立體勻播和密度對冬小麥光合、干物質積累分配及產(chǎn)量的影響

張金汕，賈永紅，李 鵬，孫 鵬，蔣 文，石書兵

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院奇臺麥類試驗站，新疆奇臺 831800)

立體勻播是小麥生產(chǎn)上的一項增產(chǎn)新技術，是基于小麥生長發(fā)育特性，充分發(fā)揮小麥個體均勻健壯和群體充足合理的協(xié)調機制。與常規(guī)條播方式相比，立體勻播下麥種分布更均勻，更有利于小麥個體生長，進而達到高產(chǎn)目的[1-2]。因此，研究小麥立體勻播對糧食生產(chǎn)和栽培技術革新均有重要意義。趙廣才等[3]認為，小麥立體勻播創(chuàng)造了單株營養(yǎng)均衡的條件，使苗期個體營養(yǎng)競爭減小，促進了冬前幼苗健壯發(fā)育和優(yōu)勢蘗的形成，其群體能均勻接受光照，從而提高個體和群體光合作用，進而提高產(chǎn)量，且立體勻播減少了傳統(tǒng)條播造成的行壟之間的裸地面積，增加了苗期的地表覆蓋度，有利于土壤保墑和土地資源的充分利用。郝德有等[4]研究表明，立體勻播麥種在土壤縱向分布中存在一定差異，而分蘗節(jié)位則趨向于同一土層，麥苗單株分蘗調節(jié)特性加強，群體更均勻，能充分利用光熱資源，通風透光性比常規(guī)條播更好；立體勻播植株的根系更為發(fā)達，植株根系與葉片活力強，不早衰，抗干熱風和倒伏性強。張幸溫等[5]研究表明，立體勻播小麥能充分展示幼苗匍匐特性，且立體勻播將常規(guī)條播下麥田分布的一維行距變?yōu)槎S株距，避免了幼苗的擁擠，使小麥個體能夠充分有效利用農(nóng)田土地資源，促進了小麥有效分蘗的發(fā)生，增加小麥產(chǎn)量。與常規(guī)條播相比，立體勻播小麥產(chǎn)量可提高3.59%～ 18.91%，整地、撒肥及播種等作業(yè)成本降低，肥料投入成本減小，種植效益顯著增加[6-7]。關于小麥干物質積累、轉運及產(chǎn)量方面的研究，前人主要在常規(guī)條播種植方式下進行[8-11]，而針對立體勻播對小麥光合、干物質積累、轉運和產(chǎn)量構成的影響鮮見報道。本研究選用新疆昌吉地區(qū)普遍栽培的兩個冬小麥品種，研究種植方式和密度對冬小麥光合、干物質積累及產(chǎn)量的效應，為立體勻播技術在新疆地區(qū)的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試點概況

試驗于2016年10月—2017年8月在新疆農(nóng)業(yè)科學院奇臺麥類試驗站進行。試驗前供試土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料與設計

供試小麥品種為新疆普遍栽培的新冬22號和新冬46號，其中新冬22號分蘗力強，晚熟；新冬46號分蘗力中等，早熟。

采用二因素裂區(qū)試驗設計，種植方式為主區(qū)，設立體勻播(uniforming，UN)和常規(guī)條播(drilling，DR)2個處理；種植密度為副區(qū)，共4個處理：D150(150萬株·hm-2)、D225(225萬株·hm-2)、D300(300萬株·hm-2)和D375(375萬株·hm-2)。播種為人工勻播(采用打孔排種板固定株距)和人工條播，人工勻播按立體勻播技術原理設計，前期預試驗中人工勻播和立體勻播機播種的效果基本一致。小區(qū)面積為10 m2(2 m× 5 m)，勻播株間距分別為8.2、6.7、5.8、5.2 cm，條播行距0.2 m，播深3～4 cm，每小區(qū)10行。3次重復。試驗地四周設置保護行，播前基肥施尿素(含N 46%)300 kg·hm-2，施純磷(P2O5)150 kg·hm-2，灌水及其他管理措施與當?shù)卮筇镆恢隆２テ跒?016年10月2日。前茬作物為玉米。

1.2.2 測定項目與方法

葉面積指數(shù)測定：于抽穗期、開花期和灌漿期，測定小麥群體冠層上、中和下部葉葉面積指數(shù)(LAI)[12]，其中，旗葉與倒二葉為上部葉，倒三葉與倒四葉為中部葉，倒五葉與倒六葉為下部葉。

SPAD值測定：開花期每小區(qū)選長勢一致植株50株，掛標簽標記，于小麥花后0、7、14、21、28 d上午10:00-12:00，采用SPAD葉綠素測定儀(Manolta-502)，選取10株測定植株上、中和下部葉SPAD值，每次測定選取每片葉的三個不同部位，取其平均值。

