种植密度和播期对冬小麦籽粒品质影响的模拟研究

陈昱利，杨平，李华伟

（1.淄博市农业科学研究院，山东淄博 255033；2.山东省农业科学院作物研究所，济南 250100）

冬小麦籽粒品质主要取决于基因型，但亦受栽培措施的影响[1-2]，种植密度和播期是影响冬小麦籽粒品质的2 个重要因素。种植密度主要通过影响冬小麦群体结构、改变温光等生态条件对冬小麦籽粒品质产生影响，播期则是通过改变生育期温度和光照等生态条件影响冬小麦籽粒品质[3-4]。目前，关于种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数影响的研究已有较多报道，主要集中在种植密度和播期对冬小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量[5-9]、粉质参数[10-13]、面团拉伸特性[14]、淀粉组分[15]及蛋白质组分[16-17]等指标的影响，以及种植密度和播期之间的互作效应。研究发现，适期播种的小麦籽粒蛋白质含量和蛋白质产量均最高，种植密度对强筋小麦品质性状有一定调节作用[4]；对于中、弱筋小麦，密度增加可提高总淀粉含量，而蛋白质、湿面筋含量下降，面团形成时间和稳定时间缩短，但密度过大，蛋白质含量略有上升，淀粉含量略有下降[5,11,15]。另有研究表明，适播与晚播的小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和淀粉含量都显著高于早播[6]。此外，在旱田探墒沟播条件下，适宜播量可通过提高醇溶蛋白和谷蛋白含量来增加蛋白质含量，通过优化湿面筋含量、面团稳定时间等指标提升加工品质[16]。已有研究大多集中在种植密度和播期对冬小麦籽粒品质的影响，尚未运用数学建模方法构建相关数学模型。本研究在田间试验的基础上，结合已有研究成果，通过系统分析种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，引入种植密度和播期影响因子等指标，量化种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，构建种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数影响的模拟模型，以期为冬小麦籽粒品质研究提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用在山东省推广面积较大、适应性较强的半冬性优质强筋冬小麦品种济麦44 为试验材料，由山东省农业科学院作物研究所育成并提供。

1.2 试验设计

于2019年10月至2021年6月连续2个冬小麦生长季分别在淄博市农业科学研究院试验基地、德州市农业科学研究院试验基地和烟台市莱州市西由镇登海种业莱州第8 试验场开展播期和种植密度田间试验，各试验点均采用相同试验设计。各试验点土壤耕层概况见表1。采用随机区组设计，设S1（10月10日）、S2（10月20日）和S3（10月30日）3个播期，每个播期设4个种植密度水平，其中S1播期 设D1（180万株·hm-2）、D2（225万株·hm-2）、D3（270 万株·hm-2）和D4（315 万株·hm-2）4 个种植密度水平，S2 播期设D2（225 万株·hm-2）、D3（270万 株·hm-2）、D4（315万株·hm-2）和D5（360万株·hm-2）4 个种植密度水平，S3 播期设D3（270万 株·hm-2）、D4（315万株·hm-2）、D5（360万株·hm-2）和D6（405 万株·hm-2）4 个种植密度水平，各处理3 次重复，共计36 个小区。小区面积135 m2（9 m×15 m）。上茬作物为玉米，收获后秸秆全量还田。播种前每公顷基施过磷酸钙（P2O5含量为14%）857 kg、硫酸钾（K2O 含量为50%）240 kg，全生育期氮肥（尿素，N 含量46%）施用量为522 kg，其中氮肥50%在播种前作基肥施入，50%在拔节期追施。其他管理参照当地高产冬小麦田间管理。

表1 试验地0—20 cm土壤基本性状Table 1 Soil basic characters from 0 to 20 cm in test area

1.3 数据采集与分析

小麦籽粒收获放置1 个月后测定其品质参数指标。蛋白质含量采用凯氏定氮法[18]测定；湿面筋含量采用瑞典Perten 面筋洗涤仪测定，参照GB∕T 5506.2—2008《小麦和小麦粉面筋含量第2部分：仪器法测定湿面筋》[19]；出粉率采用瑞士布勒磨磨制并测定，参照NY∕T 1094.1—2006《小麦实验制粉第1 部分：设备、样品制备和润麦》[20]和NY∕T 1094.2—2006《小麦实验制粉第2 部分：布勒氏法用于硬麦》[21]；面团吸水率和面团稳定时间等粉质参数采用德国布拉本德AT型自动粉质仪测定，参照GB∕T 14614—2019《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试粉质仪法》[22]。

本研究中，计算播期对冬小麦品质参数影响时，为将播期量化便于数据分析，将10月1日记为数值1 d，播期每增加1 天数值加1，依次类推。各播期处理间以S1 播期为对照，同一播期内以最小播量处理为对照。此外，同一生长季内各品质指标参数取值均为3 个试验点该指标参数测定值的平均值。

