0 引言
【研究意义】地膜覆盖技术在农业生产中的应用已十分成熟[1]。尤其在水资源匮乏的干旱半干旱地区,地膜覆盖技术具有显著的保温保墒效果,在小麦、玉米、油菜、马铃薯等作物中发挥了增产和提高水分利用效率的重要作用[2,3,4,5]。但是地膜的常年应用加之单一作物多年连作造成的土壤质量下降、白色污染等环境问题不容忽视。研究表明,地膜残留量过大会直接影响土壤环境,增加土壤容重、降低土壤水分运移速度,也会影响到作物对土壤水分和养分的吸收,最终造成减产[6,7]。虽然前人对可降解地膜替代普通地膜的应用效果做了许多研究,但由于技术、价格、认识等问题,目前很难在生产实践中广泛应用[8]。一膜两年用生产技术逐渐受到研究者关注,已应用于小麦、玉米、胡麻、向日葵等作物生产[9,10,11,12]。旧膜再利用仍然具有一定的增温保墒效果,其稳产、增产和提高水分利用效率、减少地膜残留污染的作用已得到验证[13]。河西绿洲灌区气候干燥,降雨稀少,潜在蒸发大。在追求高产的驱动下,水肥管理及利用水平低,水资源短缺及土地质量下降的问题日益突显。虽然新膜覆盖具有更好的增温保墒作用,但增加了生产成本和白色污染,另外后期较高的地温不利于喜凉作物小麦的生长,6月下旬至7月上旬容易受到干热风灾害。明确一膜两年用少耕轮作小麦在水氮减量条件下的生长特征及产量形成机制,进一步挖掘一膜两年用技术在水、氮减投条件下的生产潜力,将为广大水资源缺乏地区资源节约高效农田生产技术的研发产生推动作用。【前人研究进展】合理群体结构是小麦获得高产稳产的基础,其主要特征是具有较强的光合能力、良好物质累积性能和较高的转化效率（生物产量转化为经济产量）[14]。前人通过耕作措施、种植密度、水肥管理等不同农艺措施改善小麦生长状况,分析了不同措施下干物质累积及叶面积等生长规律与产量形成的机理[15,16,17,18],为小麦稳产高产生产技术奠定理论基础。适宜的水氮配施对增强小麦物质积累、提高光合能力、促进籽粒形成具有显著的耦合效应,而灌水和施氮量过大或过小都会造成籽粒形成受阻最终影响产量[19]。然而,单一应用某种技术并不能适应复杂的生产环境,其应有的效益难以充分发挥。例如,单一的栽培措施并不能有效抑制土壤水分的无效损失[20]。在干旱缺水地区,仅仅通过水肥管理很难最大限度发挥其应有的增产作用,会造成投入过量与资源浪费。研究表明,栽培措施与调亏灌溉集合应用反而能促进冬小麦的光合特性、干物质运转,提高水分利用效率[21]。因此,只有将耕作措施、覆膜技术、栽培措施有机结合集成应用,才能在有限的生态条件下发挥其综合潜能。【本研究切入点】一膜两年用少耕轮作技术在充分发挥旧膜保温保墒作用的同时,又具有少耕和轮作改善土壤理化性状的优势,为作物生长提供良好土壤水温环境并兼顾农田可持续利用的目标[10, 22]。前人在传统灌水和施氮条件下对一膜两年用少耕轮作的产量效益进行了一些研究。而在水氮减投条件下,开展一膜两年用少耕轮作小麦生长特征和产量形成机制的研究,可为挖掘新型种植模式及小麦节水、节肥潜力丰富理论基础,对干旱绿洲灌区节水、节肥等资源节约型农业生产的发展意义重大。【拟解决的关键问题】本研究通过大田试验,以传统耕作露地条播小麦为对照,研究一膜两年用少耕轮作小麦在水氮减投条件下的生长规律及产量形成机制,以期为干旱绿洲灌区小麦节水、节肥资源节约利用技术的构建提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验区概况
田间试验于2016年和2017年在甘肃省河西走廊东部永昌县朱王堡镇试验点进行（38°2′N,102°6′E）,年平均气温为7.8℃,平均降雨量为124 mm,年蒸发量2 000.6 mm,无霜期145 d,年平均日照2 884.2 h。该地区种植的作物主要有小麦、玉米、大麦,小麦一般采用露地条播、玉米无膜不植,长期连作,小麦与玉米偶尔倒茬,水肥管理混乱。试区土壤为典型灌漠土,土壤有机质含量为17.9 g·kg-1,全氮含量为0.78 g·kg-1,碱解氮含量为103.5 mg·kg-1,速效钾含量为172.2 mg·kg-1,速效钾含量为26.2 mg·kg-1。1.2 试验设计
