不同降水年型下播期对晋南旱地小麦产量和水分利用率的影响*

裴雪霞, 党建友, 张定一, 王姣爱, 张 晶, 董 飞



不同降水年型下播期对晋南旱地小麦产量和水分利用率的影响*

裴雪霞, 党建友**, 张定一, 王姣爱, 张 晶, 董 飞

(山西省农业科学院小麦研究所 临汾 041000)

根据近54年来山西省临汾市逐日降水量, 将7个试验年份分为丰水年型、平水年型和枯水年型, 研究了不同年型不同播期对旱地小麦关键生育期持续时间、降水、积温、日照时数、小麦产量及籽粒水分利用效率的影响, 并进行相关、多元回归和通径分析, 为旱地小麦稳产高产提供理论依据和技术支撑。结果表明, 播期对小麦生育期持续时间的影响主要表现在苗期、分蘖期和起身拔节期, 而对抽穗期和成熟期影响最多仅相差1 d。旱地小麦全生育期持续时间与积温显著正相关。降水年型显著影响旱地小麦产量及其构成因素, 相同降水年型下降水分布不同小麦产量也有较大差异, 丰水年型旱地小麦产量较平水年型和枯水年型分别提高100.0%和135.9%。籽粒水分利用率为丰水年型>枯水年型>平水年型, 丰水年型和枯水年型下, 籽粒水分利用率随播期推迟而升高, 平水年型下, 籽粒水分利用率随播期推迟先升高后降低。在拔节—抽穗期, 小麦产量与积温显著负相关, 与日照时数极显著负相关, 与降水量极显著正相关; 在抽穗—成熟期, 产量与积温、日照时数均呈极显著正相关。年降水量及其分布是影响旱地小麦稳产高产的关键, 丰水年型适播期在10月4日左右, 产量构成因素协调, 可获得高产, 同时生育期耗水量最少, 水分利用率较高; 平水年型和枯水年型适播期应在9月28日左右, 产量最高, 水分利用率也较高。随播期推迟, 应适当加大播量。

旱地小麦; 降水年型; 气象因子; 产量; 水分利用率

山西省属暖温带、温带大陆性气候, 处于黄土高原半干旱区, 年降水量400~600 mm, 受大陆性季风气候影响, 降水时空分布不均, 其中60%左右集中在休闲期(7—9月), 冬春少雨雪、多风, 0~20 cm土层蒸发量大, 小麦生育期“十年九旱”名副其实[1-2]。小麦是我国最主要的口粮作物[3], 山西旱地小麦种植面积占全省总面积的60%, 干旱缺水是制约产量的关键因素, 发展旱作农业, 研究全球气候变暖背景下小麦适播期和播量, 保证旱地农业的可持续发展是我国农业发展的重大课题[2,4]。不同播期, 小麦生育期温度、光照等生态条件均有差异, 对产量构成因素和水分利用效率有显著影响[1]。张敏等[5]研究表明, 播期推迟, 小麦成穗率增加, 但成穗数显著降低, 籽粒产量下降, 籽粒中蛋白质含量提高, 蛋白质组分发生变化。李彩虹等[6]、赵青松等[7]研究表明, 播期影响小麦叶绿素含量的冠层光谱模型拟合程度, 播期播量对小麦籽粒产量影响显著。裴雪霞等[8]研究表明, 暖冬条件下, 播期过早, 气温连续偏高, 易引起冬前小麦旺长, 生育期提前, 个体偏弱, 群体质量下降, 产量降低; 播期过晚, 气温偏低, 冬前小麦个体偏弱, 群体质量差, 穗数少, 产量降低。徐成忠、白洪立等[9-10]针对积温变迁研究了小麦玉米一年两熟制下冬小麦和夏玉米的适宜播期。目前播期对小麦生长发育及产量的影响研究较多[8,11-13], 但不同降水年型下适宜播期临界期研究少见报道。本研究针对山西省南部丘陵旱地降水主要分布在小麦休闲期, 且年际间年降水量波动大的特点[14-17], 连续7年(2008—2015年)研究了不同播期对小麦生长发育及产量的影响。通过不同降水年型、不同播期下旱地小麦不同生育期积温、降水及日照时数、产量、水分利用率及其相关性分析, 摸清制约旱地小麦籽粒产量、水分利用率等的关键气候参数, 以期为旱地小麦稳产高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验于2008年9月至2015年6月, 在山西省临汾市尧都区大阳镇岳壁村丘陵旱地进行。试验地位于36°05.520¢N, 111°45.727¢E, 海拔693.5 m; 年均气温12.6 ℃, 年降水430~550 mm, 无灌溉条件, 一年1作小麦。试验地为壤质石灰性褐土, 2008年播前测定0~20 cm耕层土壤含有机质9.08 g·kg-1、碱解氮39.29 mg·kg-1、速效磷20.32 mg·kg-1、速效钾128.64 mg·kg-1。试验区降水情况见表1。

