宽幅条播冬小麦水分利用与干物质积累、品质的关系及播种密度的调控研究

郝瑞煊 孙 敏 任爱霞 林 文 王培如 韩旭阳 王 强 高志强

（山西农业大学农学院，030801，山西晋中）

小麦是我国三大粮食作物之一，播种方式和播种密度等栽培措施对其产量和品质的影响较大[1]。传统条播技术存在行播范围窄、群体与个体矛盾突出、田间通风透光差和后期易倒伏等问题[2]。宽幅播种技术苗带宽、出苗均匀、个体强壮且群体素质好，有利于提高穗数和穗粒重，增产效果显著，现作为一项新的栽培技术被推广应用[3]。小麦品种泰农18采用宽幅条播较常规条播产量可提高11%[4]。在山东泰安和兖州试验点的研究表明，宽幅播种较常规条播可通过提高单株与群体分蘖数增产22.5%，通过提高单株成穗数来提高单位面积穗数增产15.4%[5]。随着宽幅条播的广泛应用，种植密度的选择可作为调控的主要手段，适宜的种植密度可以协调小麦群体结构，平衡产量三要素，进一步提升产量。在山东济宁市的研究[6]表明，宽幅条播小麦种植密度为180万株/hm2处理时，较90万、270万、360万株/hm2处理产量分别提高 10.98%、5.82%和10.87%，水分利用效率分别提高 15.86%、10.75%和16.44%。在河南省多点试验的研究[7]表明，随播种密度的增加，冬小麦产量先增加后降低，以播量187.5kg/hm2最高。可见，播种方式和播种密度对产量有较大的调控性，同时也影响部分小麦籽粒品质[8]。小麦产量与籽粒蛋白质含量并非总是存在显著的负相关性，高产与优质的矛盾并非不可协调[9]。与基本苗密度135万、195万和315万/hm2相比，当密度为255万/hm2时，籽粒蛋白质和湿面筋含量及面团稳定时间最大，分别为 14.25%、30.72%和10.22min[10]。种植密度为180万、240万、300万和360万株/hm2时，籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和稳定时间随种植密度的增加呈先升后降的趋势，沉降值随种植密度增加而增加[11]。总之，宽幅播种技术通过调节播种密度进一步提升产量，但该技术在优化群体和提高产量的同时也影响了品质，而关于如何协调产量和品质同步提升的研究鲜有报道。为此，本团队于2016年引进宽幅条播播种技术并开展产量研究，于2017和2019年2次突破山西省小麦最高单产记录，在此基础上，本试验继续研究宽幅条播小麦如何通过调节播种密度实现优质，为该地区冬小麦优质生产提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2017-2018年在山西省闻喜县后宫乡山西农业大学小麦高产优质试验示范基地（110°59′～111°37′E，35°09′～35°34′ N）进行试验，该地海拔575～650m，属温带大陆性季风气候，年降水量450～630mm，无霜期190～230d，年均气温13℃，年日照时数2200～2500h，太阳总辐射量 502～523kJ/cm2，2017-2018年小麦生育期总降水量218.3mm，该区域为1年2茬，夏玉米―冬小麦轮作制。2017年10月20日测定试验地石灰性褐土0～20cm土层土壤肥力为有机质12.61g/kg、碱解氮44.07mg/kg、有效磷10.71mg/kg、速效钾188.87mg/kg。

