小麦：耕作栽培·生理生化
探究花后弱光对软质小麦干物质积累转运、籽粒产量和淀粉品质的影响, 为江淮地区软质小麦抗逆优质丰产栽培技术提供参考。于2022—2024年度, 在大田条件下, 以软质小麦品种荃麦725 (QM725)和扬麦15 (YM15)为材料, 试验于小麦灌浆期(开花后7~35 d)设置3个遮光处理, 即遮光10% (S1)、遮光20% (S2)和遮光30% (S3), 以自然光照条件作为对照(CK)。研究花后弱光胁迫对软质小麦干物质积累转运、籽粒产量和淀粉品质形成的影响。结果表明, 与对照(CK)相比, 花后弱光显著增加了花前器官同化物的转运量、转运率以及对籽粒的贡献率, 减少了花后光合同化物的积累量以及籽粒贡献率。花后不同弱光处理后, 显著降低了小麦穗粒数和千粒重, 进而导致籽粒产量降低, 且在各处理下, 虽提高了小麦籽粒蛋白质含量, 但显著降低了籽粒淀粉含量、籽粒蛋白质和淀粉积累量。花后弱光胁迫下, 显著降低了软质小麦B型淀粉粒(粒径≤10.0 μm)体积、表面积和数目百分比, 增加了A型淀粉粒(粒径>10.0 μm)体积、表面积百分比, 对软质小麦籽粒A型淀粉粒数目百分比无显著影响, 只有年份间差异显著。在B型淀粉粒中, 弱光对粒径0.1~2.8 μm淀粉粒体积百分比的影响大于2.8~10.0 μm淀粉粒。在A型淀粉粒中, 弱光对粒径>22.0 μm淀粉粒体积百分比的影响大于10.0~22.0 μm淀粉粒。不同程度弱光处理下, 小麦峰值黏度、低谷黏度、最终黏度等糊化特性均显著降低, 且虽提高了淀粉热焓值参数, 但显著降低了起始温度、峰值温度和终止温度。花后弱光显著影响了小麦干物质积累、转运以及对籽粒的贡献率, 并降低了小麦穗粒数、千粒重和籽粒产量, 虽提高了籽粒蛋白质含量, 但显著降低了籽粒淀粉含量, 从而影响了小麦籽粒产量的形成。随着花后光照强度的降低, 对B型淀粉粒的影响大于A型淀粉粒, 即B型淀粉粒体积、表面积和数目占比降低, A型淀粉粒体积和表面积占比增加, 小麦峰值黏度等糊化参数、起始温度、峰值温度和终止温度等显著降低, 最终影响小麦籽粒品质。
为探究雨养和灌溉条件下氮肥后移对冬小麦面粉加工品质的影响及其谷蛋白形成机制, 本研究选用强筋小麦品种中麦886 (ZM886)和中筋小麦品种中麦30 (ZM30)为试验材料, 在雨养处理(W)和灌溉处理(D)条件下, 总施氮量为210 kg hm-2的基础上设置2个追氮处理: 常规氮肥处理(N1: 底肥50%+拔节肥50%)和氮肥后移处理(N2: 底肥50%+拔节肥30%+孕穗肥20%), 研究其对冬小麦籽粒谷蛋白大聚合体(GMP)形成和面粉加工品质的影响。试验结果表明, 2小麦品种产量最大值均出现在WN2处理, 其中ZM30在WN2处理下产量较其他处理平均提高12.36% (2021—2022年)和13.97% (2022—2023年), ZM886同期分别提高9.85%和18.31%。在花后10 d检测到籽粒中高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS), ZM886在DN2处理下HMW-GS、LMW-GS、free-SH、-S-S-含量最高, ZM30则在WN2处理达到峰值。花后30 d检测到2小麦品种籽粒GMP的存在, ZM886在DN2下较其他处理增高5.40%~33.90%, ZM30在WN2下增高2.50%~14.70%, 同时分别在2处理下增加了GMP大颗粒体积和表面积百分比, 从而不同程度地提高面粉加工品质。小麦籽粒GMP含量与HMW-GS含量和LMW-GS含量呈正相关, ZM886籽粒GMP含量与面团形成时间和稳定时间呈正相关, 但与产量呈负相关; ZM30籽粒GMP含量与产量呈极显著正相关, 但与吸水率呈负相关。综上, 本试验条件下, 氮肥后移通过调控谷蛋白亚基合成, 提升GMP含量, 优化GMP粒径分布。因小麦产量而言, 适宜的水氮配置为: 灌溉处理下, 氮肥施用底肥50%+拔节肥30%+孕穗肥20%; 因小麦品质而言, 适宜的水氮配置因品种类型而异: 强筋小麦中麦886为在雨养处理下, 氮肥施用底肥50%+拔节肥30%+孕穗肥20%, 中筋小麦中麦30为在灌溉处理下, 氮肥施用底肥50%+拔节肥30%+孕穗肥20%。
小麦黑胚病在世界范围内频繁发生, 严重影响小麦的产量与品质。为明确黑胚病对小麦淀粉品质的影响, 本研究以黄淮麦区小麦黑胚病主要病原菌Bipolaris sorokiniana为致病菌、采用孢子液喷洒方法对2个中筋小麦进行接种, 以自然大田条件收获的籽粒为对照(CK), 研究黑胚病对淀粉含量、粒度分布与糊化特性的影响。结果显示, 黑胚病导致总淀粉与支链淀粉含量降低, 直链淀粉含量增加; 与CK相比, 黑胚粒的总淀粉与支链淀粉分别降低7.40%与13.56%, 直链淀粉含量增加9.72%, 支/直比下降21.22%; 黑胚病抑制了B型淀粉粒的产生和生长, 使小麦B型淀粉粒体积、表面积及数目百分比显著降低, 其中主要影响1.0~2.8 μm的淀粉粒, A型淀粉粒体积、表面积百分比显著增加, 以影响10.0~20.0 μm的淀粉粒为主; 黑胚病导致面粉黏度参数显著降低, 黑胚粒的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、稀懈值和回生值分别比CK降低27.70%、28.49%、23.22%、26.00%与15.71%。可见, B. sorokiniana黑胚病改变了中筋小麦的淀粉含量与粒度分布, 导致糊化参数降低、淀粉品质劣化。
探究秸秆还田与微生物菌剂配施对冬小麦碳氮代谢、干物质生产及籽粒产量的影响及其相互关系, 旨在阐明其对冬小麦产量的调控效应, 为冬小麦绿色高产栽培提供技术支撑和参考依据。于2021—2023年连续2年设置微耕机旋耕掩埋秸秆还田(T1)、秸秆配施商品微生物菌剂+微耕机旋耕掩埋还田(T2)、秸秆配施真菌-细菌复合微生物菌剂(侧孢短杆菌WPL-3、黑曲霉BLH-22、哈茨木霉GZX-3)+微耕机旋耕掩埋还田(T3)和秸秆不还田(CK) 4个处理池栽对比试验, 重点研究其对冬小麦碳氮代谢、干物质生产及产量的影响。秸秆还田和微生物菌剂配施处理组合均能提高冬小麦产量, 优化产量构成因素。T3处理平均产量最高, 较T2、T1和CK分别提高5.47%、10.41%和15.27%, 穗粒数和千粒重均显著高于CK和T1。与CK和T1处理相比, T3处理开花及花后的碳代谢SPS和SS酶活性及氮代谢NR和GS酶活性均显著提高, 成熟期干物质积累总量和籽粒干重亦显著增加。秸秆还田协同真菌-细菌复合微生物菌剂(T3)处理显著提高冬小麦产量, 其多途径调控机制主要是哈茨木霉-侧孢短杆菌协同调控, 加速秸秆腐解, 提升碳氮代谢关键酶活性(与T2相比, 酶活性呈提高趋势但差异未达显著水平), 优化冬小麦“源-流-库”动态关系, 强化籽粒灌浆物质基础, 促使花后干物质向籽粒转移效率提高18.4% (与T2相比, 转移效率提升3.1个百分点), 最终产量较T2处理显著提高5.47%。因此, 相较于商品菌剂处理(T2), 秸秆还田协同真菌-细菌复合微生物菌剂(T3)处理可作为黄淮南部冬小麦绿色高产栽培的可靠技术方案。
为明确黄土高原半湿润区冬小麦单产提升和水分高效利用的补灌方案, 在2021—2023年冬小麦生长季, 选取杨陵、乾县、合阳3个代表性试验点, 分别设置全生育期不灌水(W0)、越冬期补灌(W1)、拔节期补灌(W2)、越冬期+拔节期补灌(W3)、拔节期+完花期补灌(W4) 5个补灌处理, 每次补灌均以0~20 cm土层土壤相对含水量达100%为目标, 探索不同时期和不同次数补灌对冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 该区域冬小麦生长季的降水量年际间变化较大, 但其生长季的总耗水量年际间相对稳定, 其对土壤水的消耗在稳定生长季耗水中发挥重要作用。播种期土壤底墒的高低在一定程度上影响补灌对冬小麦产量和水分利用效率调控的效果。冬小麦生长季高产高效的供水进程以播种至越冬、拔节、完花和成熟期的主要供水量分别为336.3、393.8、440.7、519.1 mm为宜。各试验点补灌处理的耗水构成均以土壤水和降水为主, 灌溉水占总耗水量的比例不足20%。拔节期补灌处理在3个试验点对冬小麦的增产作用受环境因子的影响较小, 两年度均在杨陵和乾县获得了高产(9888.5~10,697.0 kg hm-2和9015.4~9756.9 kg hm-2)和高水分利用效率(21.2~23.9 kg hm-2 mm-1和20.9~21.1 kg hm-2 mm-1)。在年降水量为465.3 mm、冬小麦生长季降水量为114.8~194.7 mm的合阳试验点则以拔节期+完花期补灌处理最优。综上所述, 在黄土高原年降水量465.3~635.1 mm的地区, 冬小麦生长季补灌拔节水具有普遍适用性, 部分地区仅此一水即可获得高产和高水分利用效率; 在年降水量(465.3 mm)和冬小麦生长季降水量(114.8~194.7 mm)均较少的地区, 于拔节期补灌一水的基础上再于完花期补灌一水可获得高产和高水分利用效率。
