陳素英,牛君仿,張喜英,邵立威,姚振剛,李建波

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室石家莊 050022; 2.石家莊市藁城區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 藁城 052160)

秸稈覆蓋具有減少土壤蒸發(fā)、提高土壤蓄水量、作物產(chǎn)量和水分、養(yǎng)分利用效率等效應(yīng),已經(jīng)在干旱半干旱區(qū)域廣泛推廣應(yīng)用。然而,華北平原秸稈覆蓋出現(xiàn)冬小麥()產(chǎn)量降低的負(fù)效應(yīng),減產(chǎn)主要歸因于覆蓋延緩了早春土壤溫度的升高。由于秸稈覆蓋對土壤溫度和土壤水分影響是偶聯(lián)的,覆蓋抑制了土壤水分蒸發(fā)和土壤水分的散失,減少了因土壤水分散失引起的土壤熱量損失,從而影響了土壤溫度的變化。張俊鵬等在河南的研究表明,秸稈覆蓋對土壤溫度的影響具有“抑高揚低”的特點,氣溫高時,秸稈覆蓋層能大量吸收短波輻射,使一部分熱量儲存于秸稈內(nèi),起到降低土壤溫度的作用; 當(dāng)氣溫較低時,即長波輻射大于短波輻射時,又因秸稈阻隔而起到保溫作用。閆宗正等在河北的研究表明,冬季秸稈覆蓋處理具有增溫效應(yīng),日均溫平均比不覆蓋的對照提高0.56 ℃,返青后具有降溫作用,主要是降低了白天的土壤溫度。李全起等在山東的試驗表明,在大氣溫度較低的越冬期,覆蓋處理的土壤溫度高于不覆蓋處理,返青期隨著氣溫的升高,土壤溫度表現(xiàn)明顯的滯后效應(yīng),秸稈覆蓋處理土壤熱通量低于不覆蓋處理,土壤溫度上升幅度明顯低于不覆蓋處理。

土壤溫度(根區(qū)溫度)是影響作物生理過程的重要因素之一,作物對根區(qū)溫度的變化更敏感,根區(qū)溫度的變化一方面直接影響水分和養(yǎng)分進(jìn)入根系的運輸速度,同時還能被根系感知,經(jīng)由植物激素等信息物質(zhì)向上傳導(dǎo),間接影響地上部的生理生化過程,進(jìn)而影響農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀。分蘗與小麥產(chǎn)量直接相關(guān),顯著影響小麥群體的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量,植物內(nèi)源激素在分蘗發(fā)生與衰亡過程中起著關(guān)鍵作用,生長素(IAA)通過頂端優(yōu)勢抑制分蘗發(fā)生,細(xì)胞分裂素能解除IAA 引起的頂端優(yōu)勢,通過促進(jìn)分蘗芽生長,使單株分蘗數(shù)增加,玉米素核苷(ZR)和玉米素的含量對冬小麥分蘗的發(fā)生起著關(guān)鍵作用,根區(qū)溫度的變化對分蘗的影響是通過改變植物體內(nèi)的激素含量及其平衡進(jìn)而引發(fā)生理上的效應(yīng)來實現(xiàn)。

