關中灌區冬小麥混種的產量及農田土壤水分利用效率

施成曉，陳 婷，馮 帆，王昌江，呂曉康，張 磊，廖允成，秦曉梁

(西北農林科技大學農學院， 陜西 楊凌 712100)

關中灌區冬小麥混種的產量及農田土壤水分利用效率

施成曉，陳 婷，馮 帆，王昌江，呂曉康，張 磊，廖允成，秦曉梁

(西北農林科技大學農學院， 陜西 楊凌 712100)

為探明不同冬小麥品種混種對產量和水分利用效率的影響。選用冬小麥西農979、小偃22、矮抗58和西農889，于2013—2014和2014—2015兩年在西北農林科技大學斗口試驗站開展田間試驗,設置4個水平：單播(1L)、2個品種混種(2L)、3個品種混種(3L)和4個品種混種(4L)，系統測定并比較不同混種水平群體生物量、子粒產量和農田土壤水分利用效率等。結果表明，灌漿期的混種群體光截獲率、旗葉SPAD值、凈光合速率和瞬時水分利用效率均顯著大于單作群體。混種群體子粒產量和地上生物量均高于單作群體，子粒產量增幅隨混種品種數量的增加逐漸降低，兩年平均增幅為7.92%(2L)、7.15%(3L)和2.73%(4L)，其中2L和3L達顯著水平，地上生物量增幅隨混種品種數量的增加逐漸升高，兩年平均增幅為1.08%(2L)、4.78%(3L)和7.24%(4L)，3L和4L達顯著水平，通徑分析表明混播下子粒產量的增加得益于單位面積穗數和穗粒數增加。混種增加了群體淺層土壤含水量和深層土壤中的根系分布，顯著降低群體耗水量，并顯著提高群體水分利用效率(WUE)，子粒WUE兩年平均提高11.93%(2L)、12.39%(3L)和8.72%(4L)，地上干物質WUE兩年平均提高3.3%(2L)、8.66%(3L)和11.75%(4L)。不同品種冬小麥混種可以提高水分利用效率，增加子粒產量。

冬小麥；混種；產量；地上生物量；水分利用效率

在現代農業生產系統中，集約化單一種植模式造成農田生物多樣性越來越低，作物病害越來越嚴重，農藥投入越來越多，土壤退化侵蝕加重[1-2]。有學者提出利用生物多樣性理論法則構建可持續農業生態系統是模擬自然生態系統的有效方法[3]。草地生物多樣性研究發現單位面積生物產量隨著混種品種多樣性指數增加而增加[4-5]。利用不同作物構建混合群體是農業生產上模擬自然生態系統常用的方法[6]，但不同作物成熟期不同的特點與發展農業機械化生產相矛盾，因此利用同種作物不同品種構建混種群體成為多樣性理論在生產上應用的有效途徑[7]。

品種混種能減輕生物脅迫和非生物脅迫對于作物產量造成的損害[3]。不同抗病性品種混種有效降低易感病品種發病率，減少農藥使用，有利于減輕農田環境污染[8-9]，并獲得比單播平均產量更高更穩定的子粒產量[10]，堪薩斯州和華盛頓州的小麥混播面積在10%～15%之間[11]；在中國云南省，兩年4 145hm2水稻混播試驗是世界上種植規模最大的混種試驗之一，比起單播，混種使稻瘟病發病率降低94%，增產89%[12]。生物學性狀互補的不同品種混種能更高效地利用環境中限制性資源，比如水分和養分，使混種群體獲得高產[3]。高稈和中稈大麥混種能充分利用地上的光能，有極顯著的增產效果[13]，三個春小麥等比例混種在傳統農田和有機農田中，發現兩種農田中混種群體均具有增產和穩產效果[14]。

