高 超，宗 睿，任玉潔，閆振興，馬玉詔，李全起

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引 言

免耕由西方國(guó)家發(fā)展而來(lái)，在干旱地區(qū)的免耕可以改善土壤機(jī)能，起到保水保墑、防止地表裸露、增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力等作用[1-3]。我國(guó)華北冬麥區(qū)，由于長(zhǎng)期過(guò)度翻耕，造成了地表水土流失，土壤裸露，肥力下降，環(huán)境矛盾日益突出等問(wèn)題。相關(guān)研究表明，免耕可通過(guò)降低土壤容重、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成等作用提高土壤蓄水能力和水分利用效率[4]。免耕方式可顯著抑制冬小麥田棵間蒸發(fā)[5]，增加土壤水分含量，削弱地表徑流，減少水土流失[6]。因此，在華北冬麥區(qū)推廣免耕等保護(hù)性耕作，對(duì)緩解干旱災(zāi)害，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

在華北冬麥區(qū)，冬小麥需水量為400～500 mm[7]；然而，在冬小麥生育期間(10月初到來(lái)年6月中旬)，降水量約為200 mm，有限降水并不能滿足冬小麥正常生長(zhǎng)的需要。為了獲得穩(wěn)產(chǎn)或高產(chǎn)，冬小麥生育期間需要進(jìn)行補(bǔ)充灌溉[8]。在總灌溉量有限條件下，對(duì)冬小麥關(guān)鍵生育期灌溉研究成了眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。研究表明，在冬小麥拔節(jié)期和抽穗期灌溉可激發(fā)冬小麥群體調(diào)節(jié)能力，獲得最高水分利用效率[9]。在冬小麥生育前期通過(guò)水分調(diào)虧，而后進(jìn)行復(fù)水，冬小麥出現(xiàn)超補(bǔ)償生長(zhǎng)[10,11]。

在華北冬麥區(qū)，大量研究表明，在免耕條件下，冬小麥群體數(shù)量減少，顯著降低了籽粒產(chǎn)量[12]。而郎坤等研究表明，于冬小麥拔節(jié)期推遲10 d灌溉，可提高冬小麥生育后期旗葉光合速率和葉片水分利用效率(WUEL)，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量[13]。但是，在免耕條件下，于冬小麥拔節(jié)期推遲10 d灌溉是否可進(jìn)一步提高冬小麥生育后期的光合速率，進(jìn)而對(duì)籽粒產(chǎn)量損失起補(bǔ)償作用等問(wèn)題還不明確。因此，本實(shí)驗(yàn)以冬小麥為研究對(duì)象，在免耕條件下，于拔節(jié)期推遲10 d灌溉，探討冬小麥生育后期旗葉的光合特性，為冬小麥種植區(qū)提供一種高效節(jié)水的耕作和灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015-2016年冬小麥生育期在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站(36°09′ N, 117°09′ E)水分池內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為690 mm，冬小麥生育期間降水量不到年降水量的30%， 冬小麥在2015-2016年度內(nèi)日降雨量和日氣溫如圖1所示。水分池的長(zhǎng)和寬各為3 m，池頂?shù)匠氐赘叨葹?.5 m，四周磚砌，用水泥抹面防水，底部不密封，池內(nèi)土壤為原狀土，0～20 cm土層中，速效磷、總氮和速效鉀含量分別為82、65 和15 mg/kg。播種進(jìn)行施肥處理，底施尿素、磷酸二銨和硫酸鉀分別為19.2、 26.1和21.0 g/m2，于拔節(jié)期以及拔節(jié)后10 d，結(jié)合灌溉追施尿素19. 2 g/m2。試驗(yàn)種植采用的冬小麥品種為濟(jì)麥22，于2015年10月8日播種，2016年6月15日收獲。播種的方式為人工點(diǎn)播，密度為222 株/m2。

圖1 2015-2016冬小麥生育期日降雨量和日氣溫變化 Fig1. Daily rainfall and temperature during the winter wheat growing season from 2015 to 2016

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用耕作方式與灌溉時(shí)間相結(jié)合的裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，主區(qū)為免耕(NT)和常規(guī)耕作(CT)兩種耕作方式。NT處理即在上茬作物(玉米)收獲后，土壤不翻動(dòng)，只將玉米秸稈粉碎并覆蓋在地表；CT處理即在上一茬作物(玉米)收獲后，將殘留的秸稈清理出小區(qū)并人工進(jìn)行翻耕，翻耕深度為20 cm。副區(qū)為拔節(jié)期灌溉60 mm(I1)和拔節(jié)期推遲10 d灌溉60 mm(I2)兩個(gè)灌溉時(shí)間，每個(gè)處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)時(shí)，在出水口處安裝測(cè)量表，控制灌水時(shí)間和流量，使每個(gè)小區(qū)的灌水總量和均勻度保持一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 土壤水分含量