秸稈覆蓋后還田是作物秸稈在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最直接有效的利用方式,關(guān)于秸稈覆蓋的研究已經(jīng)有很多,主要集中在秸稈覆蓋對土壤溫度、土壤水分和產(chǎn)量等方面。對于秸稈覆蓋對冬小麥產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)及其機理研究較少。本研究針對秸稈覆蓋的減產(chǎn)效應(yīng),研究不同秸稈覆蓋處理對土壤溫度和小麥內(nèi)源激素含量、地上部生長和干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響,揭示秸稈覆蓋冬小麥減產(chǎn)機理,為冬小麥田秸稈覆蓋技術(shù)的實施提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年10月-2020年6月在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(37°50′N,114°40′E,海拔50.1 m)進(jìn)行,該站位于華北平原的河北太行山前平原,主要作物為冬小麥-夏玉米()一年兩熟種植。屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候,年均降雨量為480 mm,冬小麥季降雨80～130 mm,需水量460 mm,降雨無法滿足生育需求,因此需要灌溉維持冬小麥的生長。土壤為褐土類灰黃土種,0～2 m 土層平均田間持水量36%(/),耕層土壤有機質(zhì)16 g·kg,速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為90.5 mg·kg、108 mg·kg和12.0 mg·kg。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)秸稈覆蓋量,設(shè)4 處理: 對照(CK,無秸稈覆蓋)、低覆蓋量(LM,秸稈覆蓋量為2450 kg·hm)、中覆蓋量(MM,秸稈覆蓋量為3675 kg·hm)和高覆蓋量(HM,秸稈覆蓋量為7350 kg·hm)。覆蓋秸稈采用上茬夏玉米秸稈,3 個處理的覆蓋量分別相當(dāng)于上茬玉米秸稈產(chǎn)量的1/3、1/2 和全量。小區(qū)面積為5 m×7 m,每個處理4 次重復(fù),隨機排列。小麥播種時間為2019年10月14日,秸稈覆蓋時間為2019年10月16日,各處理的基本苗基本相同,平均為618.2莖·m。種植小麥品種為‘科農(nóng)1006’,播種量187.5 kg·hm。所有處理在拔節(jié)期和灌漿初期灌水,采用低壓管道+小白龍灌溉的畦灌方式灌溉,水表計量灌溉水量,每次灌水量75 mm。其他田間管理措施所有處理都相同。

1.3 參數(shù)觀測及計算方法

采用銅鎳熱電偶溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器(CR1000,Campbell Scientific,USA)自動采集,溫度傳感器埋深分別為5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm。測定開始時間為2019年11月10日至小麥成熟。采集頻率為30 min 1 次,日均溫為24 h 內(nèi)的平均溫度。

植被指數(shù)(NDVI,normalized difference vegetation index)和比值植被指數(shù)(RVI,ratio vegetation index): 從冬小麥返青期至成熟期用Rapidscan CS-45(Holland scientific,Lincoln,NE,USA)測定,每6～8 d測定一次,每次測定時間段固定在11:00-14: 00,每個小區(qū)在不同方位測定8 次,取平均值。儀器可以同時測量670 nm、760 nm 和780 nm 3 個波段的反射率,通過公式計算植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)。

式中: NIR 為近紅外反射率(780 mm 波長),Red 是測定的670 mm 波長的反射率。

植株蘗莖數(shù)和地上部生物量: 冬小麥出苗后,每個小區(qū)選擇長勢均勻地方定點,每個點為1 m 雙行小麥(0.3 m),出苗后和分蘗前測定基本苗,并在返青期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測定蘗莖數(shù)。生物量則在冬小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期,每個小區(qū)非定點區(qū)域內(nèi)隨機選取60～80 莖,從地表處剪取地上部分,105 ℃殺青,80 ℃烘干至恒重,測定生物量,根據(jù)密度數(shù)據(jù),計算單位面積生物量(g·cm)。

根系性狀: 在冬小麥返青期、拔節(jié)期和成熟期用直徑10 cm 的根鉆,在小麥行上取樣,10 cm 為一層,共取6 層。每個小區(qū)設(shè)1 個取樣點。取樣后用0.25 mm 土壤篩沖洗得到根系,去除雜質(zhì),然后用1.27 cm 刻度根盤測量根長,計算總根長,單位為cm。

內(nèi)源激素的采樣和測定: 于冬小麥越冬期、返青期和拔節(jié)期取樣,每個小區(qū)內(nèi)隨機取10 株,將莖、葉鮮樣分別剪成0.5 cm 長的小段,按照1 g 分裝,3次重復(fù),用液氮將鮮樣速凍,置-80 ℃冰箱中貯存。每次采樣時間為8:00-10:00。采用酶聯(lián)免疫吸附(ELISA)法測定內(nèi)源激素IAA(生長素)、ZR(玉米素核苷)含量,單位為ng·g(FW)。