凈光合速率測定：于花后0、7、14和21 d，用英國Hansatech公司生產(chǎn)的TPS-2光合儀，選取標記植株5株，在晴天上午11:00-13:00時間內，測定上、中和下部葉凈光合速率(Pn)。

干物質積累量及產(chǎn)量測定：選取掛牌標記植株，分別于開花后0 d和35 d(成熟期)取10株樣，按莖鞘(莖稈+葉鞘)、葉片、籽粒、穗軸和穎殼分樣，于105 ℃殺青 30 min，80 ℃烘干至恒重，計算干物質積累量。成熟期選取掛牌標記10株樣室內考種，并在各小區(qū)實收4 m2測產(chǎn)。

1.2.3 干物質轉運指標計算

干物質轉運量=開花期營養(yǎng)器官干重-成熟期營養(yǎng)器官干重[13]；干物質轉運效率=干物質轉運量/開花期營養(yǎng)器官干重×100%[14]；干物質轉運對籽粒產(chǎn)量貢獻率=干物質轉運量/粒重×100%[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007、DPS 7.05統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 種植方式和密度對冬小麥光合特性的影響

2.1.1 對冬小麥葉面積指數(shù)的影響

不同生育時期，種植方式和密度對群體上、中和下部葉的影響不同(圖1)。隨著種植密度增大，不同冠層葉面積指數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢。立體勻播與條播相比較，抽穗期，新冬22號和新冬46號上部葉葉面積指數(shù)增大1.92%和21.13%，后者差異達顯著水平，中部葉均顯著增大(17.44%和13.96%)，而下部葉無顯著變化；開花期，新冬22號和新冬46號上部葉葉面積指數(shù)增大7.88%和15.32%，后者差異達顯著水平，中部葉無顯著變化，下部葉均顯著增大(12.96%和13.26%)；灌漿期，新冬22號和新冬46號上部葉葉面積指數(shù)增大12.98%和 22.63%，中部葉增大11.32%和28.98%，下部葉增大 26.24%和23.67%，差異均顯著。與常規(guī)條播比較，生育前期，立體勻播增大了群體上層和中層葉的葉面積指數(shù)，生育后期，立體勻播主要增大了群體中層和下層葉的葉面積指數(shù)。

相同時期圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。XD 22：新冬22號；XD 46：新冬46號。下圖同。

2.1.2 對冬小麥葉片SPAD值的影響

由圖2可知，隨種植密度增大葉片SPAD值呈下降趨勢?；ê蟛煌鞌?shù)，立體勻播小麥不同部位葉片的SPAD值均高于條播小麥，且花后 21 d開始，差異加大。花后21 d，在D150、D225、D300和D375處理下，立體勻播的新冬22號上層葉SPAD值比條播分別高5.16%、6.80%、7.95%和0.80%，新冬46號分別高10.85%、6.00%、10.45%和6.22%；立體勻播下2個品種的中、下部葉SPAD值也均高于條播。取不同天數(shù)均值進行多重比較發(fā)現(xiàn)，立體勻播的新冬22號上、中和下部葉SPAD值較條播平均高9.94%、1.91%和32.48%，下部葉差異達顯著水平；新冬46號上、中和下部葉SPAD值分別較條播提高 9.10%、26.01%和16.32%，中、下部葉差異均達顯著水平。這表明立體勻播提高了小麥花后葉片SPAD值，且隨著花后天數(shù)的延長，增高趨勢明顯，尤其是提高了群體中層和下層葉片的SPAD值。

圖2 播種方式和密度對冬小麥葉片SPAD值的影響

2.1.3 對冬小麥葉片凈光合速率的影響

由圖3可知，隨種植密度增大，2個品種葉片的凈光合速率整體呈下降趨勢，以中、下部葉表現(xiàn)較為明顯。對不同密度下的葉片凈光合速率取均值進行多重比較發(fā)現(xiàn)，立體勻播處理的新冬22號上部葉片凈光合速率在花后0 d、7 d、14 d、21 d比條播分別高18.32%、17.12%、8.43%和 6.36%，中部葉分別較條播高9.25%、9.97%、2.79%和6.98%，下部葉分別較條播高25.58%、23.15%、28.74%和59.87%；立體勻播處理的新冬46號上部葉分別較條播高5.46%、7.28%、14.84%和11.84%，中部葉分別較條播高 14.68%、15.67%、21.73%和39.45%，下部葉分別較條播高18.16%、17.28%、19.67%和 28.04%。這表明立體勻播主要增強了小麥群體中、下部葉片光合能力。

