播前耕作方式對(duì)河北平原區(qū)節(jié)水冬小麥光合特性和籽粒產(chǎn)量的影響

郭麗果+尹寶重+鄭佩佩

摘要：以石麥18小麥品種為材料，研究播前旋耕（RT）、深松（SRT）和深耕（MRT）3種耕作方式對(duì)節(jié)水栽培條件下冬小麥光合特性、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、成熟期干物質(zhì)積累量與分配量以及籽粒產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，不同耕作方式對(duì)生育后期葉片光合能力的調(diào)控效應(yīng)存在明顯差異。各種耕作措施相比，灌漿期間旗葉光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度等葉片光合參數(shù)、葉面積指數(shù)、籽粒灌漿速率、產(chǎn)量構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為：深松處理最佳，深耕處理次之，旋耕處理最差。此外，在成熟期，與深耕和旋耕處理相比，深松處理植株干物質(zhì)向收獲器官的轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量和效率明顯提高，且深松處理籽粒產(chǎn)量顯著提高5.4%和6.98%。說(shuō)明在河北平原區(qū)推廣播前深松技術(shù)，能有效改善小麥群個(gè)體發(fā)育，增加光合同化面積和光合碳同化能力。這可能與播前深松增加耕層深度、改善植株對(duì)深層水分和養(yǎng)分的吸收有關(guān)。與目前旋耕耕作措施相比，小麥播前深松措施具有顯著增強(qiáng)河北平原區(qū)節(jié)水冬小麥群個(gè)體植株光合性能和產(chǎn)量形成能力的效果。

關(guān)鍵詞：冬小麥；節(jié)水栽培；播前耕作方式；播前旋耕；播前深松；播前深耕；光合參數(shù)；產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S512.104 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）01-0069-04

冬小麥—夏玉米耕作制度是河北平原區(qū)的重要作物種植模式，隨著近年來(lái)我國(guó)北方地區(qū)水資源虧缺程度的日益加劇，提高冬小麥的水資源利用效率具有重要的實(shí)踐價(jià)值。近年來(lái)，有關(guān)我國(guó)北方冬麥區(qū)小麥節(jié)水抗旱新品種選育、抗旱遺傳機(jī)理、水分吸收和利用規(guī)律及節(jié)水灌溉技術(shù)等均開展了大量研究。小麥節(jié)水高產(chǎn)高效栽培已成為該生態(tài)類型區(qū)小麥可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，此外適當(dāng)?shù)母鞔胧┙Y(jié)合合理施肥技術(shù)，能有效改善土壤的理化性能、微生物活動(dòng)和小麥生育期間的土壤供肥潛力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)小麥的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)也發(fā)揮了重要作用。

