遮蔭對冬小麥生長及形態建模的影響

石鵬兵，張建豐，2，李 濤,2，申亞賓

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西西安710048；2.西安理工大學陜西省水資源與環境重點實驗室，陜西西安710048)

光的獲取是作物生長的必需品，對作物的生長發育和形態等方面有著重要的作用，作物在光照變化的情況下通過形態特征等方面的變化來適應在這種情況下的生存。馮妍[1]發現隨著太陽輻射減弱，冬小麥的生育期延長，植株衰老延遲，株高和葉面積增加，穗長減小，麥博儒[2]發現60%～20%光下冬小麥葉面積和株高均增加，陸昱等[3]發現太陽輻射降低造成冬小麥生育期延長。王一等[4]發現出苗至盛花期遮蔭對大豆葉面積影響最大，楊東等[5]發現不同生育階段的55%遮蔭處理14d，其中以移栽期遮蔭處理造成了水稻株高的明顯增加，成熟期后各處理下的株高差異不顯著。潘福霞等[6]發現遮蔭處理下紫云英的出苗數和株高均高于無遮蔭組。劉國順等[7]發現隨光照強度的減弱,植株莖桿變細,葉片的長寬比增加,葉片數減少,干物質重逐漸減少和籽粒品質下降，并以72.2%的全光照條件下的株高、葉面積最大。可以得出遮蔭對不同作物不同指標表現出不同的影響程度，光照條件改變的情況下作物通過改變自身的性狀來調節對新環境的適應，以達到最適宜的生長。時向東、李東科和曹勇等[8-10]均發現控光對作物冠層產生不同程度的影響，控光度越小對作物的影響越小。

綜上所述，遮蔭對于作物產生了不同程度的影響，受遮蔭強度的影響不同作物亦表現出積極或消極的響應。目前，遮蔭材料和光強控制時間與冬小麥生長性狀之間的關系鮮有報道，因此，本文用遮蔭網設置四種遮光梯度長期遮蔭條件下探究對冬小麥生長性狀的影響，并進行函數擬合用以在不同光照強度下各性狀值的預測。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

田間試驗于2015—2016 年在西安市未央區試驗站進行。降水年際變化較大，多年平均降水量550 mm。本次試驗所采用的冬小麥品種為西農979，小麥種植方式為條播，行距為15 cm，播種量為162 kg/hm2。播前基肥施用磷酸二銨750 kg/hm2，尿素750 kg/hm2。為防止害蟲對種子的危害，在播種前用農藥進行拌制。

試驗為單因素試驗，控制因素為光強，為1因素，5水平試驗。試驗以光照強度為基礎，通過搭建薄、厚不同的遮蔭網，分別獲得光照強度的81.3%、57.9%、43.6%和27.8%共4種遮蔭處理，分別標記為L81.3、L57.9、L43.6和L27.8，無遮蔭處理作常規對照記為CK。各試驗處理總計3次重復并隨機分布。遮蔭處理自冬小麥拔節期開始至完全成熟期結束。大田試驗期間，根據冬小麥在不同生育階段的生長情況，適時調整遮蔭網的高度，使遮蔭網與冬小麥冠層間始終保持著30cm的高度，以保證試驗小區內的通風，同時也便于取樣與數據測量。

1.2 測量指標

生育期觀測：觀測區域內的冬小麥植株上或莖上表現出某一發育期的特征時，意味著該植株進入了某一發育期。當樣本數量第一次大于或等于總體數量的10%稱為發育始期，大于或等于總體數量的50%稱為發育普遍期，大于或等于總體數量的80%稱為發育末期。穗長、株高和葉面積采用卷尺直接進行測量。從小區中選取5株長勢均勻的小麥進行定株測量，測量時株高從土壤表面量至所測植株葉子伸直后的最高葉尖；自拔節期之后，則須量至最頂部葉片的葉枕，抽穗后則量至除去芒的穗的頂部，測量葉片長和寬，根據長寬的乘積再乘以矯正系數即可得到葉面積。測量時間每7天進行一次。

