秸秆还田配施氮肥对旱地小麦生理生化特性及产量的影响

张静 马嵩科 张冬霞 柴雪茹 张俊豪 王贺正 文晓阳

摘要：为明确豫西旱地秸秆还田配施氮肥后小麦的生理特性及其产量变化，进行玉米秸秆还田配施不同氮肥水平对小麦开花后旗叶生理生化特性及小麦产量的影响研究。选用洛旱22为材料，采用裂区试验，主区为玉米秸秆还田处理，分别为秸秆不还田（S0）、秸秆全量还田（S1）；副区为不同施氮量处理，分别为0（N0）、120（N1）、180（N2）、240（N3）、300（N4） kg/hm2，测定小麦开花后旗叶叶绿素、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）、过氧化物酶（POD）活性等生理生化指标。结果表明，随着小麦开花后生育期的推进，叶绿素含量有不断降低的趋势；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趋势，在开花后 14 d 达到峰值；MDA含量在秸秆还田条件下呈先下降后上升的趋势，在开花后21 d降到最低值，MDA含量在秸秆不还田条件下开花后14 d降到最低值。不同氮素水平处理之间，叶绿素、可溶性糖含量整体上随着施氮量的升高而升高；可溶性蛋白、脯氨酸含量和SOD活性，均在一定施氮范围内随着施氮量的增加而增加（提高）；POD活性随着施氮量的增加变化规律不明显，但在秸秆还田配施240 kg/hm2氮肥水平下活性最高；MDA含量随着施氮量的增加而减少。叶绿素、可溶性糖含量和SOD、POD活性均在秸秆还田条件下高于秸秆不还田；MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量在秸秆还田条件下低于秸秆不还田。结果表明，无论秸秆还田与否，施氮量在240 kg/hm2水平下的小麦穗数、穗粒数、产量均高于其他氮肥水平，秸秆还田配施240 kg/hm2氮肥水平下小麦产量最高，施氮量超过 240 kg/hm2 水平后增施氮肥有减产趋势。综上所述，秸秆还田配施240 kg/hm2氮肥为豫西旱地玉米秸秆还田后小麦高产适宜的施氮水平。

关键词：玉米；秸秆还田；氮肥；旱地小麦；生理生化特性；产量

中图分类号：S512.106  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）23-0061-08

收稿日期：2023-02-03

小麦是豫西地区的主要粮食作物，但因该地区属于丘陵旱区，年降水量偏少，旱灾频发，土地贫瘠、耕性较差、有机质含量偏低，严重限制了小麦增产［1］。氮素作为小麦生长发育过程中所必需的三大营养元素之一，在小麦个体发育、群体调控和产量形成中都有明显的成效。适量增施氮肥能显著延缓旗叶叶片衰老，增强光合效率，有利于产量的提高。然而，过量投入氮肥会加速叶片衰老，造成小麦的抗倒伏能力、病虫害抗性下降，不利于光合产物的积累，对提高产量、经济效益存在负面影响，会造成土壤养分失衡，土壤生产力降低，从而造成不容忽视的地下水、地表水和大气环境污染问题［2-4］。据统计，我国作物的氮肥利用率低于40%，氮肥施入農田却不能被充分利用［5］。因此，在农业生产上推行氮肥减量技术迫在眉睫。玉米秸秆是高产的秸秆资源，其中富含氮、磷以及微量元素，还田后可以提高土壤肥力与作物产量，还可以避免因秸秆焚烧造成的大气污染，从而改善农田的生态系统，保护生态环境［6-7］。研究表明，玉米秸秆直接还田时，土壤的碳素物质徒增，但微生物对碳素的分解，须吸收土壤中的氮，如不能适时增加氮肥用量，易造成土壤氮素的缺乏，影响下茬作物的生长，甚至导致减产。因此，在秸秆还田的同时要适时增施氮肥，不仅可以达到加快秸秆腐解的要求，同时也确保了作物的正常生长需要［8］。

