土壤耕作方式对冬小麦根系生理特性的影响

于丽娜，戈秋妹，任莹，韩欣芃，尹宝重*

（1.枣强县农业农村局，衡水 枣强 053100；2.河北农业大学植物保护学院，河北 保定 071001；3.河北农业大学生命科学学院，河北 保定 071001）

根系是植物获取养分和水分的重要器官[1]，对植物生长可塑性起到了至关重要的作用。根系生长受土壤物理结构、水热特征、化学性状等环境因素影响很大，如，当土壤容重超过作物生长的适宜范围后，即使微小增加也会给根系生长带来更大的机械阻力，造成根系活力和形态分布受到影响，对作物产量造成负面效应[2，3]。研究表明，当根系在容重较大、紧实度较高的土壤中生长时，其轴向的细胞伸长和形成速率受到抑制，根系伸长速率下降，这对作物吸收水分和养分以及增强抗倒伏性是极为不利的[4]。因此，塑造良好的土壤环境，促进根系生长发育，是充分利用土壤水分和养分，保障作物产量建成的重要途径。

耕作是人类改变土壤环境最直接的手段，长期以来，广大科技工作者围绕耕作改变土壤理化性状、水热状态，以及作物水分和养分利用，作物形态、生理生化等层面的适应性进行了诸多有益研究。尤其在一些长期采用单一耕作方式的地区，改变耕作方式对增强作物根系活力、延长根系生命周期、提高作物抗逆力具有重要意义。尹宝重等[5，6]研究表明，在连年采用免耕—旋耕的种植体系中实施深松作业，可提高玉米根系活力，改变根区微生物动态。类似研究在中国的黄土高原[7]、胶东半岛潮褐土区[8]、东北黑土区[9]也有很多。但是，不同区域的土壤类型、种植制度、气候环境等存在较大差异，这就导致不同区域耕作方式的研究结果缺乏直接借鉴的价值。因此，针对各区域农业要素差异优化耕作方式，是提升农业生产力的重要途径。

冬小麦—夏玉米一年两熟制是河北省平原最主要的种植制度，且大部分地区采用两季作物均秸秆还田，玉米季免耕、小麦季旋耕的土壤耕作方式。近年来，随着玉米高产的需要，其播量有增大趋势，导致需要还田的玉米秸秆量增加，影响后茬小麦旋耕作业的深度，造成麦田耕层变浅，农田蓄水能力下降、透气性变差、养分状况恶化、微生物活性降低等一系列耕地生产力退化的问题[10]。因此，探索更为合理的土壤耕作方式，提升耕地的可持续生产能力势在必行。基于此，在多年实施小麦—玉米一年两熟制的河北平原区，研究不同耕作方式下小麦根系生理特征的响应特征，可为构建适应区域特殊种植制度的土壤耕作体系提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2020～2021 年在河北农业大学辛集实验站进行。试验区土壤为中壤土，0～20 cm 耕层基础土壤养分含量为有机质12.6 g/kg、全氮1.19 g/kg、碱解氮68.4 mg/kg、速效磷23.4 mg/kg、速效钾119.5 mg/kg。试验期间该区降水量为64.9 mm，属偏干旱年型。截至2017 年小麦季播种前，该试验田采用小麦—玉米一年两熟制已连续种植10 a，两季作物均秸秆还田，玉米季免耕、小麦季旋耕。

1.2 试验材料

供试小麦品种为马兰1 号。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 2017 年小麦播种前开始进行土壤耕作方式处理，土壤耕作方式设连年深松（S）、隔年深松（SR）、隔2 a 深松（SRRS）和旋耕（R，CK）4 个处理（表1），玉米季全部采用常规免耕播种。小区面积240 m2，随机区组排列，3 次重复。小麦深松作业采用2BMYFS 系列深松免耕施肥播种机（山东天盛机械科技股份有限公司）进行，深松间隔年限小麦采用2BFG-18 型小麦旋耕施肥播种机（河北农哈哈机械公司）旋耕（作业深度15 cm）；玉米季免耕种肥同播。2020 年10 月11 日趁墒播种小麦，行距15 cm，基本苗348.5 万株/hm2。2020～2021 年小麦季，分别在苗期、拔节期和开花期灌水，总灌水量为172.5 mm。小麦播前底施氮肥（N）120 kg/hm2、磷肥（P2O5）112.5 kg/hm2、钾肥（K2O）112.5 kg/hm2，春季随灌水追施氮肥（N）120 kg/hm2。其他管理同常规。

表1 试验设计的小麦季土壤耕作方式Table 1 Experimental design of soil tillage methods for the wheat season

1.3.2 测定项目与方法 分别在小麦拔节期、开花期和乳熟期，采用根钻法取0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60 cm、60～80 cm 土层的根系，于行间、1/2 行距各取一钻混合，每重复随机3 个取样点，每处理3 次重复。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定根系活力[11]；采用甲烯蓝比色法测定根系总吸收面积和活跃吸收面积[12]，计算根系活跃吸收面积比例（根系活跃吸收面积/根系总吸收面积×100%）。

