耕作方式和有机物料还田对小麦叶片光合特性及产量的影响
2018-06-29王敬婼冯荣成张紧紧崔景明王温澎李昊烊
邵 云, 王敬婼, 冯荣成, 张紧紧, 崔景明, 王温澎, 李昊烊
(1.河南师范大学生命科学学院,河南新乡 453007; 2.河南省获嘉县农业技术推广中心,河南获嘉 453800)
近年来我国农业发展迅速,粮食产量已实现“十二连增”的喜人成绩,但随之而来的还有化肥农药施用过量造成的土壤水体污染严重、农业废弃物随意堆放造成的资源浪费等问题[1]。中原经济区粮食单位面积产量近几年普遍超过全国水平10%以上,其农业生产对保障我国粮食安全起着举足轻重的作用[2]。该区常年来采用传统耕作,农业废弃物资源浪费严重,不仅污染环境,而且会造成土壤结构变差、有机质含量减少等问题,严重影响粮食稳产和高产。小麦是我国三大粮食作物之一,其种植周期长,麦播前的耕作和施肥方式都对小麦的生长发育起着重要作用。研究表明,深耕可以改善土壤理化性质[3],提高小麦叶片光合速率,延缓叶片衰老[4-5],增加作物产量[6-7];浅耕可以增加作物叶片酶活性,影响小麦生长群体数及产量性状[8-9]。根据土壤质地及气候条件选择合理的耕作方式可以提高土壤有机质含量,减少有机质的矿化,增强土壤蓄水保墒能力,促进作物的生长发育,增强作物的光合作用,进而增加作物产量。秸秆还田可以改善土壤结构,增强土壤蓄水能力,促进作物不同生育期的生物量和产量的增加[10-12]。而施加粪肥可以提高土壤肥力、作物叶片叶绿素含量,增强光合作用强度,加速光合作用产物的合成与积累,进而提高作物产量[13-15]。目前,已有许多学者开展了关于耕作方式和施肥措施的研究,但这些研究大都集中在对土壤理化性质、水分利用效率及养分利用效率方面,关于耕作方式和施肥方式耦合对小麦叶片光合特性及产量的研究相对较少。本研究基于大田试验,以百农矮抗58为材料,通过不同的耕作方式和有机物料还田措施,研究耕作方式和施肥方式耦合对小麦上一叶光合指标、干物质量、产量及产量构成因素的影响,旨在从小麦光合生理角度探讨不同的耕作和有机物料还田方式对小麦干物质量积累及产量的影响,为实现中原经济区小麦稳产高产提供合适的栽培调控理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
于2012—2013年在河南省新乡市获嘉县照镜镇前李村进行田间试验。本试验地属暖温带大陆性季风气候,年均气温14.6 ℃,年均无霜期221.2 d,年均降水量557.2 mm,年均降雪日14.1 d,年均日照2 058.4 h。试验地为黄河冲积平原,土壤为黏壤土,pH值为7.89,耕层土壤有机质含量 18.77 g/kg,全氮含量1.25 g/kg,全磷含量1.32 g/kg,速效钾含量241.93 mg/kg。
1.2 试验设计
根据不同的耕作方式及施肥措施采取二因素随机区组设计,试验共设置6个处理,即:深耕(D)、深耕+秸秆(DS)、深耕+粪肥(DO)、浅耕(S)、浅耕+秸秆(SS)、浅耕+粪肥(SO)。土壤耕作在小麦播种前进行,深耕采用液压翻转三铧犁进行作业,耕作深度为25~30 cm,浅耕采用旋耕机进行作业,耕作深度为12~15 cm。秸秆还田量为前茬玉米秸秆全量还田,即4 130 kg/hm2,全氮含量为10.25 g/kg,全磷含量为4.63 g/kg。粪肥为猪粪,取自当地农户,施加量为 2 300 kg/hm2,有机质含量为27.70 g/kg,全氮含量为 17.39 g/kg,全磷含量为7.49 g/kg,速效钾含量为 318.20 mg/kg。
