2006–2007
I0 851 25.8 45.4 22.0 6015 0.41
I1 949 26.5 41.9 25.1 7802 0.41
I2 926 28.4 42.2 26.3 8837 0.42
2007–2008
I0 664 24.6 45.8 16.3 6022 0.44
I1 702 28.7 45.0 20.1 7665 0.46
I2 703 29.0 46.7 20.4 7684 0.46
Mean SE
I0 727123 b 24.13.5 b 45.41.9 a 17.43.1 c 6134181 c 0.440.0 a
I1 789128 a 27.81.4 a 43.12.3 a 21.82.5 b 7515381 b 0.450.0 a
I2 798122 a 28.90.8 a 43.62.9 a 23.03.0 a 8134643 a 0.460.0 a
CV (%)
I0 16.9 14.4 4.2 17.7 3.0 4.0
I1 16.2 5.2 5.4 11.4 5.1 5.6
I2 15.3 2.6 6.7 13.1 7.9 5.2
标以不同字母的平均值间差异显著(P≤0.05)。
Means followed by different letters are significantly different (P≤0.05).
第 11期 张胜全等: 冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成 2049


表 4 不同灌溉模式群体绿色面积组成及其变化
Table 4 Composition and dynamics of wheat canopy green areas in three irrigation schedules
开花期 Anthesis
处理
Treatment
孕穗期叶面积指数
LAI at booting stage 叶面积指数
LAI
旗叶节以上非叶绿色器官面积指数
NAI above flag leaf
上三叶叶面积指数
LAI of top three leaves
2004–2005
I0 4.6 3.4 2.8 2.1
I1 5.8 4.6 3.1 2.9
I2 5.8 4.6 3.1 2.9
2005–2006
I0 4.5 3.3 2.6 2.5
I1 5.7 5.0 3.8 3.4
I2 5.7 5.0 3.8 3.4
2006–2007
I0 7.2 4.5 2.6 3.1
I1 7.9 5.7 3.7 4.3
I2 7.9 5.7 3.7 4.3
2007–2008
I0 4.1 3.8 2.9 2.5
I1 7.7 5.5 3.7 4.4
I2 7.7 5.5 3.7 4.4
Mean SE
I0 5.11.4 b 3.80.6 b 2.70.1 b 2.60.4 b
I1 6.81.2 a 5.20.5 a 3.60.3 a 3.80.8 a
I2 6.81.2 a 5.20.5 a 3.60.3 a 3.80.8 a
LAI: leaf area index; NAI: non-leaf green organ area index.

2.1.3 产量物质来源 单位籽粒占有的花前干物
质量在 I0和 I1模式之间差异不显著, 均显著高于 I2
模式, 而单位籽粒占有花后干物质量在 3 种节水模
式间无显著差异(表 5)。随着灌水量增加, 花后物质
积累量和成熟期总生物量增加, 但花前物质转运率
和对籽粒贡献率均减少(表 6)。营养器官物质转运对
产量的贡献率, I2模式平均为 20.1%, I0模式平均为
32.1%, I1模式介于二者之间, 为 27.9%。
2.2 节水灌溉冬小麦水分利用分析
2.2.1 总耗水及其组成 尽管不同年份降水变异
较大, 但不同年份各灌溉模式的总耗水量变异相对
较小(表 7), I0总耗水量平均为 3 334 m3 hm2, I1平均

表 5 不同灌溉模式群体库源结构特征
Table 5 Characteristics of population sink-source structure in three irrigation schedules
处理
Treatment
粒叶比
RGL (m2)
穗叶比
REL (m2)
单位籽粒占有花前干物质量
PRDMPG (mg grain1)
单位籽粒占有花后干物质量
PODMPG (mg grain1)
2004–2005
I0 4588 280 51.5 24.0
I1 4320 231 45.0 22.3
I2 4484 236 43.7 24.4
2005–2006
I0 4708 322 54.3 25.8
I1 4463 245 41.7 22.7
I2 4965 259 37.3 26.0
2006–2007
I0 4856 275 43.9 14.8
I1 4427 221 47.6 17.7
I2 4629 215 45.5 23.5
2007–2008
I0 4307 271 51.8 21.5
I1 3697 160 46.9 24.8
I2 3738 160 46.3 25.0
Mean SE
I0 4615233 a 28722 a 50.44.5 a 21.54.8 a
I1 4227358 b 21439 b 45.32.7 ab 21.83.0 a
I2 4454518 b 21843 b 43.24.1 b 24.71.1 a
RGL: ratio of grain number to total leaf area; REL: ratio of ear number to the uppermost three leaf area; PRDMPG: pre-anthesis dry matter
shared per grain; PODMPG: post-anthesis dry matter shared per grain. Means followed by different letters are significantly different (P≤0.05).
2050 作 物 学 报 第 35卷

