耕作方式對主要糧食作物影響的研究綜述

張向前，楊文飛，徐云姬

（1安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，合肥 230031；2農(nóng)作物品質改良安徽省重點實驗室，合肥 230031；3江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇淮安 223001；4揚州大學教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實驗室，江蘇揚州 225009）

0 引言

作物的生長發(fā)育和高產(chǎn)離不開良好的生長環(huán)境，耕作方式是影響土壤和作物生態(tài)環(huán)境最直接的途徑，對作物生長發(fā)育進程中的水、肥、氣、熱起到了調控作用，進而對作物養(yǎng)分吸收利用和生理特性產(chǎn)生不同的影響，并最終影響作物產(chǎn)量和品質的形成[1]。近年來，雖然國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械化水平得到明顯提高，但在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中由于不合理耕作方式的大面積使用導致了部分農(nóng)田的耕層變淺、物理結構變差，降低了耕層土壤的蓄水保肥能力和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)部分服務功能，從而影響作物高產(chǎn)優(yōu)質和和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。如何根據(jù)生產(chǎn)條件，采用合理的機械耕作和播種方式對實現(xiàn)作物高產(chǎn)、優(yōu)質、高效生產(chǎn)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上密切關注的熱點問題之一。為充分發(fā)揮不同耕作方式在作物增產(chǎn)方面的效果，筆者對有關耕作方式對作物根系特性、光合效應及品質產(chǎn)量的影響研究進行了總結評述，試圖為中國合理耕作制度的建立及作物產(chǎn)量的進一步提高提供科學依據(jù)和理論指導。

1 不同耕作方式對作物根系的影響

作物根系具有固定和支撐作物及從土壤中吸收各種養(yǎng)分的雙重功能，同時又是多種激素、有機酸和氨基酸合成的重要場所，是土壤養(yǎng)分的充分利用者和產(chǎn)量形成的重要貢獻者[4-5]，根系形態(tài)的構建及生理機能的發(fā)揮受不同耕作方式的明顯影響。

1.1 對根系性狀的影響

谷思玉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，深松相比深翻、免耕和旋耕有利于增加玉米根長度、根體積、根表面積、根干質量，其中與深翻相比分別增加4.54%、19.21%、18.57%、14.12%。趙亞麗等[7]研究發(fā)現(xiàn)，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕、秋季深耕+夏季下位深松、秋季深耕+夏季側位深松、秋季旋耕+夏季免耕（對照）5 個耕作方式中，秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥開花期的根體積密度、根長密度、根干重密度和根表面積密度及夏玉米開花期單株根體積、根長、根表面積和根干重密度均最大。高飛等[8]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥播前翻耕夏玉米播前旋耕與冬小麥播前翻耕夏玉米播前免耕處理0～30 cm的根冠比、根干重、根表面積、根長、節(jié)根層數(shù)、根體積、節(jié)根條數(shù)及節(jié)根干重皆顯著高于冬小麥播前旋耕夏玉米播前免耕處理。馮躍華等[9]研究指出，無論移栽或直播，免耕稻分蘗期的單蔸根干重、根冠比、根系總吸收表面積、總活躍吸收表面積均明顯高于翻耕稻，其中0～5 cm 土層成熟期的根重、根重密度和5～10 cm、10～20 cm 土層的比根長也皆高于翻耕稻。張明君等[10]研究發(fā)現(xiàn)，根表面積、根長及其空間分布受不同耕作措施的顯著影響，與傳統(tǒng)耕作相比免耕秸稈覆蓋和免耕覆膜能顯著增加小麥關鍵生育期的根長和根表面積，改善根系空間分布。李其成等[11]研究證實2～3 年深松一次相比未深松可促進根系下扎，明顯增加小麥總根長、根表面積、根體積和次生根數(shù)，促進根系對土壤養(yǎng)分的充分吸收利用。

