覆膜集雨及行距配置对冬小麦灌浆特性的影响

任全茂，李援农，谷晓博，徐袁博，王凯瑜

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

冬小麦是我国主要粮食作物之一, 同时也是灌溉用水最主要的消耗作物，在我国西北干旱区研究冬小麦节水栽培具有重要意义。粒重是小麦籽粒产量的重要构成因素之一，而灌浆特性是决定粒重的重要因素，灌浆期为最终决定粒重的关键期[1]。小麦灌浆特性受到自身生物学规律与外界环境条件的共同影响，籽粒灌浆作为小麦产量形成的最终过程，可以将小麦的品种特性及环境条件所产生效应集中体现出来[2]。栽培措施对小麦灌浆特性有较大影响，如在水分、肥料、播期、密度、灌溉方式、生物调节剂[1-7]等方面已经进行了大量研究。研究节水栽培措施下的灌浆过程可为提高小麦产量和优化节水栽培措施提供依据。

覆膜集雨可改善田间环境从而影响冬小麦生长提高产量。崔红红[8]研究表明起垄覆膜沟内种植方式下，冬小麦株高、叶绿素、叶面积、干物质累积量较传统平作优越，覆膜有利于土壤水分的积累，很大程度上保持土壤水分，减少地面水分蒸发，具有节水保墒效果。王同花[9]研究表明起垄覆膜沟播较平播极显著增产，其成穗率较平播高3.8%，水分利用效率高5.06%。作物行株距配置导致冠层结构产生差异。李娜娜[10]认为宽行窄株距可改善生育后期光合特性，延缓衰老。多数研究表明缩距匀播是提高产量的重要措施之一，薛盈文[11]认为窄行距(12 cm)播种有利于提高华北平原干旱缺水地区晚播冬小麦的群体产量。刘丽平[12]等研究认为，15 cm等窄行种植产量最高，20 cm等宽行次之。合理的行株距配置有助于提高群体光合性能并发挥品种增产潜力，获得高产。但关于覆膜集雨和行距配置对冬小麦籽粒灌浆过程的影响研究较少。另外农用地膜的大量使用，使土壤中的残膜量也日益增多，残膜的隔离破坏了土壤结构，抑制了作物根系对水分和养分的正常吸收，导致产量下降，限制农业的可持续发展[13,14]，故本次研究中引入生物氧化双降解膜。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年10月-2016年6月在陕西杨凌西北农林科技大学农业水土工程重点实验室灌溉试验站进行。该试验站位于108°24'E，34°20' N，海拔521 m。多年平均气温12.5 ℃，年均日照时数2 163.8 h，无霜期210 d，降水量632 mm，主要分布在7-9月份，蒸发量1 500 mm，属大陆性暖温带季风气候。土壤质地为中壤土，1 m土层平均田间持水率23%～25%，凋萎含水率8.5%(均为质量含水率)，平均干容重1.44 g /cm3，土壤肥力均一。

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为小偃22，所覆膜宽100 cm，厚 0.008 mm，其中降解膜为山东天壮环保科技有限公司研制生产的氧化-生物双降解膜，诱导期180 d。栽培模式为起垄沟播，覆膜集雨设置3种情况：裸地LD，覆降解膜JM，覆普通膜PM。所有小区宽3.5 m、长4 m，其中垄宽30 cm、垄高20 cm、沟宽60 cm，播种量为150 kg/hm2，种植行距分别为20 cm(即沟内4行L4)和30 cm(即沟内3行L3)。两因素不同情况两两组合，共6个处理，各处理重复3次，共18个小区，试验田周围布置保护行，冬小麦生育期间进行常规的除草杀虫等田间管理。