采用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot v10.0统计分析软件处理试验数据。

1.4 模型构建及模型检验

本研究通过系统分析种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，引入种植密度和播期影响因子等指标，量化种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，构建种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数影响的模拟模型。

2019—2020 年度冬小麦生长季试验数据用于模型建立，2020—2021 年度冬小麦生长季试验数据用于模型检验。利用实测值与模拟值之间的根均方差（root mean aquare errors,RMSE）、相关系数（r）、平均绝对误差（da）和平均绝对误差占实测值的比率（dap）等作为评价指标，并绘制1∶1 关系图，以检验模型。RMSE、da和dap值越小，r值越大，表明模拟值与实测值的偏差越小，一致性越好，模型精度越高。各参数计算公式如下[23]。

式（1）至式（4）中，XOi为第i个实测值，XSi为第i个模拟值，--XO为实测值的平均值，n为样本容量。

2 结果与分析

2.1 模型描述

2.1.1 种植密度和播期对冬小麦籽粒蛋白质含量影响的模拟 由图1 可知，在S1 和S3 期内，随着种植密度增加，冬小麦籽粒蛋白质含量呈先增加后减小的趋势；在S2 播期内，则呈先减小后增加的趋势。说明在不同的播期内，种植密度对冬小麦籽粒蛋白质含量的影响不同，随着播期的延迟，冬小麦籽粒蛋白质含量呈先减小后增大的趋势，表明播期推迟对冬小麦籽粒蛋白质形成不利。

图1 不同种植密度和播期下冬小麦籽粒蛋白质含量Fig.1 Protein content of winter wheat under different planting densities and sowing dates

根据各处理籽粒蛋白质含量随种植密度和播期的变化规律，将各处理与对照相比籽粒蛋白质含量增加比率作为籽粒蛋白质含量种植密度影响因子和播期影响因子。由图2 可知，在S1 和S3 播期内，随着种植密度增加，籽粒蛋白质含量种植密度影响因子先增大后减小，在S2 播期内则呈先减小后增大趋势，3 个播期内均呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（5）。随着播期推迟，籽粒蛋白质含量播期影响因子先减小后增大，呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（6）。不同种植密度和播期下，籽粒蛋白质含量可表达为方程（7）。

图2 种植密度和播期对冬小麦籽粒蛋白质含量的影响Fig.2 Effect of planting densities and sowing dates on protein content of winter wheat

式中，FDPC为籽粒蛋白质含量种植密度影响因子，DL为种植密度水平（万株·hm-2），FSPC为籽粒蛋白质含量播期影响因子，SL为播期水平（d），PCSiDj为第i播期第j种植密度下籽粒蛋白质含量（%），PCCK为对照籽粒蛋白质含量（%）。

2.1.2 种植密度和播期对冬小麦籽粒湿面筋含量影响的模拟 由图3 可知，在S1 和S3 播期内，随着种植密度增加冬小麦籽粒湿面筋含量呈先增加后减小的趋势；在S2 播期内则呈先减小后增加的趋势。说明在不同的播期内，种植密度对冬小麦籽粒湿面筋含量的影响不同。随着播期的延迟，冬小麦籽粒湿面筋含量呈现不断减小的趋势。

图3 不同种植密度和播期下冬小麦籽粒湿面筋含量Fig.3 Wet gluten content of winter wheat under different planting densities and sowing dates

根据各处理籽粒湿面筋含量随种植密度和播期的变化规律，本研究中将各处理与对照相比籽粒湿面筋含量增加比率作为籽粒湿面筋含量种植密度影响因子和播期影响因子。由图4 可知，在S1和S3播期内，随着种植密度增加籽粒湿面筋含量种植密度影响因子先增大后减小；在S2 播期内则呈先减小后增大变化趋势，3 个播期内均呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（8）。随着播期推迟，籽粒湿面筋含量播期影响因子逐渐减小，呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（9）。不同种植密度和播期下，籽粒湿面筋含量可表达为方程（10）。

图4 种植密度和播期对冬小麦籽粒湿面筋含量的影响Fig.4 Effect of planting densities and sowing dates on wet gluten content of winter wheat

式中，FDWGC为籽粒湿面筋含量种植密度影响因子，DL为种植密度水平（万株·hm-2），FSWGC为籽粒湿面筋含量播期影响因子，SL为播期水平（d），WGCSiDj为第i播期第j种植密度下籽粒湿面筋含量（%），WGCCK为对照处理籽粒湿面筋含量（%）。

