苜蓿-冬小麥間作葉片SPAD 值及產(chǎn)量表現(xiàn)

穆陽(yáng)陽(yáng)， 周艷麗， 楊慎驕， 岳喜天， 王靜麗， 張曉紅*

(1.山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041004； 2.山西省臨汾市堯都區(qū)農(nóng)業(yè)林業(yè)委員會(huì)，山西 臨汾 041000； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002； 4.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 商丘 476000；5.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002)

小麥作為中國(guó)三大糧食作物之一，常年播種面積和產(chǎn)量分別占糧食總量的25%和22%左右，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家糧食安全至關(guān)重要[1]。近年來(lái)，我國(guó)小麥在解決了高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)之后，已把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效上來(lái)[2]。間作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中具有重要的地位[3-5]，而冬小麥、苜蓿間作有利于豐富物種多樣性，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。葉綠素作為光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，可將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。在小麥等作物中，籽粒產(chǎn)量的70%～90%來(lái)自于光合作用，因此研究葉片的葉綠素含量意義重大[6-8]。利用SPAD-502(Soil Plant Analysis Development)葉綠素儀能夠快速無(wú)損地測(cè)定植物葉綠素的相對(duì)含量(SPAD 值)[9]。有研究表明，苜蓿葉中部為SPAD值適宜測(cè)定部位，冬小麥SPAD 值與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)[10-11]。冬小麥灌漿期葉綠素含量與單穗重呈顯著正相關(guān)，與千粒重呈極顯著正相關(guān)[12]。苜蓿-冬小麥間作以科學(xué)合理的種植模式引入冬小麥保護(hù)性耕作技術(shù)體系，有利于提高作物物種多樣性與生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。已有的SPAD值與產(chǎn)量的研究大多集中在傳統(tǒng)的糧食和經(jīng)濟(jì)作物上，但其在苜蓿與冬小麥間作模式下的研究鮮有報(bào)道。因此，以苜蓿、冬小麥為對(duì)象，研究間作模式下葉片SPAD值、苜蓿產(chǎn)量及冬小麥產(chǎn)量組成間的變化，分析苜蓿-冬小麥間作種植模式對(duì)苜蓿產(chǎn)量與冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，為合理應(yīng)用苜蓿-冬小麥間作模式，提高苜蓿與冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(34°35′13′′N，115°34′30′′E，海拔55.6 m)。該地區(qū)屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，年平均降雨量約為708 mm，降雨集中在7-9月份，年平均氣溫13.9℃，無(wú)霜期230 d。根據(jù)商丘實(shí)驗(yàn)站提供的數(shù)據(jù)(圖1)，冬小麥生育期內(nèi)降水、氣溫極值變化幅度較大。試驗(yàn)地連續(xù)多年實(shí)行冬小麥、夏玉米周年兩熟種植，土壤類型為潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物。2017年4月開(kāi)始實(shí)施苜蓿-冬小麥間作時(shí)，苜蓿播種前0～40 cm土層土壤容重1.42 g/cm3，田間持水率(質(zhì)量含水率)為17.41%～20.30%，40～100 cm土層的土壤容重及田間持水量分別為1.34 g/cm3和22.24%～27.76%。0～20 cm土層pH 7.42，有機(jī)質(zhì)17.69 g/kg,全氮0.51 g/kg,全磷0.82 g/kg,全鉀8.88 g/kg,有效氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和)39.96mg/kg,有效磷17.99 mg/kg,速效鉀167.85 mg/kg。2017-2018年冬小麥起身期(2018年3月7日)追施復(fù)合肥料(N∶P2O5∶K2O=27∶7∶6)600 kg/hm2。

圖1商丘2017年10月至2018年6月的降雨量與溫度極值

Fig.1 Rainfall (curve) and temperature (bar) extremes from 2017.10 to 2018.06

1.2 試驗(yàn)材料

供試苜蓿品種為美國(guó)進(jìn)口MATTWI包衣種子，試驗(yàn)期間為紫花苜蓿建植第2年。冬小麥品種為新原958。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

