王 健 許愛玲 楊 娜 王 珂 席吉龍 衛(wèi)曉東 張建誠 席天元
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所,044000,山西運城)
干熱風(fēng)是影響北方冬小麥籽粒灌漿的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一,嚴(yán)重時可造成10%以上的減產(chǎn)[1]。近年來全球氣溫升高,導(dǎo)致小麥生育進(jìn)程加快,極端氣候頻發(fā),春季冷害概率增加,嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定[2]。與20世紀(jì)六七十年代相比,黃淮麥區(qū)局部干熱風(fēng)災(zāi)害的強(qiáng)度和頻率呈減弱趨勢[3],但干熱風(fēng)仍是山西南部地區(qū)農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)管理中不可忽視的災(zāi)害。
國內(nèi)關(guān)于干熱風(fēng)對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響已有很長的研究歷史。如楊霏云等[4]通過構(gòu)建干熱風(fēng)強(qiáng)度風(fēng)險指數(shù)和總和抗災(zāi)指數(shù)等對華北冬小麥主產(chǎn)區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行評估,李香顏等[5]利用層次分析法制定了河南冬小麥干熱風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃等,李潔等[6]利用歷史氣象資料和近幾年的區(qū)域試驗產(chǎn)量,分析了干熱風(fēng)對當(dāng)?shù)匦←湲a(chǎn)量的影響。趙俊芳等[7]通過分析干熱風(fēng)發(fā)生危害指數(shù)的時空分布,評價了晉南干熱風(fēng)對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。楊洪賓等[8]在干熱風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)和防御措施等方面已有較為成熟的研究成果,但以往的研究多集中于氣象資料對傳統(tǒng)播期小麥生產(chǎn)的影響,在當(dāng)前氣候變暖的環(huán)境下,播期推遲勢在必行,因此分析不同播期的干熱風(fēng)發(fā)生情況就顯得尤為重要。
晉南地區(qū)小麥耕作制度主要是小麥―玉米一年兩作[9-10]。研究[11]表明,適度晚收能顯著增加玉米的產(chǎn)量,合理調(diào)整玉米收獲期和小麥播種期,是充分利用光熱資源的有效途徑[12]。李豪圣等[13]研究表明,濟(jì)麥22的穗數(shù)隨播期的推遲而降低,穗粒數(shù)隨播期的推遲變化不大,千粒重隨播期的推遲先升高再降低。楊春玲等[14]研究發(fā)現(xiàn),半冬性小麥品種適當(dāng)推遲播期后,通過增加播量,也可以形成高產(chǎn)群體,進(jìn)而保證較高的產(chǎn)量。張凡等[15]研究認(rèn)為,不同生態(tài)類型的品種,隨播期推遲產(chǎn)量的變化不盡相同,應(yīng)根據(jù)品種來確定播期。以往關(guān)于播期的研究多集中于產(chǎn)量及其構(gòu)成的變化,對不同播期對氣候環(huán)境的適應(yīng)性以及播期變化后干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險的變化研究較少。
本研究選取半冬性偏冬性小麥品種濟(jì)麥22、半冬性偏春性品種周麥18及弱春性品種西農(nóng)529,采用播期和品種二因素裂區(qū)設(shè)計,分析小麥物候期、籽粒灌漿規(guī)律、產(chǎn)量及其構(gòu)成和干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險,得出不同類型小麥在不同播期的生長發(fā)育特征,明確不同播期下小麥干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。
試驗于2017-2018、2018-2019、2019-2020年度在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所南花農(nóng)場(110°52′E,35°0′ N)進(jìn)行,該農(nóng)場位于山西省運城市鹽湖區(qū),地處華北高原,海拔372m,屬大陸溫帶季風(fēng)氣候,光熱資源豐富,雨熱同季。試驗地土壤pH 8.49,0~20cm深土壤有機(jī)質(zhì)13.72g/kg、全氮0.874g/kg、全磷0.760g/kg、全鉀24.76g/kg、堿解氮41.54mg/kg。小麥生育期平均氣溫及降雨量見圖1,2017-2018年度為豐雨年份,冬季氣溫低,1-3月升溫慢,且4月7日凌晨發(fā)生持續(xù)6h的-2.6℃的晚霜凍害;2018-2019年度為干旱年份,冬季氣溫低,1-3月回暖快、降雨少;2019-2020年度為豐雨年份,冬季氣溫高,1-3月份升溫慢、降雨多,4月24日發(fā)生持續(xù)1h的0℃低溫晚霜凍害。
