地方种是小麦育种的重要种质资源,为了解矮秆基因在地方种中的分布,本研究检测了甘肃省地方种矮秆基因等位变异类型及其在不同麦区的分布频率.结果表明:(1)地方种Rht-B1b和Rht-D1b的频率极低;41.4％的地方种携带Rht8,且春麦区高于冬麦区;46.7％的地方种含Rht24b,春麦区低于冬麦区.Ppd-D1a的频率仅17.8％,且春麦区低于冬麦区.另外,仅检测到Rht-D 1 b/Rht8、Rht-D 1 b/Rht24b和Rht8/Rht24b 3种组合,频率分别为0.2％、0.5％和12.8％.(2)地方种携带的矮秆基因及其组合分布频率低于育成种,且差异较大.不同来源育成品种携带的优势矮秆等位变异和频率不同,清水试验站的品种以Rht-D1b、Rht8和Rht24b为主,黄羊试验站的品种以Rht-B1b、Rht-D1b、Rht8和Rht24b为主,甘谷试验站的品种以Rht8和Rht24b为主.清水和黄羊试验站的品种秆矮、丰产性好,可在河西、沿黄灌区、陇南、陇东的小麦育种中应用;甘谷试验站的品种茎秆高,抗病性突出,可应用于定西、天水、陇南和陇东等旱地小麦的抗病改良.(3)基于分子标记检测结果,筛选出15份地方种和31份育成种,以上材料均携带2个及以上降秆基因(包括矮秆基因或Ppd-D1a),可为甘肃不同麦区小麦矮秆育种提供亲本材料.

研究不同施肥处理对晋南旱塬麦田土壤微生物功能多样性的影响,可从微生物功能多样性的角度为旱地小麦减肥增产和肥力提升提供理论依据.本研究依托晋南黄土旱塬冬小麦种植区的长期定位试验田,设置秸秆炭(SF)、菌肥(BF)、有机肥(OF)、腐殖酸(HF)、测控施肥(MF)、农户施肥(FF)和不施肥(CK)7种处理,基于Biolog-ECO微平板法,研究了不同施肥处理下晋南旱塬麦田土壤微生物的碳源利用能力和功能多样性的差异.结果表明:不同施肥处理均能提高黄土旱塬麦田土壤微生物代谢活性和功能多样性,但不同处理的增效不同,SF处理下土壤微生物对碳源的利用最强,能够显著提高土壤微生物对31种碳源的总体利用能力和不同类型碳源的利用能力;SF处理下基于碳源利用的微生物功能多样性、物种丰富度、优势度均显著高于其他5个施肥处理,而其均匀度仅高于BF处理.主成分分析和双向聚类热图分析表明,不同施肥处理对土壤微生物群落代谢功能产生显著影响,SF处理对土壤微生物群落功能多样性有显著促进作用,这种促进作用主要体现在微生物对碳水化合物、羧酸类和氨基酸类碳源的利用上.综上,秸秆炭化还田对晋南旱塬麦田土壤微生物活性有较好的促进作用.

旱地小麦在进化过程中经受了自然和人工的双重选择,其中人工选择在品种驯化和改良过程中扮演了关键的角色.本文综述了人工选择下旱地小麦进化特征、生理可塑性、形态可塑性和种群属性演变等几个相对独立、但又相互联系的问题,探讨了旱地小麦适应逆境胁迫的生理生态机理,并勾画了其进化路线.在旱地小麦从二倍体到六倍体的漫长进化历程中,自然选择对小麦适应外界环境起到关键作用;随着人工选择的介入,以产量为主要目标的性状选择不断得到强化,从群体上呈现适应逆境的形态特征.人工选择下旱地小麦的水分及养分利用效率不断提升,生物量分配呈现出地下部减少、地上部增加的分配特征,对密度胁迫和高温胁迫的耐受性不断增强,但单位面积光合速率呈逐渐降低趋势.旱地小麦生产是复杂的群体过程,而非简单的个体反应.人工选择提高了旱地小麦的种群适合度和个体繁殖分配,强化了与环境的协同性,却弱化了其自然种群属性.本文还对旱地小麦的进化图进行了描绘,对气候变化下旱地小麦育种和栽培管理提出几点建议.

