豫北潮土區(qū)輪耕模式對小麥光合特性、產量及土壤養(yǎng)分的影響

牛潤芝，朱長偉，姜桂英，楊 錦，羅 瀾，申鳳敏，劉 芳，劉世亮

(河南農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002)

小麥是我國重要的糧食作物，對保障糧食安全具有重要意義。小麥冠層光合性能對產量有重要作用，葉是小麥冠層光合作用最主要的貢獻者，葉綠素對光合作用具有重要意義[1]。土壤養(yǎng)分含量直接影響土壤供應植株生長發(fā)育所需養(yǎng)分的能力。長期單一的耕作方式造成土壤耕層變淺，養(yǎng)分富集在土壤表層，從而影響作物根系下扎，不利于作物生長[2-3]。輪耕措施將深耕、旋耕和淺旋耕等各項耕作方式合理配置，可減少長期單一土壤耕作產生的缺點[4-5]，也能提高土壤理化性質，為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造適宜的條件[6-8]，從而增加小麥光合作用和葉綠素含量[9-10]，進而獲取較高的籽粒產量。因此，探索不同耕作方式對小麥光合特征和土壤養(yǎng)分含量的影響具有重要意義。韓上等[11]研究認為，在耕層薄化處理土壤上，深耕和旋耕配合秸稈還田能夠提高土壤有效磷和速效鉀含量。王玉玲等[12]研究認為，與單一耕作相比，深松、翻耕和免耕組成的3種輪耕模式能提高土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量。侯賢清等[13]研究發(fā)現，相較于連年翻耕，免耕/深松隔年輪耕顯著提高0～40 cm土層土壤有效養(yǎng)分含量。王維等[14]研究表明，連年深松、連年免耕和二者輪耕能夠通過提高播前底熵進而提高小麥花后光合能力和旗葉葉綠素相對含量。侯賢清等[15]研究發(fā)現，深松覆蓋和免耕覆蓋提高了葉綠素相對含量，使旗葉保持較高的光合能力。趙亞麗等[16]研究發(fā)現，在黃淮海地區(qū)，深耕+秸稈還田有利于葉片光合速率的提高，促進作物增產。前人雖就耕作對冬小麥光合特性、產量及土壤養(yǎng)分方面的影響進行了研究，但大多是單一耕作模式之間的比較，對不同輪耕模式還有待于進一步研究。

豫北潮土區(qū)是我國重要的糧食生產區(qū)，因此，本研究以該地區(qū)小麥-玉米輪作體系為研究對象，設置5種輪耕模式，探索不同輪耕模式下冬小麥光合特性、產量和土壤養(yǎng)分的差異性，旨在為制定適合該地的耕作措施提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗始于2016年10月小麥季，在河南省原陽縣河南農業(yè)大學科教園區(qū)(N35°19′，E113°50′)進行，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，土壤類型為典型砂質潮土，試驗前0～20 cm土層基本理化性質為：有機質17.3 g/kg，全氮1.0 g/kg，堿解氮71.3 mg/kg，有效磷21.6 mg/kg，速效鉀108.0 mg/kg，pH值7.2。

1.2 試驗設計

試驗采用大田小區(qū)設計，前茬作物秸稈全量還田的條件下，在2016—2019年連續(xù)進行夏玉米季免耕播種，冬小麥季實施5種輪耕模式，3 a一周期：連續(xù)旋耕(RT-RT-RT)，即對照；深耕-旋耕-旋耕(DT-RT-RT)；深耕-旋耕-條旋耕(DT-RT-SRT)；深耕-條旋耕-條旋耕(DT-SRT-SRT)；深耕-條旋耕-旋耕(DT-SRT-RT)。小區(qū)面積為16.0m×6.2 m=99.2 m2，設3次重復。

