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      種植密度對(duì)小麥根際土壤特性及籽粒產(chǎn)量的影響

      2016-06-14 23:42:12陳思懌李升峰朱繼業(yè)
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年4期
      關(guān)鍵詞:生理特性種植密度小麥

      陳思懌+李升峰+朱繼業(yè)

      摘要:在大田條件下,以大穗型小麥品種泰農(nóng)18為試驗(yàn)材料,分別設(shè)置不同種植密度A1(100株/m2)、A2(150株/m2)、A3(200株/m2)、A4(300株/m2),研究不同種植密度對(duì)小麥根際土壤特性及籽粒產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明:不同種植密度下,小麥根際土壤含水量、pH值、全鹽和電導(dǎo)率均隨著生育進(jìn)程呈逐漸降低趨勢(shì),而土壤總孔隙度隨著生育進(jìn)程呈增大趨勢(shì);土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、有效氮和有效磷含量均隨著生育進(jìn)程呈逐漸增加趨勢(shì),而土壤全磷沒有明顯的變化趨勢(shì),表明增加種植密度對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量表現(xiàn)為一定程度的增加效應(yīng),對(duì)全磷沒有明顯影響。不同種植密度下,小麥籽粒產(chǎn)量隨著密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì),當(dāng)種植密度達(dá)到A3時(shí),小麥籽粒產(chǎn)量最高,種植密度超過A3時(shí),小麥籽粒產(chǎn)量急劇降低。由此可知,A3處理為小麥的最佳種植密度,這可能是由于小麥在低密度處理下植株量及根量較小,導(dǎo)致根系分泌物減少;過高種植密度下,由于營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,小麥有效光合能力下降,影響光合產(chǎn)物。A3處理下,小麥群體處于合理的狀態(tài)下,根系總量較多,地上部生長(zhǎng)狀況也較良好,因此小麥籽粒產(chǎn)量最高。

      關(guān)鍵詞:小麥;種植密度;土壤特性;產(chǎn)量;生理特性

      中圖分類號(hào): S512.1

      文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

      文章編號(hào):1002-1302(2016)04-0132-05

      小麥因其良好的豐產(chǎn)性、抗逆性、高品質(zhì)、類型多、用途廣而深受農(nóng)民和科研工作者的喜愛[1-2]。合理的種植密度是小麥高產(chǎn)的重要條件,在資源日益短缺、生產(chǎn)成本漸高的形勢(shì)下,種植密度對(duì)小麥群體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的形成有顯著調(diào)控效應(yīng),研究種植密度對(duì)小麥產(chǎn)量的影響,對(duì)于實(shí)現(xiàn)小麥的高效、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[1-3]。合理運(yùn)用栽培管理措施,協(xié)同提高籽粒產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率是實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)高效的重要途徑之一[4]。研究表明,種植密度不僅影響小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育和群體數(shù)量與質(zhì)量,而且還影響小麥對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收、同化與分配,最終影響其產(chǎn)量[5]。叢新軍等研究表明,小麥基本苗應(yīng)不少于120萬株/hm2,過高則會(huì)影響花后干物質(zhì)積累而導(dǎo)致減產(chǎn)[6]。Lloveras等指出,小麥適宜的種植密度范圍為 150~500株/m2[7]。屈會(huì)娟等發(fā)現(xiàn),基本苗為150株/m2處理下,小麥成熟期單莖干物質(zhì)積累量最高[8]。土壤養(yǎng)分既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者,又是植物營(yíng)養(yǎng)元素的活性庫(kù),小麥根際土壤養(yǎng)分含量直接關(guān)系到有機(jī)質(zhì)的分解和礦質(zhì)元素的轉(zhuǎn)化,與小麥的根系生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系密切。近年來,許多學(xué)者對(duì)小麥土壤微生物與酶活性進(jìn)行了相關(guān)研究。目前,關(guān)于以種植密度為調(diào)控手段對(duì)根際土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量影響的研究還鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)在大田條件下,連續(xù)3年研究了不同種植密度對(duì)小麥根際土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量及酶活性的影響,以期通過土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量、土壤酶活性變化,結(jié)合植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況,為制定高產(chǎn)高效栽培管理措施提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      供試小麥品種為泰農(nóng)18,由江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供,千粒質(zhì)量(53.4±1.5) g。研究區(qū)位于南京大學(xué)小麥種植試驗(yàn)田(100 m×100 m),種子安全貯存半年,確保種子度過休眠期,除去表面附著物,挑選籽粒飽滿、無病蟲害和機(jī)械損傷、大小均勻、色澤一致的種子,用5% H2O2消毒15 min,蒸餾水反復(fù)沖洗后常溫下放置12 h備用。該區(qū)多年平均氣溫為 15.6 ℃,多年平均降水量為1 100 mm,土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土,耕層土壤黏粒含量為26.1%,土壤pH值6.3,有機(jī)碳、全氮含量分別為19.4、1.45 g/kg。

