不同耕作方式下玉米秸稈還田對小麥生長及生理特性的影響

張東旭 閆海麗 李巖華 張俊靈 閆金龍 馮麗云 鄔志遠 胡丹珠

（1.山西農業大學谷子研究所 山西長治 046011；2.黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心 山西太谷 030800）

小麥是我國主要糧食作物之一， 其產量豐欠關系到國家糧食安全和社會穩定[1-2]。 山西小麥種植歷史悠久， 豐富的面食文化使其消費量遠大于其他糧食作物，占糧食消費總量的50%以上，但由于生態條件和種植結構的調整等因素， 現階段山西小麥常年播種面積保持在800 萬畝左右， 僅占全省糧食作物播種面積的17.5%，總產量遠不能滿足需求，供需矛盾仍很突出。 近年來，為穩定小麥播種面積，各地積極推廣復種、套種技術，其中玉米—冬小麥—大豆兩年三熟是山西中部麥區的主要種植方式之一。 玉米收獲后秸稈粉碎還田本是增施有機肥的一種重要途徑[3]，但由于設備、成本等問題，生產中耕作方式不合理導致秸稈回收利用效率低[4]，使秸稈沒有產生應有的價值，反而成為困擾農民生產的難題[5]。 因此，在該地區探索合理有效的耕作措施， 合理利用秸稈還田提高土壤質量與肥力，增加后茬小麥產量，對保障糧食安全具有重要意義。

合理的耕作方式和秸稈還田是農業生產中重要的技術措施， 也是確保農業長期可持續發展的有效措施和途徑之一[6]。 耕作方式包括多種模式，其中包括深翻、深松、深松淺翻、旋耕、免耕、重耙及傳統翻耕等， 不同的耕作方式對土壤產生的擾動作用存在差異，對土壤的養分含量影響也不同[7]。 在山西中部麥區，上茬玉米收獲后長期采用傳統的旋耕壟作，致使玉米秸稈入土過淺，不利于秸稈的分解和腐熟，且影響后薦小麥根系下扎和麥苗生長， 養分和水分吸收受阻， 嚴重限制后茬小麥生長及產量的增加。 因此， 本試驗針對山西中部麥區特定的土壤及氣候條件， 開展不同耕作方式下玉米秸稈還田對后茬小麥生長及光合特性的研究， 以期為該地區玉米—小麥種植篩選出適宜的耕作方式、 增加作物產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2020-2021 年， 在長治市黎城縣東社村小麥試驗基地進行， 試驗地點位于36°49′N、113°28′E，海拔770 m。 試驗地土壤類型為壤土，小麥播種前土壤0~20 cm 耕層含有機質28.3 g/kg、 速效氮108 mg/kg、速效磷16 mg/kg、速效鉀203 mg/kg。本年度小麥播種前的7 月、8 月降雨較多，底墑充足，小麥生長季總降雨量為218.9 mm， 略低于歷年平均降雨量（238 mm）。 具體見圖1。

圖1 2020-2021 年度試驗地降雨量

1.2 試驗設計

供試玉米品種為長6794，由本課題組提供，前茬玉米品種為太育9 號。玉米收獲時配帶秸稈粉碎裝置，收獲后玉米秸稈均勻平鋪于地表， 田間管理同當地大田。 各處理小麥全生育期總施肥量相同，播前一次性施入復合肥（N∶P2O5∶K2O 為20∶15∶10）1 200 kg/hm2。

試驗共設4 個處理， 分別為深耕+旋耕+耙耢（T1）、深 耕+旋 耕（T2）、旋 耕2 次（T3）、旋 耕1 次（T4）。 深耕耕深25 cm，旋耕耕深15 cm，耙耢采用傳統耙耢農具牲畜牽引完成。 試驗田于2021 年10 月10 日播種，隨機區組排列，3 次重復，小區面積50 m2（4 m×50 m），行距20 cm，播種量為187.5 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量與表型性狀 每小區標記代表性樣點2 個，在苗期、分蘗期和成熟前期調查基本苗、最高總莖數、成穗數，收獲前每小區在樣點內取樣20 株調查株高、穗長、穗粒數、千粒重，小區全區收割，曬干后測其產量。

1.3.2 光合速率測定 采用CIRAS-2 光合速率儀（PP SYSTEMS，美國）于晴天上午9:00-11:00 測定旗葉的光合速率（Pn），每處理測定3 株，取其平均值進行統計分析。

1.3.3 旗葉葉綠素含量測定 使用便攜式植物營養測定儀于晴天上午9:00-11:00 測定參試品種旗葉（從葉尖起1/3 部位）葉綠素含量，每處理測定5 株，取其平均值進行統計分析。

1.3.4 植被指數（NDVI）測定 使用便攜式植物光譜儀 （Green Seeker，USA）， 分別在灌漿前期 （5 月10 日）、灌漿中期（5 月25 日）、灌漿后期（6 月10 日）晴天的中午前后測定植被指數，風力不超過5 級。 測量前對準標參考板進行定標校準， 然后對著目標地物測量，每個處理測2 次取均值。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件和SPSS Statistics 19. 0 對試驗數據進行處理和分析，采用Duncan 法對不同處理的數據進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小麥生長發育及產量的影響

