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        休閑期耕作對旱地小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

        2018-12-04 08:18:34張娟孫敏原亞琦梁艷妃楊清山高志強
        關(guān)鍵詞:蓄水量耕作籽粒

        張娟,孫敏,原亞琦,梁艷妃,楊清山,高志強

        (山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,山西 太谷 030801)

        穩(wěn)定旱地小麥產(chǎn)量,提升旱作麥區(qū)的整體生產(chǎn)水平一直是華北旱區(qū)栽培工作者研究的主要課題,而在穩(wěn)定產(chǎn)量的同時,籽粒品質(zhì)的進一步提升也受到人們關(guān)注。小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)受遺傳特性、環(huán)境條件和栽培措施等因素的影響[1~3]。休閑期深松和深翻能改變土壤結(jié)構(gòu),改善土壤通透性,提高土壤入滲性能,有利于小麥產(chǎn)量和水分利用效率的提高[4~6]。廖允成等[7]研究表明夏閑期深松后,0~200 cm土壤水分提高,播種時土壤降水蓄積量增加76 mm;王新俊等[8]研究表明,深松能提高耕層土壤蓄水量,增產(chǎn)10.5%;王育紅等[9]研究表明,豫西旱坡地深松處理后,平均產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作高703 kg·hm-2,增產(chǎn)18.8%,水分利用效率提高16.8%。而耕作影響產(chǎn)量的同時也影響籽粒品質(zhì),大量研究表明休閑期深松較免耕可提高籽粒蛋白質(zhì)及組分含量[10~12],吳金芝等[13]研究表明,深松覆蓋較免耕降低沉降值、濕面筋含量,深耕較免耕沉降值、濕面筋含量和干面筋含量提高。前人研究主要集中于休閑期耕作對土壤水分、產(chǎn)量和品質(zhì)的單一研究,而如何利用耕作蓄積土壤水分,提高小麥根系活力,促進小麥根系對深層土壤水分和養(yǎng)分的吸收能力,協(xié)調(diào)地上部與地下部的生長,從而提高小麥產(chǎn)量、改善品質(zhì)有待進一步探索。本文在休閑期采用深松和深翻模式,研究其對土壤水分、小麥根系特征、花后氮代謝酶活性、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的影響,旨在尋求最佳休閑期耕作模式,提高黃土高原旱地小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。

        1 材料和方法

        1.1 試驗設(shè)計

        試驗點位于山西省聞喜縣旱地小麥試驗基地,試驗地?zé)o灌溉條件,夏季休閑。其中小麥播種前試驗田0~20 cm土層土壤含有機質(zhì)10.55 g·kg-1,速效磷17.64 mg·kg-1,全氮0.68 g·kg-1,堿解氮37.65 mg·kg-1。試驗田2015—2016年降水量見圖1。試驗設(shè)計休閑期深松和深翻2個處理,深松深度為30~40 m,深翻深度為25~30 cm。小區(qū)面積為3 m×50 m=150 m2,設(shè)置3個重復(fù)。深松和深翻處理均在7月20日進行,8月29日耙耱收墑,10月1日播種,供試品種為晉麥92,采用膜際條播,播種時基施150 kg N·hm-2, 150 kg P2O5·hm-2, 75 kg K2O·hm-2,基本苗2.25×106株·hm-2。

        圖1 聞喜試驗點的降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

        1.2 測定項目及方法

        1.2.1 土壤蓄水量

        分別于播種期、越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期測定0~300 cm土層土壤含水量,土壤含水量測定方法測定及土壤需水量計算方法參照孫敏等[10]。

        1.2.2 根系特征

        分別于越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期,用CI-600根系掃描觀測儀記錄0~80 cm小麥根系的動態(tài),并獲取相應(yīng)圖片,用WinRHIZO根系分析軟件對根系參數(shù)進行解析。

        1.2.3 根系活力的測定

        分別于越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期,0~20 cm土層根系作為根系活力的測定目標(biāo),用α-萘胺法進行測定[14]。