苜蓿于2017年4月9日人工播種，播量125 kg/hm2；冬小麥于2017年10月30日人工播種，播量為225 kg/hm2。間作設(shè)2個(gè)處理，即苜蓿、冬小麥帶寬分別設(shè)為1 m∶1 m(MD)和1 m∶2 m(M2D)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每處理小區(qū)長(zhǎng)20 m，寬5 m，另設(shè)單播冬小麥(CK-X)和單播苜蓿(CK-M)作對(duì)照。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 SPAD值 2018年3-6月，每隔10 d測(cè)定苜蓿、冬小麥葉片的SPAD值，測(cè)定時(shí)苜蓿、冬小麥各隨機(jī)選擇10株，測(cè)定位置為冠層葉片的中部。

1.4.2 株高 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇苜蓿、冬小麥各10株，測(cè)量其垂直高度，與SPAD觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行。

1.4.3 產(chǎn)量 冬小麥生理成熟后，每處理收獲3個(gè)1 m2樣方，脫粒曬干折算單產(chǎn)。每小區(qū)隨機(jī)選取10株冬小麥進(jìn)行室內(nèi)考種，測(cè)定株高(cm)、穗長(zhǎng)(cm)、穗粒數(shù)(粒)、千粒重(g)等；苜蓿進(jìn)入初花期后(盛開(kāi)1/5時(shí)為初花期)，每個(gè)處理貼地割取3個(gè)2 m長(zhǎng)行段，剔除其中的雜草后稱鮮重，采集適量鮮樣本測(cè)鮮重和干重(105℃下殺青10 min，然后在80℃條件下烘干至恒重)計(jì)算干鮮比，進(jìn)而計(jì)算苜蓿干鮮產(chǎn)量，共刈割2次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0和Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿和冬小麥葉片的SPAD 值及株高生長(zhǎng)量

2.1.1 苜蓿 由圖2可知，在分枝期與營(yíng)養(yǎng)期(3月29日至4月18日)苜蓿葉片不斷生長(zhǎng)發(fā)育，葉片SPAD值上升，分枝期MD、M2D的SPAD值上升速度大于CK-M，營(yíng)養(yǎng)期SPAD值含量CK-M超過(guò)MD和M2D； 4月28日觀測(cè)，苜蓿進(jìn)入現(xiàn)蕾期，SPAD值最低，現(xiàn)蕾期過(guò)后，MD 的SPAD值開(kāi)始上升，M2D的SPAD值趨于平穩(wěn)，單播苜蓿SPAD值逐漸降低。苜蓿葉片的SPAD值表現(xiàn)為MD>M2D>CK-M，說(shuō)明間套種植對(duì)苜蓿葉片葉綠素含量有一定影響，且?guī)捲秸?，苜蓿葉片葉綠素受影響的強(qiáng)度越大，致使苜蓿葉片內(nèi)SPAD出現(xiàn)不同程度的升高。苜蓿株高均隨著苜蓿生育期的延續(xù)呈逐漸上升趨勢(shì)，且進(jìn)入現(xiàn)蕾期(4月28日)后苜蓿的生長(zhǎng)速度變快，單播苜蓿斜率最大，生長(zhǎng)最快，MD、M2D生育期內(nèi)生長(zhǎng)速率基本相同，M2D株高略高于MD。苜蓿株高表現(xiàn)為CK-M>M2D>MD。

圖2 不同處理苜蓿的SPAD 值和株高

Fig.2 The SPAD value and plant height of alfalfa under different belt intercropping

圖3 不同處理冬小麥的 SPAD值和株高

Fig.3 The SPAD value and plant height of winter wheat under different belt intercropping

