免耕輪作對西北荒漠綠洲小麥、玉米產量和光合特性的影響

楊彩紅，耿艷香，伏星舟，嚴長庚，趙宇浩，羅永忠，柴 強

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

西北綠洲灌區光熱資源豐富、適合發展間作套種，然而傳統間作套種由于耗水量過大及區域內資源性缺水嚴重影響到該種植模式的應用[1]。傳統的精耕細作加劇了土地沙化和生產力水平的降低[2,3]，嚴重影響了農業的進一步發展。基于少動土、少裸露、少污染、高保蓄、高效益原理的保護性耕作[4]，在盡量減少農田養分的非生產性消耗同時可提高作物水分利用效率、有效減少農田揚塵、改善生態環境[5-7]。合理利用少耕、秸稈覆蓋及少耕結合秸稈覆蓋的保護性耕作技術，能夠有效保護農業生態環境[8]、提高作物葉綠素含量和光合速率[9]、提高作物產量[10]、改善土壤性狀[11-14]，是實現生態環境脆弱區作物增產、穩產和生態環境保護的可行措施之一。如何充分利用現有的耕地資源、減少由于深度耕作引起的土壤質量下降，在現有耕地面積的基礎上提高土地生產力、開發荒漠綠洲區的農業生產潛力已成為我國農業可持續發展的重大課題。以提高農田周年產出、促進生態安全為主要目標，在總結間套復合種植研究與實踐經驗的基礎上[15]，為最大限度規避不恰當的耕作方式對生態脆弱區自然環境的進一步破壞，開展荒漠綠洲區長期輪作模式下不同耕作對當地多熟種植農田生態環境效果方面的研究。本研究通過開展不同耕作模式下作物群體的光合特性、葉片葉綠素含量及產量性狀等影響的差異，旨在篩選免耕留茬耦合輪作的最佳模式，以期為構建河西荒漠綠洲區生態保護與高產高效栽培提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016—2018年在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學校地聯合綠洲農業科研教學基地進行。試驗基地位于河西走廊東端(102°64′E，37°30′N)，屬典型的內陸荒漠季風氣候區，海拔1 506 m，年均氣溫約7.2℃，年均降水量約為156 mm，多年平均無霜期156 d，年均蒸發量約為2 400 mm，≥0℃的積溫為3 513.4℃、≥10℃的積溫為2 985.4℃，年太陽輻射總量504～630 kJ·cm-2，麥收后≥10℃有效積溫1 350℃，屬于典型的兩季不足、一季有余綠洲農業生產區。試區土壤為厚層灌漠土，2016年試驗開始前0～20 cm土層土壤容重為1.57 g·cm-3，土壤有機質含量為12.50 g·kg-1，全氮、全磷分別為0.68、1.42 g·kg-1，pH值8.2。

1.2 試驗設計

田間定位試驗開始于2016年3月，試驗設種植模式和耕作方式2個因子，共計6個處理，每個處理3次重復，田間隨機排列，18個小區，小區面積110 m2，具體試驗設計見表1，包括小麥/玉米→小麥/玉米、小麥-冬油菜→玉米、小麥→玉米3種輪作模式和免耕留茬、傳統耕作兩種耕作方式。

表1 不同試驗處理設置Table 1 Experimental design for different treatment

供試春小麥品種為寧春4號，單作播種密度為675萬粒·hm-2，行距12 cm；間作播種密度為375萬粒·hm-2，帶寬80 cm，種6行，行距12 cm。播種時間分別為2016年3月29日、2017年3月25日、2018年3月28日，收獲時間分別為2016年7月20日、2017年7月26日、2018年7月17日。小麥收獲后于8月中、下旬復種冬油菜，冬油菜品種為隴油6號，開溝條播，播深4 cm左右，深淺一致，行距20 cm，株距10 cm，播后及時沿播種溝鎮壓保墑，此后常規管理；試驗中冬油菜只起到冬季覆蓋的作用，不計產，下季作物播種前收獲冬油菜，直接將冬油菜翻耕還田。供試玉米品種為先玉335，覆膜，單作播種密度82 500株·hm-2，行距40 cm，株距30 cm，間作密度52 500株·hm-2，行距40 cm、株距24 cm，播種時間分別為2016年4月23日、2017年4月22日、2018年4月15日，收獲時間分別為2016年9月15日、2017年9月27日、2018年9月26日。單作小麥及間作小麥帶施純N 225 kg·hm-2、純P2O5150 kg·hm-2，全做基肥；復種冬油菜于返青期施純氮225 kg·hm-2；單作和間作玉米施純N 360 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分次施入，純P2O5225 kg·hm-2，全做基肥。各處理冬灌水均為1 200 m3·hm-2，生育期內，小麥苗期、孕穗期、灌漿期分別補灌750、900、750 m3·hm-2；玉米拔節期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、開花期、灌漿期分別補灌900、750、900、750、750 m3·hm-2。

