免耕條件下推遲灌拔節水對冬小麥葉片水分利用效率和產量的影響

2018-08-29 12:01:40任玉潔閆振興馬玉詔李全起

中國農村水利水電 2018年8期

高超，宗睿，任玉潔，閆振興，馬玉詔，李全起

(山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安 271018)

0 引言

免耕由西方國家發展而來，在干旱地區的免耕可以改善土壤機能，起到保水保墑、防止地表裸露、增強土壤抗侵蝕能力等作用[1-3]。我國華北冬麥區，由于長期過度翻耕，造成了地表水土流失，土壤裸露，肥力下降，環境矛盾日益突出等問題。相關研究表明，免耕可通過降低土壤容重、促進土壤團聚體形成等作用提高土壤蓄水能力和水分利用效率[4]。免耕方式可顯著抑制冬小麥田棵間蒸發[5]，增加土壤水分含量，削弱地表徑流，減少水土流失[6]。因此，在華北冬麥區推廣免耕等保護性耕作，對緩解干旱災害，改善生態環境具有重要意義。

在華北冬麥區，冬小麥需水量為400～500 mm[7]；然而，在冬小麥生育期間(10月初到來年6月中旬)，降水量約為200 mm，有限降水并不能滿足冬小麥正常生長的需要。為了獲得穩產或高產，冬小麥生育期間需要進行補充灌溉[8]。在總灌溉量有限條件下，對冬小麥關鍵生育期灌溉研究成了眾多學者關注的重點。研究表明，在冬小麥拔節期和抽穗期灌溉可激發冬小麥群體調節能力，獲得最高水分利用效率[9]。在冬小麥生育前期通過水分調虧，而后進行復水，冬小麥出現超補償生長[10,11]。

在華北冬麥區，大量研究表明，在免耕條件下，冬小麥群體數量減少，顯著降低了籽粒產量[12]。而郎坤等研究表明，于冬小麥拔節期推遲10 d灌溉，可提高冬小麥生育后期旗葉光合速率和葉片水分利用效率(WUEL)，進而提高籽粒產量[13]。但是，在免耕條件下，于冬小麥拔節期推遲10 d灌溉是否可進一步提高冬小麥生育后期的光合速率，進而對籽粒產量損失起補償作用等問題還不明確。因此，本實驗以冬小麥為研究對象，在免耕條件下，于拔節期推遲10 d灌溉，探討冬小麥生育后期旗葉的光合特性，為冬小麥種植區提供一種高效節水的耕作和灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015-2016年冬小麥生育期在山東省泰安市山東農業大學農學實驗站(36°09′ N, 117°09′ E)水分池內進行。該地區屬溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為690 mm，冬小麥生育期間降水量不到年降水量的30%，冬小麥在2015-2016年度內日降雨量和日氣溫如圖1所示。水分池的長和寬各為3 m，池頂到池底高度為1.5 m，四周磚砌，用水泥抹面防水，底部不密封，池內土壤為原狀土，0～20 cm土層中，速效磷、總氮和速效鉀含量分別為82、65 和15 mg/kg。播種進行施肥處理，底施尿素、磷酸二銨和硫酸鉀分別為19.2、 26.1和21.0 g/m2，于拔節期以及拔節后10 d，結合灌溉追施尿素19. 2 g/m2。試驗種植采用的冬小麥品種為濟麥22，于2015年10月8日播種，2016年6月15日收獲。播種的方式為人工點播，密度為222 株/m2。

圖1 2015-2016冬小麥生育期日降雨量和日氣溫變化 Fig1. Daily rainfall and temperature during the winter wheat growing season from 2015 to 2016

1.2 試驗設計

本試驗采用耕作方式與灌溉時間相結合的裂區試驗設計方法，主區為免耕(NT)和常規耕作(CT)兩種耕作方式。NT處理即在上茬作物(玉米)收獲后，土壤不翻動，只將玉米秸稈粉碎并覆蓋在地表；CT處理即在上一茬作物(玉米)收獲后，將殘留的秸稈清理出小區并人工進行翻耕，翻耕深度為20 cm。副區為拔節期灌溉60 mm(I1)和拔節期推遲10 d灌溉60 mm(I2)兩個灌溉時間，每個處理設置三個重復，共12個小區。試驗時，在出水口處安裝測量表，控制灌水時間和流量，使每個小區的灌水總量和均勻度保持一致。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤水分含量

