株间竞争对春小麦产量形成的影响

论文摘要

本研究分别从春小麦植株的群体水平和个体水平的角度,考察了不同品种间和同一品种内的株间竞争对三种不同年代春小麦（“古老品种”和尚头,HST;“近代品种”高原602, GY602和“现代品种”陇春8275,LC8275）生长的影响,已知该三种春小麦具有不同的根冠比,从干旱土壤中吸水的能力不同,株高不同。我们在大田实验中比较了灌溉（IR）和雨养农业（RF）水分条件下竞争对植株群体的影响效应,在盆栽实验中则比较了土壤渐进干旱的三个水分梯度（充分供水SW,中度干旱MD,严重干旱SD）下竞争对目标植株个体的影响效应。大田试验结果如下:1.在IR和RF处理中,LC8275单播时籽粒产量分别为8530和5620 kg ha-1, GY602为8060和5850 kg ha-1, HST为5860和4480 kg ha-1; LC8275的水分利用效率（WUEG）分别为2. 16和1. 68 kg m3, GY602为2. 20和1. 63 kg m3, HST为1.40和1. 18 kg m3,两个年代较近品种的籽粒产量和WUEG都显著（P <0. 05）高于古老品种。而根系生物量的值HST为459. 2和399.9 g m-2, GY602为407. 6和339. 8g m-2, LC8275为318. 0和257. 3 g m-2,古老品种的根系最大,且三个品种间根系大小差别均达到显著水平（P<0. 05）。由于根系吸水能力的差异,古老品种从较深土层中（1.4-2. 0 m）汲取更多的土壤贮存水分,然而现代品种能从相对较干的上部土层中汲取更多水分（0-1. 0 m的土壤水分含量LC8275在三个品种中最低）。2.古老品种HST往往得益于品种间的竞争,混栽时籽粒产量总是高于单栽时的水平,而中期品种GY602和现代品种LC8275混栽时籽粒产量显著（P <0. 05）低于单栽时的水平;以地上生物量计算的相对生物产量值（RBY）,总有HST的RBY>1而GY602和LC8275的RBY<1,表明HST其植株生长受益于品种间竞争并以牺牲GY602和LC8275的植株生长为代价,近代和现代品种在品种间竞争中植株减小,并且在开花期后（DAS70）混播植株与单播植株比较有显著性差异（P <0. 05）。3.本研究中各春小麦品种的竞争等级排序为IR处理下HST>GY602>LC8275, RF处理下HST>LC8275>GY602,竞争等级由地下竞争的能力所决定,但竞争能力较强的品种其单播时籽粒产量和WUEG却较低。4.单播时,各品种的籽粒产量与地上生物量和WUEG都呈极显著正相关关系（r= 0. 94, P <0.01 ; r =0.95, P <0. 01）,与根冠比呈极显著负相关关系（r=0. 81, P <0. 01）。现代品种和近代品种的产量优势主要的是由于有较高的地上生物量,水分利用效率和单位面积更多的籽粒（r =0.96, P <0. 001）而根系生物量的分配比例更小。5.我们的研究结果表明在完全不同的大田水分环境下春小麦的株间竞争是影响其群体生产力水平的一项重要因素,其影响的范围和程度由春小麦对土壤有效水分的不同适应性所产生的不同根系特征所决定。减小根系生长冗余和增强根系渗透吸水能力显然更加有利于春小麦适应于半干旱区有限的土壤水分环境。在盆栽试验得到如下结果:1.三个水分条件下,品种HST无竞争时单株籽粒产量分别为13. 20, 6. 23和2. 27 g/株,并显著高于LC8275 （8. 20, 2. 51和1. 00 g/株）和GY602 （5. 11, 2. 55和0.90 g/株）（P < 0. 05）;株间竞争尤其是同种相邻植株显著减少HST目标植株的籽粒产量,分别为1.97, 1.31和0.69 g/株,低于GY602 （2. 34, 1.21和0. 78 g/株）和LC8275 （2.28, 1.43和0.88 g/株）,表明古老品种单株生长具有较高的适合度,但是株间竞争导致适合度明显降低。2.在充分供水条件下,HST对各品种的目标株的竞争抑制作用最强,LC8275最弱,三品种小麦的目标株的生物量,根冠比,比根长（SRL）和总根长（TRL）在竞争处理间比较差异显著（P<0.05）。