覆膜集雨及行距配置對冬小麥灌漿特性的影響

任全茂，李援農，谷曉博，徐袁博，王凱瑜

(西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

冬小麥是我國主要糧食作物之一, 同時也是灌溉用水最主要的消耗作物，在我國西北干旱區(qū)研究冬小麥節(jié)水栽培具有重要意義。粒重是小麥籽粒產量的重要構成因素之一，而灌漿特性是決定粒重的重要因素，灌漿期為最終決定粒重的關鍵期[1]。小麥灌漿特性受到自身生物學規(guī)律與外界環(huán)境條件的共同影響，籽粒灌漿作為小麥產量形成的最終過程，可以將小麥的品種特性及環(huán)境條件所產生效應集中體現出來[2]。栽培措施對小麥灌漿特性有較大影響，如在水分、肥料、播期、密度、灌溉方式、生物調節(jié)劑[1-7]等方面已經進行了大量研究。研究節(jié)水栽培措施下的灌漿過程可為提高小麥產量和優(yōu)化節(jié)水栽培措施提供依據。

覆膜集雨可改善田間環(huán)境從而影響冬小麥生長提高產量。崔紅紅[8]研究表明起壟覆膜溝內種植方式下，冬小麥株高、葉綠素、葉面積、干物質累積量較傳統(tǒng)平作優(yōu)越，覆膜有利于土壤水分的積累，很大程度上保持土壤水分，減少地面水分蒸發(fā)，具有節(jié)水保墑效果。王同花[9]研究表明起壟覆膜溝播較平播極顯著增產，其成穗率較平播高3.8%，水分利用效率高5.06%。作物行株距配置導致冠層結構產生差異。李娜娜[10]認為寬行窄株距可改善生育后期光合特性，延緩衰老。多數研究表明縮距勻播是提高產量的重要措施之一，薛盈文[11]認為窄行距(12 cm)播種有利于提高華北平原干旱缺水地區(qū)晚播冬小麥的群體產量。劉麗平[12]等研究認為，15 cm等窄行種植產量最高，20 cm等寬行次之。合理的行株距配置有助于提高群體光合性能并發(fā)揮品種增產潛力，獲得高產。但關于覆膜集雨和行距配置對冬小麥籽粒灌漿過程的影響研究較少。另外農用地膜的大量使用，使土壤中的殘膜量也日益增多，殘膜的隔離破壞了土壤結構，抑制了作物根系對水分和養(yǎng)分的正常吸收，導致產量下降，限制農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[13,14]，故本次研究中引入生物氧化雙降解膜。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年10月-2016年6月在陜西楊凌西北農林科技大學農業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站進行。該試驗站位于108°24'E，34°20' N，海拔521 m。多年平均氣溫12.5 ℃，年均日照時數2 163.8 h，無霜期210 d，降水量632 mm，主要分布在7-9月份，蒸發(fā)量1 500 mm，屬大陸性暖溫帶季風氣候。土壤質地為中壤土，1 m土層平均田間持水率23%～25%，凋萎含水率8.5%(均為質量含水率)，平均干容重1.44 g /cm3，土壤肥力均一。

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為小偃22，所覆膜寬100 cm，厚 0.008 mm，其中降解膜為山東天壯環(huán)?？萍加邢薰狙兄粕a的氧化-生物雙降解膜，誘導期180 d。栽培模式為起壟溝播，覆膜集雨設置3種情況：裸地LD，覆降解膜JM，覆普通膜PM。所有小區(qū)寬3.5 m、長4 m，其中壟寬30 cm、壟高20 cm、溝寬60 cm，播種量為150 kg/hm2，種植行距分別為20 cm(即溝內4行L4)和30 cm(即溝內3行L3)。兩因素不同情況兩兩組合，共6個處理，各處理重復3次，共18個小區(qū)，試驗田周圍布置保護行，冬小麥生育期間進行常規(guī)的除草殺蟲等田間管理。

