趙 赫,陳任強,高惠嫣,張月辰,劉宏權(quán)
(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,河北 保定 071001,2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河北 保定 071001)
冬小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物之一,保障其生產(chǎn)水平對我國的糧食安全有重要意義[1]。河北省作為冬小麥的主產(chǎn)區(qū)之一,糧食產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的6%,但河北省水資源嚴(yán)重匱乏,人均水資源占有量僅為全國水平的1/7[2-3],所以大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水成為當(dāng)前小麥生產(chǎn)中重要的一環(huán)[4]。
水分和養(yǎng)分是冬小麥生長過程中兩大可調(diào)控因素,合理的水肥模式通過對葉綠素?zé)晒庑盘枺?]、植株體內(nèi)的酶[6]以及葉片氣孔形態(tài)[7]等多種因素的調(diào)節(jié),進(jìn)而影響植株的光合作用[8],以提高產(chǎn)量[9-10]、水肥利用效率[11-13]和品質(zhì)[14-15]。現(xiàn)已有研究表明:供鉀不足使小麥生育后期旗葉過氧化物酶的活性和丙二醛的含量增高,葉綠素含量和根系活力降低,旗葉光合速率下降,加速小麥衰老[16-17],而合理施用鉀肥可以增加濕面筋和蛋白質(zhì)的含量[18],改善加工品質(zhì)[19],當(dāng)田間水分不足時,也可以通過施鉀來促進(jìn)植物生長以達(dá)到以肥促水的效果[20]。
關(guān)于冬小麥對水分和鉀肥的響應(yīng)已在河南[21]、山東[22]等多地進(jìn)行了研究,趙國英[23]和王麗金等[24]在河北地區(qū)就不同灌水量和施鉀量對冬小麥抗倒伏和冬小麥群體物質(zhì)生產(chǎn)進(jìn)行了研究,但是關(guān)于不同水鉀組合對冬小麥生長、產(chǎn)量及耗水的系統(tǒng)研究較少,本試驗基于太行山山前平原地區(qū),系統(tǒng)性研究不同水鉀組合對冬小麥生長、產(chǎn)量、耗水及水分利用效率的影響,為小麥節(jié)水和合理施用鉀肥提供一定的理論支持。
試驗在河北省辛集市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站(37°47′N,115°17′E,海拔32 m)進(jìn)行。試驗站位于太行山山前平原,該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫13.7 ℃,年均日照時間2 737.8 h,無霜期190 d,年均降水量458.6 mm,70%的降雨主要集中在夏季。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。氣象數(shù)據(jù)由試驗站內(nèi)氣象站提供,試驗階段氣象數(shù)據(jù)見圖1。
表1 播前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil foundation before sowing g/kg
圖1 試驗區(qū)氣溫和降水量Fig.1 Daily air temperature and precipitationin the study area
