張占琴,張 力,田海燕,楊相昆

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，在黃淮海等主產(chǎn)區(qū)主要是夏玉米-冬小麥一年兩熟的種植模式[1]。新疆遠(yuǎn)離內(nèi)地糧食主產(chǎn)區(qū)，交通運(yùn)輸距離長，必須保證小麥種植面積，實(shí)現(xiàn)糧食自給自足。新疆小麥主要在奇臺(tái)、伊犁、塔城等冷涼地區(qū)種植；在光熱資源較好的棉區(qū)種植小麥，主要是為了保障本區(qū)糧食供給，與棉花輪作倒茬，緩解棉花連作障礙；為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，新疆各地州(團(tuán)場)在耕地面積有限的情況下，出現(xiàn)了“果麥間作”、“多熟制”種植模式。

在黃淮海主產(chǎn)區(qū)，為了緩解常年夏玉米-冬小麥種植模式帶來的養(yǎng)分偏耗、土壤結(jié)構(gòu)不良等問題，主要采用大豆、水稻、玉米等作物與小麥輪作倒茬。輪作倒茬能夠有效控制農(nóng)田病蟲草害，提高農(nóng)田生物多樣性[2]；豆科作物茬口能夠有效改善土壤氮素失衡狀況，提高小麥氮素利用效率[3]；不同茬口對(duì)土壤微生物的種類和數(shù)量產(chǎn)生不同影響，間接影響下茬作物的生長[4]。部分學(xué)者針對(duì)大豆[5]、水稻[6]、花生、甘薯[7]、綠肥[8]等不同前茬作物對(duì)小麥生長及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。豆茬不僅能改善小麥季土壤的供氮狀況，還能改善土壤的供磷、鉀狀況，有助于土壤的培肥及養(yǎng)分循環(huán)[5]；玉米茬小麥干物質(zhì)積累明顯大于水稻茬小麥，不同小麥品種在不同的茬口、播期情況下，灌漿速率和籽粒千粒重也不盡相同[6]，花生茬的土壤速效氮和速效磷含量提高，甘薯茬的土壤速效氮和速效鉀含量下降；大豆、花生和甘薯茬有利于小麥植株養(yǎng)分的積累，并能顯著提高千粒重[7]。

新疆地區(qū)滴灌條件下“果麥間作”和“多熟制”栽培模式下小麥生長光合特性、冠層分布、產(chǎn)量形成相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究報(bào)道[9-18]。小麥的葉面積指數(shù)(LAI)在抽穗期達(dá)到最大值，在一定范圍內(nèi)，增加灌水量或施氮量可提高小麥LAI[11]。小麥SPAD值、小麥旗葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)先增后降[10]。小麥光合速率受土壤水分含量影響較明顯[15]，干旱脅迫使小麥幼苗葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)降低明顯。在免耕春小麥不同生育時(shí)期套種草木樨，小麥旗葉葉綠素含量明顯提高[18]。杏麥間作模式下，高氮低種植密度處理的小麥旗葉具有較高的光合速率(Pn)、光系統(tǒng)PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率、開放的PSⅡ反應(yīng)中心所占的比例、非光化學(xué)猝滅系數(shù)[17]。棗麥間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)冬小麥各生育時(shí)期的冠層光合有效輻射時(shí)空窗大小由多種影響因子綜合協(xié)調(diào)作用[15]。人工模擬套作麥田果樹遮陰研究表明,遮陰時(shí)適當(dāng)降低密度有利于提高PSⅡ最大光化學(xué)效率、實(shí)際光化學(xué)效率、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度[14]。

