黄修利,黄 明, 赵凯男, 汪洪涛, 吴姗薇,张 军,李淑靖, 赵雯馨, 赵志明,吴金芝, 李友军

(河南科技大学农学院,河南洛阳 471023)

旱地占我国作物播种面积的1/3,是我国粮食作物生产的前沿阵地和增产潜力区域,在保障我国粮食安全中发挥着重要作用[1-2]。在我国旱作区,由于水分匮乏、土壤贫瘠,加上耕作栽培措施相对落后,作物产量和种植效益普遍低而不稳,特别是在旱地冬小麦-夏玉米(简称麦-玉)二熟区更为突出[3],已经严重影响到人们的种粮积极性。因此,探究旱地麦-玉二熟区作物高产的栽培技术对保障粮食安全和旱地粮食作物的健康发展具有重要意义。

麦-玉二熟制是黄淮海地区重要的种植制度。在黄淮海地区,人们为了简化操作、减少投入和节约农时,广泛采用夏季(玉米季)免耕播种、秋季(小麦季)旋耕后播种的耕作模式。在这种模式下,夏季免耕易造成养分富集于土壤表层,增加病虫草害发生率,降低玉米出苗率;秋季连年旋耕会导致耕层变浅、通气性变差,造成径流和土壤水蒸发损失,降低土壤的蓄水保墒能力[4],也不利于作物根系下扎和对土壤中水肥的吸收[5],进而影响作物生长发育和产量形成[6-7],已经产生了明显的生产负效应。研究表明,改旋耕为深松,可打破土壤犁底层,改善土壤紧实度和渗透强度,增强土壤深层蓄水量,有利于小麦根系下扎[8],延缓旗叶叶绿素降解,改善叶片光合性能[9],影响干物质积累、转运和分配[10-12],最终促进小麦产量的提升[13-14]。免耕作为保护性耕作的重要措施之一,已在小麦生产中得到了广泛的应用,但其产量效应尚无具体定论。有研究发现,免耕可优化土壤结构,增加土壤表层水分和养分含量[15],改善小麦光合特性、营养物质吸收利用特性和干物质积累、转运和分配特性[16],最终实现高产[17]。也有研究认为,免耕不仅会因播种时压实土壤,加上土壤自然沉降,会增加土壤紧实度,不利于作物根系生长[18],而且会因“降温效应”使小麦分蘖力降低[19],致使小麦减产。为了解决此类问题,人们通过优化秋季耕作方式改善小麦的生长发育条件,从而提高小麦产量。如,在灌区夏免耕的条件下,秋深松与秋旋耕相比可降低土壤紧实度,有效促进小麦根系的生长,增加有效穗数,使小麦及作物的周年产量分别增加22.0%和15.2%[20];在一年一熟区,秋深松较秋免耕在越冬期可促进小麦分蘖,改善小麦光合能力,为提高小麦高产奠定基础[21]。然而,前人的研究主要是围绕旱地一年一熟体系或灌区麦-玉二熟体系进行,而有关秋季耕作对旱地麦-玉二熟区小麦产量形成的调控效应尚鲜有报道。本研究于2019-2021年度在河南省洛阳市孟津区小浪底镇明达村,在2019年度夏玉米免耕播种的田块,定位设置秋深松、秋免耕和秋旋耕3种耕作方式,分析秋季耕作方式对旱地麦-玉二熟体系中小麦产量及其构成因素和穗部性状,以及2020-2021年度小麦叶片光合特性和干物质积累转运特征的影响,以期为豫西旱地麦-玉二熟体系的合理耕作提供理论支撑和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年6月-2021年6月在河南省洛阳市孟津区小浪底镇明达村进行。试验地位于黄土高原与黄淮海交汇区域,为典型的半湿润易旱区,海拔为147 m,年平均气温15 ℃左右,年降水量为400～800 mm,主要集中在6-9月份,其中2019-2020年度夏玉米季降水量为437.7 mm,冬小麦季降水量为212.0 mm;2020-2021年度夏玉米季降水量为317.6 mm,冬小麦季降水量为252.8 mm,两个年度均为平水年份。麦-玉二熟为当地主要的种植制度。试验前0～20和20～40 cm土层土壤的pH值分别为7.57和7.40,有机质含量分别为14.69和9.99 g·kg-1,全氮含量分别为1.11和0.89 g·kg-1,有效磷含量分别为9.04和2.52 mg·kg-1,有效钾含量分别为139.60和107.35 mg·kg-1;0～200 cm土层硝态氮累积量426.06 kg·hm-2。试验期间降水分布如图1所示。

