種植密度對西北地區小麥產量的影響

黃彩霞，趙德明，柴守璽，常 磊，藺阿榮

(1 甘肅農業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 甘肅農業大學農學院，蘭州 730070； 4 甘肅農業大學管理學院，蘭州 730070)

小麥是西北地區重要的糧食作物，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，西北地區小麥產量低而不穩，年際間波動較大，供求矛盾突出[2]。研究表明，小麥產量不僅取決于自身遺傳與環境的互作效應，而且還取決于各項農藝措施，生產實踐中可以通過農藝措施調控和平衡小麥產量與影響產量的直接因素和間接因素間的協調一致，以實現高產與高效的統一[3]。合理密植是小麥高產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、穗粒數和千粒質量的協調發展，對構建高產群體質量具有重要作用[4～6]。研究表明，產量與播種量之間呈二次曲線關系，單位面積穗數隨播種量的增加而增加，穗粒數隨播種量的增加而下降，而播種量對籽粒質量的影響較小[7～9]。但受品種遺傳特性、地區間自然環境差異、栽培措施等影響，小麥產量與各因素間、產量構成要素之間存在此消彼長的錯綜復雜關系，各產量水平下的產量結構都存在一定的差異[10，11]。隨著播種量的增加，某些產量構成要素有所提高，但產量一般不會增長[12，13]。而低播種量會降低群體數量、產量和千粒質量[14]，也有密度對產量影響不明顯的報道，主要受品種遺傳特性和對環境適應性的影響，存在分蘗成穗率差異[15，16]，增密和高產的協調發展一直是小麥栽培管理中亟需解決的難題。

西北地區光熱條件充足，地域面積廣闊，小麥增產潛力大。但受耕地、水資源、勞動力資源限制以及種植結構調整、經濟效益偏低等因素的影響，小麥種植面積呈下降態勢[1]。為穩定糧食供需總量和保障國家糧食安全，研究不同生態條件下的不同群體密度對產量及有關農藝性狀的影響，明確影響產量的主導因素，為優化栽培技術，建立高產穩產高效的生產體系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

灌區試驗于2004—2007年在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學試驗基地進行。該灌區位于甘肅省河西走廊東端，海拔1776 m，多年平均降水量160 mm，年均蒸發量1919 mm，年日照時數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 ℃，屬典型的綠洲農業區。

旱區試驗于2013—2015年在甘肅省通渭縣常河鎮甘肅農業大學試驗基地進行。該基地海拔1590 m，多年平均降水量390.7 mm，年均蒸發量1350 mm，年日照時數2100 h左右，年均氣溫6.6 ℃，無霜期120～170 d，為黃土高原雨養農業典型代表區。

1.2 試驗設計

灌區試驗在3個生長季共設12個種植密度。旱作區試驗在2個生長季采用玉米秸稈局部覆蓋種植技術，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 產量構成因素測定

完熟期每小區各選20株進行常規考種，小區實收測產。

1.4 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 種植密度對小麥籽粒產量及產量構成因素的影響

在灌區(圖1)，種植密度基本苗為225萬～1050萬株/hm2，籽粒產量隨基本苗數量增加先增后降，2004—2005、2005—2006、2006—2007年3個生長季籽粒產量均以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7.56%～46.42%、8.93%～24.23%、5.08%～76.73%。從產量構成來看，單位面積穗數均以675萬株/hm2處理最高，與籽粒產量基本一致。穗粒數隨基本苗數的增加總體呈遞減的趨勢，當基本苗數大于750萬株/hm2后，穗粒數會明顯下降。千粒質量隨基本苗數的變化年份間表現不一。

