灌水次数和施钾量对冬小麦茎秆形态特征和抗倒性的影响

赵国英，王红光，李东晓，贾 彬，李瑞奇，李雁鸣

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000)

灌水次数和施钾量对冬小麦茎秆形态特征和抗倒性的影响

赵国英，王红光，李东晓，贾 彬，李瑞奇，李雁鸣

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000)

为进一步明确兼顾节水高产抗倒的最佳灌水与施钾量组合，以冬小麦品种藁优2018为材料，通过二因素随机区组试验，研究了3种灌水次数(不灌溉、灌拔节水、灌拔节水和扬花水)和4个施钾量(施K2O 0、75、150和225 kg·hm-2)对冬小麦茎秆形态特征和抗倒性的影响。结果表明，随灌水次数和施钾量的增加，小麦株高和重心高度显著增高，茎秆基部2个节间的单位长度干重、直径、机械强度和抗倒指数显著增加。而茎秆壁仅随施钾量的增加而显著增厚。小麦产量和3个产量构成因素也随灌水次数和施钾量的增加而增加，但4个施钾量之间的千粒重差异不显著，K225与K150之间的穗数、穗粒数和籽粒产量差异不显著。茎秆抗倒指数与茎秆基部第1、2节间的单位长度干重、直径呈极显著正相关，与株高、重心高度也呈极显著正相关。综合各项指标，春季在拔节期和扬花期灌2次水，施K2O 150 kg·hm-2有利于实现小麦高产和钾肥高效，且茎秆抗倒性能较好。

灌水次数；施钾量；冬小麦；茎秆形态特征；抗倒性

倒伏是影响小麦高产优质的重要因素。研究发现，倒伏后造成田间郁闭，茎叶相互遮掩，通风透光差，病害发生加重，影响小麦正常灌浆，导致千粒重降低，可减产7%～35%[1]，严重的可达40%[2]。同时容易发生穗发芽，造成子粒瘪瘦，容重降低，严重影响产品质量[3]。因此，研究提高小麦抗倒伏能力的栽培措施,对小麦高产稳产具有重要意义。

茎秆是高光效群体的主要支持系。强壮的茎秆能防止倒伏，合理支配叶层和叶态的分布，是提高光合生产力的合理冠层结构的基础[4]。水分和养分是影响作物茎秆质量的重要因子。刘丽平等[5]研究表明，灌水显著影响小麦的茎秆特征和倒伏指数。在一定范围内，随着灌水次数增多，株高和重心高度增高，茎秆变细，倒伏几率增加。水分充足促进节间伸长，而拔节前水分胁迫可抑制植株过早增高，防止后期灌溉发生倒伏[6]。张丰转等[7]研究表明，钾对作物厚壁细胞木质化、角质层发育和纤维素含量增加都有显著促进效果。田保明等[8]研究表明，钾促进碳水化合物的合成和运输，减少茎秆中非蛋白氮积累，使机械组织发达，增强茎秆的抗倒伏能力。

河北平原是我国重要的小麦主产区。近年来，由于产量水平不断提高和有机肥施用量减少，即使多年采用秸秆还田技术，土壤钾含量仍有下降趋势[9]，成为制约作物生产可持续发展的限制因子。由前述可见，关于灌水或施用钾肥对小麦茎秆特性的影响已有很多研究。王丽金[10]也就灌水和施钾量对河北平原小麦群体物质生产的影响进行了研究。但在河北平原地下水资源短缺和限制灌溉用水条件下，灌水模式和施钾量对高产小麦茎秆形态特征和倒伏性能影响的报道尚不多见。因此，本研究在前人研究的基础上，研究灌水和施钾量对小麦茎秆特性和抗倒伏的影响，探索兼顾节水高产抗倒的最佳灌水与施钾量组合，为小麦可持续生产提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

田间试验于2015-2016年度在河北农业大学清苑试验站(38°47′N，115°34′E，海拔13 m)进行。试验田为黏壤潮土。0～20 cm土壤有机质含量16.20 g·kg-1，全氮含量0.15 g·kg-1，碱解氮含量96.25 mg·kg-1，速效磷含量20.44 mg·kg-1，速效钾含量94.74 mg·kg-1。小麦品种为藁优2018。前茬玉米收获后秸秆粉碎还田。施底肥N 120 kg·hm-2、P2O5135 kg·hm-2，并按试验设计量底施钾肥。底肥均匀撒施后旋耕3遍并镇压。10月13日15 cm等行距播种，播种量为150 kg·hm-2，播后镇压。实际基本苗为313 万株·hm-2。

