小麦生长发育特性和土壤微生物群落多样性对限水灌溉的响应

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水分是限制河北平原小麦生产的主要因素之一,小麦集约化生产所用灌溉水主要为地下水,过度抽取地下水进行灌溉导致地下水位逐年下降,为维持较高产量和地下水可持续利用,对不同限水灌溉处理小麦耗水特性及微生物群落特征进行分析,为提高该区域水分利用效率提供科学决策依据。本研究于2018-2020年在河北省邯郸市曲周县第四疃镇李庄村(36°86’N,115°02’E,平均海拔39.6 m)进行。选用济麦22(J22)和石农086(S086)2个小麦品种。冬前灌水90 mm基础上,设置春季不灌水(W0)、灌拔节水(W1,75 mm)和灌拔节+开花水(W2,75 mm+75 mm)3个处理。对不同水分处理的2个小麦品种生长发育动态、土壤耗水规律、氮素含量和酶活性变化及微生物群落多样性差异等进行了系统分析。主要研究结果如下:1.限水灌溉对小麦生长发育动态和产量的影响两个小麦生长季,W2处理可通过花后旗叶保护酶活性累积和渗透调节能力的提高来应对细胞活性氧的累积,延缓旗叶衰老损伤。花后小麦叶面积指数(LAI)在W2处理中最高,W1次之,W0最低。开花期与成熟期W1和W2干物质积累量显著高于W0,W2处理高于W1;W2利于花后干物质累积,且对籽粒的贡献率较高。两个生长季,W1和W2产量差异都不显著,2018-2019年,W1和W2产量分别是7803.26 kg·hm-2、8198.61 kg.hm-2(S086)和 7773.67 kg.hm-2 和 8110.62 kg.hm-2(J22),2019-2020年,W1 和 W2 产量分别是 8182.29 kg.hm-2、8286.04 kg.hm-2(S086)和 8064.46 kg.hm-2和 8122.30 kg.hm-2(J22)。2.限水灌溉对土壤耗水量和水分利用效率的影响两个生长季,S086和J22花后耗水量和耗水强度随灌溉次数的增加而增加,W2处理灌浆至成熟阶段耗水量、日耗水量和耗水模系数均显著高于W1和W0处理。2018-2019 年,W1 总耗水量比 W2 显著增加 16.68%(S086)和 19.23%(J22),2019-2020年总耗水量W1显著高于W2,分别高7.52%(S086)和10.16%(J22),但两个生长季W1和W2的水分利用效率差异不显著,2018-2019年,W1的水分利用效率比W2分别增加11.08%(S086)和 14.27%(J22),2019-2020 年则分别增加了 6.11%(S086)和9.37%(J22)。3.限水灌溉对植株氮素积累与分配的影响2018-2020年,两个品种成熟期籽粒氮素积累量、花前营养器官向籽粒转运量和花后籽粒氮素积累量均为W2高于W1,但差异不显著。2018-2019年,氮素吸收效率W2显著高于W1,分别高11.11%(S086)和7.22%(J22),氮肥生产效率W2比W1分别增加5.06%(S086)和4.32%(J22)。2019-2020年,氮素吸收效率W2比W1显著增加10.91%(S086)和7.56%(J22),氮肥生产效率W2比W1处理分别增加了 1.28%和0.73%。表明W2处理可促进小麦花后氮素累积,加速花前营养器官氮素向籽粒转运,促进花后籽粒氮素的累积,利于小麦对氮素的吸收。4.限水灌溉对硝态氮和铵态氮及土壤酶活性的影响小麦生育期0-60 cm各土层土壤硝态氮(NO3--N)含量均表现为WO处理高于W1和W2,铵态氮(NH4+-N)含量均表现为W1和W2处理高于W0。W0可显著提高脲酶活性;土壤碱性磷酸酶活性在拔节期、灌浆期和成熟期均表现为W2最高,W0最低,灌浆期和成熟期W2处理碱性磷酸酶活性显著高于W1;蔗糖酶活性在拔节期和灌浆期均为W1最高,W2次之,W0最低,且W1显著高于W0。5.限水灌溉对土壤微生物群落多样性的影响W1和W2处理可显著提高根际土壤细菌和真菌群落多样性,随灌水量增加放线菌门(Actinobacteria)和担子菌门(Basidiomycota)相对丰度降低,绿弯菌门(Chloroflexi)和子囊菌门(Ascomycota)相对丰度增加。Spearman相关分析也证明类诺卡氏菌(Nocardioides)、原小单孢菌(Promicromonospora)、黑粉菌(Filobasidium)、链格孢菌(Alternaria)和赤霉菌(Gibberella)均与土壤体积含水量、NH4+-N、蔗糖酶和碱性磷酸酶呈显著正相关,与NO3--N和脲酶呈极显著负相关。综上,土壤含水量、NO3--N、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶是不同灌水量下影响土壤微生物群落变化的主要环境因子。春季灌水(W2和W1)与土壤环境因子相互作用改善了微生物菌群的生存环境,促进了根际营养物质的分泌,为小麦地上部的生长提供了适宜的水分和养分,保证花后叶片正常生长所需的氮素和磷素,增加了花后干物质累积量和籽粒氮素含量,进而提高籽粒产量和水分利用效率。在小麦生产栽培中,尤其是对水分需求量较高的河北平原地区,在小麦需水关键期根据不同年型降水量并结合土壤水分动态,在拔节期或拔节和开花期进行限量灌溉,可获得较高产量和水分利用效率。
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