试验小区面积为35 m2(5 m×7 m),设3次重复。供试小麦品种为百农矮抗58,种植密度为225万株/ hm2,行距 25 cm,于2012年10月12日播种,2013年6月4日收获。种植前基施氮肥(尿素)162 kg/hm2、磷肥(P2O5)120 kg/hm2、钾肥(K2O)180 kg/hm2,拔节期追施氮肥(尿素)108 kg/hm2,同时按期进行灌溉和打药等正常的田间管理措施。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 小麦上一叶光合特性参数的测定 在小麦拔节期(2013年3月26日)、开花期(2013年5月6日)和灌浆期(2013年5月20日)均选于晴天09:00—11:00,采用便携式光合测定系统(LI-6400,美国LI-COR公司)测定上一叶的净光合速率(net photosynthetic rate,简称Pn)、气孔导度(stomatic conductance,简称Gs)、蒸腾速率(transpiration rate,简称Tr)和胞间 CO2浓度(intercellular CO2concentration,简称Ci)。每小区选取5张上一叶,取平均值。
1.3.2 小麦上一叶相对叶绿素含量的测定 在小麦越冬期(2012年12月12日)、拔节期(2013年3月26日)、开花期(2013年5月6日)及花后7、14 d选于晴天09:00—11:00,采用便携式SPAD-502型叶绿素仪(SPAD-502,日本柯尼卡美能达株式会社)测定上一叶的相对叶绿素含量,每小区选取10张上一叶,取平均值,相对叶绿素含量以SPAD值表示。
1.3.3 小麦植株地上部干物质量的测定 于越冬期(2012年12月12日)、拔节期(2013年3月26日)、开花期(2013年5月6日)、灌浆期(2013年5月20日)和成熟期(2013年6月3日),每个处理随机取20株有代表性的地上部,3次重复,依次用自来水、蒸馏水将植株清洗干净,用吸水纸吸去多余的水分后装入牛皮纸袋中,放入烘箱中在105 ℃下杀青 20 min,85 ℃烘干至恒质量,用电子天平称其干物质量(g/株)。
1.3.4 小麦产量性状指标及产量的测定 于成熟期在各小区选取有代表性的3个1 m2小麦进行人工收割,晒干,脱粒后计产。每穗籽粒在5粒以上的麦穗为有效穗,然后再折合成公顷有效穗数,同时随机选取40株植株连根取出,调查其结实小穗数(个)、不孕小穗数(个)、穗粒数(粒/穗)、千粒质量(g)。
1.4 数据处理
采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据计算、绘图与统计分析。
2 结果与分析
2.1 耕作方式和有机物料还田对小麦叶片光合特性的影响
2.1.1 对小麦叶片净光合速率(Pn)的影响 从图1可以看出,随着生育期的推进,小麦上一叶的净光合速率逐渐降低。在拔节期,深耕条件下的Pn值为DO>DS>D,其中DO处理与D处理、DS处理与D处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的Pn值为SO>SS>S,其中SO处理与S处理间差异显著(P<0.05);从不同的耕作方式来看,深耕条件下不同有机物料还田处理的Pn值均大于浅耕;从施肥措施来看,无论深耕还是浅耕均为粪肥处理的Pn值最大,秸秆处理次之,单施化肥最小。在开花期,深耕条件下的Pn值为DS>DO>D,其中DS处理与D和DO处理间差异显著(P<0.05),浅耕条件下的Pn值为SO>S>SS,各处理间差异不显著;从耕作方式来看,除秸秆还田处理外,深耕条件下有机物料还田处理的Pn值均小于浅耕,从施肥方式来看,深耕条件下秸秆还田处理的Pn值最高,浅耕条件下粪肥还田处理的Pn值最高。在灌浆期,深耕条件下的Pn值为DO>DS>D,其中DO处理与D处理间差异显著(P<0.05),浅耕条件下的Pn值为SO>S>SS,各处理间差异不显著;从耕作方式来看,深耕条件下有机物料还田处理的Pn值均大于浅耕条件下的相对应处理,深耕条件下的单施化肥处理小于浅耕条件下的相对应处理。综合来看,各时期不同耕作方式的Pn值变化不尽相同,不同施肥方式表现为有机物料还田处理均大于单施化肥处理。
