施氮量對滴灌冬小麥不同穗位籽粒灌漿特性的影響

姚 釗， 王重陽， 崔 靜

(石河子大學 農(nóng)學院，新疆 石河子 832003)

小麥是新疆第一大糧食作物，2017年新疆小麥的種植面積高達117.33萬hm2，占當?shù)丶Z食作物種植面積的52%。通過節(jié)本增效來增加小麥種植效益有利于增加農(nóng)民收入，對新疆的經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定有重要作用[1]。滴灌小麥在新疆的發(fā)展前景良好。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2012年，大田滴灌技術在新疆的推廣面積便已達到了166萬hm2以上，并且以每年新增20萬hm2面積的速度在當?shù)赝茝V。該區(qū)域現(xiàn)已成為世界上面積最大的滴灌技術成功應用的地方[2]。

單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是小麥產(chǎn)量構成的三要素。研究表明，隨著育種手段的提升，小麥的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)都日漸穩(wěn)定，因此進一步增加千粒重就成為小麥增產(chǎn)的重要途徑[3]。灌漿期是決定小麥千粒重的關鍵時期[4]。在灌漿過程中，氮肥對灌漿參數(shù)具有重要影響[5]。小麥穗部各穗位籽粒的發(fā)育與營養(yǎng)物質(zhì)的供應狀況、遺傳特性、外界環(huán)境等因素有關。這些因素的變化會導致不同穗位的籽粒發(fā)育不均衡，最終使千粒重出現(xiàn)很大差異[6-7]；因此，深入研究小麥粒重與穗位的關系，了解小麥不同穗位籽粒的發(fā)育特性及其變化規(guī)律，對于有效提高小麥產(chǎn)量來說具有重要意義[8]。茹振鋼等[9]發(fā)現(xiàn)，在高肥水管理措施下小麥的千粒重受到穗位、花位的影響。前人普遍認為，小麥穗部粒重具有近中優(yōu)勢，即中部小穗粒重往往最大[10-12]。顧世梁等[13]研究發(fā)現(xiàn)，稻麥作物不同穗位籽粒的粒重存在明顯差異且與灌漿進程有關。梳理現(xiàn)有研究，關于小麥灌漿特性的研究很多，但多集中于常規(guī)灌溉下整體麥穗的研究，而針對滴灌條件下小麥不同穗位灌漿特性的研究較少。在滴灌條件下，不同施氮水平對小麥不同穗位籽粒灌漿特性的影響與常規(guī)灌溉條件下是否一致？為解答此問題，特在滴灌條件下開展不同施氮量對冬小麥不同穗位籽粒灌漿特性影響的研究，旨在探明滴灌條件下氮肥用量對冬小麥不同穗位籽粒灌漿特性的影響和籽粒增重機理，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上穩(wěn)定增加粒重、有效提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2018—2019年在石河子大學農(nóng)學院試驗站(44°20′N，88°3′E)進行。該地區(qū)為干旱大陸性氣候，年無霜期165～170 d，年均降水量230 mm，年蒸發(fā)量約1 045 mm，在小麥生長季節(jié)(4—7月)平均溫度、降水量、蒸發(fā)量分別為22.5 ℃、145 mm、834 mm。試驗地土壤質(zhì)地為砂壤，0～40 cm土層有機質(zhì)含量22.37 g·kg-1，速效鉀含量147 mg·kg-1，全氮含量0.75 g·kg-1，堿解氮含量58.23 mg·kg-1，速效磷含量19.83 mg·kg-1，土壤容重1.42 g·cm-3。

1.2 試驗設計

選擇新冬22號(奎屯市農(nóng)業(yè)科學研究所選育)和新冬43號(新疆農(nóng)墾科學院作物研究所選育)為供試品種。人工條播，采用1管4行方式種植，播種密度為525萬?！m-2，試驗小區(qū)面積40 m2(5 m×8 m)。全生育期基施磷酸二胺(N 18%，P2O546%)375 kg·hm-2，追施磷酸二氫鉀(P2O524%，K2O 27%)60 kg·hm-2，分別于4月23日(拔節(jié)期)和5月13日(抽穗期)隨水均勻滴施。各處理全生育期總灌水量均為525 mm，共灌水10次：播種后(10月2日)滴溉出苗水60 mm，冬前(11月6日)灌越冬水90 mm，從返青(4月13日)至成熟(6月22日)共灌水8次，每10 d灌一次，每次灌水46.88 mm。

