秸稈帶狀覆蓋對西北旱地小麥籽粒灌漿速率和產(chǎn)量的影響

高甜甜 柴守璽 李亞偉 楊佳佳 程宏波,* 趙廣才

(1 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070；2 中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，北京 100081； 3 甘肅農(nóng)業(yè)大學生命與技術學院，甘肅 蘭州 730070)

小麥(TriticumaestivumL.)是世界上種植面積最大的糧食作物之一[1]。我國西北干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)光照充足，但水資源緊缺，無灌溉條件[2]。因此，一般采用覆蓋栽培技術來實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[3]。秸稈覆蓋是目前開發(fā)和應用較廣的覆蓋栽培技術之一，具有蓄水保墑、調(diào)溫控溫和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的作用[4]，但傳統(tǒng)的全地面秸稈覆蓋會導致土壤溫度過低，作物生長延緩，增產(chǎn)不顯著等問題[5-6]。甘肅農(nóng)業(yè)大學作物耕作與栽培團隊進行了多年多點試驗示范，提出了“種的地方不覆，覆的地方不種”的秸稈帶狀覆蓋小麥栽培新技術，取得了顯著的增產(chǎn)效果[7-8]。

在作物全生育期使用秸稈覆蓋技術有利于增加作物株高[9-10]及各部位干物質的積累與轉運[11-12]，促進籽粒灌漿，提高產(chǎn)量[13]，其中對灌漿速率的影響在籽粒生長各階段均存在顯著差異[14]。免耕秸稈覆蓋相較于傳統(tǒng)耕作的小麥在灌漿至成熟期土壤溫度略低，可減緩干熱風對小麥的傷害，有利于小麥籽粒灌漿[15]。旱地小麥高產(chǎn)關鍵在于水肥管理，秸稈覆蓋可以提高自然降水利用率，進而影響作物產(chǎn)量形成，免耕覆蓋在一定范圍內(nèi)隨干旱程度的加重增產(chǎn)效果更明顯[16]。另外，相關研究表明提高小麥產(chǎn)量的關鍵是提高成穗率、增加單位面積有效穗數(shù)[17]。地膜覆蓋處理小麥花后葉片的葉綠素含量比露地對照高，可延緩葉片衰老，增強同化能力，提高籽粒產(chǎn)量[18]。秸稈覆蓋處理的平均作物產(chǎn)量較未覆蓋處理有所提高[19]。小麥產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨秸稈覆蓋量的增加而提高[20-21]。

已有諸多學者做了大量關于秸稈覆蓋對小麥株高、籽粒灌漿和產(chǎn)量的影響的研究，而關于秸稈帶狀覆蓋對小麥植株及產(chǎn)量性狀影響的研究較少。因此，本研究以西北旱地小麥主要種植區(qū)生態(tài)條件為背景，比較秸稈帶狀覆蓋對小麥小穗敗育率、節(jié)間長度及株高、籽粒灌漿速率和產(chǎn)量的影響，以期探明秸稈帶狀覆蓋對旱地小麥增產(chǎn)的效果，為旱地小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的栽培方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2017―2018年在甘肅省通渭縣進行，該地海拔1 750 m，年均氣溫7.2℃。試驗期間冬小麥生育期(2017年9月11日至2018年7月13日)總降水量387.4 mm，較往年平均降水量(219.6 mm)多167.8 mm，其中有效降水量(≥5 mm)307.8 mm，屬于豐水年份；試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～20 cm土層平均容重為1.25 g·cm-3，土壤有機碳含量5.52 g·kg-1，全氮0.65 g·kg-1，有效磷10.63 mg·kg-1，速效鉀107.1 mg·kg-1，pH值8.5。供試小麥品種為定西農(nóng)業(yè)科學院提供的隴中2號。

