华北平原是我国粮食作物主产区,“冬小麦-夏玉米”一年两熟轮作体系是该区域的主要农作制度。
随着气候变暖和水资源日趋紧缺,为了提高周年产量和水分利用效率,近年来各地推广了夏玉米晚收、冬小麦晚播的“双晚”技术,该技术模式的优势在于:
夏玉米适当晚收,有利于高效利用有限的光热资源,增加粒重,提高单产;此外,冬小麦适期晚播,有利于减少冬前耗水,并避免旺长,有利于安全越冬。在适期晚播的情况下,为了获得较高的小麦产量,通常采用加大播种量、增加基本苗来获得足够的冬前群体,但如果冬前群体生长过旺会造成冬前水分的严重浪费,播量过高还会增加行内株间竞争,不利于群体生产力和资源利用效率的提高。为了创造较为合理的冬小麦群体结构,以提高冬小麦群体光热和水资源的利用效率,已有学者研究了耕作措施、播期和密度、肥水调控、行距调整等措施对冬小麦群体结构和物质积累的影响,这些研究对冬小麦高产群体结构的创建具有一定的借鉴意义。另外,种植方式和行距调整也影响冬小麦的水分利用效率,有学者提出垄作种植方式可以比平作节水30%;董浩等研究认为,与等行距处理相比,“沟播结合灌拔节水+开花水”是华北地区较适宜的节水方式。然而,在当前土地连片、规模化种植的趋势下,上述内容中提及的种植方式在生产中难以大面积应用,平作条播仍是冬小麦主要的种植方式。
有研究认为,平播时较宽行距(30cm)使土壤蒸发量增加了17%,而缩小行距可以提高水分利用效率。但是有关晚播、大群体栽培条件下,行距调整对冬小麦物质生产、水分利用和产量的影响效应未见报道。针对上述问题,本研究在华北地区过晚播(冬前叶龄小于3)、有限灌溉条件下,研究不同行距对冬小麦群体叶面积指数(Leaf area index,LAI)、物质积累与运转、生育阶段土壤水分消耗、水分利用参数、群体产量和水分利用效率的影响,以期为晚播节水栽培条件下的冬小麦群体调控技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验条件与试验设计
试验于2011—2013年度在中国农业大学吴桥实验站(北纬37°41′02″,东经106°37′23″)进行,该区域全年光照2 724.8h,年平均气温12.9℃,无霜期201d,小麦生长季内的降雨量如图1所示。试验地为壤质底黏潮土,播种前耕层基础地力情况列于表1。以华北地区主栽的冬小麦品种济麦22为试验材料,设置3个行距处理:12cm(R12)、20cm(R20)和30cm(R30)。试验采用裂区设计,重复3次,小区面积24m2。施肥量参照冬小麦简化栽培模式:尿素225kg/hm2、磷酸二铵300kg/hm2、硫酸钾150kg/hm2、硫酸锌15kg/hm2,均作底肥一次性施入。
2011—2012年度的播种期为11月2日,因降温降雪早,小麦入冬前叶龄为第1叶露尖;2012—2013年度的播种期为10月25日,入冬叶龄为2叶1心。
2年的前茬均为玉米,小麦基本苗均设为705万株/hm2,由于两年春季拔节期皆有降雨,生育期内均只浇开花水(750m3/hm2),使用水表控制灌水量。
1.2 测定项目和方法
1.2.1 地上部生物量和LAI在越冬前、返青、拔节、孕穗、开花、灌浆和成熟等7个生育时期,每个处理取长度为50cm的样段,重复3次,将不同器官分开,装入纸袋在105℃杀青30min后,在70℃烘干至恒重,依据比叶重法计算叶面积指数(LAI)。
1.2.2 营养器官贮藏物转移量及其对籽粒的贡献率开花期前后贮藏物以及向籽粒转运量和贡献率的计算方法如下:营养器官花前贮藏物质转运量=开花期营养器官干重-成熟期营养器官干重营养器官花前贮藏物对籽粒重的贡献率/%=花前贮藏物质转运量/成熟期籽粒干重×100产量物质来自花后同化量=成熟期籽粒干重-花前贮藏物质转运量花后同化量对籽粒重的贡献率/%=花后同化物量/成熟期籽粒干重×1001.2.3土壤含水量在各个生育时期,在每个重复小区的中部,用“土钻法”分层(20cm/层)取0~200cm土体各层土样,取出的土样置于铝盒中,置于110℃下烘干,计算土壤含水量,土壤含水量(%)的计算方法如下:
