稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥出苗和幼苗形態(tài)及生理特性的影響

張莀茜 杭雅文 李福建 朱新開 李春燕 丁錦峰 朱 敏 郭文善

(1 揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/揚(yáng)州大學(xué)小麥研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225009；2揚(yáng)州大學(xué)糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州 225009)

秸稈是可為作物生長提供必需的氮、磷、鉀、木質(zhì)素和纖維素等養(yǎng)分的重要的可再生有機(jī)資源[1-4]。 現(xiàn)階段秸稈的利用途徑包括秸稈還田、飼料、能源、工業(yè)原料和培育食用菌等[5]。 秸稈直接還田能釋放大量養(yǎng)分，改善土壤肥力和質(zhì)量[6]，加強(qiáng)土壤微生物活性[6-8]；減少農(nóng)田徑流養(yǎng)分流失，從而提高作物產(chǎn)量[9-10]；為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的良性循環(huán)[4，11]。 同時(shí)秸稈還田很大程度上減少了秸稈焚燒還田對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)造成的極大危害[12]，因而秸稈直接還田是秸稈資源利用最經(jīng)濟(jì)、便捷、高效的途徑[13]。 但現(xiàn)階段秸稈直接還田后，尤其是稻秸直接還田后，土壤水分、溫度等因素導(dǎo)致稻秸不易腐解和再利用，而且會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，易造成病蟲害發(fā)生加重、土壤孔隙度增加、水分分布不均、緊實(shí)度差、土壤碳氮比失調(diào)等問題[14-17]，影響后茬小麥的出苗率和出苗均勻性，從而影響作物產(chǎn)量。 楊四軍等[18]研究認(rèn)為，稻秸還田1 a 顯著降低了后茬小麥田間出苗率，導(dǎo)致出苗均勻性和苗情素質(zhì)差，發(fā)生凍害后死苗嚴(yán)重，小麥減產(chǎn)。 因此，需要通過不同措施的協(xié)同處理來減輕這種傷害。 本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，通過研究定位條件下稻秸不同還田年數(shù)對揚(yáng)輻麥4 號小麥品種幼苗生長發(fā)育的影響及其在不同施肥運(yùn)籌下的調(diào)控效應(yīng)，以期為麥季稻秸還田提供適宜的配套措施，為稻秸還田的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)壯苗高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017-2019年在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)場進(jìn)行。 試驗(yàn)田長期實(shí)行稻麥復(fù)種輪作，從2009年開始于麥季進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)定位水稻秸還田、小麥秸稈不還田試驗(yàn)，逐年增加還田年數(shù)(2010年缺)。 試驗(yàn)田的土質(zhì)為輕壤土，2017年秋播時(shí)連續(xù)不還田處理土壤的養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)19.82 g·kg-1、 全氮1.26 g·kg-1、速效氮87.01 mg·kg-1、速效磷96.45 mg·kg-1、速效鉀84 mg·kg-1。 供試品種為中筋春性小麥揚(yáng)輻麥4 號，由江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以還田年數(shù)(S)為主區(qū)，進(jìn)行長期定點(diǎn)定位稻秸還田處理，2017-2018年設(shè)當(dāng)季水稻全量還田9年(S9)、7年(S7)、6年(S6)、5年(S5)、4年(S4)、3年(S3)、2年(S2)、1年(S1)和連續(xù)不還田(N，CK)9 個(gè)水平；2018-2019年設(shè)當(dāng)季水稻全量還田10年(S10)、8年(S8)、7年(S7)、6年(S6)、5年(S5)、4年(S4)、3年(S3)、2年(S2)、1年(S1)和連續(xù)不還田(N，CK)10 個(gè)水平；還田量為9 000 kg·hm-2左右，還田處理是在水稻收獲后用機(jī)械將稻秸切碎成10 cm 左右的短桿，稱重后人工均勻鋪撒在小區(qū)中，采用旋耕方式將秸稈混入土層中，施耕深度15 cm 左右。 稻秸中養(yǎng)分含量為N 0.48%、P 0.17%、K 0.56%。 不還田處理小區(qū)將稻秸移出小區(qū)，只留殘茬。以氮肥運(yùn)籌(N)為裂區(qū)，總施氮量為240 kg·hm-2，按照基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥比為50%∶10%∶20%∶20%(簡記為5 ∶1 ∶2 ∶2，下同，N1)、5 ∶2 ∶2 ∶1(N2)以及5∶3 ∶2 ∶0(N3)設(shè)3 種水平；磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)用量分別為90、150 kg·hm-2，基肥和拔節(jié)肥各一半用量。其中基肥于播種前施用，壯蘗肥于4 葉期施用，拔節(jié)肥于倒3 葉期(葉齡余數(shù)2.5)施用，孕穗肥于倒1 葉期(葉齡余數(shù)1.2～0.8)施用。 施肥種類分別為尿素(N，46%)、氯化鉀(K2O，60%)和三元復(fù)合肥(N、P2O5、K2O 均為15%)。 2017 和2018年的播期均為11月1日，人工條播，基本苗定為225 萬·hm-2，行距30 cm，小區(qū)面積12.6 m2(3 m×4.2 m)，重復(fù)2 次。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 出苗率 每米播種135 粒小麥種子，播種后15 d 調(diào)查小麥出苗數(shù)量，計(jì)算出苗率，出苗率=每米出苗數(shù)/135×100%，每小區(qū)調(diào)查5 個(gè)1 米長樣段，取平均值。

