间作比例和调亏灌溉对春小麦/紫花苜蓿间作中春小麦灌浆期旗叶性状的影响

周涛，牟乐，苏楷淇，张筠钰，杨惠敏

（兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020）

春小麦（Triticum aestivum）是河西走廊主要的粮食作物之一，在甘肃省粮食生产中占有重要地位。但大面积单播连作容易加速对土地养分的消耗，致使土壤贫瘠退化，从而对春小麦的高效可持续生产造成极大威胁。因此，调整春小麦种植模式，提高土壤肥力的有效性和可持续性势在必行。间作是一种应用广泛且生产高效的多元种植模式。与单一种植模式相比，间作可促进作物多样化，提高作物产量和稳定性，特别是在土壤贫瘠的条件下，还可提高土壤肥力、保墒及减弱杂草危害，尤其豆科/禾本科间作表现突出［1-2］。研究表明，豆科/禾本科间作可以充分利用光热资源，通过两种作物的深浅根系搭配实现对地下资源的合理利用［3］，从而提高籽粒、牧草的产量和品质，因而得到了日益广泛的应用。但在不同气候土壤条件下，适宜豆科/禾本科间作模式的选择和配套管理措施的优化影响着系统生产力和可持续性。

在不同组合的豆科/禾本科间作中，紫花苜蓿（Medicago sativa，简称苜蓿）与小麦间作是一种重要模式。一方面，这种粮草间作在保证粮食生产的基础上又增加了牧草生产，可促进畜牧业的发展；另一方面，豆科牧草的加入能提高土壤肥力、改善土壤质量，符合可持续发展理念，对生态环境保护具有重要的意义。李恩慧等［4］研究发现，小麦/苜蓿间作中小麦生物量较小麦单作提高了17.67%，较苜蓿单作提高了44.07%，水分利用效率比单作小麦和苜蓿提高了16.98%和62.38%。此外，不同间作比例也会引起间作作物在地上和地下对资源的差异性利用，引起群体的冠层结构发生改变。安振等［5］研究发现，小麦/苜蓿间作能降低0～40 cm土层的含盐量，从而促进小麦的穗粒数、粒重和净面积单产增加，并且提高苜蓿周年干物质产量，其中小麦间作5行苜蓿的土地当量比低于间作10行苜蓿。刘亚男［6］在黄土高原的研究表明，苜蓿/小麦间作可以促进小麦的生长，第一年小麦株高和叶面积均高于单作，且在小麦与苜蓿间作比例为8:4时，苜蓿的总产量较高。除此之外，不同行比的带状间作能够很好地利用不同空间的季节水分，创造适宜的土壤环境。而适宜的土壤环境有助于作物对土壤水分的高效利用，直接影响地上植株叶片的光形态建成，增强叶片的光合能力，为作物的高产奠定基础［7-8］。焦念元等［9］研究发现，玉米（Zea mays）/花生（Arachis hypogaea）间作可以提高玉米穗部叶片固碳羧化CO2的能力，增加群体光能截获率，体现出间作优势。由此可见，豆科/禾本科间作对禾本科作物叶性状有显著影响，是间作优势的重要表征，但在春小麦/苜蓿间作下春小麦叶性状表现尚不得而知。

河西走廊土地资源丰富，光照充足，但降水少，蒸发量大，主要用水来源于冰雪融化。近年来，随着气候变化和人类活动，河西灌区可利用水资源减少，造成土地盐碱化加重、地下水位降低、生态环境变得脆弱等问题［10-11］。该区的灌溉方式以大水漫灌为主，大量的水资源消耗加重了该区水资源短缺，因此，高效节水农业是解决问题的主要途径之一。调亏灌溉是一种高效节水灌溉技术，主要能通过作物自身对水分胁迫的生理生化响应而实现水分的高效利用，因而在农业生产中被广泛应用［11］。研究表明，适度地调亏灌溉不仅不影响苜蓿的产量，而且可以提高其粗蛋白产量［12］。万文亮等［13］在春小麦调亏灌溉下的研究表明，调亏灌溉可以缓解0～40 cm土层土壤水分和土壤硝态氮向深层流失，减少作物耗水量，提高水分利用效率。目前，小麦和苜蓿的调亏灌溉主要针对作物单作，在春小麦/苜蓿间作下的报道较少。

