翟冬峰余維寶崔永升李豪圣曹新有張賓孔令安王法宏李華偉

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所/小麥玉米國家工程研究中心/山東省小麥技術(shù)研究中心，山東 濟南 250100；2.山東登海種業(yè)股份有限公司，山東 萊州 261400；3.中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，北京 100193；4.德州市陵城區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)中心，山東 德州 253000)

小麥是世界上種植面積最大的主食作物，是人類賴以生存的重要碳水化合物來源，在保障糧食安全方面發(fā)揮著不可替代的作用。為了滿足人口不斷增加的需求，小麥產(chǎn)量將需增加一倍或更多[1，2]。中國有14億多人口，耕地相對不足，到2050年要滿足其糧食需求，作物的增產(chǎn)率必須達到2%左右，而目前增長率只有1%左右[3]。在耕地面積無法增加前提下，提高小麥平均單產(chǎn)是實現(xiàn)其總產(chǎn)提高的唯一途徑[4-6]。

作物產(chǎn)量受遺傳基因和環(huán)境因素(如光照、溫度、水分、栽培措施、肥料、土壤條件等)的共同影響，同一品種在不同環(huán)境中產(chǎn)量會有很大差異。全球不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)小麥都存在著產(chǎn)量差。發(fā)展中國家和地區(qū)的作物產(chǎn)量差要大于發(fā)達國家，東歐地區(qū)的作物產(chǎn)量差要大于西歐地區(qū)[7]。在我國，得益于育種技術(shù)和栽培技術(shù)進步，小麥平均產(chǎn)量在過去幾十年有了很大提高，但平均單產(chǎn)的增速遠低于單產(chǎn)記錄增速，導致我國小麥平均單產(chǎn)和高產(chǎn)記錄間存在著巨大產(chǎn)量差[8]。由于農(nóng)戶農(nóng)藝技術(shù)水平和地塊地力的差異，同一區(qū)域不同農(nóng)戶間，甚至同一農(nóng)戶不同地塊間都存在著很大的產(chǎn)量差[9，10]?？s小現(xiàn)有產(chǎn)量差是提高平均單產(chǎn)和總產(chǎn)的最直接有效的途徑[6，10]。

同時，隨著人民生活水平的改善和消費結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，我國的消費需求已經(jīng)開始從“溫飽型”向“品質(zhì)型”發(fā)展，用于制作面包、蛋糕等的專用優(yōu)質(zhì)小麥的需求量不斷增加，而由于相應生產(chǎn)技術(shù)的欠缺，我國每年需要大量進口優(yōu)質(zhì)專用小麥，導致優(yōu)質(zhì)專用小麥生產(chǎn)與食品工業(yè)需求間存在著結(jié)構(gòu)性矛盾[11]，所以優(yōu)質(zhì)專用小麥生產(chǎn)需要產(chǎn)量和品質(zhì)并重。山東省是我國優(yōu)質(zhì)強筋小麥主產(chǎn)省份[12]，生產(chǎn)中其單產(chǎn)已經(jīng)突破12 025.8 kg/hm2，但農(nóng)戶平均產(chǎn)量卻仍處于較低水平。因此，明確優(yōu)質(zhì)強筋小麥不同產(chǎn)量水平的產(chǎn)量差，解析產(chǎn)量差存在的內(nèi)在機理，對于強筋小麥高產(chǎn)栽培具有重要意義。本研究在前期調(diào)研基礎(chǔ)上，綜合肥料投入、播種密度和灌溉水平等管理措施，以高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)強筋小麥濟麥44為材料，設(shè)置3種種植模式以模擬小麥不同產(chǎn)量水平，定量化小麥產(chǎn)量差，并通過分析不同產(chǎn)量水平小麥群體的莖蘗動態(tài)、葉面積指數(shù)以及物質(zhì)積累，確定實現(xiàn)強筋小麥高產(chǎn)的群體質(zhì)量指標，以期為優(yōu)質(zhì)強筋小麥高產(chǎn)調(diào)控途徑的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2019年在山東省濟寧市兗州區(qū)大安鎮(zhèn)大南鋪村(116.78°E，35.62°N)、德州市齊河縣焦廟鎮(zhèn)華集村(116.45°E，36.65°N)、煙臺市萊州市西由鎮(zhèn)登海種業(yè)萊州第8試驗場(119.94°E，37.37°N)和淄博市臨淄區(qū)朱臺鎮(zhèn)謝家村(118.29°E，36.95°N)進行。各生態(tài)試驗點2016年小麥播前0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)(2016)

