不同高低畦种植模式对冬小麦干物质积累和产量的影响

2024-08-23周江明韩小伟田雪慧武利峰高英波李明军李伟李树兵郝延杰韩哲高琪

江苏农业科学 2024年14期

摘要：为明确黄淮海流域不同种植模式下冬小麦产量、干物质积累、分配和转运的响应及其生理机制，筛选适宜的种植模式以实现小麦高产稳产。于2020—2022年冬小麦生长季，采用衡观35小麦品种为材料，设置小畦平作（SFP）、两高四低（THFLP）、四高两低（FHTLP）3种种植模式，分析不同种植模式下产量、干物质积累量、干物质转运量和叶面积指数等指标差异，并对其进行相关性分析。结果表明，THFLP处理下小麦产量、穗数和成熟期干物质积累量均最高，较SFP和FHTLP，2020—2021年产量分别提高23.65%、13.20%，穗数分别提高34.78%、18.83%，成熟期干物质总积累量分别提高45.89%、14.66%，叶面积指数分别提高66.69%、16.94%；2021—2022年产量分别提高24.21%、10.13%，穗数分别提高38.55%、21.38%，成熟期干物质总积累量分别提高47.57%、13.64%，叶面积指数分别提高75.30%、14.74%。3种种植模式花后干物质同化量对籽粒贡献率均高于花前营养器官转运量对籽粒贡献率，且2年花后干物质同化量对籽粒贡献率均以THFLP最高，与SFP、 FHTLP的差异均达到显著水平。综上，THFLP通过合理调整农田微地形优化小麦群体结构，达到增大种植密度、叶面积指数和加强花后干物质同化量的目的，以提高小麦干物质积累量，最终显著提高小麦产量，是井灌区较为理想的高产栽培模式。

关键词：冬小麦；种植模式；产量；干物质积累与转运；穗数

中图分类号：S512.1+10.4" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）14-0064-09

收稿日期：2023-10-09

基金项目：山东省科技特派员行动计划（编号：2020KJTPY057）；滨州市农社领域科技创新政策引导计划（编号：2023KTPY005）。

作者简介：周江明（1976—），男，山东滨州人，高级农艺师，从事作物栽培生理研究。E-mail：18366833521@163.com。

通信作者：韩小伟，硕士，农艺师，从事作物栽培生理研究。E-mail：506376089@qq.com。

小麦是世界上重要的粮食作物，其产量仅次于玉米位居世界第二。而我国又是世界上最大的小麦生产和消费国，华北平原耕地面积约占全国总耕地面积的21％，其中冬小麦播种面积和产量约占全国的66%、75%［1-3］。同时，华北井灌区也是我国重要的粮食及蔬菜主产区之一，其生产稳定性将直接影响我国的粮食安全。由于水资源缺乏，其农业灌溉方式主要以井灌为主，目前，华北井灌区拥有灌溉机电井374.3万眼，灌溉辐射范围为1.067×107 hm2，占全国井灌面积的58.6%［4］。井灌区根据其灌溉特点使小麦、玉米种植方式多以小畦种植为主，畦面宽度可大致分为155、220、240、360 cm等规格，畦埂高和宽分别为20～25 cm和40～50 cm，其截面为三角形或梯形样式，甚至多数地区采用 155 cm 规格的栽培方式，导致土地利用大幅下降，同时也加剧了农作物病虫草害的发生程度［5-6］。

