补灌量和覆盖量耦合变化下旱地春小麦叶面积指数对产量的影响

张 磊，聂志刚

（甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

小麦叶面积指数随着小麦生育期的推进及小麦各器官的建成而逐渐增大，较大的叶面积有利于光合产物的积累，小麦叶面积指数直接反映着小麦群体质量。逯玉兰等[1]、李彬等[2]、聂志刚等[3]研究表明，小麦群体的最大叶面积指数与小麦产量呈二次曲线关系，在一定范围内提高最大叶面积指数，有利于群体获得高产。孙贵荒等[4]研究结果表明，较大叶面积指数与大豆籽粒产出呈极明显相关性，从始花期开始维持较大叶面积指数有利于产量的提高。杨伟等[5]研究结果表明，在特定区域内，叶面积指数愈大，代表植物利用光能转化成的有机质也愈多。最合理的叶面积指数才能配合植株的养分生长与生殖生长，但过大和过小均无法达到实现经济作物高产发展的目的。对于常规春小麦叶面积指数对春小麦产量的影响研究国内外都做了很多工作，对水分处理和秸秆覆盖效应的研究多在自然条件或单一条件下进行，而研究水分和秸秆覆盖量耦合下春小麦叶面积指数变化对春小麦产量的影响机制还不多见[6]。因此，研究半干旱地区补灌量和秸秆覆盖量耦合下春小麦叶面积指数对春小麦产量的影响，对于节水农业和增加作物产量具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验点地处甘肃省中部偏南，海拔约2 000 m，属于干旱半干旱地区，年均太阳辐射5 918.9 MJ/m2，日照时数2 476.6 h，全年无霜期140 d。试验地土壤为黄绵土，试验田平坦无起伏，通过实测得，耕层容重1.26 g/cm3，有机碳含量6.21 g/kg，全氮含量0.61 g/kg，多年平均降雨量385 mm，年蒸发量1 531 mm。该地区是我国水资源较为贫乏的典型地区，春小麦是种植面积较大的作物[7]。

田间试验于2017—2019 年，在定西市安定区凤翔镇安家坡村进行。试验对象为“定西42 号”春小麦，免耕覆盖为基本耕作方式，秸秆覆盖量为2 250 kg/hm2，试验中施加150 kg/hm2过磷酸二铵和62.5 kg/hm2尿素（含N46.5%）作为基肥，用传统人工播种方法，播深7 cm，田间管理方法与当地大田相同[7-9]。小麦行距25 cm，试验小区面积24 m2（6 m×4 m），3 月底播种，7 月底收获。根据研究区春小麦种植的需水规律，分别在分蘖期、拔节期、开花期进行等量灌溉，在春小麦全生育期按照补灌时期进行补灌。补灌时期为分蘖期、拔节期和开花期，单次补灌量为 200 mm。在春小麦生育期间，利用遮雨棚进行遮雨，采用补灌方式控制补灌量，用水表计量，小区四周埋深 2 m 塑料隔膜，防止土壤水分纵向运移。对照处理在大田中不采取任何控制措施的自然降水情况，并且对照试验小区与水分控制试验小区相邻，播种前土壤水分、土壤养分、质地和土层厚度等田间状况均一致。

1.2 APSIM 模型

APSIM 模型是一个大型农业生产系统模拟模型，旨在将对多种作物的准确预测与气候和管理条件等响应相结合，探索作物生长和发育的长期规律。该模型基于组件设计，以中心引擎为核心，用户可以将不同模块组合插入在一起，以针对不同的仿真配置APSIM，具有灵活性。模型以土壤模块为中心，以日步长为模拟跨度，受土壤、水分及管理措施等驱动进行农作物生长的动态模拟。本研究所用版本为APSIM 7.10，利用校准的wheat.xml 文件，结合试验区气象数据和土壤数据，进行春小麦产量形成动态模拟[10]。

1.3 模拟试验设计

与田间试验中土壤属性、作物品种、管理方式一致，以甘肃省定西市安定区1979—2019 年历史气象数据为基础，构建APSIM 模型模拟环境。APSIM 模型的参数已在黄土丘陵区域适应性研究中检验[1-3]。以免耕覆盖为基础，设计不同梯度补灌量、秸秆覆盖量组合的模拟试验。其中，春小麦全生育期各补灌量按照补灌时期等量分配，补灌时期为分蘖期（5 月10 日）、拔节期（5 月30 日）和开花期（6 月25 日），补灌量为300、250、200、150、100、50 和0 mm；秸秆覆盖量为0、1 000、2 000、3 000、4 000 和＞5 000 kg/hm2。为方便进一步分析，将不灌溉、无秸秆覆盖视为对照处理。由于补灌量和秸秆覆盖量的量级与量纲不同，故对变量采用“极差化”进行无量纲化编码处理，模拟试验设计如表1 所示[11]。

