黃彩霞，趙德明，柴守璽，常 磊，藺阿榮

(1 甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，蘭州 730070； 2 甘肅省工程咨詢中心，蘭州 730030；3 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，蘭州 730070； 4 甘肅農(nóng)業(yè)大學管理學院，蘭州 730070)

小麥是西北地區(qū)重要的糧食作物，年播種面積維持在糧食作物種植面積的40%～65%[1]。但受干旱缺水、土地退化等制約，西北地區(qū)小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)，年際間波動較大，供求矛盾突出[2]。研究表明，小麥產(chǎn)量不僅取決于自身遺傳與環(huán)境的互作效應，而且還取決于各項農(nóng)藝措施，生產(chǎn)實踐中可以通過農(nóng)藝措施調(diào)控和平衡小麥產(chǎn)量與影響產(chǎn)量的直接因素和間接因素間的協(xié)調(diào)一致，以實現(xiàn)高產(chǎn)與高效的統(tǒng)一[3]。合理密植是小麥高產(chǎn)栽培的重要措施之一，適宜的種植密度可促進單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的協(xié)調(diào)發(fā)展，對構(gòu)建高產(chǎn)群體質(zhì)量具有重要作用[4～6]。研究表明，產(chǎn)量與播種量之間呈二次曲線關(guān)系，單位面積穗數(shù)隨播種量的增加而增加，穗粒數(shù)隨播種量的增加而下降，而播種量對籽粒質(zhì)量的影響較小[7～9]。但受品種遺傳特性、地區(qū)間自然環(huán)境差異、栽培措施等影響，小麥產(chǎn)量與各因素間、產(chǎn)量構(gòu)成要素之間存在此消彼長的錯綜復雜關(guān)系，各產(chǎn)量水平下的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)都存在一定的差異[10，11]。隨著播種量的增加，某些產(chǎn)量構(gòu)成要素有所提高，但產(chǎn)量一般不會增長[12，13]。而低播種量會降低群體數(shù)量、產(chǎn)量和千粒質(zhì)量[14]，也有密度對產(chǎn)量影響不明顯的報道，主要受品種遺傳特性和對環(huán)境適應性的影響，存在分蘗成穗率差異[15，16]，增密和高產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展一直是小麥栽培管理中亟需解決的難題。

西北地區(qū)光熱條件充足，地域面積廣闊，小麥增產(chǎn)潛力大。但受耕地、水資源、勞動力資源限制以及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟效益偏低等因素的影響，小麥種植面積呈下降態(tài)勢[1]。為穩(wěn)定糧食供需總量和保障國家糧食安全，研究不同生態(tài)條件下的不同群體密度對產(chǎn)量及有關(guān)農(nóng)藝性狀的影響，明確影響產(chǎn)量的主導因素，為優(yōu)化栽培技術(shù)，建立高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高效的生產(chǎn)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

灌區(qū)試驗于2004—2007年在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行。該灌區(qū)位于甘肅省河西走廊東端，海拔1776 m，多年平均降水量160 mm，年均蒸發(fā)量1919 mm，年日照時數(shù)2945 h，年均氣溫7.8 ℃，1月份最低氣溫-11.8 ℃，7月份最高氣溫24.0 ℃，≥0 ℃積溫3513.4 ℃，屬典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。

旱區(qū)試驗于2013—2015年在甘肅省通渭縣常河鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行。該基地海拔1590 m，多年平均降水量390.7 mm，年均蒸發(fā)量1350 mm，年日照時數(shù)2100 h左右，年均氣溫6.6 ℃，無霜期120～170 d，為黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)典型代表區(qū)。

1.2 試驗設計

灌區(qū)試驗在3個生長季共設12個種植密度。旱作區(qū)試驗在2個生長季采用玉米秸稈局部覆蓋種植技術(shù)，共設8個種植密度。各生長季具體設計見表1。

表1 試驗材料與設計

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水分利用效率(WUE)

播種前和收獲后用烘干法測定0～10、10～30、30～60、60～90、90～120、120～150 cm各層土壤含水量，參照文獻[17]的方法計算水分利用效率(WUE)。

1.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素測定

完熟期每小區(qū)各選20株進行常規(guī)考種，小區(qū)實收測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進行處理和制圖，采用DPS 7.05進行方差分析和顯著性檢驗。主要統(tǒng)計變量為變異系數(shù)(CV)，用公式表示為：

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度對小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

在灌區(qū)(圖1)，種植密度基本苗為225萬～1050萬株/hm2，籽粒產(chǎn)量隨基本苗數(shù)量增加先增后降，2004—2005、2005—2006、2006—2007年3個生長季籽粒產(chǎn)量均以675萬株/hm2最高，分別達到5089.12、8510.15、8649.87 kg/hm2，各生長季較其他種植密度處理分別增產(chǎn)7.56%～46.42%、8.93%～24.23%、5.08%～76.73%。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，單位面積穗數(shù)均以675萬株/hm2處理最高，與籽粒產(chǎn)量基本一致。穗粒數(shù)隨基本苗數(shù)的增加總體呈遞減的趨勢，當基本苗數(shù)大于750萬株/hm2后，穗粒數(shù)會明顯下降。千粒質(zhì)量隨基本苗數(shù)的變化年份間表現(xiàn)不一。