前人分别从玉米秸秆还田和氮肥减施单因素进行研究，对小麦的抗氧化酶活性以及可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛（MDA）含量等生理生化指标进行试验研究。结果显示，一定量的玉米秸秆还田能提高小麦叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量，增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，降低MDA含量，延缓叶片衰老，增加小麦产量［1，9-13］。随着施氮水平的提高，可溶性糖、蛋白和脯氨酸含量及SOD、POD、CAT活性均能明显提高，而MDA含量显著降低；但是，当施氮水平高于某一程度时，各项指标的增幅（降幅）均不显著，或呈现出下降（上升）的趋势［3，14］。秸秆还田配施氮肥与单独施用等量的氮肥相比较，前者能显著增强土壤肥力、提高作物植株地上部分对氮素的吸收利用和积累量，从而有利于提高小麦籽粒产量；秸秆还田配施氮肥在一定程度上提高了小麦旗叶的叶绿素含量，能促进小麦旗叶光合作用及蒸腾作用，然后提高干物质的积累量，对小麦的产量有提高作用，最终达到经济高产的目的［15-20］。

相对于单一秸秆还田或者单施氮肥而言，秸秆还田与氮肥配合施用，对作物产量及环境具有显著的影响。目前，关于秸秆还田或施氮量单一因素下的报道较全面，但对秸秆还田配施氮肥的研究主要集中在土壤肥力和养分吸收利用上，研究结果也因地域不同而存在差异，特别是在豫西旱地生态条件下对秸秆还田配施氮肥的栽培技术研究更为鲜见。本研究在秸秆还田和秸秆不还田的基础上，通过设置不同氮肥施量处理，探讨秸秆还田配施氮肥对旱地冬小麦生育后期旗叶生理生化特性和产量的影响，筛选出适宜豫西旱地小麦生产的栽培方式，从而为本地区小麦栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试冬小麦品种为洛旱22。

1.2 试验方法

本试验于2020年10月至2021年6月，在河南科技大学（开元校区）试验农场（33°35′～35°05′N，111°08′～112°59′E）进行。试验区地处温带，属于半湿润、半干旱大陆性季风气候，地势平坦，排水条件良好。试验地土壤为黄潮土，质地为壤土，播种制度为冬小麦与夏玉米轮作。土壤基础养分含量为：碱解氮33.86 mg/kg、速效磷6.84 mg/kg、速效钾223.82 mg/kg、有机质10.72 g/kg，土壤pH值为7.56。

试验采用裂区设计，主区为玉米秸秆还田处理，分别为秸秆不还田（S0）、秸秆全量还田（S1）；副区为施氮量处理，设置5个施氮水平：0（N0）、120（N1）、180（N2）、240（N3）、300（N4） kg/hm2。其中秸秆还田处理前茬作物是夏玉米，2020年9月收获后秸秆留在田间，将整株玉米秸秆机械粉碎后全量还田，播种前深翻（30 cm）入土，然后撒施肥料，用旋耕机旋耕后播种小麦；秸秆不还田处理是将玉米秸秆移出田块，其他耕作措施同秸秆还田处理。各处理磷肥用量均为75 kg/hm2、钾肥用量均为150 kg/hm2，其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙（以P2O5计），钾肥为氯化钾。所有肥料均在小麦播前作底肥施入。统一用播种机播种，播种量均为150 kg/hm2，生长期间管理措施与大田相同。小区面积为12 m2，重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦旗叶生理生化指标 分别于小麦开花后7、14、21、28 d取样，每次每个小区选取有代表性的旗叶若干，装入冰壶迅速带回实验室，保存于 -40 ℃ 低温冰箱中，用于测定旗叶各项生理生化指标。

叶绿素含量用丙酮乙醇比色法测定［21］；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定［21］；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250比色法测定［21］；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定［21］；SOD活性采用氮蓝四唑（NBT）比色法测定［21］；POD活性采用愈创木酚比色法测定［21］；脯氨酸含量采用磺基水杨酸比色法测定［21］。

1.3.2 产量及其构成因素 在小麦成熟期，各小区选取1 m双行小麦植株手工收获后，调查穗数、穗粒数，风干后测定籽粒质量和千粒质量，并折算产量。

1.4 数据分析

利用Excel整理试验数据，用DPS做方差分析及多重比较，用Origin绘制图表。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶叶绿素含量的影响

