种植方式和灌溉对冬小麦-夏玉米光能和水分利用率的影响

摘要

华北平原主要以冬小麦和夏玉米为农业生产作物，是国家三大产量区之一，不合理的施氮量和灌溉不但造成农业成本高消耗，还可能引起严重的环境污染和地下水匮乏。本文通过种植方式、施氮量和灌溉构建不同群体分布，探讨对作物的光信号、水信号、光能利用率、水分利用率和产量的影响，为当地氮肥用量和季节性干旱问题提出新对策，最终在生产实践中为农业人员合理灌溉和施氮肥提供理论基础。
　　本试验于2014、2015夏玉米生长季节和2015-2016冬小麦生长季节，在冬小麦和夏玉米生长区—山东农业大学农学实验站（36°09′N,117°09′E）进行。夏玉米试验为人工收获冬小麦后免耕播种夏玉米（郑单958），种植密度为62500株/hm2，小区面积为3 m×3 m。种植方式：前茬冬小麦30 cm等行距种植方式改为夏玉米50cm（P50）和60 cm（P60）行距，“20+40”沟播改为60 cm垄作（ L60）；前茬施氮量：纯氮112.5 kg/hm2（N1）和225 kg/hm2（N2），生育期间雨养不施肥。冬小麦试验以“济麦22号”为供试品种，密度为200×104株/hm2，小区面积为3 m×3 m。3种灌溉处理为主处理：在拔节期和抽穗期每次分别灌溉50 mm，总灌溉量为100 mm（W1）；在拔节期一次性灌溉100 mm（W2）；在拔节期和抽穗期每次分别灌溉100 mm，总灌溉量为200 mm（W3）。3种种植方式为副处理：30cm等行距平作（U），“20+40”c m沟播（F），20 cm平作双-双行（DD）。以上试验中每个处理均有3次重复。主要研究结果如下：
　　1夏玉米部分
　　1.1冠层光合有效辐射
　　N1、N2的PAR截获率分别为73.8和76.3％，N2的PAR截获率显著高于N1（P<0.05），N1的PAR反射率和透射率分别比N2高4%和8.9%。L60和P60的PAR截获率分别77.1和73.0%，有显著差异（P<0.05），P60 PAR反射率和透射率比L60高2.8%和14.9%。N2条件下，P60和P50的PAR截获率和反射率分别为74.3、74.1%和2.5、2.4%，P50的PAR透射率显著高于P60（P<0.05）。
　　1.2光合特性
　　与P60相比，L60整个生育期内维持较高的CCI、LAI和P n，且在R2-R4， L60和P60的 CCI和 LAI降低幅度分别为34.8%、36.6%和48.1%、48.7%。N2和垄作提高CCI和LAI，利于P n的增加，尤其生育后期，减缓CCI和 LAI降低幅度，延长叶片功能期。N2条件下，P60的CCI、LAI和Pn均高于P50。
　　1.3水分信号
　　N1、N2生育期内水势均值分别为-1.52和-1.58 MPa，有显著差异（P<0.05）。在R0、R3和R4，N1叶片水势显著高于N2（P<0.05）。L60的叶片相对含水量、叶片水势显著高于 P60（P<0.05），L60土壤含水量在0-40、0-120cm和土壤贮水量分别比P60提高3.6、2.0%和2.0%。
　　1.4光能利用率和水分利用率
　　L60光能利用率显著高于P60（P<0.05）， L60水分利用率较P60提高6.1%（P>0.05）。产量与水分利用率呈极显著正相关（P<0.01），与光能利用率无显著正相关（P>0.05），PAR截获率与光能利用率呈正相关。水分利用率与蒸散量无显著正相关（P>0.05）。表明垄作使夏玉米群体形成合理的郁闭冠层，提高光能利用率，减少夏玉米蒸散量，提高水分利用率，有利于较高产量的形成。
　　1.5产量及产量构成
　　N2较 N1提高9%（单株粒数）、5.5%（茎粗）、2.3%（穗粗）和7.1%（穗长）、11.9%（收获指数）、13%（产量）（P<0.05）。L60较 P60提高5.9%（单株粒数）、7.1%（产量）和5.4%（收获指数）（ P<0.05），3.2%（株高）、1.9%（茎粗）、4.7%（穗长）、1.7%（穗粗）和5.4%（行粒数）（P>0.05）。P60单株粒数、穗长和收获指数显著高于P50（P<0.05）。
　　2冬小麦部分