鉴于上述情况，通过在河西走廊地区进行春小麦/苜蓿灌溉试验，研究不同间作比例下调亏灌溉对春小麦灌浆期旗叶性状的影响，进一步阐明豆科/禾本科间作优势，为寻求干旱地区高产、优质、节水的种植模式和灌溉方式提供依据，为河西走廊地区适宜的粮草种植模式构建提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年3月在甘肃省张掖市临泽县的兰州大学临泽草地生态试验站（100°02′E，39°15′N）进行，海拔1390 m，属于大陆性温带干旱气候。年均降水量121.5 mm，降水主要集中在6-8月，占全年总量的58%左右。年均蒸发量2337.6 mm，年均气温7.6℃，最低温度-28℃，最高温度38℃。光热资源充沛，生理辐射量为300.61 kJ·cm-2，光合有效辐射量达226.13 kJ·cm-2。试验地土壤类型为草甸土，pH为7.8，全氮含量0.80 g·kg-1，全磷含量0.76 g·kg-1，速效磷1.85 mg·kg-1。试验地前茬作物为饲用玉米。

1.2 试验设计

试验采用了3种种植模式和4个灌溉水平。种植模式：春小麦单作（SW）、12行春小麦与4行苜蓿带状间作（12W4A）、8行春小麦与4行苜蓿带状间作（8W4A）。灌溉量：450（充分灌溉，I450）、360（轻度调亏，I360）、270（中度调亏，I270）、180 mm（重度调亏，I180）。采用漫灌方式灌溉，最大灌溉量参考当地总量，灌溉时期以春小麦的分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期、苜蓿第3茬为准。

春小麦和苜蓿单作采用条播方式播种。春小麦播量为375 kg·hm-2，行距15 cm；苜蓿播量为22.5 kg·hm-2，行距为20 cm。春小麦/苜蓿采用带状间作模式，行距和行播量同单作，带内相邻两作物行间距为17.5 cm。采用随机区组设计安排小区，小区面积为5 m×8 m=40 m2，小区间隔1 m。每个处理3次重复，总共36块试验小区。

供试春小麦品种为陇春30号，苜蓿品种为甘农3号。第一年苜蓿于2020年4月25日播种，春小麦同时播种。第二年春小麦于2021年3月20日播种，7月20日收获。苜蓿2021年4月上旬返青，分别在6月3日、7月20日和9月10日初花期刈割3茬次。

在2020年小区建植时，参考当地常规施肥量一次性施入基肥，其中施纯N 120 kg·hm-2（尿素，含N 46%）、纯P 60 kg·hm-2（重过磷酸钙，含P2O546%）；所有试验样地一致。此外，进行除杂草、防控病虫害等常规田间管理。

1.3 测定指标与方法

在春小麦灌浆期时，用叶绿素仪（SPAD-502，日本）避开叶脉测定朝向长势相似的春小麦旗叶SPAD值。每小区随机测定5片旗叶，取平均值。

在春小麦灌浆期时，采集春小麦旗叶。每个处理采集叶龄基本一致，叶片充分舒展、生长健康的10片旗叶，用剪刀剪下，置于2片湿润的滤纸之间，迅速带回实验室，然后将叶片放入蒸馏水中，在5℃的黑暗环境中储藏12 h。取出后迅速用吸水纸粘去叶片表面的水分，在万分之一的电子天平上称得饱和鲜重（g）。将叶片放入60℃烘箱内烘干48 h至恒重，取出称得干重（g）。用全自动定氮仪（Kjeltech 8400 Analyzer Unit，Foss，丹麦）以凯氏定氮法测定叶片全氮浓度（mg·g-1）。部分叶片带回实验室后，用WinFOLIA叶面积测定仪（LA2400，加拿大）测定叶面积（cm2）、叶长（mm）和叶宽（mm）。有关计算公式如下：

