補灌量和覆蓋量耦合變化下旱地春小麥葉面積指數對產量的影響

張 磊，聶志剛

（甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

小麥葉面積指數隨著小麥生育期的推進及小麥各器官的建成而逐漸增大，較大的葉面積有利于光合產物的積累，小麥葉面積指數直接反映著小麥群體質量。逯玉蘭等[1]、李彬等[2]、聶志剛等[3]研究表明，小麥群體的最大葉面積指數與小麥產量呈二次曲線關系，在一定范圍內提高最大葉面積指數，有利于群體獲得高產。孫貴荒等[4]研究結果表明，較大葉面積指數與大豆籽粒產出呈極明顯相關性，從始花期開始維持較大葉面積指數有利于產量的提高。楊偉等[5]研究結果表明，在特定區域內，葉面積指數愈大，代表植物利用光能轉化成的有機質也愈多。最合理的葉面積指數才能配合植株的養分生長與生殖生長，但過大和過小均無法達到實現經濟作物高產發展的目的。對于常規春小麥葉面積指數對春小麥產量的影響研究國內外都做了很多工作，對水分處理和秸稈覆蓋效應的研究多在自然條件或單一條件下進行，而研究水分和秸稈覆蓋量耦合下春小麥葉面積指數變化對春小麥產量的影響機制還不多見[6]。因此，研究半干旱地區補灌量和秸稈覆蓋量耦合下春小麥葉面積指數對春小麥產量的影響，對于節水農業和增加作物產量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗點地處甘肅省中部偏南，海拔約2 000 m，屬于干旱半干旱地區，年均太陽輻射5 918.9 MJ/m2，日照時數2 476.6 h，全年無霜期140 d。試驗地土壤為黃綿土，試驗田平坦無起伏，通過實測得，耕層容重1.26 g/cm3，有機碳含量6.21 g/kg，全氮含量0.61 g/kg，多年平均降雨量385 mm，年蒸發量1 531 mm。該地區是我國水資源較為貧乏的典型地區，春小麥是種植面積較大的作物[7]。

田間試驗于2017—2019 年，在定西市安定區鳳翔鎮安家坡村進行。試驗對象為“定西42 號”春小麥，免耕覆蓋為基本耕作方式，秸稈覆蓋量為2 250 kg/hm2，試驗中施加150 kg/hm2過磷酸二銨和62.5 kg/hm2尿素（含N46.5%）作為基肥，用傳統人工播種方法，播深7 cm，田間管理方法與當地大田相同[7-9]。小麥行距25 cm，試驗小區面積24 m2（6 m×4 m），3 月底播種，7 月底收獲。根據研究區春小麥種植的需水規律，分別在分蘗期、拔節期、開花期進行等量灌溉，在春小麥全生育期按照補灌時期進行補灌。補灌時期為分蘗期、拔節期和開花期，單次補灌量為 200 mm。在春小麥生育期間，利用遮雨棚進行遮雨，采用補灌方式控制補灌量，用水表計量，小區四周埋深 2 m 塑料隔膜，防止土壤水分縱向運移。對照處理在大田中不采取任何控制措施的自然降水情況，并且對照試驗小區與水分控制試驗小區相鄰，播種前土壤水分、土壤養分、質地和土層厚度等田間狀況均一致。

1.2 APSIM 模型

APSIM 模型是一個大型農業生產系統模擬模型，旨在將對多種作物的準確預測與氣候和管理條件等響應相結合，探索作物生長和發育的長期規律。該模型基于組件設計，以中心引擎為核心，用戶可以將不同模塊組合插入在一起，以針對不同的仿真配置APSIM，具有靈活性。模型以土壤模塊為中心，以日步長為模擬跨度，受土壤、水分及管理措施等驅動進行農作物生長的動態模擬。本研究所用版本為APSIM 7.10，利用校準的wheat.xml 文件，結合試驗區氣象數據和土壤數據，進行春小麥產量形成動態模擬[10]。

1.3 模擬試驗設計

與田間試驗中土壤屬性、作物品種、管理方式一致，以甘肅省定西市安定區1979—2019 年歷史氣象數據為基礎，構建APSIM 模型模擬環境。APSIM 模型的參數已在黃土丘陵區域適應性研究中檢驗[1-3]。以免耕覆蓋為基礎，設計不同梯度補灌量、秸稈覆蓋量組合的模擬試驗。其中，春小麥全生育期各補灌量按照補灌時期等量分配，補灌時期為分蘗期（5 月10 日）、拔節期（5 月30 日）和開花期（6 月25 日），補灌量為300、250、200、150、100、50 和0 mm；秸稈覆蓋量為0、1 000、2 000、3 000、4 000 和＞5 000 kg/hm2。為方便進一步分析，將不灌溉、無秸稈覆蓋視為對照處理。由于補灌量和秸稈覆蓋量的量級與量綱不同，故對變量采用“極差化”進行無量綱化編碼處理，模擬試驗設計如表1 所示[11]。

