播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率的调控效应

郑飞娜 初金鹏 张 秀 费立伟 代兴龙 贺明荣

播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率的调控效应

郑飞娜 初金鹏 张 秀 费立伟 代兴龙*贺明荣*

山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室 / 农业农村部作物生理生态与耕作重点实验室, 山东泰安 271018

为探明实现冬小麦进一步增产增效的调控途径, 于2015—2016年和2016—2017年连续两个生长季, 选用大穗型品种泰农18, 设置2种播种方式(宽幅播种和常规条播)和7个种植密度(130×104、200×104、270×104、340×104、410×104、480×104和550×104株 hm–2), 研究了播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率的调控效应。结果表明, 与常规条播相比, 宽幅播种配合增密能够有效缓解单位面积穗数增加与单穗粒重降低、氮素吸收效率提高与氮素内在利用效率下降之间的矛盾, 通过增加单位面积穗数和氮素吸收效率协同提高籽粒产量和氮素利用率。宽幅播种条件下获得最高产量和氮素利用率的密度为410×104株 hm–2, 显著高于常规条播条件下的最优密度(340×104株 hm–2), 且其增产增效幅度亦显著高于常规条播。综上所述, 宽幅播种配合合理密植具有进一步协同提高大穗型小麦品种产量和氮素利用率的潜力。在本试验条件下, 宽幅播种(苗带宽8~10 cm)与410×104株 hm–2密度相匹配是大穗型小麦品种泰农18获得更高产高效的最优组合。

宽幅播种; 种植密度; 互作效应; 产量; 氮素利用率

种植密度是小麦生产中较易控制的栽培措施, 也是影响小麦群体结构、产量形成和氮素吸收利用的重要因子[1-2]。小麦合理密植有利于提高单位面积穗数, 以及土壤中的根长密度, 进而提高地上部氮素积累量和氮素吸收效率, 实现小麦产量和氮利用效率的协同提高[2-3]。

小麦播种的苗带宽度显著影响植株田间分布、单株分蘖与成穗和根系生长[4-5]。与常规条播(苗带宽2~3 cm)相比, 宽幅播种(苗带宽8~10 cm)可通过提高单位面积穗数和地上部氮素积累量协同提高小麦产量和氮素利用率[6-7]。

大穗型品种以其穗粒重高和产量潜力大在小麦高产创建中被广泛应用[6,8]。但由于其分蘖成穗率低, 单位面积成穗数少, 限制了其产量的进一步提高。目前生产中多采用增加基本苗数以提高单位面积成穗数的增产途径[9]。然而, 在常规条播条件下, 过高的基本苗数必然导致单株营养面积降低, 部分植株因生长不良而遭淘汰, 单位面积成穗数并不能显著增加[10]。因此, 依靠增加基本苗数进一步增加其单位面积穗数的潜力已很小。宽幅播种、合理密植均可增加大穗型小麦品种单位面积穗数, 进而提高产量和氮素利用率[3,6-7], 然而两者的互作效应能否在单独效应的基础上进一步提高单位面积穗数, 实现增产增效尚未明确。

本研究设计播种方式(宽幅播种和常规条播)与种植密度互作试验, 以期通过分析互作效应对大穗型小麦品种产量形成和氮素吸收利用的影响, 探明与宽幅播种相匹配的适宜种植密度和增产提效潜力, 为充分发挥宽幅播种的增产提效作用, 实现产量和氮素利用效率在更高水平上的协同提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

山东省泰安市岱岳区大汶口镇东武村地处温带大陆性季风气候区, 年均日照时数2639 h, 太阳辐射总量119.9 kcal cm–2; 年均气温12.9℃, 无霜期195 d, 降雨量702 mm, 但多数降雨集中在夏季。试验地前茬作物为玉米, 一年两熟种植, 多年秸秆还田。试验地土壤类型为壤土, pH为8.25。2015—2016年和2016—2017年2个小麦生长季播前1.00 m土层内无机态氮(硝态氮和铵态氮)积累量分别为175.43 kg hm–2和186.24 kg hm–2, 播前0~0.40 m土壤基础地力数据如表1所示。

表1 2015–2016和2016–2017生育季冬小麦播前0~0.20 m和0.20~0.40m土层基础地力

1.2 试验设计

选用大穗型品种泰农18为试验材料, 随机区组设计, 设宽幅播种(苗带宽8~10 cm)与常规条播(苗带宽2~3 cm) 2种播种方式, 每个播种方式下设7个种植密度130×104、200×104、270×104、340×104、410×104、480×104和550×104株 hm–2, 3次重复, 共42个小区, 小区面积为长15.0 m×宽3.0 m (12行, 行距25 cm)。

