0 引言
【研究意义】土壤水分直接影响作物养分吸收和运转,从而影响作物产量和品质。灌溉是水地小麦调节土壤水分的主要途径,而旱作麦区仅依靠降水来调节土壤水分。本试验点属黄土高原半干旱地区的东缘,年度降水分布不均,常年大约60%的降雨集中在小麦收获后的休闲期（7—9月）,土壤存储的水量决定着旱地小麦播前底墒的丰欠,是影响产量的重要因素,有效蓄纳休闲期自然降雨是实现旱地小麦高产的重要途径。【前人研究进展】前人在耕作蓄水方面进行了大量研究。侯贤清等[1]研究表明,旱地麦田麦收后进行免耕处理可降低土壤容重,促进土壤团聚体的形成,从而提高土壤保水能力,但长期免耕会造成土壤紧实。WANG等[2]研究表明,深耕翻可改善土壤结构,提高土壤渗水速度,增加蓄水容量,有利于最大限度地接纳雨水,但土壤结构的改变会加速土壤有机质含量降低及养分流失,从而使耕地质量变差。WANG等[3]、侯贤清等[4]研究表明,休闲期深松加深耕层而不翻动土壤,可降低耕层土壤容重0.2 mg·cm-3以上,改善土壤的透水性,减少蒸发,提高其对自然降水的蓄积能力,最终提高作物产量及水分利用效率。秦红灵等[5]研究表明,土壤深松处理较不深松可实现小麦增产18.3%。可见,一年一作旱地麦田休闲期深松可实现蓄水、增产、增效。此外,为更有效蓄积周年降水,地膜覆盖播种很早就受到人们的关注,且自20世纪70年代引进国内后,其蓄水增产效果得到充分验证[6,7,8]。侯慧芝等[9]研究表明,生育期地膜覆盖可提高小麦产量42.8%,水分利用效率10.5%。李福等[10]研究表明,全膜覆土穴播技术可蓄积全年约50%的降水,自然降水利用率达到70%。李儒等[11]在陕西省不同降水年型的研究表明,相对于条播不覆盖播种技术,垄覆地膜+沟内不覆播种技术的旱地小麦产量均显著提高,达17%—27%。总之,旱作麦田耕作蓄水和覆盖保水在黄土高原广大旱区均可实现增产增效。此外,旱地小麦的品质优良早已受到关注。籽粒蛋白质及其组分含量、谷醇比是评价小麦品质的重要指标[12],且土壤水分是影响籽粒蛋白质积累的重要因素,尤其是旱地小麦[12,13]。范雪梅等[14]研究表明,土壤干旱或渍水均会影响小麦籽粒氮代谢关键酶活性,从而导致籽粒蛋白质含量及其产量下降,影响籽粒品质;许振柱等[15]研究表明,花后土壤水分过低不利于籽粒蛋白质的积累,过高则不利于与籽粒品质相关的贮藏蛋白和谷蛋白大聚体的积累。戴廷波等[12]、OZTURK等[16]研究表明,适度干旱有利于籽粒蛋白质积累,改善品质,而渍水则相反。【本研究切入点】对旱地小麦而言,极度干旱的年份不利于籽粒蛋白质积累,同时限制产量提高;降水较少的年份有利于改善籽粒品质,但产量降低;降水较多的年份有利于提高产量,但由于蛋白质的稀释效应,相对较高的土壤水分不利于籽粒蛋白质的积累[13]。旱地麦田在周年蓄保水分增产增效的同时,如何提高品质是旱作栽培工作者需研究解决的一个难题。【拟解决的关键问题】本文研究分析了休闲期深松的蓄水、增产、提质效果,比较了两种覆盖播种技术对0—3 m土层水分周年变化、产量和籽粒蛋白质形成的影响,以期为制定黄土高原旱地麦区产量与品质协同提高的优化栽培技术提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验地基本概况
本试验于2012—2014年度,在山西农业大学闻喜小麦试验基地进行。试验地位于东经110°59′—111°37′、北纬35°9′—35°34′,四季分明,年均气温12.5℃,无霜期185 d,属典型的暖温带大陆气候。试验田为丘陵旱地,无灌溉条件,种植制度为夏季休闲制,即从前茬小麦收获至下茬小麦播种为裸地。2012—2013年度,6月10日测定表层土壤肥力结果为有机质11.88 g·kg-1、碱解氮38.62 mg·kg-1、速效磷14.61 mg·kg-1;2013—2014年度,6月10日测定结果为有机质10.18 g·kg-1、碱解氮39.32 mg·kg-1、速效磷16.62 mg·kg-1。2012—2014年试验地的降雨情况见表1。Table 1
表1
表1闻喜试验点的降水量
Table 1Precipitation at the experimental site in Wenxi (mm)
| 年份 Year | 休闲期 FP | 播种—越冬 SS-WS | 越冬—拔节 WS-JS | 拔节—开花 JS-AS | 开花—成熟 AS-MS | 总计 Total |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2002-2014 | 301.7±95.6 | 48.2±17.9 | 38.6±24.2 | 32.6±11.1 | 62.9±24.8 | 484.0±106.8 |
| 2012-2013 | 188.4 | 32.8 | 22.4 | 12.0 | 100.1 | 355.7 |
| 2013-2014 | 288.2 | 43.7 | 23.1 | 104.0 | 30.7 | 489.7 |
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1.2 试验设计
