休闲期耕作对旱地小麦产量及品质的影响

张娟，孙敏，原亚琦，梁艳妃，杨清山，高志强

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

稳定旱地小麦产量，提升旱作麦区的整体生产水平一直是华北旱区栽培工作者研究的主要课题，而在稳定产量的同时，籽粒品质的进一步提升也受到人们关注。小麦产量和籽粒品质受遗传特性、环境条件和栽培措施等因素的影响[1～3]。休闲期深松和深翻能改变土壤结构，改善土壤通透性，提高土壤入渗性能，有利于小麦产量和水分利用效率的提高[4～6]。廖允成等[7]研究表明夏闲期深松后，0～200 cm土壤水分提高，播种时土壤降水蓄积量增加76 mm；王新俊等[8]研究表明，深松能提高耕层土壤蓄水量，增产10.5%；王育红等[9]研究表明，豫西旱坡地深松处理后，平均产量较传统耕作高703 kg·hm-2，增产18.8%，水分利用效率提高16.8%。而耕作影响产量的同时也影响籽粒品质，大量研究表明休闲期深松较免耕可提高籽粒蛋白质及组分含量[10～12]，吴金芝等[13]研究表明，深松覆盖较免耕降低沉降值、湿面筋含量，深耕较免耕沉降值、湿面筋含量和干面筋含量提高。前人研究主要集中于休闲期耕作对土壤水分、产量和品质的单一研究，而如何利用耕作蓄积土壤水分，提高小麦根系活力，促进小麦根系对深层土壤水分和养分的吸收能力，协调地上部与地下部的生长，从而提高小麦产量、改善品质有待进一步探索。本文在休闲期采用深松和深翻模式，研究其对土壤水分、小麦根系特征、花后氮代谢酶活性、产量和籽粒品质的影响，旨在寻求最佳休闲期耕作模式，提高黄土高原旱地小麦产量和品质。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验点位于山西省闻喜县旱地小麦试验基地，试验地无灌溉条件，夏季休闲。其中小麦播种前试验田0～20 cm土层土壤含有机质10.55 g·kg-1，速效磷17.64 mg·kg-1，全氮0.68 g·kg-1，碱解氮37.65 mg·kg-1。试验田2015—2016年降水量见图1。试验设计休闲期深松和深翻2个处理，深松深度为30～40 m，深翻深度为25～30 cm。小区面积为3 m×50 m=150 m2，设置3个重复。深松和深翻处理均在7月20日进行，8月29日耙耱收墒，10月1日播种，供试品种为晋麦92，采用膜际条播，播种时基施150 kg N·hm-2， 150 kg P2O5·hm-2， 75 kg K2O·hm-2，基本苗2.25×106株·hm-2。

图1 闻喜试验点的降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤蓄水量

分别于播种期、越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期测定0～300 cm土层土壤含水量，土壤含水量测定方法测定及土壤需水量计算方法参照孙敏等[10]。

1.2.2 根系特征

分别于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期，用CI-600根系扫描观测仪记录0～80 cm小麦根系的动态，并获取相应图片，用WinRHIZO根系分析软件对根系参数进行解析。

1.2.3 根系活力的测定

分别于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期，0～20 cm土层根系作为根系活力的测定目标，用α-萘胺法进行测定[14]。

1.2.4 籽粒蛋白质及组分含量与氮代谢酶活性的测定

参考孙敏等[10]、赵红梅等[15]的测定方法。

1.2.5 沉降值和面筋含量的测定

参考吴金芝等[13]的测定方法。

1.2.6 产量及构成的测定

参考孙敏等[10]的测定方法。

1.3 统计分析

分别采用Excel 2007、DPS、SPSS进行数据录入和统计分析，不同处理间用LSD法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 耕作对各生育时期0～300 cm土壤蓄水量的影响

由表1可以看出，随生育进程推移，与深翻处理相比，深松处理显著提高播种期—孕穗期0～300 cm土壤蓄水量，各生育时期分别提高25.92、15.60、14.10、17.94 mm，开花期—成熟期深松模式高于深翻模式，但两处理之间差异不显著。说明休闲期深松的蓄水效果可延续至孕穗期。

表1 休闲期耕作对各生育时期0～300 cm土壤蓄水量的影响/mmTable 1 Effects of tillage during fallow period on soil water storage at the depth of 0～300 cm at different growth stages

注：同列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。

Note:Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

2.2 耕作对根系特征的影响

2.2.1 对0～80 cm根系总长、总体积的影响

由图2可以看出，随生育进程的推移，0～80 cm土层根系总长、总体积呈现的变化趋势是先增加后降低，且拔节期达到最高。与深翻处理相比，深松提高整个生育期的根系总长、总体积，且越冬—孕穗期达显著水平。说明休闲期深松对孕穗期之前的根系总长、总体积影响较大。

图2 休闲期耕作对0～80 cm根系总长、总体积的影响Fig.2 Effects of tillage during fallow period on on root length and total root volume of 0～80 cm