叶绿素是植物光合作用过程中，将光能向化学能转换和物质合成所用的关键生物体［22］。由图1可知，随着小麦开花后生育期的延长，叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、叶绿素总量均呈不断降低的趋势。不同施氮水平间的比较结果显示，叶绿素a含量在S0条件下，除S0N3外均随施氮量的增加而上升，在S1条件下，除S1N1外均随施氮量的增加呈上升的趋势；与S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的叶绿素a含量分别提高27.9%、38.1%、33.5%、42.7%、25.6%、22.6%、29.8%、40.3%、45.3%，S1N4处理下最高。叶绿素b含量在S0、S1条件下均随施氮量的增加而呈上升趋势，S1N4处理下最高。类胡萝卜素含量和叶绿素总量在S0条件下整体呈随施氮量的增加而上升的趋势，S0N3略低于S0N2；在S1条件下，除S1N1处理外整体呈随施氮量的增加而上升，S1N4处理下最高。与S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的叶绿素b含量分别提高56.1%、82.2%、92.0%、113.8%、52.3%、63.8%、65.6%、119.2%、119.9%；类胡萝卜素含量分别提高20.7%、26.9%、21.6%、33.2%、19.8%、15.0%、25.5%、26.9%、36.5%；叶绿素总量分别提高33.2%、46.3%、44.4%、56.0%、30.6%、30.3%、36.5%、55.1%、59.2%。通过比较发现，秸秆还田条件下的叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、叶绿素总量整体高于秸秆不还田条件，S1N4处理下的各指标整体上高于其他处理。

2.2 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶可溶性糖含量的影响

由图2可知，开花后随生育进程的推进，所有处理可溶性糖含量都呈现先上升后下降的单峰趋势，在开花后14 d达最高值。在同一时期，不同处理可溶性糖含量不同，不论秸秆是否还田，各个时期整体呈现N4>N3>N2>N1>N0的趋势。与S0N0相比，S0N1～S0N4、S1N0～S1N4的可溶性糖含量分别提高14.2%、33.6%、26.9%、36.1%、-6.7%、13.0%、19.0%、35.2%、68.2%，S1条件下的可溶性糖含量整体比S0条件下提高2.9%，S1N4处理下的小麦旗叶中可溶性糖含量明显高于其他处理。结果表明，秸秆还田与氮肥配合施用对可溶性糖积累有利，对籽粒碳水化合物的形成与积累具有明显的促进作用。

2.3 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶可溶性蛋白含量的影响

由图3可知，随着小麦开花后生育期的推进，小麦旗叶可溶性蛋白含量在不同处理中呈现先增加后减少的变化趋势，都在开花后14 d达到高峰。秸秆不还田处理下，可溶性蛋白含量整体呈现出N3>N4>N1>N2>N0的趋势；秸秆还田处理下，可溶性蛋白含量整体呈现出N3>N4>N2>N1>N0的趋势。与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较S0条件下小麦旗叶的可溶性蛋白含量各时期平均降低12.0%，S0N3处理下的小麦旗叶可溶性蛋白含量高于其他处理。

2.4 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶脯氨酸含量的影响

由图4可知，花后随着生育进程的推进，所有处理小麦旗叶中脯氨酸含量均呈现出先升后降的变化趋势，花后14 d达最高值。在S0条件下，脯氨酸的含量表现为N3>N2>N4>N0>N1，N3较N2各时期平均提高12.7%；在S1条件下，脯氨酸含量总体表现为N4>N3>N2>N1>N0，N4较N3各时期平均提高3.0%。S1较S0条件下小麦旗叶的脯氨酸含量平均降低39.1%，S0N3处理下小麦旗叶的脯氨酸含量高于其他处理。

2.5 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶SOD活性的影响

由图5可知，随着生育期进程的推进，SOD活性呈单峰曲线变化，在开花后14 d达到峰值。在S0处理下， 在各测定时期SOD活性均表现为N3>N4>N2>N1>N0；在S1处理下，SOD活性整体上呈现N3>N2>N4>N1>N0的趋势。同一施氮水平下，S1较S0条件下小麦旗叶的SOD活性平均提高了96.8%，S1N3处理下小麦旗叶的SOD活性高于其他氮肥处理。

2.6 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶POD活性的影响

由图6可知，各测定时期POD活性存在明显差异，随生育进程的推进，大多数处理呈先下降后上升的趋势，开花后14 d处于最低值。在S0处理下，各测定时期POD活性整体呈现N2>N3>N4>N0>N1的趋势；在S1处理下，各处理间的规律不明显，而N2、N3处理下的POD活性水平明显较高，且N3处理下的POD活性较N2各时期平均提高9.3%。同一施氮水平下，S1条件下的POD活性较S0各时期平均提高0.3%，且S1N3处理下的POD活性高于其他处理。