1.3 测定项目及数据分析

灌浆过程的测定，各处理于小麦开花期选择长势一致，穗子大小基本相同，无病虫危害的单茎300个进行拴线标记，自开花后第6天起，每隔3 d随机取标记麦穗10个，直至成熟为止。取出的籽粒在105 ℃下杀青20 min后在80 ℃下烘至恒重，随机数出100粒用万分之一天平测定粒重，重复3次，取3次重复的平均值换算成千粒重用于方程的拟合。灌浆过程的模拟，以开花后天数(t)为自变量，千粒重(Y)为因变量，用logistic方程Y=K/(1+eA+Bt)对籽粒生长过程进行模拟，其中K为潜在最大千粒重，A、B为与灌浆初始值和增重快慢相关的参数。对logistic方程求一阶导数，得灌浆速率方程V(t)=KBeA+Bt/(1+eA+Bt)2。由此推导出次级灌浆参数：平均灌浆速率R(g/d)、灌浆持续时间T(d)、最大灌浆速率Rmax(g/d)和达最大灌浆速率的时间TRmax(d)。同时估算灌浆过程的3个阶段：渐增期、快增期和缓增期的灌浆持续时间T1，T2，T3与各阶段的平均灌浆速率R1，R2，R3。本次试验中实际测得的最大千粒重只达到了潜在最大千粒重的90%～95%，故以达到潜在最大千粒重的95%计算灌浆持续时间。

本试验数据整理采用Microsoft Excel，回归分析、显著性分析和相关性分析均采用SPSS19.0，其中方差分析使用最小显著差异法(LSD)进行，相关性分析采用Pearson相关系数。作图采用OriginPro8.5。

2 结果与分析

2.1 不同处理对籽粒增重的影响

不同处理下冬小麦灌浆进程存在着差异。比较覆膜对灌浆产生的影响，L3和L4的最大千粒重均为LD>JM(花后第17天进入崩裂期，地膜已经裂解成大碎块，没有完整膜面)>PM。灌浆前期籽粒增重无明显差别，但灌浆中后期差异明显，L3在花后22天，LD粒重开始大于JM和PM直至达到最大粒重，花后28天JM粒重反超PM，最终略小于LD。L4在花后23天，PM和LD粒重开始明显大于JM，花后29天JM粒重反超PM，但未能达到LD水平。这可能和温度变化有关，随着气温的升高覆普通膜的地温相对较高，不利于灌浆的进行，降解膜此时的崩裂恰恰缓解了这种情况。银敏华[15]等的研究表明降解膜的增温效应主要体现在冬小麦生长前期和中期，而普通膜的增温效应则贯穿于冬小麦整个生育期，在中国北方地区，覆盖种植的保温作用对于冬小麦及春播作物具有重要意义，但作物生长后期随着大气温度逐渐回升，此时的增温效应对作物生长和产量形成无实际意义，反而会加速植株衰老。另外可能和小麦根系的生长情况有关。谷晓博[16]等对冬油菜的研究表明普通膜处理主根下扎深度显著小于降解膜和不覆膜处理，地膜覆盖不利于主根下扎，生物膜由于生育后期降解，使其土壤温度、湿度和通气性得到改善，能促进生育后期主根下扎，对吸收深层土壤的养分有利。开花期为冬小麦根系最发达时期，其后开始逐渐衰老死亡。浅层根系衰亡腐解的速度较快，而深层根系所处生态环境较稳定，衰亡速度较缓慢，因而成为谷物作物籽粒灌浆的功能根系[17-18]。普通膜处理根系较浅加之浅层根系较快的衰亡速度致使其灌浆期水分和养分利用率下降。裸地虽然千粒重最高，但其分蘖成穗情况不及覆膜，提高小麦产量还需综合考虑有效分蘖及穗粒数等因素。比较行距配置对灌浆产生的影响，灌浆前中期L3粒重略大于L4，但灌浆后期被L4反超，最终千粒重为L4大于L3。这可能与冠层环境以及行内密度有关，L3行内密度较大，未能高效利用土壤水分和养分。

图1 不同处理下灌浆动态曲线

由图1可知，冬小麦的籽粒灌浆进程呈慢—快—慢的变化规律，运用logistic方程对所测数据进行拟合，拟合方程的决定系数R2在0.99以上，均达到极显著水平，说明logistic方程能很好地反映籽粒灌浆过程，拟合结果见表1。由拟合方程可知JM的潜在最大千粒重最大，PM的最小。L4的潜在最大千粒重大于L3。与灌浆初始值相关的参数均表现为L4大于L3，LD大于PM和JM。与增重快慢相关的参数表现为JM最小。

