土壤深松和补灌对小麦干物质生产及水分利用率的影响

2013-05-14郑成岩于振文张永丽许振柱

生态学报 2013年7期

郑成岩，于振文，张永丽，* ，王东，石玉，许振柱

(1.山东农业大学农学院/农业部作物生理生态与栽培重点开放实验室，泰安 271018;2.中国农业科学院作物科学研究所/农业部作物生理生态重点实验室，北京 100081;3.中国科学院植物研究所/植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093)

在我国北方地区，灌溉是小麦获得高产的重要措施。Li等［1-3］研究表明，限量灌溉有利于小麦干物质积累，促进籽粒灌浆，最终提高产量。高产小麦开花后干物质积累量占籽粒产量的80%以上［4］，随灌水量的增大开花后干物质积累量提高，灌水量过多显著减少干物质向籽粒的分配，籽粒产量降低［5］。刘庚山等［6］研究认为，在春季灌水总量一定的条件下，拔节期灌水能促进作物对深层土壤水的利用，提高水分利用率和灌溉效率。通过优化耕作措施，可以充分利用降水资源，提高水分利用率和作物产量［7］。在旱作条件下，免耕覆盖可以使小麦籽粒产量提高19.3%［8］，但多年少免耕导致土壤坚实，土壤容重增大，影响作物根系对土壤养分和水分的吸收，不利于产量的提高［9-10］。深松耕作通过深松铲疏松土壤，可降低土壤容重，增加土壤通透性［11-12］，有利于改善旗叶光合性能，提高植株干物质积累量，增加对小麦籽粒源的供应，提高穗粒数和千粒重，获得较高的产量［8，13］。前人就耕作方式和土壤水分单一因素对小麦产量形成的影响已有研究，并多采用定量灌溉的方法，未考虑实际的土壤水分状况，而且就深松的后续效果尚少见报道。本文以0—140 cm土层平均土壤相对含水量为目标含水量，采用测墒补灌的方法，研究1次深松耕作后土壤水分对冬小麦籽粒产量和水分利用率影响的后效，为制定小麦节水高产栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2008—2009和2009—2010小麦生长季在2007—2008年试验［14］的同一地块上进行定位试验，供试品种为高产中筋小麦济麦22。2007—2008生长季设置2种耕作方式，分别为旋耕(R，Rotary tillage)和深松+旋耕(RS，Rotary tillage after subsoiling)。2008—2009和2009—2010生长季的“深松+旋耕”处理不再深松，以研究土壤经一次深松耕作后对小麦籽粒产量和水分利用率影响的后效，降低机械作业成本。

2008—2009生长季，每种耕作方式下设置5个土壤水分处理(表1)。播种前试验田0—20 cm土层含有机质14.5 g/kg、全氮10.3 g/kg、碱解氮106.81 mg/kg、速效磷35.18 mg/kg和速效钾116.90 mg/kg。小麦生育期间降水量为:播种至越冬期13.8 mm、越冬至拔节期46.9 mm、拔节至开花期53.6 mm、开花至成熟期26.3 mm。播种前每公顷施纯氮105 kg，P2O5150 kg，K2O 150 kg，拔节期每公顷开沟追施纯氮135 kg。2008年10月8日播种，2009年6月10日收获。

2009—2010生长季，每种耕作方式下设置3个土壤水分处理(表1)。播种前试验田0—20 cm土层含有机质14.8 g/kg、全氮10.6 g/kg、碱解氮104.30 mg/kg、速效磷34.55 mg/kg和速效钾124.92 mg/kg。小麦生育期间降水量为:播种至越冬期48.1 mm、越冬至拔节期46.1 mm、拔节至开花期27.0 mm、开花至成熟期42.0 mm。化肥施用量与2008—2009生长季相同。2009年10月9日播种，2010年6月17日收获。

两生长季小区面积均为4 m×4 m=16 m2，小区间设2 m宽保护行，随机区组设计，3次重复;四叶期定苗，留苗密度180株/m2;按当地高产田进行田间管理。

表1 水分处理方案Table 1 Water treatment design

1.2 土壤耕作程序

1.2.1 深松+旋耕

前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→ZS-180型振动深松机深松1遍(深度38 cm)→旋耕机对全部土地面积旋耕2遍(深度15 cm)→耙地2遍→筑埂打畦→机播下种。