采用国内较常用的降水年型划分标准[18]划分试验年份的降水年型。丰水年:P>+0.33; 枯水年:P<-0.33。式中:P为当年降水量(mm);为多年平均降水量(mm);为多年降水量的均方差(mm)。根据山西省临汾市54年降水资料, 年降水量均方差为105.3 mm, 年均降水量为478.2 mm。丰水年年降水量为512.9 mm以上, 枯水年年降水量为443.5 mm以下。因此, 试验区2009年和2010年为枯水年, 2012年、2014年和2015年为丰水年, 其余2年为平水年。

表1 2008—2015年试验区降水分布

1.2 试验设计

设3个播期处理, 2008—2009年为: 9月20日播种、播量112.5 kg∙hm-2, 9月30日播种、播量165.0 kg∙hm-2, 10月5日播种、播量187.5 kg∙hm-2。2009—2015年为: 9月22日播种、播量112.5 kg∙hm-2, 9月28日播种、播量150.0 kg∙hm-2, 10月4日播种、播量187.5 kg∙hm-2。每年均施N 150 kg∙hm-2、P2O5120 kg∙hm-2、K2O 60 kg∙hm-2, 播前随整地一次性施入; 供试品种为国审麦‘晋麦92号’(2008—2012年度为新品系‘临Y8159’, 2013年通过国审, 命名为‘晋麦92号’)。小区面积7 m×20 m=140 m2, 3次重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦生育期积温、日照时数和降水量

气象资料源于国家气象信息中心(网址: http:// www.nmic.cn/)国家基准站点山西省临汾市2008— 2015年逐日平均气温、日照时数和降水量资料。

1.3.2 小麦产量构成因素及籽粒产量

小麦成熟期每个处理随机取3个行长20 cm单行全部植株, 去除穗粒数小于6粒单株后, 其余成穗的茎数计数为有效成穗数, 数取所有籽粒数, 求平均值为穗粒数; 每个处理随机收获5个1.0 m2样方, 脱粒, 风干后称重, 换算成籽粒产量; 数取500粒称重, 换算成千粒重, 2次重复(重复间相差≤0.5 g)。

1.3.3 籽粒水分利用效率

播种和收获当天用土钻取0~200 cm(每20 cm一层)土样, 铝盒烘干法测定土壤含水量, 计算公式为:

＝w×ρ×h×0.1 (1)

式中:为土层蓄水量(mm),为土层含水量(%),ρ为土壤容重(g·cm-3),为土层厚度(cm), 0.1为单位换算系数。

生育期耗水量(mm)＝播前0~200 cm土壤蓄水量+降水量-收获期0~200 cm土壤蓄水量 (2)

籽粒水分利用效率(WUE籽粒)=籽粒产量/生育期耗水量 (3)

1.4 数据处理

用Microsoft Excel对小麦生育期积温、日照时数和降水量数据进行统计计算, 用DPS 15.10进行方差分析、相关性分析和逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同播期下小麦生育阶段持续时间、积温、日照时数和降水量

从表2和表3知, 在试验年份播期范围内, 不同播期的小麦各生育时期出现的时间、持续时间、积温、日照时数和降水量各不相同。播期早, 则生育期长, 总积温值高, 日照时数长, 降水量多。播期对小麦生育时期持续时间的影响, 主要表现在苗期、分蘖期和拔节期, 对抽穗期和成熟期影响较小。随播期推迟, 播种—出苗期、出苗—分蘖期持续时间均加长; 播种—出苗期所需积温明显增加, 出苗—分蘖期所需积温差异较小; 分蘖—拔节期持续时间明显缩短, 积温和日照时数均减少。降水年型对旱地小麦各生育时期出现的时间、持续时间、积温、日照时数和降水量影响较小。

