前茬冬小麦栽培措施对后茬夏玉米光合特性及产量的影响

张 震，钟雯雯，王兴亚，陈雨海，周勋波

(1.广西大学 农学院，广西高校作物栽培学与耕作学重点实验室，广西 南宁 530004；2.山东农业大学 农学院，山东 泰安 271018)

前茬冬小麦栽培措施对后茬夏玉米光合特性及产量的影响

张 震1,2，钟雯雯2，王兴亚2，陈雨海2，周勋波1

(1.广西大学 农学院，广西高校作物栽培学与耕作学重点实验室，广西 南宁 530004；2.山东农业大学 农学院，山东 泰安 271018)

为了明确前茬冬小麦施氮和种植方式对后茬夏玉米光合特性及产量的影响，于2013-2015年华北平原冬小麦-夏玉米轮作区进行裂区试验。冬小麦施氮112.5 kg/hm2(N1)和225.0 kg/hm2(N2)为主处理，冬小麦等行距(U)改为夏玉米等行距(UR)，20+40沟播(F)改为垄作(BP)的种植方式为副处理。结果表明，与UR和N1相比，BP和N2提高夏玉米叶面积指数(LAI)、叶绿素含量指数(CCI)、净光合速率(Pn)及干物质重(DM)，且减缓LAI、CCI和Pn后期降低幅度。冬小麦季，与U相比，F种植方式增产3.1%、穗数提高6.9%、穗粒数提高2.4%。与N1相比，N2处理增产5.0%、穗数提高13.8%、穗粒数提高4.9%；夏玉米季，与UR比，夏玉米BP种植方式增产7.1%、穗粒数提高2.4%、收获指数提高5.9%。与N1相比，N2处理增产13.0%、穗粒数提高9.2%、收获指数提高11.9%。在华北冬小麦-夏玉米轮作区，冬小麦季施氮225.0 kg/hm2的条件下，氮肥后效明显，结合沟播冬小麦收获后在垄上直播夏玉米的种植方式是一种全程简化、高效、丰产的栽培措施，在华北平原冬小麦-夏玉米轮作区有很高的实践意义。

冬小麦-夏玉米轮作；氮肥后效；光合特性；叶绿素含量指数；产量

垄作作为一种栽培技术已经被广泛推广，并在多方面上有了明显改善。垄作栽培有利于扩大土壤表面积，改善根际土壤的通气性，有利于田间的通风透光，改善玉米冠层的小气候条件，更能有效地协调土、水、肥、气、热、光、温等关系，并取得了明显的增产效果[1-2]。李辉等[3-4]通过对小麦垄作栽培的生理效应研究指出，垄作显著提高土壤有机碳和微生物生物量碳，并扩大土壤表面积，从而增加了光的截获量，提高肥料利用率10%～15%，并从改善养分利用、土壤理化性状和水分利用方面证明了垄作栽培优越性[5-7]，光合性能对干物质积累和转运具有重要作用，协调产量构成因素间的关系，利于产量的提高[8-9]。因此，研究垄作栽培在光合作用及其他光合特性方面上的优势，对提高产量具有重要的生产意义。

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原主要的轮作方式，然而越来越多的调查表明，该体系过量施氮不仅没有大幅度增加作物产量，反而造成土壤硝态氮逐年累积和氮素损失，威胁环境安全[10]。研究表明，冬小麦季氮肥利用率仅有11%～23%，而夏玉米季氮肥残效利用率却高达30%～52%，故前茬作物残留在土壤中氮素的作用不容忽视[11-12]。由此可见，前茬作物施入的氮肥会有部分残留到土壤中，并被后茬作物吸收利用，但是与沟播冬小麦收获后垄上播种夏玉米的种植方式相结合鲜有报道。为此，本研究在华北平原采取沟播冬小麦收获后垄上播种夏玉米的种植方式，探讨此种植方式和冬小麦氮肥后效对后茬夏玉米光合特性和产量的影响，构建华北冬小麦-夏玉米轮作区合理施肥与种植方式一体化全程简化高效均衡丰产增效的技术模式，最终在生产实践中为农业人员提供合理、省时、高效、丰产的理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验为2013-2015年2个冬小麦-夏玉米轮作试验周期，在山东省泰安市山东农业大学农学实验站(36°09′N，117°09′E)进行。前茬作物冬小麦，后茬作物夏玉米，该地区为半湿润暖温带大陆性季风气候，夏玉米生长季平均气温25.0 ℃，平均降雨量为450～500 mm，降雨量主要集中在7，8月(表1)。试验地土壤类型为沙壤土，0～20 cm土层的有机质18.9 g/kg，碱解氮123.2 mg/kg，速效磷40.6 mg/kg，速效钾124.5 mg/kg；pH值6.9，容重为1.50 g/cm3，田间持水量为38.6%(V%)。