表 6 不同灌溉模式干物质和氮素的积累及向籽粒的转运
Table 6 Accumulation of dry matter and nitrogen and their translocation to grains in three irrigation schedules
处理
Treatment
开花期积累量
Accumulation amount
at anthesis (kg hm2)
成熟期积累量
Accumulation amount at
maturity (kg hm2)
转运量
Translocation amount
(kg hm2)
转运率
Translocation
ratio (%)
物质转运对籽粒贡献率
Contribution of transloca-
tion amount to grains (%)
I0 干物质 Dry matter 8647±656 12275±436 1705±202 19.7±1.0 32.1±4.4
氮素 Nitrogen 133.2±10.5 162.5±13.6 90.8±3.2 68.4±3.4 75.6±2.1
I1 干物质 Dry matter 9894±1407 14610±1315 1821±345 18.3±1.0 27.9±4.7
氮素 Nitrogen 160.0±8.7 197.9±11.7 104.3±1.9 65.3±4.1 73.4±2.3
I2 干物质 Dry matter 9907±1395 15579±1862 1402±301 14.3±3.4 20.1±5.1
氮素 Nitrogen 160.2±8.4 212.2±14.0 98.3±2.1 61.5±4.0 65.5±3.5

为 3 829 m3 hm2, I2平均为 4 270 m3 hm2。总耗水量
由灌溉水、降水和土壤贮水消耗量组成, 分析显示,
在耗水构成中, 播前土壤贮水消耗量占总耗水量的
比例最大, 且灌溉越少该比例越大, 4年平均, I0、I1
和 I2 3 种模式土壤贮水消耗占总耗水量的比例分别
为 66.7%、49.2%和 37.8%。相对来说, 每增加一次
灌溉, 土壤贮水消耗减少 300 m3 hm2, 总耗水量增
加 450 m3 hm2。3种模式经济产量的水分利用效率
均达到 1.9~2.0 kg m3(表 7)。
2.2.2 土壤含水量动态 从不同模式土壤水分含
量的时空变化来看(图 1), I0模式小麦孕穗前消耗的
主要是 100 cm以上土层水分, 至开花期耗水深度达
到 160 cm以下, 且 0~60 cm土层处于严重水分亏缺
状态, 至成熟期 2 m土体通体耗水, 0~80 cm土层严
重水分亏缺。I1 模式拔节期灌溉明显改善了拔节至
孕穗阶段土壤水分状况, 但没有改变花前与花后耗
水深度, 仅减小了花前各层土壤含水量的下降幅度,
开花期 0~60 cm 土层中度水分亏缺。I2模式在拔节
水基础上增加开花水, 则减少了后期 60 cm 以下土
层的水分消耗。3 种模式成熟期 2 m 土体含水量均

表 7 不同灌溉模式耗水结构及其组成
Table 7 Seasonal evapotranspiration and its components in three irrigation schedules
灌水
Irrigation
降水
Precipitation
土壤贮水消耗量
Soil water consumption
总耗水量
Evapotranspiration 处理
Treatment 数量
Amount
(m3 hm2)
比例
Percentage
(%)
数量
Amount
(m3 hm2)
比例
Percentage
(%)
数量
Amount
(m3 hm2)
比例
Percentage
(%)
数量
Amount
(m3 hm2)
比例
Percentage
(%)
水分利用效率
Water use efficiency
(kg m3)
2004–2005
I0 0 0 696 20.8 2654 79.2 3350 100 1.8
I1 750 20.5 696 19.0 2219 60.5 3665 100 1.9
I2 1500 34.7 696 16.1 2122 49.1 4318 100 1.7
2005–2006
I0 0 0 1241 40.5 1821 59.5 3062 100 2.1
I1 750 20.7 1241 34.2 1634 45.1 3625 100 2.1
I2 1500 38.1 1241 31.5 1198 30.4 3939 100 2.2
2006–2007
I0 0 0 1294 34.9 2415 65.1 3709 100 1.6
I1 750 17.9 1294 30.8 2155 51.3 4199 100 1.9
I2 1500 31.3 1294 27.0 1996 41.7 4790 100 1.8
2007–2008
I0 0 0 1216 37.8 2001 62.2 3217 100 1.9
I1 750 19.6 1545 40.4 1532 40.0 3827 100 2.0
I2 1346 33.4 1545 38.3 1143 28.3 4035 100 1.9
MeanSE
I0 0 0 1112 33.3 2223280 a 66.7 3334276 c 100 1.90.2 a
I1 750 19.6 1194 31.2 1885423 b 49.2 3829262 b 100 2.00.1 a
I2 1462 34.2 1194 28.0 1615516 b 37.8 4270382 a 100 1.90.2 a
标以不同字母的平均值间差异显著(P≤0.05)。
Means followed by different letters are significantly different (P≤0.05).
第 11期 张胜全等: 冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成 2051