試驗設置N0、N1、N2、N3、N4共5個處理，采用隨機區(qū)組排列，每個處理重復3次，分別施尿素(N 46%)折純0、150、300、450、600 kg·hm-2。其中，10%作基肥，其余分別于4月13日(返青期)、5月3日(孕穗期)、5月23日(揚花期)、6月2日(灌漿初期)按照30%、20%、30%、10%的比例隨水滴施。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 產(chǎn)量測定

每個處理選擇1 m2的區(qū)域(重復5次)，測定單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)，對植株進行脫粒、烘干處理，測定千粒重，計算理論產(chǎn)量。

1.3.2 小麥籽粒灌漿過程測定

抽穗期于各小區(qū)內(nèi)選擇同一天抽穗且穗型基本一致的主莖穗250個，掛上小紙牌。于開花后第7天開始取樣，每處理取5個主莖穗，此后每隔7 d取樣一次(即花后7、14、21、28、35 d取籽粒鮮樣)，105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃烘至恒重，用BSA124S-CW型電子天平(德國賽多利斯，精確至0.1 mg)稱重。以開花天數(shù)t為自變量，千粒重Y為因變量，用邏輯斯諦(Logistic)方程對籽粒生長過程進行模擬，公式如下：

Y=k/(1+ae-bt)。

(1)

式(1)中：k為理論最大千粒重；a、b為模型性狀參數(shù)。

同時，推導出如下灌漿參數(shù)：籽粒平均灌漿速率R(mg·d-1)、灌漿持續(xù)天數(shù)T(d)、最大灌漿速率Rmax(mg·d-1)、達到Rmax的時間Tmax(d)。T1與R1、T2與R2、T3與R3分別表示3個灌漿階段(漸增期、快增期和緩增期)的灌漿持續(xù)時間(d)與灌漿速率(mg·d-1)。用相關分析、逐步回歸對灌漿參數(shù)與粒重的關系進行統(tǒng)計分析。

1.3.3 穗位劃分

每株麥穗有15～18個小穗，將每個主莖穗在垂直方向上平均分為上、中、下3部分，每部分有5～6個小穗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 16.0進行方差分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用LSD法進行多重比較。采用Sigma Plot 12.5軟件做圖。

2 結果與分析

2.1 對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表1可知，2個小麥品種的單位面積穗數(shù)和產(chǎn)量均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在本試驗條件下，新冬22號的千粒重隨著施氮量的增加表現(xiàn)出增加的趨勢，而新冬43號的千粒重則隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢。隨著施氮量增加，2個品種的穗粒數(shù)未表現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律性的變化趨勢。新冬22號在N3處理下產(chǎn)量最高(6 398.3 kg·hm-2)，與不施氮肥的N0處理相比，N1、N2、N3、N4處理分別顯著(P<0.05)增產(chǎn)7.03%、14.03%、23.18%、8.63%；新冬43號在N2處理下產(chǎn)量最高(7 505.1 kg·hm-2)，與N0處理相比，N1、N2、N3、N4處理分別顯著(P<0.05)增產(chǎn)11.80%、20.59%、15.57%、15.52%。以上結果表明，適宜的施氮量能夠顯著增加小麥產(chǎn)量，但過少和過多的施氮量均不利于各小麥品種增產(chǎn)潛力的充分發(fā)揮。對比2個品種可知，新冬43號在各處理下的產(chǎn)量均高于新冬22號，說明新冬43號在生產(chǎn)中更具產(chǎn)量優(yōu)勢。