1.2 對根系活力的影響

高飛等[8]研究證實，冬小麥播前翻耕夏玉米播前旋耕處理和冬小麥播前翻耕夏玉米播前免耕處理相比，冬小麥播前旋耕夏玉米播前免耕處理能明顯提高耕層0～30 cm 的根系TTC 還原量、TTC 還原強度和根系傷流速率。全妙華等[12]研究指出，壟作方式相比傳統(tǒng)耕作方式水稻根系活力和根系SOD、CAT、POD 酶活性顯著增加，MDA含量顯著降低。馬立婷等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式在根系POD 和SOD 活性方面表現(xiàn)為全層耕作＞行間耕作＞苗帶耕作，行間和全層深耕相比淺耕有利于提高玉米乳熟期根系SOD活性，延長玉米中后期深層根系保護酶活性和功能期。楊志遠等[14]通過研究翻免耕下不同耕作栽培方式對水稻根系衰老的影響發(fā)現(xiàn)，免耕稻相比翻耕稻有利于提高生育中期根系活力，但灌漿后期根系活力會明顯下降，維持根系活力的能力相對較差，此外亦發(fā)現(xiàn)免耕與拋秧栽培和寬窄行栽培互作有利于提高兩者免耕下的根系活力。張慧芋等[15]通過研究夏閑期不同耕作方式對旱地小麥根系活性的影響發(fā)現(xiàn)，深松相比深翻和免耕能明顯提高旱地小麥各生育時期0～80 cm 根系活力，其中在越冬期—孕穗期提升效果顯著。

2 不同耕作方式對作物光合效應的影響

光合是作物生長發(fā)育與物質形成的重要基礎，作物通過光合效應形成的有機物占作物總干質量的95%左右，而不同耕作方式主要是通過調控土壤水分、溫度、緊實度及植株葉面積和葉綠素含量對作物光合效應大小產(chǎn)生影響。

2.1 對葉面積的影響

張禮軍等[16]通過研究常規(guī)耕作、全膜覆土穴播、秸稈還田和免耕秸稈覆蓋對旱地冬小麥葉面積的影響，發(fā)現(xiàn)開花期光合高效葉面積和總葉面積受耕作方式的顯著影響，其中全膜覆土穴播處理能顯著增加不同葉位葉面積，總葉面積分別比常規(guī)耕作、秸稈還田、免耕秸稈覆蓋增加了30.55%、33.43%、28.60%。劉鵬等[17]通過2 年試驗研究證實，旋耕秸稈還田相比免耕秸稈還田有利于提高雨養(yǎng)冬小麥拔節(jié)期、孕穗期等關鍵生育時期的群體葉面積指數(shù)。張瑜等[18]通過研究不同耕作方式對春玉米的生長發(fā)育影響指出，不同耕作方式對春玉米葉面積指數(shù)的影響表現(xiàn)為地膜覆蓋+秸稈深埋＞地膜覆蓋＞秸稈深埋＞傳統(tǒng)耕作。趙曉宇等[19]在河套平原灌區(qū)通過定點試驗研究發(fā)現(xiàn)，深松+翻耕、翻耕+秸稈還田、深松+翻耕+秸稈還田、深松、翻耕相比淺旋能顯著提高玉米群體葉面積指數(shù)和生育后期葉面積持續(xù)期。

2.2 對葉綠素含量的影響

張奎等[20]通過8種不同耕播方式的對比試驗研究發(fā)現(xiàn)，孕穗期旋耕+鎮(zhèn)壓處理和秸稈+旋耕+鎮(zhèn)壓處理相比其他耕作方式有利于提高小麥葉綠素含量，而抽穗期和灌漿期秸稈+耕翻+鎮(zhèn)壓處理小麥葉綠素含量高于旋耕、旋耕+鎮(zhèn)壓、耕翻+鎮(zhèn)壓、旋耕+撒播、秸稈+旋耕、秸稈+旋耕+鎮(zhèn)壓、秸稈+旋耕+撒播。翟振等[21]，研究指出，不同耕作深度通過影響土壤結構和水、肥、氣、熱，進而對植株葉片葉綠素含量產(chǎn)生影響，其中深旋松30 cm 相比深松20 cm 處理能提高開花期小麥葉片相對葉綠素含量1.3%。王維等[22]在寧南旱區(qū)通過2年試驗比較了傳統(tǒng)翻耕、連年免耕、免耕/深松、連年深松、深松/免耕5 種耕作模式對小麥葉綠素含量的影響，發(fā)現(xiàn)深松/免耕、免耕/深松、連年深松、連年免耕處理小麥開花至灌漿期的葉綠素含量分別比傳統(tǒng)翻耕增加了13.5%、27.4%、32.2%和11%。周靜和張仁陟[23]通過研究不同耕作措施對小麥葉片生理特性的影響發(fā)現(xiàn)，輪作8年后，免耕無覆蓋、免耕+秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作+秸稈還田3 種耕作模式相比傳統(tǒng)耕作能不同程度增加小麥關鍵生育期葉片葉綠素含量。

