豫北潮土区轮耕模式对小麦光合特性、产量及土壤养分的影响

牛润芝，朱长伟，姜桂英，杨 锦，罗 澜，申凤敏，刘 芳，刘世亮

(河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002)

小麦是我国重要的粮食作物，对保障粮食安全具有重要意义。小麦冠层光合性能对产量有重要作用，叶是小麦冠层光合作用最主要的贡献者，叶绿素对光合作用具有重要意义[1]。土壤养分含量直接影响土壤供应植株生长发育所需养分的能力。长期单一的耕作方式造成土壤耕层变浅，养分富集在土壤表层，从而影响作物根系下扎，不利于作物生长[2-3]。轮耕措施将深耕、旋耕和浅旋耕等各项耕作方式合理配置，可减少长期单一土壤耕作产生的缺点[4-5]，也能提高土壤理化性质，为作物的生长发育创造适宜的条件[6-8]，从而增加小麦光合作用和叶绿素含量[9-10]，进而获取较高的籽粒产量。因此，探索不同耕作方式对小麦光合特征和土壤养分含量的影响具有重要意义。韩上等[11]研究认为，在耕层薄化处理土壤上，深耕和旋耕配合秸秆还田能够提高土壤有效磷和速效钾含量。王玉玲等[12]研究认为，与单一耕作相比，深松、翻耕和免耕组成的3种轮耕模式能提高土壤碱解氮、有效磷和速效钾等养分含量。侯贤清等[13]研究发现，相较于连年翻耕，免耕/深松隔年轮耕显著提高0～40 cm土层土壤有效养分含量。王维等[14]研究表明，连年深松、连年免耕和二者轮耕能够通过提高播前底熵进而提高小麦花后光合能力和旗叶叶绿素相对含量。侯贤清等[15]研究发现，深松覆盖和免耕覆盖提高了叶绿素相对含量，使旗叶保持较高的光合能力。赵亚丽等[16]研究发现，在黄淮海地区，深耕+秸秆还田有利于叶片光合速率的提高，促进作物增产。前人虽就耕作对冬小麦光合特性、产量及土壤养分方面的影响进行了研究，但大多是单一耕作模式之间的比较，对不同轮耕模式还有待于进一步研究。

豫北潮土区是我国重要的粮食生产区，因此，本研究以该地区小麦-玉米轮作体系为研究对象，设置5种轮耕模式，探索不同轮耕模式下冬小麦光合特性、产量和土壤养分的差异性，旨在为制定适合该地的耕作措施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验始于2016年10月小麦季，在河南省原阳县河南农业大学科教园区(N35°19′，E113°50′)进行，该地区属暖温带大陆性季风气候，土壤类型为典型砂质潮土，试验前0～20 cm土层基本理化性质为：有机质17.3 g/kg，全氮1.0 g/kg，碱解氮71.3 mg/kg，有效磷21.6 mg/kg，速效钾108.0 mg/kg，pH值7.2。

1.2 试验设计

试验采用大田小区设计，前茬作物秸秆全量还田的条件下，在2016—2019年连续进行夏玉米季免耕播种，冬小麦季实施5种轮耕模式，3 a一周期：连续旋耕(RT-RT-RT)，即对照；深耕-旋耕-旋耕(DT-RT-RT)；深耕-旋耕-条旋耕(DT-RT-SRT)；深耕-条旋耕-条旋耕(DT-SRT-SRT)；深耕-条旋耕-旋耕(DT-SRT-RT)。小区面积为16.0m×6.2 m=99.2 m2，设3次重复。

具体耕作方式与深度如下：深耕，即玉米收获后，秸秆全量粉碎还田，铧式犁翻耕1遍(翻耕深度28～30 cm)，旋耕机整地2遍，常规播种小麦；旋耕，即玉米收获后，秸秆全量粉碎还田，旋耕机整地2遍(旋耕深度13～15 cm)，常规播种小麦；条旋耕，即玉米收获后，秸秆全量粉碎还田，浅旋整地2遍(旋耕深度5～8 cm)，常规播种小麦。玉米季采用免耕播种机进行种肥同播，铁茬播种。

供试小麦品种是郑麦369，播量232.5 kg/hm2，基肥施用氮肥(N)150 kg/hm2、磷肥(P2O5)120 kg/hm2、钾肥(K2O)120 kg/hm2，拔节期追施氮肥(N)69 kg/hm2。供试玉米品种为浚单29，密度67 500 株/hm2，肥料施用量为氮肥(N)210 kg/hm2、磷肥(P2O5)75 kg/hm2、钾肥(K2O)90 kg/hm2。

