不同調(diào)虧模式對冬小麥產(chǎn)量形成的影響

王書吉，李彥嶺，劉婧然

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2. 河北工程大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北 邯鄲 056021；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083)

自20世紀(jì)70 年代以來，國內(nèi)外已經(jīng)開展了作物調(diào)虧灌溉的研究[1-5]，關(guān)于調(diào)虧灌溉對冬小麥產(chǎn)量的影響已有研究報道[6-16]。但關(guān)于調(diào)虧灌溉對灌漿過程影響的研究還較少[17]，立足于冀中南農(nóng)作區(qū)的研究還未見有報道。我國不同地區(qū)氣候、土壤特性、耕作習(xí)慣等差別較大，導(dǎo)致不同地域研究結(jié)果差別較大。由此，本文在冀南地區(qū)開展了不同調(diào)虧模式對冬小麥產(chǎn)量形成的影響研究，以期為本地區(qū)冬小麥優(yōu)質(zhì)高效栽培水分科學(xué)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013年10月-2014年6月，在河北邯鄲河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心作物需水量試驗場(36°35′N，114°29′E，海拔61 m)測坑中實施，測坑配有移動式防雨棚，降雨前關(guān)閉防雨棚隔絕自然降雨，雨停后開啟。測坑為有底測坑，上口面積為3 m×3.33 m，坑內(nèi)土面距坑口15 cm?？觾?nèi)土層深2.0 m。土壤為中壤土，0～100 cm土層容重為1.48 g/cm3，田間持水率為22.40% (土壤質(zhì)量含水率)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1水分處理

供試冬小麥品種為矮抗58，生長期為2013年10月16日 - 2014年6月8日；行距0.25 m。根據(jù)本地區(qū)冬小麥生長發(fā)育特點將其生長過程劃分為：返青期、拔節(jié)期、抽穗揚花期、灌漿成熟期4個時期，生育期土壤水分虧缺處理以控制土壤含水率占田間持水量(θF)的百分數(shù)表示，θF表示田間持水量。參考已有研究成果，考慮到45%θF以下對產(chǎn)量有顯著不利影響，此處設(shè)置兩個調(diào)虧水平，分別為：①重度調(diào)虧，用H表示：土壤含水率保持在45%～50%θF。②輕度調(diào)虧，用L表示：土壤含水率保持在55%～60%θF；不虧水對照處理(CK)：土壤含水率保持在65%～70%θF。含水率測量采用時域反射儀(TDR)法。灌水采用自來水灌溉。

表1 不同生育期水分虧缺處理Tab.1 Water deficit treatments of different growth stages

注：N表示正常供水，土壤含水率控制在65%～70%θF；L表示輕度虧水，土壤含水率控制在55%～60%θF；H表示重度水分虧缺，土壤含水率控制在45%～50%θF；其中，θF表示田間持水率。灌水控制誤差0.1%～4.0%。

1.2.2施肥水平及方式

施氮設(shè)為中氮處理，22.5 g/m2，基施60%，播前散施后翻耕，拔節(jié)期追施40%；施肥控制措施為：事前測定土壤中無機氮含量，不足部分由化學(xué)氮肥補齊。磷肥、鉀肥施入量分別為(P2O5)9 g/m2，(K2O)15 g/m2，在試驗開始時100%基施，試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。其他田間農(nóng)業(yè)管理措施遵照當(dāng)?shù)囟嗄贽r(nóng)作習(xí)慣。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1土壤含水率

在冬小麥全生育期每隔3～5 d用TDR時域反射儀觀測土壤含水率。

1.3.2冬小麥灌漿過程

在冬小麥開花期到來時，選取開花、長勢和穗子大小一致的麥穗，并作標(biāo)記，在開花5 d后開始取樣，以后每隔4 d取樣一次，直到小麥成熟為止；為保證實驗結(jié)果的可靠性，每處理每次取樣10穗，3次重復(fù)，在試驗室內(nèi)，在105 ℃的高溫下殺青20 min，然后降至80 ℃烘干至恒重，用千分之一電子天平稱重。

1.3.3冬小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

試驗結(jié)束后，對各小區(qū)分別收獲測產(chǎn)，計算畝有效穗數(shù)、穗粒數(shù)，采用精度為0.001 g的電子天平測量千粒質(zhì)量，計算最終產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)虧模式對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

由表2可以看出，所有處理中，CK處理具有最大的有效穗數(shù)、較大的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，產(chǎn)量最高；T6和T8產(chǎn)量較低。這說明在以生殖生長為主的冬小麥后期生育階段，深度虧水將嚴(yán)重影響冬小麥產(chǎn)量。返青期輕度虧水T1和中度虧水T2對形成產(chǎn)量的3個因素及最終產(chǎn)量影響最小，說明返青期是合適的虧水時期。返青期以外的3個生育期輕度虧水產(chǎn)量由高到低依次為：灌漿成熟期輕度虧水T7，抽穗期輕度虧水T5，拔節(jié)期輕度虧水T3。

表2 不同調(diào)虧模式下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.2 Yields and yield components of winter wheat under different water deficit treatments