土壤含水量/%=(湿土重-干土重)/干土重×1001.2.4农田耗水量和水分利用参数采用农田水量平衡方程计算冬小麦各个生育时期内0~200cm土体的耗水量ET=W+P+I-D+Wg-R式中:ET为冬小麦生育期内农田耗水量,mm;ΔW为生育期内土壤水分变化量(ΔW=播种时土体内水层厚度-收获时土体水层厚度);P为降水量,mm;I为灌溉量,mm;D为灌溉后土壤水向下层流动量;Wg为深层地下水利用量;R为地表径流。试验地区地下水位超过7m,且无地表径流,Wg、D和R可忽略,所以农田耗水量的计算采用:ET=ΔW+P+I,灌溉量(I)通过水表控制,降水量(mm)参照试验田500m附近人工气象站的降水量。水分利用效率(WUE,kg/(hm2·mm))=籽粒产量(kg/hm2)/ET(mm)其他水分利用特征参数的计算方法如下:耗水强度(WCI,mm/d)=生育阶段土壤水分蒸散总量(mm)/生育阶段持续时间(d)耗水模系数(WCP,%)=生育阶段土壤水分蒸散总量(mm)/生育期土壤水分蒸散总量(mm)×1001.2.5产量每个重复收获2m2,脱粒称重,并折算为14%含水量下的产量。
1.2.6 数据统计用Excel 2010整理数据,运用DPS 7.05数据处理系统和Duncan新复极差法进行方差分析和多重比较。
2 结果与分析
2.1 行距对晚播冬小麦群体物质积累和LAI的影响
LAI和群体物质积累是群体产量形成的重要指标。
2个生长季内LAI和群体物质积累除冬前存在差异外,春季返青后的趋势基本一致,本研究以2012—2013年度的结果加以说明。
3个行距处理的LAI在生育期内的变化趋势相同(图2),在返青期,R12的LAI大于R20和R30,处理间差异不显着(F=1.24,P=0.35);起身期以后,各个处理的LAI均逐渐上升,孕穗期达到最大值,R12、R20、R30的最大LAI分别为6.24、5.49和4.99,其中,R12显着高于R20(F=5.30,P=0.05)。“返青-灌浆”期间较窄行距处理(R12)的LAI始终大于其他2个处理。各处理不同生育时期群体物质积累变化如图3所示。拔节期之前,3个处理的群体物质积累量差异不明显;从孕穗期开始,R12群体物质积累速度明显加快,成熟期R12、R20和R30物质积累量分别为:18 516、16 595和16 087kg/hm2,R12显着高于R20、R30(F=30.2,P=0.04)。
各处理开花期前后的物质积累量、转运量及其对籽粒贡献率如表2所示,R20和R30营养器官的花前贮藏物质转运量、花前贮藏物对籽粒贡献率略高于R12,3个处理间无显着差异;花后物质积累量及其对籽粒的贡献率随着行距的增大而减小,R12的花后同化量及其对籽粒贡献率显着高于R30,而R20与R30之间无显着差异。
2.2 行距对冬小麦阶段耗水和成熟期各层土壤含水量的影响
不同生育阶段耗水参数列于表3,2个年度由于播期、降水分布和生育进度的差异,小麦阶段耗水特征也有所不同。播种-返青、返青-拔节2个年度耗水强度都较小,但由于2012—2013年度播期较早因而耗水强度和耗水比例高于2011—2012年度。拔节-开花、开花-灌浆2个阶段的耗水强度和耗水比例都相对较高,2个阶段的耗水比例达到60%~70%左右,以开花-灌浆期的耗水比例最高,占全生育期耗水35%以上。
2011—2012年度开花-灌浆期间耗水强度和耗水比例随行距缩小而显着增加,但R12和R20之间无显着差异;2012—2013年度则表现为拔节-开花期间耗水强度和耗水比例随行距缩小而显着增加。灌浆-成熟期间耗水强度和耗水比例在2011—2012年度表现为随行距缩小而显着减少,在2012—2013年度行距间无显着差异。
成熟期0~40cm土层土壤含水量占0~200cm土体中总含水量的比值在年际间和处理间无明显差异,而40~80、80~120、120~200cm土层土壤含水量占0~200cm土体中总含水量的比值在年际间和处理间都有一定差异(图4)。2012—2013年度40~120cm土壤含水量所占比值高于2011—2012年度,120cm以下土壤含水量所占比值低于2011—2012年度,说明2012—2013年度冬小麦对120cm以下土层水分的消耗更多些。另外,2个年度都表现为,随着行距缩小,40~120cm土壤含水量所占比值减小,说明缩小行距增加了冬小麦对40~120cm土层水分的消耗。
2.3 行距对晚播冬小麦群体产量和水分利用效率的影响