表1 補灌量和秸稈覆蓋量模擬試驗設計Tab.1 Simulation experiment design of supplemental irrigation amount and straw mulching amount

1.4 數據處理和統計分析

1979—2019 年基礎氣象資料來源于甘肅省氣象局，土壤數據、管理數據來源于田間實測；春小麥品種遺傳參數在wheat.xml 文件中利用窮舉試錯法手動調節，模型驗證所需2017—2019 年春小麥產量為試驗點實測；其他數據均來源于不同情境下APSIM 模型模擬，春小麥的模擬葉面積指數為各階段（出苗—分蘗、分蘗—拔節、拔節—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—開花、開花—灌漿和灌漿—成熟）平均值[10]。

（1）葉面積指數。在生育期7 個階段隨機選5 株能代表該區長勢的植株，用游標卡尺測定每株葉片長和寬，用長寬系數法測量葉面積指數，每株重復3 次測量，平均值即為該植株的葉面積指數[9]。

（2）產量和產量構成測定。成熟期每處理調查20 穴莖蘗數，算出有效穗數，取樣3 穴測定籽粒數和千粒質量；各小區春小麥收獲中心4 m2測量產量，單獨脫粒曬干并風選后，稱干谷質量，同時測定干谷水分濃度，計算折合含水量為 14%的春小麥產量[12-13]。

利用DPS 軟件進行分析，研究補灌量和秸稈覆蓋量耦合下春小麥葉面積指數變化對產量的影響機制。

2 結果與分析

2.1 田間試驗結果和模擬試驗結果

通過APSIM 模型，在0～300 mm 的補灌量變化范圍內，以50 mm 為變化梯度，在0～5 000 kg/hm2的秸稈覆蓋變化范圍內，以1 000 kg/hm2為變化梯度設置耦合模擬試驗場景，田間試驗結果如表2 所示，補灌量和秸稈覆蓋量耦合模擬試驗的旱地春小麥葉面積指數模擬結果如表3～表9 所示，春小麥籽粒數如表10 所示，春小麥千粒質量如表11 所示，春小麥產量如表12 所示。春小麥葉面積指數與產量有關，而與補灌量和秸稈覆蓋量變化有一定的關系。當補灌量不變而秸稈覆蓋量增加時，出苗—分蘗期春小麥葉面積指數先下降后增加，其他時期春小麥葉面積指數逐漸增加；當秸稈覆蓋量不變而補灌量增加時，分蘗—拔節期春小麥葉面積指數先下降后增加，其他時期春小麥葉面積指數逐漸增加?？傮w上，春小麥產量隨著春小麥葉面積指數增大而增大。

表2 田間試驗結果Tab.2 Field test results

表3 春小麥葉面積指數（出苗-分蘗）Tab.3 Leaf area index of spring wheat （seedling-tillering）

表4 春小麥葉面積指數（分蘗-拔節）Tab.4 Leaf area index of spring wheat （tillering-jointing）

表5 春小麥葉面積指數（拔節-孕穗）Tab.5 Leaf area index of spring wheat （jointing-booting）

表6 春小麥葉面積指數（孕穗-抽穗）Tab.6 Leaf area index of spring wheat （booting-heading）

表7 春小麥葉面積指數（抽穗-開花）Tab.7 Leaf area index of spring wheat （heading-flowering）

表8 春小麥葉面積指數（開花-灌漿）Tab.8 Leaf area index of spring wheat （flowering-grouting）

表9 春小麥葉面積指數（灌漿-成熟）Tab.9 Leaf area index of spring wheat （grouting-mature）

表10 春小麥籽粒數Tab.10 Grain number of spring wheat單位：粒/m2

表11 春小麥千粒質量Tab.11 Thousand grain quality of spring wheat單位：g

表12 春小麥產量Tab.12 Yield of spring wheat單位：kg/hm2

2.2 葉面積指數對產量及其構成因素的影響

2.2.1 回歸分析

以產量及其構成因素為因變量，對不同葉面積指數的變化量（X1），利用DPS 軟件進行二次多項式回歸分析，建立回歸方程，如表13、表14 和表15 所示。

表13 不同時期葉面積指數（X1）對春小麥產量的方程Tab.13 Equation of leaf area index （X1）in different periods on yield of spring wheat

表14 不同時期葉面積指數（X1）對春小麥籽粒數的方程Tab.14 Equation of leaf area index （X1）in different periods on grain number of spring wheat

