播種量對旱地春小麥干物質積累、灌漿特性及產量的影響

羅曉穎,房彥飛,孫婷婷,唐江華,王魯振,唐 甜,王 晨,徐文修

(新疆農業大學農學院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是極度干旱區,以灌溉農業為主[1,2]。受地形影響,降水分布不均,也有年均降水量達250～500 mm[2]的伊犁河谷、塔額盆地、昌吉州等地區[3],形成僅有4%的雨養旱作區[4]。雖然新疆旱作區總面積較少,但在旱地面積集中的縣、鄉,旱地農業生產仍然占有重要地位。昌吉州木壘縣是新疆典型的旱作區,51%左右的耕地為旱地,且以種植小麥為主[5],由于受降水量的影響較大,小麥產量低而不穩[6],新疆氣候呈現出暖濕化趨勢[7],為充分挖掘旱地小麥增產潛力提供了機遇。研究促進旱地小麥產量提高的栽培技術,對提高新疆旱地小麥生產力水平具有重要意義。【前人研究進展】播種量是影響小麥生長發育及產量的重要因素之一[8]。播種量通過影響小麥干物質的積累,進而改變籽粒灌漿速率,最終影響產量的高低。當播種量較小時,單株干物質積累量大,成穗率高,但平均灌漿速率較小;當播種量過大時,植株間養分競爭激烈,導致物質生產能力降低,不利于灌漿活躍期的延長和小麥增產[9-10]。播種量對小麥干物質的積累[11]、籽粒灌漿速率[12]、灌漿持續期[13]的影響較小,增加播種量并不會促進產量的提高[14]。在旱作區,有關播種量對小麥干物質積累和產量影響的研究表明,同一播期下增加播種量,干物質積累量顯著提高[15],適當增加播種量有利于提高小麥產量[16]。但也有研究認為,播種量對秸稈覆蓋下冬小麥的產量無顯著影響[17]。而對籽粒灌漿的研究發現,籽粒灌漿速率對小麥粒重形成作用顯著,而灌漿持續時間與粒重形成無顯著相關關系[18]。還有研究認為,干旱年型下的理論粒重與2個灌漿持續期參數均呈顯著正相關, 在豐雨年型下的理論粒重與3個灌漿速率參數關系密切[19]。【本研究切入點】目前文獻研究區域主要以降水量較大的河南、山西和陜西的旱作區為主,而對降水量極少的新疆綠洲旱地小麥的研究則很少,有關施肥量[6]、播種量[20]、耕作方式[21]對旱地小麥產量[20]和土壤肥力[3]的影響前人雖進行研究,但是缺乏關于播種量對旱地小麥干物質積累、灌漿特性及產量影響的研究。需分析在極度干旱條件下旱作農區適宜的播種量。【擬解決的關鍵問題】以新疆木壘縣典型旱地為研究區域,采用單因素隨機區組試驗設計,設置4個播種量,研究不同播種量對旱地春小麥干物質積累、籽粒灌漿特性及產量的影響,為提高旱地小麥產量提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年在新疆昌吉回族自治州木壘縣東城鎮孫家溝村(E 89°51′～92°19′,N 43°34′～45°15′)進行,為溫帶大陸性氣候,年均日照時數3 070 h,年平均氣溫5～6℃,年均降水量294～344 mm,全年無霜期136～155 d。試驗地0～30 cm土壤耕層有機質含量為25.59 g/kg,全氮0.56 g/kg,堿解氮47.5 mg/kg,速效磷20.01 mg/kg,速效鉀463.44 mg/kg。試驗階段春小麥全生育期降水量為101.8 mm,其中,4月中、下旬的降水量為28 mm,5月降水量為50.2 mm,6月降水量為17 mm,7月降水量為6.6 mm。供試春小麥為當地主栽品種新春41號,播種日期為2021年4月13日,收獲日期為2021年7月27日。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素隨機區組設計,設置150 kg/hm2(D1)、225 kg/hm2(D2)、300 kg/hm2(D3)、375 kg/hm2(D4)4個播種量處理,每個處理重復3次,共計12個小區,小區面積均為27 m2(4.5 m×6 m)。春小麥采用傳統平播,15 cm等行距,播深3～4 cm。各處理均施種肥磷酸二銨150 kg/hm2(N 14%、P2O539%、K2O 0%),抽穗期結合當地降雨追施尿素75 kg/hm2(N 46%)。全生育期無灌溉。其他田間管理措施同當地。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 基本苗數

