灌溉和雨养条件下高产小麦耗水特性和产量形成的生理基础

摘要

1、推迟拔节水及其灌水量对小麦耗水特性和产量形成的影响
　　 试验以高产小麦品种济麦22为材料，于2007～2008小麦生长季在山东泰安山东农业大学实验农场进行。小麦生育期间降水量，播种至冬前期为21.1mm，冬前至返青期为12.5mm，返青至拔节期为13.8mm，拔节至开花期为57.3mm，开花至成熟期为37.0mm。小麦生育期内补灌拔节水和开花水。拔节水设2个补灌时期，分别为拔节期和拔节后10d，每次补灌设3个目标相对含水量，即灌水后0～140cm土层土壤相对含水量分别达到65％、75％、80％；各处理开花期补灌的目标相对含水量均为70％。以W1(65％)、W2(75％)、W3(80％)表示拔节期灌水处理，DW1(65％)、DW2(75％)、DW3(80％)表示拔节后10d灌水处理，W0表示不灌水处理。研究推迟拔节水及其灌水量对小麦耗水特性和产量形成的影响。
　　 1.1.推迟拔节水及其灌水量对小麦耗水特性的影响
　　 同一补灌水平下，DW2和DW3处理拔节至拔节后10d日耗水量分别低于W2和W3处理，拔节后10d至开花阶段日耗水量分别高于W2和W3处理，表明拔节后10d补灌有利于满足小麦孕穗期对水分的需求。
　　 拔节后10d补灌条件下，DW2处理小麦拔节至开花阶段0-120cm土层土壤贮水消耗量低于DW1处理，高于DW3处理；拔节至开花阶段日耗水量、全生育期灌水量和耗水量高于DW1处理，低于DW3处理，表明在拔节水推迟10d灌溉的条件下，随拔节水补灌水平提高，小麦拔节至开花阶段0-120cm土层土壤贮水消耗量降低，全生育期灌水量和耗水量增加。
　　 1.2.推迟拔节水及其灌水量对小麦碳氮代谢的影响
　　 同一补灌水平下，DW2和DW3处理开花后各个时期旗叶光合速率、花后29d最大光化学效率和实际光化学效率、花后干物质积累量和氮素积累量分别高于W2和W3处理，营养器官贮藏干物质和氮素向籽粒的转运量分别低于W2和W3处理，表明拔节后10d补灌有利于提高开花后旗叶光合同化能力，增加开花后的干物质和氮素积累量。
　　 拔节后10d补灌条件下，DW2处理开花后28d旗叶光合速率显著高于DW1和DW3处理，花后干物质积累量高于DW1处理，与DW3处理无显著差异，花后氮素积累量高于DW3处理，表明DW2处理有利于提高小麦开花后干物质积累量和氮素积累量。
　　 1.3.推迟拔节水及其灌水量对小麦产量和品质及水分利用效率的影响
　　 同一补灌水平下，DW2和DW3处理穗数分别低于W2和W3处理，穗粒数、千粒重、籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益高于W2和W3处理，湿面筋含量、吸水率、面团形成时间和稳定时间与W2和W3处理无显著差异，表明拔节水由拔节期推迟至拔节后10d灌溉有利于提高籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益，对籽粒品质无显著影响。
　　 拔节后10d补灌水平为75％的DW2处理籽粒产量高于DW1处理，与DW3处理无显著差异，水分利用效率高于DW3处理，灌溉效益高于DW1和DW3处理，籽粒蛋白质含量和湿面筋含量亦较高，是本试验条件下的最优处理。
　　 2、耕作方式和灌溉时期对小麦耗水特性和产量形成的影响
　　 试验以高产小麦品种济麦22为材料，于2008～2009小麦生长季在山东兖州小孟镇史家王子村进行。小麦生育期间降水量，播种至冬前期为13.6mm，冬前至返青期为6.7mm，返青至拔节期为28.9mm，拔节至开花期为54.9mm，开花至成熟期为26.3mm。2007～2008生长季设置了条旋耕、深松+条旋耕、旋耕、深松+旋耕和翻耕5种耕作方式处理，本试验在2007～2008生长季的试验小区内设同一处理进行定位试验，但“深松+条旋耕”和“深松+旋耕”处理不再深松，研究一次深松耕作的后效。每种耕作方式下设置1个不灌水处理和3个灌溉时期处理：拔节期+开花期(W1)，拔节后10d+开花期(W2)，拔节后10d+开花后10d(W3)，不灌水处理做对照(W0)。设计灌水后0-140cm土层土壤目标相对含水量为75％。研究耕作方式和灌溉时期对小麦耗水特性和产量形成的影响。
　　 2.1.耕作方式和灌溉时期对小麦耗水特性的影响
