耕作方式導致的土壤肥力差異影響玉米籽粒營養物質積累

關鍵詞： 土壤肥力；玉米；產量；籽粒營養品質

玉米是我國重要的糧食、飼料及能源作物，玉米籽粒中含有豐富的淀粉、蛋白質、脂肪、水溶性多糖、維生素和礦物質等營養物質[1]。其中淀粉作為一種環境友好、成本低廉的可生物降解的天然多糖材料，約占整個胚乳的65%～70%[2]。蛋白質是生物體的組成成分，參與能量代謝，生理成熟期的玉米籽粒中貯藏蛋白約占粒重的10%[3]。玉米籽粒中粗脂肪含量約為4%～6%，可用作食用油的加工原料[4]。因此，玉米籽粒的營養品質提升不僅能夠提高玉米在食品、飼料以及加工業中的綜合利用價值，而且對保障國家糧食安全和提高居民生活質量具有重要意義[5]。玉米的產量和籽粒營養品質是在光合產物積累和分配的同一過程中形成的，因此一些能夠顯著調控玉米產量的栽培管理措施大多也能夠顯著影響玉米的籽粒營養品質[6?8]。例如，施氮量的適量增加能在提高玉米產量的同時顯著增加玉米籽粒粗蛋白含量[9]。

土壤物理、化學性質及生物學特性決定著耕層質量[10?11]。土壤肥力指數綜合了土壤的物理、化學和生物學性質，可以反映土壤的整體功能，因此常用來評價不同條件下的土壤質量[12]。灌漿期是玉米粒重、產量形成的實質性階段，高肥力的農田能夠通過持續礦化出更多的氮素來提高土壤的供氮能力，有效保證玉米生長后期的養分需求[13?14]。因此，提高土壤肥力可在穩定作物產量和提高肥料利用效率的基礎上，減少化學肥料的施用[15?16]。耕作方式是影響土壤質量變化及耕地可持續利用的重要外在因素，合理的耕作方式不僅可改善土壤結構和理化特性，還可有效促進農田生態系統的良性循環及資源的高效利用[17]。前人開展的相關理論及技術研究也已證實，合理的耕作和秸稈還田措施可有效提升土壤肥力[18?20]。然而，在內蒙古地區的玉米生產系統中，高集約化農業生產導致耕地質量下降和土壤退化。長期沿用小型農機具為主的連年旋耕（入土深度15cm）耕作方式，使得耕作層變淺（16.5cm），養分利用率降低[21?22]。施用化肥在一定程度上彌補了因土壤肥力下降導致的產量損失，但是過度施肥也導致了嚴重的土壤環境問題[23?25]。土壤板結、鹽漬化等不斷凸顯的各種問題嚴重影響著玉米產量[26]，玉米籽粒營養品質也隨之失去保證，低土壤肥力已逐漸成為該地區春玉米高產優質栽培的主要限制因素。

目前關于栽培措施對玉米籽粒營養品質作用的研究主要集中在生理成熟期，針對土壤肥力如何影響玉米產量和灌漿期的籽粒營養品質組分的研究相對缺乏，限制了玉米的高產和品質提升。為此，本研究利用課題組前期構建的不同土壤肥力的田塊，探索玉米產量和籽粒灌漿過程中的營養品質組分對不同土壤肥力的響應，闡明土壤肥力對玉米生理成熟期籽粒營養品質和產量的調控機制，旨在為春玉米的高產高效及綠色栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2020—2021年，在中國敕勒川現代農業博覽園（內蒙古農業大學玉米中心） 試驗基地（40°35′45.63″N，110°34′44.76″E） 開展試驗。前茬作物為玉米，土質為沙壤土。試驗期間主要氣象因子如圖1。

