深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦产量形成的影响

汪洪涛,赵凯男,张 军,黄修利,赵雯馨,李淑靖,黄 明,李友军,吴金芝,蒋 向

(1.河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471023,2.河南省农业技术推广总站,河南 郑州 450002)

小麦是我国三大粮食作物之一,其产量的高低直接关系到粮食安全。旱地小麦占我国小麦种植面积的1/3,同时占我国重要粮食生产基地黄淮海麦-玉复种区小麦种植面积的42.7%[1-2]。由于旱地小麦生育期间容易遭受干旱等非生物胁迫,产量一直处于较低水平,特别是在对水肥要求更高的旱地麦-玉复种体系中表现更为突出[3-4],产量往往低于4 500 kg/hm2,在极端年份产量低于1 500 kg/hm2,甚至会出现绝收现象,因而如何提高旱地小麦产量一直备受人们关注。由于旋耕具有作业简便、耗时少、投入低等优点,近年来在小麦生产中应用越来越广,已导致农田耕层过浅、犁底层上移、蓄水保墒能力降低,小麦根系下扎受阻、水肥吸收和物质生产受阻等问题[5-7],严重限制着小麦产量的进一步提升,特别是在麦-玉复种区夏玉米季免耕、小麦季旋耕生产体系中表现更为严重[8-9]。因此,如何优化耕作措施稳定或提高麦-玉复种体系中小麦产量具有重要意义。深耕是解决旋耕负面效应的主要途径,其主要包括深松和深翻,二者均可打破犁底层,有效调节土壤生态环境,从而促进小麦生长发育,改善叶片光合特性,进而改善干物质以及氮素积累转运特性,最终显著提高产量,但其机理并不完全相同,且调控效应因耕作时间而异[10-15]。聂良鹏等[16]在山东灌区的研究表明,秋深松夏免耕较秋免耕夏深松显著增加了麦-玉复种体系作物产量。Latifmanesh等[13]对华北平原灌区麦-玉复种体系的研究表明,与夏深松秋旋耕和夏免耕秋旋耕相比,夏免耕秋深松能提高小麦叶片净光合速率,促进生育后期的干物质积累,最终使产量分别提高20.7%,8.9%。刘卫玲等[17]在豫南地区的研究表明,深耕及耕作时间可优化冬小麦干物质积累和氮素养分吸收,从而获得高产。阎晓光等[18]研究表明,春季和秋季深松均会在不同程度上影响旱地春玉米干物质的积累与分配,产量较传统翻耕分别显著增加10.32%,13.61%。虽然目前关于深耕时间和方式及其作用机制的研究较多,但多围绕旱地一年一熟体系或灌区麦-玉复种体系进行,有关深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦产量、光合特性、干物质和氮素积累转运特性的影响研究鲜见报道。因此,本研究在豫西典型的旱地麦-玉复种区,设置夏深翻(SP)、夏深松(SS)、秋深翻(AP)和秋深松(AS)4个处理,探讨深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系中小麦产量及其构成因素、穗部性状,以及关键生育时期的茎蘖数、旗叶SPAD值和净光合速率、干物质和氮素积累转运特性的影响,为优化旱地麦-玉复种体系耕作制度提供理论依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019年6月—2021年6月在河南省孟津区小浪底镇明达村(E112°34′, N34°84′)进行,该试验地位于黄土高原与黄淮海平原交汇区域,为典型的半湿润易旱区,海拔为374 m,年平均气温为13.7 ℃,多年平均降水量为622.8 mm,主要集中在6—9月。试验开始前土壤肥力状况如表1,试验期间降雨状况如图1。

表1 2019年试验前0～20 cm和20～40 cm土壤理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties in 0—20 cm and 20—40 cm soils in 2019 before experiment

图1 2019年6月—2021年5月的逐月降雨量Fig.1 Monthly precipitation from June 2019 to May 2021

1.2 试验设计与田间管理

试验采用随机区组设计,共设置夏深翻(SP)、夏深松(SS)、秋深翻(AP)和秋深松(AS)4个处理(表2)。为了方便大型农用器械进行大田农事操作,参考党建友等[19]描述的方法,各处理采用大区对比设置,大区面积为360 m2(60 m×6 m),出苗后将每个大区平均划为3个取样小区,视为每个处理的3次重复。施肥量为N∶P2O5∶K2O=25∶10∶5的复合肥750 kg/hm2,肥料全部基施,2019—2020年度和2020—2021年度的供试小麦品种分别为中麦895和洛旱22,分别于2019年10月15日和2020年10月21日播种,2020年5月30日和2021年6月3日收获,2 a播量均为187.5 kg/hm2,行距20 cm。试验期间未进行灌溉,其他管理同当地农户。