2016年和2017年小麦试验田前茬均为覆膜玉米。试验设2种耕作方式、2个灌水水平及3个施氮水平,共12个处理,每个处理3次重复,共36个小区,小区面积70 m2（10 m×7 m）。其中,2种耕作方式为：一膜两年用少耕轮作小麦（RT）,具体做法是前一年覆膜玉米收获后5—10 cm立茬免耕,对留存的地膜进行检查,用土封压旧膜损伤、破裂处,使其保持完整,当年轮作小麦,小麦采用鸭舌式穴播机播种在玉米茬间,行距15 cm,穴距15 cm,小麦收获后翻耕,来年再次轮作玉米,在时间上形成少耕;传统耕作小麦露地条播（CT）,具体做法是前一年覆膜玉米收获后翻耕,当年轮作小麦,小麦采用传统露地条播方式播种,小麦收获后翻耕,来年再次轮作玉米。2个灌水水平为：减量20%灌水（I1）、传统灌水（I2）,灌水量分别为190 mm、240 mm;3个施氮水平为：减量40%施氮水平（N1）、减量20%施氮水平（N2）,传统施氮水平（N3）,用量分别为135 kg N·hm-2、180 kg N·hm-2、225 kg N·hm-2。供试小麦品种为“陇春30”,地膜宽度为140 cm、厚度为0.01 mm。2016年和2017年小麦分别于3月11日、3月13日播种,于7月20日、7月21日收获,小麦播种量均为460万粒/hm2。灌水按照地方传统习惯,冬储灌均为120 mm,小麦生育期内,I1水平在苗期、孕穗期、灌浆期分别灌水60、70、60 mm,I2水平在苗期、孕穗期、灌浆期分别灌水75、90、75 mm。2016年小麦生育期降雨量为105.9 mm,2017年为103.6 mm。磷肥施用量为150 kg P2O5·hm-2,氮肥和磷肥均作为基肥施用,一膜两年用少耕轮作方式采用施肥枪施入土壤。
1.3 指标测定
1.3.1 干物质量 生育期内每20 d测定1次地上部生物量。随机选取20株小麦植株样,105℃杀青1 h,80℃下继续烘干至恒重后称重。1.3.2 作物生长速率 CGR=(W2-W1)/(T2-T1),式中CGR表示干物质累积速率（kg·hm-2·d-1）,W1和W2分别为T1和T2时的干物重。
1.3.3 叶面积指数 每隔20 d采用重量法测定一次
叶面积。叶面积指数（LAI）为单位面积上所有叶片面积的总和与相应土地面积之比。
1.3.4 产量及产量构成 按小区单独收获计产（除去取样植株所占面积）,并随机选取20株小麦考种,测定单位面积穗数、穗粒数、千粒重。
1.3.5 花前累积干物质向籽粒的运转量 物质运转量=营养体最大干重-成熟期营养体干重。
1.3.6 花后同化物输入籽粒量 花后同化物输入籽粒量=成熟期籽粒干重-物质运转量。
1.4 数据统计
采用Microsoft Excel 2010整理、汇总数据,使用SPSS17.0软件进行线型回归、通径分析及显著性检验。通过分析发现,年份间气候差异对小麦生长速率、叶面积指数、产量及产量构成因素的影响均不显著,并且与其他因素间无显著交互作用,因此结果分析中不考虑年份对各指标的影响。2 结果
2.1 耕作方式和水氮配比对小麦生长指标的影响
2.1.1 小麦各阶段的生长速率 对各阶段小麦生长速率进行分析发现（图1）,耕作方式对小麦苗期（4月10日—4月30日）的生长速率无显著影响（P= 0.343）,而小麦苗期的生长速率受灌水和施氮处理影响显著（P=0.048,P=0.046）,耕作方式与灌水处理之间交互作用显著（P=0.048）。灌水处理对苗期小麦生长速率的影响在不同耕作方式中表现不一,一膜两年用少耕轮作小麦处理（RT）中,减量20%灌水水平（I1）与传统灌水水平（I2）之间差异不显著;而传统耕作小麦露地条播处理（CT）中,I1较I2处理降低13.7%。小麦苗期生长速率随施氮量的减少呈降低趋势,减量20%施氮处理（N2）较传统施氮处理（N3）降低6.4%,减量40%施氮处理（N1）较N2处理降低6.2%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同处理小麦各阶段的生长速率
-->Fig. 1Effect of different treatments on growth rate of wheat in each growth stage
-->
拔节期（4月30日—5月20日）小麦生长速率受到耕作方式和灌水水平的显著影响（P=0.026,P=0.038）,施氮水平对其影响不显著（P=0.375）,耕作方式与灌水水平之间交互作用显著（P= 0.036）。在拔节期间,RT小麦生长速率较CT提高8.5%。不同灌水水平相比较,在RT耕作方式中,I1与I2处理间小麦拔节期生长速率差异不显著;而在CT耕作方式中,I1处理使小麦拔节期生长速率有所降低,I1较I2处理降低了6.2%。