圖1 3個試驗?zāi)攴菪←溕L季的逐月平均溫度與降雨量Fig.1 Monthly average temperature and rainfall of wheat growing season in three experimental years
選擇3個不同生態(tài)類型小麥品種,分別為半冬性偏冬性品種濟(jì)麥22(Ⅰ)、半冬性偏春性品種周麥18(Ⅱ)和弱春性品種西農(nóng)529(Ⅲ)。采用二因素裂區(qū)設(shè)計,播期為主區(qū),品種為副區(qū),3次重復(fù),小區(qū)面積4.14m2(1.38m×3.00m),采用小區(qū)寬幅播種耬播種,幅寬10cm,幅距23cm,幅間距13cm,播深3~5cm。每個品種設(shè)5個播期(B1~B5),播量依據(jù)設(shè)計粒數(shù)乘以品種千粒重播種,推遲播期時播量增加,達(dá)到540萬粒/hm2后不再增加,具體設(shè)計見表1。
表1 不同冬前積溫的試驗設(shè)計Table 1 Experiment design of different accumulated temperature before winter
播種前底施磷酸二銨(N 18%,P2O546%)390kg,尿素(N 46%)140kg,硫酸鉀(K2O 52%)145kg。返青期追施尿素140kg,灌漿期追施100kg。分別于返青期和灌漿期灌水 1次,灌水量均為70m3。采用常規(guī)管理方法防控病蟲草害,籽粒成熟后收獲。
1.3.1 物候期觀測 從小麥播種后,定期觀測小麥的生長狀態(tài),記錄小麥出苗、越冬、拔節(jié)、抽穗、揚花和成熟等主要生育期的起始日期。
1.3.2 籽粒灌漿速率 選擇標(biāo)記當(dāng)天開花的麥穗150穗,并在開花后5、10、15、20、25、30d從已標(biāo)記植株上選取20個麥穗,105℃殺青0.5h,之后在60℃烘干至恒重,剝?nèi)←溋#瑴y定粒重。采用朱志敏等[16]的三次多項式方法測定灌漿速率,以開花后天數(shù)(t)為自變量,千粒重(y)為因變量,用三次多項式模型y=b0+b1t+b2t2+b3t3進(jìn)行擬合,用其一階倒數(shù)和二階倒數(shù)計算相關(guān)灌漿參數(shù)。
1.3.3 干熱風(fēng)風(fēng)險計算 利用鹽湖區(qū)氣象站1987-2016年的氣象資料,從5月中旬開始,以5d為1個單元,依據(jù)QX/T 82-2019[17]的相關(guān)內(nèi)容,統(tǒng)計各個時段各年份干熱風(fēng)日發(fā)生的次數(shù),以該時段發(fā)生次數(shù)占該時段總天數(shù)(150d)的比例,記為該時段發(fā)生干熱風(fēng)的風(fēng)險概率。小麥灌漿達(dá)到95%的日期所在時間段的風(fēng)險概率記為該品種發(fā)生干熱風(fēng)的風(fēng)險值。
1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 每小區(qū)去除邊行,割取中間4行,割取面積為1.38m2(行距0.23m、行長1.5m),統(tǒng)計總穗數(shù),折合為單位面積穗數(shù)。風(fēng)干后脫粒、稱重,折算為含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,折算每公頃產(chǎn)量。從中隨機(jī)取樣5次500粒稱重,同時測定含水量,折算為含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)千粒重。隨機(jī)取50穗統(tǒng)計穗粒數(shù)。
采用Excel 2010處理數(shù)據(jù),用SPSS 24進(jìn)行統(tǒng)計分析。
由圖1和表2、3、4可以得出,不同年度的物候期受降雨和氣溫的影響存在一定差異。2017-2018年度,3月份氣溫較高,開花期較其他年份提前;2018-2019年度,4月份降雨較多,成熟期較其他年份推遲;2019-2020年度冬季氣溫較高,返青期較前2個年度提前。但不同年度隨著播期的推遲,冬前積溫的降低,小麥拔節(jié)期、揚花期和成熟期推遲,灌漿天數(shù)略有降低。
表2 2017-2018年度不同播期對不同品種小麥物候期的影響Table 2 Effects of different sowing dates on phenological stages of different wheat varieties in 2017-2018
表3 2018-2019年度不同播期對不同品種小麥物候期的影響Table 3 Effects of different sowing dates on phenological stages of different wheat varieties in 2018-2019
