北疆地区滴灌春小麦干物质积累、分配与转运特征研究

程裕伟,任辉,马富裕,冯治磊,王谊,张涛,廖江,樊华

(1石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,石河子832003;2新疆兵团农八师144团,石河子832000)

北疆地区滴灌春小麦干物质积累、分配与转运特征研究

程裕伟1,任辉2,马富裕1,冯治磊1,王谊1,张涛1,廖江1,樊华1

(1石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,石河子832003;2新疆兵团农八师144团,石河子832000)

2008-2009年在石河子地区通过小区试验和大田调查试验相结合的方式,初步研究了滴灌春小麦地上干物质积累、分配与转运的特征。结果表明:滴灌小麦全株、穗干物质积累呈现“S”型曲线,叶片、茎鞘呈单峰曲线;滴灌小麦的干物质有效积累积温(GDD EDMA)为1180.14℃,干物质高速积累持续积温(GDD HDMA)为670.68℃。与漫灌小麦相比,达到最大干物质积累速率所需要的有效积温(GDD)少83.38℃,积温产出率(PEGDD)高2.42(kg/hm2)/℃,滴灌小麦不仅具有较高的生物产量,而且叶片、穗干物质的分配率、输出量、转换率均高于漫灌小麦。滴灌小麦的产量显著高于漫灌小麦,产量增幅为10.89%～18.63%,千粒重提高了4.47～6.47 g。

春小麦;滴灌;干物质;积累;分配;转运

中国是一个严重缺水的国家,缺水是制约中国西北干旱、半干旱地区农业生产的关键因素之一[1]。目前,绝大部分干旱半干旱耕地,仍然采用传统的灌水方法,如沟灌、漫灌等,灌溉水有效利用率仅为30%～40%,远低于发达国家的水平[2-3]。滴灌有着显著的节水功效,可适时适量地进行灌溉,在作物根际创造出适宜的水、肥、气、热条件,从而获得节水、高产、优质的效果[4]。目前该技术主要用于蔬菜、棉花等经济价值较高的作物上,在小麦、玉米等经济价值较低的大田粮食作物上应用较少。有研究表明,滴灌能显著提高棉花、加工番茄等的产量[5-6];膜下滴灌技术可使玉米、马铃薯的增产率达到42.9%～53.7%;在灌溉总量相同时,多次灌溉比一次灌溉的增产效果更加显著[7];在需水关键期对春小麦进行有限的补充滴灌,籽粒产量可增加 25.6%～105.5%[8]。

近年来,新疆兵团把滴灌技术运用于春小麦生产上,已经开始了初步的研究和探索,滴灌春小麦的种植面积不断扩大,产量也不断提高。2008年新疆兵团农八师144团、148团、150团滴灌春小麦平均单产均超过6300 kg/hm2,与上一年相比单产均增加1500 kg/hm2以上;2009年农八师148团10.6 hm2滴灌春小麦单产实收12090 kg/hm2,创造了大陆性气候干旱半干旱平原地区大面积小麦生产的全国高产纪录。作物产量形成的实质是物质和能量的转换。光合产物的最终积累形式是干物质,因此,干物质的积累、分配与转运与籽粒产量有着密切的关系。本文旨在通过研究春小麦在滴灌条件下干物质积累、分配与转运,产量及产量构成要素等方面的特征,为进一步明确滴灌春小麦的高产机理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种为新春6号、新春22号。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

大田试验于2008-2009年在新疆兵团农八师144团6连进行。设滴灌(DI)和漫灌(FI)两种灌溉方式。滴灌小麦采取1管6行的种植模式,即1条滴灌带灌溉6行小麦,毛管铺放在第3、4行中间,行距为20 cm,其余各行行距12.5 cm,滴头流量2.4 L/h,滴头间距30 cm。在秋耕前一次施入三料磷肥225 kg/hm2,尿素150 kg/hm2,生育期追肥4次,分别在三叶期、分蘖期、孕穗期、拔节期随水施用,每次追施尿素75 kg/hm2。全生育期滴水8次,每次滴水600 m3/hm2。漫灌全生育期灌水6000 m3/hm2。供试品种为新春6号,2008年3月20日播种,小区面积40 m2,2009年3月18日播种,小区面积40 m2。

小区试验于2009年在石河子大学试验站进行。设DI和FI两种灌溉方式,滴灌小麦采用1管5行的种植模式,小麦行距15 cm,滴头流量2.8 L/h。播前施磷酸二铵250 kg/hm2,分别在三叶期、分蘖期、孕穗期、拔节期随水施用尿素75 kg/hm2。全生育期滴水10次,每次滴水450 m3/hm2。漫灌全生育期灌水6000 m3/hm2。2009年3月25日播种,小区面积10.5 m2,随机排列,3次重复。

