羅來(lái)超 王朝輝,2,* 惠曉麗 張 翔 馬清霞 包 明趙 岳 黃 明 王 森

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覆膜栽培對(duì)旱地小麥籽粒產(chǎn)量及硫含量的影響

羅來(lái)超1王朝輝1,2,*惠曉麗1張 翔1馬清霞1包 明1趙 岳1黃 明1王 森1

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/ 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué) / 旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100

研究并明確旱地覆膜栽培對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、硫吸收累積和轉(zhuǎn)運(yùn)及籽粒硫含量的影響, 調(diào)控作物硫營(yíng)養(yǎng), 提高籽粒硫含量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì), 對(duì)旱地小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培有重要意義。2014—2015和2015—2016兩年在西北三省七點(diǎn)進(jìn)行田間試驗(yàn), 比較不覆膜(傳統(tǒng)平作栽培)和覆膜(壟覆溝播或全膜覆土穴播)栽培模式的小麥生物量、產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成, 以及籽粒硫含量和硫吸收利用。與不覆膜相比, 覆膜栽培提高了小麥穗數(shù), 使籽粒產(chǎn)量提高13.7%, 但籽粒硫含量卻降低9.0%。覆膜栽培能提高旱地小麥開(kāi)花期地上部硫累積量, 莖葉、穗和地上部硫累積總量分別提高19.9%、16.1%和19.2%, 并使花后硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率提高36.2%和17.9%, 但開(kāi)花期土壤有效硫卻因覆膜降低24.5%, 花后硫吸收也降低77.9%, 結(jié)果使成熟期地上部硫累積總量和硫收獲指數(shù)未因覆膜而增加。籽粒硫吸收量沒(méi)能隨產(chǎn)量同步提高, 致使籽粒硫含量因籽粒產(chǎn)量增加引起的稀釋效應(yīng)而降低。因此, 在西北旱地小麥覆膜栽培中要注意加強(qiáng)土壤硫的補(bǔ)充, 改善旱地小麥籽粒硫營(yíng)養(yǎng), 提高小麥的營(yíng)養(yǎng)和加工品質(zhì)。

旱地; 地表覆蓋; 硫素吸收; 硫素累積; 硫素轉(zhuǎn)運(yùn)與分配; 籽粒品質(zhì)

旱地面積約占世界耕地的80%, 提供60%的糧食供給[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 21世紀(jì)末旱地面積將增加23%, 其中78%在發(fā)展中國(guó)家[2]。我國(guó)西北旱地是典型雨養(yǎng)農(nóng)作區(qū), 種植面積達(dá)1.6億公頃[3]。這些地區(qū)降水?dāng)?shù)量少且分配不均, 常年降水量在300~600 mm, 主要(70%以上)集中在7月至9月。為最大限度地保蓄降水和提高作物對(duì)土壤水分的吸收和利用效率, 覆膜栽培得到廣泛應(yīng)用[4-6]。研究表明, 覆膜栽培可增加旱地麥田播前土壤貯水量35~72 mm[7-8]和作物水分利用效率0.2~1.0 kg hm-2mm[9-10]。同時(shí)覆膜能有效提高耕層土壤溫度2~9oC[11-12], 改善作物苗期農(nóng)田微環(huán)境, 使出苗提前, 生育期延長(zhǎng)[13-14], 促進(jìn)籽粒發(fā)育和灌漿。此外, 覆膜也顯著增加土壤微生物數(shù)量, 可分別提高細(xì)菌、真菌和放線菌16.3%~ 22.6%、29.3%和19.7%~58.0%[15-16], 促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化和作物有效吸收, 提高作物養(yǎng)分利用率和產(chǎn)量[17-18]。在西北旱區(qū), 小麥生育期覆膜的增產(chǎn)效果非常明顯, 甘肅、陜西和山西的試驗(yàn)表明增產(chǎn)率可分別達(dá)55.4%[19]、28.5%[20]和11.7%[9]。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)的主要糧食作物, 每年生產(chǎn)1260萬(wàn)噸小麥產(chǎn)品[21], 隨著人們生活水平不斷提高, 食品加工業(yè)迅速發(fā)展, 小麥品質(zhì)也顯得越來(lái)越重要。硫是作物必需的第四大礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素, 也是含硫蛋白質(zhì)的重要組分, 對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)積累及品質(zhì)改善有重要作用[22-23]。Zhao等[24-25]的多點(diǎn)研究表明, 籽粒硫含量在1.2~1.9 mg g-1之間, 硫含量每增加1 mg g-1, 面團(tuán)延伸距離增加5 cm, 面包體積會(huì)增加237 mL; 白金順等[26]試驗(yàn)表明, 小麥籽粒硫含量每增加1 mg g-1, 蛋白質(zhì)含量增加1.7%。小麥生育期內(nèi), 土壤水分條件影響作物吸收和利用土壤營(yíng)養(yǎng)元素, 硫元素也不例外。劉超等[27]報(bào)道, 華北平原冬小麥拔節(jié)期灌水75 mm, 籽粒吸硫量提高19.3%。籽粒硫來(lái)源于花前營(yíng)養(yǎng)器官累積和花后吸收。在澳大利亞新南威爾士州的研究發(fā)現(xiàn), 籽粒硫48%來(lái)自開(kāi)花前累積[28]。在中國(guó)山東灌區(qū)的試驗(yàn)表明, 小麥籽粒硫34.5%來(lái)自花前營(yíng)養(yǎng)器官積累, 65.5%來(lái)自花后吸收[29]。在中國(guó)河南的試驗(yàn)表明, 拔節(jié)和開(kāi)花期灌水使穗軸和穎殼的硫含量增加47.6%~55.0%[30]。目前, 尚缺乏土壤水分對(duì)作物硫吸收與利用影響的系統(tǒng)研究, 尤其在旱地雨養(yǎng)條件下。

