稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥產(chǎn)量形成及籽粒品質(zhì)的影響

周冬冬，張 軍，李福建，葛夢(mèng)婕，李必忠，劉忠紅，張永進(jìn)，李春燕，朱新開

(1.淮安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江蘇淮安 223001；2.揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/揚(yáng)州大學(xué)小麥研究中心，江蘇揚(yáng)州 225009)

小麥(L.)是世界三大主要糧食作物之一，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。提高小麥產(chǎn)量與品質(zhì)對(duì)保障國(guó)家糧食安全和改善居民飲食具有重要意義。江蘇為糧食主產(chǎn)省，其2020年糧食總產(chǎn)達(dá)3 729萬t，其中小麥占35.8%，小麥對(duì)全省穩(wěn)糧保供做出較大貢獻(xiàn)。中國(guó)是世界上秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量已達(dá)9億t，其中水稻秸稈占23%左右。秸稈還田是秸稈利用的主要方式之一，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用，符合生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展要求。江蘇作為典型稻麥兩熟種植區(qū)，水稻秸稈科學(xué)高效還田具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤結(jié)構(gòu)等作用，可提高小麥籽粒產(chǎn)量，但還田不當(dāng)會(huì)降低小麥出苗率和均勻度，尤其在土壤墑情不足條件下對(duì)播種質(zhì)量影響更大。耕作方式是改變土壤生態(tài)環(huán)境主要因素，科學(xué)的耕作方式可改善土壤耕層質(zhì)量，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。探索科學(xué)高效的秸稈還田方式和耕作方式對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

江蘇省是我國(guó)稻茬小麥種植大省。水稻收獲后土壤質(zhì)地黏重、濕度大、耕性差，嚴(yán)重影響后茬小麥的機(jī)械化耕播質(zhì)量和產(chǎn)量的形成。翻耕及秸稈還田能增加土壤耕層全氮含量，麥秸全量還田比不還田處理高8.76%，免耕不利于中下層堿解氮的積累。土壤過濕(土壤相對(duì)含水量為85.7%)條件下，板茬處理較翻耕、旋耕更利于小麥對(duì)養(yǎng)分的吸收，成熟期氮、磷、鉀積累量比翻耕處理分別提高了20.1%、35.0%和7.0%。前人關(guān)于稻秸還田或耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分、小麥產(chǎn)量形成的影響研究已有很多，但針對(duì)二者互作對(duì)小麥產(chǎn)量形成及籽粒品質(zhì)等影響的研究較少。本試驗(yàn)在稻麥連作條件下，分析了稻秸還田和耕作方式對(duì)小麥生長(zhǎng)和籽粒品質(zhì)的影響，探求稻茬小麥科學(xué)高效的種植方式，以期為稻茬小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培提供理論和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地情況

試驗(yàn)分別于2017年11月-2018年6月和2018年11月-2019年6月在江蘇(淮安)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(稻麥)科技綜合示范基地(118°51′E、33°35′N)進(jìn)行。該區(qū)位于淮河以北，屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.8 ℃，年降雨量945.5 mm，全年日照時(shí)數(shù)2 080.6 h，試驗(yàn)期間的氣候條件見圖1，數(shù)據(jù)由淮安市氣象局提供。試驗(yàn)地前茬為水稻，土壤類型屬淤泥質(zhì)土，2017年0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為22.4 g·kg，全氮1.59 g·kg，速效磷53.2 mg·kg，速效鉀101.8 mg·kg，土壤相對(duì)含水量為78.6%；2018年0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為21.6 g·kg，全氮1.45 g·kg，速效磷54.7 mg·kg，速效鉀113.6 mg·kg，土壤相對(duì)含水量為72.5%。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為淮麥36，半冬性，全生育期220.5 d，抗寒性好，分蘗力強(qiáng)。種子由江蘇省金地種業(yè)科技有限公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017-2018和2018-2019年度試驗(yàn)均采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，以秸稈還田為主區(qū)，設(shè)稻秸不還田(S0)和稻秸全量還田(S1)2個(gè)水平；耕作方式為副區(qū)，設(shè)免耕(T1)、旋耕(T2)和翻耕(T3)3個(gè)水平，共6個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)。2017年11月8日和2018年11月5日播種小麥，播種量均為300 kg·hm，播后鎮(zhèn)壓。施純氮240 kg·hm，基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥= 5∶1∶3∶1，基肥于播種前施用，壯蘗肥于3～5葉期時(shí)施用，拔節(jié)肥于葉齡余數(shù)2.5葉時(shí)施用，孕穗肥于葉齡余數(shù)0.5葉左右時(shí)施用。磷肥(PO)、鉀肥(KO)施用量均為90 kg·hm，基肥∶拔節(jié)肥為4∶6。每個(gè)小區(qū)面積666.67 m。其他管理措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培。