1.2.2 测试项目与方法

从分蘖期开始破坏性取样,每10 d进行1次,分别选具有代表性长势地点进行取样,每个样点连续取样10株,立即装入塑料袋密封后带回实验室进行生长分析,将植株分解为叶片、茎鞘、穗器官分别称鲜重,然后将样品放人105℃烘箱中杀青1 h后降至70℃烘至衡重,冷却后取出迅速测定干物质;收获时每小区取15株进行考种。有效积温、干物质分配率、输出量与转换率依据下列各式计算[9-10]。

有效积温(GDD)=∑(Ta-Tb), (1)

分配率=Wm/Wp×100%, (2)

输出量=Wim-Wip, (3)

转换率=(Wim-Wip)/Wk×100%。 (4)

上式中:Ta为日平均温度,Tb为小麦发育基点温度,取0℃;Wm为某一时间段植株器官干物质质量,Wp为植株地上部干物质总重量;Wim为某一器官的最大干物质量;Wip为某一器官生理成熟期的干物质量;Wk为生理成熟期籽粒绝干质量。

干物质积累的动态变化及特征值根据下式计算[]:

式(5)～(11)中:y为干物质积累量;a、b、c为Logistic方程系数;GDD EDMA为干物质有效积累积温,即干物质相对含量从5%到95%的积累持续 GDD;GDD HDMA1和 GDD HDMA2分别为干物质有效积累起始和终止 GDD;GDD HDMA为干物质高速积累持续积温,即干物质相对含量从 15.9%～84.1%的积累持续 GDD;GDD HDMA1和 GDD HDMA2分别为干物质高速积累起始和终止GDD。

为反映单位 GDD内总干物质的积累量的多少,这里引入积温产出率的概念,即每一个单位的GDD产出干物质的量,并用下式计算:

PEGDD=DMA A/GDD, (12)式(12)中,PEGDD为积温产出率,(kg/hm2)/℃;DMAA为干物质积累量,kg/hm2。运用 Excel 2003、DPS 7.05和Matlab 7.0软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 滴灌小麦干物质积累动态

干物质累积反应了光合作用的强弱,是经济产量形成的基础。2年的试验结果表明:基于 GDD的滴灌和漫灌小麦的总干物质积累动态变化符合Logistic曲线(图1),滴灌和漫灌小麦的生长曲线可用式(13)、(14)描述:

图1 不同灌溉方式下春小麦干物质积累的动态变化Fig.1 Dynamic change of dry matters in spring wheat under different irrigation mode

本文计算了基于 GDD的滴灌小麦总干物质积累的有关特征值(表1)。根据式(6)～(9)、(13)可得:当 GDD为272.57℃时,总干物质积累量达到相对总积累量的 5%,为总干物质积累的起始GDD;当 GDD为525.75℃时,达到总干物质相对总积累量的15.9%,进入高速积累期;当 GDD为1196.42℃时,总干物质积累量即达到相对总积累量的84.1%,高速积累期基本结束;当 GDD为1452.71℃时,达到总干物质相对量的95%,干物质积累基本结束。由式(10)、(11)得总干物质的有效积累积温为 1180.14℃,高速积累持续积温为670.68℃。

由式 (12)、(13)可得:当 GDD=ln74.083/0.00499=862.64℃时,滴灌小麦总干物质积累速率最高,达到最大干物质积累量18678.25 kg/hm2,此时积温产出率为12.86(kg/hm2)/℃;由式(7)、(12)、(14)可得 ,当 GDD=ln85.3601/0.0047=946.14℃时,漫灌小麦总干物质积累速率最高,达到最大总干物质积累量16417.14 kg/hm2;漫灌小麦总干物质终止的 GDD为1572.63℃,此时积温产出率为10.44(kg/hm2)/℃。由此可知,滴灌小麦比漫灌小麦达到最大干物质积累速率所需要的GDD少 83.38 ℃,积温产出率高 2.42(kg/hm2)/℃。

从图2可以看出:不同地点、不同品种,滴灌小麦全株、穗干物质积累呈现“S”型曲线,叶片、茎鞘呈抛物线。随着 GDD的增加,滴灌小麦叶片、茎鞘等干物质积累呈先快,其后减慢的趋势;当植株进入生殖生长,光合产物向穗分配比例开始增加,此时穗部干物质积累速率高于其它器官,直至成熟。在整个生育期滴灌小麦叶片、茎鞘、穗干物质积累始终大于漫灌小麦。

