不同调亏模式对冬小麦产量形成的影响

王书吉，李彦岭，刘婧然

(1.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056021；2. 河北工程大学农学院，河北 邯郸 056021；3.中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083)

自20世纪70 年代以来，国内外已经开展了作物调亏灌溉的研究[1-5]，关于调亏灌溉对冬小麦产量的影响已有研究报道[6-16]。但关于调亏灌溉对灌浆过程影响的研究还较少[17]，立足于冀中南农作区的研究还未见有报道。我国不同地区气候、土壤特性、耕作习惯等差别较大，导致不同地域研究结果差别较大。由此，本文在冀南地区开展了不同调亏模式对冬小麦产量形成的影响研究，以期为本地区冬小麦优质高效栽培水分科学调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013年10月-2014年6月，在河北邯郸河北省水资源高效利用工程技术研究中心作物需水量试验场(36°35′N，114°29′E，海拔61 m)测坑中实施，测坑配有移动式防雨棚，降雨前关闭防雨棚隔绝自然降雨，雨停后开启。测坑为有底测坑，上口面积为3 m×3.33 m，坑内土面距坑口15 cm。坑内土层深2.0 m。土壤为中壤土，0～100 cm土层容重为1.48 g/cm3，田间持水率为22.40% (土壤质量含水率)。

1.2 试验设计

1.2.1水分处理

供试冬小麦品种为矮抗58，生长期为2013年10月16日 - 2014年6月8日；行距0.25 m。根据本地区冬小麦生长发育特点将其生长过程划分为：返青期、拔节期、抽穗扬花期、灌浆成熟期4个时期，生育期土壤水分亏缺处理以控制土壤含水率占田间持水量(θF)的百分数表示，θF表示田间持水量。参考已有研究成果，考虑到45%θF以下对产量有显著不利影响，此处设置两个调亏水平，分别为：①重度调亏，用H表示：土壤含水率保持在45%～50%θF。②轻度调亏，用L表示：土壤含水率保持在55%～60%θF；不亏水对照处理(CK)：土壤含水率保持在65%～70%θF。含水率测量采用时域反射仪(TDR)法。灌水采用自来水灌溉。

表1 不同生育期水分亏缺处理Tab.1 Water deficit treatments of different growth stages

注：N表示正常供水，土壤含水率控制在65%～70%θF；L表示轻度亏水，土壤含水率控制在55%～60%θF；H表示重度水分亏缺，土壤含水率控制在45%～50%θF；其中，θF表示田间持水率。灌水控制误差0.1%～4.0%。

1.2.2施肥水平及方式

施氮设为中氮处理，22.5 g/m2，基施60%，播前散施后翻耕，拔节期追施40%；施肥控制措施为：事前测定土壤中无机氮含量，不足部分由化学氮肥补齐。磷肥、钾肥施入量分别为(P2O5)9 g/m2，(K2O)15 g/m2，在试验开始时100%基施，试验所用氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾。其他田间农业管理措施遵照当地多年农作习惯。

1.3 观测项目与方法

1.3.1土壤含水率

在冬小麦全生育期每隔3～5 d用TDR时域反射仪观测土壤含水率。

1.3.2冬小麦灌浆过程

在冬小麦开花期到来时，选取开花、长势和穗子大小一致的麦穗，并作标记，在开花5 d后开始取样，以后每隔4 d取样一次，直到小麦成熟为止；为保证实验结果的可靠性，每处理每次取样10穗，3次重复，在试验室内，在105 ℃的高温下杀青20 min，然后降至80 ℃烘干至恒重，用千分之一电子天平称重。

1.3.3冬小麦籽粒产量及其构成要素

试验结束后，对各小区分别收获测产，计算亩有效穗数、穗粒数，采用精度为0.001 g的电子天平测量千粒质量，计算最终产量。

2 结果与分析

2.1 不同调亏模式对冬小麦产量及产量构成要素的影响

由表2可以看出，所有处理中，CK处理具有最大的有效穗数、较大的穗粒数和千粒质量，产量最高；T6和T8产量较低。这说明在以生殖生长为主的冬小麦后期生育阶段，深度亏水将严重影响冬小麦产量。返青期轻度亏水T1和中度亏水T2对形成产量的3个因素及最终产量影响最小，说明返青期是合适的亏水时期。返青期以外的3个生育期轻度亏水产量由高到低依次为：灌浆成熟期轻度亏水T7，抽穗期轻度亏水T5，拔节期轻度亏水T3。

表2 不同调亏模式下冬小麦产量及产量构成要素Tab.2 Yields and yield components of winter wheat under different water deficit treatments

