播期和播深對冬小麥越冬前生長性狀的影響

閆錦濤 馮利平 李 揚 陳先冠 余衛東

(1.中國農業大學資源與環境學院, 北京 100193; 2.中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室, 鄭州 450003)

0 引言

冬小麥是我國小麥生產的重要組成部分，冬小麥產量在我國糧食安全和國計民生中占有極其重要的地位。華北平原作為我國糧食生產的重要基地之一，其冬小麥產量占我國的50%以上。因此，保障華北平原冬小麥穩產、高產、糧食安全具有重要的生產和民生價值。極端天氣事件增加致使華北地區冬小麥凍害的發生規律更加復雜。隨著全球氣候變暖，尤其是越冬前氣溫顯著升高，導致冬小麥種植界限北移[1-3]；品種特性由冬性向春性過渡[4-5]；部分生育期提前[6-7]，使得冬小麥越冬前旺長，抗寒鍛煉不足，在一定程度上增加了冬小麥凍害的風險。極端天氣事件增加，農業氣象災害頻率和強度明顯上升[8-11]，冬小麥常有不同程度的受凍、死苗現象。

冬小麥能否安全越冬不僅與環境有關，還與不同的種植制度和管理方式有關。播期是影響冬小麥生長發育、籽粒產量和品質的主要農藝措施，對冬小麥抗寒性的影響主要體現在生育期和越冬前苗齡上。而播深是影響麥苗長勢的關鍵因素之一，對抗寒性的影響主要體現在地中莖的生長和分蘗節的位置[12]。冬小麥的越冬存活率主要取決于分蘗節的抗寒性。分蘗節是小麥重要的生物學特性，是植株地下部未伸長的節間、節和腋芽等緊縮在一起的節群，其貯存的養分可以維持小麥越冬期間的正常生命活動，并且小麥分蘗節內的分生組織具有再生性，只要冬小麥分蘗節不受損害，翌年仍可恢復生長[13]。前人研究認為，分蘗節處的土壤最低溫度、溫度日振幅是影響冬小麥越冬死亡的主要因素[14]，并以冬小麥分蘗節臨界致死溫度LT50(冬作物越冬期間有50%的植株受凍死亡時的最低溫度)作為冬小麥凍害的指標[15]。

作物模型的研究和應用在農業生產中起到重要作用，模型對農業氣象災害影響的模擬功能也在逐步提升，在冬小麥抗凍能力研究中往往使用的是固定的分蘗節入土深度，而隨著生產條件的變化分蘗節入土深度是不同的。FOWLER等[16]將溫度和作物品種的最大50%分蘗節致死溫度作為影響因素，基于溫度和抗霜曲線系數，建立了可以逐日定量計算冬小麥抗凍能力的模型。BERGHORD等[17]對該模型進行改進，增加了積雪和越冬前抗寒鍛煉時間對每日LT50變化的影響，建立 FROSTOL 模型，且該模型需要輸入分蘗節處溫度，但實際中，對分蘗節所處位置的觀測有較大難度，需要對冬小麥破壞性取樣，通常認為分蘗節位于距地表2～3 cm處。在冬小麥抗凍能力的研究中，慕臣英等[18]和ZHENG等[19]分別將3 cm和2.5 cm處土壤溫度作為分蘗節處溫度。鄭大瑋[20]提出分蘗節入土深度隨播種深度而加深呈雙曲線關系，但該模型只考慮播種深度對分蘗節入土深度的影響，且由于氣候變化和品種的更替，該模型在應用方面具有一定的局限性。分蘗節入土深度在不同環境、不同栽培方式下都有所差異，但在目前研究中，分蘗節入土深度常采用固定值，在作物模型中也缺乏對分蘗節入土深度的模擬。

本文開展不同播期和播深冬小麥田間試驗，明確不同栽培措施下越冬前冬小麥生長的變化規律，重點對分蘗節入土深度進行定量化模擬，以確保分蘗節在適宜的位置，保證其處于良好的生長狀態。為全面評價冬小麥地上地下部性狀、制定防凍保苗措施提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域與材料

試驗在中國農業大學北京上莊實驗站進行，位于北京市海淀區上莊鎮辛力屯村東(40.1°N，116.2°E，海拔50.2 m)。全年大于等于0℃積溫3 050℃·d，平均日照時數2 600 h，多年平均降水量650 mm，無霜期185 d左右。地貌類型屬于華北山前沖積平原，土壤質地為粉砂質潮土。供試材料為農大211(ND)冬小麥。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計