图 1 不同生育期 2 m土层土壤水分含量(2006–2007)
Fig. 1 Soil water content in 2 m soil layer at various growth stages (2006–2007)

较播种前显著下降, 特别是 0~80 cm 土层均处于水
分亏缺状态。
2.2.3 阶段耗水特征 虽然多年总耗水量变异较
小 , 但各生育阶段耗水量在年份间变异较大(表8),
这与阶段降水量及其分布有关。从各生育阶段多年
平均耗水模系数看, 播种至拔节阶段时间长, 其耗
水占生育期总耗水比例为 1/3, 且主要为地表蒸发;
拔节至孕穗阶段耗水比例为 11%~19%; 孕穗至开花
阶段耗水比例为 12%~16%; 开花至成熟阶段耗水比
例为 27%~45%。耗水模系数花前为 I0>I1>I2, 花后为
I2>I1>I0(表 8)。I0模式花前耗水比例过大, 花后耗水
比例过小, 不利于后期产量形成; I1和 I2模式提高了
花后耗水比例, 改善了后期供水状况, 特别是 I2 模
式花后耗水占 45%, 花前花后耗水较为平衡, 有利
于后期产量建成。
I0、I1和 I2模式的全生育期耗水强度分别为 1.4、
1.6和 1.8 mm d1。3种模式拔节前耗水强度均较小,
平均为 0.8 mm d1。拔节之后耗水强度显著增加, 其
中 I0 模式以拔节至孕穗期耗水强度最大, 达到 4.7
mm d1, 此后逐渐减小; I1和 I2模式在开花至成熟期

表 8 不同灌溉模式阶段耗水及氮素积累特征(2004−2008)
Table 8 Characteristics of water use and nitrogen accumulation in different growth stages and various
irrigation schedules (2004−2008)
参数
Parameter
处理
Treatment
播种—拔节
Sowing to jointing
拔节—孕穗
Jointing to booting
孕穗—开花
Booting to anthesis
开花—成熟
Anthesis to maturity
全生育期
Whole growth stage
I0 38.2±7.6 a 19.2±4.2 a 16.0±6.3 a 26.6±6.2 c 100.0
I1 35.3±7.3 a 12.1±1.0 b 13.6±6.4 a 39.0±10.6 b 100.0
耗水模系数
Water consumption
percentage
(%) I2 31.6±5.7 a 10.9±1.1 b 12.2±5.6 a 45.4±8.7 a 100.0
I0 0.7±0.2 a 4.7±0.9 a 3.7±1.6 a 2.8±0.4 c 1.4±0.1 b
I1 0.8±0.2 a 3.4±0.3 b 3.4±1.8 a 4.7±1.0 b 1.6±0.1 ab
耗水强度
Water consumption
intensity
(mm d1) I2 0.8±0.2 a 3.4±0.3 b 3.4±1.8 a 6.0±0.9 a 1.8±0.2 a
I0 2.9±0.9 a 4.9±0.7 b 4.5±2.7 a 4.2±0.7 a 3.7±0.2 a
I1 2.8±0.9 a 8.2±1.1 a 5.6±2.7 a 3.3±0.5 b 3.8±0.1 a
水分干物质生产率
Water use efficiency
on biomass
(kg m3) I2 2.8±0.9 a 8.2±1.1 a 5.6±2.8 a 3.0±0.3 b 3.7±0.3 a
I0 68.5±2.8 a 7.2±1.7 b 6.3±1.4 a 18.0±1.3 bc 100.0
I1 56.3±3.2 b 21.0±2.7 a 3.7±0.3 b 19.1±1.1 b 100.0
氮素积累比例
Nitrogen accumulation
percentage (%) I2 52.5±3.5 b 19.5±2.4 a 3.5±0.2 b 24.4±2.2 a 100.0
I0 0.6±0.1 a 0.9±0.3 b 0.7±0.1 a 0.9±0.1 c 0.7±0.1 c
I1 0.6±0.1 a 3.0±0.7a 0.5±0.1 b 1.2±0.1 b 0.8±0.0 b
氮素吸收强度
Nitrogen uptake intensity
(kg N hm2 d1) I2 0.6±0.1 a 3.0±0.7 a 0.5±0.1 b 1.6±0.2 a 0.9±0.1 a
I0 32.0±4.7 a 279.8±86.2 a 194.2±18.4 b 125.4±21.4 a 75.8±4.7 a
I1 32.0±4.7 a 94.1±26.9 b 348.2±106.3 a 125.5±15.1 a 73.8±2.7 a
氮素干物质生产率
Nitrogen use efficiency
on biomass (kg kg1 N) I2 32.0±4.7 a 94.1±26.9 b 335.0±84.5 a 110.5±19.4 a 73.3±4.9 a
Values within a column followed by a different letter are significantly different at P≤0.05.
2052 作 物 学 报 第 35卷