2.1.2 对小麦叶片气孔导度(Gs)的影响 从图2可以看出,随着生育期的推进,小麦上一叶的气孔导度逐渐降低。在拔节期,深耕条件下的Gs值为DS>D>DO,其中DS和D处理均与DO处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的Gs值为SO>S>SS,其中SO处理与SS处理间差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,除粪肥还田处理外,深耕条件下各处理的Gs值均大于浅耕条件下的相应处理;从施肥方式来看,深耕条件下秸秆还田处理(DS)的Gs值最大,浅耕条件下粪肥还田处理(SO)的Gs值最大。在开花期,深耕条件下的Gs值为DS>DO>D,各处理间差异不显著;浅耕条件下的Gs值为S>SS>SO,其中S处理与SS和SO处理间差异显著(P<0.05);从不同的耕作和施肥方式来看,深耕条件下有机物料还田处理的Gs值均大于浅耕相对应处理,深耕条件下单施化肥处理Gs值小于浅耕相对应处理。在灌浆期,深耕条件下的Gs值为DS>D>DO,各处理间差异不显著;浅耕条件下的Gs值为SS>S>SO,各处理间差异不显著;从耕作方式来看,深耕条件下各处理的Gs值均小于浅耕条件下相对应处理;从施肥方式来看,秸秆还田处理的Gs值最大。综合来看,各时期不同耕作方式的Gs值变化不尽相同,生育前期深耕处理Gs值大于浅耕处理,生育后期深耕处理Gs值小于浅耕处理;不同施肥方式下除了拔节期浅耕处理的粪肥还田Gs值大于秸秆还田处理外,均表现为秸秆还田处理的Gs值最大。
2.1.3 对小麦叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响 从图3可以看出,随着生育期的推进,小麦上一叶的胞间CO2浓度逐渐降低。在拔节期,深耕条件下的Ci值为D>DS>DO,其中D处理与DO处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的Ci值为SO>S>SS,各处理间差异不显著;从耕作方式来看,除粪肥还田处理外,深耕条件下各处理的Ci值均大于浅耕的相对应处理;从施肥方式来看,深耕条件下单施化肥的Ci值最大,浅耕条件下粪肥还田处理的Ci值最大。在开花期,深耕条件下的Ci值为DO>D>DS,各处理间差异不显著;浅耕条件下的Ci值为S>SS>SO,其中S处理与SS和SO处理间差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,除粪肥还田处理外深耕处理的Ci值小于浅耕的相对应处理;从施肥方式来看,深耕条件下粪肥还田处理Ci最高,浅耕条件下,单施化肥处理Ci值最高。在灌浆期,深耕条件下的Ci值为DS>D>DO,各处理间差异不显著;浅耕条件下的Ci值为SS>S>SO,其中SS处理与SO处理间差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,深耕处理的Ci值小于浅耕;从不同的施肥方式来看,秸秆还田处理的Ci值最大。综合来看,各时期不同耕作方式的Ci值变化不尽相同,生育前期深耕处理Ci值大于浅耕相对应处理,生育后期深耕处理Ci值小于浅耕相对应处理,不同的施肥方式各处理在生育前期单施化肥处理Ci值较大,生育后期则为秸秆还田处理Ci值较大。