　　 灌溉时期相同的条件下，深松+条旋耕处理播种至拔节阶段和拔节至开花阶段耗水模系数低于其他处理，开花至成熟阶段耗水量和耗水模系数高于其他处理；全生育期灌水量低于旋耕、深松+旋耕和翻耕处理，土壤贮水消耗量高于其他处理，总耗水量低于深松+旋耕处理，与翻耕处理无显著差异；开花至成熟阶段80-160cm土层土壤贮水消耗量高于其他处理，表明深松+条旋耕处理促进了小麦对深层土壤贮水的吸收，有利于提高开花至成熟阶段的耗水量，减少灌水量，节约灌溉水资源。
　　 同一耕作方式条件下，与W1处理相比，仅推迟拔节水的W2处理灌水量增加，但土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例未降低：与推迟拔节水和开花水的W3处理相比，W2处理灌水量降低，土壤贮水消耗量增加，开花至成熟阶段20-100cm土层土壤贮水消耗量高于W3处理，总耗水量与W3处理无显著差异。
　　 2.2.耕作方式和灌溉时期对小麦碳代谢的影响
　　 灌溉时期相同的条件下，小麦灌浆中后期旗叶光合速率、最大光能转换效率、磷酸蔗糖合成酶活性和开花后干物质积累量表现为深松+条旋耕和深松+旋耕处理显著高于其他处理；在W2和W3条件下，深松+条旋耕处理与深松+旋耕处理之间无显著差异；在WO和W1条件下，深松+条旋耕处理高于深松+旋耕处理，表明深松+条旋耕处理有利于延缓小麦旗叶衰老，提高灌浆中后期光合同化能力，增加开花后干物质积累量；条旋耕和旋耕处理灌浆中后期旗叶光合速率均较低，不利于干物质的积累。
　　 条旋耕和深松+条旋耕条件下，W2处理开花后旗叶光合速率与W1处理无显著差异，灌浆前期高于W3处理，灌浆中后期低于W3处理；营养器官开花前贮藏干物质转运量高于W1和W3处理，开花后干物质积累量与W1和W3处理无显著差异。旋耕、深松+旋耕和翻耕条件下，W2处理灌浆中后期旗叶光合速率高于W1处理，低于W3处理；营养器官开花前贮藏干物质转运量低于W1处理，高于W3处理，开花后干物质积累量高于W1处理，与W3处理无显著差异。上述结果表明，与W1处理相比，在条旋耕和深松+条旋耕条件下，仅推迟拔节水的W2处理促进了开花前贮藏干物质向籽粒的转运，在旋耕、深松+旋耕和翻耕条件下W2处理促进了开花后干物质积累；与推迟拔节水和开花水的W3处理相比，W2处理在不同耕作方式下均有利于开花前贮藏干物质向籽粒的转运。
　　 2.3.耕作方式和灌溉时期对小麦籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益的影响
　　 灌溉时期相同的条件下，深松+条旋耕处理在W0条件下籽粒产量显著高于其他处理，水分利用效率高于条旋耕处理，与其他处理无显著差异。在灌水条件下深松+条旋耕处理水分利用效率和灌溉效益显著高于其他处理，其籽粒产量与深松+旋耕处理的无显著差异，二者均高于其他处理。旋耕和条旋耕处理籽粒产量和水分利用效率低于其他处理。表明，深松+条旋耕有利于提高小麦籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益，是本试验条件下的最优耕作处理。
　　 同一耕作方式条件下，W2处理小麦籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益均显著高于W1处理；水分利用效率和灌溉效益高于W3处理；条旋耕、旋耕和翻耕条件下籽粒产量高于W3处理，表明在不同耕作方式条件下，于拔节后10d和开花期灌溉的W2处理均有利于提高籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益，是本试验条件下的最优灌溉时期处理。推迟开花水的W3处理不利于水分的高效利用。
　　 3、耕作方式和施氮量及种植密度对旱地小麦耗水特性和产量形成的影响
　　 试验于2009～2010和2010～2011小麦生长季在山东临淄边河乡边河村进行，该地区为丘陵旱地，无灌溉条件。2009～2010生长季试验以济麦22为材料，设置条旋耕、深松+条旋耕、旋耕和深松+旋耕4种耕作方式处理。每种耕作方式下设置3个施氮量处理：不施氮(N0)；施纯氮90kghm-2(N1)；施纯氮150kghm-2(N2)，磷钾肥用量一致，氮磷钾肥全部基施，基本苗为225株·m.-2。在深松+条旋耕且施纯氮150kghm-2的条件下设置3个种植密度处理，基本苗分别为225株.m-2(D1)、300株.m-2(D2)和375株.m-2(D3)。小麦生育期间降水量，播种至冬前期为579mm，冬前至返青期为37.7mm，返青至拔节期为35.6mm，拔节至开花期为7.9mm，开花至成熟期为99.7mm。2010～2011生长季试验以山农16为材料，在2009～2010生长季试验的小区内设同一处理进行定位试验，但“深松+条旋耕”和“深松+旋耕”处理不再深松，研究耕作方式和施氮量及种植密度对旱地小麦耗水特性和产量形成的影响。小麦生育期间降水量，播种至冬前期为5.0mm，冬前至返青期为0.0mm，返青至拔节期为20.0mm，拔节至开花期为9.5mm，开花至成熟期为71.1mm。