2.1.2 冬小麥 由圖3可知，冬小麥在孕穗至成熟期(3月29至5月27日)兩處理葉片的SPAD值均高于單播。孕穗至開(kāi)花期(3月29至4月28日)葉片的SPAD值隨著葉片的生長(zhǎng)緩慢上升，在開(kāi)花期至灌漿期(4月28至5月8日)葉片生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，并供給麥穗養(yǎng)分，冬小麥葉片SPAD增長(zhǎng)趨于平緩，此時(shí)SPAD變化較小。到成熟期時(shí)(5月8日至5月27日)，葉片開(kāi)始衰老，SPAD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在完熟期葉片SPAD下降幅度較大，整體表現(xiàn)為M2D>MD>CK-X，說(shuō)明間作對(duì)冬小麥葉片葉綠素含量有一定的影響，但間作的寬窄對(duì)冬小麥葉片SPAD值影響不大。隨著冬小麥生育期的推進(jìn)，不同處理冬小麥的株高先逐漸上升，進(jìn)入灌漿期以后波動(dòng)幅度變小，逐漸趨于平穩(wěn)，拔節(jié)期、抽穗生長(zhǎng)速度最快，CK-X(單播)平均株高高于MD和M2D，而MD、M2D在生育期內(nèi)株高基本一致，無(wú)明顯變化，整體表現(xiàn)為CK-X>M2D>MD。

2.2 苜蓿和冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

2.2.1 苜蓿 由表1可知，間作對(duì)苜蓿產(chǎn)量有顯著影響，且苜蓿生長(zhǎng)過(guò)程中MD、M2D第1茬鮮草產(chǎn)量為第2茬的2倍左右，單播苜蓿達(dá)不到2倍關(guān)系。處理MD與M2D相比，苜蓿產(chǎn)量差異不顯著。MD、M2D處理與CK-M相比，產(chǎn)量分別減少15.16%和9.36%，差異顯著，表明間作中，苜蓿、冬小麥間隔距離越小產(chǎn)量越低。主要原因是MD、M2D在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)空間、土壤水分、養(yǎng)分和光照等都與冬小麥形成競(jìng)爭(zhēng)，苜蓿產(chǎn)量下降，且在第1次刈割前豫東平原氣溫與降水適宜苜蓿的生長(zhǎng)，進(jìn)入6月以后，氣溫升高，降雨增多，高溫、高濕的雙重脅迫使得苜蓿生長(zhǎng)緩慢，第2茬的產(chǎn)量低于第1茬。

表1不同處理苜蓿的鮮草及干草產(chǎn)量

Table 1 The fresh and dry grass yield of alfalfa with different treatments kg/hm2

注：同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: The lowercase in the same column indicates significant differences (P<0.05).The same below.

2.2.2 冬小麥 由表2可知，間作對(duì)冬小麥產(chǎn)量具有顯著影響。MD處理與M2D相比，有效穗數(shù)稍增多，但穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和千粒重M2D均高于MD，兩者產(chǎn)量存在顯著差異。MD、M2D處理與CK-X相比，有效穗數(shù)與單播冬小麥存在顯著差異；MD、M2D穗粒數(shù)與千粒重均高于單播冬小麥，穗粒數(shù)MD與CK-X間差異顯著，千粒重3者之間均無(wú)顯著差異；MD、M2D 產(chǎn)量分別比CK-X減少41.04%和29.72%，原因主要是麥穗的春化階段，豫東地區(qū)氣溫驟降，零下的低溫對(duì)冬小麥造成凍害，影響冬小麥的有效穗數(shù)，此時(shí)單播冬小麥的株高遠(yuǎn)高于間套，受影響較小，產(chǎn)量提高，在冬小麥灌漿期至乳熟期，水熱需求量大，兩者脅迫競(jìng)爭(zhēng)，葉綠素含量增高，此時(shí)間套的穗粒數(shù)與千粒重優(yōu)于單播冬小麥。