西北旱地覆膜栽培改變了土壤水分狀況, 促進(jìn)了作物產(chǎn)量提升, 但尚不清楚對(duì)作物硫含量及硫吸收利用的影響。2014—2015和2015—2016年度, 本課題組通過(guò)在山西、陜西和甘肅的多點(diǎn)田間試驗(yàn), 研究了覆膜栽培對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、硫吸收累積和轉(zhuǎn)運(yùn)及籽粒硫含量的影響, 為旱地小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇黃土高原典型雨養(yǎng)區(qū)的3個(gè)省份7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(34o43′~36o23′N, 107o07~111o35′E, 海拔500~1760 m), 即山西聞喜縣桐城鎮(zhèn)和洪洞縣劉家垣鎮(zhèn), 陜西永壽縣御駕宮鎮(zhèn)和長(zhǎng)武縣丁家鎮(zhèn), 甘肅清水縣永清鎮(zhèn)、通渭縣常河鎮(zhèn)和平襄鎮(zhèn)。試驗(yàn)區(qū)域?qū)侔霛駶?rùn)易旱區(qū), 年均氣溫7.4~14.0°C, 降雨量550 mm, 其中夏閑期(7月至9月)的降雨量占全年的60%~70%, 自然降水是農(nóng)業(yè)的唯一水源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一年一熟制, 主要作物為小麥。各試驗(yàn)點(diǎn)小麥生育期和夏閑期的雨量分布見(jiàn)圖1, 試驗(yàn)田塊0~20 cm土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

田間試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)為栽培模式, 副區(qū)為施肥處理, 小區(qū)面積40~470 m2, 重復(fù)3~4次。主區(qū)包括不覆膜和覆膜兩種模式。其中, 不覆膜為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)栽培方式, 常規(guī)平作, 機(jī)械條播, 行距20 cm, 小麥?zhǔn)斋@后秸稈全部移走, 雨后機(jī)械深翻30~40 cm, 夏閑期地表裸露。覆膜栽培又分為壟覆溝播(山西、陜西)和全膜覆土穴播(甘肅)。其中, 壟覆溝播為播前起壟覆膜播種, 壟高8 cm、壟寬30 cm、溝寬30 cm, 壟上覆地膜, 膜寬40 cm、厚0.008 mm, 壟溝內(nèi)種植2行小麥, 行距20 cm, 小麥?zhǔn)斋@后秸稈還于壟溝內(nèi), 夏閑期不翻耕、不揭膜, 以蓄水保墑; 下季小麥播前的9月初揭膜、清理殘膜、深翻整地; 全膜覆土穴播為平作不起壟, 地面全部覆膜, 膜寬120 cm、厚0.008 mm, 膜上鋪1 cm厚的土壤, 用穴播機(jī)播種, 行距20 cm、穴距15 cm、每穴播8~10粒種子, 小麥?zhǔn)斋@后秸稈均勻覆蓋在膜面上, 夏閑期不翻耕、不揭膜, 以蓄水保墑; 小麥播前的9月初揭膜、清理殘膜、旋耕。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟愿弋a(chǎn)品種, 播種量和播種日期見(jiàn)附表1。小麥生育期內(nèi)無(wú)灌溉, 其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

圖1 各試驗(yàn)點(diǎn)全年降雨量在夏閑期和小麥生育期的分布

試驗(yàn)共7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別是山西省(SX)的桐城(TC)和劉家垣(LJY), 陜西省(SAX)的御駕宮(YJG)和丁家(DJ)，甘肅省(GS)的永清(YQ)、常河(CH)和平襄(PX)。A: 2014–2015冬小麥生長(zhǎng)季；B: 2015–2016冬小麥生長(zhǎng)季。

The seven experimental locations were Tongcheng (TC) and Liujiayuan (LJY) of Shanxi province (SX), Yujiagong (YJG) and Dingjia (DJ) of Shaanxi province (SAX), and Yongqing (YQ), Changhe (CH) and Pingxiang (PX) of Gansu province (GS). A: the winter wheat growing season of 2014–2015; B: the winter wheat growing season of 2015–2016.