1.2 试验设计

供试小麦品种为良星99，由山西省运城市闻喜县农村农业局提供。采用完全随机设计，设240万、360万、480万、600万、720万株/hm2共5个播种密度，小区面积 75m2（2.5m×30m），重复 3次。2017年10月25日播种，采用宽幅条播（选用2BMF-12/6型小麦免耕施肥播种机，一次完成深松、旋耕、施肥、播种、镇压等作业，深松深度30～40cm，秸秆残茬旋耕于10～15cm深土壤中，化肥条施于种子底部中央，播种深度3～5cm，行距22～25cm，幅宽5～8cm）。播前基施氮、磷和钾肥（N 150kg/hm2、P2O5150kg/hm2和 K2O 90kg/hm2），拔节期追施 N 90kg/hm2，于拔节期和开花期分别灌水60mm，进行越冬前镇压、防病虫害和后期一喷三防等田间管理，2018年6月10日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 前茬小麦收获后，在地块内挖300cm深的剖面坑，将剖面削齐铲平。按划定的层次自下而上取样，每20cm为1层，采用环刀法测定土壤容重[12]。分别于冬小麦播种前、越冬期、拔节期、开花期和成熟期用土钻取 0～300cm土层土样，样品采集后立即装入铝盒，称鲜土重量并记录，105℃烘至恒重，计算土壤含水量[13]。

1.3.2 干物质积累量 分别在越冬期、拔节期、开花期和成熟期进行取样，其中越冬期和拔节期取整株样品，开花期植株样品分为叶片、茎秆+叶鞘和穗3个部分，成熟期植株样品分为籽粒、叶片、茎秆+叶鞘和颖壳+穗轴4个部分，3次重复，105℃杀青30min，之后75℃烘干至恒重，测定干物质量，计算阶段干物质积累量。阶段干物质积累量=阶段末干物质积累量–阶段初干物质积累量[6]。

1.3.3 籽粒营养品质 于冬小麦成熟期选择大小均匀的30穗取样，分离出籽粒，经微型高速万能粉碎机粉碎后，用H2SO4-H2O2+靛酚蓝比色法测定籽粒含氮率，采用连续提取法测定籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的含氮率，含氮率乘以5.7即为籽粒蛋白质含量[14-15]。用盐酸将淀粉水解成葡萄糖后，用蒽酮比色法测定淀粉含量[16]。

1.3.4 面粉加工品质 使用杭州大吉MJZ-II面筋指数测定仪与 JHGM 面筋烘干仪，按照国家标准GB/T 5506.2-2008和GB/T 5506.3-2008测定湿面筋和干面筋含量及面筋指数。使用瑞典波通Perten微型全自动粉质物性测定仪，按照国家标准 GB/T 5506.3-2008测定面粉品质。使用瑞典Perten快速黏度分析仪（RVA），按照标准GOST 31935-2012测定淀粉糊化特性。

1.3.5 产量 于成熟期选取长势均匀的0.667m2地块，测定产量构成因素（穗数、穗粒数和千粒重）。每个小区选择 20m2收获，测定实际产量，并换算成12.5%籽粒含水量。

1.4 指标计算方法

1.4.1 土壤含水量 土壤质量含水量（%）=（鲜土质量–烘干土质量）/烘干土质量×100[17]。

1.4.2 土壤蓄水量 SWSi=Wi×Di×Hi×10/100[18]。式中SWS为蓄水量（mm），i为土层，W为土壤质量含水量（%），D为土壤容重（g/cm3），H为土层厚度（cm）。

1.4.3 土壤贮水消耗量Si=10∑n i=1γiHi（θi1-θi2）[19]。式中S为土壤贮水消耗量（mm），i为土层编号，n为土层总数，γi为第i层的土壤容重（g/cm3），Hi为第i层的土壤厚度（cm），θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的土壤质量含水量。

1.4.4 作物耗水量 采用土壤含水率计算作物耗水量，根据水分平衡法计算耗水量（ET1-2）[20]：ET1-2=Si+M+Pr+K。式中Si为阶段土壤贮水消耗量（mm），M为阶段内小麦灌水量（mm），Pr为阶段内降水量（mm），K为地下水补给量（mm，当地下水埋深大于2.5m时，K值不计）。

1.4.5 水分利用效率 采用Sadras等[21]和Sepaskhah等[22]的方法。水分利用效率=籽粒产量/作物耗水量，灌水利用效率=籽粒产量/灌水量，降水利用效率=籽粒产量/降水量。