      1.2 方法

      試驗(yàn)于2012—2014年進(jìn)行,結(jié)合整地施P2O5 150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2,以上肥料作基肥一次掩底施入,總施N量270 kg/hm2,基施50%,其余50%于拔節(jié)期結(jié)合澆水施入。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),種植密度設(shè)4個(gè)水平,3次重復(fù),共12個(gè)小區(qū),小區(qū)面積10 m×10 m,小區(qū)之間留2 m寬保護(hù)行,為防止試驗(yàn)過程中踐踏破壞植被,在各樣方之間和樣方內(nèi)部都設(shè)置了木質(zhì)或磚石質(zhì)棧道?;久绶謩e為A1(100株/m2)、A2(150株/m2)、A3(200株/m2)、A4(300株/m2),于每年10月中旬播種,3葉期定苗,田間管理按一般高產(chǎn)麥田進(jìn)行,第2年6月收獲,其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

      1.3 樣品測(cè)定

      根際土采用抖落法采集:在小麥各生育期挖取每株具有完整根系的土體(根系主要分布的范圍),先輕輕抖落大塊不含根系的土壤,小刀刮下附在根系周圍的土壤(非根際土),然后用刷子刷下黏附在根圍的土壤(距離根圍0~5 mm)作為根際土,盡量避免損害植物根系,徹底去除混雜于根際土中的根系?;旌喜杉男←湼H土,將新鮮土樣分為3份,第1份迅速置于聚乙烯塑封袋中以測(cè)定土壤含水量;第2份帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過1 mm篩,用于土壤酶活性及理化性質(zhì)的測(cè)定;第3份于4 ℃冰箱中保存,用于土壤微生物數(shù)量的測(cè)定。并在同一區(qū)域用環(huán)刀測(cè)定土壤密度并計(jì)算土壤總孔隙度[9]。

      采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定小麥根際土壤蔗糖酶活性;采用苯酚鈉比色法測(cè)定小麥根際土壤脲酶活性;采用磷酸苯二鈉法測(cè)定小麥根際土壤磷酸酶活性;采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定小麥根際土壤過氧化氫酶活性[10]。采用平板梯度稀釋法測(cè)定土壤微生物數(shù)量,其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基,放線菌培養(yǎng)基為高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基。成熟期收獲,采用小區(qū)計(jì)產(chǎn)方法測(cè)產(chǎn),每個(gè)小區(qū)收獲5 m2,重復(fù)3次,脫粒曬干后測(cè)定產(chǎn)量并進(jìn)行室內(nèi)考種。小麥成熟期將葉片烘干粉碎,利用CCM-200葉綠素儀,用混合液浸提法測(cè)定葉綠素含量;用考馬斯亮藍(lán)-G 250染色法測(cè)定可溶性蛋白;用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[11]。

      1.4 數(shù)據(jù)分析

      所有數(shù)據(jù)均為3年數(shù)據(jù)的平均值。采用Excel 2007、SPSS 21.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù);采用LSD多重比較法檢驗(yàn)各處理間差異顯著性。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 不同種植密度對(duì)小麥根際土壤理化性質(zhì)的影響