为了明确花后高温干旱逆境对小麦产量的影响及其生理机制, 本研究于2022—2023年冬小麦生长季, 选用中麦36 (ZM36)和济麦22 (JM22) 2个小麦品种, 在北京和河北赵县大田试验条件下设置花后高温(HT)、干旱(DS)、高温干旱复合胁迫(DHS) 3种逆境处理, 以自然环境为对照(CK), 比较了不同逆境处理对小麦光合特性、叶片衰老和籽粒产量的影响。 结果表明,与CK相比, 在逆境下北京试验点ZM36的产量、穗粒数、千粒重分别降低了18.0%~40.2%、10.4%~16.3%和6.9%~22.7%; JM22分别降低了18.2%~32.8%、3.1%~8.7%和4.0%~14.6%。赵县试验点ZM36的产量、穗粒数、千粒重分别降低了6.4%~27.8%、8.2%~23.1%和2.9%~11.0%; JM22分别降低了6.8%~35.3%、8.0%~19.0%和0.6%~7.7%。2个试验点不同逆境对2个小麦品种产量的影响程度均为DHS>DS>HT。花后逆境下2个小麦品种叶面积指数(LAI)降低14.4%~36.9%, 旗叶叶绿素相对含量(SPAD)减少11.2%~24.6%、叶片持绿时间(Chltotal)缩短1.8~5.0 d, PSII最大光化学效率(Fv/Fm)降低3.5%~10.5%, 非光化学淬灭系数(NPQ)增加9.3%~27.8%, 致使旗叶净光合速率(Pn)降低14.3%~39.6%, 且花后高温干旱复合胁迫对小麦旗叶光合特性的影响远大于单一干旱、高温胁迫。由结构方程可知, 叶片温度(Tleaf)与土壤体积含水量(SVC)、SPAD、Pn呈负相关, SVC与LAI、SPAD、Pn、Fv/Fm呈正相关, 表明较高的土壤体积含水量(0~20 cm土层30%~32%)可降低冠层和叶片温度, 延缓小麦叶片衰老, 提高光合效率。研究结果为小麦高产稳产抗逆栽培提供理论依据。
单一的大气CO2浓度升高或温度升高均已被证实对小麦的生长和产量产生显著影响, 然而, 关于CO2浓度和温度共同升高对小麦整个生育期的影响研究很少。本研究以冬小麦品种“良星99”为材料, 利用人工控制气候室, 设置2种CO2浓度水平(环境大气CO2浓度和环境大气CO2浓度+200 μmol mol-1)和2种温度水平(环境温度和环境温度+2℃), 测定其对冬小麦物候期、光合作用、碳代谢、氮同化和产量的影响。 结果表明:大气CO2浓度升高使拔节期、开花期和灌浆期净光合速率和水分利用效率增加, 使灌浆期可溶性糖含量升高, 虽灌浆期谷氨酰胺合成酶和谷丙转氨酶活性降低, 但仍可通过增加穗数, 进而使生物量和产量增加32.8%和30.0%。升温会缩短冬小麦全生育期, 使拔节期谷氨酸合成酶活性下降, 开花期水分利用效率、可溶性糖、淀粉和蔗糖含量、谷氨酸合成酶活性降低, 灌浆期蔗糖合成酶和谷氨酰胺合成酶活性下降, 生物量降低12.2%, 产量无显著影响。大气CO2浓度升高促进升温下冬小麦提前开花, 并延长花后籽粒灌浆时间。升温条件下, 大气CO2浓度升高通过上调拔节期TaRUBP1的表达进而提高净光合速率, 提高拔节期可溶性糖含量和开花期蔗糖含量, 从而缓解升温对光合同化的负面影响。升温条件下, CO2浓度升高上调开花期TaGS2和灌浆期TaNR的表达进而增加开花期谷氨酰胺合成酶活性和灌浆期硝酸还原酶活性, 缓解升温对氮同化的抑制作用。此外, CO2浓度升高减轻升温对冬小麦生物量的负面影响, 并通过增加穗数提高升温条件下冬小麦产量23.9%。总之, CO2浓度通过提高光合能力、增加光合同化物积累、促进氮同化、延长灌浆时间等缓解升温对冬小麦生物量的负效应, 并通过增加穗数提高冬小麦产量。
针对西北绿洲灌区长期施用化学氮肥造成农田氮损失、土壤肥力下降等问题, 研究不同绿肥还田和施氮水平对作物产量和土壤N2O排放的影响及机制具有重要意义。本研究基于甘肃河西走廊石羊河流域布设的田间试验, 于2019—2021年在春小麦收获后复种毛叶苕子, 毛叶苕子开花期设置7500 kg hm-2 (G1)、15,000 kg hm-2 (G2)、22,500 kg hm-2 (G3)和30,000 kg hm-2 (G4) 4个还田量。翌年春小麦播前设置2个施氮水平, 分别为减氮15% (N153)和减氮30% (N126), 以无绿肥传统施氮(G0N180)作为对照。 结果表明,与G0N180相比, 绿肥还田结合减量施氮显著提高了小麦籽粒产量, 降低了麦田N2O排放量和排放强度, 其中以G4N153处理产量最高, 达9135.33~9250.42 kg hm-2。同一还田量下, 减氮30%较减氮15%处理显著降低了N2O排放量; 同一施氮水平下, G3、G4较G1、G2显著降低N2O排放量。研究还发现, N2O排放的消减主要发生在小麦拔节期以前, 这主要归因于绿肥还田结合减量施氮处理显著降低了小麦播种期及苗期的土壤硝态氮、铵态氮含量和硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性。回归分析表明, 小麦播种期及苗期的土壤速效氮含量和酶活性与N2O排放量呈显著正相关(P < 0.01)。在减氮15%水平下, G4较G1、G2、G3提高了小麦开花期和成熟期土壤速效氮含量, 保障了小麦生育后期氮素吸收。综上所述, 在河西绿洲灌区, 绿肥还田结合减量施氮可显著提高小麦产量、降低土壤N2O排放量和排放强度, 其中绿肥还田量30,000 kg hm-2结合减量施氮15%效果最佳。
探究减氮及有机肥替代对旱地冬小麦产量形成和经济效益的影响, 为实施化肥减量和有机肥替代提供理论和技术依据。2021—2023年度, 基于2019年开始设置在黄土高原和黄淮海平原交汇处典型旱地冬小麦产区(河南洛宁和河南孟津)的定位试验, 研究了冬小麦干物质积累转运分配特性、氮肥干物质生产效率、产量及其构成要素和经济效益。试验设置不施氮肥(NN)、农户施氮(FN)、基于FN减氮20% (RN)和RN基础上20%氮肥用有机肥替代(OSN) 4个处理。结果表明: (1) 与FN相比, RN处理降低了小麦拔节期、开花期和成熟期的干物质积累量、花前干物质转运量以及成熟期茎鞘、穂轴+颖壳和籽粒的干物质分配量, 但对籽粒产量无显著影响。(2) 与FN和RN相比, OSN处理提高了各生育阶段的氮肥干物质生产效率, 从而增加了拔节期、开花期、成熟期的干物质积累量, 而且提高了花前干物质转运量、花后干物质积累量、花后干物质积累量对籽粒的贡献率, 进而使成熟期地上部各器官的干物质分配量均得到显著提高, 最终使籽粒产量分别显著增加15.03%和17.12%, 经济效益增加3.84%和4.23%。(3) 小麦产量与花前干物质转运量、花后干物质积累量和花后干物质积累量对籽粒的贡献率呈极显著正相关, 与花前干物质转运量对籽粒的贡献率呈极显著负相关。综上, 在雨养条件下, 小麦季施氮量为172 kg hm-2 (夏休闲-冬小麦)和192 kg hm-2 (夏玉米-冬小麦)的基础上, OSN处理提高了氮肥干物质生产效率, 增加各生育时期的干物质积累量, 其花前干物质转运量和花后干物质积累量的协同增加使其获得了最高产量, 实现增产增收, 适宜在产量水平为5000 kg hm-2的雨养旱地冬小麦高产栽培中应用。