試驗Ⅰ: 不同播期、播深二因素完全隨機區組試驗，于2015—2016年、2016—2017年進行，試驗材料選取農大211，播期處理設4個水平，分別為9月23日、10月3日、10月13日和10月23日(其中2015年試驗無9月23日播期設置)。每個播期設3個播深水平，分別為2、4、6 cm。2015年試驗共計9個處理，2016年試驗共計12個處理，每個處理設置3個重復。行間距20 cm，小區間隔0.5 m，四周有保護行0.5 m。小區面積2 m2(2 m×1 m)，南北向種植。

試驗Ⅱ: 不同播期、播深梯度二因素試驗，于2016—2017年進行，試驗材料選取農大211，播種期設3個水平，分別為9月23日、10月3日和10月13日，播深采用深度梯度方法[19]，開一條長度為1.5 m的溝，播種深度最淺為0 cm(地表)，最深為15 cm，播種時沿斜坡放置種子，播量每個處理約80粒，最后將土覆蓋至與地面持平。另外，于2018—2019年進行了2個播種期(10月23日、11月3日)補充試驗。每個處理設置3個重復。

試驗管理同當地常規高產大田水平。0～20 cm土壤水分保持為土壤田間持水率的65%以上(土壤水勢在-40 kPa以上)。試驗設計及播種期至越冬期的氣象條件如表1所示。

表1 冬小麥播種至越冬前氣象條件Tab.1 Weather conditions during period of sowing date to day before overwintering

1.2.2試驗指標測定

在越冬期(12月1日)取樣，在試驗Ⅰ每個處理選取3株長勢一致的冬小麥，對試驗Ⅱ所有小麥植株全部破壞性取樣。測定冬小麥主莖的葉數即主莖葉齡；主莖和各一二級分蘗數的總和即分蘗數；測量分蘗節到植株葉片伸展最高處的長度，記為株高；測量種子到分蘗節之間的長度，記為地中莖長度；測量分蘗節中心位置到植株中部綠白交接中心位置的長度，記為分蘗節入土深度；采用長寬法測定單株葉面積，校正系數取0.83；將小麥地上部植株于105℃殺青30 min,80℃干燥至質量恒定后，稱單株地上部干物質量[21]。

1.3 數據計算與分析

1.3.1越冬前積溫、播種深度與冬小麥生長指標

GDD(Growing degree-days)是指在實際環境條件下，完成某一生育階段所經歷的累積有效積溫，代表著作物生長期累積的熱量。不同播期采用冬小麥播種期至越冬期的積溫表示，計算公式為

(1)

式中TGDD——越冬前積溫，℃·d

TAVEi——播種后第i天的日平均氣溫，℃

T0——小麥生物學下限溫度，取0℃[22]

j——播種到越冬期開始的時間，d

采用2015—2017年的播期、播深試驗數據(試驗Ⅰ)，分別建立冬小麥單株葉面積(YLA)、主莖葉齡(YMSL)、分蘗數(YTN)、地上部干物質量(YAB)和分蘗節入土深度(YTD)與越冬前積溫(TGDD)的定量關系。采用2016—2017年和2018—2019年不同播期下冬小麥梯度播種試驗數據(試驗Ⅱ)，建立分蘗節入土深度(YTD)與播種深度(XSD)的定量關系。

分蘗節入土深度綜合模擬方程的建立采用2016—2017年不同播期下冬小麥梯度播種試驗數據(試驗Ⅱ)，驗證采用2018—2019年不同播期下冬小麥梯度播種試驗數據(試驗Ⅱ)。

1.3.2統計指標

通過1∶1線圖直觀地表達模擬值與實測值的吻合程度，并使用統計指標作為檢驗指標檢驗模擬模型的準確度，主要包括模擬值與實測值的均方根誤差(Root mean square error, RMSE)、歸一化均方根誤差(Normalized root mean squared error, NRMSE)和決定系數(Coefficient of determination,R2)。

采用Excel 2016制圖，R語言進行方差分析，Tukey法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 播期和播深對冬小麥越冬前生長性狀的影響

播期和播深耦合試驗結果表明不同播期和播深處理下冬小麥單株葉面積、主莖葉齡、分蘗數和地上部干物質量存在較大差異(表2)。隨著播期推遲，冬小麥越冬前單株葉面積、主莖葉齡、分蘗數和地上部干物質量均顯著減少(P<0.05)，與9月23日播種相比，10月23日播種的主莖葉齡、分蘗數、單株葉面積和地上部干物質量分別減少80.6%、100%、93.5%和97.5%。隨著播深的加深，主莖葉齡、越冬前分蘗數、單株葉面積和地上部干物質量均有減少的趨勢，與播深為2 cm相比，播深為6 cm分別減少8.3%、30.0%、25.8%和28.6%，但未達到顯著水平(P>0.05)。