试验采用二因素完全随机区组设计，一个因素为灌水次数，设全生育期不灌水(W0)、灌拔节水(W1，拔节期灌水60 mm)、灌拔节水和扬花水(W2，拔节期和开花期各灌水60 mm)3个水平；另一个因素为施钾量，设每公顷施K2O 0(K0)、75(K75)、150(K150)和225 kg(K225)4个水平。钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。3次重复。小区面积58.8 m2(4.2 m×14 m)。拔节期开沟追施N 120 kg·hm-2，并按试验设计对有关小区灌水。其他田间管理同一般高产麦田。小麦生育期间降水122.6 mm，在当地属一般降水年份。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 株高的测量

各主要生育时期在各小区取苗30株，测量株高，取平均值。

1.2.2 茎秆抗倒相关性状的测定

开花期在小区中选长势均匀的区域，将开花时间一致、株高和穗长相近的单茎挂牌标记。在籽粒形成期、乳熟期和蜡熟期，各小区中分别取10株挂牌植株，测定茎秆抗倒相关性状。

(1)茎秆重心高度：剪去根部，置于固定好的支架上使其平衡，用直尺测量茎基部至该茎(带穗、叶片和叶鞘)平衡支点的距离，即为重心高度。

(2)基部节间长度、直径和茎秆壁厚度：用直尺测量基部第1节间和第2节间的长度。用数显游标卡尺(精度为0.01 mm)测量茎秆节间直径和壁厚。节间长度是茎秆2个节之间的距离。节间直径为每个节间长度中点的直径。茎秆壁厚度是在节间中点处剪断，2个对立面的壁厚平均值作为该节间茎秆壁厚度。

(3)茎秆机械强度：用支点法测定。将去掉叶片和叶鞘后的基部第1、2节间分别固定在40 mm宽的支架两端，用浙江托普仪器有限公司生产的 YYD-1A型茎秆强度测定仪，将一定横断面积(如0.01 cm2)的测头，在茎秆节间中部垂直于茎秆方向匀速缓慢压下，直至茎秆断裂读取最大值，即为机械强度(N)。

(4)茎秆抗倒指数：茎秆抗倒指数=机械强度/重心高度[11]。

(5)节间干重：测定上述指标后，将基部1、2节间在105 ℃烘箱中杀青30 min，降温至80 ℃烘干至恒重，称重，计算单位节间长度的干重。

1.2.3 产量和产量构成因素的测定

成熟期于定点处计数穗数，计算为每公顷穗数。在定点处随机计数20个穗的粒数，计算平均穗粒数。每样点实收3 m2，小型脱粒机脱粒，按13%含水量计算每公顷产量。从测产籽粒中取样测定千粒重[12]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistics 19.0进行数据统计分析，用Duncan法进行多重比较。由于灌水和施钾量对各指标的互作效应均未达到0.05显著水平，因而仅对2个因素的主效应进行了分析。

2 结果与分析

2.1 灌水次数和施钾量对小麦株高和茎秆重心高度的影响

由表1可知，各处理的小麦株高都随生育进程逐渐增加，开花期以前增长较快，开花后仍有所增长。不同灌水和施钾水平间小麦株高的差异显著，各生育时期的株高都随灌水次数和施钾量增加而增高。不同灌水次数间表现为：W2显著高于W1，W1显著高于W0。不同施钾量间表现为:K225和K150显著高于K75和K0，但K225与K150的差异不显著。各处理株高都低于65 cm，这也为后期未发生倒伏奠定了基础。

由表1可知，开花后各处理的小麦茎秆重心高度逐渐上移。各时期的重心高度都随灌水次数和施钾量增加而增加，与株高的变化规律一致。不同灌水次数间籽粒形成期至蜡熟期的茎秆重心高度均差异显著。不同施钾水平间比较，植株的重心高度均随施钾量增多而增大，但K225与K150之间仅在籽粒形成期差异显著，后期差异不显著。

表1 灌水次数和施钾量对小麦株高和茎秆重心高度的影响Table 1 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on plant height and height of gravity center of wheat cm

同列数据后的不同小写字母表示不同灌水水平间或不同施钾水平间的差异在0.05水平上显著。下同。

Data in same column followed by different small letters are significant at 0.05 level among different levels of irrigation or potassium application. The same in other tables.