1.3 測定項目及數據分析

灌漿過程的測定，各處理于小麥開花期選擇長勢一致，穗子大小基本相同，無病蟲危害的單莖300個進行拴線標記，自開花后第6天起，每隔3 d隨機取標記麥穗10個，直至成熟為止。取出的籽粒在105 ℃下殺青20 min后在80 ℃下烘至恒重，隨機數出100粒用萬分之一天平測定粒重，重復3次，取3次重復的平均值換算成千粒重用于方程的擬合。灌漿過程的模擬，以開花后天數(t)為自變量，千粒重(Y)為因變量，用logistic方程Y=K/(1+eA+Bt)對籽粒生長過程進行模擬，其中K為潛在最大千粒重，A、B為與灌漿初始值和增重快慢相關的參數。對logistic方程求一階導數，得灌漿速率方程V(t)=KBeA+Bt/(1+eA+Bt)2。由此推導出次級灌漿參數：平均灌漿速率R(g/d)、灌漿持續(xù)時間T(d)、最大灌漿速率Rmax(g/d)和達最大灌漿速率的時間TRmax(d)。同時估算灌漿過程的3個階段：漸增期、快增期和緩增期的灌漿持續(xù)時間T1，T2，T3與各階段的平均灌漿速率R1，R2，R3。本次試驗中實際測得的最大千粒重只達到了潛在最大千粒重的90%～95%，故以達到潛在最大千粒重的95%計算灌漿持續(xù)時間。

本試驗數據整理采用Microsoft Excel，回歸分析、顯著性分析和相關性分析均采用SPSS19.0，其中方差分析使用最小顯著差異法(LSD)進行，相關性分析采用Pearson相關系數。作圖采用OriginPro8.5。

2 結果與分析

2.1 不同處理對籽粒增重的影響

不同處理下冬小麥灌漿進程存在著差異。比較覆膜對灌漿產生的影響，L3和L4的最大千粒重均為LD>JM(花后第17天進入崩裂期，地膜已經裂解成大碎塊，沒有完整膜面)>PM。灌漿前期籽粒增重無明顯差別，但灌漿中后期差異明顯，L3在花后22天，LD粒重開始大于JM和PM直至達到最大粒重，花后28天JM粒重反超PM，最終略小于LD。L4在花后23天，PM和LD粒重開始明顯大于JM，花后29天JM粒重反超PM，但未能達到LD水平。這可能和溫度變化有關，隨著氣溫的升高覆普通膜的地溫相對較高，不利于灌漿的進行，降解膜此時的崩裂恰恰緩解了這種情況。銀敏華[15]等的研究表明降解膜的增溫效應主要體現在冬小麥生長前期和中期，而普通膜的增溫效應則貫穿于冬小麥整個生育期，在中國北方地區(qū)，覆蓋種植的保溫作用對于冬小麥及春播作物具有重要意義，但作物生長后期隨著大氣溫度逐漸回升，此時的增溫效應對作物生長和產量形成無實際意義，反而會加速植株衰老。另外可能和小麥根系的生長情況有關。谷曉博[16]等對冬油菜的研究表明普通膜處理主根下扎深度顯著小于降解膜和不覆膜處理，地膜覆蓋不利于主根下扎，生物膜由于生育后期降解，使其土壤溫度、濕度和通氣性得到改善，能促進生育后期主根下扎，對吸收深層土壤的養(yǎng)分有利。開花期為冬小麥根系最發(fā)達時期，其后開始逐漸衰老死亡。淺層根系衰亡腐解的速度較快，而深層根系所處生態(tài)環(huán)境較穩(wěn)定，衰亡速度較緩慢，因而成為谷物作物籽粒灌漿的功能根系[17-18]。普通膜處理根系較淺加之淺層根系較快的衰亡速度致使其灌漿期水分和養(yǎng)分利用率下降。裸地雖然千粒重最高，但其分蘗成穗情況不及覆膜，提高小麥產量還需綜合考慮有效分蘗及穗粒數等因素。比較行距配置對灌漿產生的影響，灌漿前中期L3粒重略大于L4，但灌漿后期被L4反超，最終千粒重為L4大于L3。這可能與冠層環(huán)境以及行內密度有關，L3行內密度較大，未能高效利用土壤水分和養(yǎng)分。