耕作方式、灌水水平和施氮水平对小麦孕穗到开花期（5月20日—6月9日）的生长速率均有显著影响（P=0.042,P=0.048,P=0.001）,且3个参试因子之间存在显著的交互作用（P=0.048）。在孕穗到开花期,I1灌水水平下,RT小麦生长速率分别在N1、N2、N3下较CT均有提高,两年平均提高16.5%、15.8%和8.4%;在I2灌水水平下,RT小麦生长速率分别在N2、N3施氮水平下较CT提高14.6%和6.3%。不同灌水水平之间相比较,I1较I2孕穗期到开花期的小麦生长速率在RT耕作方式下降低7.3%,在CT耕作方式下降低11.3%。不同施氮水平之间相比较,N1小麦孕穗到开花期的生长速率分别较N2和N3处理降低15.9%和19.9%,N2、N3间差异不显著。在孕穗至开花期,RT耕作方式在减量20%灌水水平和减量20%施氮处理下（RTI1N2）,仍然使小麦保持与RTI2N3相当的生长速率,为后期小麦籽粒形成奠定了良好的物质基础。
耕作方式、灌水水平对小麦开花至成熟期（6月9日—6月30日）的生长速率影响均不显著（P=0.541,P=0.236）,施氮水平对其影响显著（P=0.003）,耕作方式与灌水水平间有显著交互作用（P=0.049）。不同耕作方式下,灌水水平对小麦开花至成熟期的生长速率的影响表现不同,RT耕作方式中,I1与I2之间差异不显著,而在CT中I1较I2降低12.1%。不同施氮水平之间相比较,N1小麦开花至成熟期的生长速率分别较N2和N3处理降低33.2%和39.3%,N2、N3之间差异不显著。
2.1.2 叶面积指数动态变化 小麦全生育期叶面积指数动态如图2所示。耕作方式、灌水水平和施氮水平均对小麦叶面积指数影响显著（P=0.009,P=0.036,P=0.000）,各参试因子间交互作用不显著。全生育期叶面积指数平均值比较,一膜两年用少耕轮作（RT）小麦平均叶面积指数较传统耕作小麦露地条播（CT）平均提高13.9%。减量20%灌水水平（I1）较传统灌水（I2）小麦全生育期平均叶面积指数降低12.2%。减量施氮使小麦叶面积指数呈降低趋势,N1较N2小麦叶面积指数降低13.3%,N2较N3降低9.5%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同灌水和施氮处理玉米全生育期叶面积指数动态变化
-->Fig. 2Dynamics of leaf area index (LAI) of maize under different irrigation and nitrogen application treatments
-->
2.2 小麦产量及产量构成因素对耕作措施和不同水氮条件的响应
2.2.1 产量表现 耕作方式、灌水水平、施氮水平均对小麦产量有显著影响,且耕作方式、灌水和施氮水平间存在显著的交互作用（表1）。不同耕作方式相比较,在减量20%灌水水平（I1）下,一膜两年用少耕轮作小麦（RT）较传统耕作小麦露地条播（CT）具有显著增产作用,小麦籽粒产量分别在减量40%（N1）、减量20%（N2）、传统施氮（N3）水平下提高12.8%、9.1%、5.4%;在传统灌水水平（I2）下,RT与CT之间籽粒产量差异不显著。不同耕作方式下,灌水水平对小麦籽粒产量的影响表现不同。在RT耕作方式下,I1与I2处理籽粒产量差异不显著;在CT耕作方式下,I1较I2处理籽粒产量降低7.6%。不同施氮水平下,N1较N2、N3处理小麦籽粒产量降低11.6%、13.2%,N2与N3处理间差异不显著。由于各参试因素交互作用的存在,2016和2017年一膜两年用少耕轮作在水、氮减量20%处理（RTI1N2）下均获得最大籽粒产量,与传统灌水、传统施氮处理（RTI2N3）籽粒产量相当。生物产量对各参试因子的响应更为明显,RT较CT小麦生物产量平均提高8.9%。而减量灌水和施氮均使小麦生物产量有所降低,I1较I2处理小麦生物产量降低11.6%;N1分别较N2和N3处理小麦生物产量降低14.3%和19.7%,N2与N3处理间差异不显著。减量灌水在一膜两年用少耕轮作方式中有利于小麦收获指数的提高,I1较I2处理小麦收获指数分别在N1、N2、N3施氮水平下提高5.8%、11.4%、14.9%;除了N3施氮水平,传统露地条播方式小麦在I1与I2灌水水平之间的收获指数均无显著差异。在RT处理下,减量施氮提高了小麦收获指数,N1、N2小麦收获指数在I1条件下,分别较N3提高12.8%和7.0%,N1、N2处理之间差异不显著,但是在I2条件下,各施氮水平之间差异不显著;在CT处理下,N1小麦收获指数在I1水平下,分别较N2、N3提高8.0%、10.0%,N2、N1在I2水平下,较N3分别提高9.2%和7.1%。