表1 各試驗(yàn)點(diǎn)冬小麥播前耕層0~20 cm土壤基礎(chǔ)肥力

除御駕宮和丁家測(cè)定有效硫含量的土壤樣品為2014年9月冬小麥播前取樣外, 其他土壤樣品均為2015年小麥開(kāi)花期取樣。

Soil samples were collected at anthesis stage in 2015 except those collected from YJG and DJ for measuring available sulfur (S) in September 2014 (before wheat sowing). Experimental locations are abbreviated to the same as those in Fig. 1.

在山西桐城, 施磷(P2O5) 150 kg hm-2的基礎(chǔ)上設(shè)120、150 kg hm-2兩個(gè)施氮(N)水平; 在山西劉家垣, 氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)用量分別為60、60和37.5 kg hm-2。在陜西御駕宮, 施P2O5100 kg hm-2的基礎(chǔ)上設(shè)0、60、120、180和240 kg hm-25個(gè)N水平; 在陜西丁家, N和P2O5用量分別為150 kg hm-2和105 kg hm–2。在甘肅永清和甘肅常河, 均施N 150 kg hm-2和P2O5120 kg hm-2; 在甘肅平襄, 施P2O5120 kg hm–2的基礎(chǔ)上設(shè)90、120和150 kg hm-23個(gè)施氮水平。所有肥料均作基肥于播前結(jié)合旋耕一次施用。

1.2 小麥生物量與產(chǎn)量測(cè)定方法

于小麥開(kāi)花期和成熟期采集植物樣品, 采樣日期見(jiàn)附表1。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)避開(kāi)邊行, 隨機(jī)抽取100穗的植株, 從分蘗節(jié)基部剪掉根系, 地上部再分成若干器官樣品, 其中開(kāi)花期分莖葉和穗兩部分, 分別稱鮮重; 成熟期分為莖葉、穎殼和籽粒, 風(fēng)干后分別稱重。取每器官樣品50 g, 其中莖葉剪成0.5~1.0 cm小段, 用自來(lái)水快速清洗2~3次, 去離子水洗2~3次, 105°C殺青30 min, 65~75°C烘至恒重, 然后稱干重。先計(jì)算單穗植株干重, 再利用單位面積穗數(shù)計(jì)算各器官生物量和總生物量。

避開(kāi)邊行選取每小區(qū)4個(gè)1 m2樣方, 人工收割, 風(fēng)干后機(jī)械脫粒、稱重; 取100~150 g籽粒, 烘干后稱取干重, 計(jì)算籽粒含水量, 籽粒產(chǎn)量以烘干重表示。用數(shù)粒板數(shù)1000粒籽粒, 烘干后稱千粒重; 隨機(jī)抽取100穗, 其籽粒烘干重與穗數(shù)的比值為穗粒數(shù)。

1.3 硫素積累和運(yùn)轉(zhuǎn)指標(biāo)測(cè)定方法

用組織混合研磨儀、氧化鋯罐(MM400, Retsch, Germany)粉碎不同器官的烘干樣, 稱取籽粒粉碎樣0.2 g、莖葉和穎殼粉碎樣0.25 g, 利用高通量微波消解儀(Multiwave PRO, Anton Paar, Austria), 以HNO3-H2O2法消解。每個(gè)消解罐加HNO35 mL, 120°C預(yù)消解30 min, 冷卻后加H2O22 mL, 微波消解60 min, 用ICP-MS (ICAP Qc, Thermo Fisher Scientific, USA)測(cè)定消解液中的硫含量。每批次消解樣中加標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW10011-小麥)以校驗(yàn)操作流程。籽粒硫含量以干重表示。

用氯化鈣浸提土壤有效硫, 水土比為5∶1, 振蕩1 h后過(guò)濾, 濾液經(jīng)雙氧水-電熱分解有機(jī)物后, 加鹽酸(1∶4) 1 mL和阿拉伯膠水溶液2 mL, 定容至25 mL, 用硫酸鋇比濁法在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2450, Shimadzu, Japan)上測(cè)定透光度。

