土壤深松和補灌對小麥干物質生產及水分利用率的影響

鄭成巖，于振文，張永麗，* ，王 東，石 玉，許振柱

(1.山東農業大學農學院/農業部作物生理生態與栽培重點開放實驗室，泰安 271018;2.中國農業科學院作物科學研究所/農業部作物生理生態重點實驗室，北京 100081;3.中國科學院植物研究所/植被與環境變化國家重點實驗室，北京 100093)

在我國北方地區，灌溉是小麥獲得高產的重要措施。Li等［1-3］研究表明，限量灌溉有利于小麥干物質積累，促進籽粒灌漿，最終提高產量。高產小麥開花后干物質積累量占籽粒產量的80%以上［4］，隨灌水量的增大開花后干物質積累量提高，灌水量過多顯著減少干物質向籽粒的分配，籽粒產量降低［5］。劉庚山等［6］研究認為，在春季灌水總量一定的條件下，拔節期灌水能促進作物對深層土壤水的利用，提高水分利用率和灌溉效率。通過優化耕作措施，可以充分利用降水資源，提高水分利用率和作物產量［7］。在旱作條件下，免耕覆蓋可以使小麥籽粒產量提高19.3%［8］，但多年少免耕導致土壤堅實，土壤容重增大，影響作物根系對土壤養分和水分的吸收，不利于產量的提高［9-10］。深松耕作通過深松鏟疏松土壤，可降低土壤容重，增加土壤通透性［11-12］，有利于改善旗葉光合性能，提高植株干物質積累量，增加對小麥籽粒源的供應，提高穗粒數和千粒重，獲得較高的產量［8，13］。前人就耕作方式和土壤水分單一因素對小麥產量形成的影響已有研究，并多采用定量灌溉的方法，未考慮實際的土壤水分狀況，而且就深松的后續效果尚少見報道。本文以0—140 cm土層平均土壤相對含水量為目標含水量，采用測墑補灌的方法，研究1次深松耕作后土壤水分對冬小麥籽粒產量和水分利用率影響的后效，為制定小麥節水高產栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2008—2009和2009—2010小麥生長季在2007—2008年試驗［14］的同一地塊上進行定位試驗，供試品種為高產中筋小麥濟麥22。2007—2008生長季設置2種耕作方式，分別為旋耕(R，Rotary tillage)和深松+旋耕(RS，Rotary tillage after subsoiling)。2008—2009和2009—2010生長季的“深松+旋耕”處理不再深松，以研究土壤經一次深松耕作后對小麥籽粒產量和水分利用率影響的后效，降低機械作業成本。

2008—2009生長季，每種耕作方式下設置5個土壤水分處理(表1)。播種前試驗田0—20 cm土層含有機質14.5 g/kg、全氮10.3 g/kg、堿解氮106.81 mg/kg、速效磷35.18 mg/kg和速效鉀116.90 mg/kg。小麥生育期間降水量為:播種至越冬期13.8 mm、越冬至拔節期46.9 mm、拔節至開花期53.6 mm、開花至成熟期26.3 mm。播種前每公頃施純氮105 kg，P2O5150 kg，K2O 150 kg，拔節期每公頃開溝追施純氮135 kg。2008年10月8日播種，2009年6月10日收獲。

2009—2010生長季，每種耕作方式下設置3個土壤水分處理(表1)。播種前試驗田0—20 cm土層含有機質14.8 g/kg、全氮10.6 g/kg、堿解氮104.30 mg/kg、速效磷34.55 mg/kg和速效鉀124.92 mg/kg。小麥生育期間降水量為:播種至越冬期48.1 mm、越冬至拔節期46.1 mm、拔節至開花期27.0 mm、開花至成熟期42.0 mm。化肥施用量與2008—2009生長季相同。2009年10月9日播種，2010年6月17日收獲。

兩生長季小區面積均為4 m×4 m=16 m2，小區間設2 m寬保護行，隨機區組設計，3次重復;四葉期定苗，留苗密度180株/m2;按當地高產田進行田間管理。

表1 水分處理方案Table 1 Water treatment design

1.2 土壤耕作程序

1.2.1 深松+旋耕

前茬玉米秸稈全部粉碎還田→撒施底肥→ZS-180型振動深松機深松1遍(深度38 cm)→旋耕機對全部土地面積旋耕2遍(深度15 cm)→耙地2遍→筑埂打畦→機播下種。

