全 文 ：第 34 卷第 13 期
2014年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.13
Jul.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31360148);甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金资助项目(GSAU鄄STS鄄1230)
收稿日期:2012鄄11鄄16; 摇 摇 修订日期:2014鄄04鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhangrenzhi@ gsau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201211061556
王克鹏,张仁陟,董博,谢军红.长期保护性耕作对黄土高原旱地土壤水分及作物叶水势的影响.生态学报,2014,34(13):3752鄄3761.
Wang K P, Zhang R Z, Dong B,Xie J H.Effect of long鄄term conservation tillage on soil water regimes and leaf water potential of crops in rainfed areas of the
Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2014,34(13):3752鄄3761.
长期保护性耕作对黄土高原旱地土壤水分
及作物叶水势的影响
王克鹏1,张仁陟1,*,董摇 博1,谢军红2
(1. 甘肃农业大学资源与环境学院,兰州摇 730070; 2. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室,兰州摇 730070)
摘要:通过长期定位试验研究了黄土高原西部旱农区,传统耕作方式和 5种保护性耕作措施对豌豆鄄小麦(P寅W)和小麦鄄豌豆
(W寅P)轮作序列的耕层土壤水分和作物叶水势的影响。 结果表明,与传统耕作(T)处理相比, 保护性耕作都能不同程度地提
高 0—30 cm土层土壤含水量,增幅为 3.29%—28.67%,其中免耕+秸秆覆盖(NTS)处理的土壤含水量在整个生育期内均为最
高。 豌豆和春小麦在不同生育期,叶水势的日变化趋势大致相同,均为清晨 6:00 最高,然后随着时间的推移而下降,大约在
12:00—14:00之间达到最低,随后逐渐回升。 春小麦各处理在拔节期和抽穗期的叶水势相对较高,孕穗期和开花期次之,灌浆
期最低; 叶片相对含水量在拔节期和抽穗期最高,开花期次之,灌浆期最低。 豌豆各处理的叶水势均在出苗期和孕蕾期达到了
最大值,分枝和开花期结荚期次之,灌浆成熟期相对较低;叶片相对含水量均随生育期的进程而呈下降趋势。 整个生育期春小
麦和豌豆各处理 10:00的叶水势与 0—30 cm平均土壤含水量之间显著相关,当土壤水分含量较低时,春小麦和豌豆叶水势与
耕层土壤含水量的相关性达极显著水平。 与传统耕作(T)相比,免耕+秸秆覆盖(NTS)、免耕+地膜覆盖(NTP)、免耕(NT)、传
统耕作+秸秆还田(TS)、地膜覆盖(TP)5种保护性耕作措施能不同程度的提高作物叶水势、叶片相对含水量和作物产量,其中
免耕+秸秆覆盖(NTS)的优势最明显。
关键词:保护性耕作;秸秆还田;地膜覆盖;土壤水分;叶水势
Effect of long鄄term conservation tillage on soil water regimes and leaf water
potential of crops in rainfed areas of the Loess Plateau
WANG Kepeng1, ZHANG Renzhi1,*, DONG Bo1,XIE Junhong2
1 College of Resource and environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
2 Gansu Province, State Key Laboratory of arid land crop science, Lanzhou 730070, China
Abstract: Based on long鄄term field experiments in the west of the Loess Plateau, this paper discusses the effects of
conventional tillage (T) on soil water regimes and leaf water potential of crops for five conservation agricultural patterns,
comprising conventional tillage with stubble incorporation (TS); no鄄till and no鄄stubble retention (NT); no鄄till with stubble
retention (NTS); conventional tillage with plastic mulching (TP); and no鄄till with plastic mulching (NTP). The rotation
systems of pea鄄wheat ( P 寅W) and wheat鄄pea ( W寅 P) under rainfed farming were studied. The results show that
conservation tillage could increase surface ( 0—30cm) soil moisture content at sowing, and soil moisture content of
conservation tillage are significantly higher than T, showing an increase of between 3.29%—28.67%. The NTS pattern for
spring wheat and field pea soil water content were the highest over all growing stages. The leaf water potential of the field
pea was obviously higher than that of spring wheat, but their daily dynamics were similar to each other over all growing
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stages. It was highest in the early morning at 6:00, and then decreased over time reaching a minimum at between 12:00—
14:00, before gradually increasing again. At 18:00, the leaf water potentials were nearly restored to the level recorded at
9:00. As for spring wheat, the maximum leaf water potential appeared at the jointing and heading stage followed by the
booting and flowering stage. The minimum leaf water potential appeared at the filling stage. The leaf relative water content of
spring wheat was highest at the heading stage, followed by the jointing and flowering stages, reaching a minimum at filling
stage. As for the field pea, maximum leaf water potential was achieved at seedling stage and pregnant bud stage, followed by
branching and blossom podding stage. The minimum appeared at the grouting mature stage. The dynamics of water saturation
deficiency was just the opposite to that of relative water content. The leaf relative water content of the field pea was reduced
along with the growing stages under different tillage practices. Over all the growing stages, the leaf water potential of both
spring wheat and field pea measured at 10:00 had a significant correlation with the average soil water content at 0—30cm.