2.2.2 对0～20 cm土层根系活力变化的影响

由图3可以看出，随生育进程的推移，0～20 cm土层根系活力的变化趋势是先增加后降低，且拔节期达到最高。与深翻处理相比，深松提高整个生育期根系活力，且越冬—孕穗期差异达显著水平。说明休闲期深松对孕穗期之前的根系活力影响较大。

图3 休闲期耕作对0～20 cm根系活力的影响Fig.3 Effects of tillage during fallow period on root cativity of 0～20 cm

2.3 耕作对籽粒品质的影响

由表2可知，与休闲期深翻处理相比，休闲期深松显著提高籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、干面筋含量和沉降值。深松和深翻处理的籽粒蛋白质含量分别为15.12%和14.09%，湿面筋含量分别为35.23%和32.33%，干面筋含量分别为11.04%和10.14%，沉降值分别是36和34 mL；深松较深翻蛋白质含量、湿面筋含量、干面筋含量和沉降值增幅分别为7%、9%、10%和6%。说明休闲期深松较深翻可以提升籽粒品质。

2.4 耕作对氮代谢酶活性的影响

2.4.1 对旗叶氮代谢酶活性的影响

由图4可以看出，休闲期耕作对花后旗叶GS活性的影响呈逐渐下降的趋势，花后15 d略有回升，对花后旗叶GDH活性的影响呈“M”的变化趋势。与深翻相比，深松显著提高花后5～30 d旗叶GS活性和花后30 d旗叶GDH活性，降低花后5～15 d旗叶GDH活性。说明休闲期深松有利于提高花后旗叶GS活性。

表2 休闲期作对籽粒品质的影响Table 2 Effects of tillage during fallow period on grain quality

注：同列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。

Note:Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

图4 休闲期耕作对旗叶GS、GDH酶活性的影响Fig.4 Effects of tillage during fallow period on the activities of GS，GDH in flag leaves

2.4.2 对籽粒氮代谢酶活性的影响

由图5可见，休闲期耕作对花后籽粒GS活性的影响呈逐渐下降的趋势(深松下花后25 d有回升)，对籽粒GDH的影响呈逐渐升高的趋势。与深翻相比，深松显著提高花后5～15 d、25～30 d籽粒GS活性，降低5～30 d籽粒GDH活性，且花后20～30 d差异显著。说明休闲期深松有利于提高花后籽粒GS活性。

图5 休闲期耕作对籽粒GS、GDH酶活性的影响Fig.5 Effects of tillage during fallow period on the activities of GS，GDH in grains

2.5 耕作对产量及水分利用效率的影响

由表3可见，与休闲期深翻处理相比，休闲期深松显著提高籽粒产量及水分利用效率。深松和深翻处理产量分别是5 769 kg·hm-2和5 271 kg·hm-2，水分利用效率分别是14.21 kg·hm-2·mm-1和13.61 kg·hm-2·mm-1；深松较深翻产量和水分利用效率增幅分别为9%和7%。产量三要素中，深松处理下穗数和穗粒数高于深翻处理，仅穗数差异性显著；深松处理千粒重低于深翻处理，但差异不显著。说明休闲期深松处理产量和水分利用效率高于深翻处理。

表3 休闲期耕作对籽粒产量及水分利用效率的影响Table 3 Effects of tillage during fallow period on grain yield and water use efficiency

注：同列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。

Note: Value followed by different letters are significantly different atP<0.05.

2.6 土壤蓄水量、根系特征与产量及籽粒蛋白质含量的关系

将各生育时期土壤蓄水量、根系总长、根系总体积、根系活力与产量及蛋白质含量进行逐步回归分析(表4)。由表4得，孕穗期0～300 cm土壤蓄水量与产量的逐步回归方程为Y=27.713X-6121.947，越冬期0～80 cm根系总长与产量的逐步回归方程为Y=11.676X+3140.495，拔节期0～80 cm根系总体积与产量的逐步回归方程为Y=2 924.588X+3 809.606，越冬期0～20 cm根系活力与产量的逐步回归方程为Y=25.097X+1 403.383；开花期0～300 cm土壤蓄水量与籽粒蛋白质含量的逐步回归方程为Y=0.143X-30.694，越冬期0～80 cm根系总长与籽粒蛋白质含量的逐步回归方程为Y=0.024X+9.690，开花期0～80 cm根系总体积与籽粒蛋白质含量的逐步回归方程为Y=34.238X-0.286，孕穗期0～20 cm根系活力与籽粒蛋白质含量的逐步回归方程为Y=0.065X+4.073。说明孕穗期和开花期0～300 cm土壤蓄水量分别对籽粒产量和蛋白质含量的影响较大，而不同生育时期根系特征对产量和籽粒蛋白质含量的影响存在差异。

表4 土壤蓄水量、根系特征与籽粒产量、蛋白质含量逐步回归方程Table 4 Stepwise regression equation for soil water storage, root characteristics, grain yield and protein content