1.2 試驗設計

試驗設秸稈帶狀覆蓋(M)和露地種植(CK)2種主要種植模式，其中秸稈帶狀覆蓋設置4個不同覆蓋度，即種植帶等間距播種3行小麥(M3)、4行小麥(M4)、5行小麥(M5)和6行小麥(M6)，其種植帶和覆蓋帶的帶幅比分別為35∶50、50∶50、70∶50、85∶50，覆蓋度分別為59%、50%、40%、37%。秸稈覆蓋量為風干重9 000 kg·hm-2(約為1 hm2旱地玉米的秸稈量)。各處理小麥播種量均為225 kg·hm-2，播種時預留覆蓋帶，土壤封凍前(一般在小麥三葉期)將秸稈放置于覆蓋帶，覆蓋時秸稈覆蓋帶與播種帶兩個邊行各留2～5 cm間距，以防秸稈壓苗，各處理行距為17 cm，播種方式為機械條播。各小區(qū)所施純氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2，做基肥一次性施入，所用肥料為尿素(N 46%)和磷酸二銨(P2O546%)?；ê? d用三唑酮、吡蟲啉和磷酸二氫鉀進行 “一噴三防”，防后期病蟲害和干熱風等。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量的測定及考種 成熟后按小區(qū)收獲，現(xiàn)場稱鮮重，曬干后再次稱重，計算產(chǎn)量?？挤N在小麥收獲前1周左右取樣，每處理隨機選3個點取樣，同一小區(qū)3個樣點混合，在各小區(qū)的混合樣中隨機取20株進行室內(nèi)考種，測定株高[從分蘗節(jié)量起至穗頂(芒除外)的平均高度]、各莖節(jié)長、穗長[穗軸基部至穗頂(芒除外)的長度]、總小穗數(shù)(每穗結實小穗和不孕小穗的總和)、不孕小穗數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)(20穗的平均每穗結實粒數(shù))、千粒重(風干籽粒隨機取樣1 000粒稱重，以2次重量相差不大于其平均值的3%為準)等指標。

1.3.2 灌漿速率的測定 每小區(qū)選取揚花期一致的100穗掛牌標記，花后一周開始，每隔5 d取樣1次，每次在各試驗小區(qū)取10穗，于105℃殺青20 min(前期籽粒過小不易脫粒，先對穗子殺青而后脫粒)，80℃恒溫烘至恒重，測定籽粒千粒重，并按公式計算灌漿速率：

灌漿速率=每次測定籽粒干物質增加質量/測定間隔的天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗，顯著水平為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 覆蓋對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成要素的影響

由表1可知，秸稈帶狀覆蓋能影響小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素(穗數(shù)和穗粒數(shù))。秸稈帶狀3行(M3)的籽粒產(chǎn)量較CK顯著提高6.2%，而4行(M4)、5行(M5)、6行(M6)分別較CK降低0.8%、5.2%、6.2%，各秸稈帶狀覆蓋處理的小麥籽粒產(chǎn)量隨覆蓋度降低逐漸降低。秸稈覆蓋處理單位面積穗數(shù)的變化與產(chǎn)量變化趨勢一致，僅M3較CK提高12.4%，M4、M5、M6分別較CK降低3.9%、5.7%、6.4%。各覆蓋處理均較CK減少了穗粒數(shù)，且除M4外均存在顯著性差異，覆蓋處理間則差異不顯著。覆蓋處理的千粒重均與CK無顯著差異。

產(chǎn)量與產(chǎn)量要素之間的相關性分析結果表明(表2)，籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)呈極顯著正相關，表明覆蓋增產(chǎn)主要由穗數(shù)的增加引起。穗數(shù)與穗粒數(shù)和千粒重之間呈極顯著和顯著負相關，說明產(chǎn)量三要素之間存在相互制約。

2.2 覆蓋對小麥穗結實的影響

由表3可知，覆蓋對小麥穗部特征有不同程度的影響。秸稈帶狀覆蓋總體減小了穗長、總小穗數(shù)、結實小穗數(shù)、未結實小穗數(shù)及小穗敗育率，其均值分別減小5.3%、5.1%、3.3%、10.5%以及1.4%。各覆蓋度處理之間結實小穗數(shù)、未結實小穗數(shù)及小穗敗育率存在一定差異，其中M3的未結實小穗數(shù)及小穗敗育率均最低。由于水分和養(yǎng)分的限制，在單位面積穗數(shù)增加的同時會限制單穗的發(fā)育，減少小穗分化。雖然秸稈帶狀覆蓋處理的總小穗數(shù)低于CK，但其顯著減少了未結實小穗數(shù)(M6不顯著)，降低了小穗敗育率，尤其是M3的表現(xiàn)最為突出，在增加群體數(shù)量的同時，個體發(fā)育也保持較好的狀態(tài)。

表1 小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素Table 1 Yield and yield components of wheat

表2 小麥產(chǎn)量及其主要要素相關分析Table 2 Correlations between grain yield and its components of wheat