表2 试验不同处理描述Tab.2 Description of different treatments in the experiment

1.3 测定内容与方法

1.3.1 产量、产量构成因素及穗部性状的测定 于2019—2020年度和2020—2021年度小麦成熟期,从每个取样小区随机收割4个1.0 m×1.0 m样方,混合后风干脱粒并称质量,然后取籽粒50 g左右,80 ℃烘至恒质量,测定风干籽粒含水量,再以12.5%的含水量折算产量(kg/hm2)。同时,从每个取样小区选4行长50 cm且有代表性的小麦,测定穗数,并从每个取样小区随机选取20 株,测定穗粒数﹑千粒质量、穗长、小穗数、结实小穗数和不孕小穗数。

1.3.2 茎蘖数 2020—2021年度,于四叶期在每个取样小区随机选取1 m2定点,并分别于返青期、孕穗期、开花期调查小麦茎蘖数。

1.3.3 干物质和氮素积累与转运 2020—2021年度,分别于返青期、孕穗期、开花期、成熟期,在每个取样小区取植株20株,沿根茎结合处剪掉根系后为地上部样品,开花期进一步分为茎叶和穗,成熟期分为茎叶、穗轴+颖壳和籽粒,于105 ℃下杀青30 min,80 ℃烘至恒质量后称量,测定干物质质量,计算干物质积累与转运量。称质量后,将开花期和成熟期的样品粉碎用于全氮含量测定。采用H2SO4-H2O2法消解样品,将消解液稀释并定容至100 mL,采用连续流动分析仪(Auto Analyzer 3,Seal,德国)测定全氮含量。某一器官的氮素积累量为该器官干物质积累量与全氮含量之积。某一时期地上部氮素积累量为各器官氮素积累量之和[20]。

1.3.4 旗叶净光合速率和SPAD值 2020—2021年度,分别在孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆中期和灌浆后期的晴天,于09:00—11:00用便携式光合测定系统Li-6400XT(LICOR,美国)测定小麦旗叶净光合速率,每个取样小区随机测定10片旗叶,均值为测定值。同时,用叶绿素测定仪SPAD-520(Minolta,日本)避开叶脉测定长势一致的旗叶SPAD值,每个取样小区随机测定10片旗叶,均值为测定值。

1.4 参数计算

地上部干物质积累量(kg/hm2)=单茎干物质量×单位面积茎数[21];

花前干物质转运量(kg/hm2)=开花期地上部营养器官干物质量-成熟期地上部营养器官干物质量[21];

花前干物质转运率=花前干物质转运量/开花期地上部营养器官干物质量×100%[21];

花前干物质对籽粒贡献率=花前干物质转运量/成熟期籽粒干物质量×100%[21];

花后干物质积累量(kg/hm2)=成熟期籽粒干物质量-花前干物质转运量[21];

花后干物质对籽粒贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒干物质量×100%[21];

地上部氮素积累量(kg/hm2)=地上部干物质积累量×全氮含量[14];

花前氮素转运量(kg/hm2)=开花期地上部营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量[14];

花前氮素转运率=花前氮素转运量/开花期地上部营养器官氮素积累量×100%[14];

花前氮素对籽粒的贡献率=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%[14];

花后氮素积累量(kg/hm2)=成熟期氮素积累量-开花期地上部氮素积累量[14];

花后氮素对籽粒的贡献率=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100%[14]。

1.5 统计分析

采用SPSS 19.0统计分析软件进行数据分析和差异显著性检验(LSD法),采用Origin 2015软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦产量、产量构成因素及穗部性状的影响

如表3所示,2 a中深耕时间和方式均可通过调控穗数影响小麦籽粒产量。与SP相比,SS的产量和产量三要素无显著变化,AP和AS的穗数分别显著增加15.22%～20.82%,16.85%～26.05%,产量分别显著增加8.39%～16.30%,18.38%～19.55%。在2020—2021年度,AS的穗数和产量较AP分别显著提高4.33%,9.22%,但对穗粒数和千粒质量无显著影响。说明秋深耕可显著提高小麦穗数和产量,且以秋深松的效果更优。深耕时间和方式对旱地小麦穗长、小穗数和不孕小穗数也具有显著影响,但调控效应在不同年度表现不同。与夏深耕相比,秋深耕在2019—2020年度显著提高穗长,在2020—2021 年度显著增加小穗数,降低不孕小穗数。与SP相比,在2019—2020年度,AP和AS的穗长分别显著增加7.02%,7.85%,AS的小穗数显著增加8.34%;在2020—2021年度,AP和AS的不孕小穗数分别显著降低18.08%,22.31%,AS的小穗数显著增加12.22%。说明秋深耕能有效增加小麦穗长和小穗数,减少不孕小穗数,且以秋深松的效果最好。