When the soil moisture content was relatively low, leaf water potential of spring wheat or field pea had a very significant
correlation with soil water content. Compared with T, the five conservation agricultural patterns can increase the leaf water
potential and leaf relative water content of crops, of which the effect of NTS is shown to be the most significant.
Furthermore, osmotic regulation and turgor pressure maintenance could allow crops to achieve a high yield.
Key Words: conservation tillage; stubble retention; plastic mulching; soil moisture; leaf water potential
摇 摇 水资源短缺是黄土高原旱地农业高效持续发展
的主要限制因素.如何减少地表径流和蒸发散失, 增
加“土壤水库冶的蓄水保墒作用是旱地农业研究的重
要课题[1鄄2]。 水势是表示植物水分状况或水分亏缺
程度的一个直接指标[3鄄4],在植物各部位的水势中,
叶水势是反映植物体内水分亏缺最灵敏的生理指
标[5鄄6],反映了植物各种生理活动受环境水分条件的
制约程度[7] . 目前有关植物叶水势的研究,主要集中
在不同灌水措施和施肥处理对植物叶水势的影响方
面[8],针对雨养农业区不同耕作措施下作物叶水势
的研究较少。 本文在田间条件下研究了黄土高原半
干旱雨养农业区,不同耕作措施下春小麦和豌豆叶
水势的变化特征,并对两种作物的叶片相对含水量
的变化规律进行了探讨,旨在为该区保护性耕作模
式的推广提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
试验设在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘
肃农业大学定西旱农生态综合试验站。 试区属中温
带半干旱区,平均海拔 2000 m,年均太阳辐射 592.5
kJ / cm2,日照时数 2476.6 h,年均气温 6.4 益,逸0 益
积温 2933.5 益,逸10 益积温 2239.1 益,无霜期 140
d。 多年平均降水量 390. 9 mm,年蒸发量 1531郾 0
mm,干燥度 2.53,80%保证率的降水量为 365 mm,变
异系数为 24.3%,为黄土高原西部典型的半干旱雨
养农业区。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 试验设计
试验共设 6 个处理,如表 1 所示。 结合小麦豌
豆的年间轮作,为加快研究进程,研究设计了小麦寅
豌豆(2002 年小麦寅2003 年豌豆寅2004 年小麦寅
2005年豌豆寅2006年小麦寅2007 年豌豆寅2008 年
小麦寅2009 年豌豆寅20010 年小麦寅2011 年豌豆,
简称 W寅P寅W)和豌豆寅小麦(2002 年豌豆寅2003
年小麦寅2004年豌豆寅2005 年小麦寅2006 年豌豆
寅2007年小麦寅2008 年豌豆寅2009 年小麦寅2010
年豌豆寅2011 年小麦,简称 P寅W寅P)2 个轮作序
列,4次重复,共 48 个小区,小区面积 4 m伊20 m,随
机区组排列。 2001年 8月开始布置试验, 所有秸秆
还田处理均覆盖小麦秸秆 4500 kg / hm2(秸秆铡短至
15 cm),之后每年收获后的所有秸秆((秸秆铡短至
15 cm))全部还原小区。 供试作物为春小麦和豌豆。
其中春小麦品种为“定西 35冶,播种量 187.5 kg / hm2;
豌豆品种为“绿农 1号冶,播种量 100 kg / hm2。 T、NT、
TS、NTS处理用中国农业大学研制的免耕播种机播
种,春小麦行距 20 cm,豌豆行距 24 cm,播深均为 7
cm。 春小麦播期为 3 月中旬,豌豆为同年 3 月下旬。
小麦各处理均施纯 N 105 kg / hm2, 纯 P2O5 105 kg /
hm2(尿素 +磷酸二铵); 豌豆各处理均施 N 20
3573摇 13期 摇 摇 摇 王克鹏摇 等:长期保护性耕作对黄土高原旱地土壤水分及作物叶水势的影响 摇
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kg / hm2, 纯 P2O5 105 kg / hm2(磷酸二铵+过磷酸钙), 所有肥料都作为基肥在播种时同时施入。
表 1摇 试验处理描述
