超晚播对冬小麦光合特性、干物质积累及产量的影响

田文强,郭 飞,聂凌帆,孙刚刚,王泓懿,史永清,尚艳明,吴 利,石书兵,张金汕

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆塔城地区农业技术推广中心,新疆塔城834700;3.新疆塔城地区农业科学研究所,新疆塔城 834700)

0 引 言

【研究意义】超晚播小麦是指冬前叶龄低于三片叶的小麦,最晚播的小麦冬前甚至不出苗(俗称“包蛋麦”)[1]。新疆北疆超晚播小麦适宜播种期为10月中旬至11月中旬,而北疆棉花、玉米及其它复播作物收获时间为9月中旬至10月底,超晚播小麦为晚秋作物倒茬提供了一条新途径[2,3]。与适期播种冬小麦相比,超晚播小麦早春利用积雪融水出苗,可节约底墒水、出苗水、越冬水,节水潜力巨大[4];超晚播小麦较春小麦相比,具有出苗早、成熟早的优势[3],可降低干热风的危害[5,6],提高产量。【前人研究进展】20世纪60年代,我国仅有新疆[7,8]、东北[9]等部分区域有超晚播小麦生产经验介绍。90年代,在新疆北疆地区初步开展超晚播小麦试验研究[10],总结出栽培技术要点[11],但也缺乏系统的科学试验研究。近年来,由于倒茬和节水的需要,超晚播小麦栽培技术受到重视,有关超晚播小麦研究也逐渐增多。【本研究切入点】目前,超晚播小麦研究大多围绕品种选择及冬播春麦[12-15]为主进行,有关适期播种冬小麦与超晚播小麦对比研究鲜有报道。王铜等[12]研究表明在北疆地区10月下旬至11月上旬是超晚播小麦的适播期,在此时间段,北疆地区时常发生降雨降雪等恶劣降温天气,影响小麦播种与萌发,故需要进一步对超晚播小麦适宜播期进行筛选。【拟解决的关键问题】采用随机区组设计,设置5个超晚播期处理,以当地适期播种为对照,比较播期对小麦光合特性、干物质积累与分配及产量差异,为新疆北疆地区超晚播小麦筛选出最佳播种日期。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年9月～2022年8月在塔城地区农业科学研究所(46°21′ N,82°41′ E)进行,海拔415 m,土壤类型为沙壤土,前茬作物为小麦。试验前0～20 cm土层pH 8.47,有机质含量10.37 g/kg,全氮0.72 g/kg,有效氮45.37 mg/kg,有效磷4.12 mg/kg,有效钾107.9 mg/kg,播前基肥施磷酸二铵300 kg/hm2。供试品种为当地栽培的新冬18号。图1,图2

注:11月2日后大田土地出现昼化夜冻现象

图 2 小麦灌浆期的降雨量、最高气温及最低气温

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组设计,设10月25日、10月30日、11月4日、11月9日、11月14日5个超晚播种处理,分别用D1、D2、D3、D4、D5表示,以当地适宜播种期(选择9月29日)为对照(CK)。适期播种小麦(CK)播种量500×104粒/hm2,超晚播小麦播种量900×104粒/hm2,人工开沟播种,行距20 cm,播种深度3～5 cm,小区面积2×5=10 (m2),重复3次。试验地四周设置保护行,适期播种小麦(CK)9月15日灌底墒水750 m3/hm2,9月30日灌出苗水300 m3/hm2,10月30日灌越冬水450 m3/hm2,冬前总计灌水1 500 m3/hm2;超晚播小麦冬前10月5日灌底墒水750 m3/hm2,春后灌水与大田管理措施一致。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 出苗率及灌浆时间

出苗后,每个小区分别随机选取1 m长2行(东西方向各取1行),用木桩做标记,用于测量小麦的出苗数,再根据不同处理的播种量,计算出苗率。

调查各处理小麦开花期和成熟期,计算灌浆时间。

1.2.2.2 叶绿素相对含量

小麦开花后0、7、14、21及28 d,每小区选取具有代表性的小麦10株,采用日本生产的SPAD-502叶绿素测定仪进行测定旗叶叶绿素相对含量(SPAD),每株小麦旗叶均匀测定3次后,取其平均值。

1.2.2.3 光合参数

小麦灌浆期选择连续晴朗天气3 d,在11:00～13:00,采用CI-340超轻型便携式光合测定系统,自然光照条件下测定小麦叶片的净光合速率(Net Photosynthetic Rate,Pn)、蒸腾速率(Transpiration Rate,Tr)、气孔导度(Stomatal Conductance,Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular Carbon Dioxide Concentration,Ci)。不同处理每次测定10株小麦旗叶,求其平均值。

1.2.2.4 干物质积累量

小麦分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期及成熟期,每小区选取具有代表性的10株小麦鲜样,去根后将植株分为叶片、茎鞘、颖壳和穗轴、籽粒部分,放入105℃烘箱中杀青15 min,80℃烘至恒重后称干重,分别测定小麦植株各部分的干物质重量。