表1 补灌量和秸秆覆盖量模拟试验设计Tab.1 Simulation experiment design of supplemental irrigation amount and straw mulching amount

1.4 数据处理和统计分析

1979—2019 年基础气象资料来源于甘肃省气象局，土壤数据、管理数据来源于田间实测；春小麦品种遗传参数在wheat.xml 文件中利用穷举试错法手动调节，模型验证所需2017—2019 年春小麦产量为试验点实测；其他数据均来源于不同情境下APSIM 模型模拟，春小麦的模拟叶面积指数为各阶段（出苗—分蘖、分蘖—拔节、拔节—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—开花、开花—灌浆和灌浆—成熟）平均值[10]。

（1）叶面积指数。在生育期7 个阶段随机选5 株能代表该区长势的植株，用游标卡尺测定每株叶片长和宽，用长宽系数法测量叶面积指数，每株重复3 次测量，平均值即为该植株的叶面积指数[9]。

（2）产量和产量构成测定。成熟期每处理调查20 穴茎蘖数，算出有效穗数，取样3 穴测定籽粒数和千粒质量；各小区春小麦收获中心4 m2测量产量，单独脱粒晒干并风选后，称干谷质量，同时测定干谷水分浓度，计算折合含水量为 14%的春小麦产量[12-13]。

利用DPS 软件进行分析，研究补灌量和秸秆覆盖量耦合下春小麦叶面积指数变化对产量的影响机制。

2 结果与分析

2.1 田间试验结果和模拟试验结果

通过APSIM 模型，在0～300 mm 的补灌量变化范围内，以50 mm 为变化梯度，在0～5 000 kg/hm2的秸秆覆盖变化范围内，以1 000 kg/hm2为变化梯度设置耦合模拟试验场景，田间试验结果如表2 所示，补灌量和秸秆覆盖量耦合模拟试验的旱地春小麦叶面积指数模拟结果如表3～表9 所示，春小麦籽粒数如表10 所示，春小麦千粒质量如表11 所示，春小麦产量如表12 所示。春小麦叶面积指数与产量有关，而与补灌量和秸秆覆盖量变化有一定的关系。当补灌量不变而秸秆覆盖量增加时，出苗—分蘖期春小麦叶面积指数先下降后增加，其他时期春小麦叶面积指数逐渐增加；当秸秆覆盖量不变而补灌量增加时，分蘖—拔节期春小麦叶面积指数先下降后增加，其他时期春小麦叶面积指数逐渐增加。总体上，春小麦产量随着春小麦叶面积指数增大而增大。

表2 田间试验结果Tab.2 Field test results

表3 春小麦叶面积指数（出苗-分蘖）Tab.3 Leaf area index of spring wheat （seedling-tillering）

表4 春小麦叶面积指数（分蘖-拔节）Tab.4 Leaf area index of spring wheat （tillering-jointing）

表5 春小麦叶面积指数（拔节-孕穗）Tab.5 Leaf area index of spring wheat （jointing-booting）

表6 春小麦叶面积指数（孕穗-抽穗）Tab.6 Leaf area index of spring wheat （booting-heading）

表7 春小麦叶面积指数（抽穗-开花）Tab.7 Leaf area index of spring wheat （heading-flowering）

表8 春小麦叶面积指数（开花-灌浆）Tab.8 Leaf area index of spring wheat （flowering-grouting）

表9 春小麦叶面积指数（灌浆-成熟）Tab.9 Leaf area index of spring wheat （grouting-mature）

表10 春小麦籽粒数Tab.10 Grain number of spring wheat单位：粒/m2

表11 春小麦千粒质量Tab.11 Thousand grain quality of spring wheat单位：g

表12 春小麦产量Tab.12 Yield of spring wheat单位：kg/hm2

2.2 叶面积指数对产量及其构成因素的影响

2.2.1 回归分析

以产量及其构成因素为因变量，对不同叶面积指数的变化量（X1），利用DPS 软件进行二次多项式回归分析，建立回归方程，如表13、表14 和表15 所示。

表13 不同时期叶面积指数（X1）对春小麦产量的方程Tab.13 Equation of leaf area index （X1）in different periods on yield of spring wheat

表14 不同时期叶面积指数（X1）对春小麦籽粒数的方程Tab.14 Equation of leaf area index （X1）in different periods on grain number of spring wheat