注：a、b、c等不同字母表示同一列數(shù)值經(jīng)多重比較，在0.05水平上的差異顯著性，下同。

2.2 不同調(diào)虧處理對冬小麥灌漿過程的影響

從圖1可以看出，不同調(diào)虧模式下冬小麥灌漿總趨勢相同，灌漿期籽粒干物質(zhì)積累隨時間變化的關(guān)系都呈“S”型曲線，即灌漿過程都經(jīng)歷3個比較明顯的階段：①漸增期，此階段是小麥籽粒形成階段，從開花授粉到籽粒成型，到花后14 d左右，此階段粒重增加較慢，此期灌漿粒重占成熟千粒重的20.3%～26.4 %。②快增期，此階段小麥快速灌漿，籽粒成型后持續(xù)15 d左右，增重高峰期在花后14～31 d之間，此期增重占成熟千粒重的61.4%～72.3% 。③慢增期，此階段籽?？s水成熟，花后31天到成熟，此期籽粒含水率下降，粒重增加速度慢，灌漿粒重占成熟千粒重的2.2%～6.2%。

圖1 不同處理冬小麥灌漿過程Fig.1 Processes of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

為進一步深入考察不同調(diào)虧模式對灌漿參數(shù)及最終粒重的影響，下面應(yīng)用logistic曲線對灌漿過程進行擬合并進行深入分析。

2.2.1調(diào)虧灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過程擬合方程

根據(jù)試驗結(jié)果，以開花后天數(shù)t為自變量(單位：d)，以測得的干物重(千粒質(zhì)量)Y為因變量(單位：g)，用logistic曲線對灌漿過程進行擬合，見式(1)。

Y=K/(1+ea-rt)

(1)

式中：K為最大生長量上限；a、r為常數(shù)。

(1)曲線方程擬合原理與方法。對曲線方程參數(shù)的估計一般用線性回歸方法。該方法雖具有簡便適用的特點，且在數(shù)理統(tǒng)計理論上具有一套對線性回歸方程及回歸系數(shù)進行顯著性檢驗的完善方法，但對曲線方程進行線性化變換會對估計參數(shù)的性質(zhì)產(chǎn)生影響，如：不再具有無偏性等。用EXCEL中的“規(guī)劃求解”功能直接進行非線性回歸可避免上述問題，獲得曲線方程參數(shù)的最小二乘無偏估計，且具有比線性化回歸更高的擬合精度。

此處先應(yīng)用式(2)采用三點法求出參數(shù)K值，再用最小二乘法求出參數(shù)a、r的估計值，在此基礎(chǔ)上再應(yīng)用EXCEL 中的“規(guī)劃求解”功能，求得待擬方程參數(shù)的非線性最小二乘估計值。具體見表3。

2x2=x1+x3

(2)

式中：(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)為實測數(shù)據(jù)的始點、中點和終點。此處取花后5、21、37 d時的估計值。

(2)曲線方程特征參數(shù)。①求logistic曲線方程的一階導(dǎo)數(shù)，可以得到logistic生長過程的速度函數(shù)：

(3)

式中：V(t)表示冬小麥的灌漿速度。

②求灌漿速度函數(shù)V(t)的一階導(dǎo)數(shù)，并令其等于0。

解之得

tmax=a/r

此時，冬小麥灌漿速度最大。將tmax代入式(3)，可以求得灌漿速度最大值Vmax。

③求灌漿速度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，令其等于0，得：

則

1-4ea-rt+e2(a-rt)=0

解之得

這是速度函數(shù)的2個拐點的橫坐標(biāo)，加上速度最大點橫坐標(biāo)tmax=a/r，是logistic曲線上的3個關(guān)鍵點。t1為灌漿過程的快速增長轉(zhuǎn)折時間點，d；tmax為最大速率時間點，d；t2為由快減慢轉(zhuǎn)折時間點，d。

由此，可以將logistic灌漿過程曲線分為3個時期：

利用模擬方程計算出3個灌漿階段的籽粒增加質(zhì)量Y1、Y2、Y3，g；分別除以對應(yīng)階段的灌漿持續(xù)期τ1、τ2、τ3，d；可以計算得到3個階段的平均灌漿速率R1、R2、R3，10-3g/d。

2.2.2擬合結(jié)果分析

應(yīng)用logistic曲線對灌漿過程進行了擬合，擬合結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，達極顯著水平，見表3；說明該方程能較好地模擬灌漿過程。

(1)由表3可知，和CK相比，水分脅迫處理使灌漿持續(xù)時間縮短，達到最大灌漿速度的時間提前；深度脅迫處理尤其明顯。

表3 不同水分調(diào)虧處理下冬小麥籽粒灌漿的方程參數(shù)和特征參數(shù)Tab.3 Equation parameter and properties parameter of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

由表3可以看出，在所有處理中，logistic灌漿過程曲線上的3個階段灌漿時期τ1、τ2、τ3及總灌漿時期τ都是CK處理最長，水分虧缺處理均使得冬小麥灌漿總持續(xù)期τ以及3個階段灌漿持續(xù)時期τ1、τ2、τ3縮短，灌漿持續(xù)期τ縮短 2.72%～15.78% ；隨著虧水程度的加重，縮短程度加重。

綜合表2，在水資源緊張必須進行虧缺灌水時，產(chǎn)量最優(yōu)目標(biāo)下適宜的虧水模式依次分別是：T1>T2>T7>T5>T3>T4>T6>T8。

3 結(jié) 論

(2)綜合表2、表3，在水資源緊張必須進行虧缺灌水時，產(chǎn)量最優(yōu)目標(biāo)下適宜的調(diào)虧模式依次分別是：返青期期輕度調(diào)虧T1、返青期期重度調(diào)虧T2、灌漿成熟期輕度調(diào)虧T7、抽穗開花期輕度調(diào)虧T5、拔節(jié)期輕度調(diào)虧T3、拔節(jié)期重度調(diào)虧T4、灌漿成熟期重度調(diào)虧T8、抽穗開花期重度調(diào)虧T6。

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