        1.2.4 籽粒蛋白質(zhì)及組分含量與氮代謝酶活性的測定

        參考孫敏等[10]、趙紅梅等[15]的測定方法。

        1.2.5 沉降值和面筋含量的測定

        參考吳金芝等[13]的測定方法。

        1.2.6 產(chǎn)量及構(gòu)成的測定

        參考孫敏等[10]的測定方法。

        1.3 統(tǒng)計分析

        分別采用Excel 2007、DPS、SPSS進行數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計分析,不同處理間用LSD法進行差異顯著性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 耕作對各生育時期0~300 cm土壤蓄水量的影響

        由表1可以看出,隨生育進程推移,與深翻處理相比,深松處理顯著提高播種期—孕穗期0~300 cm土壤蓄水量,各生育時期分別提高25.92、15.60、14.10、17.94 mm,開花期—成熟期深松模式高于深翻模式,但兩處理之間差異不顯著。說明休閑期深松的蓄水效果可延續(xù)至孕穗期。

        表1 休閑期耕作對各生育時期0~300 cm土壤蓄水量的影響/mmTable 1 Effects of tillage during fallow period on soil water storage at the depth of 0~300 cm at different growth stages

        注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。

        Note:Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

        2.2 耕作對根系特征的影響

        2.2.1 對0~80 cm根系總長、總體積的影響

        由圖2可以看出,隨生育進程的推移,0~80 cm土層根系總長、總體積呈現(xiàn)的變化趨勢是先增加后降低,且拔節(jié)期達(dá)到最高。與深翻處理相比,深松提高整個生育期的根系總長、總體積,且越冬—孕穗期達(dá)顯著水平。說明休閑期深松對孕穗期之前的根系總長、總體積影響較大。

        圖2 休閑期耕作對0~80 cm根系總長、總體積的影響Fig.2 Effects of tillage during fallow period on on root length and total root volume of 0~80 cm

        2.2.2 對0~20 cm土層根系活力變化的影響

        由圖3可以看出,隨生育進程的推移,0~20 cm土層根系活力的變化趨勢是先增加后降低,且拔節(jié)期達(dá)到最高。與深翻處理相比,深松提高整個生育期根系活力,且越冬—孕穗期差異達(dá)顯著水平。說明休閑期深松對孕穗期之前的根系活力影響較大。

        圖3 休閑期耕作對0~20 cm根系活力的影響Fig.3 Effects of tillage during fallow period on root cativity of 0~20 cm

        2.3 耕作對籽粒品質(zhì)的影響

        由表2可知,與休閑期深翻處理相比,休閑期深松顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、干面筋含量和沉降值。深松和深翻處理的籽粒蛋白質(zhì)含量分別為15.12%和14.09%,濕面筋含量分別為35.23%和32.33%,干面筋含量分別為11.04%和10.14%,沉降值分別是36和34 mL;深松較深翻蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、干面筋含量和沉降值增幅分別為7%、9%、10%和6%。說明休閑期深松較深翻可以提升籽粒品質(zhì)。

        2.4 耕作對氮代謝酶活性的影響

        2.4.1 對旗葉氮代謝酶活性的影響

        由圖4可以看出,休閑期耕作對花后旗葉GS活性的影響呈逐漸下降的趨勢,花后15 d略有回升,對花后旗葉GDH活性的影響呈“M”的變化趨勢。與深翻相比,深松顯著提高花后5~30 d旗葉GS活性和花后30 d旗葉GDH活性,降低花后5~15 d旗葉GDH活性。說明休閑期深松有利于提高花后旗葉GS活性。

        表2 休閑期作對籽粒品質(zhì)的影響Table 2 Effects of tillage during fallow period on grain quality

        注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。

        Note:Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

        圖4 休閑期耕作對旗葉GS、GDH酶活性的影響Fig.4 Effects of tillage during fallow period on the activities of GS,GDH in flag leaves

        2.4.2 對籽粒氮代謝酶活性的影響

        由圖5可見,休閑期耕作對花后籽粒GS活性的影響呈逐漸下降的趨勢(深松下花后25 d有回升),對籽粒GDH的影響呈逐漸升高的趨勢。與深翻相比,深松顯著提高花后5~15 d、25~30 d籽粒GS活性,降低5~30 d籽粒GDH活性,且花后20~30 d差異顯著。說明休閑期深松有利于提高花后籽粒GS活性。

        圖5 休閑期耕作對籽粒GS、GDH酶活性的影響Fig.5 Effects of tillage during fallow period on the activities of GS,GDH in grains