圖3 播種方式和密度對冬小麥葉片凈光合速率的影響

2.2 種植方式和密度對冬小麥花后干物質積累和分配的影響

2.2.1 對冬小麥花后干物質積累的影響

由表2可知，在立體勻播下，新冬22號開花期干重、成熟期營養(yǎng)器官干重和籽粒重分別比條播提高1.88%、0.42%和3.37%，干物質轉運量、轉運效率及其對籽粒產(chǎn)量貢獻率分別提高 1.74%、3.05%和2.01%，差異不顯著；新冬46號開花期和成熟期營養(yǎng)器官干重比常規(guī)條播提高13.13%和12.41%，差異均顯著；籽粒重提高 12.05%，干物質轉運量、轉運效率及其對籽粒產(chǎn)量貢獻率分別提高9.96%、5.41%和6.88%，差異均不顯著。隨種植密度增大，開花期新冬22號在兩種種植方式下的干重呈先升高后降低趨勢，D225水平下達到最大；成熟期營養(yǎng)器官干重、籽粒重和干物質轉運量則均呈下降趨勢；而干物質轉運效率及其對籽粒產(chǎn)量貢獻率在勻播方式下呈先升高后降低趨勢，在條播方式下呈上升趨勢。隨種植密度增大，開花期新冬46號在立體勻播下的干重呈先增加后降低趨勢，常規(guī)條播下表現(xiàn)為下降趨勢；成熟期營養(yǎng)器官干重在兩種種植方式下均呈先增加后降低趨勢，于D225水平下達到最大；籽粒重和干物質轉運效率在立體勻播下先增大后減小，在條播條件下呈下降趨勢。

表2 播種方式與密度對冬小麥干物質積累與運轉的影響

2.2.2 對小麥花后干物質分配的影響

由表3可知，與條播相比，立體勻播下新冬22號和新冬46號的植株莖鞘干物質分配率分別降低0.89%和1.35%，葉片干物質分配率分別降低6.49%和5.12%，差異均不顯著；而穎殼及穗軸干物質分配率分別提高0.07%和5.45%，后者差異顯著。新冬22號籽粒干物質分配率在立體勻播下比常規(guī)條播顯著提高(1.49%)，而新冬46號在兩種播種方式間差異不顯著。隨著種植密度增大，新冬22號莖鞘干物質分配率在立體勻播下增大，在條播下先增后減；而新冬46號則無明顯的變化規(guī)律。兩個品種的葉片干物質分配率均隨著種植密度增大呈下降趨勢，穎殼及穗軸、籽粒干物質分配率均無明顯變化規(guī)律。這表明，立體勻播降低了小麥莖鞘和葉片干物質的分配率，提高了穎殼及穗軸、籽粒干物質的分配比率，促進了植株花后干物質從莖鞘、葉片向穎殼及穗軸向籽粒中轉移。

表3 播種方式和密度對冬小麥成熟期干物質在不同器官中分配的影響

2.3 種植方式和密度對小麥產(chǎn)量及其相關指標的影響

由表4可知，與常規(guī)條播相比，立體勻播下兩個品種的平均主莖穗長減小，而平均分蘗莖穗長增大。種植密度對兩種種植方式下新冬22號的主莖穗長均無顯著影響；不同密度下新冬46號的主莖穗長無顯著變化，其分蘗莖穗長隨密度增加呈顯著降低趨勢，其中D150和D225處理顯著高于D300和D375處理。立體勻播方式下新冬22號和新冬46號主莖穗穗粒重比常規(guī)條播平均降低 7.95%和4.43%，而分蘗穗穗粒重則平均提高 11.54%和5.06%。隨著種植密度增大，新冬22號主莖穗和分蘗穗的穗粒重均呈減小趨勢，立體勻播下不同密度處理間主莖穗的穗粒重差異不顯著，而分蘗穗的穗粒重則顯著降低，常規(guī)條播下其主莖穗和分蘗穗的穗粒重則顯著降低；種植密度對兩種播種方式下新冬46號主莖穗和分蘗穗的穗粒重均無顯著影響。這表明立體勻播方式降低了主莖穗穗長和穗粒重(D150處理除外)，但增加了分蘗莖的穗長和穗粒重，且隨著種植密度增大整體呈減小的變化趨勢。