具體耕作方式與深度如下：深耕，即玉米收獲后，秸稈全量粉碎還田，鏵式犁翻耕1遍(翻耕深度28～30 cm)，旋耕機整地2遍，常規(guī)播種小麥；旋耕，即玉米收獲后，秸稈全量粉碎還田，旋耕機整地2遍(旋耕深度13～15 cm)，常規(guī)播種小麥；條旋耕，即玉米收獲后，秸稈全量粉碎還田，淺旋整地2遍(旋耕深度5～8 cm)，常規(guī)播種小麥。玉米季采用免耕播種機進行種肥同播，鐵茬播種。

供試小麥品種是鄭麥369，播量232.5 kg/hm2，基肥施用氮肥(N)150 kg/hm2、磷肥(P2O5)120 kg/hm2、鉀肥(K2O)120 kg/hm2，拔節(jié)期追施氮肥(N)69 kg/hm2。供試玉米品種為浚單29，密度67 500 株/hm2，肥料施用量為氮肥(N)210 kg/hm2、磷肥(P2O5)75 kg/hm2、鉀肥(K2O)90 kg/hm2。

1.3 樣品的采集與測定

小麥光合特性：2019年小麥拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期，使用LI-6400便攜式光合測定儀(LI-COR公司，美國)進行冬小麥旗葉(拔節(jié)期取頂部第1片完全展開的葉片)凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導度(Stomatic conductance，Gs)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)的測定。測定時間為晴天9：00—11：00，每個處理選取長勢均勻具有代表性的小麥植株進行測定。葉綠素含量參照Arnon法[17]進行測定。

土壤養(yǎng)分：2019年小麥收獲期，按照五點取樣法，以10 cm為一個層次取0～50 cm土層土樣，去除肉眼可見的植物殘體和石塊后，將其風干并過0.85 mm篩后密封保存，用于測定速效養(yǎng)分含量，其中土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測定采用2 mol/L KCl浸提-比色法，土壤堿解氮測定采用堿解擴散法，土壤有效磷測定采用釩鉬藍比色法，土壤速效鉀測定采用NH4OAc浸提-火焰光度計法[18]。

小麥產量及其構成因素：2019年小麥收獲期采樣，在各小區(qū)選取1 m2樣方進行人工收割，將其風干、脫粒、測產，并記錄穗數。同時在各小區(qū)取樣考種，測定穗粒數和千粒質量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016錄入與整理數據，使用SPSS 20.0進行數據統計分析，使用Origin 2018進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同輪耕模式對小麥光合特性的影響

2.1.1 不同輪耕模式對凈光合速率的影響 由圖1可知，所有處理的小麥葉片凈光合速率大小均表現為開花期>抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期；拔節(jié)期，DT-RT-RT凈光合速率最高，為11.42 μmol/(m2·s)，較RT-RT-RT顯著增加15.63%。在抽穗期、開花期和灌漿期，均以DT-SRT-RT最高，其次是DT-RT-RT，較RT-RT-RT分別顯著增加9.16%～16.10%和7.14%～12.49%，平均增幅分別為11.74%，9.03%。綜上，與RT-RT-RT相比，改變輪耕模式有利于小麥凈光合速率的提高，其中DT-SRT-RT對小麥凈光合速率的提高效果較為明顯，平均增幅達10.85%。

不同小寫字母表示同一生育時期不同處理間 差異顯著(P<0.05)。圖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 不同輪耕模式對氣孔導度的影響 由圖2可知，小麥葉片氣孔導度大小表現為開花期>抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期。在各生育時期，RT-RT-RT處理下氣孔導度最??；拔節(jié)期和開花期，以DT-RT-RT氣孔導度最高，分別為0.22， 0.59 mmol/(m2·s)，較RT-RT-RT分別顯著增加7.00%和11.61%(P<0.05)。在抽穗期和灌漿期，則以DT-SRT-RT氣孔導度最高，分別為0.36，0.31 mmol/(m2·s)，增幅分別為7.03%，10.68%。綜上，相較于連年旋耕，其他輪耕模式有利于增大小麥的氣孔導度，在小麥不同生育時期，DT-RT-RT和DT-SRT-RT對氣孔導度的提高作用較為顯著，以DT-SRT-RT效果更佳，較RT-RT-RT平均增加7.83%。

