覆盖对西北旱地春小麦旗叶光合特性和水分利用的调控

2015—2016年在西北黄土高原半干旱区进行大田定位试验,以‘陇春35号’为试验材料,设全膜覆土穴播(PMS)、全砂覆盖穴播(SM)和露地穴播(CK)3个处理,分析旗叶光合特性、春小麦耗水特性和产量构成因子之间的关系.结果表明: PMS和SM 在0～300 cm土层的土壤贮水量在灌浆前分别较CK提高47.8和31.6 mm,灌浆期均较CK降低15.6 mm.PMS和SM提高春小麦挑旗-抽穗期和扬花-灌浆期的土壤耗水.PMS和SM的叶面积指数分别较CK提高59.0%～73.7%和40.1%～52.7%,叶片SPAD值分别较CK提高3.5%～28.4%和2.9%～23.9%.PMS的光合速率和气孔导度在春小麦挑旗、抽穗、扬花期分别较CK提高23.5%、33.0%、17.7%和32.6%、76.4%、66.9%,灌浆期分别较CK降低26.2%和16.4%;PMS和SM的气孔限制值在抽穗、扬花、灌浆期分别较CK降低14.6%、23.9%、22.3%和25.7%、29.8%、17.4%.叶片瞬时水分利用效率PMS在挑旗期较CK提高57.8%,扬花期降低11.2%.PMS的表观量子效率在抽穗、扬花期分别较SM和CK增加22.6%、18.7%和26.8%、14.3%.PMS和SM春小麦的株高和产量构成因子均显著高于CK,且在干旱年份增幅较大;PMS的产量较CK和SM分别提高36.2%和8.7%,水分利用效率分别提高9.4%和3.4%.因此,PMS和SM提高了小麦灌浆前土壤贮水,加剧了挑旗到抽穗和扬花到灌浆期的耗水,提高了小麦叶片SPAD值和叶面积指数,增强了小麦灌浆前旗叶光合功能,促进 “库”的建成和同化物的转运,实现增产和水分高效利用.PMS在丰水年份的增产潜力和干旱年份的适应能力比SM更强.     

不同耕作方式对旱地全膜双垄沟播玉米产量和水分利用的影响

为明确新型耕作技术--立式深旋耕作对西北黄土高原半干旱区土壤水分含量、玉米产量和水分利用效率的影响,采用随机区组设计,于2016和2017年设置立式深旋耕作40 cm （VRT）、深松40 cm （SS）、旋耕15 cm （TT）和免耕（ZT）4种耕作方式,测定0-300 cm土层土壤含水量、地上生物量、叶面积指数（LAI）和SPAD、产量等指标,计算阶段耗水量、水分利用效率（WUE）等。结果表明,VRT在2017年播前0-40 cm土层的土壤贮水量分别较SS、TT、ZT增加了7.7、8.6、6.6 mm,在0-100 cm土层增加了18.2、22.8、20.2 mm,均达到显著差异。VRT显著促进干旱年的花前耗水和平水年的花后耗水,提高玉米地上生物量、LAI和SPAD,其中地上生物量较SS、TT、ZT分别增加了14.7%-18.3%、12.7%-18.8%和22.8%-29.1%。基于较为优势的植株生长,VRT籽粒产量较SS、TT和ZT分别增加了12.0%-13.0%、13.7%-33.6%、24.0%-47.4%。因此,虽然VRT提高了玉米耗水,并与ZT达到显著差异水平,导致收获后土壤贮水量低于其他三种耕作方式,但2017年播前0-100 cm土层土壤贮水量显著高于其他3种耕作处理;尽管0-300 cm土层土壤贮水量较SS、TT和ZT下降了11.4、14.8、20.5 mm,但它们之间无显著差异。以上结果表明,VRT能够同时促进玉米耗水和降水入渗,维持土壤水分平衡,是一种有效的抗旱增墒耕作方法,可在半干旱区玉米生产中推广应用。     

黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响

以马铃薯为研究材料,采用随机区组设计,设全膜覆盖垄沟种植(PM)和裸地平作(CK)两个处理,研究西北半干旱区黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响。结果表明:PM能增加马铃薯全生育期0—25 cm土壤温度1.5℃左右,增温效应呈"抛物线型";盛花期PM增温效果主要在8:00,14:00和20:00具有降温和稳定地温作用;同时,在平水年和欠水年,PM能促进马铃薯盛花期和薯块膨大期耗水,盛花期PM耗水量增加21.2%—50.5%,块茎膨大期增加5.4%—57.9%,但全生育期耗水量PM与CK差异不显著;PM在调节地温、促进关键生育期耗水作用下,产量较CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差异均达显著水平。在年均降水391.4 mm条件下,连续4a地膜覆盖高产种植的0—200 cm土层土壤贮水量增加了123.4 mm,优化了土壤水分状况。     

西北半干旱区深旋松耕作对马铃薯水分利用和产量的影响

探明深旋松耕作技术(VRT)对西北黄土高原半干旱区马铃薯阶段性耗水、个体和群体生长状况、产量、水分利用效率和经济收益的影响,可为寻求抗旱增产、资源高效利用的耕作方法提供依据.本研究采用随机区组设计,于2016和2017年设置旋耕15 cm (TT)、深松40 cm (DLT)、深旋松耕40 cm (VRT) 3种耕作方式,测定马铃薯不同生育时期0～200 cm土层土壤贮水量、叶片SPAD值、叶面积指数、植株干物质量和产量等指标,计算阶段耗水量、水分利用效率(WUE)、商品率、商品产量、纯收益和新增收益等指标,探究深旋松耕作对马铃薯生产效率和经济效益的影响.结果表明: 与TT和DLT相比,VRT能显著促进马铃薯在盛花期和块茎膨大期的耗水,2016和2017年分别较DLT、TT增加了46.7、35.7和27.2、47.3 mm.由于VRT促进马铃薯耗水,叶片SPAD值、干物质量和叶面积指数均显著提高,证明它能促进马铃薯个体和群体发育.基于较高的个体和群体生长量,VRT的马铃薯块茎产量显著提高,分别在2016和2017年较DLT和TT增加了156.8%、47.8%和24.8%、41.0%,WUE相应地提高了92.3%、19.2%和18.9%、26.6%.深旋松耕作使马铃薯商品薯产量显著增加,纯收益和新增纯收益显著提高,在2016和2017年分别达到 12631.9、11019.1和29498.3、18245.5元·hm^-2.深旋松耕作促进马铃薯花期和块茎膨大期耗水,使马铃薯叶片SPAD值、干物质量和叶面积指数显著提高,导致块茎产量和水分利用效率明显升高,并提高了商品薯产量和纯收益,是适宜于西北黄土高原半干旱区马铃薯种植的耕作技术.     

高大气CO_2浓度下氮素对小麦叶片光能利用的影响

关于氮素对高大气CO2浓度下C3植物光合作用适应现象的调节机理已有较为深入的研究,但对其光合作用适应现象的光合能量转化和分配机制缺乏系统分析。该文以大气CO2浓度和施氮量为处理手段,通过测定小麦(Triticum aestivum)抽穗期叶片的光合作用-胞间CO2浓度响应曲线以及荧光动力学参数来测算光合电子传递速率和分配去向,研究了长期高大气CO2浓度下小麦叶片光合电子传递和分配对施氮量的响应。结果表明,与正常大气CO2浓度处理相比,高大气CO2浓度下小麦叶片较多的激发能以热量的形式耗散,增施氮素可使更多的激发能向光化学反应方向的分配,降低光合能量的热耗散速率;大气CO2浓度升高后小麦叶片光化学淬灭系数无明显变化,高氮叶片的非光化学猝灭降低而低氮叶片明显升高,施氮促进PSII反应中心的开放比例,降低光能的热耗散;高大气CO2浓度下高氮叶片通过PSII反应中心的光合电子传递速率(JF)较高,而且参与光呼吸的非环式电子流速率(J0)显著降低,较正常大气CO2浓度处理的高氮叶片下降了88.40%,光合速率增加46.47%;高大气CO2浓度下小麦叶片JF-J0升高而J0/JF显著下降,光呼吸耗能被抑制,更多的光合电子分配至光合还原过程。因此,大气CO2浓度增高条件下,小麦叶片激发能的热耗散速率增加,但增施氮素后小麦叶片PSII反应中心开放比例提高,光化学速率增加,进入PSII反应中心的电子流速率明显升高,光呼吸作用被抑制,光合电子较多地进入光化学过程,这可能是高氮条件下光合作用适应性下调被缓解的一个原因。     

