播种量对旱地春小麦干物质积累、灌浆特性及产量的影响

罗晓颖,房彦飞,孙婷婷,唐江华,王鲁振,唐 甜,王 晨,徐文修

(新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是极度干旱区,以灌溉农业为主[1,2]。受地形影响,降水分布不均,也有年均降水量达250～500 mm[2]的伊犁河谷、塔额盆地、昌吉州等地区[3],形成仅有4%的雨养旱作区[4]。虽然新疆旱作区总面积较少,但在旱地面积集中的县、乡,旱地农业生产仍然占有重要地位。昌吉州木垒县是新疆典型的旱作区,51%左右的耕地为旱地,且以种植小麦为主[5],由于受降水量的影响较大,小麦产量低而不稳[6],新疆气候呈现出暖湿化趋势[7],为充分挖掘旱地小麦增产潜力提供了机遇。研究促进旱地小麦产量提高的栽培技术,对提高新疆旱地小麦生产力水平具有重要意义。【前人研究进展】播种量是影响小麦生长发育及产量的重要因素之一[8]。播种量通过影响小麦干物质的积累,进而改变籽粒灌浆速率,最终影响产量的高低。当播种量较小时,单株干物质积累量大,成穗率高,但平均灌浆速率较小;当播种量过大时,植株间养分竞争激烈,导致物质生产能力降低,不利于灌浆活跃期的延长和小麦增产[9-10]。播种量对小麦干物质的积累[11]、籽粒灌浆速率[12]、灌浆持续期[13]的影响较小,增加播种量并不会促进产量的提高[14]。在旱作区,有关播种量对小麦干物质积累和产量影响的研究表明,同一播期下增加播种量,干物质积累量显著提高[15],适当增加播种量有利于提高小麦产量[16]。但也有研究认为,播种量对秸秆覆盖下冬小麦的产量无显著影响[17]。而对籽粒灌浆的研究发现,籽粒灌浆速率对小麦粒重形成作用显著,而灌浆持续时间与粒重形成无显著相关关系[18]。还有研究认为,干旱年型下的理论粒重与2个灌浆持续期参数均呈显著正相关, 在丰雨年型下的理论粒重与3个灌浆速率参数关系密切[19]。【本研究切入点】目前文献研究区域主要以降水量较大的河南、山西和陕西的旱作区为主,而对降水量极少的新疆绿洲旱地小麦的研究则很少,有关施肥量[6]、播种量[20]、耕作方式[21]对旱地小麦产量[20]和土壤肥力[3]的影响前人虽进行研究,但是缺乏关于播种量对旱地小麦干物质积累、灌浆特性及产量影响的研究。需分析在极度干旱条件下旱作农区适宜的播种量。【拟解决的关键问题】以新疆木垒县典型旱地为研究区域,采用单因素随机区组试验设计,设置4个播种量,研究不同播种量对旱地春小麦干物质积累、籽粒灌浆特性及产量的影响,为提高旱地小麦产量提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年在新疆昌吉回族自治州木垒县东城镇孙家沟村(E 89°51′～92°19′,N 43°34′～45°15′)进行,为温带大陆性气候,年均日照时数3 070 h,年平均气温5～6℃,年均降水量294～344 mm,全年无霜期136～155 d。试验地0～30 cm土壤耕层有机质含量为25.59 g/kg,全氮0.56 g/kg,碱解氮47.5 mg/kg,速效磷20.01 mg/kg,速效钾463.44 mg/kg。试验阶段春小麦全生育期降水量为101.8 mm,其中,4月中、下旬的降水量为28 mm,5月降水量为50.2 mm,6月降水量为17 mm,7月降水量为6.6 mm。供试春小麦为当地主栽品种新春41号,播种日期为2021年4月13日,收获日期为2021年7月27日。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组设计,设置150 kg/hm2(D1)、225 kg/hm2(D2)、300 kg/hm2(D3)、375 kg/hm2(D4)4个播种量处理,每个处理重复3次,共计12个小区,小区面积均为27 m2(4.5 m×6 m)。春小麦采用传统平播,15 cm等行距,播深3～4 cm。各处理均施种肥磷酸二铵150 kg/hm2(N 14%、P2O539%、K2O 0%),抽穗期结合当地降雨追施尿素75 kg/hm2(N 46%)。全生育期无灌溉。其他田间管理措施同当地。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 基本苗数