1.3.3 数据统计与分析 采用SPSS 26.0 软件进行数据统计，采用LSD 法进行数据的多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 土壤耕作方式对小麦根系活跃吸收面积比例的影响

不同土壤耕作方式对主要生育期不同深度土层小麦根系活跃吸收面积比例的影响不同（图1）。

图1 耕作方式对主要生育期不同深度土层小麦根系活跃吸收面积比例的影响Fig.1 Effect of tillage methods on the proportion of active absorption area of wheat roots in different depths of soil layers during the main growth period

2.1.1 拔节期 0～15 cm 土层，前期试验年度无论是深松还是旋耕，试验开始后小麦当季进行过旋耕的地块根系活跃吸收面积比例均显著＞连年深松地块，平均高10.8 百分点，其中，隔年深松与连年深松处理的指标值差异不显著，但二者均显著＞隔2 a 深松处理；15～30 cm 土层，旋耕/深松交替进行的地块根系活跃吸收面积比例显著＞连年旋耕或深松地块，平均高15.2 百分点；30～60 cm 土层，深松频率高的处理根系活跃吸收面积比例更大，其中，连年深松处理的指标值最高，平均较其他处理高4.6 百分点；60～80 cm 土层，小麦根系活跃吸收面积比例受土壤耕作方式影响的规律性不强，不同处理的指标值差异均不显著。

2.1.2 开花期 以深松为核心的3 个土壤耕作方式处理平均根系活跃吸收面积比例较连年旋耕地块低12.0百分点。旋耕/深松交替进行的地块，尤其是隔年深松处理下0～15 cm 土层平均活跃吸收面积比例更高，平均较其他2 个深松处理高9.1 百分点；15～30 cm 土层受土壤耕作方式影响的规律性更为明显，旋耕/深松交替进行的地块根系活跃吸收面积比例显著高于连年旋耕或深松地块，平均高17.8 百分点；30 cm 以下土层，随着土层深度的增加，根系活跃吸收面积比例受土壤耕作方式影响的差异逐渐缩小，至60～80 cm 土层，根系活跃吸收面积比例依然是深松频率高的地块指标值更大，尤其是连年深松的地块根系活跃吸收面积比例显著较高。

2.1.3 乳熟期 不同土壤耕作方式处理的0～15 cm 土层根系活跃吸收面积比例与之前相比均已显著降低，这与小麦生育后期上层根系衰老密切相关；15 cm 以下土层根系活跃吸收面积依然保持较大，尤其是15～30 cm 土层根系已成为各处理小麦吸收土壤水分和养分的重要部分。旋耕/深松交替进行的地块平均根系活跃吸收面积比例较连年旋耕或深松地块高13.0 百分点，其中隔年深松/旋耕交替进行的地块指标值最高，平均较连年旋耕或深松地块高14.4 百分点。30～45 cm土层也有类似趋势，但各处理的根系活跃吸收面积比例均有不同程度的下降。至60～80 cm 土层，各处理的根系活跃吸收面积比例均降至10%以下，对作物水分和养分的吸收作用有限。

总体来看，旋耕有利于提高上层土壤的小麦根系活跃吸收面积，深松有利于提高下层土壤的小麦根系＞吸收面积；旋耕/深松交替进行时对上下层土壤小麦根系的影响较为均衡。采用旋耕或旋耕/深松交替进行的地块，有利于提高0～15 cm 土层的根系活跃吸收面积，平均较单独深松地块高6.1 百分点；采用深松/旋耕交替，尤其是隔年深松，对提高15～45 cm 土层的根系活跃吸收面积较为有利，平均较其他处理提高6.1 百分点。

2.2 土壤耕作方式对小麦根系活力的影响

不同土壤耕作方式对主要生育期不同深度土层小麦根系活力的影响不同（图2）。

图2 耕作方式对主要生育期不同深度土层小麦根系活力的影响Fig.2 Effect of tillage methods on the root activity of wheat in different depths of soil layers during the main growth period

2.2.1 拔节期 0～15 cm 土层，前期试验年度无论是深松还是旋耕，试验开始后小麦当季进行过旋耕的地块根系活力均显著＞连年深松地块，平均高12.3%；15～30 cm 土层，旋耕/深松交替进行或连年深松的地块根系活力均显著＞连年旋耕地块，平均高24.8%，其中，隔2 a 深松处理效果最好，根系活力较其他处理平均高23.5%；30～45 cm 土层也有类似趋势，至60 cm土层依然是旋耕/深松交替进行的地块根系活力较高。

