不同生态区环境下春小麦干物质积累及产量形成分析

董艳雪,贾永红,张金汕,李丹丹,王 凯,罗四维,王润琪,石书兵

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院奇台麦类试验站,新疆奇台 831800)

0 引 言

【研究意义】小麦是新疆最主要的粮食作物,新疆有多种不同类型的生态区。不同生态区及品种特性会影响小麦生长发育进程,在不同生态环境下,选择适宜小麦品种,可达到小麦高产优质的目标[1-2]。【前人研究进展】干物质形成是小麦籽粒产量的基础,主要取决于籽粒形成过程中植株光合产物的生产、运转及向籽粒中的分配积累[3]。小麦开花后干物质及花前营养器官积累的同化物向籽粒中转运是影响小麦增产的关键[4-5]。在一定的生态条件下,小麦干物质积累分配往往受遗传因素的影响;相同品种的小麦在不同生态条件下前期和后期干物质积累与分配有所不同。李瑞珂等[6]研究表明,不同基因型小麦花前干物质积累存在显著差异,提高产量要依靠花前干物质积累量高、运转率高的品种。温度会影响小麦植株干物质的积累与分配[7],低温胁迫会降低叶片的光合生产能力以及干物质的积累,会降低小麦产量[8-10]。适量的水分能够促进小麦穗部干物质积累速率,有利于提高小麦产量[11];干旱胁迫、土壤含水量过高都将降低营养器官干物质积累和籽粒灌浆过程[12-13]。【本研究切入点】前人关于在新疆不同生态区种植春小麦的研究主要集中在品质等方面,而对于春小麦干物质积累及产量的形成鲜有报道。需研究新疆北疆不同生态区对春小麦干物质积累和产量形成的影响。【拟解决的关键问题】选用5个春小麦品种,研究在不同生态区条件下,春小麦干物质积累、灌浆特性、产量及其构成因素变化,为新疆北疆春小麦品种选育及高产增效提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

采用二因素试验设计,因素一生态区设新疆奇台、木垒及塔城3个处理;因素二品种设新春44号、新春48号、新春37号、新春26号、宁春16号5个处理。常规条播播种,种植密度为525×104株/hm2,行长为5 m,行距0.2 m,小区面积为2 m×5 m=10 m2,3次重复。滴灌其他田间水肥管理措施均同当地一般高产田。表1,图1,图2

图1 不同生态区4～8月15℃月有效积温及有效积温变化

图2 不同生态区4～8月平均气温变化

表1 不同生态区及小麦播种概况

1.2 方 法

1.2.1 叶面积指数(LAI)测定

各小区选取同天开花且长势一致的植株50株挂牌标记,选取5株于花后0 d开始,每隔7 d测定1次,采用长宽系数法[14]测定绿叶面积,系数为0.83,并计算LAI。

1.2.2 灌籽粒浆速率测定

各小区选取标记样株5株(同1.2.1),自花后0 d开始,每隔5 d取样1次,剥取小麦穗中部位的穗粒放入烘箱内105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重,称量干重。用Logistic[15]方程Y=α/(1+e(β+γt))模拟春小麦籽粒的灌浆过程。其中Y为千粒重,α为最大千粒重,γ为灌浆速率系数,Δt为快速增长期持续时间。

1.2.3 营养生长阶段和生殖生长阶段干物质形成量

分别于春小麦花后0、7、14、21、28及35 d选取样株5株(同1.2.1),将植株的地上部各器官(叶片、茎鞘、穗轴与颖壳、籽粒)分开装入相应的纸袋内,放入烘箱内105℃杀青30 min,80℃烘至恒重,称量干重。计算营养生长阶段干物质形成量和生殖生长阶段干物质形成量:

营养生长阶段干物质形成量(g)=开花期全株干重(g);

生殖生长阶段干物质形成量(g)=收获时全株干重(g)-开花期全株干重(g)。

1.2.4 产量及其构成因素测定

小麦成熟后,每小区选有代表性的1m2(1 m×1m)样区测定有效穗数,并实收测产,脱粒后自然风干,测定千粒重;取10株小麦室内考种,测定穗粒数。

1.3 数据处理

采用Excel2019及SPSS21.0进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同生态条件对春小麦叶面积指数(LAI)的影响