表2 不同播期、播深對冬小麥越冬前生長性狀的影響Tab.2 Comparison of growth of winter wheat before overwintering period under different sowing dates and sowing depth treatments

播深對冬小麥越冬前生長試驗結果表明，播深的加深導致地中莖長度和株高顯著增加(P<0.05)(圖1，圖中不同小寫字母表示處理在0.05水平差異顯著)。播種深度加深，地中莖長度增加，播深為6 cm時，各播期的平均地中莖長度為2.7 cm；播種深度為2、4、6 cm時，株高分別為11.7、13.5、15.8 cm。地中莖的增加會抬升分蘗節，播種深度與地中莖長度的差即為分蘗節入土深度，因此使分蘗節入土深度增加，有利于冬小麥縱向生長。

圖1 不同播期、播深對冬小麥越冬前株高和地中莖長度的影響Fig.1 Influence of plant height and ground stem length before overwintering period for different sowing dates and sowing depths of winter wheat

播期耦合播深方差分析結果表明，播期、播深、播期與播深的交互效應均對冬小麥分蘗節入土深度有顯著影響(P<0.05，表3)。播期對分蘗節入土深度的影響表現為隨著播期推遲分蘗節入土深度逐漸增加，9月23日的分蘗節入土深度最淺，僅為0.9 cm，10月3日和10月13日的分蘗節入土深度居中，分別為1.3～1.6 cm和1.7～2.1 cm，10月23日的分蘗節入土深度明顯加深，為2.2～3.2 cm。播深對分蘗節入土深度的影響表現為隨著播深的加深分蘗節入土深度逐漸增加，淺播時分蘗節入土深度最淺，僅為1.0～1.6 cm，正常播深時分蘗節入土深度居中，為1.7～2.1 cm，深播時分蘗節入土深度明顯加深，為2.4～3.0 cm。

表3 播期、播深對冬小麥分蘗節入土深度的影響Tab.3 Influence of tillering depth before overwintering period for different sowing dates and sowing depths of winter wheat cm

2.2 越冬前積溫、播深與冬小麥生長的關系

基于2015—2017年的播期、播深試驗數據，分別建立冬小麥單株葉面積(YLA)、主莖葉齡(YMSL)、分蘗數(YTN)、地上部干物質量(YAB)和分蘗節入土深度(YTD)與越冬前積溫(TGDD)的定量關系。單株葉面積和地上部干物質量隨TGDD的增加而增加，且增速逐漸加快，符合指數模型，故對其用指數曲線進行模擬，決定系數R2在0.94～0.95之間，達到顯著水平，表明冬小麥越冬前的單株葉面積和地上部干物質量能很好地滿足所給出的方程，擬合效果極顯著。主莖葉齡和分蘗數與TGDD呈顯著的線性變化規律，主莖葉齡和分蘗數隨著TGDD的增加而增加，即播種期越早，主莖葉齡和分蘗數越大，R2分別為0.97和0.85，表明冬小麥越冬前的主莖葉齡和分蘗數能很好地滿足所給出的方程，擬合效果極顯著(圖2)。

圖2 冬小麥越冬前生長性狀與越冬前積溫的關系Fig.2 Relationships between depth of growth of winter wheat and TGDD

播種期對冬小麥分蘗節入土深度有顯著的影響，基于2015—2017年的播期、播深試驗數據，建立了冬小麥分蘗節入土深度(YTD)與越冬前積溫(TGDD)的定量關系，播深為2、4、6 cm時冬小麥分蘗節入土深度與TGDD的關系如圖3所示。結果表明，分蘗節入土深度與越冬前積溫為顯著的線性變化規律，冬小麥分蘗節入土深度隨著越冬前積溫的增加而減少，即播種期越遲，分蘗節入土深度越大。

圖3 冬小麥分蘗節入土深度與越冬前積溫的關系Fig.3 Relationships between depth of tillering node of winter wheat and TGDD

