不同耕作方式與秸稈還田對土壤養(yǎng)分及小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

周正萍 田寶庚 陳婉華 王子陽 袁 偉 劉世平

（揚州大學/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，225009，江蘇揚州）

中國是世界上秸稈資源最為豐富的國家之一，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量已達9億t，其中糧食作物類秸稈產(chǎn)量占70%左右。傳統(tǒng)的秸稈處理方式多為就地焚燒，不僅浪費秸稈中大量的養(yǎng)分資源，而且增加大氣污染。前人對于秸稈的優(yōu)化處理已做了不少研究，結(jié)果表明，適當?shù)慕斩掃€田具有改善土壤結(jié)構(gòu)[1]、降低土壤容重[2]和改變土壤水熱條件[3-4]等功能，秸稈還田還可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用，符合發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的要求。

20世紀30年代，美國提出保護性耕作模式，其指導思想是在促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對可利用的土壤及生物資源進行高效率綜合管理，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[5]。保護性耕作技術(shù)主要包括秸稈還田、少耕和免耕等，我國北方地區(qū)最早將免耕技術(shù)應用于小麥種植試驗，隨后在全國不同類型生態(tài)區(qū)展開保護性耕作技術(shù)的多方面研究，從作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益發(fā)展到土壤理化性質(zhì)等[6]，已取得一定的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。根據(jù)前人研究結(jié)果可知，保護性耕作會直接或間接影響土壤的物理性質(zhì)[7]和耕層養(yǎng)分含量[8]。衣明圣等[9]研究表明長期采用小麥田免耕覆蓋方式可顯著提高土壤表層有機質(zhì)和全氮含量。我國主要農(nóng)業(yè)區(qū)的保護性耕作模式總體表現(xiàn)為“少裸露”、“少動土”、“高保蓄”和“高效益”的特點，不同區(qū)域可通過耕法與配套技術(shù)的有效組合，形成有區(qū)域特色的耕作體系[10]。

江蘇省地處江淮下游，以稻麥兩熟制為主，其中小麥年種植面積約為220萬hm2，是我國最大的稻茬小麥生產(chǎn)省，小麥在江蘇省糧食生產(chǎn)上占有重要地位。趙華桐等[11]研究發(fā)現(xiàn)免耕與秸稈還田有助于籽粒干物質(zhì)的積累，提高小麥產(chǎn)量；顧克軍等[12]進行了2年田間試驗，得出秸稈還田配合適宜的耕作方式可穩(wěn)定小麥的產(chǎn)量；同時也有研究[13-14]表明，生態(tài)環(huán)境、土壤質(zhì)地及肥力等都會影響小麥籽粒的品質(zhì)。在江蘇地區(qū)針對稻麥兩熟區(qū)耕法的研究多為短期定位試驗，因此，為了完善對該地區(qū)耕作體系的研究，探尋適宜小麥生產(chǎn)的耕作模式，本試驗設(shè)置不同耕作方式和秸稈還田的組合模式，于2001年秋播開始進行長期定位試驗，跟蹤測定了2009-2018年土壤有機質(zhì)和全氮的變化，分析不同耕作方式和秸稈還田組合對小麥產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響，為該地區(qū)小麥高產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2001年秋季開始播種，在揚州大學江蘇省作物遺傳生理實驗室試驗田進行，土壤類型為砂壤土，試驗開始時耕層土壤含有機質(zhì)14.66g/kg，全氮0.97g/kg，堿解氮87.9mg/kg，速效磷30.8mg/kg，速效鉀75.5mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

共設(shè)6個處理（表1），免耕為秸稈覆蓋還田，少耕為旋耕還田，耕深10～12cm，翻耕耕深14～16cm，稻麥季翻耕無秸稈還田是該區(qū)傳統(tǒng)的耕作方式，即對照（CT），各處理小區(qū)面積50m2，重復3次，隨機排列。小區(qū)間筑埂進行隔離，保證單獨灌排水。

表1 試驗處理Table 1 Treatments of experiment

1.3 供試品種與種植方式

1.3.1 供試品種 在2018-2019年，以弱筋小麥揚麥22號為試驗材料，前茬水稻品種為南粳9108。

1.3.2 種植方式 在10月水稻收獲后，小麥于11月初進行人工開溝條播，播量為120kg/hm2，行距25cm。小麥季施基肥尿素245kg/hm2、過磷酸鈣600kg/hm2和氯化鉀120kg/hm2，后期追施尿素147kg/hm2，整個小麥生育期施純氮180kg/hm2，其中基蘗肥與穗肥比例為7:3。

