秸稈還田對土壤理化參數及冬小麥形態特征和光合性能的影響

張茜茜，王海峰,2

(1.河北工程大學水利水電學院, 河北 邯鄲 056038；2.韓國又石大學風景園林與城市設計系，韓國 全州 565701)

0 前 言

農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節和改善農田生態系統小環境，提高土壤的蓄水能力，進而通過優化農田土壤的理化性質來促進作物生長發育[1-5]。先前的研究通過對農田進行一系列的覆蓋處理證實，秸稈還田通過改變植物生長的土壤環境和物候狀況，并調整作物的根系分布狀態，最終造成作物的增產或減產[6-8]。例如，宋廣鵬等[9]通過對水稻田和小麥田進行連續監測證實，秸稈還田改善了農田土壤中的微環境，使得水稻的株高和小麥的分蘗數顯著增加，進而促進了作物的生長。同時，秸稈還田會導致土壤水分和溫度的變化，改善植物進行光合作用的環境條件，提高植物的光能利用能力，促使作物進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，也有大量的研究結果已經表明，秸稈還田也存在常見的“先抑后揚”現象，即秸稈還田并不是從一開始就對作物生長有正效應，而是經過一段時間之后才會產生促進作用[14]。比如李新舉等[15]的研究就發現，秸稈還田導致小麥分蘗期的分蘗數減少，土壤養分和肥力缺失，但秸稈的逐漸分解可以彌補小麥生長后期的營養限制，最終完成小麥的正常生長。但也有研究證實，秸稈還田會降低土壤溫度和葉片的光捕獲量，減緩作物生長，使作物減產[16-18]。

秸稈還田主要通過改變作物生長的土壤環境，從而影響作物的生長發育[7,19]。然而，盡管秸稈還田對作物的最終產量有著積極的正效應，但秸稈覆蓋如何通過改變土壤理化性質，進而影響農作物形態結構和產量構成的潛在機理并不清楚，本研究基于大田試驗，探討了秸稈還田對土壤理化參數及冬小麥形態特征和光合性能的影響機理。研究結果對于黃淮海農田生態系統管理具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該試驗地位于華北平原中部的邢臺市寧晉縣原種場(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，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量約501 mm，降水年內分配不均，主要集中在夏季。

1.2 試驗設計

試驗于2017年10月至2018年6月進行，供試作物為小麥，品種為“濟麥22”，肥料為氮肥(尿素)，灌水采用激光噴灌。試驗設置2個處理(秸稈還田，秸稈不還田)，每個處理3個重復，每個重復的小區面積均為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 測定指標及方法

1.3.1 土壤含水量和養分含量測定

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，待到室內后取一部分土樣放入烘箱105 ℃烘干至恒重并計算土壤含水量。剩余的土壤樣品則自然晾干，晾干后用研缽研磨細碎，過0.1 mm的篩子，然后使用J200激光光譜元素分析儀測定土壤養分含量。

1.3.2 冬小麥形態參數測定

在冬小麥成熟期隨機選取每個小區內的30株小麥，然后分別測定小麥的株高、分蘗數等形態參數；再把小麥樣品放入烘箱110 ℃殺青半小時，后轉為80 ℃烘干48 h后稱量小麥干重。

1.3.3 冬小麥產量構成測定

在冬小麥收獲時同樣每個小區隨機選30株，分別測定每株小麥的穗粒數和千粒重。

1.3.4 印跡法采集氣孔樣品及測量

本研究采用了被廣泛使用的氣孔印跡法來測量氣孔密度、氣孔開度及其分布模式[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系下進行數字化處理，并利用Ripley’s K-Function對數字化后表征氣孔分布狀況的點進行空間分析[22,23]。

1.3.6 氣體交換參數測定

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

1.4 統計分析

秸稈還田處理對冬小麥產生影響的各個指標利用單因素的統計方法，并使用Duncan’s Multiple Range Test比較不同處理間的顯著性差異(P<0.05)，統計分析均利用SPSS13.0(Chicago, IL)軟件完成。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對土壤含水量和養分含量的影響

從圖1中可以得出，秸稈還田處理導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K含量的影響沒有達到顯著水平[P>0.05；圖1(b)～(d)]。

2.2 秸稈還田對冬小麥形態特征和產量構成的影響

本研究結果顯示，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和千粒重分別增加9%和8%，但均沒有產生顯著影響(P>0.05；圖2)。