在水分胁迫下现代品种的上述指标受不同品种的相邻植株的竞争抑制作用相似,竞争处理间无显著差异,表明水分胁迫下现代品种的生长只受水分因素主导,而与所处的竞争环境无关。水分胁迫下古老品种目标株的生长在不同的竞争环境下其生物量,根冠比,SRL和TRL处理间的比较结果差异显著（P <0. 05）。3.土壤水分亏缺对春小麦品种的不同根系特征有所影响,与无竞争植株比较株间竞争显著增加目标株HST的根冠比,株间竞争使目标株GY602和LC8275的SRL值比无竞争时显著增加（P <0. 05 ）。4.回归分析表明在SW和MD水分处理下不同竞争强度对HST植株生物量的影响和对根冠分配的影响之间呈现显著的线型关系（r2=0.995 ,P=0.044; r2=0.999, P= 0.018）,三水分处理下,目标株HST的生物量与SRL值的相对变化之间呈显著线性关系（r2= 0.999, P=0.00096; r2=0.999, P=0.0178; r2=0.998, P=0.028）,与TRL的变化值之间呈显著线性关系（r2=0.9998,P=0.0095; r2=0.997, P=0.033; r2=0.999, P=0.023）。近代品种和现代品种的则无线性关系,表明GY602和LC8275在不同竞争强度作用下其根系形态和生物量分配模式表现出品种特异性变化即可塑性。5.我们的研究表明在小麦育种过程中小麦植株间竞争抑制作用减弱而植株对于不同竞争强度的耐受能力增强了,现代品种同时强化了应对干旱环境的形态可塑性,这可能对小麦在半干旱地区维持产量是非常重要的因素。本研究分别从群体和个体水平指出弱化株间竞争抑制作用,减少根系冗余和提高水分利用效率对于半干旱区春小麦品种生产力提高具有重要实践和理论意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 麦类作物个体竞争能力与群体产量的关系
• 1.2 影响植物竞争能力的性状
• 1.3 地上和地下竞争的相对重要性
• 1.4 植物竞争的非对称性
• 1.5 对作物种内和种间竞争的研究概述
• 1.6 竞争能力与根系生物量分配和根系形态的关系
• 1.7 对于作物适应干旱机理的认识
• 1.8 立项依据
• 第二章 土壤水分有效性和植株间竞争影响春小麦的产量
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 大田实验环境的描述
• 2.1.2 实验材料
• 2.1.3 实验设计
• 2.1.4 植株采样
• 2.1.5 土壤水分含量和水分利用效率的测定
• 2.1.6 竞争指标
• 2.1.7 统计分析
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 气候数据与土壤水分含量的变化动态
• 2.2.2 地上生物量和相对生物量产量比较
• 2.2.3 竞争对产量表现的影响
• 2.2.4 根干重,生物量分配和根系分布结果
• 2.2.5 土壤水分损耗和水分利用效率
• 2.3 讨论
• 2.3.1 小麦品种的竞争能力与生产力的关系
• 2.3.2 决定现代小麦产量增益的主要因素
• 2.3.3 小麦根系属性与品种竞争能力的重要关系
• 2.4 小结
• 第三章 春小麦生产力和根系形态对株间竞争和水分胁迫的响应机制
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 实验地点和植物材料
• 3.1.2 实验设计
• 3.1.3 数据采集与统计分析
• 3.2 结果
• 3.2.1 水分处理对无竞争时小麦植株生长的效应
• 3.2.2 竞争对目标品种植株生长的影响和竞争等级排序
• 3.2.3 竞争对各品种根冠比例的影响
• 3.2.4 各品种在株间竞争下根系形态的变化
• 3.3 讨论
• 3.3.1 春小麦品种的竞争能力
• 3.3.2 水分可获得性的效应
• 3.3.3 竞争对根冠分配的影响
• 3.3.4 竞争对根系结构的影响
• 3.3.5 竞争对小麦品种籽粒产量的影响
• 3.4 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在读期间发表文章
• 致谢
• 附录缩写词表