覆蓋對旱地冬小麥植株和旗葉水分含量及產(chǎn)量的影響

張 博 高甜甜 程宏波 李 瑞 柴雨葳 李亞偉 柴守璽

（1甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，730070，甘肅蘭州；2甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院，730070，甘肅蘭州）

小麥是我國西北旱作農(nóng)區(qū)的糧食作物之一，該區(qū)氣候干旱、熱量不足，降水量低且時空分布不均勻，潛在蒸散量高[1]。水分是小麥生長發(fā)育的必要因素之一，水分虧缺會對小麥生理機制產(chǎn)生不利影響，進而影響產(chǎn)量形成[2]，是制約該區(qū)小麥生產(chǎn)的最主要因素[3-7]。研發(fā)以提高水分利用率為核心，同時可加強生態(tài)建設(shè)的旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)是該區(qū)實現(xiàn)糧食增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵[8]。

在我國干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，通常采用覆蓋保墑栽培技術(shù)來實現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。目前主要的覆蓋栽培方式有地膜覆蓋和秸稈覆蓋。地膜覆蓋可提高小麥生育前期土壤溫度[9]，降低土壤水分蒸發(fā)[10]，協(xié)調(diào)土壤水分和養(yǎng)分的關(guān)系，促進小麥營養(yǎng)生長[9，11-12]、增加穗數(shù)、千粒重[13]，提高產(chǎn)量[10，12]，是旱作農(nóng)區(qū)提高作物生產(chǎn)力，提升栽培效益的有效措施之一，在玉米、小麥、馬鈴薯等作物上已大面積推廣應(yīng)用[14]。秸稈覆蓋可有效改善土壤水分和養(yǎng)分[15]，改善小麥生育期內(nèi)植株水分狀況，特別是在花后將植株水分維持在較高水平[16-17]，延緩小麥功能葉的衰老[18]，利于光合生產(chǎn)及物質(zhì)轉(zhuǎn)運[16-17]，促進小麥生長發(fā)育、增加生物量[19]，提高小麥產(chǎn)量[20-21]。另外有研究表明，秸稈覆蓋可改善土壤物理、化學性質(zhì)及生物學特性[22-24]，增加降水入滲，降低地表侵蝕和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[25]，促進作物產(chǎn)量提高[26]，保護和改善生態(tài)環(huán)境[27]。但如長期地膜覆蓋引起殘膜污染等環(huán)境問題，影響土壤再生產(chǎn)能力和作物生長發(fā)育，進而降低產(chǎn)量[28-29]；傳統(tǒng)秸稈全地面覆蓋存在降溫效應(yīng)而導致減產(chǎn)的風險，前期秸稈覆蓋可降低作物產(chǎn)量[1，30-31]。

秸稈帶狀覆蓋作物種植新技術(shù)是采用作物秸稈局部覆蓋，分作物種植帶和秸稈覆蓋帶，兩帶相間排列。該技術(shù)有效解決了秸稈覆蓋的保墑與降溫的矛盾，經(jīng)多年多點試驗證實，在馬鈴薯[29]和冬小麥[32]上具有顯著的增墑增產(chǎn)效果。但有關(guān)秸稈帶狀覆蓋對旱地小麥植株水分狀況的影響鮮見報道。本研究在前人研究基礎(chǔ)上，進一步系統(tǒng)研究秸稈帶狀覆蓋下小麥植株水分狀況與產(chǎn)量的關(guān)系，為秸稈帶狀覆蓋小麥栽培技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年9月-2019年7月在甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行，該地為黃土高原典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤為黃綿土，0～2m土層平均容重為1.25g/cm3，0～0.2m耕作層土壤pH 8.50（2.5∶1.0），含有機質(zhì) 11.72g/kg、含速效磷11.63mg/kg、速效鉀122.70mg/kg和全氮0.79g/kg。試驗基地屬中溫帶半干旱氣候，作物一年一熟，年均溫7.2℃，無霜期120～170d，年蒸發(fā)量＞1 500mm，多年平均降水量約390.60mm，其中約65%在6-9月集中降落，本試驗中小麥生育期內(nèi)總降雨量約297.50mm，有效降水（≥5mm）約228.70mm。

