王書吉，李彥嶺，劉婧然

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2. 河北工程大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北 邯鄲 056021；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083)

自20世紀(jì)70 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了作物調(diào)虧灌溉的研究[1-5]，關(guān)于調(diào)虧灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響已有研究報(bào)道[6-16]。但關(guān)于調(diào)虧灌溉對(duì)灌漿過(guò)程影響的研究還較少[17]，立足于冀中南農(nóng)作區(qū)的研究還未見(jiàn)有報(bào)道。我國(guó)不同地區(qū)氣候、土壤特性、耕作習(xí)慣等差別較大，導(dǎo)致不同地域研究結(jié)果差別較大。由此，本文在冀南地區(qū)開(kāi)展了不同調(diào)虧模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成的影響研究，以期為本地區(qū)冬小麥優(yōu)質(zhì)高效栽培水分科學(xué)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年10月-2014年6月，在河北邯鄲河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心作物需水量試驗(yàn)場(chǎng)(36°35′N，114°29′E，海拔61 m)測(cè)坑中實(shí)施，測(cè)坑配有移動(dòng)式防雨棚，降雨前關(guān)閉防雨棚隔絕自然降雨，雨停后開(kāi)啟。測(cè)坑為有底測(cè)坑，上口面積為3 m×3.33 m，坑內(nèi)土面距坑口15 cm。坑內(nèi)土層深2.0 m。土壤為中壤土，0～100 cm土層容重為1.48 g/cm3，田間持水率為22.40% (土壤質(zhì)量含水率)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1水分處理

供試冬小麥品種為矮抗58，生長(zhǎng)期為2013年10月16日 - 2014年6月8日；行距0.25 m。根據(jù)本地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)將其生長(zhǎng)過(guò)程劃分為：返青期、拔節(jié)期、抽穗揚(yáng)花期、灌漿成熟期4個(gè)時(shí)期，生育期土壤水分虧缺處理以控制土壤含水率占田間持水量(θF)的百分?jǐn)?shù)表示，θF表示田間持水量。參考已有研究成果，考慮到45%θF以下對(duì)產(chǎn)量有顯著不利影響，此處設(shè)置兩個(gè)調(diào)虧水平，分別為：①重度調(diào)虧，用H表示：土壤含水率保持在45%～50%θF。②輕度調(diào)虧，用L表示：土壤含水率保持在55%～60%θF；不虧水對(duì)照處理(CK)：土壤含水率保持在65%～70%θF。含水率測(cè)量采用時(shí)域反射儀(TDR)法。灌水采用自來(lái)水灌溉。

表1 不同生育期水分虧缺處理Tab.1 Water deficit treatments of different growth stages

注：N表示正常供水，土壤含水率控制在65%～70%θF；L表示輕度虧水，土壤含水率控制在55%～60%θF；H表示重度水分虧缺，土壤含水率控制在45%～50%θF；其中，θF表示田間持水率。灌水控制誤差0.1%～4.0%。

1.2.2施肥水平及方式

施氮設(shè)為中氮處理，22.5 g/m2，基施60%，播前散施后翻耕，拔節(jié)期追施40%；施肥控制措施為：事前測(cè)定土壤中無(wú)機(jī)氮含量，不足部分由化學(xué)氮肥補(bǔ)齊。磷肥、鉀肥施入量分別為(P2O5)9 g/m2，(K2O)15 g/m2，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)100%基施，試驗(yàn)所用氮、磷、鉀肥分別為尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀。其他田間農(nóng)業(yè)管理措施遵照當(dāng)?shù)囟嗄贽r(nóng)作習(xí)慣。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤含水率

在冬小麥全生育期每隔3～5 d用TDR時(shí)域反射儀觀測(cè)土壤含水率。

1.3.2冬小麥灌漿過(guò)程

在冬小麥開(kāi)花期到來(lái)時(shí)，選取開(kāi)花、長(zhǎng)勢(shì)和穗子大小一致的麥穗，并作標(biāo)記，在開(kāi)花5 d后開(kāi)始取樣，以后每隔4 d取樣一次，直到小麥成熟為止；為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每處理每次取樣10穗，3次重復(fù)，在試驗(yàn)室內(nèi)，在105 ℃的高溫下殺青20 min，然后降至80 ℃烘干至恒重，用千分之一電子天平稱重。