國內(nèi)目前對(duì)于長期連作棉田與小麥輪作倒茬的研究報(bào)道較少。本文探討長期連作棉田后種植小麥、小麥+復(fù)播飼料油菜連作、小麥+復(fù)播飼料油菜-棉花-小麥3種模式下，土壤養(yǎng)分變化規(guī)律、小麥光合特性以及產(chǎn)量的變化規(guī)律，為新疆地區(qū)棉糧的協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016—2018年在新疆石河子新疆農(nóng)墾科學(xué)院2輪2號(hào)試驗(yàn)地(44.3108°N、85.986°E，海拔460 m)進(jìn)行。該地屬典型的干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.5℃～8.2℃，日照2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，≥10℃的活動(dòng)積溫3 570℃～3 729℃。試驗(yàn)地土壤類型為鈣積正常干旱土(中國土壤系統(tǒng)分類)，質(zhì)地為粘壤土，耕層(0～30 cm)土壤基本理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量17.1 g·kg-1、全鹽含量1.17 g·kg-1、全氮含量1.12 g·kg-1、全磷含量0.96 g·kg-1、全鉀含量18.4 g·kg-1、水解性氮含量86.73 mg·kg-1、有效磷含量13.83 mg·kg-1、速效鉀含量319.33 mg·kg-1。

1.2 處理方法

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理(2013—2015年均種植棉花)：棉花-棉花-小麥(C-C-W)，即2016年和2017年均種植棉花，每年棉花收獲后秸稈均粉碎還田，2018年種植春小麥；小麥+復(fù)播飼料油菜-棉花-小麥(W-C-W)，即2016年種植春小麥，春小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播飼料油菜，油菜翻壓作綠肥。2017年種植棉花，棉花收獲后秸稈粉碎還田，2018年種植春小麥；春小麥連作(CK)，2016年和2017年均種植春小麥，春小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播飼料油菜，飼料油菜翻壓作綠肥，2018年種植春小麥。

2016—2018年試驗(yàn)采用定位試驗(yàn)，即每個(gè)處理每年在固定地點(diǎn)種植，種植面積為200 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次。

春小麥品種為新春22號(hào)，2016年4月4日播種，4月10日出苗，7月18日收獲；2017年4月13日播種，4月20日出苗，7月17日收獲；2018年3月26日播種，4月4日出苗，7月12日收獲。3 a株行距配置、播量、田間管理基本相同，行距15 cm，播量為375 kg·hm-2。采用滴灌的方式，在播種的同時(shí)鋪設(shè)滴灌帶，滴灌帶鋪設(shè)在土壤1～2 cm深處，滴灌帶間距60 cm，每根滴灌帶為4行小麥提供灌溉。全生育期灌水600 mm，隨水滴施尿素403 kg·hm-2、滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)221 kg·hm-2。

油菜品種為華油雜62號(hào)，播量15 kg·hm-2，播種時(shí)將油菜種子與重過磷酸鈣按照1∶10比例混合均勻，采用小麥24行條播機(jī)沿著原小麥茬口錯(cuò)行免耕播種，行距為15 cm+35 cm寬窄行。2016年7月21日播種，7月26日出苗。全生育期隨水滴肥5次，尿素用量150 kg·hm-2，灌水450 mm。10月20日測產(chǎn)，產(chǎn)量57 669 kg·hm-2。隨后機(jī)械粉碎后翻壓作綠肥。2017年7月17日播種，7月24日出苗，全生育期隨水滴肥5次，隨水追施322.5 kg·hm-2尿素、滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)268 kg·hm-2,灌水450 mm。9月28日測產(chǎn)，產(chǎn)量66 827 kg·hm-2,隨后機(jī)械粉碎后翻壓作綠肥。

2016年和2017年棉花品種為新陸早45號(hào)，種植模式及田間管理措施參考楊相昆[19]的方法。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