1.2.2 旋耕

前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→旋耕机对全部土地面积旋耕2遍(深度15 cm)→耙地2遍→筑埂打畦→机播下种。

1.3 旗叶光合速率和蒸腾速率的测定

用英国PP-System公司产CIRAS-2型光合作用测定系统，分别于灌浆初期、灌浆中期和灌浆后期9:00—11:00，于自然光照下测定旗叶光合速率和蒸腾速率［15］。

旗叶瞬间水分利用率用叶片蒸腾消耗一定量的水所同化的CO2量来表示，即LWUE=Pn/Tr。式中，LWUE为旗叶瞬间水分利用率(μmol CO2/mmol H2O)。Pn和Tr分别为净光合速率(μmol CO2·m-2·s-1)和蒸腾速率(mmol H2O·m-2·s-1)。

1.4 土壤含水量测定及灌水量计算

于每次灌水前2 d用土钻取0—200 cm土层的土壤，每20 cm为一层，将样品立即装入铝盒，称鲜重，110℃烘干至恒重，称干重，计算0—200 cm土层土壤质量含水量。需补充的灌水量依据公式m=10ρbH(βi-βj)计算，以达到目标含水量［16］，即测墒补灌，式中m为灌水量(mm)，H为该时段土壤计划湿润层的深度(本试验为140 cm)，ρb为计划湿润层内土壤容重(g/cm3)，βi为设计的质量含水量(田间持水量乘以设计相对含水量)，βj为灌溉前土壤质量含水量。用水表计量灌水量。于灌水后3d测定0—140 cm土层土壤平均相对含水量。

两个生长季均按计算结果补充灌水量，2008—2009生长季，深松+旋耕和旋耕方式下，补充灌溉后测定的土壤相对含水量的相对误差平均值(以下简称调控误差)播种期分别为0.93%和1.45%，越冬期分别为1.24%和1.36%，拔节期分别为0.80%和0.94%，开花期分别为1.08%和0.56%。2009—2010生长季，播种期的调控误差分别为0.98%和0.25%;越冬期分别为0.38%和1.44%;拔节期分别为0.65%和1.49%;开花期分别为1.78%和1.05%(表2)。表明根据灌水前测定的土壤含水量补充灌溉，能够达到预期设计的目标含水量。

表2 不同处理0—140 cm土层的目标含水量和土壤相对含水量Table 2 Target water content and relative water content in 0—140 cm soil layer of different treatments

1.5 农田耗水量及水分利用率和灌溉效益计算

采用测定土壤含水量计算耗水量的方法［17］n)，式中ET1-2为阶段耗水量;i为土层编号;n为总土层数;γi为第i层土壤干容重;Hi为第i层土壤厚度;θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的含水量，以占干土重的百分数计;M为时段内的灌水量;P0为有效降水量;K为时段内的地下水补给量。本试验研究0—200 cm土层的土壤含水量，而该试验区地下水埋深在5 m以下，因此可视地下水补给量为0。

水分利用率、灌溉效益的计算公式分别为WUE=Y/ETα［18］和 IB= ΔY/I［19］，式中 WUE 为水分利用率(kg·hm-2·mm-1)，Y为籽粒产量(kg/hm2)，ETα为小麦生育期间实际耗水量(mm)，即各阶段耗水量之和;IB为灌溉效益(kg·hm-2·mm-1)，ΔY为灌溉后增加的产量(kg/hm2)，I为实际灌水量(mm)。

1.6 干物质积累与分配

于越冬、返青、拔节、开花和成熟期进行群体动态调查和取样，其中前3个生育期留取整株样品，开花期分为穗、叶片和茎秆+叶鞘3部分，成熟期分为籽粒、叶片、茎秆+叶鞘和颖壳+穗轴4部分，样品于80℃烘至恒重，称干重。计算公式［20］如下:

营养器官开花前贮藏同化物转运量 =开花期植株干重-成熟期营养器官干重

营养器官开花前贮藏同化物转运率(%)=(开花期植株干重-成熟期营养器官干重)/开花期植株干重×100

开花后同化物输入籽粒量 =成熟期籽粒干重-营养器官开花前贮藏同化物转运量

营养器官开花前贮藏同化物对籽粒产量的贡献率(%)=营养器官开花前贮藏同化物转运量/成熟期籽粒干重×100

1.7 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel 2003软件进行数据计算和作图，用DPS7.05统计分析软件进行数据差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对成熟期0—200 cm土层土壤含水量的影响