1.2.2 旋耕

前茬玉米秸稈全部粉碎還田→撒施底肥→旋耕機對全部土地面積旋耕2遍(深度15 cm)→耙地2遍→筑埂打畦→機播下種。

1.3 旗葉光合速率和蒸騰速率的測定

用英國PP-System公司產CIRAS-2型光合作用測定系統，分別于灌漿初期、灌漿中期和灌漿后期9:00—11:00，于自然光照下測定旗葉光合速率和蒸騰速率［15］。

旗葉瞬間水分利用率用葉片蒸騰消耗一定量的水所同化的CO2量來表示，即LWUE=Pn/Tr。式中，LWUE為旗葉瞬間水分利用率(μmol CO2/mmol H2O)。Pn和Tr分別為凈光合速率(μmol CO2·m-2·s-1)和蒸騰速率(mmol H2O·m-2·s-1)。

1.4 土壤含水量測定及灌水量計算

于每次灌水前2 d用土鉆取0—200 cm土層的土壤，每20 cm為一層，將樣品立即裝入鋁盒，稱鮮重，110℃烘干至恒重，稱干重，計算0—200 cm土層土壤質量含水量。需補充的灌水量依據公式m=10ρbH(βi-βj)計算，以達到目標含水量［16］，即測墑補灌，式中m為灌水量(mm)，H為該時段土壤計劃濕潤層的深度(本試驗為140 cm)，ρb為計劃濕潤層內土壤容重(g/cm3)，βi為設計的質量含水量(田間持水量乘以設計相對含水量)，βj為灌溉前土壤質量含水量。用水表計量灌水量。于灌水后3d測定0—140 cm土層土壤平均相對含水量。

兩個生長季均按計算結果補充灌水量，2008—2009生長季，深松+旋耕和旋耕方式下，補充灌溉后測定的土壤相對含水量的相對誤差平均值(以下簡稱調控誤差)播種期分別為0.93%和1.45%，越冬期分別為1.24%和1.36%，拔節期分別為0.80%和0.94%，開花期分別為1.08%和0.56%。2009—2010生長季，播種期的調控誤差分別為0.98%和0.25%;越冬期分別為0.38%和1.44%;拔節期分別為0.65%和1.49%;開花期分別為1.78%和1.05%(表2)。表明根據灌水前測定的土壤含水量補充灌溉，能夠達到預期設計的目標含水量。

表2 不同處理0—140 cm土層的目標含水量和土壤相對含水量Table 2 Target water content and relative water content in 0—140 cm soil layer of different treatments

1.5 農田耗水量及水分利用率和灌溉效益計算

采用測定土壤含水量計算耗水量的方法［17］n)，式中ET1-2為階段耗水量;i為土層編號;n為總土層數;γi為第i層土壤干容重;Hi為第i層土壤厚度;θi1和θi2分別為第i層土壤時段初和時段末的含水量，以占干土重的百分數計;M為時段內的灌水量;P0為有效降水量;K為時段內的地下水補給量。本試驗研究0—200 cm土層的土壤含水量，而該試驗區地下水埋深在5 m以下，因此可視地下水補給量為0。

水分利用率、灌溉效益的計算公式分別為WUE=Y/ETα［18］和 IB= ΔY/I［19］，式中 WUE 為水分利用率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產量(kg/hm2)，ETα為小麥生育期間實際耗水量(mm)，即各階段耗水量之和;IB為灌溉效益(kg·hm-2·mm-1)，ΔY為灌溉后增加的產量(kg/hm2)，I為實際灌水量(mm)。

1.6 干物質積累與分配

于越冬、返青、拔節、開花和成熟期進行群體動態調查和取樣，其中前3個生育期留取整株樣品，開花期分為穗、葉片和莖稈+葉鞘3部分，成熟期分為籽粒、葉片、莖稈+葉鞘和穎殼+穗軸4部分，樣品于80℃烘至恒重，稱干重。計算公式［20］如下:

營養器官開花前貯藏同化物轉運量 =開花期植株干重-成熟期營養器官干重

營養器官開花前貯藏同化物轉運率(%)=(開花期植株干重-成熟期營養器官干重)/開花期植株干重×100

開花后同化物輸入籽粒量 =成熟期籽粒干重-營養器官開花前貯藏同化物轉運量

營養器官開花前貯藏同化物對籽粒產量的貢獻率(%)=營養器官開花前貯藏同化物轉運量/成熟期籽粒干重×100

1.7 數據處理與分析方法

用Microsoft Excel 2003軟件進行數據計算和作圖，用DPS7.05統計分析軟件進行數據差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對成熟期0—200 cm土層土壤含水量的影響