1.2 試驗設計

試驗在課題組始于2018年的耕作方式定位試驗基礎上進行，定位試驗共設置淺旋、免耕、免耕秸稈粉碎全量覆蓋還田、推茬清壟條深旋、推茬清壟條深旋秸稈還田、深松、深松秸稈粉碎全量混拌還田、深翻和深翻秸稈粉碎全量還田9個處理，每個處理3 次重復，每個小區長40 m、寬6 m，小區面積為240 m²，玉米等行距種植，行間距為0.6 m，供試品種為‘先玉696’，種植密度為8.25 萬株/hm²。各小區每年施N 225 kg/hm²、P₂O₅ 210 kg/hm²、K₂O202.5 kg/hm²，供試肥料為磷酸二銨（N 18%；P₂O₅46%） 和硫酸鉀（K2O 51%）、尿素（N 46%），磷酸二銨和硫酸鉀全部作基肥一次性施入，尿素溶于施肥罐，結合滴灌分別于拔節期、大喇叭口期、灌漿期按3∶6∶1比例隨水追肥。生育期內共灌水4次，分別為拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期，每次灌水量均為750 m³/hm²。2020?04?25 播種，2020?10?09 收獲；2021?04?23 播種，2021?10?12收獲。其他管理同一般大田。具體耕作方法見表1。經過3、4年的耕作，播種前各處理耕層土壤（0—30cm）速效氮磷鉀、有機質含量以及土壤肥力綜合指數見表2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 籽粒營養品質 于花后20、40、60天（生理成熟期），選擇符合種植密度的代表性果穗中部發育正常的籽粒，于烘箱105℃ 殺青后，60℃ 烘干至恒重。烘干后的籽粒干樣粉碎后用作籽粒營養品質的測定，采用半微量凱氏定氮法測定籽粒全氮含量（粗蛋白含量=籽粒全氮含量×6.25），索氏提取法–殘余法測定粗脂肪含量，蒽酮–硫酸比色法測定總淀粉及可溶性糖含量。

1.3.2 產量及其構成因素 每小區選擇長勢均勻的玉米6m²，收獲后測產，并統計測產區內有效穗數。人工脫粒后測定鮮粒重和含水率，折算成含水量為14% 的籽粒產量，隨后每小區留20穗風干后考種，測定穗粒數和百粒重（含水量14%）。

1.4 數據處理與結果分析

采用Microsoft Excel 2019進行數據收集整理，利用IBM SPSS 25.0 和SAS 9.4 統計軟件對數據進行方差、相關性和主成分分析。處理間顯著性分析采用單因素方差分析（Duncan’s test，α=0.05）。使用Sigmaplot 12.5 和 Origin 2021進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式土壤肥力聚類分析

經過連續3～4年的不同耕作處理后，將2020和2021 年不同耕作方式下的土壤肥力指數（表2） 進行聚類分析，在類間距離為10處將9個耕作處理的土壤肥力分為低、中、高3 類（圖2）。2020年，高土壤肥力水平下的耕作方式分別為SSR和DPR，中土壤肥力水平下的耕作方式分別為S S、DP、NTR和SCR，低土壤肥力水平下的耕作方式分別為NT、SC 和CK。2021年，高土壤肥力水平（Hig）下的耕作方式分別為SSR 和DPR，中土壤肥力水平（Mid） 下的耕作方式分別為SS、DP、NTR、SCR、NT 和SC，低土壤肥力水平下的耕作方式僅為CK。

根據聚類分析的結果，以下分析均利用高、中、低3個肥力水平進行比較。

2.2 土壤肥力對不同時期玉米籽粒粗蛋白含量的影響

對不同階段下籽粒粗蛋白含量差異分析發現（圖3），花后20天內，玉米籽粒粗蛋白含量迅速增加，花后20～60天內，又開始逐漸降低，于生理成熟期（花后60天） 達到最低。生理成熟期，不同肥力水平間的籽粒粗蛋白含量無顯著性差異， 同時花后20～40天內籽粒粗蛋白含量的降幅在土壤肥力水平間的差異不顯著。與低肥力水平相比，高肥力水平下花后20天的籽粒粗蛋白含量顯著高1.72% （2020年） 和2.51% （2020年）。花后40～60天內，各肥力水平間的籽粒粗蛋白含量的降幅差異顯著，相較于低肥力水平，中、高肥力水平籽粒粗蛋白含量降幅分別顯著高18.60%、29.85% （2020年） 和21.00%、34.64% （2021 年）。

2.3 土壤肥力對不同時期玉米籽粒總淀粉含量的影響

對不同階段下籽粒總淀粉含量變幅分析發現（圖4），花后0～60天內，玉米籽粒總淀粉含量逐漸增加，于生理成熟期（花后60天） 達到最大。與低肥力水平相比，中、高肥力水平下的花后20天的籽粒總淀粉含量分別增加3.70%、5.98% （2020 年） 和6.03%、8.95% （2021年）。花后20～40天及40～60天，各肥力水平間的籽粒總淀粉含量的增量無顯著性差異。生理成熟期，相較于低肥力水平，高肥力水平下的籽粒總淀粉含量分別顯著高1.44% （2020年） 和2.43% （2021年）；中肥力水平兩年表現不一致，其中2020年無顯著性差異，2021年差異達顯著水平。

