旱地秸秆还田对春小麦光合特性及产量的影响

2021-01-02朱涵珍梅四卫王术杨习文

江苏农业科学 2021年23期

朱涵珍梅四卫王术杨习文

摘要：在旱地设置普通耕作（CK）、旋耕还田（XG）、免耕还田（MG）、深松还田（SS）和深耕还田（SG）处理，连续3年（2016—2018年）研究不同秸秆还田模式对春小麦光合特性及产量的影响。结果表明，由于秸秆还田对土壤及水分和养分环境的改变，总体上秸秆还田对小麦光合特性及产量的作用大于不还田。2016—2018年春小麦叶片水分利用效率、光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度均表现为SS>MG>SG>XG>CK，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。春小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素a和叶绿素b含量总体表现为SS>MG>SG>XG>CK;而脯氨酸和丙二醛含量总体表现为SSMG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了春小麦穗数、穗粒数、千粒质量、籽粒产量和生物产量，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。互作效应分析表明，年份×耕作方式对穗数、穗粒数及籽粒产量的影响均达极显著水平（P<0.01）。综合分析表明，影响小麦产量的主要因素为叶面积指数和叶绿素a含量;为充分发挥春小麦的产量潜力，最佳的管理措施是深松还田。

关键词：秸秆还田;春小麦;光合特性;产量;深松还田

中图分类号： S512.104;S512.101 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）23-0098-06

收稿日期：2021-04-23

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2013BAD07B07-4）。

作者简介：朱涵珍（1974—），女，河南杞县人，硕士，副教授，研究方向为小麦玉米高产优质生态生理研究。E-mail：hanzhenzhu@126.com。

通信作者：梅四卫，博士，副教授，主要从事小麦玉米高产优质生态生理研究。E-mail：Siweimeei@126.com。

我国幅员辽阔、地大物博，拥有众多的人口，需要大量的粮食作物维持生活，受制于地理因素及气候的制约[1-3]，我国南方和北方地区的粮食作物呈现较大差异，我国北方最主要的粮食作物是小麦，水稻和小麦是南方的关键农作物。对于小麦而言，不仅具有高产优质的优势[4]，同时具有较强的适应性，能够在较为复杂的环境中生长，这对于其大面积种植起着关键作用，也是其成为主要谷物的原因[5-6];此外，大面积种植小麦不仅保障了农业生产生活，同时对于局地气候的改善也起着关键作用。从世界粮食作物产量的角度来讲，小麦占其总量的1/4左右[7-8]，进入21世纪，农业生产不仅是量的保障，更重要的是质的保障，是可持续发展的要求，现代化农业生产成为顺应农业发展的趋势，绿色有机成为大众的需求[9-10]。对于春小麦来讲，制约其产量的关键要素之一是光合特性，此影响因素不仅呈现突出的多样性，而且其复杂性也尤为突出，除了自身特性之外，土壤养分及水分等条件、气温等环境因素均显著制约着小麦生长[11]，而且农田管理等方面的影响效应也尤为突出;为了促进小麦种植，近年来开展了秸秆还田、有机施肥等一系列举措，旨在促进土壤肥力和活性的保持，从而改善小麦生长条件。不少学者通过实证研究发现，无论是秸秆还田，还是地膜覆盖等，耕作方式的改变会对小麦的光合作用产生突出影响，但旱地耕作条件下，秸秆还田对光合作用的影响效应研究并不多，基于此，本研究立足于旱地小麦种植，探究秸秆还田的影响效应，旨在为农业种植提供有益参考和借鉴。

我国东北地区气候寒冷，主要的粮食作物较为单一，其中冬春小麦及玉米等成为主要作物，从全国春小麦种植的角度来讲，东北地区种植面积占到了10%[11-12]，具有广泛的分布。但是在种植过程中容易出现氮素低效高损耗的问题，这一矛盾制约着小麦种植，尤其是干旱条件下具有更为突出的影响[12-14]。为了促进小麦种植的稳定高效发展，大量学者开展了相关育种研究，对不同小麦品种的生长特性进行了对比分析，对其环境适应性加以比较，在当前土壤质量不断下降的情况下，推行秸秆还田具有重要的现实意义，对于土壤条件的改善效果突出，进而促进小麦种植[15-17]。基于此，本研究选取东北地区春小麦，从秸秆还田的角度来分析其生长适应性，对其土壤特性加以分析对比，探究其光合特性的作用机理，从而为我国的小麦高效种植提供有益参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

本研究所选小麦品种为周麦18，是河南省主推的高产品种，具有广阔的种植面积，具体种植区域位于沈阳农业大学试验田（123.59°E、41.81°N），该区域属于典型的偏旱区，以砂姜黑土为主，受制于其所处的地理因素制约，其温带大陆季风气候特点突出，无论是降雨还是气温，其季节变化尤为突出。为了尽可能地降低试验误差，本研究从2016年4月开始，之后连续3年重复该试验。对于该区域而言，其碱解氮、速效磷及速效钾含量分别为111.5、28.3、132.1 mg/kg，有机质含量为14.3 g/kg;在试验区域进行随机分区，要求其长、宽分别为20、10 m，为了避免交互影响带来的试验误差，要求其保留5 m的间隔;为了进行试验可比性，对于试验分区采取统一的大田管理模式，即采取标准施肥，其纯氮、磷、钾分别按333、150、12 kg/hm2进行施肥。

