播前耕作方式对河北平原区节水冬小麦光合特性和籽粒产量的影响

郭丽果+尹宝重+郑佩佩

摘要：以石麦18小麦品种为材料，研究播前旋耕（RT）、深松（SRT）和深耕（MRT）3种耕作方式对节水栽培条件下冬小麦光合特性、叶绿素含量、叶面积指数、成熟期干物质积累量与分配量以及籽粒产量的影响。结果表明，不同耕作方式对生育后期叶片光合能力的调控效应存在明显差异。各种耕作措施相比，灌浆期间旗叶光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度等叶片光合参数、叶面积指数、籽粒灌浆速率、产量构成因素和籽粒产量均表现为：深松处理最佳，深耕处理次之，旋耕处理最差。此外，在成熟期，与深耕和旋耕处理相比，深松处理植株干物质向收获器官的转运数量和效率明显提高，且深松处理籽粒产量显著提高5.4%和6.98%。说明在河北平原区推广播前深松技术，能有效改善小麦群个体发育，增加光合同化面积和光合碳同化能力。这可能与播前深松增加耕层深度、改善植株对深层水分和养分的吸收有关。与目前旋耕耕作措施相比，小麦播前深松措施具有显著增强河北平原区节水冬小麦群个体植株光合性能和产量形成能力的效果。

关键词：冬小麦；节水栽培；播前耕作方式；播前旋耕；播前深松；播前深耕；光合参数；产量

中图分类号：S512.104 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0069-04

冬小麦—夏玉米耕作制度是河北平原区的重要作物种植模式，随着近年来我国北方地区水资源亏缺程度的日益加剧，提高冬小麦的水资源利用效率具有重要的实践价值。近年来，有关我国北方冬麦区小麦节水抗旱新品种选育、抗旱遗传机理、水分吸收和利用规律及节水灌溉技术等均开展了大量研究。小麦节水高产高效栽培已成为该生态类型区小麦可持续发展的重要途径，此外适当的耕作措施结合合理施肥技术，能有效改善土壤的理化性能、微生物活动和小麦生育期间的土壤供肥潜力，对于实现小麦的高产、稳产也发挥了重要作用。

过去多年来，小麦耕作主要在小麦播前通过旋耕措施来完成。尽管该措施具有机械使用便捷高效、生产成本低的特点，但存在耕层深度浅（通常为12～15 cm）的缺点，使耕前施入地面的肥料集中在土壤浅层；上茬玉米秸秆还田后的粉碎物和残茬集中在表层，影响小麦播种后的萌发和出苗，不利于小麦壮苗、匀苗群体的建立。此外，多年旋耕还造成了土壤犁底层过浅限制植株根系下扎，由此引起根系对节水栽培条件下土壤深层水和养分的吸收利用，过浅的根层分布还易诱发生育后期的植株倒伏。因此，近年来不少学者对小麦适宜耕作方式进行了较多研究，结果表明，犁耕可疏松土壤，改善土壤通气、透水的性状[1]。少耕、免耕和地表残茬覆盖等保护性耕作农艺措施，具有蓄水保墒、改善土壤理化性状和提高土壤肥力的作用[2-7]。与深耕和免耕等耕作措施相比，在华北平原区采用深松耕作具有改善土壤结构、增加土壤团聚体含量、影响土壤蓄水、提高表层土壤水分和养分含量[8-10]并在较大程度上具有提高籽粒产量、水分利用效率[11-12]和籽粒产量的效果[13-16]。尽管前人大量研究了不同耕作措施对土壤结构、肥力特性及作物生长发育的调控效应，但迄今有关播前不同耕作方式下河北平原区节水高产栽培小麦的光合特性、籽粒灌浆特征和产量形成能力的报道尚少。因此，本试验通过设置播前深松、深耕和旋耕3种耕作方式，研究节水栽培下（周年灌冻水和拔节水）冬小麦的光合特性和产量形成特征，旨在为促进河北平原区小麦节水高产栽培实践和该区域农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2012—2013年在河北平原区藁城市梅花镇刘家庄国家“粮食丰产科技工程”核心试验区进行。供试小麦品种为石麦18，试验用地土壤为壤质褐土，前茬作物夏玉米收获后秸秆全部还田。0～20 cm耕层土壤基础养分含量为：有机质19.73 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾122.35、12.47、113.2 mg/kg。試验设置小麦播前旋耕（rotary tillage，RT）、深松（sub-soiling tillage，SRT）和深耕（moldboard plow tillage，MRT）3种耕作方式处理，其中旋耕处理设置如下：前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→1GN-180型大型旋耕机旋耕2遍（深度15 cm）→耙地2遍→机播；深松处理设置如下：前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→2FS型深松旋耕一体机作业1遍（深松深度30 cm，旋耕深度15 cm）→耙地2遍→ 机播；深耕处理设置如下：前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→1 L-525铧式犁耕翻（深度20 cm）→旋耕机旋耕1遍（深度15 cm）→耙地2遍→机播。