表1 不同处理下粒重拟合的logistic方程

2.2 不同处理对灌浆速率和灌浆持续时间的影响

多数研究表明小麦粒重的大小取决于灌浆持续时间与灌浆速率[19]。对拟合的logistic方程求导可得到灌浆速率随时间变化的方程。由图2可知，不同处理灌浆速率随时间的变化趋势一致，均于花后20 d前后达最大值，之后下降。不同覆膜处理下，灌浆前期灌浆速率无明显差异，灌浆中期L3表现为PM大于LD大于JM，L4表现为PM与LD无差异且大于JM，灌浆后期L3与L4均表现为PM和LD迅速下降，均小于JM。这可能与覆普通膜地温较高和裸地水分胁迫引起的早衰有关。同种覆膜处理下，灌浆前期的灌浆速率为L3大，但其最大灌浆速率小于L4，且在达到最大灌浆速率后其值一直小于L4。说明了宽行距种植有利于灌浆前期灌浆速率的提高，但后期较差。对求导方程进一步计算可得出一系列灌浆参数，见表2。

图2 不同处理下灌浆速率曲线

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结合表3可知，不同覆膜处理平均灌浆速率具有显著差异，LD显著大于PM和JM，灌浆持续时间也具有显著差异，表现为JM灌浆持续时间最长，其次为LD和PM。同种覆膜处理下L3和L4灌浆持续时间差异不显著，相差0.18～0.83 d。不同覆膜处理下最大灌浆速率与达到最大灌浆速率的时间均有显著差异，JM最大灌浆速率最低且最晚达到最大灌浆速率，LD最大灌浆速率最大，PM最早达到最大灌浆速率。同种覆膜处理下，L3最大灌浆速率小于L4，达到最大灌浆速率的时间早于L4。

根据小麦千粒重增长曲线, 可将籽粒灌浆过程大致划分成 3个阶段，即为渐增期、快增期和缓増期。对拟合的logistic方程求二阶导，并令其等于0可以算出3个阶段的分界点[18]。不同灌浆阶段对小麦籽粒积累干物质的贡献不同，表现为快增期最大，达60.77%，其次是渐增期，为22.24%，最小是缓增期，为16.99%。不同处理下各灌浆阶段持续期不同，快增期持续期最长，可占整个灌浆持续期的43.75%～45.85%，而渐增期和缓增期持续时间差别不明显，分别占整个灌浆持续期的25.82%～29.20%和26.25%～28.33%。不同阶段的灌浆速率为快增期大于渐增期大于缓增期。这和部分文献[1-5]认为缓增期持续时间最长，对干物质积累贡献率大于渐增期的结论不同，可能是因为试验地区、小麦品种以及灌浆结束期标准选取不同。比较两个因素对灌浆阶段参数的影响，不同覆膜处理下，渐增期持续时间差异显著，为LD最大，JM次之，PM最小，平均灌浆速率为JM最大。快增期和缓增期均表现为JM持续时间最大，平均灌浆速率最小。不同行距配置下，渐增期持续时间差异显著，L4比L3长0.68 d，快增期和缓增期持续时间无明显差别。各阶段平均灌浆速率表现为渐增期L3大于L4，快增期和缓增期L4大于L3。

2.3 灌浆参数的稳定性及不同处理对灌浆参数的影响

由上述分析可知不同处理下灌浆参数之间存在着差异，为了确定各灌浆参数是否易受环境的影响而波动以及不同处理对其影响的程度，对各参数进行稳定性分析。为了进一步探讨不同处理下灌浆参数与粒重的关系，对其灌浆参数与粒重进行相关性分析，见表3。

由表3可知缓增期持续天数变异系数最大，其次为快增期天数和渐增期天数。平均灌浆速率变异系数最小，渐增期灌浆速率其次。总体而言，时间参数的变异系数比速率参数的大，变异系数大一方面说明稳定性差，受栽培措施影响波动范围大；另一方面说明可调节可控制性高, 是主攻方向。同时这也说明了小麦籽粒灌浆速率主要受遗传控制，而籽粒灌浆持续期主要受环境因子的调控[19]。

