免耕条件下推迟灌拔节水对冬小麦叶片水分利用效率和产量的影响

2018-08-29任玉洁闫振兴马玉诏李全起

中国农村水利水电 2018年8期

高超，宗睿，任玉洁，闫振兴，马玉诏，李全起

(山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018)

0 引言

免耕由西方国家发展而来，在干旱地区的免耕可以改善土壤机能，起到保水保墒、防止地表裸露、增强土壤抗侵蚀能力等作用[1-3]。我国华北冬麦区，由于长期过度翻耕，造成了地表水土流失，土壤裸露，肥力下降，环境矛盾日益突出等问题。相关研究表明，免耕可通过降低土壤容重、促进土壤团聚体形成等作用提高土壤蓄水能力和水分利用效率[4]。免耕方式可显著抑制冬小麦田棵间蒸发[5]，增加土壤水分含量，削弱地表径流，减少水土流失[6]。因此，在华北冬麦区推广免耕等保护性耕作，对缓解干旱灾害，改善生态环境具有重要意义。

在华北冬麦区，冬小麦需水量为400～500 mm[7]；然而，在冬小麦生育期间(10月初到来年6月中旬)，降水量约为200 mm，有限降水并不能满足冬小麦正常生长的需要。为了获得稳产或高产，冬小麦生育期间需要进行补充灌溉[8]。在总灌溉量有限条件下，对冬小麦关键生育期灌溉研究成了众多学者关注的重点。研究表明，在冬小麦拔节期和抽穗期灌溉可激发冬小麦群体调节能力，获得最高水分利用效率[9]。在冬小麦生育前期通过水分调亏，而后进行复水，冬小麦出现超补偿生长[10,11]。

在华北冬麦区，大量研究表明，在免耕条件下，冬小麦群体数量减少，显著降低了籽粒产量[12]。而郎坤等研究表明，于冬小麦拔节期推迟10 d灌溉，可提高冬小麦生育后期旗叶光合速率和叶片水分利用效率(WUEL)，进而提高籽粒产量[13]。但是，在免耕条件下，于冬小麦拔节期推迟10 d灌溉是否可进一步提高冬小麦生育后期的光合速率，进而对籽粒产量损失起补偿作用等问题还不明确。因此，本实验以冬小麦为研究对象，在免耕条件下，于拔节期推迟10 d灌溉，探讨冬小麦生育后期旗叶的光合特性，为冬小麦种植区提供一种高效节水的耕作和灌溉模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015-2016年冬小麦生育期在山东省泰安市山东农业大学农学实验站(36°09′ N, 117°09′ E)水分池内进行。该地区属温带大陆性季风气候，年平均降水量为690 mm，冬小麦生育期间降水量不到年降水量的30%，冬小麦在2015-2016年度内日降雨量和日气温如图1所示。水分池的长和宽各为3 m，池顶到池底高度为1.5 m，四周砖砌，用水泥抹面防水，底部不密封，池内土壤为原状土，0～20 cm土层中，速效磷、总氮和速效钾含量分别为82、65 和15 mg/kg。播种进行施肥处理，底施尿素、磷酸二铵和硫酸钾分别为19.2、 26.1和21.0 g/m2，于拔节期以及拔节后10 d，结合灌溉追施尿素19. 2 g/m2。试验种植采用的冬小麦品种为济麦22，于2015年10月8日播种，2016年6月15日收获。播种的方式为人工点播，密度为222 株/m2。

图1 2015-2016冬小麦生育期日降雨量和日气温变化 Fig1. Daily rainfall and temperature during the winter wheat growing season from 2015 to 2016

1.2 试验设计

本试验采用耕作方式与灌溉时间相结合的裂区试验设计方法，主区为免耕(NT)和常规耕作(CT)两种耕作方式。NT处理即在上茬作物(玉米)收获后，土壤不翻动，只将玉米秸秆粉碎并覆盖在地表；CT处理即在上一茬作物(玉米)收获后，将残留的秸秆清理出小区并人工进行翻耕，翻耕深度为20 cm。副区为拔节期灌溉60 mm(I1)和拔节期推迟10 d灌溉60 mm(I2)两个灌溉时间，每个处理设置三个重复，共12个小区。试验时，在出水口处安装测量表，控制灌水时间和流量，使每个小区的灌水总量和均匀度保持一致。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤水分含量