1.2.2.5 产量及产量构成因素

小麦收获前,每小区选取有代表1 m2样区测定有效穗数,另取15株小麦室内考种,测定穗粒数和千粒重等指标,每小区实收测产4 m2。

1.3 数据处理

用Excel 2021、DPS 21.0统计软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 播期对出苗率和灌浆时间的影响

研究表明,各处理超晚播小麦出苗率显著低于CK,D1、D2、D3、D4及D5处理平均出苗率(34.31%)比CK低57.22%,超晚播小麦各处理间出苗率差异不显著,但最大D1较最小D3高9.1%。超晚播小麦较适期播种小麦开花期和成熟期推迟,灌浆时间较短,超晚播小麦比CK开花期平均推迟8.2 d,成熟期平均推迟6 d,灌浆时间平均缩短2.2 d。超晚播小麦各处理间开花期时间差距较大,成熟期时间差距较小,灌浆时间差距较小,开花期时间和成熟期时间最早为D1,最晚为D3,灌浆时间最长也为D1。不同播种时间对小麦出苗率影响很大,还导致超晚播小麦生育推迟,灌浆时间缩短。表1

表1 不同播期下小麦出苗率和灌浆时间变化

2.2 播期对开花后旗叶SPAD值的影响

研究表明,SPAD值与光合作用有密切联系。各处理小麦旗叶SPAD值随小麦的开花时间的延长先升高后下降,CK花后7 d达到峰值,超晚播小麦各处理花后14 d达到峰值,花后0 d以CK最大,花后7、14、21及28 d均以D3最大,与CK相比,超晚播小麦花后0、7及14 d旗叶平均SPAD值分别降低3.00%、2.80%、0.02%,花后21、28 d分别增加1.29%、3.83%。在超晚播条件下,旗叶SPAD值随播期的推迟先升高后下降,开花0～28 d均以D3处理最大,D1处理最小,花后14 d D1较D3低6.05%。与适期播种冬小麦相比,超晚播小麦旗叶SPAD值开花前期低,而后期高,可能对小麦花后不同时间段的光合作用产生影响。图3

图 3 不同播期处理下小麦旗叶叶绿素相对含量变化

2.3 播期对旗叶光合参数的影响

研究表明,各播期处理间Pn和Tr差异显著,Gs和Ci差异不显著。各处理超晚播小麦平均Pn[24.98 μmol/(m2·s2)]比CK增加1.92%,平均Tr、Gs和Ci都高于CK。在超晚播条件下,Pn、Gs及Ci随播期的推迟呈先减小后增加趋势,Tr则无明显规律,Pn最大D1较最小D3显著提高11.25%,Gs最大D5较最小D2提高13.33%,Ci最大D1较最小D2提高2.70%。

超晚播小麦灌浆期旗叶光合能力高于适期播种冬小麦,且在超晚播条件下,不同处理主要通过影响Pn来影响小麦旗叶光合特性。表2

表2 不同播期下小麦灌浆期旗叶光合参数变化

2.4 播期对干物质积累的影响

研究表明,各处理小麦单株干物质积累量随小麦的生长逐渐增加,至成熟期达到最大。分蘖期和拔节期各处理超晚播小麦单株干物质积累量都低于CK,孕穗期超晚播小麦平均值(3.54 g/株)低于CK,开花期至成熟期各处理超晚播小麦都高于CK。超晚播条件下,孕穗期至成熟期,随着播期的推迟,小麦单株干物质积累量均呈先增加后减小趋势,均以D3处理最大。拔节期各处理间差异不显著,孕穗期至成熟期各处理间差异显著,孕穗期至成熟期,最大D3比最小D1分别依次高出1.13、2.58、2.96、3.86和4.13 g/株。

随着小麦的生长,超晚播小麦单株干物质积累量逐渐赶超适期播种冬小麦,而超晚播小麦各处理单株干物质积累量相差值也逐渐增大。图4

图4 各播期处理小麦的干物质积累动态

2.5 播期对成熟期干物质分配的影响

研究表明,不同播期处理对成熟期茎鞘、叶片、颖壳及穗轴、籽粒干物质分配率不存在显著差异,但对茎鞘、叶片、颖壳及穗轴、籽粒干物质数量存在显著差异,随播期的推迟,先增加后减小,均以D3处理最大。各处理超晚播小麦平均茎鞘、叶片、颖壳及穗轴干物质分配率都低于CK,平均籽粒干物质分配率高于CK,而超晚播各处理小麦的茎鞘、叶片、颖壳及穗轴、籽粒干物质数量均高于CK。在超晚播条件下,茎鞘干物质分配率先减小后增大,为D1>D5>D2>D4>D3,籽粒干物质分配率和籽粒干物质分配率先增大后减小,为D1

