2018, Vol. 26
晋西南位于黄土高原东部, 是山西省粮食主产区, 其作物产量的高低在国家粮食安全中具有举足轻重的作用。玉米秸秆还田具有增加土壤有机质含量, 改善土壤理化特性, 提高土壤生物活性的培肥改土作用[1-3]。但也有研究表明, 秸秆腐解前期微生物与作物争夺氮源, 引起作物缺氮[4]; 秸秆腐解过程中产生有机酸等化感物质, 对作物根系及幼苗生长造成不利影响[5]。旋耕集梨、耙、平3次作业于一体, 省时、省力、省工, 秸秆还田+旋耕模式有利于改善小麦籽粒蛋白质质量和面粉的加工品质[6-7]。在晋西南小麦(Triticum astivum)-玉米(Zea mays)一年两熟区, 玉米秸秆机械粉碎翻压还田后, 小麦采取旋耕播种1次作业完成, 造成表层土壤翘虚, 小麦播种过深, 出苗率降低, 影响苗全、苗齐、苗匀, 不利于培育冬前壮苗[8-9]。以上秸秆还田+旋耕正负效应均与土壤水分有关。左玉萍等[10]研究认为, 土壤绝对含水量在15%～20%时, 旱地土壤中秸秆分解速率最快, 低于15%时秸秆几乎不分解; 张素瑜等[11]研究表明, 在土壤水分条件较差时进行秸秆还田, 小麦产量和水分利用率显著降低。党建友等[12]研究认为, 浇越冬水可促进小麦分蘖; 随冬前灌水时间的推迟, 水分利用率、养分吸收量和肥料利用率降低。近年来, 关于秸秆还田方式方法及不考虑旋耕条件下小麦生长发育研究较多。而将越冬水与秸秆机械粉碎翻压还田+旋耕播种相结合研究不多见。为此, 本研究设置不同的冬水前移时间, 探索冬水灌溉时间对秸秆粉碎翻压还田+旋耕播种的冬小麦生长发育及水分利用率的影响, 以期为秸秆粉碎翻压还田+旋耕播种耕作制度下, 实现小麦高产栽培提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验于2009—2011年在山西省临汾市尧都区洪堡村农场(36°13.2'N, 111°33.7'E)进行。试验地属暖温带大陆性半干旱季风气候, 年均气温12.5 ℃, 年降水量460～550 mm; 2009年10月至2010年6月小麦生育期降雨146.20 mm, 其中越冬前(10月10日至12月10日)降雨量为49.6 mm; 2010年10月至2011年6月降雨量111.66 mm, 其中越冬前(10月10日至12月10日)降雨量为10.5 mm。供试土壤为石灰性褐土, 0～20 cm耕层土壤有机质14.03 g·kg-1、碱解氮63.13 mg·kg-1、速效磷23.16 mg·kg-1、速效钾133.10 mg·kg-1。播种和收获当天测定0～20 cm、20～ 40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～ 150 cm和150～200 cm土层土壤含水量。
设置冬前灌水时间为: 11月10日、11月25日、12月10日和12月25日4个处理, 以传统灌水时间12月10日为对照(CK), 冬前灌水量600 m3·hm-2。采取大区设计, 面积4 m×80 m, 不设重复; 每个大区划分为4 m×15 m的5个小区, 以便控制灌水量, 分小区调查。其他管理同大田生产。为便于调查土壤特性, 增设不灌冬水处理。
试验地连续5年采取小麦-玉米一年两熟种植模式。试验于2009年10月9日和2010年10月10日播种, 播前浇水造墒, 玉米秸秆全部粉碎翻压还田, 旋耕深度20 cm左右, 施N 225 kg·hm-2、P2O5 135 kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2, 其中70%氮肥及磷、钾肥全部基施, 30%氮肥拔节期灌水施入, 春季仅灌拔节水, 灌水量为900 m3·hm-2。播量225 kg·hm-2, 行距20 cm, 供试小麦品种为‘临优7287’。两年收获期均为6月19日。
1.2 测定项目与方法 1.2.1 群体调查出苗后三叶期前, 在5个小区中分别固定一个1.0 m×1.0 m样方, 调查基本苗、越冬前的茎蘖数, 并计算单株茎蘖数。
1.2.2 根系调查于越冬前(1月5日)调查单株次生根(根长≥2 cm)数和根干重[13]。单株次生根数:每小区确定5个代表性样点, 选取生长正常、分布均匀的植株。根样获取采用挖掘法, 挖根深度20 cm。挖掘后, 将带有泥土的麦株根系在水中浸泡2 min, 然后连泥带土带回实验室冲洗、计数, 并计算单株次生根数。根重:样点选择方法同单株次生根数。用直径6.5 cm的根钻按照Bolinder等[14]方法取样, 每小区取3钻, 第1钻的中心在麦行的正下方, 第2钻的中心在两行的正中央, 第3钻的一边与麦行相切而相对一边则与两麦行之平分线相切, 3钻合一作为同一土层的根系样品。每一个样点分两层取样: 0～25 cm和25～50 cm。将每个样点不同土层的2个土壤(带根)样品, 分别装入100目的尼龙网袋浸泡1 h, 然后用水缓慢冲洗, 并用镊子仔细挑除杂质, 最后将收集起来的根系置于80 ℃烘箱中烘至恒重, 用千分之一天平称重, 然后计算根干重。