圖1 灌區(qū)不同種植密度下小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素差異Fig.1 Difference of planting density on grain yield and yield components in the irrigated area

在旱作區(qū)(圖2)，采用玉米秸稈局部覆蓋種植條件下，種植密度為150萬～405萬株/hm2，相同種植帶幅時，籽粒產(chǎn)量以225萬～300萬株/hm2較高；相同基本苗時，籽粒產(chǎn)量總體表現(xiàn)為“雙30”優(yōu)于“雙40”帶幅，“雙40”優(yōu)于“雙50”帶幅。從不同生長季看，2013—2014年生長季“雙30”和“雙40”帶幅種植下，籽粒產(chǎn)量均以300萬株/hm2處理最高，分別達到4067.00、3581.25 kg/hm2，同帶幅下較其他密度處理分別增產(chǎn)37.28%～2.94%、29.4%～3.81%；“雙30”較“雙40”帶幅平均增產(chǎn)11.2%。2014—2015年生長季，“雙40”和“雙50”帶幅均以270萬株/hm2籽粒產(chǎn)量最高，分別達到4524.40、4428.90 kg/hm2；“雙40”較“雙50”帶幅平均增產(chǎn)3.36%。產(chǎn)量構(gòu)成因素中，同帶幅下，單位面積穗數(shù)隨密度的增加而增加，在324萬株/hm2后出現(xiàn)拐點；穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量均隨密度的增加呈遞減趨勢。從不同生長季處理間的變異系數(shù)(CV)來看(表2)，種植密度對籽粒產(chǎn)量的影響明顯，灌區(qū)大于旱作區(qū)，5個生長季處理間平均CVm為13.00%，其中，灌區(qū)平均CVi為13.35%，旱作區(qū)CVr為12.45%；其次為單位面積穗數(shù)，旱作區(qū)大于灌區(qū)，5個生長季處理間平均CVm為11.29%，其中，灌區(qū)平均CVi為9.60%，旱作區(qū)CVr為13.83%。種植密度對穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量影響相對較小，尤其是千粒質(zhì)量總體表現(xiàn)穩(wěn)定，5個生長季處理間穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量平均CVm分別為7.30%、3.69%，其中，灌區(qū)平均CVi分別為6.27%、3.84%，旱作區(qū)CVr分別為8.83%、3.46%。

圖2 旱作區(qū)不同種植密度下小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素差異Fig.2 Effects of planting density on grain yield and yield components in the dry area

相關(guān)性分析表明，籽粒產(chǎn)量與單位面積穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)(r=0.812**)，與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.336*)。由此可以看出，不論是灌區(qū)還是旱作區(qū)，單位面積穗數(shù)是影響籽粒產(chǎn)量的主要因素，其次為穗粒數(shù)。

表2 不同生長季處理間各農(nóng)藝性狀變異系數(shù)

2.2 種植密度對小麥全生育期耗水量(ET)及水分利用率(WUE)的影響

圖3表明，在灌區(qū)，WUE隨基本苗數(shù)的增加總體呈二次曲線，2004—2007年3個生長季均以675萬株/hm2處理最高，分別為10.14、12.40、14.35kg/hm2·mm，顯著高于525萬株/hm2以下及750萬株/hm2以上密度處理。在全生育期總耗水量(ET)方面，3個生長季W(wǎng)UE最高的處理ET也最高。旱作區(qū)(圖4)綜合兩個生長季結(jié)果，相同種植帶幅時，WUE以225萬～300萬株/hm2較高，但ET不同生長季表現(xiàn)不一。覆蓋處理間，WUE“雙30”高于“雙40”帶幅，“雙40”高于“雙50”帶幅，ET總體表現(xiàn)為“雙30”帶幅<“雙40”帶幅<“雙50”帶幅。

從不同生長季處理間的差異來看(表2)，種植密度對WUE影響高于ET，旱作區(qū)高于灌區(qū)。各生長季中，處理間WUE存在顯著或極顯著差異，處理間平均CVm為12.69%，其中灌區(qū)為12.52%，旱作區(qū)為12.94%。處理間ET差異不顯著，5個生長季處理間平均CVm為3.07%，其中灌區(qū)為2.93%，旱作區(qū)為3.27%。相關(guān)性分析表明(表3)，WUE與籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(r=0.583**)，而與ET之間相關(guān)不顯著。

圖3 灌區(qū)不同種植密度下總耗水量及WUE的差異Fig.3 Difference of planting density on total water consumption and WUE in the irrigated area

圖4 旱作區(qū)不同種植密度下總耗水量及WUE的差異Fig.4 Difference of planting density on total water consumption and WUE in the dry area