2.1.3 种植密度和播期对冬小麦籽粒出粉率影响的模拟 由图5可知，在S1播期内，随着种植密度增加冬小麦籽粒出粉率呈逐渐减小的趋势；在S2 和S3 播期内则呈先减小后增大的趋势。说明在不同的播期内，种植密度对冬小麦籽粒出粉率的影响不同。随着播期的延迟，冬小麦籽粒出粉率呈不断减小的趋势。

图5 不同种植密度和播期下冬小麦籽粒出粉率Fig.5 Flour yield of winter wheat under different planting densities and sowing dates

根据各处理籽粒出粉率随种植密度和播期的变化规律，将各处理与对照相比籽粒出粉率增加比率作为籽粒出粉率种植密度影响因子和播期影响因子。由图6可知，在S1播期内，随着种植密度增加，籽粒出粉率种植密度影响因子逐渐减小，然后慢慢趋于稳定，呈“S”型曲线变化趋势；在S2 和S3 播期内，则呈先减小后增大变化趋势，2 个播期内均呈二次曲线变化趋势，可表达为方程（11）。随着播期推迟，籽粒出粉率播期影响因子逐渐减小，呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（12）。不同种植密度和播期下，籽粒出粉率可表达为方程（13）。

图6 种植密度和播期对冬小麦籽粒出粉率的影响Fig.6 Effect of planting densities and sowing dates on flour yield of winter wheat

式中，FDMY为籽粒出粉率种植密度影响因子，DL为种植密度水平（万株·hm-2），FSMY为籽粒出粉率播期影响因子，SL为播期水平（d），FYSiDj为第i播期第j种植密度下籽粒出粉率（%），FYCK为对照处理籽粒出粉率（%）。

2.1.4 种植密度和播期对冬小麦籽粒面团吸水率影响的模拟 由图7 可知，在S1 和S3 播期内，随着种植密度增加，冬小麦籽粒面团吸水率呈先增大后减小的趋势；在S2 播期内，则呈先减小后增大的趋势。说明在不同的播期内，种植密度对冬小麦籽粒吸水率的影响不同。随着播期的延迟，冬小麦籽粒面团吸水率呈先减小后增大的趋势。

图7 不同种植密度和播期下冬小麦籽粒面团吸水率Fig.7 Dough water absorption rate of winter wheat under different planting densities and sowing dates

根据各处理籽粒面团吸水率随种植密度和播期的变化规律，本研究中将各处理与对照相比籽粒面团吸水率增加比率作为籽粒面团吸水率种植密度影响因子和播期影响因子。由图8可知，在S1 和S3 播期内，随着种植密度增加，籽粒面团吸水率种植密度影响因子呈先增大后减小的趋势，在S2 播期内则呈先减小后增大的趋势，3 个播期内均呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（14）。随着播期推迟，籽粒面团吸水率播期影响因子先减小后增大，呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（15）。不同种植密度和播期下，籽粒面团吸水率可表达为方程（16）。

图8 种植密度和播期对冬小麦籽粒面团吸水率的影响Fig.8 Effect of planting densities and sowing dates on dough water absorption rate of winter wheat

式中，FDWA为籽粒面团吸水率种植密度影响因子，DL为种植密度水平（万株·hm-2），FSWA为籽粒面团吸水率播期影响因子，SL为播期水平（d），WASiDj为第i播期第j种植密度下籽粒面团吸水率（%），WACK为对照处理籽粒面团吸水率（%）。

2.1.5 种植密度和播期对冬小麦籽粒面团稳定时间影响的模拟 由图9 可知，在S1、S2 和S3 播期内，随着种植密度增加，冬小麦籽粒面团稳定时间均呈先减小后增大的趋势，但不同播期间冬小麦籽粒面团稳定时间差异较大。说明在不同的播期内，种植密度对冬小麦籽粒面团稳定时间的影响不同。随着播期的延迟，冬小麦籽粒面团稳定时间呈不断增大的趋势。

图9 不同种植密度和播期下冬小麦籽粒面团稳定时间Fig.9 Dough stability time of winter wheat under different planting densities and sowing dates

根据各处理籽粒面团稳定时间随种植密度和播期的变化规律，将各处理与对照相比籽粒面团稳定时间增加比率作为籽粒面团稳定时间种植密度影响因子和播期影响因子。由图10 可知，在S1、S2 和S3 播期内，随着种植密度增加，籽粒面团稳定时间种植密度影响因子均先减小后增大，均呈二次曲线的变化趋势，可表达为方程（17）。随着播期推迟，籽粒面团稳定时间播期影响因子不断增大，呈线性变化趋势，可表达为方程（18）。不同种植密度和播期下，籽粒面团稳定时间可表达为方程（19）。

图10 种植密度和播期对冬小麦籽粒面团稳定时间的影响Fig.10 Effect of planting densities and sowing dates on dough stability time of winter wheat