拔節(jié)期莖傷流液收集和離子含量的測定: 在潔凈的10 mL 塑料離心試管中加入少量脫脂棉,放于管口位置,懸于管中,管口用保鮮膜包裹,再用皮筋扎緊,準(zhǔn)確稱量重量(精確至0.01 g)。每個小區(qū)選擇4 個均勻的小麥主莖,用刀片在植株距離地面2～3 cm處切斷,用濾紙吸附斷面汁液后,在保鮮膜上劃一小孔,孔徑大小和莖粗接近,套上小試管,切口與脫脂棉緊密接觸,收集莖傷流液。收集時間為天氣晴朗的19:00-次日7:00。用20～50 倍用蒸餾水洗脫脂棉稀釋,測定溶液中Na、K、Mg、Ca、Cl、SO和NO含量。

光合參數(shù)測定: 用Li-6400 便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR Inc.,Lingoln,NE,USA)在冬小麥花后16 d(灌漿期)測定旗葉的光合指標(biāo),包括凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度。在晴朗無風(fēng)的天氣,于上午9:00-11:00 測定,每個小區(qū)選取至少4 片旗葉測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用完全隨機設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)計分析,各處理數(shù)據(jù)取多次重復(fù)測定的平均值,并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差;使用SPSS 11.0 軟件分析方差和不同處理間顯著性差異,處理之間顯著性分析均在＜0.05 水平。Excel做圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈覆蓋對土壤溫度的影響

圖1 為冬小麥苗期至越冬期秸稈覆蓋對土壤溫度的影響。根據(jù)田間觀察和小麥生長發(fā)育的氣象指標(biāo)界定冬小麥播種后62 d 進(jìn)入越冬期,134 d 后進(jìn)入返青期。整個冬季秸稈覆蓋具有增溫效應(yīng),CK、LM、MM 和HM 處理5 cm日均溫均值分別為-1.22 ℃、-0.91 ℃、-0.58 ℃和-0.52 ℃; 10 cm 地溫分別為-0.64 ℃、-0.42 ℃、-0.10 ℃和0.01 ℃; 20 cm 地溫分別為-0.20 ℃、0.31 ℃、0.80 ℃和0.83 ℃; 40 cm地溫分別為1.09 ℃、1.75 ℃、2.11 ℃和2.09 ℃。相同土壤深度下,隨著覆蓋量的增加,0～40 cm 土壤溫度呈增加趨勢。圖2 為越冬期不同秸稈覆蓋量土壤溫度與CK 土壤溫度的差,5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤溫度差均為正值,表明越冬期秸稈覆蓋具有提高土壤溫度的作用,尤其是高覆蓋量(HM)和中覆蓋量(MM)處理與CK 的土壤溫度差較大,低覆蓋量(LM)與CK 土壤溫度差較小,覆蓋量小的處理對土壤溫度的影響較小。5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 3 個覆蓋處理比CK 分別平均提高0.55 ℃、0.47 ℃、0.84 ℃和0.89 ℃。

圖1 小麥出苗—返青前不同秸稈覆蓋量下5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤日均溫度變化Fig.1 Average daily soil temperatures at 5 cm,10 cm,20 cm and 40 cm depth under different mulching amounts of straws from emergency to the beginning of recovery stage of winter wheat

圖2 冬小麥越冬期不同秸稈覆蓋量下5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤均溫與對照溫度的差值Fig.2 Differences of average soil temperature at 5 cm,10 cm,20 cm and 40 cm depths between straw mulching treatments and CK during the overwintering period of winter wheat