2.2 灌水次数和施钾量对小麦基部节间性状的影响

由表2可知，节间长度和直径都表现为第2节间大于第1节间，但第1节间的秆壁厚度更厚。灌水次数不同的小麦基部节间的长度、直径和秆壁厚度(籽粒形成期除外)差异显著。随灌水次数增加，基部2个节间的长度和直径显著增加。从籽粒形成期至蜡熟期，基部2个节间的直径先有所增加，然后减小。秆壁厚度的变化则相反，籽粒形成期时随灌水次数增多逐渐变薄，乳熟到蜡熟期则随灌水次数增多逐渐增厚。

表2 灌水次数对小麦基部节间长度、直径和秆壁厚度的影响Table 2 Effect of irrigation frequency on the length,diameter and wall thickness of basal internodes of wheat

由表3可知，小麦基部2个节间的长度随施钾量增加的变化趋势相反，第1节间随施钾量增加而缩短，第2节间随施钾量增加而增长。从籽粒形成到蜡熟期，基部2个节间的直径和秆壁厚度都是先增大后减小。小麦基部2个节间的直径和秆壁厚度都随施钾量增多而增大，但K225与K150之间差异不显著，K0、K75与K150、K225之间的差异显著。

表3 施钾量对小麦基部节间长度、直径和秆壁厚度的影响Table 3 Effect of potassium application amount on the length,diameter and wall thickness of basal internodes of wheat

2.3 灌水次数和施钾量对小麦基部节间干物质积累和输出的影响

由表4和表5可以看出，从籽粒形成期至蜡熟期，基部第1和第2节间单位长度干重均逐渐降低。各处理第1和第2节间籽粒形成到乳熟期的干物质输出率分别为30.36%～34.15%和16.80%～19.86%，籽粒形成到蜡熟期的干物质输出率分别为42.46%～47.75%和27.04%～31.95%。第1节间的干物质输出率均大于第2节间。

W0和K0的小麦从籽粒形成到蜡熟期节间的单位长度干重下降幅度较大，说明其在生育后期干物质向外转移较多。不同灌水量比较，各时期第1、2节间的单位长度干重均以W2最高，且在籽粒形成期和蜡熟期与W0和W1的差异显著。不同施钾量比较，各时期第1、2节间的单位长度干重均以K225最高，但与K150差异不显著，与其他施钾量的差异显著。不同灌水次数和施钾量水平基部节间单位长度干重随灌水次数和施钾量增多而增重，但干物质输出率却相反，表明基部节间干物质输出量随灌水次数和施钾量增多显著减少。

表4 灌水次数和施钾量对小麦基部节间单位长度干重的影响Table 4 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on the dry weight per centimeter of basal internodes of wheat mg·cm-1

表5 灌水次数和施钾量对小麦基部节间物质输出率的影响Table 5 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on the dry matter output of basal internodes of wheat %

表6 灌水次数和施钾量对小麦茎秆机械强度的影响Table 6 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on the mechanical strength of wheat stem N

2.4 灌水次数和施钾量对小麦茎秆机械强度和抗倒指数的影响

小麦茎秆的机械强度越高，重心高度越低，则抗倒指数越大，茎秆抗倒伏能力越强。由表6和表7可知，小麦开花后直至乳熟期，茎秆基部2个节间的机械强度逐渐增大，乳熟期后机械强度减小。不同时期2个节间抗倒伏指数的变化与机械强度的变化相一致。

各时期小麦茎秆基部2个节间的机械强度和抗倒指数都随灌水次数增加而增大，且3个灌水水平的差异显著。2个节间的机械强度和抗倒指数也随施钾量增多而增大，其中K225与K150的差异不显著，但与K75和K0的差异均显著。这表明适当施钾可以提高基部节间的抗倒性能。

表7 灌水次数和施钾量对小麦茎秆抗倒指数的影响Table 7 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on the lodging resistance index of wheat stem N·cm-1

2.5 灌水次数和施钾量对小麦产量和产量构成因素的影响

由表8可知，随灌水次数增加，产量及3个产量构成因素的值均显著增加。灌水次数最多的W2产量最高，W0最低，且3个灌水量水平的产量差异显著。可见，从产量角度看，在小麦全生育期灌2水即可实现高产。随施钾量增加，每公顷穗数和穗粒数均逐渐增加，但K225与K150之间的差异不显著。不同施钾量水平间千粒重的差异都不显著。由于3个产量构成因素的相互作用，籽粒产量也随施钾量增加而提高，但K225与K150之间的差异同样不显著。由此可见，在一定范围内，增施钾肥可改善小麦的产量构成因素，从而获得高产。