1.3 統計

采用Excel 2007和Origin 2016軟件進行數據處理和繪圖，采用Origin 2016和SPSS統計分析軟件進行方差和相關性分析。

2 結果

2.1 不同光照條件下冬小麥生育期比較

實際觀測本次試驗中冬小麥生育期的起止日期見表1。在3月23日對各小區遮蔭處理后，遮蔭處理對冬小麥生育期的起止時間造成了一定的推遲現象，并且對越靠后的生育期日期上的推遲現象更為明顯。隨著光照強度的減小，生育期起始日期逐步推遲，且隨著冬小麥的生長逐漸呈現出遞增的趨勢。在成熟期，L81.3、L57.9、L43.6和L27.8處理的起始日期相比于CK處理分別延遲了3、7、13、18天。

2.2 不同光照條件對冬小麥株高的影響

冬小麥的株高在不同光照條件下增長過程有所不同，采用生長函數(Logistic)模擬冬小麥的株高隨生長天數的變化。擬合以3月14日測量結果為起點，擬合過程見圖1，擬合參數值見表2。

表1 遮蔭后冬小麥各主要生育階段起止日期

圖1 各遮蔭處理下株高比較和擬合圖Fig.1 Plant height comparison and fitting map under shading treatments

從圖1可以看出，遮蔭后不同處理間株高差異逐漸顯示出，不同處理間株高的差異在拔節期至抽穗期期間較為明顯，可以看出CK處理高于其他遮蔭處理(L81.3、L57.9、L43.6、L27.8)，且隨著光照強度的減小，株高逐漸減小；而在抽穗期結束后，各處理下的株高差異性逐漸減小。自41天后，各處理下的株高變化趨于平緩。

從表2可以看出，各處理下的曲線擬合相關性系數均達到0.96以上，有著較好的擬合。各處理下A1、A2、x0和p四項參數有所不同但在一定的范圍內，利用本次試驗結果和Logistic曲線預測不同遮蔭條件下冬小麥株高值有著較好的實用性。

表2 各處理下擬合參數值

對參數p隨光照強度的變化進行擬合分析見圖2，擬合函數為式(1)。可以看出隨著光照強度的增加參數p逐漸增加，采用線性擬合得出相關性系數達到0.86以上，考慮本試驗為大田試驗，有許多不可控因素，因此可以對參數p運用擬合函數進行估值。

y= 0.0176x+ 2.1598,R2= 0.863

(1)

圖3 各處理下最終株高差異比較Fig.3 Comparison of final plant height differences under different treatments注：小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平，下同。

對4月24日后冬小麥株高的多次測量結果進行方差分析見圖3。L57.9處理顯著高于其他遮蔭處理(CK、L81.3、L43.6、L27.8)，并且L43.6和L27.8處理顯著高于CK處理。隨著光照強度的減小，株高最終沒有形成較為明顯的規律性，但不同遮蔭條件對最終株高具有促進作用。分析其原因是本次大田試驗所選取冬小麥品種為“西農979”，該品種本身株型緊湊，株高屬于中等水平。

圖2 參數p隨光照強度擬合圖Fig.2 Fitting chart of parameter p with illumination intensity

2.3 不同光照條件對冬小麥葉面積的影響

不同遮蔭處理對冬小麥葉面積的影響有所不同，葉面積隨生長天數的變化基本上呈現出先增加后減小的趨勢，采用Gauss函數模擬冬小麥的葉面積隨生長天數的變化，擬合以3月14日測量結果為起點，擬合過程見圖4，擬合參數值見表3。

從圖4可以看出。對試驗處理進行遮蔭處理后，各處理間的葉面積差異逐漸表現出來，并且CK處理下的葉面積整體低于其它各遮蔭處理，隨著光照強度減小，葉面積增加，葉面積增加階段的差異性逐漸增大，減少階段的差異性逐漸減小。葉面積在某個時段內達到最大，各處理間峰值有所推遲并呈現出一定的差異，CK處理于4月9日前后達到峰值，峰值為130.9cm2；而其它各遮蔭處理于4月14日前后達到峰值，L81.3、L57.9、L43.6、L27.8處理的峰值分別為：139.7 cm2、143.7 cm2、144.7 cm2、154.2 cm2，各遮蔭處理下葉面積的峰值相較于CK處理下分別增長了6.7%、9.8%、10.5%、17.8%，這可能是由于遮蔭對冬小麥生育期推后影響的結果。