图1 试验地2019-2021年度逐月降水量Fig.1 Monthly precipitation in the experimental site from 2019 to 2021

1.2 试验设计与田间管理

试验采用随机区组设计。在2019年选择前茬玉米免耕种植的田块,定位设置秋深松、秋免耕和秋旋耕3个处理。耕作在小麦播前(秋季)进行,秋深松处理采用深松机作业(深度35±2 cm)1遍后再用旋耕机作业(深度15±2 cm)1遍;秋免耕处理直接采用免耕施肥播种一体机播种;秋旋耕处理采用旋耕机作业(深度15±2 cm)2遍。按照当地农户习惯,前茬玉米秸秆机械灭茬处理后全量还田。为了方便大型农用器械进行大田农事操作,参考党建友等[22]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,视为每个处理的三次重复。肥料为复合肥(N∶P2O5∶K2O=25∶10∶5),施肥量为750 kg·hm-2,折合纯N 187.5 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2和K2O 37.5kg·hm-2。秋深松和秋旋耕处理的肥料在耕作前人工均匀撒施,秋免耕处理的肥料随播种机施。2019-2020和2020-2021年度小麦品种分别为中麦895和洛旱22,播种量均为150 kg·hm-2,采用机械播种,行距为20 cm。分别于2019年10月15日和2020年10月17日播种,于2020年5月30日和2021年6月3日收获。其他管理按照当地丰产田进行。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 籽粒产量及穗部性状的测定

籽粒产量测定:于2019-2020和2020-2021年度小麦成熟期,从每个小区随机收割4个1.0 m×1.0 m样方,混合后脱粒并称重。然后取籽粒50 g,65 ℃烘至恒重,测定籽粒含水量。籽粒产量以12.5%的含水量折算。

产量构成因素和穗部性状测定:四叶期在每个小区标定长势均匀1 m2的区域,成熟期调查1 m2的有效穗数,并计算每公顷有效穗数,同时在标定的1 m2内取长势一致的单茎20个测定穗粒数、穗长、小穗数和不孕小穗数,脱粒后测定千粒重。

1.3.2 茎蘖动态的测定

于2020-2021年度四叶期,在每小区选取3个具有代表性的1.0 m双行区域标记为调查区并调查基本苗,然后分别于返青、孕穗、开花和成熟期调查群体茎蘖数。

1.3.3 旗叶净光合速率(Pn)和SPAD值测定

分别于2020-2021年度小麦孕穗、抽穗、灌浆中和灌浆中后期,在晴天的9:00-11:30,用Li-6400便携式光合作用测定系统(美国,Li-COR)测定旗叶Pn,每个小区测定3片旗叶,取平均值作为测定值。同时,用SPAD-502 Plus叶绿素仪(日本,Minolta)测定旗叶SPAD值,每个小区测定3片旗叶,取平均值作为测定值。

1.3.4 干物质积累和转运参数的测定

分别于2020-2021年度小麦返青、孕穗、开花和成熟期,在每个小区,多点随机拔取具有代表性的植株50株,调查茎蘖数后,沿根茎结合处剪掉根系后采集地上部。其中,开花期样品进一步分为茎叶和穗,成熟期样品分为茎叶、穗轴+颖壳和籽粒,于105 ℃下杀青30 min,80 ℃烘至恒重后称干重,计算干物质积累与转运参数[23]。干物质积累量=单茎干物质积累量×单位面积茎数;花前干物质转运量=开花期营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量;花前干物质转运效率=花前干物质转运量/开花期营养器官干物质积累量×100%;花前干物质转运对籽粒产量贡献率=花前干物质转运量/成熟期籽粒干重×100%;花后干物质积累量=成熟期籽粒干重-花前干物质转运量;花后干物质对籽粒产量贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据分析和作图,利用DPS 9.50统计分析软件进行差异显著性检验(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 秋季耕作方式对旱地小麦产量和穗部性状的影响