耗水强度最大, 分别为 4.7 mm d1和 6.0 mm d1(表 8)。
显然, 增加浇水次数也增加了后期耗水强度。
2.2.4 水分生产率 3 种节水灌溉模式全生育期
耗水的干物质生产率相近, 平均为 3.8 kg m3(表 8)。
生育期各阶段水分生产效率相比较, 中期(拔节至开
花)最高, 后期(开花至成熟) 其次, 前期(播种至拔
节)最低。与 I0灌溉模式比较, 拔节期灌溉显著增加
拔节至开花阶段的水分生产率, 在此基础上增加开
花或灌浆水, 可以增加后期耗水, 但并没有增加后
期单位耗水的水分生产率。I0 模式后期仍能维持较
高的水分生产效率。
2.3 节水灌溉冬小麦氮素利用分析
2.3.1 氮素积累及转运特征 4 年的平均结果显
示, 随灌溉量增加小麦的氮吸收总量也增加, I0、I1
和 I2模式平均分别为 162.5、197.9和 212.2 kg hm2,
其年度间变异较小(表 9)。
从生育阶段看, 播种至拔节是氮素吸收的主要
时期, 3种模式的吸氮量均为 111.3 kg hm2, I0模式占
全生育期总吸氮量的 68.5%, I1和 I2模式占 52.5%~
56.3%。与 I0模式比较, I1和 I2模式通过拔节期灌溉
显著增加了拔节至孕穗、开花至成熟阶段的吸氮量
和吸氮比例 , I 2 模式于开花期再次灌溉 , 则进
一步增加后期氮素吸收量与比例(表 8)。比较各生育
阶段氮素吸收强度, 拔节前仅为 0.6 kg hm2 d1, 随
后的拔节至孕穗和开花至成熟阶段达到高峰期, 且
以拔节至孕穗阶段最高, 其中 I0模式为 0.9 kg hm2
d1, I1和 I2模式高达 3.0 kg hm2 d1(表 8), 这与拔节
水改善土壤水分状况从而促进氮素吸收有关。同时
也说明 , 拔节至孕穗期不仅是小麦的水分临界期 ,
还是氮素需求最旺盛的时期。
开花至成熟阶段营养器官花前积累氮素向籽粒
再转运比例平均为 61.5%~68.4%, 对籽粒氮素积累
贡献率平均为 65.5%~75.6%, 且均表现为 I0>I1>I2
(表 6)。3种模式氮素收获指数为 0.71~0.74, 也以 I0
模式为最高。
2.3.2 氮素生产率 3 种节水灌溉模式全生育期
氮素干物质生产率无明显差异(表 8), 平均为 74.3 kg
kg1 N, 即每吸收 1 kg氮素可生产 74.3 kg生物产量,
年度间差异较小。不同生育阶段氮素干物质生产率
有较大差异(表 8), 播种至拔节阶段氮素干物质生产
率最低, 平均为 32.0 kg kg1 N; I0模式在拔节至孕穗
阶段氮素生产率最高, 为 279.8 kg kg1 N, 此后降低;
I1 和 I2 模式在孕穗至开花阶段氮素生产率最高, 平
均为 341.6 kg kg1 N。3种模式开花至成熟阶段氮素
干物质生产率为 110.5~125.5 kg kg1 N。