Table 1摇 Treatments description of the experiment
处理代码 Code 处理 Treatment 耕作方法 Description
T 传统耕作Conventional tillage
试验地在前茬收获后三耕两耱,这是定西地区典型的传统耕作方式:8 月份收获后
马上进行第 1次耕作,8月底和 9月分别进行第 2、3次耕作,耕深依次为 20 cm、10
cm和 5 cm。 9月份第 3次耕后耱 1次,10月份冻结前再耱 1次
NT 免耕No鄄till with no鄄stubble retention 全年不耕作,播种时用免耕播种机一次性完成施肥和播种,秸秆不还田
TS 传统耕作秸秆还田 Conventional tillagewith stubble incorporating 耕作方式同处理 T,但结合第 1次耕作将所有前作秸秆铡短至 15 cm翻埋入土
NTS 免耕秸秆覆盖No鄄till with stubble retention 播种方法同 NT处理,收获脱粒后将全部前作秸秆铡短至 15 cm覆盖在原小区
TP 传统耕作地膜覆盖 Conventional tillagewith plastic mulching
试验地耕耱同处理 T(三耕两耱),但在 10月份最后一次耱后覆盖塑料薄膜。 膜宽
40 cm,膜侧种作物,因此该处理作物宽窄行种植,宽行 40 cm,窄行 10 cm,平均 25
cm,秸秆不还田
NTP 免耕地膜覆盖No till with plastic mulching
全年不耕作, 覆膜及播种时间和方式同 TP 处理,为避免前茬秸秆挂坏薄膜,收获
后用剪草机剪平或耱平残茬,秸秆不还田
1.2.2摇 采样与试验分析
(1) 土壤水分
在各生育期测定 0—30 cm 土层土壤水分,其中
0—l0 cm土层采用土钻取土烘干称重法测定,10 cm
以下用中子水分仪测定。 共 3 层:依次为 0—5 cm,
5—10 cm, 10—30 cm。
(2) 叶水势
采用 PMS压力室水势仪(Plant Moisture Stress,
Corvallis, Oregon, USA)测定。 在作物不同生育期,
选择晴朗天气进行观测,从 6:00 至 18:00 每隔 2h
测定 1次,小麦抽穗前测倒二叶,抽穗期及抽穗后测
旗叶,豌豆取上部完全展开叶片。 每次在各小区随
机抽样 30个叶片,取平行测定值的均值代表小区的
叶水势。
(3) 作物叶片相对含水量
用烘干法在 10:00 测定,叶片的选择与叶水势
测定时相同,每个小区取 6 片叶子,在称鲜重后将叶
片浸入水中 12 h,取出,用吸水纸擦干叶片表面水分
并称重,再将叶片浸入水中 1 h,取出,擦干,称重,直
至叶片恒重,即得叶片饱和重量,接着于 105 益下杀
青 0.5 h后,然后在 80 益下烘至恒重,计算叶片相对
含水量。
叶片相对含水量(%)= (初始鲜重-干重) / (饱和鲜
重-干重)伊100
(4) 数据分析
采用 SPSS19.0 软件对数据进行差异显著性检
验、相关分析、回归分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 试验区降雨量分布
本试验区为雨养农业区,年内季节降雨分布的
差异是造成旱地农田水土流失及作物生长关键期干
旱缺水的主要原因之一。 试验期间春小麦和豌豆不
同生育期降雨分布情况如表 2所示。
表 2摇 春小麦和豌豆生育期内降雨分布
Table 2摇 Distribution of rainfall growing stages of spring wheat and field pea
春小麦生育阶段
Development stage of spring wheat
分蘖鄄拔节
Tillering鄄
jointing
拔节鄄孕穗
Jointing鄄
booting
孕穗鄄抽穗
Booting鄄
heading
抽穗鄄开花
Heading鄄
flowering
开花鄄成熟
Flowering鄄
maturing
降雨量 Rainfall / mm 7.1 9.9 57.9 1.6 32.3
豌豆生育阶段
Development stage of pea
出苗期
Seedling
stage
分枝期
Branching
stage
孕蕾期
Pregnant
bud stage
开花结荚期
Blossom
podding stage
灌浆成熟期
Grouting
Mature stage
降雨量 Rainfall / mm 7.1 20.7 50.8 6.1 8.3
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2.2摇 不同耕作措施对土壤含水量的影响
2.2.1摇 春小麦生育期 0—30 cm土壤含水量的变化
农田土壤水分垂直变化随气候类型区、年降水
量及不同土壤耕作措施而表现出一定的变化,其中
0—30 cm耕层土壤水分受降雨、气温、蒸散、土壤耕
作、覆盖及作物根系的影响明显,土壤水分变化剧
烈,而且不同生育时期,由于作物长势的不同,不同