在冬小麥開(kāi)花期、灌漿期和成熟期，用中子儀(CNC503D)測(cè)定土壤水分含量。每10 cm為一個(gè)層次，測(cè)深為120 cm。0～20 cm土壤水分含量用取土烘干法校正。

1.3.2 葉面積指數(shù)

在冬小麥開(kāi)花期、灌漿期和成熟期，于每個(gè)小區(qū)內(nèi)連續(xù)取15株進(jìn)行測(cè)量。 葉面積按以下公式計(jì)算[14]：

葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.78

式中：葉長(zhǎng)是葉舌與葉尖之間的距離，葉寬是葉片最寬點(diǎn)處的寬度。

1.3.3 光合速率和蒸騰速率

選擇無(wú)風(fēng)晴天，于 9∶00-11∶00 之間用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的光合作用測(cè)定系統(tǒng) (LI-6400)在每小區(qū)選取3株具有代表性植株，在冬小麥開(kāi)花期、灌漿期和成熟期分別測(cè)量旗葉光合速率和蒸騰速率。測(cè)量過(guò)程中，將光系統(tǒng)內(nèi)置光照強(qiáng)度設(shè)置為1 600 μmol·(m2·s)。

1.3.4 葉片水分利用效率(WUEL)

用葉片通過(guò)蒸騰消耗一定量的H2O所同化的CO2量計(jì)算WUEL公式[13]如下:

WUEL=Pn/Tr

式中：Pn為冬小麥旗葉凈光合速率,μmol/(m2·s);Tr為旗葉蒸騰速率，mmol/(m2·s);WUEL為葉片層面水分利用效率，μmol/mmol。

1.3.5 產(chǎn)量以及產(chǎn)量要素

收獲時(shí)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取長(zhǎng)勢(shì)一致、長(zhǎng)度為1.5 m的冬小麥雙行調(diào)查穗數(shù)，另外連續(xù)取20株于室內(nèi)考察穗粒數(shù)。風(fēng)干后，測(cè)定千粒重和籽粒產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均通過(guò)Microsoft Excel 2007和DPS ( Data Processing System) 進(jìn)行處理分析，采用LSD(α= 0.05)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分含量

圖2 為冬小麥開(kāi)花期、灌漿期和成熟期的土壤水分含量。從開(kāi)花期到成熟期，土壤水分含量呈遞減規(guī)律。開(kāi)花期，在0～100 cm 土層內(nèi)，NT-I2的土壤水分含量最高，其次為NT-I1，CT-I2和CT-I1間差異不顯著。灌漿期，在30 cm以下土層內(nèi)，免耕處理的土壤水分含量顯著高于常規(guī)耕作處理。成熟期，在0～120 cm土層內(nèi)，各處理間的土壤水分含量沒(méi)有顯著差異。

圖2 冬小麥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 葉面積指數(shù)

圖3 為冬小麥開(kāi)花期、灌漿期和成熟期的葉面積指數(shù)(LAI)。從開(kāi)花期到成熟期，LAI呈逐漸降低趨勢(shì)。開(kāi)花期，CT-I1的LAI高于其他處理；在耕作方式相同的情況下，I1的LAI比I2顯著提高了13.5%。灌漿期，免耕處理的LAI顯著低于常規(guī)耕作處理；I1和I2間的差異不顯著。成熟期，灌溉條件相同的情況下，免耕處理與常規(guī)耕作處理間的差異逐漸縮小。

圖3 冬小麥不同生育期葉面積指數(shù)Fig.3 Leaf area index of winter wheat at different growth stages

2.3 光合速率

在冬小麥開(kāi)花期，兩種耕作方式之間旗葉的光合速率差異不顯著；但是，推遲拔節(jié)期灌溉提高了旗葉的光合速率(圖4)。在灌漿期，各處理旗葉光合速率的關(guān)系為：NT-I2 >CT-I2 > NT-I1 >CT-I1，免耕比常規(guī)耕作提高了13.0%；與拔節(jié)期正常時(shí)間灌溉相比，拔節(jié)期延遲灌溉的處理使光合速率提高了20.1%。在成熟期，NT-I2 處理的旗葉光合速率最大，且各處理間的關(guān)系為NT-I2 > NT-I1 > TC-I2 > TC-I1。因此，在冬小麥的籽粒形成時(shí)期，免耕能夠提高葉片的光合速率，為最終收獲期提高產(chǎn)量創(chuàng)造條件。

圖4 冬小麥不同生育期旗葉光合速率Fig.4 Photosynthetic rate of winter wheat at different growth stages

