苜蓿-冬小麦间作叶片SPAD 值及产量表现

穆阳阳， 周艳丽， 杨慎骄， 岳喜天， 王静丽， 张晓红*

(1.山西师范大学，山西 临汾 041004； 2.山西省临汾市尧都区农业林业委员会，山西 临汾 041000； 3.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002； 4.河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南 商丘 476000；5.河南农业大学，河南 郑州 450002)

小麦作为中国三大粮食作物之一，常年播种面积和产量分别占粮食总量的25%和22%左右，对我国经济社会发展和国家粮食安全至关重要[1]。近年来，我国小麦在解决了高产、稳产之后，已把重点转移到优质、高产和高效上来[2]。间作是我国传统农业的精髓，在我国粮食生产中具有重要的地位[3-5]，而冬小麦、苜蓿间作有利于丰富物种多样性，促进生态农业的发展。叶绿素作为光合作用的物质基础，可将光能转化为化学能，对植物的生长发育至关重要。在小麦等作物中，籽粒产量的70%～90%来自于光合作用，因此研究叶片的叶绿素含量意义重大[6-8]。利用SPAD-502(Soil Plant Analysis Development)叶绿素仪能够快速无损地测定植物叶绿素的相对含量(SPAD 值)[9]。有研究表明，苜蓿叶中部为SPAD值适宜测定部位，冬小麦SPAD 值与叶绿素含量呈极显著正相关[10-11]。冬小麦灌浆期叶绿素含量与单穗重呈显著正相关，与千粒重呈极显著正相关[12]。苜蓿-冬小麦间作以科学合理的种植模式引入冬小麦保护性耕作技术体系，有利于提高作物物种多样性与生态农业的发展。已有的SPAD值与产量的研究大多集中在传统的粮食和经济作物上，但其在苜蓿与冬小麦间作模式下的研究鲜有报道。因此，以苜蓿、冬小麦为对象，研究间作模式下叶片SPAD值、苜蓿产量及冬小麦产量组成间的变化，分析苜蓿-冬小麦间作种植模式对苜蓿产量与冬小麦产量和品质的影响，为合理应用苜蓿-冬小麦间作模式，提高苜蓿与冬小麦产量和品质提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于河南省商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(34°35′13′′N，115°34′30′′E，海拔55.6 m)。该地区属于暖温带亚湿润季风性气候，年平均降雨量约为708 mm，降雨集中在7-9月份，年平均气温13.9℃，无霜期230 d。根据商丘实验站提供的数据(图1)，冬小麦生育期内降水、气温极值变化幅度较大。试验地连续多年实行冬小麦、夏玉米周年两熟种植，土壤类型为潮土，成土母质为黄河冲积物。2017年4月开始实施苜蓿-冬小麦间作时，苜蓿播种前0～40 cm土层土壤容重1.42 g/cm3，田间持水率(质量含水率)为17.41%～20.30%，40～100 cm土层的土壤容重及田间持水量分别为1.34 g/cm3和22.24%～27.76%。0～20 cm土层pH 7.42，有机质17.69 g/kg,全氮0.51 g/kg,全磷0.82 g/kg,全钾8.88 g/kg,有效氮(铵态氮和硝态氮之和)39.96mg/kg,有效磷17.99 mg/kg,速效钾167.85 mg/kg。2017-2018年冬小麦起身期(2018年3月7日)追施复合肥料(N∶P2O5∶K2O=27∶7∶6)600 kg/hm2。

图1商丘2017年10月至2018年6月的降雨量与温度极值

Fig.1 Rainfall (curve) and temperature (bar) extremes from 2017.10 to 2018.06

1.2 试验材料

供试苜蓿品种为美国进口MATTWI包衣种子，试验期间为紫花苜蓿建植第2年。冬小麦品种为新原958。

1.3 试验设计

苜蓿于2017年4月9日人工播种，播量125 kg/hm2；冬小麦于2017年10月30日人工播种，播量为225 kg/hm2。间作设2个处理，即苜蓿、冬小麦带宽分别设为1 m∶1 m(MD)和1 m∶2 m(M2D)，每个处理3次重复，每处理小区长20 m，宽5 m，另设单播冬小麦(CK-X)和单播苜蓿(CK-M)作对照。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 SPAD值 2018年3-6月，每隔10 d测定苜蓿、冬小麦叶片的SPAD值，测定时苜蓿、冬小麦各随机选择10株，测定位置为冠层叶片的中部。