供试品种为“20410”,由山西省闻喜县农业局提供。采用二因素裂区设计,以休闲期耕作方式为主区,设深松（深度为30—35 cm,SS）和免耕（休闲期不进行耕作,NT）2个水平,以播种方式为裂区,设膜际条播（FM）、全膜覆土穴播（FSH）、常规条播（DS）3个水平,共6个处理,重复3次,小区面积150 m2（3 m×50 m）（表2）。前茬小麦收获时留高茬20—30 cm,约7月中旬进行耕作处理,8月下旬浅旋、耙耱平整土地,播前基施150 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2、150 kg K2O·hm-2,小麦生育期内不再追肥。9月底或10月初播种,基本苗225×104株/hm2。2012年7月15日深松,8月25日浅旋耕、平整土地,10月1日播种,次年6月3日收获;2013年7月15日深松,8月23日浅旋耕、平整土地,9月29日播种,次年6月1日收获。Table 2
表2
表2冬小麦不同覆盖播种方式特征描述
Table 2The characteristics of different sowing methods of winter wheat
| 处理 Treatment | 特征 Characteristics |
|---|---|
| 全膜覆土穴播（甘谷模式） Film-mulched soil hole sowing (FSH) | 地膜全地面覆盖后,在膜面上覆一层1—2 cm 厚的细土,然后用穴播机播种,每穴播（10 ± 2）粒,行距为 20 cm,穴距为 15 cm,每小区种植 10 行,且于冬小麦收获后（次年6月上旬）回收地膜 After mulching, a layer of 1-2 cm thick fine soil is sprayed over the plastic film surface, and then seeded with a hole-seeding machine, (10 ± 2) grains per hole, with a line spacing of 20 cm and a hole spacing of 15 cm, there were 10 rows per plot, and the plastic film was recycled after winter wheat harvest (in early June of the following year) |
| 膜际条播（山西模式） Film-mulched sowing (FM) | 起垄、覆膜、播种一次完成。垄宽40 cm,高10 cm,垄顶成圆弧形。地膜覆盖在垄上,膜两侧覆土。垄间沟宽20 cm,垄和沟组成60 cm的带;垄沟膜侧种植小麦,因此田间有20 cm的窄行和40 cm的宽行两种行距。冬小麦花后10—15 d（次年5月中旬）回收地膜 Ridging, filming and seeding were completed at one time. The ridge was 40 cm in width and 10 cm in height with a circular arc top. Plastic film was mulched on ridge top, the two sides of film were covered by soil. The furrow between ridges was 20 cm in width, hence ridge and furrow formed a belt about 60 cm width belt. Wheat was sown at film sides, hence there were two kinds of row space in the field, a narrow row space about 20 cm and a wide row space about 40 cm. The mulch was recycled at 10-15 days after winter wheat flowering (mid-May of the following year) |
| 常规条播 Drill sowing (DS) | 传统的种植方式,行距20 cm The traditional method of planting, which line space is about 20 cm |
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1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤蓄水量的测定 分别于播种期、越冬期、拔节期、孕穗期、开花期用土钻取0—300 cm（每20 cm为一个土层）土样,样品采集后立即装入铝盒,采用烘干法测定土壤水分含量。按侯贤清[14]的计算方法如下：SWSi=Wi×Di×Hi×10/100
式中,SWSi为第i土层土壤蓄水量（mm）;Wi为第i土层土壤质量含水量（%）;Di为第i土层土壤容重（g·cm-3）;Hi为第i土层厚度（cm）。
1.3.2 籽粒蛋白质及其组分含量的测定 采用连续提取法测定籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量;采用半微量凯氏定氮法测定含氮量,再乘以5.7即为蛋白质含量。
1.3.3 籽粒蛋白质增产效果 休闲期深松蓄水、覆盖播种保水的籽粒蛋白质增产具体计算方法如下：
△Y/△W=(Y-Y0)/(W-W0)
式中,△Y/△W为单位深松蓄水、覆盖保水量下的籽粒蛋白质增产量（kg·hm-2·mm-1）;Y、Y0分别为相同播种方式下休闲期深松、免耕（相同耕作措施下两覆盖播种、常规播种）措施下的籽粒蛋白质产量（kg·hm-2）;W、W0分别为相同播种方式下休闲期深松、免耕（相同耕作措施下两覆盖播种、常规播种）措施下的各生育时期的土壤蓄水量（mm）。
