不同抗旱性小麦品种耗水量及产量形成的差异

山西省位于黄土高原东缘, 全年降雨量少且不均(358~621 mm), 主要种植小麦(Triticum aestivum), 一年1作, 降雨期(7—9月)与小麦生长期(10月—翌年6月)错位, 导致旱地小麦产量低而不稳, 因此干旱是该区小麦产量的主要制约因素[1]。穗数是旱地小麦最主要的产量因素, 提高穗数是培育高产品种的主攻方向[2]。但郭天财等[3]研究认为, 穗数对小麦产量的增产效应有一定的限度, 穗数达到一定程度后, 应着眼于穗粒数和千粒重的发展, 且穗粒数的作用大于千粒重。还有研究认为, 旱地小麦穗数和穗粒数受干旱影响较大, 因此干旱条件下小麦产量的高低主要取决于穗数和穗粒数的多少[4-5]。因此, 协调发展产量构成因素是提高旱地小麦产量的重要手段[6]。

在不同水分条件下, 不同旱地小麦品种间的产量和水分利用效率差异显著, 产量相差达44.86%, 水分利用效率相差达42.18%[7]。吴金芝等[8]在河南洛阳的研究表明, 在干旱胁迫下, 强抗旱性品种较中等抗旱性品种和弱抗旱性品种生育前期的吸水能力较强, 生长发育性能好, 开花前的物质积累量高, 具有较高的水分利用效率和产量。张学品等[9]研究表明干旱胁迫导致产量下降2.4%~56.2%, 水分利用效率增加17.0%~84.9%, 而产量下降幅度随品种抗旱性的增强而逐渐减弱, 水分利用效率的增加幅度则随品种抗旱性的增强而增加。因此, 近年来栽培工作者通过筛选高抗旱性品种来抵御干旱, 从而保证产量。抗旱品种的筛选既需要有较好的稳产性, 还要求有一定的增产潜力以实现高产稳产。李梦达等[10]在河南原阳的试验表明, 抗旱性较强的小麦品种根系入土较深, 深层根系活性较强, 能够保持较高的吸水能力, 有利于粒重的增加。王月福等[11]在山东莱阳的研究表明, 不同水分处理下, 地上部营养器官贮藏性物质在开花后向籽粒的转移率随土壤水分的减少而升高, 对粒重的贡献增大, 但强抗旱性品种的转移率低于弱抗旱性品种。吴耀领[12]在山东农业大学试验田的研究表明, 抗旱型小麦品种‘山农16’具有较强的分蘖能力, 且在干旱胁迫下千粒重降低较小, 从而维持较高的产量。可见, 前人已经明确了通过优化产量构成因素来提高旱地小麦产量, 但主要集中于灌水条件下的品种筛选, 而在西北部黄土高原旱作地区抗旱品种筛选的研究较少。因此, 本研究连续5年在黄土高原东缘种植10个旱地小麦品种, 比较其在不同降水年型下产量及其构成因素和水分利用效率的差异, 旨在明确不同抗旱性小麦品种产量提高的主要原因, 同时筛选适合该区种植的高产稳产高效抗旱性品种, 为黄土高原干旱半干旱地区旱地小麦生产提供理论基础。

共采用10个旱地小麦品种, 其中的‘晋麦92’ (JM92), ‘运旱20410’(YH20410), ‘运旱22-33’(YH22-33), ‘运旱618’(YH618), ‘运旱719’ (YH719)和‘长6697’(C6697)为当地种植的优势品种, 由山西省闻喜县农业委员会提供; ‘洛旱6号’(LH6), ‘洛旱9号’(LH9), ‘洛旱11号’(LH11)和‘洛旱13号’(LH13)为引自河南的高产品种。

试验于2012—2017年在山西省闻喜县山西农业大学旱地小麦试验基地(111°17′E, 35°20′N)进行。试验地地处黄土高原东部, 属暖温带半湿润大陆性季风气候, 昼夜温差大, 四季分明, 年日照时数2 242 h, 年平均气温12.9 ℃, 无霜期190 d。试验田为无灌溉条件的丘陵旱地, 夏季休闲, 一年1作。

2012—2017年试验点0~20 cm土壤基本肥力如表 1所示, 降水量如表 2所示。试验采用闻喜县1981—2017年多年降水资料(年平均降水量为490.9 mm), 参考蓝云龙[13]的降水年型划分标准, 结合当地实际情况划分降水年型为丰水年(P > 25%)、平水年(-25% < P < 25%)和欠水年(P < -25%)。计算公式是: P=(当年降水量-多年平均降水量)/多年平均降水量。根据该标准, 2012—2013年为欠水年, 2013—2017年为平水年。