圖2 不同處理小麥不同生育時期氣孔導度Fig.2 Stomatal conductance under different treatments at different wheat growth stages

2.1.3 不同輪耕模式對胞間CO2濃度的影響 由圖3可知，不同生育時期的胞間CO2濃度整體上表現為開花期>抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期。拔節(jié)期，DT-SRT-RT處理的胞間CO2濃度為173.19 μmol/mmol，較RT-RT-RT降低8.68%，其他處理間差異不顯著；在抽穗期和開花期，輪耕處理的胞間CO2濃度均顯著低于RT-RT-RT，以DT-SRT-SRT最低，降幅分別為24.37%，27.60%；灌漿期，DT-RT-SRT最低，顯著低于RT-RT-RT，降幅達21.08%。綜上，與連年旋耕相比，輪耕降低了小麥的胞間CO2濃度。

圖3 不同處理小麥不同生育時期胞間CO2濃度Fig.3 Intercellular CO2 concentration under different treatments at different wheat growth stages

2.1.4 不同輪耕模式對小麥葉綠素含量的影響 圖4表明，輪耕處理可提高小麥生育期葉片葉綠素含量。生育前期以DT-RT-RT效果最顯著，在拔節(jié)期和開花期，DT-RT-RT處理的小麥葉綠素含量顯著高于RT-RT-RT，增幅分別為24.08%和49.98%。在灌漿期，除DT-RT-RT處理外，其他輪耕處理的小麥葉綠素含量均顯著高于對照處理，其中DT-SRT-RT處理在數值上較其他處理略高，較對照處理的小麥葉綠素含量增加16.52%。由此可見，DT-SRT-RT可提高灌漿期小麥葉綠素含量，利于增強此時期小麥光合作用。

2.2 不同輪耕模式對土壤養(yǎng)分含量的影響

不同輪耕處理下冬小麥成熟期0～50 cm土層土壤養(yǎng)分含量如圖5所示，可以看出，耕作方式對土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量有一定程度的影響，各處理土壤速效氮磷鉀含量隨土層加深而降低。其中，0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀以DT-SRT-SRT處理含量最高，相較于RT-RT-RT分別提高7.58%，11.83%和10.27%。0～10 cm土層土壤堿解氮和有效磷含量分別以DT-RT-SRT和DT-SRT-RT最高，增幅為5.22%和13.43%；在10～20 cm土層，土壤養(yǎng)分含量均表現為DT-RT-RT處理顯著高于RT-RT-RT處理。在20～30 cm土層，DT-RT-RT處理的有效磷含量顯著高于RT-RT-RT處理；在20～40 cm土層，與RT-RT-RT相比，DT-RT-RT處理提高了堿解氮含量，而DT-SRT-RT處理提高了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量；在40～50 cm土層，輪耕處理對土壤養(yǎng)分含量無顯著影響(圖5)。

圖4 不同處理小麥不同生育時期葉綠素含量Fig.4 Chlorophyll content in flag leaves under different treatments at different growth stages

圖5 不同處理土壤速效養(yǎng)分含量Fig.5 Soil available nutrients content under different treatments

2.3 不同輪耕模式對小麥產量的影響

由表1可知，DT-SRT-RT處理和DT-SRT-SRT處理較對照處理顯著提高了小麥穗數、穗粒數和產量，以DT-SRT-RT效果最佳，各指標均顯著高于RT-RT-RT，其穗數增加幅度為16.20%，穗粒數增幅9.04%，千粒質量增幅10.34%。4種輪耕處理下的小麥產量均顯著高于RT-RT-RT，與RT-RT-RT相比，DT-SRT-RT產量增幅14.64%，其次依次是DT-SRT-SRT、DT-RT-RT和DT-RT-SRT，產量分別增加13.25%，10.15%，4.96%。氮肥偏生產力以DT-SRT-RT最高，顯著高于RT-RT-RT。

