1 绪论
1.1 研究背景与意义
水作为生命之源，参与维护生态系统功能，支持社会经济系统的发展，并在上述过程中发挥着关键且无法被替代的作用。世界水资源发展报告（2015）指出，在保证工农业正常运转所需要的用水情境下，预计在 15 年后世界将面临严重的“全球水资源短缺”困境，即需求供水和供水两者之间的差距可能高达 40% [1]。预计 10 年后，全球接近 67%的人口将面临极度缺水问题的困扰[2]。随着世界范围内水问题日益严重，全球面临的水资源危机形势进一步严峻。
中国作为农业灌溉大国，农业用水是各项用水项目中排站第一的用水项目，水资源是维护农业生产安全的关键和不可或缺的因素。中国是世界上水资源严重短缺的国家之一，近年来随着城市和工业用水的不断增加，农业用水比例逐步下降，以及农业用水效率偏低，同时存在严重的用水浪费现象，导致我国面临着极为严峻的水资源短缺的形势；另一方面，中国水资源还存在极限开采利用的问题，上述现象引发了一系列生态环境问题。在气候干燥，年降雨量少且土壤蒸发量大的中国西北干旱地区，水资源问题更为严重[3]。水资源短缺已经成为限制西北干旱地区农业可持续发展的因素之一。目前，我国的灌溉水利用系数只维持在 0.43 左右，距发达国家的 0.8 左右还有很大的差距[4]。因此在水资源贫乏的情况下，挖掘农业灌溉节水潜力以及发展节水农业是缓解我国目前农业生产活动中面临的缺水难题的有效途径。目前在农业生产方面，节水农业已经广泛开展，并取得了很大进展。在当前这个阶段，对农业节水的研究主要集中于优化灌溉制度，应用和改进新地面灌溉技术，加强节水灌溉管理措施等方面。但总体而言，还存在诸多问题，仍具有广泛的发展前景和潜力。
作为中国主要的粮食作物之一，小麦的播种面积约占全国耕地总面积的三分之一左右，其产量约占粮食总产量的 20%~50%，在国民经济中占有重要地位同时在保障农业生产安全中发挥重要作用[5]。因此，探究冬小麦的耗水规律对于缓解我国水资源短缺问题有重要意义。影响作物生长的多种环境因子中气象条件是各种农业过程的首要环境因素，如温度、降水、光照等，其中光照作为作物的主要能量来源，对作物的耗水起关键性作用，当光照强度增大到一定值后，作物的光合作用不再增加，而蒸腾速率持续增加，出现“奢侈蒸腾”现象，适度的控光可以缓解这一现象的发生，减少奢侈耗水，从而达到节水的目的。现有研究的重点是关于光对作物生长，产量和品质等方面的影响，而关于其对作物耗水方面的研究很少。
..................................1.2 国内外研究进展
1.2.1 作物耗水的研究进展
作物生育期内的耗水量主要包括植株蒸腾和作物植株间土壤的水分蒸发以及深层渗漏等三个方面。了解作物的耗水对于明确作物需水量，从而实施精确控制用水是目前国内外发展现代节水农业的主要内容。影响作物耗水的因素可分为外因和内因两部分。内因可认为植物本身的生理结构和生理代谢水平，外因指作物生存的外部（田间）环境因子。
光照是地球上各种动植物的能量来源，太阳光促使植株叶片发生蒸腾作用，叶片依靠蒸腾拉力将根部吸取的水分通过水蒸气的形式散失到空气中去。同时，田间小气候的变化对植株间土壤水分蒸发也有影响，而光照强度的变化对田间小气候有重要影响，因此，光照对作物的耗水量有不可忽略的影响。国外关于控光节水的研究，主要集中于果园，研究表明控光网可以有效减弱光合有效辐射和风速，增加空气湿度以及减小蒸发蒸腾量。上述效应的叠加可以有效减少水分的消耗[6]。McCaskill 等[7]研究表明，遮荫网下的总辐射降低15%，潜在蒸散发降低了 13%。在下午 3m 处的风速降低了 22%-24%，在夜间网下果园的湿度比不遮网果园的湿度更大且风速更小。Emilio Nicolás 等[8]研究表明，高辐射和水分亏缺对杏树的影响是相似的，均降低了叶水势、叶片气孔导度和光合速率，且高辐射和水分亏缺对杏树的影响是累积的，在自然光和水分胁迫双重影响下杏树的水分利用效率最低，而遮荫条件下充分灌溉的杏树水分利用率最高。这些研究均为光照对果树的影响，而关于光照对大田作物的耗水影响是否有相似的规律有待进一步研究。