水資源缺乏是小麥生產面臨的主要限制因素之一，干旱半干旱區挖掘小麥高產潛力的主要措施之一在于提高麥田水資源轉化效率，最大限度地減少地表水分蒸發和增加深層土壤水分的高效吸收[15-17]。目前研究主要通過集雨技術、灌溉節水和工程節水來提高水分利用效率，比如溝壟覆膜種植[18-19]；而不同的作物根系吸水能力存在差異[3]，高效吸收深層土壤水分提高水分利用效率大多經過調節作物根系大小及根系分布來實現，增加根系在深層土壤中的分布可以增強根系吸收土壤水分，提高旱區谷類作物的水分利用效率[20-21]。通過不同品種混種來提高水分利用效率成為可能，目前成功的例子涉及大麥和春小麥[13-14]，關于冬小麥的研究未見詳細報道。

冬小麥是我國重要的糧食作物，但關于冬小麥品種混種的研究主要偏向于病蟲害防治，且局限于兩個品種，而不同冬小麥品種混種對環境資源利用潛力的研究較為欠缺，此外混種品種數量是否影響群體產量和水分利用效率也鮮有研究。因此，本研究選取4個不同冬小麥品種，設置4個混種水平，通過測定混種群體性狀指標和對資源的利用特征，驗證冬小麥多品種混種能否提高子粒產量，比較4個不同混種水平群體間產量和農田土壤水分利用等方面的差異，以期為冬小麥混種技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用西農979(A)、小偃22(B)、矮抗58(C)和西農889(D)為材料，4個品種均為西北地區主栽品種。

1.2 試驗地概況

圖1 冬小麥生育期內降雨分布情況

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，采用不同品種分行混種，共4個混種水平：單播(1L)分A、B、C和D單種；兩個品種混種(2L)分為AB、AC、AD、BC、BD和CD混種；三個品種混種(3L)分為ABC、ABD、ACD和BCD混種；四個品種混種(4L)分為ABCD、CADB和BACD混種。播種時間均為10月12日，收獲期均為次年6月6日，人工條播，播種深度為5 cm，小區長2.5 m、寬4 m，每個小區條播16行，行距25 cm，單播與混種播種量均為350 粒·m-2，各品種播種比例均為1∶1，每處理三個重復，待出苗兩周后定苗。試驗地按常規進行水肥管理，播種前一次性配施尿素(N 375 kg·hm-2)、過磷酸鈣(P2O5120 kg·hm-2)、氯化鉀(KCl 90 kg·hm-2)作為基肥。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 單位面積莖數積累動態 小麥出苗兩周后，每個小區每個品種選取出苗均勻的1 m樣段，用地插牌標記，于冬前分蘗期(12月12日)、拔節期(3月12日)、孕穗期(4月14日)、開花期(4月30日)和灌漿期(5月20日)統計該1 m樣段莖數，各小區均折算成單位面積莖數，混種小區莖數取該小區各品種莖數平均值。

1.4.2 旗葉SPAD值、旗葉面積和光合指標 灌漿期用葉綠素含量測定儀(SPAD-502 Chlorophyll Meter Model)隨機測定每個小區每個品種旗葉SPAD值。矯正系數法測定旗葉葉面積：旗葉葉面積=長×寬×矯正系數，其中矯正系數依照劉自華[22]的方法，取值為0.76。于灌漿期晴朗無風上午9∶30—11∶30，用Li-6400XT(美國)光合儀測定凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)，并計算旗葉瞬時水分利用效率(WUEleaf)：WUEleaf=Pn/Tr。

1.4.3 光截獲率 灌漿期用3415F光量子測量儀測定每個小區群體冠層頂部(距離地面1 m處)和基部(距離地面10 cm處)的光量子，頂部隨機測量3次，底部測量8次，計算各處理光截獲率：光截獲率=(Q1-Q2)/Q1×100%，式中，Q1為冠層頂部光量子(3次測量平均值)，Q2為基部光量子(8次測量平均值)。

1.4.4 產量及產量構成因素 成熟前一周，每個小區每個品種隨機取15個穗，統計穗粒數；成熟期每個小區每個品種取1 m長勢均勻的樣段，統計穗數和千粒重，并稱量地上干物質(Yb)和子粒重量(Yg)。