試驗設(shè)置了2 個因素:灌溉水量和施鉀量。灌溉水量設(shè)置一水灌溉(拔節(jié)期灌溉60 mm,W1)和二水灌溉(拔節(jié)期和開花期分別灌溉60 mm,W2),每次灌溉的灌水定額為60 mm,用水表控制各小區(qū)的灌水量。施肥量設(shè)置3 個處理:K1(K2O 225 kg/hm2),K2(K2O 135 kg/hm2),K3(K2O 90 kg/hm2),試驗施用的鉀肥為氯化鉀(K2O 含量為60%),施肥方式是作為基肥播種前一次施入。水肥處理方式見表2。每個處理設(shè)置3 個重復(fù),共計18 個小區(qū),每個小區(qū)大小為12 m×8 m,小區(qū)隨機布置。各小區(qū)分為3 個子區(qū),中間的子區(qū)用于測產(chǎn),兩側(cè)子區(qū)分別用于測定土壤含水率等指標(biāo)。每個小區(qū)四周均設(shè)置1 m 寬的保護(hù)區(qū)。試驗前在各個小區(qū)之間垂直鋪設(shè)防滲膜,鋪設(shè)深度為40 cm。
表2 不同水肥處理方式Table 2 Different water and fertilizer treatment schemes
試驗品種為節(jié)水抗旱品種‘石麥22’,于2018 年10 月10 日播種,2019 年6 月12 日收獲。采用7.5 cm等行距種植,播種量為277.5 kg/hm2,基本苗數(shù)為248萬株/hm2。播前灌水量為105 mm,無越冬水,每個小區(qū)的灌水量由水表控制。施底肥N 90 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,拔節(jié)期撒施追肥N 90 kg/hm2。除水肥處理方式不同之外,其余田間管理按當(dāng)?shù)爻墒斓淖龇ㄟM(jìn)行。
(1)葉綠素相對含量:測定開花后主要生育期旗葉的綠葉素含量,采用葉綠素儀測定(日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的 SPAD-502 型)。每個小區(qū)隨機取5 株。將葉綠素儀的透光孔置于葉緣和葉脈的中間部位,避開葉脈。
(2)干物質(zhì)和各器官所占比例:將測完指標(biāo)的小麥植株按器官分為:葉(綠葉和黃葉)、莖(包括葉鞘)和穗(穗軸、籽粒和穎殼)。將這些分離好的器官置于105 ℃的烘箱殺青30 min,然后80 ℃烘至恒重,稱重測定干物質(zhì)量,并計算地上部分單株干重和各器官占單株干重的比例。
(3)土壤含水率:采用烘干法測定。冬小麥生育期內(nèi)每7 ~10 d 用土鉆取樣。且在灌水前后、降水后、生育期結(jié)束時加測。按0 ~20、20 ~40、40 ~60、60 ~80、80 ~100 cm 進(jìn)行分層取樣。
(4)作物耗水量:各個生育階段及全生育期作物耗水量采用水量平衡方程計算[25]:
ET=P +I(xiàn) +S +△W―R―D
式中,ET 為作物耗水量(mm),P 為降水量(mm),I 為灌水量(mm),S 為地下水補給量(mm),△W 為土壤含水率的變化量(mm),R 為地表徑流(mm),D 為深層滲漏(mm)。由于當(dāng)?shù)氐叵滤裆畲笥?0 m,故不考慮地下水補給量。由于各小區(qū)之間有隔離,灌水量不足以形成地表徑流,R =0。土壤水分的測定深度為1 m,一般情況可以忽略深層滲漏D。并且在試驗期間沒有暴雨或特大暴雨,故不考慮地表徑流R 和深層滲漏D 的影響。
(5)籽粒產(chǎn)量:冬小麥?zhǔn)斋@時,每個小區(qū)隨機選取3 個1 m×1 m 的樣方,先數(shù)出每個樣方中的有效穗數(shù),再隨機數(shù)20 個穗的穗粒數(shù),計算平均穗粒數(shù)。然后將全部麥穗剪下后,置于預(yù)熱至105 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中殺青30 min,之后調(diào)到80 ℃烘至恒重。人工脫粒后每個樣方隨機選取1 000 粒稱重得到千粒重。為了使各處理產(chǎn)量差異具有可比性,統(tǒng)一由烘干籽粒重折算成含水率為13%時的產(chǎn)量,得到最終的冬小麥產(chǎn)量Y(kg/hm2)。
(6)水分利用效率:
式中WUE 為水分利用效率(kg/m3),ET 為作物耗水量(mm)。
表3 給出了冬小麥在不同水鉀處理下開花后各生育期旗葉的葉綠素含量,其變化趨勢呈先增大后減小。
表3 不同水鉀處理下旗葉的葉綠素含量(SPAD 值)的變化Table 3 Changes of chlorophyll content (SPAD value) of flag leaves under different water and potassium treatments
