張東旭 閆海麗 李巖華 張俊靈 閆金龍 馮麗云 鄔志遠(yuǎn) 胡丹珠

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所 山西長(zhǎng)治 046011；2.黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 山西太谷 030800）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一， 其產(chǎn)量豐欠關(guān)系到國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定[1-2]。 山西小麥種植歷史悠久， 豐富的面食文化使其消費(fèi)量遠(yuǎn)大于其他糧食作物，占糧食消費(fèi)總量的50%以上，但由于生態(tài)條件和種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整等因素， 現(xiàn)階段山西小麥常年播種面積保持在800 萬(wàn)畝左右， 僅占全省糧食作物播種面積的17.5%，總產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足需求，供需矛盾仍很突出。 近年來(lái)，為穩(wěn)定小麥播種面積，各地積極推廣復(fù)種、套種技術(shù)，其中玉米—冬小麥—大豆兩年三熟是山西中部麥區(qū)的主要種植方式之一。 玉米收獲后秸稈粉碎還田本是增施有機(jī)肥的一種重要途徑[3]，但由于設(shè)備、成本等問(wèn)題，生產(chǎn)中耕作方式不合理導(dǎo)致秸稈回收利用效率低[4]，使秸稈沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)有的價(jià)值，反而成為困擾農(nóng)民生產(chǎn)的難題[5]。 因此，在該地區(qū)探索合理有效的耕作措施， 合理利用秸稈還田提高土壤質(zhì)量與肥力，增加后茬小麥產(chǎn)量，對(duì)保障糧食安全具有重要意義。

合理的耕作方式和秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的技術(shù)措施， 也是確保農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的有效措施和途徑之一[6]。 耕作方式包括多種模式，其中包括深翻、深松、深松淺翻、旋耕、免耕、重耙及傳統(tǒng)翻耕等， 不同的耕作方式對(duì)土壤產(chǎn)生的擾動(dòng)作用存在差異，對(duì)土壤的養(yǎng)分含量影響也不同[7]。 在山西中部麥區(qū)，上茬玉米收獲后長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)的旋耕壟作，致使玉米秸稈入土過(guò)淺，不利于秸稈的分解和腐熟，且影響后薦小麥根系下扎和麥苗生長(zhǎng)， 養(yǎng)分和水分吸收受阻， 嚴(yán)重限制后茬小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量的增加。 因此， 本試驗(yàn)針對(duì)山西中部麥區(qū)特定的土壤及氣候條件， 開(kāi)展不同耕作方式下玉米秸稈還田對(duì)后茬小麥生長(zhǎng)及光合特性的研究， 以期為該地區(qū)玉米—小麥種植篩選出適宜的耕作方式、 增加作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2020-2021 年， 在長(zhǎng)治市黎城縣東社村小麥試驗(yàn)基地進(jìn)行， 試驗(yàn)地點(diǎn)位于36°49′N、113°28′E，海拔770 m。 試驗(yàn)地土壤類型為壤土，小麥播種前土壤0~20 cm 耕層含有機(jī)質(zhì)28.3 g/kg、 速效氮108 mg/kg、速效磷16 mg/kg、速效鉀203 mg/kg。本年度小麥播種前的7 月、8 月降雨較多，底墑充足，小麥生長(zhǎng)季總降雨量為218.9 mm， 略低于歷年平均降雨量（238 mm）。 具體見(jiàn)圖1。

圖1 2020-2021 年度試驗(yàn)地降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為長(zhǎng)6794，由本課題組提供，前茬玉米品種為太育9 號(hào)。玉米收獲時(shí)配帶秸稈粉碎裝置，收獲后玉米秸稈均勻平鋪于地表， 田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?各處理小麥全生育期總施肥量相同，播前一次性施入復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O 為20∶15∶10）1 200 kg/hm2。

試驗(yàn)共設(shè)4 個(gè)處理， 分別為深耕+旋耕+耙耢（T1）、深 耕+旋 耕（T2）、旋 耕2 次（T3）、旋 耕1 次（T4）。 深耕耕深25 cm，旋耕耕深15 cm，耙耢采用傳統(tǒng)耙耢農(nóng)具牲畜牽引完成。 試驗(yàn)田于2021 年10 月10 日播種，隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積50 m2（4 m×50 m），行距20 cm，播種量為187.5 kg/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量與表型性狀 每小區(qū)標(biāo)記代表性樣點(diǎn)2 個(gè)，在苗期、分蘗期和成熟前期調(diào)查基本苗、最高總莖數(shù)、成穗數(shù)，收獲前每小區(qū)在樣點(diǎn)內(nèi)取樣20 株調(diào)查株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒重，小區(qū)全區(qū)收割，曬干后測(cè)其產(chǎn)量。