1.3.2 幼苗形態(tài)質(zhì)量 分別于小麥3 葉期(施壯蘗肥前)、6 葉期(施壯蘗肥后過2 葉)，在每個(gè)小區(qū)連續(xù)取樣50 株，測量小麥苗高(分蘗節(jié)到葉尖的高度)、葉齡、分蘗數(shù)、地上部干物重。 用LI-3000C 葉面積掃描儀(LI-COR，美國)測定葉片總面積。 葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)=綠葉總面積/土地面積。

1.3.3 幼苗生理活性 于小麥6 葉期在每個(gè)小區(qū)連續(xù)取樣50 株，用SPAD-502 型葉綠素計(jì)(KONICA MINOLTA，日本)測定10 株第5 片全展葉的SPAD 值；采用α-萘胺氧化法測定10 株根系活力[19]；硫代巴比妥酸法測定 8 株第 5 片全展葉丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量[20]；將剩余植株的葉鞘、葉片分開，采用蒽酮法測定其可溶性糖含量[21]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均以Excel 2010 處理和繪制圖表，以DPS 7.05 進(jìn)行方差分析，采用LSD 法檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸還田年數(shù)對小麥出苗率的影響

由圖1 可知，當(dāng)季稻秸還田會影響小麥出苗率，還田處理的出苗率較CK 低5.4 ～10.6(2017-2018，F(xiàn)=5.96**)、4.9～8.6(2018-2019年，F(xiàn)=15.79**)個(gè)百分點(diǎn)，其影響程度會隨還田年數(shù)增加有所減輕。 總體而言，不同還田年數(shù)條件下當(dāng)季稻秸還田的影響表現(xiàn)雖有不同，但差異較小。 說明當(dāng)季稻秸還田后，對小麥出苗均會產(chǎn)生負(fù)面影響，長期還田后雖改善了地力水平，但并不能從根本上消除這種影響。

2.2 稻秸還田年數(shù)對小麥幼苗質(zhì)量的影響

2.2.1 對小麥3 葉期幼苗質(zhì)量的影響 由表1 可知，稻秸還田對小麥葉齡影響不大，處理間差異較小。 與CK 相比，S1 的小麥3 葉期幼苗苗高有所降低，還田3 a 以上處理的苗高多呈增加趨勢，其中以S9(2017-2018)以及S8、S10(2018-2019)小麥3 葉期幼苗苗高最高。 稻秸還田對小麥3 葉期幼苗第2 葉葉面積影響不同，兩年度S1 的小麥3 葉期幼苗第2 葉葉面積分別較CK 減少6.7%、10.2%，不同還田年數(shù)處理間的單株干物重變動在38.9 ～48.6、42.5 ～44.7 mg/株之間，且S1～S3 單株干物重均低于CK。

表1 稻秸還田年數(shù)對小麥3 葉期幼苗質(zhì)量的影響Table 1 Effects of rice straw returning years on seedling quality of wheat at 3-leaf stage

