前茬冬小麥栽培措施對后茬夏玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

張 震，鐘雯雯，王興亞，陳雨海，周勛波

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018)

前茬冬小麥栽培措施對后茬夏玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

張 震1,2，鐘雯雯2，王興亞2，陳雨海2，周勛波1

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018)

為了明確前茬冬小麥?zhǔn)┑头N植方式對后茬夏玉米光合特性及產(chǎn)量的影響，于2013-2015年華北平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)進(jìn)行裂區(qū)試驗(yàn)。冬小麥?zhǔn)┑?12.5 kg/hm2(N1)和225.0 kg/hm2(N2)為主處理，冬小麥等行距(U)改為夏玉米等行距(UR)，20+40溝播(F)改為壟作(BP)的種植方式為副處理。結(jié)果表明，與UR和N1相比，BP和N2提高夏玉米葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素含量指數(shù)(CCI)、凈光合速率(Pn)及干物質(zhì)重(DM)，且減緩LAI、CCI和Pn后期降低幅度。冬小麥季，與U相比，F(xiàn)種植方式增產(chǎn)3.1%、穗數(shù)提高6.9%、穗粒數(shù)提高2.4%。與N1相比，N2處理增產(chǎn)5.0%、穗數(shù)提高13.8%、穗粒數(shù)提高4.9%；夏玉米季，與UR比，夏玉米BP種植方式增產(chǎn)7.1%、穗粒數(shù)提高2.4%、收獲指數(shù)提高5.9%。與N1相比，N2處理增產(chǎn)13.0%、穗粒數(shù)提高9.2%、收獲指數(shù)提高11.9%。在華北冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，冬小麥季施氮225.0 kg/hm2的條件下，氮肥后效明顯，結(jié)合溝播冬小麥?zhǔn)斋@后在壟上直播夏玉米的種植方式是一種全程簡化、高效、豐產(chǎn)的栽培措施，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)有很高的實(shí)踐意義。

冬小麥-夏玉米輪作；氮肥后效；光合特性；葉綠素含量指數(shù)；產(chǎn)量

壟作作為一種栽培技術(shù)已經(jīng)被廣泛推廣，并在多方面上有了明顯改善。壟作栽培有利于擴(kuò)大土壤表面積，改善根際土壤的通氣性，有利于田間的通風(fēng)透光，改善玉米冠層的小氣候條件，更能有效地協(xié)調(diào)土、水、肥、氣、熱、光、溫等關(guān)系，并取得了明顯的增產(chǎn)效果[1-2]。李輝等[3-4]通過對小麥壟作栽培的生理效應(yīng)研究指出，壟作顯著提高土壤有機(jī)碳和微生物生物量碳，并擴(kuò)大土壤表面積，從而增加了光的截獲量，提高肥料利用率10%～15%，并從改善養(yǎng)分利用、土壤理化性狀和水分利用方面證明了壟作栽培優(yōu)越性[5-7]，光合性能對干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要作用，協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素間的關(guān)系，利于產(chǎn)量的提高[8-9]。因此，研究壟作栽培在光合作用及其他光合特性方面上的優(yōu)勢，對提高產(chǎn)量具有重要的生產(chǎn)意義。

冬小麥-夏玉米輪作是華北平原主要的輪作方式，然而越來越多的調(diào)查表明，該體系過量施氮不僅沒有大幅度增加作物產(chǎn)量，反而造成土壤硝態(tài)氮逐年累積和氮素?fù)p失，威脅環(huán)境安全[10]。研究表明，冬小麥季氮肥利用率僅有11%～23%，而夏玉米季氮肥殘效利用率卻高達(dá)30%～52%，故前茬作物殘留在土壤中氮素的作用不容忽視[11-12]。由此可見，前茬作物施入的氮肥會(huì)有部分殘留到土壤中，并被后茬作物吸收利用，但是與溝播冬小麥?zhǔn)斋@后壟上播種夏玉米的種植方式相結(jié)合鮮有報(bào)道。為此，本研究在華北平原采取溝播冬小麥?zhǔn)斋@后壟上播種夏玉米的種植方式，探討此種植方式和冬小麥氮肥后效對后茬夏玉米光合特性和產(chǎn)量的影響，構(gòu)建華北冬小麥-夏玉米輪作區(qū)合理施肥與種植方式一體化全程簡化高效均衡豐產(chǎn)增效的技術(shù)模式，最終在生產(chǎn)實(shí)踐中為農(nóng)業(yè)人員提供合理、省時(shí)、高效、豐產(chǎn)的理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)為2013-2015年2個(gè)冬小麥-夏玉米輪作試驗(yàn)周期，在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站(36°09′N，117°09′E)進(jìn)行。前茬作物冬小麥，后茬作物夏玉米，該地區(qū)為半濕潤暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏玉米生長季平均氣溫25.0 ℃，平均降雨量為450～500 mm，降雨量主要集中在7，8月(表1)。試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)18.9 g/kg，堿解氮123.2 mg/kg，速效磷40.6 mg/kg，速效鉀124.5 mg/kg；pH值6.9，容重為1.50 g/cm3，田間持水量為38.6%(V%)。

