底墒和磷肥对旱地冬小麦产量及其品质的影响

2020-06-11原亚琦薛建福杨珍平郝兴宇高志强

灌溉排水学报 2020年3期

原亚琦，孙敏，林文，薛建福，杨珍平，郝兴宇，高志强

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

0 引言

【研究意义】旱地小麦产量年际间变化较大，故其目标是稳产优质[1-3]。水分是制约旱地小麦产量和品质的重要环境因素，其水分的来源是土壤水分和降雨[4]。旱闲期是土壤水分的恢复期，其恢复的程度即底墒，底墒一定程度决定产量和品质[5]。磷肥能够实现小麦的增产，但对籽粒品质的研究结果在不同地区表现不同。小麦籽粒灌浆方程能够量化植株营养器官向籽粒转运的速度、持续时间，以及最终的籽粒增加量。【研究进展】底墒能够提高小麦的籽粒产量和品质。侯贤清等[7]、邓妍等[8]研究表明，增加底墒能够提高小麦生育期降雨利用程度，以及生育期的耗水，达到增产的目的。张慧芋等[9]、崔世明等[10]研究表明，增加底墒能够提高小麦籽粒的蛋白质量。以肥调水，以水促肥[10]，水分的研究往往伴随着肥料，而研究小麦底墒与氮肥的研究较多[10-11]，氮肥的投入量决定底墒的利用程度，前季小麦每增施氮肥100 kg/hm2, 可使下季小麦播前底墒减少9～17 mm[6]。而底墒和磷肥的研究较少，且研究主要关于磷肥对小麦产量和品质的影响。马守臣等[12]、张效星等[13]研究表明，增施磷肥能够减弱小麦植株的光合“午休”现象，提高产量和磷肥利用率。对于磷肥对小麦籽粒品质的研究存在不同结论，付国占等[14]研究表明，增施磷肥能够增加籽粒蛋白质组分的量和蛋白大聚体的量；而姜东等[15]2 年的磷肥试验表明，增施磷肥能够提高产量，但降低了籽粒的蛋白质量。近年来，对小麦籽粒灌浆方程应用较多。王书吉等[16]研究表明，较正常灌水处理，干旱处理使得灌浆持续期缩短2.72%～15.78%，达到最大灌浆速度的时间提前2.33%～14.58%，导致籽粒产量下降。吴进东等[17]研究表明，较正常灌水处理，花后渍水使冬小麦籽粒体积减小11.8%，灌浆速率降低15.4%，灌浆期持续时间缩短9.2%，千粒质量降低20.9%，穗粒数减少7.0%，籽粒产量降低26.6%。【切入点】针对旱地小麦籽粒灌浆过程进行方程拟合，明确小麦灌浆阶段籽粒产量形成过程。并结合籽粒产量、蛋白质的量、蛋白质产量与底墒和磷肥的二次回归方程拟合，探究旱地小麦产量和品质在不同底墒和磷肥条件下的趋势变化。【拟解决的关键问题】本研究在不同播前底墒条件下设置2 个施磷量，探究籽粒灌浆过程对底墒和磷肥的响应情况，以及底墒和磷肥对籽粒产量和蛋白质的影响，找出山西省南部旱地小麦播前底墒的合适施磷量，既保证小麦籽粒产量和蛋白质，又降低土地的肥料成本投入，同时为旱地小麦稳产优质高效提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

山西省闻喜试验基地（北纬35°21′13.64"，东经111°13′50.46"）进行，夏闲地，无灌溉条件，2014 年10 月的土壤肥力为：有机质量10.55 g/kg、碱解氮量37.65 mg/kg、速效磷量17.64 mg/kg。小麦休闲期、各生育期降雨量见图1。

图1 闻喜县试验点小麦休闲期及生育期降雨量 Fig.1 Rainfall of fallow period and growth period of wheat at experiment site in Wenxi

1.2 试验设计

试验品种：运旱20410，采用二因素裂区设计，前茬小麦收获时留20～30 cm 高茬，收获后深翻35～40 cm，以7 月15 日深翻后进行主区设置。主区为0～100 cm 播前底墒W1（248 mm）、W2（233 mm）、W3（205 mm），底墒通过休闲期渗水地膜覆盖进行控制，2014 年7 月15 日，分别进行全覆盖和半覆盖，2014 年8 月25 日回收地膜，并进行浅旋耕、耙耱平整地块；副区为施磷量P1（75 kg/hm2）、P2（180 kg/hm2），施用磷肥为过磷酸钙，折算成P2O5，播种前一天人工施入，2014 年10 月1 日播种，播种时所有处理基施180 kg/hm2N 和150 kg/hm2K2O（氮、钾肥分别为尿素和氯化钾），随播种机施入。播种采用机械条播，播量是165 kg/hm2，行距20 cm，小区面积为150 m2（50 m×3 m），重复3 次，2015 年6 月10日收获[18]。

