旱作区双免耕覆盖下冬小麦旗叶光合特性、根系分布及产量研究

邵运辉，李俊红，岳俊芹，丁志强，张德奇，方保停，杨 程

(1.河南省农业科学院，河南郑州 450002；2.洛阳农林科学院，河南洛阳 471023；3.中国农科院洛阳旱农试验基地，河南洛阳 471023)

豫西丘陵旱作区农业生产主要依靠自然降水，但该区降水稀少且时空分布不均，导致作物生长发育过程中干旱胁迫经常发生，成为该区作物产量低而不稳的主要原因。干旱胁迫会促进光合色素降解，降低光能转换效率，缩短作物光合器官功能期，加快作物植株和叶片衰老，不利于农作物库源关系的协调，最终导致农作物产量降低[1]。免耕覆盖有利于麦田土壤蓄水保墒，提高土壤水分利用效率，进而可以延缓叶片衰老，有利于提高叶片光合效率，尤其是改善冬小麦后期叶片光合特性，促进冬小麦光合同化物的转化和干物质的积累，进而提高冬小麦的产量[2]。研究表明，免耕秸秆留茬能够提高旱地冬小麦花后的光合能力[2-3]。免耕与深松结合的耕作模式有利于冬小麦旗叶日平均净光合效率的提高[4]。王 靖等[5]、吴金枝等[6]、王健波等[7]、江晓东等[8]认为，保护性耕作有利于延缓冬小麦后期叶片衰老，延长生育后期叶片的光合功能期，提高籽粒灌浆速率，进而增加产量。目前有关免耕覆盖效应的研究已经很多，但在一些方面尚未取得一致的认识。如霍李龙等[9]认为，免耕覆盖处理下小麦开花期的光合速率显著高于传统耕作，灌浆中后期与传统耕作间的差异逐渐减小。李友军等[10]则认为，灌浆后期光合速率显著高于传统耕作。而陈影慧等[11]则认为，覆盖栽培模式下能使冬小麦整个生育期的光合特性均高于传统耕作，促进干物质积累和运转，进而达到增产效果。因此，关于免耕覆盖对冬小麦光合作用的影响还需进一步深入研究。根系是小麦吸收水分和养分以及参与体内物质合成与转化的重要器官和场所[12]，在小麦的整个生长发育过程中起着十分重要的作用。根系构型特征是根系数量与质量的体现，不仅决定作物水分和养分资源利用效率的高低，还直接影响植株地上部的生长和生理功能的发挥[13]。因此，塑造良好的根系构型，增强根系对水分和养分的吸收，对促进小麦生长发育、实现小麦高产具有重要的意义。目前，对保护性耕作条件下冬小麦光合特性的研究多为日变化分析，对根系的研究多以根干重以及根长度为主，而对旱作区双免耕覆盖下冬小麦灌浆期旗叶的光合特性及根系空间分布研究的报道较为少见。本研究分析了双免耕覆盖对豫西丘陵旱区冬小麦花后旗叶的光合特性、根系分布及产量的影响，以期为该地区适宜农作模式的选择提供科学的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2013-2014年在洛阳农林科学院旱农试验基地4 m×4 m防渗精确水分池内进行，土壤为潮褐土，质地为重壤。耕层土壤容重为 1.53 g·cm-3，有机质含量为15.6 g·kg-1，碱解氮含量为62.5 mg·kg-1，速效磷含量为10.4 mg·kg-1，速效钾含量为166.0 mg·kg-1，肥力中等偏上。田间持水量达23.5%，饱和含水量达33.4%。年平均辐射量为491.5 kJ·cm-2，年平均气温为14 ℃，日均温度超过10 ℃的时间为210 d，积温为4 000 ℃，年均蒸发量为1 841.5 mm。该试验区种植制度为冬小麦、夏玉米一年两熟。

1.2 试验设计

试验设双免耕覆盖(NT，No-till)和传统耕作(CK)2个处理，3次重复，随机区组排列。双免耕覆盖小麦收获时留茬35～40 cm，秸秆脱粒后还田并覆盖于地表，不翻耕土壤，铁茬种玉米，玉米收获后其秸秆覆盖于小麦行间。传统耕作即土壤深翻耕25～30 cm(小麦、玉米秸秆均不还田)。供试冬小麦品种为洛旱7号，播种期为10月15日。冬小麦采用人工开沟播种，基本苗270万 株·hm-2，底施氮磷钾复合肥(N-P2O5-K2O: 15-15-15)600 kg·hm-2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 旗叶SPAD值测定

采用日本美能达公司生产的SPAD-520叶绿素计进行测定。在小麦开花后，每隔一周左右选择晴天的上午进行测定，每个小区随机选取10片旗叶，取平均值。

1.3.2 冠层光合有效辐射(PAR)测定

采用使用英国Delta公司生产的Sunscan冠层分析仪测定。测定部位距离冠层顶部15 cm。为减少测定误差，选择晴天无风天气，在冬小麦开花后每隔一周在晴朗无风的上午9:00-11:00左右，每个小区测定10个点，取平均值。