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗選用優(yōu)質(zhì)強筋小麥濟麥44為材料，在生產(chǎn)調(diào)查基礎(chǔ)上綜合肥料投入、播種密度和灌溉水平等管理措施，設(shè)置3種種植模式以模擬不同產(chǎn)量水平，即SH(超高產(chǎn)種植模式，基于山東省小麥“高產(chǎn)記錄”栽培技術(shù))、FP(農(nóng)戶種植模式，基于農(nóng)戶小麥種植調(diào)查結(jié)果)、HH(高產(chǎn)高效種植模式，結(jié)合SH、FP和當?shù)貙＜医?jīng)驗建議形成的)。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，重復3次。小區(qū)長80 m，寬3.0 m。小區(qū)間設(shè)1.5 m隔離帶。各生態(tài)試驗點均采用小麥-玉米輪作種植方式，前茬玉米收獲后秸稈全量粉碎還田深耕，于每年10月15—20日適期播種。小麥行距0.25 m，每畦6行。試驗管理措施見表2。所用氮肥為普通尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O514%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 52%)，鋅肥為硫酸鋅(含Zn 21%)，有機肥選用山東淄博禾富農(nóng)業(yè)有限公司商品有機肥[含有機碳(干基)56.37%、N 2.04%、P2O51.82%和K2O 1.64%]。其它病蟲害防治等田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

表2 不同種植模式冬小麥播種密度及肥水運籌

1.3 測定指標與方法

群體動態(tài)測定:于冬小麥出苗期、越冬期、拔節(jié)期、成熟期調(diào)查獲取群體基本苗數(shù)、冬前分蘗數(shù)、最大分蘗數(shù)和有效穗數(shù)，并計算群體分蘗成穗率和單株有效分蘗數(shù)。

葉面積指數(shù):用LAI 2000葉面積指數(shù)儀測定葉面積指數(shù)(LAI)，并按照訾妍等[13]的方法計算葉面積衰減速率。

生物量及物質(zhì)轉(zhuǎn)運測定:于開花期和成熟期取0.4 m×0.25 m＝0.1 m2植株地上部，置于105℃烘箱殺青30 min，而后80℃烘干至恒重，測定開花期生物量和花后同化量(花后同化量＝成熟期生物量-開花期生物量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計、顯著性分析及相關(guān)性分析。利用SigmaPlot 14.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量差

SH、HH和FP種植模式三年度平均產(chǎn)量分別為9 417.2、8 899.4 kg/hm2和7 977.3 kg/hm2，處理間差異顯著，其中FP與SH、HH分別存在著1 439.9 kg/hm2和922.1 kg/hm2的產(chǎn)量差(表3)。不同種植模式下小麥年際間產(chǎn)量差不同，2016—2017、2017—2018、2018—2019年度，SH與HH之間產(chǎn)量差分別是453.0、576.7、523.7 kg/hm2，HH與FP之間產(chǎn)量差分別為1 468.9、362.6、934.7 kg/hm2。SH和HH公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重都顯著高于FP處理。可見產(chǎn)量的提高需要公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的協(xié)同提高。

表3 不同種植模式下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2016—2017、2017—2018和2018—2019年度濟麥44平均產(chǎn)量為9 293.6、8 131.1 kg/hm2和8 869.2 kg/hm2，2016—2017和2018—2019年度均出現(xiàn)9 000 kg/hm2高產(chǎn)群體。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，9 000 kg/hm2以上高產(chǎn)群體的公頃穗數(shù)和千粒重均高于其以下群體，但千粒重差異不大。本試驗條件下，濟麥44產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上高產(chǎn)群體指標為公頃穗數(shù)700萬～730萬、穗粒數(shù)33.1～36.5粒、千粒重43.2～45.1 g。

2.2 不同種植模式小麥群體動態(tài)變化及與產(chǎn)量的關(guān)系

根據(jù)調(diào)研基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專家意見，SH、HH和FP種植模式基本苗分別設(shè)定為300萬、270萬、330萬株/hm2左右(表4)。由于基本苗數(shù)不同，不同種植模式冬前分蘗數(shù)表現(xiàn)為FP顯著大于SH，兩者均顯著大于HH。最大分蘗數(shù)2016—2017年度表現(xiàn)為FP＞SH＞HH，2017—2018和2018—2019年度均表現(xiàn)為FP與SH間無顯著差異，但均顯著大于HH。各年度有效穗數(shù)SH、HH均顯著大于FP。