Table 1
表1
表1不同耕作措施和水氮条件下小麦产量及产量构成
Table 1Grain yield and yield component factors of wheat under different tillage pattern, irrigation levels and nitrogen application levels
| 年份 Year | 处理 Treatment | 穗数 No. of ears (×104·hm-2) | 穗粒数 Grains per ear | 千粒重 1000-grain weight (g) | 籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2) | 生物产量 Biomass yield (kg·hm-2) | 收获指数 Harvest index |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | RTI1N1 | 494.7 | 36.0 | 34.7c | 6188d | 14030e | 0.44a |
| RTI1N2 | 493.8 | 36.0 | 41.4a | 7168ab | 17282b | 0.42b | |
| RTI1N3 | 495.2 | 35.9 | 39.4ab | 7188a | 18197b | 0.40c | |
| RTI2N1 | 488.6 | 35.4 | 35.7c | 6462c | 16813c | 0.38d | |
| RTI2N2 | 482.9 | 36.2 | 41.1a | 7206a | 19275a | 0.38d | |
| RTI2N3 | 494.5 | 36.1 | 40.7a | 7251a | 19580a | 0.37d | |
| CTI1N1 | 492.7 | 34.5 | 30.0d | 5376e | 11876f | 0.45a | |
| CTI1N2 | 488.5 | 36.4 | 36.9c | 6641c | 15718d | 0.42b | |
| CTI1N3 | 490.0 | 36.9 | 38.8b | 6888b | 16657c | 0.41bc | |
| CTI2N1 | 493.3 | 35.9 | 38.6b | 6517c | 16236cd | 0.40c | |
| CTI2N2 | 491.0 | 36.7 | 39.0ab | 6955b | 17000b | 0.41bc | |
| CTI2N3 | 490.9 | 36.1 | 40.4ab | 7165ab | 19079a | 0.38d | |
| 2017 | RTI1N1 | 484.7 | 34.0 | 39.7d | 6507f | 14456e | 0.45a |
| RTI1N2 | 483.8 | 34.0 | 43.5b | 7537a | 17538c | 0.43ab | |
| RTI1N3 | 485.2 | 34.7 | 44.5ab | 7557a | 19166b | 0.39cd | |
| RTI2N1 | 461.9 | 34.4 | 41.4cd | 6794e | 17379c | 0.39cd | |
| RTI2N2 | 482.9 | 34.7 | 44.8ab | 7576a | 19827ab | 0.38d | |
| RTI2N3 | 487.8 | 34.6 | 45.6a | 7623a | 20286a | 0.38d | |
| CTI1N1 | 482.7 | 33.8 | 35.7e | 5886h | 13233f | 0.45a | |