表1 夏玉米生长季节的月降雨量情况Tab. 1 Monthly rainfall in the 2014 and 2015 summer maize growth seasons mm

注：6月降雨量. 播种日至6月30日的降雨量。

Note：June rainfall . Rainfall was days from sowing to 30 June.

1.2 冬小麦-夏玉米试验设计

前茬冬小麦品种为济麦22，30 cm等行距和20+40沟播(沟底宽20 cm，垄底宽40 cm，垄高10 cm，沟底2行小麦间距为20 cm)。试验小区面积为3 m × 3 m水分池(四壁为15 cm混凝土浇筑，墙壁内侧均为水泥，以防止水分侧渗，深度为2 m)。施肥量为纯氮112.5 kg/hm2(N1)，225.0 kg/hm2(N2)，氮肥为尿素218.2 g(N1),436.4 g(N2)，播前基肥与拔节期追肥各一半；P2O5为120 kg/hm2，K2O为105 kg/hm2(每个试验小区施磷酸钙771 g，硫酸钾189 g，均作基肥一次性施入)。后茬为人工收获冬小麦后免耕播种夏玉米，品种为郑单958，种植密度为62 500株/hm2，小麦30 cm等行距改为玉米60 cm等行距(UR)，20+40沟播改为60 cm垄作(BP)，生育期内雨养不施肥(图1)。每个处理3次重复。

图1 冬小麦-夏玉米种植方式图Fig.1 Schematic diagram of winter wheat-summer maize

1.3 测定指标及方法

1.3.1 群体动态测定 干物质(DM)：在大口期(V12)、开花期(R0)、灌浆期(R2)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)取样(每小区取2株)，干物质采用烘干称重法(105 ℃杀青30 min，置于80 ℃下烘干至恒重)；

叶面积(m2/株)=叶片最大长度×最大宽度×0.75；

叶面积指数(LAI)=单株叶面积×单位土地面积内的株数/单位土地面积。

1.3.2 光合特性测定 光合速率(Pn)：选取受光方向和生长状况一致的叶片，用LI-6400XT便携式光合系统(LI-COR Inc.，Lincoln，USA)测定穗位叶净光合速率(Pn)，选择晴朗无云天气，于09：00-11：00测定，测定时期同1.3.1。

叶绿素含量指数(CCI)：用叶绿素仪200(Opti-Sciences Inc.，Tyngsboro，USA)于09：00-11：00测定，测定时期同1.3.1。

1.3.3 考种与测产 冬小麦：成熟期取20株考种，测定穗数、穗粒数和千粒质量等，每区取样2 m2测产。夏玉米：成熟期取10株考种，测定穗粒数和百粒质量等，每区取样2 m2测产。

1.4 气象指标监测及试验数据统计

农业气象站(距试验点500 m)的ET106监测作物生育期间自然降雨量和温度。试验数据利用SAS 9.2软件进行分析，用SigmaPlot 10.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 种植方式和施氮对后茬夏玉米叶绿素含量指数的影响

由图2可见，不同处理夏玉米CCI均在R0(2014)或R2(2015)最大，随后下降。2014年，与UR相比，BP的CCI增加3.6%。从R0到R6，BP和UR的CCI降低幅度分别为38.8%和39.3%；2015年，BP和UR的CCI均值分别为40.8和39.0，BP的CCI较UR提高4.6%。从R2到R6，BP和UR的CCI降低幅度分别为28.4%和31.6%。BP和UR的CCI 2年均值分别为40.7和39.1，BP的CCI较UR提高4.1%，说明BP利于CCI的提高，减缓生育后期CCI降低幅度。