圖1 不同處理下灌漿動態(tài)曲線

由圖1可知，冬小麥的籽粒灌漿進程呈慢—快—慢的變化規(guī)律，運用logistic方程對所測數據進行擬合，擬合方程的決定系數R2在0.99以上，均達到極顯著水平，說明logistic方程能很好地反映籽粒灌漿過程，擬合結果見表1。由擬合方程可知JM的潛在最大千粒重最大，PM的最小。L4的潛在最大千粒重大于L3。與灌漿初始值相關的參數均表現為L4大于L3，LD大于PM和JM。與增重快慢相關的參數表現為JM最小。

表1 不同處理下粒重擬合的logistic方程

2.2 不同處理對灌漿速率和灌漿持續(xù)時間的影響

多數研究表明小麥粒重的大小取決于灌漿持續(xù)時間與灌漿速率[19]。對擬合的logistic方程求導可得到灌漿速率隨時間變化的方程。由圖2可知，不同處理灌漿速率隨時間的變化趨勢一致，均于花后20 d前后達最大值，之后下降。不同覆膜處理下，灌漿前期灌漿速率無明顯差異，灌漿中期L3表現為PM大于LD大于JM，L4表現為PM與LD無差異且大于JM，灌漿后期L3與L4均表現為PM和LD迅速下降，均小于JM。這可能與覆普通膜地溫較高和裸地水分脅迫引起的早衰有關。同種覆膜處理下，灌漿前期的灌漿速率為L3大，但其最大灌漿速率小于L4，且在達到最大灌漿速率后其值一直小于L4。說明了寬行距種植有利于灌漿前期灌漿速率的提高，但后期較差。對求導方程進一步計算可得出一系列灌漿參數，見表2。

圖2 不同處理下灌漿速率曲線

行距配置覆膜集雨T/dR/(g·d-1)TRmax/dRmax/(g·d-1)T1/dR1/(g·d-1)T2/dR2/(g·d-1)T3/dR3/(g·d-1)LD40.121.26020.231.97011.330.99317.801.72711.000.781L3JM42.551.19720.741.80910.991.03119.511.58612.060.717PM39.681.20119.651.84310.690.99217.921.61611.070.731LD40.951.25420.921.98711.960.95517.921.74211.070.788L4JM43.111.19721.461.84711.770.97519.371.61911.970.732PM39.501.22019.871.90211.330.97417.801.66210.370.732

表2結合表3可知，不同覆膜處理平均灌漿速率具有顯著差異，LD顯著大于PM和JM，灌漿持續(xù)時間也具有顯著差異，表現為JM灌漿持續(xù)時間最長，其次為LD和PM。同種覆膜處理下L3和L4灌漿持續(xù)時間差異不顯著，相差0.18～0.83 d。不同覆膜處理下最大灌漿速率與達到最大灌漿速率的時間均有顯著差異，JM最大灌漿速率最低且最晚達到最大灌漿速率，LD最大灌漿速率最大，PM最早達到最大灌漿速率。同種覆膜處理下，L3最大灌漿速率小于L4，達到最大灌漿速率的時間早于L4。