1.3.4 产量相关性状 成熟期调查单位面积穗数,每穗平均粒数及千粒重;从每小区取50株测定生物产量,收获20 m2实测产量。
1.4 统计方法
试验采用Microsoft Excel 2010处理数据,采用DPS 7.05软件进行统计分析,差异显著性检验用LSD法,显著性水平设定为P=0.05。2 结果
2.1 休闲期深松和覆盖播种对土壤蓄水量的影响
与免耕处理（NT）相比较,休闲期深松（SS）3 m内土壤蓄水量在小麦播种期和越冬至开花期均显著提高;全膜覆土穴播（FSH）和膜际条播（FM）两种覆盖播种较常规条播（DS）各生育期土壤蓄水量也均显著提高（表3）。SS条件下,FSH处理较FM处理开花期土壤蓄水量显著提高,越冬期和拔节期两处理间差异不显著;免耕条件下,两覆盖处理间差异均不显著。此外,SS条件下,两覆盖处理对孕穗期土壤水分的影响存在差异,其中,2012—2013年度FSH处理孕穗期土壤蓄水量显著高于FM处理,而2013—2014年度两覆盖处理间差异不显著。可见,休闲期深松和覆盖播种可有效提高花前土壤蓄水量,且在干旱年份（2012—2013）深松可明显增强全膜覆土穴播生育中后期的保水效果。Table 3
表3
表3休闲期深松和覆盖播种对0—300 cm土壤蓄水量的影响
Table 3Effects of sub-soiling during fallow period and mulched-sowing on soil water storage at the depth of 0-300 cm (mm)
| 年份 Year | 耕作模式 Tillage method | 播种方式 Sowing method | 播种期 Sowing stage | 越冬期 Wintering stage | 拔节期 Jointing stage | 孕穗期 Booting stage | 开花期 Anthesis stage |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2012-2013 | SS | FSH | 531.85a | 452.96a | 387.44a | 365.24a | 332.21a |
| FM | 537.27a | 456.95a | 396.73a | 358.74b | 321.67b | ||
| DS | 524.48b | 432.91b | 370.91b | 341.72c | 297.64d | ||
| NT | FSH | 490.19cd | 420.50b | 352.47c | 345.79c | 314.75bc | |
| FM | 494.63c | 425.02b | 356.98c | 339.58c | 306.74c | ||
| DS | 465.34d | 392.17c | 318.15d | 293.97d | 271.11e | ||
| 2013-2014 | SS | FSH | 594.99a | 520.14a | 468.60a | 455.45a | 369.01a |
| FM | 587.59a | 516.43a | 462.73a | 447.77a | 359.71b | ||
| DS | 596.55a | 501.88b | 446.00b | 436.81b | 344.88c | ||
| NT | FSH | 561.42b | 489.62c | 428.02c | 418.00c | 342.89c | |
| FM | 566.50b | 487.17c | 423.08c | 411.90c | 336.81c | ||
| DS | 558.76b | 467.03d | 392.00d | 388.26d | 311.26d | ||
| F值 F Values | |||||||
| 年份Year (Y) | 893.13** | 1972.47** | 830.70** | 2782.03** | 291.76** | ||
| 耕作Tillage (T) | 70.56** | 2367.65** | 354.74** | 7255.16** | 217.01** | ||
| 播种方式Sowing (S) | 4.01* | 43.01** | 184.54** | 158.32** | 89.94** | ||
| 年份×耕作Y×T | 3.30 | 6.54 | 0.24 | 210.99** | 6.09 | ||
| 年份×播种方式Y×S | 4.22* | 2.01 | 7.11** | 9.41** | 2.73 | ||
| 耕作×播种方式T×S | 2.41 | 0.97 | 13.01** | 20.26** | 2.49 | ||
| 年份×耕作×播种方式Y×T×S | 0.50 | 0.07 | 0.40 | 3.42 | 0.01 | ||
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F测验表明,年份、耕作、播种方式对播种至开花期土壤水分均具有显著或极显著影响,其中年份对播种期、拔节期、开花期土壤水分的影响最大,其次是耕作,再次是播种方式。耕作对越冬期、孕穗期土壤水分的影响最大,其次是年份,再次是播种方式。年份×耕作对孕穗期土壤水分有极显著影响。年份×播种方式对播种期土壤水分有显著影响。年份×播种方式、耕作×播种方式对拔节期、孕穗期土壤水分有极显著影响,且对孕穗期土壤水分的影响最大。
2.2 休闲期深松和覆盖播种对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响
