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土壤水分与耕作方式对冬小麦水分利用特性和碳氮代谢及产量的影响

郑成岩  
【摘要】:1耕作方式和土壤水分对小麦耗水特性和产量形成的影响 以高产中筋小麦品种济麦22为试验材料,在山东省兖州市小孟镇史王村大田进行定位试验。2007~2008生长季设置5种耕作方式:条旋耕、深松+条旋耕、旋耕、深松+旋耕、翻耕,本试验于2008~2009和2009~2010小麦生长季在2007~2008生长季的试验区内设置同一处理,“深松+条旋耕”和“深松+旋耕”处理不再深松,分析土壤经一次深松耕作后对小麦籽粒产量和水分利用效率影响的后效,降低机械作业成本。设置5个水分处理:不灌水(W0),灌水后播种、越冬、拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量在2008~2009小麦生长季分别达到80%、80%、75%和75% (W1),80%、85%、75%和75% (W2),85%、80%、75%和75% (W3),85%、85%、75%和75% (W4);在2009~2010小麦生长季分别达到85%、85%、70%和75% (W’1),85%、90%、70%和75% (W’2),85%、85%、75%和75% (W’3),85%、90%、75%和75% (W’4)。研究耕作方式和土壤水分对小麦耗水特性和碳氮代谢及产量的影响。 1.1耕作方式和土壤水分对小麦耗水特性的影响 1.1.1不同土壤水分条件下耕作方式对小麦耗水特性的影响 同一水分条件下,深松+条旋耕的总耗水量低于深松+旋耕,灌水量低于深松+旋耕和翻耕处理,土壤耗水量占总耗水量的比例高于翻耕、旋耕和条旋耕处理。深松+条旋耕处理播种至越冬阶段的耗水量与条旋耕无显著差异,低于其他耕作处理,在开花至成熟阶段的耗水量和耗水模系数均高于条旋耕、旋耕和翻耕。深松+条旋耕各生育时期的棵间蒸发量低于深松+旋耕和翻耕处理。表明在一年深松耕作基础上,连续两年条旋耕播种处理减少了灌水量,促进了小麦对土壤贮水的利用,农田耗水量、播种至越冬阶段的耗水量和棵间蒸发量较低,开花至成熟阶段的耗水模系数最高,有利于降低小麦生育前期的水分消耗,促进开花后对水分的利用。 1.1.2不同耕作方式条件下土壤水分对小麦耗水特性的影响 同一耕作方式下,全生育期不灌水处理总耗水量最低,其总耗水量来源于降水量和土壤耗水量的比例最高,棵间蒸发量和拔节至成熟阶段的耗水量低于灌水处理,表明W0处理减少了小麦生育期水分向大气中的耗散,有利于小麦对土壤水分的利用。 灌水处理之间比较,W3和W’3的总耗水量、灌水量及其占总耗水量的比例分别低于W4和W’4处理,土壤耗水量占总耗水量的比例与W2和W’2无显著差异,高于W4和W’4处理,其开花至成熟阶段的耗水量及其耗水模系数最高。表明在本试验条件下,播种期0~140 cm土层土壤相对含水量为85%,越冬期不灌水,拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量分别为75%和75%的W3和W’3处理的总耗水量、越冬至拔节阶段的棵间蒸发量和耗水模系数低于越冬期灌水处理,其土壤耗水量较高,开花至成熟阶段的耗水量及其耗水模系数最高,有利于小麦开花后对水分的利用。 1.2耕作方式和土壤水分对小麦生理特性和干物质积累与分配的影响 1.2.1不同土壤水分条件下耕作方式对小麦生理特性和干物质积累与分配的影响 同一水分条件下,深松+条旋耕和深松+旋耕在灌浆中后期的旗叶水势高于其他处理,其旗叶光合速率和叶片水分利用效率在灌浆中后期高于翻耕处理且两者无显著差异,条旋耕和旋耕在灌浆中后期的旗叶光合速率和叶片水分利用效率低于翻耕处理。深松+条旋耕在灌浆初期和中期的旗叶SPS活性和蔗糖含量显著高于翻耕处理;灌浆后期的旗叶蔗糖含量低于深松+旋耕和翻耕处理,有利于灌浆阶段旗叶中蔗糖的积累及向籽粒中的转运。深松+条旋耕和深松+旋耕处理开花后干物质积累量、成熟期籽粒的干物质分配比例和开花后干物质同化量对籽粒的贡献率高于条旋耕、旋耕和翻耕处理,翻耕的茎秆+叶鞘+叶片的干物质分配比例高于深松+条旋耕和深松+旋耕处理。以上结果表明,在一年深松耕作基础上,连续两年条旋耕播种处理提高了开花后干物质的积累能力,增加了籽粒中来自开花后干物质的比例,这是深松+条旋耕处理获得高产的生理基础。 