寬幅條播冬小麥水分利用與干物質積累、品質的關系及播種密度的調控研究

郝瑞煊 孫 敏 任愛霞 林 文 王培如 韓旭陽 王 強 高志強

（山西農業大學農學院，030801，山西晉中）

小麥是我國三大糧食作物之一，播種方式和播種密度等栽培措施對其產量和品質的影響較大[1]。傳統條播技術存在行播范圍窄、群體與個體矛盾突出、田間通風透光差和后期易倒伏等問題[2]。寬幅播種技術苗帶寬、出苗均勻、個體強壯且群體素質好，有利于提高穗數和穗粒重，增產效果顯著，現作為一項新的栽培技術被推廣應用[3]。小麥品種泰農18采用寬幅條播較常規條播產量可提高11%[4]。在山東泰安和兗州試驗點的研究表明，寬幅播種較常規條播可通過提高單株與群體分蘗數增產22.5%，通過提高單株成穗數來提高單位面積穗數增產15.4%[5]。隨著寬幅條播的廣泛應用，種植密度的選擇可作為調控的主要手段，適宜的種植密度可以協調小麥群體結構，平衡產量三要素，進一步提升產量。在山東濟寧市的研究[6]表明，寬幅條播小麥種植密度為180萬株/hm2處理時，較90萬、270萬、360萬株/hm2處理產量分別提高 10.98%、5.82%和10.87%，水分利用效率分別提高 15.86%、10.75%和16.44%。在河南省多點試驗的研究[7]表明，隨播種密度的增加，冬小麥產量先增加后降低，以播量187.5kg/hm2最高。可見，播種方式和播種密度對產量有較大的調控性，同時也影響部分小麥籽粒品質[8]。小麥產量與籽粒蛋白質含量并非總是存在顯著的負相關性，高產與優質的矛盾并非不可協調[9]。與基本苗密度135萬、195萬和315萬/hm2相比，當密度為255萬/hm2時，籽粒蛋白質和濕面筋含量及面團穩定時間最大，分別為 14.25%、30.72%和10.22min[10]。種植密度為180萬、240萬、300萬和360萬株/hm2時，籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和穩定時間隨種植密度的增加呈先升后降的趨勢，沉降值隨種植密度增加而增加[11]。總之，寬幅播種技術通過調節播種密度進一步提升產量，但該技術在優化群體和提高產量的同時也影響了品質，而關于如何協調產量和品質同步提升的研究鮮有報道。為此，本團隊于2016年引進寬幅條播播種技術并開展產量研究，于2017和2019年2次突破山西省小麥最高單產記錄，在此基礎上，本試驗繼續研究寬幅條播小麥如何通過調節播種密度實現優質，為該地區冬小麥優質生產提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2017-2018年在山西省聞喜縣后宮鄉山西農業大學小麥高產優質試驗示范基地（110°59′～111°37′E，35°09′～35°34′ N）進行試驗，該地海拔575～650m，屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量450～630mm，無霜期190～230d，年均氣溫13℃，年日照時數2200～2500h，太陽總輻射量 502～523kJ/cm2，2017-2018年小麥生育期總降水量218.3mm，該區域為1年2茬，夏玉米―冬小麥輪作制。2017年10月20日測定試驗地石灰性褐土0～20cm土層土壤肥力為有機質12.61g/kg、堿解氮44.07mg/kg、有效磷10.71mg/kg、速效鉀188.87mg/kg。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為良星99，由山西省運城市聞喜縣農村農業局提供。采用完全隨機設計，設240萬、360萬、480萬、600萬、720萬株/hm2共5個播種密度，小區面積 75m2（2.5m×30m），重復 3次。2017年10月25日播種，采用寬幅條播（選用2BMF-12/6型小麥免耕施肥播種機，一次完成深松、旋耕、施肥、播種、鎮壓等作業，深松深度30～40cm，秸稈殘茬旋耕于10～15cm深土壤中，化肥條施于種子底部中央，播種深度3～5cm，行距22～25cm，幅寬5～8cm）。播前基施氮、磷和鉀肥（N 150kg/hm2、P2O5150kg/hm2和 K2O 90kg/hm2），拔節期追施 N 90kg/hm2，于拔節期和開花期分別灌水60mm，進行越冬前鎮壓、防病蟲害和后期一噴三防等田間管理，2018年6月10日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水量 前茬小麥收獲后，在地塊內挖300cm深的剖面坑，將剖面削齊鏟平。按劃定的層次自下而上取樣，每20cm為1層，采用環刀法測定土壤容重[12]。分別于冬小麥播種前、越冬期、拔節期、開花期和成熟期用土鉆取 0～300cm土層土樣，樣品采集后立即裝入鋁盒，稱鮮土重量并記錄，105℃烘至恒重，計算土壤含水量[13]。