2.4 土壤肥力對不同時期玉米籽粒粗脂肪含量的影響

對不同階段下籽粒粗脂肪含量變幅分析發現（圖5），花后0～60天內，玉米籽粒粗脂肪含量逐漸增加，于生理成熟期（花后60天） 達到最大。與低肥力水平相比，中、高肥力水平下花后20天的籽粒粗脂肪含量分別顯著增加5.26%、8.79% （2020年） 和10.49%、20.70% （2021 年）。花后20～40天，各肥力水平間的籽粒粗脂肪含量的增量兩年表現不一致，2020年有顯著差異，2021年則無顯著性差異。同樣，對比低肥力水平，中、高肥力水平下花后40～60天籽粒粗脂肪含量的增量分別顯著低27.12%、54.01% （2020年） 和30.10%、28.07% （2021年）。生理成熟期，相較于低肥力水平，高肥力水平下的籽粒粗脂肪含量分別顯著高3.81% （2020年） 和4.10%（2021 年）；中肥力水平兩年表現不一致，其中2020年差異達顯著水平，2021年無顯著差異。

2.5 土壤肥力對不同時期玉米籽粒可溶性總糖含量的影響

對不同階段下玉米籽粒可溶性總糖含量變幅分析發現（圖6），花后0～20天內，玉米籽粒可溶性總糖含量迅速增加，花后20～60天，又開始逐漸降低，于生理成熟期（花后60 天） 達到最低。相較于低肥力水平，中、高肥力水平下的花后20 天籽粒可溶性總糖含量分別提高3.58%、5.47% （2020年） 和5.47%、8.94% （2021年）；花后20～40天，中、高肥力水平下的籽粒可溶性總糖含量的降幅也分別顯著增加9.68%、14.63% （2020年） 和15.63%、25.34%（2021 年）。花后40～60天內，各肥力水平間的籽粒可溶性總糖含量的降幅兩年表現不一致，2020年無顯著差異，2021年中、高肥力水平的籽粒可溶性總糖含量的降幅則顯著低于低肥力水平。生理成熟期，與低肥力水平相比，中、高肥力水平下的籽粒可溶性總糖含量顯著降低10.13%、12.48% （2020年）和10.65%、18.55% （2021年）。

2.6 土壤肥力對玉米產量、百粒重的影響

由圖7可知，土壤肥力的提高可以顯著增加玉米產量和百粒重。對比低肥力水平，中、高肥力水平下的玉米產量分別顯著高3.36%、6.55% （2020年） 和4.27%、9.39% （2021年）。同樣，高肥力水平下的玉米百粒重較低肥力水平高2.97% （2020年） 和1.87% （2021年）；中肥力水平兩年表現不一致，2020年無顯著性差異，2021年則顯著增加。

2.7 產量、百粒重與生理成熟期籽粒營養品質組分的關系

相關性分析結果（圖8）表明，生理成熟期，籽粒粗脂肪含量與百粒重、產量呈顯著正相關關系，而籽粒可溶性總糖含量與百粒重、產量呈顯著負相關關系。與此同時，不同肥力水平下，生理成熟期的籽粒粗蛋白和總淀粉含量與玉米百粒重和產量的相關性也有差異。在中、高肥力水平下，生理成熟期的籽粒總淀粉含量與產量有顯著正相關關系，在低肥力水平時，兩項指標則沒有顯著相關關系。而且，在中肥力水平時，生理成熟期的籽粒粗蛋白含量與百粒重和產量也均呈顯著負相關關系。

2.8 不同生長階段下各項籽粒營養品質組分間的相互關系

利用花后不同生長階段下的籽粒營養品質組分進行主成分分析（圖9）。結果表明，主成分1和主成分2 的累積貢獻率在低、中、高3個肥力水平條件下，分別為69.2、69.5和78.3。生理成熟期的籽粒粗脂肪含量在不同肥力水平條件下均在主成分1方向上有較大貢獻。在花后20～40天，籽粒粗蛋白含量的降幅以及籽粒粗脂肪含量的增量與生理成熟期的籽粒粗脂肪含量有正相關關系。與此同時，在中、高肥力水平條件下，花后20天的籽粒總淀粉含量與生理成熟期的籽粒粗脂肪和總淀粉含量也均有正相關關系。