2.3 對光合特性的影響

趙竹等[24]通過研究秸稈還田+深耕、旋耕、深松、旋耕（播后不鎮(zhèn)壓）和旋耕施肥播種機復式播種作業(yè)對小麥光合特性的影響發(fā)現(xiàn)，旋耕耕作方式相比其他耕作方式可提高小麥后期光合速率，促進小麥生育后期的干物質積累量。趙曉宇等[19]研究證實，深松+翻耕+秸稈還田、翻耕+秸稈還田、深松+翻耕、深松、翻耕相比淺旋均能顯著增加玉米光合凈同化速率。邵云等[25]通過分析深耕、深耕+秸稈、深耕+糞肥、淺耕、淺耕+糞肥、淺耕+秸稈不同耕作模式間光合特性差異發(fā)現(xiàn)，深耕+有機物料處理能明顯提高小麥葉片凈光合速率和氣孔導度。董智等[26]研究發(fā)現(xiàn)，免耕相比傳統(tǒng)耕作玉米灌漿期棒3葉的光合速率平均值明顯提高。何建寧等[27]通過9 年定位試驗研究了翻耕、旋耕、間隔2 年深松+條旋耕、間隔2 年深松+旋耕4 種耕作方式對小麥葉片光合的影響，發(fā)現(xiàn)間隔2年深松+條旋耕處理旗葉凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度在開花后21～35 天顯著高于其他耕作方式，灌漿期間隔2年深松+條旋耕處理小麥冠層平均光合有效輻射截獲率顯著高于間隔2年深松+旋耕和翻耕方式，其中旋耕處理最低。張德健等[28]研究指出，從光合效率的角度看，保護性耕作玉米葉片的凈光合速率明顯高于傳統(tǒng)耕作，在內(nèi)蒙古土默川南部保護性耕作模式可以替代傳統(tǒng)耕作模式。全妙華等[12]研究證實壟作方式與傳統(tǒng)耕作方式相比水稻的光合速率、氣孔導度和水分利用效率等光合特征參數(shù)的值均顯著提高。王維等[22]通過多年研究亦證實，連年免耕、連年深松、免耕/深松、深松/免耕相比傳統(tǒng)翻耕明顯提高了小麥葉片日均光合速率和日均蒸騰速率，與傳統(tǒng)翻耕相比，其他4種耕作模式均提高了光化學猝滅系數(shù)和非光化學猝滅系數(shù)、實際光化學效率、PSⅡ潛在活性和PSⅡ最大光化學效率，降低了光抑制程度。

3 不同耕作方式對作物籽粒品質的影響

作物籽粒品質受遺傳特性、環(huán)境條件和土壤理化性狀等因素的影響，其中耕作方式是影響作物籽粒品質的重要因素之一。

3.1 對籽粒蛋白的影響

張娟等[29]通過多年研究發(fā)現(xiàn)休閑期深松相比深翻能顯著提高旱地小麥籽粒蛋白質含量。張禮軍等[30]通過研究常規(guī)耕作、全膜覆土穴播、秸稈還田和免耕秸稈覆蓋4 種耕作方式對旱地冬小麥籽粒蛋白質的影響，表明耕作方式對小麥蛋白質及其組分含量有顯著或極顯著影響，其中與常規(guī)耕作相比全膜覆土穴播可顯著提高谷蛋白含量和谷醇比，而免耕秸稈覆蓋的蛋白質總量、球蛋白、麥谷蛋白均顯著低于常規(guī)耕作。熊淑萍等[31]通過研究旋耕、常規(guī)耕作和深松3 種耕作方式對小麥籽粒蛋白質含量的影響發(fā)現(xiàn)，籽粒蛋白質含量也以深松方式最高，常規(guī)耕作居中，旋耕方式最低，且三者間彼此差異顯著。孫敏等[32]研究不同降水年型下休閑期深翻和深松方式對籽粒蛋白的影響，不僅發(fā)現(xiàn)休閑期深翻或深松較對照可提高平水年、豐水年籽粒醇溶蛋白、清蛋白、谷蛋白含量、蛋白質含量，而且證實休閑期深翻處理枯水年籽粒蛋白質含量及平水年籽粒醇溶蛋白、清蛋白、蛋白質含量顯著高于深松處理。張慧芋等[33]研究發(fā)現(xiàn)休閑期深翻相比休閑期免耕有利于提高旱地麥田播前底墑，并可將其蓄墑效果延續(xù)至孕穗期，從而顯著提高籽粒蛋白質及其組分清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量。

