底墑和磷肥對旱地冬小麥產量及其品質的影響

原亞琦，孫 敏，林 文，薛建福，楊珍平，郝興宇，高志強

（山西農業大學 農學院，山西 太谷 030801）

0 引 言

【研究意義】旱地小麥產量年際間變化較大，故其目標是穩產優質[1-3]。水分是制約旱地小麥產量和品質的重要環境因素，其水分的來源是土壤水分和降雨[4]。旱閑期是土壤水分的恢復期，其恢復的程度即底墑，底墑一定程度決定產量和品質[5]。磷肥能夠實現小麥的增產，但對籽粒品質的研究結果在不同地區表現不同。小麥籽粒灌漿方程能夠量化植株營養器官向籽粒轉運的速度、持續時間，以及最終的籽粒增加量。【研究進展】底墑能夠提高小麥的籽粒產量和品質。侯賢清等[7]、鄧妍等[8]研究表明，增加底墑能夠提高小麥生育期降雨利用程度，以及生育期的耗水，達到增產的目的。張慧芋等[9]、崔世明等[10]研究表明，增加底墑能夠提高小麥籽粒的蛋白質量。以肥調水，以水促肥[10]，水分的研究往往伴隨著肥料，而研究小麥底墑與氮肥的研究較多[10-11]，氮肥的投入量決定底墑的利用程度，前季小麥每增施氮肥100 kg/hm2, 可使下季小麥播前底墑減少9～17 mm[6]。而底墑和磷肥的研究較少，且研究主要關于磷肥對小麥產量和品質的影響。馬守臣等[12]、張效星等[13]研究表明，增施磷肥能夠減弱小麥植株的光合“午休”現象，提高產量和磷肥利用率。對于磷肥對小麥籽粒品質的研究存在不同結論，付國占等[14]研究表明，增施磷肥能夠增加籽粒蛋白質組分的量和蛋白大聚體的量；而姜東等[15]2 年的磷肥試驗表明，增施磷肥能夠提高產量，但降低了籽粒的蛋白質量。近年來，對小麥籽粒灌漿方程應用較多。王書吉等[16]研究表明，較正常灌水處理，干旱處理使得灌漿持續期縮短2.72%～15.78%，達到最大灌漿速度的時間提前2.33%～14.58%，導致籽粒產量下降。吳進東等[17]研究表明，較正常灌水處理，花后漬水使冬小麥籽粒體積減小11.8%，灌漿速率降低15.4%，灌漿期持續時間縮短9.2%，千粒質量降低20.9%，穗粒數減少7.0%，籽粒產量降低26.6%。【切入點】針對旱地小麥籽粒灌漿過程進行方程擬合，明確小麥灌漿階段籽粒產量形成過程。并結合籽粒產量、蛋白質的量、蛋白質產量與底墑和磷肥的二次回歸方程擬合，探究旱地小麥產量和品質在不同底墑和磷肥條件下的趨勢變化。【擬解決的關鍵問題】本研究在不同播前底墑條件下設置2 個施磷量，探究籽粒灌漿過程對底墑和磷肥的響應情況，以及底墑和磷肥對籽粒產量和蛋白質的影響，找出山西省南部旱地小麥播前底墑的合適施磷量，既保證小麥籽粒產量和蛋白質，又降低土地的肥料成本投入，同時為旱地小麥穩產優質高效提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

山西省聞喜試驗基地（北緯35°21′13.64"，東經111°13′50.46"）進行，夏閑地，無灌溉條件，2014 年10 月的土壤肥力為：有機質量10.55 g/kg、堿解氮量37.65 mg/kg、速效磷量17.64 mg/kg。小麥休閑期、各生育期降雨量見圖1。

圖1 聞喜縣試驗點小麥休閑期及生育期降雨量 Fig.1 Rainfall of fallow period and growth period of wheat at experiment site in Wenxi

1.2 試驗設計

試驗品種：運旱20410，采用二因素裂區設計，前茬小麥收獲時留20～30 cm 高茬，收獲后深翻35～40 cm，以7 月15 日深翻后進行主區設置。主區為0～100 cm 播前底墑W1（248 mm）、W2（233 mm）、W3（205 mm），底墑通過休閑期滲水地膜覆蓋進行控制，2014 年7 月15 日，分別進行全覆蓋和半覆蓋，2014 年8 月25 日回收地膜，并進行淺旋耕、耙耱平整地塊；副區為施磷量P1（75 kg/hm2）、P2（180 kg/hm2），施用磷肥為過磷酸鈣，折算成P2O5，播種前一天人工施入，2014 年10 月1 日播種，播種時所有處理基施180 kg/hm2N 和150 kg/hm2K2O（氮、鉀肥分別為尿素和氯化鉀），隨播種機施入。播種采用機械條播，播量是165 kg/hm2，行距20 cm，小區面積為150 m2（50 m×3 m），重復3 次，2015 年6 月10日收獲[18]。