为探究微喷限水灌溉对冬小麦产量及水氮利用效率的影响, 在山西南部麦区设置正常微喷(S0)、限水微喷(S1)、过量微喷(S2)、漫灌(F0) 4个灌溉处理, 比较分析不同灌溉水平下麦田土壤贮水耗水特性、籽粒产量构成因素、植株氮素分配及水氮利用的差异化表现规律。结果表明,过量灌溉(S2、F0)处理0~200 cm土层贮水量显著高于S0、S1处理, 而S0和S1处理间无显著差异; 不同处理各土层贮水量均随灌水量增加而增加, 0~100 cm土层贮水量低于100~200 cm。4种灌溉方式下麦田0~200 cm土壤水耗水量在生育期总耗水量的占比区间为8.95%~48.48%, 该比例随灌水量增加而减小; 0~200 cm土壤水耗水最高处理为S1, 而灌溉水耗水最高处理为F0; F0、S2处理的100~200 cm土层耗水量显著低于S0和S1。在产量构成因素中, F0、S2处理的穗数显著低于S0和S1, 而千粒重高于S0和S1; 各处理冬小麦籽粒产量S0>S1>S2>F0, S0和S1处理间产量差异较小, 均显著高于F0和S2。各处理水分利用效率随灌水量增多而降低, 限水微喷S1处理水分利用效率较其余灌溉处理高1.39~7.36 kg hm-2 mm-1。与正常微喷S0相比, S1处理的氮素吸收效率、氮素收获指数分别高1.64%和1.91%, 氮肥偏生产力略低(P > 0.05), 但两处理氮肥偏生产力均显著高于F0和S2。S1处理的土壤氮素表观盈余量较其余灌溉处理低2.46%~21.01%, 而籽粒氮素积累量较其余处理高3.64%~ 31.39%。综上所述, 限水微喷灌溉能促进冬小麦对深层土壤水分的吸收和籽粒氮素积累, 优化灌溉制度, 提高水氮利用效率, 稳产增效, 同时可减少麦田土壤氮素盈余, 降低无机氮向下淋溶风险, 推进节水农业可持续健康发展。
针对西北绿洲灌区小麦连作普遍、化肥施用量较大及氮素利用率低等问题, 探究麦后复种绿肥对减量施氮小麦籽粒产量和氮素利用的补偿效应, 以期为构建减氮小麦高效生产技术提供理论依据。本研究依托始于2018年的定位试验进行, 2020—2022年期间采集数据。试验采用裂区设计, 主区设4种绿肥种植模式, 即麦后分别复种毛叶苕子混播箭筈豌豆(HCV)、箭筈豌豆(CV)、油菜(R)和麦后休闲(F); 副区为3种施氮水平: 试区习惯施氮量(N3, 180 kg hm-2)、习惯施氮减量20% (N2, 144 kg hm-2)、习惯施氮减量40% (N1, 108 kg hm-2)。研究表明, 习惯施氮减量20%和40%显著降低了小麦籽粒产量和氮素吸收, 但麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆可补偿因减量施氮40%造成的籽粒产量和氮素吸收损失, 且麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减量施氮20%提高小麦籽粒产量21.4%和氮素吸收6.9% (P < 0.05)。麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆可补偿因减量施氮40%造成的氮素利用率损失, 且其结合减量施氮20%氮素利用率提高13.4% (P < 0.05)。其补偿机制归因于: (1) 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆在减量施氮40%条件下可补偿小麦氮素吸收速率, 提高氮素净同化速率34.3% (P < 0.05), 维持穗部氮素分配, 增加茎氮素转运率6.6% (P < 0.05)。(2) 与麦后休闲传统施氮量相比, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减量施氮20%提高氮素平均吸收速率和氮素净同化速率7.2%和34.1% (P < 0.05), 增加灌浆初期至成熟期穗氮素分配6.7% (P < 0.05), 提高叶、茎氮素对穗的转运贡献率17.8%、8.9% (P < 0.05)。因此, 在干旱绿洲灌区, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆是实现小麦减氮40%的可行措施, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减氮20%可通过提高小麦氮素吸收速率和氮素净同化率, 提高叶、茎对穗的转运贡献率从而促进穗部氮素分配, 实现小麦产量和氮素利用率双提升。
探讨绿肥对减量灌水春小麦产量构成及光合产物积累分配特征的响应和机制, 可为构建新型小麦节水型种植制度提供实践和理论依据。依托2017年在甘肃河西绿洲灌区开始的小麦复种绿肥田间定位试验, 于2021—2022年研究了不同绿肥处理方式下减量灌水小麦的群体生长动态、光合产物累积、转运分配和产量特性。试验采用裂区设计, 设420 mm (I3, 地方常规灌水量)、370 mm (I2, 减量50 mm)和320 mm (I1, 减量100 mm) 3个灌水水平, 绿肥全量翻压还田(WG)、绿肥仅根茬还田(WGR)和不种绿肥(W) 3种绿肥处理方式, 组成9个处理。结果表明,减量灌水降低了小麦产量和收获指数, 绿肥还田可补偿因减量灌水造成的产量负效应。与I3相比, I1处理小麦籽粒产量、生物产量和收获指数分别降低11.5%、3.8%和8.1%, I2籽粒产量降低了3.4%; 与W相比, WG籽粒产量、生物产量和收获指数分别提高10.9%、3.7%和8.0%, WGR籽粒产量和收获指数提高了4.8%和3.4%; 与WI3相比, WGI2籽粒产量和收获指数分别提高7.2%和5.3%, WGI1和WGRI2的籽粒产量、生物产量和收获指数差异不显著, 即麦后复种绿肥并全量还田可补偿减量灌水100 mm产生的产量负效应, 可超量补偿在减量灌水50 mm的负效应。绿肥还田补偿减量灌水对小麦产量负效应的主要原因是: (1) 绿肥还田提高了小麦生育后期的群体生长率(CGR)和净同化率(NAR), 增大了小麦穗数、穗粒数与千粒重。与WI3相比, WGI2拔节至孕穗、孕穗至开花、开花至灌浆期CGR分别提高10.4%、10.5%和7.9%, WGRI2拔节至孕穗、孕穗至灌浆期CGR分别提高6.7%和5.7%, WGI1无显著变化; WGI2较WI3孕穗至开花、开花至灌浆期NAR分别提高4.5%、4.8%, 穗数和千粒重分别提高5.7%和6.9%, WGI1、WGRI2较WI3穗数、穗粒数与千粒重差异不显著。(2) 绿肥还田提高了减量灌水小麦的花后干物质积累量和对籽粒的贡献率。I2、I1较I3花后干物质积累量和对籽粒的贡献率分别降低8.8%、5.3%和23.1%、13.7%; WG、WGR较W花后干物质积累量和对籽粒的贡献率分别提高19.6%、8.9%和14.0%、9.3%; 与WI3相比, WGI2、WGRI2花后干物质积累量差异不显著。在干旱绿洲灌区, 麦后复种绿肥是实现小麦生育期减量灌水的可行措施, 绿肥可通过优化小麦光合产物的累积和分配补偿由于减量灌水造成的小麦减产, 绿肥全量还田的节水潜力更高。
为研究不同行距对宽幅精播小麦产量和干物质积累与转运的影响, 阐明其高产高效的生理机制, 给宽幅精播技术在黄淮海平原的进一步推广提供理论依据和技术支撑, 于2017—2019小麦生长季, 以‘济麦22’为试验材料, 在20 cm (R1)、25 cm (R2)和30 cm (R3) 3个行距下, 设置宽幅精播(K)和常规条播(T)两种种植方式, 分析不同行距下宽幅精播种植与常规条播种植对小麦旗叶光合特性、干物质积累与分配和旗叶13C同化物分配特性差异。结果表明: 在相同种植方式下, R2处理下小麦的旗叶净光合速率, 开花期和成熟期干物质积累量, 花后干物质在籽粒中的分配量和贡献率, 籽粒产量均显著高于行距R1和R3处理; 在R2行距下, K处理灌浆期叶面积指数、光合有效辐射截获率和开花后14、21和28 d旗叶净光合速率和蒸腾速率显著高于T处理, 两年度K处理通过增加穗数和粒重使得籽粒产量较T处理提高8.67%; 13C示踪结果显示, R2K处理旗叶13C同化物在籽粒的分配量和分配比例显著高于其他处理; R2K处理开花期和成熟期干物质积累量和单茎质量、开花后干物质向籽粒的分配量和对籽粒的贡献率最高, 均显著高于其他处理, 获得了最高的籽粒产量。综上所述, 行距25 cm、宽幅精播种植方式是本试验条件下小麦高产高效的最佳种植模式。