所有性狀指標(biāo)和樣品測定均在2018年進(jìn)行。

光合性能測定：分別在小麥孕穗、抽穗、開花、灌漿、蠟熟期，用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)(Li-Cor，USA)測定小麥旗葉的氣體交換參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)葉室(2 cm ×3 cm)，每處理重復(fù)測定10次。用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)(Li-Cor，USA)測定的參數(shù)：凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔限制值(Ls)、光能利用率(LUE)、水分利用效率(WUE)、潛在水分利用效率(WUEi)。于8∶00—12∶00利用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(WALZ，Germany)，采用2030-B葉夾測定小麥旗葉的光系統(tǒng)II(PSII)葉綠素?zé)晒鈪?shù)。每處理重復(fù)測定3次。PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測定參數(shù)：PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、基于湖泊模型的光化學(xué)淬滅系數(shù)、PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量、PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量、非光化學(xué)淬滅參數(shù)、PSⅡ處非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量。氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)和測定、快速光響應(yīng)曲線測定及擬合方法參考楊相昆[19]的方法。

土壤樣品測定：在播種后及收獲前土壤取樣，按照梅花形取樣法每個(gè)處理取5個(gè)點(diǎn)，取樣深度0～30 cm，將5個(gè)點(diǎn)土樣混勻，陰干后委托新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所進(jìn)行測定。土壤養(yǎng)分測定方法：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法、水解性氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀乙酸銨浸提-火焰光度法，可溶性總鹽采用烘干殘?jiān)ā?/p>

干物質(zhì)及葉面積指數(shù)測定：從出苗后28 d開始，每周取一次樣，3次重復(fù)，取樣面積0.075 m2(0.15 m × 0.5 m)，全生育期取樣9次。每次取樣時(shí)將耕層內(nèi)(0～30 cm)根系一并取回。在取樣時(shí)選擇長勢一致的標(biāo)記作為下次取樣株。植株樣品取回后在烘箱中105℃殺青30 min，之后80℃烘干8～10 h至恒重并稱量，由此計(jì)算干物質(zhì)積累量。

取植株樣的同時(shí)，利用LAI-2200C植物冠層分析儀(LI-COR,USA)，參照Malone 等[20]的方法，測定小麥的葉面積指數(shù)(LAI)，并由此計(jì)算葉面積持續(xù)時(shí)間(光合勢，LAD)和凈同化率(NAR)，方法參考文獻(xiàn)[21]。

產(chǎn)量：每個(gè)處理每小區(qū)實(shí)收12 m2(10 m×1.2 m)面積內(nèi)小麥(共3次重復(fù))，脫粒曬干計(jì)產(chǎn)，測產(chǎn)同時(shí)取樣考種。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 (Microsoft Corporation)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用SigmaPlot 12.5(Systat Software,Inc)作圖，利用Adobe Illustrator CS5 (Adobe Systems Incorporated)對(duì)圖片進(jìn)行后期處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同前茬作物對(duì)小麥田土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，收獲前與播種后相比，輪作模式下(C-C-W和W-C-W)，土壤pH值上升0.21～0.22，電導(dǎo)率降幅較大，為220.33～278.67 μs·cm-1。C-C-W模式有機(jī)質(zhì)含量降低0.14 g·kg-1，而W-C-W和CK模式有機(jī)質(zhì)含量上升1.61 g·kg-1和1.89 g·kg-1。3個(gè)處理堿解氮含量在生育期末均有降低，但連作處理(CK)降幅更大，接近輪作處理的兩倍。速效磷含量變化趨勢同堿解氮。在連作模式下，速效鉀含量在生育期末增加41.20 mg·kg-1，而輪作模式則減少20.60、89.27 mg·kg-1。3個(gè)處理全氮含量均在生育期末有所增加，但輪作模式增加的更多。連作模式下全磷含量減少最多，其次為C-C-W處理，而W-C-W處理全磷含量增加。C-C-W處理在生育期末全鉀含量減少的最多。

表1 不同前茬作物處理下土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient content of different preceding crops treatment

2.2 不同前茬作物對(duì)小麥植株光合作用的影響

通過圖1可以看出，在孕穗、揚(yáng)花及灌漿中期，C-C-W模式下凈光合速率(Pn)較CK分別高6.82%、17.04%、20.21%；而W-C-W模式在孕穗、揚(yáng)花、灌漿中期、蠟熟期凈光合速率(Pn)較CK分別高9.15%、47.61%、7.93%、10.51%，而在抽穗期則是CK的Pn最高。

