休閑期耕作對(duì)旱地小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

張娟，孫敏，原亞琦，梁艷妃，楊清山，高志強(qiáng)

(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(shí)，籽粒品質(zhì)的進(jìn)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(shí)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(shí)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(duì)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(jìn)小麥根系對(duì)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(zhǎng)，從而提高小麥產(chǎn)量、改善品質(zhì)有待進(jìn)一步探索。本文在休閑期采用深松和深翻模式，研究其對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)點(diǎn)位于山西省聞喜縣旱地小麥試驗(yàn)基地，試驗(yàn)地?zé)o灌溉條件，夏季休閑。其中小麥播種前試驗(yàn)田0～20 cm土層土壤含有機(jī)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(yàn)田2015—2016年降水量見(jiàn)圖1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)休閑期深松和深翻2個(gè)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(gè)重復(fù)。深松和深翻處理均在7月20日進(jìn)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(shí)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(yàn)點(diǎn)的降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 測(cè)定項(xiàng)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(kāi)花期、成熟期測(cè)定0～300 cm土層土壤含水量，土壤含水量測(cè)定方法測(cè)定及土壤需水量計(jì)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(kāi)花期、成熟期，用CI-600根系掃描觀測(cè)儀記錄0～80 cm小麥根系的動(dòng)態(tài)，并獲取相應(yīng)圖片，用WinRHIZO根系分析軟件對(duì)根系參數(shù)進(jìn)行解析。

1.2.3 根系活力的測(cè)定

分別于越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、成熟期，0～20 cm土層根系作為根系活力的測(cè)定目標(biāo)，用α-萘胺法進(jìn)行測(cè)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(cè)定

參考孫敏等[10]、趙紅梅等[15]的測(cè)定方法。

1.2.5 沉降值和面筋含量的測(cè)定

參考吳金芝等[13]的測(cè)定方法。

1.2.6 產(chǎn)量及構(gòu)成的測(cè)定

參考孫敏等[10]的測(cè)定方法。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作對(duì)各生育時(shí)期0～300 cm土壤蓄水量的影響

由表1可以看出，隨生育進(jìn)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(shí)期分別提高25.92、15.60、14.10、17.94 mm，開(kāi)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(shuō)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(duì)各生育時(shí)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(duì)根系特征的影響

2.2.1 對(duì)0～80 cm根系總長(zhǎng)、總體積的影響

由圖2可以看出，隨生育進(jìn)程的推移，0～80 cm土層根系總長(zhǎng)、總體積呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)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(gè)生育期的根系總長(zhǎng)、總體積，且越冬—孕穗期達(dá)顯著水平。說(shuō)明休閑期深松對(duì)孕穗期之前的根系總長(zhǎng)、總體積影響較大。

圖2 休閑期耕作對(duì)0～80 cm根系總長(zhǎng)、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(duì)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(jìn)程的推移，0～20 cm土層根系活力的變化趨勢(shì)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(gè)生育期根系活力，且越冬—孕穗期差異達(dá)顯著水平。說(shuō)明休閑期深松對(duì)孕穗期之前的根系活力影響較大。

圖3 休閑期耕作對(duì)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(duì)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(shuō)明休閑期深松較深翻可以提升籽粒品質(zhì)。

2.4 耕作對(duì)氮代謝酶活性的影響

2.4.1 對(duì)旗葉氮代謝酶活性的影響

由圖4可以看出，休閑期耕作對(duì)花后旗葉GS活性的影響呈逐漸下降的趨勢(shì)，花后15 d略有回升，對(duì)花后旗葉GDH活性的影響呈“M”的變化趨勢(shì)。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(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)籽粒氮代謝酶活性的影響

由圖5可見(jiàn)，休閑期耕作對(duì)花后籽粒GS活性的影響呈逐漸下降的趨勢(shì)(深松下花后25 d有回升)，對(duì)籽粒GDH的影響呈逐漸升高的趨勢(shì)。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(shuō)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(duì)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(duì)產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表3可見(jiàn)，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(shuō)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(duì)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(shí)期土壤蓄水量、根系總長(zhǎng)、根系總體積、根系活力與產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量進(jìn)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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)與籽粒蛋白質(zhì)含量的逐步回歸方程為Y=0.024X+9.690，開(kāi)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(shuō)明孕穗期和開(kāi)花期0～300 cm土壤蓄水量分別對(duì)籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響較大，而不同生育時(shí)期根系特征對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)土壤，改善土壤透水性，減少蒸發(fā)，提高對(duì)自然降水等的蓄積能力；毛紅玲等[18]研究表明，休閑期進(jìn)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(jìn)，其差值逐漸縮小，開(kāi)花期和成熟期差值達(dá)到最小，且差異性不顯著。說(shuō)明休閑期深松處理較深翻處理增加播前土壤蓄水量，促進(jìn)小麥群體生長(zhǎng)，群體生長(zhǎng)亦對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kuò)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(zhǎng)、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(jìn)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(kāi)花期—成熟期兩處理間差異不顯著。說(shuō)明小麥休閑期深松處理較深翻處理對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和水分的影響更利于其地下部的生長(zhǎng)，其峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期，亦是小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)高峰期，拔節(jié)期之后小麥開(kāi)始從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)，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(yàn)條件下，休閑耕作會(huì)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(shuō)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(qiáng)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(wú)機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)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(shì)，且對(duì)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(qiáng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shuō)明深松處理通過(guò)穗數(shù)來(lái)增加產(chǎn)量，這與李國(guó)清等[26]的研究結(jié)果一致。

本研究對(duì)土壤蓄水量、根系特征與產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量進(jìn)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(zhǎng)、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(kāi)花期土壤蓄水量、越冬期根系總長(zhǎng)、開(kāi)花期根系總面積、孕穗期根系活力。說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)孕穗期土壤水分對(duì)產(chǎn)量影響較大，籽粒形成前期土壤水分對(duì)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(duì)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(shí)期，側(cè)面反映關(guān)鍵生育時(shí)期地下部生長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)，最后影響產(chǎn)量和品質(zhì)(圖6)。孕穗期、開(kāi)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(shí)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(yíng)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(duì)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