为明确宽幅精播条件下冬小麦高产高效的适宜施氮量, 于2020—2022年在山东省兖州小麦试验站进行田间试验, 供试品种为济麦22。在宽幅精播条件下, 设置5个处理, 分别为不施氮(N0)、施氮150 kg hm-2 (N1)、180 kg hm-2 (N2)、210 kg hm-2 (N3)、240 kg hm-2 (N4), 研究施氮量对冬小麦耗水特性、旗叶衰老特性、荧光特性和籽粒产量的影响。结果表明, N2处理显著增加了60~120 cm土层土壤水分的吸收利用, 与N3和N4处理相比, N2处理有效减少了开花前无效分蘖的水分消耗, 降低了总耗水量。N2处理开花后日耗水量高, 显著增加了旗叶抗氧化酶活性, 其开花后14~28 d旗叶荧光参数显著高于其他处理。N2和N3处理籽粒产量和水分利用效率显著高于其他处理, 但N2处理氮肥农学效率最高, 较N1、N3、N4处理分别高6.88%、10.60%、45.37% (2020—2021年)和7.03%、13.56%、43.71% (2021—2022年)。综上所述, 施氮180 kg hm-2处理可提高冬小麦对深层土壤水分的吸收利用, 增加开花至成熟期阶段耗水量, 延缓旗叶衰老, 提高籽粒产量与水氮利用效率, 是本试验条件下的最优处理。
深施肥能提高旱地作物的水肥利用效率, 是作物增产的重要技术途径之一, 但目前对其营养生理机制, 尤其是从旗叶生态化学计量特征的角度缺乏系统研究分析。本研究采用桶栽定量控制试验的方法, 在2021—2022年以‘陇春35号’为供试品种, 设置30 cm深施肥(D30)、15 cm浅施肥(D15)和不施肥(CK) 3个处理, 研究不同处理对春小麦挑旗至灌浆期春小麦旗叶碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及生态化学计量特征(C/N、C/P、N/P)的影响, 揭示春小麦旗叶养分含量及生态化学计量特征对旗叶SPAD值、Pn、地上部干物质积累、地上部生长速率、产量形成的影响。结果表明, 灌浆期D30旗叶C/N值较D15和CK分别降低2.1%~6.4%、5.4%~10.2%; C/P值分别降低3.8%~5.2%、5.4%~6.0%; 2021年N/P值分布提高1.4%和4.1%, 2022年N/P值分别降低1.6%和0.2%。灌浆期D30旗叶SPAD值较D15和CK分别提高1.8%~6.5%、15.5%~18.2%; Pn分别提高21.6%~27.0%、28.5%~36.6%。扬花至灌浆期D30地上部生长速率较D15和CK分别提高22.1%~41.2%、68.4%~80.8%。成熟期D30地上部干物质积累量较D15和CK分别提高10.6%~11.1%; 产量分别提高15.7%~16.0%、46.5%~49.3%。D30氮肥贡献率较D15提高46.6%~52.4%; 氮肥偏生产力提高15.7%~16.0%; 氮肥农学效率提高69.6%~76.7%。相关性分析表明, 灌浆期春小麦旗叶C、N、P含量与旗叶SPAD值、Pn、地上部干物质积累呈正相关; 旗叶生态化学计量特征与旗叶SPAD值、Pn、干物质积累呈负相关。因此, 在干旱条件下30 cm深施肥通过提高春小麦挑旗至灌浆期旗叶C、N、P含量, 延缓扬花期后旗叶N、P含量的降低, 优化旗叶生态化学计量特征, 降低N、P对春小麦旗叶光合作用的限制, 提高春小麦旗叶Pn和地上部生长速率, 并且延缓旗叶衰老, 促进产量增加。
干旱是影响小麦生产的重要逆境, 可以造成萌发成苗质量下降。为了解当前小麦品种在干旱胁迫下的种子萌发特性, 采用沙培控水法研究了生产上应用广泛的128个小麦品种的干旱萌发特性; 筛选出干旱萌发特性差异显著的6个小麦品种(山农28号(SN28)、长6878 (C6878)、烟农19 (YN19)、山农23号(SN23)、鑫麦296 (XM296)和新麦38 (XM38))进行干旱胁迫下种子萌发过程中的生理生化分析。结果表明, 根据活力指数的耐旱系数进行聚类分析, 将128个小麦品种的干旱萌发特性分为好、较好、中等、较差、差5类。山农28号和长6878等18个干旱萌发特性好的小麦品种种子萌发快, 幼苗整齐健壮; 新麦38、乐麦185等26个干旱萌发特性差的小麦品种种子萌发慢、萌发时间分散、发芽率低且幼苗整齐度差。进一步对不同干旱萌发特性的小麦品种进行生理生化指标测定表明, 干旱萌发特性好的山农28号和长6878干旱萌发前期大分子修复基因TDP1表达水平显著高于对照; 干旱萌发前期POD活性也显著高于对照; α-淀粉酶和半胱氨酸蛋白酶活性受干旱影响较小, 萌发后期的可溶性蛋白含量显著高于对照。而干旱萌发特性差的鑫麦296和新麦38在干旱胁迫下种胚DNA和蛋白质修复基因表达水平上升相对滞后; 在干旱胁迫下的半胱氨酸蛋白酶活性显著降低。上述结果表明, 干旱萌发特性好的小麦品种在干旱胁迫下萌发成苗过程中种胚大分子修复能力和种子抗氧化能力强, 贮藏物质动员早, 最终种子萌发速度快, 出苗质量高。
优化氮肥施用和秸秆还田技术为途径的农业管理措施被认为是提升农业可持续性的有效手段, 然而当前关于氮肥和秸秆还田对小麦产量和N2O排放影响的研究仍十分有限。为此, 本研究基于2000—2022年发表的关于长江中下游流域氮肥和秸秆投入下小麦产量和N2O排放变化的文献, 运用随机森林建模, 定量分析氮肥和秸秆还田对小麦产量和N2O排放的影响, 并结合情景设置进行了特定地点的小麦产量和N2O排放模拟, 同时评估了碳排放强度(CEE)和净生态系统经济效益(NEEB)。结果表明, 建立的区域尺度小麦产量与N2O排放对氮秸互作响应的随机森林模型, 验证结果R2分别为0.66和0.65, RMSE分别为0.70和1.11。结果表明施氮量和土壤有机质是影响小麦产量和N2O排放的重要因素。综合来看, 达到最大产量所需的氮肥量为208~212 kg hm-2, 达到最小CEE所需的氮肥量为113~130 kg hm-2, 达到最高的NEEB所需的氮肥量为202~205 kg hm-2, 其中在6.75 t hm-2的秸秆投入下施用202 kg hm-2的氮肥可以获得最高的生态收益1.37万元。优化氮肥和秸秆投入具备减少作物碳排放强度并获得最大净生态环境效益的潜力。
本研究旨在探究大气CO2浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响, 并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此, 在2021—2022年的冬小麦生长季, 利用开放式CO2富集系统(Mini-FACE), 设定大气CO2浓度(ACO2, (420±20) μL L-1)和高CO2浓度(ECO2, (550±20) μL L-1)两个处理水平, 分析了高CO2浓度下光谱特征变化, 基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明: CO2浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加, 在开花期和灌浆期降低, 蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动; AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域, CO2浓度升高缩小了AGB敏感波段范围, 但不影响AGB的估算; AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R2>0.8), 其中SMLR模型中的R799′、Dy、SDy和PRI等特征参数与AGB显著相关, R2为0.866。PLSR模型(R2>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO2浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。