出苗期每个小区随机选取0.832 5 m2样方标记,数取样方内小麦苗数。

1.2.2.2 单株干物质

自苗期(5月27日)至成熟期(7月25日)开始,于小麦各生育时期,在各小区连续选择具有代表性的4株小麦进行取样,剪去根系,在105℃烘箱中杀青30 min,降至80℃下烘干至恒重,冷却后迅速称干重。

1.2.2.3 籽粒灌浆特性

于小麦开花期选择150个同天开花、株高和穗型大小基本一致的主茎穗,用标记牌做标记,开花后5 d开始取样,每隔5 d取样1次,直至成熟。每次每小区取7个主茎穗剥粒,在105℃下杀青30 min,于80℃条件下烘干至恒重,各处理籽粒混匀,随机数出200粒,用电子秤称量干重,计算千粒重。每处理重复3次,取3次重复的平均值用于方程的拟合。用Logistic生长曲线方程拟合籽粒干重增加过程[18、22]。

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

式中,Y为花后籽粒千粒重(g);K为籽粒理论最大千粒重(g);t为开花后天数(开花日计t=0);A、B为相关参数。并由该方程求一阶导数、二阶导数,可得到灌浆速率方程及以下参数[23-25]。

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

灌浆时间参数:

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

灌浆速率最大值出现时:Tmax=(LnA)/B.

灌浆速率参数:

渐增期平均灌浆速率V1=Kt1/T1,其中Kt1=K/(1+Ae-Bt1).

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

缓增期平均灌浆速率V3=(Kt3-Kt2)/T3;其中Kt3=K/(1+Ae-Bt3).

平均灌浆速率Vmean=K/T.

灌浆速率最大值Vmax=K×B/4.

灌浆期间干物质积累量参数:

渐增期积累干物质量K1=T1×V1.

速增期积累干物质量K2=T2×V2.

缓增期积累干物质量K3=T3×V3.

1.2.2.4 产 量

于小麦成熟期分别在各小区选取植株长势均匀一致的3个点,每个点的面积为0.832 5 m2(1.11 m×0.75 m),计数面积内的穗数,实收测产;另在每个点上选取具有代表性的小麦15株带回室内考种。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计和制作图表,使用SPSS 26.0软件进行方差分析,采用Curve Expert 1.4软件对数据进行拟合。

2 结果与分析

2.1 不同播种量对旱地春小麦单株干物质积累的影响

研究表明,随生育进程的推进,自苗期(5月27日)至灌浆期(6月22日),各处理小麦单株干物质积累量基本呈上升趋势,并且在灌浆期达到峰值,于灌浆期后呈下降趋势。苗期雨水充沛达78.2 mm,此时期的土壤湿度大有利于麦苗发芽生长。D1处理的单株干物质积累量大于其他3个处理,但各处理间的差异不显著(P>0.05)。拔节期(6月1日)至成熟期(7月25日),各处理单株干物质积累量基本随播种量的增加而减少,抽穗期(6月9日)和成熟期4个处理间基本上均呈显著性差异(P<0.05),其他3个生育时期均表现为D1、D2处理间无显著性差异,但均与D3、D4处理存在显著差异,且D3、D4处理间呈显著差异。拔节至灌浆期是小麦需水量较大的生育时期,但此时期降水量仅为17 mm,由于降水量的不足,导致播种量越大,个体间的竞争越加激烈,从而限制了植株的生长。在干旱缺雨条件下,播种量越大越不利于小麦单株干物质的积累。图1

注: 同一日期不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.2 不同播种量对旱地春小麦灌浆特性的影响