表4 不同產(chǎn)量層次冬小麥群體動態(tài)

由圖1可見，小麥產(chǎn)量與分蘗成穗率(y2016—2017＝-37.729x2+4419.814x-119155.318，R2＝0.8932**；y2017—2018＝-24.260x2+2860.550x-75769.190，R2＝0.5170*；y2018—2019＝-51.939x2+5986.428x-163163.803，R2＝0.4427*)、單株成穗數(shù)(y2016—2017＝-5392.258x2+28485.773x-27636.533，R2＝0.8397**；y2017—2018＝-3830.497x2+17866.965x-12477.918；R2＝0.4556*；y2018—2019＝-14556.654x2+63720.934x-60245.424，R2＝0.5478*)均呈顯著拋物線關(guān)系，三年度表現(xiàn)一致。

圖1 小麥產(chǎn)量與分蘗成穗率和單株成穗數(shù)的關(guān)系

濟麥44產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上群體，其2016—2017年度分蘗成穗率在53.2%～65.1%之間，單株成穗數(shù)分布在2.3～2.8個之間；而2018—2019年度分蘗成穗率在55.1%～60.3%之間，單株成穗數(shù)分布在2.0～2.5個之間。

2.3 不同種植模式小麥群體的物質(zhì)生產(chǎn)

由圖2可見，不同種植模式小麥開花前和開花后以及全生育期的生物量年際間以及生態(tài)試驗點間表現(xiàn)不一致，但總的來說SH模式花前和花后積累生物量都大于HH和FP。

圖2 不同種植模式小麥生物量的積累差異

由圖3可見，小麥產(chǎn)量和開花期生物量呈拋物線關(guān)系[y2016—2017＝(-1.2891E)x2+4.703x-33054.074，R2＝0.4509*；y2017—2018＝(-7.4601E)x2+3.113x-23817.237，R2＝0.7616**；y2018—2019＝(-1.9562E)x2+6.326x-41942.267，R2＝0.2989]，而與花后同化生物量呈顯著線性正相關(guān)(y2016—2017＝1.198x+493.621，R2＝0.7251**；y2017—2018＝0.715x+3663.554，R2＝0.5590**；y2018—2019＝0.934x+2570.713，R2＝0.7959**)。

圖3 產(chǎn)量與開花期生物量和花后同化生物量的關(guān)系

2016—2017年度，產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上濟麥44群體開花期生物量分布在15 840～21 050 kg/hm2之間，2018—2019年度分布在15 760～17 530 kg/hm2之間；花后同化生物量兩年度分布在7 206～8 810 kg/hm2之間。

2.4 不同種植模式小麥產(chǎn)量與開花期、灌漿期LAI和灌漿期LAI衰減速率的關(guān)系

由圖4可知，小麥產(chǎn)量與開花期LAI(葉面積指數(shù))呈拋物線關(guān)系(y2016—2017＝-16696.757x2+237454.274x-834075.460，R2＝0.4379*；y2017—2018＝-7160.844x2+99328.484x-335863.197，R2＝0.6706*；y2018—2019＝-8654.308x2+121050.445x-413730.837，R2＝0.6009*)。開花期三年度產(chǎn)量最高水平小麥群體的葉面積指數(shù)均分布在6.9～7.2之間。

圖4 小麥產(chǎn)量與開花期(A)、灌漿期(B)LAI和灌漿期LAI衰減速率(C)的關(guān)系

三年度小麥灌漿期LAI分布在4.2～5.8之間，2016—2017和2018—2019年度LAI平均值大于2017—2018年度。小麥產(chǎn)量與灌漿期LAI呈顯著線性正相關(guān)(y2016—2017＝3033.965x-5398.015，R2＝0.8122**；y2017—2018＝1592.043x-393.453，R2＝0.4434*；y2018—2019＝2816.445x-4506.968，R2＝0.6818**)。

小麥產(chǎn)量與灌漿期LAI衰減速率呈線性負相關(guān)(y2016—2017＝-65271.519x+15302.956，R2＝0.6071*；y2017—2018＝-20237.254x+10127.253，R2＝0.4029*；y2018—2019＝-69668.349x+14000.901，R2＝0.2554)，三年試驗結(jié)果相同。