硫素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)指標(biāo)計(jì)算公式如下, 其中器官硫含量單位為g kg-1, 器官生物量、硫累積量、硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后硫吸收單位均為kg hm-2。

器官硫累積量=器官生物量×器官硫含量[31]

花前硫累積量=開(kāi)花期莖葉硫累積量+開(kāi)花期穗硫累積量[31]

花后硫轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)器官(莖葉+穗)硫累積量–成熟期營(yíng)養(yǎng)器官(莖葉+穎殼)硫累積量[29]

硫轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=花后硫轉(zhuǎn)運(yùn)量/花前硫累積量×100[32]

硫收獲指數(shù)(%)=籽粒硫累積量/成熟期地上部硫累積量×100[31]

花后硫吸收=籽粒硫累積量-花后硫轉(zhuǎn)移量[29]

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn), 結(jié)果見(jiàn)附表2, 然后運(yùn)行多因素統(tǒng)計(jì)分析程序, 比較各測(cè)定指標(biāo)在兩種栽培模式之間的差異顯著性(測(cè)驗(yàn)), 顯著水平為0.05。用SigmaPlot 12.5繪制盒子圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜栽培降低冬小麥籽粒硫含量

冬小麥籽粒硫含量因地點(diǎn)和栽培模式而異(圖2)。覆膜與不覆膜處理的平均籽粒硫含量, 山西分別為1.76 g kg-1和1.98 g kg-1, 陜西為1.66 g kg-1和1.81 g kg-1, 甘肅為1.77 g kg-1和1.92 g kg-1, 三省平均為1.71 g kg-1和1.88 g kg-1; 總體來(lái)看, 在山西、陜西和甘肅, 覆膜處理的小麥籽粒硫含量比不覆膜處理分別低11.1%、8.3%和7.8%, 三省平均降低9.0%。不同年份各地覆膜小麥籽粒硫含量也降低, 其中2014—2015年度三省的下降百分率依次為8.7%、8.4%和11.3%, 2015—2016年度依次為13.0%、8.2%和9.3% (附表3)。

2.2 覆膜栽培增加冬小麥生物量和籽粒產(chǎn)量

與不覆膜相比, 陜西和甘肅覆膜小麥分別增產(chǎn)8.5%和28.6%, 山西無(wú)顯著增加(圖3)。三省平均的覆膜與不覆膜產(chǎn)量分別為5246 kg hm-2和4612 kg hm-2, 覆膜提高13.7%。不同年份分析表明, 2015年山西和陜西覆膜小麥產(chǎn)量分別提高17.2%和15.5%, 甘肅增產(chǎn)不顯著, 但三省平均提高12.3%; 2016年甘肅提高77.2%, 山西、陜西均無(wú)顯著差異, 平均提高14.0% (附表3)。

圖2 覆膜栽培對(duì)小麥籽粒硫含量的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜2種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represen10:43 2018/6/19t the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

三省覆膜小麥生物量依次分別提高12.6%、8.2%和27.4%, 平均提高13.7% (圖3)。2015年山西和陜西生物量分別提高18.1%和12.4%, 甘肅無(wú)顯著增加, 三省平均提高12.2%; 2016年僅甘肅提高59.1%, 山西和陜西無(wú)顯著提高, 三省平均提高15.4% (附表3)。

山西覆膜小麥的收獲指數(shù)降低4.1%, 陜西、甘肅及三省平均均無(wú)顯著變化(圖3)。2015年甘肅的收獲指數(shù)降低4.1%; 2016年山西降低6.9%, 甘肅則提高11.2%。在不同年份, 三省覆膜與不覆膜的平均收獲指數(shù)差異也不顯著(附表3)。

可見(jiàn), 雖然增產(chǎn)的效果因地點(diǎn)和年份而異, 但在西北旱地覆膜栽培可以提高小麥產(chǎn)量和生物量, 但對(duì)收獲指數(shù)無(wú)顯著影響。

2.3 覆膜栽培提高冬小麥單位面積穗數(shù)

總體來(lái)看, 覆膜對(duì)旱地小麥的穗粒數(shù)和千粒重沒(méi)有顯著影響, 卻使小麥的穗數(shù)顯著提高。山西和陜西覆膜小麥穗數(shù)提高13.5%和12.6%, 甘肅無(wú)顯著差異, 三省平均提高9.2% (圖4)。覆膜對(duì)旱地小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響也因地區(qū)和年份而異。與不覆膜相比, 2015年山西覆膜小麥穗數(shù)提高13.8%, 穗粒數(shù)無(wú)顯著變化, 千粒重提高5.8%, 陜西覆膜小麥穗數(shù)提高16.5%, 穗粒數(shù)和千粒重均無(wú)顯著差異, 甘肅覆膜小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素均無(wú)顯著差異, 三省平均穗數(shù)提高11.8%, 穗粒數(shù)和千粒重?zé)o顯著差異; 2016年山西覆膜小麥穗數(shù)提高13.0%, 穗粒數(shù)則降低13.5%, 千粒重?zé)o顯著差異, 陜西覆膜小麥穗數(shù)提高8.0%, 穗數(shù)和千粒重?zé)o顯著差異, 甘肅除穗粒數(shù)提高62.5%外, 穗數(shù)和千粒重均無(wú)顯著差異, 三省平均僅穗數(shù)提高6.8%, 穗粒數(shù)和千粒重則無(wú)顯著差異(附表4)。