表1 不同處理小麥產量及其構成因素Tab.1 The wheat yield and yield components under different treatments

2.4 小麥生育期凈光合速率與產量的相關性

凈光合速率與產量及其構成因素的相關性分析見表2，在抽穗期、開花期和灌漿期，凈光合速率與穗數均呈極顯著正相關，相關性系數分別為0.712，0.792和0.712。隨著小麥的生長，凈光合速率與產量在抽穗期和開花期分別達到顯著和極顯著水平，相關系數分別為0.626和0.763。

表2 小麥不同生育時期凈光合速率與產量及其構成因素的相關性分析Tab.2 Correlation analysis of net photosynthetic rate and wheat yield at different growth stages

2.5 土壤養(yǎng)分含量與小麥產量的相關性

2019年小麥成熟期不同土層土壤速效養(yǎng)分含量與小麥籽粒產量的相關性分析見表3，可以看出，在0～10 cm土層中，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量與籽粒產量呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數分別為0.722，0.797，0.721和0.753；10～20 cm土層中速效鉀含量與小麥籽粒產量的相關性達到極顯著水平(P<0.01)，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量則與產量呈顯著正相關(P<0.05)。20～30 cm和30～40 cm土層中土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量與產量均呈顯著正相關(P<0.05)。

表3 土壤養(yǎng)分含量與小麥產量的相關性Tab.3 Correlation analysis of soil nutrients content and wheat yield

3 結論與討論

小麥光合作用的強弱直接影響小麥產量。植物光合作用受到耕作的影響，適宜的耕作技術能夠為小麥生長提供良好的土壤環(huán)境，有利于葉片光合性能的改善和小麥籽粒產量的提高[15]。有研究表明，合理的耕作措施使小麥葉片保持較高的葉綠素含量，延緩旗葉衰老，為維持小麥生育后期較高的葉綠素含量發(fā)揮積極作用[19-20]。本研究中，與連年旋耕相比，輪耕提高了冬小麥生育期葉片凈光合速率和葉綠素含量。這是因為作物葉片光合特性與耕作措施有著密不可分的關系，土壤水分是影響作物光合作用的重要環(huán)境因素，光合速率受到土壤水分狀況的影響[10，21]。本研究采用深耕、旋耕和淺旋耕相結合的輪耕措施，一方面少、免耕可提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤水分狀況[22-23]，提高小麥葉片光合速率和葉綠素含量；另一方面深耕可以提高土壤蓄水保墑能力，提高作物葉片水分利用效率，進而改善作物的光合特性[24-25]。輪耕措施將二者的優(yōu)點相結合，使土壤水分的保蓄能力得到提高，增大小麥葉片花后旗葉面積，延長光合時間，進而保持較高的光合能力和葉綠素含量。同時，影響植物光合作用的自身因素分為氣孔因素和非氣孔因素，2種因素同時存在時，若胞間CO2濃度變化趨勢與光合速率和氣孔導度一致，影響光合速率的自身因素主要為氣孔因素，否則主要為非氣孔因素[26-27]。在本研究中，輪耕處理凈光合速率和氣孔導度高于RT-RT-RT，而胞間CO2濃度卻低于RT-RT-RT，二者所呈現的變化趨勢相反，說明本研究中非氣孔因素起到主要作用，不同輪耕模式在各生育時期提高光合速率的原因使其改善了氣孔因素的限制。這可能是因為輪耕能疏松底土，調節(jié)葉片氣孔導度，進而提高葉片凈光合速率，以DT-SRT-RT效果顯著。影響植物光合作用的因素有很多，輪耕模式下小麥葉片的光合特性還需進一步研究。