1.4 指標測定與方法

1.4.1 土壤養(yǎng)分 在水稻收獲后，分別在0～7、7～14和14～21cm 土層進行取土壤樣品備用。采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量；采用半微量開氏法測定土壤全氮含量，計算3層土壤養(yǎng)分的平均值即土壤耕層（0～21cm）的有機質(zhì)和全氮含量。

1.4.2 小麥產(chǎn)量 于小麥成熟期在每個小區(qū)選取5個點調(diào)查穗數(shù)；選取5個5m2樣方收割測定實際產(chǎn)量；取樣考種，測定穗粒數(shù)和千粒重。

1.4.3 小麥籽粒品質(zhì) 使用HQ-TO1000型容重器測定籽粒容重；利用Quadrumat junior實驗磨粉機（德國Brabender公司）出粉并計算小麥籽粒出粉率；利用BAU-A型沉淀值測定儀測定籽粒沉淀值；利用1241近紅外谷物快速品質(zhì)分析儀（瑞典Foss公司）測定籽粒硬度、蛋白質(zhì)和濕面筋含量；用Super3快速粘度儀（RVA，澳大利亞Newport Scientific公司）測定淀粉糊化特性。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0軟件處理數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式和秸稈還田下土壤耕層養(yǎng)分的動態(tài)變化

2.1.1 土壤耕層有機質(zhì)的變化 由表2可知，2009-2018年，各處理土壤平均有機質(zhì)含量為MTS＞CTS＞NTS＞RNT＞RCT＞CT，且均顯著高于CT處理，增幅為11.15%～29.64%，說明長期秸稈還田有利于提高土壤耕層的有機質(zhì)含量。MTS和CTS處理土壤有機質(zhì)平均含量較高，且兩者差別不大，表明一定范圍內(nèi)秸稈還田量對土壤有機質(zhì)含量影響較小，主要與耕作方式有關(guān)，少耕秸稈還田更有利于有機質(zhì)積累。稻季或麥季免耕處理土壤平均有機質(zhì)含量略低于NTS處理，但差異均不明顯。綜合來看，長期秸稈還田對土壤有機質(zhì)含量增加效果顯著，并且以稻麥雙季少耕與秸稈減量還田處理對土壤有機質(zhì)增加的貢獻較突出。

表2 不同耕作方式與秸稈還田對土壤耕層有機質(zhì)含量的影響Table 2 Effects of different tillage methods and straw returning on soil organic matter content g/kg

2.1.2 土壤耕層全氮的變化 從2009-2018年的土壤全氮平均含量（表3）來看，各處理的全氮平均含量變化規(guī)律與有機質(zhì)一致，均高于CT，較CT增幅為5.21%～19.76%，其中，MTS和CTS與CT處理均存在顯著差異，MTS處理的全氮含量最高。綜上，稻麥雙季少耕與秸稈減量還田更有利土壤全 氮含量的積累，翻耕秸稈還田全氮含量也較高。

表3 不同耕作方式與秸稈還田對土壤耕層全氮含量的影響Table 3 Effects of different tillage methods and straw returning on soil total nitrogen content g/kg

2.2 不同耕作方式與秸稈還田對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同耕作處理對2018-2019年小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響結(jié)果見表4，RCT、CT和RNT處理實際產(chǎn)量較高，且RCT和CT處理均顯著高于NTS處理，NTS處理小麥實際產(chǎn)量較RCT、CT、RNT處理分別減產(chǎn)16.33%、15.48%和10.34%。CTS和MTS處理較CT略低，但差異不顯著。從小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，CT處理的穗數(shù)最高，NTS處理的穗數(shù)最低，兩者存在顯著差異，說明長期稻麥雙季免耕與秸稈還田對小麥穗數(shù)有較大影響，過多覆蓋秸稈且未能及時腐解會影響小麥的基本苗數(shù)，RNT和MTS穗數(shù)也較低，免耕和少耕秸稈還田影響小麥穗數(shù)；各處理穗粒數(shù)無明顯差異，MTS處理穗粒數(shù)較多，CTS較少；千粒重以NTS處理最高，顯著高于除RNT外的其余各處理，表明免耕有利于小麥后期籽粒灌漿；MTS處理小麥的實際產(chǎn)量要遠低于理論產(chǎn)量，而該處理下小麥穗粒數(shù)最多，可能與小麥成熟略早而造成的麥粒脫落有一定的關(guān)聯(lián)。綜上，不同耕法和秸稈還田對小麥產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在穗數(shù)和千粒重上，且長期秸稈還田影響小麥穗數(shù)，免耕則有利于提高小麥的千粒重。

