返青期断根对秸秆覆盖冬小麦产量及叶片光合特性的影响

封涌涛，路国艳，胡昌录，孙玉梅

(1. 宝鸡市农业技术推广服务中心，陕西宝鸡 721001；2. 西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与 农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；3.榆林市榆阳区农业科技培训中心，陕西榆林 719000)

在黄土高原旱作区，水资源短缺且降雨年内、年际间变化大，是该地区农业生产的主要制约因素[1-2]。因此，在该地区需要寻求新的作物管理措施去提高作物产量及水分利用效率。断根是调节作物生长、干物质分配、水分利用及产量的一种潜在有效的栽培管理措施。在苹果、桃等果树上断根被用于控制树冠大小，可提高果实产量[3-7]，但断根对不同粮食作物籽粒产量的影响各不相同。小麦冬前深耘断根能够控制最高总茎数，提高小麦有效分蘖数和成穗数，增强花后光合作用，增加籽粒产量及其来自花后光合产物的比例[8]；水稻断根在覆草旱作条件下能够增产，但在常规淹水条件下会导致减产[9]；玉米垂直断根会导致穗粒数、千粒重以及籽粒产量显著降低[10]。盆栽试验结果表明，干旱条件下断根增加了小麦穗重和籽粒产量，而在湿润条件下降低了穗重和籽粒产量[11]；大田试验结果表明，常规耕作条件下断根能够提高冬小麦籽粒产量、收获指数及水分利用效率[12-14]，在秸秆覆盖条件下，特别是干旱气候年型下也有相似的效果[15-16]。

断根对小麦的增产作用与减少无效分蘖，增加穗粒数和粒重有关[8,12-17]。断根能够改变小麦生育期水分利用模式，抑制小麦生长早期水分利用，保留更多的水分供小麦花后使用，进而增加了旗叶叶绿素含量，延缓了小麦旗叶的衰老，因此提高了小麦花后光合速率及蒸腾速率，促进了花后干物质累积以及向籽粒转运，进而有助于提高小麦粒重以及籽粒产量[12-14,17]。然而，有关断根对小麦旗叶生理特性影响的研究大多数是在常规耕作条件下进行[12,14,17-18]。秸秆覆盖与常规耕作相比，改变了土壤水热条件，这可能会影响小麦旗叶生理特性对断根的响应。因此，本研究以冬小麦为研究对象，在旱地秸秆覆盖条件下分析了返青期断根对冬小麦产量、水分利用以及旗叶生理特性的影响，以期为旱地保护性耕作小麦高产及水分高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2014年6月至2015年6月在陕西省咸阳市长武县王东村(35.14°N,107.41°E)进行。该地区位于陕西省渭北旱塬西部，海拔 1 206 m，属于西北黄土高塬沟壑区，气候为暖温带半湿润大陆性气候，多年年均降水578 mm(1957-2009年)，且降水主要集中在7-9月份，占全年降水总量的55%以上，年平均气温 9.3 ℃[19]。年平均蒸发量1 552 mm，≥10 ℃积温3 029 ℃，无霜期194 d，地下水位深达60 m以上。试验设在长期旱作农耕地上进行。试验地平坦宽阔，黄土堆积深厚，土壤为黄粘黑垆土[20]。2012年试验开始前0～20 cm土壤全氮含量为 1.0 g·kg-1，硝态氮含量为12.9 mg·kg-1，铵态氮含量为1.8 mg·kg-1，速效磷含量为18.7 mg·kg-1，速效钾含量为157.0 mg·kg-1，有机质含量为14.4 g·kg-1，容重为1.21 g·cm-3。试验期间冬小麦休闲期和生育期降水量分别为345和277 mm，生育期参考蒸散量为524 mm[16]。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设不断根(CK)和返青期断根(RP)两个处理，每个处理重复4次，小区面积为15 m2(5 m×3 m)。所有小区均从小麦播种后开始进行秸秆覆盖，覆盖量为6 000 kg·hm-2，休闲期间各小区及时清除杂草。养分管理采用当地推荐水平，即施纯氮150 kg·hm-2和P2O575 kg·hm-2，所用肥料分别为尿素(含N 46.4%)和重过磷酸钙(含P2O544%)。氮肥播前基施90%，开花期叶面喷施10%，磷肥播前一次性撒施，然后用旋耕机旋耕。断根处理即在冬小麦返青期，距植株根部3 cm处用平口铲子垂直下切13 cm深[15-16]。供试小麦品种为长旱58，播种量为150 kg·hm-2，播种行距25 cm，播种时喷洒农药，田间管理同当地农户。冬小麦播种日期为2014年10月3日，收获日期为2015年7月5日。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 叶面积指数、花后旗叶SPAD值及光合指标的测定