1.4 数据分析

采用EXCEL进行数据整理及绘图，采用SPSS 21.0进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 旗叶面积和叶长宽比

叶面积在灌浆期受间作比例、灌溉量及二者交互的显著影响（表1）。随着干旱程度的增加，3个比例（种植模式）下叶面积呈先增大后减小的趋势，且最大值均出现在I360处理（表2）。在SW下，叶面积表现为I360＞I450＞I270＞I180，且较高灌水处理（I450和I360）显著高于低灌水处理（I270和I180）（P＜0.05）；12W4A下叶面积表现为I360＞I270＞I450＞I180，且I360和I270显著高于I180（P＜0.05）；8W4A下表现为I360＞I270＞I180＞I450，且I360显著高于I450（P＜0.05）。叶面积在各水分处理下表现为SW＞8W4A＞12W4A（除I180），且SW在高灌水处理（I450和I360）下显著高于12W4A和8W4A（P＜0.05），在低灌水处理（I270和I180）下SW和8W4A无显著差异，且仅在I180下12W4A显著小于SW和8W4A（P＜0.05）。

叶长宽比在灌浆期受间作比例、灌溉量及二者交互的显著影响（表1）。SW的叶长宽比在I360和I270下显著高于I450和I180（P＜0.05），12W4A在I450和I360下显著高于I270和I180，而8W4A在各水分处理下均无显著差异（表2）。在I450下，12W4A和8W4A的叶长宽比显著高于SW（P＜0.05），在I360下无显著差异，在I270和I180下8W4A均显著高于12W4A（P＜0.05）。

表1 间作比例和灌溉量对灌浆期春小麦旗叶性状的影响效应分析Table 1 Analysis on effects of intercropping ratio and irrigation amount on flag leaf traits of spring wheat at the grain filling stage

表2 不同间作比例和灌溉量下旗叶面积和叶长宽比Table 2 Flag leaf area and leaf length/width under different intercropping ratios and irrigation amounts

2.2 旗叶比叶重和干物质含量

比叶重在灌浆期受间作比例和灌溉量显著影响，而二者交互对其并无显著影响（表1）。随着干旱程度的增加，在12W4A和8W4A下，比叶重呈一直上升的趋势，而SW下呈先下降后增加再下降的趋势（图1）。在3个比例下，高灌水处理（I450和I360）均显著低于低灌水处理（I270和I180）（P＜0.05）；各水分处理下的最大值均出现在12W4A，分别为49.3、63.8、70.1、75.3 g·m-2；除I360处理，其余3个水分处理下比叶重均表现为12W4A＞SW＞8W4A，I360处 理 下 表 现为12W4A＞8W4A＞SW。在I360和I180下，12W4A的 比叶重 显 著 高 于SW和8W4A（P＜0.05）。

叶干物质含量在灌浆期受间作比例、灌溉量及二者交互的显著影响（表1）。随着干旱程度的增加，SW和12W4A下叶干物质含量呈先升高后降低再升高的趋势，8W4A下呈先下降后升高再下降的趋势（图1）。仅SW在I360下显著高于其余3个水分处理（P＜0.05），12W4A和8W4A的叶干物质含量在水分处理间差异均不显著。仅在I360下SW显著高于12W4A和8W4A（P＜0.05），其余灌溉量下间作比例间均无显著差异。

2.3 旗叶氮浓度和叶绿素含量

叶氮浓度在灌浆期受间作比例、灌溉量及其交互作用的显著影响（表1）。SW和12W4A下叶氮浓度最大值均出现在I180，分别为25.4、22.5 mg·g-1，且显著高于其余3个水分处理（P＜0.05）；而8W4A的最大值是在I270，为19.7 mg·g-1，且显著高于其余3个水分处理（P＜0.05）（表3）。除了I450和I270，其余水分处理下叶氮浓度均呈SW＞12W4A＞8W4A，I450下呈12W4A＞SW＞8W4A，I270下呈8W4A＞SW＞12W4A。在I360和I180下，SW显著高于8W4A（P＜0.05），在I270下，SW和8W4A显著高于12W4A（P＜0.05）。