在蠟熟期輪作模式氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)均低于CK，W-C-W降低幅度更大(10.58%、5.76%、11.92%、)，W-W-C為(6.49%、-0.22%、8.85%)。而光能利用率(LUE)、水分利用效率(WUE)及潛在水分利用效率(WUEi)均是W-C-W處理最高，較CK提高136.49%、35.88%、33.26%，C-C-W處理較CK提高15.85%、3.24%、0.71%。其余生育時(shí)期3個(gè)處理互有高低，無明顯規(guī)律。

方差分析結(jié)果表明(表2)：開花后天數(shù)和不同輪作模式及其互作對(duì)Pn、Cond、Ci、Tr、WUE影響極顯著；開花后不同時(shí)間WUEi、Ls、LUE差異極顯著，不同輪作模式WUEi、Ls、LUE差異不顯著。

表2 不同前茬作物處理下小麥光合氣體交換參數(shù)二因素方差分析F值 Table 2 F value of two-factor variance analysis of photosynthetic gas exchange parameters under different preceding crops treatment

2.3 不同前茬作物對(duì)小麥葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

通過圖2可以看出，C-C-W、W-C-W模式在小麥灌漿中期最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)較CK分別提高3.81%和2.59%，蠟熟期提高8.99%、8.61%；實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Y(Ⅱ))在灌漿中期兩者均提高7.8%，蠟熟期分別提高30.08%、15.68%；在蠟熟期C-C-W、W-C-W模式PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)活性(qL)較CK提高21.19%及8.87%。同時(shí)輪作倒茬提高了揚(yáng)花期以后小麥的熱耗散(NPQ)及光保護(hù)能力(Y(NPQ))，降低了光損傷的程度(Y(NO))，其中W-C-W各項(xiàng)指標(biāo)提高的幅度更大一些，特別是在蠟熟期熱耗散及光保護(hù)能力較CK大幅提升。

綜上所述,采用輪作倒茬模式，能夠明顯提高小麥生育后期葉綠素?zé)晒馓匦詤?shù)，提高光合作用能力，為干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成奠定基礎(chǔ)。

注：Pn—凈光合速率,Cond—?dú)饪讓?dǎo)度,Ci—胞間CO2濃度,Tr—蒸騰速率,Ls—?dú)饪紫拗浦?LUE—光能利用率,WUE—水分利用效率,WUEi—潛在水分利用效率。BTS—孕穗期，HS—抽穗期，BLS—揚(yáng)花期，MFS—灌漿中期，DS—蠟熟期。下同。Note:Pn—photosynthetic rate,Cond—conductance to H2O,Ci—interecellular CO2 concentration,Tr—transpiration rate,WUE—water use efficiency,WUEi—intrinsic WUE,Ls—limiting value of stomata,LUE—light use efficiency.BTS—booting stage,HS—heading stage,BLS—blooming stage,MFS—middle filling stage,DS—wax maturity stage.The same below.圖1 不同前茬作物處理下小麥光合氣體交換參數(shù)Fig.1 Photosynthetic gas exchange parameters of wheat of different tillage modes under different preceding crops treatment

方差分析結(jié)果表明(表3)，開花后不同時(shí)間4種葉綠素?zé)晒鈪?shù)差異極顯著，不同輪作模式之間各參數(shù)無顯著差異。

表3 不同前茬作物處理下小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)二因素方差分析F值Table 3 F value of two-factor variance analysis of the chlorophyll fluorescence parameters under different preceding crops treatment