        2.5 耕作對產(chǎn)量及水分利用效率的影響

        由表3可見,與休閑期深翻處理相比,休閑期深松顯著提高籽粒產(chǎn)量及水分利用效率。深松和深翻處理產(chǎn)量分別是5 769 kg·hm-2和5 271 kg·hm-2,水分利用效率分別是14.21 kg·hm-2·mm-1和13.61 kg·hm-2·mm-1;深松較深翻產(chǎn)量和水分利用效率增幅分別為9%和7%。產(chǎn)量三要素中,深松處理下穗數(shù)和穗粒數(shù)高于深翻處理,僅穗數(shù)差異性顯著;深松處理千粒重低于深翻處理,但差異不顯著。說明休閑期深松處理產(chǎn)量和水分利用效率高于深翻處理。

        表3 休閑期耕作對籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 3 Effects of tillage during fallow period on grain yield and water use efficiency

        注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。

        Note: Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

        2.6 土壤蓄水量、根系特征與產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量的關(guān)系

        將各生育時期土壤蓄水量、根系總長、根系總體積、根系活力與產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量進行逐步回歸分析(表4)。由表4得,孕穗期0~300 cm土壤蓄水量與產(chǎn)量的逐步回歸方程為Y=27.713X-6121.947,越冬期0~80 cm根系總長與產(chǎn)量的逐步回歸方程為Y=11.676X+3140.495,拔節(jié)期0~80 cm根系總體積與產(chǎn)量的逐步回歸方程為Y=2 924.588X+3 809.606,越冬期0~20 cm根系活力與產(chǎn)量的逐步回歸方程為Y=25.097X+1 403.383;開花期0~300 cm土壤蓄水量與籽粒蛋白質(zhì)含量的逐步回歸方程為Y=0.143X-30.694,越冬期0~80 cm根系總長與籽粒蛋白質(zhì)含量的逐步回歸方程為Y=0.024X+9.690,開花期0~80 cm根系總體積與籽粒蛋白質(zhì)含量的逐步回歸方程為Y=34.238X-0.286,孕穗期0~20 cm根系活力與籽粒蛋白質(zhì)含量的逐步回歸方程為Y=0.065X+4.073。說明孕穗期和開花期0~300 cm土壤蓄水量分別對籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響較大,而不同生育時期根系特征對產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響存在差異。

        表4 土壤蓄水量、根系特征與籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量逐步回歸方程Table 4 Stepwise regression equation for soil water storage, root characteristics, grain yield and protein content

        3 討論與結(jié)論

        水分是影響旱地小麥生長的主要限制因子,休閑期耕作有利于夏季降雨的有效蓄積,提高播前土壤貯水量[16],對于旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)意義重大。Wang等[17]研究表明,休閑期深松加深耕層不翻動土壤,改善土壤透水性,減少蒸發(fā),提高對自然降水等的蓄積能力;毛紅玲等[18]研究表明,休閑期進行深松較翻耕提高播前0~300 cm土壤蓄水量21 mm。本研究表明,較休閑期深翻處理,深松處理顯著提高播種期—孕穗期0~300 cm土層土壤蓄水量,播種期兩處理差值達(dá)26 mm,隨著生育期的推進,其差值逐漸縮小,開花期和成熟期差值達(dá)到最小,且差異性不顯著。說明休閑期深松處理較深翻處理增加播前土壤蓄水量,促進小麥群體生長,群體生長亦對土壤水分利用、天然降雨蓄積有一定的正向作用,保證小麥休閑期深松效果持續(xù)至孕穗期。

        根系是作物從土壤中獲取水分和養(yǎng)分的重要器官,而耕作是影響根系生長的重要農(nóng)藝措施。楊林豐等[19]研究表明,深松能夠減少根系阻力,使根系生長到土壤深層部分,增加根的數(shù)量和體積。王新兵等[20]、Mu等[2]研究表明,深松可以提高玉米深層根系的量和根系體積,深松處理后根系不僅能更好的向深層土壤下扎,而且向植株兩側(cè)擴展的范圍變大。本研究表明,采用休閑期耕作小麥地下部的形態(tài)指標(biāo)(0~80 cm根系總長、根系總體積)和根系生理指標(biāo)(0~20 cm根系活力)都是隨著生育進程先增后降,峰值在拔節(jié)期取得(深翻處理的根系總體積峰值在孕穗期),且開花期—成熟期兩處理間差異不顯著。說明小麥休閑期深松處理較深翻處理對土壤結(jié)構(gòu)和水分的影響更利于其地下部的生長,其峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期,亦是小麥營養(yǎng)生長高峰期,拔節(jié)期之后小麥開始從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長,地下部形態(tài)上出現(xiàn)衰落,生理上也表現(xiàn)根系活力下降。

