牛潤(rùn)芝，朱長(zhǎng)偉，姜桂英，楊 錦，羅 瀾，申鳳敏，劉 芳，劉世亮

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，對(duì)保障糧食安全具有重要意義。小麥冠層光合性能對(duì)產(chǎn)量有重要作用，葉是小麥冠層光合作用最主要的貢獻(xiàn)者，葉綠素對(duì)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(yīng)植株生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分的能力。長(zhǎng)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(zhǎng)[2-3]。輪耕措施將深耕、旋耕和淺旋耕等各項(xiàng)耕作方式合理配置，可減少長(zhǎng)期單一土壤耕作產(chǎn)生的缺點(diǎn)[4-5]，也能提高土壤理化性質(zhì)，為作物的生長(zhǎng)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(jìn)而獲取較高的籽粒產(chǎn)量。因此，探索不同耕作方式對(duì)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(rèn)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(rèn)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(xiàn)，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(guò)提高播前底熵進(jìn)而提高小麥花后光合能力和旗葉葉綠素相對(duì)含量。侯賢清等[15]研究發(fā)現(xiàn)，深松覆蓋和免耕覆蓋提高了葉綠素相對(duì)含量，使旗葉保持較高的光合能力。趙亞麗等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)作物增產(chǎn)。前人雖就耕作對(duì)冬小麥光合特性、產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分方面的影響進(jìn)行了研究，但大多是單一耕作模式之間的比較，對(duì)不同輪耕模式還有待于進(jìn)一步研究。

豫北潮土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，因此，本研究以該地區(qū)小麥-玉米輪作體系為研究對(duì)象，設(shè)置5種輪耕模式，探索不同輪耕模式下冬小麥光合特性、產(chǎn)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(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)始于2016年10月小麥季，在河南省原陽(yáng)縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(N35°19′，E113°50′)進(jìn)行，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型為典型砂質(zhì)潮土，試驗(yàn)前0～20 cm土層基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大田小區(qū)設(shè)計(jì)，前茬作物秸稈全量還田的條件下，在2016—2019年連續(xù)進(jìn)行夏玉米季免耕播種，冬小麥季實(shí)施5種輪耕模式，3 a一周期：連續(xù)旋耕(RT-RT-RT)，即對(duì)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(shè)3次重復(fù)。

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(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(cè)定

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

土壤養(yǎng)分：2019年小麥?zhǔn)斋@期，按照五點(diǎn)取樣法，以10 cm為一個(gè)層次取0～50 cm土層土樣，去除肉眼可見(jiàn)的植物殘?bào)w和石塊后，將其風(fēng)干并過(guò)0.85 mm篩后密封保存，用于測(cè)定速效養(yǎng)分含量，其中土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提-比色法，土壤堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，土壤有效磷測(cè)定采用釩鉬藍(lán)比色法，土壤速效鉀測(cè)定采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法[18]。

小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素：2019年小麥?zhǔn)斋@期采樣，在各小區(qū)選取1 m2樣方進(jìn)行人工收割，將其風(fēng)干、脫粒、測(cè)產(chǎn)，并記錄穗數(shù)。同時(shí)在各小區(qū)取樣考種，測(cè)定穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016錄入與整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪耕模式對(duì)小麥光合特性的影響

2.1.1 不同輪耕模式對(duì)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(xiàn)為開(kāi)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(kāi)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(duì)小麥凈光合速率的提高效果較為明顯，平均增幅達(dá)10.85%。

不同小寫字母表示同一生育時(shí)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(duì)氣孔導(dǎo)度的影響 由圖2可知，小麥葉片氣孔導(dǎo)度大小表現(xiàn)為開(kāi)花期>抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期。在各生育時(shí)期，RT-RT-RT處理下氣孔導(dǎo)度最小；拔節(jié)期和開(kāi)花期，以DT-RT-RT氣孔導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)度，在小麥不同生育時(shí)期，DT-RT-RT和DT-SRT-RT對(duì)氣孔導(dǎo)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(shí)期氣孔導(dǎo)度Fig.2 Stomatal conductance under different treatments at different wheat growth stages

2.1.3 不同輪耕模式對(duì)胞間CO2濃度的影響 由圖3可知，不同生育時(shí)期的胞間CO2濃度整體上表現(xiàn)為開(kāi)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(kāi)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(dá)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(shí)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(duì)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(kāi)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(duì)照處理，其中DT-SRT-RT處理在數(shù)值上較其他處理略高，較對(duì)照處理的小麥葉綠素含量增加16.52%。由此可見(jiàn)，DT-SRT-RT可提高灌漿期小麥葉綠素含量，利于增強(qiáng)此時(shí)期小麥光合作用。