叶绿素含量在灌浆期受间作比例、灌溉量及其交互作用的显著影响（表1）。随着干旱程度的增加，SW和12W4A下叶绿素含量呈一直上升的趋势，而8W4A呈先降低后增加再降低的趋势（表3）。I270和I180下的叶绿素含量均显著高于I450（P＜0.05）。在I360和I180下SW显著高于8W4A，且在I360下12W4A也显著高于8W4A（P＜0.05），其余水分处理下12W4A和8W4A均无显著差异。

表3 不同间作比例和灌溉量下旗叶氮浓度和叶绿素含量Table 3 Flag leaf nitrogen concentration and chlorophyll content under different intercropping ratios and irrigation amounts

2.4 旗叶性状的相关性

在春小麦/苜蓿间作和调亏灌溉下，春小麦旗叶的叶长宽比与比叶重、叶氮浓度和叶绿素含量显著负相关。叶面积与叶干物质含量显著正相关，与比叶重显著负相关。比叶重与叶氮浓度和叶绿素含量显著正相关。叶氮浓度与叶绿素含量显著正相关（表4）。

3 讨论

3.1 间作比例和调亏灌溉对春小麦旗叶性状的影响

旗叶是小麦的功能叶片，对环境变化十分敏感，能够在一定程度上反映出植物对环境变化所采取的生存策略［14］，如环境水分的变化。水分是作物生长过程中的必要条件之一，干旱对作物的生长和产量有极大影响。在本研究中，3个比例（种植模式）下的春小麦旗叶面积的最大值均出现在I360处理，而后随干旱程度的增加而降低，这与张曦等［14］关于干旱下苜蓿叶面积变化的研究结果一致，进一步证实适度的水分调亏可以增加叶面积；但在I450处理下，旗叶面积反而减小。水分与作物的生长呈抛物线关系［15］，水分过多反而会抑制作物生长，严重时甚至会出现水淹现象，导致根系缺氧从而抑制其生长［16］，减小旗叶面积。在不同水分处理下，旗叶面积表现为SW＞8W4A＞12W4A，说明春小麦和苜蓿间的资源竞争影响了春小麦生长，导致间作下叶面积显著小于单播春小麦；随春小麦比例的降低（SW→12W4A→8W4A），更多的苜蓿通过生物固氮提供了更多氮素，而且2龄苜蓿根系较1龄更深，减弱了与春小麦在根系层的水分和养分竞争，同时，较少的春小麦能得到更多的水分和养分供应，从而促进生长并提高旗叶面积。此外，随着干旱程度的增加，旗叶长宽比在3个比例下的变化均不一致，但都在严重干旱（I180）下呈最低值，与旗叶面积变化类似。说明干旱引起了旗叶的结构变化，导致叶片生长减缓，叶长宽比降低［17］。

比叶重和叶干物质含量均能在一定程度上反映植物获取资源的能力。研究表明，比叶重会随着干旱胁迫的增加而增大［18］。在长期水分胁迫下，叶组织和细胞结构的改变可能是导致比叶重增加的直接原因［19］。在本研究中，3个比例下的旗叶比叶重也随着干旱胁迫的增加而增大，与前人研究结果一致［14］。而在I360和I180处理下，12W4A的比叶重显著高于SW与8W4A，与旗叶面积变化相反。可能是干旱导致了旗叶面积减小，物质积累、浓缩，致使比叶重增大。研究表明，叶干物质含量较高的植物通常采用保守型利用策略，对植物的水分和养分保持能力较强，更能适应资源贫瘠和干旱环境［20］。在本研究中，旗叶干物质含量除了在SW的I360下显著高于其他水分处理外，在其他水分处理间差异均不显著。说明此时旗叶干物质含量对水分的响应比较保守，考虑到春小麦此时处在灌浆期，大量营养物质由旗叶转入穗器官，旗叶本身物质积累和含量降低到一定水平，对水分处理不敏感［21］。