3 討論

3.1 耕作方式對土壤肥力的影響

傳統耕作通常采用旋耕翻動土壤，促進土壤通氣和改善土壤結構。然而，頻繁的旋耕會破壞土壤中的微生物群落和有機質，導致土壤肥力下降。同時，旋耕還會加速土壤侵蝕和水土流失，降低土壤肥力[28]。保護性耕作是一種有效提高土壤肥力的措施。在不破壞土壤表層結構的基礎上，保持土壤濕度和溫度，促進土壤有機質的積累，有效保障土壤肥力水平[29]。保護性耕作還可以促進土壤微生物的生長和繁殖，在維持土壤生態系統穩定的同時，保證土壤肥力的穩定性[30]。秸稈還田也是提高土壤肥力的有效措施。秸稈還田不僅改善土壤的物理性質，還能顯著促進土壤有機質含量的積累，提高土壤的肥力和養分供應能力[31]。此外，秸稈還田還有助于促進土壤中有益微生物的繁殖，提高土壤的生物多樣性。在減少土壤中化學殘留物積累的同時，也可以降低農田對化學肥料的依賴，進而促進土壤生態系統的健康發展[32]。在我們的研究中，與淺旋相比，其余耕作方式均可以提高土壤肥力指數。同時，還注意到，在進行秸稈還田時應選擇合適的還田方法，如在2020 年，條深旋耕作模式下，秸稈還田后的土壤肥力指數僅增加了0.1390；而深翻耕作模式下，秸稈還田后的土壤肥力指數則增加了0.2326。總的來說，耕作方式對土壤肥力有顯著影響。根據土壤環境和作物生長的需求，選擇合適的耕作方式可以保護土壤生態系統、增強土壤肥力和可持續利用能力，實現農業可持續性發展。

3.2玉米產量對土壤肥力的響應

鑒于當前玉米集約化種植現狀，大量化肥的投入雖然提高了玉米產量，但也導致了氮肥的損失，合理的土壤肥力管理對減少氮損失和保障糧食安全至關重要[33]。我們的研究表明，通過合理耕作提高土壤肥力，對玉米產量有著顯著的增加作用，這與Adolwa等[34]研究結果一致。作物產量可有效反映土壤肥力的高低，因此一些作用于土壤肥力的措施往往也會調控作物產量。比如有機物料的添加，能提高土壤有機質含量，改善土壤速效養分，顯著提高玉米產量7.65%～17.03%[35]。秸稈還田配施氮肥也影響秸稈的腐解和養分元素的釋放過程，顯著影響玉米產量[36]。土壤肥力的增加并不能使玉米產量無限提高，而是會達到一個平衡點并保持相對穩定[37]。

土壤肥力和施肥補充的養分共同保證了作物的養分需求。因此，一些提高土壤肥力的措施，通常也能在保證作物不減產的同時減少化學肥料的施用。比如，綠肥還田結合減量施氮20% 可提高玉米田0—110 cm 土層的土壤含水量，改善土壤氮素利用狀況，有效保證玉米產量[38]。配施腐殖酸可增加土壤硝態氮和銨態氮含量，顯著增加玉米地下部氮吸收量，有效促進氮吸收總量并增強氮素向籽粒分配，最終在保證玉米產量無明顯下降的同時顯著提高氮肥利用率[39]。化學肥料由于其養分含量高、肥效快的特點，可以及時滿足玉米植株對養分的需求，但化肥對于土壤有機質、全氮含量的提升效果不大，這兩個指標處于一個相對較為穩定的水平[40]。土壤肥力由于其肥效緩慢釋放，且養分含量豐富，可以在滿足玉米生長后期養分需求的基礎上，減少對化學肥料的依賴[41]。在本研究中，對比低土壤肥力，高土壤肥力的玉米產量增幅比中土壤肥力增加了一倍左右，因此認為高土壤肥力更能發揮玉米產量潛力。但是由于在各處理中均采用了與農戶相同的施肥量，所以土壤肥力提高后如何減施無機肥料仍有待進一步研究。

3.3 土壤肥力對玉米籽粒營養品質的調控作用

作物的產量和品質是在光合產物積累和分配過程中形成的，因此產量與品質間有著不可分割的關系。就玉米而言，一般高產量與高含量的營養品質成分，尤其是蛋白質、脂肪和賴氨酸等，很難實現兼得[8]。若提高籽粒中蛋白質和脂肪的含量，產量將會下降，除非進一步提高作物的光合效率，增強作物的物質生產能力[5]。在本研究中也發現了部分相似現象，即在中、高肥力條件下，生理成熟期的籽粒總淀粉含量與產量有著顯著的正相關關系。但是，我們還觀察到，產量和百粒重與生理成熟期的籽粒粗脂肪含量也存在著顯著的正相關關系。