表1 夏玉米生長季節(jié)的月降雨量情況Tab. 1 Monthly rainfall in the 2014 and 2015 summer maize growth seasons mm

注：6月降雨量. 播種日至6月30日的降雨量。

Note：June rainfall . Rainfall was days from sowing to 30 June.

1.2 冬小麥-夏玉米試驗(yàn)設(shè)計(jì)

前茬冬小麥品種為濟(jì)麥22，30 cm等行距和20+40溝播(溝底寬20 cm，壟底寬40 cm，壟高10 cm，溝底2行小麥間距為20 cm)。試驗(yàn)小區(qū)面積為3 m × 3 m水分池(四壁為15 cm混凝土澆筑，墻壁內(nèi)側(cè)均為水泥，以防止水分側(cè)滲，深度為2 m)。施肥量為純氮112.5 kg/hm2(N1)，225.0 kg/hm2(N2)，氮肥為尿素218.2 g(N1),436.4 g(N2)，播前基肥與拔節(jié)期追肥各一半；P2O5為120 kg/hm2，K2O為105 kg/hm2(每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)施磷酸鈣771 g，硫酸鉀189 g，均作基肥一次性施入)。后茬為人工收獲冬小麥后免耕播種夏玉米，品種為鄭單958，種植密度為62 500株/hm2，小麥30 cm等行距改為玉米60 cm等行距(UR)，20+40溝播改為60 cm壟作(BP)，生育期內(nèi)雨養(yǎng)不施肥(圖1)。每個(gè)處理3次重復(fù)。

圖1 冬小麥-夏玉米種植方式圖Fig.1 Schematic diagram of winter wheat-summer maize

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 群體動(dòng)態(tài)測定 干物質(zhì)(DM)：在大口期(V12)、開花期(R0)、灌漿期(R2)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)取樣(每小區(qū)取2株)，干物質(zhì)采用烘干稱重法(105 ℃殺青30 min，置于80 ℃下烘干至恒重)；

葉面積(m2/株)=葉片最大長度×最大寬度×0.75；

葉面積指數(shù)(LAI)=單株葉面積×單位土地面積內(nèi)的株數(shù)/單位土地面積。

1.3.2 光合特性測定 光合速率(Pn)：選取受光方向和生長狀況一致的葉片，用LI-6400XT便攜式光合系統(tǒng)(LI-COR Inc.，Lincoln，USA)測定穗位葉凈光合速率(Pn)，選擇晴朗無云天氣，于09：00-11：00測定，測定時(shí)期同1.3.1。

葉綠素含量指數(shù)(CCI)：用葉綠素儀200(Opti-Sciences Inc.，Tyngsboro，USA)于09：00-11：00測定，測定時(shí)期同1.3.1。

1.3.3 考種與測產(chǎn) 冬小麥：成熟期取20株考種，測定穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等，每區(qū)取樣2 m2測產(chǎn)。夏玉米：成熟期取10株考種，測定穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量等，每區(qū)取樣2 m2測產(chǎn)。

1.4 氣象指標(biāo)監(jiān)測及試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

農(nóng)業(yè)氣象站(距試驗(yàn)點(diǎn)500 m)的ET106監(jiān)測作物生育期間自然降雨量和溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SAS 9.2軟件進(jìn)行分析，用SigmaPlot 10.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植方式和施氮對后茬夏玉米葉綠素含量指數(shù)的影響

由圖2可見，不同處理夏玉米CCI均在R0(2014)或R2(2015)最大，隨后下降。2014年，與UR相比，BP的CCI增加3.6%。從R0到R6，BP和UR的CCI降低幅度分別為38.8%和39.3%；2015年，BP和UR的CCI均值分別為40.8和39.0，BP的CCI較UR提高4.6%。從R2到R6，BP和UR的CCI降低幅度分別為28.4%和31.6%。BP和UR的CCI 2年均值分別為40.7和39.1，BP的CCI較UR提高4.1%，說明BP利于CCI的提高，減緩生育后期CCI降低幅度。