2.4 蒸騰速率

圖5是冬小麥在開(kāi)花期、灌漿期和成熟期旗葉的蒸騰速率，在這三個(gè)生育期中，葉片的蒸騰速率先增后減。四個(gè)不同處理蒸騰速率的峰值均在灌漿期，而最低出現(xiàn)在開(kāi)花期。在開(kāi)花期，與免耕相比，常規(guī)耕作處理冬小麥旗葉能夠取得更大蒸騰速率。在開(kāi)花期以后，免耕耕作方式提高了旗葉的蒸騰速率。在成熟期，灌溉與耕作相互耦合的作用下，NT-I1處理比CT-I1處理的蒸騰速率高9.1%，NT-I2處理比CT-I2處理高8.0%。因此，在冬小麥生育后期通過(guò)免耕可以提高蒸騰速率，增加有效耗水量。

圖5 冬小麥不同生育期旗葉蒸騰速率Fig.5 Transpiration rate of flag leaf at different growth stages of winter wheat

2.5 葉片水分利用效率

在冬小麥生育后期，WUEL呈逐漸遞減趨勢(shì)(圖6)。在開(kāi)花期，NT-I1處理取得了最高的WUEL。在灌溉時(shí)間相同時(shí)，旗葉的WUEL大小順序?yàn)镹T-I2>CT-I2, NT-I1>CT-I1；耕作方式相同時(shí)，NT-I1處理比NT-I2處理提高了9.4%，CT-I1和CT-I2間的沒(méi)有顯著差異。在冬小麥灌漿期，灌溉時(shí)間相同時(shí)，免耕處理的WUEL顯著高于常規(guī)耕作處理，且NT-I2處理和CT-I2處理處理旗葉的WUEL分別比NT-I1處理和CT-I1處理提高了23.0%和17.9%。在冬小麥成熟期，各處理間WUEL的大小順序?yàn)镹T-I2>NT-I1>CT-I1>CT-I2。以上分析表明，在冬小麥灌漿期和成熟期，NTI2處理的WUEL最大，可為免耕條件下實(shí)現(xiàn)水分的高效利用提供保證。

圖6 冬小麥不同生育期旗葉葉片水分利用效率Fig 6. Water use efficiency of flag leaf in different growth stages of winter wheat

2.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

表1是2015-2016年，兩種灌溉處理與兩種耕作方式相互作用下冬小麥的產(chǎn)量。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，免耕顯著提高了冬小麥的千粒重以及穗粒數(shù)，但在收獲時(shí)的有效穗數(shù)卻顯著低于常規(guī)耕作，造成減產(chǎn)。改變灌拔節(jié)水時(shí)間即延后10 d灌溉雖然降低了千粒重，但是顯著提高了收獲時(shí)的有效穗數(shù)以及穗粒數(shù)，從而顯著提高了籽粒產(chǎn)量，為冬小麥產(chǎn)量的增加提供了有利條件。

耕作方式和灌溉時(shí)期的耦合效應(yīng)顯示，NT-I2處理的穗數(shù)比NT-I1處理顯著提高了8.6%，CT-I2處理的穗數(shù)比CT-I1處理顯著提高了5.8%，CT-I2處理冬小麥的籽粒產(chǎn)量顯著高于其余各處理。結(jié)果說(shuō)明，免耕處理穗數(shù)的顯著降低造成了冬小麥的減產(chǎn)，而推遲拔節(jié)期灌溉能夠增加冬小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，對(duì)免耕處理籽粒產(chǎn)量降低起到了補(bǔ)償作用。

3 結(jié) 論

在冬小麥開(kāi)花期到成熟期，免耕在冬小麥生育中期顯著降低了植株的LAI, 但是在生育后期LAI與常規(guī)耕作差距減小。免耕在冬小麥生育前中期能有效提高土壤水分含量，并在生育 后期增加對(duì)土壤水的消耗量。免耕雖然提高了冬小麥生育后期旗葉光合速率以及增加了作物的有效耗水，但是降低了冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)的有效穗數(shù)而導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量顯著降低，造成減產(chǎn)。在總灌溉量不變條件下，于冬小麥拔節(jié)期灌溉推遲至拔節(jié)后10 d灌溉，可顯著增加構(gòu)成產(chǎn)量要素中的有效穗數(shù)，顯著提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量。結(jié)果表明，免耕與推遲拔節(jié)期灌溉相結(jié)合可補(bǔ)償由于免耕而引起的冬小麥籽粒產(chǎn)量損失。

表1 耕作和灌溉對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量要素構(gòu)成的影響Tab.1 Effects of farming and irrigation on the composition of yield and yield factors

不同環(huán)境條件對(duì)保護(hù)性耕作試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響[6]。今后，應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究，以確定不同降水條件對(duì)免耕冬小麥水分利用效率的影響，為華北冬小麥節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

□