各處理的葉綠素含量在灌漿期達(dá)到頂峰,此時各處理的葉綠素值W2K2 最大,W1K1 最??;乳熟期至成熟期葉綠素含量逐漸下降,成熟期各處理的葉綠素值W2K1 最大,W1K3 最小。
由表4 可知:灌漿期、乳熟期和成熟期灌水量和施鉀量的主效應(yīng)對旗葉葉綠素含量影響顯著,但水鉀交互作用的影響不顯著。灌漿期時在相同灌水量下不同施鉀處理的葉綠素表現(xiàn)為:K1>K2>K3,K1 比K2 增加了2.4%(W2 處理)和5.8%(W1 處理),K2 比K3 增加了7.8%(W2 處理)和9.8%(W1 處理);在相同施鉀量下葉綠素表現(xiàn)為:W2>W(wǎng)1,W2 處理比W1 處理增加了7.9%(K1 處理)、4.0%(K2 處理)和6.0%(K3 處理)。說明灌水量和施鉀量的增加都會增大葉片中葉綠素含量的上限值。冬小麥生育后期葉片變黃葉綠素含量逐漸下降,至成熟期時相同灌溉水量下葉綠素含量表現(xiàn)為K1>K2>K3,相同施鉀量下葉綠素含量表現(xiàn)為W2>W(wǎng)1。說明施鉀量和灌溉水量的增加都會增大冬小麥生育后期葉綠素的下限值。
表4 葉綠素的水鉀雙因素方差分析結(jié)果Table 4 Results of two-factor analysis of variance for water and potassium
表5 為冬小麥各生育期的干物質(zhì)積累量,其積累變化趨勢呈S 型曲線,開花期和灌漿期是干物質(zhì)快速積累的階段。成熟期干物質(zhì)積累量最大的是W2K1,最小的是W1K3,最大值和最小值分別為22 609.33 和20 873 kg/hm2。
表5 不同水鉀處理下干物質(zhì)積累量Table 5 Dry matter accumulation under different water and potassium treatments kg/hm2
由表6 可知,施鉀量的主效應(yīng)對冬小麥全生育期的干物質(zhì)積累量影響顯著,在開花期灌溉二水后,不同灌溉水量對干物質(zhì)積累影響也顯著,但水鉀交互作用對干物質(zhì)積累影響不顯著。
表6 冬小麥干物質(zhì)積累量的水鉀雙因素方差分析結(jié)果Table 6 Two-factor analysis of variance of water and potassium for winter wheat dry matter accumulation
成熟期時相同灌水量下不同施鉀量的干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為:K1>K2>K3,K1 比K2 增加了2.2%(W1處理)和0.78%(W2 處理),K2 比K3 增加了4.3%(W1處理)和4.0%(W2 處理);相同施鉀量下不同灌水處理間差異顯著,其干物質(zhì)表現(xiàn)為:W2>W(wǎng)1,W2 處理的干物質(zhì)積累量比W1 處理提高了1.7%(K1處理)、3.2%(K2 處理)和3.4%(K3 處理)。
W1K1、W1K2 和W1K3 的干物質(zhì)積累量之間差異顯著,說明在灌溉一水的條件下,增大施鉀量會顯著提高冬小麥干物質(zhì)的積累; W2K1 和W2K2差異不顯著,W2K2 和W2K3 差異顯著,說明在灌溉兩水時,在一定范圍內(nèi)施鉀量的增加會使干物質(zhì)的積累量增加,但是當(dāng)施鉀量增加到225 kg/hm2時,施鉀量的提升不能使干物質(zhì)積累顯著增加。
表7 為冬小麥各個生育期不同器官干物質(zhì)占全株冬小麥干物質(zhì)的比例。由表7 可知,葉片干物質(zhì)占全株干物質(zhì)的比例最大是在拔節(jié)期,所占比例范圍在61.53%~66.69%之間,成熟期最小,所占比例范圍在5.2%~6.88%之間;莖所占干物質(zhì)的比例是先增大后減小,開花期達(dá)到最大,所占比例范圍在63.67%~65.74%之間,隨后所占比例逐漸下降,成熟期最小,所占比例范圍為30.58%~33.56%;穗作為冬小麥的營養(yǎng)器官,自抽穗后所占比例就不斷增加,至成熟期所占比例最大,范圍在59.68%至63.66%之間。