秸稈覆蓋冬小麥田春季具有降低土壤溫度的效應(yīng)(圖3)。返青期覆蓋處理不同深度的土壤溫度均低于不覆蓋處理,返青1 周后(播種后148 d),CK、LM、MM 和HM 處理5 cm 土壤溫度分別為6.21 ℃、6.1 ℃、6.0 ℃和6.0 ℃,10 cm 土壤溫度分別為6.07 ℃、6.06 ℃、5.87 ℃和5.55 ℃,20 cm 土壤溫度分別為5.51 ℃、5.44 ℃、5.28 ℃和5.26 ℃,40 cm 土壤溫度分別為5.02 ℃、5.42 ℃、5.39 ℃和5.37 ℃。相同土壤深度下,土壤溫度隨秸稈還田量的增加而降低。小麥播種后163 d 進(jìn)入拔節(jié)期,拔節(jié)期1 周后(播種后170 d) CK、LM、MM 和HM 處理5 cm 土壤溫度分別為14.95 ℃、14.68 ℃、14.79 ℃和14.68 ℃,10 cm土壤溫度分別為14.59 ℃、14.31 ℃、14.62 ℃和14.4 ℃,20 cm 土壤溫度分別為13.98 ℃、14.00 ℃、13.62 ℃和13.62 ℃,40 cm 土壤溫度分別為12.70 ℃、12.60 ℃、12.72 ℃和12.72 ℃,拔節(jié)期土壤溫度覆蓋處理與CK 間差異減小,秸稈覆蓋對土壤溫度的降低效應(yīng)隨著冠層覆蓋度的增加而逐漸降低。圖4 為小麥返青期5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤溫度不同覆蓋處理與CK 的差,與越冬期(圖2)不同,返青期覆蓋處理與CK 的溫度差均為負(fù)值,表明返青期秸稈覆蓋降低了土壤溫度,并且隨著覆蓋量的增加,秸稈覆蓋的降溫效應(yīng)越大。5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm覆蓋處理比CK日均溫分別降低-0.27 ℃、-0.20 ℃、-0.16 ℃和-0.16 ℃。

圖3 不同覆蓋處理下冬小麥返青前—成熟期5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤日均溫度的變化Fig.3 Average daily soil temperature at 5 cm,10 cm,20 cm and 40 cm depths under different treatments from the beginning of recovery stage to mature stage of winter wheat

圖4 冬小麥返青期不同秸稈覆蓋量下5 cm、10 cm、20 cm 和40 cm 土壤均溫與對照溫度的差值Fig.4 Differences of average soil temperature at 5 cm,10 cm,20 cm and 40 cm depths between straw mulching treatments and control during the recovery stage of winter wheat

2.2 秸稈覆蓋對冬小麥生理性狀的影響

不同秸稈量覆蓋對冬小麥不同生育期內(nèi)源激素的影響如表1所示。植物生長素(IAA)在冬小麥莖和葉中的含量隨著生育期和不同覆蓋量的不同而變化。冬小麥莖IAA 含量隨生育期的變化基本呈倒拋物線型,越冬前較低,返青期和拔節(jié)期較高,灌漿期降低。葉IAA 含量隨著生育期的變化不明顯。不同覆蓋處理下冬小麥越冬前和返青期的莖IAA 含量變化趨勢相同,CK 最低,覆蓋處理較高,隨著覆蓋量的增大而增大,各處理間差異顯著(＜0.05),尤其是返青期LM、MM 和HM 處理的IAA 含量分別比對照高73.7%、151.7%和169.9%。拔節(jié)期和灌漿期變化趨勢,莖的IAA 含量以CK 最大,隨著覆蓋量的增大先減小后增大。葉片中的IAA 含量在越冬前、拔節(jié)期和灌漿期各處理間差異顯著(＜0.05),越冬前表現(xiàn)為LM＞MM＞MM＞CK,拔節(jié)期為CK＞LM＞MM＞HM,灌漿期為MM＞CK＞LM＞HM; 返青期LM 和MM 間差異不顯著,且為CK＞HM＞MM、LM。