试验采用单因素完全随机区组设计, 每个处理重复两次。前茬小麦收获后留茬25 cm, 7月中旬深松, 同时施生物有机肥1 500 kg·hm–2, 秸秆覆盖, 采用深松施肥一体机实施, 8月下旬浅旋、整地, 10月初采用机械条播, 播量为90 kg·hm–2, 次年6月初收获。播种前基施纯氮150 kg·hm–2, P2O5 150 kg·hm–2, K2O 150 kg·hm–2, 小区面积30 m×2.4 m=72 m2, 全生育期无灌溉且不追肥, 其他管理措施同当地农户常规管理措施。

在小麦的播种期、成熟期, 采用5点取样法, 在每个小区中心和对角线(不包括边界)上选取5个点, 分别钻取0~300 cm土层(每20 cm为1层)土壤装入铝盒, 采用烘干法测定土壤水分, 用于计算水分利用效率[14]。由于本试验田所处地区地势平坦, 地下水位较深, 因此可视地表径流、地下水供给及深层渗漏均为零, 可忽略不计。按下式计算小麦的耗水量、水分利用效率及抗旱系数。

式中: ET为耗水量(mm), P为全年降水量(mm), ΔW为休闲期处理前和收获期土壤贮水量的变化(mm)。

式中: WUE为水分利用效率(kg·hm–2·mm–1), Y为小麦籽粒产量(kg·hm–2), ET为耗水量(mm)。

产量指标被认为是最重要的综合的根本的小麦品种抗旱性鉴定指标[16]。结合本地区降水量, 认为欠水年的籽粒产量为干旱胁迫下的产量, 平水年或丰水年的籽粒产量为非干旱胁迫下的产量。

于小麦成熟期, 每个小区取生长均匀的20株植株, 分离营养器官和籽粒进行烘干称重, 记录干物质积累量。调查0.667 m2长势均匀的小麦样段的穗数和每穗平均粒数, 然后剪穗置于网袋中, 脱粒晒干后称重, 即为实际产量, 用该籽粒样本测定千粒重。

对年际间不同抗旱性小麦品种的单位籽粒产量的节水量和单位耗水量增产进行比较, 计算强抗旱性品种与弱抗旱性品种相比的节水增产效果。以下节水量(ΔEy)及节水率(REy)均建立在单位籽粒产量上, 增产量(ΔY)及增产率(Ry)均建立在消耗1 mm土壤水分上[17]。

式中: Ey1为弱抗旱性品种的平均耗水量, Ey2为强抗旱性品种的平均耗水量, Y1为弱抗旱性品种的产量, Y2为强抗旱性品种的产量。

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理, 用DPS 7.5和SPSS 22.0进行聚类分析和统计分析, 差异显著性检验用LSD法, 且显著性水平设定为α=0.05。

供试的旱地小麦品种产量表现为平水年高于欠水年(表 3)。欠水年, 产量较高的品种有‘晋麦92’ ‘运旱20410’和‘运旱22-33’; 平水年, 产量平均值较高的品种有‘洛旱6号’ ‘洛旱11号’ ‘运旱20410’和‘洛旱9号’。2012—2017年间, ‘晋麦92’ ‘运旱20410’和‘洛旱6号’的产量表现较好, 其中, ‘运旱20410’产量基本稳定在较高水平, 受降水的影响较小。

有研究提出甘薯(Dioscorea esculenta)产量抗旱系数法分级:抗旱系数≥0.6为抗旱品种, 0.4≤抗旱系数 < 0.6为中等抗旱品种, 抗旱系数 < 0.4为不抗旱品种[18]。根据多年试验结果认为小麦抗旱系数的划分依据可参考该分级方法, 即抗旱系数 > 0.4为强抗旱性品种, 抗旱系数 < 0.4为弱抗旱性品种。将本试验各品种产量抗旱系数进行聚类分析(图 1), 结果表明, 10个供试品种可分为两类, ‘晋麦92’ ‘运旱22-33’ ‘运旱20410’ ‘运旱618’ ‘运旱719’和‘长6697’为强抗旱性品种, ‘洛旱6号’ ‘洛旱9号’ ‘洛旱11号’和‘洛旱13号’为弱抗旱性品种。抗旱系数的变异系数结果显示, ‘运旱20410’和‘洛旱11号’的值较小, 说明在不同水分条件下其抗旱性相对稳定; ‘运旱22-33’ ‘运旱719’和‘洛旱13号’的值均较大, 说明其抗旱性受水分影响较大。

由图 2可见, 欠水年, 强抗旱性品种平均干物质积累量高于弱抗旱性品种, 以‘晋麦92’和‘运旱20410’表现最好, 显著高于其他品种; 平水年, 4个弱抗旱性品种和强抗旱性品种中的‘运旱20410’和‘晋麦92’干物质积累量均较高。强抗旱性品种欠水年较平水年平均干物质积累量低57.69%, 弱抗旱性品种欠水年较平水年低68.59%。