干物质作为光合作用积累的最终产物，是决定产量的基础［7］。而植株花前干物质积累和花后干物质再转运是决定产量高低的本质因素。关于小麦花前、花后干物质积累及转运研究结论不尽相同，且大量研究表明花前干物质积累对籽粒产量贡献率较小，而产量提高主要来源于花后干物质积累［7-9］；亦有研究认为籽粒产量的形成是花前、花后共同作用的结果［10］。不同栽培方式、田间管理及环境等因素对植株花前干物质积累和花后营养器官干物质再转运具有不同的调控作用［11-14］。前人关于小麦干物质积累及转运主要集中于常规的栽培模式及田间管理等措施的研究，而对于高低畦新型栽培方式对小麦产量和干物质影响鲜有报道，井灌区多采用小畦平作种植模式，由于畦埂较多导致土地利用率下降，探索新型种植模式也是突破产量瓶颈的有效途径之一。鉴于此，本研究以井灌区小畦平作为基础，设置高低畦种植模式，以此探明高低畦种植模式下小麦干物质积累与再转运机制，旨在打破井灌区产量壁垒，为小麦高产稳产提供新的耕作种植模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2022年小麦季在山东省滨州市博兴县曹王镇试验点（118°10′32″Ｅ，37°3′37″Ｎ）进行，试验点位于华北平原冬小麦、夏玉米一年两熟种植区，该区年均降水量为710.32 mm，年均气温为15.23 ℃。土壤为沙壤土，地势平坦，肥力均匀。有机质含量为14.1 g/kg、全氮含量为1.08 g/kg、碱解氮含量为57.89 mg/kg、速效磷含量为 18.67 mg/kg、速效钾含量为160.57 mg/kg。两茬小麦生长阶段每月平均降水量及平均气温见图1。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组试验设计，设置3个处理，分别为小畦平作种植模式（SFP）、两高四低种植模式（THFLP）和四高两低种植模式（FHTLP）（图2）。小区面积为144 m2（12 m×12 m），3次重复。SFP中畦面总宽度为1.5 m，下口宽1 m，种植4行小麦，行距为25 cm；THFLP中高畦畦面宽42.5 cm，低畦上口宽107.5 cm，下口宽88 cm，高畦和低畦上分别种植2行和4行小麦，行距均为25 cm；FHTLP中高畦畦面宽88 cm，低畦上口宽62 cm，下口宽42.5 cm，高畦和低畦上分别种植4行和2行小麦，行距均为25 cm。

试验选用小麦品种衡观35为供试材料，播种量为120 kg/hm2，第1个小麦季于2020年10月8日播种，2021年6月8日收获，第2个小麦季于2021年10月6日播种，2022年6月7日收获。纯氮肥施用总量为225 kg/hm2，按比例6 ∶4分别于播期和拔节期施入，P2O5和K2O施用量均为120 kg/hm2，作基肥一次性施入。肥料品种采用尿素（N，46%）、过磷酸钙（P2O5，18%）和硫酸钾（K2O，50%）。SFP采用传统大水漫灌，THFLP和FHTLP均为低畦漫灌，高畦渗透浇灌方式。其他田间管理措施同一般高产攻关田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质和叶面积指数测定

分别于小麦开花期和成熟期，SFP选取20株样品用于生物量测量，THFLP和FHTLP生产单元内每行选取20株样品用于生物量测量，开花期将样品分为茎秆、叶片、穗3个部分，成熟期将样品分为茎秆、叶片、穗轴+ 颖壳、籽粒4个部分，将样品于105 ℃杀青 0.5 h，70 ℃烘至恒重后称其干物质量。

1.3.2 植株叶面积指数测定

于小麦开花期，SFP选取20株样品用于叶面积测量，THFLP和FHTLP生产单元内每行选取20株样品用于叶面积测量，叶面积测定采用长宽系数法（长×宽×0.83）。叶面积指数（LAI）计算公式为：LAI=取样叶面积/取样面积［15］。

1.3.3 产量及其构成因素测定

于小麦成熟期，SFP选取具有代表性的3.0 m2（2.0 m×1.5 m）样方进行收获，THFLP和FHTLP选取具有代表性生产单元3.0 m2（2.0 m×1.5 m）进行收获，晾晒后进行实收计产，并调查成穗数，按13%含水量折算其产量；SFP选取20穗进行室内考种，THFLP和FHTLP生产单元内每行选取20穗进行室内考种，调查穗粒数和千粒重等指标。

1.3.4 干物质运转计算公式

参照前人报道的方法［16］进行计算：

花前干物质转运量=开花期地上部干物质积累量-成熟期地上部营养器官干物质积累量；

花前干物质转运效率=（开花期地上部干物质积累量－成熟期地上部营养器官干物质积累量）/开花期地上部干物质积累量×100%；

花后干物质同化量=成熟期籽粒干重－花前干物质转运量；

花前干物质转运量对籽粒贡献率=花前干物

质转运量/成熟期籽粒干重×100%；

花后干物质同化量对籽粒贡献率=花后干物质同化量/成熟期籽粒干重×100%。

1.4 数据处理及分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019进行录入，利用Origin 2021软件绘制相关分析图，并用SPSS 23.0软件进行显著性检验（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对冬小麦产量及其构成因素的影响

2年试验结果（表1）一致表明，不同种植模式下产量和穗数均以THFLP最高，较SBF和FHTLP，2020—2021年产量分别提高23.65%、13.20%，穗数分别提高34.78%、18.83%，且均达到显著水平；2021—2022年产量分别提高24.21%、10.13%，穗数分别提高38.55%、21.38%，且均达到显著水平。相同年份不同种植模式下穗粒数及千粒重均以THFLP最低且均达到显著水平，较SFP和FHTLP，2020—2021年穗粒数分别降低6.40%、3.06%，千粒重分别降低2.01%、1.76%；2021—2022年穗粒数分别降低5.46%、5.30%，千粒重分别降低5.21%、4.22%。