| CTI1N2 | 481.9 | 34.5 | 40.2d | 6840e | 16658cd | 0.41bc | |
| CTI1N3 | 483.3 | 36.1 | 41.5cd | 7094d | 17621c | 0.40c | |
| CTI2N1 | 483.3 | 33.4 | 41.9c | 6713ef | 16163d | 0.42b | |
| CTI2N2 | 484.3 | 34.4 | 43.7b | 7163d | 16947cd | 0.42b | |
| CTI2N3 | 484.2 | 35.2 | 44.1ab | 7377c | 19078b | 0.39d | |
| 耕作方式Tillage pattern (T) | NS | NS | 0.088 | 0.046 | 0.012 | NS | |
| 灌水水平Water (W) | NS | NS | 0.046 | 0.045 | 0.049 | 0.009 | |
| 施氮水平 Nitrogen (N) | NS | NS | 0.021 | 0.001 | 0.001 | 0.005 | |
| 耕作方式×灌水水平T×W | 0.045 | NS | 0.037 | NS | NS | NS | |
| 耕作方式×施氮水平T×N | NS | NS | NS | NS | NS | NS | |
| 灌水水平×施氮水平W×N | NS | NS | NS | 0.028 | 0.007 | 0.009 | |
| 耕作方式×灌水水平×施氮水平 T×W×N | NS | NS | NS | 0.048 | 0.032 | 0.031 | |
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2.2.2 产量构成 在基本苗一致的前提下,小麦单位面积穗数和穗粒数较为稳定,但是千粒重受到灌水水平和施氮水平的显著影响,耕作方式和灌水水平对千粒重有交互作用（表1）。一膜两年用少耕轮作（RT）在减量20%灌水水平（I1）下,较传统耕作小麦露地条播（CT）小麦千粒重有所提高,2016年在减量40%施氮（N1）、减量20%施氮水平（N2）下,分别提高15.7%、12.2%,2017年在N1、N2和传统施氮（N3）水平下,分别提高11.2%、8.2%、7.2%;在传统灌水水平（I2）下,RT与CT小麦千粒重之间差异不显著。不同灌水水平之间相比较,I1和I2在一膜两年用少耕轮作小麦条件下,处理间千粒重差异不显著,但是在CT耕作方式中,I1较I2降低9.9%。不同施氮水平间,N1分别较N2和N3小麦千粒重降低10.0%和11.2%。该结果表明,传统耕作露地条播方式中减量灌水和减量施氮均使小麦千粒重有所降低,而一膜两年用少耕轮作可消除减量20%灌溉水平与传统灌水水平之间千粒重的差异。
2.3 产量形成机制分析
2.3.1 籽粒中的干物质来源 如表2所示,耕作方式对小麦干物质运转量及其对籽粒贡献率的影响均不显著,而灌水水平和施氮水平均有显著影响。减量20%灌水水平（I1）显著提高小麦干物质运转量,其中干物质运转量较传统灌水水平（I2）提高44.2%,干物质运转对籽粒贡献率提高45.9%。小麦干物质运转量也随施氮量的减少呈增大趋势,其中减量40%施氮（N1）较减量20%施氮（N2）增大20.7%,贡献率提高31.9%;N2较传统施氮水平（N3）增大29.9%,贡献率提高30.2%。花后光合产物是小麦籽粒形成的主要物质来源,对籽粒的贡献率平均达到85.5%。耕作方式、灌水水平和施氮水平对花后光合产物输入籽粒量的影响均显著,且耕作方式与灌水水平处理之间交互作用显著。一膜两年用少耕轮作小麦（RT）可促进花后光合产物输入籽粒,花后光合产物输入量平均较传统耕作小麦露地条播（CT）提高9.0%,并且这一促进作用在I1条件下更为明显,在I1水平下,RT小麦花后光合产物输入籽粒量较CT提高了26.2%,对籽粒贡献率提高4.9%。不同灌水水平之间相比较,在RT条件下,I1与I2花后光合产物向籽粒运输量差异不显著;而CT条件下,I1较I2减少21.3%,对籽粒的贡献率降低了13.1%。施氮量过低会抑制花后光合产物向籽粒的运输,N1分别较N2和N3减少17.8%和23.2%,对籽粒的贡献率分别降低7.6%和11.9%,而N2与N3处理之间差异不显著。Table 2