对滴灌和漫灌小麦的叶片、茎鞘、穗干物质积累动态进行拟合后的结果(表2)表明:当 GDD达到1039.06～1113.59℃时,滴灌和漫灌小麦叶片干物质积累量达到最大值。与漫灌小麦相比,滴灌条件下小麦叶片干物质积累量高116.87～411.56 kg/hm2,茎鞘干物质积累量高654.15～1224.55 kg/hm2,此时所需 GDD少49.45～305.93 ℃,穗干物质最大积累量高1357.35～1604.92 kg/hm2。

表1 不同灌溉方式春小麦干物质积累变化特征值比较Fig.1 Comparison of dry matters characteristic value in spring wheat under different irrigation modes

图2 不同灌溉方式下春小麦各器官干物质积累的动态变化Fig.2 Dynamic change of dry matters of individual organs in spring wheat under different irrigation modes

表2 不同灌溉方式下春小麦各器官干物质积累拟合方程Tab.2 Fitted equation of dry matters of individual organs in spring wheat under different irrigation modes

2.2 滴灌小麦干物质在各器官中的分配

由表3可知,随着小麦生育进程的推进,干物质在叶片中的分配比值呈下降趋势,至成熟期已降至很低比值。滴灌小麦与漫灌小麦相比,干物质在叶片中的分配率提高了0.89%～1.62%。干物质在茎鞘中的分配比值呈先升后降的趋势,自拔节至成熟期干物质的分配率滴灌小麦较漫灌小麦降低了3.32%～4.95%。穗是光合产物的分配中心,穗干物质所占比重呈不断上升趋势,至成熟时,滴灌小麦较漫灌小麦穗干物质分配率提高了 1.61%～4.08%。综合以上分析可知:滴灌可降低小麦干物质在营养器官中的分配率,促进干物质向籽粒中分配,这对于防止后期叶片早衰,保持较高的光合速率、促进高产具有积极意义。

表3 不同灌溉方式下春小麦干物质在各器官中的分配(%)Tab.3 Allocation of dry matters of individual organs under different irrigation modes

2.3 滴灌小麦干物质在各器官中的转运

在干物质运转方面,滴灌小麦表现为移动量大、转换率高的特点(表4)。滴灌和漫灌两种灌溉方式下,叶片、颖壳和穗轴储藏物质的输出量和转化率不同,滴灌条件下的小麦叶片、茎鞘、颖壳和穗轴的输出量和转化率均高于漫灌。其中,大田条件中滴灌小麦叶片、茎、颖壳和穗轴的输出量比漫灌小麦分别高211.88、308.69和147.51 kg/hm2,转换率分别提高1.67%、1.90%和1.40%;小区试验中滴灌小麦叶片、茎、颖壳和穗轴的输出量分别比漫灌条件下高261.74、353.24和92.19 kg/hm2,转换率分别增加1.74%、0.35%和0.67%。这可能与滴灌条件下小麦前期叶片生长良好,茎秆粗壮,后期转移到籽粒中的营养物质多有关。

表4 开花后各器官干物质的输出量与转化效率Tab.4 Dry matters translocation amount and translocation ratio of individual organs after flowering

2.4 滴灌对春小麦产量及产量构成因素的影响

2008-2009年的大田试验结果(表5)表明:滴灌条件下小麦的产量明显高于漫灌条件,产量增幅达12.79%～21.49%;2009年小区试验结果表明滴灌条件下新春6号和新春22号的产量比漫灌分别高29.61%、17.34%,增产显著。从产量构成因素来看,滴灌较漫灌结实率提高了5.57%～11.90%、千粒重提高了4.47～6.47 g、穗数在大田条件下比漫灌提高了41.37万株/hm2～44.4万株/hm2,差异显著(P<0.05),但对穗粒数无显著影响。其原因可能是在滴灌这种“少量多灌”的灌溉模式更能促进干物质的高效转运及再分配,从而提高了千粒重、穗数和结实率,最终获得较高的产量。

表5 不同灌溉方式下春小麦产量及其构成因素Tab.5 Y ield and yield components of spring wheat under different irrigation modes

3 讨论

关于小麦干物质积累、转运及产量构成方面的研究,前人主要在常规灌溉条件下展开[12-15],而针对滴灌小麦的研究涉及较少,涉及滴灌的研究主要是在灌溉制度和产量上[16-17],因此研究滴灌条件下小麦的干物质积累、分配及转运,有利于明确滴灌小麦高产的机理,从而为确立资源高效性的灌溉技术在小麦栽培中推广和应用提供依据。