表3 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦产量、产量构成因素和穗部性状的影响Tab.3 Effects of different treatments on yield,yield components and spike traits in winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system

2.2 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦不同生育时期茎蘖数的影响

由图2可以看出,返青后冬小麦的群体茎蘖数呈先降低后逐渐稳定的趋势,不同生育时期处理间均表现为AS>AP>SS>SP。与SP 相比,SS 的茎蘖数增幅不显著,AP和AS分别显著提高8.43%～20.82%,13.30%～26.05%;与AP相比,AS的茎蘖数在孕穗期、开花期和成熟期分别显著增加4.65%,5.79%,4.33%。表明秋深耕利于提高不同生育时期的茎蘖数,其中以秋深松的效果最好。

不同字母表示同一生育时期内处理间差异显著(P<0.05)。图3同。Different letters indicate significant difference among treatments at the same growing stage(P<0.05).The same as Fig.3.图2 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦茎蘖数的影响(2020—2021)Fig.2 Effect of different treatments on number of tillers of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

2.3 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦不同生育时期旗叶光合特性的影响

由图3可知,随着生育进程的推进,各处理小麦旗叶SPAD值和净光合速率均呈先增加后降低的趋势,在开花期达到最大值。不同处理之间比较,AS的旗叶SPAD值一直保持最高水平,其他处理在孕穗期和抽穗期无明显规律,但开花期后表现为AS>AP>SS>SP,且AS和AP显著高于SP,其中在灌浆中期显著提高5.24%,4.38%,在灌浆后期显著提高9.69%,8.21%。与SP相比,SS与AP的旗叶净光合速率在各测定时期均无显著变化,AS在抽穗期、开花期、灌浆中期和灌浆后期分别显著提高5.55%,13.01%,23.70%和22.10%。可见,秋深松可显著提高小麦灌浆中后期旗叶SPAD值和净光合速率,更利于冬小麦干物质生产。

折线代表SPAD值。Broken line represents SPAD value.图3 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦旗叶净光合速率和SPAD值的影响(2020—2021)Fig.3 Effects of different treatments on net photosynthetic rate and SPAD value in flag leaves of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

2.4 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系小麦地上部干物质和氮素积累转运的影响

2.4.1 地上部干物质积累和转运 深耕时间和方式对小麦不同生育时期不同器官的干物质积累量可产生显著影响(图4)。各生育时期不同器官的干物质积累量均以AS处理最高,SP处理最低。与SP相比,除开花期地上部干物质总积累量外,SS的各时期地上部各器官干物质量及总量均无显著变化;AP在开花期和成熟期地上部干物质总积累量分别显著增加14.46%,13.86%,其中,开花期茎叶和穗分别显著增加15.05%,11.92%,成熟期茎叶、穗轴+颖壳和籽粒分别显著增加16.70%,19.55%和8.39%;AS在返青期、孕穗期、开花期和成熟期小麦地上部干物质总积累量分别显著增加15.33%,16.77%,20.25%,20.28%,其中在开花期茎叶和穗部分别显著增加20.17%,20.56%,在成熟期茎叶、穗轴+颖壳和籽粒分别显著增加20.73%,24.01%和18.38%。与AP相比,AS开花期与成熟期地上部干物质总积累量分别显著增加5.06%,5.64%。可见,秋深耕较夏深耕更利于增加旱地麦-玉复种体系小麦干物质积累量,且以秋深松的效果最优,其为产量形成奠定物质供应基础。

不同小写字母表示同一生育时期内处理间各器官差异显著;不同大写字母表示同一生育时期内处理间总量差异显著(P<0.05)。图5同。Different lowercase letters indicate significant difference in each organ among treatments at the same growing stage;while different capital letters indicate significant difference in the total amount among treatments at the same growth stage(P<0.05).The same as Fig.5.图4 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦地上部干物质积累量的影响(2020—2021)Fig.4 Effects of different treatments on shoot dry matter accumulation of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