各生育阶段持续时间与积温、日照时数、降水量间的相关性分析结果表明, 播种—出苗期持续时间与此阶段积温呈极显著正相关(=0.712**); 分蘖—拔节期、拔节—抽穗期持续时间与日照时数呈极显著或显著正相关(=0.659**和=0.440*); 抽穗—成熟期持续时间与此阶段积温和日照时数间呈极显著正相关(=0.883**和=0.751**); 全生育期持续时间与积温呈显著正相关(=0.462*), 与降水量间相关性均未达显著水平。

表2 不同播期和不同降水年型下小麦各生育时期出现及持续时间

2.2 不同降水年型和播期小麦产量及产量构成因素

由表4知, 年降水量对旱地小麦产量及其构成影响较大, 其中丰水年型>平水年型>枯水年型, 丰水年型产量明显高于其他年型。从产量构成因素看, 丰水年型成穗数显著高于平水年型和枯水年型, 是影响旱地小麦产量的主要因素; 穗粒数也高于平水年型和枯水年型; 千粒重与平水年型相近。

丰水年型下, 2012年和2015年, 小麦成穗数和产量随播期推迟及相应播种量的增加而增加, 2014年9月28日播种最高; 2014年和2015年穗粒数随播期推迟而减少, 2012年则相反; 千粒重随播期推迟而增加。平水年型和枯水年型下, 小麦成穗数和产量随播期推迟先升高后降低, 9月28日播种最高, 除2011年外, 早播成穗数和产量均最低; 穗粒数随播期推迟而增加(除2010年度9月28日播种最高外); 千粒重随播期推迟变化规律不明显。

降水在年度间的分布对旱地小麦产量也有较大影响, 其中2014年属丰水年型, 生育期降水量199.2 mm, 4—5月降水较多(136.6 mm), 有利于穗粒数增加和籽粒灌浆, 穗粒数和千粒重高, 因此产量最高; 2013年属平水年型, 但小麦生育期降水仅130.8 mm, 且集中在5月下旬(76.2 mm), 为无效降水, 因此产量最低。

2.3 不同降水年型和播期下小麦籽粒水分利用效率

由表5知, 生育期耗水量与年降水量密切相关, 总体上, 生育期耗水量表现为: 丰水年型>平水年型> 枯水年型, 同时, 小麦生育期耗水量均随播期推迟而降低。籽粒水分利用率为丰水年型>枯水年型>平水年型, 丰水年型和枯水年型下, 籽粒水分利用率随播期推迟而升高, 平水年型下, 籽粒水分利用率随播期推迟先升高后降低。

降水量、土壤贮水量与生育期耗水量和水分利用效率相关性分析表明, 小麦生育期耗水量与休闲期降水量、年降水量、播前土壤贮水量均呈极显著正相关(=0.589**, 0.686**, 0.843**), 籽粒水分利用效率与降水量及土壤贮水量间相关性均未达显著水平。

表4 不同播期不同降水年型的小麦产量及构成因素

同一年度不同大、小写字母分别表示差异达0.01和0.05显著水平。Different capital and lowercase letters mean significant differences at 0.01 and 0.05 levels in the same year.

2.4 小麦生育阶段积温、日照时数、降水量与产量及其构成因素的相关性

由表6知, 旱地小麦产量与拔节—抽穗期的积温和日照时数间分别呈显著和极显著负相关, 与降水量呈极显著正相关, 与灌浆期的积温、日照时数均呈极显著正相关。在产量构成因素方面: 成穗数与分蘖拔节期的积温呈极显著正相关, 与拔节—抽穗期的积温和日照时数呈极显著负相关。穗粒数与拔节—抽穗期日照时数极显著负相关, 与灌浆期积温、日照时数呈极显著正相关, 与该时段降水量极显著负相关。千粒重仅与拔节—抽穗期的降水量显著正相关。生育期耗水量与生育期积温显著正相关, 与拔节—抽穗期的积温和日照时数呈显著负相关, 与分蘖期和拔节抽穗期的降水量均呈显著正相关, 与灌浆期的积温极显著正相关。产量与产量构成三因素、生育期耗水量间均呈极显著正相关, 生育期耗水量还与成穗数和穗粒数呈极显著正相关。