圖1 小麥全生育期的平均溫度(T)和降水量(P)

表1 不同秸稈還田及耕作方式作業(yè)流程Table 1 Work flow of straw returning patterns and tillage modes

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 出苗率和出苗均勻度測(cè)定

播種后記錄各小區(qū)出苗日期，于三葉期采用五點(diǎn)取樣法調(diào)查出苗數(shù)，每個(gè)點(diǎn)計(jì)數(shù)1 m雙行苗數(shù)，取平均值計(jì)算基本苗數(shù)和田間出苗率。以其出苗數(shù)的變異系數(shù)的倒數(shù)表示出苗均勻度。

田間出苗率=單位面積基本苗/單位面積有效種子數(shù)×100%；

單位面積有效種子數(shù)=單位面積播種量× 1 kg種子數(shù)×發(fā)芽率。

1.4.2 葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量測(cè)定

分別于拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期和成熟期每個(gè)小區(qū)取樣20株，采用長(zhǎng)寬系數(shù)法測(cè)定葉面積，再計(jì)算單位面積葉面積即葉面積指數(shù)。樣品按器官分開，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，測(cè)定干物重。

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量；

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量×100%；

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干物質(zhì)積累量×100%；

花后干物質(zhì)生產(chǎn)量=成熟期籽粒干物質(zhì)積累量-花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量；

花后干物質(zhì)生產(chǎn)量對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)生產(chǎn)量/成熟期籽粒干物質(zhì)積累量×100%。

1.4.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定

成熟期調(diào)查各小區(qū)穗數(shù)、每穗結(jié)實(shí)粒數(shù)及千粒重，收獲1 m計(jì)產(chǎn)，重復(fù)3次，折算成籽粒含水量為13%時(shí)的粒重計(jì)產(chǎn)。

1.4.4 小麥綜合品質(zhì)性狀測(cè)定

使用HGT-1000型容重儀測(cè)定籽粒容重、JYDB100×40小麥硬度指數(shù)測(cè)定儀測(cè)定硬度指數(shù)，利用7200型近紅外谷物分析儀測(cè)定籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量和沉降值。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、DPS 7.05等軟件進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，采用Sigma Plot 10.0、 Excel 2016等作圖。兩年度各處理變化規(guī)律基本一致，重點(diǎn)以2018-2019年度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥出苗情況的 影響

由圖2可知，水稻秸稈全量還田后三種耕作方式的小麥出苗率和出苗均勻度均較相應(yīng)的不還田處理有不同程度下降，其中S1T1處理的出苗率和出苗均勻度均最低，比S0T1處理分別降低13.86%和32.71%(2017-2018)、14.21%和 24.21%(2018-2019)。耕作方式間出苗率和出苗均勻度均表現(xiàn)為T3>T2>T1；T3下小麥出苗好，缺苗斷壟相對(duì)較少，平均出苗率為58.51%(2017-2018)、64.87%(2018-2019)。其中稻秸全量還田條件下翻耕的出苗質(zhì)量仍較優(yōu)，S1T3的出苗率和出苗均勻度僅比S0T3低5.88%和9%(2017-2018)、5.04%和3.22%(2018-2019)。由此可見，翻耕可減輕秸稈還田對(duì)小麥出苗所帶來的不利影響。2017年冬前持續(xù)干旱，影響小麥出苗，因此出苗率和出苗均勻度整體低于2018年，但兩年度處理間趨勢(shì)表現(xiàn)一致。

2.2 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥葉面積指數(shù)(LAI)的影響

不同耕作方式下小麥群體LAI在各生育時(shí)期均表現(xiàn)為T3>T2>T1(圖3)。T1和T2下在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期和開花期，稻秸全量還田處理的LAI均低于相應(yīng)的秸稈不還田處理，即S1T1

2.3 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及其貢獻(xiàn)率的影響

由表2可以看出，小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為29.45%～45.17%，花后干物質(zhì)生產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為54.83%～70.55%，說明花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒產(chǎn)量形成作用較大。不同耕作方式間花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及其對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為T3T2>T1。稻秸全量還田條件下T1和T2的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率均高于相應(yīng)的秸稈不還田處理，花后干物質(zhì)生產(chǎn)量及其對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率均低于相應(yīng)的秸稈不還田處理；T3則表現(xiàn)相反。這說明秸稈全量還田條件下翻耕可促進(jìn)小麥花后光合物質(zhì)生產(chǎn)，提高其對(duì)產(chǎn)量形成的作用。