1.3 样品的采集与测定

小麦光合特性：2019年小麦拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期，使用LI-6400便携式光合测定仪(LI-COR公司，美国)进行冬小麦旗叶(拔节期取顶部第1片完全展开的叶片)净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(Stomatic conductance，Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)的测定。测定时间为晴天9：00—11：00，每个处理选取长势均匀具有代表性的小麦植株进行测定。叶绿素含量参照Arnon法[17]进行测定。

土壤养分：2019年小麦收获期，按照五点取样法，以10 cm为一个层次取0～50 cm土层土样，去除肉眼可见的植物残体和石块后，将其风干并过0.85 mm筛后密封保存，用于测定速效养分含量，其中土壤硝态氮和铵态氮测定采用2 mol/L KCl浸提-比色法，土壤碱解氮测定采用碱解扩散法，土壤有效磷测定采用钒钼蓝比色法，土壤速效钾测定采用NH4OAc浸提-火焰光度计法[18]。

小麦产量及其构成因素：2019年小麦收获期采样，在各小区选取1 m2样方进行人工收割，将其风干、脱粒、测产，并记录穗数。同时在各小区取样考种，测定穗粒数和千粒质量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016录入与整理数据，使用SPSS 20.0进行数据统计分析，使用Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同轮耕模式对小麦光合特性的影响

2.1.1 不同轮耕模式对净光合速率的影响 由图1可知，所有处理的小麦叶片净光合速率大小均表现为开花期>抽穗期>灌浆期>拔节期；拔节期，DT-RT-RT净光合速率最高，为11.42 μmol/(m2·s)，较RT-RT-RT显著增加15.63%。在抽穗期、开花期和灌浆期，均以DT-SRT-RT最高，其次是DT-RT-RT，较RT-RT-RT分别显著增加9.16%～16.10%和7.14%～12.49%，平均增幅分别为11.74%，9.03%。综上，与RT-RT-RT相比，改变轮耕模式有利于小麦净光合速率的提高，其中DT-SRT-RT对小麦净光合速率的提高效果较为明显，平均增幅达10.85%。

不同小写字母表示同一生育时期不同处理间 差异显著(P<0.05)。图2—4同。 Different small letters above the bars show significant differences among different treatments at 0.05 level. The same as Fig.2—4.

2.1.2 不同轮耕模式对气孔导度的影响 由图2可知，小麦叶片气孔导度大小表现为开花期>抽穗期>灌浆期>拔节期。在各生育时期，RT-RT-RT处理下气孔导度最小；拔节期和开花期，以DT-RT-RT气孔导度最高，分别为0.22， 0.59 mmol/(m2·s)，较RT-RT-RT分别显著增加7.00%和11.61%(P<0.05)。在抽穗期和灌浆期，则以DT-SRT-RT气孔导度最高，分别为0.36，0.31 mmol/(m2·s)，增幅分别为7.03%，10.68%。综上，相较于连年旋耕，其他轮耕模式有利于增大小麦的气孔导度，在小麦不同生育时期，DT-RT-RT和DT-SRT-RT对气孔导度的提高作用较为显著，以DT-SRT-RT效果更佳，较RT-RT-RT平均增加7.83%。

图2 不同处理小麦不同生育时期气孔导度Fig.2 Stomatal conductance under different treatments at different wheat growth stages

2.1.3 不同轮耕模式对胞间CO2浓度的影响 由图3可知，不同生育时期的胞间CO2浓度整体上表现为开花期>抽穗期>灌浆期>拔节期。拔节期，DT-SRT-RT处理的胞间CO2浓度为173.19 μmol/mmol，较RT-RT-RT降低8.68%，其他处理间差异不显著；在抽穗期和开花期，轮耕处理的胞间CO2浓度均显著低于RT-RT-RT，以DT-SRT-SRT最低，降幅分别为24.37%，27.60%；灌浆期，DT-RT-SRT最低，显著低于RT-RT-RT，降幅达21.08%。综上，与连年旋耕相比，轮耕降低了小麦的胞间CO2浓度。

图3 不同处理小麦不同生育时期胞间CO2浓度Fig.3 Intercellular CO2 concentration under different treatments at different wheat growth stages

2.1.4 不同轮耕模式对小麦叶绿素含量的影响 图4表明，轮耕处理可提高小麦生育期叶片叶绿素含量。生育前期以DT-RT-RT效果最显著，在拔节期和开花期，DT-RT-RT处理的小麦叶绿素含量显著高于RT-RT-RT，增幅分别为24.08%和49.98%。在灌浆期，除DT-RT-RT处理外，其他轮耕处理的小麦叶绿素含量均显著高于对照处理，其中DT-SRT-RT处理在数值上较其他处理略高，较对照处理的小麦叶绿素含量增加16.52%。由此可见，DT-SRT-RT可提高灌浆期小麦叶绿素含量，利于增强此时期小麦光合作用。