1.2 試驗材料與設(shè)計

1.2.1 試驗材料 供試冬小麥品種為隴中2號。

1.2.2 試驗設(shè)計 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，各小區(qū)面積為150m2，共設(shè)置秸稈帶狀覆蓋（MS）、地膜覆蓋（PM）和露地種植（CK）3種種植模式。秸稈帶狀覆蓋分為秸稈帶狀3行（MS3），種植帶為35cm，覆蓋帶為50cm；秸稈帶狀4行（MS4），種植帶與覆蓋帶均為50cm；秸稈帶狀5行（MS5），種植帶為70cm，覆蓋帶為50cm；秸稈帶狀6行（MS6），種植帶為85cm，覆蓋帶為50cm；采用玉米稈整稈覆蓋。MS與CK行距均為17cm，全膜覆土穴播行距20cm。秋播前，將秸稈放置于預留覆蓋帶，覆蓋量為9 000kg/hm2。采用幅寬120cm、厚度0.01mm的地膜，每處理3次重復。各處理播種量均為225kg/hm2，各處理均施純氮 120kg/hm2、P2O590kg/hm2，均做基肥，于播前結(jié)合整地一次性施入，生育時期不再追肥。2018年9月13日播種，2019年7月5日收獲，開花7d后用三唑酮、吡蟲啉、磷酸二氫鉀進行1次“一噴三防”，以防后期病蟲害及植株早衰。覆蓋模式圖與試驗方案如圖1、表1所示。

圖1 不同栽培模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of different cultivation patterns

表1 不同栽培模式試驗方案Table 1 Experiment scheme of different cultivation patterns

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株含水量的動態(tài)變化 在小麥開花后第7天開始取樣，每隔7d取1次樣，各處理各重復均取長勢均勻、健康的植株20株，將單株分為旗葉、其他葉、莖鞘和穗，分別稱鮮重后分裝好，置于105℃烘箱中殺青30min，然后在80℃下烘干至恒重，冷卻后稱干重。植株的鮮、干重為各器官鮮、干重之和[16]。植株含水量計算公式為：

植株含水量（%）=（植株鮮重-植株干重）/植株鮮重×100

1.3.2 旗葉相對含水量 待小麥旗葉完全展開后，每隔7d取1次樣，測定旗葉相對含水量，取樣時間為上午8∶00-10∶00，各處理各重復均取10片旗葉，分別裝入密封袋后帶回室內(nèi)，稱鮮重后浸入水中浸泡12h后，取出擦拭表面水分，稱其飽和鮮重，置于105℃烘箱內(nèi)殺青30min，然后在80℃條件下烘干至恒重，冷卻后稱其干重[33]。旗葉相對含水量（RWC）計算公式為：

RWC（%）=（旗葉鮮重-旗葉干重）/（旗葉飽和鮮重-旗葉干重）×100

1.3.3 旗葉離體失水速率 在小麥開花后7d左右開始測定離體葉片失水速率，每隔7d取1次葉片樣品，各處理各重復均取10片健康的旗葉擦拭干凈，稱其鮮重后分別裝入網(wǎng)袋中，平鋪放在干燥、恒溫、避風且無陽光直射的實驗臺上，自然失水12、24h后稱取葉重，然后將稱重后的葉片樣品置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，冷卻后稱其干重[34]。計算離體葉片失水速率（RWL），12h為RWL12，24h 為 RWL24。

RWL12[mg/（g·h）]=（鮮重-失水重）·1000/（干重·12）

RWL24[mg/（g·h）]=（鮮重-失水重）·1000/（干重·24）

1.3.4 產(chǎn)量測定及考種 成熟期各處理按小區(qū)全部實收、單獨脫粒計產(chǎn)?，F(xiàn)場稱鮮重并測定含水量，晾干后稱重，測定產(chǎn)量和千粒重。在小麥收獲前3d取考種樣，采用五點取樣法，每小區(qū)隨機選5個點取樣，每個點取5～10株，將每小區(qū)的植株樣混勻，在混合樣中隨機選取20株長勢均勻、健康的植株樣進行室內(nèi)考種，測定單株干重、株高、穗粒數(shù)、結(jié)實小穗數(shù)。小麥成熟前3d，每小區(qū)選3點測定單位面積穗數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和圖像處理，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋對冬小麥植株含水量的影響