表15 不同時期葉面積指數（X1）對春小麥千粒質量的方程Tab.15 Equation of leaf area index （X1）in different periods on thousand grain weight of spring wheat

由表13 可知，每個時期田間試驗葉面積指數對春小麥產量的回歸方程的相關系數（R2）均為0.999 99，方程均達顯著水平，能分析春小麥產量與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為—428 521.34、—142 955.59、—182 653.83、—7 146.97、5 655.05、—803.67 和—23 939.17，表明春小麥葉面積指數對春小麥產量在抽穗—開花時期呈正效應，其他時期呈負效應。

每個時期模擬試驗葉面積指數對春小麥產量的回歸方程的相關系數（R2）分別為0.916 368、0.930 282、0.954 824、0.948 944、0.952 990、0.951 916 和0.959 82，方程均達顯著水平，能分析春小麥產量與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為23 521.09、10 568.96、13 091.73、19 391.21、36 414.76、16 291.39 和40 789.75，表明春小麥葉面積指數對春小麥產量呈正效應。

由表14 可知，每個時期田間試驗葉面積指數對春小麥籽粒數的回歸方程的相關系數（R2）均為0.999 99，方程均達顯著水平，能分析春小麥產量與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為—140 707.37、—25 262.39、1 860.92、—88 103.58、—20 296.93、—43 289.05 和—113 165.34，表明春小麥葉面積指數對春小麥產量在拔節—孕穗時期呈正效應，其他時期呈負效應。

每個時期模擬試驗葉面積指數對春小麥籽粒數的回歸方程的相關系數（R2）分別為0.052 312、0.176 805、0.129 045、0.043 719、0.076 224、0.163 945 和0.107 646，方程均達微弱水平，能分析春小麥籽粒數與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為—42 563.19、—89 412.33、—51 039.65、—23 645.03、—75 134.78、—103 019.92 和—124 573.33，表明春小麥葉面積指數對春小麥產量呈負效應。

由表15 可知，每個時期田間試驗葉面積指數對春小麥千粒質量的回歸方程的相關系數（R2）均為0.999 99，方程均達顯著水平，能分析春小麥產量與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為—307.63、—104.86、—137.50、3.71、6.34、3.86 和—6.33，表明春小麥葉面積指數對春小麥產量在孕穗—抽穗、抽穗—開花、開花—灌漿時期呈正效應，其他時期呈負效應。

每個時期模擬試驗葉面積指數對春小麥千粒質量的回歸方程的相關系數（R2）分別為0.909 619、0.824 608、0.933 098、0.908 531、0.892 832、0.938 597和0.917 596，方程均達顯著水平，能分析春小麥千粒質量與春小麥葉面積指數之間的關系。各個時期春小麥葉面積指數的變化量（X1）的一次項系數分別為7.19、5.97、3.43、3.88、7.33、1.75 和7.28，表明春小麥葉面積指數對春小麥千粒質量呈正效應。

2.2.2 田間試驗結果分析

由圖1 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量的影響效應在抽穗—開花時期為向下的二次拋物線變化，其他時期為向上的二次拋物線變化。由圖2 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。由圖3 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥千粒質量的影響效應在孕穗—抽穗、抽穗—開花、開花—灌漿時期為向下的二次拋物線變化，其他時期為向上的二次拋物線變化。

圖1 不同時期春小麥葉面積指數對春小麥產量的影響Fig.1 Effect of spring wheat leaf area index in different periods on yield of spring wheat

圖2 不同時期春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響Fig.2 Effect of leaf area index in different periods on grain number of spring wheat

圖3 不同時期春小麥葉面積指數對春小麥千粒質量的影響Fig.3 Effect of leaf area index in different periods on thousand grain quality of spring wheat

2.2.3 模擬試驗結果分析

由圖4 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，在春小麥葉面積指數為0.94 時春小麥產量出現最大值為3 818.71 kg/hm2，春小麥葉面積指數為0.77 時春小麥籽粒數出現最小值為9 579.34 粒/m2。

圖4 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（出苗-分蘗）Fig.4 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （seedling- tillering）

由圖5 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥產量和千粒質量均未出現閾值，春小麥籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為1.72 時春小麥籽粒數出現最小值為8 716.59 粒/m2。

圖5 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（分蘗-拔節）Fig.5 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （tillering -jointing）

由圖6 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為2.31 時春小麥產量出現最大值為3 827.06 kg/hm2，春小麥葉面積指數為2.01 時春小麥籽粒數出現最小值為8 745.26 粒/m2。

圖6 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（拔節-孕穗）Fig.6 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （jointing- booting）