休闲期深松（SS）较免耕（NT）处理的籽粒产量显著提高,两试验年度分别达21%—30%和12%—16%（表4）。在两个试验年度里,膜际条播（FM）和全膜覆土穴播（FSH）两种覆盖播种较常规条播（DS）的籽粒产量,深松处理下分别提高11%—24%和9%—13%;免耕（NT）处理下分别提高9%—15%和6%—11%。膜际条播（FM）较全膜覆土穴播（FSH）处理产量提高,且2012—2013年度深松与2013—2014年当地传统耕作条件下,两处理间差异显著。Table 4
表4
表4休闲期深松和覆盖播种对籽粒蛋白质及其组分含量的影响
Table 4Effects of sub-soiling in fallow period and mulched-sowing on grain protein and its components contents
| 年份 Year | 耕作模式 Tillage method | 播种方式 Sowing method | 清蛋白 Albumin (%) | 球蛋白 Globulin (%) | 醇溶蛋白 Gliadin (%) | 谷蛋白 Glutenin (%) | 谷醇比 Glu/Gli ratio | 产量 Grain yield (kg·hm-2) | 蛋白质Protein | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 含量 Content (%) | 产量 Yield (kg·hm-2) | |||||||||
| 2012- 2013 | SS | FSH | 2.92b | 1.42d | 4.24b | 5.05b | 1.19a | 3308.89b | 15.28b | 505.60b |
| FM | 3.12a | 1.56b | 4.46a | 5.16a | 1.16b | 3713.96a | 16.05a | 596.09a | ||
| DS | 2.87bc | 1.28e | 4.06d | 4.47e | 1.10d | 2991.45c | 14.64d | 437.95c | ||
| NT | FSH | 2.86bc | 1.71a | 4.22b | 4.85c | 1.15bc | 2709.22d | 15.36b | 416.14e | |
| FM | 2.84c | 1.55bc | 4.12c | 4.66d | 1.13c | 2856.15cd | 15.01c | 428.71d | ||
| DS | 2.49d | 1.47cd | 3.98e | 4.04f | 1.02e | 2473.42e | 13.96e | 345.29f | ||
| 2013- 2014 | SS | FSH | 2.78b | 1.17c | 3.57c | 4.03c | 1.13d | 5261.00a | 13.38b | 703.92b |
| FM | 2.96a | 1.31a | 3.87a | 4.45a | 1.11d | 5414.12a | 13.89a | 752.02a | ||
| DS | 2.63c | 1.29a | 3.22d | 4.11c | 1.28a | 4811.17b | 12.81e | 616.31d | ||
| NT | FSH | 2.62c | 1.12d | 3.54c | 3.78e | 1.07e | 4534.68c | 12.95d | 587.24e | |
| FM | 2.79b | 1.21bc | 3.64b | 4.29b | 1.22b | 4833.00b | 13.13c | 634.57c | ||
| DS | 2.53d | 1.24b | 3.28d | 3.88d | 1.18c | 4284.45d | 12.63 f | 541.13f | ||
| F值 F Values | ||||||||||
| 年份Year (Y) | 1521.00* | 648.29* | 3200.33* | 1681.00* | 2025.00* | 2845.26* | 801.06** | 7589.46** | ||
| 耕作Tillage (T) | 164.10** | 62.24* | 50.57* | 1842.88* | 72.20* | 6256.05** | 2013.36* | 4456.25** | ||
| 播种方式Sowing (S) | 154.80** | 16.20** | 549.09** | 574.13** | 12.76** | 75.44** | 913.94** | 6769.08** | ||
| 年份×耕作Y×T | 9.56 | 59.65* | 7.11 | 141.24** | 0.56 | 51.29* | 16.20 | 221.27** | ||
| 年份×播种方式Y×S | 4.63* | 52.47** | 49.32** | 339.16** | 425.82** | 0.33 | 75.87** | 4.74* | ||
| 耕作×播种方式T×S | 8.97** | 2.96 | 84.38** | 7.88* | 57.71** | 2.43 | 113.50** | 431.14** | ||
| 年份×耕作×播种方式Y×T×S | 15.49** | 30.77** | 5.56* | 20.91** | 10.29** | 2.53 | 59.18** | 181.90** | ||