目前，国内对作物耗水量影响的研究主要集中在种植方式和灌溉制度上。李梦哲等[9]通过采用土下微膜覆盖种植技艺实现全田范围内的无缝微末覆盖，从而显著降低小麦生育期田间耗水量，较常规种植方式相比可减少 116.1-167.9 mm。赵亚丽[10]和刘婷等[11]研究不同种植方式下冬小麦-夏玉米的耗水规律，分析得出深耕和深松处理后的农田冬小麦、夏玉米的耗水量高于常规耕作方式的处理组。
2 研究区概况与试验设计
2.1 试验设计
试验供试冬小麦品种为‘西农 979’，该小麦品种具有抗寒能力强，抗病性好等特点。试验控制因素为光照强度和灌水量两个因素，光照强度设置 4 个水平：自然光照(Lck)，遮去冠层自然光强的 8%(L1)，14%(L2)和 24%(L3)。控光材料选用白色纱网，通过搭建薄、厚和不同层数的纱网以达到控光要求。灌水量设置 3 个灌溉水平：充分灌水（田间持水量的 70%-80%，用 Wck 表示），轻度亏缺灌（田间持水量的 60%-70%，用 Wl 表示），中度亏缺灌（田间持水量的 50-60%，用 Wh 表示）。控光处理自冬小麦拔节期开始，至完全成熟结束。灌水方式为畦灌，各试验小区灌水量控制通过水表计量。试验处理如表 2-1 所示。
试验采用条播种植，行距设置为 15 cm，播种量为 174 kg·hm-2。播前基肥施用磷酸二铵 900 kg·hm-2（氮 18% 磷 22% 硫 8% 有机质 8% 氨基酸 8%），尿素 750 kg·hm-2（总氮46.4%）为底肥。试验共有 12 个处理，每个处理设置 3 次重复，共 36 个试验小区。各处理小区随机布置，小区面积为 4 m×2.4 m。
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2.2测定指标与方法
2.2.1整体气象指标
试验站点气象测定采用 Davis 公司生产的 Vantage Pro2 便携式气象站，采集的信息主要包含太阳辐射、日最高和最低气温、降雨量等。如图 2-2 所示，在冬小麦整个生育期内共计降雨 49 次，总降雨量可达 161.8 mm，日降雨量最大 19.9 mm，3、4、5 月份降雨最多，占全生育期的 76.1%；生育期内日平均最高和最低温度分别为 25.6℃和-8.0℃，>10℃的积温为 1891.5℃。
2.2.2土壤物理性质指标
（1）土壤含水率。使用 TDR-Trime 法测定土壤含水率，测量仪器为 TDR 土壤水分传感器（北京澳作生态仪器有限公司）。每个小区内布设两根 Trime 管。测量的土层深度为 0-100 cm，每隔 20 cm 测量一次，每周进行一次测量，降雨或灌溉后加测。同时，采用烘干法对 TDR 水分传感器测定的土壤含水率进行校准。
（2）土壤温度。本试验使用直角式地温计对土壤温度进行测定，每个生育期选取典型天气进行测定，每两小时进行一次记录，测定深度为 5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm。
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3.1 光照对冬小麦田间小气候的影响研究 ........................ 13
3.1.1 光照对冬小麦冠层辐射的影响 ................................ 13
3.1.2 光照对冬小麦冠层温湿度的影响 .................................. 15
4 DSSAT 模型模拟研究 ...................................... 35
