秸稈還田配施氮肥對旱地小麥生理生化特性及產量的影響

張靜 馬嵩科 張冬霞 柴雪茹 張俊豪 王賀正 文曉陽

摘要：為明確豫西旱地秸稈還田配施氮肥后小麥的生理特性及其產量變化，進行玉米秸稈還田配施不同氮肥水平對小麥開花后旗葉生理生化特性及小麥產量的影響研究。選用洛旱22為材料，采用裂區試驗，主區為玉米秸稈還田處理，分別為秸稈不還田（S0）、秸稈全量還田（S1）；副區為不同施氮量處理，分別為0（N0）、120（N1）、180（N2）、240（N3）、300（N4） kg/hm2，測定小麥開花后旗葉葉綠素、丙二醛（MDA）、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性等生理生化指標。結果表明，隨著小麥開花后生育期的推進，葉綠素含量有不斷降低的趨勢；可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量和SOD活性均呈先上升后下降的趨勢，在開花后 14 d 達到峰值；MDA含量在秸稈還田條件下呈先下降后上升的趨勢，在開花后21 d降到最低值，MDA含量在秸稈不還田條件下開花后14 d降到最低值。不同氮素水平處理之間，葉綠素、可溶性糖含量整體上隨著施氮量的升高而升高；可溶性蛋白、脯氨酸含量和SOD活性，均在一定施氮范圍內隨著施氮量的增加而增加（提高）；POD活性隨著施氮量的增加變化規律不明顯，但在秸稈還田配施240 kg/hm2氮肥水平下活性最高；MDA含量隨著施氮量的增加而減少。葉綠素、可溶性糖含量和SOD、POD活性均在秸稈還田條件下高于秸稈不還田；MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量在秸稈還田條件下低于秸稈不還田。結果表明，無論秸稈還田與否，施氮量在240 kg/hm2水平下的小麥穗數、穗粒數、產量均高于其他氮肥水平，秸稈還田配施240 kg/hm2氮肥水平下小麥產量最高，施氮量超過 240 kg/hm2 水平后增施氮肥有減產趨勢。綜上所述，秸稈還田配施240 kg/hm2氮肥為豫西旱地玉米秸稈還田后小麥高產適宜的施氮水平。

關鍵詞：玉米；秸稈還田；氮肥；旱地小麥；生理生化特性；產量

中圖分類號：S512.106? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0061-08

收稿日期：2023-02-03

小麥是豫西地區的主要糧食作物，但因該地區屬于丘陵旱區，年降水量偏少，旱災頻發，土地貧瘠、耕性較差、有機質含量偏低，嚴重限制了小麥增產［1］。氮素作為小麥生長發育過程中所必需的三大營養元素之一，在小麥個體發育、群體調控和產量形成中都有明顯的成效。適量增施氮肥能顯著延緩旗葉葉片衰老，增強光合效率，有利于產量的提高。然而，過量投入氮肥會加速葉片衰老，造成小麥的抗倒伏能力、病蟲害抗性下降，不利于光合產物的積累，對提高產量、經濟效益存在負面影響，會造成土壤養分失衡，土壤生產力降低，從而造成不容忽視的地下水、地表水和大氣環境污染問題［2-4］。據統計，我國作物的氮肥利用率低于40%，氮肥施入農田卻不能被充分利用［5］。因此，在農業生產上推行氮肥減量技術迫在眉睫。玉米秸稈是高產的秸稈資源，其中富含氮、磷以及微量元素，還田后可以提高土壤肥力與作物產量，還可以避免因秸稈焚燒造成的大氣污染，從而改善農田的生態系統，保護生態環境［6-7］。研究表明，玉米秸稈直接還田時，土壤的碳素物質徒增，但微生物對碳素的分解，須吸收土壤中的氮，如不能適時增加氮肥用量，易造成土壤氮素的缺乏，影響下茬作物的生長，甚至導致減產。因此，在秸稈還田的同時要適時增施氮肥，不僅可以達到加快秸稈腐解的要求，同時也確保了作物的正常生長需要［8］。