2.4 不同前茬作物對(duì)小麥葉片能量轉(zhuǎn)換的影響

由圖3可以看出，3個(gè)處理在孕穗期、抽穗期、揚(yáng)花期葉片吸收的光能進(jìn)入光化學(xué)的部分(P)均高于灌漿期和蠟熟期，說明這3個(gè)時(shí)期PSⅡ反應(yīng)中心活性較高，后期則有所降低。相比較3個(gè)處理，在孕穗期、抽穗期、揚(yáng)花期W-C-W處理葉片吸收的光能進(jìn)入光化學(xué)的部分(P)所占比例最低，分別為29%、0.35%、24%，CK葉片吸收的光能進(jìn)入光化學(xué)的部分所占比例最高，分別為0.32%、0.42%和0.33%，C-C-W居中。在灌漿中期和蠟熟期CK葉片吸收的光能進(jìn)入光化學(xué)的部分(P)所占比例最低，分別為29%、21%。葉片吸收的光能通過熱耗散散失的部分(D)的變化趨勢與進(jìn)入光化學(xué)的部分(P)相反。在生育后期，3個(gè)處理吸收的光能既不能進(jìn)入光化學(xué)、又不能通過熱耗散的部分(E)所占的比例基本相同。由此可見輪作倒茬提高了灌漿中期和蠟熟期光能進(jìn)入光化學(xué)的部分(P)所占比例。

目前“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全是一項(xiàng)系統(tǒng)工程”的觀點(diǎn)已得到了工控界的廣泛的認(rèn)可和接受，作為該工程的基礎(chǔ)和前提的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也越來越受到大家的重視，但在該領(lǐng)域的研究、發(fā)展過程中還需要糾正和解決一些模糊概念和問題：

注：Fv/Fm—PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量；qL—基于湖泊模型的光化學(xué)淬滅系數(shù)；Y(NPQ)—PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量；Y(Ⅱ)—PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量；NPQ—非光化學(xué)淬滅參數(shù)；Y(NO)—PSⅡ處非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量。下同。Note:Fv/Fm—maximum photochemical quantum yield of PSⅡ;qL—coefficient of photochemical fluorescence quenching assuming;Y(NPQ)—quantum yield of light (ΔpH and zeaxanthin-dependent)induced non-photochemical fluorescence quenching;Y(Ⅱ)—actual photochemical quantum yield of PSⅡ;NPQ—stern-volmer type non-photochemical fluorescence quenching;Y(NO)—Quantum yield of non-light induced non-photochemical fluorescence quenching.The same below.圖2 不同前茬作物處理下小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters of wheat under different preceding crops treatment

2.5 不同前茬作物處理下小麥快速光響應(yīng)曲線特征

如圖4所示，在抽穗期(HS)、揚(yáng)花期(BLS)CK處理電子傳遞速率(ETR)高于其他2個(gè)處理，而在孕穗期(BTS)、灌漿期(MFS)和蠟熟期(DS)，輪作模式下電子傳遞速率(ETR)高于CK。說明通過輪作倒茬可提高小麥后期的電子傳遞速率，與前文所述可提高葉綠素?zé)晒獾奶卣鲄?shù)一致。

圖4 不同前茬作物處理下小麥葉片光反應(yīng)曲線Fig.4 Leaf photoreaction curve of wheat under different preceding crops treatment

通過對(duì)光反應(yīng)曲線進(jìn)行擬合(表4)可知，CK在BLS期最大電子傳遞速率(ETRmax)高于輪作處理，其余時(shí)期均低于輪作處理，在BTS和MFS期W-C-W較C-C-W處理高15.07、33.48 μmol·m-2·s-1，其余時(shí)期后者較高。在MFS期CK最大光合效率(α)為0.29，高于其他2個(gè)處理，在BLS期為0.24，與C-C-W相同，其余時(shí)期均低于輪作處理。在BLS連作處理對(duì)強(qiáng)光的耐受能力最強(qiáng)，其余時(shí)期則是輪作處理對(duì)強(qiáng)光的耐受能力較強(qiáng)。