为了明确不同播幅对小麦籽粒产量的影响及其形成的生理原因, 本研究于2019—2020年和2020—2021年冬小麦生长季, 在山东省济宁市兖州区小孟镇史家王子村小麦试验站大田试验条件下设置2种播幅处理: 处理1是播幅为8 cm (B1); 处理2是播幅为3 cm (B2)。研究了不同播幅对小麦光合特性、冠层光截获特性、干物质积累与转运和籽粒产量的影响。试验结果表明: B1处理开花后叶面积指数和冠层光合有效辐射截获率显著高于B2处理, 其冠层光合有效辐射透射率显著低于B2处理; B1处理开花后旗叶叶绿素相对含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著高于B2处理, 其胞间二氧化碳浓度显著低于B2处理; B1处理开花期和成熟期干物质积累量、开花后干物质在籽粒中的分配量、成熟期籽粒干物质积累量均显著高于B2处理; B1处理穗粒数、千粒重均显著高于B2处理; 与B2处理相比, B1处理的2年平均籽粒产量和光能利用率分别高6.12%和7.71%。综上所述, 播幅为8 cm的B1处理通过塑造了合理的冠层结构, 改善了开花后叶片的光合性能, 有利于开花后植株的光合物质生产, 从而获得了最高的籽粒产量和光能利用率, 为本试验条件下的最优处理。研究为小麦宽幅播种节水高产高效栽培技术提供了理论依据。
遥感技术对大尺度农业实时监测提供了一个理想的手段, 遥感影像植被分类的最佳时相对作物种植面积遥感监测非常重要。本文选取2020年至2021年的6景Landsat 8影像, 覆盖了夏玉米从乳熟到收获、冬小麦从越冬到成熟的生育期, 以此分析不同时相的冬小麦-夏玉米与其他地类在光谱特征和NDVI上的差异, 通过决策树的方法提取豫中地区冬小麦-夏玉米的空间分布情况。结果表明, 冬小麦-夏玉米在不同生长发育时期, 提取到的面积比有所不同, 对于夏玉米而言, 乳熟时期的提取效果要优于之后的时期, 其在2020年8月26日的总体精度最高, 为83.60%, Kappa系数为0.72, 分类质量很好; 对于冬小麦而言, 最佳识别时期则处于冬小麦的越冬期, 其在2021年1月1日的总体精度最高, 为92.36%, Kappa系数为0.81, 信息提取效果很好。除了作物自身生长过程的覆盖度变化, 分类精度随成像时间而改变。多时相信息提取也发现, 受到天气等环境条件限制, 夏玉米和冬小麦的种植区域不完全重叠, 山区冬季不适合冬小麦种植从而没有与夏玉米出现重叠分布。本研究有助于我们从宏观上对作物分布及生长状况作出及时有效的判断, 对农业监测, 特别是对轮作农田的信息管理和作物物候、种植面积等研究具有广阔的应用前景。
西南冬麦区气候冬干春旱频发、土壤速效磷缺乏, 限制冬小麦氮素吸收。本研究探究秋闲期秸秆覆盖与施磷对小麦根系NO3-吸收动力势、氮素吸收利用、叶绿素含量和籽粒产量的影响, 以期为小麦高产稳产及养分的高效利用提供理论依据。试验于2020—2022年在四川仁寿进行, 采用二因素裂区设计, 以秸秆覆盖(SM)和不覆盖(NSM)为主区; 3个磷水平0 (P0)、75 (P75)和120 (P120) kg hm-2为裂区。结果表明: 秸秆覆盖与施磷显著提高地上部磷素积累量, SM较NSM的小麦根尖NO3-净吸收速率、籽粒氮积累量、氮素转运量、氮素同化量、氮肥偏生产力和籽粒产量分别增加28.2%、8.4%、9.0%、41.9%、23.3%和21.9%。与P0相比, P75和P120增加幅度分别达到35.1%~37.6%、12.6%~19.0%、7.1%~9.3%、35.7%~60.5%、17.6%~23.8%、17.2%~23.6%。与NSM相比, SM的小麦旗叶灌浆期叶绿素含量上升, 进而提高籽粒产量。综上所述, 秸秆覆盖与施磷可促进小麦根尖NO3-吸收, 提高叶绿素含量, 从而显著增加花后氮素的吸收及营养器官临时贮存氮素向籽粒的再分配, 最终提高籽粒产量。考虑经济效益和产量回报, 西南地区小麦高产高效栽培时, 推荐采用秋闲期秸秆覆盖配施磷肥75 kg hm-2。
为有效识别基于APSIM模型籽粒生长参数中春小麦产量敏感性参数, 快速并准确的估算当地模型参数。使用甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村1971—2018年的气象数据和2000—2018年旱地春小麦大田试验数据, 并利用EFAST方法对进行了5个增温梯度(0℃、0.5℃、1.0℃、1.5℃和2.0℃)下32个模型参数进行敏感性分析。粒子群算法对各个增温条件下均敏感的参数进行优化验证。结果表明: 不同温度变化梯度下, 对旱地春小麦产量影响最大的籽粒生长模型参数有9个, 分别为消光系数、每克茎籽粒数量、穗粒数、单株最大籽粒质量、灌浆到成熟积温、出苗到拔节积温、株高、最大比叶面积和光合叶片老化的水分胁迫斜率。并且对产量敏感性强度有着显著的差异, 其中消光系数和每克茎籽粒数量是对春小麦产量影响最大的参数, 其他参数在不同温度下对春小麦产量的敏感性顺序存在差异。利用粒子群算法针对这9个参数进行优化, 相较于优化前, 优化后的春小麦产量、开花期和灌浆期籽粒干物质的均方根误差、归一化均方根误差和模型有效性指数均得到了显著改善, 参数优化后开花期、灌浆期、成熟期产量的均方根误差平均值分别由13.50 kg hm-2减小到5.99 kg hm-2、183.17 kg hm-2减小到69.44 kg hm-2、141.69 kg hm-2减小到48.51 kg hm-2, 归一化均方根误差平均值分别由4.94%减小到2.19%、10.92%减小到4.65%、8.39%减小到2.87%, 模型有效性指数平均值分别由0.894提高到0.979、0.893提高到0.981、0.898提高到0.988。优化后的参数有效地提高了模型的预测精度。此研究为APSIM模型在当地应用和模型参数校准提供了科学依据。
探究施氮量和播种量互作对冬小麦产量、生长发育和生态场特性的影响, 利用生态场理论揭示不同小麦群体竞争力差异及其与产量的关系, 明确冬小麦适宜的氮肥用量和播种量, 为冬小麦高产高效生产提供依据。2020年10月至2022年6月于河南省温县设置冬小麦氮肥用量和播种量双因素交互田间试验, 研究了施氮量(0、90、180、270、360 kg N hm-2)和播种量(135、180、225、270 kg hm-2)对冬小麦籽粒产量、氮积累量等的影响, 测定小麦株高、冠幅和单株分蘖等生长发育指标, 计算个体生态势和群体生态场并分析其与产量间关系。结果表明, 两年取得最高产量的播种量均为225 kg hm-2, 施氮量分别为270 kg hm-2和180 kg hm-2, 较其他处理平均增产7.5%和18.1%; 施氮后小麦氮积累量提高57.3%, 生态势提高72.7%; 提高播种量后群体茎蘖数提高34.7%, 单株小麦发育水平下降, 生态势下降11.4%。施氮量和播种量通过共同影响株高和冠幅影响生态势影响距离, 其他处理较135 kg hm-2播种量不施氮处理影响距离提高23.0%。冬小麦群体生态场面积与产量呈一元二次函数关系, 施氮和提高播种量, 冬小麦群体生态场面积分别提高116.7%和52.5%。本试验条件下, 通过氮肥用量和播种量调控冬小麦群体发育质量, 控制群体竞争力, 构建了理想群体, 实现了冬小麦高产与高效生产; 冬小麦氮密优化组合施氮量239.8 kg hm-2、播种量228.7 kg hm-2, 具有适宜的生态场和理想群体, 产量较高, 可在豫北地区推广应用。