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 光合參數 采用美國Li-Cor公司生產的Li-6400型便攜式光合系統測定儀，分別于小麥灌漿期、玉米吐絲期選擇晴朗無風的天氣，在9∶00—11∶00自然光照下測定作物葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)。小麥在各處理小區中間位置隨機選取15株小麥旗葉測定，玉米在各小區中間隨機選取5株玉米穗位葉進行測定。

1.3.2 葉綠素含量 分別在小麥灌漿期、玉米吐絲期，用手持葉綠素測定儀YLS-501測定葉綠素含量[16]。

1.3.3 產量 小麥、玉米成熟后，實收測產，3個重復。分別在各小區選取20株小麥進行室內考種，調查小麥穗長、小穗數、穗粒數、千粒重；選取10株玉米，調查其穗位高、穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數、百粒重。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016整理、匯總數據，采用SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 免耕輪作對作物葉片光合氣體交換參數的影響

2.1.1 凈光合速率(Pn)及蒸騰速率(Tr) 從圖1可以看出，2016—2018年，不同耕作方式間作物葉片的凈光合速率(Pn)差異不明顯；與相應的傳統耕作相比，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理葉片凈光合速率的增幅分別為-6.08%～11.22%、-2.13%～7.07%、-5.73%～0.96%、-5.86%～10.84%。不同種植模式之間，間作玉米葉片的Pn相對高于其他處理，小麥/玉米(T1)和小麥-冬油菜→玉米(T2)處理葉片Pn在2016、2017、2018年較小麥→玉米(T3)的增幅分別為4.92%、-0.39%、-0.17%和2.31%、1.44%、2.26%，T2處理葉片Pn高于其他兩種種植模式。可見，作物葉片Pn在免耕處理與傳統耕作間無明顯差異，這說明免耕并未使作物葉片的凈光合速率發生明顯下降。

注：W-小麥，M-玉米；圖柱上不同小寫字母表示處理間差異達到5%顯著水平，下同。Note:W-wheat,M-maize.Different lowercase letters on the columns indicate that significant differences between treatments at 5% levels,the same in the following figures.圖1 不同處理下作物葉片凈光合速率的變化Fig.1 Variation of photosynthetic rate under different treatments

從圖2可以看出，不同處理作物蒸騰速率在不同年份間變化趨勢大致相同，但各處理間由于作物類型的不同有所差異。不同耕作方式之間，除2017年NT1-W和 2018年NT1-M處理的Tr分別高于相應的傳統耕作處理外，其余各處理表現為免耕處理的Tr低于相應的傳統耕作處理，這可能與間作群體作物的生長特性有關。不同種植模式之間，T1和T2處理作物葉片的Tr明顯高于T3處理，2016年和2017年，T1、T2處理作物葉片的Tr分別較T3處理增加了4.19%、34.66%和3.41%、17.10%，這可為作物輪作倒茬同時進行免耕處理、減少奢侈蒸騰、提高作物的水分利用效率提供了理論基礎。

圖2 不同處理下作物葉片蒸騰速率的變化Fig.2 Variation of transpiration rate under different treatments