研究表明,随着小麦生育进程的推进,在不同生态区条件下春小麦LAI在花后均呈下降趋势。不同生态条件下各春小麦品种花后LAI表现为奇台>塔城>木垒,且差异显著,与木垒相比,在奇台生态条件下新春44号、新春48号、新春37号、新春26号和宁春16花后LAI分别平均增大28.36%、68.66%、25.14%、40.10%和52.60%。其中,在奇台和木垒生态条件下,新春37号花后LAI最大,在奇台生态区新春37号花后LAI比新春44号、新春48号、新春26号、宁春16增大9.67%、2.31%、7.77%和8.98%,在木垒生态区高12.49%、37.93%、20.65%和32.89%。而塔城生态条件下新春48号花后LAI最大。奇台生态条件下最有利于增大春小麦花后LAI,且不同品种小麦的LAI对生态区的响应不同。图3

图3 不同生态区春小麦花后LAI的变化

2.2 不同生态条件对春小麦营养生长阶段和生殖生长阶段干物质形成影响

研究表明,不同生态区对春小麦营养阶段和生殖阶段形成的干物质影响显著,在奇台生态条件下,不同春小麦品种营养阶段和生殖阶段形成干重及产量表现为最高,平均比木垒高26.41%、33.24%、45.87%,较塔城高出21.14%、17.57%、17.58%。在塔城生态条件下,春小麦营养阶段形成干重中等水平而生殖阶段形成干重较高,木垒生态条件下营养阶段和生殖阶段形成干重最少,不同生态区春小麦早期形成干物质量和晚期形成干物质量不同。表2,图4

图4 不同生态区春小麦营养阶段和生殖阶段形成的干物质与产量的关系

表2 春小麦产量与营养阶段和生殖阶段形成的干物质变化

2.3 不同生态条件对春小麦干物质积累与分配的影响

研究表明,在不同生态区条件下,春小麦成熟期各器官干物质积累量和分配率的表现为籽粒>茎鞘>颖壳+穗轴>叶片,其中籽粒分配比例达到43.23%～53.37%。不同生态条件下春小麦籽粒分配比例表现为塔城>奇台>木垒,且差异显著,在奇台生态区各品种春小麦籽粒重分别比塔城、木垒高10.17%、3.00%。在3个生态区中新春37号籽粒分配比例的均值最高,较新春44号、新春48号、新春26号、宁春16高3.25%、9.32%、0.32%和7.22%,但在塔城生态区,新春44号的籽粒重及分配比例表现为最高,其分配比例比新春48号、新春37号、新春26号、宁春16高7.15%、4.22%、0.74%、7.47%。不同品种小麦在不同生态区茎鞘干物质分配比例为22.14%～29.83%。不同生态区各品种春小麦叶片与颖壳的干物质积累量差异不显著。表3

表3 不同生态区春小麦成熟期干物质分配

2.4 籽粒灌浆模型及特征参数

研究表明,各拟合方程的决定系数均大于0.95,运用Logistic方程能很好地描述籽粒灌浆过程。在不同生态条件下,各品种春小麦理论最大灌浆粒重、快速灌浆持续时间表现为奇台>塔城>木垒。在奇台生态区,春小麦最大灌浆粒重、快速灌浆持续时间比木垒生态区提高11.69%、 24.20%。其中在奇台生态条件下,新春44号最大灌浆粒重、快速灌浆持续时间最大,比新春48号、新春37号、新春26号和宁春16高出9.64%、16.48%、18.35%、7.10%,快速灌浆持续时间分别高出19.45%、28.56%、26.36%、14.42%。奇台生态区有利于延长春小麦籽粒灌浆时间,增大小麦千粒重。表4

表4 不同生态区春小麦籽粒产量和灌浆方程参数

产量高的春小麦,基本上处于灌浆最大粒重较大但灌浆速率系数较小的位置,产量高的情况是灌浆库容大而灌浆速率较小的类型,该类型主要出现在奇台,其次是塔城,最后是木垒。灌浆增大库容且延长了灌浆时间,是奇台产量较高的原因之一。5个供试品种中,新春44号的灌浆系数γ在3个生态区表现为木垒>塔城>奇台,而最大灌浆粒重α表现为奇台>塔城>木垒其他4个品种也基本相似。种植在奇台库容最大、塔城次之、木垒最小;种植在奇台灌浆速率最小,塔城次之、木垒最大。图5

