种植密度对西北地区小麦产量的影响

黄彩霞，赵德明，柴守玺，常 磊，蔺阿荣

(1 甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070； 2 甘肃省工程咨询中心，兰州 730030；3 甘肃农业大学农学院，兰州 730070； 4 甘肃农业大学管理学院，兰州 730070)

小麦是西北地区重要的粮食作物，年播种面积维持在粮食作物种植面积的40%～65%[1]。但受干旱缺水、土地退化等制约，西北地区小麦产量低而不稳，年际间波动较大，供求矛盾突出[2]。研究表明，小麦产量不仅取决于自身遗传与环境的互作效应，而且还取决于各项农艺措施，生产实践中可以通过农艺措施调控和平衡小麦产量与影响产量的直接因素和间接因素间的协调一致，以实现高产与高效的统一[3]。合理密植是小麦高产栽培的重要措施之一，适宜的种植密度可促进单位面积穗数、穗粒数和千粒质量的协调发展，对构建高产群体质量具有重要作用[4～6]。研究表明，产量与播种量之间呈二次曲线关系，单位面积穗数随播种量的增加而增加，穗粒数随播种量的增加而下降，而播种量对籽粒质量的影响较小[7～9]。但受品种遗传特性、地区间自然环境差异、栽培措施等影响，小麦产量与各因素间、产量构成要素之间存在此消彼长的错综复杂关系，各产量水平下的产量结构都存在一定的差异[10，11]。随着播种量的增加，某些产量构成要素有所提高，但产量一般不会增长[12，13]。而低播种量会降低群体数量、产量和千粒质量[14]，也有密度对产量影响不明显的报道，主要受品种遗传特性和对环境适应性的影响，存在分蘖成穗率差异[15，16]，增密和高产的协调发展一直是小麦栽培管理中亟需解决的难题。

西北地区光热条件充足，地域面积广阔，小麦增产潜力大。但受耕地、水资源、劳动力资源限制以及种植结构调整、经济效益偏低等因素的影响，小麦种植面积呈下降态势[1]。为稳定粮食供需总量和保障国家粮食安全，研究不同生态条件下的不同群体密度对产量及有关农艺性状的影响，明确影响产量的主导因素，为优化栽培技术，建立高产稳产高效的生产体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

灌区试验于2004—2007年在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学试验基地进行。该灌区位于甘肃省河西走廊东端，海拔1776 m，多年平均降水量160 mm，年均蒸发量1919 mm，年日照时数2945 h，年均气温7.8 ℃，1月份最低气温-11.8 ℃，7月份最高气温24.0 ℃，≥0 ℃积温3513.4 ℃，属典型的绿洲农业区。

旱区试验于2013—2015年在甘肃省通渭县常河镇甘肃农业大学试验基地进行。该基地海拔1590 m，多年平均降水量390.7 mm，年均蒸发量1350 mm，年日照时数2100 h左右，年均气温6.6 ℃，无霜期120～170 d，为黄土高原雨养农业典型代表区。

1.2 试验设计

灌区试验在3个生长季共设12个种植密度。旱作区试验在2个生长季采用玉米秸秆局部覆盖种植技术，共设8个种植密度。各生长季具体设计见表1。

表1 试验材料与设计

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水分利用效率(WUE)

播种前和收获后用烘干法测定0～10、10～30、30～60、60～90、90～120、120～150 cm各层土壤含水量，参照文献[17]的方法计算水分利用效率(WUE)。

1.3.2 产量构成因素测定

完熟期每小区各选20株进行常规考种，小区实收测产。

1.4 数据处理

采用Excel对数据进行处理和制图，采用DPS 7.05进行方差分析和显著性检验。主要统计变量为变异系数(CV)，用公式表示为：

2 结果与分析

2.1 种植密度对小麦籽粒产量及产量构成因素的影响

在灌区(图1)，种植密度基本苗为225万～1050万株/hm2，籽粒产量随基本苗数量增加先增后降，2004—2005、2005—2006、2006—2007年3个生长季籽粒产量均以675万株/hm2最高，分别达到5089.12、8510.15、8649.87 kg/hm2，各生长季较其他种植密度处理分别增产7.56%～46.42%、8.93%～24.23%、5.08%～76.73%。从产量构成来看，单位面积穗数均以675万株/hm2处理最高，与籽粒产量基本一致。穗粒数随基本苗数的增加总体呈递减的趋势，当基本苗数大于750万株/hm2后，穗粒数会明显下降。千粒质量随基本苗数的变化年份间表现不一。