1.4.5 根系生物量 收獲后測定0～160 cm土層根系生物量，取樣間隔為20 cm，用內徑為9 cm的根鉆在每個處理各個品種所在的行內和行間分別打土取根，用孔徑為0.4 mm的網篩洗出根系，并用鑷子挑出雜質，80℃下烘干稱重，并折算單位面積根系生物量。

1.4.6 水分利用效率 播種前采用五點取樣法于試驗地選取5個具有代表性樣點，用烘干法測定0～200 cm土層土壤含水量；收獲后用烘干法測定每個小區0～200 cm土層土壤含水量，采樣剖面間隔均為20 cm，測定土壤含水量(WC)：WC=(W1-W2)/W2×100%，并計算每個小區耗水量(WU)：WU=P+I+S，式中：W1為濕土重，W2為干土重；P為生育期內降水量，I為生育期內灌溉量，S為播種前和收獲后土壤水分變化量，再計算水分利用效率WUE：WUE=Y/WU，式中：Y為小麥產量，包括地上生物量(Yb)和子粒產量(Yg)。

1.5 數據整理與統計

用Microsoft Excel 2010整理數據，文中各混種水平所有指標數據均為群體均值，即對各混種水平下各處理進行平均，得到各混種水平群體的平均值(1L群體均值為A、B、C和D的平均值；2L群體均值為AB、AC、AD、BC、BD和CD的平均值；3L群體均值為ABC、ABD、ACD和BCD的平均值；4L群體均值為ABCD、CADB和BACD的平均值)，各混種水平群體均為三個重復，利用SPSS19.0統計分析軟件進行單因素方差分析，Duncan新復極差法檢驗顯著性，顯著性水平為0.05，通過通徑分析比較各混種水平群體子粒產量(Y)與產量構成因素(穗數：X1、穗粒數：X2、千粒重：X3)之間的關系，Sigmaplot 12.5繪圖軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同混種水平對株高的影響

西農979和矮抗58的株高在不同混種水平下無顯著變化(P>0.05)，其中矮抗58的株高隨混種水平增加逐漸減小，小偃22和西農889在混種條件下株高均大于單作，2L混種下增加不顯著(P>0.05)，3L和4L混種下均顯著增加(P<0.05)(表1)。

2.2 不同混種水平冬小麥群體單位面積莖數變化動態

不同混種水平冬小麥群體單位面積莖數變化動態相同，隨著生育期先增加后下降，拔節期達到最大值(圖2)。整個生長過程中，混種群體單位面積莖數均多于單作，開花期(4月30日)前為：2L>3L>4L>單播，開花期后表現為：3L>2L>4L>單播，其中2013年混種群體單位面積莖數均顯著多于單作(P<0.05)，2014年混種群體單位面積莖數在開花期(4月30日)前顯著多于單作(P<0.05),開花期后3L混種群體單位面積莖數顯著多于單作和2L、4L混種群體(P<0.05)。

表1 不同混種水平對冬小麥株高的影響

注：同列中不同字母表示同一品種不同混種水平間差異達0.05顯著水平；表2、表3相同。

Note: Different letters indicate significant difference between mixed level of same variety at 0.05 level. The same as below.

圖2 不同混種水平下冬小麥單位面積莖數積累變化動態

2.3 不同混種水平對冬小麥群體光截獲率及旗葉SPAD值的影響

兩年試驗中，灌漿期各水平混種群體光截獲率均大于單作群體，混種水平越高光截獲率越大，2013年灌漿期3L和4L混種群體光截獲率顯著大于單作(P<0.05)，2014年灌漿期三個混種群體光截獲率均顯著大于單作(P<0.05)(圖3a)；2013年灌漿期，3L混種群體旗葉SPAD值顯著大于單作(P<0.05)，2014年灌漿期三個混種群體旗葉SPAD值顯著大于單作(P<0.05)(圖3b)。