在冬小麦开花期、灌浆期和成熟期，用中子仪(CNC503D)测定土壤水分含量。每10 cm为一个层次，测深为120 cm。0～20 cm土壤水分含量用取土烘干法校正。

1.3.2 叶面积指数

在冬小麦开花期、灌浆期和成熟期，于每个小区内连续取15株进行测量。叶面积按以下公式计算[14]：

叶面积=叶长×叶宽×0.78

式中：叶长是叶舌与叶尖之间的距离，叶宽是叶片最宽点处的宽度。

1.3.3 光合速率和蒸腾速率

选择无风晴天，于 9∶00-11∶00 之间用美国LI-COR公司生产的光合作用测定系统 (LI-6400)在每小区选取3株具有代表性植株，在冬小麦开花期、灌浆期和成熟期分别测量旗叶光合速率和蒸腾速率。测量过程中，将光系统内置光照强度设置为1 600 μmol·(m2·s)。

1.3.4 叶片水分利用效率(WUEL)

用叶片通过蒸腾消耗一定量的H2O所同化的CO2量计算WUEL公式[13]如下:

WUEL=Pn/Tr

式中：Pn为冬小麦旗叶净光合速率,μmol/(m2·s);Tr为旗叶蒸腾速率，mmol/(m2·s);WUEL为叶片层面水分利用效率，μmol/mmol。

1.3.5 产量以及产量要素

收获时，在每个试验小区取长势一致、长度为1.5 m的冬小麦双行调查穗数，另外连续取20株于室内考察穗粒数。风干后，测定千粒重和籽粒产量。

1.4 统计分析

所有数据均通过Microsoft Excel 2007和DPS ( Data Processing System) 进行处理分析，采用LSD(α= 0.05)法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤水分含量

图2 为冬小麦开花期、灌浆期和成熟期的土壤水分含量。从开花期到成熟期，土壤水分含量呈递减规律。开花期，在0～100 cm 土层内，NT-I2的土壤水分含量最高，其次为NT-I1，CT-I2和CT-I1间差异不显著。灌浆期，在30 cm以下土层内，免耕处理的土壤水分含量显著高于常规耕作处理。成熟期，在0～120 cm土层内，各处理间的土壤水分含量没有显著差异。

图2 冬小麦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 叶面积指数

图3 为冬小麦开花期、灌浆期和成熟期的叶面积指数(LAI)。从开花期到成熟期，LAI呈逐渐降低趋势。开花期，CT-I1的LAI高于其他处理；在耕作方式相同的情况下，I1的LAI比I2显著提高了13.5%。灌浆期，免耕处理的LAI显著低于常规耕作处理；I1和I2间的差异不显著。成熟期，灌溉条件相同的情况下，免耕处理与常规耕作处理间的差异逐渐缩小。

图3 冬小麦不同生育期叶面积指数Fig.3 Leaf area index of winter wheat at different growth stages

2.3 光合速率

在冬小麦开花期，两种耕作方式之间旗叶的光合速率差异不显著；但是，推迟拔节期灌溉提高了旗叶的光合速率(图4)。在灌浆期，各处理旗叶光合速率的关系为：NT-I2 >CT-I2 > NT-I1 >CT-I1，免耕比常规耕作提高了13.0%；与拔节期正常时间灌溉相比，拔节期延迟灌溉的处理使光合速率提高了20.1%。在成熟期，NT-I2 处理的旗叶光合速率最大，且各处理间的关系为NT-I2 > NT-I1 > TC-I2 > TC-I1。因此，在冬小麦的籽粒形成时期，免耕能够提高叶片的光合速率，为最终收获期提高产量创造条件。

