旱地秸稈還田對春小麥光合特性及產(chǎn)量的影響

朱涵珍 梅四衛(wèi) 王術(shù) 楊習文

摘要：在旱地設置普通耕作（CK）、旋耕還田（XG）、免耕還田（MG）、深松還田（SS）和深耕還田（SG）處理，連續(xù)3年（2016—2018年）研究不同秸稈還田模式對春小麥光合特性及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，由于秸稈還田對土壤及水分和養(yǎng)分環(huán)境的改變，總體上秸稈還田對小麥光合特性及產(chǎn)量的作用大于不還田。2016—2018年春小麥葉片水分利用效率、光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度均表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量總體表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK;而脯氨酸和丙二醛含量總體表現(xiàn)為SSMG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之?；プ餍治霰砻?，年份×耕作方式對穗數(shù)、穗粒數(shù)及籽粒產(chǎn)量的影響均達極顯著水平（P<0.01）。綜合分析表明，影響小麥產(chǎn)量的主要因素為葉面積指數(shù)和葉綠素a含量;為充分發(fā)揮春小麥的產(chǎn)量潛力，最佳的管理措施是深松還田。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;春小麥;光合特性;產(chǎn)量;深松還田

中圖分類號： S512.104;S512.101? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0098-06

收稿日期：2021-04-23

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAD07B07-4）。

作者簡介：朱涵珍（1974—），女，河南杞縣人，碩士，副教授，研究方向為小麥玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生態(tài)生理研究。E-mail：hanzhenzhu@126.com。

通信作者：梅四衛(wèi)，博士，副教授，主要從事小麥玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生態(tài)生理研究。E-mail：Siweimeei@126.com。

我國幅員遼闊、地大物博，擁有眾多的人口，需要大量的糧食作物維持生活，受制于地理因素及氣候的制約[1-3]，我國南方和北方地區(qū)的糧食作物呈現(xiàn)較大差異，我國北方最主要的糧食作物是小麥，水稻和小麥是南方的關(guān)鍵農(nóng)作物。對于小麥而言，不僅具有高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的優(yōu)勢[4]，同時具有較強的適應性，能夠在較為復雜的環(huán)境中生長，這對于其大面積種植起著關(guān)鍵作用，也是其成為主要谷物的原因[5-6];此外，大面積種植小麥不僅保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活，同時對于局地氣候的改善也起著關(guān)鍵作用。從世界糧食作物產(chǎn)量的角度來講，小麥占其總量的1/4左右[7-8]，進入21世紀，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅是量的保障，更重要的是質(zhì)的保障，是可持續(xù)發(fā)展的要求，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為順應農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，綠色有機成為大眾的需求[9-10]。對于春小麥來講，制約其產(chǎn)量的關(guān)鍵要素之一是光合特性，此影響因素不僅呈現(xiàn)突出的多樣性，而且其復雜性也尤為突出，除了自身特性之外，土壤養(yǎng)分及水分等條件、氣溫等環(huán)境因素均顯著制約著小麥生長[11]，而且農(nóng)田管理等方面的影響效應也尤為突出;為了促進小麥種植，近年來開展了秸稈還田、有機施肥等一系列舉措，旨在促進土壤肥力和活性的保持，從而改善小麥生長條件。不少學者通過實證研究發(fā)現(xiàn)，無論是秸稈還田，還是地膜覆蓋等，耕作方式的改變會對小麥的光合作用產(chǎn)生突出影響，但旱地耕作條件下，秸稈還田對光合作用的影響效應研究并不多，基于此，本研究立足于旱地小麥種植，探究秸稈還田的影響效應，旨在為農(nóng)業(yè)種植提供有益參考和借鑒。

我國東北地區(qū)氣候寒冷，主要的糧食作物較為單一，其中冬春小麥及玉米等成為主要作物，從全國春小麥種植的角度來講，東北地區(qū)種植面積占到了10%[11-12]，具有廣泛的分布。但是在種植過程中容易出現(xiàn)氮素低效高損耗的問題，這一矛盾制約著小麥種植，尤其是干旱條件下具有更為突出的影響[12-14]。為了促進小麥種植的穩(wěn)定高效發(fā)展，大量學者開展了相關(guān)育種研究，對不同小麥品種的生長特性進行了對比分析，對其環(huán)境適應性加以比較，在當前土壤質(zhì)量不斷下降的情況下，推行秸稈還田具有重要的現(xiàn)實意義，對于土壤條件的改善效果突出，進而促進小麥種植[15-17]。基于此，本研究選取東北地區(qū)春小麥，從秸稈還田的角度來分析其生長適應性，對其土壤特性加以分析對比，探究其光合特性的作用機理，從而為我國的小麥高效種植提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