圖1 稻秸還田年數(shù)對小麥出苗率的影響Fig.1 Effect of rice straw returning years on wheat emergence rate

2.2.2 對小麥6 葉期幼苗質(zhì)量的影響 由表2 可知，氮肥運(yùn)籌為N1 時(shí)，各還田處理小麥6 葉期幼苗LAI 分別在1.2～1.6 和0.9～1.1 之間，還田4 a 及以上處理小麥6 葉期幼苗LAI 均高于CK。 兩年度試驗(yàn)小麥6 葉期幼苗的單株分蘗數(shù)均以CK、S9、S10 較高，其中S1 ～S4的分蘗數(shù)均小于CK。 兩年度小麥6 葉期幼苗苗高分別在19.4～20.7 和20.3～22.2 cm 之間，還田年數(shù)較長的處理苗高整體較還田年數(shù)較短的處理高，但各處理間差異較小。 與CK 相比，還田年數(shù)較少時(shí)，小麥6 葉期幼苗單株干物重有所降低，但其干物重隨還田年數(shù)增加有增加的趨勢，至還田5～6 a 后普遍高于CK。

結(jié)果表明，3 種氮肥運(yùn)籌中不同稻秸還田年數(shù)對小麥6 葉期幼苗質(zhì)量影響的趨勢基本一致，其中N2小麥6 葉期幼苗的LAI、分蘗數(shù)、苗高、單株干物重整體大于N1 和N3。

綜合來看，稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥6 葉期苗體質(zhì)量均有影響，稻秸還田年數(shù)對小麥6 葉期幼苗LAI 有顯著影響，與CK 相比，稻秸還田減少了小麥6 葉期幼苗的單株分蘗數(shù)、苗高和單株干物重，影響小麥的正常生長，隨著稻秸還田年數(shù)的增加，不利影響逐漸降低；且適當(dāng)提高壯蘗肥施用比例，能減輕稻秸還田帶來的不利影響，改善幼苗質(zhì)量。

2.3 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥6 葉期幼苗生理特性的影響

2.3.1 對葉片SPAD 值的影響 由圖2 可知，氮肥運(yùn)籌為N1 時(shí)，與CK 相比，稻秸還田年數(shù)對小麥幼苗葉片SPAD 值有影響，S1 ～S3 小麥幼苗葉片SPAD 值均低于CK，還田年數(shù)較長的處理葉片SPAD 值整體高于還田年數(shù)和較短的處理。

氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉片SPAD 值也有一定影響，N2 和N3 的稻秸還田年數(shù)對SPAD 值的影響規(guī)律與N1 表現(xiàn)基本一致。 不同氮肥運(yùn)籌小麥幼苗葉片SPAD 值整體表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，同樣表明在稻秸還田條件下，適量提高壯蘗肥的施用比例能夠提高小麥幼苗葉片SPAD 值，有利于小麥幼苗的生長。

2.3.2 對根系活力的影響 由圖3 可知，氮肥運(yùn)籌為N1 時(shí)，稻秸還田能增加小麥幼苗的根系活力，且隨著稻秸還田年數(shù)的增加呈升高趨勢，兩年度試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

表2 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥6 葉期幼苗質(zhì)量的影響Table 2 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on seedling quality of wheat at 6-leaf stage

圖2 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉片SPAD 值的影響Fig.2 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on SPAD value of wheat seedling leaf

圖3 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗根系活力的影響Fig.3 Effect of rice straw returning years and nitrogen fertilizer application on root activity of wheat seedling

圖4 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉片MDA 含量的影響Fig.4 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on MDA content in wheat seedling leaf

氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗根系活力也有一定的調(diào)節(jié)作用，氮肥運(yùn)籌為N2 和N3 時(shí)，稻秸還田年數(shù)對根系活力的影響規(guī)律與N1 基本一致，不同氮肥運(yùn)籌小麥幼苗根系活力整體表現(xiàn)為N2＞N3＞N1，表明適宜的氮肥配比能夠減輕稻秸還田腐解對小麥幼苗生長的不利影響。