表4 不同前茬作物處理下小麥最大電子傳遞速率(ETRmax)、最大光合效率(α)、半飽和光強(qiáng)(Ik)Table 4 ETRmax,maximum photosynthetic efficiency (α)and semi-light saturation point (Ik)of wheat under different preceding crops treatment

2.6 不同前茬作物對(duì)小麥干物質(zhì)積累及葉面積指數(shù)的影響

出苗后不同時(shí)期干物質(zhì)積累如圖5所示，干物質(zhì)積累規(guī)律可用Logistic方程Y=K/(1+exp(a+bt))來擬合，a、b、K待定系數(shù)見表5，干物質(zhì)積累速率達(dá)到最大值的時(shí)間(Tmax)、此時(shí)積累速率最大值(Rmax)、干物質(zhì)重(Wm)、直線積累的開始時(shí)間(t1)和結(jié)束時(shí)間(t2)、以及t1和t2期間干物質(zhì)積累量ΔW(t2-t1)的計(jì)算參考明道緒[22]的方法。由圖5和表5可知，CK和C-C-W干物質(zhì)積累量接近，W-C-W處理干物質(zhì)積累量最多為22 564.67 kg·hm-2，但其干物質(zhì)最大積累速率最小(454.33 kg·hm-2·d-1)，最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間最晚(出苗后53 d)。在干物質(zhì)積累速率達(dá)到最大時(shí)的干物質(zhì)積累量最多，直線積累開始的時(shí)間最早(苗后34 d)，直線積累時(shí)間最長(37 d)，直線積累期積累的干物質(zhì)也最多。而CK和C-C-W最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間均為出苗后51 d，在干物質(zhì)積累速率達(dá)到最大時(shí)的干物質(zhì)積累量接近，分別為11 794.69 kg·hm-2和11 472.35 kg·hm-2，直線積累開始的時(shí)間分別為38 d和35 d，C-C-W的最大積累速率最高為568.90 kg·hm-2·d-1、CK為454.33 kg·hm-2·d-1。

表5 不同前茬作物處理下小麥干物質(zhì)積累擬合參數(shù)Table 5 Dry matter fitting parameters of wheat under different preceding crops treatment

注：D、P、E分別表示吸收光能中通過天線色素以熱能散失的部分、進(jìn)入光化學(xué)過程部分和剩余部分。Note:D—the part of absorption light energy which lost through PSⅡantenna pigment;P—actual photochemical quantum yield of PSⅡ;E—the part of absorption light energy which cannot enter the photochemical process and cannot be lost through the antenna pigment.圖3 不同前茬作物處理下小麥葉片能量轉(zhuǎn)換Fig.3 Leaf energy conversion of wheat under different preceding crops treatment

由圖5可知，整個(gè)生育期所有處理均在出苗后42 dLAI達(dá)到最大值，CK、C-C-W、W-C-WLAImax最大分別為5.07、4.56、和5.46，之后開始下降，輪作處理下降幅度較緩，特別是W-C-W維持較高的LAI時(shí)間比較長，為后期產(chǎn)量和干物質(zhì)積累奠定基礎(chǔ)。整體來看，W-C-W處理葉面積指數(shù)(LAI)及光合勢(LAD)較CK和C-C-W高，CK和C-C-W比較，前期CK的光合勢(LAD)高于C-C-W，后期則相反。凈同化率(NAR)呈波浪起伏變化，處理間無明顯規(guī)律。

平均葉傾角(Mean tilt angle,MTA)反映了葉片傾斜狀況。如果所有葉片都是水平的，那么MTA就是0°；若都是垂直的，則為90°。一般MTA處于30°(水平葉片占優(yōu)勢)～60°(垂直葉片占優(yōu)勢)。由圖6可以看出，在出苗后70 d之前，W-C-W處理MTA最低，但之后直線上升，即葉片上揚(yáng)，超過了其余兩個(gè)處理，這對(duì)維持較高的LAD、積累更多的干物質(zhì)是有利的。

