不同栽培管理模式下冬小麦根群构建与水氮利用及产量的关系研究

【摘要】针对小麦高产攻关与当前小麦栽培管理中现存的“肥水管理不科学、技术落实不到位、高产高效不同步”等突出问题，本文将田间耕作、种植密度、施肥、浇水等因素集成组装成4种栽培管理模式（农民习惯栽培管理模式T1；相对于T1的优化栽培管理模式T2；超高产栽培管理模式T3和相对于T3的优化栽培管理模式T4），于2008～2010连续两年设置大田定位试验，并田间套布15N同位素示踪微区试验，系统研究了不同栽培管理模式对冬小麦根群构型分布、麦田耗水与水分利用、氮素吸收利用、干物质积累与转运及籽粒产量的调控效应，并探讨了冬小麦根群构建与籽粒产量、水氮吸收利用的关系。主要研究结果如下：1.不同栽培管理模式对冬小麦根群构型时空分布的调控效应冬小麦根系生长受栽培管理模式调控效应较大，1m土层的TDRW、TRL、ARD、TRSA、TRV均随生育期的推进呈“缓慢增长－快速增长－缓慢下降”的单峰曲线变化，根系特征参数变化可用Beta方程生长曲线进行拟合。T1的根系生长高峰出现较早，根系各生长特征参数均于抽穗期达最大值，T2、T3、T4可延缓根系过早衰减，除ARD外，TDRW、TRL、TRSA、TRV的生长高峰均推迟至开花期。不同土层中根系生长特征参数的分布表现不同，T1和T3的根系主要集中在土壤上中层，下层土壤中分布相对较少，而T2和T4则有利于促进小麦整个生育期内深层土壤的根系分布，其DRWD、RLD、ARD、RSA和RV均有所增加。T1处理的TDRW、TRL、TRSA、TRV根系生长特征次级参数最大值（wmax）出现时间（te）和最大生长速率出现时间（tm）出现较早，T2、T3、T4三处理的te和tm均较T1分别推迟。T2与T1、T4与T3相比，其ARD的te和tm均提前出现。T2、T3、T4三处理TRDW、TRL、ARD的wmax,平均生长速率（c）和生长速率最大值（cm）均显著高于T1。由此表明，超高产栽培和两优化栽培较农民习惯栽培管理模式，可延缓根系衰老进程，有效延长根系快速增长和伸长时间，提高根系生长速率，促进根系加粗，增大根表面积和根体积，可有效满足生育后期籽粒形成和灌浆对水分养分的需求。与高产小麦相比，高产高效的小麦根系分布特征为上层土壤根系分布适中，中下层土壤根系数量明显增多，根长密度、根直径、根体积和根表面积明显增大。2.不同栽培管理模式对冬小麦耗水特征与水分利用效率的调控效应4种栽培管理模式下冬小麦对不同来源水分的消耗存在差异，均以T1和T3的总耗水量较大，并以利用灌溉水为主，对土壤贮水的吸收利用显著降低；T2主要利用自然降水和土壤贮水，T4在充分利用灌溉水的同时，也增强了对降水的消耗。4种栽培管理模式均以小麦生育中后期（拔节－成熟）的耗水量最大，其阶段耗水量、日耗水量和耗水模系数显著提高。4处理均以40～60cm土壤耗水量最大，T1和T3对表土层或上层土壤贮水的消耗较多，而对深层土壤贮水的利用较少，而T2、T4则有效增强了中下层土壤贮水的消耗，其WUEY、WUEP、WUES、WUEI和IE均维持较高水平。因此，提高冬小麦对灌水和土壤贮水的吸收利用可作为小麦高产和水分利用效率提高的主要途径。3.不同栽培管理模式对冬小麦氮素吸收与运转特性的调控效应T2、T4能显著提高小麦生育前期的氮素吸收能力，并可明显增强生育后期氮素的同化性能；T1、T3的籽粒氮素累积主要依赖于花前地上部营养器官贮藏氮素的转运，而T2、T4则由于协同提高花前氮素转运和花后氮素同化积累，而获得较高的氮素收获指数。15N示踪分析结果表明，4种栽培管理模式处理叶、茎、鞘、穗颖等营养器官对来自土壤氮素的转移量及其对籽粒氮素的贡献率均大于来自肥料氮素，但其土壤氮素的转移效率却显著高于肥料氮素，且来自追肥氮的转移量、转移效率及其对籽粒氮素的贡献均显著高于基肥氮。T2、T4由于施氮量与氮肥运筹的改变，有利于增强小麦对肥料氮的吸收，其氮肥利用效率明显提高，但T1、T3的氮素转移效率及其对籽粒氮素的贡献均比相应优化处理的T2、T4降低，且两处理土壤氮素的残留率和损失率显著升高，这是其肥料利用率下降的主要原因。4.不同栽培管理模式对冬小麦干物质生产及籽粒产量的调控效应优化栽培管理模式T2和T4可优化群体结构，提高分蘖成穗数和成穗率，改善穗部性状，减少不孕小穗数，增加结实小穗数；且T2、T3、T4的穗粒数和千粒重均较T1显著增加，两生长年度的产量差较小，对产量的调控效应强，而T1和产量差较大（570.3kg·hm-2），其应对异常气候对产量的缓解效应较差。