根據小麥千粒重增長曲線, 可將籽粒灌漿過程大致劃分成 3個階段，即為漸增期、快增期和緩増期。對擬合的logistic方程求二階導，并令其等于0可以算出3個階段的分界點[18]。不同灌漿階段對小麥籽粒積累干物質的貢獻不同，表現為快增期最大，達60.77%，其次是漸增期，為22.24%，最小是緩增期，為16.99%。不同處理下各灌漿階段持續(xù)期不同，快增期持續(xù)期最長，可占整個灌漿持續(xù)期的43.75%～45.85%，而漸增期和緩增期持續(xù)時間差別不明顯，分別占整個灌漿持續(xù)期的25.82%～29.20%和26.25%～28.33%。不同階段的灌漿速率為快增期大于漸增期大于緩增期。這和部分文獻[1-5]認為緩增期持續(xù)時間最長，對干物質積累貢獻率大于漸增期的結論不同，可能是因為試驗地區(qū)、小麥品種以及灌漿結束期標準選取不同。比較兩個因素對灌漿階段參數的影響，不同覆膜處理下，漸增期持續(xù)時間差異顯著，為LD最大，JM次之，PM最小，平均灌漿速率為JM最大。快增期和緩增期均表現為JM持續(xù)時間最大，平均灌漿速率最小。不同行距配置下，漸增期持續(xù)時間差異顯著，L4比L3長0.68 d，快增期和緩增期持續(xù)時間無明顯差別。各階段平均灌漿速率表現為漸增期L3大于L4，快增期和緩增期L4大于L3。

2.3 灌漿參數的穩(wěn)定性及不同處理對灌漿參數的影響

由上述分析可知不同處理下灌漿參數之間存在著差異，為了確定各灌漿參數是否易受環(huán)境的影響而波動以及不同處理對其影響的程度，對各參數進行穩(wěn)定性分析。為了進一步探討不同處理下灌漿參數與粒重的關系，對其灌漿參數與粒重進行相關性分析，見表3。

由表3可知緩增期持續(xù)天數變異系數最大，其次為快增期天數和漸增期天數。平均灌漿速率變異系數最小，漸增期灌漿速率其次。總體而言，時間參數的變異系數比速率參數的大，變異系數大一方面說明穩(wěn)定性差，受栽培措施影響波動范圍大；另一方面說明可調節(jié)可控制性高, 是主攻方向。同時這也說明了小麥籽粒灌漿速率主要受遺傳控制，而籽粒灌漿持續(xù)期主要受環(huán)境因子的調控[19]。

表3 兩因素對灌漿參數影響的顯著水平，灌漿參數的變異系數及與粒重相關系數

注：LSD-p值小于0.05表示影響顯著，小于0.01表示影響極顯著，“**”表示極顯著相關。

小麥籽粒灌漿特征是千粒重形成的決定性因素[20]，也是影響籽粒產量的重要生理性狀[21]。對于粒重與灌漿速率和灌漿時間的相關性，目前尚無定論。一般認為，粒重與籽粒灌漿速率呈正相關，與灌漿持續(xù)時間的相關性尚不確定。程西永[22]等認為，漸增期持續(xù)時間對粒重影響最大，其次是緩增期的灌漿速率。籽粒千粒重與灌漿漸增期持續(xù)天數呈顯著正相關[4]。伍維模[23]研究認為，達到最大灌漿速率的天數、活躍灌漿期和氮活躍吸收期與千粒重呈極顯著正相關。劉豐明[24]等指出，漸增期灌漿速率R1、快增期灌漿速率R2和持續(xù)時間T2對粒重作用顯著。本研究中，覆膜集雨與不同行距的栽培措施下除漸增期灌漿速率外均與粒重成正相關，其中灌漿持續(xù)時間與粒重的相關性大于平均灌漿速率，達到最大灌漿速率的時間與粒重呈極顯著正相關。不同灌漿時段灌漿參數對粒重作用的大小順序依次為：漸增期持續(xù)天數>緩增期持續(xù)天數>快增期持續(xù)天數>緩增期灌漿速率>快增期灌漿速率>漸增期灌漿速率。總體而言時間參數與粒重的相關性較大，又因為時間參數具有較大的變異系數，通過栽培措施延長灌漿持續(xù)時間和調整各階段灌漿持續(xù)時間對增加粒重非常重要。