耕作措施的土壤含水量也表现出不同的变化
趋势[1,7]。
从不同耕作措施下春小麦和豌豆不同生育期
0—30 cm土壤含水量的变化情况(表 3)可以看出,
春小麦拔节期 NTS处理的土壤含水量为 12.61%,较
常规耕作增加 28.67%,各处理土壤含水量排列顺序
为 NTS>TS>NTP>NT>TP>T, NTS 处理土壤含水量
与其它处理之间均差异显著, NTP、NT和 TS 处理间
土壤含水量差异不显著,但明显高于 TP 和 T 处理;
孕穗期 NTS处理土壤含水量为 11.17%,较常规耕作
增加 13.17%,各处理含水量排列顺序为 NTS>NTP>
NT>TS>TP >T,NTS、NTP、NT 和 TS 处理显著高于
TP、T处理,而 NTS、NTP、NT 和 TS 处理间,TS 与 TP
处理间差异不显著;抽穗期各处理 0—30 cm 土层土
壤含水量迅速增加,这与测定前期 6 月上旬的降水
有很大关系,NTS 处理土壤含水量为 22.58%,较常
规耕作增加 3.63%,各处理含水量排列顺序为 NTS>
TS>NTP>NT>TP>T,NTS、TS、NTP、NT、NP 和 TP 处
理间均差异不显著,但各处理的土壤含水量均显著
高于 T 处理;开花期 NTS 处理土壤含水量为
19郾 56%,较常规耕作增加 8.61%,各处理含水量排列
顺序为 NTS>NTP>NT>TS>TP>T,NTS、NTP 和 NT处
理土壤含水量显著高于 TS、TP 和 T 处理,TS、TP 处
理土壤含水量显著高于 T 处理。 NTS、NTP、NT 处理
和 TS、TP 处理间差异均不显著;灌浆期 NTS 处理土
壤含水量为 13.51%,较常规耕作增加 16.58%,各处
理含水量排列顺序为 NTS >NTP >TS >NT>TP >T,
NTS处理土壤含水量显著高于 NTP、TS 处理,NTP、
TS处理土壤含水量显著高于 NT、TP 处理,NT、TP 处
理土壤含水量显著高于 T处理,而 NTP 与 TS处理之
间,NT、TP 处理间差异不显著。
2.2.2摇 豌豆生育期 0—30 cm土壤含水量的变化
豌豆出苗期 NTS 处理 0—30 cm 土层土壤含水
量为 12.70%,较常规耕作增加 27.38%,各处理土壤
含水量排列顺序为 NTS>TS>NTP>NT>TP>T,NTS 处
理与其它 5个处理之间土壤含水量差异显著,NT 与
TS、NTP、TP 处理间差异不显著,但 TS、NTP、NT 处
理土壤含水量显著高于 T 处理;分枝期 NTS 处理
0—30 cm土层土壤含水量为 13.54%,较常规耕作增
加 27.74%,各处理含水量排列顺序为 NTS>NTP>TS
>NT>TP>T。 NTS 处理与 TS、NT、TP、T 处理之间差
异显著,NTP 与 TS、NT 处理间差异不显著,但所有
保护性耕作措施的土壤含水量都显著高于 T 处理;
孕蕾期 NTS处理土壤含水量为 22.61%,较常规耕作
增加 3. 29%,各处理含水量排列顺序为 NTS >TS >
NTP>NT>TP >T,其中 NTS 处理显著高于 T 处理,
NT、TS、NTP、TP、T 处理间差异均不显著;开花结荚
期 NTS处理 0—30 cm 土层土壤含水量为 13.60%,
较常规耕作增加 28.30%,显著高于其它 5 个处理,
各处理含水量排列顺序为 NTS>NTP>TS>TP>NT>T,
其中 NTP 与 TS处理间差异不显著,TS、TP 和 NT 处
理间差异不显著,但它们显著高于 T处理;灌浆成熟
期 NTS处理土壤含水量为 12.75%,较常规耕作增加
10.49%,各处理含水量排列顺序为 NTS>TS>NTP >
NT>TP>T,但 NTS 处理与 TS、NTP、NT 处理间土壤
含水量差异不显著,而显著高于 TP 和 T处理。
从表 3 中各个时期作物的土壤含水量可以看
出,保护性耕作都能不同程度地提高土壤含水量,其
中 NTS处理条件下,春小麦和豌豆的耕层土壤含水
量在整个生育期内均为最高,显著高于 T处理,增幅
分别为 3.63%—28.67%和 3.29%—28.30%。 这是因
为免耕+秸秆覆盖在土壤表面留有作物残茬,减少了
土壤蒸发,增加了土壤的蓄水保墒作用。 在气候干
旱,土壤含水量较低时,保护性耕作措施的保水效应
表现得更为明显,这表明,保护性耕作措施在黄土高
原干旱地区有较明显的优势。
2.3摇 不同耕作措施下春小麦、豌豆叶水势的变化
规律
2.3.1摇 不同生育期春小麦和豌豆的叶水势变化
由表 4可以看出,10:00测定的春小麦和豌豆叶
水势均值在不同生育期的变化规律。 春小麦各处理
的叶水势在拔节期和抽穗期均相对较高,孕穗期和
开花期次之,灌浆期最低;豌豆各处理的叶水势均在
出苗期和孕蕾期均相对较高,分枝期和开花结荚期
次之,灌浆成熟期最低。 这是因为随着植株生长,生
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命活动旺盛,蒸腾耗水不断增加,作物无法通过对体