1.5 数据处理

采用 Office Excel 2017录入数据，使用 DPS V9.5和Origin 2017软件进行显著性分析和相关性分析，用LSD法进行差异显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 播种密度对宽幅条播小麦水分利用的影响

2.1.1 各生育阶段耗水量 由表1可知，在240万～720万株/hm2的播种密度条件下，增加播种密度冬小麦播种期―越冬期耗水量及其比例总体呈逐渐增加的变化趋势。越冬期―拔节期、拔节期―开花期以及开花期―成熟期的耗水量及其比例均呈先增加后下降的变化趋势，以480万株/hm2最高，且越冬期―拔节期和拔节期―开花期2个阶段耗水量达显著水平，其次为360万株/hm2处理。开花期―成熟期的耗水量在 480万株/hm2与600万株/hm22个处理间差异不显著。可见，播种密度为480万株/hm2时增加生育中期作物水分消耗，而到生育后期对耗水的影响差异不显著。

表1 播种密度对冬小麦各生育阶段耗水量及其比例的影响Table 1 Effects of different seeding densities on water consumption and its proportion in different growth periods of winter wheat

2.1.2 水分利用效率 由表2可知，随播种密度的增加，小麦生育期总耗水量呈先增加后下降的变化趋势，其中480万株/hm2密度时显著高于其他处理。且480万株/hm2较其他处理显著提高降水利用效率，增幅达3.5%～16.2%，显著提高灌水利用效率，增幅达3.7%～16.2%，提高水分利用效率，增幅达1.3%～11.8%。可见，播种密度480万株/hm2有利于生育期间水分的充分利用，提高水分利用效率。

表2 播种密度对冬小麦水分利用效率的影响Table 2 Effects of different seeding density on water use efficiency (WUE) of winter wheat

2.2 播种密度对宽幅条播小麦产量和植株干物质积累量的影响

由表3可知，随播种密度的增加，各阶段植株干物质积累量呈先上升后下降的变化趋势。播种期―越冬期、拔节期―开花期和开花期―成熟期植株干物质积累量均以密度480万株/hm2最高，显著高于其他处理。越冬期―拔节期植株干物质积累量以600万株/hm2处理最高，但与480万株/hm2处理的差异不显著。且480万株/hm2处理提高或显著提高小麦产量构成因素及产量，增幅达3.5%～16.2%。可见，480万株/hm2的播种密度有利于植株干物质的积累，实现增产。

2.3 播种密度对宽幅条播小麦籽粒营养品质的影响

由表4可知，小麦籽粒蛋白质及组分的含量均以播种密度480万株/hm2处理最高，且清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白及总蛋白质含量与其他处理相比达显著水平，总蛋白质含量提高2.5%～11.8%，其次为360万株/hm2处理；谷/醇值以480万株/hm2处理最高，但与 360万和 600万株/hm2处理间差异不显著。淀粉含量以480万株/hm2处理显著最高，增幅达5.1%～12.4%，其次为600万株/hm2处理。可见，播种密度为 480万株/hm2时有利于提高籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、总蛋白质和淀粉含量，而对谷蛋白含量和谷/醇值影响不显著。

表4 播种密度对冬小麦籽粒营养品质的影响Table 4 Effects of different seeding density on nutritional quality of winter wheat