注：a、b、c等不同字母表示同一列数值经多重比较，在0.05水平上的差异显著性，下同。

2.2 不同调亏处理对冬小麦灌浆过程的影响

从图1可以看出，不同调亏模式下冬小麦灌浆总趋势相同，灌浆期籽粒干物质积累随时间变化的关系都呈“S”型曲线，即灌浆过程都经历3个比较明显的阶段：①渐增期，此阶段是小麦籽粒形成阶段，从开花授粉到籽粒成型，到花后14 d左右，此阶段粒重增加较慢，此期灌浆粒重占成熟千粒重的20.3%～26.4 %。②快增期，此阶段小麦快速灌浆，籽粒成型后持续15 d左右，增重高峰期在花后14～31 d之间，此期增重占成熟千粒重的61.4%～72.3% 。③慢增期，此阶段籽粒缩水成熟，花后31天到成熟，此期籽粒含水率下降，粒重增加速度慢，灌浆粒重占成熟千粒重的2.2%～6.2%。

图1 不同处理冬小麦灌浆过程Fig.1 Processes of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

为进一步深入考察不同调亏模式对灌浆参数及最终粒重的影响，下面应用logistic曲线对灌浆过程进行拟合并进行深入分析。

2.2.1调亏灌溉条件下冬小麦籽粒灌浆过程拟合方程

根据试验结果，以开花后天数t为自变量(单位：d)，以测得的干物重(千粒质量)Y为因变量(单位：g)，用logistic曲线对灌浆过程进行拟合，见式(1)。

Y=K/(1+ea-rt)

(1)

式中：K为最大生长量上限；a、r为常数。

(1)曲线方程拟合原理与方法。对曲线方程参数的估计一般用线性回归方法。该方法虽具有简便适用的特点，且在数理统计理论上具有一套对线性回归方程及回归系数进行显著性检验的完善方法，但对曲线方程进行线性化变换会对估计参数的性质产生影响，如：不再具有无偏性等。用EXCEL中的“规划求解”功能直接进行非线性回归可避免上述问题，获得曲线方程参数的最小二乘无偏估计，且具有比线性化回归更高的拟合精度。

此处先应用式(2)采用三点法求出参数K值，再用最小二乘法求出参数a、r的估计值，在此基础上再应用EXCEL 中的“规划求解”功能，求得待拟方程参数的非线性最小二乘估计值。具体见表3。

2x2=x1+x3

(2)

式中：(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)为实测数据的始点、中点和终点。此处取花后5、21、37 d时的估计值。

(2)曲线方程特征参数。①求logistic曲线方程的一阶导数，可以得到logistic生长过程的速度函数：

(3)

式中：V(t)表示冬小麦的灌浆速度。

②求灌浆速度函数V(t)的一阶导数，并令其等于0。

解之得

tmax=a/r

此时，冬小麦灌浆速度最大。将tmax代入式(3)，可以求得灌浆速度最大值Vmax。

③求灌浆速度函数的二阶导数，令其等于0，得：

则

1-4ea-rt+e2(a-rt)=0

解之得

这是速度函数的2个拐点的横坐标，加上速度最大点横坐标tmax=a/r，是logistic曲线上的3个关键点。t1为灌浆过程的快速增长转折时间点，d；tmax为最大速率时间点，d；t2为由快减慢转折时间点，d。

由此，可以将logistic灌浆过程曲线分为3个时期：

利用模拟方程计算出3个灌浆阶段的籽粒增加质量Y1、Y2、Y3，g；分别除以对应阶段的灌浆持续期τ1、τ2、τ3，d；可以计算得到3个阶段的平均灌浆速率R1、R2、R3，10-3g/d。

2.2.2拟合结果分析

应用logistic曲线对灌浆过程进行了拟合，拟合结果显示相关系数R2均大于0.99，达极显著水平，见表3；说明该方程能较好地模拟灌浆过程。

(1)由表3可知，和CK相比，水分胁迫处理使灌浆持续时间缩短，达到最大灌浆速度的时间提前；深度胁迫处理尤其明显。

表3 不同水分调亏处理下冬小麦籽粒灌浆的方程参数和特征参数Tab.3 Equation parameter and properties parameter of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

由表3可以看出，在所有处理中，logistic灌浆过程曲线上的3个阶段灌浆时期τ1、τ2、τ3及总灌浆时期τ都是CK处理最长，水分亏缺处理均使得冬小麦灌浆总持续期τ以及3个阶段灌浆持续时期τ1、τ2、τ3缩短，灌浆持续期τ缩短 2.72%～15.78% ；随着亏水程度的加重，缩短程度加重。

综合表2，在水资源紧张必须进行亏缺灌水时，产量最优目标下适宜的亏水模式依次分别是：T1>T2>T7>T5>T3>T4>T6>T8。

3 结 论

(2)综合表2、表3，在水资源紧张必须进行亏缺灌水时，产量最优目标下适宜的调亏模式依次分别是：返青期期轻度调亏T1、返青期期重度调亏T2、灌浆成熟期轻度调亏T7、抽穗开花期轻度调亏T5、拔节期轻度调亏T3、拔节期重度调亏T4、灌浆成熟期重度调亏T8、抽穗开花期重度调亏T6。

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