1.3.2 光合速率測(cè)定 采用CIRAS-2 光合速率儀（PP SYSTEMS，美國(guó)）于晴天上午9:00-11:00 測(cè)定旗葉的光合速率（Pn），每處理測(cè)定3 株，取其平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.3 旗葉葉綠素含量測(cè)定 使用便攜式植物營(yíng)養(yǎng)測(cè)定儀于晴天上午9:00-11:00 測(cè)定參試品種旗葉（從葉尖起1/3 部位）葉綠素含量，每處理測(cè)定5 株，取其平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.4 植被指數(shù)（NDVI）測(cè)定 使用便攜式植物光譜儀 （Green Seeker，USA）， 分別在灌漿前期 （5 月10 日）、灌漿中期（5 月25 日）、灌漿后期（6 月10 日）晴天的中午前后測(cè)定植被指數(shù)，風(fēng)力不超過(guò)5 級(jí)。 測(cè)量前對(duì)準(zhǔn)標(biāo)參考板進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)， 然后對(duì)著目標(biāo)地物測(cè)量，每個(gè)處理測(cè)2 次取均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件和SPSS Statistics 19. 0 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，采用Duncan 法對(duì)不同處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響

由表1 可知，不同處理對(duì)小麥的基本苗、最高莖數(shù)、成穗數(shù)均有顯著的影響，但成穗率之間差異不顯著。 基本苗不同處理間表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，最高莖數(shù)和成穗數(shù)均表現(xiàn)為T1＞T2≥T3＞T4。 其中T1 處理的基本苗、最高莖數(shù)、成穗數(shù)均最高，且顯著高于T2、T3、T4 處理。T2、T3 處理的基本苗、最高莖數(shù)、成穗數(shù)也顯著高于T4 處理， 基本苗T2、T3 處理間差異顯著， 但最高莖數(shù)和成穗數(shù)之間差異不顯著。 說(shuō)明T1處理能夠保障小麥出苗，增加群體數(shù)量，為小麥高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。 而T4 會(huì)顯著影響小麥出苗，降低群體數(shù)量起點(diǎn)，雖后期經(jīng)群體調(diào)節(jié)成穗率差異不顯著，但群體數(shù)量顯著低于其他處理。

表1 不同耕作方式對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

不同處理對(duì)小麥株高影響不顯著， 但顯著影響小麥的穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量。 T1 處理的穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均最高， 其中穗粒數(shù)和千粒重均顯著高于T3、T4 處理，產(chǎn)量顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理的穗粒數(shù)和千粒重顯著高于T4 處理，產(chǎn)量顯著高于T3、T4 處理；T3 處理的穗粒數(shù)和千粒重與T4 處理無(wú)顯著差異，但產(chǎn)量顯著高于T4 處理。 說(shuō)明不同耕作方式會(huì)顯著影響小麥穗部及籽粒性狀，T1 和T2 處理均能夠促進(jìn)小麥穗部發(fā)育，增加穗粒數(shù)和千粒重，而T3、T4 處理則會(huì)影響小麥的穗部和籽粒發(fā)育。 綜上可知，T1 處理能夠顯著促進(jìn)小麥群體與個(gè)體發(fā)育，從而使小麥產(chǎn)量在各處理中最高； 其次產(chǎn)量較高的分別為T2 和T3 處理，而T4 處理則因顯著影響小麥的群體和個(gè)體發(fā)育，產(chǎn)量最低。

2.2 不同處理對(duì)小麥旗葉凈光合速率（Pn）的影響

由圖2 可知， 不同處理對(duì)小麥開(kāi)花后的Pn有顯著的影響。 除花后0 d 各處理間差異不顯著外，花后7~35 d 各處理間的Pn均有顯著差異。 其中，T1 處理花后7~35 d 的Pn均最高， 且顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后21~35 d 的Pn均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后21~35 d的Pn均顯著低于T2 處理， 花后28~35 d 的Pn顯著高于T4 處理；T4 處理花后7~35 d 的Pn均顯著低于T1 處理，花后14~35 d 的Pn均顯著低于T2 處理，花后28~35 d 的Pn顯著低于T3 處理。 由此可見(jiàn)，T1 處理能夠使小麥在灌漿期間保持較高的光合能力，促進(jìn)籽粒灌漿， 其次分別為T2、T3 處理，T4 處理最差，尤其在灌漿后期的凈光合速率顯著低于其他處理。