针对渭北旱塬氮肥施用不合理的问题,通过不同氮肥用量(0、75、150、225、300kg N·hm-2)与有机肥(30 t·hm-2)配施,明确渭北旱塬麦田配施有机肥条件下合理的氮肥用量以及配施有机肥的减氮增产作用和对硝态氮残留淋失的影响.结果表明:与单施化肥处理相比,有机无机肥配施可以在减少27.1％的氮肥用量情况下,提高14.7％的小麦籽粒产量,其中,施氮量150 kg·hm-2配施有机肥处理的产量最高;有机无机肥配施可以促进小麦籽粒氮素吸收,氮肥利用率提高20.2％,尤其当氮肥用量为150 kg·hm-2时,氮肥利用率达到最高值(42.0％);配施有机肥还能减少氮肥当季残留量和小麦生育期硝态氮向深层土壤淋溶,降低夏闲期淋失层硝态氮的淋失比例,当施氮量低于115 kg·hm-2时,配施有机肥可以降低夏闲期硝态氮淋失量.基于本研究,推荐渭北旱塬在配施有机肥30 t·hm-2的基础上,氮肥用量150kg·hm-2左右可实现小麦高产,提高氮肥利用率,防止氮肥过量残留.

以黄土高原30年长期肥料定位试验为基础,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,研究不同施肥方式对黄土高原冬小麦产量、肥料贡献率和降水利用率的影响.结果表明:小麦连续种植30年中,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于不施肥和单施肥处理,氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率分别达到3480 kg·hm-2、61.45 kg·kg-1、6.13 kg·mm-1·hm-2;不同降水年型下,丰水年小麦产量、肥料贡献率和降水利用率相对较高;使用逐步回归分析可知,不同降水年型下小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响.黄土旱塬可以通过提高氮磷用量同时适当施用钾肥,以及在休闲期做好蓄水保墒工作来提高小麦产量.

为了明确秸秆带状覆盖对西北半干旱雨养区冬小麦田地温和产量形成的影响,于2013-2015年连续进行2年定位试验,设不覆盖露地(CK)、全膜覆土穴播(PM)、秸秆带状覆盖(覆盖带和种植带各30 cm,播种3行,SM1)、(覆盖带和种植带各40 cm,播种4行,SM2)、(覆盖带和种植带各50 cm,播种5行,SM3)5个处理.结果表明:各处理在不同生育时期、不同土层土壤温度存在显著差异.与CK相比,SM1、SM2和SM3处理全生育期0～ 25 cm土层土壤温度分别比CK显著降低1.0～ 1.3 ℃、0.7～0.9 ℃和0.7～1.1 ℃.不同时期比较,覆盖处理存在增温和降温的双重效应,秸秆覆盖在苗期-越冬期具有提高地温的作用,返青期-成熟期具有降温效应,增温效应覆膜＞秸秆覆盖,而降温效应秸秆覆盖＞覆膜.同时,秸秆覆盖降低了全生育期土壤有效积温和日变化幅度,全生育期有效积温较CK降低3.4～ 33.5℃·d,土壤温差较CK降低0.6～2.0 ℃C;秸秆覆盖在越冬期平均温度比CK高0.2～0.3℃、负积温比CK高0.4～17.0℃·d.秸秆覆盖较CK增产11.9％～19.5％,处理间单位面积穗数的差异是引起产量差异的主要结构因素.因此,秸秆带状覆盖适宜在西北雨养区旱地冬小麦产区推广应用.

秸秆带状覆盖技术是一种利用玉米整秸秆进行局部覆盖种植的新型旱地覆盖栽培技术,为明确西北黄土高原典型旱作条件下秸秆带状覆盖对冬麦田土壤水热动态特征和产量的影响,在2013-2016年3个生长季,比较了秸秆带状覆盖(BSC)、免耕秸秆覆盖(NTS)、全膜覆土穴播(PFM)和露地种植(CK)下麦田土壤水温动态、小麦耗水特征、产量和水分利用效率的差异.结果表明:PFM显著增加了拔节前5～20 cm土壤温度,而BSC和NTS的增温效应主要在越冬期,但拔节后3种覆盖方式均具有显著的降温效应.BSC和PFM显著提高休闲期土壤蓄水效果,BSC显著改善全生育期0～200 cm土壤墒情,但PFM和NTS对生育期土壤墒情的改善主要集中在抽穗期以前,抽穗后PFM土壤墒情逐渐低于CK.BSC和PFM在保持周年耗水与CK无显著差异的基础上,显著提高生育期耗水量,增加拔节至开花期阶段耗水量,促进对120 cm以下土壤水分的利用.与CK相比,BSC、NTS和PFM显著增加单位面积穗数和成熟期生物量,籽粒产量分别显著增加19％ ～52％、14％～30％和15％ ～60％,周年水分利用效率分别显著提高19％ ～61％、14％ ～31％和15％ ～ 58％.BSC取得与PFM相近的产量和水分利用效率双增潜力.综合冬小麦产量、水温利用状况、周年耗水等因素,BSC是一种高产高效且利于西北旱作农业可持续发展的种植方式.