2.1.2 氣孔導度(Gs)及胞間CO2濃度(Ci) 氣孔既是光合作用吸收空氣中CO2的入口，也是水蒸氣逸出葉片的出口，它在控制碳的吸收和水分損失的平衡中起著重要的作用。如圖3所示，不同年份不同處理間變化不一致，且差異不顯著；不同處理作物葉片Gs在2016、2017年間的變化無明顯規律；與相應傳統耕作處理相比，2018年NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理葉片Gs的降幅分別為41.08%、10.14%、-10.18%、15.57%，除T1處理外，其他處理的差異未達到顯著水平。不同種植模式之間，除2018年T2處理低于T3處理外，T2處理葉片Gs均高于T1和T3處理，2016、2017、2018年，T2處理葉片Gs分別較T1和T3處理增加了29.36%、22.27%、9.61%和4.78%、7.07%、-4.58%。

圖3 不同處理下作物葉片氣孔導度的變化Fig.3 Variation of stomatal conductance under different treatments

田間條件下，空氣中的CO2濃度往往不能滿足植物旺盛光合作用的需要，CO2的供應成為光合作用的一個重要限制因素。如圖4所示，不同年份不同種植模式之間的差異變化不一致，其中，不同耕作方式之間，除2018年T2和T3處理外，免耕處理作物葉片的Ci均低于相應的傳統耕作處理。2016—2018年，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理葉片的Ci較相應傳統耕作處理的降幅分別為1.56%～2.27%、1.74%～5.53%、2.77%～23.64%、0.01%～5.11%，差異未達到顯著水平。

圖4 不同處理下作物葉片胞間CO2濃度的變化Fig.4 Variation of intercellular CO2 concentration under different treatments

2.1.3 葉片水分利用效率(WUE) 從圖5可以看出，不同耕作方式下，小麥間作玉米葉片水分利用效率較高，以2017年免耕和2018年傳統耕作間作玉米的葉片水分利用效率最高；其中，2017年NT1-M處理玉米葉片的水分利用效率(WUE)分別較NT2、NT3處理增加了22.56%、21.06%；2018年CT1-M處理作物葉片WUE分別較CT2、CT3處理增加了42.52%、23.41%。不同耕作方式之間，2017年各處理之間變化不一致；2016、2018年，除NT1-M處理外，NT1-W、NT2、NT3處理葉片WUE較相應傳統耕作處理的增幅分別為23.96%、14.03%、11.55%和12.50%、30.96%、7.08%，表明免耕對作物具有一定的節水效應。

圖5 不同處理下作物葉片水分利用效率的變化Fig.5 Variation of leaf water use efficiency under different treatments

2.2 免耕輪作對作物葉片葉綠素含量的影響

從圖6可以看出，不同耕作方式之間，除2016年CT3處理低于免耕處理外，前兩年其他處理傳統耕作葉片葉綠素含量均高于相應的免耕處理；隨著種植年限的增長，2018年，除CT1-M處理外，其他處理葉片的葉綠素含量則表現為免耕高于傳統耕作處理，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理葉片葉綠素含量較相應傳統耕作處理的增幅分別為3.59%、-0.40%、3.14%、5.22%。不同種植模式間，小麥-冬油菜→玉米(T2)中作物葉片的葉綠素含量相對高于小麥/玉米→小麥/玉米(T1)和小麥→玉米(T3)處理；2016—2018年，與T2處理相比，T1-W、TI-M、T3處理作物葉片葉綠素含量的降幅分別為1.35%～9.12%、2.78%～15.07%、-1.30%～15.85%。說明免耕輪作處理尤其是小麥-冬油菜→玉米可提高作物葉片葉綠素含量，延緩其衰老，有利于作物灌漿期的光合生產。

圖6 不同處理下作物葉片葉綠素含量的變化Fig.6 Variation of leaf Chlorophyll content under different treatments