      由表1可知,不同種植密度處理下小麥根際土壤含水量平均范圍在8.91%~11.18%之間,土壤pH值平均范圍在 6.34~7.52之間,全鹽平均范圍在1.19~1.42 g/kg之間,電導(dǎo)率平均范圍在71.18~79.03 μS/cm之間,總孔隙度平均范圍在43.00%~43.38%之間。整個(gè)生長(zhǎng)季小麥根際土壤含水量、全鹽含量、電導(dǎo)率平均含量均隨種植密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì),A3處理下,小麥各指標(biāo)達(dá)到最大,隨后急劇降低。pH值隨小麥種植密度的增加呈先降低后增加趨勢(shì),土壤總孔隙度呈不斷波動(dòng)趨勢(shì)。A3處理下土壤含水量顯著高于其他處理,A2與A4處理下土壤含水量差異并不顯著。A4處理下土壤pH值顯著高于其他處理,A1與A2處理下土壤pH值差異不顯著,A3處理下土壤pH值顯著低于其他處理。A3處理下土壤全鹽含量顯著高于其他處理,A1與A4處理下土壤含鹽量差異并不顯著。A3處理下土壤電導(dǎo)率顯著高于其他處理,A1與A2差異并不顯著,但顯著高于A4處理。各種植密度下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤總孔隙度差異均不顯著。

      2.2 不同種植密度對(duì)小麥根際土壤養(yǎng)分的影響

      由表2可知,A1、A2處理下,土壤全磷含量隨著生育進(jìn)程呈先降低后增加再降低趨勢(shì),A4處理下,隨著生育進(jìn)程呈先增加后降低趨勢(shì),局部有所波動(dòng)。不同種植密度處理下小麥根際土壤有機(jī)碳含量平均范圍在9.92~11.79 g/kg之間,土壤全氮含量平均范圍在1.31~1.46 g/kg之間,全磷含量平均范圍在1.11~1.13 g/kg之間,全鉀含量平均范圍在2974~34.51 g/kg 之間,有效氮含量平均范圍在38.68~45.39 mg/kg 之間,有效磷含量平均范圍在50.30~62.15 mg/kg 之間。整個(gè)生長(zhǎng)季小麥根際土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、有效氮、有效磷平均含量隨種植密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)。A3處理下,整個(gè)生長(zhǎng)季小麥根際土壤有機(jī)碳含量最高,并且與A2差異不顯著,二者顯著高于其他處理;A3處理下,整個(gè)生長(zhǎng)季土壤全氮含量顯著高于其他處理,A1、A2與A4處理之間差異并不顯著;不同密度處理下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤全磷含量差異均不顯著;A3處理下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤全鉀含量顯著高于其他處理,A1、A2與A4處理之間差異不顯著;不同密度處理下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤有效氮含量差異顯著;A3處理下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤有效磷含量顯著高于其他處理,A2與A4處理之間差異并不顯著,但顯著高于A1處理。

      2.3 不同種植密度對(duì)小麥根際土壤微生物數(shù)量的影響

      由表3可知,不同種植密度處理下小麥根際土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量均隨著小麥生育進(jìn)程呈逐漸增加趨勢(shì)。不同種植密度處理下小麥根際土壤細(xì)菌數(shù)量平均范圍在31.81×106~60.18×106個(gè)/g之間,土壤放線菌平均數(shù)量范圍在 26.59×105~39.20×105個(gè)/g之間,土壤真菌數(shù)量平均范圍在11.98×103~25.36×103個(gè)/g之間。不同密度處理下小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量差異均顯著,土壤細(xì)菌數(shù)量由高到低依次為A3>A4>A2>A1,土壤放線菌數(shù)量由高到低依次為A4>A1>A3>A2,土壤真菌數(shù)量由高到低依次為A4>A3>A2>A1。