由圖7 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為1.67 時春小麥產量出現最大值為3 851.41 kg/hm2，春小麥葉面積指數為1.44 時春小麥籽粒數出現最小值為9 638.01 粒/m2。

圖7 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（孕穗-抽穗）Fig.7 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （booting- heading）

由圖8 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為1.18 時春小麥產量出現最大值為3 904.35 kg/hm2，春小麥葉面積指數為1.07 時春小麥籽粒數出現最小值為9 050.71 粒/m2。

圖8 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（抽穗-開花）Fig.8 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （heading- flowering）

由圖9 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數和千粒質量的影響效應為向上的二次拋物線變化。在試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為1.24 時春小麥產量出現最大值為3 819.03 kg/hm2，春小麥葉面積指數為1.00 時春小麥籽粒數出現最小值為8 554.04 粒/m2。

圖9 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（開花-灌漿）Fig.9 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （flowering- grouting）

由圖10 可知，不同春小麥葉面積指數對春小麥產量和千粒質量的影響效應為向下的二次拋物線變化，不同春小麥葉面積指數對春小麥籽粒數的影響效應為向上的二次拋物線變化。在本試驗變化范圍內春小麥千粒質量未出現閾值，春小麥產量和籽粒數出現閾值，春小麥葉面積指數為0.79 時春小麥產量出現最大值為3 853.72 kg/hm2，春小麥葉面積指數為0.70 時春小麥籽粒數出現最小值為9 038.38 粒/m2。

圖10 不同春小麥葉面積指數對春小麥產量及其構成因素的影響（灌漿-成熟）Fig.10 Effects of different spring wheat leaf area indexes on spring wheat yield and its components （grouting- mature）

3 討論

春小麥產量和植株生育階段的春小麥葉面積指數均具有相應關系，孕穗期、抽穗期和成熟期春小麥葉面積指數和產量在一定區域內存在明顯的空間相對關系。孫貴荒等[4]研究結果表明，較大葉面積指數與大豆籽粒產出呈極明顯相關性，從始花期以來維持較大葉面積有利于產出的發展。劉桃菊等[14]研究結果表明，在特定區域內，較大葉面積指數，代表植物利用光能轉化成的有機質也就愈多。最合理的葉面積指數才能配合植株的養分生長與生殖生長，但過大和過小均無法達到實現經濟作物高產發展的目的。春小麥高產主要是建立在抽穗時期具有最合理的春小麥葉面積指數及合理的空間結構上，春小麥生育前期春小麥葉面積指數的良好發揮，必將產生比抽穗時期更適宜葉面積指數的結果，也會對抽穗后春小麥葉面積指數的高低產生直接影響。春小麥產量的絕大部分來源于開花后的光合產物[15]。合理調節早春小麥葉面積指數，可以促進光合產物的產生，對春小麥產量的提高具有積極的意義；抽穗前期春小麥葉面積指數越高，所積累干物就越多，為后期的籽粒灌漿工程奠定了物質基礎[16]。孕穗期春小麥葉面積指數越高越利于植物群體光合作用，從而促進了光合產物的產生和積聚過程[17]。灌漿期與成熟期相應的春小麥葉面積指數變化將帶動透光性速率的提高，光合產物的形成，將促進產量的提高[3]。春小麥產量與春小麥葉面積指數成正相關關系，但后期春小麥的葉面積居高不下，就會導致田間郁閉、光線不足，光合效果下降，植物和葉片中的營養物質就無法有效地運送到春小麥籽粒中，從而造成產量的降低[18-19]。

由于試驗設置補灌量與秸稈覆蓋水量梯度相對較小，所得數值與結論尚不全面，并且由于取樣偏差，對試驗結論將產生一定的負面影響。在今后的科學研究中，需要增設不同梯度，以找到在旱地春小麥各生育期最佳春小麥葉面積指數的變動范圍，以指導春小麥田間生產管理的工作。

4 結束語

春小麥產量的絕大部分來源于開花后的光合產物，通過改變各個時期的補灌量和秸稈覆蓋量來合理調節春小麥葉面積指數，促進光合產物的產生，對春小麥產量的增加有著積極的作用。在出苗—分蘗、拔節—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—開花、開花—灌漿、灌漿—成熟，春小麥葉面積指數為0.94、2.31、1.67、1.18、1.24 和0.79 時春小麥產量出現最大值為3 818.71、3 827.06、3 851.41、3 904.35、3 819.03 和3 853.72 kg/hm2。一 般來說，在春小麥各生長期的葉面積指數都與產量有關，而通過調節各個時期的補灌量和秸稈覆蓋量來改變葉面積指數可以使春小麥達到高產。合理調節春小麥葉面積指數，有利群體光合作用，可以促進光合產物的產生，對春小麥產量的提高具有積極的意義。