原亞琦，孫 敏，林 文，薛建福，楊珍平，郝興宇，高志強(qiáng)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801）

0 引 言

【研究意義】旱地小麥產(chǎn)量年際間變化較大，故其目標(biāo)是穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[1-3]。水分是制約旱地小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要環(huán)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(fù)期，其恢復(fù)的程度即底墑，底墑一定程度決定產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。磷肥能夠?qū)崿F(xiàn)小麥的增產(chǎn)，但對(duì)籽粒品質(zhì)的研究結(jié)果在不同地區(qū)表現(xiàn)不同。小麥籽粒灌漿方程能夠量化植株?duì)I養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的速度、持續(xù)時(shí)間，以及最終的籽粒增加量。【研究進(jìn)展】底墑能夠提高小麥的籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)。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(dá)到增產(chǎn)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(zhì)量。以肥調(diào)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(guān)于磷肥對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)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(xiàn)象，提高產(chǎn)量和磷肥利用率。對(duì)于磷肥對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的研究存在不同結(jié)論，付國占等[14]研究表明，增施磷肥能夠增加籽粒蛋白質(zhì)組分的量和蛋白大聚體的量；而姜東等[15]2 年的磷肥試驗(yàn)表明，增施磷肥能夠提高產(chǎn)量，但降低了籽粒的蛋白質(zhì)量。近年來，對(duì)小麥籽粒灌漿方程應(yīng)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(xù)期縮短2.72%～15.78%，達(dá)到最大灌漿速度的時(shí)間提前2.33%～14.58%，導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降。吳進(jìn)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(xù)時(shí)間縮短9.2%，千粒質(zhì)量降低20.9%，穗粒數(shù)減少7.0%，籽粒產(chǎn)量降低26.6%?！厩腥朦c(diǎn)】針對(duì)旱地小麥籽粒灌漿過程進(jìn)行方程擬合，明確小麥灌漿階段籽粒產(chǎn)量形成過程。并結(jié)合籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)的量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量與底墑和磷肥的二次回歸方程擬合，探究旱地小麥產(chǎn)量和品質(zhì)在不同底墑和磷肥條件下的趨勢(shì)變化?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在不同播前底墑條件下設(shè)置2 個(gè)施磷量，探究籽粒灌漿過程對(duì)底墑和磷肥的響應(yīng)情況，以及底墑和磷肥對(duì)籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)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(chǎn)量和蛋白質(zhì)，又降低土地的肥料成本投入，同時(shí)為旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

山西省聞喜試驗(yàn)基地（北緯35°21′13.64"，東經(jīng)111°13′50.46"）進(jìn)行，夏閑地，無灌溉條件，2014 年10 月的土壤肥力為：有機(jī)質(zhì)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(yàn)點(diǎn)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)品種：運(yùn)旱20410，采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，前茬小麥?zhǔn)斋@時(shí)留20～30 cm 高茬，收獲后深翻35～40 cm，以7 月15 日深翻后進(jìn)行主區(qū)設(shè)置。主區(qū)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(jìn)行控制，2014 年7 月15 日，分別進(jìn)行全覆蓋和半覆蓋，2014 年8 月25 日回收地膜，并進(jìn)行淺旋耕、耙耱平整地塊；副區(qū)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(shí)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(jī)施入。播種采用機(jī)械條播，播量是165 kg/hm2，行距20 cm，小區(qū)面積為150 m2（50 m×3 m），重復(fù)3 次，2015 年6 月10日收獲[18]。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及計(jì)算方法

1.3.1 土壤水分的測(cè)定

用土鉆分別于播種期、返青期、拔節(jié)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(cè)定土壤含水率，土壤剖面環(huán)刀法測(cè)定其體積質(zhì)量[18]。

1.3.2 籽粒干物質(zhì)測(cè)定

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

1.3.3 成熟期考種及產(chǎn)量測(cè)定

成熟期調(diào)查單位面積穗數(shù)、每穗平均粒數(shù)及千粒質(zhì)量，每小區(qū)取10 株進(jìn)行室內(nèi)考種，并每小區(qū)收割20 m2，計(jì)算單位面積籽粒產(chǎn)量。