旋耕還田（XG）处理如下：在上一茬玉米收割的同时进行秸秆粉碎并还田，之后旋耕2遍，然后再常规播种小麦。对于免耕还田（MG）而言，依然是在上一茬玉米收割的同时采取秸秆粉碎并还田，但是播种方式为以免耕播种机进行，要求播种、施肥的深度分别为8、13 cm。对于深松还田（SS）来讲，依然是在上一茬玉米收割的同时采取秸秆粉碎并还田，但播种前深松1次，免耕机播种的方式，要求深度达到40 cm。对于深耕还田（SG）而言，秸秆还田后深耕1次，然后旋耕2次，最后采取普通播种。

1.2 春小麦光合特性测定

在研究过程中不仅对春小麦光合作用加以比较，同时探究其碳氮含量等相关指标，在数据测定过程中借助于LI-6400测量系统，为了尽可能地降低试验误差，在7月下旬进行指标测定，要求在晴天无风的情况下进行，从7：00开始每间隔2 h进行1次测定，直至19：00止，为了降低试验误差，各测量进行3次重复;在试验过程中采取的光源为红蓝光，而对于CO2流量来讲，需要达到400 mol/L，整个试验测定尽量在22～35 ℃下进行，空气湿度尽量控制在24%～45%，为了尽可能降低试验误差，叶片测定过程中尽量选择光照条件较为接近，同时对其净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）进行测定，并及时记录气孔导度（Gs）等指标。

1.3 春小麦生长各指标测定

为了对小麦生长特性指标进行测定，对各个小区进行分别取样5～10株，要求其长势较为接近，对其株高等长势特点进行测量记录，并测量其叶面积，待其成熟后进行干质量测定。

1.4 叶片生理指标的测定

对0.5 m2的小麦分区进行收割，测量其生物量，并将其部分叶片进行烘干处理，待其恒质量时停止，要求温度达到65 ℃。本研究采取浸提法测定叶绿素含量，首先将新鲜叶片研磨处理，对于可溶性蛋白、糖分的测定分别借助于染色法、比色法[15]进行。

1.5 产量及产量构成因素的测定

试验过程中在各个分区进行5 m2的取样测量，主要是测其产量及构成。

采用Excel 2003和SPSS 18.0进行数据统计和单因素方差分析（One-way ANOVA），t检验比较各处理间的差异性。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对春小麦水分利用效率（WUE）的影响

由表1可知，春小麦水分利用效率在生长期达到最高，不同年份春小麦水分利用效率总体表现为SS>MG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了土壤含水量，水分利用效率逐渐变大，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。

2.2 秸秆还田对春小麦成熟期叶片生理指标的影响

由表2可知，成熟期春小麦植株叶片生理指标具有明显的差异，不同年份差异并不明显，其中2016—2018年春小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素a和叶绿素b含量均表现为SS>MG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了春小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素a和叶绿素b含量，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。而2016—2018年春小麦叶片丙二醛含量和脯氨酸含量整体呈相反的变化趋势，均表现为SS

2.3 秸秆还田对春小麦光合特性参数的影响

Pn和Tr分别是反映植物光合作用和蒸腾作用强弱的最重要指标，Pn、Tr越大，说明光合作用水平越高、蒸腾作用越强。由表3可知，春小麦植株叶片光合特性具有明显的差异，不同年份差异并不明显，其中2016—2018年春小麦叶片光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度整体表现为SS>MG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了春小麦的光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。

2.4 秸稈还田对春小麦叶片性状的影响

叶片厚度是表征植物生长过程中碳收获的叶性状指标，叶片厚度的调整是植物对遮光强度环境做出的典型形态学反映。由表4可知，春小麦植株叶片性状具有明显的差异，不同年份差异并不明显，其中2016—2018年春小麦叶片面积、比叶重、叶面积指数和叶片厚度均表现为SS>MG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了春小麦叶片面积、比叶重、叶面积指数和叶片厚度，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。

2.5 秸秆还田对成熟期春小麦产量的影响

由表5可知，年份和耕作方式对小麦穗数、千粒质量、籽粒产量和生物产量均有极显著影响（P<0.01），年份×耕作方式对小麦穗数和生物产量均有极显著影响（P<0.01），对小麦籽粒产量具有显著影响（P<0.05）。

由表6可知，春小麦产量具有明显的差异，不同年份差异并不明显，其中2016—2018年春小麦穗数、穗粒数、千粒质量、籽粒产量和生物产量均表现为SS>MG>SG>XG>CK，说明不同模式的秸秆还田增加了春小麦穗数、穗粒数、千粒质量、籽粒产量和生物产量，其中以深松还田效果最好，免耕还田和深耕还田次之。