内水分的调节来满足蒸腾的需要,从而叶水势降低,
以便形成较大的水势梯度,有利于从土壤中吸水,这
也是植物对土壤干旱胁迫的适应性反映。 春小麦孕
穗和豌豆分枝期,叶水势相对较低是因为天然降水
为本试验地区土壤水分的主要来源,在当季作物生
长前期降雨量少,土壤含水量较低。 春小麦抽穗和
豌豆孕蕾期叶水势升高是由于当地 6 月上旬降雨较
多,土壤含水量较高,作物从土壤吸收水分比较容
易,从而使作物保持较高的叶水势。
表 3摇 不同耕作措施下春小麦和豌豆不同生育期 0—30 cm土壤含水量变化 / %
Table 3摇 Dynamics of 0—30 cm soil water content at different growing stages of spring wheat and field pea under different tillage patterns
处理
Treatments
春小麦 Spring wheat
拔节期
Jointing stage
孕穗期
Booting stage
抽穗期
Heading stage
开花期
Flowering stage 灌浆期 Filling stage
T 9.80c 9.87c 21.79b 18.01c 11.27d
TS 11.28b 10.79ab 22.56a 18.36b 12.72b
NT 11.09b 10.96a 22.35ab 19.37a 11.95c
NTS 12.61a 11.17a 22.58a 19.56a 13.51a
TP 9.86c 10.12bc 22.31ab 18.25bc 11.65c
NTP 11.15b 10.97a 22.45a 19.45a 13.01b
处理
Treatments
豌豆 Pea
出苗期
Seedling stage
分枝期
Branching stage
孕蕾期
Pregnant bud stage
开花结荚期
Blossom podding stage
灌浆成熟期
Grouting Mature stage
T 9.97c 10.60d 21.89b 10.6d 11.54c
TS 11.17b 12.43b 22.43ab 12.43bc 12.27ab
NT 11.12b 11.97bc 22.35ab 11.81c 12.13abc
NTS 12.70a 13.54a 22.61a 13.60a 12.75a
TP 10.86bc 11.80c 22.33ab 11.85c 11.77bc
NTP 11.16b 12.96ab 22.37ab 13.00b 12.18abc
摇 摇 不同小写字母代表 0.01水平的显著性
表 4摇 不同耕作措施下春小麦和豌豆叶水势在不同生育期的变化 / MPa
Table 4摇 Dynamics of leaf water potential of spring wheat and field pea at different growing stages under different tillage patterns
处理
Treatments
春小麦 spring wheat
拔节期
Jointing stage
孕穗期
Booting stage
抽穗期
Heading stage
开花期
Flowering stage
灌浆期
Filling stage
T -1.73c -1.83c -1.75c -2.24c -2.50c
TS -1.51b -1.61b -1.56ab -2.11ab -2.32b
NT -1.46ab -1.60b -1.61b -2.11ab -2.36b
NTS -1.36a -1.51a -1.46a -1.95a -2.23a
TP -1.68c -1.80c -1.69bc -2.19bc -2.40c
NTP -1.48ab -1.65b -1.61b -2.02ab -2.35b
处理
Treatments
豌豆 Pea
出苗期
Seedling stage
分枝期
Branching stage
孕蕾期
Pregnant bud stage
开花结荚期
Blossom podding stage
灌浆成熟期
Grouting Mature stage
T -1.12c -1.23c -1.16c -1.43c -1.62c
TS -1.03b -1.11b -1.09ab -1.38ab -1.55ab
NT -1.06b -1.15b -1.12ab -1.37ab -1.56ab
NTS -0.92a -1.04a -1.02a -1.31a -1.49a
TP -1.08bc -1.19bc -1.15bc -1.40bc -1.58bc
NTP -1.06b -1.13b -1.10ab -1.39ab -1.54a
摇 摇 同一列不同小写字母表示不同处理在 5%水平上差异显著
6573 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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2.3.2摇 春小麦和豌豆叶水势的日变化