播前按纯N、P2O5、K2O各120、90和90 kg hm–2施入基肥; 在拔节初期按纯N 120 kg hm–2追肥。所用氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾, 其氮、磷、钾含量分别为46%、12%和60%。其他管理措施与高产小麦田相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 成熟期地上部氮素积累量 成熟期随机取50个单茎, 人工分为茎、叶、籽粒、颖壳+穗轴等4部分, 烘干至恒重后称重、粉碎, 采用凯氏定氮仪测定氮素含量, 计算地上部氮素积累量。

1.3.2 产量和产量构成因素 成熟期选取长势均匀的3.0 m × 1.5 m区域调查单位面积穗数, 然后人工收割、脱粒、风干后称重, 计算产量。成熟期随机取50个单茎, 调查穗粒数、千粒重, 计算单穗粒重。

1.3.3 氮素利用率及其相关指标计算 供氮量(kg hm–2) = 施氮量(kg hm–2) + 播前0~1.00 m土层土壤无机态氮积累量(kg hm–2)[11]

氮素利用率NUE (kg kg–1) = 籽粒产量(kg hm–2)/供氮量(kg hm–2)

氮素吸收效率NUpE = 成熟期地上部氮素积累量(kg hm–2)/供氮量(kg hm–2)×100%

氮素内在利用效率NUtE (kg kg–1) = 籽粒产量(kg hm–2)/成熟期地上部氮素积累量(kg hm–2)

1.3.4 各因素效应计算[12](1) Ai(播种方式与种植密度的综合增产效应, kg hm–2) = 宽幅播种下密度产量Ti–常规条播下密度产量Ti–1。

(2) Bi(播种方式与种植密度互作的增产效应, kg hm–2) = [播种方式与种植密度的综合增产效应 –(常规条播下密度产量Ti– 常规条播下密度产量Ti–1) – (宽幅播种下密度产量Ti–1– 常规条播下密度产量Ti–1)]/2

(3) Ci(播种方式与种植密度的综合增效效应, kg hm–2) = 宽幅播种下密度氮素利用率Ti– 常规条播下密度氮素利用率Ti–1。

(4) Di(播种方式与种植密度互作的增效效应, kg hm–2) = [播种方式与种植密度的综合增效效应 – (常规条播下密度氮素利用率Ti– 常规条播下密度氮素利用率Ti–1) – (宽幅播种下密度氮素利用率Ti–1– 常规条播下密度氮素利用率Ti–1)]/2

1.4 数据处理与统计

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05数据分析软件整理与分析数据, 采用LSD判别法进行差异显著性检验, 采用SigmaPlot 10.0和Microsoft Word 2007软件作图。

2 结果与分析

2.1 各关键指标方差分析结果

方差分析表明(表2), 播种方式、种植密度及两者的互作效应显著影响大穗型小麦产量、产量构成因素、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素内在利用效率。鉴于播种方式、种植密度的单独效应前人已有较多研究, 本论文中将重点分析并讨论播种方式和种植密度的互作效应。

表2 年份(Y)、播种方式(S)与种植密度(D)对大穗型小麦品种产量、产量构成因素、氮素利用率及其构成因素影响的方差分析

*,**和***分别代表< 0.05、< 0.01和< 0.001 显著水平。NUE: 氮素利用率; NUpE: 氮素吸收效率; NUtE: 氮素内在利用效率。

*,**, and***: significant at< 0.05,< 0.01, and< 0.001, respectively. NUE: nitrogen use efficiency; NUpE: nitrogen uptake efficiency; NUtE: nitrogen utilization efficiency.

2.2 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦产量及产量构成因素的影响

2.2.1 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦产量的影响 如图1-a, b所示, 两生长季常规条播下种植密度为340×104株 hm–2时产量达到最高, 较最低的130×104株hm–2密度平均增产1459.04 kg hm–2, 增幅18.57%。宽幅播种下均在410×104株hm–2密度产量达到最高, 较最低密度平均增产2095.04 kg hm–2, 增幅26.70%。宽幅播种下获得最高产量的密度以及合理密植的增产幅度均高于常规条播。

两生长季宽幅播种与种植密度的综合增产效应随种植密度的提高而降低。当密度由130×104株 hm–2增至410×104株hm–2时, 综合增产效应由1332.07降低至1139.30 kg hm–2, 降幅14.47%; 当密度由410×104株 hm–2进一步增至550×104株hm–2时, 综合增产效应由1139.30 kg hm–2降低至908.60 kg hm–2, 降幅20.25% (图1-c, d)。