2.1.4 对小麦叶片蒸腾速率(Tr)的影响 从图4可以看出,随着生育期的推进,小麦上一叶的蒸腾速率逐渐降低。在拔节期,深耕条件下的Tr值为DS>D>DO,其中DS处理与DO和D处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的Tr值为SO>S>SS,其中SO处理与SS处理差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,深耕条件下除秸秆还田处理外其他处理的Tr值均小于浅耕相对应处理;从施肥方式来看,深耕条件下秸秆还田的Tr值最大,浅耕条件下粪肥还田处理的Tr值最大。在开花期,深耕条件下的Tr值为DS>D>DO,其中DS处理与DO处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的Tr值为S>SS>SO,其中S处理与SS和SO处理间差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,浅耕条件下秸秆还田处理的Tr值小于深耕相对应处理,从施肥方式来看,深耕条件下秸秆还田的Tr值最大,浅耕条件下单施化肥处理的Tr值最大;在灌浆期,深耕条件下的Tr值为DS>D>DO,各处理间差异不显著;浅耕条件下的Tr值为SS>S>SO,各处理间差异不显著;从耕作方式来看,2种耕作方式间差异不显著;从施肥方式来看,秸秆还田处理的Tr值最大。综合来看,各时期不同耕作方式的Tr值变化不尽相同,生育前期深耕条件下秸秆还田处理Tr值大于浅耕处理,生育后期深耕处理Tr值小于浅耕处理,不同的施肥方式在生育后期为秸秆还田处理Tr值较大。
2.1.5 对小麦叶片相对叶绿素含量的影响 从图5可以看出,各生育期相对叶绿素含量变化不大,但整体呈逐渐升高的趋势。在越冬期,深耕条件下的SPAD值为DO>DS>D,其中DO与D处理间差异显著(P<0.05);浅耕条件下的SPAD值为SO>SS>S,其中SO与S处理间差异显著(P<0.05);从耕作方式来看,深耕条件各处理的SPAD值均小于浅耕相对应处理;从施肥方式来看,粪肥还田的SPAD值最大。在拔节期和开花期,各处理间SPAD值差异不显著。花后7 d,深耕条件下的SPAD值为DO>DS>D,各处理间差异不显著;浅耕条件下的SPAD值为SO>SS>S,各处理间差异不显著;从耕作方式和施肥方式来看,浅耕条件下的粪肥还田处理具有最大的SPAD值。花后14 d,不同耕作和施肥方式的SPAD值大小变化趋势同花后7 d,同样为浅耕条件下的粪肥还田处理SPAD值最大。综合来看,各时期不同耕作方式的SPAD值在开花前深耕处理SPAD值大于浅耕处理,开花后深耕处理SPAD值小于浅耕处理,不同的施肥方式总体表现为粪肥还田处理SPAD值较大。
2.2 耕作方式和有机物料还田对小麦干物质量、产量及产量性状的影响
2.2.1 对小麦地上部干物质量的影响 如图6所示,随着生育期的推进,小麦地上部干物质量大幅度提高。在越冬期,从耕作方式来看,深耕处理的干物质量大于浅耕相对应处理;从有机物料还田方式来看,粪肥还田处理的干物质量值最高;总体上为DO处理具有最大值,且与其他处理差异显著(P<0.05)。在拔节期,从不同的耕作方式来看,除了DS处理外其他深耕处理的干物质量均大于浅耕处理;从不同的有机物料还田方式来看,粪肥还田处理的干物质量值较高;总体上为D和DO处理与DS、SS、SO处理间均差异显著(P<0.05)。在开花期,从不同的耕作方式来看,施用有机物料的深耕处理的干物质量值较大;从不同的有机物料还田方式来看,粪肥还田处理的干物质量值较高;总体上为DO处理具有最大值,且与其他处理差异显著(P<0.05)。在灌浆期,从不同的耕作方式来看,除了S处理外其他深耕处理的干物质量均大于浅耕处理;从不同的有机物料还田方式来看,没有添加有机物料处理的干物质量较大;总体上,D和S处理与SS和SO处理间差异显著(P<0.05)。在成熟期,不同耕作方式和有机物料还田方式对各处理干物质量值变化不一,总体上为S处理具有最大值,S、DS和DO处理与D和SO处理间差异显著(P<0.05)。综上,开花及开花前深耕和粪肥耦合(DO)条件下干物质量较大,开花后浅耕处理与秸秆还田耦合(SS)条件下干物质量较大。