由方差分析结果（表1）可知，种植模式对产量、穗数、穗粒数及千粒重均表现为显著性影响；年份对千粒重和穗粒数均表现为显著性影响；种植模式与年份间交互作用对产量、穗数、穗粒数均未达到显著影响。

2.2 不同种植模式对冬小麦地上部干物质积累量的影响

由图3可知，相同年份不同种植模式下开花期和成熟期小麦地上部干物质总积累量均以THFLP处理最高，较SFP和FHTLP，2020—2021年开花期干物质总积累量分别提高45.40%、1.40%，成熟期干物质总积累量分别提高45.89%、14.66%，2021—2022年开花期干物质总积累量分别提高48.61%、5.47%，成熟期干物质总积累量分别提高47.57%、13.64%，2年结果一致表明，开花期THFLP与SFP干物质总积累量差异达到极显著水平，成熟期THFLP与SFP、FHTLP干物质总积累量均达到显著或极显著水平。

相同年份同一种植模式下成熟期小麦各器官干物质积累量均表现为：籽粒gt;茎gt;叶≈穗轴和颖壳，2020—2021年SFP、THFLP和FHTLP籽粒分配率分别为56.83%、48.18%、48.77%，2021—2022年SFP、THFLP和FHTLP籽粒分配率分别为57.01%、47.64%、48.51%。相同年份不同种植模式下，开花期茎、叶和穗干物质积累量均以THFLP和FHTLP处理相对较高，且两者间各器官干物质积累量均无显著性差异，与SFP处理下各器官干物质积累量的差异均达到显著水平；成熟期茎、叶、穗轴和颖壳、籽粒干物质积累量均以THFLP最高，与FHTLP和SFP处理下各器官干物质积累量的差异达到显著水平。

2.3 种植结构内在因素（模式内部构成单元）对冬小麦地上部干物质积累量的影响

由图4可知，在2个生长季，开花期每米单行小麦干物质积累量均以THFLP-HP最高，较 THFLP-LP、FHTLP-LP、FHTLP-HP和SFP，2020—2021年干物质积累量分别提高32.39%、11.55%、21.75%、2.99%；2021—2022年干物质积累量分别提高32.44%、18.39%、29.04%、7.99%；且THFLP-HP与THFLP-LP、FHTLP-HP均呈显著性差异。成熟期每米单行小麦干物质积累量均以FHTLP-HP最低，相比THFLP-LP、THFLP-HP、FHTLP-LP和SFP，2020—2021年干物质积累量分别降低14.60%、10.77%、13.27%、17.51%，且FHTLP-HP与SFP呈显著性差异；2021—2022年干物质积累量分别降低15.66%、11.88%、13.27%、15.28%，且FHTLP-HP与THFLP-LP、SFP均呈显著性差异。相同年份不同种植方式下，开花期茎、叶和穗干物质积累量均以THFLP-HP处理最高；成熟期茎、叶、穗轴和颖壳、籽粒干物质积累量均以FHTLP-HP最低。

2.4 不同种植模式对冬小麦花前营养器官干物质运转及花后干物质同化的影响

2年试验结果（表2）显示，不同种植模式下花后干物质同化量对籽粒贡献率均高于花前营养器官转运量对籽粒贡献率；花前干物质转运量对籽粒贡献率为1.57%～18.67%，花后干物质同化量对籽粒贡献率为81.33%～98.43%。营养器官花前干物质转运量、转运效率和对籽粒贡献率均以THFLP最低，与SFP、 FHTLP差异均达到显著水平。结果表明，营养器官花后干物质同化量和对籽粒贡献率均以THFLP最高，与SFP、FHTLP差异均达到显著水平。

方差分析结果（表2）显示，种植模式对营养器官花前干物质转运量、转运效率、贡献率和花后干物质同化量、贡献率均表现为显著性影响；年份对营养器官花前干物质转运量、转运量对籽粒贡献率和花后干物质同化量对籽粒贡献率均表现为显著性影响；种植模式和年份交互作用对各指标均无显著性影响。

2.5 不同种植模式对冬小麦开花期叶面积指数的影响

由图5-a可知，2年叶面积指数均以THFLP处理最高，较SFP和FHTLP，2020—2021年叶面积指数分别提高66.69%和16.94%，与SFP和FHTLP差异达到极显著水平；2021—2022年叶面积指数分别提高75.30%和14.74%，与SFP差异达到极显著水平。2年试验结果（图5-b）一致表明，THFLP-HP种植方式下每米单行冬小麦叶面积最高，较SFP、THFLP-LP、FHTLP-LP和FHTLP-HP，2020—2021年叶面积分别提高23.73%、16.76%、18.63%、35.62%，2021—2022年叶面积分别显著提高42.89%、35.97%、26.04%、47.18%。