1.2.3 籽粒产量及考种成熟期在2个调查样方内各随机选1行, 收获行长20 cm的全部植株, 去除穗粒数小于5粒的穗子, 为有效成穗数, 并调查每穗粒数, 求均值为穗粒数; 各处理收获2个未取样的样方外, 再随机收获2个1.0 m2, 小麦脱粒, 风干后称粒重, 计为小区产量; 再数500粒称重, 换算成千粒重, 2次重复(重复间相差≤0.5 g)。
1.2.4 籽粒水分生产率播种和收获当天用土钻取0～100 cm(每20 cm一层)土样, 铝盒烘干法测定土层土壤含水量。
土层贮水量计算公式为:
| $ \mathit{W}=\mathit{w}\times {{\mathit{\rho }}_{\mathit{s}}}\times \mathit{h}\times 0.1 $ | (1) |
式中: W为土层贮水量(mm), w为土层含水量(%), ρs为土壤容重(g·m-3), h为土层厚度(cm), 0.1为单位换算系数。
| $ 田间总耗水量\left( \rm{mm} \right)=播种时土壤贮水量+生育 期灌水量+有效降水量-收获期土壤贮水量 $ | (2) |
| $ 籽粒水分生产率\left( \rm{kg}\cdot m{{m}^{-1}} \right)=籽粒产量/田间总耗水量 $ | (3) |
在小麦开花后7 d、14 d、21 d、28 d、35 d分别于各小区内选朝向长势基本一致的旗叶10片进行光合指标和叶绿素含量的测定。叶绿素含量采用白宝璋等[15]和Arnon[16]的方法测定。光合速率采用英国产CARIS-1光合测定系统测定。测定时间为上午9:00—11:00, 测定时光强(1 150±50) μmol·m-2·s-1, 温度(30±1) ℃, CO2浓度(360±10) μmol·mol-1。
1.2.6 土壤特性土壤容重:于越冬前(1月5日), 每小区按S形确定5个代表性的样点, 每点用环刀法取0～20 cm土层土样测定土壤容重。土壤酶活性:越冬前(1月5日), 每个小区采取0～20 cm耕层土壤, 立即带回室内, 过筛, 保存于4 ℃冰箱, 一周内测定土壤酶活性。脲酶活性用苯酚-次氯酸钠比色法测定, 酶活性单位为mg(NH3-N)·(24h)-1·g-1(土), 以mg·g-1计; 土壤转化酶活性用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 酶活性单位为mg(葡萄糖)·(24h)-1·g-1(土), 以mg·g-1计; 土壤磷酸酶活性用苯磷酸二钾法测定, 酶活性单位为mg (酚)·(24h)-1·g-1(土), 以mg·g-1计[17-18]。
1.3 数据处理2个年度试验结果趋势基本一致, 本文以2009—2010年度数据进行分析。试验数据采用DPS 13.5软件进行统计分析, 采用LSD多重比较方法进行方差分析和差异显著性检验(α=0.05)。
2 结果与分析 2.1 冬灌时间对冬小麦冬前群体和根系的影响 2.1.1 对冬小麦冬前群体的影响冬前茎数和根系是反映冬小麦是否达到壮苗标准的主要形态指标。从表 1看出, 在播期播量相同, 基本苗基本一致情况下, 与传统的灌水时间(12月10日)相比, 冬水前移有利于增加总茎数和单株茎数, 冬水推迟总茎数和单株茎数减少; 以11月25日灌冬水, 总茎数和单株茎数最高, 与其他处理差异达极显著或显著水平。从田间调查情况分析, 灌冬水不仅满足小麦苗期生长发育对水分需求, 且塌实耕层土壤, 解决了秸秆还田后, 旋耕播种造成的土壤悬虚, 促进冬前分蘖和次生根的发生, 但灌冬水时间过早, 易造成土壤板结, 加上主茎叶龄(2叶到2叶一心)偏小, 不利于冬前生长发育。因此灌冬水时间以11月25日左右, 主茎叶龄3叶到3叶一心, 分蘖初期效果最好。
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表1 冬灌时间对冬小麦冬前群体和根系的影响 Table 1 Effect of winter watering time on tillers and roots before wintering of winter wheat |