图4 冬小麦不同生育期旗叶光合速率Fig.4 Photosynthetic rate of winter wheat at different growth stages

2.4 蒸腾速率

图5是冬小麦在开花期、灌浆期和成熟期旗叶的蒸腾速率，在这三个生育期中，叶片的蒸腾速率先增后减。四个不同处理蒸腾速率的峰值均在灌浆期，而最低出现在开花期。在开花期，与免耕相比，常规耕作处理冬小麦旗叶能够取得更大蒸腾速率。在开花期以后，免耕耕作方式提高了旗叶的蒸腾速率。在成熟期，灌溉与耕作相互耦合的作用下，NT-I1处理比CT-I1处理的蒸腾速率高9.1%，NT-I2处理比CT-I2处理高8.0%。因此，在冬小麦生育后期通过免耕可以提高蒸腾速率，增加有效耗水量。

图5 冬小麦不同生育期旗叶蒸腾速率Fig.5 Transpiration rate of flag leaf at different growth stages of winter wheat

2.5 叶片水分利用效率

在冬小麦生育后期，WUEL呈逐渐递减趋势(图6)。在开花期，NT-I1处理取得了最高的WUEL。在灌溉时间相同时，旗叶的WUEL大小顺序为NT-I2>CT-I2, NT-I1>CT-I1；耕作方式相同时，NT-I1处理比NT-I2处理提高了9.4%，CT-I1和CT-I2间的没有显著差异。在冬小麦灌浆期，灌溉时间相同时，免耕处理的WUEL显著高于常规耕作处理，且NT-I2处理和CT-I2处理处理旗叶的WUEL分别比NT-I1处理和CT-I1处理提高了23.0%和17.9%。在冬小麦成熟期，各处理间WUEL的大小顺序为NT-I2>NT-I1>CT-I1>CT-I2。以上分析表明，在冬小麦灌浆期和成熟期，NTI2处理的WUEL最大，可为免耕条件下实现水分的高效利用提供保证。

图6 冬小麦不同生育期旗叶叶片水分利用效率Fig 6. Water use efficiency of flag leaf in different growth stages of winter wheat

2.6 产量及产量构成要素

表1是2015-2016年，两种灌溉处理与两种耕作方式相互作用下冬小麦的产量。由试验数据可知，免耕显著提高了冬小麦的千粒重以及穗粒数，但在收获时的有效穗数却显著低于常规耕作，造成减产。改变灌拔节水时间即延后10 d灌溉虽然降低了千粒重，但是显著提高了收获时的有效穗数以及穗粒数，从而显著提高了籽粒产量，为冬小麦产量的增加提供了有利条件。

耕作方式和灌溉时期的耦合效应显示，NT-I2处理的穗数比NT-I1处理显著提高了8.6%，CT-I2处理的穗数比CT-I1处理显著提高了5.8%，CT-I2处理冬小麦的籽粒产量显著高于其余各处理。结果说明，免耕处理穗数的显著降低造成了冬小麦的减产，而推迟拔节期灌溉能够增加冬小麦的穗数和穗粒数，对免耕处理籽粒产量降低起到了补偿作用。

3 结论

在冬小麦开花期到成熟期，免耕在冬小麦生育中期显著降低了植株的LAI, 但是在生育后期LAI与常规耕作差距减小。免耕在冬小麦生育前中期能有效提高土壤水分含量，并在生育后期增加对土壤水的消耗量。免耕虽然提高了冬小麦生育后期旗叶光合速率以及增加了作物的有效耗水，但是降低了冬小麦收获时的有效穗数而导致籽粒产量显著降低，造成减产。在总灌溉量不变条件下，于冬小麦拔节期灌溉推迟至拔节后10 d灌溉，可显著增加构成产量要素中的有效穗数，显著提高了冬小麦籽粒产量。结果表明，免耕与推迟拔节期灌溉相结合可补偿由于免耕而引起的冬小麦籽粒产量损失。