表7 不同水鉀組合下各器官占全株冬小麥干物質(zhì)的比例Table 7 Dry matter distribution of winter wheat under different water and potassium combinations %
由表8 可知,各個器官的干物質(zhì)所占比例受不同水鉀組合的影響,在拔節(jié)期葉和莖的所占比例受到不同施鉀量的影響;在灌漿期和成熟期莖的所占比例受到不同施鉀量的影響;在灌漿期和成熟期不同灌水量、不同施鉀量和水鉀交互作用對穗的所占比例影響均顯著,各影響因素的F 值大小為K>W(wǎng)>K*W,說明在成熟期,施鉀量對穗占全株干物質(zhì)比例影響最大,其次是灌水量,最后是水鉀交互作用。
表8 各器官干物質(zhì)占比的水鉀雙因素分析結(jié)果Table 8 Results of two-factor analysis of water and potassium for the proportion of dry matter in various organs
由表9 可知,灌溉水量和施鉀量對耗水量的影響均達(dá)到極顯著水平,但水鉀交互作用對其影響不顯著,說明小麥全生育期的耗水量受到灌溉水量和施鉀量的顯著影響,而不受水鉀交互作用的影響。因為W 處理的F 值大于K 處理,所以灌水次數(shù)對小麥全生育期耗水量的影響大于施鉀量。
表9 冬小麥全生育期耗水量的水鉀雙因素方差分析結(jié)果Table 9 Two-factor analysis of variance of water and potassium for water consumption of winter wheat during the whole growth period
由表10 可知,各處理中W2K1 的耗水量最大,耗水量為399.33 mm;W1K3 的耗水量最小,耗水量為347.33 mm。相同灌水量下,K1 處理的耗水量相比K2 提高了0.7%(W2 處理)和3.6%(W1 處理),K2 處理的耗水量相比K3 提高了3.3%(W2 處理)和2.6%(W1),說明隨著施鉀量的增加,冬小麥全生育期耗水量會增大,但是W2K1 與W2K2 之間和W1K2 與W1K3 之間差異不顯著,說明在W2 處理下,當(dāng)施鉀量從K2 增加到K1 時,耗水量的增加不顯著,在W1 處理下,當(dāng)施鉀量從K3 增加到K2時,耗水量的增加也不顯著;在相同施鉀水平下,W2 處理的耗水量與W1 差異顯著,且W2 處理的耗水量比W1 提高了8.2%(K1 處理)、11.3%(K2 處理)和10.5%(K3 處理)。說明灌溉水量的增加導(dǎo)致小麥全生育期耗水量增加。
表10 冬小麥全生育期耗水量Table 10 Water consumption during whole growth period
表11 給出了不同水鉀組合下各處理的實測產(chǎn)量,各處理中W2K1 的產(chǎn)量最高,產(chǎn)量為10 469.23 kg/hm2;W1K3 的產(chǎn)量最低,為8 727.1 kg/hm2。由表12 可知,灌溉水量、施鉀量和水鉀交互作用對理論產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平,其影響程度由大到小依次為:施鉀量、灌水量、水鉀交互作用。由各組間的方差對比可知,W1K1 與W1K2 無顯著差異,說明在W1 處理下,當(dāng)施鉀量提高到225 kg/hm2時,過高的施鉀量不會帶來產(chǎn)量的顯著提高。W1K1 與W2K1、W1K3 與W2K3 差異顯著,說明在K1 和K3 處理下多灌溉1 次水,會顯著提高理論產(chǎn)量;W1K2 與W2K2 的差異不顯著,說明在K2 處理下,多灌溉1 次水所獲得的產(chǎn)量提升效果不顯著。
表11 不同水鉀組合下冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Table 11 Winter wheat yield and its components under different water and potassium combinations