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SS较NT处理两试验年度籽粒谷蛋白含量、蛋白质产量显著提高,FM条件下,清蛋白、醇溶蛋白和总蛋白质含量提高显著,且2012—2013年谷醇比显著提高。两覆盖播种较DS处理,两试验年度籽粒醇溶蛋白、总蛋白含量及蛋白质产量显著提高,清蛋白含量提高,且2012—2013年籽粒球蛋白、谷蛋白含量,谷醇比显著提高。SS条件下,FM处理籽粒蛋白质组分含量,总蛋白质含量及其产量显著高于FSH处理。而NT条件下,两试验年度差异较大,2012—2013年FSH处理籽粒蛋白质及其组分含量、谷醇比高于FM处理,球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白质含量差异显著;2013—2014年,FSH处理籽粒蛋白质及其组分含量、谷醇比、蛋白质产量显著低于FM处理。
较干旱的年份（2012—2013年）休闲期免耕（NT）条件下,全膜覆土穴播（FSH）和膜际条播（FM）产量无明显差异,但全膜覆土穴播（FSH）在提质方面表现出较强的优势。而休闲期深松（SS）条件下,采用膜际条播（FM）较全膜覆土穴播（FSH）在增产和提质方面均表现出较强优势。
F测验表明,年份、耕作、播种方式对籽粒产量、籽粒蛋白质含量及籽粒蛋白质产量均有极显著影响,其中耕作对籽粒产量的影响最大,其次是年份,再次是播种方式;年份对籽粒蛋白质含量的影响最大,其次是耕作,再次是播种方式;对籽粒蛋白质产量的影响以年份最大,其次是播种方式,再次是耕作方式;播种方式对籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、谷醇比均有极显著影响。此外,年份×耕作方式对籽粒产量、籽粒蛋白质产量分别有显著、极显著影响。年份×播种方式对籽粒蛋白质含量及产量有极显著、显著影响。耕作×播种方式、年份×耕作×播种方式对籽粒蛋白质含量及产量均有极显著影响。
2.3 休闲期深松和覆盖播种的蛋白质增产效果
2.3.1 休闲期深松的蓄水和蛋白质增产效果 休闲期深松（SS）较免耕（NT）,增加越冬至开花各生育时期土壤蓄水量,可增加籽粒蛋白质产量（表5）。各生育时期土壤含水量每增加1 mm,籽粒蛋白质产量从越冬期到开花期,分别增加2.16—5.24、1.39—4.21、1.10—8.74、2.24—11.21 kg·hm-2。可见,休闲期深松条件下,开花期土壤水分对蛋白质产量的贡献最大,其次是孕穗期,再次是越冬期。采用覆盖播种可显著增加深松蓄水对蛋白质产量的贡献效果,其中采用膜际条播（FM）的效果更佳,尤其是2012—2013年显著高于全膜覆土穴播（FSH）。Table 5
表5
表5休闲期深松对籽粒蛋白质产量的贡献
Table 5The contribution of sub-soiling in fallow period on protein yield
| 年份 Year | 播种方式 Sowing method | ΔY (kg·hm-2) | 越冬期 Wintering stage | 拔节期 Jointing stage | 孕穗期 Booting stage | 开花期 Anthesis | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔW1 (mm) | ΔY/ΔW1 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW2 (mm) | ΔY/ΔW2 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW3 (mm) | ΔY/ΔW3 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW4 (mm) | ΔY/ΔW4 (kg·hm-2·mm-1) | |||
| 2012- 2013 | FSH | 89.46c | 32.46b | 2.76b | 34.97c | 2.56b | 19.45b | 4.60b | 17.46b | 5.12b |
| FM | 167.38a | 31.93b | 5.24a | 39.75b | 4.21a | 19.16b | 8.74a | 14.93c | 11.21a | |
| DS | 92.66b | 40.74a | 2.27c | 52.76a | 1.76c | 47.75a | 1.94c | 26.53a | 3.49c | |
| 2013- 2014 | FSH | 116.68b | 30.52b | 3.82a | 40.58b | 2.88a | 37.45b | 3.12a | 26.12b | 4.47a |
| FM | 122.28a | 29.26c | 4.01a | 39.65b | 2.96a | 35.87c | 3.27a | 22.90c | 5.13a | |
| DS | 75.18c | 34.85a | 2.16b | 54.00a | 1.39b | 68.55a | 1.10b | 33.62a | 2.24b | |