在冬小麥開花期、灌漿期和成熟期，用中子儀(CNC503D)測定土壤水分含量。每10 cm為一個層次，測深為120 cm。0～20 cm土壤水分含量用取土烘干法校正。

1.3.2 葉面積指數

在冬小麥開花期、灌漿期和成熟期，于每個小區內連續取15株進行測量。葉面積按以下公式計算[14]：

葉面積=葉長×葉寬×0.78

式中：葉長是葉舌與葉尖之間的距離，葉寬是葉片最寬點處的寬度。

1.3.3 光合速率和蒸騰速率

選擇無風晴天，于 9∶00-11∶00 之間用美國LI-COR公司生產的光合作用測定系統 (LI-6400)在每小區選取3株具有代表性植株，在冬小麥開花期、灌漿期和成熟期分別測量旗葉光合速率和蒸騰速率。測量過程中，將光系統內置光照強度設置為1 600 μmol·(m2·s)。

1.3.4 葉片水分利用效率(WUEL)

用葉片通過蒸騰消耗一定量的H2O所同化的CO2量計算WUEL公式[13]如下:

WUEL=Pn/Tr

式中：Pn為冬小麥旗葉凈光合速率,μmol/(m2·s);Tr為旗葉蒸騰速率，mmol/(m2·s);WUEL為葉片層面水分利用效率，μmol/mmol。

1.3.5 產量以及產量要素

收獲時，在每個試驗小區取長勢一致、長度為1.5 m的冬小麥雙行調查穗數，另外連續取20株于室內考察穗粒數。風干后，測定千粒重和籽粒產量。

1.4 統計分析

所有數據均通過Microsoft Excel 2007和DPS ( Data Processing System) 進行處理分析，采用LSD(α= 0.05)法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤水分含量

圖2 為冬小麥開花期、灌漿期和成熟期的土壤水分含量。從開花期到成熟期，土壤水分含量呈遞減規律。開花期，在0～100 cm 土層內，NT-I2的土壤水分含量最高，其次為NT-I1，CT-I2和CT-I1間差異不顯著。灌漿期，在30 cm以下土層內，免耕處理的土壤水分含量顯著高于常規耕作處理。成熟期，在0～120 cm土層內，各處理間的土壤水分含量沒有顯著差異。

圖2 冬小麥不同生育期土壤水分含量Fig.2 Soil moisture content in different growth stages of winter wheat

2.2 葉面積指數

圖3 為冬小麥開花期、灌漿期和成熟期的葉面積指數(LAI)。從開花期到成熟期，LAI呈逐漸降低趨勢。開花期，CT-I1的LAI高于其他處理；在耕作方式相同的情況下，I1的LAI比I2顯著提高了13.5%。灌漿期，免耕處理的LAI顯著低于常規耕作處理；I1和I2間的差異不顯著。成熟期，灌溉條件相同的情況下，免耕處理與常規耕作處理間的差異逐漸縮小。

圖3 冬小麥不同生育期葉面積指數Fig.3 Leaf area index of winter wheat at different growth stages

2.3 光合速率

在冬小麥開花期，兩種耕作方式之間旗葉的光合速率差異不顯著；但是，推遲拔節期灌溉提高了旗葉的光合速率(圖4)。在灌漿期，各處理旗葉光合速率的關系為：NT-I2 >CT-I2 > NT-I1 >CT-I1，免耕比常規耕作提高了13.0%；與拔節期正常時間灌溉相比，拔節期延遲灌溉的處理使光合速率提高了20.1%。在成熟期，NT-I2 處理的旗葉光合速率最大，且各處理間的關系為NT-I2 > NT-I1 > TC-I2 > TC-I1。因此，在冬小麥的籽粒形成時期，免耕能夠提高葉片的光合速率，為最終收獲期提高產量創造條件。