2.4 覆膜栽培降低開(kāi)花期土壤有效硫含量

與不覆膜相比, 山西和甘肅覆膜小麥開(kāi)花期土壤有效硫含量分別降低36.1%和18.8%, 陜西無(wú)顯著降低。覆膜與不覆膜土壤的三省平均有效硫含量分別為16.05和21.26 mg kg-1, 覆膜降低24.5%(圖5)。不同年份分析表明, 2015年山西和甘肅分別降低33.0%和26.7%, 陜西無(wú)顯著降低, 三省平均降低25.4%; 2016年山西降低39.3%, 陜西和甘肅均無(wú)顯著降低, 平均降低27.6% (附表5)。

2.5 覆膜栽培提高開(kāi)花期小麥地上部硫累積量

栽培模式對(duì)開(kāi)花期小麥地上不同部位硫累積量影響顯著(圖6)。與不覆膜相比, 山西覆膜小麥莖葉硫累積量提高18.3%, 穗部硫累積量無(wú)顯著增加, 地上部硫累積總量提高16.2%, 陜西分別提高18.4%、18.5%和18.4%, 甘肅提高25.4%、19.3%和24.1%, 三省平均提高19.9%、16.1%和19.2%。

不同年份的結(jié)果表明, 2015年山西覆膜小麥莖葉、穗和地上部硫累積總量分別提高29.6%、34.1%和11.5%, 陜西分別提高26.6%、26.4%和27.4%, 甘肅無(wú)顯著增加, 三省平均分別提高22.5%、24.7%和13.9%; 2016年甘肅分別提高40.1%、38.1%和48.6%, 陜西除地上部硫累積總量提高10.0%外, 莖葉和穗硫累積量無(wú)顯著增加, 山西三者亦無(wú)顯著增加, 三省平均分別提高16.2%、15.6%和18.1% (附表5)?？梢?jiàn), 雖然地點(diǎn)間有差異, 但覆膜栽培能顯著提高旱地小麥開(kāi)花期各器官及地上部硫累積總量。

圖3 覆膜栽培對(duì)小麥產(chǎn)量、生物量和收獲指數(shù)的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

圖4 覆膜栽培對(duì)小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

圖5 覆膜栽培對(duì)冬小麥開(kāi)花期0~20 cm土壤有效硫含量的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

2.6 覆膜栽培不影響成熟期小麥地上部硫累積量和硫收獲指數(shù)

總體來(lái)看, 覆膜對(duì)成熟期小麥地上部硫積累量無(wú)顯著影響。與不覆膜相比, 僅甘肅覆膜小麥莖葉和地上部硫累積總量提高19.8%和22.9%, 山西和陜西覆膜小麥莖葉、穎殼、籽粒和地上部硫累積總量均無(wú)顯著提高(圖7)。從不同年份各地結(jié)果來(lái)看, 2015年山西、陜西、甘肅和三省平均各器官和地上部硫累積總量均無(wú)顯著差異; 2016年山西覆膜小麥除籽粒硫累積量降低12.9%外, 莖葉、穎殼和地上部硫累積總量無(wú)顯著差異, 陜西各器官和地上部硫累積總量均無(wú)顯著差異, 甘肅覆膜小麥莖葉、穎殼、籽粒和地上部硫累積總量分別提高44.3%、29.3%、50.6%和46.2%, 三省小麥各器官和地上部硫平均累積總量均無(wú)顯著增加(附表6)。

覆膜栽培小麥的硫收獲指數(shù)除山西降低4.9%外, 陜西、甘肅無(wú)顯著變化, 三省平均覆膜與否也無(wú)顯著差異, 平均分別為49.0%和48.7% (圖7)。不同年份之間, 也只有山西2016年的覆膜小麥硫收獲指數(shù)降低(附表7)。

可見(jiàn), 覆膜栽培對(duì)旱地小麥成熟期各器官及地上部硫累積總量和硫收獲指數(shù)無(wú)顯著影響。

2.7 覆膜栽培提高小麥花后硫素轉(zhuǎn)運(yùn)

