張茜茜，王海峰,2

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院, 河北 邯鄲 056038；2.韓國(guó)又石大學(xué)風(fēng)景園林與城市設(shè)計(jì)系，韓國(guó) 全州 565701)

0 前 言

農(nóng)田作物秸稈是一種便于回收利用的可再生能源，而秸稈還田則能夠有效調(diào)節(jié)和改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)小環(huán)境，提高土壤的蓄水能力，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[1-5]。先前的研究通過(guò)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行一系列的覆蓋處理證實(shí)，秸稈還田通過(guò)改變植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境和物候狀況，并調(diào)整作物的根系分布狀態(tài)，最終造成作物的增產(chǎn)或減產(chǎn)[6-8]。例如，宋廣鵬等[9]通過(guò)對(duì)水稻田和小麥田進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)證實(shí)，秸稈還田改善了農(nóng)田土壤中的微環(huán)境，使得水稻的株高和小麥的分蘗數(shù)顯著增加，進(jìn)而促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)。同時(shí)，秸稈還田會(huì)導(dǎo)致土壤水分和溫度的變化，改善植物進(jìn)行光合作用的環(huán)境條件，提高植物的光能利用能力，促使作物進(jìn)行更多的碳同化和碳固定，最終提高作物的光合速率和水分利用效率[10-13]。然而，也有大量的研究結(jié)果已經(jīng)表明，秸稈還田也存在常見(jiàn)的“先抑后揚(yáng)”現(xiàn)象，即秸稈還田并不是從一開(kāi)始就對(duì)作物生長(zhǎng)有正效應(yīng)，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后才會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)作用[14]。比如李新舉等[15]的研究就發(fā)現(xiàn)，秸稈還田導(dǎo)致小麥分蘗期的分蘗數(shù)減少，土壤養(yǎng)分和肥力缺失，但秸稈的逐漸分解可以彌補(bǔ)小麥生長(zhǎng)后期的營(yíng)養(yǎng)限制，最終完成小麥的正常生長(zhǎng)。但也有研究證實(shí)，秸稈還田會(huì)降低土壤溫度和葉片的光捕獲量，減緩作物生長(zhǎng)，使作物減產(chǎn)[16-18]。

秸稈還田主要通過(guò)改變作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，從而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育[7,19]。然而，盡管秸稈還田對(duì)作物的最終產(chǎn)量有著積極的正效應(yīng)，但秸稈覆蓋如何通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量構(gòu)成的潛在機(jī)理并不清楚，本研究基于大田試驗(yàn)，探討了秸稈還田對(duì)土壤理化參數(shù)及冬小麥形態(tài)特征和光合性能的影響機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)于黃淮海農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該試驗(yàn)地位于華北平原中部的邢臺(tái)市寧晉縣原種場(chǎng)(114°53′E，37°37′N)，以壤土和黏土為主。寧晉縣處于暖溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量約501 mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年10月至2018年6月進(jìn)行，供試作物為小麥，品種為“濟(jì)麥22”，肥料為氮肥(尿素)，灌水采用激光噴灌。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理(秸稈還田，秸稈不還田)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)的小區(qū)面積均為16 m×12 m。秸稈還田方式采用秸稈粉碎反壓還田，即夏玉米秸稈粉碎后旋耕使其與表層土壤均勻混合[20]。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤含水量和養(yǎng)分含量測(cè)定

在冬小麥成熟期用土鉆取地下30 cm處的土壤樣品，立即放入密封袋中保存，待到室內(nèi)后取一部分土樣放入烘箱105 ℃烘干至恒重并計(jì)算土壤含水量。剩余的土壤樣品則自然晾干，晾干后用研缽研磨細(xì)碎，過(guò)0.1 mm的篩子，然后使用J200激光光譜元素分析儀測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。

1.3.2 冬小麥形態(tài)參數(shù)測(cè)定

在冬小麥成熟期隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)內(nèi)的30株小麥，然后分別測(cè)定小麥的株高、分蘗數(shù)等形態(tài)參數(shù)；再把小麥樣品放入烘箱110 ℃殺青半小時(shí)，后轉(zhuǎn)為80 ℃烘干48 h后稱量小麥干重。

1.3.3 冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成測(cè)定

在冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)同樣每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選30株，分別測(cè)定每株小麥的穗粒數(shù)和千粒重。