1.4.2 株高 每个小区随机选择苜蓿、冬小麦各10株，测量其垂直高度，与SPAD观测同时进行。

1.4.3 产量 冬小麦生理成熟后，每处理收获3个1 m2样方，脱粒晒干折算单产。每小区随机选取10株冬小麦进行室内考种，测定株高(cm)、穗长(cm)、穗粒数(粒)、千粒重(g)等；苜蓿进入初花期后(盛开1/5时为初花期)，每个处理贴地割取3个2 m长行段，剔除其中的杂草后称鲜重，采集适量鲜样本测鲜重和干重(105℃下杀青10 min，然后在80℃条件下烘干至恒重)计算干鲜比，进而计算苜蓿干鲜产量，共刈割2次。

1.5 数据分析

采用SPSS 22.0和Excel 2010 进行数据统计分析,采用origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 苜蓿和冬小麦叶片的SPAD 值及株高生长量

2.1.1 苜蓿 由图2可知，在分枝期与营养期(3月29日至4月18日)苜蓿叶片不断生长发育，叶片SPAD值上升，分枝期MD、M2D的SPAD值上升速度大于CK-M，营养期SPAD值含量CK-M超过MD和M2D； 4月28日观测，苜蓿进入现蕾期，SPAD值最低，现蕾期过后，MD 的SPAD值开始上升，M2D的SPAD值趋于平稳，单播苜蓿SPAD值逐渐降低。苜蓿叶片的SPAD值表现为MD>M2D>CK-M，说明间套种植对苜蓿叶片叶绿素含量有一定影响，且带宽越窄，苜蓿叶片叶绿素受影响的强度越大，致使苜蓿叶片内SPAD出现不同程度的升高。苜蓿株高均随着苜蓿生育期的延续呈逐渐上升趋势，且进入现蕾期(4月28日)后苜蓿的生长速度变快，单播苜蓿斜率最大，生长最快，MD、M2D生育期内生长速率基本相同，M2D株高略高于MD。苜蓿株高表现为CK-M>M2D>MD。

图2 不同处理苜蓿的SPAD 值和株高

Fig.2 The SPAD value and plant height of alfalfa under different belt intercropping

图3 不同处理冬小麦的 SPAD值和株高

Fig.3 The SPAD value and plant height of winter wheat under different belt intercropping

2.1.2 冬小麦 由图3可知，冬小麦在孕穗至成熟期(3月29至5月27日)两处理叶片的SPAD值均高于单播。孕穗至开花期(3月29至4月28日)叶片的SPAD值随着叶片的生长缓慢上升，在开花期至灌浆期(4月28至5月8日)叶片生长趋于稳定，并供给麦穗养分，冬小麦叶片SPAD增长趋于平缓，此时SPAD变化较小。到成熟期时(5月8日至5月27日)，叶片开始衰老，SPAD呈现下降趋势，且在完熟期叶片SPAD下降幅度较大，整体表现为M2D>MD>CK-X，说明间作对冬小麦叶片叶绿素含量有一定的影响，但间作的宽窄对冬小麦叶片SPAD值影响不大。随着冬小麦生育期的推进，不同处理冬小麦的株高先逐渐上升，进入灌浆期以后波动幅度变小，逐渐趋于平稳，拔节期、抽穗生长速度最快，CK-X(单播)平均株高高于MD和M2D，而MD、M2D在生育期内株高基本一致，无明显变化，整体表现为CK-X>M2D>MD。

2.2 苜蓿和冬小麦的产量及其构成要素

2.2.1 苜蓿 由表1可知，间作对苜蓿产量有显著影响，且苜蓿生长过程中MD、M2D第1茬鲜草产量为第2茬的2倍左右，单播苜蓿达不到2倍关系。处理MD与M2D相比，苜蓿产量差异不显著。MD、M2D处理与CK-M相比，产量分别减少15.16%和9.36%，差异显著，表明间作中，苜蓿、冬小麦间隔距离越小产量越低。主要原因是MD、M2D在生长过程中，生长空间、土壤水分、养分和光照等都与冬小麦形成竞争，苜蓿产量下降，且在第1次刈割前豫东平原气温与降水适宜苜蓿的生长，进入6月以后，气温升高，降雨增多，高温、高湿的双重胁迫使得苜蓿生长缓慢，第2茬的产量低于第1茬。

表1不同处理苜蓿的鲜草及干草产量

Table 1 The fresh and dry grass yield of alfalfa with different treatments kg/hm2

注：同列不同小写字母表示数据间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: The lowercase in the same column indicates significant differences (P<0.05).The same below.