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

在旱作區(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，籽粒產量以225萬～300萬株/hm2較高；相同基本苗時，籽粒產量總體表現為“雙30”優于“雙40”帶幅，“雙40”優于“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37.28%～2.94%、29.4%～3.81%；“雙30”較“雙40”帶幅平均增產11.2%。2014—2015年生長季，“雙40”和“雙50”帶幅均以270萬株/hm2籽粒產量最高，分別達到4524.40、4428.90 kg/hm2；“雙40”較“雙50”帶幅平均增產3.36%。產量構成因素中，同帶幅下，單位面積穗數隨密度的增加而增加，在324萬株/hm2后出現拐點；穗粒數和千粒質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(CV)來看(表2)，種植密度對籽粒產量的影響明顯，灌區大于旱作區，5個生長季處理間平均CVm為13.00%，其中，灌區平均CVi為13.35%，旱作區CVr為12.45%；其次為單位面積穗數，旱作區大于灌區，5個生長季處理間平均CVm為11.29%，其中，灌區平均CVi為9.60%，旱作區CVr為13.83%。種植密度對穗粒數和千粒質量影響相對較小，尤其是千粒質量總體表現穩定，5個生長季處理間穗粒數和千粒質量平均CVm分別為7.30%、3.69%，其中，灌區平均CVi分別為6.27%、3.84%，旱作區CVr分別為8.83%、3.46%。

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

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

表2 不同生長季處理間各農藝性狀變異系數

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，WUE隨基本苗數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WUE最高的處理ET也最高。旱作區(圖4)綜合兩個生長季結果，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，旱作區高于灌區。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%，其中灌區為12.52%，旱作區為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%，其中灌區為2.93%，旱作區為3.27%。相關性分析表明(表3)，WUE與籽粒產量呈極顯著正相關(r=0.583**)，而與ET之間相關不顯著。

圖3 灌區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量及收獲指數的影響

在灌區(圖5)，種植密度對單株生物產量具有顯著影響，2004—2007年3個生長季單株生物產量均以675萬株/hm2處理最高。收獲指數處理間差異較小，年份間表現不一，2004—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(圖6)，綜合兩個生長季結果來看，相同種植帶幅下，生物產量隨密度的增加而降低，收獲指數低密度高于高密度處理；帶幅間，生物產量“雙30”高于“雙40”帶幅，“雙50”高于“雙40”帶幅，收獲指數表現則相反。

圖5 灌區不同種植密度下單株生物產量及收獲指數的差異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量的影響高于收獲指數，旱作區高于灌區。各生長季中，處理間單株生物產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CVi為8.85%，旱作區CVr為9.72%。處理間收獲指數差異不顯著，5個生長季處理間平均CVm為3.71%，其中灌區CVi為3.97%，旱作區CVr為3.32%。相關性分析表明(表3)，單株生物產量及收獲指數與籽粒產量和相關農藝性狀均沒有表現出顯著的相關關系。

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

表3 各農藝性狀間的相關系數

3 結論與討論

建立合理的群體結構，協調好產量與單位面積穗數、穗粒數和千粒質量間的關系，實現群體的高產是生產實踐的主要目的。生產中不管是單位面積穗數、穗粒數、千粒質量等影響小麥產量的直接因素，還是生物產量、收獲指數等間接因素，都能對環境條件做出響應并最終影響產量。Rajaram認為，單位面積穗數具有較強的自動調節能力，對產量的補償能力強，是發揮小麥超高產潛力的關鍵[18]。單位面積穗數與穗粒數和千粒質量存在顯著負相關，當單位面積穗數達到臨界水平后，穗粒數對穗質量的直接貢獻大于粒質量，協調提高單位面積穗數與穗粒數是籽粒產量再提高的關鍵[19～21]。本研究結果表明，無論是灌區還是旱作區，籽粒產量對種植密度的響應最顯著，并隨基本苗數量的增加呈二次曲線。影響產量高低的主要結構因素是單位面積穗數(r=0.812**，CVm=11.29%)，雨養區大于灌區(CVr=13.83%，CVi=9.60%)，其次是穗粒數(r=0.336*，CVm=7.30%)，而千粒質量最穩定(CVm=3.69%)。

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

種植密度可顯著影響小麥WUE和ET[24，25]。本研究結果表明，不論是在灌區還是旱作區，種植密度對WUE的影響大于ET(CVm分別為12.69%、3.07%)，旱作區大于灌區。灌區WUE隨基本苗數的增加總體呈二次曲線，其變化主要由籽粒產量的變化所引起而不是總耗水量，這與王立明[26]的研究結論一致。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表現則相反，主要是因為覆蓋抑制了土壤無效蒸發、提高蒸騰/蒸發，使得耗水主要用于蒸騰性生產[27]。