2014年，與N1相比，N2的CCI增加6.1%；2015年，N1和N2的CCI均值分別為37.4和42.4，N2的CCI明顯高于N1。N1和N2的CCI 2年平均值分別為38.0和41.7，N2的CCI明顯高于N1，說明前茬的殘余氮肥對夏玉米的CCI有明顯影響。

N1和N2分別為施氮112.5，225.0 kg/hm2，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)。圖3-5同。N1 (112.5 kg/ha) and N2 (225.0 kg/ha) were nitrogen content，data in figure was average ± standard error (n=3).The same as Fig.3-5.

2.2 種植方式和施氮對后茬夏玉米葉面積指數(shù)的影響

由圖3可見，夏玉米LAI有隨生育進(jìn)程先升高后降低的趨勢，R2最大，R6最小。不同種植方式的LAI在R2前差異較小，之后差異增大。BP和UR的LAI 2年平均值分別為3.53和3.32，BP的LAI較UR提高6.33%；從R2到R6，BP和UR的LAI降低幅度分別為45.3%和56.6%，說明BP明顯提高LAI，延緩生育后期降低幅度，有利于產(chǎn)量的提高。

N1和N2處理下的LAI 2年平均值分別為3.25和3.60，N2的LAI明顯高于N1；從R2到R6，N1和N2的LAI降低幅度分別為52.3%和49.0%，說明前茬較高施氮量提高夏玉米的LAI，延緩葉片衰老，延長葉片功能。種植方式和施氮互作對LAI有明顯影響。N1和N2處理下，種植方式間的LAI最大變異幅度分別為5.7%和6.9%，種植方式間的差異隨施氮量的增加而擴(kuò)大。N2處理下，BP和UR的LAI分別為3.72和3.48，BP的LAI明顯高于UR，因此，N2 × BP提高LAI，增大光合面積。

圖 3 種植方式和施氮對后茬夏玉米葉面積指數(shù)的影響

2.3 種植方式和施氮對后茬夏玉米光合速率的影響

由圖4可見，Pn有隨生育進(jìn)程逐漸降低的趨勢，V12-R6各個(gè)生育時(shí)期的2年均值分別為41.7，39.5，34.0，28.8，15.1 μmol/(m2·s)，Pn生育前期下降緩慢(V12-R2)，生育后期下降較快(R2-R6)。BP和UR的Pn 2年均值分別為34.7,33.0 μmol/(m2·s)，BP的Pn較UR提高5.2%。R2-R6，BP和UR的Pn降低幅度分別為54.9%和66.6%，說明BP明顯提高Pn，延緩其生育后期降低幅度，提高光合能力。

2年均值結(jié)果表明，Pn在各個(gè)生育時(shí)期均表現(xiàn)為N2 > N1，N1和N2的Pn 均值分別為32.5，35.20 μmol/(m2·s)，N2的Pn明顯高于N1，R2-R6，N1和N2的Pn降低幅度分別為66.0%和55.7%，說明N2處理維持較高Pn，利于產(chǎn)量提高。種植方式和施氮互作對Pn有明顯影響。N1和N2處理下，種植方式間最大變異幅度分別為2.5%和7.9%，種植方式間的差異隨施氮量的增加而擴(kuò)大。N2處理下，BP和UR的Pn分別為36.5和33.9，BP的Pn明顯高于UR，因此，N2 × BP利于Pn提高。

2.4 種植方式和施氮對后茬夏玉米干質(zhì)量的影響

由圖5可見，干質(zhì)量均有隨生育進(jìn)程逐漸升高的趨勢，R2后種植方式間差異明顯。V12-R2，種植方式間干質(zhì)量基本相同，R2-R6，BP的干質(zhì)量明顯高于UR，2年趨勢一致。與UR相比，BP的干質(zhì)量2年均值提高6.4%，說明BP明顯提高干質(zhì)量，R0后優(yōu)勢更明顯；與N1相比，N2的干質(zhì)量2年平均值提高7.8%。N2處理下，BP和UR的干質(zhì)量2年平均值分別為9 456，8 679 kg/hm2，BP的干質(zhì)量明顯高于UR。種植方式和施氮互作對干質(zhì)量無明顯影響，種植方式和施氮均獨(dú)立的具有提高干質(zhì)量的效應(yīng)。