      2.4 不同種植密度對(duì)小麥根際土壤酶活的影響

      由表4可知,不同種植密度處理下,小麥根際土壤脲酶、磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性均隨著小麥生育進(jìn)程呈逐漸增加趨勢(shì);不同種植密度下小麥根際土壤脲酶活性平均范圍在4.72~5.40 mg/(g·24 h)之間,土壤磷酸酶活性平均范圍在1.34~1.53 mg/(g·24 h)之間,土壤蛋白酶活性平均范圍在41.84~47.58 mg/(g·24 h)之間,土壤蔗糖酶活性平均范圍在5.23~9.60 mg/(g·24 h)之間,土壤過氧化氫酶活性平均范圍在5.80~10.70 mL/(g·20 min)之間。A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤脲酶活性最高,并且與A2處理沒有顯著差異,二者顯著高于其他處理,A1與A4差異并不顯著。不同種植密度處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤磷酸酶活性差異均不顯著;A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤蛋白酶活性顯著高于其他處理, A1與A4處理差異并不顯著;A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理,A2與A4處理差異并不顯著,顯著高于A1處理;A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季土壤過氧化氫酶活性顯著高于其他處理,A1、A2與A4處理差異并不顯著,顯著低于A3處理。

      2.5 不同種植密度對(duì)小麥生理特性的影響

      由表5可知,不同種植密度下,小麥葉綠素a、葉綠素b、可溶性糖、可溶性蛋白含量均隨著小麥生育進(jìn)程呈逐漸增加趨勢(shì);不同種植密度下,小麥葉綠素a含量平均范圍在1.10~2.07 mg/g 之間,葉綠素b含量平均范圍在0.62~0.88 mg/g 之間,可溶性糖含量平均范圍在0.24%~0.36%之間,可溶性蛋白含量平均范圍在93.81~104.09 μg/g之間。A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季葉綠素a含量顯著高于其他處理,A2與A4處理之間差異并不顯著,二者顯著高于A1處理。A3處理下,小麥整個(gè)生長(zhǎng)季葉綠素b含量顯著高于其他處理,A1與A2處理差異并不顯著,二者顯著低于A4處理;小麥整個(gè)生長(zhǎng)季,A2與A3處理下小麥可溶性糖含量差異并不顯著,二者顯著高于A1、A4處理。小麥整個(gè)生長(zhǎng)季,小麥可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)和可溶性糖含量變化趨勢(shì)相同。

      2.6 不同種植密度對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響

      由圖1可知,不同種植密度處理下,小麥籽粒產(chǎn)量隨著密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì),小麥籽粒產(chǎn)量由高到低依次表現(xiàn)為A3>A4>A2>A1,其中A3處理下小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于其他處理,A2與A4處理下小麥籽粒產(chǎn)量差異不顯著,但顯著高于A1處理。

      3 結(jié)論與討論

      根際是一個(gè)很特別的微區(qū)域,由于植物根系的影響,使其周圍的微區(qū)域在物理、化學(xué)、生物特性方面與土體主體不同[12-13]。本研究結(jié)果表明,增加種植密度增加了小麥根際土壤含水量、電導(dǎo)率、總孔隙度,降低了土壤pH值。適宜的pH值有利于土壤微生物活動(dòng)和植物生長(zhǎng),pH值的降低致使根區(qū)酸化,從而增加土壤養(yǎng)分的吸收和利用、土壤酶活性及微生物的繁殖。本研究結(jié)果表明,增加種植密度降低了小麥根際土壤pH值,主要是由于根系對(duì)土壤的穿插和擴(kuò)展,改善了土壤結(jié)構(gòu)并提高了土壤養(yǎng)分,陰陽(yáng)離子溶解度增加,導(dǎo)致電導(dǎo)率、全鹽含量增加。土壤養(yǎng)分是物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力,對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及循環(huán)等過程具有重要作用[14]。增加種植密度影響了小麥種群的生長(zhǎng)和更新,并且在繁殖過程中提高了土壤養(yǎng)分,土壤養(yǎng)分的改變會(huì)對(duì)小麥做出進(jìn)一步的反饋調(diào)節(jié)。本研究結(jié)果表明,相同生境條件下,增加種植密度對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量均表現(xiàn)為一定程度的增加效應(yīng),與前人的研究結(jié)果[12,15]相一致。由此可知,合理的種植密度有利于植被-土壤系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的提高,這主要是由于較低的pH值增加了根際土壤養(yǎng)分的吸收和利用,在生長(zhǎng)繁殖過程中促進(jìn)土壤酶活性及微生物量的增加,這也是多種環(huán)境因素共同引起的[13]。本研究結(jié)果表明,增加種植密度增加了土壤酶活性,這與前人的研究結(jié)果[12,15]相似,這主要是由于根系通過pH值的酸化后能提高養(yǎng)分礦化速率和土壤養(yǎng)分的有效性,有利于微生物群落的生長(zhǎng)和增殖,通過正反饋環(huán)調(diào)節(jié)而相互刺激,從而提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)。