2.4 播种密度对宽幅条播小麦面粉加工品质的影响

由表5可知，随播种密度的增加，小麦淀粉糊化特性基本呈先增加后下降的变化趋势，均以480万株/hm2最高，且峰值黏度、保持黏度、最终黏度和糊化温度均达显著水平，其中，峰值黏度、保持黏度、稀懈值和最终黏度在 480万～720万株/hm2处理范围内均高于240万和360万株/hm2处理。回升值和峰值时间在240万、480万和600万株/hm2处理间差异不显著。可见，播种密度为480万株/hm2时有利于提高淀粉糊化温度及黏度，且对峰值黏度、保持黏度、最终黏度和糊化温度有较大调控性。 由表6可知，随播种密度的增加，小麦面筋特性呈先增加后下降的变化趋势，以480万株/hm2最高，且湿面筋和干面筋含量达显著水平，提高幅度分别为7.9%～26.3%、10.5%～24.4%。随播种密度的增加，小麦吸水率和形成时间呈下降趋势，以240万株/hm2处理最高，且形成时间达显著水平。稳定时间和粉质质量数以240万和480万株/hm2处理高于其他处理。弱化度以360万株/hm2处理最高，但与600万和720万株/hm2处理间差异不显著。可见，播种密度为480万株/hm2时促进了冬小麦面筋的形成，播种密度在480万株/hm2以下时，能获得较好的面粉品质。

表5 播种密度对冬小麦淀粉糊化特性的影响Table 5 Effects of different seeding density on starch gelatinization characteristics of winter wheat

表6 播种密度对冬小麦面粉加工品质的影响Table 6 Effects of different seeding density on processing quality of winter wheat flour

2.5 作物耗水变化与干物质积累、产量和品质的相关性分析

2.5.1 各阶段冬小麦耗水量与干物质积累量的相关性分析 由表7可知，宽幅条播冬小麦播种密度在240万～720万株/hm2处理下，拔节期―开花期耗水量与该阶段植株干物质积累呈显著正相关关系，拔节期―开花期耗水量与产量呈极显著正相关，开花期―成熟期与产量呈显著正相关关系。可见，增加拔节期之后的耗水量有利于促进植株干物质积累，提高产量。

表7 冬小麦各生育阶段耗水量与植株干物质积累量和产量的关系Table 7 Relationships between water consumption in different growth periodsand plant dry matter accumulation amount, yield in winter wheat

2.5.2 各阶段冬小麦耗水量与营养品质的相关性分析 由表8可知，宽幅条播冬小麦播种密度在240万～720万株/hm2的条件下，播种期―越冬期耗水量与籽粒蛋白质含量呈显著负相关关系，拔节期―开花期耗水量与籽粒蛋白质含量、谷/醇和淀粉含量呈显著或极显著正相关关系，即增加拔节期―开花期耗水量有利于促进籽粒蛋白质和淀粉的积累，提高谷/醇值。

表8 冬小麦各生育阶段耗水量与营养品质的关系Table 8 Relationship between water consumption in different growth periods and nutritional quality in winter wheat

2.5.3 各阶段冬小麦耗水量与面粉加工品质的相关性分析 由图1可知，宽幅条播冬小麦在播种密度为240万～720万株/hm2的条件下，各阶段耗水量主要与面筋特性和峰值时间有关。播种期―越冬期耗水量与湿面筋含量、面筋指数和吸水率呈显著负相关关系，越冬期―拔节期耗水量与面筋指数呈显著正相关关系，拔节期―开花期耗水量与湿面筋含量、干面筋含量和面筋指数呈显著正相关关系。可见，拔节期―开花期耗水量与面筋特性关系密切。

图1 冬小麦各生育阶段耗水量与冬小麦加工品质的关系Fig.1 Relationship between water consumption in different growth periods and processing quality in winter wheat