2.4 不同混種水平對冬小麥群體旗葉面積、凈光合速率、蒸騰速率和葉片瞬時水分利用效率的影響

灌漿期不同水平混種均顯著影響冬小麥群體旗葉面積、凈光合速率、蒸騰速率和葉片瞬時水分利用效率(表2)。混種群體旗葉面積和凈光合速率均顯著大于單作群體(P<0.05)，兩年結果均為3L>2L>4L>單播；混種群體旗葉蒸騰速率小于單播群體，兩年試驗均為單播>2L>3L>4L，其中2014年達到顯著水平(P<0.05)；混播群體旗葉瞬時水分利用效率顯著高于單播群體(P<0.05)。

圖3 不同混種水平下冬小麥群體灌漿期光截獲率和旗葉SPAD值

表2 不同混種水平冬小麥群體灌漿期旗葉面積、凈光合速率、蒸騰速率和葉片瞬時水分利用率

2.5 不同混種水平對冬小麥群體根系分布的影響

不同冬小麥群體根系生物量主要分布在0～0.8 m土層，0～0.4 m根系分布最多(圖4a)。在0～0.2 m土層，混種群體根系分布均少于單作群體，根系生物量所占比例也小于單作群體(圖4b)；0.2 m以下土層，混種群體根系分布均比單作群體多，土層越深，混種群體根系分布越多，深層根系所占比例比單作大，均表現為：4L>3L>2L>單作。

圖4 2014年不同混種水平對冬小麥群體根系分布的影響

2.6 不同混種水平對冬小麥群體產量構成因素的影響

兩年試驗中，不同數量冬小麥品種混種均能增加單位面積穗數(表3)，2013年三個混種群體穗數均顯著增加，2014年3L和4L 混種群體穗數顯著增加(P<0.05)；不同混種水平群體穗粒數與單播相比，2L和3L混種的群體穗粒數高于單作，4L混種穗粒數低于單作，差異均不顯著(P>0.05)；除3L混種群體千粒重在2013年大于單作外，其余混種群體千粒重均小于單作，差異均不顯著(P>0.05)。

通徑分析表明(表4)，單作群體的千粒重對子粒產量作用最大，穗粒數次之，單位面積穗數作用最小；2L和3L混種群體的千粒重對子粒產量作用最大，單位面積穗數次之，穗粒數最小；4L混種群體的穗粒數對子粒產量作用最大，單位面積穗數次之，千粒重作用最小。與單播相比，混播群體的單位面積穗數和穗粒數對子粒產量的貢獻作用增大。

表3 不同混種水平對冬小麥群體穗數、穗粒數和千粒重的影響

表4 不同混種水平群體子粒產量與產量構成因素(穗數、穗粒數和千粒重)之間回歸模型及通徑系數

注：*表示0.05水平上顯著；SN—穗數，SKN—穗粒數，TKW—千粒重。

Note: *indicates correlation significance at 0.05 level. SN-Spike number, SKN-Spike kernel number, TKW-1000-kernel weight.

2.7 不同混種水平對冬小麥群體土壤含水量、耗水量、收獲指數和水分利用效率的影響

兩年試驗播前土壤含水量均大于收獲期，收獲后，混種群體0～1.2 m土層土壤含水量均大于單播群體(圖5)，不同混種水平冬小麥群體田間土壤含水量不同，說明不同混種群體耗水量不同(表5)。兩年試驗混種群體耗水量均顯著少于單作(P<0.05)，表現為單作>2L>3L>4L，兩年數據平均，混種能降低2.4%～4.3%的耗水量。2L和3L混種能顯著提高群體子粒產量(P<0.05)，兩年平均混種比單作增產7.92%(2L)、7.15%(3L)和2.73%(4L)；3L和4L混種能顯著增加地上干生物量(P<0.05)，兩年平均混種比單作分別增加7.24%(4L)、4.78%(3L)和1.08%(2L)。不同混種水平群體收獲指數也不同，2L混種群體收獲指數最大，顯著高于其它水平(P<0.05)，4L混種群體收獲指數最低，顯著低于單播(P<0.05)。混種能顯著提高群體水分利用效率(P<0.05)，兩年試驗平均各混種群體子粒水分利用效率分別提高12.39%(3L)、11.93%(2L)和8.72%(4L)，地上干物質水分利用效率隨混種水平增加而增加，分別提高11.75%(4L)、8.66%(3L)和3.3%(2L)。