2.2.2 开花期 0～15 cm 土层，连年旋耕或旋耕/深松交替进行的地块根系活力均＞连年深松地块，其中，隔年深松（SR）处理的根系活力最高，较其他3 个处理平均高13.9%；15～30 cm 土层也有类似规律，连年深松或深松/旋耕交替进行的地块根系活力均显著＞连年旋耕地块，平均高19.8%；30～45 cm 土层也有类似规律，以深松为核心的3 个土壤耕作方式处理根系活力平均较连年旋耕处理高38.5%。45～60 cm 土层，则表现为深松/旋耕交替进行的地块根系活力更高，平均是连年深松或旋耕处理根系活力的2.5 倍。60～80 cm土层，深松/旋耕交替进行或连年深松的地块根系活力依然显著＞连年旋耕地块。

2.2.3 乳熟期 不同土壤耕作方式处理的0～15 cm 土层根系活力与之前相比均已显著降低，但各处理差异依然较为明显，其中，0～15 cm 土层，连年旋耕或当季旋耕的地块根系活力依然较高，平均较当季深松或连年深松的地块高19.8%。15～30 cm 土层，隔2 a 深松（SRRS）处理的根系活力最高，较其他处理平均高15.4%。30～45 cm 土层，各处理根系活力明显低于15～30 cm 土层，且处理间差异缩小，S、SR 和SRRS这3 个处理已无显著差异。60～80 cm 土层，各处理根系活力，进一步降低；其中，SR 与S 处理根系活力相当，且显著高于其他处理。

总体来看，旋耕（R）有利于提高0～15 cm 土层土壤的小麦根系活力，而旋耕与深松交替（SR 或SRRS）处理，则利于提高15～60 cm 土层根系活力，平均较单独深松或旋耕处理提高33.3%和16.9%。

2.3 不同土壤耕作方式下小麦根系活力与根系活跃吸收面积比例的相关性

0～15 cm 和15～30 cm 土层的小麦根系活力与30～45 cm 土层的小麦根系活力具有显著正相关（平均r为0.68～0.82）；0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 土层的小麦根系活力与45～60 cm 土层的小麦根系活力具有显著正相关（平均r为0.83～0.90）（图3）。

图3 不同耕作方式下小麦根系活力与根系活跃吸收面积的相关性Fig.3 Correlation between root activity and active absorption area of wheat under different tillage methods

不同深度土层的小麦根系活跃吸收面积比例相关性较差，仅30～40 cm 土层与60～80 cm 土层的小麦根系活跃吸收面积比例相关性较高（r=0.84）。

0～15 cm 土层的小麦根系活跃吸收面积比例与相同深度土层的小麦根系活力具有显著正相关（r=0.96），但在其他深度类似的相关性并不明显；0～15 cm 和15～30 cm 土层的小麦根系活跃吸收面积比例与15～30 cm土层的小麦根系活力具有显著正相关性（平均r=0.69）。总体来看，不同土层的小麦根系活力相关性较高，上层与下层根系活力一般均具有显著正相关（平均r变幅0.68～0.90）；上下土层的根系活跃根系吸收面积比例相关性较差。

3 结论与讨论

耕作直接作用于土壤，改变土壤物理结构和对根系生长的机械阻力，影响根系生长和生理，进一步影响地上部生长[13]。Dahong Bian 等[14]发现，深松可有效打破犁底层，提高夏玉米根系的长度、深度和数量。Li 等[15]研究显示，与常规翻耕相比，免耕处理影响作物的根系生长，尤其是0～10 cm 上层土壤根系长度和面积降低显著。张瑞富等[16]认为，深松可以改善较深土层的环境条件，促进较深土层根系生长发育以及干重增加，且使玉米生长后期根系仍保持较高活力，延缓根系衰老。同时，深松还可增大根系活跃吸收面积，Yin 等[17]研究表明，深松播种可显著提高玉米根系活跃吸收面积，20～40 cm 土层表现尤为明显。本研究结果表明，旋耕有利于提高上层土壤的小麦根系活力，深松有利于提高下层土壤的小麦根系活力，而旋耕与深松交替（SR 或SRRS）处理则利于提高15～60 cm 土层的小麦根系活力，平均较单独深松或旋耕处理提高33.3%和16.9%。根系活力在不同土层中相关性较高，上层与下层根系活力一般均具有显著正相关（平均r变幅0.68～0.90），活跃根系吸收面积比例在上下土层之间相关性则较差。本研究结果与前人研究结果类似，但根系活跃吸收面积与根系活力之间的相关性较小，而且不同深度土壤根系活跃吸收面积之间的相关性也较小，这还需要进一步研究。

连年旋耕可提高上层土壤的小麦根系活力和活跃吸收面积比例，连年深松则有利于提高深层土壤的小麦根系活跃吸收面积比例和根系活力。旋耕/深松交替进行，尤其是隔年深松，效果较为理想，可兼顾表层与中深层土壤的小麦根系情况。建议在河北平原以及其他连年采用小麦—玉米两熟种植、小麦季旋耕、玉米季免耕的地区，采用隔年深松的耕作方式，可有效提高小麦根系活力，增大小麦根系活跃吸收面积的比例。