施氮和大气CO2浓度升高对小麦旗叶光合电子传递和分配的影响

采用开顶式气室盆栽培养小麦,设计2个大气CO₂浓度（正常：400 μmol·mol^-1;高：760 μmol·mol^-1）、2个氮素水平（0和200 mg·kg^-1土）的组合处理,通过测定小麦抽穗期旗叶氮素和叶绿素浓度、光合速率（P_n）-胞间CO₂浓度（C_i）响应曲线及荧光动力学参数,来测算小麦叶片光合电子传递速率等,研究了高大气CO₂浓度下施氮对小麦旗叶光合能量分配的影响.结果表明：与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,高氮处理的小麦叶片叶绿素a/b升高.施氮后小麦叶片PSⅡ最大光化学效率（F_v/F_m）、PSⅡ反应中心最大量子产额（F_v′/F_m′）、PSⅡ反应中心的开放比例（q_p）和PSⅡ反应中心实际光化学效率（Φ_PSⅡ）在大气CO₂浓度升高后无明显变化,虽然叶片非光化学猝灭系数（NPQ）显著降低,但PSⅡ总电子传递速率（J_F）无明显增加;不施氮处理的F_v′/F_m′、Φ_PSⅡ和NPQ在高大气CO₂浓度下显著降低,尽管F_v/F_m和q_P无明显变化,J_F仍显著下降.施氮后小麦叶片J_F增加,参与光化学反应的非环式电子流传递速率(J_C)明显升高.大气CO₂浓度升高使参与光呼吸的非环式电子流传递速率(J₀)、Rubisco氧化速率（V₀）、光合电子的光呼吸/光化学传递速率比（J₀/J_C）和Rubisco氧化/羧化比（V₀/V_C）降低,但使J_C和Rubisco羧化速率（V_C）增加.因此,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,而增施氮素使通过PSⅡ反应中心的电子流速率显著增加,促进了光合电子流向光化学方向的传递,使更多的电子进入Rubisco羧化过程,P_n显著升高.     

半干旱区氮肥运筹对全膜双垄沟播玉米水肥利用和产量的影响

施肥方式不当是半干旱区全膜双垄沟播玉米水肥利用率低的主要原因之一,研究氮肥减量后移和有机肥替代对玉米水肥利用效率和产量的影响,可为该区玉米水肥高效管理提供理论依据。依托4年大田定位试验,设置3个处理,即肥料全部基施(CK)、减氮15%且在抽雄期追施(RN)、30%的化肥以有机肥替代且在抽雄期追施(RNM),研究不同施肥模式对玉米耗水特性、生长发育和水肥利用效率的影响。结果表明: 施肥方式对玉米水肥利用效率和产量有显著调控作用,并与降雨年型密切相关。欠水年和平水年,RN花前耗水量较CK降低16.1%～18.8%,花后耗水量提高18.0%～22.2%;RNM花前、花后耗水量均与CK差异不显著。丰水年,RN和RNM花前耗水量分别较CK降低16.7%和6.3%,花后耗水量分别增加11.4%和29.7%。与CK相比,RN显著提高了追肥后玉米叶片叶绿素相对含量(SPAD值),花后生物量增加15.6%～44.9%,穗长、穗粒数、穗粒重和百粒重显著提高,产量增加9.8%～17.0%,水分利用效率(WUE)提高6.3%～21.4%,肥料偏生产力(PEP_T)、氮素偏生产力(PEP_TN)、磷素偏生产力(PEP_TP)和钾素偏生产力(PEP_TK)均显著提高。综上,RN能显著提高不同降水年型下玉米花后耗水量和SPAD值,增加花后生物量,优化穗部性状,使产量、水肥利用效率显著提高,为半干旱区全膜双垄沟播玉米水肥高效利用的有效肥料管理模式。     