表8 灌水次数和施钾量对小麦产量和产量构成因素的影响Table 8 Effect of irrigation frequency and potassium application amount on yield and yield components of wheat

2.6 小麦茎秆抗倒指数、机械强度与茎秆形态指标的相关性

相关分析结果(表9)表明，第2节间的壁厚度与基部2个节间的机械强度和抗倒指数相关都不显著，第1节间的壁厚度与第2节间的机械强度和抗倒指数相关不显著，第1节间长度与基部2个节间的机械强度和第1节间的抗倒指数相关不显著。株高、重心高度、第2节间长度、2个节间的单位长度干重和直径与基部2个节间的机械强度和抗倒指数呈显著或极显著正相关。

表9 小麦茎秆抗倒指数、机械强度与茎秆形态指标的相关系数Table 9 Correlation coefficients between lodging resistance index and mechanical strength and morphological traits of wheat stems

*：P<0.05；**：P<0.01.

3 讨 论

3.1 关于茎秆形态指标与抗倒伏指数的相互关系

茎秆抗倒指数是一个综合指标，可以作为作物抗倒伏能力的直接证据[11,13-15]。本研究表明，茎秆基部节间的直径和充实度(单位长度干重)都与茎秆机械强度和抗倒指数呈极显著正相关，这与前人[14,16-17]的研究结果一致。很多研究表明，在一定范围内，株高与抗倒指数呈负相关[18-20]。李金才等[11]、董 琦等[21]及安呈峰等[22]的研究都表明，茎秆基部节间长度与抗倒指数或抗折力呈显著负相关。但本研究表明，株高、植株重心高度、基部第1、2节间长度与茎秆机械强度和抗倒指数都呈正相关，与前人研究结果形成鲜明对比。究其原因，可能与本研究中小麦成熟期各处理的株高都偏低有关。在这种情况下，灌水少、施钾量低的处理小麦株高更低，节间更短，但同时茎秆的充实程度也差。因此，在全部处理中则表现出株高和节间长度增高或伸长，抗倒伏能力也增强的现象。张忠旭等[23]的研究也表明，矮秆的水稻不一定抗倒伏，高秆不一定不抗倒伏。王强盛[24]研究表明，适量施钾提高了水稻株高、重心高度，同时改善了茎秆的理化性能，抗倒伏能力也得到增强。张明聪等[25]研究也表明，优化施肥使水稻的株高和重心高度增加，但是优化了节间配置，显著提高了水稻的抗倒伏能力。综合本研究及这些前人结果可以认为，在一定的株高范围内，作物的株高与抗倒伏能力没有必然的关系，抗倒伏能力的提高应是茎秆综合性状改善的结果。

3.2 灌水和施钾对小麦茎秆特征及抗倒伏的影响

小麦茎秆既能贮存干物质，也能在生育后期为籽粒灌浆提供一定干物质[4]。一般认为，茎秆基部节间单位长度干物质含量高有利于抗倒伏[19,21]。本研究中，生育后期茎秆基部第1、2节间的单位长度干重随灌水次数增加显著增加。其原因可能有2个方面：一是本生长季冬前降温早，分蘖较少，各处理均未出现群体郁蔽现象。二是W0条件下的3个处理全生育期缺水，个体生长受限，光合生产能力低，导致基部节间干物质积累少。W1和W2在灌水条件下个体较健壮，光合生产能力强，基部节间干物质积累量增多。

虽然随灌水次数增多单位节间长度的干重增大，节间的干物质输出率却随灌水次数增多而减少。原因是不灌水的W0灌浆速度快而叶片光合生产能力低，导致茎秆干物质过早过快向外转运。W1和W2因灌水使叶面积衰减慢，灌浆后期仍有较高的光合生产能力供籽粒灌浆，因此茎秆的贮藏干物质向籽粒输出较少。另外，本研究还表明，基部节间的干物质在乳熟期时输出较少，蜡熟期输出加快，这与谢家琦等[26]的研究结果相同。

王丽金[10]研究表明，随着施钾量的增加基部第1节间缩短，其他节间则随施钾量增加而增长。本研究结果也表明，增加施钾量的小麦第1节间缩短。同时，基部节间增粗，茎秆壁增厚，充实度(单位长度干重)增加，因此，各节间的机械强度和抗倒指数增加，提高了小麦植株的抗倒伏性能，有利于降低小麦倒伏的风险。由于K150与K225的茎秆性状差异都不显著，因此适宜的施钾量应为K2O 150 kg·hm-2。可见在河北小麦高产栽培中，采用适宜的灌水量和施钾量，有利于培育健壮个体，提高小麦茎秆质量，增加抗倒性能，进而建立高产抗倒群体。