表15 不同时期叶面积指数（X1）对春小麦千粒质量的方程Tab.15 Equation of leaf area index （X1）in different periods on thousand grain weight of spring wheat

由表13 可知，每个时期田间试验叶面积指数对春小麦产量的回归方程的相关系数（R2）均为0.999 99，方程均达显著水平，能分析春小麦产量与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为—428 521.34、—142 955.59、—182 653.83、—7 146.97、5 655.05、—803.67 和—23 939.17，表明春小麦叶面积指数对春小麦产量在抽穗—开花时期呈正效应，其他时期呈负效应。

每个时期模拟试验叶面积指数对春小麦产量的回归方程的相关系数（R2）分别为0.916 368、0.930 282、0.954 824、0.948 944、0.952 990、0.951 916 和0.959 82，方程均达显著水平，能分析春小麦产量与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为23 521.09、10 568.96、13 091.73、19 391.21、36 414.76、16 291.39 和40 789.75，表明春小麦叶面积指数对春小麦产量呈正效应。

由表14 可知，每个时期田间试验叶面积指数对春小麦籽粒数的回归方程的相关系数（R2）均为0.999 99，方程均达显著水平，能分析春小麦产量与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为—140 707.37、—25 262.39、1 860.92、—88 103.58、—20 296.93、—43 289.05 和—113 165.34，表明春小麦叶面积指数对春小麦产量在拔节—孕穗时期呈正效应，其他时期呈负效应。

每个时期模拟试验叶面积指数对春小麦籽粒数的回归方程的相关系数（R2）分别为0.052 312、0.176 805、0.129 045、0.043 719、0.076 224、0.163 945 和0.107 646，方程均达微弱水平，能分析春小麦籽粒数与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为—42 563.19、—89 412.33、—51 039.65、—23 645.03、—75 134.78、—103 019.92 和—124 573.33，表明春小麦叶面积指数对春小麦产量呈负效应。

由表15 可知，每个时期田间试验叶面积指数对春小麦千粒质量的回归方程的相关系数（R2）均为0.999 99，方程均达显著水平，能分析春小麦产量与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为—307.63、—104.86、—137.50、3.71、6.34、3.86 和—6.33，表明春小麦叶面积指数对春小麦产量在孕穗—抽穗、抽穗—开花、开花—灌浆时期呈正效应，其他时期呈负效应。

每个时期模拟试验叶面积指数对春小麦千粒质量的回归方程的相关系数（R2）分别为0.909 619、0.824 608、0.933 098、0.908 531、0.892 832、0.938 597和0.917 596，方程均达显著水平，能分析春小麦千粒质量与春小麦叶面积指数之间的关系。各个时期春小麦叶面积指数的变化量（X1）的一次项系数分别为7.19、5.97、3.43、3.88、7.33、1.75 和7.28，表明春小麦叶面积指数对春小麦千粒质量呈正效应。

2.2.2 田间试验结果分析

由图1 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量的影响效应在抽穗—开花时期为向下的二次抛物线变化，其他时期为向上的二次抛物线变化。由图2 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。由图3 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦千粒质量的影响效应在孕穗—抽穗、抽穗—开花、开花—灌浆时期为向下的二次抛物线变化，其他时期为向上的二次抛物线变化。

图1 不同时期春小麦叶面积指数对春小麦产量的影响Fig.1 Effect of spring wheat leaf area index in different periods on yield of spring wheat

图2 不同时期春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响Fig.2 Effect of leaf area index in different periods on grain number of spring wheat

图3 不同时期春小麦叶面积指数对春小麦千粒质量的影响Fig.3 Effect of leaf area index in different periods on thousand grain quality of spring wheat

2.2.3 模拟试验结果分析

由图4 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，在春小麦叶面积指数为0.94 时春小麦产量出现最大值为3 818.71 kg/hm2，春小麦叶面积指数为0.77 时春小麦籽粒数出现最小值为9 579.34 粒/m2。

图4 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（出苗-分蘖）Fig.4 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （seedling- tillering）

由图5 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦产量和千粒质量均未出现阈值，春小麦籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为1.72 时春小麦籽粒数出现最小值为8 716.59 粒/m2。

图5 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（分蘖-拔节）Fig.5 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （tillering -jointing）

由图6 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为2.31 时春小麦产量出现最大值为3 827.06 kg/hm2，春小麦叶面积指数为2.01 时春小麦籽粒数出现最小值为8 745.26 粒/m2。

图6 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（拔节-孕穗）Fig.6 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （jointing- booting）