2.3 覆蓋對冬小麥熟期株高和各莖節(jié)發(fā)育的影響

由表4可知，秸稈帶狀覆蓋處理可以增加小麥成熟期的株高，且能不同程度地提高小麥穗下節(jié)長、倒二節(jié)長、倒三節(jié)長和基部節(jié)長；各秸稈帶狀覆蓋處理的株高隨覆蓋度的增加先降低后增加，其中以M6的株高(93.2 cm)最高，M3次之，且M6和M3的株高分別較CK顯著提高5.3%和4.4%；各覆蓋度處理的平均穗下節(jié)長、倒二節(jié)長、倒三節(jié)長、基部節(jié)長分別較CK提高4.0%、10.1%、11.2%、7.0%，倒四節(jié)長降低9.4%。分析可見，秸稈覆蓋主要通過影響倒二節(jié)長、倒三節(jié)長、倒四節(jié)長、基部節(jié)長而影響株高，由于秸稈帶狀覆蓋的水分條件優(yōu)于CK，其生長量較CK高，尤其是在倒二節(jié)、倒三節(jié)、基部節(jié)間生長階段，水分差異導致莖節(jié)生長的優(yōu)勢更為明顯，且以水分條件最好的M3生長優(yōu)勢最突出。

由表5可知，產(chǎn)量和穗長之間呈顯著正相關，說明大穗是高產(chǎn)的保障。穗下節(jié)是旱地冬小麥籽粒灌漿時期重要的“流”器官，千粒重與穗下節(jié)長之間呈顯著正相關，穗下節(jié)長、倒二節(jié)長、基部節(jié)長均與株高呈顯著正相關。穗長與倒四節(jié)長呈顯著正相關；穗下節(jié)長分別與倒二節(jié)長和倒三節(jié)長呈極顯著正相關；倒二節(jié)長和基部節(jié)長呈極顯著正相關，倒三節(jié)長和基部節(jié)長呈顯著正相關，說明在良好的水熱條件下，節(jié)間的伸長具有同伸關系。

表3 覆蓋對小麥穗結實的影響Table 3 Effects of coverage on ears of wheat

表4 成熟期小麥株高及各莖節(jié)發(fā)育的變化Table 4 The changes of plant height and its main components in mature wheat

表5 小麥成熟期株高及其組成要素的相關關系Table 5 Person’s correlation coefficient between final plant height and its main components

2.4 覆蓋對籽粒灌漿的影響

2.4.1 籽粒灌漿千粒重的差異 由圖1可知，不同處理的小麥千粒重均呈現(xiàn)“慢-快-慢”的增加趨勢?；ê?～12 d增長緩慢；花后12～22 d迅速增長；花后22 d之后，CK增長緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，秸稈帶狀覆蓋處理仍在緩慢上升?；ê?～22 d，各處理均以CK千粒重最大，且不同覆蓋度處理與CK均存在顯著性差異(P<0.05)；在花后32和42 d，秸稈帶狀覆蓋處理的千粒重與CK相近，花后32 d時略低于CK，42 d時略高于CK，但均無顯著差異?？梢娊斩拵罡采w抑制了灌漿初期籽粒內(nèi)干物質的積累。

圖1 不同處理下小麥千粒重變化Fig.1 The change of 1 000-grain weight of wheat under differenTTreatments

2.4.2 籽粒灌漿速率的差異 由圖2可知，秸稈帶狀覆蓋可較CK提高快增期(花后12～22 d)及緩增期(花后22 d以后)灌漿速率，降低漸增期(花后7～12 d)灌漿速率，漸增期秸稈帶狀覆蓋灌漿速率均值較CK低22.6%，快增期和緩增期秸稈帶狀覆蓋灌漿速率均值分別較CK提高11.8%和154.5%。在漸增期，各覆蓋度處理灌漿速率以M3最低，M5最高；在快增期無顯著差異，以M3、M4最高，緩增期則以M4最高。秸稈帶狀覆蓋達到最大灌漿速率較CK延后5 d，且秸稈帶狀覆蓋的最大灌漿速率高于CK，各覆蓋度處理以M5的灌漿速率最小，M3、M4、M6間無顯著差異。覆蓋對各測定時間段的灌漿速率影響具有較大差異，花后7～12 d、12～17 d，秸稈帶狀覆蓋的灌漿速率低于CK；17～22 d、22～32 d以及32～42 d的灌漿速率均高于CK；且各秸稈帶狀覆蓋處理各時段的灌漿速率總體隨覆蓋度增加呈先降低后升高的趨勢。