由图1可知，2008—2009生长季，同一水分处理条件下，旋耕处理0—200 cm土层的土壤含水量高于深松+旋耕处理，分别高13.0%、16.4%、11.7%、11.1%和12.8%。旋耕处理40—180 cm各土层的土壤含水量均高于深松+旋耕处理，表明深松耕作有利于小麦开花至成熟阶段对深层土壤水分的消耗，成熟期0—200 cm土层的土壤含水量降低。

图1 不同处理对成熟期各土层土壤含水量的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil moisture content of different soil layer at maturity

同一耕作方式下，W0处理40—200 cm各土层的土壤含水量均低于灌水处理。深松+旋耕方式下，W3处理60—180 cm各土层的土壤含水量均低于W4处理，与W1和W2处理无显著差异;旋耕方式下，W3处理20—140 cm各土层的土壤含水量均低于W4处理，与W1和W2处理无显著差异。上述结果表明，全生育期补灌水量多，不利于小麦对土壤贮水尤其是60—140 cm土层土壤水分的消耗，成熟期土壤含水量高。2009—2010生长季，旋耕处理0—200 cm土层的土壤含水量比深松+旋耕处理分别高10.2%、9.4%和5.9%;各处理土壤水分变化趋势与2008—2009生长季一致。

2.2 不同处理对小麦旗叶光合速率、蒸腾速率和旗叶瞬间水分利用率的影响

由表3可以看出，同一水分处理下，深松+旋耕处理的旗叶光合速率和瞬间水分利用率均高于旋耕处理，蒸腾速率无显著差异，表明深松有利于小麦在灌浆期维持较高的旗叶光合速率和瞬间水分利用率。

同一耕作方式下，2008—2009生长季，灌水处理的光合速率、蒸腾速率和旗叶瞬间水分利用率在灌浆期均高于不灌水处理;灌水处理之间比较，光合速率、蒸腾速率、旗叶瞬间水分利用率在灌浆后期为W4＞W3＞W2、W1。2009—2010生长季，W'3和W'4处理灌浆期的光合速率、蒸腾速率和叶片瞬间水分利用率均高于W'0处理，W'3与W'4无显著差异。上述结果表明W3和W'3处理能够保持灌浆后期较高的光合速率，获得较高的旗叶瞬间水分利用率。

表3 不同处理对小麦旗叶光合特性的影响Table 3 Effects of different treatments on flag leaf photosynthetic characteristic

2.3 不同处理对小麦干物质积累与分配的影响

2.3.1 不同生育时期干物质积累量

由图2可以看出，同一水分处理条件下，深松+旋耕处理拔节、开花和成熟期的干物质积累量均高于旋耕处理，表明深松有利于提高小麦拔节后干物质积累量，为高产奠定基础。

同一耕作方式下，2008—2009生长季，各水分处理的干物质积累量越冬期无显著差异;返青期为W0、W1、W2＞W3、W4;拔节期为 W4、W3、W2＞W1、W0;开花期为 W4＞W3、W2、W1＞W0;成熟期为 W3、W4＞W1、W2＞W0。2009—2010生长季，各水分处理的干物质积累量越冬期亦无显著差异;返青和拔节期W'4高于W'3和W'0处理;开花和成熟期W'3和W'4高于W0'处理，W'3与W'4之间无显著差异。以上结果示出，W3和W'3处理返青期之前干物质积累量较低，拔节期之后均高于播种期和越冬期未灌水的处理，为获得高产奠定了物质基础。

图2 不同处理对冬小麦干物质积累量的影响Fig.2 Effect of different treatments on dry matter accumulation amount in winter wheat

2.3.2 成熟期干物质在不同器官中的分配

由表4可以看出，同一水分处理条件下，深松+旋耕处理成熟期籽粒的干物质分配量和分配比例高于旋耕处理，茎秆+叶鞘+叶片的分配比例低于旋耕处理，表明深松有利于干物质向籽粒分配，其营养器官干物质分配比例低。