1.3 测定项目及计算方法

1.3.1 土壤水分的测定

用土钻分别于播种期、返青期、拔节期、开花期、成熟期采集1 m 深土壤样品，每20 cm 为1 层，样品采集后立即装入铝盒，采用烘干法测定土壤含水率，土壤剖面环刀法测定其体积质量[18]。

1.3.2 籽粒干物质测定

花后每隔5 d 取样1 次，每次取20 穗，当天分离籽粒，（105±5）℃杀青30 min，80 ℃烘至恒质量[18]。

1.3.3 成熟期考种及产量测定

成熟期调查单位面积穗数、每穗平均粒数及千粒质量，每小区取10 株进行室内考种，并每小区收割20 m2，计算单位面积籽粒产量。

1.3.4 灌浆方程的拟合及特征参数的计算

方程拟合选择Logistic 曲线：Y=K/(1+ea-rt)式中：K 为最大生长量上限；a、r 为常数；e 为自然对数底；t 为时间[16]。参考殷祚云[19]的四点法求得K 值，最小二乘法求得a、r 值。参考王书吉等[16-17]将Logistic方程求一阶导数得到最大灌浆速率（Vmax）及其出现时间（tmax），求二阶导数得到渐增期（τ1）、快增期（τ2）、缓增期（τ3）持续时间，通过反演得到对应阶段的籽粒增加质量Y1、Y2、Y3，以及对于阶段的平均灌浆速率V1、V2和V3。

1.3.5 水（磷）肥效应拟合

分别以籽粒产量（Y1）、蛋白质量（Y2）和蛋白质产量（Y3）为因变量，底墒（X1）和磷肥（X2）为自变量，分别计算自变量的二次多项式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中进行逐步回归分析，剔除与因变量相关程度低的二次多项式，进而得到拟合度最高得回归方程。

1.4 数据分析

采用Micsoft Execl 2013 录入数据，统计分析和作图分别采用SPSS 22.0 和Maple 2018 处理数据。

2 结果与分析

2.1 不同底墒配施磷肥对旱地小麦产量及其构成因素的影响

不同底墒和磷肥不仅对千粒质量穗数和穗粒数有影响（表1）。产量最高的处理是W1P2，对应的穗数、穗粒数和千粒质量也是最高；产量最低处理是W3P1，对应的单位面积穗数、每穗粒数和千粒质量最低；W1P1 和W2P1 处理产量、千粒质量高于W3P2处理，且差异性显著，但单位面积穗数和每穗粒数间差异性不显著。可见，产量取决于其构成因子的综合作用。

2.2 不同底墒配施磷肥对旱地小麦灌浆过程的影响

2.2.1 灌浆期籽粒干物质变化

不同底墒配施磷肥下旱地小麦籽粒千粒质量随时间呈递增变化，是“S”形曲线（图2），不同处理间差异不明显。灌浆过程的3 个阶段：①渐增期，持续约15 d，千粒质量增加较为缓慢，占成熟期籽粒质量的25.78%～30.20%；②快增期，持续约15 d，千粒质量增加质量占成熟期籽粒质量的54.52%～64.62%；③缓增期，花后30 d 至成熟期，千粒质量增加质量占成熟期籽粒质量的5.18%～19.70%。可见，对籽粒质量占比最大的是快增期，达54.52%～64.62%。

表1 底墒和磷肥处理产量及其构成因素 Table 1 Yield and yield components of diffferent treatments

图2 不同处理下的籽粒灌浆过程 Fig.2 Grain filling process of different treatments

2.2.2 籽粒灌浆的Logistic 方程参数

将不同处理灌浆过程进行Logistic 方程拟合，拟合曲线的决定系数差异性极显著（R2>0.98）（表2）。相同磷肥条件下，W1 和W2 处理的Vmax、τ、τ1高于W3 处理的。相同底墒条件下，tmax、Y1、τ1、Y2、τ2、V3参数表现为P2>P1，τ、Y3、τ3参数表现为P1>P2；Vmax、V2的W1、W2 处理表现为P2P1，W2 处理则相反。Y3、τ3变异系数（CV）均大于10%，属于中等变异，而其他参数均小于10%，属于低等变异。可见，提高底墒能增加快增期的持续时间，并且增施磷肥能提高渐增期和快增期持续时间，分别提高对应阶段的籽粒千粒质量。同时也会加速缓增期的灌浆过程；缓增期的变异可能是籽粒千粒质量存在差异的主要原因。

表2 小麦籽粒灌浆方程参数和特征参数 Table 2 Parameters of grain filling equation and characteristic parameters of wheat