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2.3.2 覆盖播种的保水和蛋白质增产效果 覆盖播种较常规条播（DS）,增加越冬至开花期各生育时期土壤蓄水量,可增加籽粒蛋白质产量,且采用膜际条播（FM）对蛋白质产量的贡献显著大于全膜覆土穴播（FSH）（表6）。深松蓄水影响了覆盖播种对籽粒蛋白质产量的贡献规律。深松条件（SS）下,各生育时期土壤含水量每增加1 mm,籽粒蛋白质产量分别增加3.37—9.33、3.88—8.11、2.88—12.38、1.62—6.58 kg·hm-2,免耕（NT）条件下,分别为2.04—4.64、1.28—3.01、0.93—2.14、1.46—3.66 kg·hm-2。可见,覆盖播种在深松条件（SS）下,孕穗期土壤水分对蛋白质产量的贡献最大,在免耕条件下,越冬期土壤水分的贡献最大。
Table 6
表6
表6覆盖播种对籽粒蛋白质产量的贡献
Table 6The contribution rate of mulched-sowing on grain protein yield
| 年份 Year | 耕作方式 Tillage method | 播种方式 Sowing method | ΔY’ (kg·hm-2) | 越冬期 Wintering stage | 拔节期 Jointing stage | 孕穗期 Booting stage | 开花期 Anthesis | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔW’1 (mm) | ΔY’/ΔW’1 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW’2 (mm) | ΔY’/ΔW’2 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW’3 (mm) | ΔY’/ΔW’3 (kg·hm-2·mm-1) | ΔW’4 (mm) | ΔY’/ΔW’4 (kg·hm-2·mm-1) | ||||
| 2012- 2013 | SS | FSH | 67.65b | 20.05b | 3.37b | 16.53b | 4.09b | 23.52a | 2.88b | 34.57a | 1.96b |
| FM | 158.14a | 24.04a | 6.58a | 25.82a | 6.12a | 17.02b | 9.29a | 24.03b | 6.58a | ||
| NT | FSH | 70.85b | 28.33b | 2.50a | 34.32b | 2.06a | 51.82a | 1.37b | 43.64a | 1.62b | |
| FM | 83.42a | 32.85a | 2.54a | 38.83a | 2.15a | 45.61b | 1.83a | 35.63b | 2.34a | ||
| 2013- 2014 | SS | FSH | 87.61b | 18.26a | 4.80b | 22.60a | 3.88b | 18.64a | 4.70b | 24.13a | 3.63b |
| FM | 135.71a | 14.55b | 9.33a | 16.73b | 8.11a | 10.96b | 12.38a | 14.83b | 9.15a | ||
| NT | FSH | 46.12b | 22.59a | 2.04b | 36.02a | 1.28b | 49.74a | 0.93b | 31.63a | 1.46b | |
| FM | 88.61a | 20.14b | 4.64a | 31.08b | 3.01a | 43.64b | 2.14a | 25.55b | 3.66a | ||
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2.4 开花期土壤水分与籽粒蛋白质含量的相关分析
蛋白质含量（Y）与影响因子开花期0—100 cm土壤水分（X1）、100—200 cm土壤水分（X2）、200—300 cm土壤水分（X3）建立逐步回归方程。如下：Y= 5.9870+0.0355X1+0.0487X2+0.0106X3 （2012—2013）;
Y= 7.3116+0.0812X1-0.0318X2+0.0081X3 （2013—2014）。
由回归方程和表7可知,2012—2013年,X1、X2、X3对Y均为正向直接作用,通径系数分别为0.4205、0.4905、0.1417,且X2对Y的直接影响最大;由于X1、X2、X3之间存在相互关系,X1、X2、X3对Y的作用之和均为正向作用,且X2>X1>X3。2013—2014年,X1、X3对Y为正向直接作用,X2对Y为负向直接作用,通径系数分别为1.1102、-0.4956、0.1430,且X1对Y为正向直接作用大于X3;由于X1、X2、X3之间存在相互关系,X1、X2、X3对Y的作用之和均为正向作用,且X3>X1>X2。可见,0—100 cm、200—300 cm、200—300 cm土层土壤水分通过相互作用,对籽粒蛋白质含量产生正向作用,即随土壤水分的增加,籽粒蛋白质含量提高。在2012—2013降水较少的年份,100—200 cm土层土壤水分对籽粒蛋白质含量的提高贡献最大,而在2013—2014降水较多的年份,200—300 cm土层土壤水分对籽粒蛋白质含量的提高贡献最大。
Table 7
表7
表7籽粒蛋白质含量（Y）与开花期0—100 cm土壤水分（X1）、100—200 cm土壤水分（X2）、200—300 cm土壤水分（X3）的通径系数
Table 7The path coefficient of grain protein content (Y) and the influence factor of 0-100 cm (X1), 100-200 cm (X2), 200-300 cm (X3) soil water storage at anthesis