1.3.4 印跡法采集氣孔樣品及測(cè)量

本研究采用了被廣泛使用的氣孔印跡法來(lái)測(cè)量氣孔密度、氣孔開(kāi)度及其分布模式[21,22]。

1.3.5 氣孔的空間分布格局分析

采用空間分布軟件Arc GIS 10.0將所選的顯微鏡照片在相同的坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)字化處理，并利用Ripley’s K-Function對(duì)數(shù)字化后表征氣孔分布狀況的點(diǎn)進(jìn)行空間分析[22,23]。

1.3.6 氣體交換參數(shù)測(cè)定

利用Li-6400-09便攜式光合測(cè)定系統(tǒng) (LI-COR Inc. Lincoln, Nebraska, USA) 測(cè)定冬小麥的氣體交換參數(shù)即葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(E)。此外，利用公式WUE=Pn/E計(jì)算葉片尺度上的水分利用效率[21,24]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

秸稈還田處理對(duì)冬小麥產(chǎn)生影響的各個(gè)指標(biāo)利用單因素的統(tǒng)計(jì)方法，并使用Duncan’s Multiple Range Test比較不同處理間的顯著性差異(P<0.05)，統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS13.0(Chicago, IL)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)土壤含水量和養(yǎng)分含量的影響

從圖1中可以得出，秸稈還田處理導(dǎo)致土壤含水量顯著增加47%[P<0.05；圖1(a)]。此外，秸稈還田顯著降低了土壤N和P含量，但對(duì)K含量的影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平[P>0.05；圖1(b)～(d)]。

2.2 秸稈還田對(duì)冬小麥形態(tài)特征和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

本研究結(jié)果顯示，秸稈還田處理顯著增加了冬小麥的葉面積(P<0.05)，但株高、鮮重和穗干重的增加未達(dá)到顯著水平(P>0.05；表1)。

另外，從圖2中也可以得出，秸稈還田僅使得冬小麥穗粒數(shù)和千粒重分別增加9%和8%，但均沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響(P>0.05；圖2)。

圖1 秸稈還田對(duì)土壤含水量和養(yǎng)分含量的影響

表1 秸稈還田對(duì)冬小麥形態(tài)特征的影響

圖2 秸稈還田對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.3 秸稈還田對(duì)冬小麥氣孔特征的影響

兩種處理下的葉片近軸面氣孔密度均高于遠(yuǎn)軸面，但氣孔面積卻呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，即近軸面的氣孔面積均低于遠(yuǎn)軸面(表2)。另外，秸稈還田處理并未顯著降低冬小麥葉片近軸面和遠(yuǎn)軸面的氣孔密度(P>0.05；表2)。同時(shí)，氣孔長(zhǎng)度，氣孔寬度，氣孔周長(zhǎng)和氣孔面積在秸稈還田處理下，一致表現(xiàn)為在近軸面保持不變而遠(yuǎn)軸面僅有輕微的下降(P>0.05；表2)。

表2 秸稈還田對(duì)冬小麥氣孔特征的影響

2.4 秸稈還田對(duì)冬小麥氣孔分布格局的影響

從圖3中可以得出，無(wú)論秸稈是否還田，冬小麥近軸面和遠(yuǎn)軸面的氣孔均在小尺度范圍內(nèi)為規(guī)則分布(近軸面<160 μm，遠(yuǎn)軸面<200 μm)，而在大尺度范圍內(nèi)(近軸面>160 μm，遠(yuǎn)軸面>200 μm)呈現(xiàn)隨機(jī)分布的特征。秸稈還田處理下，冬小麥近軸面Lhat(d)的最小值低于不還田，說(shuō)明秸稈還田使得近軸面氣孔的空間分布格局更加規(guī)則；而在遠(yuǎn)軸面Lhat(d)的最小值與不還田差距不大，也就說(shuō)明秸稈還田對(duì)遠(yuǎn)軸面氣孔的空間分布格局影響不顯著(圖3)。