表1 不同覆蓋處理對冬小麥內(nèi)源激素含量的影響Table 1 Effects of different straw mulching treatments on endogenous hormone contents of winter wheat

玉米素核苷(zeatin riboside,ZR)是細(xì)胞分裂素之一,主要在根內(nèi)合成,冬小麥莖中ZR 含量隨生育期變化不大,越冬前ZR 含量CK 處理顯著高于秸稈覆蓋處理(＜0.05),LM 處理最低,MM 和HM 差異不顯著。返青期、拔節(jié)期和灌漿期莖ZR 含量處理間達(dá)到顯著差異(＜0.05),隨著覆蓋量的變化規(guī)律不明顯。冬小麥越冬前、返青期、拔節(jié)期和灌漿期葉片中的ZR 含量變化趨勢基本上隨著覆蓋量的增大而增大,處理間差異顯著(＜0.05)。

IAA/ZR 值結(jié)果表明,越冬前CK 的莖IAA/ZR 值最低,隨著覆蓋量的增加比值增加,處理間差異顯著(＜0.05),返青期與越冬前的趨勢基本一致; 拔節(jié)期莖IAA/ZR 值為LM＞HM＞CK＞MM,CK 與HM 間差異不顯著,與LM 和MM 間差異顯著(＜0.05); 灌漿期CK 最高,隨著覆蓋量的增加比值降低,各處理間差異顯著(＜0.05)。葉片IAA/ZR 值越冬前、返青期、拔節(jié)期和灌漿期的變化趨勢基本一致,CK 最高,隨著覆蓋量的增加,IAA/ZR 值降低,處理間差異顯著(＜0.05)。

傷流液中的養(yǎng)分主要是根系吸收和轉(zhuǎn)化的結(jié)果,傷流液的數(shù)量和其中的成分代表根系生理活動的強弱。圖5 為不同覆蓋處理對拔節(jié)期冬小麥莖傷流液中離子濃度的影響,可以看出,拔節(jié)期覆蓋處理的各離子含量高于對照,隨著覆蓋量的增加,莖傷流液中各離子含量減少,但各處理間差異不顯著。表明拔節(jié)期覆蓋量少的處理隨降溫效應(yīng)的減小根系吸收功能開始增強,覆蓋量大的處理降溫效應(yīng)仍然存在。

圖5 不同覆蓋處理對冬小麥拔節(jié)期莖傷流液離子濃度的影響Fig.5 Ions contents in stem saps of winter wheat at jointing stage under different mulching treatments

灌漿期秸稈覆蓋處理的冬小麥旗葉凈光合速率高于不覆蓋處理(表2)。與CK 相比,秸稈覆蓋處理(LM、MM 和HM)旗葉的凈光合速率分別提高14.5%、13.1%和29.9%(＜0.05),HM 處理的凈光合速率最大,顯著高于LM 和MM(＜0.05),LM 和MM間差異不顯著。HM 的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率都最大,與其他3 個處理間差異顯著,不同覆蓋處理胞間CO濃度顯著低于CK(＜0.05)。秸稈覆蓋下冬小麥生長發(fā)育延遲,這也是灌漿期秸稈覆蓋下的葉片光合能力高于不覆蓋處理的原因。

表2 不同覆蓋處理對冬小麥灌漿期旗葉光合速率的影響Table 2 Effects of different straw mulching treatments on photosynthetic rate of flag leaves of winter wheat at grain filling stage

