遮蔭對冬小麥生長及形態(tài)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(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)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(xué)陜西省水資源與環(huán)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(fā)育和形態(tài)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(tài)特征等方面的變化來適應(yīng)在這種情況下的生存。馮妍[1]發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)60%～20%光下冬小麥葉面積和株高均增加，陸昱等[3]發(fā)現(xiàn)太陽輻射降低造成冬小麥生育期延長。王一等[4]發(fā)現(xiàn)出苗至盛花期遮蔭對大豆葉面積影響最大，楊東等[5]發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)遮蔭處理下紫云英的出苗數(shù)和株高均高于無遮蔭組。劉國順等[7]發(fā)現(xiàn)隨光照強(qiáng)度的減弱,植株莖桿變細(xì),葉片的長寬比增加,葉片數(shù)減少,干物質(zhì)重逐漸減少和籽粒品質(zhì)下降，并以72.2%的全光照條件下的株高、葉面積最大?？梢缘贸稣谑a對不同作物不同指標(biāo)表現(xiàn)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(diào)節(jié)對新環(huán)境的適應(yīng)，以達(dá)到最適宜的生長。時向東、李東科和曹勇等[8-10]均發(fā)現(xiàn)控光對作物冠層產(chǎn)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(chǎn)生了不同程度的影響，受遮蔭強(qiáng)度的影響不同作物亦表現(xiàn)出積極或消極的響應(yīng)。目前，遮蔭材料和光強(qiáng)控制時間與冬小麥生長性狀之間的關(guān)系鮮有報道，因此，本文用遮蔭網(wǎng)設(shè)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(jìn)行函數(shù)擬合用以在不同光照強(qiáng)度下各性狀值的預(yù)測。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

田間試驗于2015—2016 年在西安市未央?yún)^(qū)試驗站進(jìn)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(nóng)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(nóng)藥進(jìn)行拌制。

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

1.2 測量指標(biāo)

生育期觀測：觀測區(qū)域內(nèi)的冬小麥植株上或莖上表現(xiàn)出某一發(fā)育期的特征時，意味著該植株進(jìn)入了某一發(fā)育期。當(dāng)樣本數(shù)量第一次大于或等于總體數(shù)量的10%稱為發(fā)育始期，大于或等于總體數(shù)量的50%稱為發(fā)育普遍期，大于或等于總體數(shù)量的80%稱為發(fā)育末期。穗長、株高和葉面積采用卷尺直接進(jìn)行測量。從小區(qū)中選取5株長勢均勻的小麥進(jìn)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(jié)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(jù)長寬的乘積再乘以矯正系數(shù)即可得到葉面積。測量時間每7天進(jìn)行一次。

1.3 統(tǒng)計

采用Excel 2007和Origin 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用Origin 2016和SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行方差和相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(qū)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(xiàn)象，并且對越靠后的生育期日期上的推遲現(xiàn)象更為明顯。隨著光照強(qiáng)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(xiàn)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(shù)(Logistic)模擬冬小麥的株高隨生長天數(shù)的變化。擬合以3月14日測量結(jié)果為起點，擬合過程見圖1，擬合參數(shù)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(jié)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(qiáng)度的減小，株高逐漸減小；而在抽穗期結(jié)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(guān)性系數(shù)均達(dá)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(shù)有所不同但在一定的范圍內(nèi)，利用本次試驗結(jié)果和Logistic曲線預(yù)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(shù)值

對參數(shù)p隨光照強(qiáng)度的變化進(jìn)行擬合分析見圖2，擬合函數(shù)為式(1)?？梢钥闯鲭S著光照強(qiáng)度的增加參數(shù)p逐漸增加，采用線性擬合得出相關(guān)性系數(shù)達(dá)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(shù)p運(yùn)用擬合函數(shù)進(jìn)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(dá)5%顯著水平，下同。

對4月24日后冬小麥株高的多次測量結(jié)果進(jìn)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(qiáng)度的減小，株高最終沒有形成較為明顯的規(guī)律性，但不同遮蔭條件對最終株高具有促進(jìn)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(nóng)979”，該品種本身株型緊湊，株高屬于中等水平。

圖2 參數(shù)p隨光照強(qiáng)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(shù)的變化基本上呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，采用Gauss函數(shù)模擬冬小麥的葉面積隨生長天數(shù)的變化，擬合以3月14日測量結(jié)果為起點，擬合過程見圖4，擬合參數(shù)值見表3。

從圖4可以看出。對試驗處理進(jìn)行遮蔭處理后，各處理間的葉面積差異逐漸表現(xiàn)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(qiáng)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(nèi)達(dá)到最大，各處理間峰值有所推遲并呈現(xiàn)出一定的差異，CK處理于4月9日前后達(dá)到峰值，峰值為130.9cm2；而其它各遮蔭處理于4月14日前后達(dá)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(jié)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(dá)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(xiàn)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(jìn)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(xiàn)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(guān)性系數(shù)均達(dá)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(shù)有所不同但在一定的范圍內(nèi)，利用本次試驗結(jié)果和Gauss曲線預(yù)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(shù)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(qiáng)度消減值變化做指數(shù)函數(shù)擬合見圖5，擬合函數(shù)為公式(2)。

y=6.1702e0.017x,R2= 0.926

(2)

圖5 峰值相對增加值隨光強(qiáng)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(qiáng)消減值的增加，峰值相對增加值也增加。擬合函數(shù)相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.92以上，運(yùn)用此函數(shù)可以對峰值相對增加值進(jìn)行預(yù)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(jìn)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(jié)果表明，穗長隨著光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)消減值為X軸，冬小麥穗長為Y軸，采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，見圖7。線性擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.91，有較好的擬合，可以采用此方程預(yù)測不同遮蔭條件下冬小麥穗長。

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

3 結(jié) 論

1) 不同遮蔭條件對冬小麥的生長形態(tài)造成了不同程度的影響。隨著光照強(qiáng)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(yán)重，這種情況可能影響本地的復(fù)種指數(shù)。冬小麥穗長隨著光照強(qiáng)度的減小而相應(yīng)線性減小，不同遮蔭處理對冬小麥最終株高沒有產(chǎn)生顯著影響。隨著光照強(qiáng)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(zhì)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(zhì)的形成，也對通過遮蔭進(jìn)行節(jié)水的措施造成影響。L81.3處理對冬小麥生長形態(tài)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(shù)的變化采用Logistic曲線擬合，葉面積隨生長天數(shù)的變化采用Gauss曲線擬合，均達(dá)到較好的擬合效果。對株高擬合參數(shù)p和光強(qiáng)百分?jǐn)?shù)采用一次線性函數(shù)擬合分析，葉面積峰值相對增加值和光強(qiáng)消減值采用指數(shù)函數(shù)擬合分析，穗長和光強(qiáng)消減值采用線性函數(shù)擬合分析，都具有一定的相關(guān)性。結(jié)合實際試驗和擬合函數(shù)對冬小麥各性狀值進(jìn)行預(yù)測，以便為后期更深入的研究提供參考值。