T2、T3、T4与T1相比，促进了叶、茎、鞘等营养器官贮藏干物质向籽粒的转运，干物质在籽粒中的积累量和分配比例显著提高；T2、T4主要依靠提高花后干物质同化量及其对籽粒的贡献而获得高产，而T3由于花前干物质积累和花后干物质同化能力的协同提高而获得最高产量；且籽粒产量与各生育阶段物质干积累量及其生长速率呈正相关，与花前物质贡献率呈显著负相关，但与花后物质贡献率呈显著正相关，因此，在保证花前生物产量的前提下，既提高花前营养器官贮藏干物质向籽粒的转运量，又增强花后干物质自身同化性能，是冬小麦产量提高的重要物质保障。5.冬小麦根群构建与籽粒产量、水氮吸收利用的关系关联分析结果表明，两优化栽培管理模式T2和T4的中下层根系分布较多，RDWD、RLD、ARD、TRSA、TRV等根系各生长特征参数与籽粒产量的关联度数值（r0i）较大，与籽粒产量形成的关系较密切，说明中下层土壤根系的形成与分布对获得高产具有重要作用。因此，促进根系下扎，增加中下层根系数量和质量，可作为冬小麦产量进一步提高的关键技术与途径。籽粒产量与水氮利用效率的相关分析结果表明，不同栽培管理模式下冬小麦GY与NUTE、NAE、NPE呈正相关，但GY却与NPFP呈负相关；WUEY分别与NUPE、NUTE、NPFP、NPE、NHI呈正相关，WUEP、WUEI和IE也分别与NUPE、NUTE、NAE呈正相关。因此，在小麦生产实践中，采取适宜的栽培管理模式可在提高籽粒产量的同时，协同提高水分和氮素吸收利用效率。根系生长特征参数与水分利用效率的相关分析结果表明，生育中后期（抽穗或拔节后），TRDW、TRL分别与WUEY、WUEP、WUEI、IE之间呈正相关，尤其是灌浆－成熟阶段的相关性达极显著水平；在小麦生育的各个阶段，ARD与WUEY、WUEP、WUEI、IE之间均呈正相关；TRSA、TRV与WUEY、WUEP、WUEI、IE的相关性除越冬期呈负相关外，其余各生育阶段基本上呈正相关。由此表明，延缓小麦根系衰老，保持生育后期具有较高的根系生物量和根系长度，增大生育后期平均根直径、根表面积和根体积，可增强小麦对自然降水和灌溉水的充分利用，提高水分利用效率。根系生长特征参数与氮素利用效率的相关分析结果表明，TRDW分别与NUPE、NPFP、NHI呈负相关，但在开花－成熟阶段，TRDW与NUTE呈显著或极显著正相关；抽穗－成熟阶段，TRL分别与NUPE、NUTE、NAE、NPFP、NPE、NHI呈不同程度的正相关；TRSA、TRV分别与NUPE、NAE、NPFP呈负相关，而与NUTE呈正相关；在生育后期灌浆－成熟阶段，TRSA、TRV分别与NPE、NHI均呈极显著正相关。由此表明，根系生物量过大会抑制冬小麦植株对氮素的吸收，致使氮素生产效率、农学效率和收获指数下降；扩大生育中后期根系生长空间，增大根系与土壤水分和养分的接触范围，可有效增强小麦对氮素的吸收利用，提高氮素利用效率。综合考虑本试验研究结果和豫北高产灌区生态条件，适当降低小麦播量，以120～150kg·hm-2为宜，全生育期施纯N180～240kg·hm-2、P2O575～90kg·hm-2、K2O60～90kg·hm-2、有机肥3000kg·hm-2，将机械深耕、宽窄行配置及肥水春管后移等多项调控措施组装集成于一体的T2、T4两种优化栽培管理模式，在地下根群构建、地上干物质生产、水氮高效利用等方面均较农民习惯栽培管理模式T1具有明显的优势，能有效缓解干旱、低温等异常气候对小麦生长和产量形成等带来的负面效应，从而实现冬小麦高产、稳产、节本、高效的生产目标。在本试验条件下，超高产栽培管理模式T3虽然两年度均获得了最高产量，但由于其水肥投入过高，田间管理难度加大，以及倒伏、病虫害等生产风险增大，致使这种不计生产成本、单纯追求产量的栽培管理模式目前尚难在生产上大面积推广应用；而相对于超高产栽培的优化栽培管理模式T4，在降低播量和灌水量的同时，又对接近T1的氮肥用量及底追比例和追肥时期进行了优化，两个生长年度的籽粒产量均较T1增产13.4%～24.5%，说明其应对极端异常气候的效应较好，生产上更易被农民采纳，具有较好的推广应用价值。
【作者】王永华；
【导师】郭天财；
【作者基本信息】河南农业大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】冬小麦；栽培管理模式；根系构型；籽粒产量；水分利用效率；氮素利用效率；

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