出苗期每個小區隨機選取0.832 5 m2樣方標記,數取樣方內小麥苗數。

1.2.2.2 單株干物質

自苗期(5月27日)至成熟期(7月25日)開始,于小麥各生育時期,在各小區連續選擇具有代表性的4株小麥進行取樣,剪去根系,在105℃烘箱中殺青30 min,降至80℃下烘干至恒重,冷卻后迅速稱干重。

1.2.2.3 籽粒灌漿特性

于小麥開花期選擇150個同天開花、株高和穗型大小基本一致的主莖穗,用標記牌做標記,開花后5 d開始取樣,每隔5 d取樣1次,直至成熟。每次每小區取7個主莖穗剝粒,在105℃下殺青30 min,于80℃條件下烘干至恒重,各處理籽粒混勻,隨機數出200粒,用電子秤稱量干重,計算千粒重。每處理重復3次,取3次重復的平均值用于方程的擬合。用Logistic生長曲線方程擬合籽粒干重增加過程[18、22]。

Y=K/(1+Ae-Bt).

式中,Y為花后籽粒千粒重(g);K為籽粒理論最大千粒重(g);t為開花后天數(開花日計t=0);A、B為相關參數。并由該方程求一階導數、二階導數,可得到灌漿速率方程及以下參數[23-25]。

V=KABe-Bt/(1+Ae-Bt)2.

灌漿時間參數:

緩增期T3:T3=t3-t2,其中t3=(LnA+ 4.595 12)/B.

灌漿速率最大值出現時:Tmax=(LnA)/B.

灌漿速率參數:

漸增期平均灌漿速率V1=Kt1/T1,其中Kt1=K/(1+Ae-Bt1).

速增期平均灌漿速率V2=(Kt2-Kt1)/T2,其中Kt2=K/(1+Ae-Bt2).

緩增期平均灌漿速率V3=(Kt3-Kt2)/T3;其中Kt3=K/(1+Ae-Bt3).

平均灌漿速率Vmean=K/T.

灌漿速率最大值Vmax=K×B/4.

灌漿期間干物質積累量參數:

漸增期積累干物質量K1=T1×V1.

速增期積累干物質量K2=T2×V2.

緩增期積累干物質量K3=T3×V3.

1.2.2.4 產 量

于小麥成熟期分別在各小區選取植株長勢均勻一致的3個點,每個點的面積為0.832 5 m2(1.11 m×0.75 m),計數面積內的穗數,實收測產;另在每個點上選取具有代表性的小麥15株帶回室內考種。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據統計和制作圖表,使用SPSS 26.0軟件進行方差分析,采用Curve Expert 1.4軟件對數據進行擬合。

2 結果與分析

2.1 不同播種量對旱地春小麥單株干物質積累的影響

研究表明,隨生育進程的推進,自苗期(5月27日)至灌漿期(6月22日),各處理小麥單株干物質積累量基本呈上升趨勢,并且在灌漿期達到峰值,于灌漿期后呈下降趨勢。苗期雨水充沛達78.2 mm,此時期的土壤濕度大有利于麥苗發芽生長。D1處理的單株干物質積累量大于其他3個處理,但各處理間的差異不顯著(P>0.05)。拔節期(6月1日)至成熟期(7月25日),各處理單株干物質積累量基本隨播種量的增加而減少,抽穗期(6月9日)和成熟期4個處理間基本上均呈顯著性差異(P<0.05),其他3個生育時期均表現為D1、D2處理間無顯著性差異,但均與D3、D4處理存在顯著差異,且D3、D4處理間呈顯著差異。拔節至灌漿期是小麥需水量較大的生育時期,但此時期降水量僅為17 mm,由于降水量的不足,導致播種量越大,個體間的競爭越加激烈,從而限制了植株的生長。在干旱缺雨條件下,播種量越大越不利于小麥單株干物質的積累。圖1