2.5 秸稈還田對(duì)冬小麥氣體交換參數(shù)的影響

從圖4可以得出，秸稈還田增加了冬小麥的Pn、Gs、E和WUE，但在統(tǒng)計(jì)分析上均未達(dá)到顯著水平(P>0.05；圖4)。

圖3 秸稈還田對(duì)冬小麥氣孔分布格局的影響

圖4 秸稈還田對(duì)冬小麥氣體交換參數(shù)的影響

3 討 論

秸稈，作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)的“廢料”，含有大量農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在歸還于農(nóng)田之后，經(jīng)過(guò)土壤微生物的腐解作用，就會(huì)轉(zhuǎn)化為作物生長(zhǎng)所需的有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分。因此，秸稈還田對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用[25]。以往多數(shù)研究表明，秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤溫度和水分狀況，增加作物在關(guān)鍵生育時(shí)期的土壤水分，改善土壤微環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[26-29]。就如王幸等[7]對(duì)大豆田進(jìn)行秸稈覆蓋后得出結(jié)論，秸稈還田促使土壤中的養(yǎng)分含量增加，直接導(dǎo)致大豆的生產(chǎn)力顯著提升。然而，也有研究證實(shí)，由于作物生長(zhǎng)的時(shí)期和土壤類型存在差異，因此秸稈還田對(duì)作物的影響并不一定都是正效應(yīng)[30]。比如，孫隆祥等[31]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于秸稈的分解需要消耗大量的土壤有機(jī)質(zhì)，這就使得植物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)銳減，進(jìn)而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。本研究結(jié)果顯示，秸稈還田使得冬小麥在成熟期的各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)均增加，這在某種程度上說(shuō)明秸稈還到農(nóng)田的最初一段時(shí)間可能并沒(méi)有對(duì)小麥產(chǎn)生影響，但在生育后期促進(jìn)了小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，提高了生物量和產(chǎn)量。這種現(xiàn)象屬于常見(jiàn)的“先抑后揚(yáng)”，與前人的研究一致[14-15,32]，即秸稈還田對(duì)作物的影響與還田時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，因?yàn)樵谶€田初期，秸稈的分解速率較慢，且需要吸收土壤中的N元素，但隨著還田時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷分解供作物吸收利用，從而提高產(chǎn)量。同時(shí)，秸稈還田增加了冬小麥成熟期土壤含水量，提高了土壤K含量，說(shuō)明在秸稈還田初期，微生物分解還會(huì)吸收土壤中的K，但隨著作物的生長(zhǎng)，秸稈分解逐漸完成使得土壤中的K含量增加并滿足作物生長(zhǎng)所需。然而，土壤N和P含量的顯著降低，說(shuō)明到作物成熟階段，N和P含量成為制約植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。

秸稈還田除了可以優(yōu)化農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育外，還能有效提高植物體內(nèi)葉綠素等的捕光色素含量，同時(shí)促進(jìn)植物葉片的氣孔開(kāi)放，調(diào)節(jié)葉肉細(xì)胞CO2的供應(yīng)能力，進(jìn)而提高植物的光合作用[33]。例如，張向前等[34]的研究結(jié)果顯示，秸稈還田導(dǎo)致小麥植株的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率分別顯著提高25%、45%和26%。鄢錚等[35]通過(guò)對(duì)不同秸稈還田模式下馬鈴薯植株的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)秸稈還田使得土壤含水量增加，從而提高馬鈴薯的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，有利于氣體交換，同時(shí)能夠?qū)⑼寥乐械酿B(yǎng)分和水分隨著上升的蒸騰流運(yùn)送到植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵部位，最終增加馬鈴薯的凈光合速率。本研究結(jié)果顯示，秸稈還田導(dǎo)致冬小麥葉片凈光合速率在成熟期僅有輕微的上升，這一現(xiàn)象可能是秸稈還田雖然使冬小麥在成熟期的氣孔空間分布更加規(guī)則，有提高葉片凈光合速率的潛質(zhì)，但由于氣孔密度和氣孔開(kāi)度均下降，限制了凈光合速率的升高，因此并沒(méi)有顯著提高葉片的凈光合速率。此外，由于只對(duì)冬小麥進(jìn)行了一季的秸稈覆蓋處理，因此秸稈效應(yīng)還并不明顯，今后需在此基礎(chǔ)上做更深入的研究。

4 結(jié) 論

冬小麥作為一種廣泛分布的C3物種，是中國(guó)北方地區(qū)普遍種植的重要糧食作物，其生產(chǎn)能力在一定程度上直接關(guān)系著該區(qū)域甚至國(guó)家層面的糧食安全問(wèn)題。因此，研究秸稈還田處理對(duì)冬小麥生長(zhǎng)特性的影響，可以為全球糧食生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。本研究在河北省邢臺(tái)市寧晉縣原種場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，探究了黃淮海平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤理化性質(zhì)以及冬小麥形態(tài)特征和光合性能對(duì)秸稈還田的響應(yīng)。得到如下結(jié)論：

(1)秸稈還田處理導(dǎo)致土壤含水量顯著增加，然而顯著降低了土壤N和P含量，但對(duì)K沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響；

(2)秸稈還田處理下，冬小麥的葉面積顯著增加，同時(shí)提高了穗粒數(shù)和千粒重；

(3)冬小麥通過(guò)提高氣孔空間分布的規(guī)則程度來(lái)優(yōu)化其進(jìn)行氣體交換的效率，導(dǎo)致葉片凈光合速率增加。