3 讨论

3.1 播种密度对宽幅条播冬小麦耗水量的影响

播种量会影响干物质积累量，进而影响不同生育期的耗水情况[23]。适宜的栽培方式可以增加拔节期和收获期土壤含水量[24]，适当增加播量，可增加拔节期―成熟期小麦对200～300cm土层的水分消耗，这为支撑因增加播量而构建起的小麦庞大群体稳定生长提供了水分上的支持[25-26]。本研究表明，播种密度为480万株/hm2时，可增加生育中期冬小麦水分消耗，而到生育后期对耗水的影响差异不显著。适当增加种植密度，小麦群体总耗水和水分利用效率呈先上升后降低的趋势[27]，充分有效地利用总耗水是提高小麦水分利用效率的主要途径[28]，适当的播量可以通过调节根系和地上部的生长冗余和生理特性来提高冬小麦的水分利用效率[29]。本研究还表明，随播种密度的增加，小麦生育期总耗水量呈先增加后下降的变化趋势，以480万株/hm2处理最高，且显著高于其他处理，且较其他密度处理显著提高降水利用效率和灌水利用效率，增幅分别达 3.5%～16.2%和 3.7%～16.2%；提高水分利用效率，增幅达1.3%～11.8%。480万株/hm2处理有利于提高冬小麦生育期间降水和灌水的利用效率，增加生育期总耗水，提高产量，实现水分高效利用。

3.2 播种密度对宽幅条播冬小麦干物质积累量、籽粒产量和品质的影响

干物质积累是小麦产量形成的基础，增大播量能够提高群体干物质量[30-31]。播量对产量、穗数及穗粒数的影响均呈现出显著差异水平[32]，穗粒数与产量极显著相关[33]。有研究[34]表明，与从1月1日开始至拔节开始的分蘖相比，秋季开始的分蘖构成了穗数的大部分，在适宜播量条件下，1月1日前开始分蘖产生的产量占总产量的87%以上。产量进入中高产阶段时，各因素相互作用，共同促进小麦的生长发育，使产量和籽粒品质共同提高，小麦籽粒品质受遗传特性和栽培环境的共同影响，是品种和环境条件的综合表现，小麦籽粒品质主要包含营养品质和加工品质，营养品质以蛋白质含量最为重要，并与加工品质关系密切，适当增加播量可以提高籽粒蛋白和湿面筋含量[35-37]，加工品质的改变部分归因于蛋白质含量的变化[38]。本研究表明，播种密度在240万～720万株/hm2范围内，480万株/hm2处理提高了各阶段植株干物质积累量，显著提高了产量，增幅达3.5%～16.2%，显著提高了籽粒蛋白质及其组分含量，总蛋白含量提高了2.5%～11.8%，提高了谷/醇值，显著提高了淀粉含量，增幅达5.1%～12.4%，提高了淀粉糊化特性，且峰值黏度、保持黏度、最终黏度、糊化温度均达显著水平，显著提高了湿面筋和干面筋含量。这与张永强等[39]和任爱霞等[40]的研究结果基本一致。小麦吸水率和形成时间以240万株/hm2处理最高，稳定时间和粉质质量数以240万和480万株/hm2处理较高，弱化度以360万株/hm2处理最高，但与600万和720万株/hm2处理间差异不显著，这与陈爱大等[41]的研究结果基本一致。

3.3 宽幅条播冬小麦耗水量与干物质积累量、籽粒产量和品质的关系

合理的播种密度有利于小麦生长发育，能够影响小麦各生育期耗水，从而影响籽粒产量和水分利用效率[42]，拔节期―成熟期是冬小麦耗水的主要阶段，拔节前冬小麦对土壤水分的消耗很少[43]。本研究中，宽幅条播冬小麦在不同播种密度条件下，拔节期－开花期耗水量与产量、籽粒蛋白质含量、谷/醇值、淀粉含量、湿面筋含量、干面筋含量和面筋指数均呈显著正相关关系。

4 结论

宽幅条播冬小麦不同播种密度条件下，拔节期―开花期冬小麦耗水量不仅与产量呈显著正相关关系，而且与籽粒蛋白质含量、谷/醇值、淀粉含量、湿面筋含量、干面筋含量和面筋指数均呈显著正相关关系。宽幅条播冬小麦播种密度480万株/hm2可以优化生育期耗水比例，显著提高产量、降水利用效率、灌水利用效率和水分利用效率，显著提高籽粒蛋白质及其组分含量、谷/醇值和淀粉含量，提高了淀粉糊化特性和面筋特性。