注: 同一日期不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同播種量對旱地春小麥灌漿特性的影響

2.2.1 播種量對旱地春小麥粒重變化的影響

研究表明,各處理小麥灌漿期籽粒千粒重增加過程均呈現出先迅速上升再緩慢增加的生長趨勢,各處理的籽粒千粒重總體表現出D1>D2>D3>D4的變化趨勢,花后10～15 d是各處理籽粒增重最快的時期。花后5 d,D4處理的籽粒千粒重最小,較D1、D2、D3處理分別顯著減少了14.19%、8.71%、7.20%。花后10 d,D1處理的籽粒千粒重顯著大于D2處理,且D1、D2處理的籽粒千粒重均與D3、D4處理存在顯著差異。自花后15 d以后,D1、D2處理的籽粒千粒重均顯著大于D3、D4處理,其中在花后20、30、35 d,各處理間的籽粒千粒重均呈顯著性差異。

籽粒增重的模擬方程參數曲線方程的相關系數R2均達0.99,4個處理的籽粒理論最大千粒重(K)依次為36.455 4,34.903 9,31.705 1,30.575 6,隨播種量的增加K值也呈現出下降的趨勢,其中D1處理的K值最大,較D2、D3、D4處理分別增加了4.45%、14.98%、19.23%。小播種量可充分促進籽粒千粒重的增加,播種量過大則不利于籽粒的灌漿過程。圖2

圖2 不同處理下旱地春小麥籽粒千粒重動態變化

2.2.2 播種量對旱地春小麥各階段籽粒灌漿特征參數的影響

研究表明,不同灌漿階段對小麥籽粒灌漿進程的貢獻率不同,各處理均表現為速增期最大,緩增期次之,漸增期最小。各處理下的小麥灌漿持續時間均表現為緩增期>速增期>漸增期,在同一灌漿時期,不同處理的灌漿持續時間表現不同,其中各處理的灌漿持續時間在漸增期表現為D2>D1>D4>D3,速增期和緩增期則表現為D1>D2>D3>D4。各處理下的小麥灌漿速率均表現為速增期>漸增期>緩增期,其中不同處理的灌漿速率在漸增期表現為D1>D3>D2>D4,速增期和緩增期則表現為D2>D1>D3>D4。各處理下的小麥干物質積累量均表現為速增期>漸增期>緩增期,其中不同處理的干物質積累量在3個灌漿時期均表現為D1>D2>D3>D4。不同處理下的灌漿過程持續時間表現為D1>D2>D3>D4,且在各處理間均有顯著差異。各處理的最大灌漿速率出現的時間、最大灌漿速率和平均灌漿速率均表現為D1處理與D2處理差異不明顯,二者均與D3和D4處理有顯著差異。干旱缺水使葉片蜷曲影響小麥的光合作用,進而影響籽粒灌漿。播種量小有利于延長速增期和緩增期的持續時間,尤其是速增期,對灌漿進程的貢獻率最大,若能通過增加速增期的灌漿時間和灌漿速率, 則可以保證籽粒干物質迅速積累, 從而減輕雨水少、干熱風等環境因素對小麥籽粒灌漿的影響。表1

表1 不同處理下旱地春小麥各階段籽粒灌漿特征參數變化

2.3 不同播種量對旱地春小麥成熟期農藝性狀、產量及產量構成因素的影響

研究表明,不同播種量處理下的出苗情況表現不同,各處理的基本苗數與播種量大小呈現一致規律,隨播種量的增加,基本苗數呈上升趨勢。小麥株高、莖粗、穗長均隨播種量的增加而極顯著減少,其中D1處理的株高較其余處理分別依次高出7.14%、16.28%、23.14%;莖粗較其余處理分別依次高出5.59%、13.33%、24.09%;穗長較其余處理分別依次高出2.17%、5.12%、12.36%。各處理的無效穗數、不孕小穗數均隨播種量的增加而增加,且各處理間呈極顯著差異。各處理的有效小穗數表現為D1>D2>D3>D4,且D1、D2處理均與D3、D4處理存在極顯著差異,但D1、D2處理間無差異。在極度干旱條件下,播種量的增大不利于小麥生殖器官的發育。表2