圖5 冬小麥播前和收獲后土壤含水量

表5 不同混種水平對產量、總耗水量、收獲指數和水分利用效率的影響

3 討 論

混種被認為是一種能提高作物產量和產量穩定性的生產技術[23-24]，已有的混種研究結果間有較大差異，許多混種試驗表明在正常或惡劣環境下均具有產量優勢[24-28]。本研究選取了四個生育期接近的冬小麥品種，進行單作和三個不同水平的混種，發現地上生物量隨混種品種數量的增加而增加，這與已有的生態學領域的研究結果一致[25-26]；混種群體產量均高于單作，這與Fang[15]和劉琳等[27]對兩個冬小麥品種混種的研究結果一致，說明混種是一種能提高冬小麥產量的有效栽培技術。關于混種群體產量構成因素影響產量的機理，有研究發現不同株高春小麥品種混種群體增產均得益于穗數、穗粒數和千粒重的增加[28]；本研究通徑分析結果與前人的研究一致，不同冬小麥品種混種增產得益于混種群體單位面積穗數和穗粒數在子粒產量貢獻比重的增大，這說明混種群體具有較大的庫容。源庫學說認為較大的庫容能力能促進光合物質的合成與運轉[29]，關于冬小麥源庫關系的研究發現，較強的庫容可以促進葉片光合活性和增加光合產物[30-31]；此外光合作用是冬小麥產量形成的基礎，開花后旗葉被公認為對產量貢獻最大的葉片[15]，增加旗葉葉面積[28]，延長旗葉光合時間[3]有利于提高產量，本研究發現三個混種水平群體灌漿期旗葉SPAD值、旗葉面積和旗葉凈光合速率均顯著大于單作，表明灌漿期混種群體旗葉光合活性大于單作，能合成更多光合物質。說明混種群體與單作群體相比，既有較大的源，同時有較大的庫容，源與庫相互作用、相互調節是獲得高產的重要原因之一。此外，相對于2L和3L，4L混種群體子粒產量出現顯著下降，可能原因是4L混種群體品種組合只有一種，也可能是樣方面積不夠大，混種優勢沒有體現出來。

混種群體增產也得益于各品種株高的差異，由不同株高麥類品種組成的混合群體可以產生互補效應，表現出產量優勢[28,32]，本研究中，具有不同株高的三個混種群體同樣獲得較單作更高的產量。說明混種群體的株高差異具有避免同一空間受光沖突的作用，較好地緩解了群體與個體間的矛盾，使混種群體處于優勢狀態。混種群體中各品種對光照、養分等資源的競爭會影響子粒產量高低[32]，高稈品種在混合群體種間競爭中是優勢品種，獲取和利用資源的能力強于矮稈品種，在混種條件下高稈品種株高增大、產量增加，矮稈品種株高降低、產量降低[15-16]；本研究中高稈品種小偃22和西農889在混種條件下株高增大，且隨混種品種數量的增加而增加，矮稈品種矮抗58的株高隨混種品種數量的增加而呈現降低趨勢，中稈品種西農979的株高基本不變，說明小偃22和西農889在混種群體中為優勢品種，矮抗58處于劣勢。因此適當降低矮稈品種在混種群體中的比例，有利于改善矮稈品種的光照條件，充分發揮混種的增產優勢，但不同生態條件下高矮稈品種的具體比例仍需進一步研究。

