不同土壤表面結構對小麥生長發育及產量的影響

周煜莊 王 瑞 姚照勝 張偉軍 劉 濤 孫成明,3

（1江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學農學院，225009，江蘇揚州；2江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，225009，江蘇揚州；3教育部農業與農產品安全國際合作聯合實驗室/揚州大學，225009，江蘇揚州）

小麥是我國主要的糧食作物，種植歷史悠久，種植面積大且分布區域廣，為保障我國糧食安全，必須保證小麥高產穩產。耕地土壤表面結構影響表面土壤的水分、通氣性、溫度和容重等，對小麥的播種、出苗以及幼苗生長意義重大，影響最終產量和品質。小麥的生長發育受多種因素的影響，除品種自身因素外，還與氣候、土壤、水肥和播種方式等有關[1-3]。為讓小麥在適宜條件下生長，生產上一般都會通過選擇適宜播期、播量、播種方式及耕作措施對小麥生長發育進行調節[4]。不同耕播方式會形成不同的土壤微環境，小麥出苗和早期生長發育會受其明顯影響[1,5-6]。

土壤條件對小麥根系生長發育影響較大。一般根系活力較強、莖蘗消長動態合理和葉面積指數（LAI）適當時，群體光合能力較強，花后光合產物積累量較高，可形成產量構成因素協調的小麥群體[7-8]。小麥根系是調節植株與土壤水分及營養關系最主要的器官，根系的生長狀況直接影響地上部植株的生長以及最終的產量[9]。為維持小麥的正常生長，根系要保持適當的大小，同時也要有一定量的深根系[10-11]。在小麥根系生長與土壤中不同因素關系方面，前人有較多的研究，但在土壤表面結構對小麥生長發育影響方面的研究較少。有研究[12-13]認為，土壤緊實程度對植株根系的伸長和葉片的展開有相應的影響，隨著緊實程度的增加，會引起株高、地上部及根系干物質質量的降低以及葉面積的減小。還有研究[14]表明，根系對水分和營養物質的吸收與根和土壤接觸面積及土壤結構等級有關。

不同耕作方式對土壤表面結構擾動是不一致的，從而影響耕地表面土壤的平整程度。不同土壤表面結構會對小麥根系及麥苗的分布狀況產生重要影響，尤其在撒播條件下，這種影響更為明顯。土壤表面結構主要影響小麥的出苗情況，快速整齊地出苗能夠縮短播種至全田覆蓋的時間，提高作物群體的時間和空間競爭力，為建立最佳冠層結構奠定基礎，最大限度地發揮高產潛力，提升籽粒品質[15-16]。目前，關于不同土壤表面結構下小麥生長狀況的研究鮮有報道。因此，本研究通過分析不同土壤表面結構下小麥根系活力、根系形態、群體質量、旗葉葉綠素含量（SPAD值）、植株氮素含量、產量及其構成因素的差異，來定性描述土壤表面結構對小麥生長發育的影響，為小麥高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017-2018年在揚州大學農學院試驗田進行。試驗田前茬為玉米，土壤為沙壤土，耕層（0～20cm）土壤有機質24.63g/kg、水解氮106.52mg/kg、速效磷112.34mg/kg、速效鉀89.97mg/kg、pH 5.7、土壤容重1.25g/cm2，播前土壤絕對含水量42.1%。施肥比例為基肥:分蘗肥:拔節肥:孕穗肥=5:1:2:2，肥料施用量為240kg/hm2。肥料為復合肥（N-P-K：15-15-15）、尿素（N 46.3%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。供試小麥為春性品種揚麥23，出苗率99.6%，于2017年11月6日播種，人工撒播，小麥生育期間具體管理措施同高產大田。

采用不同孔徑的網篩對耕層土壤進行篩選，再按不同比例將不同粒徑土壤混勻并平鋪于試驗小區（厚度8～10cm），形成8個等級土壤表面結構（表1）。設置150萬（S，疏播）、225萬（J，均勻播）和300萬株/hm2（M，密播）3個種植密度。小區面積33.3m2，重復2次。出苗后在對照小區（土壤等級Ⅲ小區）選取長勢均勻并能夠代表小區整體長勢的1m2樣方作為最終產量測定區域，其他生理指標取樣在測定區域外進行。

表1 試驗土壤分級及組成Table 1 Classification and composition of test soil mm

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根系活力、長度、平均直徑和根表面積 在小麥分蘗期和拔節期選取生長正常、能夠代表小區整體長勢的植株20株，挖掘25cm深，取其根系，帶回實驗室。取部分鮮樣，采用TTC法測定根系活力。剩余根樣置于水中浸泡0.5h，然后再用自來水沖洗干凈，去雜后將根樣分層平鋪于根系掃描儀（Epson perfection V700 photo）玻璃板上，用鑷子將每條根展開，使其不交叉重疊，經根系掃描儀灰度模式掃描并保存為灰度模式的TIF文件格式，再采用WinRHIZO根系分析軟件進行根樣分析，獲得根長、根系平均直徑和根系表面積等形態指標。

1.2.2 植株干物質積累量、莖蘗動態、LAI和氮素含量 分別于越冬期、拔節期、孕穗期、開花期和成熟期進行田間取樣，各處理隨機選取20株長勢一致的小麥植株，去除根系，用水洗凈，分為莖、葉和穗不同部位，測定葉面積和莖蘗數。裝袋稱取各器官鮮重，105℃下殺青0.5h，在80℃下烘干至恒重，稱取干重。根據小區面積和密度計算 LAI、每公頃莖蘗數和各器官干物質積累量。烘干后的樣品粉碎后用H2SO4-H2O2消煮法測定全氮含量。