为明确不同水分条件下施磷对冬小麦穗花发育成粒的调控效应, 于2020—2022年以重穗型品种周麦16和多穗型品种豫麦49-198为试验材料, 设置3种水分处理(重度干旱W0、中度干旱W1、正常水分W2)和2种磷素水平(不施磷肥P0、施磷肥P1), 利用解剖镜观察小花发育进程, 并测定干物质、可溶性糖含量、氮素含量、磷素含量、产量及其构成因素, 研究不同水分条件下施磷对冬小麦可孕小花发育动态、营养物质的吸收与转运及产量的影响。结果表明, 干旱影响小花的发育和结实, 阻碍了地上部干物质合成及对营养物质的吸收, 显著降低了产量。施磷肥可以促进穗花良好发育, 有效减少小花的退化和败育, 在开花前18 d至开花期, 施磷促进了两小麦品种穗及营养器官的干物质量和氮磷含量、穗部可溶性糖含量、正常水分下营养器官的可溶性糖含量、以及可溶性糖和磷含量的穗/营养器官比值, 而干旱胁迫下营养器官的可溶性糖含量以及氮含量的穗/营养器官比值则呈现相反的趋势。与不施磷肥相比, 施磷处理在3种水分条件下穗粒数与产量均显著提高, 两品种一致, 穗粒数的增幅为7.21%~20.97% (周麦 16)和7.56%~21.84% (豫麦49-198), 产量增幅为13.41%~29.32% (周麦16)和12.66%~29.76% (豫麦49-198), 其中以中度干旱效果最明显。品种间比较, 重穗型品种的穗粒数和产量高于多穗型品种, 而穗数则相反。施磷对穗数和千粒重的影响有所不同, 穗数在重度干旱下施磷处理间差异不显著, 而在中度干旱和正常水分下处理间差异显著, 千粒重在3种水分条件下施磷处理间差异均不显著。可见, 在干旱胁迫下施磷可以促进地上部营养物质生产及同化, 优化可溶性糖、氮及磷素在穗部的分配, 为穗花发育提供充足营养以减少可孕小花退化, 从而提高穗粒数和产量, 其中中度干旱下调控效果最好。研究结果为通过施磷肥缓解干旱胁迫对小麦生长带来的不利影响提供了理论依据和技术支撑。
为明确不同降水条件下实现小麦产量及构成提高的灌水策略, 以冀麦585为试验材料, 于2010—2017年小麦季设置W0 (雨养)、W1 (拔节)、W2 (拔节、开花)、W3 (拔节、开花、灌浆)和W4 (越冬、拔节、开花、灌浆) 5种灌水处理, 分析了不同降水年型下降水、灌水与小麦产量及构成的关系。结果表明: (1) 不灌水条件下多数年份的小麦产量在6400~6800 kg hm-2, 穗数与产量显著正相关(r=0.860*); 增加灌水, 产量、穗粒数和千粒重增加, 但每增1水增产率显著下降(由13.8%下降到1.7%)。(2) 生育期总降水量及阶段降水量与产量无明显相关关系, 总降水量对千粒重的影响高于其他因素; W0和W1条件下, 总降水量对穗粒数的影响>穗数, 增加灌水后反之, 而该条件下穗粒数与拔节前降水呈显著正相关且W0下与2月1日至拔节前降水的相关性>播种到拔节前, 但随灌水增加其相关性降低; 除W4灌水与穗粒数和千粒重相关性>降水且相关显著以外, W1~W3条件下其相关性降水>灌水, 这表明灌水缓解降水不足对穗粒数的影响。(3) 前多后少年型(拔节前后降水88.2 mm + 29 mm)穗粒数和千粒重最高, 且3水产量最高, 但与2水无差异; 相对均衡年型(拔节前后降水<60 mm, 30~80 mm)的小麦产量及构成总体偏低但相对稳定, 灌水后穗粒数和千粒重增加, 但影响相对较小, 2~3水产量差异显著(后期降水<36 mm) (增产率为10.5%和22.9%); 前少后多年型(拔节前后降水<25 mm, 40~90 mm)增加灌水最高穗粒数增加1.5~7.1粒, 多水处理下千粒重差异较小, 4月无有效降雨时灌溉3水较2水产量显著增加13.4%。因此, 本区域小麦拔节前降水量低于60 mm时(尤其低于25 mm)灌溉拔节水对穗粒数增加作用明显; 相对均衡年型拔节后降水低于36 mm、前少后多年型4月份无明显有效降水年度灌溉3水, 其他年度灌水2次可实现有限灌水下的产量最大化。
为探究外源海藻糖(TRE)对高温胁迫下灌浆期不同耐性小麦品种旗叶生理特性和产量的影响作用, 于2020—2022年在安徽农业大学高新技术农业园进行试验, 选用前期筛选得的耐热性差异显著的敏感型小麦品种泛麦5号(Fanmai 5, FM5)和耐热型小麦品种淮麦33 (Huaimai 33, HM33)作为试验材料, 设置叶面喷施清水+不高温(CK1)、清水+灌浆期高温胁迫(CK2)、10 mmol L-1海藻糖+灌浆期高温胁迫(T10H)、15 mmol L-1海藻糖+灌浆期高温胁迫(T15H)和20 mmol L-1海藻糖+灌浆期高温胁迫(T20H)共5个处理。结果表明, 在高温胁迫条件下, 绿叶面积、叶绿素相对含量(SPAD)和干物质积累量均显著下降, 与非高温逆境相比, 高温胁迫下小麦产量显著下降, 穗数和穗粒数无显著变化, 千粒重是减产的主导因素。与喷清水相比, 喷施海藻糖后产量较高温胁迫处理有所提升, 各器官干物质积累量提高, 丙二醛(MDA)含量降低, 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性提高, 变化幅度在品种间存在差异, 耐热品种的SPAD值降幅与丙二醛的增幅较小, 但CAT活性的增幅较大, 因而减产幅度较小。进一步的分析表明, 净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、SPAD、SOD及POD和千粒重呈极显著正相关关系, MDA和产量呈极显著负相关关系。这些结果表明高温胁迫通过降低Pn、Gs和Tr抑制小麦的光合作用, 减少光合产物的生成, 造成最终的减产。喷施TRE, Pn、Gs、Tr、SPAD和CAT是降低高温胁迫伤害的主要指标, 敏感品种缓解效果明显。此外, 开花期喷施浓度15 mmol L-1海藻糖效果最好。该研究结果可为海藻糖对灌浆期高温胁迫下小麦光合响应差异机制和小麦抗氧化代谢提供理论依据。
小麦赤霉病具有发病快、周期短的特点, 利用深度学习特征提取方法建立病害严重度检测模型, 可为小麦赤霉病的防治提供科学指导。研究于2018—2020年间采集3个品种小麦在扬花期、灌浆期和成熟期的麦穗高光谱数据, 通过形态学处理去除麦芒, 提取出麦穗光谱曲线, 使用多源散射校正对光谱进行去噪处理, 再采用堆栈稀疏自编码器(Stacked Sparse Auto-encoder, SSAE)提取小麦赤霉病的光谱特征, 利用该特征分别结合Softmax分类器和偏最小二乘回归方法构建小麦赤霉病严重度判别和预测模型。通过预训练, 具有12~6个神经元的双层SSAE模型表现较好, 模型均方误差更低, 而且各个病害等级的特征差异明显; 以训练的SSAE模型提取的深度学习特征为基础分别建立赤霉病严重度等级判别模型和严重度预测模型, 在严重度等级判别的分类结果中, 模型的总体精度和Kappa系数分别为88.2%和0.84, 其中“淮麦35”品种的总体精度最高; 在严重度预测模型中, 模型对所有品种测试集的预测决定系数和均方根误差分别为0.927和0.062, 对各品种的预测决定系数均在0.95左右; 相比常见的几种小麦赤霉病光谱指数, 基于SSAE深度学习特征的赤霉病预测模型精度更高。高光谱遥感数据量大、光谱波段多, 堆栈稀疏自编码器通过在自编码器模型中加入稀疏表示的限定条件, 并增加隐含层数及隐含神经元数来构建更为复杂的模型, 所提取的光谱特征更能全方面地体现小麦赤霉病的光谱特征, 利用该特征构建的小麦赤霉病检测模型具有更高的精度, 可为精准监测小麦赤霉病提供科学依据。
为研究不同施氮量对糯和非糯小麦原粮品质及酿酒品质的影响, 明确酿酒专用小麦高产优质生产的适宜氮肥用量。于2019、2020连续2年在四川省成都市大邑县, 以绵麦902 (非糯性)和中科紫糯麦168 (糯性)为材料, 设置6个施氮量(0、45、90、135、180和225 kg hm-2), 分析其对小麦原粮品质、酿酒品质和挥发性风味物质的影响。结果表明: 绵麦902产量、粉质率、灰分含量更高; 中科紫糯麦168硬度、容重、蛋白质、脂肪含量相对较高, 总淀粉和支链淀粉含量更高、直支比更低, 除稀澥值比绵麦902高以外, 其余RVA特征参数均更低。增加施氮量显著提高小麦产量, 两品种产量均在225 kg hm-2达最大值。粉质率和容重随施氮量增加而降低, 硬度指数和蛋白质随施氮量增加而升高; 脂肪和灰分含量在135 kg hm-2、总淀粉和支链淀粉含量在90~135 kg hm-2内较高, 峰值黏度、低谷黏度在135 kg hm-2后显著下降。两品种的出酒率年际间不同, 2019年绵麦902的出酒率要显著高于中科紫糯麦168, 2020年则相反, 推测与2020年灌浆期雨水较多, 中科紫糯麦168籽粒硬度指数下降、粉质率上升有关; 在90~135 kg hm-2施氮范围内两品种出酒率相对较高。绵麦902所酿制的白酒总酸、总酯含量不高, 杂醇油含量也相对更低; 中科紫糯麦168与之相反, 但杂醇含量仍在安全范围(≤0.2 g 100 mL-1)。