水分虧缺是當前農業生產面臨的主要障礙之一，減少作物生育期內無效水分的消耗和損失，提高土壤水分利用效率是增加干旱半干旱地區作物產量的有效措施[15-16]。本研究發現灌漿期混種群體具有比單作群體更多的單位面積莖數和顯著大于單作群體的光截獲率，混合群體具有較大冠層郁閉度，對表層土壤有較好的遮擋，有利于降低土壤水分蒸發量[33]，在降雨量和灌溉量相同的條件下，混種群體耗水量隨混種品種數增加而減少。此外灌漿期混種群體旗葉瞬時水分利用效率和SPAD值均比單作高，有利于提高混種群體水分利用效率。增加根系在深層土壤中的分布可以促進根系接近并吸收深層土壤水分[20-21]，提高旱區水分轉化率和利用效率[8]。本研究發現不同混種水平群體根系在淺層土壤中(0～0.4 m)的分布均少于單作群體，在深層土壤中的分布比單作群體多，促進混種群體高效吸收利用深層土壤水分，使混種群體淺層土壤水分含量高于單作。然而4L混種群體子粒水分利用效率低于2L和3L混種群體，原因可能是4L混種群體的收獲指數小于2L和3L群體，導致4L混種群體地上生物量水分利用效率較大，但子粒水分利用效率較低。

4 結 論

在關中灌區，與冬小麥單作相比，混種能增加群體光截獲率、旗葉SPAD值、凈光合速率和瞬時水分利用效率；混種增加群體子粒產量和地上生物量，子粒產量增幅隨混種品種數量的增加逐漸降低，平均增幅為2.73%～7.92%，地上生物量增幅隨混種品種數量的增加逐漸升高，平均增幅為1.08%～7.24%；混種能增加麥田淺層土壤含水量和深層土壤中的根系分布，提高群體子粒和地上干物質的麥田土壤WUE，降低群體耗水量。

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ProductionofmixedplantingwinterwheatandsoilwaterefficiencyinGuanzhongIrrigationZone

SHI Cheng-xiao, CHEN Ting, FENG Fan, WANG Chang-jiang, LV Xiao-kang, ZHANG Lei, LIAO Yun-cheng, QIN Xiao-liang

(CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The field experiments were conducted in 2013—2014 and 2014—2015 at Doukou Experimental Station of Northwest A&F University to explore effects of mixed planting of four cultivated winter wheat varieties (Xinong 979, Xiaoyan 22, Aikang 58 and Xinong 889) on population yield and water use efficiency. The above-ground biomass of population, grain yield, water use efficiency were determined with pure stands of each variety (1L), mixture of two varieties (2L), mixture of three varieties (3L) and mixture of four varieties (4L). Results indicated that the canopy light interception rate, flag leaf SPAD value, net photosynthetic rate and instantaneous WUE of mixed population were significantly higher than those of monoculture group during filling period. Grain yield and above-ground biomass of mixed population were higher than those of monoculture group. The grain yield decreased with the increase in mixed level, and the average increase in two years were 7.92%(2L), 7.15%(3L) and 2.73%(4L) respectively, with the increase of 2L and 3L reaching significant level. Above-ground biomass showed an rising trend with the increase in mixed level , and the average increase in two years were 1.08%(2L), 4.78%(3L) and 7.24%(4L) respectively, with the increase of 3L and 4L reaching significant level. The increase in grain yield was attributed to the augment of spike number (per area) and kernel (per spike). Mixed planting increased water content of upper soil layer and root distribution in deeper soil layer, and significantly decreased water consumption of population during whole growth period. Besides, mixed planting improved water use efficiency(WUE), average WUE of grain in two years increased by 11.93%(2L), 12.39%(3L) and 8.72%(4L), and average WUE of above-ground biomass in two years increased by 3.3%(2L), 8.66%(3L) and 11.75%(4L) respectively. It is concluded that mixed planting of cultivated winter wheat varieties could increase grain yield with better water use efficiency.

winter wheat; mixture; yield; above-ground biomass; water use efficiency

1000-7601(2017)03-0029-09doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.05

2016-03-14

：2017-05-15

：國家科技支撐計劃(2015BAD22B03-05)；陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2015KTZDNY01-02)

施成曉(1991—)，男，云南大理人，碩士研究生，研究方向為旱區作物高效栽培。 E-mail：shichengxiao0509@163.com。

廖允成，E-mail：yunchengliao@163.com。 秦曉梁，E-mail：xiaoliangqin2006@163.com。

S512.1+1；S314

： A