1.3.3 光合指标测定

在每个小区选取10株有代表性、长势一致的植株挂牌标记，采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合作用测定系统，测定冬小麦旗叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)，并计算叶片气孔限制值(Ls=1-Ci/Ca),叶片瞬时水分利用效率(WUE=Pn/Tr)[7]。在冬小麦开花后进行测定，选择晴天无风天气，时间控制在上午9:00-11:00，每周测定一次。

1.3.4 土壤根系测定

在小麦开花期和灌浆期用根钻分别于行间和行内进行取样。根钻的钻头直径为10 cm，长度为20 cm。每个小区分0～20、20～40和40～60 cm 共3个土层取根，每一层取3个点，将3个点混匀，将土里的根装入尼龙网后在水中浸泡半个小时，随后用水冲洗干净，用镊子将杂质和杂根去除，将根平铺在根系扫描仪上进行扫描，并以图形文件格式保存到计算机中，再根据根系形态结构数据用根系形态学和结构分析应用软件WinRHIZO识别分析。然后将根置于 105 ℃烘箱中12 h后取出，用万分之一分析天平称重。

根干重(根长)密度是指单位土壤体积的根干重(根长)。根干重密度(10-4g·cm-3)和根长密度(cm·cm-3)分别分别按照下式[14]计算。

根干重密度=10 000×M/V；

根长密度=L/V；

土体体积=πr2h。

式中r为钻头半径(r=5 cm)，h为取样深度(h=20 cm)。

1.3.5 冬小麦产量的测定

在冬小麦收获期，调查穗数、穗粒数，测定千粒重，整区收获计产。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理、分析及作图。

2 结果与分析

2.1 旱作区双免耕覆盖对冬小麦旗叶叶绿素相对含量(SPAD)的影响

双免耕覆盖和对照条件下冬小麦旗叶的SPAD值在花后5 d均达到最高值，并在花后23 d内(即5月11日前)保持较高水平，随后迅速下降(图1)。双免耕覆盖下冬小麦SPAD值在整个灌浆期均高于对照，增幅为6.97%～15.85%，平均增幅为11.2%；除临近收获的5月24日外，其余时期两个处理间差异显著或极显著。这说明双免耕覆盖处理可提高冬小麦旗叶叶绿素含量，延缓其衰老，有利于籽粒灌浆期的光合生产。

图柱上不同小写字母和大写字母分别表示处理间差异达5%和1%显著水平。下图同。Different lowercase letters and uppercase letters on the columns indicate that the significant differences between the treatments at 5% and 1% levels, respectively. The same in the following figures.图1 双免耕覆盖对冬小麦SPAD的影响Fig.1 Effect of double no-tillage with mulch on SPAD value in flag leaf of winter wheat

2.2 旱作区双免耕覆盖对冬小麦冠层光合有效辐射(PAR)的影响

从开花到灌浆末期，双免耕覆盖和对照条件下，小麦冠层PAR值均呈先增后减趋势，且均在花后15 d达到高峰。双免耕覆盖处理的PAR值在不同时期均极显著高于对照，平均增幅为 20.5%，且在花后15 d后下降的速度明显小于对照，说明双免耕覆盖能够显著提高冬小麦生育后期冠层光合有效辐射，并延缓其在灌浆后期的下降，有利于冬小麦的光能利用。

2.3 旱作区双免耕覆盖对冬小麦旗叶光合参数与叶片瞬时水分利用效率的影响

从图3可已看出，冬小麦旗叶净光合速率(Pn)在花后随生育进程呈下降趋势，各时期双免耕覆盖处理均大于对照，平均增加31.7%，其中在花后13～35 d二者差异均显著，说明双免耕覆盖可提高冬小麦光合能力。冬小麦胞间CO2浓度(Ci)在花后随生育进程呈上升趋势，且双免耕覆盖处理始终低于对照，且呈现出负显著相关，平均较对照降低12.68%。与此相反，冬小麦气孔限制值随着花后生育进程逐渐降低，花后20 d前双免耕覆盖处理与对照差异不显著，双免耕覆盖处理极限显著高于对照，说明双免耕覆盖对冬小麦光合的促进作用主要是归因于气孔因素。冬小麦旗叶蒸腾速率(Tr)随着花后生育进程的推进呈先升后降的趋势，双免耕覆盖处理较对照增加5.3%～21.2%，平均增幅为13.1%，二者在花后5 d差异不显著，之后差异显著或极显著。冬小麦瞬时水分利用效率在花后生育进程中也呈逐渐下降的趋势，双免耕覆盖处理较对照平均增加16%，在花后5和10 d二者差异不显著，之后差异显著或极显著。这表明，双免耕覆盖可促进小麦灌浆期叶片水气交换，提高叶片光合能力，有利于光合产物的积累和产量形成。

图3 双免耕覆盖对冬小麦旗叶光合特性的影响 Fig.3 Effect of double no-tillage with mulch on photosynthesis characteristics of winter wheat flag leaf