试验采用随机区组设计，各耕作方式处理小区面积为 60 m2，3次重复。播前均底施纯氮240 kg/hm2、P2O5 112.5 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2，另在春季拔节期追施纯氮135 kg/hm2。所施肥料为尿素（N 46.4%）、磷酸二铵（P2O5 46%、N 18%）和硫酸钾（K2O 52%）。小麦生育期间实施节水栽培，一生各耕作方式处理均灌水2次，包括冻水（2012年11月30日）和拔节水（2013年4月3日，结合拔节肥进行）。各处理基本苗为300万个/hm2，生育期管理同高产麦田。

1.2 测定内容和方法

1.2.1 旗叶光合参数 采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400闭路测定系统在灌浆初期、中期和后期晴天09：00—11：00 进行，测定时各小区选取5株受光方向和生长状况一致的旗叶为测试样本，于自然光照下测定，测定参数包括净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci）。

1.2.2 叶绿素含量 上述测定光合参数的叶片为测试样本，采用日本美能达公司生产的SPAD-502型叶绿素仪测定上述旗叶叶绿素相对含量，用SPAD值表示。

1.2.3 叶面积指数（LAI） 在越冬期、起身期、拔节期、孕穗期及开花后10、20 d，各小区选取有代表性植株20株，获取全部绿色叶片，用直尺测量各叶片的长、宽，通过对每张叶片长、宽乘积除以换算系数1.2计算得到单叶叶面积，求和后获得供试植株总叶面积，进而推算单位土地面积的叶面积之和及其叶面积指数、群体叶面积指数。

1.2.4 籽粒灌浆速率 在各处理小区，开花时选取同一日开花的单茎对麦穗进行挂牌标记。然后，每5 d取样1次标记麦穗，每个小区每次取10穗，3次重复。剥取籽粒于105 ℃下杀青10 min，再于60 ℃下烘干至恒质量，进而依据各取样时期的单粒籽粒干质量和测试间隔时间计算籽粒灌浆速率。

1.2.5 开花后植株干物质积累和转运特征 在开花期和成熟期，各小区选取具有代表性的植株10株，将植株在烘箱内烘干后测定花后植株的干物质积累与转运特征。测定的性状包括花后干物质生产量、花后干物质转运率、籽粒产量和收获指数。其中，花后干物质生产量=成熟期干物质量-开花期干物质质量[17]；开花后干物质转运率=（开花期干物质质 量- 成熟期营养器官干物质质量）/开花期干物质质量×100%[18]；籽粒产量通过成熟期各小区实打实收计产获得；通过籽粒产量与生物产量比值获得收获指数。

1.2.6 群体干物质积累与分配特征 在越冬前、起身期、拔节期、孕穗期、开花期、花后10 d、花后20 d和成熟期，通过查数各小区1 m2样点总茎数获得群体总茎数。另在各测试时期，各小区选取20株代表性植株，于烘箱内烘干获得单株和群体干物质量。其中，在孕穗期以后至花后20 d各生育时期，将植株分为穗、叶片和茎秆+叶鞘3个部分；在成熟期分为籽粒、叶片、茎秆、叶鞘、颖壳、穗6个部分，分别进行烘干称质量。通过上述测试，研究不同耕作措施处理下的群体干物质积累量和分配特征。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对旗叶光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度的影响