在保證開花期適當LAI基礎(chǔ)上，小麥高產(chǎn)群體灌漿期具有較高的LAI，且其衰減速率明顯較緩慢。2016—2017年度，產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上小麥群體開花期LAI分布在6.9～7.4之間，2018—2019年度分布在6.8～7.2之間；灌漿期LAI兩年度均分布在4.8～5.4之間。2016—2017年度LAI衰減速率小于0.08 LAI/d，2018—2019小于0.10 LAI/d。

3 討論與結(jié)論

小麥產(chǎn)量不但受遺傳基因的影響，還受光、溫、降水等自然條件以及栽培措施的影響。本研究中，2016—2019年濟麥44產(chǎn)量分布在8 131.1～9 293.6 kg/hm2之間，且2016—2017和2018—2019年度都出現(xiàn)9 000 kg/hm2以上產(chǎn)量，表明強筋小麥濟麥44產(chǎn)量突出。三年度，大量資源投入的SH種植模式平均產(chǎn)量為9 417.2 kg/hm2，而優(yōu)化肥水投入量、肥水投入時間、播種密度和增加有機肥的HH栽培模式，其產(chǎn)量為8 899.4 kg/hm2。FP與SH、HH存在著1 439.9 kg/hm2和922.1 kg/hm2的產(chǎn)量差，后兩者增產(chǎn)潛力巨大。

產(chǎn)量的形成是作物群體物質(zhì)生產(chǎn)過程中的最終結(jié)果，作物產(chǎn)量差的根本在于群體數(shù)量和群體質(zhì)量的差異。凌啟鴻等[14，15]提出了作物群體質(zhì)量的概念，并確立群體質(zhì)量的核心指標為花后物質(zhì)積累量，認為適宜的LAI和高的粒葉比是水稻向更高產(chǎn)發(fā)展的條件。本研究中，優(yōu)質(zhì)強筋小麥濟麥44產(chǎn)量與開花期LAI呈拋物線關(guān)系，開花期葉面積指數(shù)在6.9～7.2之間時產(chǎn)量表現(xiàn)最佳；產(chǎn)量與灌漿期LAI呈顯著線性正相關(guān)，表明灌漿期維持較高的LAI有利于濟麥44產(chǎn)量形成。張洪程等[16，17]通過分析水稻產(chǎn)量與葉齡進程間的關(guān)系，總結(jié)出水稻高產(chǎn)形成的規(guī)律，即通過優(yōu)化群體，穩(wěn)前期生長量，增加中期生產(chǎn)量，促進灌漿能力和群體支撐力。本研究中，濟麥44產(chǎn)量與開花期生物量呈拋物線關(guān)系，與花后同化生物量呈顯著線性正相關(guān)，顯示濟麥44高產(chǎn)栽培中開花期應維持適宜生物量，促進花后光合同化量。石玉[18]、馬興華[19]等提出了延緩群體衰老、延長高光合速率期、增加花后干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運、提高粒重的高產(chǎn)栽培途徑。本研究中，濟麥44產(chǎn)量與LAI衰減速率呈顯著負相關(guān)，表明延緩衰老仍然是小麥產(chǎn)量提高的關(guān)鍵。

前人對于小麥高產(chǎn)群體指標有了大量研究。如:朱新開等[20，21]總結(jié)出長江中下游麥區(qū)7 500 kg/hm2小麥群體莖蘗、物質(zhì)生產(chǎn)動態(tài)指標；丁錦峰[22]研究提出長江中下游產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上稻茬麥莖蘗動態(tài)、LAI和生物積累量指標；訾妍等[13]總結(jié)出揚糯麥1號8 000 kg/hm2以上高產(chǎn)群體質(zhì)量指標。本研究中，產(chǎn)量9 000 kg/hm2以上濟麥44小麥群體質(zhì)量指標為:基本苗數(shù)為穗數(shù)值的35%～50%，拔節(jié)期最適莖蘗數(shù)為穗數(shù)值的1.54～1.87倍，開花期生物量宜保持在15 760～21 050 kg/hm2之間、葉面積指數(shù)保持在6.8～7.4之間，灌漿期葉面積指數(shù)在4.8～5.4之間，花后同化生物量保持在7 206～8 810 kg/hm2。