图1 灌区不同种植密度下小麦籽粒产量及产量构成因素差异Fig.1 Difference of planting density on grain yield and yield components in the irrigated area

在旱作区(图2)，采用玉米秸秆局部覆盖种植条件下，种植密度为150万～405万株/hm2，相同种植带幅时，籽粒产量以225万～300万株/hm2较高；相同基本苗时，籽粒产量总体表现为“双30”优于“双40”带幅，“双40”优于“双50”带幅。从不同生长季看，2013—2014年生长季“双30”和“双40”带幅种植下，籽粒产量均以300万株/hm2处理最高，分别达到4067.00、3581.25 kg/hm2，同带幅下较其他密度处理分别增产37.28%～2.94%、29.4%～3.81%；“双30”较“双40”带幅平均增产11.2%。2014—2015年生长季，“双40”和“双50”带幅均以270万株/hm2籽粒产量最高，分别达到4524.40、4428.90 kg/hm2；“双40”较“双50”带幅平均增产3.36%。产量构成因素中，同带幅下，单位面积穗数随密度的增加而增加，在324万株/hm2后出现拐点；穗粒数和千粒质量均随密度的增加呈递减趋势。从不同生长季处理间的变异系数(CV)来看(表2)，种植密度对籽粒产量的影响明显，灌区大于旱作区，5个生长季处理间平均CVm为13.00%，其中，灌区平均CVi为13.35%，旱作区CVr为12.45%；其次为单位面积穗数，旱作区大于灌区，5个生长季处理间平均CVm为11.29%，其中，灌区平均CVi为9.60%，旱作区CVr为13.83%。种植密度对穗粒数和千粒质量影响相对较小，尤其是千粒质量总体表现稳定，5个生长季处理间穗粒数和千粒质量平均CVm分别为7.30%、3.69%，其中，灌区平均CVi分别为6.27%、3.84%，旱作区CVr分别为8.83%、3.46%。

图2 旱作区不同种植密度下小麦籽粒产量及产量构成因素差异Fig.2 Effects of planting density on grain yield and yield components in the dry area

相关性分析表明，籽粒产量与单位面积穗数呈极显著正相关(r=0.812**)，与穗粒数呈显著正相关(r=0.336*)。由此可以看出，不论是灌区还是旱作区，单位面积穗数是影响籽粒产量的主要因素，其次为穗粒数。

表2 不同生长季处理间各农艺性状变异系数

2.2 种植密度对小麦全生育期耗水量(ET)及水分利用率(WUE)的影响

图3表明，在灌区，WUE随基本苗数的增加总体呈二次曲线，2004—2007年3个生长季均以675万株/hm2处理最高，分别为10.14、12.40、14.35kg/hm2·mm，显著高于525万株/hm2以下及750万株/hm2以上密度处理。在全生育期总耗水量(ET)方面，3个生长季WUE最高的处理ET也最高。旱作区(图4)综合两个生长季结果，相同种植带幅时，WUE以225万～300万株/hm2较高，但ET不同生长季表现不一。覆盖处理间，WUE“双30”高于“双40”带幅，“双40”高于“双50”带幅，ET总体表现为“双30”带幅<“双40”带幅<“双50”带幅。

从不同生长季处理间的差异来看(表2)，种植密度对WUE影响高于ET，旱作区高于灌区。各生长季中，处理间WUE存在显著或极显著差异，处理间平均CVm为12.69%，其中灌区为12.52%，旱作区为12.94%。处理间ET差异不显著，5个生长季处理间平均CVm为3.07%，其中灌区为2.93%，旱作区为3.27%。相关性分析表明(表3)，WUE与籽粒产量呈极显著正相关(r=0.583**)，而与ET之间相关不显著。

图3 灌区不同种植密度下总耗水量及WUE的差异Fig.3 Difference of planting density on total water consumption and WUE in the irrigated area

图4 旱作区不同种植密度下总耗水量及WUE的差异Fig.4 Difference of planting density on total water consumption and WUE in the dry area