2.2.2 对小麦产量及产量性状的影响 如表1所示,除千粒质量外,各处理间穗长、穗粒数、公顷穗数、产量均有差异性。对于穗长,从不同的耕作方式来看,除秸秆还田处理外,深耕和浅耕有机物料还田处理的差异不大,但S处理与D处理间差异显著(P<0.05);从有机物料还田方式来看,猪粪还田处理的穗长更长。对于穗粒数,不同的耕作方式下有机物料还田方式处理间差异显著(P<0.05),其中DS具有最大值,即56个/穗,DS处理与D、DO、S、SS处理间均差异显著(P<0.05);对于公顷穗数,不同的耕作有机物料还田方式处理间差异不显著,其中SS处理具有最大值(757万穗/hm2),SS、S处理与SO处理间差异显著(P<0.05)。对于产量,从不同的耕作方式来看,深耕处理下的产量更高;从不同的有机物料还田方式来看,猪粪还田处理的产量更高,具体表现为DO处理具有最大值(7 240.30 kg/hm2),DO与D、S、SS、SO处理间差异显著(P<0.05)。综上可得,深耕和猪粪还田处理的麦穗最长,深耕和秸秆还田处理的穗粒数最多,浅耕处理的穗数最多,各处理的千粒质量差异不显著,深耕和猪粪还田处理的产量最高。
表1 不同耕作方式及有机物料还田下小麦产量及产量性状
注:同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
3 结论与讨论
光合作用是作物将无机物转化为有机物并贮存能量的过程,光合效率的高低在维持作物稳产高产上发挥着重要的作用。作物的光合速率不仅受气候因素的影响,还受土壤水肥状况的影响[16-17]。合理的耕作和施肥方式可以改善土壤水肥状况,进而促进植物光合效率的增加。王维等的研究结果表明,深耕可增强土壤对雨水的蓄纳能力进而提高小麦叶片日均光合速率、日均蒸腾速率和叶绿素含量[18]。李玮等的研究结果表明,秸秆还田可增加小麦生育后期叶片的气孔导度,进而促进光合速率的提高[19]。张久明等的研究表明,土壤深耕和有机物料还田可以降低土壤容重,使土壤固相、气相和液相达到合适的比例,进而提高玉米的光合速率,降低蒸腾速率[20]。在本研究中,深耕和有机物料还田可以提高小麦叶片的净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度,研究结果与前人研究结果[18-20]基本一致。这可能是因为深耕降低了土壤紧实度,增强了土壤的蓄水保墒能力,而有机物料还田改善了土壤团聚体结构,增加了土壤有机质含量,提高了养分利用效率。此外,小麦种植期间的降水量及气温变化也会对小麦叶片光合特性产生一定影响。
光合速率越高,植物转化的有机物越多,越有利于作物高产。吕美蓉等研究表明,深耕和秸秆还田耦合比常规耕作无秸秆还田冬小麦产量增加25.7%[21]。王玉红等认为,有机肥无机肥配施可增加土壤有机质、全氮、有效磷及速效钾含量,使作物增粒增质量[22]。Onwudike认为,粪肥的施加可以改变土壤理化性质,增加作物对养分的吸收利用,进而增加作物产量[23]。本研究结果表明,深耕条件下有机物料还田因可促进小麦叶片光合速率的增加而具有较高的干物质量,深耕条件下粪肥还田则具有最高的产量。这与前人的研究结果[24-26]也是一致的,深耕和有机物料还田可疏松土壤,改善土壤的通透性,增加作物光合作用面积,还可以促进作物干物质积累。综合光合指标、作物干物质量积累以及产量指标来看,深耕和有机物料还田的栽培措施更有利于小麦增产稳产,其中深耕条件下粪肥还田量为2 300 kg/hm2具有最高的产量。
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