两年度绵麦902所酿白酒的总酸含量均在90 kg hm-2处理下最高, 2020年中科紫糯麦168的总酸含量则在135 kg hm-2处理下最高。就总酯和杂醇油而言, 两品种的总酯含量在135 kg hm-2处理下相对较低, 杂醇油含量在90 kg hm-2下最低。与2019年相比, 2020年两品种的总酸、总酯含量显著降低, 这可能与该年度籽粒灌浆期降水较多, 总淀粉、支链淀粉含量下降有关。中科紫糯麦168挥发性风味物质的种类和数量更多, 整体酿酒特性要优于绵麦902。绵麦902的挥发性风味物质数量在90 kg hm-2处理最高, 综合评分最高, 中科紫糯麦168的挥发性风味物质数量在225 kg hm-2处理最高, 综合评分最高。相关性分析和通径分析表明: 总淀粉含量和支链淀粉含量与总酸、总酯含量呈极显著正相关关系, 大多数淀粉理化指标通过直链淀粉、糊化温度等在总酯形成过程中起正向间接作用。研究认为, 小麦出酒率受环境、粉质率影响, 淀粉含量、组分、糊化特性对总酸、总酯的形成具有重要影响, 酯类物质是挥发性风味物质主要成分, 受品种因素影响较大。90~135 kg hm-2施氮量下, 糯和非糯小麦淀粉含量、组分和糊化特性较好, 酿制白酒挥发性风味物质较多, 是适宜酿酒小麦高产优质的适宜施氮量。
滴灌技术结合节水灌溉制度可显著提高作物水分利用效率, 但针对滴灌条件下冬小麦节水灌溉制度的优化研究相对较少, 利用作物模型优化节水灌溉制度可以弥补田间试验的不足, 对于作物精确灌溉具有重要的指导意义。本研究利用胶东冬小麦滴灌节水试验数据(2016—2019年)评价了根区水质模型(RZWQM-CERES)的适应性, 并模拟评价了不同节水滴灌制度对冬小麦产量和水分利用效率的影响, 以筛选最佳节水滴灌制度。结果表明RZWQM- CERES可以较好地模拟土壤水分、冬小麦生长和产量对不同滴灌处理和季节的响应, 其中模拟0~90 cm土壤贮水量的均方根误差(RMSE)为22.7~32.3 mm、相对均方根误差(NRMSE)为11.9%~16.3%、决定系数(R2)为0.52~0.69, 模拟收获期生物量的RMSE为1184~1904 kg hm-2、NRMSE为9.9%~16.8%、R2为0.67, 模拟产量的RMSE为361~491 kg hm-2、NRMSE为5.7%~7.8%、R2为0.75。长期模拟结果表明该地区冬小麦需水关键期为孕穗期(丰水年和平水年)或拔节期(枯水年)。针对不同降水年型冬小麦产量和水分利用效率对灌溉量的响应差异, 筛选滴灌条件下冬小麦最佳灌溉制度为: 丰水年在拔节期和开花期各灌水45 mm; 平水年(或枯水年)在拔节期、孕穗期及开花期各灌水35 mm (或45 mm)。本研究结果扩展了RZWQM-CERES优化冬小麦滴灌制度的应用潜力, 为实施冬小麦精确灌溉提供了重要的技术支持。
明确不同水氮互作对强筋优质小麦师栾02-1产量和加工品质的影响, 为强筋小麦生产中如何通过合理灌溉和优化氮肥施用量来实现协同提高籽粒产量和加工品质的目标提供理论依据。2017—2020年, 大田条件下设置浇水次数和施氮量二因子裂区试验, 主区为浇水次数, 设春浇一水(W1, 拔节水)和春浇两水(W2, 拔节水+开花水); 副区为氮肥施用量, 设N0、N1、N2、N3、N4和N5(0、60、120、180、240和300 kg hm-2) 6个水平。结果表明, 施氮量0~300 kg hm-2时, 不同降水年型春浇一水、春浇两水小麦产量随施氮量的增加均先增加后减少, 产量最高值对应的施氮量均为240 kg hm-2。施氮量120~300 kg hm-2时, 春浇两水处理产量显著高于春浇一水处理。水氮互作对小麦单位面积收获穗数的影响最大, 其次是千粒重, 对穗粒数的影响最小。施氮量0~300 kg hm-2时, 2017—2018年度(丰水年型), 春浇两水小麦湿面筋含量、沉降值、吸水率、面团稳定时间、拉伸能量、最大拉伸阻力平均值均高于春浇一水, 而2018—2019、2019—2020年度(干旱年型)则相反: 春浇一水高于春浇两水。不同降水年型春浇一水、春浇两水小麦湿面筋含量和沉降值随施氮量的增加先增加后减少或逐渐增加, 二者最大值对应的施氮量为240 kg hm-2或300 kg hm-2; 稳定时间、拉伸能量和最大拉伸阻力随施氮量的增加均先增加后减少, 施氮量240 kg hm-2时达到最大值。不同降水年型强筋优质小麦师栾02-1生育期春浇两水、施氮量240 kg hm-2时, 籽粒产量和加工品质表现最佳。
为明确影响小麦锰营养的品种和土壤因素, 优化小麦锰营养, 实现小麦丰产优质生产提供理论依据, 于2016—2020年西北旱作小麦区(旱作区)以及黄淮小麦玉米轮作区(麦玉区)、南方水稻小麦轮作区(稻麦区) 3个麦区13个省份38个试验点开展试验, 测定了小麦产量、产量构成因素、籽粒锰含量以及土壤有效锰、pH等指标。结果表明, 小麦产量为麦玉区>稻麦区>旱作区, 平均为8.1、5.9和5.9 t hm-2; 小麦籽粒锰含量为稻麦区>旱作区>麦玉区, 平均为46.9、45.4和41.4 mg kg-1。小麦品种籽粒锰含量与干物质累积分配、产量构成因素及锰吸收利用之间的关系因麦区而异。旱作区小麦品种籽粒锰含量与产量、生物量、收获指数均显著负相关, 麦玉区与产量和收获指数显著负相关, 稻麦区无相关。旱作区籽粒锰含量与穗数及穗粒数显著负相关; 麦玉区与穗数显著负相关; 稻麦区与穗数显著正相关, 而与千粒重显著负相关。麦玉区和稻麦区籽粒锰含量均与地上部锰吸收量和籽粒吸锰量显著正相关, 旱作区籽粒锰含量与籽粒吸锰量显著正相关; 稻麦区籽粒锰含量与锰收获指数显著负相关, 旱作区和麦玉区两者显著正相关。影响小麦籽粒锰含量的主要土壤因素包括土壤全氮、pH、有效铁、有效锰和有效铜。麦玉区, 小麦籽粒锰含量与土壤有效铁、有效铜和有效锰显著正相关, 与土壤pH显著负相关; 稻麦区小麦籽粒锰含量与土壤pH、有效铜和全氮显著负相关, 而与土壤有效锰无显著相关。旱作区, 土壤有效磷和速效钾是影响小麦籽粒锰含量的主要原因。可见, 我国稻麦区小麦品种籽粒锰含量较高, 较低的土壤pH、全氮和较高的土壤有效铁、有效锰有利于籽粒锰含量提高, 土壤有效铜对籽粒锰含量的影响因麦区而异。产量对锰含量存在稀释效应, 通过提高穗数、穗粒数、千粒重有利于降低小麦籽粒锰含量。
为明确土壤含水量对小麦籽粒产量的影响及其形成的生理原因, 于2019—2021年小麦生长季在山东省兖州区小孟镇史家王子村小麦试验站进行试验, 选用冬小麦品种济麦22, 设置4种土壤含水量处理: 分别为全生育不灌水(W0), 于小麦拔节期和开花期将0~40 cm土层土壤相对含水量均补灌至65% (W1)、75% (W2)、85% (W3), 研究了土壤含水量对小麦耗水特性、旗叶与根系衰老特性和籽粒产量的影响。结果表明: W2处理的穗粒数和千粒重显著高于其他处理, 获得了最高的籽粒产量和水分利用效率, 相较于W0、W1、W3, 籽粒产量分别高48.49%、20.80%、8.68% (2019—2020)和46.87%、17.36%、7.53% (2020—2021), 水分利用效率分别高21.70%、14.25%、15.59% (2019—2020)和25.44%、11.90%、13.39% (2020—2021); W2处理开花后40~100 cm土层根长密度、40~60 cm土层根系超氧化物歧化酶活性和根系活力显著高于其他处理, 丙二醛含量显著低于其他处理; W2处理开花后旗叶超氧化物歧化酶活性显著高于W0、W1处理, 与W3处理无显著差异, 丙二醛含量显著低于W0、W1处理, 与W3处理无显著差异; W2处理显著提高了开花期至成熟期阶段耗水量、日耗水量、耗水模系数和40~120 cm土层土壤贮水消耗量。由此可见, 适宜的土壤含水量能够促进根系下扎, 延缓植株衰老, 提高对深层土壤水分的吸收利用, 保证了籽粒灌浆期水分供应, 显著提高籽粒产量。在本试验条件下以小麦拔节期和开花期将0~40 cm土层土壤相对含水量均补灌至75%的W2处理效果最好。