半干旱区周年全膜覆盖对玉米田土壤冻融特性和水热分布的影响

依托3年大田定位试验(2015—2017),设置周年全膜覆盖(PM)和裸地(CK)2个处理,分析半干旱冷凉区土壤温湿度梯度和水热运动的关系。结果表明: PM和CK冻融过程均为单向冻结、双向融通。与CK相比,PM冻结期滞后,冻结速率减慢,冻结深度浅20 cm,但融化速率加快,融化期缩短6～7 d。冻结期PM和CK土壤温度梯度均为正值,热量向上层土壤传导,但PM传导强度大于CK;融化期PM温度梯度为正值,热量向上层传导,而CK则相反。土壤水分运移表现为:PM在整个冻结期向上运动,CK则表现为“向下-向上-向下”的运动方式;融化期PM水分向上层运移,而CK融化初期向上层运移,融化中后期则向下层运移。在冻结期PM和CK的土壤温度梯度与湿度梯度均呈正相关,但PM相关性大于CK,融化期PM土壤温度梯度与湿度梯度间呈正相关,土壤热量、水分同时向上层运动,CK呈负相关,土壤热量、水分同时向下层运动。在土壤温、湿度梯度驱动下,融通-播前PM 0～10、10～20和20～30 cm土壤温度分别较CK平均提高1.13～1.34、0.96～1.24和0.89～1.32 ℃,土壤含水量分别平均提高3.4%～5.6%、1.4%～2.2%和6.7%～7.8%。可见,PM可为半干旱冷凉区越冬作物返青和春播作物播种、出苗和保苗提供水热保障。     

全膜覆土下施有机肥对春小麦旗叶碳氮比、光合特性和产量的影响

于2016和2017年,以春小麦品种‘陇春27'为试验材料,在甘肃省中部半干旱雨养农业区设置定位试验,分析全膜覆土平作穴播(PMS)、全膜覆土平作穴播+有机肥(PMO)、裸地平作穴播(CK)3个处理春小麦抽穗至灌浆阶段土壤水分与群体冠层温度、净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)、旗叶C/N、旗叶全氮之间的相互关系,探讨不同处理对产量及其构成要素的影响。结果表明: 施用有机肥可提高小麦生育中后期土壤含水量,PMO抽穗至灌浆阶段0～300 cm土层土壤贮水量较PMS和CK分别提高4.6%和8.5%,群体冠层温度分别降低0.1～1.3 ℃和1.4～4.9 ℃,P_n分别提高9.3%和29.7%,g_s分别提高30.9%和103.8%,T_r分别提高5.1%和55.0%,全氮含量分别提高6.6%和18.9%,C/N分别降低6.4%和22.8%。收获后,PMO较PMS和CK显著促进穗粒数和千粒重增加,籽粒产量分别提高9.1%和53.7%。抽穗至灌浆阶段旗叶P_n和g_s与C/N呈负相关性;C/N与籽粒产量呈显著负相关。因此,半干旱区全膜覆土穴播条件下施有机肥可提高春小麦抽穗至灌浆阶段土壤含水量,促进旗叶光合作用,有利于降低生理干旱胁迫强度和旗叶氮吸收同化限制,促进穗粒数和粒重增加,使产量提升。