      不同種植密度下,小麥葉綠素a、葉綠素b、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均隨著小麥生育進(jìn)程呈逐漸增加趨勢(shì)。葉綠素作為光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)和光敏化劑,在光合作用過程中起著接受和轉(zhuǎn)換能量的作用,其含量的增加有助于光合作用的進(jìn)行。可溶性糖含量、可溶性蛋白含量在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著非常重要的作用[11]。提高種植密度能夠增加小麥葉綠素a和b、可溶性蛋白、可溶性糖含量,一方面說明小麥能夠適應(yīng)密度環(huán)境,另一方面說明了可溶性糖、可溶性蛋白作為機(jī)體構(gòu)建物質(zhì),參與營(yíng)養(yǎng)期干物質(zhì)的積累[16]。此外,合適的種植密度對(duì)小麥可溶性糖、可溶性蛋白含量均有顯著的促進(jìn)作用,在小麥不同生長(zhǎng)時(shí)期,增加種植密度對(duì)小麥生長(zhǎng)均有一定的促進(jìn)作用,其增加效果不盡一致,總體表現(xiàn)為成熟期較大,這與小麥合成與分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡有關(guān),還有可能是生物(微生物、土壤動(dòng)物、植物根系)和非生物因子(水熱條件)不同時(shí)期波動(dòng)綜合調(diào)控的結(jié)果。

      研究表明,不同作物的根際有其特定的微生物群落,同一作物在不同生育時(shí)期和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下,其根際微生物數(shù)量也呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,不同種植密度下,小麥根際土壤微生物均以細(xì)菌最多,占微生物總數(shù)的90%以上,其次是放線菌、真菌,由此可知,種植密度對(duì)于小麥根際土壤微生物菌落起著不同的效果,總體來說,增加種植密度顯著提高了微生物數(shù)量。小麥根際土壤細(xì)菌數(shù)量隨種植密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì),土壤放線菌數(shù)量隨種植密度的增加呈先降低后增加趨勢(shì),土壤真菌數(shù)量隨種植密度的增加呈增加趨勢(shì),可見,植株根系在不同狀況下對(duì)細(xì)菌、放線菌、真菌影響的不同。根際中微生物組成受植物種類、土壤類型、土壤管理措施、微生物相互作用和其他環(huán)境因素等的影響,可能會(huì)有助于一些根際微生物而不利于另一些根際微生物生長(zhǎng),其中微生物數(shù)量在小麥成熟期時(shí)數(shù)量較多,這可能是由于植株對(duì)養(yǎng)分需求增多,從而造成根際養(yǎng)分相對(duì)富集,微生物總量增加[16]。此外,小麥生長(zhǎng)過程中以及不同群體密度之間微生物數(shù)量的變化,反映了小麥生長(zhǎng)影響根際微生物的數(shù)量,根系微生物的大量繁殖和旺盛活動(dòng)又反過來對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。因此在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)采取科學(xué)合理的栽培管理措施,使土壤微生物有利于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的提高。

      種植密度和產(chǎn)量之間符合最高密度法則,當(dāng)密度超過某一值時(shí)其產(chǎn)量趨于恒定[17]。本研究結(jié)果表明,不同種植密度下,小麥籽粒產(chǎn)量隨著密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì),當(dāng)種植密度達(dá)到A3時(shí),小麥籽粒產(chǎn)量最高,種植密度超過A3時(shí),小麥籽粒產(chǎn)量急劇降低。由此可知,A3處理為小麥的最佳種植密度,這可能是由于小麥在低密度處理下植株量及根量較小,導(dǎo)致根系分泌物減少;過高種植密度下,由于營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,小麥有效光合能力下降,影響光合產(chǎn)物。A3處理下,小麥群體處于合理的狀態(tài)下,根系總量較多,地上部生長(zhǎng)狀況也較良好,使得小麥籽粒產(chǎn)量最高。

      參考文獻(xiàn):

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