過(guò)去多年來(lái)，小麥耕作主要在小麥播前通過(guò)旋耕措施來(lái)完成。盡管該措施具有機(jī)械使用便捷高效、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，但存在耕層深度淺（通常為12～15 cm）的缺點(diǎn)，使耕前施入地面的肥料集中在土壤淺層；上茬玉米秸稈還田后的粉碎物和殘茬集中在表層，影響小麥播種后的萌發(fā)和出苗，不利于小麥壯苗、勻苗群體的建立。此外，多年旋耕還造成了土壤犁底層過(guò)淺限制植株根系下扎，由此引起根系對(duì)節(jié)水栽培條件下土壤深層水和養(yǎng)分的吸收利用，過(guò)淺的根層分布還易誘發(fā)生育后期的植株倒伏。因此，近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)小麥適宜耕作方式進(jìn)行了較多研究，結(jié)果表明，犁耕可疏松土壤，改善土壤通氣、透水的性狀[1]。少耕、免耕和地表殘茬覆蓋等保護(hù)性耕作農(nóng)藝措施，具有蓄水保墑、改善土壤理化性狀和提高土壤肥力的作用[2-7]。與深耕和免耕等耕作措施相比，在華北平原區(qū)采用深松耕作具有改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤團(tuán)聚體含量、影響土壤蓄水、提高表層土壤水分和養(yǎng)分含量[8-10]并在較大程度上具有提高籽粒產(chǎn)量、水分利用效率[11-12]和籽粒產(chǎn)量的效果[13-16]。盡管前人大量研究了不同耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、肥力特性及作物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控效應(yīng)，但迄今有關(guān)播前不同耕作方式下河北平原區(qū)節(jié)水高產(chǎn)栽培小麥的光合特性、籽粒灌漿特征和產(chǎn)量形成能力的報(bào)道尚少。因此，本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置播前深松、深耕和旋耕3種耕作方式，研究節(jié)水栽培下（周年灌凍水和拔節(jié)水）冬小麥的光合特性和產(chǎn)量形成特征，旨在為促進(jìn)河北平原區(qū)小麥節(jié)水高產(chǎn)栽培實(shí)踐和該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012—2013年在河北平原區(qū)藁城市梅花鎮(zhèn)劉家莊國(guó)家“糧食豐產(chǎn)科技工程”核心試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。供試小麥品種為石麥18，試驗(yàn)用地土壤為壤質(zhì)褐土，前茬作物夏玉米收獲后秸稈全部還田。0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)19.73 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀122.35、12.47、113.2 mg/kg。試驗(yàn)設(shè)置小麥播前旋耕（rotary tillage，RT）、深松（sub-soiling tillage，SRT）和深耕（moldboard plow tillage，MRT）3種耕作方式處理，其中旋耕處理設(shè)置如下：前茬玉米秸稈全部粉碎還田→撒施底肥→1GN-180型大型旋耕機(jī)旋耕2遍（深度15 cm）→耙地2遍→機(jī)播；深松處理設(shè)置如下：前茬玉米秸稈全部粉碎還田→撒施底肥→2FS型深松旋耕一體機(jī)作業(yè)1遍（深松深度30 cm，旋耕深度15 cm）→耙地2遍→ 機(jī)播；深耕處理設(shè)置如下：前茬玉米秸稈全部粉碎還田→撒施底肥→1 L-525鏵式犁耕翻（深度20 cm）→旋耕機(jī)旋耕1遍（深度15 cm）→耙地2遍→機(jī)播。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各耕作方式處理小區(qū)面積為 60 m2，3次重復(fù)。播前均底施純氮240 kg/hm2、P2O5 112.5 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2，另在春季拔節(jié)期追施純氮135 kg/hm2。所施肥料為尿素（N 46.4%）、磷酸二銨（P2O5 46%、N 18%）和硫酸鉀（K2O 52%）。小麥生育期間實(shí)施節(jié)水栽培，一生各耕作方式處理均灌水2次，包括凍水（2012年11月30日）和拔節(jié)水（2013年4月3日，結(jié)合拔節(jié)肥進(jìn)行）。各處理基本苗為300萬(wàn)個(gè)/hm2，生育期管理同高產(chǎn)麥田。

1.2 測(cè)定內(nèi)容和方法

1.2.1 旗葉光合參數(shù) 采用美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400閉路測(cè)定系統(tǒng)在灌漿初期、中期和后期晴天09：00—11：00 進(jìn)行，測(cè)定時(shí)各小區(qū)選取5株受光方向和生長(zhǎng)狀況一致的旗葉為測(cè)試樣本，于自然光照下測(cè)定，測(cè)定參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。

1.2.2 葉綠素含量 上述測(cè)定光合參數(shù)的葉片為測(cè)試樣本，采用日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定上述旗葉葉綠素相對(duì)含量，用SPAD值表示。

1.2.3 葉面積指數(shù)（LAI） 在越冬期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期及開花后10、20 d，各小區(qū)選取有代表性植株20株，獲取全部綠色葉片，用直尺測(cè)量各葉片的長(zhǎng)、寬，通過(guò)對(duì)每張葉片長(zhǎng)、寬乘積除以換算系數(shù)1.2計(jì)算得到單葉葉面積，求和后獲得供試植株總?cè)~面積，進(jìn)而推算單位土地面積的葉面積之和及其葉面積指數(shù)、群體葉面積指數(shù)。