2.2 不同輪耕模式對(duì)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(duì)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(xiàn)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(duì)土壤養(yǎng)分含量無(wú)顯著影響(圖5)。

圖4 不同處理小麥不同生育時(shí)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(duì)小麥產(chǎn)量的影響

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

表1 不同處理小麥產(chǎn)量及其構(gòu)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(chǎn)量的相關(guān)性

凈光合速率與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)性分析見(jiàn)表2，在抽穗期、開(kāi)花期和灌漿期，凈光合速率與穗數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.712，0.792和0.712。隨著小麥的生長(zhǎng)，凈光合速率與產(chǎn)量在抽穗期和開(kāi)花期分別達(dá)到顯著和極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.626和0.763。

表2 小麥不同生育時(shí)期凈光合速率與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)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(chǎn)量的相關(guān)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(chǎn)量的相關(guān)性分析見(jiàn)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(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)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(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量則與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(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(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

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

3 結(jié)論與討論

小麥光合作用的強(qiáng)弱直接影響小麥產(chǎn)量。植物光合作用受到耕作的影響，適宜的耕作技術(shù)能夠?yàn)樾←溕L(zhǎng)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(chǎn)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?yàn)樽魑锶~片光合特性與耕作措施有著密不可分的關(guān)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(jié)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(jìn)而改善作物的光合特性[24-25]。輪耕措施將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)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(zhǎng)光合時(shí)間，進(jìn)而保持較高的光合能力和葉綠素含量。同時(shí)，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(shí)存在時(shí)，若胞間CO2濃度變化趨勢(shì)與光合速率和氣孔導(dǎo)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(dǎo)度高于RT-RT-RT，而胞間CO2濃度卻低于RT-RT-RT，二者所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)相反，說(shuō)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(shí)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?yàn)檩喐苁杷傻淄?，調(diào)節(jié)葉片氣孔導(dǎo)度，進(jìn)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(jìn)一步研究。

土壤速效養(yǎng)分含量是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)。耕作方式直接作用于土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(zhǎng)期旋耕造成表層養(yǎng)分富集、下層土壤緊實(shí)等缺點(diǎn)[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?？赡苁且?yàn)樯罡浜线B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(lái)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(chǎn)物在土表集聚，不能充分轉(zhuǎn)移至下層土壤得到利用，導(dǎo)致土壤肥力水平提高受限。深耕對(duì)于土壤擾動(dòng)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(yíng)養(yǎng)元素，還能將淺旋耕或旋耕時(shí)滯留在土表的養(yǎng)分翻移至下層，整個(gè)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(jù)土壤養(yǎng)分與產(chǎn)量的相關(guān)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(chǎn)量呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)性，這說(shuō)明可以通過(guò)輪耕措施提高土壤速效養(yǎng)分含量，實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)增收。深層土壤氮素含量與作物產(chǎn)量呈顯著相關(guān)，可能是因?yàn)槎←溂静煌鞣绞綖橥寥赖剞D(zhuǎn)化提供了良好的土壤環(huán)境，提高了氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性，從而提高土壤供氮能力[30]。磷在土壤中的移動(dòng)性較弱，輪耕將上層土壤中的磷素向下翻轉(zhuǎn)至深土層，提高磷素的空間有效性和小麥根系對(duì)磷的利用率，這對(duì)收獲期小麥籽粒產(chǎn)量潛力的發(fā)揮具有重要意義。

小麥產(chǎn)量與凈光合速率及土壤有效養(yǎng)分含量關(guān)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(jìn)干物質(zhì)的積累[10，34]，利于小麥產(chǎn)量的提高。本試驗(yàn)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(chǎn)量構(gòu)成因素，提高小麥產(chǎn)量。這與孔凡磊等[5]、韋安培等[35]對(duì)輪耕能提高冬小麥產(chǎn)量的研究結(jié)論相似。其中DT-SRT-RT處理增產(chǎn)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(zhì)，提高土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，促進(jìn)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(shí)期葉綠素含量，改善光合性能，增強(qiáng)花后干物質(zhì)積累，提高花后干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，形成較高的籽粒產(chǎn)量和生物量。由相關(guān)性分析可知，不同生育時(shí)期冬小麥葉片凈光合速率與產(chǎn)量均呈正相關(guān)，在開(kāi)花期呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，說(shuō)明可以通過(guò)改變耕作方式來(lái)改善小麥生育期凈光合速率特別是開(kāi)花期凈光合速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小麥的增產(chǎn)。

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?zhǔn)斋@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(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量，以深耕-條旋耕-旋耕效果最佳。綜合來(lái)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(chǎn)量及其構(gòu)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。