由圖1可知，2008—2009生長季，同一水分處理條件下，旋耕處理0—200 cm土層的土壤含水量高于深松+旋耕處理，分別高13.0%、16.4%、11.7%、11.1%和12.8%。旋耕處理40—180 cm各土層的土壤含水量均高于深松+旋耕處理，表明深松耕作有利于小麥開花至成熟階段對深層土壤水分的消耗，成熟期0—200 cm土層的土壤含水量降低。

圖1 不同處理對成熟期各土層土壤含水量的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil moisture content of different soil layer at maturity

同一耕作方式下，W0處理40—200 cm各土層的土壤含水量均低于灌水處理。深松+旋耕方式下，W3處理60—180 cm各土層的土壤含水量均低于W4處理，與W1和W2處理無顯著差異;旋耕方式下，W3處理20—140 cm各土層的土壤含水量均低于W4處理，與W1和W2處理無顯著差異。上述結果表明，全生育期補灌水量多，不利于小麥對土壤貯水尤其是60—140 cm土層土壤水分的消耗，成熟期土壤含水量高。2009—2010生長季，旋耕處理0—200 cm土層的土壤含水量比深松+旋耕處理分別高10.2%、9.4%和5.9%;各處理土壤水分變化趨勢與2008—2009生長季一致。

2.2 不同處理對小麥旗葉光合速率、蒸騰速率和旗葉瞬間水分利用率的影響

由表3可以看出，同一水分處理下，深松+旋耕處理的旗葉光合速率和瞬間水分利用率均高于旋耕處理，蒸騰速率無顯著差異，表明深松有利于小麥在灌漿期維持較高的旗葉光合速率和瞬間水分利用率。

同一耕作方式下，2008—2009生長季，灌水處理的光合速率、蒸騰速率和旗葉瞬間水分利用率在灌漿期均高于不灌水處理;灌水處理之間比較，光合速率、蒸騰速率、旗葉瞬間水分利用率在灌漿后期為W4＞W3＞W2、W1。2009—2010生長季，W'3和W'4處理灌漿期的光合速率、蒸騰速率和葉片瞬間水分利用率均高于W'0處理，W'3與W'4無顯著差異。上述結果表明W3和W'3處理能夠保持灌漿后期較高的光合速率，獲得較高的旗葉瞬間水分利用率。

表3 不同處理對小麥旗葉光合特性的影響Table 3 Effects of different treatments on flag leaf photosynthetic characteristic

2.3 不同處理對小麥干物質積累與分配的影響

2.3.1 不同生育時期干物質積累量

由圖2可以看出，同一水分處理條件下，深松+旋耕處理拔節、開花和成熟期的干物質積累量均高于旋耕處理，表明深松有利于提高小麥拔節后干物質積累量，為高產奠定基礎。

同一耕作方式下，2008—2009生長季，各水分處理的干物質積累量越冬期無顯著差異;返青期為W0、W1、W2＞W3、W4;拔節期為 W4、W3、W2＞W1、W0;開花期為 W4＞W3、W2、W1＞W0;成熟期為 W3、W4＞W1、W2＞W0。2009—2010生長季，各水分處理的干物質積累量越冬期亦無顯著差異;返青和拔節期W'4高于W'3和W'0處理;開花和成熟期W'3和W'4高于W0'處理，W'3與W'4之間無顯著差異。以上結果示出，W3和W'3處理返青期之前干物質積累量較低，拔節期之后均高于播種期和越冬期未灌水的處理，為獲得高產奠定了物質基礎。

圖2 不同處理對冬小麥干物質積累量的影響Fig.2 Effect of different treatments on dry matter accumulation amount in winter wheat

2.3.2 成熟期干物質在不同器官中的分配

由表4可以看出，同一水分處理條件下，深松+旋耕處理成熟期籽粒的干物質分配量和分配比例高于旋耕處理，莖稈+葉鞘+葉片的分配比例低于旋耕處理，表明深松有利于干物質向籽粒分配，其營養器官干物質分配比例低。