超晚播小麦比适期播种冬小麦降低了营养器官干物质分配率,提高了籽粒干物质分配率,而超晚播小麦通过影响茎鞘和籽粒物质分配率,影响产量形成。表3

表3 各播期处理下小麦成熟期干物质在不同器官中分配变化

2.6 播期对产量及产量构成因素的影响

研究表明,各播期穗数最高为CK,值为677.67×104/hm2,D1、D2、D3、D4和D5较CK分别显著减少11.63%、18.90%、25.87%、19.48%和20.76%,而穗粒数和千粒重以CK最低,超晚播小麦平均穗粒数(42.65)、平均千粒重(46.48 g)比CK增加7.87%、4.64%,D1产量最高,较CK提高2.39%,但超晚播小麦平均值(829.22 kg/hm2)较CK产量减少5.55%。超晚播小麦随播期的推迟,穗数、千粒重和产量变化趋势一致,均以D1最高,D3最低,穗数、穗数和产量D1比D3分别增加19.21%、2.85%、20.88%,而穗粒数随播期的推迟先增加后减小,以D3最高,比最低D1增加4.47%。

超晚播小麦较适期播种冬小麦平均产量低,主要是穗数减少导致,而超晚播小麦各处理间产量由穗数和千粒重决定。表4

表 4 各播期处理下小麦产量及 产量构成因素变化

3 讨 论

适宜的播期可以构建良好的群体结构,有利于穗数、穗粒数及粒重的协调发展,进而提高产量[16]。超晚播小麦出苗率低,而播期可影响小麦种子越冬形态来影响出苗率[4]。超晚播小麦播种过早,芽太长,抗冻性不强,越冬死亡率高,播种过晚种子不萌动,易产生霉烂,种子萌动或长出1 cm幼芽越冬最佳,死亡率最低,冬前≥0℃积温30～40℃为宜[17-18]。超晚播小麦最适播种期是5 cm地温稳定在0～3℃时,在越冬时小麦种子遭受冻害较轻[8]。试验研究表明,适期播种冬小麦较超晚播小麦开花期和成熟期提前,灌浆时间长,花后0～28 d旗叶SPAD值和单株干物质积累量前期高后期低,成熟期营养器官分配率高,籽粒分配率低,粒重显著减少,可能是由于适期播种冬小麦生长周期长,前期营养生长积累充足,生长发育快,籽粒灌浆时间早,但2022年提前出现高温天气,CK籽粒灌浆早期(5月24日～5月28日)持续高温,而超晚播小麦灌浆早期(5月29日～6月6日)气温下降所导致的结果。超晚播小麦旗叶光合作用强,成熟期单株干物质积累多,穗数显著减少,穗粒数增加,产量低,可能是超晚播小麦幼苗越冬受冻害引起出苗率低,基本苗少,易形成健壮单株的缘故,故选择出苗率高的播期是保障超晚播小麦产量的关键。

超晚播小麦产量的提高取决于穗数和千粒重的增加。选择不同播期会影响小麦出苗率,影响超晚播小麦构建良好群体,进而影响穗数的多少;粒重主要受灌浆期温度影响,小麦成熟过晚极易受干热风影响,降低粒重[5],超晚播小麦播种越早成熟就越早,受高温干热风影响导致粒重降低的危害机率就越低,但10月中旬播种,若遇到暖冬年份,超晚播小麦可能生长至2叶期以上苗龄,加大了遭受严重冻害的风险[12]。试验研究表明:在超晚播条件下,D1处理较其它处理出苗率高,生长快,灌浆时间较长,旗叶净光合速率强,单株干物质积累减少,成熟期茎鞘干物质分配较高,穗数增多,粒重提高,产量提高,D1处理小麦冬前生长合理,抗冻性强,越冬死亡率低,基本苗数多,其播种早出苗早,营养生长时间长,营养器官积累多,且生育进程提前,籽粒灌浆期温度明显低于其它处理所导致。D3处理出苗率低,生长慢,灌浆时间较短,旗叶净光合速率弱,单株干物质积累增多,成熟期籽粒干物质分配较高,穗数减少,粒重降低,可能是由于雪后播种,土壤与积雪混杂一起覆盖在种子上,后期积雪融化后,导致土壤孔隙过大,种子与土壤接触不紧实,此时期土地昼化夜冻,导致种子萌发迟缓,虽播种早,但出苗最晚,生育进程推迟,籽粒灌浆受高温影响大,且营养生长时间短,营养器官积累少,加之该处理小麦冬前生长形态抗冻性弱,越冬条件更为恶劣,引起越冬死亡率增加,基本苗减少所导致。故在播期选择时,超晚播小麦应避免田间存在积雪时播种。

4 结 论

4.1超晚播小麦孕穗期-成熟期单株干物质积累量、籽粒干物质分配率D3最高;平均穗数、产量分别减少19.33%、5.55%,平均穗粒数、千粒重分别增加7.87%、4.64%,超晚播小麦穗数、千粒重及产量D1最高,较D3分别增加19.21%、2.85%、20.88%,穗粒数D3最高,较D1减少4.47%。

4.2新疆北疆超晚播小麦应选择在10月下旬至11月上旬田间无积雪无冻土时播种,且在播种后近期无明显降雪天气最佳。