2014年，与N1相比，N2的CCI增加6.1%；2015年，N1和N2的CCI均值分别为37.4和42.4，N2的CCI明显高于N1。N1和N2的CCI 2年平均值分别为38.0和41.7，N2的CCI明显高于N1，说明前茬的残余氮肥对夏玉米的CCI有明显影响。

N1和N2分别为施氮112.5，225.0 kg/hm2，图中数据为平均值±标准误差(n=3)。图3-5同。N1 (112.5 kg/ha) and N2 (225.0 kg/ha) were nitrogen content，data in figure was average ± standard error (n=3).The same as Fig.3-5.

2.2 种植方式和施氮对后茬夏玉米叶面积指数的影响

由图3可见，夏玉米LAI有随生育进程先升高后降低的趋势，R2最大，R6最小。不同种植方式的LAI在R2前差异较小，之后差异增大。BP和UR的LAI 2年平均值分别为3.53和3.32，BP的LAI较UR提高6.33%；从R2到R6，BP和UR的LAI降低幅度分别为45.3%和56.6%，说明BP明显提高LAI，延缓生育后期降低幅度，有利于产量的提高。

N1和N2处理下的LAI 2年平均值分别为3.25和3.60，N2的LAI明显高于N1；从R2到R6，N1和N2的LAI降低幅度分别为52.3%和49.0%，说明前茬较高施氮量提高夏玉米的LAI，延缓叶片衰老，延长叶片功能。种植方式和施氮互作对LAI有明显影响。N1和N2处理下，种植方式间的LAI最大变异幅度分别为5.7%和6.9%，种植方式间的差异随施氮量的增加而扩大。N2处理下，BP和UR的LAI分别为3.72和3.48，BP的LAI明显高于UR，因此，N2 × BP提高LAI，增大光合面积。

图 3 种植方式和施氮对后茬夏玉米叶面积指数的影响

2.3 种植方式和施氮对后茬夏玉米光合速率的影响

由图4可见，Pn有随生育进程逐渐降低的趋势，V12-R6各个生育时期的2年均值分别为41.7，39.5，34.0，28.8，15.1 μmol/(m2·s)，Pn生育前期下降缓慢(V12-R2)，生育后期下降较快(R2-R6)。BP和UR的Pn 2年均值分别为34.7,33.0 μmol/(m2·s)，BP的Pn较UR提高5.2%。R2-R6，BP和UR的Pn降低幅度分别为54.9%和66.6%，说明BP明显提高Pn，延缓其生育后期降低幅度，提高光合能力。

2年均值结果表明，Pn在各个生育时期均表现为N2 > N1，N1和N2的Pn 均值分别为32.5，35.20 μmol/(m2·s)，N2的Pn明显高于N1，R2-R6，N1和N2的Pn降低幅度分别为66.0%和55.7%，说明N2处理维持较高Pn，利于产量提高。种植方式和施氮互作对Pn有明显影响。N1和N2处理下，种植方式间最大变异幅度分别为2.5%和7.9%，种植方式间的差异随施氮量的增加而扩大。N2处理下，BP和UR的Pn分别为36.5和33.9，BP的Pn明显高于UR，因此，N2 × BP利于Pn提高。

2.4 种植方式和施氮对后茬夏玉米干质量的影响

由图5可见，干质量均有随生育进程逐渐升高的趋势，R2后种植方式间差异明显。V12-R2，种植方式间干质量基本相同，R2-R6，BP的干质量明显高于UR，2年趋势一致。与UR相比，BP的干质量2年均值提高6.4%，说明BP明显提高干质量，R0后优势更明显；与N1相比，N2的干质量2年平均值提高7.8%。N2处理下，BP和UR的干质量2年平均值分别为9 456，8 679 kg/hm2，BP的干质量明显高于UR。种植方式和施氮互作对干质量无明显影响，种植方式和施氮均独立的具有提高干质量的效应。