表2 不同處理冬小麥的產(chǎn)量形成要素

2.3 不同處理葉片 SPAD值與產(chǎn)量的關(guān)系

從表3可知，MD處理小麥和苜蓿葉片的SPAD值與產(chǎn)量相關(guān)性不顯著，MD、CK-M、CK-X苜蓿、冬小麥葉片SPAD值與產(chǎn)量呈線性正相關(guān)關(guān)系，M2D處理小麥的線性高度相關(guān)，表明苜蓿、冬小麥葉片SPAD值與產(chǎn)量具有一定的相關(guān)性。

表3不同處理苜蓿、冬小麥葉片SPAD與產(chǎn)量(Y)的回歸分析

Table 3 Regression analysis of leaf SPAD and yield (Y) of alfalfa and winter wheat with different treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

葉綠素作為光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響葉片光能利用率的高低，根據(jù)SPAD值變化可對(duì)產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)性預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明，1)苜蓿生長(zhǎng)過(guò)程中，間作對(duì)苜蓿葉片葉綠素含量造成一定影響，且間作越窄，苜蓿葉片葉綠素受影響的強(qiáng)度越大，苜蓿葉片內(nèi)SPAD值出現(xiàn)不同程度的升高，單播苜蓿葉片SPAD值顯著低于間作，且產(chǎn)量有顯著性差異，1 m∶2 m間作模式下苜蓿葉片SPAD值與產(chǎn)量呈高度線性正相關(guān)關(guān)系。2) 冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，間作冬小麥葉片SPAD值表現(xiàn)為M2D>MD>CK-X，但間作的寬窄對(duì)冬小麥葉片SPAD值含量的影響不大，單播冬小麥葉片SPAD值顯著低于間作，且產(chǎn)量有顯著性差異；1 m∶2 m間作模式下冬小麥葉片SPAD值與產(chǎn)量呈高度線性正相關(guān)關(guān)系。3) 間作后，冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成中冬小麥穗粒數(shù)、千粒重與單播冬小麥產(chǎn)生顯著差異，冬小麥品質(zhì)發(fā)生改變，有利于優(yōu)質(zhì)冬小麥的培育。

3.2 討論

有研究表明，小麥單產(chǎn)與有效穗數(shù)的相關(guān)系數(shù)為r=0.894 1,小麥產(chǎn)量與有效穗數(shù)和穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)[13-14],套作小麥有效穗與小麥播幅呈極顯著正相關(guān)，有效穗對(duì)產(chǎn)量的直接作用最大[15]，本試驗(yàn)中，單播冬小麥的有效穗數(shù)和產(chǎn)量最高，與該研究結(jié)果相似。小麥拔節(jié)期低溫對(duì)有效穗數(shù)和千粒重的影響更為嚴(yán)重[16]。張麗等[17]研究表明，葉片 SPAD 值遞減值可作為判定成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量高低的指標(biāo)，可利用葉片 SPAD值遞減值并結(jié)合相關(guān)模型快速預(yù)測(cè)玉米籽粒蛋白質(zhì)含量。馬甜等[18]研究亦表明，羊草葉片的 SPAD 值能夠反映羊草的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。姜瑛等[19]研究冬小麥孕穗期冠層葉片SPAD值與產(chǎn)量顯著正相關(guān)。本研究進(jìn)一步表明，苜蓿、冬小麥葉片SPAD值與產(chǎn)量具有一定的相關(guān)性。春季常會(huì)出現(xiàn)“倒春寒”天氣，小麥有效穗數(shù)減少[20]，成熟期頂1葉SPAD值下降速率與成熟期千粒重有顯著線性相關(guān)關(guān)系[21]，且旗葉對(duì)千粒重的貢獻(xiàn)最大[22]。間作后小麥冠層葉片SPAD值增大，成熟期SPAD下降速率低于單播小麥，穗粒數(shù)、千粒重高于單播小麥，但總產(chǎn)量低于單播小麥。本試驗(yàn)過(guò)程中，麥穗春化階段受“倒春寒”影響，致使間作小麥有效穗數(shù)降低，產(chǎn)量低于單播小麥。如不受“倒春寒”影響，間作的有效穗數(shù)增加，此時(shí)小麥產(chǎn)量如何變化有待研究。