3 讨论与结论

水分是影响旱地小麦生长的主要限制因子，休闲期耕作有利于夏季降雨的有效蓄积，提高播前土壤贮水量[16]，对于旱地小麦稳产意义重大。Wang等[17]研究表明，休闲期深松加深耕层不翻动土壤，改善土壤透水性，减少蒸发，提高对自然降水等的蓄积能力；毛红玲等[18]研究表明，休闲期进行深松较翻耕提高播前0～300 cm土壤蓄水量21 mm。本研究表明，较休闲期深翻处理，深松处理显著提高播种期—孕穗期0～300 cm土层土壤蓄水量，播种期两处理差值达26 mm，随着生育期的推进，其差值逐渐缩小，开花期和成熟期差值达到最小，且差异性不显著。说明休闲期深松处理较深翻处理增加播前土壤蓄水量，促进小麦群体生长，群体生长亦对土壤水分利用、天然降雨蓄积有一定的正向作用，保证小麦休闲期深松效果持续至孕穗期。

根系是作物从土壤中获取水分和养分的重要器官，而耕作是影响根系生长的重要农艺措施。杨林丰等[19]研究表明，深松能够减少根系阻力，使根系生长到土壤深层部分，增加根的数量和体积。王新兵等[20]、Mu等[2]研究表明，深松可以提高玉米深层根系的量和根系体积，深松处理后根系不仅能更好的向深层土壤下扎，而且向植株两侧扩展的范围变大。本研究表明，采用休闲期耕作小麦地下部的形态指标(0～80 cm根系总长、根系总体积)和根系生理指标(0～20 cm根系活力)都是随着生育进程先增后降，峰值在拔节期取得(深翻处理的根系总体积峰值在孕穗期)，且开花期—成熟期两处理间差异不显著。说明小麦休闲期深松处理较深翻处理对土壤结构和水分的影响更利于其地下部的生长，其峰值出现在拔节期，亦是小麦营养生长高峰期，拔节期之后小麦开始从营养生长转向生殖生长，地下部形态上出现衰落，生理上也表现根系活力下降。

籽粒蛋白质含量是影响籽粒品质的重要指标之一，有研究表明深松能提高籽粒蛋白质含量，改善品质[21,22]，本试验条件下，休闲耕作会影响小麦的品质，较深翻处理，深松处理显著提高量籽粒蛋白质含量，面粉的湿面筋、干面筋含量和沉降值。说明与休闲期深翻相比深松能够提高籽粒蛋白质含量，在面粉上导致筋力强度提升。GS/GOGAT循环是氨同化的重要途径，而GDH催化反应也可以调控植物氨同化，氮代谢酶活性高，无机态氮转化为有机态氮效率高，可为籽粒蛋白质积累提供充足的氮源[23～24]。本研究表明，休闲期耕作的花后

旗叶和籽粒的GS、GDH酶活性呈相反趋势，且对小麦花后旗叶和籽粒GS、GDH活性影响较大。休闲期深松较深翻提高花后旗叶和籽粒GS活性，增强小麦的氮代谢同化。而深翻处理0～300 cm土层土壤蓄水量低于深松处理，GDH活性在干旱条件下为提供籽粒蛋白质合成所需氮源起着重要的作用[15]，致使深翻处理下GDH活性高于深松。深松改善品质的同时有利于产量的提高，柏炜霞等[25]研究表明，旱地小麦深松处理后，小麦籽粒产量增加8%，水分利用效率增加11%。本实验条件下，休闲期深松处理产量和穗数、水分利用效率显著高于深翻处理，深松处理产量达5 769 kg·hm-2、水分利用效率达14%，较深翻处理增幅分别达9%、7%，且产量三要素中只有穗数差异性显著。说明深松处理通过穗数来增加产量，这与李国清等[26]的研究结果一致。

本研究对土壤蓄水量、根系特征与产量及籽粒蛋白质含量进行逐步回归分析得出，与籽粒产量关系紧密的分别是孕穗期土壤蓄水量、越冬期根系总长、拔节期根系总面积、越冬期根系活力；籽粒蛋白质含量关系紧密的分别是开花期土壤蓄水量、越冬期根系总长、开花期根系总面积、孕穗期根系活力。说明营养生长与生殖生长转折点孕穗期土壤水分对产量影响较大，籽粒形成前期土壤水分对籽粒蛋白质含量影响较大；根系特征由于地下部复杂，取样以及CI600本身的局限性，对籽粒产量和蛋白质含量的根系特征生育期较为混杂，但都在小麦关键生育时期，侧面反映关键生育时期地下部生长对产量和品质重要性。

综上，休闲期深松处理和深翻处理影响土壤结构及其水分，间接影响小麦根系生长，最后影响产量和品质(图6)。孕穗期、开花期土壤蓄水量分别与籽粒产量、蛋白质含量关系紧密，关键生育时期根系特征与籽粒产量及蛋白质含量关系紧密。深松处理较深翻处理提高花后旗叶和籽粒酶活性，最终提高了籽粒品质(包括营养品质蛋白质含量和面粉品质的面筋含量、沉降值)。

图6 休闲期耕作对小麦产量及品质影响的模式图Fig.6 Pattern diagram of effects of leisure tillage on wheat yield and quality