3.3 灌水次数和施钾量对产量的影响

李雁鸣等[27-28]在河北省小麦中低产阶段的研究表明，冬小麦春季需要浇拔节水、抽穗扬花水和灌浆水才能获得高产，并指出在灌水次数更少的条件下也有取得高产的可能性。李 云等[29]在河北省小麦高产条件下的研究则表明，在河北平原常年降水(全生育期100 mm左右)条件下，全生育期灌水2次即可获得高产。本研究在小麦生育期间降水122.6 mm的一般降水条件下，春季灌2次水(拔节水和扬花水)的小麦籽粒产量最高，只灌1次拔节水的产量显著降低，与李 云等[29]的研究结果相似。

前人研究表明[30-32]，在一定范围内，小麦产量随施钾量增加而显著提高。但关于施钾量对穗数、穗粒数和千粒重的影响规律却不尽相同。Header等[33]报道，施钾的小麦千粒重提高，对单位面积穗数和穗粒数影响较小。张国平[34]研究表明，施钾增产的实质是提高千粒重和穗数。李冬花等[35]研究表明，施用钾肥的增产效应主要是增加了穗数和提高了穗粒数，对千粒重则无明显影响。于振文等[36]用砂培研究表明，增施钾肥的小麦穗数、穗粒数和千粒重均有所增加。本研究结果与于振文等的结果一致，在每公顷施K2O 0～150 kg范围内小麦穗数、穗粒数和千粒重均得到不同程度的改善，产量提高，但4个水平施钾量的千粒重差异不显著，而K225和K150之间穗数、穗粒数和产量的差异都不显著。因此，在本研究的土壤条件下，K2O 150 kg·hm-2是有利于高产的适宜施钾量。

鉴于以上研究结果，由于灌水次数与施钾量的交互作用不明显，最适宜的灌水次数与施钾量的组合，即春季灌2次水、施用K2O 150 kg·hm-2的组合，是有利于小麦抗倒伏和取得高产的技术措施。

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Effect of Irrigation Frequency and Potassium Application Amount on Stem Morphological Characteristics and Lodging Resistance of Winter Wheat

ZHAO Guoying,WANG Hongguang,LI Dongxiao,JIA Bin,LI Ruiqi,LI Yanming

(College of Agronomy,Hebei Agricultural University/Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province,Baoding,Hebei 071000,China)

In order to further clarify the optimal combination of irrigation frequency and potassium application amount for water saving,high yield and lodging resistance of wheat,a field experiment was conducted by two-factor randomized block design,with a winter wheat cultivar Gaoyou 2018 as material. The irrigation contains no irrigation,once irrigation at jointing,and twice at jointing and anthesis. The potassium application amount contains K2O at 0,75,150 and 225 kg·hm-2levels,disignated as K0,K75,K150 and K225,respectively.Stem morphological characteristics and lodging resistance of wheat were determined. The results showed that,with the increase of irrigation frequency and potassium application amount,the height and gravity center of wheat plant,and the dry weight per centimeter,diameter,mechanical strength and lodging resistant index of the 1st and 2nd basal internodes of wheat stem were all increased significantly. The wall thickness of the 1st and 2nd basal internodes was significantly increased with the increase of potassium application. The grain yield and yield components were all increased with the increase of irrigation frequency and potassium application amount,but the difference of thousand grain weight was not significant among the four potassium application levels,and the differences of spike amounts per hm2,grain amounts per spike and grain yield between K225 and K150 were not significant. Stem lodging resistance index was significantly positively correlated to dry weight per centimeter and diameter of the 1st and 2nd basal internodes,and significantly positively correlated to the height and gravity center of wheat plant. It was concluded that the combination of twice spring irrigation at jointing and anthesis,and K2O application of 150 kg·hm-2was beneficial to achieve high yield and high use efficiency of potassium fertilization,which also improved lodging resistance of wheat stems.

Irrigation frequency; Potassium application amount; Winter wheat; Stem morphological characteristics; Lodging resistance

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.06

时间：2017-06-07

2017-02-02

2017-04-19

国家现代农业产业技术体系项目(CARS-3-2-3)

E-mail:313558104@qq.com

李雁鸣(E-mail:nxzwst@hebau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0759-10

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1004.012.html