表4 2019-2020年度不同播期對不同品種小麥物候期的影響Table 4 Effects of different sowing dates on phenological stages of different wheat varieties in 2019-2020
濟(jì)麥22在第1和第2個播期,冬前分蘗數(shù)最多,西農(nóng)529次之,周麥18最低,隨著播期的繼續(xù)推遲,冬前積溫降低到200℃左右,各品種冬前均無分蘗。西農(nóng)529在第1個播期的拔節(jié)期最早,周麥18次之,濟(jì)麥22最遲,隨著播期的推遲,西農(nóng)529拔節(jié)期推遲天數(shù)最多,周麥18次之,濟(jì)麥22最少。3個品種的揚花期變化規(guī)律與拔節(jié)期一致,但變化幅度明顯低于拔節(jié)期,不同播期的揚花期接近,成熟期較揚花期差異又略有減小。說明隨著播期的推遲,小麥冬前葉齡和冬前分蘗在明顯減少,拔節(jié)期向后推遲最為明顯。小麥通過縮短各階段生長發(fā)育的時間,調(diào)節(jié)揚花期,縮短灌漿天數(shù),使其成熟期基本維持在一個水平,其中以弱春性小麥對播期的響應(yīng)最為敏感。
小麥的灌漿期一般分為漸增期、快增期和緩增期3個階段[18],灌漿進(jìn)程呈現(xiàn)“S”型變化趨勢,漸增期與緩增期持續(xù)時間短,灌漿速度慢,快增期持續(xù)時間長,灌漿速率快,三次多項式模擬漸增期與緩增期參數(shù)相同。由表5和表6可知,不同年型小麥對小麥灌漿參數(shù)影響較大,干旱年份小麥灌漿時長短,灌漿速率快,豐水年份小麥灌漿時長較長,灌漿速率慢。
表5 2018-2019年度不同冬前積溫處理的籽粒灌漿參數(shù)Table 5 The grain filling parameters of wheat under different accumulated temperatures before winter in 2018-2019
表6 2019-2020年度不同冬前積溫處理的籽粒灌漿參數(shù)Table 6 The grain filling parameters of wheat under different accumulated temperatures before winter in 2019-2020
2018-2019年度隨著冬前積溫的降低,濟(jì)麥22和周麥18的灌漿時長縮短,最大灌漿速率與平均灌漿速率均有所提高;西農(nóng)529的灌漿時長表現(xiàn)為先增加后降低,最大灌漿速率與平均灌漿速率表現(xiàn)為先降低后升高。3個類型小麥品種在11月25日播種(冬前積溫63.7℃)時,灌漿時間均明顯降低。三次多項式擬合的漸增期與緩增期灌漿曲線規(guī)律一致,灌漿速率變化幅度小于快增期,小麥籽粒灌漿速率的變化主要表現(xiàn)在快增期上。
2019-2020年度,不同類型小麥品種灌漿規(guī)律隨播期的變化與上一年度基本一致,濟(jì)麥22不同播期的灌漿速率與上一年度一致,周麥18和西農(nóng)529不同播期的灌漿速率較上一年度明顯提高,這說明半冬性偏冬性品種灌漿速率受氣候變化影響小,而半冬性偏春性和弱春性品種的灌漿速率受氣候變化影響較大。
分析鹽湖區(qū)1987-2016年的氣象站記錄數(shù)據(jù),依據(jù)輕度干熱風(fēng)和重度干熱風(fēng)發(fā)生條件,統(tǒng)計1987-2016年冬小麥成熟前 30d內(nèi)的干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)及占總天數(shù)的比例(圖2)。可以得出,隨著小麥成熟的推遲,輕度和重度干熱風(fēng)發(fā)生概率呈逐漸增大趨勢。輕度干熱風(fēng)在5月27日-6月10日3個統(tǒng)計單元發(fā)生概率分別達(dá)到16.67%、16.00%和20.00%,明顯高于前3個統(tǒng)計單元。重度干熱風(fēng)主要分布在6月份,發(fā)生概率達(dá)到14.00%和11.33%,發(fā)生概率略低于輕度干熱風(fēng)。這可能與鹽湖區(qū)6月份雨季來臨前的氣溫高、濕度低的天氣特征緊密相關(guān)。說明干熱風(fēng)的危害主要影響小麥灌漿后期的籽粒建成,尤其成熟前10d是干熱風(fēng)發(fā)生的高風(fēng)險時段。
圖2 鹽湖區(qū)1987-2016年小麥干熱風(fēng)發(fā)生和分布情況Fig.2 Occurrence and distribution of dry-hot wind in wheat in Yanhu area from 1987 to 2016
根據(jù)鹽湖區(qū)1987-2016年不同時段干熱風(fēng)條件發(fā)生概率和試驗?zāi)甓裙酀{模擬方程 95%灌漿完成時間,得出不同播期小麥干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險(表7),隨著播期的推遲和冬前積溫的降低,小麥灌漿起始日期推遲且灌漿時長縮短,使小麥在一定播期范圍內(nèi),95%灌漿結(jié)束時間相近,干熱風(fēng)風(fēng)險保持一致。繼續(xù)推遲播期,小麥輕度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險無明顯變化,重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險明顯提高。