由圖2可見，小麥植株含水量在花后35d內(nèi)逐漸下降。覆蓋材料間，MS、PM以及CK處理在花后第7天至第35天植株分別失水14.73、15.06、14.88個百分點，可見秸稈覆蓋總體會減緩植株失水和衰老；不同MS處理，植株失水量隨覆蓋度降低而降低，MS3、MS4、MS5、MS6處理植株分別在花后7、14、21、28、35d失水15.56、15.42、14.11、13.83個百分點。開花后第21～28天為植株快速失水期，覆蓋材料間，MS處理在該階段失水量（7.41個百分點）大于CK（6.84個百分點）、大于PM（6.28個百分點）；則MS3（7.99個百分點）、MS4（7.81個百分點）相近，略高于MS5（7.27個百分點）、MS6（6.60個百分點）。

圖2 不同覆蓋方式對冬小麥植株含水量的影響Fig.2 Effects of different mulching methods on the plant water content of winter wheat

植株含水量是影響植株失水的主要因素，在一定程度上反映植株的衰老狀況。在灌漿階段，MS處理的植株含水量高于CK 1.49～2.49個百分點，高于PM處理3.24～4.37個百分點；4個MS處理間比較，各測定時間的植株含水量基本表現(xiàn)為隨覆蓋度降低而降低。即在生育后期，MS可較CK和PM處理延緩植株衰老，延緩作用隨覆蓋度降低而降低，以MS3處理的延緩作用最明顯。

2.2 覆蓋對旗葉水分狀況的影響

2.2.1 覆蓋對RWC的影響 由圖3分析可得，各處理的RWC隨著生育時期的推進總體呈下降趨勢，MS處理在花后7～28d旗葉失水量為25.02個百分點，小于CK（25.79個百分點）和PM（29.47個百分點）處理，說明MS處理延長了灌漿期小麥旗葉功能期，延緩了葉片衰老，為籽粒灌漿奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。不同秸稈覆蓋度處理的失水量總體表現(xiàn)為MS3（26.24個百分點）＞MS4（25.10個百分點）＞MS5（24.76個百分點）＞MS6（23.96個百分點）。

圖3 不同覆蓋方式對冬小麥旗葉相對含水量的影響Fig.3 Effects of different mulching methods on relative water content of flag leaf of winter wheat

花后21～28d為旗葉快速失水期，該階段MS條件下的失水量（17.20個百分點），大于CK（16.18個百分點）和PM（16.53個百分點）處理；秸稈覆蓋度間則MS3（18.27個百分點）、MS4（17.26個百分點）相近，大于MS5（16.73個百分點）、MS6（16.54個百分點）。

MS處理的RWC值在灌漿期內(nèi)高于CK 3.29～5.26個百分點，高于PM 5.34～10.46個百分點；MS處理間，各測定時間的RWC基本表現(xiàn)為隨覆蓋度降低而降低。在花后28d內(nèi)，MS相較CK和PM處理而言，可延緩小麥旗葉衰老，以MS3延緩作用最為明顯。比較灌漿階段各處理RWC的變異系數(shù)值可見（表2），MS（14.48%）較CK（15.78%）處理平抑了冬小麥花后7～28d RWC變化，PM處理（18.92%）則加劇了RWC的變化，加快了葉片衰老。

表2 覆蓋對旗葉相對含水量的影響Table 2 Effects of mulching on relative water content of flag leaf %

圖4 不同覆蓋方式對離體旗葉失水速率的影響Fig.4 Effects of different mulching methods on water loss rate of isolated flag leaf of winter wheat