1.3 測定項目及計算方法

1.3.1 土壤水分的測定

用土鉆分別于播種期、返青期、拔節期、開花期、成熟期采集1 m 深土壤樣品，每20 cm 為1 層，樣品采集后立即裝入鋁盒，采用烘干法測定土壤含水率，土壤剖面環刀法測定其體積質量[18]。

1.3.2 籽粒干物質測定

花后每隔5 d 取樣1 次，每次取20 穗，當天分離籽粒，（105±5）℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量[18]。

1.3.3 成熟期考種及產量測定

成熟期調查單位面積穗數、每穗平均粒數及千粒質量，每小區取10 株進行室內考種，并每小區收割20 m2，計算單位面積籽粒產量。

1.3.4 灌漿方程的擬合及特征參數的計算

方程擬合選擇Logistic 曲線：Y=K/(1+ea-rt)式中：K 為最大生長量上限；a、r 為常數；e 為自然對數底；t 為時間[16]。參考殷祚云[19]的四點法求得K 值，最小二乘法求得a、r 值。參考王書吉等[16-17]將Logistic方程求一階導數得到最大灌漿速率（Vmax）及其出現時間（tmax），求二階導數得到漸增期（τ1）、快增期（τ2）、緩增期（τ3）持續時間，通過反演得到對應階段的籽粒增加質量Y1、Y2、Y3，以及對于階段的平均灌漿速率V1、V2和V3。

1.3.5 水（磷）肥效應擬合

分別以籽粒產量（Y1）、蛋白質量（Y2）和蛋白質產量（Y3）為因變量，底墑（X1）和磷肥（X2）為自變量，分別計算自變量的二次多項式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中進行逐步回歸分析，剔除與因變量相關程度低的二次多項式，進而得到擬合度最高得回歸方程。

1.4 數據分析

采用Micsoft Execl 2013 錄入數據，統計分析和作圖分別采用SPSS 22.0 和Maple 2018 處理數據。

2 結果與分析

2.1 不同底墑配施磷肥對旱地小麥產量及其構成因素的影響

不同底墑和磷肥不僅對千粒質量穗數和穗粒數有影響（表1）。產量最高的處理是W1P2，對應的穗數、穗粒數和千粒質量也是最高；產量最低處理是W3P1，對應的單位面積穗數、每穗粒數和千粒質量最低；W1P1 和W2P1 處理產量、千粒質量高于W3P2處理，且差異性顯著，但單位面積穗數和每穗粒數間差異性不顯著。可見，產量取決于其構成因子的綜合作用。

2.2 不同底墑配施磷肥對旱地小麥灌漿過程的影響

2.2.1 灌漿期籽粒干物質變化

不同底墑配施磷肥下旱地小麥籽粒千粒質量隨時間呈遞增變化，是“S”形曲線（圖2），不同處理間差異不明顯。灌漿過程的3 個階段：①漸增期，持續約15 d，千粒質量增加較為緩慢，占成熟期籽粒質量的25.78%～30.20%；②快增期，持續約15 d，千粒質量增加質量占成熟期籽粒質量的54.52%～64.62%；③緩增期，花后30 d 至成熟期，千粒質量增加質量占成熟期籽粒質量的5.18%～19.70%。可見，對籽粒質量占比最大的是快增期，達54.52%～64.62%。

表1 底墑和磷肥處理產量及其構成因素 Table 1 Yield and yield components of diffferent treatments

圖2 不同處理下的籽粒灌漿過程 Fig.2 Grain filling process of different treatments

2.2.2 籽粒灌漿的Logistic 方程參數

將不同處理灌漿過程進行Logistic 方程擬合，擬合曲線的決定系數差異性極顯著（R2>0.98）（表2）。相同磷肥條件下，W1 和W2 處理的Vmax、τ、τ1高于W3 處理的。相同底墑條件下，tmax、Y1、τ1、Y2、τ2、V3參數表現為P2>P1，τ、Y3、τ3參數表現為P1>P2；Vmax、V2的W1、W2 處理表現為P2P1，W2 處理則相反。Y3、τ3變異系數（CV）均大于10%，屬于中等變異，而其他參數均小于10%，屬于低等變異。可見，提高底墑能增加快增期的持續時間，并且增施磷肥能提高漸增期和快增期持續時間，分別提高對應階段的籽粒千粒質量。同時也會加速緩增期的灌漿過程；緩增期的變異可能是籽粒千粒質量存在差異的主要原因。

表2 小麥籽粒灌漿方程參數和特征參數 Table 2 Parameters of grain filling equation and characteristic parameters of wheat

2.3 不同底墑配施磷肥對小麥籽粒蛋白質的影響

不同處理的小麥籽粒蛋白質量無明顯差異，但蛋白質產量處理間存在差異（表3）。籽粒蛋白質量在133.28～138.61 mg/g 范圍內；蛋白質產量由高到低分別是：W1P2 處理>W2P2 處理>W1P1 處理>W2P1 處理>W3P2 處理>W3P1 處理，且處理間差異顯著。可見，蛋白質產量的差異主要是由產量導致。