3.2 對籽粒蛋白外其他主要品質指標的影響

薛亞光等[34]通過研究麥秸全量旋耕還田、麥秸半量旋耕還田、麥秸半量溝埋還田、麥秸全量溝埋還田對水稻品質的影響發(fā)現(xiàn)，麥秸全量旋耕還田會顯著降低稻米的崩解值、峰值黏度和膠稠度，提高消減值和直鏈淀粉含量。趙竹等[24]通過研究深松、旋耕、播后不鎮(zhèn)壓、秸稈還田+深耕、旋耕、旋耕施肥播種機復式播種作業(yè)對小麥籽粒品質的影響，證實沉降值、硬度、濕面筋含量等品質指標以旋耕處理表現(xiàn)最優(yōu)。聶良鵬等[35]通過研究小麥季深松、免耕、翻耕+玉米季深松或免耕的6 種耕作模式組合發(fā)現(xiàn)，輪耕處理的油分和淀粉含量均高于全年免耕，其中全年深松處理的各營養(yǎng)物質含量最高，其次是小麥季深松+玉米季免耕輪耕模式。陳宏濤等[36]研究證實，與常規(guī)耕作處理相比“T”型耕作出糙率變化不大，裂紋米質量比、直鏈淀粉含量有降低趨勢，其中‘墾稻12’在“T”型耕作方式下的食味評分與常規(guī)耕作差異不明顯，而“T”型耕作下‘墾鑒稻10號’的食味品質顯著優(yōu)于常規(guī)耕作。

4 不同耕作方式對作物產(chǎn)量的影響

耕作方式是影響作物根際土壤生態(tài)環(huán)境最直接有效的途徑，對土壤中水分、養(yǎng)分、溫度、通氣性等起到了調控作用，從而影響作物最終產(chǎn)量的形成[37-38]。楊佳等[1]通過研究證實，相同茬口下，旋耕比翻耕更有助于冬小麥穗長、穗質量、結實小穗數(shù)的增加以及不結實小穗的減少，對產(chǎn)量的增加有一定的積極作用。唐海明等[39]通過研究4 種土壤耕作處理雙季稻旋耕+秸稈還田、雙季稻翻耕+秸稈還田、雙季稻免耕+秸稈還田、雙季稻旋耕+秸稈不還田間產(chǎn)量的差異發(fā)現(xiàn)，雙季稻翻耕+秸稈還田和雙季稻旋耕+秸稈還田處理水稻植株物質生產(chǎn)能力強，干物質積累多，其中2年早稻和晚稻產(chǎn)量雙季稻翻耕+秸稈還田處理皆顯著高于雙季稻旋耕+秸稈不還田。周成河和覃大吉[40]通過研究證實，耕層優(yōu)化雙行勻播技術可改善土壤理化性狀，相比傳統(tǒng)深耕和旋耕可使小麥產(chǎn)量增加10.64%和15.76%，地上部生物產(chǎn)量分別提高7.82%和9.16%。丁錦峰等[41]研究指出，稻茬小麥產(chǎn)量與不同耕作方式間存在顯著的互作效應，板茬耕作方式相比旋耕和翻耕耕作方式群體莖蘗數(shù)多，但分蘗成穗率不高、源庫協(xié)調水平偏低，但花后具有較高的光合生產(chǎn)能力，能明顯提高穗粒數(shù)和千粒重，在最終產(chǎn)量方面要優(yōu)于旋耕和耕翻。為探討砂姜黑土農(nóng)田適宜的耕作方式，李太魁等[42]研究免耕、深耕(30 cm)和旋耕(15 cm)3 種耕作模式對小麥產(chǎn)量的影響，證實與免耕處理相比，深耕處理可有效增加小麥穗粒數(shù)和千粒重，產(chǎn)量增加達9.79%，總體產(chǎn)量表現(xiàn)為深耕＞旋耕＞免耕。田偉等[43]通過3年的田間試驗，以常規(guī)耕作+施有機肥為CK，研究了免耕+種植綠肥、免耕+不種綠肥、常規(guī)耕作+種植綠肥、常規(guī)耕作+不種綠肥五種處理對玉米產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)綠肥種植與免耕技術配合使用相比，單一技術能夠顯著提高玉米平均產(chǎn)量。喬云發(fā)等[44]通過比較常規(guī)耕作、旋耕、翻耕、深翻和超深翻不同耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，翻耕和超深翻相比常規(guī)耕作處理玉米產(chǎn)量分別增加7.6%和6.0%，翻耕比超深翻玉米產(chǎn)量增加10.9%，而深翻處理玉米產(chǎn)量比常規(guī)耕作減產(chǎn)8.1%。張瑜等[18]通過研究傳統(tǒng)耕作、地膜覆蓋、秸稈深埋、地膜覆蓋+秸稈深埋4 種不同耕作方式對春玉米生長和產(chǎn)量的影響，證實整個生長過程不同處理的玉米株高、葉面積指數(shù)、莖粗均表現(xiàn)為地膜覆蓋+秸稈深埋＞地膜覆蓋＞秸稈深埋＞傳統(tǒng)耕作，地膜覆蓋+秸稈深埋、秸稈深埋和地膜覆蓋處理的玉米產(chǎn)量顯著比傳統(tǒng)耕作增加了15.9%、10.5%和5.6%。