栽培模式顯著影響旱地冬小麥花后的硫素轉(zhuǎn)運(yùn)(圖8)。與不覆膜相比, 山西覆膜小麥硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率分別提高24.9%和17.2%; 陜西分別提高54.0%和34.1%; 甘肅小麥僅轉(zhuǎn)運(yùn)量提高22.0%, 三省平均分別提高36.2%和17.9%。不同年份分析表明, 2015年陜西覆膜小麥硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率分別提高70.3%和35.5%, 山西、甘肅無(wú)顯著增加, 三省平均提高49.6%和25.5%; 2016年除山西無(wú)明顯變化外, 陜西分別提高34.4%和41.8%, 甘肅僅硫轉(zhuǎn)運(yùn)量提高38.3%, 三省平均提高25.0%和12.5% (附表7)。

圖6 覆膜栽培對(duì)冬小麥開(kāi)花期莖葉、穗和地上部硫累積量的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù);“·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

圖7 覆膜栽培對(duì)冬小麥成熟期莖葉、穎殼、籽粒和地上部硫累積量及硫收獲指數(shù)的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

覆膜栽培顯著降低冬小麥的花后硫吸收量(圖8)。山西小麥花后硫吸收量降低88.8%, 陜西降低79.8%, 甘肅雖降低5.5%, 但差異不顯著, 三省平均降低77.9%。2015年三省分別降低36.3%、34.6%和33.1%, 平均降低29.5%; 2016年山西和陜西分別降低9.8%和51.0%, 甘肅無(wú)明顯變化, 三省平均降低43.2% (附表7)。

可見(jiàn), 覆膜栽培可提高旱地小麥花后硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率, 降低花后硫吸收。

圖8 覆膜栽培對(duì)冬小麥硫轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和花后硫吸收的影響

盒內(nèi)黑色實(shí)線和紅色虛線分別表示中位數(shù)和平均數(shù); 盒子的上、下邊緣線分別表示數(shù)據(jù)集的75%和25%分位數(shù); 上、下T形棒分別表示95%和5%分位數(shù); “·”代表小于5%或大于95%分位數(shù)的數(shù)據(jù); “*”表示同一地點(diǎn)覆膜與不覆膜兩種栽培模式間差異顯著(< 0.05)。

The median and mean values are marked with the solid and red dashed lines inside the box, respectively. The lower and upper edges of the box represent the 25th and 75th percentile, respectively. The lower and upper T-bars represent the 5th and 95th percentile, respectively. The symbols “·” above and below the box represent the <5th and >95th percentile of all data, respectively. Significant difference (< 0.05) between no mulching and plastic film mulching treatments in one location is marked with * above a pair of boxes.