2.3 不同底墒配施磷肥对小麦籽粒蛋白质的影响

不同处理的小麦籽粒蛋白质量无明显差异，但蛋白质产量处理间存在差异（表3）。籽粒蛋白质量在133.28～138.61 mg/g 范围内；蛋白质产量由高到低分别是：W1P2 处理>W2P2 处理>W1P1 处理>W2P1 处理>W3P2 处理>W3P1 处理，且处理间差异显著。可见，蛋白质产量的差异主要是由产量导致。

表3 不同底墒和磷肥下蛋白质量及其蛋白质产量 Table 3 Protein content of different treatments

2.4 籽粒产量、蛋白质量与底墒、磷肥的关系

分别以籽粒产量（Y1）、蛋白质量（Y2）和蛋白质产量（Y3）为因变量，底墒（X1）和磷肥（X2）为自变量，分别计算自变量的二次多项式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中进行逐步回归拟合，得到方程：

式（1）、式（2）、式（3）的决定系数均达到显著水平，能较好地反映籽粒产量、蛋白质量、蛋白质产量与底墒和磷肥的关系。式（1）和式（3）是开口向下的二元二次函数，其对称轴的点可以产量最大值，式（2）则是开口向上的二元二次函数，此方程不存在最大值，为得到籽粒产量和蛋白质量最大值，建立式（3）函数图像（图3），并求解。

图3 蛋白质产量对底墒和磷肥的响应曲面 Fig.3 Response surface of protein yield to soil moisture and phosphorus fertilizer

式（3）二次项系数小于0，开口向下，即随底墒的增加，蛋白质产量先增加后降低；相同底墒下，随磷肥增加，蛋白质产量逐渐增加。故蛋白质产量理论最大值在对称轴（250.57 mm）处取得，将底墒250.57 mm 代入式（1）、式（2），得到：

式（4）、式（5）的截距分别是4 938.23、134.78，斜率是4.05、0.000 2>0，说明不施磷肥可达到产量4 938.23 kg/hm2、蛋白质量134.78 mg/g，随磷肥的增加产量和蛋白质量随之增加，磷肥对产量的影响大于对蛋白质量的影响。

3 讨论

作物的定量分析能为产量和品质提供明确指导方向[20]。小麦灌浆是将叶片合成的营养物质转运到籽粒，直至饱满，灌浆的量化能一定程度反映出产量的形成[21]。王书吉等[16]研究表明，与全生育期灌水相比，生育期亏水可以缩短2.72%～15.78%灌浆持续时间，达到最大灌浆速率的时间提前2.33%～14.58%，且亏水小麦时期不同蛋白质量和产量也不同。本研究结果表明，增加底墒会引起小麦籽粒快增期的灌浆持续时间增加，提高磷肥导致渐增期和快增期的持续时间、千粒质量随之提高，缓增期的持续时间降低；缓增期的变异系数达25%，属于中等变异，其他灌浆特征参数的变异系数均低于10%，属于低等变异[22]，说明底墒和磷肥对灌浆阶段的差异主要体现在缓增期的差异。可见，渐增期持续时间随底墒和磷肥提高而增加，增施磷肥延长快增期持续时间、缩短缓增期持续时间，而杨丽娟等[23]和张倩[24]研究表明，施氮量增加能够延长冬小麦缓增期持续时间，说明小麦的灌浆过程对氮、磷肥的响应不一样，也可能与小麦基因型有关，还需要做进一步研究。

蛋白质产量为因变量的函数图像显示，随着底墒的增加，蛋白质产量先升高后降低，而随着磷肥的增加，蛋白质产量随之增加。解方程得：在底墒250.57 mm 左右时，蛋白质产量得到最大值，由于本试验的底墒设置水平均小于250.57 mm，故底墒>250.57 mm方程曲线所反映的趋势变化，需要在底墒>250.57 mm条件下进行进一步试验研究。分别将底墒250.57 带回原函数得到，在不施磷肥时，产量达4 938.23 kg/hm2、蛋白质量达134.78 mg/g，并通过方程的斜率4.05、0.000 2 看出，随磷肥的增加产量和蛋白质量随之增加，这与刘孝成等[25]、郑志松等[26]、王立秋[27]磷肥的研究结果相同，增施磷肥可以提高小麦籽粒产量和蛋白质量。本试验在此基础上进一步分析回归参数得，磷肥对产量的影响大于对蛋白质量的影响。可见，在底墒250.57 mm 时，籽粒产量和蛋白质量同步提升，磷肥的施入量需要经济效益进行确定。并且，二次多项式逐步回归拟合方程所呈现现有数据点的趋势变化，还需要在更多底墒和磷肥梯度下做进一步研究。