1.3.3冬小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各小區(qū)分別收獲測(cè)產(chǎn)，計(jì)算畝有效穗數(shù)、穗粒數(shù)，采用精度為0.001 g的電子天平測(cè)量千粒質(zhì)量，計(jì)算最終產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)虧模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

由表2可以看出，所有處理中，CK處理具有最大的有效穗數(shù)、較大的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，產(chǎn)量最高；T6和T8產(chǎn)量較低。這說(shuō)明在以生殖生長(zhǎng)為主的冬小麥后期生育階段，深度虧水將嚴(yán)重影響冬小麥產(chǎn)量。返青期輕度虧水T1和中度虧水T2對(duì)形成產(chǎn)量的3個(gè)因素及最終產(chǎn)量影響最小，說(shuō)明返青期是合適的虧水時(shí)期。返青期以外的3個(gè)生育期輕度虧水產(chǎn)量由高到低依次為：灌漿成熟期輕度虧水T7，抽穗期輕度虧水T5，拔節(jié)期輕度虧水T3。

表2 不同調(diào)虧模式下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.2 Yields and yield components of winter wheat under different water deficit treatments

注：a、b、c等不同字母表示同一列數(shù)值經(jīng)多重比較，在0.05水平上的差異顯著性，下同。

2.2 不同調(diào)虧處理對(duì)冬小麥灌漿過(guò)程的影響

從圖1可以看出，不同調(diào)虧模式下冬小麥灌漿總趨勢(shì)相同，灌漿期籽粒干物質(zhì)積累隨時(shí)間變化的關(guān)系都呈“S”型曲線，即灌漿過(guò)程都經(jīng)歷3個(gè)比較明顯的階段：①漸增期，此階段是小麥籽粒形成階段，從開(kāi)花授粉到籽粒成型，到花后14 d左右，此階段粒重增加較慢，此期灌漿粒重占成熟千粒重的20.3%～26.4 %。②快增期，此階段小麥快速灌漿，籽粒成型后持續(xù)15 d左右，增重高峰期在花后14～31 d之間，此期增重占成熟千粒重的61.4%～72.3% 。③慢增期，此階段籽粒縮水成熟，花后31天到成熟，此期籽粒含水率下降，粒重增加速度慢，灌漿粒重占成熟千粒重的2.2%～6.2%。

圖1 不同處理冬小麥灌漿過(guò)程Fig.1 Processes of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

為進(jìn)一步深入考察不同調(diào)虧模式對(duì)灌漿參數(shù)及最終粒重的影響，下面應(yīng)用logistic曲線對(duì)灌漿過(guò)程進(jìn)行擬合并進(jìn)行深入分析。

2.2.1調(diào)虧灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過(guò)程擬合方程

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以開(kāi)花后天數(shù)t為自變量(單位：d)，以測(cè)得的干物重(千粒質(zhì)量)Y為因變量(單位：g)，用logistic曲線對(duì)灌漿過(guò)程進(jìn)行擬合，見(jiàn)式(1)。

Y=K/(1+ea-rt)

(1)

式中：K為最大生長(zhǎng)量上限；a、r為常數(shù)。

(1)曲線方程擬合原理與方法。對(duì)曲線方程參數(shù)的估計(jì)一般用線性回歸方法。該方法雖具有簡(jiǎn)便適用的特點(diǎn)，且在數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論上具有一套對(duì)線性回歸方程及回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)的完善方法，但對(duì)曲線方程進(jìn)行線性化變換會(huì)對(duì)估計(jì)參數(shù)的性質(zhì)產(chǎn)生影響，如：不再具有無(wú)偏性等。用EXCEL中的“規(guī)劃求解”功能直接進(jìn)行非線性回歸可避免上述問(wèn)題，獲得曲線方程參數(shù)的最小二乘無(wú)偏估計(jì)，且具有比線性化回歸更高的擬合精度。