圖4 種植方式和施氮對后茬夏玉米光合速率的影響

圖5 種植方式和施氮對后茬夏玉米干質(zhì)量的影響

2.5 種植方式和施氮對冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量的影響

如表2所示，與U相比，F(xiàn)提高冬小麥產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)，2年趨勢一致。F 2年平均增產(chǎn)3.1%、穗數(shù)提高6.9%、穗粒數(shù)提高2.4%(P<0.05)。種植方式對千粒質(zhì)量無顯著影響，與U相比，F(xiàn)的千粒質(zhì)量提高3.1%(P>0.05)。與N1相比，N2 2年平均增產(chǎn)5.0%、穗數(shù)提高13.8%、穗粒數(shù)提高4.9%(P<0.05)，千粒質(zhì)量基本相同(P>0.05)。

如表3所示，2年結(jié)果表明，與UR相比，BP增產(chǎn)7.1%、穗粒數(shù)提高2.4%、收獲指數(shù)提高5.9%(P<0.05)，種植方式對百粒質(zhì)量無顯著影響(P>0.05)。與N1相比，N2顯著增產(chǎn)13.0%、穗粒數(shù)提高9.2%、收獲指數(shù)提高11.9%(P<0.05)、百粒質(zhì)量提高1.5%(P>0.05)，表明前茬冬小麥?zhǔn)┑繉ο挠衩桩a(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成有明顯影響。N2×BP增加穗粒數(shù)，利于產(chǎn)量提高，形成較高收獲指數(shù)。

表2 種植方式和施氮對冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab. 2 Effects of planting patterns and nitrogen amount on yield and yield component of winter wheat

注：F和U分別表示溝播和等行距種植方式；PP.種植方式；同一列標(biāo)以不同小寫字母的數(shù)值表示 5%水平差異顯著。表3同。

Note：F.Furrow planting； U.Uniform row；PP.Planting pattern;Values followed by different small letters within a column are significantly different at 5% probability level. The same as Tab.3.

表3 種植方式和施氮對后茬夏玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab. 3 Effects of planting patterns and nitrogen amount on yield and yield component of summer maize

注：BP和UR分別表示壟作和平作種植方式。

Note：BP.Bed planting； UR.Uniform row.

3 討論與結(jié)論

壟作可以提高土壤耕層溫度，有利于土壤微生物生長，可加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，促進(jìn)速效養(yǎng)分的釋放和吸收[13]，改善夏玉米對土壤中養(yǎng)分的吸收和利用。本試驗(yàn)采用溝播冬小麥?zhǔn)斋@后在壟上播種夏玉米的方法，探討其對后茬夏玉米光合特性及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，夏玉米灌漿前平作與壟作保持了基本相同的LAI和Pn，壟作CCI明顯高于平作，說明壟作提高CCI，與前人研究一致，作物不同的空間分布影響資源競爭關(guān)系，壟作種植方式使夏玉米空間分布合理，獲得較高CCI，利于植株光合有效輻射的吸收[14-15]。灌漿后是夏玉米產(chǎn)量形成的重要階段，也是夏玉米生理功能漸衰階段。葉面積是植物截獲光能的物質(zhì)載體，玉米干物質(zhì)產(chǎn)量的90%以上是由光合作用生產(chǎn)的[16-17]。吐絲-乳熟期，葉片維持較長的功能期對產(chǎn)量起決定作用[18]；在灌漿-成熟期，與平作相比，壟作明顯增加CCI、LAI、Pn和干質(zhì)量，且CCI、LAI和Pn在該階段下降幅度緩慢，說明壟作形成合理空間結(jié)構(gòu)，延緩葉片生育后期的衰老，延長葉片功能，降低漏光損失，延長有效光合時(shí)間，提高光合能力，最終確保了較高的籽粒產(chǎn)量形成；延長葉片功能期，可促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累及向籽粒的轉(zhuǎn)移，有利于后期玉米籽粒充實(shí)，提高產(chǎn)量[19-20]。壟作后，光合特性提高，穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量和收獲指數(shù)均得到明顯改善，這與魏珊珊等[21]研究結(jié)果相一致，適宜的透光率、較高的葉面積指數(shù)、葉綠素含量和凈光合速率使玉米群體形成了高光效的冠層結(jié)構(gòu)，有利于玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮。