前人分別從玉米秸稈還田和氮肥減施單因素進行研究，對小麥的抗氧化酶活性以及可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛（MDA）含量等生理生化指標進行試驗研究。結果顯示，一定量的玉米秸稈還田能提高小麥葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量，增強超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性，降低MDA含量，延緩葉片衰老，增加小麥產量［1，9-13］。隨著施氮水平的提高，可溶性糖、蛋白和脯氨酸含量及SOD、POD、CAT活性均能明顯提高，而MDA含量顯著降低；但是，當施氮水平高于某一程度時，各項指標的增幅（降幅）均不顯著，或呈現出下降（上升）的趨勢［3，14］。秸稈還田配施氮肥與單獨施用等量的氮肥相比較，前者能顯著增強土壤肥力、提高作物植株地上部分對氮素的吸收利用和積累量，從而有利于提高小麥籽粒產量；秸稈還田配施氮肥在一定程度上提高了小麥旗葉的葉綠素含量，能促進小麥旗葉光合作用及蒸騰作用，然后提高干物質的積累量，對小麥的產量有提高作用，最終達到經濟高產的目的［15-20］。

相對于單一秸稈還田或者單施氮肥而言，秸稈還田與氮肥配合施用，對作物產量及環境具有顯著的影響。目前，關于秸稈還田或施氮量單一因素下的報道較全面，但對秸稈還田配施氮肥的研究主要集中在土壤肥力和養分吸收利用上，研究結果也因地域不同而存在差異，特別是在豫西旱地生態條件下對秸稈還田配施氮肥的栽培技術研究更為鮮見。本研究在秸稈還田和秸稈不還田的基礎上，通過設置不同氮肥施量處理，探討秸稈還田配施氮肥對旱地冬小麥生育后期旗葉生理生化特性和產量的影響，篩選出適宜豫西旱地小麥生產的栽培方式，從而為本地區小麥栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試冬小麥品種為洛旱22。

1.2 試驗方法

本試驗于2020年10月至2021年6月，在河南科技大學（開元校區）試驗農場（33°35′～35°05′N，111°08′～112°59′E）進行。試驗區地處溫帶，屬于半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，地勢平坦，排水條件良好。試驗地土壤為黃潮土，質地為壤土，播種制度為冬小麥與夏玉米輪作。土壤基礎養分含量為：堿解氮33.86 mg/kg、速效磷6.84 mg/kg、速效鉀223.82 mg/kg、有機質10.72 g/kg，土壤pH值為7.56。

試驗采用裂區設計，主區為玉米秸稈還田處理，分別為秸稈不還田（S0）、秸稈全量還田（S1）；副區為施氮量處理，設置5個施氮水平：0（N0）、120（N1）、180（N2）、240（N3）、300（N4） kg/hm2。其中秸稈還田處理前茬作物是夏玉米，2020年9月收獲后秸稈留在田間，將整株玉米秸稈機械粉碎后全量還田，播種前深翻（30 cm）入土，然后撒施肥料，用旋耕機旋耕后播種小麥；秸稈不還田處理是將玉米秸稈移出田塊，其他耕作措施同秸稈還田處理。各處理磷肥用量均為75 kg/hm2、鉀肥用量均為150 kg/hm2，其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣（以P2O5計），鉀肥為氯化鉀。所有肥料均在小麥播前作底肥施入。統一用播種機播種，播種量均為150 kg/hm2，生長期間管理措施與大田相同。小區面積為12 m2，重復3次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 小麥旗葉生理生化指標 分別于小麥開花后7、14、21、28 d取樣，每次每個小區選取有代表性的旗葉若干，裝入冰壺迅速帶回實驗室，保存于 -40 ℃ 低溫冰箱中，用于測定旗葉各項生理生化指標。

葉綠素含量用丙酮乙醇比色法測定［21］；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定［21］；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250比色法測定［21］；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定［21］；SOD活性采用氮藍四唑（NBT）比色法測定［21］；POD活性采用愈創木酚比色法測定［21］；脯氨酸含量采用磺基水楊酸比色法測定［21］。