从不同处理来看,在整个生育期内,NTS 处理条
件下春小麦和豌豆叶水势的日均值要明显高于 T处
理(P<0.05);在小麦的孕穗期和灌浆期,NTS 处理小
区春小麦叶水势的日均值要明显高 TS、NT、NTP、TP
处理;在豌豆的出苗期和分枝期,NTS 处理小区豌豆
叶水势的日均值要明显高 TS、NT、NTP、TP 处理。 这
是由于保护性耕作措施能有效地减少表层土壤水分
的蒸发,具有较好的保墒功能,特别是 NTS处理为作
物提供了适宜的生长环境,改善了土壤的供水条件,
从而使作物保持较高的叶水势,在一定程度上缓解
了干旱胁迫,可见保护性耕作措施在黄土高原干旱
地区优势明显。
由图 1、图 2 可见,不同耕作措施下春小麦和豌
豆的叶水势在不同生育期的日变化趋势大致相同,
均为 6:00最高,然后随着时间的推移而逐渐下降,
大约在 12:00—14:00 左右降到最低,持续一段低谷
后逐渐回升,18:00 时的作物叶水势值大致与 9:00
的叶水势值相近,均未能恢复到 6:00 的水平。 这是
因为清晨气温低,光照弱,空气湿度大,蒸腾耗水少,
因而叶水势较高。 之后,随着气温升高,光照的增
强,空气湿度的下降,蒸腾强度增大、作物光合作用
不断增强,生理耗水加大,造成植物体含水量下降。
图 1摇 不同耕作措施下春小麦叶水势在不同生育期的日变化
Fig.1摇 Daily dynamics in leaf water potential of spring wheat in different growing stages under tillage practices
2.4摇 作物叶水势与土壤含水量的关系
在 SPAC 系统中,水分由土壤经植物蒸发到大
气中,土壤含水量的变化直接对叶水势产生影
响[9鄄10]。 土壤水势降低时,叶水势随着土壤水势的
降低而降低,同样当外界条件的变化引起蒸腾速率
的改变时,即使土壤水分没有改变,叶水势也随之发
生变化[11鄄12]。 在用叶水势作为作物水分亏缺程度的
判定指标时,必须区分是土壤水分变化还是外界条
件变化引起的叶水势变化,区分两者引起的作物叶
水势变化规律时,首先应以充分供水条件下的叶水
势随外界条件变化的规律为基础[4,13]。 对不同处理
条件下春小麦和豌豆不同生育期各小区 10:00 的叶
水势(追L,MPa)与对应生育期各小区 0—30 cm平均
土壤含水量(SWC V%)的相关性进行分析,用二项
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式方程表示(表 5),结果表明,整个生育期春小麦和
豌豆各处理的叶水势与土壤含水量之间显著正相
关,无论是春小麦还是豌豆,土壤含水量越低,叶水
势和土壤水分的相关性越高,土壤含水量较高时,叶
水势与土壤含水量的相关性较低。 在本实验中,小
麦的拔节期、灌浆期,豌豆的出苗期、分枝期、灌浆成
熟期土壤水分较低,作物叶水势与土壤含水量的相
关性均达极显著水平。 这表明在充分供水条件下叶
水势仅与气象条件有关,但当土壤水受限制时,作物
根系吸水满足不了蒸腾需要,此时叶水势与土壤含
水量密切相关。
图 2摇 不同耕作措施下豌豆叶水势在不同生育期的日变化
Fig.2摇 Daily dynamics in leaf water potential of field pea in different growing stages under tillage practices
表 5摇 不同耕作措施下作物叶水势(MPa)与土壤含水量(SWC,V%)的关系
Table 5摇 Relationship between leaf water potential of crops and soil water content under different tillage practices
作物
Crop
生育期
Growing stage
回归方程
Regression equation R
春小麦 Spring wheat 拔节期 追L=-0.029SWC2+0.781SWC-6.547 0.982**
孕穗期 追L= 0.085SWC2-1.564 SWC +5.294 0.968*
抽穗期 追L= 0.007SWC2-0.003SWC-4.995 0.864*
开花期 追L= 0.004SWC2-0.006SWC-0.363 0.875*
灌浆期 追L=-0.015SWC2+0.462SWC-5.789 0.915**
豌豆 Field pea 出苗期 追L= 0.01SWC2-0.152SWC-0.600 0.987**
分枝期 追L= 0.008SWC2-0.130SWC-0.738 0.946**
孕蕾期 追L= 0.004SWC2-0.005SWC-2.976 0.799*
开花结荚期 追L= 0.004SWC2-0.077SWC-1.104 0.834*