2.7 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶MDA含量的影响

由图7可知，随着小麦开花后生育期进程的推进，各处理下的MDA含量先缓慢降低后迅速升高，在S0条件下，小麦开花后14 d降到最低值；在S1条件下，开花后21 d降到最低值。在S0条件下，不同施氮水平之间MDA含量呈N1>N0>N2>N4>N3的趋势；在S1条件下，MDA含量呈N0>N4>N2>N1>N3的趋势。可能在S0条件下开花后14 d和S1条件下开花后21 d小麦生长旺盛，灌浆速度加快，是抗衰老能力较强的一种表现。S1条件下的MDA含量较S0各时期平均降低了1.02%；相比于S1N0，S1N1～S1N4处理下的MDA含量分别平均降低11.5%、-0.14%、8.4%、-17.3%。说明S1条件下的小麦旗叶MDA含量低于S0条件，但在秸秆还田与氮肥的交互影响下表现不稳定。

2.8 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦产量及其构成因素的影响

小麦的穗数、穗粒数、千粒质量是产量评价的重要指标，由表1可知，秸秆还田可以有效地促进穗数、穗粒数及千粒质量的增加，从而达到增产效果，不同氮肥处理在产量及其构成因子上亦有差异。随着施氮量的增加，小麦产量有提高的趋势。S1时小麦的平均产量比S0时增加8.4%。在S0条件下，与N0相比，N1～N4处理的小麦平均产量分别提高9.5%、22.4%、28.8%、23.5%，而N4处理却比N3处理降低4.1%；在S1条件下，与N0相比，N1～N4处理的小麦平均产量分别提高14.2%、23.2%、26.9%、22.8%，而N4处理却较N3处理减少3.2%。不论在S0条件下还是在S1条件下，施氮量超过N3时，增施氮肥带来的增产效应并不显著，甚至有减产的趋势。在产量构成要素方面，氮肥处理对穗数、穗粒数及千粒质量有显著影响。施氮量为0～240 kg/hm2时，随着施氮量的增加，穗数、穗粒数和千粒质量都有所增加，S1N3处理的穗数显著高于其他处理，N4处理下的穗数较N3处理低。

3 讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶光合生理的影响

光合作用在植物中是一个重要的代谢过程，对作物生长及产量形成有明显影响，但叶绿素却是植物进行光合作用最重要的色素。叶绿素含量在评价植物对环境的适应能力及生长状况时，也常常被当作一个重要指标。氮肥调节小麦旗叶叶绿素含量，可以促进旗叶光合作用和蒸腾作用，进而促进小麦产量的提高［23］。本研究结果显示，秸秆还田更有利于提高旱地小麦旗叶干物质的合成，这与前人的研究结果［24］一致。在秸秆还田条件下配施 300 kg/hm2 氮肥时，小麦旗叶的叶绿素含量平均值最高，能高效促进物质的合成和转化。

3.2 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶保护性酶的影响

抗性指标易受外界环境的影响。本研究中，秸秆还田后旱地小麦开花后旗叶SOD、POD活性均比秸秆不还田有所提高；通过各个施肥处理间比较，秸秆还田配施240 kg/hm2氮肥的施肥方式对提高小麦旗叶保护性酶SOD、POD活性的效果最佳。究其原因可能是秸秆还田后改善了土壤的生态环境，微生物活性提高，在此基础上增加适量氮肥，调节碳氮比，有助于秸秆分解［9］。随着小麦开花后生育期的延长，SOD活性先升后降，从开花后14 d起开始下降，在籽粒干物质积累的高峰期，叶片对活性氧的清除功能有所下降，这与王贺正等的研究结果［1，3，9，22，25］一致。POD活性先下降后上升，从开花后14 d开始上升，这与前人的研究结果［1，3，9，25］不一致。可能是秸秆还田与施氮量的交互作用之后，关系到POD功能的多样性，在保护酶系统中既是成员之一，也可以去除H2O2，同时还参与叶绿素降解，生成活性氧并启动膜脂过氧化，表现为伤害效应，还可能是取样时的气候、环境及其他因素不同导致的［26］。除了S1N3比其他处理的SOD、POD活性有明显的优势外，其他配施方式之间没有明显的规律性，其原因可能是秸秆还田时间较短，但这一结论还需进一步驗证。