圖4 不同光照條件下葉面積變化趨勢和擬合圖Fig.4 Changes of leaf area and fitting chart under different light conditions

葉面積到達峰值以后，隨著冬小麥逐漸趨于成熟，接近地表附近葉片開始變黃、干枯和脫落，致使綠色葉面積逐步開始減少。葉面積減少階段與增長階段表現出了基本相同的趨勢。由此可見，遮蔭處理在一定程度上促進了冬小麥葉面積的增長，同時延緩了冬小麥葉面積的干枯與衰老，葉面積整體趨勢上表現為：L27.8>L43.6>L57.9>L81.3>CK。

從表3可以看出，各處理下的曲線擬合相關性系數均達到0.95以上，有著較好的擬合。各處理下y0、xc、w和A四項參數有所不同但在一定的范圍內，利用本次試驗結果和Gauss曲線預測不同遮蔭條件下冬小麥葉面積值有著較好的實用性。

表3 各處理下擬合參數值

對各遮蔭處理下葉面積的峰值相對于CK處理下的增加值隨光照強度消減值變化做指數函數擬合見圖5，擬合函數為公式(2)。

y=6.1702e0.017x,R2= 0.926

(2)

圖5 峰值相對增加值隨光強消減值擬合圖Fig.5 Fitting chart of peak relative value added with light Intensity decrease

可以看出隨著光強消減值的增加，峰值相對增加值也增加。擬合函數相關性系數達到0.92以上，運用此函數可以對峰值相對增加值進行預測。

2.4 不同光照條件對冬小麥穗長的影響

對各處理間的穗長進行方差分析見圖6。CK處理冬小麥穗長顯著高于其它各處理，L81.3處理顯著高于L43.6和L27.8處理。L81.3和L57.9處理與L57.9、L43.6和L27.8處理之間差異不顯著。結果表明，穗長隨著光照強度的減小而減小，遮蔭措施在一定程度上抑制了冬小麥穗長的生長，但由于抑制作用有限，光照強度降低到一定程度沒有顯著造成冬小麥穗長的減小。

圖6 各處理下冬小麥穗長差異比較Fig.6 Comparison of spike lengths of winter wheat under different treatments

以光強消減值為X軸，冬小麥穗長為Y軸，采用線性函數進行擬合，見圖7。線性擬合相關性系數達到0.91，有較好的擬合，可以采用此方程預測不同遮蔭條件下冬小麥穗長。

圖7 穗長隨光強消減值擬合圖Fig.7 Fitting chart of spike lengths decreasing with light intensity

3 結 論

1) 不同遮蔭條件對冬小麥的生長形態造成了不同程度的影響。隨著光照強度的減小冬小麥的生育期延遲越長并對越后的生育期越嚴重，這種情況可能影響本地的復種指數。冬小麥穗長隨著光照強度的減小而相應線性減小，不同遮蔭處理對冬小麥最終株高沒有產生顯著影響。隨著光照強度的減小冬小麥葉面積增大，由于冬小麥的葉面積影響著干物質的形成和耗水，所以葉面積增大和葉片延緩衰老，這都影響著冬小麥干物質的形成，也對通過遮蔭進行節水的措施造成影響。L81.3處理對冬小麥生長形態的影響較小，為后期研究提供較好的遮光度范圍。

2) 對冬小麥株高隨生長天數的變化采用Logistic曲線擬合，葉面積隨生長天數的變化采用Gauss曲線擬合，均達到較好的擬合效果。對株高擬合參數p和光強百分數采用一次線性函數擬合分析，葉面積峰值相對增加值和光強消減值采用指數函數擬合分析，穗長和光強消減值采用線性函數擬合分析，都具有一定的相關性。結合實際試驗和擬合函數對冬小麥各性狀值進行預測，以便為后期更深入的研究提供參考值。