表 9 不同灌溉模式氮素利用特征
Table 9 Characteristics of nitrogen use in various irrigation schedules
处理
Treatment
总氮素积累量
Total nitrogen accumulation
(kg N hm2)
氮素利用效率
Nitrogen use efficiency
(kg kg1 N)
氮肥偏生产力
Partial productivity of applied N
(kg kg1 N)
氮素收获指数
Nitrogen harvest index
2004−2005
I0 144.2 42.3 38.7 0.77
I1 186.5 37.3 44.1 0.75
I2 207.9 36.1 47.6 0.74
2005−2006
I0 165.6 38.7 40.6 0.74
I1 199.0 38.4 48.5 0.72
I2 205.9 41.4 54.1 0.71
2006−2007
I0 176.9 34.0 38.2 0.71
I1 213.7 36.5 49.5 0.68
I2 232.8 38.0 56.1 0.67
2007−2008
I0 163.3 36.9 38.2 0.74
I1 192.3 39.9 48.7 0.73
I2 202.2 38.0 48.8 0.72
MeanSE
I0 162.513.6 b 38.03.5 a 38.91.2 b 0.740.00 a
I1 197.911.7 a 38.01.5 a 47.72.4 a 0.720.00 a
I2 212.214.0 a 38.42.2 a 51.64.1 a 0.710.00 a
Values within a column followed by a different letter are significantly different at P≤0.05.
第 11期 张胜全等: 冬小麦节水栽培三种灌溉模式的水氮利用与产量形成 2053