2.2 對冬小麥不同穗位籽粒灌漿的影響

從圖1可以看出，2個小麥品種在5個處理下3個穗位的籽粒千粒重均表現(xiàn)出“慢—快—慢”的“S”形增長模式，且Logistic回歸方程的擬合效果較好(從R2上判斷，均達顯著水平，P<0.05)。2個小麥品種的穗部粒重均具有近中優(yōu)勢，不同氮肥處理下均呈現(xiàn)出中部>下部>上部的趨勢，這與李春喜等[14]的研究結果一致。在2個小麥品種的中部和下部穗位，新冬22號在N3處理下、新冬43號在N2處理下，其千粒重上升最明顯，表明適宜的施氮量可以有效提高中部和下部穗位籽粒的千粒重。對于新冬22號來說，各處理下總粒重表現(xiàn)為N3>N4>N1>N2>N0；對于新冬43號來說，各處理下總粒重表現(xiàn)為N2>N3>N1>N4>N0。

表1 不同處理下冬小麥的產(chǎn)量及其構成因素

圖1 各處理下不同穗位粒籽千粒重增長曲線Fig.1 Dynamics of 1 000-grain weight at different part of panicles under different treatments

2.3 對冬小麥不同穗位籽粒灌漿參數(shù)的影響

2.3.1 對籽粒千粒重的影響

從表2可以看出，不同氮肥處理下，除N2和N3處理下的新冬22號外，2個小麥品種不同穗位的理論最大千粒重(k)均表現(xiàn)為中部>下部>上部，即理論上最大千粒重多以中部最大。不同氮肥處理間比較發(fā)現(xiàn)，新冬22號中部和下部籽粒均在N3處理下k值最大，上部籽粒則在N4處理下k值最大；新冬43號均在N2處理下k值最大，表明適宜的氮肥處理可以提高上、中、下部穗位籽粒的理論最大千粒重，進而提高總體理論最大千粒重。進一步分析發(fā)現(xiàn)，2個品種上部籽粒的理論最大千粒重變異系數(shù)最大(表3)，表明上部籽粒的理論最大千粒重更易受施氮量的影響。

表2 各處理下不同穗位粒籽模型方程參數(shù)

2.3.2 對灌漿持續(xù)天數(shù)(T)和平均灌漿速率(R)的影響

由表4可以看出，不同處理對2個品種不同穗位灌漿持續(xù)天數(shù)的影響不同。新冬43號上、中、下部籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)均隨著施氮量的增加整體呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，且均在N2處理下達到最大；而新冬22號3個穗位籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)隨著施氮量增加并未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，但均在N3處理下達到最大。除新冬22號的上部穗位外，2個品種上、中、下部籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)均在N0處理下最小。除N0處理外，2個品種3個穗位籽粒的平均灌漿速率整體表現(xiàn)為中部>下部>上部。整體來看，2個品種的最大灌漿速率均出現(xiàn)在N0處理下。上述結果表明，適宜的施氮量能延長各穗位籽粒灌漿的持續(xù)天數(shù)，降低平均灌漿速率。從灌漿持續(xù)天數(shù)和平均灌漿速率來看，在本試驗條件下，N3和N2處理分別為適宜新冬22號與新冬43號的處理。

2.3.3 對最大灌漿速率(Rmax)和其出現(xiàn)時間(Tmax)的影響

表3 各處理下不同穗位粒籽模型方程參數(shù)的變異系數(shù)

由表4可知，除新冬43號下部穗位最大灌漿速率的出現(xiàn)時間在N4處理下最大外，2個小麥品種3個穗位籽粒的最大灌漿速率及其出現(xiàn)時間均在N0處理下最大。將2個品種進行比較，新冬43號整體的籽粒最大灌漿速率較新冬22號高14.31%，最大灌漿速率出現(xiàn)時間較新冬22號晚0.4 d。N0處理下2個品種3個穗位籽粒的千粒重與其他處理相比處于較低水平(圖1)。由此可知，不施氮肥會增大各穗位籽粒的最大灌漿速率，并推遲其出現(xiàn)的時間，最終降低籽粒千粒重。

2.3.4 對不同時段籽粒灌漿參數(shù)的影響

由表4可知，除N0處理下新冬43號的上、中部穗位不同階段的灌漿持續(xù)時間表現(xiàn)為T3>T1>T2外，各處理下2個品種3個穗位籽粒不同階段的灌漿持續(xù)時間均表現(xiàn)為T3>T2>T1，而灌漿速率均表現(xiàn)為R2>R1>R3。在漸增期，除新冬43號的N2處理外，各處理下2個品種3個穗位籽粒的灌漿持續(xù)時間均表現(xiàn)為下部最大，而灌漿速率均表現(xiàn)為中部>下部>上部。