两生长季宽幅播种与种植密度互作的增产效应随种植密度的提高呈现先增加后降低的趋势。当密度由130×104株 hm–2增加至410×104株 hm–2时, 互作增产效应从55.88 kg hm–2增至212.38 kg hm–2, 然而当密度由410×104进一步增至550×104株 hm–2时, 互作增产效应从212.38降至–11.55 kg hm–2。互作增产效应在410×104株 hm–2密度时达到最大, 此时产量达到最高的9969.97 kg hm–2(图1-e, f)。

图1 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量的影响

误差线表示3次重复的标准误。

The error bars represent standard error of three replicates.

2.2.2 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦产量构成因素的影响 如表3所示, 两生长季常规条播下, 种植密度为340×104株 hm–2时单位面积穗数最高, 较最低密度平均增穗194.82×104穗 hm–2, 增幅43.23%。宽幅播种下在410×104株 hm–2密度时单位面积穗数最高, 较最低密度平均增穗295.15× 104穗 hm–2, 增幅65.49%。两播种方式下, 密度进一步提高时穗数不再显著增加。

如表3所示, 随种植密度增加穗粒数与千粒重均呈下降趋势。常规条播下340×104株 hm–2密度较最低密度的穗粒数、千粒重分别降低5.82粒与2.39 g, 降幅分别为12.13%和13.28%。宽幅播种下410×104株 hm–2密度较最低密度的穗粒数、千粒重分别降低6.56粒和3.03 g, 降幅分别为13.28%和7.59%。

表3 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率构成因素的影响

多重比较仅在同一列同一年份间进行, 不同字母代表在< 0.05水平上差异显著。NUpE: 氮素吸收效率; NUtE: 氮素内在利用效率。

Values followed by the same letter within a column in the same year are not significantly different at< 0.05 as determined by the LSD test. NUpE: nitrogen uptake efficiency; NUtE: nitrogen utilization efficiency.

2.3 播种方式与种植密度互作对冬小麦氮素利用率及其构成因素的影响

2.3.1 播种方式与种植密度互作对冬小麦氮素利用率的影响 如图2-a, b所示, 两生长季常规条播下, 种植密度为340×104株 hm–2时氮素利用率达到最高, 较最低密度平均增加3.47 kg kg–1, 增幅18.57%。宽幅播种下均在410×104株 hm–2密度时氮素利用率达到最高, 较最低密度平均增加4.99 kg kg–1, 增幅26.70%。宽幅播种下获得最高氮素利用率的密度以及合理密植对氮素利用率的提升效应均高于常规条播。

播种方式与种植密度互作对氮素利用率的提升效应随密度的提高而降低。当密度由130×104株 hm–2增至410×104株 hm–2时, 综合效应从3.18 kg kg–1降至2.72 kg kg–1, 降幅14.39%; 当密度由410×104株 hm–2进一步增至550×104株 hm–2时, 综合效应从2.72 kg kg–1降至2.17 kg kg–1, 降幅20.21% (图2-c, d)。

图2 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种氮素利用率(NUE)的影响

误差线表示3次重复的标准误。

The error bars represent standard error of three replicates.

播种方式与种植密度互作对氮素利用率的提升效应随密度的提高呈先增加后降低的趋势。当密度由130×104株hm–2增至410×104株hm–2时, 互作的氮素利用率提升效应从0.13 kg kg–1增至0.51 kg kg–1, 当密度由410×104株 hm–2进一步增至550×104株hm–2时, 效应从0.51 kg kg–1降至–0.03 kg kg–1。互作的氮素利用率提升效应在410×104株hm–2密度时达到最大, 此时氮素利用率也取得最高的23.68 kg kg–1(图2-e, f)。

2.3.2 播种方式与种植密度互作对冬小麦氮素吸收效率和内在利用效率的影响 如表3所示, 常规条播下密度为340×104株hm–2时氮素吸收效率最高, 较最低密度平均增加17.62%, 增幅30.00%。密度进一步提高, 氮素吸收效率呈下降趋势。宽幅播种下410×104株hm–2密度氮素吸收效率最高, 较最低密度平均增加26.40%, 增幅44.94%。密度进一步提高, 氮素吸收效率呈下降趋势。宽幅播种下氮素吸收效率最优的密度及合理密植对氮素吸收效率的提升效应均高于常规条播。