本研究所選小麥品種為周麥18，是河南省主推的高產(chǎn)品種，具有廣闊的種植面積，具體種植區(qū)域位于沈陽農(nóng)業(yè)大學試驗田（123.59°E、41.81°N），該區(qū)域?qū)儆诘湫偷钠祬^(qū)，以砂姜黑土為主，受制于其所處的地理因素制約，其溫帶大陸季風氣候特點突出，無論是降雨還是氣溫，其季節(jié)變化尤為突出。為了盡可能地降低試驗誤差，本研究從2016年4月開始，之后連續(xù)3年重復該試驗。對于該區(qū)域而言，其堿解氮、速效磷及速效鉀含量分別為111.5、28.3、132.1 mg/kg，有機質(zhì)含量為14.3 g/kg;在試驗區(qū)域進行隨機分區(qū)，要求其長、寬分別為20、10 m，為了避免交互影響帶來的試驗誤差，要求其保留5 m的間隔;為了進行試驗可比性，對于試驗分區(qū)采取統(tǒng)一的大田管理模式，即采取標準施肥，其純氮、磷、鉀分別按333、150、12 kg/hm2進行施肥。

旋耕還田（XG）處理如下：在上一茬玉米收割的同時進行秸稈粉碎并還田，之后旋耕2遍，然后再常規(guī)播種小麥。對于免耕還田（MG）而言，依然是在上一茬玉米收割的同時采取秸稈粉碎并還田，但是播種方式為以免耕播種機進行，要求播種、施肥的深度分別為8、13 cm。對于深松還田（SS）來講，依然是在上一茬玉米收割的同時采取秸稈粉碎并還田，但播種前深松1次，免耕機播種的方式，要求深度達到40 cm。對于深耕還田（SG）而言，秸稈還田后深耕1次，然后旋耕2次，最后采取普通播種。

1.2 春小麥光合特性測定

在研究過程中不僅對春小麥光合作用加以比較，同時探究其碳氮含量等相關(guān)指標，在數(shù)據(jù)測定過程中借助于LI-6400測量系統(tǒng)，為了盡可能地降低試驗誤差，在7月下旬進行指標測定，要求在晴天無風的情況下進行，從7：00開始每間隔2 h進行1次測定，直至19：00止，為了降低試驗誤差，各測量進行3次重復;在試驗過程中采取的光源為紅藍光，而對于CO2流量來講，需要達到400 mol/L，整個試驗測定盡量在22～35 ℃下進行，空氣濕度盡量控制在24%～45%，為了盡可能降低試驗誤差，葉片測定過程中盡量選擇光照條件較為接近，同時對其凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）進行測定，并及時記錄氣孔導度（Gs）等指標。

1.3 春小麥生長各指標測定

為了對小麥生長特性指標進行測定，對各個小區(qū)進行分別取樣5～10株，要求其長勢較為接近，對其株高等長勢特點進行測量記錄，并測量其葉面積，待其成熟后進行干質(zhì)量測定。

1.4 葉片生理指標的測定

對0.5 m2的小麥分區(qū)進行收割，測量其生物量，并將其部分葉片進行烘干處理，待其恒質(zhì)量時停止，要求溫度達到65 ℃。本研究采取浸提法測定葉綠素含量，首先將新鮮葉片研磨處理，對于可溶性蛋白、糖分的測定分別借助于染色法、比色法[15]進行。

1.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定

試驗過程中在各個分區(qū)進行5 m2的取樣測量，主要是測其產(chǎn)量及構(gòu)成。

采用Excel 2003和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素方差分析（One-way ANOVA），t檢驗比較各處理間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對春小麥水分利用效率（WUE）的影響

由表1可知，春小麥水分利用效率在生長期達到最高，不同年份春小麥水分利用效率總體表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了土壤含水量，水分利用效率逐漸變大，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。

2.2 秸稈還田對春小麥成熟期葉片生理指標的影響

由表2可知，成熟期春小麥植株葉片生理指標具有明顯的差異，不同年份差異并不明顯，其中2016—2018年春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量均表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。而2016—2018年春小麥葉片丙二醛含量和脯氨酸含量整體呈相反的變化趨勢，均表現(xiàn)為SS