冠層開度(DIFN)又稱無截取散射，表示未被葉片遮擋的天空部分。此值范圍在0(全葉片)～1(無葉片)。DIFN大體可看作是冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)代表值，它將LAI和MTA結(jié)合為一個(gè)值。由圖6可以看出，整個(gè)生育期內(nèi)不同處理DIFN基本呈“L”型變化，W-C-W處理整個(gè)生育期DIFN較低，這使漏射到地表的太陽輻射較少，光能利用率高。

圖6 不同前茬作物處理下小麥冠層參數(shù)Fig.6 Canopy parameters of wheat under different preceding crops treatment

方差分析表明(表6)：開花后天數(shù)對(duì)LAI影響極顯著，對(duì)DIFN影響顯著，不同輪作模式對(duì)小麥干物質(zhì)積累量、LAI、DIFN、MAT影響極顯著，二者互作對(duì)上述指標(biāo)影響不顯著。

表6 不同前茬作物處理下小麥干物質(zhì)積累和冠層參數(shù)二因素方差分析F值Table 6 F value of two-factor variance analysis of dry matter weight and canopy parameters of wheat under different preceding crops treatment

2.7 不同前茬作物對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

表7 不同前茬作物處理下小麥產(chǎn)量性狀Table 7 Wheat yield traits of different preceding crops treatment

3 討 論

合理的輪作倒茬是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，可緩解作物連作障礙，增加農(nóng)田生物多樣性，協(xié)調(diào)作物與土壤的關(guān)系，提高作物產(chǎn)量[23]。本研究以小麥+復(fù)播飼料油菜-棉花-小麥種植模式為研究對(duì)象，對(duì)比該種植模式與棉花連作后種植小麥、小麥+飼料油菜連作的差異，結(jié)果表明該模式下小麥產(chǎn)量及干物質(zhì)積累更具有優(yōu)勢，可緩解小麥、棉花長期連作產(chǎn)生的弊端，促進(jìn)國家糧食安全戰(zhàn)略實(shí)施。在小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種一季飼料油菜，增加經(jīng)濟(jì)收益，提高種植戶的積極性，有利于實(shí)現(xiàn)新疆地區(qū)棉-糧的協(xié)調(diào)發(fā)展。

適宜的輪作茬口能增強(qiáng)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能潛力。陳小容等[5]研究了不同種植模式下茬口對(duì)小麥季土壤肥力的影響，豆茬在土壤養(yǎng)分、酶活性方面優(yōu)于苕茬。張立成等[24]研究表明種植油菜作物可維持土壤中微生物量碳含量穩(wěn)定，增強(qiáng)了土壤微生物的代謝能力，提高微生物對(duì)有機(jī)碳源的利用。李銀平等[25]研究表明小麥復(fù)種油菜翻壓綠肥后，由于綠肥的分解礦化，對(duì)連作棉田土壤的速效氮產(chǎn)生影響。楊文元等[26]研究表明麥后復(fù)種油菜可降低土壤pH值，提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)，提高土壤肥力。本研究表明，W-C-W和CK模式有機(jī)質(zhì)含量均上升，可見小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播飼料油菜，翻壓做綠肥，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且這種效果可以持續(xù)到第三年，與前人的研究結(jié)果基本一致。油菜翻壓做綠肥可有效改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤酶活性，從而有利于作物生長發(fā)育。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，小麥產(chǎn)量的90%以上來自于光合作用[27]。王曙光等[28]研究表明Pn、Gs和Tr是影響作物產(chǎn)量的主要因素；王飛等[29]研究表明玉米、花生間作茬口較玉米茬口提高了冬小麥旗葉光反應(yīng)中心活性，從而提高凈光合速率；樊高瓊等[30]研究表明，前茬為玉米和大豆時(shí)套作小麥光合效率和產(chǎn)量都較高。本研究結(jié)果基本與上述一致，W-C-W處理提高了蠟熟期小麥Pn、LUE、WUE、WUEi(圖2)；輪作模式下提高了小麥灌漿中期以后的Fv/Fm、Y(Ⅱ)，提高了蠟熟期的PSⅡ反應(yīng)中心qL和揚(yáng)花期以后NPQ及Y(NPQ)，降低了Y(NO)(圖3)，由此可見輪作倒茬可顯著提高小麥后期的光合作用能力，W-C-W同時(shí)保持較高的LAI和LAD和較低冠層開度(DIFN)，為干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的形成奠定基礎(chǔ)。但本研究中Gs和Tr不同處理之間并沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，具有原因有待于進(jìn)一步研究。