圖2 不同耕作方式小麥開(kāi)花后不同時(shí)期的旗葉凈光合速率

2.3 不同處理對(duì)小麥葉綠素相對(duì)含量 （SPAD）的影響

由圖3 可知， 不同處理對(duì)花后0~14 d 的SPAD無(wú)顯著影響，花后21~35 d 各處理間的SPAD 差異顯著。 其中，T1 處理花后21~35 d 的SPAD 最高，但僅在花后28 d 顯著高于T2 處理， 其余時(shí)期與T2 處理間無(wú)顯著差異；T1、T2 處理在花后21~35 d 的SPAD均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理在花后21~35 d 的SPAD 均顯著高于T4 處理。 由此可見(jiàn)，T1、T2 處理能夠使小麥在灌漿后期保持較高的葉綠素含量， 減緩葉片衰老， 有利于光合作用，T3、T4 處理則在灌漿后期葉綠素含量下降較快，葉片快速衰老，不利于后期籽粒灌漿，其中T4 處理的效果最差。

圖3 不同耕作方式小麥開(kāi)花后不同時(shí)期的旗葉葉綠素含量

2.4 不同處理對(duì)小麥植被指數(shù)（NDVI）的影響

由圖4 可知， 不同處理對(duì)花后0~35 d 的NDVI有顯著的影響。 T1 處理花后0~35 d 的NDVI 均最高， 除花后35 d 的NDVI 與T2 處理間無(wú)顯著差異，其他時(shí)期的NDVI 均顯著高于T2、T3、T4 處理；T2 處理花后0~28 d 的NDVI 均顯著低于T1 處理，除花后0~7 d 的NDVI 與T3 處理間無(wú)顯著差異外， 其他時(shí)期的NDVI 均顯著高于T3、T4 處理；T3 處理花后0~35 d 的NDVI 均顯著低于T1 處理， 花后14~35 d 的NDVI 顯著低于T2 處理， 花后0~35 d 的NDVI 顯著高于T4 處理；T4 處理在花后0~35 d 的NDVI 均最低，且均顯著低于T1、T2、T3 處理。 由此可見(jiàn)，T1 處理能夠顯著增強(qiáng)小麥灌漿期葉片持綠水平和植株的繁茂性，提高光合效率，促進(jìn)小麥灌漿，T2 處理次之，T3 處理在灌漿前期NDVI 保持較高水平，但在灌漿中后期NDVI 下降較快，顯著低于T1、T2 處理，T4 處理的效果最差，從小麥灌漿開(kāi)始到成熟NDVI 均較低。

圖4 不同耕作方式小麥開(kāi)花后不同時(shí)期的植被指數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 不同耕作方式下玉米秸稈還田對(duì)小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響 玉米秸稈還田后， 經(jīng)過(guò)土壤微生物分解作用， 釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量[8-9]。 但在具體應(yīng)用過(guò)程中由于耕作方式不當(dāng)，土壤耕層淺，對(duì)秸稈的承受力不足，導(dǎo)致后茬小麥出苗率較低、長(zhǎng)勢(shì)較差，甚至減產(chǎn)[10]。 前人研究發(fā)現(xiàn)，耕作方式對(duì)小麥產(chǎn)量的影響因區(qū)域的生態(tài)條件、 秸稈還田的種類和耕作處理的時(shí)長(zhǎng)等不同得到的結(jié)論不一致[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，在山西中部麥區(qū)，前茬玉米收獲后不同耕作方式對(duì)后茬小麥的影響較為顯著， 其中深耕+旋耕+耙耢耕作方式下后茬小麥的產(chǎn)量最高，其次為深耕+旋耕的耕作方式，僅進(jìn)行旋耕作業(yè)的小麥產(chǎn)量較差，但旋耕2 次產(chǎn)量顯著優(yōu)于旋耕1 次。 原因是深耕可以將秸稈翻入土壤深處， 降低因土壤淺層秸稈造成的物理阻礙而導(dǎo)致出苗不好， 同時(shí)深耕還改善了土壤結(jié)構(gòu)[12]，促進(jìn)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的礦化，進(jìn)而提高了作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力[13-14]。 旋耕雖可以起到使田土充分細(xì)碎、地面平坦、土肥摻和均勻的作用，但僅旋耕作業(yè)玉米秸稈入土過(guò)淺，不僅影響播種質(zhì)量，而且不利于秸稈分解和腐熟，不利于后茬小麥根系生長(zhǎng)和植株發(fā)育，造成產(chǎn)量過(guò)低。 深耕和旋耕后進(jìn)行耙耢可進(jìn)一步打碎土塊， 使表土疏松、 上松下實(shí)、耕層更為緊密，種子緊密接觸土壤，保證出苗整齊健壯，同時(shí)還能起到減少蒸發(fā)、抗旱保墑的作用。由此可見(jiàn)，在山西中部麥區(qū)，玉米秸稈還田深耕是必要措施，深耕能夠?qū)⒎鬯榈挠衩捉斩捖袢胪翆由钐?，既能使秸稈充分分解腐熟?也能減少因秸稈入土過(guò)淺對(duì)后茬作物生長(zhǎng)帶來(lái)的危害， 真正達(dá)到還田肥田的目的。 不具備深耕條件僅能旋耕作業(yè)的地方，旋耕作業(yè)至少需2 次。 有條件的地方還應(yīng)在深耕和旋耕后進(jìn)行精細(xì)耙耢，減少因土層過(guò)虛造成的播種過(guò)深、出苗不好，吊根宜凍等問(wèn)題。