1.2.2不同耕作方式条件下土壤水分对小麦生理特性和干物质积累与分配的影响 同一耕作方式下,全生育期不灌水处理在开花后的旗叶光合速率、蒸腾速率、Fv/Fm、ΦPSII、SPS活性、干物质积累量均低于灌水处理,籽粒干物质分配比例最高。表明干旱条件下,小麦的物质生产能力降低,促进了成熟期干物质向籽粒中的分配。 灌水处理之间比较,W3、W4和W’3、W’4的旗叶光合速率在灌浆中后期均高于其他处理,W3和W’3的旗叶蒸腾速率在灌浆后期低于W4和W’4处理。W3和W’3处理在开花期和成熟期的干物质积累量较高,籽粒干物质分配比例高于W4和W’4,开花后干物质同化量对籽粒的贡献率与W4和W’4无显著差异均高于其他处理。2008~2009生长季,W3和W4在灌浆中后期的旗叶水势和根系活力高于W2和W1处理,其开花至花后21天旗叶的SPS活性和蔗糖含量最高,W3的花后28天的旗叶蔗糖含量低于W4处理,有利于蔗糖向籽粒中的转运。以上结果表明,播种期0~140 cm土层土壤相对含水量为85%,越冬期不灌水,拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量分别为75%和75%的W3和W’3处理有利于小麦开花后保持较高的物质生产能力,延缓了旗叶的衰老,提高花后光合产物向籽粒中的转运。 1.3耕作方式和土壤水分对小麦植株氮素吸收、转运和分配的影响 1.3.1不同土壤水分条件下耕作方式对小麦植株氮素吸收、转运和分配的影响 同一水分条件下,深松+条旋耕和深松+旋耕在开花和成熟期的植株氮素积累量、成熟期籽粒的氮素积累量和分配比例均高于条旋耕和旋耕处理,茎鞘+叶片的分配比例低于上述处理,有利于小麦植株氮素的积累及其向籽粒中的分配。成熟期,深松+条旋耕的0~80 cm各土层的土壤硝态氮含量低于条旋耕、旋耕和翻耕处理,在120~140 cm各土层低于深松+旋耕。以上结果表明,在一年深松耕作基础上,连续两年条旋耕播种处理有利于小麦营养器官氮素在开花期和成熟期的积累,减少了开花前营养器官氮素向籽粒中的转运,其成熟期土壤硝态氮在深层土壤的积累量低于深松+旋耕处理,获得高的氮素吸收效率和氮肥生产效率。 1.3.2不同耕作方式条件下土壤水分对小麦植株氮素吸收、转运和分配的影响同一耕作方式下,全生育期不灌水处理植株氮素在开花期和成熟期的积累量、成熟期穗轴+颖壳和茎鞘+叶片氮素积累量均低于灌水处理,营养器官氮素向籽粒中的转移率及其对籽粒的贡献率高于灌水处理。成熟期,全生育期不灌水的0~60 cm土层土壤的硝态氮含量高于灌水处理,140~200 cm土层土壤的硝态氮含量低于灌水处理。 灌水处理之间比较,开花期和成熟期的植株氮素积累量随灌水量的增加而增加,营养器官氮素向籽粒中的转移率及其对籽粒的贡献率降低。在条旋耕条件下,W3和W2的氮素在籽粒中的分配比例低于W1,高于W4处理;在深松+条旋耕、旋耕和翻耕条件下,W3和W1的氮素在籽粒中的分配比例高于W2和W4处理;在深松+旋耕条件下,W3的氮素在籽粒中的分配比例高于W4、W2和W1处理。W3处理上层土壤的硝态氮含量低于W1和W2,W4处理在100~140 cm土层出现积累峰。以上结果表明,播种期0~140 cm土层土壤相对含水量为85%,越冬期不灌水,拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量分别为75%和75%的处理有利于小麦开花和成熟期植株氮素积累量的增加和成熟期氮素向籽粒中的转运,该处理促进了小麦对40~120 cm以上土层土壤氮素的吸收利用,硝态氮向140~180 cm土层土壤淋溶量低于W4处理,有利于氮素吸收效率和氮肥生产效率的提高。 1.4耕作方式和土壤水分对小麦籽粒产量、品质和水分利用效率的影响 1.4.1不同土壤水分条件下耕作方式对小麦籽粒产量、品质和水分利用效率的影响 同一水分条件下,深松+条旋耕和深松+旋耕处理的籽粒产量最高且两者无显著差异,深松+条旋耕的水分利用效率和灌溉效益高于其他处理。翻耕的籽粒产量在不灌水条件下与旋耕无显著差异高于条旋耕处理;在灌水条件下高于旋耕和条旋耕处理。深松+条旋耕的蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间高于翻耕处理。