2.2.1 播种量对旱地春小麦粒重变化的影响

研究表明,各处理小麦灌浆期籽粒千粒重增加过程均呈现出先迅速上升再缓慢增加的生长趋势,各处理的籽粒千粒重总体表现出D1>D2>D3>D4的变化趋势,花后10～15 d是各处理籽粒增重最快的时期。花后5 d,D4处理的籽粒千粒重最小,较D1、D2、D3处理分别显著减少了14.19%、8.71%、7.20%。花后10 d,D1处理的籽粒千粒重显著大于D2处理,且D1、D2处理的籽粒千粒重均与D3、D4处理存在显著差异。自花后15 d以后,D1、D2处理的籽粒千粒重均显著大于D3、D4处理,其中在花后20、30、35 d,各处理间的籽粒千粒重均呈显著性差异。

籽粒增重的模拟方程参数曲线方程的相关系数R2均达0.99,4个处理的籽粒理论最大千粒重(K)依次为36.455 4,34.903 9,31.705 1,30.575 6,随播种量的增加K值也呈现出下降的趋势,其中D1处理的K值最大,较D2、D3、D4处理分别增加了4.45%、14.98%、19.23%。小播种量可充分促进籽粒千粒重的增加,播种量过大则不利于籽粒的灌浆过程。图2

图2 不同处理下旱地春小麦籽粒千粒重动态变化

2.2.2 播种量对旱地春小麦各阶段籽粒灌浆特征参数的影响

研究表明,不同灌浆阶段对小麦籽粒灌浆进程的贡献率不同,各处理均表现为速增期最大,缓增期次之,渐增期最小。各处理下的小麦灌浆持续时间均表现为缓增期>速增期>渐增期,在同一灌浆时期,不同处理的灌浆持续时间表现不同,其中各处理的灌浆持续时间在渐增期表现为D2>D1>D4>D3,速增期和缓增期则表现为D1>D2>D3>D4。各处理下的小麦灌浆速率均表现为速增期>渐增期>缓增期,其中不同处理的灌浆速率在渐增期表现为D1>D3>D2>D4,速增期和缓增期则表现为D2>D1>D3>D4。各处理下的小麦干物质积累量均表现为速增期>渐增期>缓增期,其中不同处理的干物质积累量在3个灌浆时期均表现为D1>D2>D3>D4。不同处理下的灌浆过程持续时间表现为D1>D2>D3>D4,且在各处理间均有显著差异。各处理的最大灌浆速率出现的时间、最大灌浆速率和平均灌浆速率均表现为D1处理与D2处理差异不明显,二者均与D3和D4处理有显著差异。干旱缺水使叶片蜷曲影响小麦的光合作用,进而影响籽粒灌浆。播种量小有利于延长速增期和缓增期的持续时间,尤其是速增期,对灌浆进程的贡献率最大,若能通过增加速增期的灌浆时间和灌浆速率, 则可以保证籽粒干物质迅速积累, 从而减轻雨水少、干热风等环境因素对小麦籽粒灌浆的影响。表1

表1 不同处理下旱地春小麦各阶段籽粒灌浆特征参数变化

2.3 不同播种量对旱地春小麦成熟期农艺性状、产量及产量构成因素的影响

研究表明,不同播种量处理下的出苗情况表现不同,各处理的基本苗数与播种量大小呈现一致规律,随播种量的增加,基本苗数呈上升趋势。小麦株高、茎粗、穗长均随播种量的增加而极显著减少,其中D1处理的株高较其余处理分别依次高出7.14%、16.28%、23.14%;茎粗较其余处理分别依次高出5.59%、13.33%、24.09%;穗长较其余处理分别依次高出2.17%、5.12%、12.36%。各处理的无效穗数、不孕小穗数均随播种量的增加而增加,且各处理间呈极显著差异。各处理的有效小穗数表现为D1>D2>D3>D4,且D1、D2处理均与D3、D4处理存在极显著差异,但D1、D2处理间无差异。在极度干旱条件下,播种量的增大不利于小麦生殖器官的发育。表2