表4 不同耕作方式與秸稈還田對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 4 Effects of different tillage methods and straw returning on wheat yield and its components

2.3 不同耕作方式與秸稈還田對小麥籽粒品質(zhì)的影響

由表5可知，不同耕作方式處理下小麥品質(zhì)指標皆存在一定差異。從小麥的加工品質(zhì)來看，NTS和RNT處理小麥硬度和出粉率較低，與其他處理存在顯著差異，免耕處理下小麥易于研磨但出粉率較低；同時RNT處理濕面筋含量達到最高，沉淀值顯著高于除CTS外的其余各處理，適于制作面條，有利于提高面條筋道。RCT處理小麥的硬度和出粉率較高，但與CT無顯著差異。從小麥的營養(yǎng)品質(zhì)來看，CTS處理小麥蛋白質(zhì)含量最高，與CT、NTS處理間存在顯著差異，而該處理下淀粉含量最低，顯著低于NTS處理。綜上可得，麥季免耕與秸稈還田對小麥加工品質(zhì)有所改善；翻耕秸稈還田提高了籽粒蛋白質(zhì)含量；長期免耕有利于小麥籽粒淀粉的積累，但降低了籽粒蛋白質(zhì)含量。

表5 不同耕作方式與秸稈還田對小麥籽粒品質(zhì)的影響Table 5 Effects of different tillage methods and straw returning on grain quality of wheat

2.4 不同耕作方式與秸稈還田對小麥淀粉RVA參數(shù)的影響

由表6可以看出，不同處理下，小麥淀粉的峰值黏度、低谷黏度和最終黏度存在著顯著差異。RNT處理小麥籽粒淀粉的峰值黏度、低谷黏度和最終黏度均為最高，且與NTS處理存在顯著差異，其中低谷黏度和最終黏度要顯著高于CT處理。除稀懈值外，NTS處理的淀粉糊化特性參數(shù)均為最低，影響中筋小麥面條的品質(zhì)。RCT處理淀粉糊化峰值時間要顯著高于CT和NTS處理，對面條質(zhì)量有提高作用。綜上，RNT和RCT處理均有提高小麥粉面條品質(zhì)的趨勢，長期稻麥雙季免耕與秸稈還田使中筋小麥面條的品質(zhì)降低。

表6 不同耕作方式與秸稈還田對小麥RVA參數(shù)的影響Table 6 Effects of different tillage methods and straw returning on the RVA parameters of wheat

3 討論

3.1 不同耕作方式與秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響

一般認為，長期連續(xù)性種植農(nóng)作物會逐漸降低土壤耕作層的養(yǎng)分含量，可通過改進耕作方式，適當減少對土壤的擾動以減緩土壤結(jié)構(gòu)退化甚至改善土壤肥力。本試驗發(fā)現(xiàn)在長期不同耕作處理下，有機質(zhì)和全氮含量的變化規(guī)律大致相似；連年的秸稈還田經(jīng)過秸稈腐解過程可在土壤表層積累較多有機質(zhì)[15]，少耕與翻耕的形式又促進秸稈與土壤的接觸，在土壤微生物的作用下，秸稈被充分腐解，土壤耕層的有機質(zhì)含量得到顯著改善。張春霞等[16]在黃土高原區(qū)進行了長達24年的秸稈還田研究，結(jié)果表明土壤表層的有機質(zhì)、全氮均出現(xiàn)富集趨勢，秸稈加快有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，達到提高土壤肥力的效果，這與本試驗結(jié)果一致。但也有試驗表明，長期定位秸稈還田對土壤肥力無明顯提高作用[17]，可能是地理位置不同或者不同的農(nóng)作物秸稈還田導致的結(jié)果。同時本研究也表明，稻麥雙季少耕與秸稈減量還田更利于土壤肥力的提高，少耕秸稈還田處理由于僅作用于土壤淺層，養(yǎng)分流失少，秸稈在耕作層與土壤充分混合，微生物能加速秸稈的腐解，所以在耕作層表現(xiàn)出較高的養(yǎng)分含量[18]；而在稻麥雙季免耕與秸稈還田處理情況下，由于土壤表層養(yǎng)分出現(xiàn)富集現(xiàn)象，土壤整個耕層的養(yǎng)分含量也呈現(xiàn)優(yōu)于對照的趨勢，但長期免耕會導致土壤容重變大，秸稈部分遺留在表層，未能與土壤充分接觸，腐解較慢，也影響秸稈腐解產(chǎn)物向下層遷移，致使土壤肥力的改善受到限制[19-20]。