　　2.1群体发育动态
　　DD种植方式提高生育前期茎蘖数，生育后期降低幅度较大，F种植方式降低幅度较小，利于生育后期维持较高有效茎蘖数，利于提高产量。F种植方式维持较高的LAI，减缓生育后期 LAI降低幅度。冬小麦茎蘖数和 LAI均有随灌溉量的增加而增加，并减缓LAI降低幅度的趋势，相同灌溉量下，随灌溉次数的增加。
　　2.2冠层光合有效辐射
　　冠层光合有效辐射分布比例为截获率>透射率>反射率。F种植方式显著提高 PAR截获率和反射率，降低透射率。PAR截获率有随灌溉量的增加而增加，相同灌溉量下，随灌溉次数增加而增加的趋势，透射率趋势与之相反。0-40 cm层次的 PAR截获率高于>40 cm层次的PAR截获率。F种植方式显著提高0-40 cm和>40 cm的PAR截获率。增加灌溉量提高>40 cm层次的PAR截获率，降低0-40 cm层次的PAR截获率，0-40 cm和>40 cm层次的PAR截获率均随灌溉次数的增加而降低。
　　2.3光合生理指标的测定
　　F种植方式显著提高 CCI、Pn、Tr，减缓 CCI和 Pn生育后期的降低幅度。增加灌溉量显著提高植株的 CCI、Pn和 Tr，减缓生育后期 CCI和 Pn的降低幅度，相同灌溉量下，增加灌溉次数提高植株 CCI、Pn和 Tr，减缓生育后期 CCI和 Pn的降低幅度，延长叶片的绿叶功能期，利于产量的提高。
　　2.4农田小生境指标
　　DD种植方式显著降低地上5和50cm空气温度，提高空气相对湿度。F种植方式降低0、5、10、15cm土层的土壤温度。地上5、50cm和地下0-15cm温度均有随灌溉量的增加而降低，相同灌溉量下，随灌溉次数增加而降低的趋势，5和50cm空气相对湿度趋势与之相反。
　　2.5产量与光能利用率和水分利用率
　　F种植方式不仅能够显著提高各器官干物质积累，而且合理地调节各器官的分配比例，并提高光能利用率、水分利用率、产量构成及产量相关指标，无效小穗数降低。随灌溉量的增加，光能利用率、水分利用率、产量构成及产量相关指标，无效小穗数降低，相同灌溉量下，随灌溉次数的增加
　　华北平原主要以冬小麦和夏玉米为农业生产作物，是国家三大产量区之一，不合理的施氮量和灌溉不但造成农业成本高消耗，还可能引起严重的环境污染和地下水匮乏。本文通过种植方式、施氮量和灌溉构建不同群体分布，探讨对作物的光信号、水信号、光能利用率、水分利用率和产量的影响，为当地氮肥用量和季节性干旱问题提出新对策，最终在生产实践中为农业人员合理灌溉和施氮肥提供理论基础。
　　本试验于2014、2015夏玉米生长季节和2015-2016冬小麦生长季节，在冬小麦和夏玉米生长区—山东农业大学农学实验站（36°09′N,117°09′E）进行。夏玉米试验为人工收获冬小麦后免耕播种夏玉米（郑单958），种植密度为62500株/hm2，小区面积为3 m×3 m。种植方式：前茬冬小麦30 cm等行距种植方式改为夏玉米50cm（P50）和60 cm（P60）行距，“20+40”沟播改为60 cm垄作（ L60）；前茬施氮量：纯氮112.5 kg/hm2（N1）和225 kg/hm2（N2），生育期间雨养不施肥。冬小麦试验以“济麦22号”为供试品种，密度为200×104株/hm2，小区面积为3 m×3 m。3种灌溉处理为主处理：在拔节期和抽穗期每次分别灌溉50 mm，总灌溉量为100 mm（W1）；在拔节期一次性灌溉100 mm（W2）；在拔节期和抽穗期每次分别灌溉100 mm，总灌溉量为200 mm（W3）。3种种植方式为副处理：30cm等行距平作（U），“20+40”c m沟播（F），20 cm平作双-双行（DD）。以上试验中每个处理均有3次重复。主要研究结果如下：
　　1夏玉米部分
　　1.1冠层光合有效辐射
　　N1、N2的PAR截获率分别为73.8和76.3%，N2的PAR截获率显著高于N1（P<0.05），N1的PAR反射率和透射率分别比N2高4%和8.9%。L60和P60的PAR截获率分别77.1和73.0%，有显著差异（P<0.05），P60 PAR反射率和透射率比L60高2.8%和14.9%。N2条件下，P60和P50的PAR截获率和反射率分别为74.3、74.1%和2.5、2.4%，P50的PAR透射率显著高于P60（P<0.05）。