2008—2009生長季，不灌水處理各營養器官的干物質積累量均低于灌水處理，籽粒的分配比例高于灌水處理。深松+旋耕條件下，成熟期干物質在籽粒中的分配量為W3和W4高于W2和W1處理，在籽粒和穗軸+穎殼中分配比例為W1、W2和W3高于W4處理，莖稈+葉鞘+葉片分配量及其分配比例為W4＞W3＞W2、W1。旋耕條件下，成熟期干物質在籽粒中分配量為W1、W2和W3高于W4處理，分配比例為W1＞W2、W3＞W4;在穗軸+穎殼中分配量各處理無顯著差異;莖稈+葉鞘+葉片分配及其分配比例為W4高于W3處理，W3高于W2和W1處理。2009—2010生長季，W'3成熟期干物質向籽粒和穗軸+穎殼的分配量及其分配比例高于W'4處理;莖稈+葉鞘+葉片分配量及其分配比例低于W'4處理。表明W3和W'3處理有利于成熟期干物質積累量在籽粒中的分配;在此基礎上增加補灌水量的W4和W'4處理，其光合產物過多的滯留于營養器官，不利于向籽粒中轉運。

表4 不同處理對成熟期干物質在不同器官中分配的影響Table 4 Effects of different treatments on dry matter distribution in different organs at maturity

2.3.3 開花后營養器官干物質再分配及其對籽粒貢獻率

由表5可以看出，同一水分處理條件下，深松+旋耕的開花后干物質積累量和開花后干物質同化量對籽粒產量的貢獻率高于旋耕處理;營養器官開花前貯藏同化物轉運量和開花前貯藏同化物轉運量對籽粒產量的貢獻率低于旋耕處理。表明深松提高了開花后干物質的積累能力，增加了籽粒中來自開花后干物質的比例，這是深松+旋耕處理獲得高產的生理基礎。

表5 不同處理對營養器官同化物再分配量和積累量的影響Table 5 Effects of different treatments on photoassimilate translocation amount from vegetative organs to grain and its accumulation amount after anthesis

2008—2009生長季，W0和W1的營養器官開花前貯藏同化物轉運量及其對籽粒的貢獻率顯著高于W2、W3和W4處理;W2與W4之間無顯著差異，均高于W3處理;W3開花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率顯著高于其他處理;W4與W2之間無顯著差異，高于W1和W0處理。2009—2010生長季，營養器官開花前貯藏同化物轉運量及其對籽粒的貢獻率為W'0＞W'3、W'4;開花后干物質同化量對籽粒的貢獻率為W'4、W'3＞W'0。表明全生育期不灌水有利于小麥開花前貯藏在營養器官的同化物向籽粒中轉運，不利于開花后同化物的積累和轉運。兩年度在播種期、越冬期、拔節期、開花期土壤相對含水量分別為85%、80%、75%、75%(W3)和85%、85%、75%、75%(W'3)條件下，小麥開花后同化物的積累量和向籽粒中的轉運量大，有利于產量的提高。

2.4 不同處理對籽粒產量和水分利用率的影響

由表6可以看出，不灌水條件下，深松+旋耕的水分利用率低于旋耕處理;灌水條件下，深松+旋耕的水分利用率高于旋耕處理。同一水分處理條件下，深松+旋耕的籽粒產量和灌溉效益均高于旋耕處理。表明1a深松對小麥后續2a仍能顯著提高其水分利用率。

表6 不同處理對籽粒產量和水分利用率的影響Table 6 Effects of different treatments on grain yield and water use efficiency

2008—2009生長季，W3的籽粒產量高于W2、W1和W0，與W4處理無顯著差異，水分利用率高于W2和W4，與W1處理無顯著差異;灌溉效益在深松+旋耕條件下為W3、W1＞W2＞W4，在旋耕條件下為W3＞W1＞W2＞W4。2009—2010生長季，W'3的灌溉效益高于W'4處理，水分利用率高于W'4和W'0處理。籽粒產量在深松+旋耕條件下為W'3＞W'4＞W'0，在旋耕條件下為W'3、W'4＞W'0。表明W3和W'3處理在兩年度分別獲得高的籽粒產量和灌溉效益及較高的水分利用率。

兩年度結果示出，深松+旋耕條件下，播種期、越冬期、拔節期、開花期0—140 cm土層土壤相對含水量分別達到85%、80%、75%、75%的W3處理和85%、85%、75%、75%的W'3處理籽粒產量和水分利用率較高，灌溉效益高于其他處理，是兼顧高產節水高效的最優處理。越冬期再增加補充灌水量的W4和W'4處理農田耗水量顯著增高，水分利用率和灌溉效率均降低。