1.2.4 籽粒灌漿速率 在各處理小區(qū)，開花時(shí)選取同一日開花的單莖對(duì)麥穗進(jìn)行掛牌標(biāo)記。然后，每5 d取樣1次標(biāo)記麥穗，每個(gè)小區(qū)每次取10穗，3次重復(fù)。剝?nèi)∽蚜Ｓ?05 ℃下殺青10 min，再于60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，進(jìn)而依據(jù)各取樣時(shí)期的單粒籽粒干質(zhì)量和測(cè)試間隔時(shí)間計(jì)算籽粒灌漿速率。

1.2.5 開花后植株干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特征 在開花期和成熟期，各小區(qū)選取具有代表性的植株10株，將植株在烘箱內(nèi)烘干后測(cè)定花后植株的干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特征。測(cè)定的性狀包括花后干物質(zhì)生產(chǎn)量、花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。其中，花后干物質(zhì)生產(chǎn)量=成熟期干物質(zhì)量-開花期干物質(zhì)質(zhì)量[17]；開花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率=（開花期干物質(zhì)質(zhì) 量- 成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)質(zhì)量）/開花期干物質(zhì)質(zhì)量×100%[18]；籽粒產(chǎn)量通過(guò)成熟期各小區(qū)實(shí)打?qū)嵤沼?jì)產(chǎn)獲得；通過(guò)籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量比值獲得收獲指數(shù)。

1.2.6 群體干物質(zhì)積累與分配特征 在越冬前、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、花后10 d、花后20 d和成熟期，通過(guò)查數(shù)各小區(qū)1 m2樣點(diǎn)總莖數(shù)獲得群體總莖數(shù)。另在各測(cè)試時(shí)期，各小區(qū)選取20株代表性植株，于烘箱內(nèi)烘干獲得單株和群體干物質(zhì)量。其中，在孕穗期以后至花后20 d各生育時(shí)期，將植株分為穗、葉片和莖稈+葉鞘3個(gè)部分；在成熟期分為籽粒、葉片、莖稈、葉鞘、穎殼、穗6個(gè)部分，分別進(jìn)行烘干稱質(zhì)量。通過(guò)上述測(cè)試，研究不同耕作措施處理下的群體干物質(zhì)積累量和分配特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)旗葉光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度的影響

由表1可見(jiàn)，在各耕作方式處理下，開花后0～15 d小麥旗葉的光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度均隨著生育進(jìn)程的進(jìn)行而不斷增加，之后上述各生理參數(shù)則隨著籽粒灌漿進(jìn)程的進(jìn)行不斷下降。結(jié)果表明，開花后15 d（灌漿中期）旗葉最具有旺盛的生理功能。不同耕作方式相比，上述光合生理參數(shù)大體表現(xiàn)為：以深松處理在各測(cè)定時(shí)期表現(xiàn)數(shù)值最高，深耕處理次之，旋耕處理則在各測(cè)定時(shí)期表現(xiàn)最低。其中，在花后15 d，深松處理的光合速率分別較深耕處理和旋耕處理提高3.18%和7.35%，蒸騰速率提高15%和30%，胞間CO2濃度提高12%和18%。說(shuō)明與目前常規(guī)采用的播前旋耕措施相比，深松和深耕能顯著改善小麥生育后期植株的光合性能。