冬小麦越冬期、拔节期及开花期每小区随机选取10个植株，采用扫描仪(型号：WinRhizoLA 1600)扫描全部叶片，记录叶面积总和，并根据各生育时期群体数计算单位面积植株叶面积总和，再除以单位面积土地面积得到叶面积指数。

旗叶叶绿素含量釆用叶绿素仪(Minolta SPAD-502 Chlorophyll Meter)测定得到SPAD值，每小区选择长势一致且具有代表性的小麦旗叶共10片，从开花期开始每隔5～10 d测定一次，直至叶片出现明显黄色为止，共测定了5次。

小麦旗叶净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)分别在开花期、花后5 d和花后20 d测定。每次测定时间为晴天上午9:00-11:30。测定仪器为Li-6400 便携式光合测定仪(LI-COR，USA)。每小区随机选择长势一致且具有代表性的小麦旗叶5片，测定位置在叶片中部。

1.3.2 花后旗叶丙二醛及可溶性蛋白质含量的测定

从小麦开花当天开始(约50%以上开花即为开花期)，每隔6～8 d在每小区随机选取10～20片旗叶用液氮速冻带回实验室，保存在-80 ℃低温冰箱，用于测定丙二醛(MDA)和可溶性蛋白含量，采样直至成熟期。MDA含量测定用硫代巴比妥酸(TBA)法[21-22]，可溶性蛋白含量测定用80%乙醇提取，考马斯亮蓝法测定[22]。

1.3.3 产量及其构成因素的测定

小麦收获期，各小区选取具有代表性的两行进行收割，样品风干后称重，脱粒计算籽粒产量、生物产量和千粒重，其中籽粒于80 ℃烘干后称重计算，然后换算成含水量13%的籽粒产量。收获指数等于籽粒产量与地上部生物量的比值。收获时每小区随机选取10个麦穗，调查穗粒数。拔节期统计每个小区两行1 m长定位样段的总茎数并计算单位面积群体数，成熟期调查样段的穗数并计算单位面积穗数。分蘖成穗率是指成熟期单位面积穗数占拔节期单位面积总茎数的百分率。

1.3.4 水分测定及水分利用效率计算

通过田间每个小区中央位置埋设1个4 m深的PVC管，用CNC503B(DR)中子仪于试验期内测定0～300 cm土壤剖面的含水量，其中0～10 cm及10～20 cm表层的含水量采用烘干法测定。测定时期主要为播前和成熟期。冬小麦生育期耗水量(ET)及水分利用效率(WUE)计算如下：

ET=生育期降水量+播前与收获期土壤储水量的差值

WUE=产量/ET

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和Origin8.1对试验数据进行处理绘制，使用SPSS18.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 返青期断根对旱地秸秆覆盖冬小麦产量及水分利用效率的影响

从图1～图3来看，与CK相比，返青期断根对冬小麦成熟期地上部生物量、穗数、粒重和耗水量没有显著影响，但显著减少了冬小麦拔节期群体数量(降幅11.9%)。断根后小麦分蘖成穗率、穗粒数、籽粒产量、收获指数和水分利用效率显著增加，增幅分别为14.1%、10.5%、 10.4%、17.5%和20.4%，说明返青期断根能够促进小麦分蘖成穗和穗结实，进而起到增产作用。