3 討論

前人采用定量灌溉的方法對小麥節水高產的灌水次數和灌水量已進行過較多研究。在華北高產麥區，春灌2水，每次75 mm，冬小麥籽粒產量為7716.7 kg/hm2，水分利用率為15.9 kg·hm-2·mm-1，是最優的灌水模式［21］。播種前、拔節和開花期各灌水75 mm，最高產量可達8240 kg/hm2，水分利用率為17.43 kg·hm-2·mm-1［22］;有研究表明，拔節和抽穗期每次灌水 60 mm，冬小麥籽粒產量可達 8139.6 kg/hm2，水分利用率為 17.6 kg·hm-2·mm-1［23］。本文采用測墑補灌的方法在深松+旋耕和旋耕兩種耕作方式下的結果表明，2008—2009生長季(小麥生育期降水量140.6 mm)補灌水量為116.6 mm，籽粒產量為9541.0 kg/hm2，水分利用率為20.0 kg·hm-2·mm-1;2009—2010生長季(小麥生育期降水量163.2 mm)補灌水量為111.3 mm，籽粒產量為9786.8 kg/hm2，水分利用率為21.0 kg·hm-2·mm-1。兩生長季各處理灌水量均低于150 mm，籽粒產量達7627.3—9786.8 kg/hm2，水分利用率達18.2—21.0 kg·hm-2·mm-1，說明測墑補灌在不同耕作方式下能夠實現節水高產的目標。

土壤深層貯水具有較高的生物有效性，提高深層土壤水分的利用程度可顯著提高水分利用率和灌溉效率［6］。少免耕能夠提高小麥生長發育時期的土壤含水量［9，24］，但多年實施少免耕，造成土壤壓實程度加重，影響作物根系發育［25］。深松耕作對雨水的保蓄能力較強，能夠提高土壤根系活力，并促進根系對土壤水分的利用［26］。有研究認為，在華北平原，灌溉可以促進光合產物向小麥根系的分配，誘導根系發育和深扎，成熟期最大根深可達2 m，有利于對土壤水分的高效利用［27］。Liu等［28］研究亦表明，充足的底墑能夠促進小麥根系對土壤水分的吸收，降低收獲時土壤含水量，提高土壤水分利用率。本試驗中，深松+旋耕方式下的W3和W'3處理成熟期40—180 cm土層的土壤含水量低于旋耕方式下的相應處理，這說明該處理開花至成熟期對土壤水的消耗量高。開花至成熟期是小麥耗水最多的時期，此時期小麥對土壤貯水的消耗量高，有利于獲得高的水分利用率［29］。

不同耕作栽培措施通過改善耕層土壤水分條件，提高小麥干物質積累能力。小麥連年采用旋耕整地會導致土壤耕層變淺、保肥保墑能力下降，不利于小麥的生長發育［30］，深松耕作下小麥開花后的綠葉面積和旗葉瞬間水分利用率較高，提高了作物群體和旗葉的光合生產能力，增加了后期的干物質積累量，有利于獲得高的籽粒產量［31-32］。灌水亦提高了小麥旗葉光合速率和干物質積累量［33］，而在某些生育時期水分適度虧缺，有利于同化物向籽粒轉運，提高收獲指數［34-35］。有研究指出［36］，隨著灌水量和灌水次數增加，開花前干物質向籽粒的轉運率、轉運量和對籽粒產量的貢獻率均降低。本試驗研究結果表明，深松有利于提高開花后干物質積累量和光合產物向籽粒的分配，使深松+旋耕處理開花后干物質積累量對籽粒的貢獻率高于旋耕處理。對小麥播種期、越冬期、拔節期和開花期的0—140 cm土層土壤相對含水量進行調節，按照設計相對含水量進行測墑補灌，隨著補灌水量增加，拔節至成熟期的干物質積累量增加。與其他處理相比較，深松+旋耕條件下的W3和W'3處理在各主要生育時期土壤含水量適宜，提高了開花后同化物的生產能力和向籽粒中的分配比例，有利于增加粒重，這是該處理獲得高產的生理基礎。

本試驗中，在1a深松基礎上連續3a旋耕下，播種期、越冬期、拔節期和開花期0—140cm土層平均土壤相對含水量，在2008—2009生長季分別為85%、80%、75%和75%，2009—2010生長季為85%、85%、75%和75%，灌溉水用量較低，籽粒產量和水分利用率高，是節水高產的最優處理。

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