3.3 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦旗叶衰老生理的影响

秸秆还田能降低小麦生育后期MDA含量，前人研究表明，MDA含量均随着冬小麦生育进程的推进逐渐增加［1，3，9，14］。本试验结果显示，随着小麦开花后生育期的推进，各处理下的MDA含量先缓慢降低后迅速升高，在秸秆不还田条件下，开花后14 d开始上升；在秸秆还田条件下，开花后 21 d 开始上升，这说明秸秆还田能够有效延缓小麦旗叶的衰老。可能是由于秸秆还田配施氮肥使植株的生理活动得到良好的土壤生态环境，并且对营养物质进行重组，提高植株对外界环境变化的应对能力，提高植株保护酶活性，由此缓解外界环境对植株造成的渗透胁迫，有利于加强植株对养分的吸收和利用［27］。本试验结果表明，秸秆还田配施氮肥较单施氮肥更能够有效降低小麦旗叶MDA含量，其中施氮水平为N3时最低，而高于这个水平的施氮量则有使小麦旗叶MDA含量大幅度升高的趋势。

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸可以减轻干旱及其他逆境对细胞膜系统造成的损伤，其不但是植物细胞中一种重要的渗透调节物质，同时也参与植物的生长发育过程，常常被当作植物叶片衰老的重要标志。可溶性糖不仅是作物对环境适应的信号物质，而且在逆境中还是作物渗透调节的主要物质［28］。谭娟等的研究表明，秸秆还田可显著增加小麦叶片中可溶性糖、脯氨酸及可溶性蛋白含量［29］。王贺正等的研究表明，在一定范围内增施氮肥，能显著提高小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸含量［3，30］。

本试验表明，不同氮素水平之间，小麦旗叶可溶性糖含量随施氮量增加而增加，秸秆还田配施氮肥较单施氮肥更能显著提高小麦旗叶可溶性糖含量，且在秸秆还田条件下施氮量为300 kg/hm2时最高，这与前人的研究结果［3，11，29-30］一致。叶片内可溶性蛋白作为光合作用的关键酶，对光合作用有间接影响，其含量和氮素含量之间存在着一定的联系，可溶性蛋白含量的增加有利于代谢产物的生成并最终提高产量［12］。有研究证明，蛋白降解是叶片衰老最基本的特征，而蛋白损失则是叶片衰老过程中最早期的一种体现［31］。本试验结果表明，小麦旗叶可溶性蛋白含量在一定范围内随着氮肥用量的增加而增加，即在施氮量为240 kg/hm2处理下的含量最高，而秸秆不还田条件下施氮量比秸秆还田条件下稍高。这可能是因为在秸秆还田条件下的氮素直接影响蛋白的合成［28］。不同氮素水平之间，无论秸秆是否还田，小麦旗叶中的脯氨酸含量随施氮量的增加而增加，但超过一定范围，则表现不稳定，即 240 kg/hm2 处理下的脯氨酸含量较高；而秸秆不还田较秸秆还田条件下的含量高，即秸秆不还田、施氮240 kg/hm2处理下的脯氨酸含量最高，这一结果与前人的研究结果［3，11，29-30］一致。

3.4 秸秆还田配施氮肥对旱地小麦产量及其构成因素的影响

Takahashi等认为，秸秆还田配施适量氮肥，可以解决土壤微生物和作物争夺土壤中氮源的问题，这一特点有利于获得更高的经济产量［32-33］。刘义国等研究认为，秸秆还田配施氮肥提高了小麦叶绿素含量，对旗叶的光合作用及蒸腾作用有积极作用，继而促进了物质的合成、转化和累积［34］。本试验结果表明，秸秆还田和施氮量对小麦产量具有明显的交互效应，无论秸秆是否还田，在一定范围内施用氮肥均能提高小麦产量，且秸秆还田配施合理用量的氮肥的增产效果更加明显，这与前人的研究结果［35-37］一致。240 kg/hm2的施氮水平是秸秆还田处理和不还田处理下，穗数、每穗粒数、千粒质量及产量最高的氮肥用量，且秸秆还田较不还田小麦增产6.3%。最终筛选出秸秆还田配施240 kg/hm2氮肥能最大程度上实现增产。

4 结论

本试验结果表明，秸秆还田配施适量氮肥对小麦产量和生理生化特性有交互效应，能提高小麦旗叶开花后的叶绿素、可溶性糖含量及SOD、POD活性，但并没有提高MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量。同时，秸秆还田配施适量氮肥可提高穗数、穗粒数及千粒质量，继而实现小麦增产。秸秆全量还田配施240 kg/hm2氮肥是当地生态条件下适宜旱地玉米秸秆还田后小麦生产的最优氮肥水平。

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