如表3所示, 宽幅播种小麦的氮素内在利用效率低于常规条播。两播种方式下的氮素内在利用效率均随密度增加而降低, 与最低密度相比, 常规条播与宽幅播种下550×104株hm–2密度的氮素内在利用效率分别降低6.71 kg kg–1和4.35 kg kg–1, 降幅分别为19.53%和13.66%。

2.4 宽幅播种与种植密度互作对冬小麦穗数和单穗粒重的影响

如图3所示, 两种播种方式下随单位面积穗数增加, 单穗粒重呈先缓慢下降后急剧下降的趋势。常规条播下, 随密度依次由130×104株hm–2增至200×104、270×104、340×104、410×104、480×104和550×104株hm–2, 穗数由401.33×104穗hm–2相应升至479.30×104、550.85×104、596.15×104、618.18×104、629.14×104和632.94×104穗hm–2。与相邻低密度相比, 每增加1×104穗hm–2, 单穗粒重分别下降1.68、1.80、1.90、4.97、

9.83和24.82 mg, 表明条播下穗数升至596.15×104穗 hm–2后单穗粒重急剧下降。宽幅播种下, 随密度依次由130株hm–2增加至200×104、270×104、340×104、410×104、480×104、550×104株hm–2, 穗数由450.66×104穗hm–2相应升至547.20×104、634.49×104、698.23×104、745.81×104、772.85×104和781.43×104穗hm–2。与相邻低密度相比, 每增加1×104穗hm–2, 单穗粒重分别下降1.22、1.31、1.33、1.40、4.07和14.33 mg, 表明宽播播种下穗数升至745.81×104穗 hm–2后单穗粒重才快速下降。

图3 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种穗数和单穗粒重的影响

误差线表示3次重复的标准误。

The error bars represent standard error of three replicates.

2.5 宽幅播种与种植密度互作对冬小麦氮素吸收效率和氮素内在利用效率的影响

如图4所示, 与相邻低密度的氮素吸收效率相比, 常规条播下密度由130×104株hm–2增至200× 104、270×104、340×104株hm–2, 氮素吸收效率由52.28%分别增至60.13%、65.84%和69.91%, 两生长季氮素吸收效率绝对值每增加1%, 氮素内在利用效率相应下降0.25、0.19和0.17 kg kg–1; 密度进一步由340×104株hm–2增至410×104、480×104、550×104株hm–2, 氮素吸收效率由69.91% 依次降至68.42%、65.83%与63.39%, 氮素内在利用效率相应下降0.26、0.56和0.81 kg kg–1。宽幅播种下, 密度由130×104株hm–2增至410×104株hm–2, 两生长季氮素吸收效率由59.58% 增至70.30%、77.75%、83.62%与85.99%, 氮素吸收效率绝对值每增加1%, 氮素内在利用效率分别下降0.18、0.12、0.11和0.09 kg kg–1, 种植密度进一步由410×104株hm–2增至550×104株hm–2, 氮素吸收效率由85.99%降至82.69%和78.77%, 氮素内在利用效率分别下降0.06 kg kg–1和0.13 kg kg–1。

3 讨论

3.1 宽幅播种与增密配套进一步提高冬小麦产量

小麦的产量受控于群体数量和个体生产力两个方面。一般认为, 随单位面积穗数增加单穗粒重因穗粒数和(或)千粒重降低而降低[13-16], 因此在增加单位面积穗数的同时尽可能减轻单穗粒重的降低幅度才能获得更高产量[16-17]。前人研究表明, 在一定范围内增加密度可以提高小麦产量, 继续增加密度则会显著减产[18-19], 且通常获得最高产量的密度多在225×104株hm–2与375×104株hm–2之间[21-23], 相应穗数多集中在515×104与660×104穗hm–2范围内[13,20], 这与本试验中常规条播下340×104株hm–2密度(596.15×104穗hm–2)获得最高产量的结果基本一致。然而, 宽幅播种下获得最高产量的密度为410×104株hm–2, 相应穗数为745.81×104穗hm–2, 显著高于前人和本试验中常规条播的最适密度和容穗量。分析其原因在于改常规条播为宽幅播种, 虽然随密度增加穗粒数与千粒重均呈下降趋势, 但其降幅显著低于常规条播的同密度处理, 相同单穗粒重条件下宽幅播种处理的容穗量显著高于常规条播, 而且当密度为410×104株hm–2、穗数达745.81×104穗hm–2后, 宽幅播种的单穗粒重才快速下降, 而常规条播下密度为340×104株 hm–2、穗数达到596.15×104穗 hm–2后单穗粒重就出现了急剧下降。表明宽幅播种与适宜密度相匹配, 可在较高穗数时保持较高的单穗粒重, 从而奠定了进一步增产的群体数量与个体生产力基础。

图4 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种氮素吸收效率和氮素内在利用效率的影响

误差线表示3次重复的标准误。

The error bars represent standard error of three replicates.