3 种节水灌溉模式的氮素利用效率相近, 平均
38.1 kg kg1 N (表 9), 即每吸收 1 kg 氮素可生产
38.1 kg经济产量。氮肥偏生产力以 I2模式最高, 平
均 51.6 kg kg1 N; I1模式次之, 为 47.7 kg kg1 N; I0
最低, 为 38.9 kg kg1 N。
3 讨论
通过持续 4 年的定位试验, 在适当晚播、浇足底
墒水的基础上, 采用节水栽培配套技术, 3种灌溉模式
的小麦产量水平在不同年度间表现稳定, 变异系数均
很小, 显示了节水栽培模式的高产稳产性[1-2,9]。
小麦产量的提高在很大程度上依赖于单位面积粒
数的增加[19-20], 即群体库容量的增加。本研究中 3 种
节水模式的产量达显著差异, 主要由库容量的明显差
异所致, I0、I1和 I2模式的群体库容量分别达 17.4×107、
21.8×107和 23.0×107粒 hm2。其中, 穗数对群体库容
量的影响最为显著, 说明穗数是群体库容量形成的基
础, 实现小麦节水高产必须保证足够的穗数[2,12]。在小
麦节水栽培体系中, 为了降低冬前耗水, 并为推迟春
季浇水时间创造条件, 需要适当晚播, 而在晚播和水
肥限制条件下, 增加穗数的主要途径只能通过适当增
加基本苗来实现。因此, 主茎成穗又是节水栽培冬小
麦产量形成的重要因素[2,12]。3种模式的穗数构成中,
主茎穗占总穗数的比例为 77%~85%。在以苗保证穗数
基础上, 春季灌水可以推迟到拔节期。拔节期至开花
期是小麦需水临界期[2-6], 春季有限供水在此期使用
(拔节水或拔节水+开花水), 可以稳定或增加穗粒数,
从而进一步扩大群体库容量。
开花后群体库容已基本建成, 产量库容填充物
由花后光合物质生产和花前贮藏物再转运两部分组
成。华北地区小麦生长后期处于高温、干旱环境, 叶
片光合功能对高温和水分胁迫反应敏感, 后期土壤
水分亏缺易加速叶片衰亡, 因此, 小麦灌浆期应着
力扩源、强源。在节水栽培条件下, 小麦上部叶片
明显缩小[9-10]。本试验结果显示, 通过晚播密植、以
苗增穗, 并通过拔节前控水、控制单茎叶面积, 节水
栽培冬小麦形成了大群体、小个体、多穗、小叶的
冠层结构, 这一结构的突出特点是群体中非叶光合
器官(主要是穗、穗下节间和旗叶鞘)面积比例较大,
穗叶比值高。这对于改善灌浆期群体通透性、增加
光资源截获、提高群体光合能力具有重要作用[9-10]。
小麦非叶绿色器官光合结构与功能对水分亏缺具有
较强的耐性 [21], 特别是灌浆后期叶片迅速衰亡, 非
叶绿色器官仍能维持较大的绿色面积, 节水栽培小
麦穗、穗下节间和叶鞘等非叶器官光合作用对粒重
的贡献显著大于旗叶 [9], 可作为节水条件下灌浆后
期小麦籽粒充实的重要光合源。因此, 在保证适宜
叶面积基础上, 扩大冠层中非叶光合面积比例, 发
挥非叶器官光合耐逆机能, 是节水栽培小麦高产、稳
产的重要生理基础[12]。产量物质虽主要来源于花后
光合生产, 但花前贮藏物也有重要贡献。灌浆后期
上层土壤水分亏缺促进了花前贮藏物质再转运[22]。3
种节水模式花前贮藏物质转运率平均 17.4%, 对产
量形成贡献率平均 26.7%, 特别是 I0模式, 花前贮藏
物质转运率达到 19.7%, 对产量形成贡献率达 32.1%,
这在一定程度上补偿了因干旱胁迫对后期库容物生
产的不利影响。
本试验的 3种节水灌溉模式平均每生产 100 kg籽
粒耗水 52.6 m3、吸收纯氮 2.6 kg, 水分利用效率达到
1.9~2.0 kg m3, 氮素利用效率为 38 kg kg1 N, 这些指
标的年度间变异系数均较小, 说明小麦节水栽培模
式在稳产的同时, 水、氮吸收利用效率也表现出高
而稳定。适当控制灌溉水平可提高水分和氮素利用
效率, 与其他研究[11-12,14,16]结果一致。在节水栽培体
系中 , 由于基本苗较多 , 初生根数目也较多 , 拔节
前控水又促进根系下扎, 使得根群中下层根比例较
大, 能更有效地吸收利用深层土壤水肥[12,23-24]。从耗
水结构看, 3 种模式总耗水量中土壤水消耗比例为
38%~67%, 随灌水量减少 , 土壤水消耗量增多 , 总
耗水量下降。至成熟期各模式 0~80 cm土层均处于
水分亏缺状态, 有利于接纳汛期降水[2,12]。从不同阶
段水、氮利用特性看, 3 种模式之间存在一定差异,
表现为随灌水量或灌水次数增加, 花后耗水比例和
吸氮比例增加, 但后期单位耗水量和单位吸氮量的
物质生产效率却随灌水量或灌水次数减少而提高 ,
且灌浆后期土壤水分胁迫会促进花前贮藏氮素向籽
粒再转运。最终使 3种模式在经济产量水平上的水、
氮利用效率基本相近, 均稳定达到较高水平[25]。由
此表明, 在不同灌溉模式下, 通过作物自身的适应
性调节和综合技术的补偿性调节可实现对水分和氮
素利用效率的协同提高[12]。3 种灌溉模式需水量不同,
产量水平不同, 但均具有高的水氮利用效率, 可根据
不同的灌溉条件和产量要求应用。
4 结论
冬小麦在生育期降水 120~150 mm和足墒晚播、
全肥基施条件下, 通过控制适宜叶面积指数, 扩大
非叶光合面积, 创建大群体、高穗/叶比结构, 春季
2054 作 物 学 报 第 35卷

不灌水、灌拔节水、灌拔节水和开花水 3 种节水灌
溉模式的产量水平可分别稳定达到 6 000、7 500和
8 000 kg hm2, 水分利用效率均可达到 1.9~2.0 kg
m3, 氮素利用效率均可达到 38.0 kg kg1 N, 在不同
供水条件和不同产量水平上实现丰产稳产与水氮高
效的统一。冬小麦节水栽培 3 种灌溉模式及其配套
技术可在我国华北水资源匮乏地区因地制宜推广
应用。
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