2.2 不同耕作方式對(duì)旗葉花后葉綠素含量的影響

由表2可見(jiàn)，在花后18 d以前，不同耕作方式處理的旗葉葉綠素含量較高且維持在穩(wěn)定水平；以后至花后30 d，各措施處理的旗葉葉綠素含量不斷降低，具體表現(xiàn)為：前期（花后18～27 d）緩慢下降，后期（花后27～30 d）快速下降。總體來(lái)看，籽粒灌漿期間各測(cè)定時(shí)期的旗葉葉綠素含量均以深松處理最高，深耕處理次之，旋耕處理最低。在花后30 d，深松處理的旗葉葉綠素含量分別較深耕和旋耕處理高51.03%和60.29%。上述結(jié)果表明，不同播前耕作處理能明顯影響小麥灌漿期間葉片的葉綠素含量，進(jìn)而對(duì)籽粒灌漿特性產(chǎn)生較大影響。

2.3 不同耕作方式對(duì)葉面積指數(shù)的影響

在小麥全生育期間，對(duì)不同播前耕作處理群體水平上的葉面積指數(shù)（LAI）進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，各耕作方式處理的LAI在孕穗期以前，均表現(xiàn)為隨著生育進(jìn)程而不斷升高；以后至灌漿期（花后20 d），則隨著生育進(jìn)程而不斷降低。深松處理在各生育時(shí)期的LAI均高于深耕和旋耕處理，在孕穗期分別較深耕和旋耕處理高2.25%和 34.39%，在初花期分別較深耕和旋耕處理高5.69%和 42.95%。說(shuō)明除深松處理外，深耕處理盡管與旋耕處理的LAI在冬前差異較小，但前者在拔節(jié)期后具有更大的LAI。

2.4 不同耕作方式對(duì)籽粒灌漿速率的影響

由圖1可見(jiàn)，各耕作方式處理的灌漿速率均大體呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的趨勢(shì)，在花后20 d時(shí)籽粒灌漿速率達(dá)到最大。與花后20 d相比，各處理的籽粒灌漿速率在花后 24 d 時(shí)明顯降低，這可能是由該段時(shí)間內(nèi)天氣連續(xù)陰雨造成群個(gè)體光合生產(chǎn)量減少所致。與上述對(duì)旗葉光合參數(shù)的測(cè)定結(jié)果相似，籽粒灌漿期間各測(cè)定時(shí)期的籽粒灌漿速率以深松處理最高，深耕處理次之，旋耕處理最低。

2.5 不同耕作方式對(duì)植株干物質(zhì)積累與分配特性的影響

2.5.1 成熟期干物質(zhì)分配特性 在成熟期，收獲各耕作處理代表性植株樣本，進(jìn)一步將植株樣本進(jìn)行器官分類，測(cè)定各器官的干物質(zhì)量。結(jié)果表明，各耕作處理成熟期植株各器官的干物質(zhì)分配量和比例均表現(xiàn)為籽粒>莖鞘+葉片>穗+穎殼。不同耕作處理相比，深松處理成熟期干物質(zhì)向籽粒的分配量顯著高于深耕和旋耕處理（分別提高21.74%和 13.13%）。盡管深松處理下莖鞘+葉片的物質(zhì)分配量也高于旋耕處理，但低于深耕處理；該處理向莖鞘+葉片分配的物質(zhì)比例低于其他處理，說(shuō)明深松處理能增強(qiáng)生育后期植株體內(nèi)干物質(zhì)收獲器官籽粒中的轉(zhuǎn)移。不同耕作處理下成熟期植株干物質(zhì)向穗軸和穎殼中的分配量和分配比例差異較小，但仍以深松處理的分配比例相對(duì)較低（表4）。與旋耕處理相比，深松處理不僅能增強(qiáng)生育期間尤其生育后期的LAI、籽粒灌漿速率和旗葉光合性能，而且具有增強(qiáng)生育后期植株體內(nèi)干物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)移和分配的效果。

2.5.2 不同耕作方式對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量的影響 由表5可知，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量均以深松處理最高，深耕處理次之，旋耕處理最低。其中，深松處理的單位面積穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量顯著高于深耕和旋耕處理；深松處理的籽粒產(chǎn)量分別較深耕和旋耕處理增加 5.47% 和6.99%。盡管深耕處理的產(chǎn)量各構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量均高于旋耕處理，但2個(gè)處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量的差異均未達(dá)到顯著水平?？梢?jiàn)，不同播前耕作處理能明顯影響小麥成熟期的產(chǎn)量構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量。