1.3.2 產量及其構成因素 在小麥成熟期，各小區選取1 m雙行小麥植株手工收獲后，調查穗數、穗粒數，風干后測定籽粒質量和千粒質量，并折算產量。

1.4 數據分析

利用Excel整理試驗數據，用DPS做方差分析及多重比較，用Origin繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用過程中，將光能向化學能轉換和物質合成所用的關鍵生物體［22］。由圖1可知，隨著小麥開花后生育期的延長，葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素總量均呈不斷降低的趨勢。不同施氮水平間的比較結果顯示，葉綠素a含量在S0條件下，除S0N3外均隨施氮量的增加而上升，在S1條件下，除S1N1外均隨施氮量的增加呈上升的趨勢；與S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的葉綠素a含量分別提高27.9%、38.1%、33.5%、42.7%、25.6%、22.6%、29.8%、40.3%、45.3%，S1N4處理下最高。葉綠素b含量在S0、S1條件下均隨施氮量的增加而呈上升趨勢，S1N4處理下最高。類胡蘿卜素含量和葉綠素總量在S0條件下整體呈隨施氮量的增加而上升的趨勢，S0N3略低于S0N2；在S1條件下，除S1N1處理外整體呈隨施氮量的增加而上升，S1N4處理下最高。與S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的葉綠素b含量分別提高56.1%、82.2%、92.0%、113.8%、52.3%、63.8%、65.6%、119.2%、119.9%；類胡蘿卜素含量分別提高20.7%、26.9%、21.6%、33.2%、19.8%、15.0%、25.5%、26.9%、36.5%；葉綠素總量分別提高33.2%、46.3%、44.4%、56.0%、30.6%、30.3%、36.5%、55.1%、59.2%。通過比較發現，秸稈還田條件下的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素總量整體高于秸稈不還田條件，S1N4處理下的各指標整體上高于其他處理。

2.2 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉可溶性糖含量的影響

由圖2可知，開花后隨生育進程的推進，所有處理可溶性糖含量都呈現先上升后下降的單峰趨勢，在開花后14 d達最高值。在同一時期，不同處理可溶性糖含量不同，不論秸稈是否還田，各個時期整體呈現N4>N3>N2>N1>N0的趨勢。與S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的可溶性糖含量分別提高14.2%、33.6%、26.9%、36.1%、-6.7%、13.0%、19.0%、35.2%、68.2%，S1條件下的可溶性糖含量整體比S0條件下提高2.9%，S1N4處理下的小麥旗葉中可溶性糖含量明顯高于其他處理。結果表明，秸稈還田與氮肥配合施用對可溶性糖積累有利，對籽粒碳水化合物的形成與積累具有明顯的促進作用。

2.3 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉可溶性蛋白含量的影響

由圖3可知，隨著小麥開花后生育期的推進，小麥旗葉可溶性蛋白含量在不同處理中呈現先增加后減少的變化趨勢，都在開花后14 d達到高峰。秸稈不還田處理下，可溶性蛋白含量整體呈現出N3>N4>N1>N2>N0的趨勢；秸稈還田處理下，可溶性蛋白含量整體呈現出N3>N4>N2>N1>N0的趨勢。與S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的可溶性蛋白含量分別提高27.7%、12.7%、52.5%、45.4%、-19.0%、-1.0%、16.0%、39.5%、26.3%，S1較S0條件下小麥旗葉的可溶性蛋白含量各時期平均降低12.0%，S0N3處理下的小麥旗葉可溶性蛋白含量高于其他處理。

2.4 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉脯氨酸含量的影響

由圖4可知，花后隨著生育進程的推進，所有處理小麥旗葉中脯氨酸含量均呈現出先升后降的變化趨勢，花后14 d達最高值。在S0條件下，脯氨酸的含量表現為N3>N2>N4>N0>N1，N3較N2各時期平均提高12.7%；在S1條件下，脯氨酸含量總體表現為N4>N3>N2>N1>N0，N4較N3各時期平均提高3.0%。S1較S0條件下小麥旗葉的脯氨酸含量平均降低39.1%，S0N3處理下小麥旗葉的脯氨酸含量高于其他處理。

2.5 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉SOD活性的影響

由圖5可知，隨著生育期進程的推進，SOD活性呈單峰曲線變化，在開花后14 d達到峰值。在S0處理下， 在各測定時期SOD活性均表現為N3>N4>N2>N1>N0；在S1處理下，SOD活性整體上呈現N3>N2>N4>N1>N0的趨勢。同一施氮水平下，S1較S0條件下小麥旗葉的SOD活性平均提高了96.8%，S1N3處理下小麥旗葉的SOD活性高于其他氮肥處理。

2.6 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉POD活性的影響

由圖6可知，各測定時期POD活性存在明顯差異，隨生育進程的推進，大多數處理呈先下降后上升的趨勢，開花后14 d處于最低值。在S0處理下，各測定時期POD活性整體呈現N2>N3>N4>N0>N1的趨勢；在S1處理下，各處理間的規律不明顯，而N2、N3處理下的POD活性水平明顯較高，且N3處理下的POD活性較N2各時期平均提高9.3%。同一施氮水平下，S1條件下的POD活性較S0各時期平均提高0.3%，且S1N3處理下的POD活性高于其他處理。