　　 3.1.耕作方式和施氮量及种植密度对旱地小麦耗水特性的影响
　　 基本苗为225株·m-2、同一施氮量条件下，深松+条旋耕处理播种至拔节阶段0-60cm土层土壤贮水消耗量和各生育时期棵间蒸发量均低于旋耕和深松+旋耕处理，与条旋耕处理无显著差异；拔节至开花阶段和开花至成熟阶段耗水量高于其他处理；全生育期土壤贮水消耗量高于条旋耕和旋耕处理，在降水少的2010～2011生长季亦高于深松+旋耕处理，表明深松+条旋耕处理促进了小麦对土壤贮水的吸收，减少了土壤水分向大气中的扩散，有利于抵御干旱胁迫。
　　 基本苗为225株·m-2、同一耕作方式条件下，N2处理开花至成熟阶段40-200cm土层土壤贮水消耗量、阶段耗水量和耗水模系数均高于N0和N1处理，小麦全生育期土壤贮水消耗量和总耗水量最高，N1处理次之，N0处理最低，表明N2处理促进了旱地小麦对土壤贮水的消耗，有利于植株生长。
　　 种植密度处理间比较，D1处理播种至拔节阶段耗水量和耗水模系数显著低于D2和D3处理，拔节至开花阶段和开花至成熟阶段显著高于D2和D3处理。在全生育期降水238.9mm的2009～2010生长季，各处理间土壤贮水消耗量无显著差异，在全生育期降水105.6mm的2010～2011生长季，D1处理显著高于D2和D3处理，表明D1处理有利于减少旱地小麦生育前期的耗水，增加生育后期的耗水，在降水少的条件下可促进小麦对土壤贮水的吸收。
　　 3.2.耕作方式和施氮量及种植密度对旱地小麦碳氮代谢的影响
　　 基本苗为225株·m-2、同一施氮量条件下，深松+条旋耕处理灌浆中后期旗叶光合速率、最大光能转换效率、磷酸蔗糖合成酶活性和超氧化物歧化酶活性均高于其他处理，旗叶丙二醛含量低于其他处理；开花后干物质和氮素积累量及其对籽粒的贡献率显著高于其他处理，表明深松+条旋耕处理有利于延缓旗叶衰老，提高旱地小麦灌浆中后期的光合生产能力，增加开花后干物质和氮素积累量。
　　 基本苗为225株.m-2、同一耕作方式条件下，N2处理有利于提高小麦灌浆中后期旗叶超氧化物歧化酶活性，延缓旗叶衰老，旗叶灌浆中后期光合速率和开花后干物质积累量显著高于其他处理。随施氮量增加，小麦各生育时期的植株氮素积累量提高，营养器官开花前贮藏氮素向籽粒的转运量和开花后氮素积累量均增加。
　　 种植密度处理间比较，D1处理灌浆中后期旗叶超氧化物歧化酶活性高于D2和D3处理，丙二醛含量低于D2和D3处理；D1处理冬前期和返青期干物质积累量低于D2和D3处理，开花后干物质积累量和成熟期干物质积累量显著高于D2和D3处理，表明D1处理有利于延缓旗叶衰老，增加小麦生育后期的干物质积累量。
　　 3.3.耕作方式和施氮量及种植密度对旱地小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量和水分利用效率的影响
　　 基本苗为225株·m-2、同一施氮量条件下，深松+条旋耕处理籽粒产量和籽粒蛋白质产量显著高于其他处理，水分利用效率高于旋耕和深松+旋耕处理，与条旋耕处理无显著差异，籽粒蛋白质含量与其他处理均无显著差异，表明深松+条旋耕处理有利于提高籽粒产量、籽粒蛋白质产量和水分利用效率，是本试验条件下的最优耕作处理。
　　 基本苗为225株·m－2、同一耕作方式条件下，N2处理籽粒产量、籽粒蛋白质含量和籽粒蛋白质产量均最高，N1处理次之，N0处理最低；N2处理水分利用效率与N1处理无显著差异，高于N0处理，表明在一定范围内增加施氮量可显著提高旱地小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量和水分利用效率。
　　 种植密度处理间比较，在降水多的2009～2010生长季，D1处理公顷穗数低于D2和D3处理，穗粒数、千粒重、籽粒产量和水分利用效率高于D2和D3处理；在降水少的2010～2011生长季，D1处理穗粒数、籽粒产量和水分利用效率高于D2和D3处理，表明在旱作条件下，D1处理有利于增加小麦穗粒数和籽粒产量，提高水分利用效率。