由表1 可知，不同處理對小麥的基本苗、最高莖數、成穗數均有顯著的影響，但成穗率之間差異不顯著。 基本苗不同處理間表現為T1＞T2＞T3＞T4，最高莖數和成穗數均表現為T1＞T2≥T3＞T4。 其中T1 處理的基本苗、最高莖數、成穗數均最高，且顯著高于T2、T3、T4 處理。T2、T3 處理的基本苗、最高莖數、成穗數也顯著高于T4 處理， 基本苗T2、T3 處理間差異顯著， 但最高莖數和成穗數之間差異不顯著。 說明T1處理能夠保障小麥出苗，增加群體數量，為小麥高產奠定基礎。 而T4 會顯著影響小麥出苗，降低群體數量起點，雖后期經群體調節成穗率差異不顯著，但群體數量顯著低于其他處理。

表1 不同耕作方式對小麥產量及其構成要素的影響

不同處理對小麥株高影響不顯著， 但顯著影響小麥的穗粒數、千粒重和產量。 T1 處理的穗粒數、千粒重和產量均最高， 其中穗粒數和千粒重均顯著高于T3、T4 處理，產量顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理的穗粒數和千粒重顯著高于T4 處理，產量顯著高于T3、T4 處理；T3 處理的穗粒數和千粒重與T4 處理無顯著差異，但產量顯著高于T4 處理。 說明不同耕作方式會顯著影響小麥穗部及籽粒性狀，T1 和T2 處理均能夠促進小麥穗部發育，增加穗粒數和千粒重，而T3、T4 處理則會影響小麥的穗部和籽粒發育。 綜上可知，T1 處理能夠顯著促進小麥群體與個體發育，從而使小麥產量在各處理中最高； 其次產量較高的分別為T2 和T3 處理，而T4 處理則因顯著影響小麥的群體和個體發育，產量最低。

2.2 不同處理對小麥旗葉凈光合速率（Pn）的影響

由圖2 可知， 不同處理對小麥開花后的Pn有顯著的影響。 除花后0 d 各處理間差異不顯著外，花后7~35 d 各處理間的Pn均有顯著差異。 其中，T1 處理花后7~35 d 的Pn均最高， 且顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后21~35 d 的Pn均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后21~35 d的Pn均顯著低于T2 處理， 花后28~35 d 的Pn顯著高于T4 處理；T4 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后14~35 d 的Pn均顯著低于T2 處理，花后28~35 d 的Pn顯著低于T3 處理。 由此可見，T1 處理能夠使小麥在灌漿期間保持較高的光合能力，促進籽粒灌漿， 其次分別為T2、T3 處理，T4 處理最差，尤其在灌漿后期的凈光合速率顯著低于其他處理。

圖2 不同耕作方式小麥開花后不同時期的旗葉凈光合速率

2.3 不同處理對小麥葉綠素相對含量 （SPAD）的影響

由圖3 可知， 不同處理對花后0~14 d 的SPAD無顯著影響，花后21~35 d 各處理間的SPAD 差異顯著。 其中，T1 處理花后21~35 d 的SPAD 最高，但僅在花后28 d 顯著高于T2 處理， 其余時期與T2 處理間無顯著差異；T1、T2 處理在花后21~35 d 的SPAD均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理在花后21~35 d 的SPAD 均顯著高于T4 處理。 由此可見，T1、T2 處理能夠使小麥在灌漿后期保持較高的葉綠素含量， 減緩葉片衰老， 有利于光合作用，T3、T4 處理則在灌漿后期葉綠素含量下降較快，葉片快速衰老，不利于后期籽粒灌漿，其中T4 處理的效果最差。

圖3 不同耕作方式小麥開花后不同時期的旗葉葉綠素含量

2.4 不同處理對小麥植被指數（NDVI）的影響

由圖4 可知， 不同處理對花后0~35 d 的NDVI有顯著的影響。 T1 處理花后0~35 d 的NDVI 均最高， 除花后35 d 的NDVI 與T2 處理間無顯著差異，其他時期的NDVI 均顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理花后0~28 d 的NDVI 均顯著低于T1 處理，除花后0~7 d 的NDVI 與T3 處理間無顯著差異外， 其他時期的NDVI 均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理花后0~35 d 的NDVI 均顯著低于T1 處理， 花后14~35 d 的NDVI 顯著低于T2 處理， 花后0~35 d 的NDVI 顯著高于T4 處理；T4 處理在花后0~35 d 的NDVI 均最低，且均顯著低于T1、T2、T3 處理。 由此可見，T1 處理能夠顯著增強小麥灌漿期葉片持綠水平和植株的繁茂性，提高光合效率，促進小麥灌漿，T2 處理次之，T3 處理在灌漿前期NDVI 保持較高水平，但在灌漿中后期NDVI 下降較快，顯著低于T1、T2 處理，T4 處理的效果最差，從小麥灌漿開始到成熟NDVI 均較低。