从产量构成因素分析(表 4), 欠水年, 强抗旱性品种较弱抗旱性品种穗数高12.05%, 穗粒数高30.45%, 千粒重低20.41%, 其中, 强抗旱性品种‘晋麦92’ ‘运旱22-33’的穗数和‘晋麦92’ ‘运旱20410’的穗粒数显著高于其他品种; 平水年, 弱抗旱性品种的穗数平均值和千粒重平均值较强抗旱性品种分别高4.15%和10.07%, 以‘洛旱9号’表现最好, 但穗粒数平均值低6.96%。结合产量分析, 欠水年强抗旱性品种的产量表现较好, 影响因素主要是穗数和穗粒数, 平水年弱抗旱性品种产量较高的主要原因是穗数和千粒重较高。

由图 3可见, 欠水年, 强抗旱性品种的平均耗水量和平均水分利用效率均高于弱抗旱性品种, 其中, 强抗旱性品种‘长6697’和‘运旱618’的耗水量显著高于其他品种, 强抗旱性品种‘晋麦92’ ‘运旱20410’和‘运旱22-33’与弱抗旱性品种‘洛旱6号’的水分利用效率显著高于其他品种; 平水年, 强抗旱性品种的平均耗水量与弱抗旱性品种差异不显著, 弱抗旱性品种的平均水分利用效率显著高于强抗旱性品种, 其中, 表现最好的依次为‘洛旱6号’ ‘洛旱11号’和‘运旱20410’。结合产量分析, 强抗旱性品种欠水年具有较强的水分利用能力, 而弱抗旱性品种在水分条件较好时其品种优势得以体现。不同降水年型, 强抗旱性品种中‘运旱20410’、弱抗旱性品种‘洛旱6号’均为水分利用效率最高, 且产量均表现较好。

两类抗旱性小麦品种的耗水量与产量及营养器官干物质积累量关系密切。两类品种耗水量与产量及营养器官干物质积累量均呈极显著的一次函数关系(P < 0.01), 其中, 当耗水量增加1 mm时, 强抗旱性品种产量提高29.60 kg·hm-2, 营养器官干物质积累量提高50.84 kg·hm-2; 对于弱抗旱性品种而言, 当耗水量增加1 mm时, 产量提高47.58 kg·hm-2, 营养器官干物质积累量提高89.19 kg·hm-2。可见, 与弱抗旱性品种比较, 强抗旱性品种的产量及营养器官干物质积累量受水分的影响较小, 表现稳定。此外, 由图 4可知, 当耗水量达302.65 mm时, 两类抗旱性品种的产量相当; 当耗水量小于302.65 mm时, 强抗旱性品种的产量高于弱抗旱性品种, 强抗旱性品种的穗数和穗粒数较弱抗旱性品种高; 当耗水量大于302.65 mm时, 弱抗旱性品种的产量高, 此时植株穗数和千粒重表现较高。对于强抗旱性品种来说, 耗水量大于216.47 mm才能产生产量; 对于弱抗旱性品种来说, 耗水量大于249.04 mm时才产生产量。结合群体分析, 强抗旱性品种群体大, 对地面的覆盖率高, 从而减小了植株间的无效蒸发。

欠水年, 强抗旱性品种较弱抗旱性品种单位籽粒产量的节水量提高13.61%, 消耗1 mm土壤水分增产量提高15.74%;平水年, 强抗旱性品种较弱抗旱性品种单位籽粒产量的节水量降低13.28%, 消耗1 mm土壤水分增产量降低11.67%。因此, 在水分欠缺的年型, 强抗旱性品种具有明显的节水增产效果(表 5)。

抗旱系数反映了不同小麦品种在干旱条件与非干旱条件下的差异, 可用于评价品种的稳产性。抗旱系数越接近1, 表明品种的抗旱性越好, 越稳定[19]。本研究将10个品种划分为强抗旱性(0.4~0.5)和弱抗旱性(< 0.4)两类品种。水分状况的不同会导致产量及构成因素存在差异, 有研究表明, 干旱胁迫会使小麦产量及构成因素发生不同程度的下降[20]。本研究结果也表明, 降水量较正常的平水年(387~517 mm)的旱地小麦产量均高于降水量欠缺的欠水年(343 mm)。