促进春小麦开花前的植株生长和干物质积累,以及花后营养器官向籽粒运转分配比率,均直接影响粒重和籽粒产量[18-20]。叶片的数量及光合性能直接影响小麦单位面积的干物质积累量[21],因此,延长叶片的功能期可以充分发挥叶片对产量的最大功效[22-23]。Gent等[24]的研究指出,茎秆和叶片中的碳水化合物运转到籽粒,使得灌浆后期籽粒的生长速率比茎干物质累积的速率高得多。Kiniry[25]的研究表明,开花后春小麦的营养物质转移的差异主要表现在茎秆上,且从茎秆输出的净干物质量最多,对籽粒干物质的贡献率最大。与漫灌相比,滴灌更有利于促进茎、叶等营养器官花前储藏物质在开花后向籽粒的转运、分配。

干物质的积累量取决于群体光合速率、光合强度、光合产物的消耗及环境因子等多项因素,是产量形成的基础。基于GDD的滴灌和漫灌小麦的总干物质积累动态变化符合Logistic曲线,计算滴灌小麦的总干物质积累的相关特征值得知:滴灌小麦干物质相对含量从 5%到 95%的 GDD HDMA为1180.14℃,干物质相对含量从15.9%～84.1%的GDD HDMA为670.68℃。为了更好的描述单位GDD内总干物质的积累量的多少,本文引用积温产出率的概念,定量描述 GDD对于小麦干物质积累的影响,为以后研究干物质积累和 GDD的关系提供新思路。

4 结论

本试验通过大田试验和小区试验相结合的方法研究滴灌小麦和漫灌小麦在干物质积累、分配与转运特征方面的差异。结果表明:滴灌小麦干物质积累速率高于漫灌小麦;与漫灌小麦相比,滴灌小麦达到最大干物质积累速率所需要的 GDD少83.38℃,积温产出率多2.42(kg/hm2)/℃;干物质在叶片、穗中的分配率提高,在茎鞘中的分配率降低;叶片、茎、颖壳和穗轴的输出量和转换率高。从产量来看,滴灌小麦的产量显著高于漫灌小麦,产量增幅达10.89%～18.63%,滴灌不能显著的提高穗粒数,但可以提高结实率和千粒重,滴灌条件下的小麦结实率较漫灌高5.95%～11.9%,千粒重提高了4.47～6.47 g。

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Characteristics of Accumulation,Allocation and Transaction of Dry Matter in Spring Wheat under Drip Irrigation in Northern Xinjiang

CHENG Yuwei1,REN Hui2,MA Fuyu1,FENG Zhilei1,WANG Yi1,ZHANG Tao1,LIAO Jiang1,FAN Hua1
(1 College of Agriculture,Shihezi University/The Key laboratory of Oasis Eco-Agriculturel,Xinjiang Production and Construotion Group,Shihezi 832003,China;2 Regiment No.144,Agriculture Division No.8,the Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi 832000,China)

Field survey and fixed position experiment were conducted to understand the characteristics of biomass accumulation,allocation and transaction of spring wheat watered with drip irrigation in Shihezi.Results showed that dry matter and the spike accumulation of spring wheat were consistent with the typical“S”curve,while a parabola of quadratic function was detected in the change of leaf and stem during growth.The growth degree days of effective dry matter accumulation(GDD EDMA)of spring wheat watered with drip irrigation was 1180.14℃,and the growth degree days of high-speed dry matter accumulation(GDD HDMA)was 670.68℃.The growth degree days(GDD)of spring wheat watered with drip irrigation was 83.38℃lower,while wheat production efficiency during growth degree days(PEGDD)was 2.42(kg/hm2)/℃higher than flood irrigation when spring wheat reached the highest dry matter accumulation rate.Compared with wheat watered with flood irrigation,spring wheat watered with in drip irrigation has higher biomass accumulation,leaf and spike allocation rate,leaf and spike output and transaction rate.Yield and 1000-grain weight of spring wheat under drip irrigation was 10.89%～18.63%and 4.47～6.47 g higher than flood irrigation.

spring wheat;drip irrigation;dry matter;accumulation;allocation;transaction

S512.12

A

1007-7383(2011)02-0133-07

2010-03-03

程裕伟(1981-),男,硕士生,专业方向为节水灌溉、灌溉制度;e-mail:chengyuwei@stu.shzu.edu.cn。

马富裕(1967-),男,教授,博士生导师,从事作物生理生态研究;e-mail:mfy㊦agr@shzu.edu.cn。