5 展望

5.1 未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對耕作方式的研究應進一步加強

從國內(nèi)發(fā)展形勢看，隨著生態(tài)環(huán)保意識的提高和國家目前大力提倡減肥減藥農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展強制性要求的不斷加強，在中國人口不斷增加和經(jīng)濟生活水平不斷提高的社會背景下，人們對于糧食產(chǎn)量及品質的要求越來越高，如何通過耕作措施實現(xiàn)減肥減藥下作物產(chǎn)量品質的穩(wěn)定和提高將是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中急需重點研究的熱點問題之一。從國際發(fā)展形勢看，世界大多數(shù)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都面臨著人口增加、耕地破壞、成本提高、污染加劇、資源浪費、地力下降及能源危機的嚴峻形勢，世界各國都在研究相應的應對策略和農(nóng)業(yè)發(fā)展新思路，一致認為農(nóng)業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展的一個重要方面就是保證耕地土壤維持一個良好的生物、化學和物理狀態(tài)，所有對策中都把耕作方式的合理選擇和應用作為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展研究的重點。筆者及世界多數(shù)農(nóng)業(yè)科研人員皆認為耕作方式與土壤耕層深淺、養(yǎng)分平衡、養(yǎng)分供應能力、單位容重、持水保肥性能、抗逆緩沖能力大小及生態(tài)系統(tǒng)能量物質循環(huán)流動密切相關[45-47]，深入研究耕作方式以提升農(nóng)田土壤質量必將是未來農(nóng)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一和急需重點研究的熱點領域之一。

5.2 如何選擇適宜于中國的耕作方式

在選擇耕作方式上應當充分結合中國地少人多的現(xiàn)實國情，不能完全學習模仿人少地多發(fā)達國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常采用的保土、保墑耕作方式。如美國為了減少作業(yè)能耗、減輕土壤壓實、優(yōu)化土層結構大面積推行保土耕作制，大力發(fā)展少免耕或覆蓋耕作，其耕地有1/3 實行了覆蓋耕作，1/3 以上的耕地實行少免耕耕作。中國的現(xiàn)實國情決定了少免耕不適宜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大面積推廣應用，為解決糧食安全問題和提高人民生活水平，在提高土壤養(yǎng)分供應能力和利用效率的基礎上，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對農(nóng)田土壤頻繁的擾動和干擾是不可避免的。筆者認為基于作物產(chǎn)量和品質的提高及耕地的可持續(xù)利用，中國在耕作方式的選擇和運用上應充分考慮到：（1）中國地域遼闊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在西北黃土高原半干旱雨養(yǎng)區(qū)、淮北平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)、沿江平原區(qū)及東北風沙區(qū)等多種土壤類型生態(tài)區(qū)；（2）主要糧食作物種類多，有早晚稻、春夏玉米和春冬性小麥；（3）作物茬口類型多，有麥-玉、麥-稻、稻-稻等。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應當根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境特點、土壤屬性、作物種類和茬口類型以高產(chǎn)優(yōu)質和可持續(xù)栽培為基本出發(fā)點，同時注重耕作方式與前茬作物交互作用、地膜覆蓋、秸稈機械粉碎還田及保護性耕作等多種耕作方式的合理搭配和推廣應用，通過適宜耕作方式的推廣和應用，改善土壤結構、養(yǎng)分供應能力、作物播種質量、出苗質量及植株后期生長發(fā)育狀態(tài)和生理生化特性，進而充分挖掘耕地生產(chǎn)潛力，促進耕作技術成效與生態(tài)環(huán)境相輔相成，實現(xiàn)糧食的大面積增產(chǎn)增效及耕地和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)利用和發(fā)展。