各个处理的产量构成因素如表4所示,收获穗数在处理间没有显着差异,穗粒数和千粒重随着行距的增加而减小,千粒重在3个处理间没有显着差异,穗粒数是处理间产量差异的主要因素,R12的穗粒数显着高于R30。从2年的实际产量来看,R12显着高于R30,而R20与R30无显着差异,由此可见,适当缩小行距(12cm)可以提高晚播冬小麦群体的产量。
各个处理的水分利用参数列于表5中,生育期内总耗水量和土壤贮水消耗量(ΔW)随着行距缩小而增加,总耗水量R12和R30之间的差异达到显着水平(P<0.05)。土壤贮水消耗量占总耗水的比例随着行距的缩小而增大,2个年度内3个处理间的差异达到显着水平。调整行距对晚播冬小麦群体的水分利用影响较大,行距过大的R30水分利用效率最低,适当缩小行距(12cm)有利于产量和水分利用效率的协同提高。
3 讨论与结论
3.1 讨论
生育期内较高的LAI和群体生物量是冬小麦产量形成的基础,行距调整对晚播群体的LAI和生物量影响较大。图2、图3和表2的结果说明,R12在开花前后始终保持较高的LAI,且群体干物质积累较高,花后同化物积累量及其对籽粒的贡献率都显着高于R30。说明适当缩小行距至12cm,可以增加晚播冬小麦群体的LAI,提高生物量,显着增加群体的花后同化物累积量及其对籽粒产量的贡献率。
本研究中,3个行距处理花前贮藏物对产量的贡献率较低,而花后同化物对籽粒的贡献率高达86.7%~91.4%,高于前人的相关报道,这可能与播期较晚、小麦开花以前物质积累较少有关;另外,营养器官花前贮藏物向籽粒的转运量及其贡献率处理间没有显着差异,R30的上述2个指标略高于其他2个处理,可能是宽行距内植株个体竞争加剧了群体衰老、花前贮藏物转移进程提前的结果。
本研究中,0~20cm土体在返青-拔节期间R30的土壤含水量(16.5%~12.1%)均低于R12和R20,这是宽行距处理田间植株覆盖度低、行间土地裸露面积加大、棵间蒸发增加的原因所致。从耗水强度和耗水比例来看,2012—2013年度由于冬前出苗较早,返青-拔节期间出现短时期的土壤水分亏缺,导致播种-返青、返青-拔节的耗水强度和比例大于2011—2012年度(表3)。拔节-开花、开花-灌浆2个阶段的耗水比例之和达到60%~70%,仍是主要的耗水阶段,其中,开花-灌浆阶段的耗水比例最大(35%以上),这一阶段的耗水比例大于早播群体的相关报道,可能与晚播群体开花时期相对延后、后期气温较高、生育时期相对延长等因素有关。
拔节-灌浆期间,耗水强度和耗水比例随行距缩小而显着增加。另外,晚播群体在拔节-灌浆期间对水分的集中大量消耗(表3和表5),充分说明晚播群体后期水分管理的重要性。
前人的相关研究指出,灌溉模式会影响不同土层水分的消耗。本研究中,收获期40~120cm土层含水量与0~200cm总含水量的比值随着行距缩小而降低(图4),由于3个行距的土壤水分消耗量差异显着(表5),说明R12更能增加40~120cm层次土壤水分的吸收利用,尤其在2011—2012年度表现明显,这说明前期土壤的水分亏缺会促使小麦根系下扎,更能充分利用生育后期深层次的土壤贮水。本研究中,行距对晚播冬小麦群体的产量和水分利用效率的影响较大,R12的产量和水分利用效率显着高于R30,此结果与Chen等的报道略有不同。
由于夏玉米收获后进行秸秆还田,生产中常用的行距在20cm左右,本研究中采用12cm行距作为最小行距,主要是考虑在播前浇水、土壤湿度较大的情况下,过窄的行距可能会使潮湿的土壤和秸秆堵塞播种机开沟器,进而影响播种质量,因此,在今后的研究中,需考虑能否在提高整地质量的基础上适当缩小行距、增加行内植株分布的均匀度、减少晚播高密度群体内的个体竞争,从而提高晚播冬小麦群体的物质生产能力;同时,有关晚播行距处理在不同年份和降雨条件下的阶段耗水特征、棵间蒸发及生育期内耗水动态变化尚需深入研究。
3.2 结论
在晚播(10月25日以后)大群体的条件下,适当缩小行距(12cm),可以提高群体的LAI和干物质积累量,增加花后同化物积累量及其对籽粒的贡献率,增加晚播群体对40~120cm土层的水分利用比率,显着提高土壤贮水消耗量、产量和水分利用效率。在当前华北地区的小麦生产中,适当缩小行距至12cm,有利于晚播冬小麦产量和水分效率的协同提高,可以作为晚播群体调控措施的参考。【图表略】