图5 不同生态区春小麦灌浆系数α、γ与产量

2.5 不同生态条件对春小麦产量构成因素及产量的影响

研究表明,在奇台生态条件下,不同春小麦品种穗数、穗粒数、千粒重及产量表现为最大,平均比木垒高3.38%、0.74%、26.99%、45.87%,较塔城高2.67%、5.97%、4.86%、17.58%。其中,奇台生态区新春48号的穗粒数比其他品种高15.18%～21.88%,新春44号千粒重比其他品种高5.83%～19.39%,新春37号产量比其他品种高0.92%～8.25%;在木垒生态区新春48号穗粒数较其他品种高11.85%～26.58%,新春44号千粒重高12.56%～22.79%,新春37号产量高6.14%～19.52%。塔城生态区穗粒数表现最高的品种为新春26号,新春44号的千粒重和产量均高于其他品种,其中新春26号的穗粒数较新春44号、新春48号、新春37号、宁春16高13.58%、2.92%、6.09%、4.34%,产量高9.37%、4.12%、10.58%、19.64%。5个品种在奇台产量均高,塔城次之,木垒均最低,3个生态区奇台最好、塔城次之,木垒最差;5个品种在奇台的产量均高于平均产量(7 022.50 kg/hm2),5个品种均可在奇台种植;新春37号和新春44号在塔城超过平均产量,适合在塔城种植;5个品种在木垒生态区的产量均低于平均产量,新春37号较为适应种植。表5、表6

表5 不同生态区春小麦产量构成因素

表6 不同生态区5个品种春小麦产量

3 讨 论

3.1不同的生态条件会对小麦产量有影响,适区种植可提高小麦产量。产量与干物质的积累密切相关。干物质是光合产物的最终形态,干物质的积累和转运对产量形成起着决定性作用[16]。于振文等[17]在研究中发现,黄淮麦区随着施氮量的增加,各生育期干物质积累量增多,获得9 000kg/hm2的超高产。研究结果表明,不同品种春小麦在各生态区种植下成熟期各器官干物质积累变化均表现为籽粒>茎鞘>颖壳+穗轴>叶片,但同一品种小麦在不同生态区及不同小麦品种在同一生态区干物质积累和单株籽粒的分配比例差异显著,春小麦各器官的干物质积累、分配及转运受环境生态因素及品种的影响。新春37号在奇台和木垒干物质积累及单株籽粒重都具有较高表现,可能是因为新春37号抗逆性较好,在海拔高,有效积温小的情况下具有较强的适应性。

3.2干物质积累量越高,能有效提高干物质向籽粒的转运[18-19]。研究结果表明,各品种在奇台营养生长阶段干物质积累和生殖生长阶段干物质积累最高,在塔城营养生长阶段形成干重中等水平而生殖生长阶段形成干重较高,在木垒营养生长阶段和生殖生长阶段形成干重最少。花后干物质积累量越大,小麦产量越高,与前人研究结果相似[20]。小麦粒重受灌浆速率和持续时间的综合影响[21-23]。木垒生态区小麦籽粒重最低,籽粒重降低的原因可能是因为木垒海拔高,有效积温低于其他两地,且昼夜温差大,影响了籽粒灌浆进程,小麦籽粒成熟度不够,导致木垒地区小麦的粒重降低,与前人研究结果一致[24-25]。

3.3王晶晶等[26]研究中发现,同一品种作物在不同生态区的产量存在显著性差异,不同品种作物在同一生态区的产量差异也达显著水平。还有研究表明,小麦生长及高产需要适宜的土壤含水量,过高或过低的水分都会影响小麦产量[27]。研究结果表明,在新疆3个生态区中奇台和木垒产量较高的小麦品种依次为新春37号,新春26号和新春44号;在塔城产量较高的小麦品种依次为新春44号,新春37号和新春48号。另外,同一品种小麦在不同生态区产量会产生一定的变化,奇台和塔城的产量高于木垒。可能是由于木垒种植小麦地区海拔高,有效积温小,灌水条件差,导致木垒小麦产量低。奇台和木垒生态区新春37号表现较好,新春44号在塔城表现较好。不同的生态条件和品种会影响小麦的干物质积累和产量,研究仅对北疆3个不同生态区春小麦的干物质积累和产量进行了研究,有关不同生态条件对春小麦种子活力的影响有待进一步研究。

4 结 论

品种和环境因素对新疆春小麦生长特性及产量均有显著影响,3个生态区干物质积累转运及产量表现为奇台>塔城>木垒,奇台生态区水热气条件较好,更适宜小麦生长发育,可促进春小麦营养生长阶段及生殖生长阶段干物质积累,增大春小麦籽粒库容量,进而增大了产量;木垒生态区海拔较其他两地高,有效积温小,不利于干物质积累和分配及转运,籽粒库容量小,导致产量较低。奇台生态区适宜种植新春37号和新春26号,塔城生态区适宜种植新春44号,木垒生态区适宜种植新春37号。