2.3 秸稈覆蓋對冬小麥農(nóng)藝性狀的影響

植被指數(shù)是反映植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳因子,其值為0～1,數(shù)字越大代表植被的覆蓋面積越大,植被的量越多。RVI 是綠色植物的靈敏指示參數(shù),與葉干生物量、葉綠素含量相關(guān)性高,也能較好地反映植被覆蓋度和生長狀況的差異。不同覆蓋處理對冬小麥返青期后至成熟期的NDVI 和RVI 產(chǎn)生了顯著影響(圖6)?？梢钥闯鯪DVI 和RVI 變化趨勢基本相同,均呈現(xiàn)單拋物線形。返青期NDVI和RVI 相對較低,隨著生育期的進(jìn)展,NDVI 和RVI逐漸增加,抽穗期達(dá)最大值。隨著小麥灌漿期和成熟期葉子的衰老,NDVI 逐漸降低,并在成熟期下降到最低。

圖6 冬小麥返青期至成熟期植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)的變化Fig.6 Changes of winter wheat NDVI and RVI from turning green to maturity under different straw mulching treatments

返青期CK 處理的NDVI 和RVI 最高,隨著秸稈覆蓋量的增加,NDVI 和RVI 顯著降低。CK 與LM和HM 間差異顯著(＜0.05)。LM 和MM 處理之間差異不顯著,處理間的差異持續(xù)到抽穗期。隨著抽穗期冬小麥冠層的增加,CK 和不同覆蓋處理之間的NDVI 和RVI 差異減小,各處理間差異不顯著。從抽穗期之后,CK 處理的NDVI 和RVI 迅速降低,低于3 個覆蓋處理。

由圖7A 可以看出,冬小麥出苗后的基本苗CK和覆蓋處理幾乎相同,返青期秸稈覆蓋處理的莖蘗數(shù)低于CK,且隨著覆蓋量的增加莖蘗數(shù)降低,LM、MM 和HM 分別比CK 低1.3%、4.4%和7.4%,處理間差異不顯著。拔節(jié)期覆蓋處理的莖蘗數(shù)迅速增加,與CK 莖蘗數(shù)接近,拔節(jié)后覆蓋處理部分莖蘗沒有成穗,造成抽穗后覆蓋處理的莖蘗數(shù)低于CK,但處理間差異不顯著。

不同覆蓋處理對冬小麥不同生育期地上部生物量的影響如圖7B 所示。冬小麥地上部干物質(zhì)返青期最小,隨著生育期推進(jìn)逐漸增大,成熟期達(dá)最大值。小麥返青期冬小麥干物質(zhì)積累量以CK 最大,覆蓋處理生物量減小,低量和中量覆蓋處理與CK 之間差異顯著(＜0.05)。拔節(jié)-成熟期各處理之間差異不顯著。

圖7 不同秸稈覆蓋處理對冬小麥莖蘗數(shù)(A)和地上部干重(B)的影響Fig.7 Stem density(A) and aboveground dry weight(B) changes of winter wheat under different straw mulching treatments

秸稈覆蓋處理推遲了春季小麥生育期。據(jù)田間觀測試驗,CK 與3 個覆蓋處理進(jìn)入拔節(jié)期的時間分別為4月2日和4月4日,抽穗期的時間分別為4月26日和4月28日,開花期時間分別為5月4日和5月6日。不同秸稈覆蓋量對小麥生育期的影響不大,春季小麥拔節(jié)期至開花期覆蓋處理比CK 處理生育期均推遲2 d,這與Wang 等的報道結(jié)果一致。

總根長是單位土壤面積的總根長,表征植物根系總量的大小。從圖8 可以看出,冬小麥返青期和拔節(jié)期0～60 cm 土層總根長的變化趨勢相同,不覆蓋處理(CK)最大,覆蓋處理較小,并且隨著覆蓋量的增大而減小,處理間差異不顯著(＜0.05)。成熟期CK 的總根長最小,覆蓋處理的較大,處理間差異不顯著(＜0.05)。表明返青期秸稈覆蓋的降溫效應(yīng)對地下根系影響至拔節(jié)期,返青期、拔節(jié)期和成熟期各處理的根長差異不顯著。

圖8 不同秸稈覆蓋處理對冬小麥0～60 cm 土層總根長的影響Fig.8 Total root length in 0-60 cm soil layer of winter wheat under different straw mulching treatments