由表4可以看出,深耕时间和方式可显著调控小麦花前干物质转运量、转运率和花后干物质积累量,但不同处理间花前干物质对籽粒贡献率和花前干物质对籽粒贡献率无显著变化。与SP相比,SS的干物质积累转运特性无显著变化,AP和AS的花后干物质积累量分别显著提高11.30%,20.43%,且AS的花前干物质转运量还显著提高16.47%,但AP的花前干物质转运率显著降低1.9百分点。

表4 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦地上部干物质积累转运的影响(2020—2021)Tab.4 Effects of different treatments on shoot dry matter accumulation and translocation of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

2.4.2 地上部氮素积累和转运 由图5可知,不同深耕时间和方式对旱地小麦开花期和成熟期地上部氮素积累量具有显著调控作用,以AS氮素积累量最高,AP其次,SS与SP之间无显著差异。与SP相比,SS开花期和成熟期地上部各器官氮素总积累量均无显著变化,而AP和AS开花期和成熟期小麦地上部氮素总积累量分别显著增加20.02%～30.18%,26.11%～33.81%,其中开花期茎叶和穗分别显著增加19.63%～30.48%和21.23%～29.26%,成熟期茎叶和籽粒分别显著增加19.16%～24.52%和30.87%～40.07%。与AP相比,AS开花期和成熟期地上部氮素总积累量分别显著增加8.47%,6.10%。

图5 不同处理对旱地麦-玉复种体系冬小麦地上部氮素积累量的影响(2020—2021)Fig.5 Effects of different treatments on shoot N accumulation of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

进一步分析氮素转运特性和贡献率(表5)可知,与SP相比,SS的花前氮素转运量、花前转运率、花前对籽粒贡献率、花后积累量和花后对籽粒贡献率无显著变化; AS和AP花前氮素转运量显著增加了36.49%,23.25%,花后氮素积累量显著增加了58.39%,53.00%,且AS花前氮素转运率显著增加了3.3百分点,但对不同处理间花前氮素对籽粒贡献率和花后氮素积累对籽粒的贡献率无显著变化。

表5 不同处理对旱地麦-玉复种体系小麦地上部氮素积累转运的影响(2020—2021)Tab.5 Effects of different treatments on shoot N accumulation and translocation of winter wheat in dryland wheat-maize multiple cropping system(2020—2021)

3 结论与讨论

3.1 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系冬小麦产量、产量构成因素和穗部性状的影响

深耕主要有深松和深翻2种方式,二者均可打破犁底层,调节土壤结构,营造良好的耕层环境,从而促进养分吸收和作物生长,最终达到作物增产的目的[15],但其作用效果受深耕时间的影响[17,22]。刘卫玲等[17]在豫南麦-玉复种区的研究发现,深松(耕)能够显著提高冬小麦产量,其中与秋旋耕夏免耕相比,秋深耕夏侧位深松的冬小麦产量增幅最大,为27.8%。在山东麦-玉复种灌区,周鹏翀[23]研究表明,秋深松使当季小麦增产明显,夏深松对后茬小麦产量也有积极影响,二者较对照旋耕分别显著增加10.98%,11.83%;聂良鹏等[16]也发现,两季耕作方式的交互效应极显著影响小麦产量,且当季耕作对当季作物产量的影响更大。陈丽等[24]在河北麦-玉复种区的研究发现,不同时间的单季深松对小麦产量有显著影响,与秋旋耕夏免耕相比,秋深松夏免耕使小麦产量显著提高8.63%,而秋旋耕夏深松对小麦产量无显著影响。本研究表明,在旱地麦-玉复种体系下,秋深耕较夏深耕更有利于提高小麦产量,且秋深松的效果优于秋深翻,产量的变化主要归功于穗数的变化,其原因是当季深耕的耕作效益比隔季大[16],使返青后的茎蘖数具有明显优势,且在生育中后期的优势增加,最终保持较高的穗数,乔祥梅等[25]对云南省3个不同生态区旱地小麦的研究也得到类似的结论。保持较优的穗部性状,是获得较多穗粒数的基础[26]。本研究还发现,深耕时间和方式可在一定程度上调控穗部性状,秋深松可提高穗长和小穗数,降低不孕小穗数,从而提高穗粒数,这是其增产的又一原因。