2.3 种植密度对小麦生物产量及收获指数的影响

在灌区(图5)，种植密度对单株生物产量具有显著影响，2004—2007年3个生长季单株生物产量均以675万株/hm2处理最高。收获指数处理间差异较小，年份间表现不一，2004—2006年生长季处理间均无显著差异，2006—2007年生长季以低密度处理(370万株/hm2)最高。旱作区(图6)，综合两个生长季结果来看，相同种植带幅下，生物产量随密度的增加而降低，收获指数低密度高于高密度处理；带幅间，生物产量“双30”高于“双40”带幅，“双50”高于“双40”带幅，收获指数表现则相反。

图5 灌区不同种植密度下单株生物产量及收获指数的差异Fig.5 Difference of planting density on biological yield per plant and harvest index in the irrigated area

从不同生长季处理间的差异来看(表2)，种植密度对单株生物产量的影响高于收获指数，旱作区高于灌区。各生长季中，处理间单株生物产量存在显著或极显著差异，5个生长季处理间平均CVm为9.20%，其中灌区CVi为8.85%，旱作区CVr为9.72%。处理间收获指数差异不显著，5个生长季处理间平均CVm为3.71%，其中灌区CVi为3.97%，旱作区CVr为3.32%。相关性分析表明(表3)，单株生物产量及收获指数与籽粒产量和相关农艺性状均没有表现出显著的相关关系。

图6 旱作区不同种植密度下单株生物产量及收获指数的差异Fig.6 Difference of planting density on biological yield per plant and harvest index in the dry area

表3 各农艺性状间的相关系数

3 结论与讨论

建立合理的群体结构，协调好产量与单位面积穗数、穗粒数和千粒质量间的关系，实现群体的高产是生产实践的主要目的。生产中不管是单位面积穗数、穗粒数、千粒质量等影响小麦产量的直接因素，还是生物产量、收获指数等间接因素，都能对环境条件做出响应并最终影响产量。Rajaram认为，单位面积穗数具有较强的自动调节能力，对产量的补偿能力强，是发挥小麦超高产潜力的关键[18]。单位面积穗数与穗粒数和千粒质量存在显著负相关，当单位面积穗数达到临界水平后，穗粒数对穗质量的直接贡献大于粒质量，协调提高单位面积穗数与穗粒数是籽粒产量再提高的关键[19～21]。本研究结果表明，无论是灌区还是旱作区，籽粒产量对种植密度的响应最显著，并随基本苗数量的增加呈二次曲线。影响产量高低的主要结构因素是单位面积穗数(r=0.812**，CVm=11.29%)，雨养区大于灌区(CVr=13.83%，CVi=9.60%)，其次是穗粒数(r=0.336*，CVm=7.30%)，而千粒质量最稳定(CVm=3.69%)。

作物产量提高的途径主要有两种，即在保持生物产量或收获指数稳定的条件下，提高收获指数或生物产量，当前采取的主要措施是提高生物产量[22，23]。本研究结果也表明，无论是灌区还是旱作区，种植密度对单株生物产量的影响大于收获指数(CVm分别为9.20%、3.71%)，说明生物产量是影响籽粒产量的主要因素。生物产量与收获指数呈极显著正相关(r=0.517**)，这充分体现了作物对栽培措施的适应是通过协调同化产物来实现的，也说明要进一步挖掘小麦籽粒产量的增产潜力，首先需提高地上部生物产量。

种植密度可显著影响小麦WUE和ET[24，25]。本研究结果表明，不论是在灌区还是旱作区，种植密度对WUE的影响大于ET(CVm分别为12.69%、3.07%)，旱作区大于灌区。灌区WUE随基本苗数的增加总体呈二次曲线，其变化主要由籽粒产量的变化所引起而不是总耗水量，这与王立明[26]的研究结论一致。在旱地覆盖栽培条件下，相同种植带幅时，WUE以种植密度为225万～300万株/hm2时较高，但ET不同生长季表现不一；覆盖处理间，WUE“双30”高于“双40”带幅，“双40”高于“双50”带幅，ET表现则相反，主要是因为覆盖抑制了土壤无效蒸发、提高蒸腾/蒸发，使得耗水主要用于蒸腾性生产[27]。