穗粒數(shù)受施鉀量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。在W2 處理下,隨著施鉀量的增加,穗粒數(shù)顯著提高;但是在W1 處理下,K1 與K2 差異不顯著,K2 與K3 差異顯著,說明當(dāng)施鉀量從90 kg/hm2提高至135 kg/hm2時穗粒數(shù)會顯著提高,但當(dāng)施鉀量從135 kg/hm2提升至225 kg/hm2時,穗粒數(shù)有提高,但是效果不顯著。灌溉水量和水鉀交互作用對穗數(shù)影響顯著,在相同施鉀量下,W2 比W1 提高了6.5%(K1 處理)、2.1%(K2 處理)和12.9%(K3處理)。千粒重受到施鉀量和水鉀交互作用的影響,W1 處理下K2 的千粒重最大,為37.44 g,W2 處理下K1 的千粒重最大,為37.14 g。
表12 產(chǎn)量及構(gòu)成要素的水鉀雙因素分析結(jié)果Table 12 Results of two-factor analysis of water and potassium for yield and components
表13 為不同水鉀組合下冬小麥的水分利用效率,水分利用效率是指作物蒸騰消耗單位質(zhì)量的水所制造干物質(zhì)的質(zhì)量。各處理中W1K2 的水分利用效率最大,其值為2.81 kg/m3;W2K3 的水分利用效率最小,其值為2.44 kg/m3。在W2 處理下,K1 可以獲得較大的水分利用效率;在W1 處理下,K2 可以獲得較大的水分利用效率。
表13 不同水鉀組合的水分利用效率Table 13 Water use efficiency of different combinations of water and potassium
由表14 可知,灌溉水量、施鉀量和水鉀交互作用對水分利用效率的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。各影響因素的F 值大小排序為:K>K*W>W(wǎng),所以對水分利用效率影響最大的因素是施鉀量,其次是水鉀交互作用,最后是灌水量。
表14 水分利用效率的水鉀雙因素方差分析結(jié)果Table 14 Two-factor analysis of variance of water and potassium for water use efficiency
葉綠素是植物體進(jìn)行光合作用不可缺少的物質(zhì),有研究表明:適當(dāng)?shù)氖┾浟坎粌H可以促進(jìn)生物量的積累,還可以增加旗葉的葉面積和旗葉衰老后期葉綠素的含量,延長旗葉的光合功能期,促進(jìn)籽粒的灌漿[26]。在本研究中,冬小麥旗葉葉綠素含量在灌漿期達(dá)到最大,在成熟期時衰減至最小,整體呈先增大后減小的趨勢。在同一灌水量下葉綠素含量的大小均表現(xiàn)為:K1>K2>K3,在同一施鉀量處理下,W2 處理的葉綠素含量比W1 處理增加了4.0%~7.9%,這說明在不充分灌溉下,灌溉水量的減少會使旗葉葉綠素含量降低,與此同時提高鉀肥的施用量會增加葉片的抗逆性,使葉片葉綠素含量增加,與李瑞[26]和張立新[27]等人的研究結(jié)果相似。
施鉀肥可以提高干物質(zhì)積累速率和最大干物質(zhì)積累量[28],本試驗中各施鉀處理的最大干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為:K1>K2>K3,這是由于隨著施鉀量的增加,旗葉葉綠素含量的上限值獲得提高并且延緩了葉片的衰老,延長了植株光合作用的時間,使得在相同灌水處理下施鉀量越高干物質(zhì)積累量也就越大;在相同施鉀量下,W2 的干物質(zhì)積累量比W1 有顯著增加,這可能是由于灌溉水量的增加使得土壤中可以被植株吸收的鉀離子增多,使得植株干物質(zhì)積累速率增加,獲得正向反饋。施鉀量的增加不僅可以提高干物質(zhì)積累還可以促進(jìn)干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運,李文娟等[29]的研究表明,在適當(dāng)施鉀量下籽粒占全株干物質(zhì)的比例會增大。本實驗中也有相似結(jié)論,在不同灌水量下均是K2 處理的穗占全株干物質(zhì)比例最大,過高或者過低的施鉀量均降低穗在全株干物質(zhì)中的占比。