2.6 主成分分析

由表7可知，3个主成分特征值>1，累积贡献率为85.867%，满足主成分分析条件，故可以从前3个成分来表征对小麦产量的影响。从表8可以看出，第1主成分的方差贡献率最大，达到了55.346%，负荷量绝对值>0.8的影响因素为叶面积指数、光合速率和叶绿素a含量;代表第2主成分的方差贡献率为19.287%，负荷量绝对值>0.8的影响因素为叶面积指数、叶绿素a含量;代表第3主成分的方差贡献率为11.234%，负荷量绝对值>0.8 的影响因素为叶片面积、光合速率。综合分析表明，影响小麦产量的主要因素为叶面积指数和叶绿素a含量。

3 讨论与结论

对于处于生长期的小麦来说，其光合效应尤为重要，直接影响籽粒饱满程度，进而决定其产量，在此期间，其产生了大量的光合物质。大量学者通过实证分析发现，在合理开展秸秆还田的情况下，叶绿素的降解速度被延缓，从而导致叶绿素含量得到明显的提升，对于光合效率的提升起着关键作用[18-19]。通过长期观测研究得知，对于春小麦而言，无论是穗数、穗粒数，还是千粒质量及籽粒产量，虽然存在一定的差异，但是整体而言，其具有较为接近的变化规律，即深松还田处理下具有更高值，其次是免耕还田处理，而旋耕还田最低，但是均高于对照组，对于生物产量来说亦是如此，从中不难看出，虽然秸秆还田的程度有所差异，但是均利于作物产量的提升，尤其是深松还田处理下达到了最好的效果。此外，通过交互作用分析得知，年份及耕作的交互作用也对作物产量有突出影响。整体而言，深松还田的秸秆处理模式能够突出地提升作物产量。

受秸秆还田的影响，灌浆期小麦的叶绿素降解较为缓慢，这对于促进光合效能有突出影响。此外，温度、湿度等一系列环境因子也对其有关键影响。受秸秆还田的制约，土壤气孔度得以提升，且小麦的叶气孔导度也得以突出提升，从而促进了光合产能，主要原因在于秸秆还田促进了土壤理化特性的改变，对于微生物的生长发育及新陈代谢起着积极作用，另一方面降低了水分的蒸腾等，最终促进小麦生长[20-21]。

通过连续观测得知，在不同的秸秆还田处理模式下，小麦的光合效率差异并不显著，而蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度呈一致的变化趋势，即深松还田处理下更高，其次是免耕还田和深耕还田处理，旋耕还田最低，但是均高于对照组，从中不难看出，虽然秸秆还田的程度有所差异，但是均利于作物光合效能的提升，尤其是深松还田处理下达到了最好的效果。

参考文献：

[1]千怀遂，魏东岚. 气候对河南省小麦产量的影响及其变化研究[J]. 自然资源学报，2000，15（2）：149-154.

[2]李勤英，姚凤梅，张佳华，等. 不同农艺措施对缩小冬小麦产量差和提高氮肥利用率的评价[J]. 中国农业气象，2018，39（6）：370-379.

[3]刘宇娟，谢迎新，董成，等. 秸秆生物炭对潮土区小麦产量及土壤理化性质的影响[J]. 华北农学报，2018，33（3）：232-238.

[4]殷文，柴强，胡发龙，等. 干旱内陆灌区不同秸秆还田方式下春小麦田土壤水分利用特征[J]. 中国农业科学，2019，52（7）：1247-1259.

[5]陆宁海，杨蕊，郎剑锋，等. 秸秆还田对土壤微生物种群数量及小麥茎基腐病的影响[J]. 中国农学通报，2018，35（34）：102-108.

[6]刘娜，郭丽丽，路明，等. 秸秆还田下灌水及施肥对冬小麦气孔特征的影响[J]. 节水灌溉，2019（8）：14-23.

[7]盛海君，牛东，张莀茜，等. 稻秸秆还田与腐熟剂对小麦当季温室气体排放的影响[J]. 扬州大学学报（农业与生命科学版），2018，39（2）：29-34.

[8]周鹏翀，沈莹，许姣姣，等. 长期定位耕作方式下冬小麦田根系呼吸对土壤呼吸的贡献[J]. 农业资源与环境学报，2018，36（6）：766-773.

[9]胡明芳，赵振勇，张科. 周年秸秆还田量对南方双季稻生长及产量的影响[J]. 中国农学通报，2020，36（4）：1-6.

[10]马璐璐，闫翠梅，冯彩莲，等. 玉米秸秆还田对假禾谷镰刀菌及小麦茎基腐病化感效应的模拟研究[J]. 河北农业大学学报，2019，42（3）：38-44.

[11]谭娟，陈楠，董伟，等. 玉米秸秆还田量对小麦生理生态特征和产量的影响[J]. 安徽农业科学，2019，47（18）：41-42，45.