土壤速效養(yǎng)分含量是評價土壤肥力水平的重要指標。耕作方式直接作用于土壤，改變土壤結構，影響土壤養(yǎng)分含量和土壤肥力。輪耕以少、免耕為主，定期進行耕翻，使土壤表層作物殘茬與土壤混合到一起，有利于耕層土壤養(yǎng)分含量均衡分布，提高土壤肥力，有效避免長期旋耕造成表層養(yǎng)分富集、下層土壤緊實等缺點[28-29]。在本研究中，與連年旋耕相比，輪耕明顯提高土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。可能是因為深耕配合連續(xù)2 a淺旋耕/旋耕使土表肥料和秸稈與耕層土壤均勻混合，提供了豐富的養(yǎng)分來源。淺旋耕和旋耕作用于表層土壤，耕作深度較淺，肥料和作物秸稈覆蓋在土壤表層，秸稈腐解產物在土表集聚，不能充分轉移至下層土壤得到利用，導致土壤肥力水平提高受限。深耕對于土壤擾動較大，不僅能提高土壤的透氣性，加快秸稈分解，使其釋放更多的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，還能將淺旋耕或旋耕時滯留在土表的養(yǎng)分翻移至下層，整個耕層的土壤養(yǎng)分得到充分混合，這為土壤微生物提供更多能源和養(yǎng)分，維持了良好的微生物分解代謝功能和呼吸代謝活性，從而改善了土壤肥力。根據土壤養(yǎng)分與產量的相關性分析，耕層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量與小麥籽粒產量呈現顯著或極顯著正相關性，這說明可以通過輪耕措施提高土壤速效養(yǎng)分含量，實現小麥增產增收。深層土壤氮素含量與作物產量呈顯著相關，可能是因為冬小麥季不同耕作方式為土壤氮素轉化提供了良好的土壤環(huán)境，提高了氮素轉化相關酶活性，從而提高土壤供氮能力[30]。磷在土壤中的移動性較弱，輪耕將上層土壤中的磷素向下翻轉至深土層，提高磷素的空間有效性和小麥根系對磷的利用率，這對收獲期小麥籽粒產量潛力的發(fā)揮具有重要意義。

小麥產量與凈光合速率及土壤有效養(yǎng)分含量關系密切。不同耕作方式可培肥地力，優(yōu)化土壤環(huán)境[31-33]，提高小麥凈光合速率，促進干物質的積累[10，34]，利于小麥產量的提高。本試驗中，在秸稈全量還田的條件下，與連年旋耕相比，輪耕模式可不同程度上改善小麥產量構成因素，提高小麥產量。這與孔凡磊等[5]、韋安培等[35]對輪耕能提高冬小麥產量的研究結論相似。其中DT-SRT-RT處理增產效果更為明顯。一方面，輪耕有效增加了土壤的耕層厚度，改善耕層土壤的理化性質，提高土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，促進了小麥籽粒的灌漿。另一方面，輪耕有利于提升土壤水分的保蓄能力，提高各時期葉綠素含量，改善光合性能，增強花后干物質積累，提高花后干物質對籽粒的貢獻率，形成較高的籽粒產量和生物量。由相關性分析可知，不同生育時期冬小麥葉片凈光合速率與產量均呈正相關，在開花期呈現極顯著相關，說明可以通過改變耕作方式來改善小麥生育期凈光合速率特別是開花期凈光合速率，進而實現小麥的增產。

綜上分析表明，與連年旋耕相比，輪耕可提高冬小麥生育期葉片葉綠素含量，改善葉片光合特性，以深耕-條旋耕-旋耕處理效果最明顯。輪耕顯著提高小麥收獲期0～20 cm土層土壤速效氮磷鉀含量。輪耕相比連年旋耕增加了小麥穗數、穗粒數、千粒質量和產量，以深耕-條旋耕-旋耕效果最佳。綜合來看，深耕-條旋耕-旋耕處理改善了小麥光合特性，提高了小麥的產量及其構成因素，可以推薦為豫北潮土小麥玉米區(qū)適宜的耕作方式。