秋季耕作方式对旱地小麦穗数和产量均具有显著影响,但对穗粒数、千粒重和穗部性状的影响因年度而异(表1)。2019-2020年度,秋深松的穗数、产量、穗长和小穗数较秋旋耕均显著提高,增幅分别为16.06%、19.09%、7.50%和9.42%;秋深松的穗数、穗粒数、产量、穗长和小穗数较秋免耕均显著提高,增幅分别为16.74%、4.11%、23.63%、7.50%和8.41%;秋免耕的产量及其构成因素和穗部性状与秋旋耕无显著差异。2020-2021年度,秋深松虽然不影响穗部性状,但影响穗数、穗粒数和产量;其穗数、千粒重和产量分别较秋旋耕显著提高,增幅分别为5.74%、4.73%和9.77%,穗数和产量较秋免耕显著提高,增幅分别为17.63%和10.31%;秋免耕较秋旋耕穗数显著降低11.24%,但千粒重则显著增加4.23%,产量无显著变化。可见,秋深松可显著提高小麦产量,且主要是通过增加穗数来实现,也可在一定程度上改善穗部性状。

表1 秋季耕作方式对旱地小麦产量和穗部性状的影响Table1 Effects of tillage modes in autumn on yield and spike traits in dryland wheat

2.2 秋季耕作方式对旱地小麦茎蘖数的影响

秋季耕作方式对旱地麦-玉二熟体系中小麦的茎蘖数均具有显著的调控作用(图2)。秋深松的小麦茎蘖数在四叶期、孕穗期、开花期和成熟期较秋旋耕均显著提高,增幅分别为6.16%、5.82%、4.92%和5.74%,较秋免耕在四叶期、返青期、孕穗期、开花期和成熟期均显著提高,增幅分别为14.35%、15.73%、16.81%、18.23%和17.63%;秋免耕的小麦茎蘖数在四叶期、返青期、孕穗期、开花期和成熟期较秋旋耕均显著降低,降幅分别为7.72%、10.40%、10.39%、12.69%和11.24%。可见,秋季耕作方式会显著影响基本苗数以及不同生育时期的茎蘖数,进而调控成穗数。其中,秋深松的基本苗和茎蘖数均最高,是其高产的基础。

2.3 秋季耕作方式对旱地小麦旗叶SPAD值和Pn的影响

秋季耕作方式显著影响旱地小麦旗叶的SPAD值和Pn,但影响程度因生育时期不同有所差异(图3)。秋深松的SPAD值在灌浆中后期较秋旋耕和秋免耕均显著提高,增幅分别为12.34%和10.27%,但三个耕作方式间在孕穗、抽穗、开花和灌浆中期均无显著差异。在秋免耕与秋旋耕间,各生育时期的小麦旗叶SPAD值均无显著差异。这表明秋深松在灌浆中后期可使小麦旗叶保持较高的叶绿素含量,有利于光合作用。秋深松的旗叶Pn在不同生育时期与秋旋耕均无显著差异,但在孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆中后期较秋免耕均显著提高,增幅分别为15.99%、18.41%、7.16%和11.23%。秋免耕下,小麦叶片Pn在孕穗期和抽穗期较秋旋耕均显著降低,降幅分别为14.11%和17.18%,这与旗叶 SPAD 值的变化规律相似。这说明秋深松能提高小麦生育后期的旗叶光合能力,可为提高同化物积累量及产量形成奠定生理基础。

图3 秋季耕作方式对旱地小麦旗叶SPAD值和Pn影响(2020-2021)Fig.3 Effects of tillage modes in autumn on SPAD value and Pn in flag leaves of dryland wheat(2020-2021)

2.4 秋季耕作方式对旱地小麦干物质积累量、转运与分配特性的影响

2.4.1 对小麦干物质积累量的影响

旱地麦-玉二熟体系中小麦干物质积累量各时期均表现为秋深松>秋旋耕>秋免耕(图4)。秋深松的干物质积累量在返青期和孕穗期与秋旋耕差异均不显著,在开花期和成熟期较秋旋耕均显著提高,增幅分别为9.15%和7.38%。秋深松的干物质积累量在返青期、孕穗期、开花期和成熟期较秋免耕均显著提高,增幅分别为17.68%、19.97%、19.63%和12.25%。秋免耕的干物质积累量在返青期、孕穗期和开花期较秋旋耕均显著降低,降幅分别为9.88%、12.94%和9.61%,在成熟期差异不显著。可见,秋深松可促进小麦干物质积累,其促进效应随着生育进程的推进呈先增后降趋势。

图4 秋季耕作方式对旱地小麦干物质积累量影响(2020-2021)Fig.4 Effects of tillage modes in autumn on dry matter accumulation of dryland wheat(2020-2021)