2.7 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉MDA含量的影響

由圖7可知，隨著小麥開花后生育期進程的推進，各處理下的MDA含量先緩慢降低后迅速升高，在S0條件下，小麥開花后14 d降到最低值；在S1條件下，開花后21 d降到最低值。在S0條件下，不同施氮水平之間MDA含量呈N1>N0>N2>N4>N3的趨勢；在S1條件下，MDA含量呈N0>N4>N2>N1>N3的趨勢。可能在S0條件下開花后14 d和S1條件下開花后21 d小麥生長旺盛，灌漿速度加快，是抗衰老能力較強的一種表現。S1條件下的MDA含量較S0各時期平均降低了1.02%；相比于S1N0，S1N1～S1N4處理下的MDA含量分別平均降低11.5%、-0.14%、8.4%、-17.3%。說明S1條件下的小麥旗葉MDA含量低于S0條件，但在秸稈還田與氮肥的交互影響下表現不穩定。

2.8 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥產量及其構成因素的影響

小麥的穗數、穗粒數、千粒質量是產量評價的重要指標，由表1可知，秸稈還田可以有效地促進穗數、穗粒數及千粒質量的增加，從而達到增產效果，不同氮肥處理在產量及其構成因子上亦有差異。隨著施氮量的增加，小麥產量有提高的趨勢。S1時小麥的平均產量比S0時增加8.4%。在S0條件下，與N0相比，N1～N4處理的小麥平均產量分別提高9.5%、22.4%、28.8%、23.5%，而N4處理卻比N3處理降低4.1%；在S1條件下，與N0相比，N1～N4處理的小麥平均產量分別提高14.2%、23.2%、26.9%、22.8%，而N4處理卻較N3處理減少3.2%。不論在S0條件下還是在S1條件下，施氮量超過N3時，增施氮肥帶來的增產效應并不顯著，甚至有減產的趨勢。在產量構成要素方面，氮肥處理對穗數、穗粒數及千粒質量有顯著影響。施氮量為0～240 kg/hm2時，隨著施氮量的增加，穗數、穗粒數和千粒質量都有所增加，S1N3處理的穗數顯著高于其他處理，N4處理下的穗數較N3處理低。

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉光合生理的影響

光合作用在植物中是一個重要的代謝過程，對作物生長及產量形成有明顯影響，但葉綠素卻是植物進行光合作用最重要的色素。葉綠素含量在評價植物對環境的適應能力及生長狀況時，也常常被當作一個重要指標。氮肥調節小麥旗葉葉綠素含量，可以促進旗葉光合作用和蒸騰作用，進而促進小麥產量的提高［23］。本研究結果顯示，秸稈還田更有利于提高旱地小麥旗葉干物質的合成，這與前人的研究結果［24］一致。在秸稈還田條件下配施 300 kg/hm2 氮肥時，小麥旗葉的葉綠素含量平均值最高，能高效促進物質的合成和轉化。

3.2 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉保護性酶的影響

抗性指標易受外界環境的影響。本研究中，秸稈還田后旱地小麥開花后旗葉SOD、POD活性均比秸稈不還田有所提高；通過各個施肥處理間比較，秸稈還田配施240 kg/hm2氮肥的施肥方式對提高小麥旗葉保護性酶SOD、POD活性的效果最佳。究其原因可能是秸稈還田后改善了土壤的生態環境，微生物活性提高，在此基礎上增加適量氮肥，調節碳氮比，有助于秸稈分解［9］。隨著小麥開花后生育期的延長，SOD活性先升后降，從開花后14 d起開始下降，在籽粒干物質積累的高峰期，葉片對活性氧的清除功能有所下降，這與王賀正等的研究結果［1，3，9，22，25］一致。POD活性先下降后上升，從開花后14 d開始上升，這與前人的研究結果［1，3，9，25］不一致。可能是秸稈還田與施氮量的交互作用之后，關系到POD功能的多樣性，在保護酶系統中既是成員之一，也可以去除H2O2，同時還參與葉綠素降解，生成活性氧并啟動膜脂過氧化，表現為傷害效應，還可能是取樣時的氣候、環境及其他因素不同導致的［26］。除了S1N3比其他處理的SOD、POD活性有明顯的優勢外，其他配施方式之間沒有明顯的規律性，其原因可能是秸稈還田時間較短，但這一結論還需進一步驗證。