對不同播期下冬小麥梯度播種試驗的分蘗節入土深度的實測值進行分析(試驗Ⅱ)，表明不同播期下冬小麥分蘗節入土深度隨播深的變化均滿足對數曲線規律，播種期為2016年9月23日、10月3日、10月13日和 2018年10月23日擬合方程R2分別為0.97、0.97、0.98和0.98，擬合效果顯著(圖4)。由此可得分蘗節入土深度方程為

YTD=aln(XSD+1) (0 cm≤XSD≤10 cm)

(2)

式中a——系數

2.3 越冬前積溫與播種深度對分蘗節入土深度影響的綜合方程建立與驗證

越冬前積溫和播深對冬小麥分蘗節入土深度的影響顯著，越冬前積溫與冬小麥分蘗節入土深度為負相關的線性關系，播深與冬小麥分蘗節入土深度為對數曲線關系。結合上述已構建的冬小麥分蘗節入土深度方程(圖3，式(2))，采用2016年不同播期下，冬小麥的分蘗節入土深度實測數據(試驗Ⅱ)，建立分蘗節入土深度綜合方程為

YTD=(-0.000 9TGDD+1.733 2)ln(XSD+1)
(0 cm≤XSD≤10 cm)

(3)

圖4 冬小麥分蘗節入土深度與播種深度的關系Fig.4 Relationships between depth of tillering node of winter wheat and sowing depth under different sowing dates and varieties

圖5 冬小麥分蘗節入土深度方程驗證Fig.5 Validation of depth of tillering node under different sowing depths

采用播種期為2018年10月23日的分蘗節入土深度(試驗Ⅱ，2018年11月3日播種的冬小麥越冬前未出苗)對建立的方程進行驗證，驗證結果如圖5所示，大部分數據分布在1∶1線附近，且偏離度較小，表明模擬分蘗節入土深度較好。分蘗節入土深度在0～2 cm時，數據點集中在1∶1線附近；在2～4 cm時，數據點與1∶1線的偏離程度變大，且在可接受范圍之內。不同播深處理下的NRMSE小于20%，表明該公式模擬結果較好。以上分析表明分蘗節入土深度模擬公式在不同冬小麥播深下的模擬效果較好(圖5)。

公式可以滿足在地表撒播即播種深度XSD=0 cm時，分蘗節入土深度YTD=0 cm，即分蘗節也處于地表位置；在播種深度較小時(0 cm≤XSD≤2 cm)，分蘗節入土深度隨播種深度的變化可以近似為線性變化，即分蘗節入土深度與播深相等，在此條件下冬小麥沒有地中莖；在播種深度逐漸增加的過程中，分蘗節入土深度也逐漸增加，但增速逐漸放緩，這與實際生長發育過程中隨播種深度增加的地中莖補償效應相吻合。并且隨著TGDD的增加，分蘗節入土深度也逐漸減少。因此該公式具有生物學意義，可以用于分蘗節入土深度隨播深、播期變化的模擬。

3 討論

本文基于不同播期、播深冬小麥生長發育大田試驗，分析播期、播深對冬小麥越冬前生長指標的影響及其變化規律，進而對越冬前冬小麥的單株葉面積、主莖葉齡、分蘗數、地上部干物質量、分蘗節入土深度進行定量化研究。

播期是影響冬小麥發育進程的關鍵因素。小麥早播時，提前結束春化階段，進入拔節期后抗寒性迅速降低，若此時遇到惡劣低溫寒潮，會導致大分蘗和主莖凍死，冬小麥晚播時，由于越冬前積溫不足，出苗推遲且緩慢，苗小且弱，越冬前葉面積偏小，地面覆蓋不充分，地溫變化劇烈時易受凍害，且光合產物和貯存的可溶性糖少，抗寒性也較差，同樣易受凍害。而適期播種的冬小麥可以充分利用越冬前有效積溫積累營養物質，抗凍能力最強，利于培育壯苗、麥苗安全越冬以及返青后穩健生長[23]。SHAH等[24]的研究表明，單株分蘗數隨著播期的延遲而下降。徐暉等[25]的研究結果表明，隨播期推遲，越冬前積溫降低，顯著影響小麥越冬前生育進程，植株葉齡減小，分蘗發生數下降，葉面積指數和累積干物質量降低。本研究與前人研究結果一致，隨著播期推遲，小麥單株葉面積、主莖葉齡、分蘗數和地上部干物質量均顯著減少。播期推遲，在播種至越冬階段面臨平均氣溫低和越冬前積溫減少等不利天氣因素(表1)，越冬前積溫由688.9℃·d減少到199.3℃·d。這些不利因素通過抑制種子出苗、幼苗生長和分蘗發育對冬小麥早期生長產生負面影響[26-27]。