3 討論

3.1 覆膜對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)表明, 覆膜栽培小麥籽粒產(chǎn)量三省平均提高13.7%, 在甘肅表現(xiàn)更為明顯, 產(chǎn)量提高58.6%。覆膜栽培能增加耕層土壤溫度, 減少作物生育期土壤水分無(wú)效損耗, 提高土壤貯水量, 促進(jìn)作物對(duì)水分的吸收和高效利用, 從而提高作物產(chǎn)量[7-10]。從作物的產(chǎn)量構(gòu)成看增產(chǎn)原因, 在肯尼亞[8]及我國(guó)的陜西[33]和甘肅[34]的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示, 覆膜小麥穗數(shù)提高38.1%~41.9%, 從而使產(chǎn)量增加53.9%~146.5%。本研究中, 覆膜小麥產(chǎn)量的提高與生物量增加13.7%和穗數(shù)增加9.2%有很大關(guān)系。但是, 覆膜栽培并不總是提高雨養(yǎng)旱作小麥的產(chǎn)量, 本試驗(yàn)中一些試驗(yàn)點(diǎn)個(gè)別年份存在減產(chǎn)的現(xiàn)象, 類似問(wèn)題也被其他研究者報(bào)道過(guò), 如李鳳民等[35]在甘肅春小麥覆膜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)減產(chǎn)率為42.5%, 王淑娟等[36]在陜西長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中也證實(shí)個(gè)別年份減產(chǎn)可達(dá)7.1%。一般認(rèn)為, 小麥減產(chǎn)的主要原因是覆膜雖改善了耕層水溫條件, 但小麥生育前期生長(zhǎng)過(guò)旺, 耗水量增加, 當(dāng)后期降水及土壤供水不足時(shí)會(huì)引起穗發(fā)育不良,不孕小花數(shù)增多, 灌漿持續(xù)時(shí)間縮短或受阻等[35,37]。本研究2016年山西桐城試點(diǎn), 播前底墑不足(夏閑期降水僅95 mm), 在低施氮量(120 kg N hm-2)條件下, 覆膜小麥穗粒數(shù)和收獲指數(shù)降低, 籽粒產(chǎn)量下降8.4%, 這與孟曉瑜等[38]在陜西楊凌的研究結(jié)果一致。本研究2015年甘肅平襄試點(diǎn), 播前底墑?shì)^好(夏閑期降水204 mm), 施氮量120 kg N hm-2和150 kg N hm-2時(shí), 冬前和拔節(jié)前期地上部生物量大量增加, 致使拔節(jié)后期與花后土壤供水不足, 分蘗大量死亡, 成穗率降低, 最終減產(chǎn)?？梢?jiàn), 覆膜栽培雖是西北旱地蓄水保墑增產(chǎn)的有效措施, 但也有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 覆膜對(duì)冬小麥籽粒硫含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 覆膜栽培顯著降低了小麥籽粒硫含量。與不覆膜相比, 開(kāi)花期莖葉、穗和地上部硫累積總量分別提高19.9%、16.1%和19.2%, 說(shuō)明覆膜栽培并不影響開(kāi)花期地上部硫的累積。分析原因首先可能是由于覆膜改善了土壤水分和養(yǎng)分條件, 促進(jìn)了土壤養(yǎng)分活化[39-41]; 覆膜還能促進(jìn)根系發(fā)育, 使分蘗期和孕穗期小麥根系長(zhǎng)度分別提高22.6%和5.0%, 開(kāi)花期根干重提高18.4%[42], 從而促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用和生長(zhǎng)發(fā)育。同位素標(biāo)記34S試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 籽粒中的硫14%來(lái)自出苗–拔節(jié)期, 30%來(lái)自拔節(jié)期–挑旗期, 6%來(lái)自挑旗–開(kāi)花期地上部的硫累積, 即花前累積對(duì)小麥籽粒硫貢獻(xiàn)占50%[43]。王東和于振文[29]在山東的田間試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 開(kāi)花期葉片和穗的硫累積量與轉(zhuǎn)運(yùn)量呈顯著正相關(guān), 單莖葉片和穗每增加1 mg硫累積量, 硫轉(zhuǎn)運(yùn)量相應(yīng)提高0.16~0.17 mg和0.09~0.15 mg。因此, 在覆膜改善土壤水分和溫度下, 小麥花前硫累積狀況并不是籽粒硫累積的限制因素, 甚至還得到加強(qiáng), 能為花后向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)和累積提供更多的硫源; 覆膜栽培條件下, 花后地上部硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率顯著提高36.2%和17.9%, 對(duì)保證籽粒硫累積有積極作用。另外, 覆膜小麥硫收獲指數(shù)無(wú)顯著變化, 也說(shuō)明覆膜也沒(méi)有影響地上部硫向籽粒的分配。

覆膜對(duì)旱地小麥成熟期籽粒的硫累積總量無(wú)顯著影響, 而籽粒產(chǎn)量提高13.7%, 稀釋效應(yīng)使籽粒硫含量(籽粒硫吸收量和籽粒產(chǎn)量的比值)下降9.0%。為什么籽粒硫吸收量沒(méi)有隨其產(chǎn)量同步提高？比較兩種栽培模式的花后硫吸收, 發(fā)現(xiàn)覆膜栽培模式下盡管具有較高的花后硫轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)移率, 但花后硫吸收顯著降低。山西、陜西和三省覆膜小麥花后平均硫吸收量分別為0.38、0.82和0.62 kg hm–2, 比不覆膜低88.8%、79.8%和77.9%, 下降非常明顯。花后硫吸收對(duì)籽粒硫的貢獻(xiàn)不可忽視, 正常情況下籽粒應(yīng)有50%以上來(lái)自花后吸收[28,43]。但本試驗(yàn)條件下, 覆膜栽培小麥籽粒硫僅有5.4%來(lái)源于花后吸收。因此, 覆膜降低了小麥花后或灌漿期對(duì)硫的吸收, 是引起籽粒硫含量下降的主要原因。另外, 土壤有效硫?qū)ψ魑锪蛩貭I(yíng)養(yǎng)及生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。在東北地區(qū)連續(xù)18年覆膜種植玉米, 0~20 cm土層有效硫較不覆膜降低4.3%, 20~40 cm土層有效硫降低32.7%[44]。本研究也表明, 開(kāi)花期覆膜耕層土壤有效硫含量與不覆膜相比, 降低5.21 mg kg–1, 降幅為24.5%, 說(shuō)明開(kāi)花期土壤有效硫減少, 供硫不足, 應(yīng)是花后小麥硫吸收減少的原因。覆膜后土壤有效硫降低的原因首先是覆膜在改善土壤水分和養(yǎng)分的基礎(chǔ)上, 促進(jìn)花前地上部對(duì)土壤硫的吸收和累積, 在無(wú)硫肥投入, 歸還量減少情況下, 導(dǎo)致土壤硫含量下降; 其次是硫酸根不易被土壤膠體吸附, 易淋失或累積在深層土壤中, 表層土壤有效硫含量下降[45-46], 不利于作物花后或灌漿期間有效地吸收利用。有關(guān)覆膜后土壤硫的淋失和累積以及有效形態(tài)轉(zhuǎn)變有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)中三省試驗(yàn)田塊耕層土壤有效硫含量平均為17.3 mg kg–1, 遠(yuǎn)低于華東平原和東北平原的42.4~61.0 mg kg-1[31,47], 屬于缺硫或潛在性缺硫地區(qū), 覆膜會(huì)引起花后土壤有效硫降低, 影響作物硫吸收利用。因此, 旱地小麥覆膜栽培中要注意加強(qiáng)對(duì)土壤硫的補(bǔ)充, 改善小麥籽粒硫營(yíng)養(yǎng), 提高小麥的營(yíng)養(yǎng)和加工品質(zhì)。