由表3可知,各覆蓋處理冬小麥的產(chǎn)量均低于CK,LM、MM 和HM 處理分別降低2.2%、2.9%和3.7%,但差異不顯著。有效穗數(shù)與產(chǎn)量變化趨勢基本相同,CK 最高,覆蓋處理較低,并且隨著覆蓋量的增加呈遞減趨勢。覆蓋處理對穗粒數(shù)和千粒重的影響較小。CK 和LM 處理的收獲指數(shù)顯著高于MM和HM 處理(＜0.05),MM 和HM、CK 和LM 處理間差異不顯著。

表3 不同秸稈覆蓋處理對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及收獲指數(shù)的影響Table 3 Grain yield,yield components and harvest index of winter wheat under different straw mulching treatments

3 討論

本研究表明,秸稈覆蓋對冬小麥田根區(qū)溫度具有調(diào)節(jié)作用,在溫度較低的冬季,秸稈覆蓋具有增溫的效應(yīng),在溫度回升的春季(返青期),秸稈覆蓋具有降溫的效應(yīng)。這與同類型地區(qū)的其他研究結(jié)果一致。由于冬小麥越冬期氣溫和地溫均處于0 ℃以下,小麥的生長發(fā)育基本停止,可以認(rèn)為冬季秸稈覆蓋的增溫效應(yīng)對冬小麥的生長發(fā)育無效。返青后冬小麥進(jìn)入快速生長,秸稈覆蓋對根區(qū)溫度降低,會直接影響作物體內(nèi)內(nèi)源激素含量的變化,并引起植物生長和養(yǎng)分吸收的明顯變化,進(jìn)而影響產(chǎn)量。

根區(qū)土壤溫度作為植物生長的重要影響因子,對植物的生長起到至關(guān)重要的作用。根區(qū)溫度每變化1 ℃就能引起植物生長和養(yǎng)分吸收的明顯變化。當(dāng)植物遭受低溫逆境時還可以通過調(diào)節(jié)自身的有機物和內(nèi)源激素含量來抵御逆境。根區(qū)溫度的改變會直接導(dǎo)致植物體內(nèi)內(nèi)源激素含量變化,進(jìn)而影響小麥的分蘗,如植物生長素(IAA)通過頂端優(yōu)勢抑制分蘗發(fā)生,IAA 通常在低濃度下具有促進(jìn)植物生長發(fā)育的作用,在高濃度下具有抑制生長發(fā)育的作用。返青期覆蓋處理降低了土壤溫度,致使小麥莖IAA含量遠(yuǎn)高于CK,覆蓋處理在小麥分蘗-返青期較高的IAA 濃度抑制了小麥的生長發(fā)育。玉米素核苷(ZR)也是控制冬小麥分蘗的主要內(nèi)源激素,當(dāng)IAA/(ZR+)值低時(為玉米素),有利于分蘗發(fā)生,反之則不利于分蘗發(fā)生,較高的ZR+含量和分蘗增長具有一致性。本研究在沒有測定玉米素()的情況下,顯示(表1)返青期小麥莖的IAA/ZR 不覆蓋處理最低,覆蓋處理較高,并且隨著覆蓋量的增加而增加,說明覆蓋處理影響了小麥返青期分蘗的生長。Li 等研究表明覆蓋后春季較低土壤溫度阻礙了作物根系生長,延遲了生育進(jìn)程,影響了分蘗期截獲的光合有效輻射。而分蘗影響小麥群體的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量,與小麥產(chǎn)量直接相關(guān),這一結(jié)果詮釋了秸稈覆蓋降低了冬小麥有效穗數(shù),導(dǎo)致減產(chǎn)的原因。