2.3.3 對葉片丙二醛(MDA)含量的影響 由圖4 可知，氮肥運(yùn)籌為N1 時(shí)，與CK 相比，S1～S3 增加了小麥幼苗葉片的MDA 含量，且隨著還田年數(shù)的增加，稻秸還田的不利影響逐漸減小，小麥幼苗葉片MDA 含量逐漸降低，至還田4～5 a 后這種不利影響基本消除。

氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉片MDA 含量也有一定的影響，氮肥運(yùn)籌為N2 和N3 時(shí)，稻秸還田年數(shù)對MDA含量的影響規(guī)律與N1 表現(xiàn)基本一致，其中N2 小麥幼苗葉片MDA 含量低于N1 和N3。

2.3.4 對可溶性糖含量的影響 由圖5 和圖6 可知，稻秸還田年數(shù)對小麥幼苗葉鞘及葉片的可溶性糖含量均有一定影響。 兩年度試驗(yàn)結(jié)果表明，氮肥運(yùn)籌為N1時(shí)，與CK 相比，S1～S3 減少了小麥幼苗葉鞘和葉片的可溶性糖含量，但隨著稻秸還田年數(shù)的增加，葉鞘和葉片的可溶性糖積累量均呈增加趨勢。

氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉鞘及葉片的可溶性糖含量也有一定調(diào)節(jié)作用，氮肥運(yùn)籌為N2 和N3 時(shí)稻秸還田年數(shù)對可溶性糖含量的影響規(guī)律與N1 表現(xiàn)基本一致，其中N2 小麥幼苗葉鞘和葉片的可溶性糖含量整體均高于N1 和N3。

圖5 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉鞘可溶性糖含量的影響Fig.5 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on soluble sugar content in wheat seedling leaf sheath

圖6 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥幼苗葉片可溶性糖含量的影響Fig.6 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on soluble sugar content in wheat seedling leaf

3 討論

3.1 稻秸還田年數(shù)對小麥出苗與幼苗生長的影響

有關(guān)稻秸還田對小麥出苗的影響，有研究認(rèn)為當(dāng)年稻秸還田顯著降低小麥出苗率，抑制了分蘗的發(fā)生[22]；稻秸還田1 a 后各處理出苗率和出苗均勻性亦呈下降趨勢[23-24]。 本研究表明，與CK 相比，稻秸還田均會降低小麥出苗率，但這種變化會隨還田年數(shù)的增加有所減弱，說明還田年數(shù)增加能在一定程度上改善出苗情況。 這可能與稻秸還田后對土壤的影響有關(guān)，小麥苗期時(shí)，稻秸未大量腐解，土壤孔隙度不均，土壤水分分布不均勻，小麥種子與土壤結(jié)合不緊密，從而影響了小麥出苗率，長期還田能不斷改善土壤性狀，有利于創(chuàng)造小麥萌發(fā)出苗的基礎(chǔ)條件，減輕稻秸還田對萌發(fā)出苗的影響，但仍不能完全消除這種影響，因此在稻秸還田條件下，需要通過合理增加播種量來確保實(shí)現(xiàn)足夠的基本苗數(shù)。

前人研究認(rèn)為，玉米秸稈粉碎不充分、土壤耕翻過淺，均會致使秸稈與土壤混合不均勻，造成麥苗吸水不足，導(dǎo)致成塊缺苗或出現(xiàn)麥苗瘦弱、黃化的現(xiàn)象[25]；玉米秸稈還田1 a 影響了小麥的早期生長發(fā)育，還田后小麥苗期長勢較弱，苗體質(zhì)量較差[26]。 豆利嶺[27]研究發(fā)現(xiàn)稻秸還田處理小麥苗期的株高、干重降低，不同還田方式處理小麥苗期的平均分蘗數(shù)與對照相比均有不同程度的減少。 本試驗(yàn)則認(rèn)為，稻秸還田會減少小麥6 葉期幼苗的LAI、單株分蘗數(shù)、苗高和單株干物重，小麥生長受到影響，但這種不利影響隨還田年數(shù)增加呈減弱趨勢，還田5～6 a 后這種不利影響基本消除。說明當(dāng)季稻秸還田對小麥幼苗造成的不利影響可能是由于還田后麥苗根系容易扎到秸稈中，根系懸空，出現(xiàn)燒根的情況導(dǎo)致苗黃、苗弱，同時(shí)還田后土壤碳氮比增高導(dǎo)致小麥與土壤微生物爭氮的現(xiàn)象不利于幼苗生長。 因此在生產(chǎn)中應(yīng)確定合理的施氮比例，并堅(jiān)持長期稻秸還田，通過提升土壤肥力和供應(yīng)合理養(yǎng)分來減輕負(fù)面影響，促進(jìn)小麥幼苗生長發(fā)育。