圖1 秸稈還田對土壤含水量和養分含量的影響

表1 秸稈還田對冬小麥形態特征的影響

圖2 秸稈還田對冬小麥產量構成的影響

2.3 秸稈還田對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軸面，但氣孔面積卻呈現出相反的趨勢，即近軸面的氣孔面積均低于遠軸面(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軸面的氣孔密度(P>0.05；表2)。同時，氣孔長度，氣孔寬度，氣孔周長和氣孔面積在秸稈還田處理下，一致表現為在近軸面保持不變而遠軸面僅有輕微的下降(P>0.05；表2)。

表2 秸稈還田對冬小麥氣孔特征的影響

2.4 秸稈還田對冬小麥氣孔分布格局的影響

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

2.5 秸稈還田對冬小麥氣體交換參數的影響

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

圖3 秸稈還田對冬小麥氣孔分布格局的影響

圖4 秸稈還田對冬小麥氣體交換參數的影響

3 討 論

秸稈，作為農業活動的“廢料”，含有大量農作物生長所需的營養物質，在歸還于農田之后，經過土壤微生物的腐解作用，就會轉化為作物生長所需的有機質和速效養分。因此，秸稈還田對農田生態系統內部的養分循環具有重要作用[25]。以往多數研究表明，秸稈還田能夠提高土壤有機質含量，調節土壤溫度和水分狀況，增加作物在關鍵生育時期的土壤水分，改善土壤微環境，促進作物生長[26-29]。就如王幸等[7]對大豆田進行秸稈覆蓋后得出結論，秸稈還田促使土壤中的養分含量增加，直接導致大豆的生產力顯著提升。然而，也有研究證實，由于作物生長的時期和土壤類型存在差異，因此秸稈還田對作物的影響并不一定都是正效應[30]。比如，孫隆祥等[31]的試驗結果顯示，由于秸稈的分解需要消耗大量的土壤有機質，這就使得植物可利用的營養物質銳減，進而導致作物減產。本研究結果顯示，秸稈還田使得冬小麥在成熟期的各項形態參數均增加，這在某種程度上說明秸稈還到農田的最初一段時間可能并沒有對小麥產生影響，但在生育后期促進了小麥的生長發育，提高了生物量和產量。這種現象屬于常見的“先抑后揚”，與前人的研究一致[14-15,32]，即秸稈還田對作物的影響與還田時間的長短有關，因為在還田初期，秸稈的分解速率較慢，且需要吸收土壤中的N元素，但隨著還田時間的延長，秸稈內的營養物質不斷分解供作物吸收利用，從而提高產量。同時，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，說明在秸稈還田初期，微生物分解還會吸收土壤中的K，但隨著作物的生長，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所需。然而，土壤N和P含量的顯著降低，說明到作物成熟階段，N和P含量成為制約植物生長的關鍵因素。

秸稈還田除了可以優化農田土壤的理化性質來促進作物生長發育外，還能有效提高植物體內葉綠素等的捕光色素含量，同時促進植物葉片的氣孔開放，調節葉肉細胞CO2的供應能力，進而提高植物的光合作用[33]。例如，張向前等[34]的研究結果顯示，秸稈還田導致小麥植株的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率分別顯著提高25%、45%和26%。鄢錚等[35]通過對不同秸稈還田模式下馬鈴薯植株的觀測發現秸稈還田使得土壤含水量增加，從而提高馬鈴薯的氣孔導度和蒸騰速率，有利于氣體交換，同時能夠將土壤中的養分和水分隨著上升的蒸騰流運送到植物生長發育的關鍵部位，最終增加馬鈴薯的凈光合速率。本研究結果顯示，秸稈還田導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則，有提高葉片凈光合速率的潛質，但由于氣孔密度和氣孔開度均下降，限制了凈光合速率的升高，因此并沒有顯著提高葉片的凈光合速率。此外，由于只對冬小麥進行了一季的秸稈覆蓋處理，因此秸稈效應還并不明顯，今后需在此基礎上做更深入的研究。

4 結 論

冬小麥作為一種廣泛分布的C3物種，是中國北方地區普遍種植的重要糧食作物，其生產能力在一定程度上直接關系著該區域甚至國家層面的糧食安全問題。因此，研究秸稈還田處理對冬小麥生長特性的影響，可以為全球糧食生產提供數據支撐和理論依據。本研究在河北省邢臺市寧晉縣原種場試驗區，探究了黃淮海平原農田生態系統內土壤理化性質以及冬小麥形態特征和光合性能對秸稈還田的響應。得到如下結論：

(1)秸稈還田處理導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K沒有產生顯著影響；

(2)秸稈還田處理下，冬小麥的葉面積顯著增加，同時提高了穗粒數和千粒重；

(3)冬小麥通過提高氣孔空間分布的規則程度來優化其進行氣體交換的效率，導致葉片凈光合速率增加。