2.2.2 冬小麦 由表2可知，间作对冬小麦产量具有显著影响。MD处理与M2D相比，有效穗数稍增多，但穗长、穗粒数和千粒重M2D均高于MD，两者产量存在显著差异。MD、M2D处理与CK-X相比，有效穗数与单播冬小麦存在显著差异；MD、M2D穗粒数与千粒重均高于单播冬小麦，穗粒数MD与CK-X间差异显著，千粒重3者之间均无显著差异；MD、M2D 产量分别比CK-X减少41.04%和29.72%，原因主要是麦穗的春化阶段，豫东地区气温骤降，零下的低温对冬小麦造成冻害，影响冬小麦的有效穗数，此时单播冬小麦的株高远高于间套，受影响较小，产量提高，在冬小麦灌浆期至乳熟期，水热需求量大，两者胁迫竞争，叶绿素含量增高，此时间套的穗粒数与千粒重优于单播冬小麦。

表2 不同处理冬小麦的产量形成要素

2.3 不同处理叶片 SPAD值与产量的关系

从表3可知，MD处理小麦和苜蓿叶片的SPAD值与产量相关性不显著，MD、CK-M、CK-X苜蓿、冬小麦叶片SPAD值与产量呈线性正相关关系，M2D处理小麦的线性高度相关，表明苜蓿、冬小麦叶片SPAD值与产量具有一定的相关性。

表3不同处理苜蓿、冬小麦叶片SPAD与产量(Y)的回归分析

Table 3 Regression analysis of leaf SPAD and yield (Y) of alfalfa and winter wheat with different treatments

3 结论与讨论

3.1 结论

叶绿素作为光合作用的物质基础，直接影响叶片光能利用率的高低，根据SPAD值变化可对产量、蛋白质含量进行相关性预测。研究结果表明，1)苜蓿生长过程中，间作对苜蓿叶片叶绿素含量造成一定影响，且间作越窄，苜蓿叶片叶绿素受影响的强度越大，苜蓿叶片内SPAD值出现不同程度的升高，单播苜蓿叶片SPAD值显著低于间作，且产量有显著性差异，1 m∶2 m间作模式下苜蓿叶片SPAD值与产量呈高度线性正相关关系。2) 冬小麦生长过程中，间作冬小麦叶片SPAD值表现为M2D>MD>CK-X，但间作的宽窄对冬小麦叶片SPAD值含量的影响不大，单播冬小麦叶片SPAD值显著低于间作，且产量有显著性差异；1 m∶2 m间作模式下冬小麦叶片SPAD值与产量呈高度线性正相关关系。3) 间作后，冬小麦产量构成中冬小麦穗粒数、千粒重与单播冬小麦产生显著差异，冬小麦品质发生改变，有利于优质冬小麦的培育。

3.2 讨论

有研究表明，小麦单产与有效穗数的相关系数为r=0.894 1,小麦产量与有效穗数和穗粒数呈极显著正相关[13-14],套作小麦有效穗与小麦播幅呈极显著正相关，有效穗对产量的直接作用最大[15]，本试验中，单播冬小麦的有效穗数和产量最高，与该研究结果相似。小麦拔节期低温对有效穗数和千粒重的影响更为严重[16]。张丽等[17]研究表明，叶片 SPAD 值递减值可作为判定成熟期籽粒蛋白质含量高低的指标，可利用叶片 SPAD值递减值并结合相关模型快速预测玉米籽粒蛋白质含量。马甜等[18]研究亦表明，羊草叶片的 SPAD 值能够反映羊草的营养物质。姜瑛等[19]研究冬小麦孕穗期冠层叶片SPAD值与产量显著正相关。本研究进一步表明，苜蓿、冬小麦叶片SPAD值与产量具有一定的相关性。春季常会出现“倒春寒”天气，小麦有效穗数减少[20]，成熟期顶1叶SPAD值下降速率与成熟期千粒重有显著线性相关关系[21]，且旗叶对千粒重的贡献最大[22]。间作后小麦冠层叶片SPAD值增大，成熟期SPAD下降速率低于单播小麦，穗粒数、千粒重高于单播小麦，但总产量低于单播小麦。本试验过程中，麦穗春化阶段受“倒春寒”影响，致使间作小麦有效穗数降低，产量低于单播小麦。如不受“倒春寒”影响，间作的有效穗数增加，此时小麦产量如何变化有待研究。