逐步回归分析表明, 总日照时数和成穗数对籽粒产量的直接通径系数较高(0.772和0.529), 成穗数主要通过拔节抽穗期日照时数间接影响产量(间接通径系数=0.236); 籽粒产量、拔节抽穗期降水量、灌浆期降水量对籽粒水分利用效率的直接通径系数较高(2.788、3.165和4.657), 产量主要通过拔节—抽穗期的降水量和积温间接影响水分利用率(间接通径系数=2.108和1.706)。

表5 不同播期不同降水年型的小麦籽粒水分利用效率及生育期水分平衡

同一年度不同大、小写字母分别表示差异达0.01和0.05显著水平。Different capital and lowercase letters mean significant differences at 0.01 and 0.05 levels in the same year.

表6 小麦不同生育阶段积温、日照时数、降水量与产量及构成因素的相关系数

续表

0.05=0.433,0.01=0.549; *和**分别表示相关性达0.05和0.01水平。* and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 讨论与结论

随着全球“暖干化”气候变化特征日益明显, 播期对小麦生长发育和产量的影响备受关注[19-20]。徐成忠等[9]针对山东省济宁市近40年来小麦生育期间和越冬前≥0 ℃积温, 提出小麦适播期应推迟到10月5—9日, 暖冬、偏春性品种再推迟5 d。白洪立等[10]针对山东省兖州市近年来气温持续升高的变化特征, 根据冬前壮苗所需0 ℃以上积温提出, 小麦适播期应比20世纪70年代推迟5 d左右。但关于生育期内气象因素的变化报道较少。本研究表明, 随播期推迟, 旱地小麦生育期缩短, 生育期内总积温值变低, 日照时数变短, 生育期降水量减少; 播期对旱地小麦出苗到抽穗期的生育进程影响较大, 不同播期的抽穗期和成熟期差异较小。这与裴雪霞等[8]关于播期对水地优质小麦生长发育影响的结果一致。

降水是旱地小麦稳产高产的关键, 播期对小麦籽粒产量及水分利用效率有显著影响[21-23]。张敏等[5]、赵青松等[7]、张耀辉等[24]的研究都表明, 随播期推迟小麦籽粒产量明显降低, 需通过加大播量来提高成穗数获得高产。而前人的研究主要集中在特定年份播期对小麦籽粒产量的影响, 关于不同降水年型下播期相关研究甚少。本研究表明, 降水年型显著影响旱地小麦产量, 丰水年型较平水年型和枯水年型分别提高100.0%和135.9%, 小麦关键生育期降水对小麦产量有较大促进作用, 丰水年型2014年度4—5月(拔节—抽穗期)降水较多(136.6 mm), 成穗数居中, 穗粒数和千粒重高, 导致产量最高, 平水年型2013年度小麦生育期降水少, 且集中在5月下旬(灌浆期, 76.2 mm), 为无效降水, 对产量作用小, 因此产量和籽粒水分利用率均最低; 丰水年型生育期耗水量分别较平水年型和枯水年型高55.86%和83.29%, 主要与休闲后期降水量大关系密切, 从播前土壤贮水量的测定得到验证。不同降水年型小麦适播期不同, 丰水年型适播期应在10月4日左右, 可获得高产, 产量因素协调, 同时生育期耗水量最少, 水分利用率较高; 平水年型和枯水年型适播期应在9月28日左右, 产量最高, 水分利用率也较高。

前人对小麦生育期气温变化与产量及其构成相关性的研究较多, 对降水和日照时数与旱地小麦产量及生育期耗水量和籽粒水分利用效率的相关性研究甚少。刘新月等[25]研究表明, 起身至拔节期≥0 ℃积温对黄淮旱地小麦产量表现为正效应, 决定因子占26.17%。本研究表明, 在拔节—抽穗期, 旱地小麦产量和生育期耗水量与积温和日照时数显著负相关, 与降水量显著正相关, 在抽穗—成熟期, 与积温、日照时数显著正相关, 因此拔节—抽穗期低温、寡照、多雨有利于旱地小麦产量构成三因素的协调, 抽穗—成熟期高温、多照、少雨有利于旱地小麦光合产物的积累, 最终提高籽粒产量。本结论可以为丰富中国小麦栽培学理论提供依据, 也有待更长时间的试验进行验证和完善。