2.2 不同轮耕模式对土壤养分含量的影响

不同轮耕处理下冬小麦成熟期0～50 cm土层土壤养分含量如图5所示，可以看出，耕作方式对土壤硝态氮、铵态氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量有一定程度的影响，各处理土壤速效氮磷钾含量随土层加深而降低。其中，0～10 cm土层土壤硝态氮、铵态氮和速效钾以DT-SRT-SRT处理含量最高，相较于RT-RT-RT分别提高7.58%，11.83%和10.27%。0～10 cm土层土壤碱解氮和有效磷含量分别以DT-RT-SRT和DT-SRT-RT最高，增幅为5.22%和13.43%；在10～20 cm土层，土壤养分含量均表现为DT-RT-RT处理显著高于RT-RT-RT处理。在20～30 cm土层，DT-RT-RT处理的有效磷含量显著高于RT-RT-RT处理；在20～40 cm土层，与RT-RT-RT相比，DT-RT-RT处理提高了碱解氮含量，而DT-SRT-RT处理提高了硝态氮、铵态氮和速效钾含量；在40～50 cm土层，轮耕处理对土壤养分含量无显著影响(图5)。

图4 不同处理小麦不同生育时期叶绿素含量Fig.4 Chlorophyll content in flag leaves under different treatments at different growth stages

图5 不同处理土壤速效养分含量Fig.5 Soil available nutrients content under different treatments

2.3 不同轮耕模式对小麦产量的影响

由表1可知，DT-SRT-RT处理和DT-SRT-SRT处理较对照处理显著提高了小麦穗数、穗粒数和产量，以DT-SRT-RT效果最佳，各指标均显著高于RT-RT-RT，其穗数增加幅度为16.20%，穗粒数增幅9.04%，千粒质量增幅10.34%。4种轮耕处理下的小麦产量均显著高于RT-RT-RT，与RT-RT-RT相比，DT-SRT-RT产量增幅14.64%，其次依次是DT-SRT-SRT、DT-RT-RT和DT-RT-SRT，产量分别增加13.25%，10.15%，4.96%。氮肥偏生产力以DT-SRT-RT最高，显著高于RT-RT-RT。

表1 不同处理小麦产量及其构成因素Tab.1 The wheat yield and yield components under different treatments

2.4 小麦生育期净光合速率与产量的相关性

净光合速率与产量及其构成因素的相关性分析见表2，在抽穗期、开花期和灌浆期，净光合速率与穗数均呈极显著正相关，相关性系数分别为0.712，0.792和0.712。随着小麦的生长，净光合速率与产量在抽穗期和开花期分别达到显著和极显著水平，相关系数分别为0.626和0.763。

表2 小麦不同生育时期净光合速率与产量及其构成因素的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of net photosynthetic rate and wheat yield at different growth stages

2.5 土壤养分含量与小麦产量的相关性

2019年小麦成熟期不同土层土壤速效养分含量与小麦籽粒产量的相关性分析见表3，可以看出，在0～10 cm土层中，土壤硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量与籽粒产量呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.722，0.797，0.721和0.753；10～20 cm土层中速效钾含量与小麦籽粒产量的相关性达到极显著水平(P<0.01)，硝态氮、铵态氮含量则与产量呈显著正相关(P<0.05)。20～30 cm和30～40 cm土层中土壤硝态氮、铵态氮和有效磷含量与产量均呈显著正相关(P<0.05)。

表3 土壤养分含量与小麦产量的相关性Tab.3 Correlation analysis of soil nutrients content and wheat yield

3 结论与讨论

小麦光合作用的强弱直接影响小麦产量。植物光合作用受到耕作的影响，适宜的耕作技术能够为小麦生长提供良好的土壤环境，有利于叶片光合性能的改善和小麦籽粒产量的提高[15]。有研究表明，合理的耕作措施使小麦叶片保持较高的叶绿素含量，延缓旗叶衰老，为维持小麦生育后期较高的叶绿素含量发挥积极作用[19-20]。本研究中，与连年旋耕相比，轮耕提高了冬小麦生育期叶片净光合速率和叶绿素含量。这是因为作物叶片光合特性与耕作措施有着密不可分的关系，土壤水分是影响作物光合作用的重要环境因素，光合速率受到土壤水分状况的影响[10，21]。本研究采用深耕、旋耕和浅旋耕相结合的轮耕措施，一方面少、免耕可提高土壤养分含量，改善土壤水分状况[22-23]，提高小麦叶片光合速率和叶绿素含量；另一方面深耕可以提高土壤蓄水保墒能力，提高作物叶片水分利用效率，进而改善作物的光合特性[24-25]。轮耕措施将二者的优点相结合，使土壤水分的保蓄能力得到提高，增大小麦叶片花后旗叶面积，延长光合时间，进而保持较高的光合能力和叶绿素含量。同时，影响植物光合作用的自身因素分为气孔因素和非气孔因素，2种因素同时存在时，若胞间CO2浓度变化趋势与光合速率和气孔导度一致，影响光合速率的自身因素主要为气孔因素，否则主要为非气孔因素[26-27]。在本研究中，轮耕处理净光合速率和气孔导度高于RT-RT-RT，而胞间CO2浓度却低于RT-RT-RT，二者所呈现的变化趋势相反，说明本研究中非气孔因素起到主要作用，不同轮耕模式在各生育时期提高光合速率的原因使其改善了气孔因素的限制。这可能是因为轮耕能疏松底土，调节叶片气孔导度，进而提高叶片净光合速率，以DT-SRT-RT效果显著。影响植物光合作用的因素有很多，轮耕模式下小麦叶片的光合特性还需进一步研究。