3.1.2 不同耕作方式下玉米秸稈還田對(duì)小麥生理特性的影響 光合作用是作物物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，小麥產(chǎn)量的90%~95%來(lái)自光合作用過(guò)程中形成的光合物質(zhì)，且籽粒產(chǎn)量的20%~30%來(lái)自旗葉光合作用[15-16]，小麥灌漿期光合作用強(qiáng)弱是決定小麥產(chǎn)量的重要因素，旗葉是小麥灌漿期最主要的光合器官，其凈光合速率反映了光合能力， 是作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[17]。葉綠素是高等植物進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物的主要物質(zhì)， 其含量的高低可以很大程度上反映植物的物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力， 通常可以通過(guò)測(cè)定葉綠素含量來(lái)表征植物生長(zhǎng)狀況[18-19]。 張向前[20]等的研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式下秸稈還田技術(shù)，特別是深松秸稈還田和免耕秸稈還田可減緩光合午休現(xiàn)象， 使冬小麥維持較高的光合速率， 有利于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的提高。趙亞麗[21]等的研究發(fā)現(xiàn)，深松(耕)與秸稈還田可以提高作物葉片相對(duì)含水量、凈光合速率、蒸騰速率和莖稈傷流量， 促進(jìn)植株干物質(zhì)積累。 本研究中，前茬玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢和深耕+旋耕的耕作方式， 后茬小麥灌漿期的旗葉葉綠素含量和凈光合速率均處于較高水平， 尤其在灌漿后期顯著高于僅使用旋耕作業(yè)的耕作方式， 這與上述結(jié)果基本一致，說(shuō)明深耕能夠有效延緩葉片衰老，延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，增加光合持續(xù)能力，防止早衰，促進(jìn)籽粒灌漿。

植被指數(shù)（NDVI）能夠反應(yīng)作物生長(zhǎng)的繁茂性與持綠性，國(guó)內(nèi)外許多研究表明，植被指數(shù)與作物產(chǎn)量具有很高的相關(guān)性[22-25]。 本研究中，前茬玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢的耕作方式能夠顯著增強(qiáng)小麥灌漿期的NDVI，提高光合效率，促進(jìn)小麥灌漿，進(jìn)而增加產(chǎn)量。 采用深耕+旋耕的耕作方式小麥灌漿期的NDVI 也保持較高水平。 使用旋耕2 次的耕作方式小麥在灌漿前期NDVI 保持較高水平，但在灌漿中后期NDVI 下降較快。 旋耕1 次的耕作方式對(duì)后茬小麥的NDVI 影響最大，不但群體較少，覆蓋率低，且后期葉片衰老過(guò)快，持綠性降低，不利于光合作用，影響小麥籽粒灌漿。

3.2 結(jié)論

不同耕作方式下玉米秸稈還田對(duì)后茬小麥的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及光合特性等均有顯著的影響。 在山西中部麥區(qū)，玉米收獲后采用深耕+旋耕+耙耢的耕作方式，能夠保障后茬小麥出苗整齊，增加小麥群體數(shù)量，并顯著提高小麥灌漿期的光合能力，延緩葉片衰老，促進(jìn)穗部發(fā)育和籽粒灌漿，增加穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而獲得高產(chǎn)。