比較栽培模式對各參數的影響，覆膜集雨的影響大于行距配置。覆膜集雨對除漸增期灌漿速率和緩增期持續(xù)時間外的參數均有顯著影響，對快增期持續(xù)時間達極顯著影響。行距配置除對漸增期持續(xù)時間有極顯著影響外對其他參數影響均不顯著。兩因素交互作用下對除漸增期灌漿速率和緩增期持續(xù)時間外的參數均有顯著影響。說明覆膜集雨栽培能有效影響灌漿進程，而行距配置對灌漿進程的影響較小，從而可根據灌漿進程中各階段灌漿參數和粒重的相關關系有針對性的調節(jié)灌漿特性。本研究中達到最大灌漿速率的時間與粒重呈極顯著正相關，而覆蓋降解膜可顯著延長達到最大灌漿速率的時間，從而對提高粒重作出貢獻。灌漿持續(xù)時間和各階段持續(xù)時間與粒重的相關性較大，覆蓋降解膜可顯著延長灌漿持續(xù)時間和快增期持續(xù)時間，20 cm行距種植可顯著延長漸增期持續(xù)時間，因此覆蓋降解膜行距20 cm種植是對提高粒重有益的栽培措施。

3 結 語

本次試驗中，logistic方程很好地反映了籽粒灌漿過程，表明了覆降解膜行距20 cm種植有最大的潛在千粒重。對灌漿速率的分析可知，覆降解膜的灌漿速率前期與裸地和覆普通膜無明顯差別，中期小于后兩者，而后期大于后兩者，整個灌漿期其變化幅度小于后兩者且具有較小的平均灌漿速率。行距配置對灌漿速率影響較小，但整體顯示為前期30 cm行距速率高，后期20 cm行距速率高。對灌漿持續(xù)時間的分析可知，覆降解膜可明顯延長灌漿持續(xù)時間，這彌補了其灌漿速率小可能導致千粒重降低的缺陷。

籽粒灌漿過程的 3個階段中以快增期對籽粒積累干物質的貢獻最大，其次為漸增期，所以生產中應多采取措施對這兩個時期進行調控，以期延長持續(xù)時間提高灌漿速率從而獲得較高的粒重。本次試驗表現為時間參數較速率參數的變異系數大，即易受環(huán)境影響，是通過栽培措施調節(jié)灌漿特性的切入口。覆膜集雨較行距配置對灌漿各參數的影響大，是較好的調節(jié)灌漿特性的栽培措施。兩因素影響下達到最大灌漿速率的時間與粒重呈極顯著正相關，這與不少研究結論一致，應重視最大灌漿速率到來時間的調控。

本次試驗中實際千粒重裸地略大于覆降解膜，覆普通膜明顯較低，這說明了普通膜對冬小麥后期生長起到了負面的影響，而降解膜在生長后期的崩裂降解緩解了這一影響，使千粒重沒有明顯降低。但并不能因此否定了覆膜對于提高冬小麥產量的貢獻，覆膜在生育前期的積極影響對于提高有效分蘗數和穗粒數有著重要意義，本文不再進行討論。本次試驗僅選用一種冬小麥品種采集了一季灌漿期的數據，未能系統(tǒng)地進行橫向和縱向的分析，關于冬小麥灌漿特性的部分結論難免存在一定的局限性。綜合本次試驗各方面分析得出覆蓋降解膜行距20 cm種植是對提高粒重有益的栽培措施。

[1] 王姣愛,裴雪霞,張定一,等. 灌水處理對不同筋型小麥籽粒灌漿特性及品質的影響[J]. 麥類作物學報，2011,31(4):708-713.

[2] 張 娜,張永強,仵妮平,等. 滴灌量對冬小麥籽粒灌漿特性的影響研究[J]. 水土保持研究,2015,22(5):271-275.

[3] 裴雪霞,王姣愛,王 鵬,等. 播期和種植密度對小麥籽粒灌漿特性的影響[J]. 小麥研究,2006,27(4):1-6.