灌浆成熟期 追L=-0.002SWC2+0.141SWC-3.023 0.980**
摇 摇 *代表 0.05水平的显著性,**代表 0.01水平的显著性
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2.5摇 不同耕作措施对植物叶片相对含水量的影响
相对含水量(RWC)是组织水重占饱和组织水重
的百分率,它反映了组织细胞壁的紧张程度[3]。 在
干旱地区,由于土壤和大气干旱,水分胁迫经常而持
久地影响植物体内的水分状况,当水分亏缺达到一
定程度时,植物就会出现不可逆的伤害,甚至
死亡[16鄄19]。
2.5.1摇 春小麦叶片相对含水量的变化
从不同生育期春小麦叶片相对含水量(表 6)可
以看出,各处理的叶片相对含水量在抽穗期最高,拔
节和开花期次之,灌浆期最低。 拔节期 NTS 处理下
的叶片相对含水量最高,为 85.89%,显著高于其它 5
个处理,NT 处理次之,且与 TS、NTP 处理间的差异
不显著,但显著高于 T处理;抽穗期 NTS处理的叶片
相对含水量为 87.25%,NTS, NT 处理间的叶片相对
含水量差异不显著,NT、TS、NTP 处理间的叶片相对
含水量差异不显著,但是均显著高于 TP、T 处理;开
花期 NTS处理的叶片相对含水量为 80.10%,显著高
于其它处理,而 NT, TS和 NTP 处理间的叶片相对含
水量差异不显著,但显著高于 T 处理;灌浆期 NTS、
TS处理之间的差异未达到显著水平,但显著高于其
他 4 个处理。 NTP、NT 处理叶片相对含水量差异不
显著,都显著高于 T处理。 从表 6 的分析可以看出,
在小麦的整个生育期,NTS 处理的叶片相对含水量
始终大于 TP 和 T处理,且差异显著。 说明免耕加秸
秆覆盖的耕作方式,在黄土高原干旱或半干旱条件
下能显著提高作物的叶片相对含水量,这对作物在
干旱生境中维持正常的生理活动能起到一定的
作用。
表 6摇 不同耕作措施下春小麦和豌豆不同生育期叶片相对含水量
Table 6摇 Relative water content in leaves of spring wheat and field pea under different tillage patterns (mean 依SD)
处理
Treatment
春小麦叶片相对含水量 Relative water content in spring wheat / %
拔节期
Jointing stage
抽穗期
Heading stage
开花期
Flowering stage
灌浆期
Filling stage
T 78.97依1.01c 81.26依1.16c 75.99依0.85d 68.70依0.94c
TS 82.04依1.02b 86.16依1.08b 77.31依1.02c 74.19+1.19a
NT 82.19依0.99b 86.38依0.99ab 77.96依1.06bc 69.17依1.30bc
NTS 85.89依1.00a 87.25依1.01a 80.10依1.13a 75.01依1.28a
TP 79.03依0.58c 80.87依0.87c 77.67依1.06bc 69.00依1.37bc
NTP 81.93依0.87b 86.09依0.95b 78.37依1.25b 70.16依1.06b
处理
Treatment
豌豆 叶片相对含水量 Relative water content in field pea
分枝期
Branching stage
孕蕾期
Pregnant bud stage
开花结荚期
Blossom pudding stage
灌浆成熟期
Grouting Mature stage
T 83.04依1.01c 84.97依1.30c 79.97依1.04c 66.50依0.57c
TS 85.52依0.97b 87.29依0.99b 84.78依1.37a 69.51依0.44b
NT 85.40依0.82b 87.19依1.09b 80.14依1.11bc 68.76依0.39bc
NTS 87.61依0.89a 89.79依0.58a 85.58依1.27a 73.21依0.82a
TP 83.56依1.19c 84.67依0.61c 80.17依1.03c 66.51依0.67c
NTP 85.39依1.16b 87.30依1.07b 81.09依0.96b 69.57依1.01b
摇 摇 平均值依标准差 Mean依SD:同一列不同小写字母表示不同处理在 5%水平上差异显著
2.5.2摇 豌豆叶片相对含水量的变化
从不同生育期豌豆叶片相对含水量(表 6)可以
看出,豌豆各处理的叶片相对含水量均在孕蕾期最
高,灌浆成熟期最低。 在分枝期和孕蕾期 NTS 处理
叶片相对含水量较高,分别为 87.61%和 89.79%,显
著高于其它处理。 TS 和 NT 处理次之,并且差异不
显著,但是显著高于 T处理。 开花结荚期 NTS 和 TS
处理的叶片相对含水量显著高于其他 4个处理,NTP
和 NT处理间差异不显著,但它们显著高于 T 和 TP