| 年份 Year | 影响因子Influence factor | X对Y的直接影响 Direct influence of X on Y | 间接影响 Indirect influence | X对Y的总影响 The total influence of X on Y | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| →X1 | →X2 | →X3 | ||||
| 2012-2013 | X1 | 0.4205 | 0.2196 | 0.0976 | 0.5420 | |
| X2 | 0.4905 | 0.1882 | 0.0874 | 0.5820 | ||
| X3 | 0.1417 | 0.2896 | 0.3024 | 0.4118 | ||
| 2013-2014 | X1 | 1.1102 | -0.3995 | 0.1355 | 1.3276 | |
| X2 | -0.4956 | 0.8949 | 0.1038 | 0.5128 | ||
| X3 | 0.1430 | 1.0517 | -0.3599 | 1.4890 | ||
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3 讨论
3.1 旱地麦田休闲期深松的蓄水增产效果
适宜的耕作栽培技术可以改善土壤理化性状,增加土壤肥力,提高土壤贮水量和水分利用率,起到蓄水保墒作用[2,17]。旱地小麦休闲期深松可降低土壤紧实度,增加土壤孔隙度,减少地表径流和蒸发量,增加旱地麦田有效水分,提高旱地小麦水分利用效率,从而达到蓄水保墒增产的效果[17]。本文与本团队多年研究结果一致表明,旱地麦田休闲期深松改善土壤结构,增加土壤库容,显著提高旱地麦田播种期0—300 cm土壤水分,且其蓄水效果可延续至开花期,且干旱年份效果更显著[18,19]。旱地麦田充足的土壤水分有利于促进植株对养分的吸收运转,满足小麦生长发育的需要,从而影响产量的形成。褚鹏飞等[20]研究表明,深松可以促进旱地小麦高效利用土壤水分,从而获得高产。本团队多年研究结果表明,深松蓄水可增加小麦分蘖,提高开花前各器官积累氮素的运转量,尤其是叶片、颖壳+穗轴,促进生育后期吸收0—3 m土层的土壤水分,提高开花后氮素积累量,有利于提高产量及产量构成因素,在枯水年、丰水年可分别增产34%—45%和17%—22%[18, 21-22]。本研究结果表明,深松蓄水显著提高籽粒产量,在降水较少的2012—2013年度和降水较多的2013—2014年度分别提高21%—30%和12%—16%,与本团队多年研究结果一致,增产幅度相对较小的原因,可能与本试验年度休闲期降雨较多有关。
3.2 旱地小麦覆盖播种的保水增产效果
地膜覆盖以其优越的增温保墒作用,有效地调节农田小气候,提高作物穗数、穗粒数等产量构成指标,从而起到增产作用[23,24,25,26]。杨长刚等[27]在甘肃省研究不同覆膜方式（全膜覆土穴播、全膜穴播、垄膜沟播、露地条播）对旱作冬小麦籽粒产量的影响表明,覆膜播种较露地播种能够调节不同生育期耗水比例,将更多比例的水分用于拔节至成熟期,以保证增产,在不同年际间提高达49%—53%,且不同降水年型,全膜覆土穴播较垄膜沟播产量提高,但差异不显著。垄膜沟播与膜际条播类似,多年实践表明,采用膜际条播可增产达50%以上,但在极端年型,也存在减产问题。膜际条播在雨水较多的年份,由于播种面积仅占总面积一半,而造成穗数不足导致减产;在极度缺水的年份,覆盖造成无水可保而加剧土壤干旱,导致减产。张勉等[28]在山西运城研究发现,膜际条播的保水作用,可促进植株对深层水分的利用,有利于花后氮素向籽粒运转,提高籽粒氮素积累量,进而提高产量。赵晓东等[29]在山西洪洞的研究表明,垄膜沟播能有效提高冬小麦对土壤水分和氮素的吸收利用能力,最终提高其公顷穗数,促进小麦增产。但何红霞等[30]研究表明,地膜覆盖并不总是提高旱地小麦产量,个别年份也会因收获指数降低而降低。李凤民等[31]研究表明,在底墒不足或生育期降水较少年份,地膜覆盖可减少有效穗数10%,从而使产量降低。本文两试验年度的降雨量分别为355.7 mm、 489.7 mm,与常年降雨量比较,2012—2013年为较干旱年型,2013—2014年为常年。研究结果表明覆盖播种较常规条播显著提高旱地小麦各生育时期0—300 cm土壤水分,小麦产量也显著提高;2012—2013年深松蓄水条件下和2013—2014年免耕条件下产量表现为膜际条播显著高于全膜覆土穴播,而2012—2013年免耕条件下和2013—2014年深松蓄水条件下两处理间差异不显著。这可能是因为地膜覆盖具有增温（越冬期）和降温（拔节—成熟期）的双重效应[32]。根据播种技术操作,膜际条播技术的地膜回收时间于小麦收获前的5月中旬,而全膜覆土穴播技术则于小麦收获后的6月上旬回收地膜,且其覆膜操作为地膜全地面覆盖后,在膜面上覆一层1—2 cm 厚的细土,所以造成全膜覆土穴播在越冬期的覆膜增温时期增温效果明显,而在拔节—成熟期的覆膜降温时期降温效果显著。陈玉章等[33]研究表明,覆盖前期的升温效应有利于培育冬前壮苗,后期降温效应有利于减轻开花至灌浆期的高温危害,提高粒重;但前期若升温幅度过大,会形成旺苗、易遭冻害而减产,后期降温幅度过大,会导致成熟过迟,易遭干热风危害而减产。此外,陈玉华等[34]研究表明,冬小麦生育后期覆膜会抑制作物根系发育,使得作物蒸散量和水分利用效率下降,影响产量的形成甚至减产,因此冬小麦不能全程覆膜,而应适时揭膜。