3.2 不同耕作方式與秸稈還田對小麥產(chǎn)量的影響

根據(jù)前人研究可知，耕作方式對小麥產(chǎn)量的影響因區(qū)域的生態(tài)條件、秸稈還田的種類和耕作處理的時長等不同而得到的結(jié)論不一致。有學者認為免耕與秸稈還田有利于小麥增產(chǎn)，且只要進行覆蓋還田，產(chǎn)量均高于未覆蓋還田處理[21]。賈樹龍等[22]進行連續(xù)少免耕試驗，研究發(fā)現(xiàn)處理對前3年產(chǎn)量無影響，而后小麥產(chǎn)量陸續(xù)出現(xiàn)顯著降低的趨勢。本試驗結(jié)果表明，連續(xù)免耕與秸稈還田較翻耕處理顯著降低了小麥產(chǎn)量，且主要是由于穗數(shù)的顯著降低，或是秸稈還田量較多，加之長期免耕使土壤容重變大導致微生物活動能力降低[23-24]，秸稈未能及時腐解，從而降低小麥的播種質(zhì)量，影響小麥出苗率和出苗質(zhì)量[25]，同時，由于2018年冬季該地多雨寡照，小麥苗內(nèi)在素質(zhì)較差，易受影響，即使小麥生長后期土壤肥力高，氣溫高，光照足，小麥籽粒灌漿充實，但產(chǎn)量也未能有所好轉(zhuǎn)。長期翻耕或少耕與秸稈還田處理下土壤肥力雖為最高，但不利于增加小麥群體及穗粒數(shù)，對粒重也無顯著影響，可能與小麥植株對土壤養(yǎng)分吸收利用率有關(guān)，還有待進一步研究。稻季或麥季一季免耕與秸稈減量還田情況下，還田量較少，土壤肥力適宜，對小麥生長無明顯抑制作用，小麥皆達到了較高產(chǎn)量。

3.3 不同耕作方式與秸稈還田對小麥籽粒品質(zhì)的影響

保護性耕作通過改變土壤生態(tài)環(huán)境來影響小麥籽粒的品質(zhì)，前人研究表明其結(jié)果隨基因型、施肥、灌溉和播期等的不同而變化[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，稻麥雙季翻耕秸稈全量還田處理小麥籽粒蛋白質(zhì)含量要顯著高于免耕與秸稈還田處理，這與張禮軍等[28]研究結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果還表明，稻季或麥季免耕與秸稈還田對小麥的加工品質(zhì)也有改善的趨勢。小麥的淀粉糊化特性與面條品質(zhì)有一定的關(guān)聯(lián)，眾多學者認為峰值黏度是衡量面條質(zhì)量的重要指標[29-31]。本試驗中，稻麥雙季免耕與秸稈還田處理小麥淀粉糊化參數(shù)除稀懈值外皆為最低，顯著降低了小麥的面條品質(zhì)，與劉世平等[32]研究結(jié)果一致?？偟膩砜矗溂久飧c秸稈還田處理小麥的加工品質(zhì)以及面條質(zhì)量得到顯著改善，符合該地發(fā)展中弱筋小麥的要求。

4 結(jié)論

不同的耕作方式對土壤養(yǎng)分影響顯著，少耕、輪耕和秸稈還田等耕作措施都能有效地改善土壤肥力，其中翻耕或少耕與秸稈還田的組合對土壤有機質(zhì)和全氮含量的提高最為明顯，但對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響不顯著，生產(chǎn)上加強耕作機具與秸稈還田配套，提高整地質(zhì)量，也能獲得較高產(chǎn)量。同時，麥季免耕與秸稈還田更有利于提高中弱筋小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)，且減少部分機械耕作費用，省工節(jié)本，可作為該地發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效小麥優(yōu)先選擇的耕作技術(shù)組合。