表2 不同處理下旱地春小麥成熟期農藝性狀變化

各處理的穗數隨播種量的增加而增加,且不同處理間均有極顯著差異。穗粒數、穗粒重、產量均隨播種量的增加呈下降趨勢。其中穗粒數在D1、D2處理間差異不顯著,但二者均與D3、D4處理存在極顯著差異。穗粒重以D1處理最高,與其他3個處理均存在顯著性差異。D1處理產量達到最高,較其他3個處理依次極顯著增產9.94%、12.84%、35.72%。播種量越大,雖然穗數增多,但由于降水少,穗粒數和穗粒重下降極為嚴重,導致產量下降。表3

表3 不同處理下旱地春小麥產量及產量構成因素變化

3 討 論

3.1 不同播種量對小麥灌漿特性的影響

灌漿期是小麥籽粒產量形成的重要時期[22]。前人研究表明,小麥速增期和緩增期天數及灌漿速率對粒重具有決定作用[22]。隨播種量增加,灌漿持續期縮短,平均灌漿速率降低,提高速增期灌漿速率[25],延長其灌漿持續時間可增加粒重[26]。同時對山西旱地小麥的研究發現,150 kg/hm2的播種量配探墑溝播可提高籽粒灌漿速率[27]。試驗與前人研究結果基本一致。研究結果表明,隨播種量增大,小麥平均灌漿速率降低,可能與其有效穗數多,制約粒重形成有關。播種量過大,速增期和緩增期的持續時間縮短,2個階段的灌漿速率及最大灌漿速率降低,達到最大灌漿速率的時間提前,灌漿持續期縮短,導致收獲時籽粒灌漿不充分,影響粒重。

在525×104～675 ×104株/hm2的播種量范圍內,冀東灌區晚播冬小麥粒重與灌漿速率呈顯著正相關[24];隨播種量增大,內蒙古旱作春小麥籽粒最大灌漿速率出現時間推遲,最大灌漿速率降低[28]。試驗與前人研究結果不同,可能是因為多數的研究地點在水資源豐富的灌溉區以及降水量較大的旱作區,而試驗地點是在全生育期降水量僅為101.8 mm的新疆旱作區,和前人研究的旱作區降水量有較大差異。

3.2 不同播種量對小麥產量的影響

播種量對小麥的產量及產量構成因素均有影響[29]。120～180 kg/hm2播種量范圍內,有效穗數顯著增加,穗粒數顯著降低,而千粒重變化不明顯[30],并且增加播種量在增加穗數的同時也增加了不孕小穗數[31]。225～450 kg/hm2播種量范圍內,播種量過高或過低均會影響小麥的穗分化,進而影響產量[32]。對旱地小麥的研究表明,在150～180 kg/hm2播種量范圍內,顯著增加了陜西小麥穗數的同時也降低了其穗粒數[33],并且山西小麥150 kg/hm2播種量配探墑溝播促進產量提高[27]。

與前人研究結果類似,研究結果表明,增大播種量在增加穗數的同時也顯著增加了不孕小穗數和無效穗數,大播種量處理減少了有效小穗數、穗粒數和穗粒重,導致產量下降。該地區在小麥拔節至成熟期的降水量僅為23.6 mm,夏季降水減少,這是造成旱地小麥穗粒數少,無效穗數多,產量波動起伏的主要原因之一。

4 結 論

播種量對旱地春小麥干物質積累、灌漿特性及其產量和產量構成因素均有顯著影響。當播種量為150 kg/hm2(D1)時,有利于小麥單株干物質的積累,籽粒千粒重、平均灌漿速率、不同灌漿階段的籽粒干物質積累量的提高,延長了速增期和緩增期的持續時間及灌漿過程持續期,增加了穗粒數和穗粒重,有效提高了產量。且產量最高達1 659.28 kg/hm2,較225 kg/hm2(D2)、300 kg/hm2(D3)、375 kg/hm2(D4)的播種量處理分別增加9.94%、12.84%、35.72%。在極端干旱條件下,150 kg/hm2的播種量有利于欠水年下旱地小麥產量的形成,充分發揮小麥個體優勢,緩解因群體過大產生的弊端,籽粒產量較高。