表2
表2不同耕作方式和水氮条件下小麦籽粒干物质来源
Table 2Contribution of dry matter translocation to wheat grain with different tillage pattern, irrigation and nitrogen application levels
| 年份 Year | 处理 Treatment | 干物质运转 Mobilized matter | 花后光合产物输入籽粒量 Matter of grain from photosynthetic product after flowering | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 运转量 Amount of translocation (kg·hm-2) | 对籽粒贡献率Contribution to grain (%) | 输入量 Amount of input (kg·hm-2) | 对籽粒的贡献 Contribution to grain (%) | ||
| RTI1N1 | 1175.7b | 18.5b | 5331c | 81.5c | |
| 2016 | RTI1N2 | 1078.3bc | 14.0c | 6458b | 86.0b |
| RTI1N3 | 987.0c | 13.2c | 6570ab | 86.8b | |
| RTI2N1 | 892.6cd | 13.5c | 5902b | 86.5b | |
| RTI2N2 | 683.4d | 9.3d | 6893a | 90.7a | |
| RTI2N3 | 379.2e | 5.1e | 7244a | 94.9a | |
| CTI1N1 | 1622.3a | 27.5a | 4263d | 72.5d | |
| CTI1N2 | 1696.8a | 24.2a | 5143c | 75.8d | |
| CTI1N3 | 1208.6b | 16.9bc | 5885b | 83.1c | |
| CTI2N1 | 625.7de | 9.6d | 6088b | 90.4b | |
| CTI2N2 | 451.5e | 6.2de | 6711a | 93.8ab | |
| CTI2N3 | 167.1f | 2.3e | 7210a | 97.7a | |
| RTI1N1 | 1619.4a | 25.4a | 4887de | 74.6d | |
| 2017 | RTI1N2 | 1357.7b | 17.9b | 6179bc | 82.1c |
| RTI1N3 | 886.8d | 11.9cd | 6670ab | 88.1ab | |
| RTI2N1 | 1195.7c | 18.0b | 5598c | 82.0c | |
| RTI2N2 | 566.4e | 7.4e | 7010a | 92.6a | |
| RTI2N3 | 542.4e | 7.2e | 7081a | 92.8a | |
| CTI1N1 | 1502.8ab | 25.5a | 4383e | 74.5d | |
| CTI1N2 | 1327.3b | 18.8b | 5513cd | 81.2c | |
| CTI1N3 | 815.6de | 11.4d | 6278b | 88.6ab | |
| CTI2N1 | 1268.2bc | 19.2b | 5445d | 80.8c | |
| CTI2N2 | 1074.9cd | 14.9c | 6088bc | 85.1bc | |
| CTI2N3 | 738.6e | 10.0de | 6639ab | 90.0ab | |
| 耕作方式Tillage pattern (T) | NS | NS | 0.009 | NS | |
| 灌水水平Water (W) | 0.027 | 0.041 | 0.025 | NS | |
| 施氮水平 Nitrogen (N) | 0.026 | 0.013 | 0.008 | 0.012 | |