1.3.2 干物質積累量 分別在越冬期、拔節期、開花期和成熟期進行取樣，其中越冬期和拔節期取整株樣品，開花期植株樣品分為葉片、莖稈+葉鞘和穗3個部分，成熟期植株樣品分為籽粒、葉片、莖稈+葉鞘和穎殼+穗軸4個部分，3次重復，105℃殺青30min，之后75℃烘干至恒重，測定干物質量，計算階段干物質積累量。階段干物質積累量=階段末干物質積累量–階段初干物質積累量[6]。

1.3.3 籽粒營養品質 于冬小麥成熟期選擇大小均勻的30穗取樣，分離出籽粒，經微型高速萬能粉碎機粉碎后，用H2SO4-H2O2+靛酚藍比色法測定籽粒含氮率，采用連續提取法測定籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的含氮率，含氮率乘以5.7即為籽粒蛋白質含量[14-15]。用鹽酸將淀粉水解成葡萄糖后，用蒽酮比色法測定淀粉含量[16]。

1.3.4 面粉加工品質 使用杭州大吉MJZ-II面筋指數測定儀與 JHGM 面筋烘干儀，按照國家標準GB/T 5506.2-2008和GB/T 5506.3-2008測定濕面筋和干面筋含量及面筋指數。使用瑞典波通Perten微型全自動粉質物性測定儀，按照國家標準 GB/T 5506.3-2008測定面粉品質。使用瑞典Perten快速黏度分析儀（RVA），按照標準GOST 31935-2012測定淀粉糊化特性。

1.3.5 產量 于成熟期選取長勢均勻的0.667m2地塊，測定產量構成因素（穗數、穗粒數和千粒重）。每個小區選擇 20m2收獲，測定實際產量，并換算成12.5%籽粒含水量。

1.4 指標計算方法

1.4.1 土壤含水量 土壤質量含水量（%）=（鮮土質量–烘干土質量）/烘干土質量×100[17]。

1.4.2 土壤蓄水量 SWSi=Wi×Di×Hi×10/100[18]。式中SWS為蓄水量（mm），i為土層，W為土壤質量含水量（%），D為土壤容重（g/cm3），H為土層厚度（cm）。

1.4.3 土壤貯水消耗量Si=10∑n i=1γiHi（θi1-θi2）[19]。式中S為土壤貯水消耗量（mm），i為土層編號，n為土層總數，γi為第i層的土壤容重（g/cm3），Hi為第i層的土壤厚度（cm），θi1和θi2分別為第i層土壤時段初和時段末的土壤質量含水量。

1.4.4 作物耗水量 采用土壤含水率計算作物耗水量，根據水分平衡法計算耗水量（ET1-2）[20]：ET1-2=Si+M+Pr+K。式中Si為階段土壤貯水消耗量（mm），M為階段內小麥灌水量（mm），Pr為階段內降水量（mm），K為地下水補給量（mm，當地下水埋深大于2.5m時，K值不計）。

1.4.5 水分利用效率 采用Sadras等[21]和Sepaskhah等[22]的方法。水分利用效率=籽粒產量/作物耗水量，灌水利用效率=籽粒產量/灌水量，降水利用效率=籽粒產量/降水量。