表4 播種方式和密度對冬小麥穗長和穗粒重的影響

種植方式對新冬22號和新冬46號的穗數(shù)和產(chǎn)量均有顯著影響(表5)。與常規(guī)條播比較，2個品種在立體勻播方式下穗數(shù)平均提高17.31%和 17.68%，差異顯著(P<0.05)；產(chǎn)量分別提高 6.40%和9.84%，差異顯著，且均于D225水平下達到最大。立體勻播方式下穗粒數(shù)和千粒重均低于條播，其中，新冬22號和新冬46號穗粒數(shù)平均比條播低2.23%和1.71%，而千粒重表現(xiàn)為新冬22號比條播低4.38%，但差異不顯著，新冬46號顯著降低(4.54%)。這表明，立體勻播較常規(guī)條播顯著提高了冬小麥產(chǎn)量，且主要通過穗數(shù)實現(xiàn)，而對穗粒數(shù)和千粒重的影響不大。

表5 播種方式和密度對冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構成的影響

3 討 論

3.1 種植方式和密度對小麥光合、干物質積累和分配的影響

研究源、庫特征與干物質分配的關系是探索小麥高產(chǎn)機制的重要方法之一[16]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量與花后干物質積累呈顯著正相關關系[10]，小麥籽粒灌漿所需的營養(yǎng)物質主要來自于花后光合作用及花前營養(yǎng)器官同化物的再分配[17]。葉優(yōu)良等[18]研究認為，較高的干物質積累量是小麥高產(chǎn)的前提。不同種植方式改變了小麥群體的通風、透光狀況，尤其改變了植株下部葉片的光合能力，影響了光合產(chǎn)物的積累，進而改變小麥生物產(chǎn)量[19]。Debruin等[20]和Jost等[21]也補充了這一觀點，認為優(yōu)化作物空間布局和冠層結構，能提高群體光合效率，有利于提高小麥單產(chǎn)。本研究表明，立體勻播增大了小麥群體葉面積指數(shù)，尤其增大了群體生育后期中、下部葉面積指數(shù)。產(chǎn)生這一結果的原因有兩方面，一是勻播方式下小麥有效分蘗增多，莖數(shù)和葉片數(shù)也會相應增大；二是勻播方式優(yōu)化了群體結構，改善了群體通風透光等微環(huán)境因素，使得中、下部葉片延遲衰老，葉面積指數(shù)高于條播，同時，其SPAD值也保持較高水平，進而有利于提高群體中、下部葉片光合。這和前人的研究結果基本一致[19]。本研究還表明，立體勻播增大了植株營養(yǎng)器官干物質積累量，降低了成熟期營養(yǎng)器官干物質分配率，促進了干物質向籽粒中轉運，進而提高了籽粒重，且主要通過增加分蘗穗籽粒重而增加產(chǎn)量，這可能是由于立體勻播小麥群體均勻分布，有助于分蘗穗對光熱資源充分利用，提高了分蘗穗穗長和粒重，但主莖穗粒重有所下降，具體原因有待進一步研究。

關于種植密度方面，王長年等[22]研究表明，隨著種植密度增大，小麥干物質積累量增大，但超過一定范圍時反而下降。本研究表明，隨著種植密度增大，小麥開花期干重先升高后降低，成熟期營養(yǎng)器官干重、籽粒重和干物質轉運量均隨著密度的增大而減小。上述研究表明，通過改變小麥種植方式和密度，可以優(yōu)化作物空間布局，改善群體光合能力，進而提高產(chǎn)量。

3.2 種植方式和密度對產(chǎn)量構成和產(chǎn)量的影響

不同種植方式使麥苗株距發(fā)生變化，改變了個體在田間的水平分布狀況，進而影響小麥的個體發(fā)育和群體結構，最終對產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響[23]。在常規(guī)條播方式下，因株距過小，常造成小麥個體發(fā)育不良、田間通風透光條件差、資源利用率低和病蟲滋生的現(xiàn)象，進而影響產(chǎn)量[24]。在一定范圍內，隨著種植密度的增加，籽粒產(chǎn)量明顯增加，超過一定范圍，則產(chǎn)量下降[25]。研究表明，小麥成穗數(shù)隨種植密度增加而增加，但穗粒數(shù)和千粒重則隨種植密度的增加而顯著降低[26-28]。本研究表明，立體勻播增加了小麥群體穗數(shù)，2個品種在立體勻播方式下的穗數(shù)較常規(guī)條播平均提高17.31%和17.68%，且差異均顯著，這與趙廣才等[3]、常旭虹等[1]研究結果基本一致，即立體勻播有利于小麥幼苗優(yōu)勢蘗的形成，增大單株有效分蘗成穗，并主要通過增加穗數(shù)而實現(xiàn)增產(chǎn)。本研究對主莖和分蘗莖分開研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)條播小麥相比，立體勻播小麥分蘗穗穗長和穗粒重增大，但主莖穗反之；而平均穗粒數(shù)和千粒重有所下降，這和張永強等[1]研究結果存在差異。因此，有關立體勻播的更多信息有待進一步研究和驗證。