王書吉，李彥嶺，劉婧然

(1.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲 056021；2. 河北工程大學農(nóng)學院，河北 邯鄲 056021；3.中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083)

自20世紀70 年代以來，國內外已經(jīng)開展了作物調虧灌溉的研究[1-5]，關于調虧灌溉對冬小麥產(chǎn)量的影響已有研究報道[6-16]。但關于調虧灌溉對灌漿過程影響的研究還較少[17]，立足于冀中南農(nóng)作區(qū)的研究還未見有報道。我國不同地區(qū)氣候、土壤特性、耕作習慣等差別較大，導致不同地域研究結果差別較大。由此，本文在冀南地區(qū)開展了不同調虧模式對冬小麥產(chǎn)量形成的影響研究，以期為本地區(qū)冬小麥優(yōu)質高效栽培水分科學調控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于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研究中心作物需水量試驗場(36°35′N，114°29′E，海拔61 m)測坑中實施，測坑配有移動式防雨棚，降雨前關閉防雨棚隔絕自然降雨，雨停后開啟。測坑為有底測坑，上口面積為3 m×3.33 m，坑內土面距坑口15 cm。坑內土層深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% (土壤質量含水率)。

1.2 試驗設計

1.2.1水分處理

供試冬小麥品種為矮抗58，生長期為2013年10月16日 - 2014年6月8日；行距0.25 m。根據(jù)本地區(qū)冬小麥生長發(fā)育特點將其生長過程劃分為：返青期、拔節(jié)期、抽穗揚花期、灌漿成熟期4個時期，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)的百分數(shù)表示，θF表示田間持水量。參考已有研究成果，考慮到45%θF以下對產(chǎn)量有顯著不利影響，此處設置兩個調虧水平，分別為：①重度調虧，用H表示：土壤含水率保持在45%～50%θF。②輕度調虧，用L表示：土壤含水率保持在55%～60%θF；不虧水對照處理(CK)：土壤含水率保持在65%～70%θF。含水率測量采用時域反射儀(TDR)法。灌水采用自來水灌溉。

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：事前測定土壤中無機氮含量，不足部分由化學氮肥補齊。磷肥、鉀肥施入量分別為(P2O5)9 g/m2，(K2O)15 g/m2，在試驗開始時100%基施，試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。其他田間農(nóng)業(yè)管理措施遵照當?shù)囟嗄贽r(nóng)作習慣。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1土壤含水率

在冬小麥全生育期每隔3～5 d用TDR時域反射儀觀測土壤含水率。

1.3.2冬小麥灌漿過程

在冬小麥開花期到來時，選取開花、長勢和穗子大小一致的麥穗，并作標記，在開花5 d后開始取樣，以后每隔4 d取樣一次，直到小麥成熟為止；為保證實驗結果的可靠性，每處理每次取樣10穗，3次重復，在試驗室內，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)量及其構成要素

試驗結束后，對各小區(qū)分別收獲測產(chǎn)，計算畝有效穗數(shù)、穗粒數(shù)，采用精度為0.001 g的電子天平測量千粒質量，計算最終產(chǎn)量。

2 結果與分析

2.1 不同調虧模式對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成要素的影響

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)和千粒質量，產(chǎn)量最高；T6和T8產(chǎn)量較低。這說明在以生殖生長為主的冬小麥后期生育階段，深度虧水將嚴重影響冬小麥產(chǎn)量。返青期輕度虧水T1和中度虧水T2對形成產(chǎn)量的3個因素及最終產(chǎn)量影響最小，說明返青期是合適的虧水時期。返青期以外的3個生育期輕度虧水產(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 不同調虧模式下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成要素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 不同調虧處理對冬小麥灌漿過程的影響

從圖1可以看出，不同調虧模式下冬小麥灌漿總趨勢相同，灌漿期籽粒干物質積累隨時間變化的關系都呈“S”型曲線，即灌漿過程都經(jīng)歷3個比較明顯的階段：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程Fig.1 Processes of grain filling of winter wheat under different water deficit treatments

為進一步深入考察不同調虧模式對灌漿參數(shù)及最終粒重的影響，下面應用logistic曲線對灌漿過程進行擬合并進行深入分析。

2.2.1調虧灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過程擬合方程

根據(jù)試驗結果，以開花后天數(shù)t為自變量(單位：d)，以測得的干物重(千粒質量)Y為因變量(單位：g)，用logistic曲線對灌漿過程進行擬合，見式(1)。

Y=K/(1+ea-rt)

(1)

式中：K為最大生長量上限；a、r為常數(shù)。

(1)曲線方程擬合原理與方法。對曲線方程參數(shù)的估計一般用線性回歸方法。該方法雖具有簡便適用的特點，且在數(shù)理統(tǒng)計理論上具有一套對線性回歸方程及回歸系數(shù)進行顯著性檢驗的完善方法，但對曲線方程進行線性化變換會對估計參數(shù)的性質產(chǎn)生影響，如：不再具有無偏性等。用EXCEL中的“規(guī)劃求解”功能直接進行非線性回歸可避免上述問題，獲得曲線方程參數(shù)的最小二乘無偏估計，且具有比線性化回歸更高的擬合精度。

此處先應用式(2)采用三點法求出參數(shù)K值，再用最小二乘法求出參數(shù)a、r的估計值，在此基礎上再應用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值。具體見表3。

2x2=x1+x3

(2)

式中：(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)為實測數(shù)據(jù)的始點、中點和終點。此處取花后5、21、37 d時的估計值。

(2)曲線方程特征參數(shù)。①求logistic曲線方程的一階導數(shù)，可以得到logistic生長過程的速度函數(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)的一階導數(shù)，并令其等于0。

解之得

tmax=a/r

此時，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個拐點的橫坐標，加上速度最大點橫坐標tmax=a/r，是logistic曲線上的3個關鍵點。t1為灌漿過程的快速增長轉折時間點，d；tmax為最大速率時間點，d；t2為由快減慢轉折時間點，d。

由此，可以將logistic灌漿過程曲線分為3個時期：

利用模擬方程計算出3個灌漿階段的籽粒增加質量Y1、Y2、Y3，g；分別除以對應階段的灌漿持續(xù)期τ1、τ2、τ3，d；可以計算得到3個階段的平均灌漿速率R1、R2、R3，10-3g/d。

2.2.2擬合結果分析

應用logistic曲線對灌漿過程進行了擬合，擬合結果顯示相關系數(shù)R2均大于0.99，達極顯著水平，見表3；說明該方程能較好地模擬灌漿過程。

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

表3 不同水分調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灌漿過程曲線上的3個階段灌漿時期τ1、τ2、τ3及總灌漿時期τ都是CK處理最長，水分虧缺處理均使得冬小麥灌漿總持續(xù)期τ以及3個階段灌漿持續(xù)時期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行虧缺灌水時，產(chǎn)量最優(yōu)目標下適宜的虧水模式依次分別是：T1>T2>T7>T5>T3>T4>T6>T8。

3 結 論

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

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