2.4 旱作区双免耕覆盖对冬小麦根系垂直分布的影响

随着土层的加深，在开花期和灌浆期，冬小麦的行间和行内根长密度和根干重密度均逐渐减少(图4)。在同一土层中，双免耕覆盖下冬小麦的行间和行内根长密度和根干重密度在两个时期均较对照不同程度增加。其中，两个时期的根长密度行内平均增幅分别为47.13%和 14.43%，行间平均增幅分别为38.18%和33.61%；而根干重密度行内平均增幅分别为21.44%和14.42%，行间分别为19.96%和12.56%。这说明双免耕覆盖可促进冬小麦根系生长尤其是向土壤深处生长，有利于植株对土壤水分和养分的吸收，进而提高植株抗旱能力。

图4 双免耕覆盖对冬小麦根长密度(RLD)和根干重密度(DRWD)的影响 Fig.3 Effect of double no-tillage with mulch on root length density(RLD) and root dry weight density(DRWD) of winter wheat

2.5 旱作区双免耕覆盖对冬小麦产量和水分利用效率的影响

双免耕覆盖下冬小麦产量为4 872.0 kg·hm-2，较对照增加18.4%，增产达极显著水平(表1)。双免耕覆盖处理的水分利用效率显著高于对照，较对照增加了5.5%。双免耕覆盖下冬小麦千粒重和穗粒数与对照差异均不明显；穗数和株高较对照均极显著提高，增幅分别为 28.0%和11.2%。由此可见双免耕覆盖能促进旱地冬小麦对土壤水分的利用，增加其穗数和 产量。

表1 旱作区双免耕覆盖对冬小麦产量的影响Table 1 Effect of double no-tillage with mulch on winter wheat yield in dry farming area

3 讨 论

3.1 旱作区双免耕覆盖对冬小麦光合特性的影响

旱作区作物生长依赖于自然降雨，通过采取合理的耕作措施和栽培技术可提高土壤水分含量和水分利用效率，进而达到增加作物产量的效果。双免耕覆盖能够减少地面蒸发和径流，从而提高土壤蓄水保墒效果和土壤水分利用效率，进而提高作物产量[6,10,15]。作物产量的形成与光合作用紧密相关。双免耕覆盖能够增加小麦生育后期叶片叶绿素含量，延缓其衰老，并提高作物光合能力，从而促进花后干物质积累、转运及增加产量[2,4,7]。前人研究表明，免耕覆盖能促进冬小麦光合作用，可延缓生育后期叶片衰老，有利于冬小麦产量的提高[7,9,10,16]。这与本研究结论一致。本研究中，双免耕覆盖下冬小麦叶绿素相对含量、光合有效辐射、净光合速率均高于对照。王靖等[5]则认为，保护性耕作下冬小麦旗叶光合速率在花后整体上略有升高，而后呈连续下降趋势，这与本研究中双免耕覆盖下冬小麦旗叶净光合速率在花后随生育进程不断呈下降趋势的结果不一致。其原因可能与气候条件、干旱程度、土壤温度、土壤含水量以及测定时期等不同有关。本研究表明，双免耕覆盖下冬小麦叶片蒸腾速率、瞬时水分利用效率及气孔限制值均高于对照，而胞间CO2浓度则低于对照，说明气孔因素的改善是双免耕覆盖促进叶片光合作用的主要原因。但植物的光合作用非常复杂，造成光合作用变化的因素很多，因此未来还需对双免耕覆盖下冬小麦光合生理特性连续监测和深入研究。

3.2 旱作区双免耕覆盖对冬小麦根系分布的影响

冬小麦属于深根系作物，根长可达2 m，耕作栽培技术会影响冬小麦根系的下扎深度[17-18]。双免耕覆盖可提高冬小麦土壤水分含量，促进根系生长和对土壤深层水分的利用[19]，影响根系的分布特征及其对产量形成的作用[20]。本研究表明，双免耕覆盖下冬小麦根干重密度与根长密度随着土层深度的增加均呈现出逐渐降低的趋势，在同一土层中无论行内还是行间均大于对照，说明双免耕覆盖明显促进了冬小麦根系生长，有利于生育中后期植株水分和养分供应，增强其抗旱性，降低环境胁迫籽粒灌浆和产量形成过程中的不利环境影响。

3.3 旱作区双免耕覆盖对冬小麦产量的影响

双免耕覆盖可改善冬小麦叶片光合特性，提高土壤水分含量，促进根系的生长，促进对土壤水分的吸收利用，有利于冬小麦地上部生长。双免耕覆盖在旱作区的增产效果较为明显，有利于增加冬小麦株高和穗数，稳定穗粒数和千粒重，进而达到增产的效果。这与王维等[2]、王靖等[5]、吴金枝等[6]、吕军杰等[15]的研究结果一致。双免耕覆盖下冬小麦产量较对照增产18.4%，达极显著水平。这也充分说明在旱作区推广双免耕覆盖对冬小麦高产稳产有重要作用。