施鉀可以改善冬小麥群體物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量要素[30],并且可以促進(jìn)小麥植株對土壤中氮的吸收,增加氮肥利用率,減少氮素的淋失[31]。本試驗中,施鉀量對穗粒數(shù)和穗數(shù)影響顯著,隨著施鉀量的增加,穗粒數(shù)和穗數(shù)都有顯著增加,此外灌水量的增加也會使穗數(shù)增加。千粒重除了受到施鉀量的影響還受到灌水量的影響,灌溉兩水的情況下,隨著施鉀量的增加,籽粒的千粒重也隨之增加,而在灌一水時,K1 和K3均較K2 的千粒重有所降低,這說明在灌兩水的情況下,施鉀量的增加對小麥千粒重的增加有正向反饋作用,而在灌一水時,K2 處理的抗逆性有顯著提高,過高或過低的施鉀量均會使千粒重下降。從整體產(chǎn)量上看,對產(chǎn)量的影響因素從大到小依次是施鉀量、灌水量和水鉀交互作用。隨著灌溉水量和施鉀量的增加小麥產(chǎn)量均有所提高,這是由于施鉀促進(jìn)了小麥的根系發(fā)育,促進(jìn)對其他營養(yǎng)元素的吸收[32],葉綠素含量增大,延長灌漿時間,促進(jìn)開花后營養(yǎng)器官貯存的光合產(chǎn)物向生殖器官的再分配,提高籽粒蛋白質(zhì)和氨基酸的含量,增加產(chǎn)量[16]。
充足的水分是保證產(chǎn)量的基本要求,但不是灌溉的越多就越能獲得高產(chǎn),過多的灌水會使作物產(chǎn)生奢侈蒸騰,造成水分浪費,而適度的虧水可以顯著抑制蒸騰速率,促進(jìn)根系鍛煉,且光合速率下降不明顯,有利于光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運以及積 累[33]。本試驗中,隨著灌溉水量和施鉀量的增加小麥全生育期耗水量有顯著增加,但是多灌溉1 次水會導(dǎo)致水分利用效率下降3.8%(K1)、13.3%(K2) 和2.9%(K3), 與此同時帶來的增產(chǎn)效果為4.3%(K1)、-1.6%(K2)和 7.5%(K3),多灌溉1次水反而使得W2K2 的產(chǎn)量較W1K2 有略微下降,這是可能是由于在灌一水時中鉀處理增強了小麥的抗逆性,提高了營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運速度,使W1 處理的千粒重比W2 大。W1K2 相比于W2K1產(chǎn)量下降了4.3%,但是水分利用效率提高了7.3%。鑒于以上研究結(jié)果,W1K2 既能獲得相對較高的產(chǎn)量又能獲較高的水分利用效率,所以W1K2 為最佳的水鉀處理方案。
(1)施鉀量和水鉀交互作用對葉綠素含量和干物質(zhì)積累量影響顯著,施鉀量越高,灌漿期旗葉葉綠素含量的上限值和成熟期旗葉衰減后葉綠素的下限值越高,干物質(zhì)積累量也越大。
(2)冬小麥全生育期耗水量受灌溉水量和施鉀量影響顯著。各處理中耗水量最大的是W2K1,最小的是W1K3,最大值和最小值分別為399.33 mm和347.33 mm;K1 處理的耗水量相比K2 和K3 分別增加了0.7% ~3.6% 和4.1% ~6.3%,W2 處理的耗水量比W1 增加了8.2%~11.3%。
(3)產(chǎn)量和各器官干物質(zhì)占全株干物質(zhì)的比例受灌溉水量、施鉀量和水鉀交互作用的影響。各處理中產(chǎn)量的最大的是W2K1,最小的是W2K3,最大值和最小值分別為10 469.23 和8 727.1 kg/hm2;成熟期穗占全株干物質(zhì)比例表現(xiàn)最好的是W1K2,穗占比達(dá)到了64.22%,且W1K2 的水分利用效率為2.81 kg/m3,比其他處理提高了3.3%~15.2%。故從提高水分利用效率和提高穗占全株干物質(zhì)比例的角度考慮,W1K2 為最佳的水鉀處理方式。