圖中柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

J：拔節(jié)期；B：孕穗期；H：抽穗期；A：開花期。

2.4 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

耕作方式間小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為T3>T2>T1，且稻秸還田與耕作方式間存在顯著的互作效應(yīng)(表3)。兩年度均以S1T3處理產(chǎn)量最高，分別為8 300.04和8 663.48 kg·hm，比產(chǎn)量最低的S1T1處理分別增產(chǎn)13.02%和12.67%。稻秸全量還田條件下T1和T2的小麥產(chǎn)量均低于相應(yīng)的秸稈不還田處理，而S1T3處理產(chǎn)量顯著高于S0T3處理，說明翻耕在秸稈還田條件下更利于其增產(chǎn)效應(yīng)的發(fā)揮。

進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，穗粒數(shù)和千粒重均明顯受到互作的影響，耕作方式間穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均表現(xiàn)為T3>T2>T1。稻秸全量還田條件下，不同耕作方式的穗數(shù)(除2017-2018年度T3處理)均低于相應(yīng)的秸稈不還田處理，穗粒數(shù)、千粒重(除T1)均高于相應(yīng)的秸稈不還田處理。兩年度S1T1處理的千粒重都最低，這可能與其群體后期早衰有關(guān)。綜合分析表明，T3下小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重能夠協(xié)同增加，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，且這種調(diào)控效應(yīng)在稻秸全量還田條件下更為顯著。

表2 不同處理對(duì)小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響(2018-2019)Table 2 Effects of rice straw-returning and tillage modes on dry matter translocation of wheat and its contribution to grain yield(2018-2019)

表3 不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of rice straw-returning and tillage modes on yield and its components of wheat

2.5 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

稻秸全量還田條件下，不同耕作方式的籽粒容重、蛋白質(zhì)和濕面筋含量均高于相應(yīng)的秸稈不還田處理(除容重S1T1

表4 不同處理對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響(2018-2019)Table 4 Effects of rice straw-returning and tillage modes on grain quality of wheat (2018-2019)

3 討 論

3.1 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥出苗及產(chǎn)量形成的影響

稻秸還田對(duì)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力具有重要意義，但秸稈全量還田與提高小麥播種質(zhì)量和培育壯苗之間的矛盾一直是困擾江淮地區(qū)稻茬麥的難題。因此，選擇適宜的機(jī)械化耕播方式并配以相適應(yīng)的農(nóng)藝措施顯得尤為重要。研究表明，稻秸還田降低了小麥出苗率和出苗均勻度，這與本研究結(jié)果一致。但前人關(guān)于耕作方式對(duì)小麥出苗的影響不盡相同。深翻耕有利于小麥出苗率及幼苗均勻度提高，為冬前形成壯苗奠定基礎(chǔ)，免耕降低了出苗整齊度；旋耕的出苗率和出苗均勻度高于板茬，但幼苗質(zhì)量不如板茬；淺耕的小麥出苗率高于免耕處理，但出苗均勻性差于后者。前人結(jié)論不一致的原因可能與土壤水分條件、播種深度等因素有關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，耕作方式間出苗率和出苗均勻度表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕的趨勢(shì)，可見翻耕有助于提高播種質(zhì)量，且可減輕秸稈還田對(duì)小麥出苗所帶來的不利影響。

有試驗(yàn)結(jié)果顯示，秸稈還田可通過提高小麥千粒重產(chǎn)生增產(chǎn)作用，但也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)秸稈還田會(huì)導(dǎo)致小麥單位面積穗數(shù)顯著降低，引起減產(chǎn)。本試驗(yàn)中，稻秸還田雖導(dǎo)致小麥穗數(shù)減少，但通過增加穗粒數(shù)和千粒重有效彌補(bǔ)了產(chǎn)量的損失。王丹等認(rèn)為，免耕和深松有助于小麥灌漿后期葉片截取更多光能，提高后期旗葉光合能力，有利于增加單位面積穗數(shù)和千粒重，從而增加小麥產(chǎn)量。趙竹等研究表明，旋耕使小麥在生長(zhǎng)后期具有較強(qiáng)的光合優(yōu)勢(shì)，有利于小麥生育后期的干物質(zhì)積累。張書良等研究發(fā)現(xiàn)，采用翻耕+雙鎮(zhèn)壓+寬幅播種組合能夠提高分蘗成穗率，更有利于養(yǎng)分的吸收和光合產(chǎn)物的積累，從而提高產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，翻耕使小麥在生育后期具有較大的光合面積，可促進(jìn)花后光合物質(zhì)生產(chǎn)，增粒增重，最終實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)。這與張奎等、李太魁等研究結(jié)果一致。其中，S1T3處理的增產(chǎn)歸因于其較大的“源”器官和花后干物質(zhì)生產(chǎn)量及其對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率較高。本試驗(yàn)條件下S1T3處理效果最佳，可能由于翻耕能夠打破犁底層，促進(jìn)小麥根系生長(zhǎng)和下扎，利于根系對(duì)深層土壤養(yǎng)分和水分的吸收利用，供應(yīng)地上部的生長(zhǎng)發(fā)育，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 稻秸還田與耕作方式對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的 影響