表7 不同年度各處理小麥干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險Table 7 The risk of dry-hot wind of wheat in different years
2018-2019年度,10月 5日播種(冬前積溫616.2℃),西農(nóng)529的干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險略低于其他2個品種。隨著播期的推遲,3個品種的干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險保持一致,且與10月5日播種差異不明顯。播期推遲到11月25日(冬前積溫63.7℃)時,3個品種的重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險由4%上升為14%,輕度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險無明顯變化。
2019-2020年度,西農(nóng)529與周麥18隨著播期的變化,輕度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險保持一致。濟(jì)麥22在11月12日(冬前積溫114.2℃)時,輕度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險有所升高。濟(jì)麥22播期推遲至10月23日(冬前積溫380.1℃)時,重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險明顯提高,周麥18播期推遲至11月2日(冬前積溫114.2℃)時,重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險明顯提高,西農(nóng)529播期推遲至11月12日(258.9℃)時重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險明顯提高。
2年的干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險分析結(jié)果表明,不同品種的干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險穩(wěn)定范圍不同,濟(jì)麥22在380℃~680℃冬前積溫、周麥18和西農(nóng)529在250℃~680℃冬前積溫范圍播種,輕度和重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險保持一致,繼續(xù)降低冬前積溫,小麥重度干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險加大。
由圖3可知,2017-2018年度3個品種的產(chǎn)量均隨著播期的推遲而升高,其中以濟(jì)麥22的產(chǎn)量最高,周麥18次之,西農(nóng) 529最低,這可能是由于2018年春季發(fā)生的嚴(yán)重低溫對小麥產(chǎn)量造成影響。冬前積溫越高,品種春性越強(qiáng),受春季低溫的影響越大。
圖3 3個年度不同播期處理對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Fig.3 Effects of different sowing dates on wheat yield and its components in three years
2018-2019年度隨冬前積溫的降低,西農(nóng)529產(chǎn)量先升高后降低,在冬前積溫187℃時產(chǎn)量最高,濟(jì)麥22與周麥18產(chǎn)量呈下降趨勢,但616.2℃與390.3℃差異不顯著,這可能是由于春季2-3月春季溫度回暖快,且未發(fā)生春季低溫,使得早播(616.2℃)和適度晚播(390.3℃)的光合性能穩(wěn)定,干物質(zhì)積累豐富。
2019-2020年度,隨冬前積溫的降低,3個類型品種的產(chǎn)量均呈先升高后降低的趨勢,濟(jì)麥22和周麥18在10月23日(冬前積溫380.3℃)播種,產(chǎn)量最高,11月2日播種產(chǎn)量下降明顯,可能與2020年4月24日發(fā)生罕見的超晚霜凍有關(guān)。西農(nóng)529在11月2日(冬前積溫258.9℃)播種產(chǎn)量最高。
3個年度的不同類型小麥品種穗數(shù)均呈先升高后降低的趨勢。隨著冬前積溫降低,增加播量成熟期穗數(shù)增多,但冬前積溫降低到100℃以下時繼續(xù)增加播量,成熟期穗數(shù)明顯降低。