通过大田试验研究了平膜穴播和垄膜沟播等覆膜方式对晋南旱地麦田土壤水分、氮素平衡及产量的影响,以期在当地确立一套适宜的科学覆膜方式,为晋南旱塬地区乃至我国旱作小麦的高产优质提供理论依据.结果表明,垄膜沟播和平膜穴播处理的冬小麦增产效果显著,且以平膜穴播处理的效果最优,较测控施肥处理的籽粒产量和生物产量分别提高22.71％和25.45％.经过冬小麦一个生育期对土壤水分的吸收利用,两种覆膜处理的耗水量较不覆膜处理有较大的提高,而其水分利用率略低于不覆膜处理,但差异不显著.两种覆膜处理也能提高麦田的降水生产效率和休闲效率,较不覆膜处理分别提高9.46％-30.16％和9.95％-39.22％.覆膜有利于氮的矿化,并能促进小麦对氮素的吸收利用,同时也可以在一定程度上降低氮素在土壤中的残留,最终有利于小麦增产.

通过田间试验,研究地膜覆盖、秸秆还田和种植绿肥对冬小麦籽粒产量和土壤肥力的影响.结果表明:与传统模式相比,地膜覆盖并不总能提高旱地小麦产量,3年平均产量无显著变化,但降低20～40 cm土壤全氮、有效磷、速效钾、有效硫、有效锌和有效锰含量,对土壤有机质、硝态氮、有效铁和有效铜含量无显著影响.秸秆还田的小麦产量3年平均降低12.1％,收获期0～20 cm土层金氮提高5.8％,20～40 cm土层有效铜含量提高6.2％,而有效磷和有效锰分别降低36.1％和10.2％,对开花期和收获期土壤有机质、硝态氮、速效钾、有效硫、有效锌和有效铁无显著影响.种植绿肥的籽粒产量降低12.1％,同时土壤pH、有效磷和有效硫含量降低,有机质、全氮、硝态氮、有效锌和有效锰均增加,对土壤速效钾、有效铁和有效铜均无显著影响.综上,在旱地土壤肥力较低的条件下,地膜覆盖和秸秆还田不利于土壤肥力的提升,使小麦增产受到限制;种植绿肥培肥效果最好,但应考虑区域降水情况,注意其带来的减产问题.

2015-2016年在西北黄土高原半干旱区进行大田定位试验,以‘陇春35号’为试验材料,设全膜覆土穴播(PMS)、全砂覆盖穴播(SM)和露地穴播(CK)3个处理,分析旗叶光合特性、春小麦耗水特性和产量构成因子之间的关系.结果表明:PMS和SM在0～300 cm土层的土壤贮水量在灌浆前分别较CK提高47.8和31.6 mm,灌浆期均较CK降低15.6 mm.PMS和SM提高春小麦挑旗-抽穗期和扬花-灌浆期的土壤耗水.PMS和SM的叶面积指数分别较CK提高59.0％ ～73.7％和40.1％～52.7％,叶片SPAD值分别较CK提高3.5％～28.4％和2.9％ ～23.9％.PMS的光合速率和气孔导度在春小麦挑旗、抽穗、扬花期分别较CK提高23.5％、33.0％、17.7％和32.6％、76.4％、66.9％,灌浆期分别较CK降低26.2％和16.4％;PMS和SM的气孔限制值在抽穗、扬花、灌浆期分别较CK降低14.6％、23.9％、22.3％和25.7％、29.8％、17.4％.叶片瞬时水分利用效率PMS在挑旗期较CK提高57.8％,扬花期降低11.2％.PMS的表观量子效率在抽穗、扬花期分别较SM和CK增加22.6％、18.7％和26.8％、14.3％.PMS和SM春小麦的株高和产量构成因子均显著高于CK,且在干旱年份增幅较大;PMS的产量较CK和SM分别提高36.2％和8.7％,水分利用效率分别提高9.4％和3.4％.因此,PMS和SM提高了小麦灌浆前土壤贮水,加剧了挑旗到抽穗和扬花到灌浆期的耗水,提高了小麦叶片SPAD值和叶面积指数,增强了小麦灌浆前旗叶光合功能,促进“库”的建成和同化物的转运,实现增产和水分高效利用.PMS在丰水年份的增产潜力和干旱年份的适应能力比SM更强.