2.2 返青期断根对秸秆覆盖冬小麦各生育期叶面积指数及花后旗叶叶绿素、MDA和可溶性蛋白质含量的影响

与CK相比，返青期断根后冬小麦叶面积指数在越冬期和拔节期没有显著变化，但在开花期叶面积指数显著提高；在开花期、花后5 d及 10 d，返青期断根处理的旗叶叶绿素含量(SPAD值)与CK差异均不显著，但在花后16 d和26 d，返青期断根处理显著提高了旗叶SPAD值(图4)。随着开花后的生育进程，冬小麦旗叶MDA和可溶性蛋白质含量分别逐渐增加和降低。返青期断根处理的冬小麦旗叶MDA含量在花后各时期均低于CK，且在花后12 d和26 d差异均显著，而可溶性蛋白质含量在花后各时期均高于CK，且在花后18 d和26 d差异均显著(图5)。由此可见，返青期断根可延缓小麦生育后期功能叶片衰老，增加光合面积和时间。

2.3 返青期断根对秸秆覆盖冬小麦花后旗叶净光合速率和蒸腾速率的影响

从图6可以看出，在冬小麦开花期，返青期断根处理的旗叶净光合速率和蒸腾速率与CK没有显著差异，但花后13 d和20 d，返青期断根处理的旗叶净光合速率和蒸腾速率较CK均显著提高，表明返青期断根处理对冬小麦花后旗叶光合作用有明显的促进作用。

3 讨 论

本试验结果表明，在旱地秸秆覆盖条件下，返青期断根提高了冬小麦开花期叶面积指数及花后旗叶净光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量和可溶性蛋白含量，降低了MDA含量，说明返青期断根可延缓小麦花后旗叶衰老，增加光合面积和延长叶片功能期，增强光合作用。这与前人在常规耕作条件下的研究结果相一致[12-14,23-24]。返青期断根对小麦花后旗叶净光合速率以及蒸腾速率促进作用可能是因为：1)返青期断根减少了小麦无效分蘖，进而降低了小麦生育前期对土壤水分的无效消耗[17,25-27]，从而保留更多的水分供小麦花后使用[13]，进而提高小麦生育后期叶面积指数以及延缓旗叶衰老，有利于花后光合和蒸腾作用[12-13]；2)返青期断根能够减少小麦表层根系分布，可能刺激冬小麦根系向土壤深层分布[8,28]，进而促进植株对深层的土壤水分吸收利用[13,28]，有助于减弱花后水分胁迫对小麦花后物质生产的影响[29]。

本研究中，在旱地秸秆覆盖条件下，返青期断根可提高小麦籽粒产量及收获指数，这与前人在常规耕作条件下的研究结果相一致[12-14,17,30]。在本试验条件下，小麦返青期断根增产主要归因于分蘖成穗率和穗粒数增加，由于断根减少小麦春季产生的无效分蘖数量，有利于冬前大分蘖的生长发育，从而提高了其成穗几率和田间群体质量，进而保证穗部发育和结实。其次，返青期断根提高了小麦收获指数，对生物产量影响不显著，说明断根提高了植株光合同化产物向籽粒内分配的比例。另外，返青期断根能够延缓小麦花后旗叶衰老，延长光合能力、持续时间，促进了花后光合物质生产，有利于产量形成。

综上所述，在黄土高原旱地秸秆覆盖条件下，返青期断根可提高冬小麦籽粒产量、收获指数及水分利用效率。返青期断根延缓小麦花后旗叶衰老以及提高小麦花后光合特性是提高籽粒产量的重要原因之一。目前，在小麦作物上已经有相应的断根机械[31]，但要使这一措施能更好地应用于旱地农业的生产实践中，今后还需对断根机械进一步的研究和完善。