图4 种植方式和施氮对后茬夏玉米光合速率的影响

图5 种植方式和施氮对后茬夏玉米干质量的影响

2.5 种植方式和施氮对冬小麦-夏玉米周年产量的影响

如表2所示，与U相比，F提高冬小麦产量、千粒质量、穗数和穗粒数，2年趋势一致。F 2年平均增产3.1%、穗数提高6.9%、穗粒数提高2.4%(P<0.05)。种植方式对千粒质量无显著影响，与U相比，F的千粒质量提高3.1%(P>0.05)。与N1相比，N2 2年平均增产5.0%、穗数提高13.8%、穗粒数提高4.9%(P<0.05)，千粒质量基本相同(P>0.05)。

如表3所示，2年结果表明，与UR相比，BP增产7.1%、穗粒数提高2.4%、收获指数提高5.9%(P<0.05)，种植方式对百粒质量无显著影响(P>0.05)。与N1相比，N2显著增产13.0%、穗粒数提高9.2%、收获指数提高11.9%(P<0.05)、百粒质量提高1.5%(P>0.05)，表明前茬冬小麦施氮量对夏玉米产量及产量构成有明显影响。N2×BP增加穗粒数，利于产量提高，形成较高收获指数。

表2 种植方式和施氮对冬小麦产量和产量构成的影响Tab. 2 Effects of planting patterns and nitrogen amount on yield and yield component of winter wheat

注：F和U分别表示沟播和等行距种植方式；PP.种植方式；同一列标以不同小写字母的数值表示 5%水平差异显著。表3同。

Note：F.Furrow planting； U.Uniform row；PP.Planting pattern;Values followed by different small letters within a column are significantly different at 5% probability level. The same as Tab.3.

表3 种植方式和施氮对后茬夏玉米产量和产量构成的影响Tab. 3 Effects of planting patterns and nitrogen amount on yield and yield component of summer maize

注：BP和UR分别表示垄作和平作种植方式。

Note：BP.Bed planting； UR.Uniform row.

3 讨论与结论

垄作可以提高土壤耕层温度，有利于土壤微生物生长，可加速土壤有机质的分解，促进速效养分的释放和吸收[13]，改善夏玉米对土壤中养分的吸收和利用。本试验采用沟播冬小麦收获后在垄上播种夏玉米的方法，探讨其对后茬夏玉米光合特性及产量的影响。结果表明，夏玉米灌浆前平作与垄作保持了基本相同的LAI和Pn，垄作CCI明显高于平作，说明垄作提高CCI，与前人研究一致，作物不同的空间分布影响资源竞争关系，垄作种植方式使夏玉米空间分布合理，获得较高CCI，利于植株光合有效辐射的吸收[14-15]。灌浆后是夏玉米产量形成的重要阶段，也是夏玉米生理功能渐衰阶段。叶面积是植物截获光能的物质载体，玉米干物质产量的90%以上是由光合作用生产的[16-17]。吐丝-乳熟期，叶片维持较长的功能期对产量起决定作用[18]；在灌浆-成熟期，与平作相比，垄作明显增加CCI、LAI、Pn和干质量，且CCI、LAI和Pn在该阶段下降幅度缓慢，说明垄作形成合理空间结构，延缓叶片生育后期的衰老，延长叶片功能，降低漏光损失，延长有效光合时间，提高光合能力，最终确保了较高的籽粒产量形成；延长叶片功能期，可促进光合产物的积累及向籽粒的转移，有利于后期玉米籽粒充实，提高产量[19-20]。垄作后，光合特性提高，穗粒数、百粒质量、产量和收获指数均得到明显改善，这与魏珊珊等[21]研究结果相一致，适宜的透光率、较高的叶面积指数、叶绿素含量和净光合速率使玉米群体形成了高光效的冠层结构，有利于玉米产量潜力的发挥。