表3 两因素对灌浆参数影响的显著水平，灌浆参数的变异系数及与粒重相关系数

注：LSD-p值小于0.05表示影响显著，小于0.01表示影响极显著，“**”表示极显著相关。

小麦籽粒灌浆特征是千粒重形成的决定性因素[20]，也是影响籽粒产量的重要生理性状[21]。对于粒重与灌浆速率和灌浆时间的相关性，目前尚无定论。一般认为，粒重与籽粒灌浆速率呈正相关，与灌浆持续时间的相关性尚不确定。程西永[22]等认为，渐增期持续时间对粒重影响最大，其次是缓增期的灌浆速率。籽粒千粒重与灌浆渐增期持续天数呈显著正相关[4]。伍维模[23]研究认为，达到最大灌浆速率的天数、活跃灌浆期和氮活跃吸收期与千粒重呈极显著正相关。刘丰明[24]等指出，渐增期灌浆速率R1、快增期灌浆速率R2和持续时间T2对粒重作用显著。本研究中，覆膜集雨与不同行距的栽培措施下除渐增期灌浆速率外均与粒重成正相关，其中灌浆持续时间与粒重的相关性大于平均灌浆速率，达到最大灌浆速率的时间与粒重呈极显著正相关。不同灌浆时段灌浆参数对粒重作用的大小顺序依次为：渐增期持续天数>缓增期持续天数>快增期持续天数>缓增期灌浆速率>快增期灌浆速率>渐增期灌浆速率。总体而言时间参数与粒重的相关性较大，又因为时间参数具有较大的变异系数，通过栽培措施延长灌浆持续时间和调整各阶段灌浆持续时间对增加粒重非常重要。

比较栽培模式对各参数的影响，覆膜集雨的影响大于行距配置。覆膜集雨对除渐增期灌浆速率和缓增期持续时间外的参数均有显著影响，对快增期持续时间达极显著影响。行距配置除对渐增期持续时间有极显著影响外对其他参数影响均不显著。两因素交互作用下对除渐增期灌浆速率和缓增期持续时间外的参数均有显著影响。说明覆膜集雨栽培能有效影响灌浆进程，而行距配置对灌浆进程的影响较小，从而可根据灌浆进程中各阶段灌浆参数和粒重的相关关系有针对性的调节灌浆特性。本研究中达到最大灌浆速率的时间与粒重呈极显著正相关，而覆盖降解膜可显著延长达到最大灌浆速率的时间，从而对提高粒重作出贡献。灌浆持续时间和各阶段持续时间与粒重的相关性较大，覆盖降解膜可显著延长灌浆持续时间和快增期持续时间，20 cm行距种植可显著延长渐增期持续时间，因此覆盖降解膜行距20 cm种植是对提高粒重有益的栽培措施。

3 结 语

本次试验中，logistic方程很好地反映了籽粒灌浆过程，表明了覆降解膜行距20 cm种植有最大的潜在千粒重。对灌浆速率的分析可知，覆降解膜的灌浆速率前期与裸地和覆普通膜无明显差别，中期小于后两者，而后期大于后两者，整个灌浆期其变化幅度小于后两者且具有较小的平均灌浆速率。行距配置对灌浆速率影响较小，但整体显示为前期30 cm行距速率高，后期20 cm行距速率高。对灌浆持续时间的分析可知，覆降解膜可明显延长灌浆持续时间，这弥补了其灌浆速率小可能导致千粒重降低的缺陷。

籽粒灌浆过程的 3个阶段中以快增期对籽粒积累干物质的贡献最大，其次为渐增期，所以生产中应多采取措施对这两个时期进行调控，以期延长持续时间提高灌浆速率从而获得较高的粒重。本次试验表现为时间参数较速率参数的变异系数大，即易受环境影响，是通过栽培措施调节灌浆特性的切入口。覆膜集雨较行距配置对灌浆各参数的影响大，是较好的调节灌浆特性的栽培措施。两因素影响下达到最大灌浆速率的时间与粒重呈极显著正相关，这与不少研究结论一致，应重视最大灌浆速率到来时间的调控。

本次试验中实际千粒重裸地略大于覆降解膜，覆普通膜明显较低，这说明了普通膜对冬小麦后期生长起到了负面的影响，而降解膜在生长后期的崩裂降解缓解了这一影响，使千粒重没有明显降低。但并不能因此否定了覆膜对于提高冬小麦产量的贡献，覆膜在生育前期的积极影响对于提高有效分蘖数和穗粒数有着重要意义，本文不再进行讨论。本次试验仅选用一种冬小麦品种采集了一季灌浆期的数据，未能系统地进行横向和纵向的分析，关于冬小麦灌浆特性的部分结论难免存在一定的局限性。综合本次试验各方面分析得出覆盖降解膜行距20 cm种植是对提高粒重有益的栽培措施。

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