　　1.2光合特性
　　与P60相比，L60整个生育期内维持较高的CCI、LAI和P n，且在R2-R4， L60和P60的 CCI和 LAI降低幅度分别为34.8%、36.6%和48.1%、48.7%。N2和垄作提高CCI和LAI，利于P n的增加，尤其生育后期，减缓CCI和 LAI降低幅度，延长叶片功能期。N2条件下，P60的CCI、LAI和Pn均高于P50。
　　1.3水分信号
　　N1、N2生育期内水势均值分别为-1.52和-1.58 MPa，有显著差异（P<0.05）。在R0、R3和R4，N1叶片水势显著高于N2（P<0.05）。L60的叶片相对含水量、叶片水势显著高于 P60（P<0.05），L60土壤含水量在0-40、0-120cm和土壤贮水量分别比P60提高3.6、2.0%和2.0%。
　　1.4光能利用率和水分利用率
　　L60光能利用率显著高于P60（P<0.05）， L60水分利用率较P60提高6.1%（P>0.05）。产量与水分利用率呈极显著正相关（P<0.01），与光能利用率无显著正相关（P>0.05），PAR截获率与光能利用率呈正相关。水分利用率与蒸散量无显著正相关（P>0.05）。表明垄作使夏玉米群体形成合理的郁闭冠层，提高光能利用率，减少夏玉米蒸散量，提高水分利用率，有利于较高产量的形成。
　　1.5产量及产量构成
　　N2较 N1提高9%（单株粒数）、5.5%（茎粗）、2.3%（穗粗）和7.1%（穗长）、11.9%（收获指数）、13%（产量）（P<0.05）。L60较 P60提高5.9%（单株粒数）、7.1%（产量）和5.4%（收获指数）（ P<0.05），3.2%（株高）、1.9%（茎粗）、4.7%（穗长）、1.7%（穗粗）和5.4%（行粒数）（P>0.05）。P60单株粒数、穗长和收获指数显著高于P50（P<0.05）。
　　2冬小麦部分
　　2.1群体发育动态
　　DD种植方式提高生育前期茎蘖数，生育后期降低幅度较大，F种植方式降低幅度较小，利于生育后期维持较高有效茎蘖数，利于提高产量。F种植方式维持较高的LAI，减缓生育后期 LAI降低幅度。冬小麦茎蘖数和 LAI均有随灌溉量的增加而增加，并减缓LAI降低幅度的趋势，相同灌溉量下，随灌溉次数的增加。
　　2.2冠层光合有效辐射
　　冠层光合有效辐射分布比例为截获率>透射率>反射率。F种植方式显著提高 PAR截获率和反射率，降低透射率。PAR截获率有随灌溉量的增加而增加，相同灌溉量下，随灌溉次数增加而增加的趋势，透射率趋势与之相反。0-40 cm层次的 PAR截获率高于>40 cm层次的PAR截获率。F种植方式显著提高0-40 cm和>40 cm的PAR截获率。增加灌溉量提高>40 cm层次的PAR截获率，降低0-40 cm层次的PAR截获率，0-40 cm和>40 cm层次的PAR截获率均随灌溉次数的增加而降低。
　　2.3光合生理指标的测定
　　F种植方式显著提高 CCI、Pn、Tr，减缓 CCI和 Pn生育后期的降低幅度。增加灌溉量显著提高植株的 CCI、Pn和 Tr，减缓生育后期 CCI和 Pn的降低幅度，相同灌溉量下，增加灌溉次数提高植株 CCI、Pn和 Tr，减缓生育后期 CCI和 Pn的降低幅度，延长叶片的绿叶功能期，利于产量的提高。
　　2.4农田小生境指标
　　DD种植方式显著降低地上5和50cm空气温度，提高空气相对湿度。F种植方式降低0、5、10、15cm土层的土壤温度。地上5、50cm和地下0-15cm温度均有随灌溉量的增加而降低，相同灌溉量下，随灌溉次数增加而降低的趋势，5和50cm空气相对湿度趋势与之相反。
　　2.5产量与光能利用率和水分利用率
　　F种植方式不仅能够显著提高各器官干物质积累，而且合理地调节各器官的分配比例，并提高光能利用率、水分利用率、产量构成及产量相关指标，无效小穗数降低。随灌溉量的增加，光能利用率、水分利用率、产量构成及产量相关指标，无效小穗数降低，相同灌溉量下，随灌溉次数的增加。