3 討論

小麥籽粒中積累的干物質(zhì)中，有70%～80%來(lái)自于開花期至成熟期間的生育后期。其中，旗葉和倒2葉等植株上位葉片光合產(chǎn)物是生育后期植株及籽粒干物質(zhì)的重要來(lái)源。因此，改善群體水平上的光合同化面積、延緩旗葉等上位葉衰老、提高旗葉光合生產(chǎn)能力對(duì)于改善植株群體的生育后期干物質(zhì)積累和提高產(chǎn)量具有重要作用[15]。筆者發(fā)現(xiàn)，不同播前耕作措施對(duì)生育后期植株的光合性能具有不同的調(diào)控效應(yīng)，在不同耕作措施中以深松處理下的旗葉光合速率、葉綠素含量、蒸騰速率和胞間CO2濃度最高，深耕處理次之，旋耕處理最低，表明深松處理較其他耕作處理具有更佳的改善植株生育后期光合能力的效果。這可能與旋耕處理相比，該耕作措施具有打破犁底層進(jìn)而加深活化土層深度進(jìn)而促進(jìn)根系下扎、增加土壤深層根系分布，由此改善植株對(duì)深層土壤水分和養(yǎng)分的利用能力有關(guān)。此外，深松處理植株生育后期的光合性能優(yōu)于深耕處理，可能與后者相比深松處理避免了其深耕后打亂土層造成對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、微生物活動(dòng)和水肥供應(yīng)特性等不利影響有關(guān)[19]。

前人研究表明，耕作方式對(duì)小麥的葉片水分利用效率具有顯著的調(diào)控作用[20]。黃明等研究發(fā)現(xiàn)，土壤深松可提高小麥葉片的葉綠素含量、籽粒灌漿速率、光合速率，增強(qiáng)小麥開花后干物質(zhì)生產(chǎn)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量，使籽粒產(chǎn)量增加[15]。褚鵬飛等研究發(fā)現(xiàn)，深松有利于獲得較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，土壤深松后籽粒產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[21]。本研究也取得了類似研究結(jié)果。與旋耕和深耕處理相比，小麥播前深松處理能夠顯著改善小麥生育后期的籽粒灌漿速率，增加該生育階段的葉面積指數(shù)，提高生育后期植株體內(nèi)干物質(zhì)向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，最終使各產(chǎn)量構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量顯著增加。該耕作處理下籽粒產(chǎn)量的增加，與其改善生育后期植株的光合碳同化能力具有密切聯(lián)系。由于各供試耕作處理下的播前、收獲后土壤含水量相近，生育期間的灌水額相同，表明深松具有顯著改善河北平原區(qū)節(jié)水高產(chǎn)栽培條件下小麥水分利用效率的作用。因此，在河北平原區(qū)推廣小麥播前深松耕作技術(shù)，能明顯改善該區(qū)域的產(chǎn)量水平和水資源利用效率，促進(jìn)該區(qū)域小麥生產(chǎn)水平的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

在河北平原區(qū)冬小麥—夏玉米兩熟耕作制度下，與旋耕和深耕耕作措施相比，小麥播前深松耕作能明顯增加生育期間的葉面積指數(shù)和生育后期旗葉葉綠素含量，提高灌漿期間旗葉的光合性能和籽粒灌漿速率，增加干物質(zhì)向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和籽粒產(chǎn)量。因此，小麥播前深松處理具有增強(qiáng)河北平原區(qū)節(jié)水高產(chǎn)小麥生育后期植株光合能力和產(chǎn)量形成能力的效果。該項(xiàng)技術(shù)的示范推廣可推動(dòng)河北平原區(qū)水資源高效利用和小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

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