以上结果表明,在一年深松耕作基础上,连续两年条旋耕播种处理有利于籽粒产量和水分利用效率的同步提高,其蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间较高。1.4.2不同耕作方式条件下土壤水分对小麦籽粒产量、品质和水分利用效率的影响同一耕作方式下,全生育期不灌水的籽粒产量低于灌水处理。W0的水分利用效率在条旋耕条件下高于W3和W’3处理;在旋耕条件下与W3和W’3处理无显著差异;在深松+条旋耕、深松+旋耕和翻耕条件下低于W3和W’3处理。W0的蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间高于灌水处理。 灌水处理之间比较,W3和W’3的籽粒产量与W4和W’4处理无显著差异高于其他处理,水分利用效率分别高于W2、W4和W’2、W’4处理,两处理的灌溉效益最高。W4的面团稳定时间、蛋白质含量和湿面筋含量最低。以上结果表明,播种期0~140 cm土层土壤相对含水量为85%,越冬期不灌水,拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量分别为75%和75%的处理灌溉效益和籽粒产量最高,获得较高水分利用效率,其面团稳定时间、蛋白质含量和湿面筋含量高于W4处理。 在一年深松耕作基础上,连续两年采用条旋耕播种方式下播种期0~140 cm土层土壤相对含水量为85%,越冬期不灌水,拔节和开花期0~140 cm土层土壤相对含水量分别为75%和75%的处理是本试验条件下节水高产的最优处理。 2灌水方式对小麦耗水特性和产量形成的影响 以高产中筋小麦品种济麦22为试验材料,于2009~2010小麦生长季在山东省兖州市小孟镇史王村大田进行试验。以不灌水处理为对照(I0),设置微喷管喷灌和浇灌两种灌水方式,拔节期和开花期0~140 cm土层达到的目标相对含水量分别为70%和70%(I1和I2),75%和75%(I3和I4),研究了不同灌水方式对小麦耗水特性和产量形成的影响。 2.1灌水方式对小麦耗水特性的影响 不灌水的土壤耗水量占总耗水量的比例显著高于灌水处理,拔节至开花和开花至成熟阶段的耗水模系数最低。灌水处理之间比较,随拔节和开花期土壤相对含水量的提高,总耗水量和拔节至开花阶段的耗水量和耗水模系数增加,灌水量及其占总耗水量的比例提高。喷灌处理土壤耗水量占总耗水量的比例、开花至成熟阶段的耗水模系数和60~140 cm土层土壤贮水的消耗量高于浇灌处理,其开花和灌浆期的棵间蒸发量低于浇灌处理。表明喷灌处理减少了小麦生育期的灌水量,提高了60~140 cm土层土壤贮水的消耗和开花至成熟阶段的耗水量,有利于小麦开花后对水分的利用,降低开花后的棵间蒸发损失。 2.2灌水方式对小麦光合速率和干物质积累与分配的影响 不灌水处理的光合速率在开花后均低于灌水处理,其开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率最低。灌水处理间比较,随着土壤相对含水量的增加,小麦开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率提高。喷灌处理灌浆后期旗叶光合速率、开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率高于浇灌处理。表明喷灌处理有利于小麦开花后干物质的积累及其向籽粒中的转运。 2.3灌水方式对小麦植株氮素积累与分配的影响 不灌水处理在开花和成熟期的氮素积累量、营养器官氮素向籽粒中的转移量和转移率均低于灌水处理。灌水处理间比较,随着土壤相对含水量的增加,开花和成熟期的氮素积累量提高,营养器官氮素向籽粒中转移率和营养器官氮素转移量对籽粒的贡献率降低。喷灌处理成熟期氮素积累量、营养器官氮素向籽粒中转移量和转移率高于浇灌处理。 2.4灌水方式对小麦籽粒产量、水分和氮素利用效率的影响 不灌水处理的农田耗水量、籽粒产量和氮素吸收效率均低于灌水处理,氮素利用效率高于灌水处理,水分利用效率与I1无显著差异,低于其他灌水处理。灌水处理间比较,随着土壤相对含水量的增加,籽粒产量、水分利用效率和氮素吸收效率提高,氮素收获指数降低。在拔节期和开花期土壤相对含水量分别为75%和75%条件下,喷灌处理有利于籽粒产量、水分和氮素利用效率的提高,是本试验条件下的最优灌溉处理。


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