目录

声明

符号说明

1前言

1. 1目的意义

1. 2国内外研究现状

1.2.1种植方式研究进展

1.2.2氮肥后效研究进展

1.2.3灌溉研究进展

2材料与方法

2. 1试验地概况

2. 2试验设计

2.2.1夏玉米试验设计

2.2.2冬小麦试验设计

2. 3测定项目与方法

2.3.1群体动态的测定

2.3.2冠层光合有效辐射（PAR）的测定

2.3.3光合生理指标的测定

2.3.4农田小生境指标

2.3.5土壤水指标

2.3.6叶片水指标

2.3.7干物质积累及产量测定

2.3.8产量水平水分利用效率和光能利用率

2.3.9气象指标监测及数据统计分析

3结果与分析

3. 1夏玉米部分

3.1.1光合特性

3.1.2冠层光合有效辐射

3.1.3水信号

3.1.4干物质积累量

3.1.5水分利用效率和光能利用效率

3.1.6产量构成

3.1.7不同指标与产量的相关分析

3. 2冬小麦部分

3.2.1冬小麦群体发育动态

3.2.2冬小麦冠层光合有效辐射

3.2.3冬小麦光合生理特性

3.2.4农田小生境

3.2.5冬小麦土壤水信号

3.2.6冬小麦叶片水信号

3.2.7产量构成

3.2.8产量水平水分利用效率和光能利用率

3.2.9冬小麦相关分析

4讨论

4. 1夏玉米部分

4.1.1夏玉米光合特性

4.1.2水分特征

4.1.3光能利用率与水分利用率

4.1.4产量与产量构成

4. 2冬小麦部分

4.2.1群体发育动态

4.2.2冠层光合有效辐射

4.2.3光合生理指标

4.2.4农田小生境指标

4.2.5冬小麦水信号

4.2.6产量与水分利用效率和光能利用率

5结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况