式中，FDST为籽粒面团稳定时间种植密度影响因子，DL为种植密度水平（万株·hm-2），FSST为籽粒面团稳定时间播期影响因子，SL为播期水平（d），STSiDj为第i播期第j种植密度下籽粒面团稳定时间（min），STCK为对照处理籽粒面团稳定时间（min）。

2.2 模型检验

利用2020—2021 年度冬小麦生长季独立试验资料检验上述所建模型。结果表明，冬小麦籽粒品质参数蛋白质含量、湿面筋含量、出粉率、面团吸水率和面团稳定时间的实测值与模拟值的吻合程度均较好（表2，图11），各模型r值在0.581～0.894 之间，其中蛋白质含量、出粉率和面团稳定时间的实测值与模拟值在P＜0.05 水平显著相关，湿面筋含量和面团吸水率的实测值与模拟值在P＜0.01 水平上达到显著相关。蛋白质含量、湿面筋含量、出粉率、面团吸水率和面团稳定时间模型的dap值均小于6%，表明模型精度较高，但面团吸水率的实测值均高于模拟值，说明还有进一步的改进空间。

图11 冬小麦籽粒品质参数实测值与模拟值比较Fig.11 Comparison of the observed with the simulated of winter wheat grain quality parameters

表2 冬小麦籽粒品质参数模型统计参数Table 2 Comparison of statistical parameters of simulation and observation in winter wheat grain quality parameter models

3 讨论

冬小麦品质由品种基因型、生态环境和栽培措施及其互相效应共同影响[24-25]，而种植密度和播期为影响小麦籽粒品质的重要栽培因子。赵广才等[26]研究表明，小麦籽粒蛋白质含量随密度的增加而降低，徐月明等[27]认为小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量与种植密度呈二次曲线关系，这与本研究结果一致。闫翠萍等[4]则认为随种植密度增加，籽粒面团吸水率、形成时间和稳定时间降低，但也有学者认为种植密度对小麦籽粒品质的调控效应不明显[28]。Subedi 等[29]和雷钧杰等[30]研究表明，冬小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量均随播期的推迟呈上升趋势；但也有研究表明，播期推迟可以使籽粒蛋白质含量和湿面筋含量提高，但播期过迟，籽粒蛋白质含量和湿面筋含量会下降[6,31]。本研究表明，随播期推迟冬小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量呈下降的趋势，面团稳定时间呈上升趋势，这与刘芳亮等[10]的研究结果基本一致；但播期过迟，籽粒蛋白质含量会略有升高。本研究在系统分析种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响时，引入蛋白质含量、湿面筋含量、出粉率、面团吸水率和面团稳定时间种植密度和播期影响因子，逐一量化种植密度和播期对冬小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、出粉率、面团吸水率和面团稳定时间的影响，提高了模型的精确性。经独立试验资料检验，冬小麦籽粒主要品质参数实测值与模拟值间吻合程度较好，但面团吸水率的模拟值均低于实测值，说明该模型还有进一步的改进空间。

除种植密度和播期外，施肥和温光等因素也是影响冬小麦籽粒品质的重要因子。有研究表明，随着施氮量的增加，小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量显著提高[32-33]，且增施氮肥能显著提高籽粒面团稳定时间，有利于改善籽粒加工品质[34]。本研究是在适宜的温光和肥料供应条件下进行的，并未将这些因素的影响考虑在内，故在不同生态区和土壤地力水平下该模型的适应性还有待进一步验证。冬小麦籽粒品质指标参数中，除蛋白质参数、粉质参数外，还包括容重、籽粒硬度、面团拉伸特性、蛋白质组分和淀粉组分等重要参数，亦对冬小麦籽粒品质形成影响显著。有研究发现，适当增加密度可以增加总淀粉含量，但密度过大，总淀粉含量会略有降低[15]；种植密度对面团拉伸特性有影响，但差异不显著[14]，而对籽粒氨基酸含量影响不大[17]。另有研究表明，适宜的播量会提高籽粒蛋白质及其组分含量[35]，播量与籽粒淀粉高峰黏度、松懈值、最后黏度、反弹值和糊化温度呈正相关[16]。本研究中，并未探讨种植密度和播期对上述品质指标参数的影响，进一步的研究要量化种植密度和播期对上述指标参数的影响，构建相关品质指标参数模型，明确种植密度和播期对以上品质指标的响应机制，为实现冬小麦产量和品质协调统一提供参考。

本研究通过系统分析种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，引入种植密度和播期影响因子等指标，量化种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数的影响，构建种植密度和播期对冬小麦籽粒品质参数影响的模拟模型。经2020—2021年度冬小麦生长季独立试验资料检验，根均方差、绝对误差和绝对误差占实测值比率均显示模拟值和实测值有较高的一致性，所建模型可较好地模拟种植密度和播期对冬小麦籽粒品质的影响。