| 耕作方式×灌水水平T×W | NS | 0.043 | 0.035 | 0.043 | |
| 耕作方式×施氮水平T×N | NS | NS | NS | NS | |
| 灌水水平×施氮水平W×N | NS | NS | NS | NS | |
| 耕作方式×灌水水平×施氮水平 T×W×N | NS | NS | NS | NS | |
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2.3.2 籽粒产量形成机制分析 通过相关性分析和通径分析发现（表3）,千粒重、光合产物输入量和平均叶面积指数与小麦籽粒产量呈正相关关系,干物质运转量与籽粒产量呈负相关关系。直接通径系数表明,各因素对小麦籽粒产量的影响顺序为：光合产物量（1.428）>干物质运转量（0.939）>千粒重（0.220）>平均叶面积指数（-0.002）。间接通径系数表明,千粒重主要通过花后光合产物输入量实现对籽粒产量的贡献（0.797）,干物质运转量与花后光合产物输入量对籽粒产量呈反作用（-1.189）,干物质运转量增大会影响花后光合产物输入量对籽粒产量的贡献,叶面积指数主要通过花后光合产物输入量来实现对籽粒产量的贡献（0.916）。以上结果表明,在基本苗一致的前提下,各处理单位面积穗数和穗粒数差异不显著,耕作方式、灌水水平和施氮水平对籽粒产量的影响最终表现在千粒重的差异上,花后光合产物向籽粒的输入量对千粒重起到决定性作用,同时与营养器官向籽粒的干物质转移量呈此消彼长的关系,较为稳定的叶面积是保证花后光合产物输入籽粒量的关键。
Table 3
表3
表3小麦籽粒产量与产量构成及籽粒物质来源的相关系数和通径系数
Table 3Correlation coefficient and path coefficient of wheat grain yield with yield component factors, dry matter translocation, photosynthetic product, leaf area index, respectively
| 与籽粒产量的相关系数 Correlation coefficient with yield | 直接通径系数 Direct path coefficient | 间接通径系数 Indirect path coefficient | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | |||
| X1 | 0.016 | -0.055 | -0.004 | -0.040 | -0.026 | 0.142 | 0.000 | |
| X2 | 0.040 | -0.025 | -0.008 | -0.074 | -0.007 | 0.155 | 0.000 | |
| X3 | 0.751** | 0.220** | 0.010 | 0.008 | -0.283 | 0.797 | -0.001 | |
| X4 | -0.314* | 0.939** | 0.000 | 0.000 | -0.066 | -1.189 | 0.001 | |
| X5 | 0.760** | 1.428** | -0.006 | -0.003 | 0.123 | -0.781 | -0.001 | |
| X6 | 0.675** | -0.002 | -0.006 | -0.003 | 0.122 | -0.353 | 0.916 | |
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3 讨论
3.1 一膜两年用少耕轮作对水氮减投小麦前期生长的促进作用