2.2.2 覆蓋對RWL的影響 由圖4、表3可知，花后7～21d小麥RWL在0～24h整體隨著生育期的推進呈下降趨勢。MS、CK以及PM處理在花后7～21d 的 0～12、12～24h 降幅分別為 40.68、39.60、39.06mg/（g·h）和18.07、17.29、12.46mg/（g·h）；MS處理不同覆蓋度間RWL隨著覆蓋度降低而降低，0～12h內(nèi)總體表現(xiàn)為MS3[42.17mg/（g·h）]＞MS4[41.98mg/（g·h）]＞MS5[41.02mg/（g·h）]＞MS6[37.56mg/（g·h）]。0～24h內(nèi)不同覆蓋度總體表現(xiàn)與0～12h一致。各MS處理的失水速率較高是由于其具有高于CK及PM處理的RWC。

生育后期，離體旗葉失水情況能反映小麥代謝情況和衰老進程?；ê?～21d，MS處理的RWL值在0～12h內(nèi)均高于CK[7.11～8.19mg/（g·h）]，高于PM[27.03～28.66mg/（g·h）]，在12～24h內(nèi)均高于CK[3.77～4.55mg/（g·h）]，高于PM[6.67～12.28mg/（g·h）]；不同秸稈覆蓋度間，各測定時間的RWL基本隨覆蓋度降低而降低，以MS3降低幅度最大。

2.3 覆蓋對小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、群體生物量、株高、收獲指數(shù)和結(jié)實小穗數(shù)的影響及其相關(guān)分析

從表4可知，MS和PM處理均能不同程度的影響冬小麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、株高、收獲指數(shù)、結(jié)實小穗數(shù)及產(chǎn)量構(gòu)成因素（穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重）等重要指標。

表3 覆蓋對旗葉離體失水速率的影響Table 3 Effects of mulching on water loss rate of isolated flag leaf mg/(g·h)

MS處理籽粒產(chǎn)量比CK平均提高9.05%，其中MS3、MS4、MS5、MS6增產(chǎn)幅度分別為7.94%、8.90%、10.34%和9.06%。與CK相比，MS處理增產(chǎn)的主要原因是顯著提高了結(jié)實小穗數(shù)和千粒重，平均提高14.89%和7.07%。MS5處理增產(chǎn)幅度略高于其他覆蓋度是由于其單位面積穗數(shù)高于其他覆蓋度2.97%～6.51%。PM處理由于較CK顯著提高了單位面積穗數(shù)23.62%，從而較CK增產(chǎn)11.42%。

表4 不同覆蓋方式對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、群體生物量、株高、收獲指數(shù)及結(jié)實小穗數(shù)的影響Table 4 Effects of different mulching methods on yield and its components, population biomass, plant height, harvest index and the number of spikelet in winter wheat

覆蓋降低了收獲指數(shù)，PM、MS處理分別較CK降低9.47和2.28個百分點，即覆蓋可以促進小麥營養(yǎng)生長，且PM處理的影響大于MS處理。秸稈不同覆蓋度處理對營養(yǎng)生長的效應(yīng)相近。

相關(guān)分析（表5）表明，花后35d內(nèi)植株平均含水量、花后7d植株含水量及花后35d的植株含水量均與穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.800、0.695、0.829，且均與結(jié)實小穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.859、0.707、0.855，即花后35d內(nèi)的含水量可反映出植株代謝水平比較旺盛，利于營養(yǎng)物質(zhì)的合成和向籽粒的輸入，減少秕粒，提高了結(jié)實率，從而影響產(chǎn)量形成?；ê?8d RWC與穗粒數(shù)（0.739）和結(jié)實小穗數(shù)（0.764）均呈極顯著正相關(guān)。即花后28d較高的RWC，提高了旗葉水勢，保持了旗葉細胞活性，利于作物抗旱，為光合作用提供了基礎(chǔ)，且利于光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化與分配，進而增加結(jié)實小穗數(shù)，從而提高粒重，對產(chǎn)量提高具有積極作用，這與王克鵬等[35]的研究結(jié)果相似。RWC與RWL12和RWL24均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.950、0.957。RWL12、RWL24均與穗粒數(shù)和結(jié)實小穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.889、0.687和0.799、0.848。產(chǎn)量與千粒重（r=0.965）呈極顯著相關(guān)，與穗數(shù)及穗粒數(shù)則相關(guān)不顯著，千粒重對產(chǎn)量的影響較大。此外，穗數(shù)與穗粒數(shù)（r=-0.898）極顯著負相關(guān)，表明穗數(shù)與穗粒數(shù)之間存在相互制約的關(guān)系。