2.3 免耕輪作對作物產量及產量性狀的影響

2.3.1 小麥產量及產量性狀 由表2可以看出，2016年，除千粒重外，傳統耕作各項產量性狀均高于免耕處理；與相應傳統耕作處理相比，NT1處理小麥的穗長、小穗數、穗粒數分別降低了1.15%、4.32%、1.62%，NT2處理的各指標分別降低了5.91%、8.72%、1.03%，NT3處理分別降低了5.06%、9.28%、5.09%；NT1、NT2、NT3處理的千粒重則分別較相應傳統耕作處理增加了9.91%、5.44%、6.93%。2018年度，隨著種植年限的增長，不同處理小麥產量性狀發生了變化，其中，NT1處理小穗數、穗粒數、千粒重分別較CT1增加5.08%、0.44%、2.03%，NT2和NT3分別較相應傳統耕作處理增加了1.52%、2.22%、1.88%和3.52%、2.84%、3.82%。不同種植模式之間，2016年，T1處理小麥的穗長、小穗數、穗粒數、千粒重分別較T2和T3處理增加了11.28%、13.58%、8.29%、4.05%和5.16%、6.81%、8.89%、-3.36%；2018年，T1處理間作小麥的穗長、小穗數、穗粒數、千粒重分別較T2和T3處理增加了2.06%、0.45%、-9.01%、-1.40%和0.73%、0.76%、0.39%、-5.45%。不同處理小麥的產量表現為，除2016年度T1處理外，其余年度免耕各處理產量均高于相應傳統耕作處理，T1、T2、T3各處理小麥產量較相應傳統耕作處理的增幅分別為12.52%和14.90%、3.74%和11.60%、5.35%和19.89%。

表2 免耕輪作對小麥產量及產量性狀的影響Table 2 Effects of no tillage and rotation on wheat yield and yield component

2.3.2 玉米產量及產量性狀 不同處理玉米產量性狀隨耕作方式和種植模式變化而表現出不同的趨勢(表3)。2016、2018年，與相應的傳統耕作處理相比，NT1處理玉米的穗位高、穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數的增幅分別為3.08%、7.47%、2.67%、3.21%、-1.54%和5.53%、-6.14%、4.49%、-7.24%、5.29%；2017年，NT2處理玉米的穗位高、穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數、百粒重分別較CT2的增加了4.43%、4.24%、3.17%、0.51%、1.41%、1.68%，差異不顯著。不同種植模式之間，2017年T1處理玉米的穗位高、穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數、百粒重分別較T2和T3處理的增幅為1.32%、1.11%、-4.89%、-1.38%、9.58%、2.36%和-1.04%、-0.90%、15.35%、-3.54%、5.63%、3.29%。前兩個年度，免耕間作玉米(NT1)的產量較傳統耕作有所下降；2017年，NT2、NT3處理玉米的產量分別較相應傳統耕作處理增加5.62%、18.49%；2018年，NT2處理較相應傳統耕作處理增加20.47%。

表3 免耕輪作對玉米產量及產量性狀的影響Table 3 Effects of no tillage and rotation on maize yield and yield component

3 討 論

前人通過對玉米-花生[17]、苜蓿-冬小麥[18]、稻-麥[19]等不同輪作模式的研究表明，輪作模式有利于誘導穗位葉片對光能的吸收，提高葉片的凈光合速率，表現出良好的經濟效益和環境效應，且免耕處理作物葉片的光合特性、葉綠素含量和周年產量要優于傳統翻耕[9]，然而也有研究認為翻耕能促進根系生長、增加葉片葉綠素含量、提高作物凈光合速率[20-22]。本試驗對河西荒漠綠洲區免耕條件下小麥/玉米→小麥/玉米、小麥-冬油菜→玉米、小麥→玉米3種模式的研究表明，免耕輪作可以提高作物葉片的凈光合速率、葉綠素含量、氣孔導度和胞間CO2濃度，與許菁等[9]的研究結果一致，其中，2017年免耕間作玉米輪作模式作物葉片凈光合速率較同年其他處理的增幅為5.95%～19.45%。因為氣孔影響著葉片蒸騰、光合等生理過程，氣孔導度與胞間CO2濃度的升高對作物葉片光合效率和CO2同化的調控作用[23]，使得作物對強光的適應能力增強。由于作物植株光合作用的強弱受葉肉細胞光合能力和氣孔導度的雙重作用，本試驗中，不同年度各處理變化趨勢有所不同，相比之下，2017年小麥/玉米→小麥/玉米、小麥→玉米處理作物葉片胞間CO2濃度降低，表現出相反的變化趨勢。