2.3 種植密度對小麥生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

在灌區(qū)(圖5)，種植密度對單株生物產(chǎn)量具有顯著影響，2004—2007年3個生長季單株生物產(chǎn)量均以675萬株/hm2處理最高。收獲指數(shù)處理間差異較小，年份間表現(xiàn)不一，2004—2006年生長季處理間均無顯著差異，2006—2007年生長季以低密度處理(370萬株/hm2)最高。旱作區(qū)(圖6)，綜合兩個生長季結(jié)果來看，相同種植帶幅下，生物產(chǎn)量隨密度的增加而降低，收獲指數(shù)低密度高于高密度處理；帶幅間，生物產(chǎn)量“雙30”高于“雙40”帶幅，“雙50”高于“雙40”帶幅，收獲指數(shù)表現(xiàn)則相反。

圖5 灌區(qū)不同種植密度下單株生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的差異Fig.5 Difference of planting density on biological yield per plant and harvest index in the irrigated area

從不同生長季處理間的差異來看(表2)，種植密度對單株生物產(chǎn)量的影響高于收獲指數(shù)，旱作區(qū)高于灌區(qū)。各生長季中，處理間單株生物產(chǎn)量存在顯著或極顯著差異，5個生長季處理間平均CVm為9.20%，其中灌區(qū)CVi為8.85%，旱作區(qū)CVr為9.72%。處理間收獲指數(shù)差異不顯著，5個生長季處理間平均CVm為3.71%，其中灌區(qū)CVi為3.97%，旱作區(qū)CVr為3.32%。相關(guān)性分析表明(表3)，單株生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)與籽粒產(chǎn)量和相關(guān)農(nóng)藝性狀均沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖6 旱作區(qū)不同種植密度下單株生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的差異Fig.6 Difference of planting density on biological yield per plant and harvest index in the dry area

表3 各農(nóng)藝性狀間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

建立合理的群體結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)好產(chǎn)量與單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量間的關(guān)系，實現(xiàn)群體的高產(chǎn)是生產(chǎn)實踐的主要目的。生產(chǎn)中不管是單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等影響小麥產(chǎn)量的直接因素，還是生物產(chǎn)量、收獲指數(shù)等間接因素，都能對環(huán)境條件做出響應并最終影響產(chǎn)量。Rajaram認為，單位面積穗數(shù)具有較強的自動調(diào)節(jié)能力，對產(chǎn)量的補償能力強，是發(fā)揮小麥超高產(chǎn)潛力的關(guān)鍵[18]。單位面積穗數(shù)與穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量存在顯著負相關(guān)，當單位面積穗數(shù)達到臨界水平后，穗粒數(shù)對穗質(zhì)量的直接貢獻大于粒質(zhì)量，協(xié)調(diào)提高單位面積穗數(shù)與穗粒數(shù)是籽粒產(chǎn)量再提高的關(guān)鍵[19～21]。本研究結(jié)果表明，無論是灌區(qū)還是旱作區(qū)，籽粒產(chǎn)量對種植密度的響應最顯著，并隨基本苗數(shù)量的增加呈二次曲線。影響產(chǎn)量高低的主要結(jié)構(gòu)因素是單位面積穗數(shù)(r=0.812**，CVm=11.29%)，雨養(yǎng)區(qū)大于灌區(qū)(CVr=13.83%，CVi=9.60%)，其次是穗粒數(shù)(r=0.336*，CVm=7.30%)，而千粒質(zhì)量最穩(wěn)定(CVm=3.69%)。

作物產(chǎn)量提高的途徑主要有兩種，即在保持生物產(chǎn)量或收獲指數(shù)穩(wěn)定的條件下，提高收獲指數(shù)或生物產(chǎn)量，當前采取的主要措施是提高生物產(chǎn)量[22，23]。本研究結(jié)果也表明，無論是灌區(qū)還是旱作區(qū)，種植密度對單株生物產(chǎn)量的影響大于收獲指數(shù)(CVm分別為9.20%、3.71%)，說明生物產(chǎn)量是影響籽粒產(chǎn)量的主要因素。生物產(chǎn)量與收獲指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(r=0.517**)，這充分體現(xiàn)了作物對栽培措施的適應是通過協(xié)調(diào)同化產(chǎn)物來實現(xiàn)的，也說明要進一步挖掘小麥籽粒產(chǎn)量的增產(chǎn)潛力，首先需提高地上部生物產(chǎn)量。

種植密度可顯著影響小麥WUE和ET[24，25]。本研究結(jié)果表明，不論是在灌區(qū)還是旱作區(qū)，種植密度對WUE的影響大于ET(CVm分別為12.69%、3.07%)，旱作區(qū)大于灌區(qū)。灌區(qū)WUE隨基本苗數(shù)的增加總體呈二次曲線，其變化主要由籽粒產(chǎn)量的變化所引起而不是總耗水量，這與王立明[26]的研究結(jié)論一致。在旱地覆蓋栽培條件下，相同種植帶幅時，WUE以種植密度為225萬～300萬株/hm2時較高，但ET不同生長季表現(xiàn)不一；覆蓋處理間，WUE“雙30”高于“雙40”帶幅，“雙40”高于“雙50”帶幅，ET表現(xiàn)則相反，主要是因為覆蓋抑制了土壤無效蒸發(fā)、提高蒸騰/蒸發(fā)，使得耗水主要用于蒸騰性生產(chǎn)[27]。