此外, 产量及产量构成因素对干旱的响应因品种的抗旱性和干旱程度而异[8]。本研究结果表明, 欠水年, 产量和干物质量表现较好的品种是强抗旱性品种‘晋麦92’和‘运旱20410’, 主要是通过提高穗数和穗粒数; 而平水年, 强抗旱性品种‘晋麦92’和‘运旱20410’的产量和干物质量也表现较好, 但均低于弱抗旱性品种(‘洛旱6号’和‘洛旱11号’), 且弱抗旱性品种主要是由于提高了穗数和千粒重。说明平水年和欠水年抗旱性不同的小麦品种产量存在差异, 且提高产量的主要构成因素不同。引起差异的原因是欠水年土壤水分含量较低, 强抗旱性品种表现突出, 平水年降水相对较多, 土壤水分不缺乏, 弱抗旱性品种较强抗旱性品种产量优势表现突出。因此, 欠水年可从如何蓄积土壤水分, 增加作物水分利用效率的角度出发, 从耕作方式和田间管理入手, 例如对土地进行深耕深翻以蓄积降水, 合理施用有机肥以改善土壤结构、提高土壤蓄水能力等[21], 以提高作物抗旱能力, 保证产量; 也可通过增加小麦的分蘖及干重实现穗数和穗粒数的提高, 从而达到增产的目的[22]。平水年, 则从如何优化产量构成角度出发, 重点调节不同降水年型下最适的氮、磷、钾比例, 基于产量形成的养分需求差异协调肥料投入[23]。

不同旱地小麦品种的水分敏感性和抗旱能力也不同, 对土壤水分的利用有所差异, 导致水分利用效率存在差异[24-25]。有研究认为, 小麦水分利用效率与品种的抗旱性呈正相关[26]。本研究结果表明:欠水年, 强抗旱性品种的平均耗水量高于弱抗旱性品种, 平均水分利用效率也较高, 达7.6 kg·hm–2·mm–1, 其中表现较好的有强抗旱性品种‘晋麦92’ ‘运旱20410’和‘运旱22-33’, 与杨再洁等[26]的研究结果一致; 平水年, 两类品种耗水量差异不显著, 但产量差异显著, 因此水分利用效率存在差异, 表现较好的品种有弱抗旱性品种‘洛旱6号’和‘洛旱11号’。说明欠水年强抗旱性小麦品种较弱抗旱性品种对水分不敏感, 抗旱能力强, 从而增产增效, 而平水年弱抗旱性小麦品种对水分较敏感, 并不缺乏的土壤水分被利用促进了产量因素的形成, 从而实现增产增效。

本研究表明, 生育期总耗水量每增加1 mm, 强抗旱性品种产量提高29.60 kg·hm-2, 弱抗旱性品种产量提高47.59 kg·hm-2。说明强抗旱性品种较弱抗旱性品种产量受水分影响较小, 稳产性更强。本研究还表明, 当生育期总耗水量达到305.65 mm时, 两类抗旱性品种的产量相当, 若耗水量小于302.65 mm时, 强抗旱性品种的产量及其水分利用效率高, 可能由于强抗旱性品种前期水分利用效率较高, 有利于生育前、中期的生长发育, 提高小麦分蘖, 促进孕穗期的生长, 促进穗数、穗粒数的形成; 若耗水量大于302.65 mm时, 弱抗旱性品种的产量及水分利用效率高, 可能是水分条件较好时, 弱抗旱性品种由于灌浆时间长, 千粒重较高, 导致产量表现较好。对于小麦而言, 前期土壤水分用于分蘖的形成, 中期水分用于成穗和穗粒数形成, 后期水分用于籽粒形成, 每阶段的土壤水分都很关键, 水分利用效率高, 产量也高。但对于雨养麦田的土壤水分不确定在哪个阶段就会出现干旱, 所以更要合理利用每个阶段的土壤水分, 协调产量三要素的形成, 充分发挥品种的潜力。但目前仅有研究表明, 小麦在花后每多获得1 mm的土壤水分, 其产量可增加62 kg·hm–2[27], 本团队也有研究表明, 欠水年水分利用于前期和中期较多, 丰水年整个生育时期水分利用都多[28-29], 但每个阶段利用土壤水分对产量三要素形成的影响效果尚不清楚。

将供试的10个不同抗旱性旱地小麦品种分为两类:强抗旱性品种和弱抗旱性品种。通过对两类品种的水分利用效率、干物质积累量、产量及构成因素等指标进行综合比较发现, 欠水年强抗旱性品种的水分利用效率及产量高, 具有较好的节水增产效果, 以‘晋麦92’和‘运旱20410’表现最好; 平水年强抗旱性品种中‘晋麦92’和‘运旱20410’产量仍表现较好, 弱抗旱性品种抗旱性差, 仅在平水年时水分利用效率和产量较高, 节水增产效果好。同时, 当耗水量增加1 mm, 强抗旱性品种产量增加约29.60 kg·hm–2, 弱抗旱性品种产量提高约47.59 kg·hm–2。由此可见, 对于降水不稳定的黄土高原地区, 选用强抗旱性品种能够实现节水增产, 保证高产稳产, 其中, 尤以强抗旱性品种‘晋麦92’和‘运旱20410’最好。同时, 针对不同的降水条件, 可采用不同的田间管理措施以保证产量。