2.4.2 对干物质转运特性的影响

不同秋季耕作方式间旱地麦-玉二熟区小麦干物质转运特性存在差异(表2)。秋深松的花前干物质转运量、转运效率和对产量贡献率较秋旋耕分别提高20.00%、2.32个百分点和4.60个百分点,其中花前干物质转运量差异显著。秋深松的花前干物质转运量、转运效率和对籽粒产量贡献率较秋免耕均显著提高,增幅分别为42.19%、4.02个百分点和11.95个百分点,而花后积累干物质对产量贡献率却降低11.95百分点。秋免耕较秋旋耕,花前干物质转运量和贡献率均显著降低,降幅分别为18.49%和7.35个百分点,而花后干物质贡献率则提高7.35个百分点。花后干物质积累量在耕作方式间差异均不显著。这表明秋深松可改善小麦花前干物质的转运特性,显著提高花前干物质对籽粒产量形成的作用。

表2 秋季耕作方式对旱地小麦干物质转运特性影响(2020-2021)Table 2 Effects of tillage modes in autumn on the characteristics of dry matter translocation of dryland wheat(2020-2021)

2.4.3 对成熟期干物质分配影响

秋季耕作方式对旱地小麦成熟期干物质在各器官中的分配比例无显著影响,但对干物质分配量却有显著的影响(表3)。秋深松的茎叶、穗轴+颖壳质和籽粒干物质量较秋旋耕均显著提高,增幅分别为6.43%、4.15%和9.77%,较秋免耕也均显著提高,增幅分别为14.73%、9.70%和10.31%。秋免耕的茎叶干物质和穗轴+颖壳干物质较秋旋耕均显著降低,降幅分别为7.79%和5.33%。可见,秋深松较秋旋耕或秋免耕可在不影响小麦干物质分配比例的基础上显著促进茎叶、颖壳和籽粒的干物质积累。

表3 秋季耕作方式对旱地成熟期小麦干物质分配影响(2020-2021)Table 3 Effects oftillage modes in autumn on dry matter distribution at maturity of dryland wheat(2020-2021)

3 讨论

3.1 不同秋季耕作方式下旱地麦-玉二熟区小麦产量的差异

小麦籽粒产量的形成是穗数、穗粒数和千粒重互相协调的结果[24-25],但也受穗部农艺性状的影响[26]。本研究中,与秋旋耕和秋免耕相比,秋深松提高了小麦穗数,但对穗粒数和千粒重的影响因年份而异,最终使产量分别提高9.77%～23.63%;与秋旋耕相比,秋免耕产量维持稳定。这说明,在旱地麦-玉二熟种植体系下,秋深松增产的主要原因是提高了穗数,秋免耕虽然会在一定程度上降低穗数,但有利于提高千粒重,最终实现产量与秋旋耕持平。前人的研究也证实了穗数及千粒重是导致旱地小麦籽粒产量差异的主要原因[12, 27]。有研究表明,深松较传统翻耕使小麦穗数和产量分别提高4%～9%和9%～23%[12];秋深松的小麦穗数平均增加11.7×104·hm-2,穗粒数平均增加1.7粒,千粒重平均增加0.48 g,增产9.19%[27]。由此可见,深松不但能够调控穗数形成,对粒数与粒重也有明显的增加作用,从而提高小麦的籽粒产量[27-28]。此外,本试验中,秋季耕作方式对小麦穗部性状的影响规律与穗粒数一致,秋深松较秋旋耕或秋免耕于2019-2020年度显著提高穗长和小穗数,从而有效增加了穗粒数,说明优化穗部性状在提高旱地小麦产量中也应该被关注。本研究中,两个年度穗数、千粒重和穗部性状有明显差异,且对秋季耕作的响应不同,但产量规律是一致的,其原因是这些因素既受品种的影响,也受降水等气候因素的影响。本试验条件下,虽然两年均属于平水年,但不同处理间产量三要素规律均表现出了年际差异,这可能与两年中供试品种不同有关,也可能受两年中降雨分布不同的影响,但要弄清其真正机理,还需要进行多年多点多品种的试验。