2008—2009生长季，不灌水处理各营养器官的干物质积累量均低于灌水处理，籽粒的分配比例高于灌水处理。深松+旋耕条件下，成熟期干物质在籽粒中的分配量为W3和W4高于W2和W1处理，在籽粒和穗轴+颖壳中分配比例为W1、W2和W3高于W4处理，茎秆+叶鞘+叶片分配量及其分配比例为W4＞W3＞W2、W1。旋耕条件下，成熟期干物质在籽粒中分配量为W1、W2和W3高于W4处理，分配比例为W1＞W2、W3＞W4;在穗轴+颖壳中分配量各处理无显著差异;茎秆+叶鞘+叶片分配及其分配比例为W4高于W3处理，W3高于W2和W1处理。2009—2010生长季，W'3成熟期干物质向籽粒和穗轴+颖壳的分配量及其分配比例高于W'4处理;茎秆+叶鞘+叶片分配量及其分配比例低于W'4处理。表明W3和W'3处理有利于成熟期干物质积累量在籽粒中的分配;在此基础上增加补灌水量的W4和W'4处理，其光合产物过多的滞留于营养器官，不利于向籽粒中转运。

表4 不同处理对成熟期干物质在不同器官中分配的影响Table 4 Effects of different treatments on dry matter distribution in different organs at maturity

2.3.3 开花后营养器官干物质再分配及其对籽粒贡献率

由表5可以看出，同一水分处理条件下，深松+旋耕的开花后干物质积累量和开花后干物质同化量对籽粒产量的贡献率高于旋耕处理;营养器官开花前贮藏同化物转运量和开花前贮藏同化物转运量对籽粒产量的贡献率低于旋耕处理。表明深松提高了开花后干物质的积累能力，增加了籽粒中来自开花后干物质的比例，这是深松+旋耕处理获得高产的生理基础。

表5 不同处理对营养器官同化物再分配量和积累量的影响Table 5 Effects of different treatments on photoassimilate translocation amount from vegetative organs to grain and its accumulation amount after anthesis

2008—2009生长季，W0和W1的营养器官开花前贮藏同化物转运量及其对籽粒的贡献率显著高于W2、W3和W4处理;W2与W4之间无显著差异，均高于W3处理;W3开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率显著高于其他处理;W4与W2之间无显著差异，高于W1和W0处理。2009—2010生长季，营养器官开花前贮藏同化物转运量及其对籽粒的贡献率为W'0＞W'3、W'4;开花后干物质同化量对籽粒的贡献率为W'4、W'3＞W'0。表明全生育期不灌水有利于小麦开花前贮藏在营养器官的同化物向籽粒中转运，不利于开花后同化物的积累和转运。两年度在播种期、越冬期、拔节期、开花期土壤相对含水量分别为85%、80%、75%、75%(W3)和85%、85%、75%、75%(W'3)条件下，小麦开花后同化物的积累量和向籽粒中的转运量大，有利于产量的提高。

2.4 不同处理对籽粒产量和水分利用率的影响

由表6可以看出，不灌水条件下，深松+旋耕的水分利用率低于旋耕处理;灌水条件下，深松+旋耕的水分利用率高于旋耕处理。同一水分处理条件下，深松+旋耕的籽粒产量和灌溉效益均高于旋耕处理。表明1a深松对小麦后续2a仍能显著提高其水分利用率。

表6 不同处理对籽粒产量和水分利用率的影响Table 6 Effects of different treatments on grain yield and water use efficiency

2008—2009生长季，W3的籽粒产量高于W2、W1和W0，与W4处理无显著差异，水分利用率高于W2和W4，与W1处理无显著差异;灌溉效益在深松+旋耕条件下为W3、W1＞W2＞W4，在旋耕条件下为W3＞W1＞W2＞W4。2009—2010生长季，W'3的灌溉效益高于W'4处理，水分利用率高于W'4和W'0处理。籽粒产量在深松+旋耕条件下为W'3＞W'4＞W'0，在旋耕条件下为W'3、W'4＞W'0。表明W3和W'3处理在两年度分别获得高的籽粒产量和灌溉效益及较高的水分利用率。

两年度结果示出，深松+旋耕条件下，播种期、越冬期、拔节期、开花期0—140 cm土层土壤相对含水量分别达到85%、80%、75%、75%的W3处理和85%、85%、75%、75%的W'3处理籽粒产量和水分利用率较高，灌溉效益高于其他处理，是兼顾高产节水高效的最优处理。越冬期再增加补充灌水量的W4和W'4处理农田耗水量显著增高，水分利用率和灌溉效率均降低。