从表 1看出, 与传统的灌水时间(12月10日)相比, 随着冬水时间前移, 次生根数分别增加60.89%～57.78%, 根干重分别增加12.39%～8.85%, 差异达极显著或显著水平; 推迟冬水时间, 次生根数、根干重分别减少19.84%和10.62%, 差异达极显著水平。由此可知, 冬水时间前移, 有利于次生根的发生和根干重的增加, 培育冬前壮苗。
2.2 冬灌时间对冬前土壤容重和土壤酶活性的影响土壤容重是反映土壤物理性质的一个重要指标, 不同的耕作方式、栽培措施和灌溉制度都会影响土壤容重。从表 2看出, 与未冬灌处理相比, 不同灌水时间处理0～20 cm土层土壤容重均极显著增加。这说明冬前灌溉可塌实耕层土壤, 使缝隙减少, 含水量和紧实度增加, 而未冬灌处理, 旋耕播种造成土壤悬虚, 对土壤容重的影响依然存在。0～20 cm耕作层土壤间的空隙较大, 紧实度较小, 土壤容重值较低, 不利于种子与土壤紧实接触, 影响到分蘖和根系的发生。
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表2 冬灌时间对冬前0～20 cm土层容重和土壤酶活性的影响 Table 2 Effect of winter watering time of winter wheat on soil bulk density and soil enzymes activities of 0-20 cm layer |
土壤酶参与土壤有机碳循环转化和营养物质的释放, 其活性高低直接反映土壤代谢需求和土壤中养分的有效性。土壤的温度、湿度都会影响酶活性。从表 2看出, 与未冬灌处理相比, 不同灌冬水处理0～20 cm土层土壤转化酶、磷酸酶和脲酶活性均极显著增加。不同灌水时间, 冬前灌溉愈早, 土壤酶活性愈高, 且处理间达到极显著水平。
2.3 冬灌时间对冬小麦旗叶光合特性的影响 2.3.1 对冬小麦叶绿素含量的影响从表 3看出, 冬水时间前移两个处理的旗叶叶绿素含量明显高于对照和冬水推迟处理, 11月25日冬灌的叶绿素含量最高, 与其他处理的差异达到极显著水平。从表 3还可看出, 从开花到花后21 d为冬小麦叶绿素含量缓降期, 21 d后叶绿素含量急剧下降, 至35 d时旗叶叶绿素含量基本为零, 但不同处理间存在差异, 冬水前移处理的叶绿素含量随时间变化较小, 比较稳定; 冬水推迟处理的叶绿素含量随时间变化较大, 稳定性差。
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表3 冬灌时间对冬小麦旗叶叶绿素含量的影响 Table 3 Effect of winter watering time on chlorophyll content in flag leaf of winter wheat |
从表 4看出, 11月25日冬灌处理小麦旗叶光合速率极显著高于其他处理。花后35 d时, 11月10日冬灌处理的旗叶光合速率显著高于对照处理, 极显著高于12月25日冬灌处理; 对照处理的旗叶光合速率显著高于12月25日。分析冬水前移后, 冬小麦灌浆期间旗叶叶绿素含量和光合速率的相关性, 二者呈显著正相关(r=0.904 8), 这说明光合速率的高值持续期和叶绿素含量相对稳定期基本一致。究其原因, 冬水前移提高了小麦旗叶叶绿素含量, 同时也提高了旗叶的净光合速率, 这可能与冬水前移后发达的根系促进对土壤水分、养分的吸收, 延长高光合期, 延缓了功能叶衰老有关。
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表4 冬灌时间对冬小麦旗叶光合速率的影响 Table 4 Effect of winter watering time on photosynthetic rate of flag leaf of winter wheat |
从表 5看出, 冬水前移两处理的产量高于对照和冬水推迟处理, 其差异达到极显著水平, 尤以11月25日冬灌产量最高, 较12月10日(CK)和12月25日处理的产量分别增加8.40%和15.37%; 12月25日处理较对照减产6.03%, 差异达到极显著水平。产量三要素中, 各处理间穗粒数差异性未达显著水平; 11月25日处理的成穗数和千粒重极显著高于其他处理; 11月10日和对照处理的成穗数差异性未达到显著水平, 但都极显著高于12月25日处理; 其余处理千粒重表现为11月10日冬灌 > 12月10日冬灌(CK) > 12月25日冬灌, 11月10日冬灌显著高于对照, 两处理极显著高于12月25日处理。单株成穗数是11月25日冬灌 > 11月10日冬灌 > 12月10日冬灌(CK) > 12月25日冬灌, 冬水前移两处理间差异不显著, 但显著或极显著高于对照和12月25日处理, 对照处理与12月25日冬灌差异性达到显著水平。