1.5 數據處理

采用 Office Excel 2017錄入數據，使用 DPS V9.5和Origin 2017軟件進行顯著性分析和相關性分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗，顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 播種密度對寬幅條播小麥水分利用的影響

2.1.1 各生育階段耗水量 由表1可知，在240萬～720萬株/hm2的播種密度條件下，增加播種密度冬小麥播種期―越冬期耗水量及其比例總體呈逐漸增加的變化趨勢。越冬期―拔節期、拔節期―開花期以及開花期―成熟期的耗水量及其比例均呈先增加后下降的變化趨勢，以480萬株/hm2最高，且越冬期―拔節期和拔節期―開花期2個階段耗水量達顯著水平，其次為360萬株/hm2處理。開花期―成熟期的耗水量在 480萬株/hm2與600萬株/hm22個處理間差異不顯著。可見，播種密度為480萬株/hm2時增加生育中期作物水分消耗，而到生育后期對耗水的影響差異不顯著。

表1 播種密度對冬小麥各生育階段耗水量及其比例的影響Table 1 Effects of different seeding densities on water consumption and its proportion in different growth periods of winter wheat

2.1.2 水分利用效率 由表2可知，隨播種密度的增加，小麥生育期總耗水量呈先增加后下降的變化趨勢，其中480萬株/hm2密度時顯著高于其他處理。且480萬株/hm2較其他處理顯著提高降水利用效率，增幅達3.5%～16.2%，顯著提高灌水利用效率，增幅達3.7%～16.2%，提高水分利用效率，增幅達1.3%～11.8%。可見，播種密度480萬株/hm2有利于生育期間水分的充分利用，提高水分利用效率。

表2 播種密度對冬小麥水分利用效率的影響Table 2 Effects of different seeding density on water use efficiency (WUE) of winter wheat

2.2 播種密度對寬幅條播小麥產量和植株干物質積累量的影響

由表3可知，隨播種密度的增加，各階段植株干物質積累量呈先上升后下降的變化趨勢。播種期―越冬期、拔節期―開花期和開花期―成熟期植株干物質積累量均以密度480萬株/hm2最高，顯著高于其他處理。越冬期―拔節期植株干物質積累量以600萬株/hm2處理最高，但與480萬株/hm2處理的差異不顯著。且480萬株/hm2處理提高或顯著提高小麥產量構成因素及產量，增幅達3.5%～16.2%。可見，480萬株/hm2的播種密度有利于植株干物質的積累，實現增產。

2.3 播種密度對寬幅條播小麥籽粒營養品質的影響

由表4可知，小麥籽粒蛋白質及組分的含量均以播種密度480萬株/hm2處理最高，且清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白及總蛋白質含量與其他處理相比達顯著水平，總蛋白質含量提高2.5%～11.8%，其次為360萬株/hm2處理；谷/醇值以480萬株/hm2處理最高，但與 360萬和 600萬株/hm2處理間差異不顯著。淀粉含量以480萬株/hm2處理顯著最高，增幅達5.1%～12.4%，其次為600萬株/hm2處理。可見，播種密度為 480萬株/hm2時有利于提高籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、總蛋白質和淀粉含量，而對谷蛋白含量和谷/醇值影響不顯著。

表4 播種密度對冬小麥籽粒營養品質的影響Table 4 Effects of different seeding density on nutritional quality of winter wheat