此處先應(yīng)用式(2)采用三點(diǎn)法求出參數(shù)K值，再用最小二乘法求出參數(shù)a、r的估計(jì)值，在此基礎(chǔ)上再應(yīng)用EXCEL 中的“規(guī)劃求解”功能，求得待擬方程參數(shù)的非線性最小二乘估計(jì)值。具體見(jiàn)表3。

2x2=x1+x3

(2)

式中：(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的始點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)。此處取花后5、21、37 d時(shí)的估計(jì)值。

(2)曲線方程特征參數(shù)。①求logistic曲線方程的一階導(dǎo)數(shù)，可以得到logistic生長(zhǎng)過(guò)程的速度函數(shù)：

(3)

式中：V(t)表示冬小麥的灌漿速度。

②求灌漿速度函數(shù)V(t)的一階導(dǎo)數(shù)，并令其等于0。

解之得

tmax=a/r

此時(shí)，冬小麥灌漿速度最大。將tmax代入式(3)，可以求得灌漿速度最大值Vmax。

③求灌漿速度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，令其等于0，得：

則

1-4ea-rt+e2(a-rt)=0

解之得

這是速度函數(shù)的2個(gè)拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)，加上速度最大點(diǎn)橫坐標(biāo)tmax=a/r，是logistic曲線上的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。t1為灌漿過(guò)程的快速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)，d；tmax為最大速率時(shí)間點(diǎn)，d；t2為由快減慢轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)，d。

由此，可以將logistic灌漿過(guò)程曲線分為3個(gè)時(shí)期：

利用模擬方程計(jì)算出3個(gè)灌漿階段的籽粒增加質(zhì)量Y1、Y2、Y3，g；分別除以對(duì)應(yīng)階段的灌漿持續(xù)期τ1、τ2、τ3，d；可以計(jì)算得到3個(gè)階段的平均灌漿速率R1、R2、R3，10-3g/d。

2.2.2擬合結(jié)果分析

應(yīng)用logistic曲線對(duì)灌漿過(guò)程進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，達(dá)極顯著水平，見(jiàn)表3；說(shuō)明該方程能較好地模擬灌漿過(guò)程。

(1)由表3可知，和CK相比，水分脅迫處理使灌漿持續(xù)時(shí)間縮短，達(dá)到最大灌漿速度的時(shí)間提前；深度脅迫處理尤其明顯。

表3 不同水分調(diào)虧處理下冬小麥籽粒灌漿的方程參數(shù)和特征參數(shù)Tab.3 Equation parameter and properties parameter of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

由表3可以看出，在所有處理中，logistic灌漿過(guò)程曲線上的3個(gè)階段灌漿時(shí)期τ1、τ2、τ3及總灌漿時(shí)期τ都是CK處理最長(zhǎng)，水分虧缺處理均使得冬小麥灌漿總持續(xù)期τ以及3個(gè)階段灌漿持續(xù)時(shí)期τ1、τ2、τ3縮短，灌漿持續(xù)期τ縮短 2.72%～15.78% ；隨著虧水程度的加重，縮短程度加重。

綜合表2，在水資源緊張必須進(jìn)行虧缺灌水時(shí)，產(chǎn)量最優(yōu)目標(biāo)下適宜的虧水模式依次分別是：T1>T2>T7>T5>T3>T4>T6>T8。

3 結(jié) 論

(2)綜合表2、表3，在水資源緊張必須進(jìn)行虧缺灌水時(shí)，產(chǎn)量最優(yōu)目標(biāo)下適宜的調(diào)虧模式依次分別是：返青期期輕度調(diào)虧T1、返青期期重度調(diào)虧T2、灌漿成熟期輕度調(diào)虧T7、抽穗開(kāi)花期輕度調(diào)虧T5、拔節(jié)期輕度調(diào)虧T3、拔節(jié)期重度調(diào)虧T4、灌漿成熟期重度調(diào)虧T8、抽穗開(kāi)花期重度調(diào)虧T6。

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