小麥拔節(jié)期隨著秸稈覆蓋對根區(qū)溫度影響的減弱,莖中IAA 含量覆蓋處理顯著降低,并且低于CK處理,覆蓋對冬小麥的生長發(fā)育影響減小,莖中的IAA/ZR 比值也迅速下降,與CK 間差異減小,覆蓋處理促進(jìn)了拔節(jié)期冬小麥的生長發(fā)育。拔節(jié)期莖中傷流液離子濃度(圖5)覆蓋處理均高于CK。覆蓋處理對冬小麥灌漿期莖中內(nèi)源激素(表1)和光合參數(shù)的影響(表2)也表明,覆蓋處理的生長發(fā)育比CK 強,結(jié)果與李全起等的結(jié)果一致。

由于覆蓋處理的返青期低溫效應(yīng)影響了冬小麥地上和地下生理過程,推遲了冬小麥的春季生育期,降低了群體截獲的光合有效輻射,表現(xiàn)在NDVI、RVI 和地上生物量顯著低于CK。覆蓋處理的降溫效應(yīng)在拔節(jié)期減弱,拔節(jié)期覆蓋處理內(nèi)源激素含量和莖傷流液離子濃度增強,但覆蓋處理的農(nóng)藝性狀如NDVI、RVI、莖蘗數(shù)和地上部生物量仍低于CK,是由于返青期這些性狀基礎(chǔ)值較低,拔節(jié)期覆蓋處理的快速生長還沒有完全反映出來。Li 等研究也表明秸稈覆蓋降低了冬小麥的分蘗數(shù)及生育前期的葉面積指數(shù),但生育后期覆蓋處理的葉面積指數(shù)反而升高。

不同秸稈覆蓋量下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的結(jié)果表明,在華北平原灌溉條件下,秸稈覆蓋造成了冬小麥減產(chǎn),不同覆蓋量處理間產(chǎn)量差異不顯著,覆蓋處理降低了有效穗數(shù),對穗粒數(shù)和千粒重的影響較小,與同地區(qū)研究結(jié)果一致。針對秸稈覆蓋降低了有效穗數(shù)而減產(chǎn)的問題,Liu 等試圖通過精準(zhǔn)種植冬小麥提高冬小麥穗數(shù),但并未達(dá)到明顯的效果,仍因冬小麥的穗數(shù)和千粒重降低而減產(chǎn)。高延軍等研究了不同冬小麥品種對覆蓋的響應(yīng),在充分灌溉條件下,不同冬小麥品種在秸稈覆蓋條件下的產(chǎn)量高于CK,但增產(chǎn)效應(yīng)均不顯著。董文旭等試驗表明,秸稈覆蓋條件下免耕播種,冬小麥播種量比CK 提高46.2%,出苗率、收獲時穗數(shù)和產(chǎn)量均低于CK。閆宗正等研究表明,冬小麥三葉期覆蓋處理對有效穗數(shù)降低較少,隨著覆蓋量的增加,減產(chǎn)幅度增加。

4 結(jié)論

冬小麥秸稈覆蓋對返青期根區(qū)溫度的降低作用影響了莖中內(nèi)源激素含量,尤其是植物生長素(IAA)和玉米素核苷(ZR)含量,抑制了冬小麥返青期分蘗的發(fā)生,降低了有效穗數(shù),造成了減產(chǎn)。同時,返青期的低溫效應(yīng)也影響了農(nóng)藝性狀的表達(dá),導(dǎo)致根長、NDVI 和RVI、莖蘗數(shù)和地上部生物量均顯著降低。

在華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)灌溉條件下,冬小麥秸稈完全實現(xiàn)了機械化覆蓋夏玉米田,并且使夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率得到提高,而玉米秸稈覆蓋冬小麥造成的減產(chǎn)作用影響了該項技術(shù)的發(fā)展和推廣,建議冬小麥季減少秸稈覆蓋量或返青期進(jìn)行鋤劃或中耕破壞秸稈覆蓋層,促進(jìn)土壤溫度的提高,實現(xiàn)產(chǎn)量的提高。