北方冬麦区小麦品种间竞争与产量群体优势之间的关系

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对作物群体产量优化、个体竞争能力和竞争策略之间的关系研究正受到学术界的重视。2016-2018年冬小麦生长季,在北方冬麦区北京顺义、甘肃平凉和河南洛阳三个地点四个环境中开展田间大尺度(2.4×5m种植小区)的冬小麦(Triticum aestivum5L.)品种间竞争试验。本研究选取新育成的高产品种中麦17m,同三地主栽品种京冬8号(北京顺义)、西平1号(甘肃平凉)和洛旱2号(河南洛阳)一起,在3个地点开展品种间竞争与产量群体优势关系的研究。大田试验设2个密度:当地常规的播种密度和1.2倍当地常规密度,采用de5Wit替代试验设计,即对照品种与中麦17m的种子数量分别以3:0,2:1,1:2,0:3比例播种。通过网格定位均匀播种,确定小麦植株的位置,产生三种不同的植株邻体关系,即个体植株与最近四个邻体完全相同(4/4)、一半相同(2/4)和完全不同(0/4)。试验的主要结果如下:(1)在当地播种密度条件下,在北京顺义(2016-2017/京冬8号)、甘肃平凉(2016-2017,2017-2018/西平1号)和河南洛阳(2016-2017/洛旱2号),单播中麦17m的籽粒产量分别为3m1m,6083,6010和m77m5kg5ha-1;其中对照品种的籽粒产量分别为31mm,4270,m049和47m65kg5ha-1。随着种植密度的提高(120%当地密度),4个环境中单播中麦17m的籽粒产量分别为4022,6421,m241和49425kg5ha-1,对照品种的籽粒产量分别为2928,4479,4983和46m45kg5ha-1。在当地密度条件下,中麦17m比对照品种在4个环境中分别增产11.4%,42.m%,19.0%和21.4%;在120%当地密度条件下,分别增产37.4%,43.4%,m.2%和6.2%。由此可见,在北方冬麦区中麦17m具有明显的群体产量优势。(2)用相对籽粒产量(混播籽粒产量/单播籽粒产量)衡量品种竞争能力发现,两个密度条件下北京顺义(2016-2017)和甘肃平凉(2016-2017,2017-2018)中麦17m的竞争能力弱于对照品种京冬8号和西平1号,而在河南洛阳(2016-2017)中麦17m的竞争能力强于对照品种洛旱2号。可见,河南洛阳(2016-2017)中麦17m通过强化竞争能力形成群体产量优势,而在其它三个环境中通过降低竞争能力形成群体产量优势。(3)随着最近的四个邻体完全相同(4/4)、一半相同(2/4)到完全不同(0/4)的过渡过程中,对照品种和中麦17m的产量发生相反的变化趋势;即中麦17m的籽粒产量逐渐下降,而对照品种(京东8号和西平1号)的籽粒产量逐渐上升。在北京顺义(2016-2017)和甘肃平凉(2016-2017,2017-2018)的两个密度条件下均发现上述趋势。而在河南洛阳(2016-2017),随着差异邻体数量的增加,中麦17m的籽粒产量逐渐上升,而对照品种(洛旱2号)的籽粒产量逐渐下降。(4)光竞争条件下,植物通过纵向和横向的“避荫”策略以及“耐荫”策略参与植株个体竞争能力的调节。中麦17m单播时,株高在4个环境中均低于对照品种。随着最近的四个邻体完全相同(4/4)、一半相同(2/4)到完全不同(0/4)的过渡过程中,中麦17m株高逐渐增加,而对照品种株高保持不变或逐渐下降。可见,中麦17m通过增加株高响应高杆邻体(对照品种),即强化纵向“避荫”策略。以单株有效穗数衡量冬小麦“避荫”策略,在多数环境中,中麦17m单株有效穗数高于对照品种。河南洛阳(2016-2017)中麦17m通过增加单株有效穗数响应高杆邻体(对照品种),即强化横向“避荫”策略;而对照品种洛旱2号响应邻体时单株有效穗数趋势相反。北京顺义和甘肃平凉中麦17m通过降低单株有效穗数而响应高杆邻体(对照品种),即弱化横向“避荫”策略,而对照品种(京冬8号和西平1号)响应邻体时单株有效穗数趋势相反。竞争条件下增加比叶面积是植株强化“耐荫”策略的可塑性响应,随着最近的四个邻体完全相同(4/4)、一半相同(2/4)到完全不同(0/4)的过渡过程中,大多数情况下中麦17m比叶面积逐渐增加,而对照品种保持不变或逐渐下降。河南洛阳中麦17m和洛旱2号表现出相反的趋势。光竞争条件下,中麦17m和对照品种纵向和横向的“避荫”以及“耐荫”策略的分化在两个密度水平上呈现类似趋势。综上,通过对北方冬麦区产量差异的冬小麦品种的作物群体产量、个体竞争能力和光竞争策略之间复杂协调关系研究,发现北京顺义(2016-2017)和甘肃平凉(2016-2017,2017-2018)的大田试验支持优化群体产量遵循降低个体竞争能力的轨迹,这是中麦17m形成群体产量优势的主要原因。而在河南洛阳,中麦17m形成群体产量优势主要得益于强化个体竞争能力,增加作物的群体适应性。由此可见,个体竞争能力太强容易导致个体之间过度竞争形成“公地的悲剧”,如京冬8号和西平1号;然而,过度弱化个体竞争能力导致作物适应性较差,反而不利于群体产量的形成,如洛旱2号。在光竞争策略方面,北京顺义和甘肃平凉中麦17m通过降低株高和比叶面积弱化个体竞争能力最大限度避免“公地的悲剧”,形成群体产量优势。而在河南洛阳地区,中麦17m通过增加株高和单株有效穗数强化个体竞争能力,也形成了群体产量优势。
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