1.3.4 灌漿方程的擬合及特征參數(shù)的計(jì)算

方程擬合選擇Logistic 曲線：Y=K/(1+ea-rt)式中：K 為最大生長(zhǎng)量上限；a、r 為常數(shù)；e 為自然對(duì)數(shù)底；t 為時(shí)間[16]。參考殷祚云[19]的四點(diǎn)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(dǎo)數(shù)得到最大灌漿速率（Vmax）及其出現(xiàn)時(shí)間（tmax），求二階導(dǎo)數(shù)得到漸增期（τ1）、快增期（τ2）、緩增期（τ3）持續(xù)時(shí)間，通過反演得到對(duì)應(yīng)階段的籽粒增加質(zhì)量Y1、Y2、Y3，以及對(duì)于階段的平均灌漿速率V1、V2和V3。

1.3.5 水（磷）肥效應(yīng)擬合

分別以籽粒產(chǎn)量（Y1）、蛋白質(zhì)量（Y2）和蛋白質(zhì)產(chǎn)量（Y3）為因變量，底墑（X1）和磷肥（X2）為自變量，分別計(jì)算自變量的二次多項(xiàng)式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中進(jìn)行逐步回歸分析，剔除與因變量相關(guān)程度低的二次多項(xiàng)式，進(jìn)而得到擬合度最高得回歸方程。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Micsoft Execl 2013 錄入數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析和作圖分別采用SPSS 22.0 和Maple 2018 處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同底墑配施磷肥對(duì)旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同底墑和磷肥不僅對(duì)千粒質(zhì)量穗數(shù)和穗粒數(shù)有影響（表1）。產(chǎn)量最高的處理是W1P2，對(duì)應(yīng)的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量也是最高；產(chǎn)量最低處理是W3P1，對(duì)應(yīng)的單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量最低；W1P1 和W2P1 處理產(chǎn)量、千粒質(zhì)量高于W3P2處理，且差異性顯著，但單位面積穗數(shù)和每穗粒數(shù)間差異性不顯著?？梢姡a(chǎn)量取決于其構(gòu)成因子的綜合作用。

2.2 不同底墑配施磷肥對(duì)旱地小麥灌漿過程的影響

2.2.1 灌漿期籽粒干物質(zhì)變化

不同底墑配施磷肥下旱地小麥籽粒千粒質(zhì)量隨時(shí)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(gè)階段：①漸增期，持續(xù)約15 d，千粒質(zhì)量增加較為緩慢，占成熟期籽粒質(zhì)量的25.78%～30.20%；②快增期，持續(xù)約15 d，千粒質(zhì)量增加質(zhì)量占成熟期籽粒質(zhì)量的54.52%～64.62%；③緩增期，花后30 d 至成熟期，千粒質(zhì)量增加質(zhì)量占成熟期籽粒質(zhì)量的5.18%～19.70%?？梢?，對(duì)籽粒質(zhì)量占比最大的是快增期，達(dá)54.52%～64.62%。

表1 底墑和磷肥處理產(chǎn)量及其構(gòu)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(shù)

將不同處理灌漿過程進(jìn)行Logistic 方程擬合，擬合曲線的決定系數(shù)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(shù)表現(xiàn)為P2>P1，τ、Y3、τ3參數(shù)表現(xiàn)為P1>P2；Vmax、V2的W1、W2 處理表現(xiàn)為P2P1，W2 處理則相反。Y3、τ3變異系數(shù)（CV）均大于10%，屬于中等變異，而其他參數(shù)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(xù)時(shí)間，并且增施磷肥能提高漸增期和快增期持續(xù)時(shí)間，分別提高對(duì)應(yīng)階段的籽粒千粒質(zhì)量。同時(shí)也會(huì)加速緩增期的灌漿過程；緩增期的變異可能是籽粒千粒質(zhì)量存在差異的主要原因。

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

2.3 不同底墑配施磷肥對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)的影響

不同處理的小麥籽粒蛋白質(zhì)量無明顯差異，但蛋白質(zhì)產(chǎn)量處理間存在差異（表3）。籽粒蛋白質(zhì)量在133.28～138.61 mg/g 范圍內(nèi)；蛋白質(zhì)產(chǎn)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?？梢姡鞍踪|(zhì)產(chǎn)量的差異主要是由產(chǎn)量導(dǎo)致。