2.3 秸稈還田對春小麥光合特性參數(shù)的影響

Pn和Tr分別是反映植物光合作用和蒸騰作用強弱的最重要指標，Pn、Tr越大，說明光合作用水平越高、蒸騰作用越強。由表3可知，春小麥植株葉片光合特性具有明顯的差異，不同年份差異并不明顯，其中2016—2018年春小麥葉片光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度整體表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了春小麥的光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。

2.4 秸稈還田對春小麥葉片性狀的影響

葉片厚度是表征植物生長過程中碳收獲的葉性狀指標，葉片厚度的調(diào)整是植物對遮光強度環(huán)境做出的典型形態(tài)學反映。由表4可知，春小麥植株葉片性狀具有明顯的差異，不同年份差異并不明顯，其中2016—2018年春小麥葉片面積、比葉重、葉面積指數(shù)和葉片厚度均表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了春小麥葉片面積、比葉重、葉面積指數(shù)和葉片厚度，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。

2.5 秸稈還田對成熟期春小麥產(chǎn)量的影響

由表5可知，年份和耕作方式對小麥穗數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均有極顯著影響（P<0.01），年份×耕作方式對小麥穗數(shù)和生物產(chǎn)量均有極顯著影響（P<0.01），對小麥籽粒產(chǎn)量具有顯著影響（P<0.05）。

由表6可知，春小麥產(chǎn)量具有明顯的差異，不同年份差異并不明顯，其中2016—2018年春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均表現(xiàn)為SS>MG>SG>XG>CK，說明不同模式的秸稈還田增加了春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，其中以深松還田效果最好，免耕還田和深耕還田次之。

2.6 主成分分析

由表7可知，3個主成分特征值>1，累積貢獻率為85.867%，滿足主成分分析條件，故可以從前3個成分來表征對小麥產(chǎn)量的影響。從表8可以看出，第1主成分的方差貢獻率最大，達到了55.346%，負荷量絕對值>0.8的影響因素為葉面積指數(shù)、光合速率和葉綠素a含量;代表第2主成分的方差貢獻率為19.287%，負荷量絕對值>0.8的影響因素為葉面積指數(shù)、葉綠素a含量;代表第3主成分的方差貢獻率為11.234%，負荷量絕對值>0.8 的影響因素為葉片面積、光合速率。綜合分析表明，影響小麥產(chǎn)量的主要因素為葉面積指數(shù)和葉綠素a含量。

3 討論與結(jié)論

對于處于生長期的小麥來說，其光合效應尤為重要，直接影響籽粒飽滿程度，進而決定其產(chǎn)量，在此期間，其產(chǎn)生了大量的光合物質(zhì)。大量學者通過實證分析發(fā)現(xiàn)，在合理開展秸稈還田的情況下，葉綠素的降解速度被延緩，從而導致葉綠素含量得到明顯的提升，對于光合效率的提升起著關(guān)鍵作用[18-19]。通過長期觀測研究得知，對于春小麥而言，無論是穗數(shù)、穗粒數(shù)，還是千粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量，雖然存在一定的差異，但是整體而言，其具有較為接近的變化規(guī)律，即深松還田處理下具有更高值，其次是免耕還田處理，而旋耕還田最低，但是均高于對照組，對于生物產(chǎn)量來說亦是如此，從中不難看出，雖然秸稈還田的程度有所差異，但是均利于作物產(chǎn)量的提升，尤其是深松還田處理下達到了最好的效果。此外，通過交互作用分析得知，年份及耕作的交互作用也對作物產(chǎn)量有突出影響。整體而言，深松還田的秸稈處理模式能夠突出地提升作物產(chǎn)量。

受秸稈還田的影響，灌漿期小麥的葉綠素降解較為緩慢，這對于促進光合效能有突出影響。此外，溫度、濕度等一系列環(huán)境因子也對其有關(guān)鍵影響。受秸稈還田的制約，土壤氣孔度得以提升，且小麥的葉氣孔導度也得以突出提升，從而促進了光合產(chǎn)能，主要原因在于秸稈還田促進了土壤理化特性的改變，對于微生物的生長發(fā)育及新陳代謝起著積極作用，另一方面降低了水分的蒸騰等，最終促進小麥生長[20-21]。

通過連續(xù)觀測得知，在不同的秸稈還田處理模式下，小麥的光合效率差異并不顯著，而蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度呈一致的變化趨勢，即深松還田處理下更高，其次是免耕還田和深耕還田處理，旋耕還田最低，但是均高于對照組，從中不難看出，雖然秸稈還田的程度有所差異，但是均利于作物光合效能的提升，尤其是深松還田處理下達到了最好的效果。

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