4 結(jié)論

覆膜栽培可以提高旱地小麥生物量和籽粒產(chǎn)量, 卻降低了小麥籽粒硫含量。覆膜促進(jìn)小麥開(kāi)花前各器官和地上部硫累積及其在花后向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn), 卻降低了開(kāi)花期耕層土壤有效硫含量和花后硫吸收, 導(dǎo)致覆膜小麥籽粒硫含量降低。因此, 在西北旱地小麥覆膜栽培中要注意加強(qiáng)土壤硫的補(bǔ)充, 以改善旱地小麥籽粒硫營(yíng)養(yǎng), 提高小麥的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)。

致謝:感謝山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院高志強(qiáng)教授、孫敏教授和資源環(huán)境學(xué)院謝英荷教授和李廷亮副教授，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院柴守璽教授和常磊副教授，甘肅農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所魯清林研究員和白玉龍助理研究員在試驗(yàn)樣品采集方面提供的支持與幫助。

附表 請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版: 1) 本刊網(wǎng)站http://zwxb.china- crops.org/; 2) 中國(guó)知網(wǎng)http://www.cnki.net/; 3) 萬(wàn)方數(shù)據(jù)http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical-zuowxb. aspx。

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Effects of Plastic Film Mulching on Grain Yield and Sulfur Concentration of Winter Wheat in Dryland of Loess Plateau

LUOLai-Chao1, WANG Zhao-Hui1,2,*, HUIXiao-Li1, ZHANGXiang1, MA Qing-Xia1, BAOMing1, ZHAO Yue1, HUANGMing1, and WANG Sen1

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University / Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China;2State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas / Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China

Plastic film mulching is popular in dryland wheat production in China and important to understand to effects on grain yield, sulfur (S) accumulation and remobilization, and grain S concentration in high-yield and nutritional-quality wheat production. In the 2014–2015 and 2015–2016 growing seasons, we carried out field experiments in seven locations of three provinces in Northwest China to compare the biomass, grain yield, yield components, grain S concentration, and S uptake and distribution of winter wheat between conventional flat cropping pattern (no mulching) and the ridge mulch with furrow seeding or flat mulching cropping pattern (plastic film mulching). Compared with no mulching pattern, the plastic film mulching pattern showed 13.7% increase of grain yield through higher spike number, but 9.0% decrease of grain S concentration. The S accumulation in stem and leaf, ear, and aboveground plant parts at anthesis increased by 19.9%, 16.1%, and 19.2%, respectively, in plastic film mulching pattern than in no mulching pattern; however, the S remobilization amount and efficiency increased by 36.2% and 17.9%, respectively, during grain filling. Under plastic film mulching pattern, soil available S at anthesis stage decreased by 24.5%, and the S uptake during grain filling greatly declined by 77.9%. As a result, no significant increases in S accumulation of aboveground plant parts at maturity and S harvest index. The grain S concentration decreased owing to the increased grain yield. Therefore, under plastic film mulching pattern in Northwest China, additional S fertilizer should be applied for improving S nutrition and processing quality in dryland wheat.

dryland; soil surface management; sulfur uptake; sulfur accumulation; sulfur remobilization and distribution; grain quality

2017-09-05;

2018-03-20;

2018-04-08.

10.3724/SP.J.1006.2018.00886

王朝輝, E-mail: w-zhaohui@263.net, Tel: 029-87082234

E-mail: luolaichao0106@163.com

本研究由國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303104)和國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-3)資助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303104) and the China Agriculture Research System (CARS-3).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180408.1338.012.html