土壤速效养分含量是评价土壤肥力水平的重要指标。耕作方式直接作用于土壤，改变土壤结构，影响土壤养分含量和土壤肥力。轮耕以少、免耕为主，定期进行耕翻，使土壤表层作物残茬与土壤混合到一起，有利于耕层土壤养分含量均衡分布，提高土壤肥力，有效避免长期旋耕造成表层养分富集、下层土壤紧实等缺点[28-29]。在本研究中，与连年旋耕相比，轮耕明显提高土壤硝态氮、铵态氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。可能是因为深耕配合连续2 a浅旋耕/旋耕使土表肥料和秸秆与耕层土壤均匀混合，提供了丰富的养分来源。浅旋耕和旋耕作用于表层土壤，耕作深度较浅，肥料和作物秸秆覆盖在土壤表层，秸秆腐解产物在土表集聚，不能充分转移至下层土壤得到利用，导致土壤肥力水平提高受限。深耕对于土壤扰动较大，不仅能提高土壤的透气性，加快秸秆分解，使其释放更多的氮、磷、钾等营养元素，还能将浅旋耕或旋耕时滞留在土表的养分翻移至下层，整个耕层的土壤养分得到充分混合，这为土壤微生物提供更多能源和养分，维持了良好的微生物分解代谢功能和呼吸代谢活性，从而改善了土壤肥力。根据土壤养分与产量的相关性分析，耕层土壤硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量与小麦籽粒产量呈现显著或极显著正相关性，这说明可以通过轮耕措施提高土壤速效养分含量，实现小麦增产增收。深层土壤氮素含量与作物产量呈显著相关，可能是因为冬小麦季不同耕作方式为土壤氮素转化提供了良好的土壤环境，提高了氮素转化相关酶活性，从而提高土壤供氮能力[30]。磷在土壤中的移动性较弱，轮耕将上层土壤中的磷素向下翻转至深土层，提高磷素的空间有效性和小麦根系对磷的利用率，这对收获期小麦籽粒产量潜力的发挥具有重要意义。

小麦产量与净光合速率及土壤有效养分含量关系密切。不同耕作方式可培肥地力，优化土壤环境[31-33]，提高小麦净光合速率，促进干物质的积累[10，34]，利于小麦产量的提高。本试验中，在秸秆全量还田的条件下，与连年旋耕相比，轮耕模式可不同程度上改善小麦产量构成因素，提高小麦产量。这与孔凡磊等[5]、韦安培等[35]对轮耕能提高冬小麦产量的研究结论相似。其中DT-SRT-RT处理增产效果更为明显。一方面，轮耕有效增加了土壤的耕层厚度，改善耕层土壤的理化性质，提高土壤速效氮、磷、钾养分含量，促进了小麦籽粒的灌浆。另一方面，轮耕有利于提升土壤水分的保蓄能力，提高各时期叶绿素含量，改善光合性能，增强花后干物质积累，提高花后干物质对籽粒的贡献率，形成较高的籽粒产量和生物量。由相关性分析可知，不同生育时期冬小麦叶片净光合速率与产量均呈正相关，在开花期呈现极显著相关，说明可以通过改变耕作方式来改善小麦生育期净光合速率特别是开花期净光合速率，进而实现小麦的增产。

综上分析表明，与连年旋耕相比，轮耕可提高冬小麦生育期叶片叶绿素含量，改善叶片光合特性，以深耕-条旋耕-旋耕处理效果最明显。轮耕显著提高小麦收获期0～20 cm土层土壤速效氮磷钾含量。轮耕相比连年旋耕增加了小麦穗数、穗粒数、千粒质量和产量，以深耕-条旋耕-旋耕效果最佳。综合来看，深耕-条旋耕-旋耕处理改善了小麦光合特性，提高了小麦的产量及其构成因素，可以推荐为豫北潮土小麦玉米区适宜的耕作方式。