表2 不同处理下旱地春小麦成熟期农艺性状变化

各处理的穗数随播种量的增加而增加,且不同处理间均有极显著差异。穗粒数、穗粒重、产量均随播种量的增加呈下降趋势。其中穗粒数在D1、D2处理间差异不显著,但二者均与D3、D4处理存在极显著差异。穗粒重以D1处理最高,与其他3个处理均存在显著性差异。D1处理产量达到最高,较其他3个处理依次极显著增产9.94%、12.84%、35.72%。播种量越大,虽然穗数增多,但由于降水少,穗粒数和穗粒重下降极为严重,导致产量下降。表3

表3 不同处理下旱地春小麦产量及产量构成因素变化

3 讨 论

3.1 不同播种量对小麦灌浆特性的影响

灌浆期是小麦籽粒产量形成的重要时期[22]。前人研究表明,小麦速增期和缓增期天数及灌浆速率对粒重具有决定作用[22]。随播种量增加,灌浆持续期缩短,平均灌浆速率降低,提高速增期灌浆速率[25],延长其灌浆持续时间可增加粒重[26]。同时对山西旱地小麦的研究发现,150 kg/hm2的播种量配探墒沟播可提高籽粒灌浆速率[27]。试验与前人研究结果基本一致。研究结果表明,随播种量增大,小麦平均灌浆速率降低,可能与其有效穗数多,制约粒重形成有关。播种量过大,速增期和缓增期的持续时间缩短,2个阶段的灌浆速率及最大灌浆速率降低,达到最大灌浆速率的时间提前,灌浆持续期缩短,导致收获时籽粒灌浆不充分,影响粒重。

在525×104～675 ×104株/hm2的播种量范围内,冀东灌区晚播冬小麦粒重与灌浆速率呈显著正相关[24];随播种量增大,内蒙古旱作春小麦籽粒最大灌浆速率出现时间推迟,最大灌浆速率降低[28]。试验与前人研究结果不同,可能是因为多数的研究地点在水资源丰富的灌溉区以及降水量较大的旱作区,而试验地点是在全生育期降水量仅为101.8 mm的新疆旱作区,和前人研究的旱作区降水量有较大差异。

3.2 不同播种量对小麦产量的影响

播种量对小麦的产量及产量构成因素均有影响[29]。120～180 kg/hm2播种量范围内,有效穗数显著增加,穗粒数显著降低,而千粒重变化不明显[30],并且增加播种量在增加穗数的同时也增加了不孕小穗数[31]。225～450 kg/hm2播种量范围内,播种量过高或过低均会影响小麦的穗分化,进而影响产量[32]。对旱地小麦的研究表明,在150～180 kg/hm2播种量范围内,显著增加了陕西小麦穗数的同时也降低了其穗粒数[33],并且山西小麦150 kg/hm2播种量配探墒沟播促进产量提高[27]。

与前人研究结果类似,研究结果表明,增大播种量在增加穗数的同时也显著增加了不孕小穗数和无效穗数,大播种量处理减少了有效小穗数、穗粒数和穗粒重,导致产量下降。该地区在小麦拔节至成熟期的降水量仅为23.6 mm,夏季降水减少,这是造成旱地小麦穗粒数少,无效穗数多,产量波动起伏的主要原因之一。

4 结 论

播种量对旱地春小麦干物质积累、灌浆特性及其产量和产量构成因素均有显著影响。当播种量为150 kg/hm2(D1)时,有利于小麦单株干物质的积累,籽粒千粒重、平均灌浆速率、不同灌浆阶段的籽粒干物质积累量的提高,延长了速增期和缓增期的持续时间及灌浆过程持续期,增加了穗粒数和穗粒重,有效提高了产量。且产量最高达1 659.28 kg/hm2,较225 kg/hm2(D2)、300 kg/hm2(D3)、375 kg/hm2(D4)的播种量处理分别增加9.94%、12.84%、35.72%。在极端干旱条件下,150 kg/hm2的播种量有利于欠水年下旱地小麦产量的形成,充分发挥小麦个体优势,缓解因群体过大产生的弊端,籽粒产量较高。