处理,而且 T和 TP 处理叶片相对含水量差异未达显
著水平。 灌浆成熟期 NTS 处理同样显著高于其它 5
个处理,TS、NT、NTP 处理处理间差异不显著,但明
显高于 TP 和 T处理。
总体来看,在整个生育期内 NTS 处理小区春小
麦和豌豆的叶片相对含量最高,T 处理最低,说明在
黄土高原干旱或半干旱条件下,免耕加秸秆覆盖能
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使豌豆保持较高的叶片相对含水量,这对作物在干
旱生境中维持正常的生理活动,缓解受旱程度,提高
抗旱能力可起到积极地作用。
3摇 不同耕作措施对春小麦和豌豆产量的影响
从表 7 可以看出,无论春小麦还是豌显,免耕
秸+秸秆覆盖的小区产量显著高于传统耕作。 春小
麦 NTS处理的产量显著高于其他处理,NTS 处理的
产量高达 980. 01 kg / hm2,比 T 处理高 388. 38 kg /
hm2,增幅达 65.16%,而其他处理间差异不显著。 豌
豆 NTS 处理的产量同样显著高于其他各处理,NTS
处理的产量高达 527.10 kg / hm2,比 T 处理高 305.61
kg / hm2,增幅高达 72.47%,NTP、TS、NT 处理显著高
于 T处理,TP 处理与 T处理间未达到显著水平。 综
上可见,免耕秸+秸秆覆盖对提高作物水势和产量的
作用是非常明显的。
表 7摇 不同耕作措施对春小麦和豌豆产量的影响
Table 7摇 Effects on yield of spring wheat and field pea under different tillage practices
作物 Crop
处理 Treatments
T TS NT NTS P NTP
春小麦 Spring wheat / (kg / hm2) 596.16b 617.58b 628.05b 980.01a 609.01b 638.09b
豌豆 Field pea / (kg / hm2) 305.61c 378.57b 359.66b 527.10a 329.98bc 389.03b
摇 摇 同一行不同小写字母表示不同处理在 5%水平上差异显著
4摇 结论与讨论
4.1摇 结论
不同生育时期,由于降雨和作物长势的不同,在
黄土高原旱作农业区不同耕作措施的土壤含水量也
表现出不同的变化。 与传统耕作(T)处理相比, 保
护性耕作都能不同程度地提高 0—30 cm 土层平均
土壤含水量,增幅为 3.29%-28.67%,其中免耕+秸秆
覆盖(NTS)处理的土壤含水量在整个生育期内均为
最高。 这是因为免耕+秸秆覆盖在土壤表面留有作
物残茬,减少了土壤蒸发,具有良好的蓄水保墒
作用。
豌豆和小麦在不同生育期,叶水势的日变化趋
势大致相同,均为 6:00 最高,然后随着时间的推移
而下降,大约在 12:00—14:00 之间达到最低,随后
逐渐回升,到 18:00 时,叶水势恢复到接近 9:00 的
水平。 豌豆在整个生育期内叶水势都明显高于春
小麦。
春小麦各处理在拔节期和抽穗期的叶水势均相
对较高,孕穗期和开花期次之,灌浆期最低; 叶片相
对含水量在抽穗期最高,拔节和开花期次之,灌浆期
达到了最低。 豌豆各处理的叶片相对含水量均在出
苗期和孕蕾期最高,分枝和开花结荚期次之,灌浆成
熟期相对最低。 与其 T和 TP 处理相比,在小麦和豌
豆的整个生育期,免耕+秸秆覆盖(NTS)处理显著提
高了作物叶水势。
在整个生育期,春小麦和豌豆各处理 0—30 cm
平均土壤含水量与 10:00 的叶水势之间显著正相
关,无论是春小麦还是豌豆,土壤含水量越低,叶水
势和土壤水分的相关性越高,土壤含水量较高时,叶
水势与土壤含水量的相关性较低。 当土壤水分含量
较低时,春小麦和豌豆 10:00 的叶水势与 0—30 cm
平均土壤含水量之间的相关性均达极显著水平。
与传统耕作(T)相比,免耕+秸秆覆盖(NTS)、免
耕(NT)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕+地膜覆盖
(NTP)、传统耕作+地膜覆盖(TP)5种保护性耕作措
施能不同程度的提高作物叶水势、叶片相对含水量,
其中免耕+秸秆覆盖(NTS)的优势最明显。
4.2摇 讨论
在旱作条件下,叶水势与测定时的土壤水分条
件关系很大[20]。 本实验所得结果只能是反映实验
年份特定条件下的一个变化规律,又由于叶片水势
的变化受包括作物本身调节作用在内的多种因素的
影响,因此,今后应对不同降雨年份作物的水分生理
作进一步的深入探讨,要全面、正确地认识植物的生
态生理学特性及机理还需要做大量的土作。
尽管在植物各部分的水势中,叶水势尽管是水
分状况的最佳度量,但是水分在植物体内的运输决
定于各组织水势的高低。 因此,应加强植物不同部
位水势的研究,以便全面系统的掌握水分在不同部
位的运输与存储机理。
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