由表1可见，在各耕作方式处理下，开花后0～15 d小麦旗叶的光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度均随着生育进程的进行而不断增加，之后上述各生理参数则随着籽粒灌浆进程的进行不断下降。结果表明，开花后15 d（灌浆中期）旗叶最具有旺盛的生理功能。不同耕作方式相比，上述光合生理参数大体表现为：以深松处理在各测定时期表现数值最高，深耕处理次之，旋耕处理则在各测定时期表现最低。其中，在花后15 d，深松处理的光合速率分别较深耕处理和旋耕处理提高3.18%和7.35%，蒸腾速率提高15%和30%，胞间CO2浓度提高12%和18%。说明与目前常规采用的播前旋耕措施相比，深松和深耕能显著改善小麦生育后期植株的光合性能。

2.2 不同耕作方式对旗叶花后叶绿素含量的影响

由表2可见，在花后18 d以前，不同耕作方式处理的旗叶叶绿素含量较高且维持在稳定水平；以后至花后30 d，各措施处理的旗叶叶绿素含量不断降低，具体表现为：前期（花后18～27 d）缓慢下降，后期（花后27～30 d）快速下降。总体来看，籽粒灌浆期间各测定时期的旗叶叶绿素含量均以深松处理最高，深耕处理次之，旋耕处理最低。在花后30 d，深松处理的旗叶叶绿素含量分别较深耕和旋耕处理高51.03%和60.29%。上述结果表明，不同播前耕作处理能明显影响小麦灌浆期间叶片的叶绿素含量，进而对籽粒灌浆特性产生较大影响。

2.3 不同耕作方式对叶面積指数的影响

在小麦全生育期间，对不同播前耕作处理群体水平上的叶面积指数（LAI）进行测定，结果如表3所示。由表3可见，各耕作方式处理的LAI在孕穗期以前，均表现为随着生育进程而不断升高；以后至灌浆期（花后20 d），则随着生育进程而不断降低。深松处理在各生育时期的LAI均高于深耕和旋耕处理，在孕穗期分别较深耕和旋耕处理高2.25%和 34.39%，在初花期分别较深耕和旋耕处理高5.69%和 42.95%。说明除深松处理外，深耕处理尽管与旋耕处理的LAI在冬前差异较小，但前者在拔节期后具有更大的LAI。

2.4 不同耕作方式对籽粒灌浆速率的影响

由图1可见，各耕作方式处理的灌浆速率均大体呈现“降低—升高—降低”的趋势，在花后20 d时籽粒灌浆速率达到最大。与花后20 d相比，各处理的籽粒灌浆速率在花后 24 d 时明显降低，这可能是由该段时间内天气连续阴雨造成群个体光合生产量减少所致。与上述对旗叶光合参数的测定结果相似，籽粒灌浆期间各测定时期的籽粒灌浆速率以深松处理最高，深耕处理次之，旋耕处理最低。

2.5 不同耕作方式对植株干物质积累与分配特性的影响

2.5.1 成熟期干物质分配特性 在成熟期，收获各耕作处理代表性植株样本，进一步将植株样本进行器官分类，测定各器官的干物质量。结果表明，各耕作处理成熟期植株各器官的干物质分配量和比例均表现为籽粒>茎鞘+叶片>穗+颖壳。不同耕作处理相比，深松处理成熟期干物质向籽粒的分配量显著高于深耕和旋耕处理（分别提高21.74%和 13.13%）。尽管深松处理下茎鞘+叶片的物质分配量也高于旋耕处理，但低于深耕处理；该处理向茎鞘+叶片分配的物质比例低于其他处理，说明深松处理能增强生育后期植株体内干物质收获器官籽粒中的转移。不同耕作处理下成熟期植株干物质向穗轴和颖壳中的分配量和分配比例差异较小，但仍以深松处理的分配比例相对较低（表4）。与旋耕处理相比，深松处理不仅能增强生育期间尤其生育后期的LAI、籽粒灌浆速率和旗叶光合性能，而且具有增强生育后期植株体内干物质向籽粒中转移和分配的效果。