3.3 深松和覆盖播种籽粒蛋白质积累的优化效果
通常籽粒蛋白质的积累通过籽粒氮素积累实现。蛋白质作为氮素代谢的终极产物,其生物合成受到氮代谢酶活性谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶的调控,而提高土壤蓄水量可促进灌浆前期氮素从主要载体谷氨酸向其他氨基酸转移,促进无机氮向有机氮转化,有利于籽粒蛋白质积累。有关休闲期深松与籽粒蛋白质积累的关系,前人研究结果不尽一致。李国清等[35]研究表明,休闲期深松可以打破土壤犁底层,增加蓄积水分下渗,促进旱地小麦根系下扎,提高开花后根系细胞膜脂过氧化程度,增强根系的代谢水平和氮素同化能力,促进小麦增产优质。赵红梅等[19]研究表明,休闲期深松降低了花后旗叶脯氨酸含量、花后5—15 d 籽粒脯氨酸含量,提高了旗叶和籽粒GS活性,而不同降水年型对籽粒蛋白质含量的影响不同,降水较少的年份采用休闲期深松降低籽粒蛋白质含量,而降水较多的年份有利于提高籽粒蛋白质含量。本研究结果表明,降水较多的年份（2013—2014）较降水较少的年份（2012—2013）籽粒蛋白质含量降低;深松蓄水后,两试验年度籽粒清蛋白、谷蛋白、总蛋白含量及产量均提高。总之,籽粒蛋白质含量受到土壤水分的直接影响。此外,本试验条件下,深松蓄水后,花前各生育时期土壤水分每增加1 mm,蛋白质产量均有不同程度的提高,且以开花期土壤水分对蛋白质增产贡献最大,达2.24—11.21 kg·hm-2,这可能是由于休闲期深松的蓄水效果延续至开花期,开花期土壤水分与旗叶GS、GOGAT活性关系密切,尤其是旗叶GS活性,而旗叶GS活性与籽粒蛋白质形成密切相关[13]。覆盖因改善土壤水、肥、气、热等微生态环境对小麦籽粒品质有一定影响。李强等[36]研究表明,地膜覆盖促进了冬小麦营养生长期地上部干物质的形成和积累,也使开花期具有良好的土壤水分,为后期灌浆和养分转移创造了良好的基础物质条件,从而有效提高成熟期籽粒含氮率。张礼军等[37]研究表明,地膜覆盖较露地条播籽粒蛋白质含量增加2.66%,品质提高的主要原因是土温的升高促进了根系对氮素的吸收。本研究结果表明,覆盖播种可提高籽粒清蛋白、醇溶蛋白、总蛋白质含量及产量。同时,覆盖播种后,花前各生育时期土壤水分每增加1 mm,蛋白质产量均有不同程度的提高,且在深松蓄水条件下,以孕穗期土壤水分对蛋白质增产的贡献最大,达2.88—12.38 kg·hm-2,这可能是由于在深松蓄水的条件下,覆盖播种可以加强深松的水分效应,而覆膜对农田土壤水分有较强的调控能力,在小麦水分临界期（孕穗期）会调控农田土壤水分以供给小麦吸收利用,从而促进小麦籽粒对氮素的积累[29],此外,可能覆膜在生育中后期的降温效应不利于小麦根系对土壤水养分的吸收,因此相对提高了小麦需水临界期（孕穗期）土壤水分对籽粒蛋白质产量的贡献。覆盖播种可通过调节土壤水分和温度来影响籽粒蛋白质的积累,但两覆盖播种对籽粒蛋白质的积累效果存在差异。深松蓄水后,膜际条播籽粒蛋白质组分含量,蛋白质含量及其产量显著高于全膜覆土穴播;免耕条件下,全膜覆土穴播较膜际条播,在降水较少的年份（2012—2013年）籽粒蛋白质及其组分含量、谷醇比提高,而在降水较多的年份（2013—2014年）蛋白质及其组分含量、谷醇比、蛋白质产量均显著降低。可见,深松蓄水后,无论降水多少,膜际条播在提质方面均表现出较强优势,而当地传统耕作下,在较干旱的年份（2012—2013年）全膜覆土穴播则表现出较好的提质效果。造成这种结果的原因,可能是由于深松蓄水通过促进小麦根系下扎,增强根系对氮素的吸收及植株器官对氮素的运转能力,膜际条播条件下小麦籽粒氮素的前期积累主要通过茎秆的运转来实现,而全膜覆土穴播条件下则主要通过叶片的运转来实现。在免耕条件下,旱地小麦生长水分来源于生育期降水,在降水较少的年份（2012—2013年）,生育期降水主要集中在开花至成熟期,膜际条播于花后5月中旬回收地膜,该时期的降水充分渗透进土壤供小麦后期发育利用,实现增产,而籽粒蛋白质含量则由于其稀释效应相对降低;全膜覆土穴播于收获后6月上旬回收地膜,集中在开花至成熟期的降水渗透入土壤不充分,但是由于该覆膜方式下土壤水分蒸发量小的优点,使全膜覆土穴播条件下小麦籽粒产量降低不显著,而适度的水分亏缺有利于籽粒蛋白质积累。
此外,本团队相关研究结果表明,不同降水年型休闲期耕作条件下,开花期0—300 cm土层土壤水分与蛋白质含量密切相关,且中下层水分较上层水分与籽粒蛋白质积累关系密切[37]。本试验条件下,开花期土壤水分与籽粒蛋白质积累呈密切正相关。在2012—2013降水较少的年份,100—200 cm土层土壤水分与籽粒蛋白质含量的关系较密切,而在2013—2014降水较多的年份,200—300 cm土层土壤水分与籽粒蛋白质含量关系较密切。
4 结论
休闲期深松可将休闲期降雨蓄积至开花期,达到伏雨春夏用的目的,提高小麦产量16%—30%;覆盖播种可显著提高花前各生育时期的土壤蓄水量,提高小麦产量6%—24%。深松蓄水后,开花期土壤水分每增加1 mm,籽粒蛋白质产量提高2.24—11.21 kg·hm-2;覆盖播种后,在深松蓄水条件下,孕穗期土壤水分增加对籽粒蛋白质增产的效果最好,孕穗期土壤水分每增加1 mm,籽粒蛋白质产量增加2.88—12.38 kg·hm-2,在免耕条件下,越冬期土壤水分对籽粒蛋白质贡献最佳,越冬期土壤水分每增加1 mm,籽粒蛋白质产量增加2.04—4.64 kg·hm-2,且均以膜际条播增产效果显著。总之,休闲期深松配套膜际条播可同步实现黄土高原旱地小麦增产提质。（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