表5 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、植株含水量、離體旗葉失水速率、旗葉相對含水量以及結(jié)實小穗數(shù)的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis among yield, yield components plant water content, water loss rate of isolated flag leaf, water content of flag leaf and number of spikelet of winter wheat

3 討論

覆蓋栽培措施能改善冬小麥土壤水溫環(huán)境，進而對小麥植株含水量、旗葉相對含水量及離體葉片失水速率有不同程度的影響。研究表明[17，36-37]，秸稈帶狀覆蓋能增加植株含水量，提高植株水分利用效率，延緩植株衰老，有利于籽粒灌漿，且保持旗葉含水量，利于穗粒數(shù)和粒重增加，進而提高產(chǎn)量。地膜覆蓋可調(diào)控土壤水分時空和植株各部位的再分布，有效促進土壤和作物水分的良性循環(huán)，有利于作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成[37-38]。有研究[39]表明，地膜覆蓋在前期降水充沛，后期嚴重缺水時易引起作物早衰而減產(chǎn)。

葉片水勢是反映植株水分狀況和抗旱的重要生理指標[40]。王克鵬等[35]的研究結(jié)果表明，提高作物含水量，即提高了作物的水勢，利于作物抗旱，進而對產(chǎn)量提高具有積極作用。本研究表明，秸稈帶狀覆蓋各處理均較CK提高了冬小麥花后第7～35天的植株含水量和第7～28天的旗葉相對含水量，通過調(diào)控植株水分狀況，延緩植株衰老，促進籽粒灌漿，進而促進產(chǎn)量形成，這與李守蕾[17]的研究結(jié)果相似；且秸稈帶狀覆蓋提高了小麥花后第7～21天的旗葉失水速率，其原因可能是秸稈帶狀覆蓋提高了旗葉含水量，進而提高了旗葉水勢，保持葉片細胞活性，對籽粒灌漿具有積極作用，進而達到增產(chǎn)的效果，以MS3效果最為明顯，說明在一定范圍內(nèi)，秸稈覆蓋度越大，越利于維持植株的保水能力。秸稈帶狀覆蓋各處理間均較CK提高了產(chǎn)量，其中以MS5處理提高幅度最大，其原因可能是MS5模式更利于光熱水肥的協(xié)調(diào)，促進了養(yǎng)分和水分的轉(zhuǎn)化以及產(chǎn)量要素的協(xié)調(diào)發(fā)展。

He等[41]研究表明，與不覆蓋相比，在黃土高原采用地膜覆蓋使作物平均產(chǎn)量提高11.00%，凈收益增加12.00%。Luo等[42]研究表明，與無覆蓋種植相比，地膜覆蓋下小麥籽粒平均產(chǎn)量顯著提高13.70%。本研究發(fā)現(xiàn)，在灌漿期，地膜覆蓋較CK降低了植株含水量、旗葉相對含水量及離體旗葉失水速率，加速了冬小麥的衰老進程，但在生育前期促進分蘗、增加有效穗數(shù)，進而較CK顯著提高了籽粒產(chǎn)量。

4 結(jié)論

地膜覆蓋降低了灌漿階段植株含水率和旗葉含水率，加速了植株衰老，但可增加分蘗、促進植株營養(yǎng)生長，從而提高小麥產(chǎn)量。秸稈帶狀覆蓋較露地顯著提高灌漿階段植株含水量和旗葉含水量，提高了結(jié)實率，有利于千粒重增加，是其較露地增產(chǎn)的原因之一。產(chǎn)量的形成受多因素影響，盡管MS3在灌漿期植株特別是旗葉含水量均顯著高于露地，但因其有效穗數(shù)較少而制約了增產(chǎn)幅度。MS5可有效協(xié)調(diào)穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重3個因素，而獲得了與地膜覆蓋相近的產(chǎn)量，是秸稈帶狀覆蓋較為適宜的模式。