相关研究表明，在冬小麦-夏玉米轮作体系中，两茬作物之间没有间隔，氮肥残效利用率会大大增加，研究氮肥残效具有重要意义[22]。小麦收获后残留在土壤中的氮有一部分能够被下一茬作物所利用，且利用的比例与施肥量密切相关[23]。本研究表明，与N1相比，N2提高CCI、LAI、Pn和干质量，且延缓CCI、LAI和Pn在灌浆-成熟期的下降幅度，冬小麦氮肥后效明显，这与董娴娴等[24]研究结果相一致，氮肥具有一定的后效，氮肥的残效随施氮量的增加而增大。本试验结果表明，N2下，穗粒数、产量和收获指数均得到明显改善，这与氮肥促进夏玉米光合性状，改善叶面积指数，延长绿叶期，为后期干物质积累提供了大而长的产出源有关[25]。

本试验研究表明，垄作种植方式和N2处理均明显提高夏玉米叶面积指数、叶绿素含量指数、净光合速率和干物质积累量，且减缓叶面积指数、叶绿素含量指数、净光合速率生育后期降低幅度，提高光合物质的积累；沟播冬小麦收获后在垄上直播夏玉米的种植方式明显提高冬小麦-夏玉米的产量构成部分，冬小麦增产3.1%、夏玉米增产7.1%。N2处理明显提高冬小麦-夏玉米的产量构成部分，冬小麦增产5.0%、夏玉米增产13.0%，N2处理提高冬小麦产量且后效明显，提高夏玉米产量。在华北冬小麦-夏玉米轮作区，冬小麦季施氮225.0 kg/hm2的条件下，即可满足冬小麦当季氮肥需求，氮肥后效明显，结合沟播冬小麦收获后在垄上直播夏玉米的种植方式是简化、丰产、增效的栽培措施。

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Effect of Cultivation Measures of Previous Winter Wheat on Following Summer Maize Photosynthesis Characteristics and Yield

ZHANG Zhen1,2，ZHONG Wenwen2，WANG Xingya2，CHEN Yuhai2，ZHOU Xunbo1

(1.Agricultural College of Guangxi University，Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Crop Cultivation and Farming System, Nanning 530004，China；2.College of Agronomy，Shandong Agricultural University，Taian 271018,China)

The study is to explore effect of planting pattern and residual nitrogen applied to winter wheat on photosynthesis characteristics and yield of following summer maize. The experiment was conducted in the North Plain Region of winter wheat-summer maize rotation system in 2013-2015. Nitrogen applied at 112.5，225.0 kg/ha(N1，N2)in winter wheat，summer maize was seeded on ridge planting (BP) and uniform row (UR) after winter wheat was harvested in furrow planting (F) and uniform planting (U) without nitrogen. The results showed that compared with UR and N1，BP and N2 increased leaf area index (LAI)，chlorophyll content index (CCI)，photosynthetic rate (Pn) and dry matter accumulation of summer maize. BP delayed decrease of LAI，CCI and Pn during late growth stage. During growth seasons of winter wheat，compared with U，grain yield，ears and grains per ears in F planting pattern was increased by 3.1%，6.9% and 2.4%，respectively. Compared with N1，grain yield，ears and grains per ears in N2 increased by 5.0%，13.8% and 4.9%，respectively； During growth seasons of summer maize，compared with UR，grain yield，grains per ears and harvest index (HI) in BP planting pattern increased by 7.1%，2.4% and 5.9%，respectively. Compared with N1，grain yield，grains per ears and HI in N2 was increased by 13.0%，9.2% and 11.9%，respectively. Therefore，under the condition of 225.0 kg/ha nitrogen，the planting pattern，summer maize was seeded on ridge (BP) after winter wheat was harvested in F planting pattern，could be conducive to increase grain yield of both winter wheat and summer maize.

Winter wheat-summer maize rotation； Residual effect of nitrogen fertilizer； Photosynthesis characteristics； Chlorophyll content index； Grain yield

2017-04-21

国家高技术研究发展计划“863”计划(2013AA102903-4)；广西自然科学基金项目(2015GXNSFAA139049)；广西大学博士启动基金项目(XBZ160072)

张 震(1990-)，男，内蒙古赤峰人，在读硕士，主要从事农田生态与水肥资源高效利用研究。

周勋波(1972-)，男，黑龙江富锦人，副教授，博士，主要从事农田水资源高效利用与农田生态研究。

S512.01

A

1000-7091(2017)04-0155-07

10.7668/hbnxb.2017.04.025