從變異系數(shù)(表5)上看：2個品種3個穗位籽粒漸增期的持續(xù)時間變異系數(shù)均表現(xiàn)為上部最大，新冬22號3個穗位籽粒快增期的持續(xù)時間與灌漿速率，以及緩增期的持續(xù)時間與灌漿速率的變異系數(shù)均表現(xiàn)為下部>中部>上部，而新冬43號則均表現(xiàn)為中部>上部>下部。也就是說，2個品種上部籽粒漸增期的持續(xù)時間易受施氮量影響。在快增期與緩增期，新冬22號下部穗位的籽粒灌漿參數(shù)易受施氮量影響，而新冬43號則是中部穗位的籽粒灌漿參數(shù)易受施氮量影響。

2.3.5 小麥籽粒灌漿參數(shù)與不同穗位千粒重的相關性

由表6可知，2個品種3個穗位籽粒的最大灌漿速率(Rmax)、快增期灌漿速率(R2)、緩增期灌漿速率(R3)，以及中部和下部籽粒最大灌漿速率的出現(xiàn)時間(Tmax)和平均灌漿速率(R)均與千粒重呈極顯著(P<0.01)負相關；2個品種3個穗位籽粒的漸增期灌漿速率(R1)、快增期持續(xù)時間(T2)、緩增期持續(xù)時間(T3)，以及下部籽粒的漸增期持續(xù)時間(T1)均與千粒重呈極顯著(P<0.01)正相關。中部籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)(T)與千粒重在新冬22號上呈顯著(P<0.05)正相關，在新冬43號上則呈極顯著(P<0.01)正相關。由此推測，提高漸增期灌漿速率(R1)、延長快增期持續(xù)時間(T2)與緩增期持續(xù)時間(T3)，可以提高3個穗位籽粒的千粒重，延長灌漿持續(xù)時間(T)可以提高中部籽粒的千粒重，有益于總粒重增加，從而實現(xiàn)增產(chǎn)的目的。

表4 各處理下不同穗位籽粒的灌漿參數(shù)和次級參數(shù)

表5 各處理下不同穗位籽粒的灌漿參數(shù)和次級參數(shù)的變異系數(shù)

表6 不同穗位籽粒灌漿參數(shù)與千粒重的相關性

3 討論

研究表明，傳統(tǒng)灌溉條件下，小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢[15]。趙廣才等[16]研究表明，在中高產(chǎn)前提下，小麥穗粒數(shù)與產(chǎn)量都隨著施氮量的增加而增加。彭永欣[17]認為，氮肥施用量與籽粒的產(chǎn)量表現(xiàn)為二次曲線，即當施氮量處于一定范圍時，氮肥施用量增加，小麥的產(chǎn)量也隨之增加，但若施氮量高于臨界點，氮肥的投入產(chǎn)出比便快速減小。本研究在滴灌條件下的研究結論與在傳統(tǒng)灌溉條件下的結論一致，即在一定施氮范圍內(nèi)，冬小麥的籽粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增加，但當超過一定范圍后產(chǎn)量下降。本研究中不同品種的最佳施氮量存在差異性，新冬22號在N3(450 kg·hm-2)處理下產(chǎn)量最大，新冬43號在N2(300 kg·hm-2)處理下產(chǎn)量最大，且均顯著高于其他氮肥處理。這一結果表明，滴灌條件下適宜的施氮量能有效提高冬小麥的產(chǎn)量，過低或過高的施氮量都不利于小麥產(chǎn)量潛力的充分發(fā)揮。