葉綠素作為植物體內重要的光合色素，負責光能的吸收、傳遞和轉化，在植物光合作用中起著關鍵性作用[24]。本試驗條件下，隨著種植年限的增長，2018年免耕小麥-冬油菜→玉米處理的作物葉片葉綠素含量平均高于其他處理1.14%～8.76%，說明免耕小麥-冬油菜→玉米處理有利于增強作物葉片PSII反應中心的能量捕獲和光化學電子傳遞效率，改善群體對高光環境的適應及利用能力，這與前人在水稻[25]等作物上的研究結果一致。因為免耕有利于農田土壤蓄水保墑，提高土壤水分利用率，進而延緩葉片衰老，改善葉片光合特性。關于免耕條件下不同輪作模式作物葉片光合能力的提高還可能與光合酶活性、葉綠體超微結構、熒光動力學參數和光合基因表達[26-28]有關，對此還需進一步深入研究。

作物產量是單位土地面積上所有植株個體繁殖輸出的總和，屬于種群水平上的一個生物學指標[29]。干物質積累與分配是“源庫”協調的動態變化過程，追求單位面積上最大產量即是實現最佳的“源庫”平衡。本試驗中，將免耕與不同種植模式下年內、年際輪作作物相結合，受作物輪作、種間競爭、系統資源等的多重影響，免耕小麥/玉米→小麥/玉米輪作模式可提升群體“庫”容量，以確保充足“源”條件下的源/庫比例協調，提高經濟產值。有研究表明，麥豆輪作條件下麥秸還田，麥秸還田后種植大豆、小麥，大豆平均增產5.27%，小麥與對照持平，多年的產量與不還田比差異不顯著[30]。本研究表明，免耕小麥/玉米間作處理小麥的穗長、小穗數、單株粒重和千粒重較其他兩種種植模式的增幅分別為1.50%～13.48%、0.06%～15.65%、-9.98%～10.53%和-6.42%～11.35%，本研究中免耕增加了小麥的穗長和小穗數，成為免耕小麥/玉米間作實現高產的關鍵；傳統耕作玉米的穗位高、穗長、單株穗粒數及百粒重較其他處理的增幅為-1.80%～4.83%、-0.46%～4.55%、1.96%～11.10%和5.16%～7.32%，產量構成要素的上升有利于植株獲得高產，小麥/玉米增產效果較大，這可能與小麥/玉米模式小麥、玉米的良好植株形態和適宜的農田土壤微環境具有直接關系。由于作物產量受氣候、土壤、降雨、施肥、灌溉等多種因素影響，合理的耕作與種植模式是實現作物高產、改善土壤性狀的重要措施，因此，在干旱荒漠綠洲區，還需要進一步優化耕作措施及其相關配套條件。

4 結 論

甘肅河西荒漠綠洲區，在小麥/玉米→小麥/玉米、小麥-冬油菜→玉米和小麥→玉米3種輪作種植模式下，免耕留茬對小麥、玉米植株葉片光合特性、葉綠素和產量性狀均有一定的影響。免耕條件下作物葉片的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度有所下降，但各處理間差異不顯著。隨著種植年限的增長，免耕條件下作物葉綠素和產量性狀表現出一定的優勢，2018年，免耕小麥/玉米→小麥/玉米、小麥-冬油菜→玉米、小麥→玉米處理的葉綠素含量較相應的傳統耕作處理分別增加了1.60%、3.14%、5.22%，免耕各處理小麥的小穗數、穗粒數、千粒重分別增加1.52%～5.08%、0.44%～2.84%、1.88%～3.82%。不同種植模式之間，小麥-冬油菜→玉米的光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度高于小麥/玉米→小麥/玉米和小麥→玉米，小麥/玉米表現出一定的產量優勢。綜合得出，小麥-冬油菜→玉米輪作模式在免耕留茬條件下有助于增強作物地上光合物質生產能力，延緩葉片衰老，提高作物葉片的水分利用效率，而小麥/玉米→小麥/玉米免耕可以獲得較高的產量。