2.6 干物质积累、运转、同化与叶面积指数及产量间关系

2个试验年度3种不同种植模式下小麦各指标间的相关性分析结果（图6）表明，开花期干物质积累量、成熟期干物质积累量、花后干物质同化量、穗数、穗粒数、产量均与叶面积指数呈显著或极显著相关关系，相关系数分别为0.95、0.99、0.90、0.94、-0.82、0.96。开花期干物质积累量、成熟期干物质积累量、花前干物质转运量、花后干物质同化量、穗数、穗粒数均与产量呈显著或极显著相关关系，相关系数分别为0.88、0.98、－0.83、0.97、0.98、-0.83。

3 讨论

3.1 不同种植模式对冬小麦产量及其构成因素的影响

前人研究表明，小麦产量的形成受品种、耕作方式、土壤肥力及气候条件等多因素共同影响［17-19］。其中耕作方式是通过优化群体结构、改变农田微地形和改良土壤物理性状等方式调整农田小

气候来促进作物生长发育达到丰产增效的目的［20-22］。有研究认为，垄作种植模式通过加高加厚活土层提高耕层温度，促进微生物生长，加速土壤有机质分解，激发农作物对土壤养分的吸收和利用；同时垄作种植模式下土壤的蓄水、保肥、通风、透光、防涝、防旱能力均得到加强，利于壮苗形成，垄作种植模式较平作种植模式产量均有不同程度的提高［23-25］；而沟播种植模式通过优化群体结构增强小麦群体的光能截获量、气孔导度、蒸腾速率等指标，同时沟播种植模式较平作种植模式具有较好的集雨保墒效果，提高土壤蓄水量，以此达到丰产增效的目的［26-27］。本研究结合井灌区多以小畦平作种植特点为突破口，探究新型栽培模式以优化井灌区种植结构，打破传统模式限制突破产量壁垒。小畦平作种植模式土地利用率仅为2/3，为便于灌溉1/3土地起垄阻水，土地利用率降低导致小麦单位面积穗数相比河灌区显著减少，且大面积裸露的畦埂易孳生病虫草害，影响小麦生育期内正常生长发育。基于垄作和沟播种植模式的作用机制，再结合当地传统种植模式，滨州市农业科学院首创高低畦种植模式，此模式是将近似拱形或三角形的原畦埂平面调整为梯形平面，在不改变阻水效果的基础上多播2行或4行小麦。

小麦单位面积穗数、穗粒数及千粒重是决定其产量的关键因素［28］。在本试验条件下，穗数、穗粒数与产量呈显著或极显著相关关系，相关系数分别为0.98、-0.83。THFLP较SFP和FHTLP，2020—2021年产量分别提高23.65%、13.20%，2021—2022年产量分别提高24.21%、10.13%；THFLP的穗粒数和千粒重较其他2种模式低，穗粒数与单位面积穗数呈极显著负相关关系，单位面积穗数较高是此模式下产量提高的主导因素，这与陈久月等的研究结果［29］基本一致。FHTLP处理下由于高畦种植面积相对较大增加了整地难度，易造成缺苗断垄现象，同时高畦面积过大增强了土壤的散墒效果和低畦浇水不易渗透高畦等问题造成小麦减产，此结论有待进一步试验验证。