2.5.2 不同耕作方式对产量构成因素和产量的影响 由表5可知，单位面积穗数、穗粒数和千粒质量及籽粒产量均以深松处理最高，深耕处理次之，旋耕处理最低。其中，深松处理的单位面积穗数和籽粒产量显著高于深耕和旋耕处理；深松处理的籽粒产量分别较深耕和旋耕处理增加 5.47% 和6.99%。尽管深耕处理的产量各构成因素和籽粒产量均高于旋耕处理，但2个处理的产量构成因素和籽粒产量的差异均未达到显著水平。可见，不同播前耕作处理能明显影响小麦成熟期的产量构成因素和籽粒产量。

3 讨论

小麦籽粒中积累的干物质中，有70%～80%来自于开花期至成熟期间的生育后期。其中，旗叶和倒2叶等植株上位叶片光合产物是生育后期植株及籽粒干物质的重要来源。因此，改善群体水平上的光合同化面积、延缓旗叶等上位叶衰老、提高旗叶光合生产能力对于改善植株群体的生育后期干物质积累和提高产量具有重要作用[15]。笔者发现，不同播前耕作措施对生育后期植株的光合性能具有不同的调控效应，在不同耕作措施中以深松处理下的旗叶光合速率、叶绿素含量、蒸腾速率和胞间CO2浓度最高，深耕处理次之，旋耕处理最低，表明深松处理较其他耕作处理具有更佳的改善植株生育后期光合能力的效果。这可能与旋耕处理相比，该耕作措施具有打破犁底层进而加深活化土层深度进而促进根系下扎、增加土壤深层根系分布，由此改善植株对深层土壤水分和养分的利用能力有关。此外，深松处理植株生育后期的光合性能优于深耕处理，可能与后者相比深松处理避免了其深耕后打乱土层造成对土壤结构、微生物活动和水肥供应特性等不利影响有关[19]。

前人研究表明，耕作方式对小麦的叶片水分利用效率具有显著的调控作用[20]。黄明等研究发现，土壤深松可提高小麦叶片的叶绿素含量、籽粒灌浆速率、光合速率，增强小麦开花后干物质生产向籽粒的转运量，使籽粒产量增加[15]。褚鹏飞等研究发现，深松有利于获得较高的籽粒产量和水分利用效率，土壤深松后籽粒产量和水分利用效率显著提高[21]。本研究也取得了类似研究结果。与旋耕和深耕处理相比，小麦播前深松处理能够显著改善小麦生育后期的籽粒灌浆速率，增加该生育阶段的叶面积指数，提高生育后期植株体内干物质向籽粒中的转运效率，最终使各产量构成因素和籽粒产量显著增加。该耕作处理下籽粒产量的增加，与其改善生育后期植株的光合碳同化能力具有密切联系。由于各供试耕作处理下的播前、收获后土壤含水量相近，生育期间的灌水额相同，表明深松具有显著改善河北平原区节水高产栽培条件下小麦水分利用效率的作用。因此，在河北平原区推广小麦播前深松耕作技术，能明显改善该区域的产量水平和水资源利用效率，促进该区域小麦生产水平的可持续发展。

4 结论

在河北平原区冬小麦—夏玉米两熟耕作制度下，与旋耕和深耕耕作措施相比，小麦播前深松耕作能明显增加生育期间的叶面积指数和生育后期旗叶叶绿素含量，提高灌浆期间旗叶的光合性能和籽粒灌浆速率，增加干物质向籽粒中的转运效率和籽粒产量。因此，小麦播前深松处理具有增强河北平原区节水高产小麦生育后期植株光合能力和产量形成能力的效果。该项技术的示范推广可推动河北平原区水资源高效利用和小麦生产的可持续发展。

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