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Impact of sowing date on yield and water use efficiency of wheat in different precipitation years in dryland of South Shanxi*

PEI Xuexia, DANG Jianyou**, ZHANG Dingyi, WANG Jiao’ai, ZHANG Jing, DONG Fei

(Wheat Research Institute, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Linfen 041000, China)

Sowing date affects individual development before winter, population quality and yield of wheat. Planting area of wheat in dryland of South Shanxi accounts for 60% total area of the province. The precipitation in the area plays an important role in ensuring agriculture production and food security in Shanxi Province. Under global warming conditions, research on proper sowing date of wheat in Shanxi Province is significant for sustainable development of agriculture. Seven years from 2008 to 2015 were divided into three kinds of precipitation year types —wet precipitation year (2012, 2014 and 2015, precipitation of 527.8-597.2 mm), normal precipitation year (2011, 2013, precipitation of 450.7-483.3 mm) and dry precipitation year (2009, 2010, precipitation of 293.4-385.4 mm), based on the average annual precipitation of Linfen in Shanxi Province in the past 54 years. Precipitation, accumulated temperature, sunshine duration during wheat growth season, as well as wheat growth duration, yield and water use efficiency (WUE) under three sowing dates (Sep. 20, 30 and Oct. 5 in 2008-2009; Sep. 22, 28, and Oct. 4 in 2009-2015) were analyzed to provide a theoretical basis and technological support for high and stable yield production of dryland wheat. The relationship between yield, yield components, WUE and meteorological factors were also analyzed by correlation, multiple regression and path analysis. Results showed that sowing dates significantly affected seedling, tillering and jointing period duration, while no significant effect was observed at booting and maturing stages. There was a significantly positive relationship between wheat growth duration and accumulated temperature. Precipitation year and precipitation distribution in wheat growth season affected wheat yield and yield components significantly. Yield in wet precipitation years were 100.0% and 135.9% higher than those in normal and dry precipitation years, respectively. For different precipitation year types, WUE of grain were wet precipitation year > dry precipitation year > normal precipitation year. WUE of grain were increased with the delay of sowing date in wet and dry precipitation years, but was increased when sowed before Sep. 28 and then decreased in the normal precipitation year. From jointing to heading stage, wheat yield was negatively related with accumulated temperature and sunshine duration, positively related with precipitation. From heading to maturing stage, it positively correlated with accumulated temperature and sunshine duration. There was a positive relationship between yield, yield components and water consumption, but no significant relationship between WUE and meteorological factors and yield components. Annual precipitation and its distribution were the key factors determining high and stable wheat yield in dryland. In wet years, Oct. 4 was a suitable sowing date, which was beneficial for coordinative yield components, high yield and WUE, and low water consumption of wheat. In normal and dry years, Sep. 28 was more suitable for higher yield and WUE of wheat.

Dry land wheat; Precipitation year; Meteorological factors; Yield; Water use efficiency

10.13930/j.cnki.cjea.160742

S181

A

1671-3990(2017)04-0553-10

2016-08-22

2017-01-19

Aug. 22, 2016; accepted Jan. 19, 2017

* 现代农业产业技术体系建设专项(CARS-03-2-7)和国家科技支撑计划项目(2015BAD22B03-03)资助

* The study was supported by the Special Fund for the Industrial Technology System Construction of Modern Agriculture of China (CARS-03-2-7) and the National Key Technology R&D Program of China (2015BAD22B03-03).

** Corresponding author, E-mail: dangjyou8605@sina.com

**通讯作者:党建友, 主要研究方向为作物节本增效高产栽培。E-mail: dangjyou8605@sina.com

裴雪霞, 主要研究方向为小麦玉米稳产高产高效栽培。E-mail: peixuexia@163.com

裴雪霞, 党建友, 张定一, 王姣爱, 张晶, 董飞. 不同降水年型下播期对晋南旱地小麦产量和水分利用率的影响[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(4): 553-562

Pei X X, Dang J Y, Zhang D Y, Wang J A, Zhang J, Dong F. Impact of sowing date on yield and water use efficiency of wheat in different precipitation years in dryland of South Shanxi[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 553-562