3 讨论

前人采用定量灌溉的方法对小麦节水高产的灌水次数和灌水量已进行过较多研究。在华北高产麦区，春灌2水，每次75 mm，冬小麦籽粒产量为7716.7 kg/hm2，水分利用率为15.9 kg·hm-2·mm-1，是最优的灌水模式［21］。播种前、拔节和开花期各灌水75 mm，最高产量可达8240 kg/hm2，水分利用率为17.43 kg·hm-2·mm-1［22］;有研究表明，拔节和抽穗期每次灌水 60 mm，冬小麦籽粒产量可达 8139.6 kg/hm2，水分利用率为 17.6 kg·hm-2·mm-1［23］。本文采用测墒补灌的方法在深松+旋耕和旋耕两种耕作方式下的结果表明，2008—2009生长季(小麦生育期降水量140.6 mm)补灌水量为116.6 mm，籽粒产量为9541.0 kg/hm2，水分利用率为20.0 kg·hm-2·mm-1;2009—2010生长季(小麦生育期降水量163.2 mm)补灌水量为111.3 mm，籽粒产量为9786.8 kg/hm2，水分利用率为21.0 kg·hm-2·mm-1。两生长季各处理灌水量均低于150 mm，籽粒产量达7627.3—9786.8 kg/hm2，水分利用率达18.2—21.0 kg·hm-2·mm-1，说明测墒补灌在不同耕作方式下能够实现节水高产的目标。

土壤深层贮水具有较高的生物有效性，提高深层土壤水分的利用程度可显著提高水分利用率和灌溉效率［6］。少免耕能够提高小麦生长发育时期的土壤含水量［9，24］，但多年实施少免耕，造成土壤压实程度加重，影响作物根系发育［25］。深松耕作对雨水的保蓄能力较强，能够提高土壤根系活力，并促进根系对土壤水分的利用［26］。有研究认为，在华北平原，灌溉可以促进光合产物向小麦根系的分配，诱导根系发育和深扎，成熟期最大根深可达2 m，有利于对土壤水分的高效利用［27］。Liu等［28］研究亦表明，充足的底墒能够促进小麦根系对土壤水分的吸收，降低收获时土壤含水量，提高土壤水分利用率。本试验中，深松+旋耕方式下的W3和W'3处理成熟期40—180 cm土层的土壤含水量低于旋耕方式下的相应处理，这说明该处理开花至成熟期对土壤水的消耗量高。开花至成熟期是小麦耗水最多的时期，此时期小麦对土壤贮水的消耗量高，有利于获得高的水分利用率［29］。

不同耕作栽培措施通过改善耕层土壤水分条件，提高小麦干物质积累能力。小麦连年采用旋耕整地会导致土壤耕层变浅、保肥保墒能力下降，不利于小麦的生长发育［30］，深松耕作下小麦开花后的绿叶面积和旗叶瞬间水分利用率较高，提高了作物群体和旗叶的光合生产能力，增加了后期的干物质积累量，有利于获得高的籽粒产量［31-32］。灌水亦提高了小麦旗叶光合速率和干物质积累量［33］，而在某些生育时期水分适度亏缺，有利于同化物向籽粒转运，提高收获指数［34-35］。有研究指出［36］，随着灌水量和灌水次数增加，开花前干物质向籽粒的转运率、转运量和对籽粒产量的贡献率均降低。本试验研究结果表明，深松有利于提高开花后干物质积累量和光合产物向籽粒的分配，使深松+旋耕处理开花后干物质积累量对籽粒的贡献率高于旋耕处理。对小麦播种期、越冬期、拔节期和开花期的0—140 cm土层土壤相对含水量进行调节，按照设计相对含水量进行测墒补灌，随着补灌水量增加，拔节至成熟期的干物质积累量增加。与其他处理相比较，深松+旋耕条件下的W3和W'3处理在各主要生育时期土壤含水量适宜，提高了开花后同化物的生产能力和向籽粒中的分配比例，有利于增加粒重，这是该处理获得高产的生理基础。

本试验中，在1a深松基础上连续3a旋耕下，播种期、越冬期、拔节期和开花期0—140cm土层平均土壤相对含水量，在2008—2009生长季分别为85%、80%、75%和75%，2009—2010生长季为85%、85%、75%和75%，灌溉水用量较低，籽粒产量和水分利用率高，是节水高产的最优处理。

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