相關(guān)研究表明，在冬小麥-夏玉米輪作體系中，兩茬作物之間沒有間隔，氮肥殘效利用率會(huì)大大增加，研究氮肥殘效具有重要意義[22]。小麥?zhǔn)斋@后殘留在土壤中的氮有一部分能夠被下一茬作物所利用，且利用的比例與施肥量密切相關(guān)[23]。本研究表明，與N1相比，N2提高CCI、LAI、Pn和干質(zhì)量，且延緩CCI、LAI和Pn在灌漿-成熟期的下降幅度，冬小麥氮肥后效明顯，這與董嫻嫻等[24]研究結(jié)果相一致，氮肥具有一定的后效，氮肥的殘效隨施氮量的增加而增大。本試驗(yàn)結(jié)果表明，N2下，穗粒數(shù)、產(chǎn)量和收獲指數(shù)均得到明顯改善，這與氮肥促進(jìn)夏玉米光合性狀，改善葉面積指數(shù)，延長綠葉期，為后期干物質(zhì)積累提供了大而長的產(chǎn)出源有關(guān)[25]。

本試驗(yàn)研究表明，壟作種植方式和N2處理均明顯提高夏玉米葉面積指數(shù)、葉綠素含量指數(shù)、凈光合速率和干物質(zhì)積累量，且減緩葉面積指數(shù)、葉綠素含量指數(shù)、凈光合速率生育后期降低幅度，提高光合物質(zhì)的積累；溝播冬小麥?zhǔn)斋@后在壟上直播夏玉米的種植方式明顯提高冬小麥-夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成部分，冬小麥增產(chǎn)3.1%、夏玉米增產(chǎn)7.1%。N2處理明顯提高冬小麥-夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成部分，冬小麥增產(chǎn)5.0%、夏玉米增產(chǎn)13.0%，N2處理提高冬小麥產(chǎn)量且后效明顯，提高夏玉米產(chǎn)量。在華北冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，冬小麥季施氮225.0 kg/hm2的條件下，即可滿足冬小麥當(dāng)季氮肥需求，氮肥后效明顯，結(jié)合溝播冬小麥?zhǔn)斋@后在壟上直播夏玉米的種植方式是簡化、豐產(chǎn)、增效的栽培措施。

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Effect of Cultivation Measures of Previous Winter Wheat on Following Summer Maize Photosynthesis Characteristics and Yield

ZHANG Zhen1,2，ZHONG Wenwen2，WANG Xingya2，CHEN Yuhai2，ZHOU Xunbo1

(1.Agricultural College of Guangxi University，Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Crop Cultivation and Farming System, Nanning 530004，China；2.College of Agronomy，Shandong Agricultural University，Taian 271018,China)

The study is to explore effect of planting pattern and residual nitrogen applied to winter wheat on photosynthesis characteristics and yield of following summer maize. The experiment was conducted in the North Plain Region of winter wheat-summer maize rotation system in 2013-2015. Nitrogen applied at 112.5，225.0 kg/ha(N1，N2)in winter wheat，summer maize was seeded on ridge planting (BP) and uniform row (UR) after winter wheat was harvested in furrow planting (F) and uniform planting (U) without nitrogen. The results showed that compared with UR and N1，BP and N2 increased leaf area index (LAI)，chlorophyll content index (CCI)，photosynthetic rate (Pn) and dry matter accumulation of summer maize. BP delayed decrease of LAI，CCI and Pn during late growth stage. During growth seasons of winter wheat，compared with U，grain yield，ears and grains per ears in F planting pattern was increased by 3.1%，6.9% and 2.4%，respectively. Compared with N1，grain yield，ears and grains per ears in N2 increased by 5.0%，13.8% and 4.9%，respectively； During growth seasons of summer maize，compared with UR，grain yield，grains per ears and harvest index (HI) in BP planting pattern increased by 7.1%，2.4% and 5.9%，respectively. Compared with N1，grain yield，grains per ears and HI in N2 was increased by 13.0%，9.2% and 11.9%，respectively. Therefore，under the condition of 225.0 kg/ha nitrogen，the planting pattern，summer maize was seeded on ridge (BP) after winter wheat was harvested in F planting pattern，could be conducive to increase grain yield of both winter wheat and summer maize.

Winter wheat-summer maize rotation； Residual effect of nitrogen fertilizer； Photosynthesis characteristics； Chlorophyll content index； Grain yield

2017-04-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”計(jì)劃(2013AA102903-4)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GXNSFAA139049)；廣西大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(XBZ160072)

張 震(1990-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，在讀碩士，主要從事農(nóng)田生態(tài)與水肥資源高效利用研究。

周勛波(1972-)，男，黑龍江富錦人，副教授，博士，主要從事農(nóng)田水資源高效利用與農(nóng)田生態(tài)研究。

S512.01

A

1000-7091(2017)04-0155-07

10.7668/hbnxb.2017.04.025