试区属于典型的干旱灌区,多年平均年潜在蒸发量高达1 105.7 mm,平均降雨量仅124 mm,水分是限制农业生产的首要因素。研究表明,一方面一膜两年用可显著抑制冬闲期土壤水分的蒸发,玉米播种期0—60 cm土壤含水量比早春顶凌半膜覆盖提高3.9%—4.1%[23]。另一方面,一膜两年用较新膜覆盖还能减少农资投入和白色污染,避免新膜下较高的土壤温度对小麦这种喜凉作物生长的抑制作用。作物生长状况是其籽粒产量形成的基础,也反应了栽培措施对作物生长的适宜程度,直接表现在生长速率和叶面积大小上。本研究中,一膜两年用少免耕轮作方式较传统耕作露地条播显著提高了小麦拔节期、孕穗至开花期的生长速率,分别提高8.5%、9.0%;缓解了水氮减投对小麦生长速率的抑制作用。主要原因为：一是苗期小麦叶面积较小,地表裸露程度较大,两年用旧膜仍有一定的抑制蒸发作用和增温效果,为苗期生长提供有利的水热条件[10];二是小麦进入拔节期后,气温和自身需水量都在逐渐提高和增大,一膜两年用少耕提高了土壤水分和氮素的有效性,为小麦生长提供了良好的水肥条件[11]。另外,一膜两年用少耕轮作增大了小麦全生育期叶面积指数,较传统耕作方式提高了13.7%。适宜的叶面积保证了光合时间和光合强度,为小麦生长发育提供了充足的光合物质来源[24]。3.2 一膜两年用少耕轮作对水氮减投小麦的稳产增产效果
土壤水分相对较低的条件下,灌水对小麦产量形成的促进比施氮作用大[25]。灌水量过多会降低小麦产量,主要是由于灌水过多容易淋洗根部硝酸盐,造成氮素供应不足,引起根部早衰和抑制光合作用[26]。在保证亩穗数前提下,于小麦生育前、中期适度灌溉,可抑制营养过旺生长,后期补充灌溉有利于籽粒形成[27]。本研究结果表明,一膜两年用少耕轮作方式在较低的水氮条件下才能充分发挥其增产潜力,在水、氮减投20%条件下的小麦最终获得的籽粒产量与传统灌水、施氮水平处理相当,2016年和2017年分别达到7 168 kg·hm-2、7 537 kg·hm-2,较同一灌水和施肥水平传统耕作露地条播小麦平均增产9.1%。减量灌水和减量施氮降低了小麦生物产量,但一膜两年用少耕轮作小麦收获指数在水、氮减投20%条件下较传统灌水、施氮水平提高了13.2%。该结果进一步证明了一膜两年用少耕轮作对水氮减投小麦产量的促进作用。3.3 一膜两年用少耕水氮减投轮作小麦籽粒产量的形成机制
小麦籽粒形成的物质主要来源于花后光合产物的积累[28]。本研究中,花后光合产物对小麦籽粒的贡献率平均达到85.5%。研究表明,在限量灌水条件下,节水高效农艺措施通过改善土壤水分条件、增强光合性能、促进光合产物运转来获得高产[29]。一膜两年用少耕轮作促进了花后光合产物向籽粒的输入,较传统耕作小麦露地条播处理平均提高9.0%,并且这一促进作用在减量灌水条件下更为突出,减量20%灌水水平下较传统耕作方式提高了26.2%,对籽粒的贡献率提高4.9%。同时,一膜两年用少耕轮作消减了减量灌水对花后光合产物向籽粒输入的抑制作用,该耕作方式下减量20%灌水处理与传统灌水处理差异不显著。减量20%施氮与传统施氮水平之间花后光合产物输入籽粒量也无显著差异。保持足够的花后光合产物向籽粒的输入量是一膜两年用少耕轮作在水氮减投条件下获得较高产量的主要原因之一。就禾谷类作物而言,单位面积穗数、穗粒数、粒重等产量构成因素的协调发展是实现高产的基础[30]。本研究结果表明,在基本苗和土壤肥力等条件一致的前提下,小麦单位面积穗数和穗粒数较为稳定,不同灌水和施氮水平对籽粒产量形成的影响主要表现在千粒重上。一膜两年用少耕轮作小麦在水氮减投20%条件下,仍能获得与传统大水大肥条件同等水平的籽粒产量。其主要原因为：一方面一膜两年用少耕较露地条播改善了土壤水热条件,提高了作物对土壤水分的利用效率[31,32];另一方面,籽粒形成期光合产物是籽粒形成的主要物质来源,适宜的水氮配比使籽粒灌浆的时间得以延续、灌浆强度增大,从而促进了花后光合产物向籽粒的输入[33,34,35]。地膜覆盖明显提高作物叶面积指数,增加作物光合源、增强光合势,大幅增强其同化能力[36]。在水氮减投条件下,一膜两年用少耕轮作小麦形成适宜的叶面积指数为籽粒的形成提供了物质保障,也是该耕作方式获得较高产量的重要前提。
4 结论
一膜两年用少耕轮作小麦生产技术在干旱绿洲灌区较传统耕作小麦露地条播增产效应明显。尤其在传统灌水量减量20%（190 mm）灌水水平、传统施氮量减量20%施氮水平（180 kg N·hm-2）条件下,一膜两年用少耕轮作处理提高了小麦生长速率以及全生育期叶面积指数,为籽粒形成提供了充足的光合产物源,花前光合产物再运转量与花后光合产物输入籽粒量之间的平衡使小麦最终获得高产。因此,在稳产甚至增产的前提下,应用一膜两年用少耕轮作小麦生产技术可实现农田节水、节氮高效生产的目的,可作为干旱绿洲灌区资源节约高效生产技术的参考。（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