3.3 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥旗葉衰老生理的影響

秸稈還田能降低小麥生育后期MDA含量，前人研究表明，MDA含量均隨著冬小麥生育進程的推進逐漸增加［1，3，9，14］。本試驗結果顯示，隨著小麥開花后生育期的推進，各處理下的MDA含量先緩慢降低后迅速升高，在秸稈不還田條件下，開花后14 d開始上升；在秸稈還田條件下，開花后 21 d 開始上升，這說明秸稈還田能夠有效延緩小麥旗葉的衰老。可能是由于秸稈還田配施氮肥使植株的生理活動得到良好的土壤生態環境，并且對營養物質進行重組，提高植株對外界環境變化的應對能力，提高植株保護酶活性，由此緩解外界環境對植株造成的滲透脅迫，有利于加強植株對養分的吸收和利用［27］。本試驗結果表明，秸稈還田配施氮肥較單施氮肥更能夠有效降低小麥旗葉MDA含量，其中施氮水平為N3時最低，而高于這個水平的施氮量則有使小麥旗葉MDA含量大幅度升高的趨勢。

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸可以減輕干旱及其他逆境對細胞膜系統造成的損傷，其不但是植物細胞中一種重要的滲透調節物質，同時也參與植物的生長發育過程，常常被當作植物葉片衰老的重要標志。可溶性糖不僅是作物對環境適應的信號物質，而且在逆境中還是作物滲透調節的主要物質［28］。譚娟等的研究表明，秸稈還田可顯著增加小麥葉片中可溶性糖、脯氨酸及可溶性蛋白含量［29］。王賀正等的研究表明，在一定范圍內增施氮肥，能顯著提高小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白質和脯氨酸含量［3，30］。

本試驗表明，不同氮素水平之間，小麥旗葉可溶性糖含量隨施氮量增加而增加，秸稈還田配施氮肥較單施氮肥更能顯著提高小麥旗葉可溶性糖含量，且在秸稈還田條件下施氮量為300 kg/hm2時最高，這與前人的研究結果［3，11，29-30］一致。葉片內可溶性蛋白作為光合作用的關鍵酶，對光合作用有間接影響，其含量和氮素含量之間存在著一定的聯系，可溶性蛋白含量的增加有利于代謝產物的生成并最終提高產量［12］。有研究證明，蛋白降解是葉片衰老最基本的特征，而蛋白損失則是葉片衰老過程中最早期的一種體現［31］。本試驗結果表明，小麥旗葉可溶性蛋白含量在一定范圍內隨著氮肥用量的增加而增加，即在施氮量為240 kg/hm2處理下的含量最高，而秸稈不還田條件下施氮量比秸稈還田條件下稍高。這可能是因為在秸稈還田條件下的氮素直接影響蛋白的合成［28］。不同氮素水平之間，無論秸稈是否還田，小麥旗葉中的脯氨酸含量隨施氮量的增加而增加，但超過一定范圍，則表現不穩定，即 240 kg/hm2 處理下的脯氨酸含量較高；而秸稈不還田較秸稈還田條件下的含量高，即秸稈不還田、施氮240 kg/hm2處理下的脯氨酸含量最高，這一結果與前人的研究結果［3，11，29-30］一致。

3.4 秸稈還田配施氮肥對旱地小麥產量及其構成因素的影響

Takahashi等認為，秸稈還田配施適量氮肥，可以解決土壤微生物和作物爭奪土壤中氮源的問題，這一特點有利于獲得更高的經濟產量［32-33］。劉義國等研究認為，秸稈還田配施氮肥提高了小麥葉綠素含量，對旗葉的光合作用及蒸騰作用有積極作用，繼而促進了物質的合成、轉化和累積［34］。本試驗結果表明，秸稈還田和施氮量對小麥產量具有明顯的交互效應，無論秸稈是否還田，在一定范圍內施用氮肥均能提高小麥產量，且秸稈還田配施合理用量的氮肥的增產效果更加明顯，這與前人的研究結果［35-37］一致。240 kg/hm2的施氮水平是秸稈還田處理和不還田處理下，穗數、每穗粒數、千粒質量及產量最高的氮肥用量，且秸稈還田較不還田小麥增產6.3%。最終篩選出秸稈還田配施240 kg/hm2氮肥能最大程度上實現增產。

4 結論

本試驗結果表明，秸稈還田配施適量氮肥對小麥產量和生理生化特性有交互效應，能提高小麥旗葉開花后的葉綠素、可溶性糖含量及SOD、POD活性，但并沒有提高MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量。同時，秸稈還田配施適量氮肥可提高穗數、穗粒數及千粒質量，繼而實現小麥增產。秸稈全量還田配施240 kg/hm2氮肥是當地生態條件下適宜旱地玉米秸稈還田后小麥生產的最優氮肥水平。

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