        籽粒蛋白質(zhì)含量是影響籽粒品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,有研究表明深松能提高籽粒蛋白質(zhì)含量,改善品質(zhì)[21,22],本試驗條件下,休閑耕作會影響小麥的品質(zhì),較深翻處理,深松處理顯著提高量籽粒蛋白質(zhì)含量,面粉的濕面筋、干面筋含量和沉降值。說明與休閑期深翻相比深松能夠提高籽粒蛋白質(zhì)含量,在面粉上導(dǎo)致筋力強度提升。GS/GOGAT循環(huán)是氨同化的重要途徑,而GDH催化反應(yīng)也可以調(diào)控植物氨同化,氮代謝酶活性高,無機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機態(tài)氮效率高,可為籽粒蛋白質(zhì)積累提供充足的氮源[23~24]。本研究表明,休閑期耕作的花后

        旗葉和籽粒的GS、GDH酶活性呈相反趨勢,且對小麥花后旗葉和籽粒GS、GDH活性影響較大。休閑期深松較深翻提高花后旗葉和籽粒GS活性,增強小麥的氮代謝同化。而深翻處理0~300 cm土層土壤蓄水量低于深松處理,GDH活性在干旱條件下為提供籽粒蛋白質(zhì)合成所需氮源起著重要的作用[15],致使深翻處理下GDH活性高于深松。深松改善品質(zhì)的同時有利于產(chǎn)量的提高,柏?zé)樝嫉萚25]研究表明,旱地小麥深松處理后,小麥籽粒產(chǎn)量增加8%,水分利用效率增加11%。本實驗條件下,休閑期深松處理產(chǎn)量和穗數(shù)、水分利用效率顯著高于深翻處理,深松處理產(chǎn)量達(dá)5 769 kg·hm-2、水分利用效率達(dá)14%,較深翻處理增幅分別達(dá)9%、7%,且產(chǎn)量三要素中只有穗數(shù)差異性顯著。說明深松處理通過穗數(shù)來增加產(chǎn)量,這與李國清等[26]的研究結(jié)果一致。

        本研究對土壤蓄水量、根系特征與產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量進行逐步回歸分析得出,與籽粒產(chǎn)量關(guān)系緊密的分別是孕穗期土壤蓄水量、越冬期根系總長、拔節(jié)期根系總面積、越冬期根系活力;籽粒蛋白質(zhì)含量關(guān)系緊密的分別是開花期土壤蓄水量、越冬期根系總長、開花期根系總面積、孕穗期根系活力。說明營養(yǎng)生長與生殖生長轉(zhuǎn)折點孕穗期土壤水分對產(chǎn)量影響較大,籽粒形成前期土壤水分對籽粒蛋白質(zhì)含量影響較大;根系特征由于地下部復(fù)雜,取樣以及CI600本身的局限性,對籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的根系特征生育期較為混雜,但都在小麥關(guān)鍵生育時期,側(cè)面反映關(guān)鍵生育時期地下部生長對產(chǎn)量和品質(zhì)重要性。

        綜上,休閑期深松處理和深翻處理影響土壤結(jié)構(gòu)及其水分,間接影響小麥根系生長,最后影響產(chǎn)量和品質(zhì)(圖6)。孕穗期、開花期土壤蓄水量分別與籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量關(guān)系緊密,關(guān)鍵生育時期根系特征與籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量關(guān)系緊密。深松處理較深翻處理提高花后旗葉和籽粒酶活性,最終提高了籽粒品質(zhì)(包括營養(yǎng)品質(zhì)蛋白質(zhì)含量和面粉品質(zhì)的面筋含量、沉降值)。

        圖6 休閑期耕作對小麥產(chǎn)量及品質(zhì)影響的模式圖Fig.6 Pattern diagram of effects of leisure tillage on wheat yield and quality

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