張翼等[6]和史校艷等[31]研究表明不同茬口對(duì)小麥產(chǎn)量、成熟期干物質(zhì)有極顯著影響；玉米茬小麥干物質(zhì)積累明顯大于水稻茬小麥。本研究結(jié)果表明，小麥與棉花隔年輪作處理(W-C-W)直線積累開始的時(shí)間最早(苗后34 d)，直線積累時(shí)間最久(37 d)，干物質(zhì)積累最多。

邵云等[7]研究表明大豆、花生和甘薯茬有利于小麥植株養(yǎng)分的積累，并能顯著提高千粒重；鄭海澤等[32]研究表明茬口和灌水量對(duì)小麥產(chǎn)量的影響存在5%和1%的顯著性，玉米茬口同其他茬口相比其產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的變異系數(shù)均最低，且該茬口較好地協(xié)調(diào)了個(gè)體和群體生長動(dòng)態(tài)。王飛等[23]研究表明玉米花生間作茬口較玉米茬口能顯著提高小麥花后光合能力，促進(jìn)冬小麥生長，從而增加穗粒數(shù)、粒重和籽粒產(chǎn)量。靖華等[34]研究表明各施氮水平下不同基因型小麥的產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)在茬口間的表現(xiàn)存在差異。本研究表明小麥與棉花隔年輪作處理(W-C-W)產(chǎn)量最高，較CK增產(chǎn)10.39%。可見不同前茬作物對(duì)小麥的生長發(fā)育及產(chǎn)量影響顯著，生產(chǎn)中可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況適時(shí)輪作倒茬，提高作物產(chǎn)量，維持土壤生態(tài)平衡。

干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的形成，是作物光合作用的產(chǎn)物，其變化規(guī)律與光合能力的強(qiáng)弱有關(guān)。王飛等[23]研究表明小麥后期較高的氣體交換參數(shù)，尤其是乳熟期，保證了生育后期光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸，從而提高冬小麥產(chǎn)量。本研究中輪作倒茬模式能顯著提高灌漿中期之后的凈光合速率及葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm、qL、ETR、對(duì)強(qiáng)光的耐受能力等)，W-C-W獲得較高的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，但本研究中C-C-W干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量均偏低，可能因其多年棉花連作，導(dǎo)致土壤肥力下降，土壤生態(tài)系統(tǒng)不平衡，第一年輪作倒茬能夠提高部分氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并沒有協(xié)同形成較高的產(chǎn)量，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本研究采用W-C-W種植模式充分發(fā)揮了飼料油菜對(duì)土壤的培肥作用，緩解了棉花、小麥連作產(chǎn)生的問題，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，減緩堿解氮和速效磷的損失，提高小麥灌漿中期和蠟熟期光合作用能力，維持較高的LAI和LAD，改善了冠層結(jié)構(gòu)、促進(jìn)干物質(zhì)積累，達(dá)到增產(chǎn)的目的。

C-C-W種植模式，通過輪作倒茬提高了小麥光合作用的部分指標(biāo)，但由于棉花長期連作導(dǎo)致土壤微生物多樣性下降、結(jié)構(gòu)不合理等問題未充分緩解，尚未促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒有效轉(zhuǎn)移。若該模式在小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播飼料油菜培肥土壤，可改善后茬作物的生長條件，從而提高產(chǎn)量，結(jié)論有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。