圖2 覆蓋對小麥灌漿速率的影響Fig.2 Effects of coverage on grain filling rate of wheat

3 討論

作物產(chǎn)量不僅受品種的影響，還受外界環(huán)境的影響。適宜的土壤溫度與水分能使作物更好的生長發(fā)育，土壤溫度與水分的變化與作物根系功能、穗發(fā)育、株高、產(chǎn)量形成、植株含水、干物質積累分配、籽粒灌漿等密切相關[22-23]，地表覆蓋可以改變土壤環(huán)境、調(diào)控農(nóng)田土壤水熱特性，對作物生長發(fā)育具有重要作用[24]。魯向暉等[25]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋可顯著提高春玉米株高、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量等，且土壤保水保墑效果好，產(chǎn)量、水分利用效率明顯提高；李博文等[4]、程宏波[26]研究也表明，秸稈帶狀覆蓋可以提高小麥的水分利用效率和產(chǎn)量。

3.1 覆蓋對小麥灌漿速率的影響

在單位面積穗數(shù)達到一定值時，可通過提高灌漿速率來提高西北地區(qū)小麥產(chǎn)量[4]。灌漿速率決定了小麥籽粒干物質積累的快慢[11]，導致花后的籽粒千粒重增加呈現(xiàn)“慢-快-慢”的趨勢。覆蓋栽培較露地栽培的平均灌漿速率提高，且能延長灌漿持續(xù)期[13]。有研究表明，秸稈覆蓋較不覆蓋顯著提高了小麥旗葉的SPAD值、光合速率和蒸騰速率，并延緩了旗葉的衰老，進而提高了灌漿后期籽粒的灌漿速率，有增加千粒重的趨勢[27]；另外，秸稈覆蓋有提高小麥產(chǎn)量以及使其速增期和緩增期的灌漿速率保持較高水平的作用[28]。本研究與之一致，在小麥灌漿中后期，適宜的秸稈覆蓋(M3)提高了灌漿速率，延長了小麥的灌漿持續(xù)期，增加了籽粒的飽滿度和粒重，進而增加了產(chǎn)量。

3.2 覆蓋對小麥產(chǎn)量及其要素的影響

產(chǎn)量三要素的協(xié)調(diào)發(fā)展是小麥高產(chǎn)的關鍵，而產(chǎn)量三要素之間存在制約和競爭[29-30]，秸稈覆蓋下進行適當?shù)膶挿シN植可顯著提高穗數(shù)[31]。單位面積穗數(shù)是影響旱地小麥產(chǎn)量的主要因素，其次為穗粒數(shù)，而千粒重受環(huán)境影響較小，在保證穗數(shù)的同時，可以通過降低不育小穗率使西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)小麥增產(chǎn)[4]。本研究結果表明，穗數(shù)的差異是引起產(chǎn)量差異的主要因素，處理間穗粒數(shù)和千粒重的差異較小，但三者之間存在制約關系，與上述學者研究結果一致。本研究表明M3的穗長和總小穗數(shù)低于CK，但顯著減少了未結實小穗數(shù)、降低了小穗敗育率。形成這些結果的原因可能是受水分和養(yǎng)分的限制，在單位面積穗數(shù)增加的同時會限制單穗的發(fā)育，減少小穗分化。另外本研究結果表明秸稈帶狀覆蓋處理M3、M6的小麥株高顯著高于CK，且秸稈帶狀覆蓋處理的倒二節(jié)長、倒三節(jié)長和基部節(jié)長均高于CK，這與宋亞麗等[13]和張向前等[32]的研究結果一致，主要可能是由于秸稈覆蓋栽培水分條件優(yōu)于露地栽培。李博文[4]研究表明，秸稈帶狀覆蓋可以提高小麥的產(chǎn)量；也有研究發(fā)現(xiàn)[33]，秸稈覆蓋處理的土壤有良好的保水保墑效果，可提高產(chǎn)量；這與本研究中秸稈帶狀覆蓋3行可提高小麥產(chǎn)量的結果一致。

4 結論

適宜覆蓋措施可構建形成較好的群體結構進而提高產(chǎn)量，其中秸稈帶狀覆蓋3行較露地提高單位面積穗數(shù)，從而較露地增產(chǎn)。秸稈帶狀覆蓋總體增加了小穗結實率和株高，除較低覆蓋度的M6外，秸稈帶狀覆蓋模式顯著降低了小穗敗育率。秸稈帶狀覆蓋在灌漿階段提高了快增期及緩增期時灌漿速率，最大灌漿速率高于露地，且延長了灌漿持續(xù)期，促進了籽粒灌漿。