3.2 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系冬小麦光合特性的影响

拥有良好的光合特性是增加小麦产量的重要保障,尤其在功能叶的光合作用对籽粒的贡献率达到80%以上的生育后期更为突出[27]。大量研究表明,在干旱和半干旱区,不同耕作方式能显著提高小麦旗叶叶绿素含量,从而保持花后较强的光合能力[28-31]。王维等[32]在宁南一年一熟旱区的研究表明,与传统翻耕相比,连年深松、连年免耕、免耕/深松和深松/免耕的旗叶SPAD值在灌浆期均显著提高,开花期和灌浆期小麦旗叶光合速率表现为连年深松>免耕/深松>深松/免耕>连年免耕>传统翻耕。这些结果表明,耕作方式和在不同时间耕作会影响小麦叶片光合特性,但有关年内不同深耕时间和方式对小麦旗叶光合特性的影响效应研究仍很少。本研究条件下,秋深耕较夏深耕相比,灌浆中后期的旗叶SPAD值显著增加,且深松方式下抽穗以后的旗叶净光合速率均显著增加。深松相较深翻对旱地小麦光合特性的影响因耕作时间而异,秋深松较秋深翻开花期旗叶净光合速率显著增加,但夏深松相较夏深翻并不影响旱地小麦的旗叶光合特性,这与当季耕作比隔季耕作对小麦生境的影响更大有关[16],因而旱地小麦生产中应推广播前深耕的方式。

3.3 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系冬小麦干物质积累转运的影响

干物质积累和转运是作物产量形成的基础[33]。刘卫玲等[17]对豫南麦-玉复种体系的研究表明,深松(耕)时期与方式能够显著影响植株干物质积累量,进而提高产量,以秋深耕夏侧位深松最高,较秋旋耕夏免耕的干物质积累量和产量分别增加28.2%,27.8%。Latifmanesh等[13]在华北平原麦-玉复种区进行的研究表明,秋深松夏免耕能够促进小麦干物质量的增加,显著提高花后干物质对籽粒贡献率,最终获得最高产量。本研究中,在相同季节采用深松能比深翻增加冬小麦的干物质积累量,尤其在秋季进行能显著增加各时期的干物质积累量,其中秋深松在各测定时期均有最大的干物质积累量,且较其他处理均显著提高了花前干物质转运量和花后干物质积累量。 这主要是因为秋深松不仅发挥了当季深耕的作物增产优势,而且较当季深翻还可更好地维持土壤结构,从而促进小麦生长发育,提高叶片叶绿素含量和净光合速率,进而促进小麦干物质积累量增加[34]。安崇霄等[35]对伊犁河谷中部麦-豆复种体系的研究也发现,秋季深松比深翻能增加冬小麦的干物质积累量以及产量。

3.4 深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系冬小麦氮素积累转运的影响

氮素是作物生长发育的三大营养元素之一,良好的氮素积累转运特性是小麦获得高产的基础。仝星星等[36]在黄淮海区研究表明,年内耕作时间和方式的搭配对麦-玉氮素积累转运的调控效应不同,相比于传统的秋旋耕夏免耕,两季均旋耕有利于植株氮素吸收积累并提高籽粒氮素含量,秋深松夏免耕和两季均深松效果次之。聂良鹏[37]对灌区麦-玉复种体系的研究发现,小麦氮素积累总量、籽粒氮素积累量和秸秆氮素积累量均表现为秋深松大于夏深松。本研究中,与夏深耕相比,秋深耕显著增加了开花期和成熟期植株氮素积累总量,并且显著增加了成熟期籽粒氮素积累量,显著提高了花前氮素转运量、转运率和花后氮素积累量,最终获得更高的籽粒产量。深松相较深翻处理对旱地小麦氮素积累的影响因耕作时间而异,夏深松相较夏深翻并不影响旱地小麦的氮素积累,但秋深松较秋深翻显著提高了开花期和成熟期植株氮素积累总量及各器官积累量,规律与旗叶光合特性一致,说明深耕时间和方式通过增加小麦氮素积累,改善旗叶光合特性,最终达到籽粒产量的增加。这与郑成岩等[38]研究发现秋深松能在拔节—成熟阶段增强小麦的氮素吸收,提高光合作用,最终获得高产的研究结果一致。

综上,深耕时间和方式对旱地麦-玉复种体系中小麦产量、光合特性和物质积累转运特性均有显著影响。与夏深耕相比,秋深耕能够显著增加小麦产量、单位面积穗数、茎蘖数、旗叶净光合速率、旗叶SPAD值、干物质积累量和氮素积累量。与秋深翻相比,秋深松可显著增加小麦产量、单位面积穗数、茎蘖数、旗叶净光合速率、干物质积累量和氮素积累量。综合来看,在麦-玉复种体系中,秋季深松在优化小麦茎蘖数和光合特性促进物质积累的同时,改善了干物质和氮素的转运特性,最终使产量显著提高,是适宜于旱地麦-玉复种区小麦高产的耕作模式。