圖4 不同耕作方式小麥開花后不同時期的植被指數

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 不同耕作方式下玉米秸稈還田對小麥生長及產量的影響 玉米秸稈還田后， 經過土壤微生物分解作用， 釋放的營養物質影響土壤理化性質和小麥產量[8-9]。 但在具體應用過程中由于耕作方式不當，土壤耕層淺，對秸稈的承受力不足，導致后茬小麥出苗率較低、長勢較差，甚至減產[10]。 前人研究發現，耕作方式對小麥產量的影響因區域的生態條件、 秸稈還田的種類和耕作處理的時長等不同得到的結論不一致[11]。本研究發現，在山西中部麥區，前茬玉米收獲后不同耕作方式對后茬小麥的影響較為顯著， 其中深耕+旋耕+耙耢耕作方式下后茬小麥的產量最高，其次為深耕+旋耕的耕作方式，僅進行旋耕作業的小麥產量較差，但旋耕2 次產量顯著優于旋耕1 次。 原因是深耕可以將秸稈翻入土壤深處， 降低因土壤淺層秸稈造成的物理阻礙而導致出苗不好， 同時深耕還改善了土壤結構[12]，促進土壤營養元素的礦化，進而提高了作物對營養元素的吸收能力[13-14]。 旋耕雖可以起到使田土充分細碎、地面平坦、土肥摻和均勻的作用，但僅旋耕作業玉米秸稈入土過淺，不僅影響播種質量，而且不利于秸稈分解和腐熟，不利于后茬小麥根系生長和植株發育，造成產量過低。 深耕和旋耕后進行耙耢可進一步打碎土塊， 使表土疏松、 上松下實、耕層更為緊密，種子緊密接觸土壤，保證出苗整齊健壯，同時還能起到減少蒸發、抗旱保墑的作用。由此可見，在山西中部麥區，玉米秸稈還田深耕是必要措施，深耕能夠將粉碎的玉米秸稈埋入土層深處，既能使秸稈充分分解腐熟， 也能減少因秸稈入土過淺對后茬作物生長帶來的危害， 真正達到還田肥田的目的。 不具備深耕條件僅能旋耕作業的地方，旋耕作業至少需2 次。 有條件的地方還應在深耕和旋耕后進行精細耙耢，減少因土層過虛造成的播種過深、出苗不好，吊根宜凍等問題。

3.1.2 不同耕作方式下玉米秸稈還田對小麥生理特性的影響 光合作用是作物物質生產的基礎，小麥產量的90%~95%來自光合作用過程中形成的光合物質，且籽粒產量的20%~30%來自旗葉光合作用[15-16]，小麥灌漿期光合作用強弱是決定小麥產量的重要因素，旗葉是小麥灌漿期最主要的光合器官，其凈光合速率反映了光合能力， 是作物生長發育及產量形成的生理基礎[17]。葉綠素是高等植物進行光合作用合成有機物的主要物質， 其含量的高低可以很大程度上反映植物的物質轉化能力， 通常可以通過測定葉綠素含量來表征植物生長狀況[18-19]。 張向前[20]等的研究發現，不同耕作方式下秸稈還田技術，特別是深松秸稈還田和免耕秸稈還田可減緩光合午休現象， 使冬小麥維持較高的光合速率， 有利于干物質積累和產量的提高。趙亞麗[21]等的研究發現，深松(耕)與秸稈還田可以提高作物葉片相對含水量、凈光合速率、蒸騰速率和莖稈傷流量， 促進植株干物質積累。 本研究中，前茬玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢和深耕+旋耕的耕作方式， 后茬小麥灌漿期的旗葉葉綠素含量和凈光合速率均處于較高水平， 尤其在灌漿后期顯著高于僅使用旋耕作業的耕作方式， 這與上述結果基本一致，說明深耕能夠有效延緩葉片衰老，延長光合作用時間，增加光合持續能力，防止早衰，促進籽粒灌漿。

植被指數（NDVI）能夠反應作物生長的繁茂性與持綠性，國內外許多研究表明，植被指數與作物產量具有很高的相關性[22-25]。 本研究中，前茬玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢的耕作方式能夠顯著增強小麥灌漿期的NDVI，提高光合效率，促進小麥灌漿，進而增加產量。 采用深耕+旋耕的耕作方式小麥灌漿期的NDVI 也保持較高水平。 使用旋耕2 次的耕作方式小麥在灌漿前期NDVI 保持較高水平，但在灌漿中后期NDVI 下降較快。 旋耕1 次的耕作方式對后茬小麥的NDVI 影響最大，不但群體較少，覆蓋率低，且后期葉片衰老過快，持綠性降低，不利于光合作用，影響小麥籽粒灌漿。

3.2 結論

不同耕作方式下玉米秸稈還田對后茬小麥的生長、產量及光合特性等均有顯著的影響。 在山西中部麥區，玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢的耕作方式，能夠保障后茬小麥出苗整齊，增加小麥群體數量，并顯著提高小麥灌漿期的光合能力，延緩葉片衰老，促進穗部發育和籽粒灌漿，增加穗粒數和千粒重，進而獲得高產。