播種深度是影響幼苗形態建成及后期生長發育的關鍵因素[28-29]。播種過深會使得冬小麥地中莖伸長過長，延長小麥的出苗期，降低小麥的出苗率，并在出苗過程中大量消耗種子內的能量，不利于冬小麥出苗后的生長和抗寒性的形成；而播種過淺會造成分蘗節入土深度較淺，使得分蘗節處的土壤溫度過低且變化幅度加大，極易受到冬季寒潮降溫和春季凍融交替的影響，對冬小麥安全越冬產生不利影響[30]。前人的試驗和研究表明冬小麥的適宜播深在3～5 cm[31]，播深主要通過改變分蘗節的位置，從而影響冬小麥的抗寒性，這也是影響麥苗素質的關鍵因素之一。鄭亭等[32]研究得出，淺播(播深2 cm)下小麥植株根系活力、干物質量、葉面積及葉綠素含量大大降低。易峰等[33]的研究表明，隨著播種深度的增加，小麥株高逐漸增高，葉齡和單株分蘗數大體上呈先增后減的趨勢。本研究表明，隨著播深的加深，單株葉面積、主莖葉齡和越冬前分蘗數均有減少的趨勢，分蘗節入土深度、地中莖長度、株高均顯著增加。

在冬小麥越冬前生長發育的諸多因素中，溫度是主導因素。本研究表明，越冬前冬小麥的單株葉面積、地上部干物質量與TGDD為顯著的指數變化規律，主莖葉齡和分蘗數與TGDD呈線性關系，隨著TGDD的增加而增加。前人研究指出，冬小麥越冬前葉齡在4～6片時屬于壯苗，抗寒能力最強[34-35]，選取主莖葉齡代表冬小麥越冬前的生長狀態，由葉齡與TGDD的回歸方程計算可得，越冬前積溫在461.69～643.51℃·d之間，冬小麥在越冬前可達到壯苗標準。利用逐日平均氣溫數據，計算越冬前積溫，確定適宜播種日期的范圍，有利于冬小麥的安全越冬。

冬小麥分蘗節入土深度是分蘗節抗寒性的重要指標之一，分蘗節入土深度與冬小麥越冬死亡率有很強的負相關關系，因此分蘗節處于合適位置對于冬小麥安全越冬具有重要意義。而分蘗節入土深度主要與播深、播期和品種特性有關[20]，本研究表明，播期、播深和播期與播深的交互作用對冬小麥分蘗節入土深度有顯著影響，隨著播期推遲和播深的加深，分蘗節入土深度逐漸增大，分蘗節入土深度與播深呈對數曲線規律。冬小麥分蘗節入土深度與越冬前積溫為負相關的線性關系，這是由于在不同播期下，冬小麥出苗的溫度有所差異，播期越早，地中莖由于溫度升高迅速伸長易將分蘗節抬升，分蘗節入土較淺。為了確定分蘗節所處位置，量化冬小麥分蘗節入土深度，本研究基于冬小麥在不同播期、播深條件下的分蘗節入土深度試驗測量值，建立分蘗節入土深度模擬公式。前人對不同基因型小麥的形態指標分析發現，隨著品種抗寒力增強，分蘗節入土深度增加[36]，而本研究所選取的品種為我國華北北部和西北冬麥區的適宜品種，沒有綜合考慮各生態區品種的分蘗節入土深度變化。

4 結論

(1)播期對冬小麥抗寒力的影響主要體現在越冬前苗情上，隨著播期的推遲，小麥單株葉面積、主莖葉齡、分蘗數和地上部干物質量均顯著減少。播深對冬小麥抗寒力的影響主要因為地中莖增加對分蘗節的抬升作用導致分蘗節入土深度的變化。

(2)越冬前冬小麥的單株葉面積和地上部干物質量與TGDD為顯著的指數函數關系，主莖葉齡和分蘗數與TGDD呈線性關系，均隨著TGDD的增加而增加。根據主莖葉齡模擬方程，得出越冬前積溫在461.69～643.51℃·d之間，冬小麥的抗寒性較好。

(3)冬小麥的安全越冬主要取決于分蘗節處的環境狀況，播期、播深和播期與播深的交互作用對冬小麥分蘗節入土深度有顯著影響，對冬小麥抗寒性的關鍵指標進行定量化研究，建立了分蘗節入土深度與播期和播深的定量關系，可以估算到一定播期、播深下分蘗節的實際入土深度。