4.1 DSSAT 模型简介 ......................................... 35
4.2 DSSAT 模型数据库组建 ..................................... 36
5 不同情景下冬小麦产量与耗水的模拟分析 ...................................... 49
5.1 不同控光处理下冬小麦产量与耗水的模拟分析 ................................. 49
5.1.1 叶面积指数与干物质 ........................................ 49
5.1.2 生产潜力变化和水分利用率 ................................. 50
5 不同情景下冬小麦产量与耗水的模拟分析
5.1 不同控光处理下冬小麦产量与耗水的模拟分析
通过验证后的 DSSAT 模型，分别设置太阳辐射减弱 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%和 50%的共 10 种控光情景，探讨不同控光处理对冬小麦生长及产量的影响寻找冬小麦高产高效的控光强度优化方案；并设置不同的灌水梯度，分析冬小麦的产量与水分利用效率随灌水量变化而变化的情况。最终探寻合理的控光度和灌水模式，为冬小麦生产过程合理调控水分和光照强度、提高水分效率提供理论依据。
5.1.1 叶面积指数与干物质
图 5-1 为小麦最大叶面积指数随控光程度的变化而变化的规律。从图中可以看出，控光后冬小麦的最大叶面积指数减小，且控光程度越大，叶面积指数越小，可以发现，小麦最大叶面积指数随控光程度的变化符合线性规律，对其进行拟合，得
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6 结论与展望
6.1 主要结论
为探究不同光照强度和灌水量对冬小麦生长发育、产量以及耗水的影响，本研究对冬小麦进行控光处理：自然光照为对照组，分别遮去冠层自然光强的 8%，14%，24%，同时在四种光照处理下设置三种水分处理：充分灌溉，轻度亏缺灌和中度亏缺灌，分析了不同控光和灌水量处理对冬小麦生长发育、产量以及耗水的影响。在大田试验的基础上，利用DSSAT 作物模型对冬小麦生长过程等进行模拟，评价该模型在本地区的适用性，并且使用率定后的模型，设置一系列不同的光照强度和灌溉情景，模拟分析不同情景模式下小麦的产量及水分利用效率等，最终确定出能够兼顾高产节水的最优控光度和灌水量模式。得出的主要结论如下：
（1）冬小麦生育期内，控光处理能够推迟冬小麦生育进程，控光程度越大，小麦生育期延长时间越长，L1Wck、L2Wck、L3Wck 处理全生育期较 LckWck 处理延后了 1、3、5 天；而水分亏缺促进了小麦的生育进程，但从整个生育期来看，不同灌水处理间差异不明显。拔节期冬小麦生长迅速，植株高度明显增大，在进入抽穗期之后趋于稳定，基本保持在 70-80 cm 之间。控光和灌水量处理对冬小麦株高产生影响，随着控光程度的增加和灌水量的减少，冬小麦株高降低。各处理下的冬小麦叶面积指数均呈现单峰的变化规律，在小麦开始拔节后增速明显变大，孕穗期达到峰值。在光照强度减弱的情况下小麦的叶面积指数也减小，且光照强度越小，叶面积指数越小；不同灌水量之间，水分亏缺程度越大，叶面积指数越小。
（2）冬小麦的干物质累积随其生长进程逐渐增加，在小麦拔节后增速明显，成熟期达到最大值。不同控光处理之间比较，L1 控光处理的冬小麦最终干物质量最大，而 L2 和L3 控光处理下小麦最终干物质量减小，小麦籽粒产量表现出与最终干物质量相同的规律，L1 控光条件下的小麦产量最高。不同灌水量处理之间比较，亏缺灌之后小麦干物质累积和籽粒产量减少，且水分亏缺程度越大，小麦干物质量和产量越低，但轻度水分亏缺与充分灌水之间无明显差异，而中度亏缺灌下小麦的干物质和籽粒产量明显减小。
参考文献（略）