叶氮浓度和叶绿素含量都与叶片进行光合作用有着密不可分的关系。Wright等［22］研究发现干旱生境下的植物通常具有较高的叶氮浓度。在本研究中，单播小麦的旗叶氮浓度随着干旱程度的递增而增加，而在间作下并不呈单一的线性增加，说明间作对水分和养分的调节作用通过影响春小麦生长而体现到旗叶氮浓度上。较重干旱下，旗叶氮浓度总体高于充分灌溉以及轻度调亏灌溉下，可能是干旱胁迫下，叶片失水造成的“浓缩效应”导致其上升［23］。俞世雄等［24］研究认为，花期干旱前期，叶绿素含量有所上升，但随着干旱时间的延长以及小麦的逐渐成熟，叶绿素含量显著下降。在本研究中，旗叶的叶绿素含量在3个比例下均表现为低灌水处理（I270和I180）高于较高灌水处理（I450和I360），与旗叶氮浓度变化较一致。在干旱胁迫下，旗叶面积降低，光合能力受限，作物可通过调节自身的营养元素，如提高氮浓度，构建更多叶绿素来增加植物在有限叶面积下的光合作用，维持其正常的生命活动。此外，也有可能与干旱胁迫下“浓缩效应”有关。除在I270处理下，其余处理的春小麦旗叶氮浓度和叶绿素含量均表现为12W4A＞8W4A，与旗叶面积变化相反而与比叶重变化一致，也是春小麦旗叶响应间作效应和干旱胁迫的一种综合表现。

3.2 间作和调亏灌溉下春小麦旗叶性状的相关性

在生长过程中，植物对环境所产生的适应性并不是通过单一性状而发生的，而是在多种性状共同调节下完成的，因此，植物叶性状之间总是存在一定的相关性［25］。在本研究中，在不考虑灌溉梯度和间作比例的情况下，春小麦旗叶长宽比与比叶重、叶氮浓度和叶绿素含量显著负相关，叶长宽比与叶面积正相关，与前人的研究结果一致［25］。这是植物适应逆境的生存策略。在低温和干旱等逆境下，植物减少叶面积，增加叶厚度和物质浓度，来减少水分的散失，达到储水效果；较小的叶片具有较好的导热能力，可保证捕获光能的同时避免叶片过热和减少水分散失［26］。通常情况下，叶氮浓度与叶绿素含量呈正相关［27］，本研究也证实了旗叶氮浓度和叶绿素含量呈显著正相关，且与比叶重也呈显著正相关。在资源胁迫（如水分和养分匮乏）条件下，植物往往会有较高的比叶重［25］，单位质量的光捕获面积和光合有效氮下降，导致光合效率降低［28］，因此，随干旱加剧，需要维持较高的叶氮和叶磷浓度［29］，而叶氮大部分存在于叶绿体中。在面对逆境时，植株通过适时调整比叶重、叶干物质含量、叶氮浓度、叶绿素含量等性状间的物质分配模式［30］，实现植物对叶片形态构建的调控，体现出叶片各性状之间积累与耗散的权衡关系［31］，最终提高植物适应能力。

4 结论

在春小麦/苜蓿间作体系中，适度的调亏灌溉以及合理的间作比例能够影响春小麦灌浆期旗叶性状，进而对小麦籽粒产量产生影响。在I360灌溉量下，旗叶的叶面积达到最大值。总体上，旗叶面积表现为8W4A＞12W4A，而比叶重、叶氮浓度和叶绿素含量为12W4A＞8W4A。因此，在两个不同间作比例下，12W4A的冠层结构更有利于春小麦群体生长，有利于旗叶光合同化作用的发挥，可促进籽粒产量的增加。