依据土壤墒情适量灌溉可增加小麦穗数, 实现节水高产, 但该灌溉条件下分蘖发生和成穗的生理机制尚不明确。本试验于2019—2020和2020—2021两个小麦生长季, 以中穗型品种济麦22和大穗型品种山农23为试验材料, 设置全生育期不灌溉、节水灌溉和充分灌溉3个处理, 研究了不同穗型小麦分蘖发生和成穗规律。结果表明, 2个品种节水灌溉处理的分蘖节面积和反式玉米素含量、越冬期和返青期主茎最上部展开叶光合参数均高于不灌溉处理, 促进了II、III、IP、IV和其余蘖发生, 济麦22和山农23单株总茎蘖数比不灌溉处理越冬期两年度平均增加1.01个和0.75个, 拔节期分别增加0.71个和0.56个。节水灌溉处理下2个品种拔节期各茎蘖最上部展开叶光合参数、干物质重和13C同化物分配量均高于不灌溉处理, 促进了分蘖成穗, 济麦22和山农23的单株成穗数比不灌溉处理两年度平均增加0.36和0.41个, 籽粒产量增加35.00%和44.27%, 水分利用效率增加9.23%和8.55%。增加灌水至充分灌溉处理, 2个品种越冬期和拔节期单株总茎蘖数较节水灌溉处理增加, 但单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量无显著变化, 水分利用效率降低。品种间比较, 各灌溉处理下济麦22的单株总茎蘖数和单株成穗数均高于山农23, 亦归因于济麦22较高的分蘖节面积和反式玉米素含量、各茎蘖较高的光合能力。相关性分析表明, 2个品种单株总茎蘖数、单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量与分蘖节总面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶净光合速率呈正相关, 与生长素和脱落酸含量呈负相关。说明节水灌溉通过适当增加分蘖节面积和激素含量、提高各茎蘖光合同化物生产和分配能力, 促进了分蘖发生和成穗, 获得较高的籽粒产量和水分利用效率。
针对干旱灌区作物生产中光资源浪费和水分生产效益低等问题, 研究不同秸秆还田方式对春小麦光能利用率、灌溉水生产力及经济效益的影响, 以期为该区筛选适宜春小麦生产的秸秆还田方式提供依据。2014—2016年, 在甘肃省武威绿洲农作基地以春小麦秸秆还田为研究对象, 传统翻耕无秸秆还田为对照, 设4个处理, 包括免耕25~30 cm高茬收割秸秆覆盖(NTSM)、免耕25~30 cm高茬收割秸秆立茬(NTSS)、传统翻耕25~30 cm高茬收割秸秆还田(CTS)、传统翻耕无秸秆还田(CT, 对照), 以期为该区筛选适宜春小麦生产的秸秆还田方式提供依据。结果表明, 秸秆还田(NTSM、NTSS、CTS)较CT提高平均叶面积指数(MLAI)达到14.6%~17.2%、10.4~11.9%、7.3%~9.4%, 提高总叶日积(LAI-D)达到14.6%~17.6%、9.2%~12.3%、8.3%~9.8%, NTSM较NTSS提高MLAI与LAI-D分别为6.6%~7.1%和5.9%~7.2%, NTSM处理利于扩大春小麦光合源。NTSM、NTSS较CT降低了春小麦孕穗期之前MLAI与LAI-D分别为6.1%~7.6%、4.6%~9.8%和6.0%--7.6%、8.1%~10.4%; 相反, NTSM、NTSS较CT提高了春小麦孕穗期之后MLAI分别为38.9%~45.1%、30.7%~32.6%, 春小麦灌浆期至成熟期LAI-D分别提高37.0%~47.5%、28.6%~33.9%, 且NTSM较NTSS提高MLAI与LAI-D分别为6.2%~9.4%和6.5%~10.1%, NTSM有效调节了春小麦生育期内光合源动态关系, 利于花后籽粒灌浆。NTSM、NTSS、CTS较CT春小麦分别增产18.6%~27.3%、16.6%~24.9%、10.2%~18.7%, 光能利用率分别提高7.8%~12.2%、6.5%~11.2%、6.2%~8.4%, 单方灌溉水利用效率分别提高18.6%~27.3%、16.6%~24.9%、10.2%~18.7%, 以NTSM增产与提高水热利用效率幅度较大, 具有高效利用土壤水热资源的优势。同时, NTSM、NTSS较CT总投入减少6.5%~7.3%, 总产值提高11.4%~19.3%和8.6%~17.2%, 纯收益提高32.2%~41.5%和27.8%~37.6%, NTSM因较少的资源投入和较高的经济效益而获得较高的产投比和单方灌溉水效益, NTSM较CTS与CT产投比提高14.2%~16.9%与19.1%~28.8%, 单方灌溉水效益提高16.5%~23.1%与32.2%~41.5%。因此, 免耕25~30 cm高茬收割秸秆覆盖是河西绿洲灌区提高春小麦光能利用和灌溉水生产效益的理想秸秆还田方式。
为探究小麦和豌豆间作对群体光合特性和生产力的影响, 本研究于2019—2021年在陕西关中地区开展田间试验, 设置4行小麦+2行豌豆(W4P2)、2行小麦+2行豌豆(W2P2)两种条带种植处理, 以单作小麦(CKW)和单作豌豆(CKP)为对照, 分析了小麦和豌豆叶片净光合速率(Pn)、群体光合速率(CAP)、干物质累积及群体生产力等指标。结果表明: 与单作相比, W2P2和W4P2间作处理显著提高了小麦叶片SPAD和Pn, 但豌豆叶片SPAD和Pn不同程度降低。小麦与豌豆间作显著提高了花前群体光合速率, W4P2的CAP较其对照群体光合CAPCK42(2/3CAPCKW+1/3CAPCKP)增加6.2%~8.0%, 而W2P2处理的CAP较其对照群体光合CAPCK22(1/2CAPCKW+1/2CAPCKP)增加6.2%~8.5%。与CKW相比, W4P2和W2P2间作处理单位面积小麦干物质积累能力显著增强, 成熟期有效穗数和穗粒数显著提高, 籽粒产量分别提高7.8%~9.4%和18.9%~19.0%; 而与CKP相比, 两间作处理的豌豆干物质积累和产量构成指标表现减弱趋势, 籽粒产量分别降低9.9%~12.2%和6.8%~9.0%。竞争力评价表明, W4P2和W2P2间作处理土地当量比均高于1 (W4P2: 1.02; W2P2: 1.06), 表明小麦和豌豆间作提高了作物群体产量优势, 且优势作物小麦相较于豌豆的侵占力在W2P2间作模式(0.27)高于W4P2 (0.20)。综上, 在小麦和豌豆间作系统中, 窄带型(W2P2)相较于宽带型(W4P2)通过提高优势作物小麦的光合能力能够提高群体光合速率, 促进群体对光资源的利用, 进一步挖掘了复合群体生产优势。
为探明氮肥对花后高温胁迫下小麦籽粒淀粉合成的响应机制, 明确氮肥缓解高温胁迫危害的生理机理及适宜运筹措施, 本研究于2018—2019年和2019—2020年在山东济南、济阳试验基地进行, 以不同耐热性小麦品种济麦44 (耐热型)和新麦26 (敏感型)为材料, 设2个温度水平(对照: CK; 花后10~16 d高温: H)和3个施氮量(N1: 180 kg hm-2; N2: 240 kg hm-2; N3: 300 kg hm-2), 研究了施氮量对花后高温胁迫后粒重、灌浆特性、蔗糖与淀粉合成及其相关酶活性影响。结果表明, 花后高温显著缩短2个品种各施氮处理的灌浆天数, 显著降低了籽粒最大灌浆速率、支链淀粉含量、总淀粉含量及支/直比值。花后高温胁迫下, 与180 kg hm-2和300 kg hm-2处理相比, 240 kg hm-2处理2个品种旗叶中蔗糖含量最高; 同时籽粒中直链淀粉、支链淀粉、总淀粉含量和粒重最高; 籽粒中蔗糖合成酶分解方向(SS-I)活性、可溶性淀粉合成酶(SSS)活性和淀粉分支酶(SBE)活性最高。花后高温胁迫和240 kg hm-2施氮量处理下, 济麦44旗叶中蔗糖合成酶合成方向(SS-II)和籽粒中蔗糖合成酶分解方向(SS-I)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(SBE)活性均显著高于新麦26; 济麦44旗叶中蔗糖含量、籽粒中淀粉含量和粒重显著高于新麦26。研究表明耐热性不同品种在适宜施氮量(240 kg hm-2)下能保持高温胁迫后较高的旗叶合成蔗糖能力和籽粒分解蔗糖能力, 维持高温胁迫下籽粒较高的淀粉合成底物供给能力, 适宜施氮量可以缓解高温胁迫对籽粒淀粉合成的抑制作用。合理施氮和选择耐热性强的品种是提高冬小麦花后高温胁迫后籽粒淀粉含量和缓解高温胁迫危害的一项应对措施。
小麦：耕作栽培·生理生化