粒重形成也是營養物質逐步積累的過程，營養物質的分配比例影響著玉米籽粒產量的高低和品質的優劣[6]。籽粒品質組分含量作為評價籽粒營養品質的重要指標[41]，其形成由遺傳因素和非遺傳因素兩個方面決定。遺傳因素指決定品種特性的遺傳方式和遺傳特征[42]，非遺傳因素則是指除了遺傳因素以外的一切因素，例如生態環境條件、栽培措施、礦質養分等[43?44]。由于土壤肥力綜合了土壤的物理、化學和生物特性，所以一些能夠顯著調控土壤特性的栽培措施幾乎都能影響玉米籽粒營養品質的形成，比如輪作、密度、施肥和灌溉等。合理的輪作可以消除和減輕土壤中的有毒物質、病蟲害和雜草的危害，通過調整土壤化學和生物特性，提高土壤肥力，進而增加作物產量和改善品質[45]。在作物生育期施用氮、磷、鉀三大營養元素，并配合施用硼、錳和鋅等微量元素，或是改進不同生育階段的肥料施用比例，均能顯著影響土壤化學特性，增加產量、改善品質[46]。水分虧缺灌溉也可通過調節土壤物理特性的方式降低玉米產量，同時導致淀粉、粗蛋白、粗脂肪等營養品質指標的下降[47]。

本研究發現，提高土壤基礎肥力可以顯著改變生理成熟期籽粒總淀粉、粗脂肪和可溶性總糖的含量，且這3項品質組分對土壤基礎肥力的響應存在不同的閾值。例如，2021年的試驗結果顯示，與低肥力土壤相比，中、高肥力土壤下的籽粒總淀粉和可溶性總糖含量均有顯著變化，而籽粒粗脂肪含量僅在高肥力下才有顯著差異。因此，推測這可能是品質組分合成過程中各營養物質積累時間不同導致。在籽粒正常成熟條件下，灌漿初期主要合成蛋白質，淀粉合成較弱；乳熟至蠟熟始期，糖類向種子運輸加強，淀粉合成強度大大超過蛋白質；籽粒發育后期，糖類向籽粒運輸減弱或停止，而氮的輸入卻仍在繼續[13，48]。另外，兩年土壤肥力對某些籽粒營養品質組分含量的影響并不一致，今后可進一步探究氣象要素、土壤肥力和化學肥料等因素交互作用對籽粒營養品質的影響及其調控機制。

玉米籽粒的營養品質合成與氮、磷、鉀養分吸收及分配之間存在著密切的關系。氮素是植物體內蛋白質、核酸和葉綠素等生物大分子的重要組成部分，對于促進玉米籽粒的蛋白質合成和營養品質的提高至關重要。磷則參與調控植物的能量轉移和物質代謝，對玉米籽粒的淀粉、脂肪等營養成分的合成與積累具有重要作用。而鉀在調控玉米籽粒的水分平衡、營養物質轉運等過程中起到關鍵作用，影響了玉米籽粒的產量和品質[49]。因此，在今后的研究中，可通過分析籽粒營養品質與植株養分吸收及分配的內在關系，進一步解析土壤肥力對籽粒營養品質形成的調控作用。鑒于產量、籽粒營養品質組分與土壤肥力之間的關系，我們認為根據品種的生態適應性，實施適地適種，通過調節不同土壤肥力條件下的栽培技術，創造遺傳因素與非遺傳因素互作的最適條件，可以實現保證高產的同時改善玉米籽粒的營養品質。

4結論

定位試驗結果表明，不同耕作方式造成了土壤肥力的差異，適宜的耕作方式可以明顯提高土壤肥力，且以深松秸稈粉碎全量混拌還田和深翻秸稈粉碎全量還田的效果最佳。高土壤肥力顯著提升了玉米產量、百粒重以及籽粒營養品質。相較中、低土壤肥力，高土壤肥力主要提升了花后20～40天內籽粒粗脂肪含量，提升了花后20天內的籽粒總淀粉含量，最終提高了生理成熟期籽粒粗脂肪和總淀粉含量。