3.2 宽幅播种与增密配套进一步提高冬小麦氮素利用率

前人研究表明, 增加密度可以提高小麦氮素利用率, 但获得最高氮素利用率的密度多在225×104株hm–2与375×104株hm–2之间[15,22], 这与本试验中常规条播下的情况类似。密度继续增加则会导致氮素利用率显著降低[15,22]。与常规条播不同, 宽幅播种下获得最优氮素利用率的密度为410×104株hm–2, 显著高于前人和本试验常规条播的最适密度, 且其增效幅度亦显著高于常规条播, 从而表明宽幅播种与增密配套具有进一步提高氮素利用率的潜力。

氮素利用率的高低取决于氮素吸收效率和氮素内在利用效率的协调程度[11,24-25]。在同样的供氮水平下, 氮素吸收效率的提高往往会导致氮素内在利用效率不同程度的降低, 两者的协调利于氮素利用率的稳定[26]或进一步提高[2,27]。在本研究中, 宽幅播种与适宜密度合理匹配, 在同样密度下随氮素吸收效率提高, 氮素内在利用效率的降低幅度不仅低于常规条播, 而且在密度为410×104株hm–2时亦显著低于传统条播下密度为340×104株hm–2的处理, 有效缓解了氮素吸收效率提高与氮素内在利用效率降低的矛盾, 有利于促进氮素利用率的进一步提高。同时我们注意到, 在获得最优氮素吸收效率之后, 进一步提高密度时氮素吸收效率和氮素内在利用效率同步下降, 这表明宽幅播种与增密配套提高氮素利用率也是有限度的。

4 结论

与传统条播相比, 宽幅播种配合增密既促进了单位面积穗数和氮素吸收效率的增加, 又缓解了单穗粒重与氮素内在利用效率的降低幅度, 进而获得更高的籽粒产量和氮素利用率。在本试验条件下, 对大穗型小麦品种泰农18来说, 宽幅播种(苗带宽8~10 cm)与410×104株hm–2密度相匹配是获得更高产高效的最优组合。

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Interactive effects of sowing pattern and planting density on grain yield and nitrogen use efficiency in large spike wheat cultivar

ZHENG Fei-Na, CHU Jin-Peng, ZHANG Xiu, FEI Li-Wei, DAI Xing-Long*, and HE Ming-Rong*

College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tai’an 271018, Shandong, China

In orderto find out the way to achieve further improvement in the grain yield (GY) and nitrogen use efficiency (NUE) of winter wheat, two sowing pattern (the wide range sowing and conventional drilling sowing) and seven planting densities (130×104, 200×104, 270×104, 340×104, 410×104, 480×104, and 550×104plants hm–2) were designed during 2015–2016 and 2016–2017 growing seasons. Tainong 18, a winter wheat cultivar with larger spike and lower tillering capacity, was used to investigate the combined effects of sowing pattern and planting density on GY and NUE. Compared with the conventional drilling sowing, the wide range sowing with higher planting density effectively alleviated the negative effect of increasing spikes per unit area and nitrogen uptake efficiency (NUpE) on decreasing single spike weight and nitrogen utilization efficiency (NUtE), respectively. Concurrent improvement in GY and NUE was achieved by increasing the number of spikes per unit area and NUpE. The planting density resulting in the highest GY and NUE under wide range sowing conditions was 410×104plants hm–2, which was significantly higher than that (340×104plants hm–2) under conventional drilling sowing. Moreover, the increase percentage of GY and NUE under wide ranging sowing was also significantly higher than that under drilling sowing. In summary, it is feasible to further improve GY and NUE of large spike wheat cultivar through rational combination of wide range sowing with higher planting density. Under the condition of this experiment, the optimal combination measure for high GY and NUE was sowing width of 8–10 cm with plant density of 410×104plants hm–2.

wide range sowing pattern; planting density; interaction effect; grain yield; nitrogen use efficiency

2019-07-07;

2019-09-26;

2019-10-14.

10.3724/SP.J.1006.2020.91046

代兴龙, E-mail: adaisdny@163.com; 贺明荣, E-mail: mrhe@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8244018

E-mail: fnzheng123@163.com

本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300403), 国家自然科学基金青年基金(31801298)和山东省自然科学基金博士基金项目(ZR2018BC034)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300403), the National Natural Science Foundation of China (31801298), and the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2018BC034).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20191012.1740.006.html