3.2 不同秋季耕作方式下旱地麦-玉二熟区小麦的光合特性

小麦产量的90%～95%都来自光合作用[29],其中小麦旗叶的光合产物对籽粒的贡献率可达10%～30%[30]。研究表明,叶绿素含量高低与光合作用的强弱关系密切[31-32]。由于SPAD 值与叶绿素含量呈极显著正相关,且具有测定方便、快速的特点,近年来已被广泛用来描述叶绿素含量和光合能力[31-32]。在本研究条件下,三种耕作方式之间,小麦旗叶SPAD值仅在灌浆中后期存在显著差异,而旗叶Pn在孕穗至灌浆中后期均以秋深松最高,秋旋耕其次,秋免耕最低,且多数条件下秋深松显著高于秋免耕,说明秋深松有利于提高旱地麦-玉二熟复种体系中小麦旗叶光合能力,但其提高的原因与叶绿素的多寡关系并不大,可能是由于其他生理特性变化造成的,但其具体原因还有待深入研究。有研究也证实,深松有利于维持较高的Pn,从而为小麦籽粒灌浆和产量形成奠定物质源供应基础[9, 21]。张鑫琪等[16]在免耕秸秆覆盖下的研究发现,免耕可缓解小麦叶绿素的降解,在开花期和灌浆期使叶片Pn分别比旋耕提高46.03%和21.08%。袁海燕等[33]在麦稻水旱轮作双免耕下的研究结果显示,免耕在抽穗期可显著提高小麦叶片Pn。然而,本研究中,免耕对小麦生育后期光合作用却产生了不利影响,可能是由于在旱地麦-玉二熟生产系统中,种植两季作物,土壤水分胁迫较一年一作生产体系或有灌溉条件的生产体系更为严重,深松和旋耕在改善当季耕层土壤特性方面的作用大于免耕蓄水的作用,从而表现出叶片光合优势。

3.3 不同秋季耕作方式下旱地麦-玉二熟区小麦干物质的积累、转运特性

干物质是作物光合作用后形成的最终形态,其积累转运及分配直接决定小麦产量的高低[34]。研究表明,合理的耕作可有效改善小麦物质积累转运分配特性,最终提高小麦产量[12, 16, 35-37]。在山东地区,深松较旋耕可显著提高花后干物质积累量[35],促进光合产物向籽粒的分配[36]。在山西地区,深松较免耕可同时促进小麦花前干物质向籽粒转运和花后干物质积累,进而提高籽粒产量[12]。在河南,秋深松对小麦的增产作用主要是因为开花期干物质积累量比常规耕作提高19.9%[37]。这些研究结果说明,在不同生产条件下,耕作调控小麦干物质积累转运分配特性、进而影响产量的机理并不一致。本研究表明,在旱地麦-玉两熟体系下,秋深松较秋旋耕或秋免耕并不影响干物质在不同器官中的分配比例,但可提高干物质积累量,还有利于花前贮藏干物质向籽粒中转运,最终获得最高的籽粒产量。秋免耕较秋旋耕,虽然降低了小麦开花前干物质积累量,但使花后干物质积累量有所增加,且显著提高花后积累干物质对籽粒产量的贡献率,最终保持产量稳定。然而,本研究中,秋深松干物质积累量较秋旋耕或秋免耕的增幅呈孕穗前增加、开花后降低的趋势,说明秋深松促进小麦干物质积累作用在开花以后有所减弱,这可能是因为深松改善作物生产力后对养分的需求量也相应增大,而本试验的施肥水平相同、生育后期养分供应相对受限,致使深松的正效应在小麦生育后期被弱化,说明还应该进行与秋季深松配套的施肥、生育后期管理等举措,以进一步强化秋深松的增产作用。

本研究中叶片光合特性、干物质积累转运分配特性的测定只进行了1年,而且只在一个试验点进行,结论存在一定的局限性,还需要进行多年、多区域的拓展性试验来进一步验证,以更好地挖掘通过土壤耕作提高旱地麦-玉二熟体系中小麦产量的潜力。

4 结论

秋季耕作方式对小麦茎蘖数、Pn、干物质积累转运特性和产量均有显著的调控作用。与秋旋耕相比,秋深松下小麦产量提高9.77%～19.09%,四叶期、孕穗期-成熟期茎蘖数增加4.92%～6.16%,开花期和成熟期的干物质积累量分别提高9.15%和7.38%,花前干物质转运量、转运效率及其对产量贡献率增加分别为20.00%、2.32个百分点和4.60个百分点。与秋免耕相比,秋深松的小麦产量提高10.31%～23.63%,四叶期-成熟期茎蘖数提高14.35%～18.23%,孕穗期-灌浆中后期旗叶Pn提高7.16%～18.41%,返青期-成熟期干物质积累量增加12.25%～19.97%,花前干物质转运量、转运效率和对产量贡献率分别提高42.19%、4.02个百分点和11.95个百分点。综合来看,秋深松较秋旋耕或秋免耕有利于小麦产量形成,是旱地麦-玉二熟区实现小麦高产的耕作模式。