2.4 播種密度對寬幅條播小麥面粉加工品質的影響

由表5可知，隨播種密度的增加，小麥淀粉糊化特性基本呈先增加后下降的變化趨勢，均以480萬株/hm2最高，且峰值黏度、保持黏度、最終黏度和糊化溫度均達顯著水平，其中，峰值黏度、保持黏度、稀懈值和最終黏度在 480萬～720萬株/hm2處理范圍內均高于240萬和360萬株/hm2處理。回升值和峰值時間在240萬、480萬和600萬株/hm2處理間差異不顯著。可見，播種密度為480萬株/hm2時有利于提高淀粉糊化溫度及黏度，且對峰值黏度、保持黏度、最終黏度和糊化溫度有較大調控性。 由表6可知，隨播種密度的增加，小麥面筋特性呈先增加后下降的變化趨勢，以480萬株/hm2最高，且濕面筋和干面筋含量達顯著水平，提高幅度分別為7.9%～26.3%、10.5%～24.4%。隨播種密度的增加，小麥吸水率和形成時間呈下降趨勢，以240萬株/hm2處理最高，且形成時間達顯著水平。穩定時間和粉質質量數以240萬和480萬株/hm2處理高于其他處理。弱化度以360萬株/hm2處理最高，但與600萬和720萬株/hm2處理間差異不顯著。可見，播種密度為480萬株/hm2時促進了冬小麥面筋的形成，播種密度在480萬株/hm2以下時，能獲得較好的面粉品質。

表5 播種密度對冬小麥淀粉糊化特性的影響Table 5 Effects of different seeding density on starch gelatinization characteristics of winter wheat

表6 播種密度對冬小麥面粉加工品質的影響Table 6 Effects of different seeding density on processing quality of winter wheat flour

2.5 作物耗水變化與干物質積累、產量和品質的相關性分析

2.5.1 各階段冬小麥耗水量與干物質積累量的相關性分析 由表7可知，寬幅條播冬小麥播種密度在240萬～720萬株/hm2處理下，拔節期―開花期耗水量與該階段植株干物質積累呈顯著正相關關系，拔節期―開花期耗水量與產量呈極顯著正相關，開花期―成熟期與產量呈顯著正相關關系。可見，增加拔節期之后的耗水量有利于促進植株干物質積累，提高產量。

表7 冬小麥各生育階段耗水量與植株干物質積累量和產量的關系Table 7 Relationships between water consumption in different growth periodsand plant dry matter accumulation amount, yield in winter wheat

2.5.2 各階段冬小麥耗水量與營養品質的相關性分析 由表8可知，寬幅條播冬小麥播種密度在240萬～720萬株/hm2的條件下，播種期―越冬期耗水量與籽粒蛋白質含量呈顯著負相關關系，拔節期―開花期耗水量與籽粒蛋白質含量、谷/醇和淀粉含量呈顯著或極顯著正相關關系，即增加拔節期―開花期耗水量有利于促進籽粒蛋白質和淀粉的積累，提高谷/醇值。

表8 冬小麥各生育階段耗水量與營養品質的關系Table 8 Relationship between water consumption in different growth periods and nutritional quality in winter wheat

2.5.3 各階段冬小麥耗水量與面粉加工品質的相關性分析 由圖1可知，寬幅條播冬小麥在播種密度為240萬～720萬株/hm2的條件下，各階段耗水量主要與面筋特性和峰值時間有關。播種期―越冬期耗水量與濕面筋含量、面筋指數和吸水率呈顯著負相關關系，越冬期―拔節期耗水量與面筋指數呈顯著正相關關系，拔節期―開花期耗水量與濕面筋含量、干面筋含量和面筋指數呈顯著正相關關系。可見，拔節期―開花期耗水量與面筋特性關系密切。

圖1 冬小麥各生育階段耗水量與冬小麥加工品質的關系Fig.1 Relationship between water consumption in different growth periods and processing quality in winter wheat