表3 不同底墑和磷肥下蛋白質(zhì)量及其蛋白質(zhì)產(chǎn)量 Table 3 Protein content of different treatments

2.4 籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)量與底墑、磷肥的關(guān)系

分別以籽粒產(chǎn)量（Y1）、蛋白質(zhì)量（Y2）和蛋白質(zhì)產(chǎn)量（Y3）為因變量，底墑（X1）和磷肥（X2）為自變量，分別計(jì)算自變量的二次多項(xiàng)式：X12、X22、X1·X2、X1、X2，放入SPSS 22.0 中進(jìn)行逐步回歸擬合，得到方程：

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

圖3 蛋白質(zhì)產(chǎn)量對(duì)底墑和磷肥的響應(yīng)曲面 Fig.3 Response surface of protein yield to soil moisture and phosphorus fertilizer

式（3）二次項(xiàng)系數(shù)小于0，開口向下，即隨底墑的增加，蛋白質(zhì)產(chǎn)量先增加后降低；相同底墑下，隨磷肥增加，蛋白質(zhì)產(chǎn)量逐漸增加。故蛋白質(zhì)產(chǎn)量理論最大值在對(duì)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(dá)到產(chǎn)量4 938.23 kg/hm2、蛋白質(zhì)量134.78 mg/g，隨磷肥的增加產(chǎn)量和蛋白質(zhì)量隨之增加，磷肥對(duì)產(chǎn)量的影響大于對(duì)蛋白質(zhì)量的影響。

3 討 論

作物的定量分析能為產(chǎn)量和品質(zhì)提供明確指導(dǎo)方向[20]。小麥灌漿是將葉片合成的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒，直至飽滿，灌漿的量化能一定程度反映出產(chǎn)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(xù)時(shí)間，達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間提前2.33%～14.58%，且虧水小麥時(shí)期不同蛋白質(zhì)量和產(chǎn)量也不同。本研究結(jié)果表明，增加底墑會(huì)引起小麥籽?？煸銎诘墓酀{持續(xù)時(shí)間增加，提高磷肥導(dǎo)致漸增期和快增期的持續(xù)時(shí)間、千粒質(zhì)量隨之提高，緩增期的持續(xù)時(shí)間降低；緩增期的變異系數(shù)達(dá)25%，屬于中等變異，其他灌漿特征參數(shù)的變異系數(shù)均低于10%，屬于低等變異[22]，說明底墑和磷肥對(duì)灌漿階段的差異主要體現(xiàn)在緩增期的差異?？梢姡瑵u增期持續(xù)時(shí)間隨底墑和磷肥提高而增加，增施磷肥延長(zhǎng)快增期持續(xù)時(shí)間、縮短緩增期持續(xù)時(shí)間，而楊麗娟等[23]和張倩[24]研究表明，施氮量增加能夠延長(zhǎng)冬小麥緩增期持續(xù)時(shí)間，說明小麥的灌漿過程對(duì)氮、磷肥的響應(yīng)不一樣，也可能與小麥基因型有關(guān)，還需要做進(jìn)一步研究。

蛋白質(zhì)產(chǎn)量為因變量的函數(shù)圖像顯示，隨著底墑的增加，蛋白質(zhì)產(chǎn)量先升高后降低，而隨著磷肥的增加，蛋白質(zhì)產(chǎn)量隨之增加。解方程得：在底墑250.57 mm 左右時(shí)，蛋白質(zhì)產(chǎn)量得到最大值，由于本試驗(yàn)的底墑設(shè)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(shì)變化，需要在底墑>250.57 mm條件下進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。分別將底墑250.57 帶回原函數(shù)得到，在不施磷肥時(shí)，產(chǎn)量達(dá)4 938.23 kg/hm2、蛋白質(zhì)量達(dá)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(chǎn)量和蛋白質(zhì)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(jié)果相同，增施磷肥可以提高小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)量。本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析回歸參數(shù)得，磷肥對(duì)產(chǎn)量的影響大于對(duì)蛋白質(zhì)量的影響?？梢?，在底墑250.57 mm 時(shí)，籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)量同步提升，磷肥的施入量需要經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行確定。并且，二次多項(xiàng)式逐步回歸擬合方程所呈現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢(shì)變化，還需要在更多底墑和磷肥梯度下做進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

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