3.2 稻秸還田年數(shù)和氮肥運(yùn)籌對小麥苗期生理特性影響

SPAD 值可以直接反映葉綠素含量的變化趨勢，葉綠素含量直觀體現(xiàn)了小麥光合效率以及小麥功能葉活性的大小[28]。 鄒兵[29]研究表明，在耕作方式一致情況下，玉米秸稈還田1 a 較不還田的SPAD 值高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，稻秸還田年數(shù)對小麥幼苗葉片SPAD 值有影響，S1 ～S3 小麥幼苗葉片的SPAD 值均低于CK，但隨著還田年數(shù)增加，SPAD 值有升高趨勢，且適量提高壯蘗肥的施用比例能提高小麥幼苗葉片SPAD 值，這與前人研究結(jié)果不同，可能與選用的試驗(yàn)品種、還田年數(shù)、肥料運(yùn)籌比例等不同有關(guān)。

徐國偉等[30]研究表明，麥秸還田1 a 提高了水稻泌物中根系分泌物有機(jī)酸總量及氨基酸含量，促進(jìn)水稻根系活力增長。 張琛[23]研究表明，稻秸還田1 a 能增加后期小麥根系活力，起到延緩根系衰老的作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，采用240 kg·hm-2施氮量，氮肥運(yùn)籌為N2 時(shí)，能增加小麥苗期的根系活力；且隨著還田年數(shù)的增加，根系活力也呈升高趨勢。 這可能與長期稻秸還田可以通過改善土壤肥力與質(zhì)量，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分有效性，進(jìn)而促進(jìn)小麥根系生長有關(guān)，同樣說明生產(chǎn)中應(yīng)堅(jiān)持長期稻秸還田。

黃金瓚[31]研究表明，與不還田處理相比，稻秸還田1 a 增加了小麥各器官可溶性糖含量。 而薛亞光等[32]研究表明，低溫脅迫下，與不還田處理相比，稻秸覆蓋還田和淺旋還田1 a 均顯著增加了小麥苗期葉片的MDA 含量，減少了可溶性糖含量。 本試驗(yàn)結(jié)果與之相似，稻秸還田增加了小麥6 葉期幼苗葉片MDA 含量，降低了小麥6 葉期幼苗葉鞘和葉片的可溶性糖積累量，但這種不利影響會隨著還田年數(shù)的增加而減弱，還田4～5 a 后這種不利影響基本消除。 說明長期稻秸還田有利于降低小麥幼苗葉片MDA 含量，減輕膜脂過氧化程度，增加可溶性糖含量，提高抗逆性。

4 結(jié)論

稻秸還田后，小麥出苗率較CK 顯著降低，小麥幼苗質(zhì)量下降，隨著稻秸還田年數(shù)增加，這種不利影響逐漸減弱。 稻秸還田4 a 以上，N2 氮肥運(yùn)籌組合模式可以在一定程度上增強(qiáng)麥苗的根系活力，提高麥苗葉片的SPAD 值，提高了葉鞘和葉片的可溶性糖積累量，降低麥苗葉片的MDA 含量，有利于培育壯苗。 本研究認(rèn)為堅(jiān)持長期稻秸還田配以適宜的氮肥運(yùn)籌模式(基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為5 ∶2 ∶2 ∶1)可以在一定程度上減輕稻秸還田對麥苗生長發(fā)育產(chǎn)生的負(fù)面影響，有利于改善稻秸還田條件下的幼苗生長情況，為稻茬小麥培育壯苗、提升產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。 但如何進(jìn)一步提高稻秸還田條件下小麥生育前期抗逆性尚需要進(jìn)一步深入研究。