前人研究認為，小麥籽粒的粒重受其穗軸垂直位置的影響[18]。趙尚文等[19]發(fā)現(xiàn)，冬小麥的主莖穗和分蘗穗的籽粒結實數(shù)、小穗重和單粒重都表現(xiàn)出籽粒發(fā)育的近中優(yōu)勢。在本試驗條件下，小麥穗部粒重也具有近中優(yōu)勢，即供試的2個小麥品種均以中部粒重最大，這與馬冬云等[20]的研究結果相似。王成雨等[21]在傳統(tǒng)灌溉條件下發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量增加，小麥的小穗粒重在不同穗位間都呈現(xiàn)二次曲線的變化趨勢，并且中下部小穗粒重的上升速度顯著大于中上部和上部小穗。本研究也有類似發(fā)現(xiàn)，即在一定的施氮范圍內(nèi)，隨著灌漿的進行，不同穗位籽粒千粒重均呈現(xiàn)慢—快—慢的“S”形增長模式，中部和下部籽粒的千粒重上升速度整體大于上部籽粒，適宜的施氮量不僅能加快中部和下部籽粒的千粒重上升速度，還能同時增加上、中、下3個穗位籽粒的粒重，從而提高總體粒重，最終使產(chǎn)量增加。比較2個品種不同穗位籽粒粒重的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，上部籽粒的粒重更易受施氮量的影響。

小麥的灌漿特性除受其本身的遺傳特性控制外，還會受到施氮量和其他因素的影響[22-23]。有研究認為，在傳統(tǒng)灌溉條件下，小麥千粒重與灌漿速率呈正相關，但和灌漿持續(xù)時間沒有明顯聯(lián)系[24-26]。李娜等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施氮降低了小麥籽粒的平均灌漿速率，延長了籽粒的灌漿持續(xù)時間，主要使快增期和緩增期的時間延長，最終令粒重增加。李彥旬等[28]研究減量施氮對滴灌春小麥籽粒的灌漿特性時發(fā)現(xiàn)，適宜的施氮量不但能延長小麥灌漿活躍期，還能提高籽粒灌漿速率，對高粒重形成有利。本試驗在滴灌條件下將冬小麥分成3個穗位，分別進行灌漿特性研究。結果發(fā)現(xiàn)，適宜的施氮量能延長各穗位籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)，降低平均灌漿速率，從而增加各穗位籽粒粒重，繼而增加產(chǎn)量。不施氮肥的處理會縮短各穗位籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)，提高平均灌漿速率和最大灌漿速率，并推遲其出現(xiàn)的時間，最終使得各穗位籽粒粒重減少，從而造成減產(chǎn)。由此推測，可以通過調(diào)整氮肥施用來提高緩增期和快增期的灌漿速率，適當延長緩增期持續(xù)時間，從而達到增加粒重的目的。本試驗發(fā)現(xiàn)，2個品種上部籽粒的漸增期持續(xù)時間易受施氮量影響，新冬22號下部籽粒的快增期與緩增期籽粒灌漿參數(shù)易受施氮量影響，新冬43號中部籽粒的快增期與緩增期籽粒灌漿參數(shù)易受施氮量影響，且2個品種3個穗位籽粒的漸增期灌漿速率、快增期持續(xù)時間、緩增期持續(xù)時間，以及中部穗位籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)均與千粒重呈顯著(P<0.05)正相關。由此推想，可通過調(diào)整氮肥運籌的方式來提高漸增期灌漿速率、延長快增期持續(xù)時間與緩增期持續(xù)時間來達到提高3個穗位籽粒千粒重的目的，并通過延長中部穗位籽粒的灌漿持續(xù)時間來提高中部籽粒的千粒重，最終使總粒重增加，實現(xiàn)增產(chǎn)。本試驗與錢兆國等[23]的研究出現(xiàn)了一些不同的結論，可能是由于品種和栽培措施的差異所致。錢兆國等[23]的試驗材料為泰山021，是半冬性品種，試驗在傳統(tǒng)灌溉條件下進行，而本試驗使用的2個品種均為冬性品種，且采用了滴灌技術。

總的來看，在本試驗的滴灌條件下，適宜的施氮量不僅能顯著提高冬小麥麥穗中部和下部籽粒千粒重的增重速度，還能同時增加上、中、下3個穗位的籽粒粒重，延長各穗位籽粒的灌漿持續(xù)天數(shù)，降低平均灌漿速率，從而增產(chǎn)。本試驗條件下，新冬22號和新冬43號的最優(yōu)施氮量分別為450 kg·hm-2和300 kg·hm-2。建議在今后的生產(chǎn)中，可從提高漸增期灌漿速率，延長快增期、緩增期持續(xù)時間和灌漿持續(xù)天數(shù)入手來進一步提高滴灌條件下冬小麥的產(chǎn)量。