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表5 冬灌时间对冬小麦产量及构成的影响 Table 5 Effect of winter watering time on yield and yield components of winter wheat |
从表 6看出, 在播前土壤储水量、生育期灌水量相同的情况下, 冬小麦收获期土壤贮水量随冬灌时间的前移而减少, 田间总耗水量随冬灌时间的前移而增加。不同冬灌时间处理的冬小麦籽粒水分利用效率是11月25日 > 11月10日 > 12月10日(CK) > 12月25日。由此说明, 冬水前移有利于提高冬小麦籽粒水分利用率, 尤以11月25日最高, 达到22.05 kg·mm-1·hm-2, 较12月10日(CK)增加5.76%。
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表6 冬灌时间对冬小麦籽粒水分利用效率的影响 Table 6 Effect of winter watering time on water use efficiency of winter wheat |
小麦三叶期开始分蘖至越冬前是促根增蘖、培育壮苗、安全越冬的关键时期[19]。土壤水分影响冬小麦单株次生根数、根系分布与功能[20]。干旱造成植株生长缓慢、根重下降, 根系对无机养分的吸收减少, 光合作用降低, 产量下降[21-24]。但因耕作制度和土壤墒情、苗情不同, 最佳灌水时间不尽相同[10, 25]。在传统耕作种植下, 小麦浇冬水时间为昼消夜冻或早冻午消, 其作用是增加土壤水分, 稳定地温, 防止冬季冻害[26]。在秸秆还田及旋耕下, 苗期灌水主要作用是增加小麦分蘖和总茎数, 且受灌水时间影响, 成穗数受冬春灌水时间共同影响[12, 25]。本试验表明, 玉米秸秆粉碎还田+旋耕播种模式下, 小麦浇冬水时间由传统的“昼消夜冻, 冬浇正好”适当前移, 不仅可增加土壤水分、稳定地温, 防止冬季冻害, 而且增加冬前总茎数、提高单株茎数, 促进次生根的发生、提高了单株根系干重, 扩大对深层土壤水分和养分的吸收利用, 延缓了旗叶衰老, 增强旗叶功能, 使小麦旗叶叶绿素含量和光合速率提高, 促进碳水化合物的合成和光合产物的流动, 增加千粒重, 提高产量。
土壤容重的变化直接或间接地影响土壤的水、肥、气、热状况, 土壤容重过高或过低都不利于作物生长[27-28]。本试验表明, 在秸秆粉碎翻压还田+旋耕播种模式下, 不灌越冬水, 耕层土壤疏松、容重降低, 土壤含水量低, 导致冬前分蘖缺位, 茎数不足, 次生根少、干重低、苗情差; 采取冬水前移, 塌实耕层土壤, 调节土壤容重, 弥补秸秆还田+旋耕对播种质量、幼苗素质造成的损失, 克服秸秆还田+旋耕播种初期的缺点, 有利于培育冬前壮苗, 增加总茎数、提高单株成穗数, 这与朱敏等[29]研究结果一致。同时, 冬水前移改善了秸秆还田+旋耕播种的土壤水分条件, 加速秸秆腐熟, 使得土壤酶活性增强, 土壤肥力提高, 增强小麦对养分的吸收, 提高了成穗数, 使得小麦产量增加, 籽粒水分利用率提高。可见, 通过农艺措施调节, 能减轻秸秆粉碎翻压还田+旋耕播种对小麦生长的不良影响, 从而提高小麦产量和品质。
4 结论晋西南小麦-玉米一年两熟种植区, 小麦灌冬水时间由传统灌水时间(12月10日)前移一个节气, 即11月25日左右, 此时小麦主茎叶龄处于3叶到3叶一心的分蘖初期, 这使冬前总茎数增加13.44%～ 6.76%、单株茎数增加16.32%～8.79%, 次生根数增加60.89%～57.78%、根干重增加12.39%～8.85%, 显著提高了小麦幼苗的素质, 达到冬前壮苗标准, 使成穗数增加5.37%～1.66%、单株成穗数增加7.85%～3.14%;同时根系增加了对水分和养分的吸收利用, 延长了旗叶的功能, 提高旗叶叶绿素含量和光合速率, 促进光合产物的合成转化, 使千粒重提高3.03%～0.55%, 增产8.40%, 水分利用率提高5.76%。因此, 玉米秸秆粉碎还田+旋耕播种模式下, 冬水适当前移, 能及时塌实耕层土壤, 调节土壤容重, 利于根系与土壤紧密接触, 增强土壤酶活性, 提高土壤肥力, 促进分蘖和次生根的发生, 实现高产高效栽培。
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