3個年度的穗粒數(shù)變化不盡相同,2017-2018年度隨著冬前積溫降低,穗粒數(shù)顯著增多。2018-2019年度隨著冬前積溫的降低,濟(jì)麥22與周麥18穗粒數(shù)減少,西農(nóng)529穗粒數(shù)呈先升高后降低的趨勢。2019-2020年度3個不同類型品種小麥冬前積溫的穗粒數(shù)均呈先升高后降低的趨勢。不同年型的千粒重變化趨勢也不盡相同,春季低溫主要影響了小麥的穗粒數(shù)和千粒重。
通過以上結(jié)論得出,傳統(tǒng)播期(冬前積溫600℃以上)播種,小麥?zhǔn)軞夂蜃兓绊懨黠@,周年產(chǎn)量穩(wěn)定性較差,尤其以弱春性品種西農(nóng)529產(chǎn)量下降最為明顯。適度推遲播期,降低冬前積溫,能顯著提高小麥對不良?xì)夂驐l件的響應(yīng),保證周年產(chǎn)量的穩(wěn)定。
播期是小麥健壯群體構(gòu)建的重要影響因素,以氣溫升高為主要特征的氣候變化使小麥生長發(fā)育的環(huán)境條件發(fā)生了變化,必然導(dǎo)致區(qū)域最佳播期發(fā)生變化[8,19]。不同播期的小麥,其冬前分蘗、物候期、穗粒數(shù)以及千粒重等都有一定的差異[20-21]。小麥產(chǎn)量隨播期的推遲,不同年型變化不同[22]。有研究[23-24]認(rèn)為,穗數(shù)隨著播期推遲而下降,晚播增加播量可以提高成穗數(shù),適當(dāng)晚播可以提高小麥穗粒數(shù),也有學(xué)者[25]認(rèn)為適度晚播,穗粒數(shù)降低,不同地域、播期和品種的產(chǎn)量及其三因素結(jié)果不盡相同。本研究通過3個年度的試驗表明,隨著播期的推遲,小麥冬前葉齡和分蘗數(shù)減少,拔節(jié)期明顯推遲,而開花期推遲較少,成熟期略有推遲,小麥通過縮短各生育階段時長,以保證灌漿時間。3個年度的產(chǎn)量表現(xiàn),濟(jì)麥22和周麥18以380℃左右冬前積溫的周年產(chǎn)量最高,西農(nóng)529以250℃冬前積溫的周年產(chǎn)量最高,且該冬前積溫下,對氣候變化的適應(yīng)性明顯提高。適度推遲播期,增加播量,不同類型小麥均以穗數(shù)和千粒重的增加來提高產(chǎn)量,穗粒數(shù)呈降低趨勢。這與前人研究[26-27]的冬小麥最適冬前積溫570℃~645℃、冬前葉齡6~7壯苗的冬前指標(biāo)不盡相同。在氣候變暖大環(huán)境下,小麥的最適冬前指標(biāo)已經(jīng)發(fā)生改變。
籽粒灌漿進(jìn)程與小麥的籽粒產(chǎn)量密切相關(guān),尤其對產(chǎn)量要素中的千粒重影響最大[28]。本研究表明,相同播期下,半冬性偏春性品種周麥18灌漿速率最快,半冬性偏冬性品種濟(jì)麥22與弱春性品種西農(nóng)529的灌漿速率相近。隨著播期的推遲,不同類型品種灌漿時長降低的同時灌漿速率增加,保證了不同播期下千粒重的穩(wěn)定(2017-2018年度),且在水分條件適宜的情況下(2019-2020年度),隨著播期推遲,千粒重顯著提高,這與程西永等[29]研究結(jié)果不盡相同,這可能是在氣候變暖的大環(huán)境下,適度晚播雖然縮短了籽粒灌漿時長,灌漿速率加快,灌漿期光熱資源利用率較早播更高,從而提高了小麥籽粒千粒重。
鹽湖區(qū)1987-2016年的小麥干熱風(fēng)主要集中在5月下旬和6月上旬。以籽粒灌漿達(dá)到95%的時間,討論干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險,豐水年(2019-2020年度)籽粒灌漿時間較長,干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險較干旱年(2018-2019年度)略有提高。2個年度灌漿結(jié)果表明,380℃冬前積溫下的不同品種干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險與 600℃冬前積溫發(fā)生風(fēng)險一致。濟(jì)麥 22在低于380℃冬前積溫時干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險提高,而周麥18和西農(nóng)529低于250℃冬前積溫后,干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險才有所提高。適度推遲播期,干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險并未提高,而小麥周年產(chǎn)量的穩(wěn)定性顯著提高。本研究提出了可適度推遲播期,但與之配套的品種選擇、水肥運籌和播種方式等還需進(jìn)一步研究。
適度推遲播期,冬前積溫減少到380℃左右,冬前分蘗數(shù)為2~4時,冬前生長量少,可減少冬前養(yǎng)分和水分消耗,且灌漿速率加快,提高了千粒重,而干熱風(fēng)發(fā)生風(fēng)險沒有明顯提升,小麥產(chǎn)量較傳統(tǒng)播期(冬前積溫約600℃)顯著提升。本地區(qū)的主推品種為半冬性偏冬性品種,在約380℃冬前積溫時,半冬性偏春性品種以及弱春性品種在本地區(qū)也可種植。