3.2 不同种植模式对冬小麦干物质积累及转运的影响

植物通过光合作用形成同化物最终以干物质形态呈现，干物质是产量形成的基础［30］。干物质积累量与产量呈显著正相关关系［31］；与本研究结论基本一致，开花期干物质积累量和成熟期干物质积累量与产量呈显著或极显著正相关关系，相关系数分别为 0.88、0.98；不同种植模式对植株干物质积累总量表现为不同程度的影响，开花期和成熟期THFLP处理下2年干物质积累总量均最高，较SFP和FHTLP，2020—2021年开花期干物质总积累量分别提高45.40%、1.40%，成熟期干物质总积累量分别提高45.89%、14.66%，2021—2022年开花期干物质总积累量分别提高48.61%、5.47%，成熟期干物质总积累量分别提高47.57%和13.64%。在一定范围内，小麦干物质积累量随播种密度的增加而增加［32］。本研究表明，同样1.5 m播种带宽，高低畦种植模式较传统小畦平作种植模式多播种2行小麦，增加小麦播种密度是提高干物质积累量的主要因素。2种高低畦种植模式下开花期和成熟期干物质积累量差异主要是由于每条播种带内冠层结构的不同引起的。在2个生长季，开花期每米单行小麦干物质积累量均以THFLP-HP最高，较 THFLP-LP、FHTLP-LP和FHTLP-HP，2020—2021年干物质积累量分别提高32.39%、11.55%、21.75%；2021—2022年干物质积累量分别提高32.44%、18.39%、29.04%；成熟期每米单行小麦干物质积累量均以FHTLP-HP最低，较THFLP-LP、THFLP-HP和FHTLP-LP，2020—2021年干物质积累量分别降低14.60%、10.77%、13.27%；2021—2022年干物质积累量分别降低15.66%、11.88%、13.27%。营养生长阶段THFLP处理下高畦上植株通风、透光相对较好，有利于增强植株下部叶片光合能力，提高光能截获量，充分发挥高畦边行优势特点，故THFLP处理下高畦上小麦植株生长较为旺盛，这与李升东等关于垄作研究的基本原理［33］基本一致；而FHTLP处理下由于高畦畦面较宽导致低畦水分不易侧渗高畦，使得高畦植株产生干旱胁迫效应阻碍小麦生长发育，同时随生育时期的推进温度不断升高，高畦上太阳辐射较强增大了土壤散墒风险和植株蒸腾作用［34-35］。产量形成主要是源于花前营养器官储存物质的再分配和花后干物质同化量2个部分组成。常磊等研究认为花前营养器官干物质转运量对籽粒的贡献率为35.6%～54.9%，花后干物质同化量对籽粒贡献率为45.0%［10］；但也有研究认为花前营养器官干物质转运量对籽粒贡献率为57.04%～77.22%，花后干物质同化量对籽粒贡献率为22.78%～42.96%［35］。本试验结果表明，花前干物质转运量和花后干物质同化量与产量呈显著或极显著相关关系，相关系数分别为-0.83、0.97。不同种植模式主要以花后干物质同化量对籽粒贡献为主，花前干物质转运量对籽粒贡献率仅为1.57%～18.67%，花后干物质同化量对籽粒贡献率为81.33%～98.43%。

3.3 不同种植模式对冬小麦叶面积及叶面积指数的影响

叶片是植物进行光合作用最主要的器官。叶面积指数是评价植株长势、光能利用率和预测产量的重要指标［36-37］。通过调节叶片着生状态和伸展方向形成合理的冠层结构，有利于植株吸收足够光能来增强光合作用，继而提高干物质量和籽粒产量［38］。种植密度过高使其上部叶片生长旺盛导致叶片相互遮蔽易造成中下部叶片光能利用率下降，影响作物整体光合作用能力［39］。合理的种植模式、肥料运筹及品种均可优化群体冠层结构，以保障群体内不同层次叶片受光程度趋于最优化［20］。本试验结果表明，开花期干物质积累量和成熟期干物质积累量与叶面积指数呈极显著相关关系，相关系数分别为0.95、0.99。2年叶面积指数均以THFLP处理最高，较SFP和FHTLP，2020—2021年叶面积指数分别提高66.69%和16.94%；2021—2022年叶面积指数分别提高75.30%和14.74%。2种高低畦种植模式主要通过提高小麦种植密度来增大单位土地叶面积来增强群体光合效率；虽然高低畦栽培模式种植密度增大，加剧了叶片相互遮挡的风险，但以其独特的波浪形地表结构增大了太阳辐射截获面积，同时调整群体冠层结构形成条形风道以改善通风情况。FHTLP处理下高畦植株的干旱胁迫效应是导致其叶面积指数相对较低的主要原因。

4 结论

2种高低畦模式相比小畦平作模式优势在于通过调整农田微地形构建波浪形地表结构，达到化畦埂为耕地的目的，以此增大单位土地面积上播种密度；植株高低搭配形成独特的冠层结构增大了太阳辐射截获量，同时形成的条形风道以改善冠层内部通风情况。FHTLP相比THFLP弊端在于高畦面积较大增加了整地难度，易造成缺苗断垄现象；同时高畦太阳辐射量的增大加剧了土壤散墒效果、植株蒸腾作用和低畦浇水不易渗透高畦等问题，使得高畦上的小麦易产生干旱胁迫效应影响植株正常生长发育。THFLP通过合理增大种植密度、叶面积指数、光合辐射量、冠层进风量和加强花后干物质同化量和来提高小麦干物质积累量，最终显著提高小麦产量。

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