[4] 楊 茹,廖 江,何海兵,等. 水分調控對滴灌春小麥籽粒灌漿特性的影響[J]. 石河子大學學報(自然科學版),2010,30(5):572-576.

[5] 劉 培,蔡煥杰,王 健. 土壤水分脅迫下冬小麥籽粒灌漿特性的研究[J]. 節(jié)水灌溉,2010,(1):1-4.

[6] 劉建華,?？×x,閆志利,等. 肥密水平對不同基因型冬小麥籽粒灌漿特性的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報,2009,17(4):656-660.

[7] 文廷剛,陳昱利,杜小鳳,等. 不同植物生長調節(jié)劑對小麥籽粒灌漿特性及粒重的影響[J]. 麥類作物學報,2014,34(1):84-90.

[8] 崔紅紅,李援農. 起壟覆膜溝播與水氮耦合對拔節(jié)抽穗期冬小麥生長的影響[J]. 灌溉排水學報,2014,33(3):101-103.

[9] 王同花,李援農. 起壟覆膜溝播對冬小麥土壤水分利用效率及土壤溫度的影響[J]. 中國農村水利水電,2011,(1):46-49.

[10] 李娜娜,李 慧,裴艷婷,等. 行株距配置對不同穗型冬小麥品種光合特性及產量結構的影響[J]. 中國農業(yè)科學,2010,43(14):2 869-2 878.

[11] 薛盈文,王志敏,張英華. 行距對晚播冬小麥群體的調節(jié)效應[J]. 生態(tài)學雜志,2015,34(11):3 072-3 078.

[12] 劉麗平,胡煥煥,李瑞奇,等. 行距配置和密度對冬小麥品種河農822群體質量及產量的影響[J]. 華北農學報,2008,23(2):125-13l.

[13] 嚴昌榮,梅旭榮,何文清,等. 農用地膜殘留污染的現狀與防治[J]. 農業(yè)工程學報,2006,22(11):269-272.

[14] 畢繼業(yè),王秀芬,朱道林. 地膜覆蓋對農作物產量的影響[J]. 農業(yè)工程學報,2008,24(11):172-175.

[15] 銀敏華,李援農,李 昊,等. 覆蓋模式對農田土壤環(huán)境與冬小麥生長的影響[J]. 農業(yè)機械學報,2016,47(4):127-135,227.

[16] 谷曉博,李援農,銀敏華,等. 降解膜覆蓋對油菜根系、產量和水分利用效率的影響[J]. 農業(yè)機械學報,2015,46(12):184-193.

[17] 李魯華,李世清,翟軍海,等. 小麥根系與土壤水分脅迫關系的研究進展[J]. 西北植物學報,2001,21(1):1-7.

[18] 苗果園,張云亭,尹 鈞,等．黃土高原旱地冬小麥根系生長規(guī)律的研究[J]. 作物學報,1989,15(2):104-115.

[19] 李世清,邵明安,李紫燕,等. 小麥籽粒灌漿特征及影響因素的研究進展[J]. 西北植物學報,2003,23(11):2 031-2 039.

[20] 馮素偉,胡鐵柱,李 淦,等. 不同小麥品種籽粒灌漿特性分析[J]. 麥類作物學報,2009,29(4):643-646.

[21] 趙 致,李家修,張成琦. 貴州高原夏秋麥籽粒灌漿特性的研究[J]. 作物學報,1998,24(1):110-117.

[22] 程西永,王志強,呂德彬,等. 小麥新品種豫農9901子粒灌漿特性分析[J]. 河南農業(yè)大學學報,2005,39(1):1-4.

[23] 伍維模. 不同基因型冬小麥灌漿特征及物質轉移效率的研究[D]. 陜西楊凌:西北農林科技大學,2002.

[24] 劉豐明,陳明燦,郭香風,等. 高產小麥籽粒形成的灌漿特性分析[J]. 麥類作物學報,1997,17(6):38-41.