3 討論

3.1 播種密度對寬幅條播冬小麥耗水量的影響

播種量會影響干物質積累量，進而影響不同生育期的耗水情況[23]。適宜的栽培方式可以增加拔節期和收獲期土壤含水量[24]，適當增加播量，可增加拔節期―成熟期小麥對200～300cm土層的水分消耗，這為支撐因增加播量而構建起的小麥龐大群體穩定生長提供了水分上的支持[25-26]。本研究表明，播種密度為480萬株/hm2時，可增加生育中期冬小麥水分消耗，而到生育后期對耗水的影響差異不顯著。適當增加種植密度，小麥群體總耗水和水分利用效率呈先上升后降低的趨勢[27]，充分有效地利用總耗水是提高小麥水分利用效率的主要途徑[28]，適當的播量可以通過調節根系和地上部的生長冗余和生理特性來提高冬小麥的水分利用效率[29]。本研究還表明，隨播種密度的增加，小麥生育期總耗水量呈先增加后下降的變化趨勢，以480萬株/hm2處理最高，且顯著高于其他處理，且較其他密度處理顯著提高降水利用效率和灌水利用效率，增幅分別達 3.5%～16.2%和 3.7%～16.2%；提高水分利用效率，增幅達1.3%～11.8%。480萬株/hm2處理有利于提高冬小麥生育期間降水和灌水的利用效率，增加生育期總耗水，提高產量，實現水分高效利用。

3.2 播種密度對寬幅條播冬小麥干物質積累量、籽粒產量和品質的影響

干物質積累是小麥產量形成的基礎，增大播量能夠提高群體干物質量[30-31]。播量對產量、穗數及穗粒數的影響均呈現出顯著差異水平[32]，穗粒數與產量極顯著相關[33]。有研究[34]表明，與從1月1日開始至拔節開始的分蘗相比，秋季開始的分蘗構成了穗數的大部分，在適宜播量條件下，1月1日前開始分蘗產生的產量占總產量的87%以上。產量進入中高產階段時，各因素相互作用，共同促進小麥的生長發育，使產量和籽粒品質共同提高，小麥籽粒品質受遺傳特性和栽培環境的共同影響，是品種和環境條件的綜合表現，小麥籽粒品質主要包含營養品質和加工品質，營養品質以蛋白質含量最為重要，并與加工品質關系密切，適當增加播量可以提高籽粒蛋白和濕面筋含量[35-37]，加工品質的改變部分歸因于蛋白質含量的變化[38]。本研究表明，播種密度在240萬～720萬株/hm2范圍內，480萬株/hm2處理提高了各階段植株干物質積累量，顯著提高了產量，增幅達3.5%～16.2%，顯著提高了籽粒蛋白質及其組分含量，總蛋白含量提高了2.5%～11.8%，提高了谷/醇值，顯著提高了淀粉含量，增幅達5.1%～12.4%，提高了淀粉糊化特性，且峰值黏度、保持黏度、最終黏度、糊化溫度均達顯著水平，顯著提高了濕面筋和干面筋含量。這與張永強等[39]和任愛霞等[40]的研究結果基本一致。小麥吸水率和形成時間以240萬株/hm2處理最高，穩定時間和粉質質量數以240萬和480萬株/hm2處理較高，弱化度以360萬株/hm2處理最高，但與600萬和720萬株/hm2處理間差異不顯著，這與陳愛大等[41]的研究結果基本一致。

3.3 寬幅條播冬小麥耗水量與干物質積累量、籽粒產量和品質的關系

合理的播種密度有利于小麥生長發育，能夠影響小麥各生育期耗水，從而影響籽粒產量和水分利用效率[42]，拔節期―成熟期是冬小麥耗水的主要階段，拔節前冬小麥對土壤水分的消耗很少[43]。本研究中，寬幅條播冬小麥在不同播種密度條件下，拔節期－開花期耗水量與產量、籽粒蛋白質含量、谷/醇值、淀粉含量、濕面筋含量、干面筋含量和面筋指數均呈顯著正相關關系。

4 結論

寬幅條播冬小麥不同播種密度條件下，拔節期―開花期冬小麥耗水量不僅與產量呈顯著正相關關系，而且與籽粒蛋白質含量、谷/醇值、淀粉含量、濕面筋含量、干面筋含量和面筋指數均呈顯著正相關關系。寬幅條播冬小麥播種密度480萬株/hm2可以優化生育期耗水比例，顯著提高產量、降水利用效率、灌水利用效率和水分利用效率，顯著提高籽粒蛋白質及其組分含量、谷/醇值和淀粉含量，提高了淀粉糊化特性和面筋特性。