表3 不同底墑和磷肥下蛋白質量及其蛋白質產量 Table 3 Protein content of different treatments

2.4 籽粒產量、蛋白質量與底墑、磷肥的關系

分別以籽粒產量（Y1）、蛋白質量（Y2）和蛋白質產量（Y3）為因變量，底墑（X1）和磷肥（X2）為自變量，分別計算自變量的二次多項式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中進行逐步回歸擬合，得到方程：

式（1）、式（2）、式（3）的決定系數均達到顯著水平，能較好地反映籽粒產量、蛋白質量、蛋白質產量與底墑和磷肥的關系。式（1）和式（3）是開口向下的二元二次函數，其對稱軸的點可以產量最大值，式（2）則是開口向上的二元二次函數，此方程不存在最大值，為得到籽粒產量和蛋白質量最大值，建立式（3）函數圖像（圖3），并求解。

圖3 蛋白質產量對底墑和磷肥的響應曲面 Fig.3 Response surface of protein yield to soil moisture and phosphorus fertilizer

式（3）二次項系數小于0，開口向下，即隨底墑的增加，蛋白質產量先增加后降低；相同底墑下，隨磷肥增加，蛋白質產量逐漸增加。故蛋白質產量理論最大值在對稱軸（250.57 mm）處取得，將底墑250.57 mm 代入式（1）、式（2），得到：

式（4）、式（5）的截距分別是4 938.23、134.78，斜率是4.05、0.000 2>0，說明不施磷肥可達到產量4 938.23 kg/hm2、蛋白質量134.78 mg/g，隨磷肥的增加產量和蛋白質量隨之增加，磷肥對產量的影響大于對蛋白質量的影響。

3 討 論

作物的定量分析能為產量和品質提供明確指導方向[20]。小麥灌漿是將葉片合成的營養物質轉運到籽粒，直至飽滿，灌漿的量化能一定程度反映出產量的形成[21]。王書吉等[16]研究表明，與全生育期灌水相比，生育期虧水可以縮短2.72%～15.78%灌漿持續時間，達到最大灌漿速率的時間提前2.33%～14.58%，且虧水小麥時期不同蛋白質量和產量也不同。本研究結果表明，增加底墑會引起小麥籽粒快增期的灌漿持續時間增加，提高磷肥導致漸增期和快增期的持續時間、千粒質量隨之提高，緩增期的持續時間降低；緩增期的變異系數達25%，屬于中等變異，其他灌漿特征參數的變異系數均低于10%，屬于低等變異[22]，說明底墑和磷肥對灌漿階段的差異主要體現在緩增期的差異。可見，漸增期持續時間隨底墑和磷肥提高而增加，增施磷肥延長快增期持續時間、縮短緩增期持續時間，而楊麗娟等[23]和張倩[24]研究表明，施氮量增加能夠延長冬小麥緩增期持續時間，說明小麥的灌漿過程對氮、磷肥的響應不一樣，也可能與小麥基因型有關，還需要做進一步研究。

蛋白質產量為因變量的函數圖像顯示，隨著底墑的增加，蛋白質產量先升高后降低，而隨著磷肥的增加，蛋白質產量隨之增加。解方程得：在底墑250.57 mm 左右時，蛋白質產量得到最大值，由于本試驗的底墑設置水平均小于250.57 mm，故底墑>250.57 mm方程曲線所反映的趨勢變化，需要在底墑>250.57 mm條件下進行進一步試驗研究。分別將底墑250.57 帶回原函數得到，在不施磷肥時，產量達4 938.23 kg/hm2、蛋白質量達134.78 mg/g，并通過方程的斜率4.05、0.000 2 看出，隨磷肥的增加產量和蛋白質量隨之增加，這與劉孝成等[25]、鄭志松等[26]、王立秋[27]磷肥的研究結果相同，增施磷肥可以提高小麥籽粒產量和蛋白質量。本試驗在此基礎上進一步分析回歸參數得，磷肥對產量的影響大于對蛋白質量的影響。可見，在底墑250.57 mm 時，籽粒產量和蛋白質量同步提升，磷肥的施入量需要經濟效益進行確定。并且，二次多項式逐步回歸擬合方程所呈現現有數據點的趨勢變化，還需要在更多底墑和磷肥梯度下做進一步研究。

4 結 論

底墑和磷肥能夠提高快增期的持續時間，增加底墑提高灌漿持續時間，增施磷肥減少緩增期持續時間；緩增期變異是導致千粒質量差異的主要原因。在底墑250.57 mm 產量和蛋白質量最高；在75～180 kg/hm2施磷量范圍內，隨磷肥的增加產量和蛋白質量隨之增加。且磷肥對產量的影響大于蛋白質量。