由图7 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为1.67 时春小麦产量出现最大值为3 851.41 kg/hm2，春小麦叶面积指数为1.44 时春小麦籽粒数出现最小值为9 638.01 粒/m2。

图7 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（孕穗-抽穗）Fig.7 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （booting- heading）

由图8 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为1.18 时春小麦产量出现最大值为3 904.35 kg/hm2，春小麦叶面积指数为1.07 时春小麦籽粒数出现最小值为9 050.71 粒/m2。

图8 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（抽穗-开花）Fig.8 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （heading- flowering）

由图9 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数和千粒质量的影响效应为向上的二次抛物线变化。在试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为1.24 时春小麦产量出现最大值为3 819.03 kg/hm2，春小麦叶面积指数为1.00 时春小麦籽粒数出现最小值为8 554.04 粒/m2。

图9 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（开花-灌浆）Fig.9 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （flowering- grouting）

由图10 可知，不同春小麦叶面积指数对春小麦产量和千粒质量的影响效应为向下的二次抛物线变化，不同春小麦叶面积指数对春小麦籽粒数的影响效应为向上的二次抛物线变化。在本试验变化范围内春小麦千粒质量未出现阈值，春小麦产量和籽粒数出现阈值，春小麦叶面积指数为0.79 时春小麦产量出现最大值为3 853.72 kg/hm2，春小麦叶面积指数为0.70 时春小麦籽粒数出现最小值为9 038.38 粒/m2。

图10 不同春小麦叶面积指数对春小麦产量及其构成因素的影响（灌浆-成熟）Fig.10 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （grouting- mature）

3 讨论

春小麦产量和植株生育阶段的春小麦叶面积指数均具有相应关系，孕穗期、抽穗期和成熟期春小麦叶面积指数和产量在一定区域内存在明显的空间相对关系。孙贵荒等[4]研究结果表明，较大叶面积指数与大豆籽粒产出呈极明显相关性，从始花期以来维持较大叶面积有利于产出的发展。刘桃菊等[14]研究结果表明，在特定区域内，较大叶面积指数，代表植物利用光能转化成的有机质也就愈多。最合理的叶面积指数才能配合植株的养分生长与生殖生长，但过大和过小均无法达到实现经济作物高产发展的目的。春小麦高产主要是建立在抽穗时期具有最合理的春小麦叶面积指数及合理的空间结构上，春小麦生育前期春小麦叶面积指数的良好发挥，必将产生比抽穗时期更适宜叶面积指数的结果，也会对抽穗后春小麦叶面积指数的高低产生直接影响。春小麦产量的绝大部分来源于开花后的光合产物[15]。合理调节早春小麦叶面积指数，可以促进光合产物的产生，对春小麦产量的提高具有积极的意义；抽穗前期春小麦叶面积指数越高，所积累干物就越多，为后期的籽粒灌浆工程奠定了物质基础[16]。孕穗期春小麦叶面积指数越高越利于植物群体光合作用，从而促进了光合产物的产生和积聚过程[17]。灌浆期与成熟期相应的春小麦叶面积指数变化将带动透光性速率的提高，光合产物的形成，将促进产量的提高[3]。春小麦产量与春小麦叶面积指数成正相关关系，但后期春小麦的叶面积居高不下，就会导致田间郁闭、光线不足，光合效果下降，植物和叶片中的营养物质就无法有效地运送到春小麦籽粒中，从而造成产量的降低[18-19]。

由于试验设置补灌量与秸秆覆盖水量梯度相对较小，所得数值与结论尚不全面，并且由于取样偏差，对试验结论将产生一定的负面影响。在今后的科学研究中，需要增设不同梯度，以找到在旱地春小麦各生育期最佳春小麦叶面积指数的变动范围，以指导春小麦田间生产管理的工作。

4 结束语

春小麦产量的绝大部分来源于开花后的光合产物，通过改变各个时期的补灌量和秸秆覆盖量来合理调节春小麦叶面积指数，促进光合产物的产生，对春小麦产量的增加有着积极的作用。在出苗—分蘖、拔节—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—开花、开花—灌浆、灌浆—成熟，春小麦叶面积指数为0.94、2.31、1.67、1.18、1.24 和0.79 时春小麦产量出现最大值为3 818.71、3 827.06、3 851.41、3 904.35、3 819.03 和3 853.72 kg/hm2。一 般来说，在春小麦各生长期的叶面积指数都与产量有关，而通过调节各个时期的补灌量和秸秆覆盖量来改变叶面积指数可以使春小麦达到高产。合理调节春小麦叶面积指数，有利群体光合作用，可以促进光合产物的产生，对春小麦产量的提高具有积极的意义。