圖4 冬小麥不同生育期旗葉光合速率Fig.4 Photosynthetic rate of winter wheat at different growth stages

2.4 蒸騰速率

圖5是冬小麥在開花期、灌漿期和成熟期旗葉的蒸騰速率，在這三個生育期中，葉片的蒸騰速率先增后減。四個不同處理蒸騰速率的峰值均在灌漿期，而最低出現在開花期。在開花期，與免耕相比，常規耕作處理冬小麥旗葉能夠取得更大蒸騰速率。在開花期以后，免耕耕作方式提高了旗葉的蒸騰速率。在成熟期，灌溉與耕作相互耦合的作用下，NT-I1處理比CT-I1處理的蒸騰速率高9.1%，NT-I2處理比CT-I2處理高8.0%。因此，在冬小麥生育后期通過免耕可以提高蒸騰速率，增加有效耗水量。

圖5 冬小麥不同生育期旗葉蒸騰速率Fig.5 Transpiration rate of flag leaf at different growth stages of winter wheat

2.5 葉片水分利用效率

在冬小麥生育后期，WUEL呈逐漸遞減趨勢(圖6)。在開花期，NT-I1處理取得了最高的WUEL。在灌溉時間相同時，旗葉的WUEL大小順序為NT-I2>CT-I2, NT-I1>CT-I1；耕作方式相同時，NT-I1處理比NT-I2處理提高了9.4%，CT-I1和CT-I2間的沒有顯著差異。在冬小麥灌漿期，灌溉時間相同時，免耕處理的WUEL顯著高于常規耕作處理，且NT-I2處理和CT-I2處理處理旗葉的WUEL分別比NT-I1處理和CT-I1處理提高了23.0%和17.9%。在冬小麥成熟期，各處理間WUEL的大小順序為NT-I2>NT-I1>CT-I1>CT-I2。以上分析表明，在冬小麥灌漿期和成熟期，NTI2處理的WUEL最大，可為免耕條件下實現水分的高效利用提供保證。

圖6 冬小麥不同生育期旗葉葉片水分利用效率Fig 6. Water use efficiency of flag leaf in different growth stages of winter wheat

2.6 產量及產量構成要素

表1是2015-2016年，兩種灌溉處理與兩種耕作方式相互作用下冬小麥的產量。由試驗數據可知，免耕顯著提高了冬小麥的千粒重以及穗粒數，但在收獲時的有效穗數卻顯著低于常規耕作，造成減產。改變灌拔節水時間即延后10 d灌溉雖然降低了千粒重，但是顯著提高了收獲時的有效穗數以及穗粒數，從而顯著提高了籽粒產量，為冬小麥產量的增加提供了有利條件。

耕作方式和灌溉時期的耦合效應顯示，NT-I2處理的穗數比NT-I1處理顯著提高了8.6%，CT-I2處理的穗數比CT-I1處理顯著提高了5.8%，CT-I2處理冬小麥的籽粒產量顯著高于其余各處理。結果說明，免耕處理穗數的顯著降低造成了冬小麥的減產，而推遲拔節期灌溉能夠增加冬小麥的穗數和穗粒數，對免耕處理籽粒產量降低起到了補償作用。

3 結論

在冬小麥開花期到成熟期，免耕在冬小麥生育中期顯著降低了植株的LAI, 但是在生育后期LAI與常規耕作差距減小。免耕在冬小麥生育前中期能有效提高土壤水分含量，并在生育后期增加對土壤水的消耗量。免耕雖然提高了冬小麥生育后期旗葉光合速率以及增加了作物的有效耗水，但是降低了冬小麥收獲時的有效穗數而導致籽粒產量顯著降低，造成減產。在總灌溉量不變條件下，于冬小麥拔節期灌溉推遲至拔節后10 d灌溉，可顯著增加構成產量要素中的有效穗數，顯著提高了冬小麥籽粒產量。結果表明，免耕與推遲拔節期灌溉相結合可補償由于免耕而引起的冬小麥籽粒產量損失。