稻秸還田與耕作方式均可影響小麥籽粒品質(zhì)，并有顯著的互作效應(yīng)。秸稈還田可增加小麥籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋、粗脂肪和淀粉含量，降低容重。在淮北砂姜黑土區(qū)雨養(yǎng)條件下，旋耕處理的小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量?jī)?yōu)于其他處理。在長(zhǎng)江中下游砂壤土區(qū)，翻耕還田有利于提高小麥的粗蛋白和濕面筋含量，改善其加工和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。在西北旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，免耕秸稈覆蓋會(huì)降低小麥蛋白質(zhì)和濕面筋含量，而全膜覆土穴播有利于小麥加工品質(zhì)的改善。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在沿淮下游淤土區(qū)，稻秸還田有助于改善小麥加工和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，且翻耕處理下小麥籽粒品質(zhì)表現(xiàn)更好。

3.3 關(guān)于稻茬小麥科學(xué)選用耕作方式問題的 討論

土壤作為農(nóng)作物賴以生存的環(huán)境，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供適宜的水肥氣熱條件。耕作方式會(huì)直接改變土壤環(huán)境，從而影響土壤肥力、作物生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)江中下游沙壤土地區(qū)晚播爛耕爛種條件下，板茬種植的小麥群體質(zhì)量?jī)?yōu)于旋耕、翻耕等方式，產(chǎn)量也較高。麥季免耕與秸稈還田有利于提高中弱筋小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)，且減少部分機(jī)械耕作費(fèi)用，省工節(jié)本。在皖北淤土區(qū)，翻耕鎮(zhèn)壓處理最有利于獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥。在蘇北黏土地上，“翻耕+正旋+反旋”能顯著提高小麥幼苗質(zhì)量和產(chǎn)量，保證墑情、播期和整地質(zhì)量條件下，黏土地可進(jìn)行適當(dāng)翻耕或爭(zhēng)取2～3年翻耕1次為好。耕作方式對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響因土壤墑情有所差異，土壤墑情過濕(土壤相對(duì)含水量≥85%)條件下板茬小麥產(chǎn)量、凈效益均高于旋耕和翻耕，而土壤墑情適宜(土壤相對(duì)含水量為70%～80%)條件下翻耕小麥的產(chǎn)量、凈效益均高于旋耕和板茬。本試驗(yàn)綜合分析表明，土壤墑情適宜時(shí)，翻耕有利于減弱秸稈還田對(duì)小麥出苗所帶來的不利影響，在稻秸全量還田條件下選擇翻耕有助于實(shí)現(xiàn)本地區(qū)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥的生產(chǎn)，可作為江淮下游稻茬麥區(qū)適宜的耕作方式。但機(jī)械翻耕增加了作業(yè)成本，因此筆者建議隔 2～3年翻耕一次為好，且依據(jù)土壤墑情選擇適宜的耕作方式，有助于實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。本研究是在淮北墑情適宜的淤土條件下得出的結(jié)果，對(duì)于稻茬麥區(qū)其他土質(zhì)和水分條件下的結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

稻秸還田降低了小麥出苗率和出苗均勻度，導(dǎo)致穗數(shù)減少，但通過增加穗粒數(shù)和千粒重有效彌補(bǔ)了產(chǎn)量的大幅降低。翻耕處理的出苗率和出苗均勻度優(yōu)于旋耕和免耕處理，有助于改善播種質(zhì)量，增加拔節(jié)后的光合面積，促進(jìn)小麥花后光合物質(zhì)生產(chǎn)，增粒增重，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。稻秸還田有助于改善小麥加工和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，且翻耕處理下小麥籽粒品質(zhì)表現(xiàn)更好。因此，在土壤墑情適宜條件下，稻秸全量還田結(jié)合翻耕作業(yè)的方式利于實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的綜合目標(biāo)。