1.2.3 旗葉SPAD值 分別于開花期及花后每7d，在每個小區隨機選取長勢均勻單莖的旗葉，采用SPAD-502型葉綠素計測定SPAD值。

1.2.4 產量及其構成因素 在小麥成熟后，將1m2測定區域內全部收獲，調查區域內單位面積穗數和穗粒數，脫粒曬干后測定含水量、穗粒數和千粒重，并計算理論產量。

1.3 數據處理

運用Excel 2010進行數據處理與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同土壤表面結構對小麥根系活力的影響

由表2可知，不同生育期小麥的根系活力受土壤表面結構和播種密度的影響均存在明顯差異。從不同土壤表面結構等級來看，分蘗期和拔節期小麥的平均根系活力隨著土壤表面結構等級的不斷增加，整體呈先升高后降低的趨勢，均在土壤表面結構等級為Ⅳ時達到峰值。這表明土壤表面結構過于平坦或過于粗糙，小麥的根系活力都會受到抑制，不利于小麥根系對水分和礦質營養的吸收利用。此外，小麥分蘗期和拔節期的平均根系活力在土壤表面結構等級Ⅷ時最低，拔節期小麥的平均根系活力整體而言均大于分蘗期。相同土壤表面結構等級下，小麥根系活力隨播種密度的升高呈先升高后降低的變化趨勢，且均勻播種小麥的根系活力最大，密播小麥的根系活力最小。

表2 土壤表面結構對不同生育期小麥根系活力的影響Table 2 Effects of soil surface structure on root activities of wheat at different growth stages μg/(g·h)

2.2 不同土壤表面結構對小麥根系形態的影響

根系總長度受土壤表面結構影響較大，由表3可以看出，分蘗期和拔節期小麥的平均群體根系總長度均隨著土壤表面結構等級的不斷增加，整體呈先升高后降低的趨勢，在土壤表面結構等級Ⅳ時達到峰值。表明土壤表面過于粗糙或過于平整均不利于小麥根系下扎或者均勻分布。此外，在土壤表面結構等級Ⅰ～Ⅳ時，小麥群體根系總長度的平均增長幅度要低于等級Ⅳ～Ⅷ時小麥群體根系總長度的平均下降幅度。其中，分蘗期平均根系總長度的增加幅度為27.4%，下降幅度為39.9%；拔節期平均群體根系總長度的增加幅度為 17.8%，下降幅度為35.7%。相同土壤表面結構等級下，小麥播種密度越大，分蘗期和拔節期的群體根系總長度越大。

表3 土壤表面結構對小麥群體根系總長度的影響Table 3 Effects of soil surface structure on total root length of wheat cm

不同土壤表面結構對根系表面積的影響如表4所示。分蘗期和拔節期小麥的平均根系表面積均隨著土壤表面結構等級的升高呈先升高后降低的趨勢，且在等級Ⅳ時達到峰值。同時，在土壤表面結構等級Ⅰ～Ⅲ時，小麥根系表面積之間的變化差異較細微，不如等級Ⅳ～Ⅷ時明顯。相同土壤表面結構等級下，小麥分蘗期和拔節期的根系表面積隨小麥播種密度的增大，呈先升高后下降的趨勢，這與小麥根系活力的變化趨勢基本一致，說明根系表面積的增大一定程度上能夠增強小麥對養分的吸收利用能力，對小麥生長有利。

表4 土壤表面結構對小麥根系表面積的影響Table 4 Effects of soil surface structure on root surface area of wheat cm2

不同土壤表面結構對根系平均直徑的影響如表5所示。小麥根系平均直徑整體變化較小。隨著土壤表面結構等級的不斷增加，分蘗期和拔節期小麥的平均根系直徑均呈先升高后降低的變化趨勢，其變化范圍分別為0.2881～0.3351和0.3266～0.4063mm，且在土壤表面結構等級Ⅲ和Ⅳ時達到峰值。相同土壤表面結構等級下，小麥分蘗期和拔節期的平均根系直徑均隨播種密度的增加而增加。

表5 土壤表面結構對小麥根系平均直徑的影響Table 5 Effect of soil surface structure on average root diameter of wheat mm

2.3 不同土壤表面結構對小麥群體質量的影響

小麥群體質量指標包括株高、干物質重、LAI和莖蘗數等[17]。不同土壤表面結構對小麥群體質量指標的影響見表6，土壤表面結構等級一定的情況下，小麥開花期株高、干物質重、LAI和莖蘗數均隨播種密度的上升而提高。不同土壤表面結構等級下，小麥的平均株高隨著土壤表面結構等級的升高呈先降后增的變化趨勢，在土壤表面結構等級Ⅲ時出現谷值。而其他群體質量指標平均值則隨著土壤表面結構等級的升高呈先升高后下降的趨勢，峰值出現在土壤表面結構等級Ⅳ的處理下，這表明土壤表面過于粗糙或過于平坦均不利于健壯個體的培育和合理高產群體的構建。

表6 土壤表面結構對開花期小麥群體質量指標的影響Table 6 Effects of soil surface structure on quality indexes of wheat population at flowering stage

2.4 不同土壤表面結構對小麥旗葉SPAD值的影響

如圖1所示，開花期小麥的SPAD值隨土壤表面結構等級的升高呈先升高后降低的趨勢，在土壤表面結構等級Ⅳ時達到最大值，在土壤表面結構等級Ⅷ時出現最小值。相同土壤表面結構等級下，小麥旗葉SPAD值與播種密度呈現負相關關系，即密度越大，SPAD值越小。

圖1 土壤表面結構對小麥開花期旗葉SPAD值的影響Fig.1 Effects of soil surface structure on SPAD of flag leaf of wheat at flowering stage

2.5 不同土壤表面結構對小麥氮素含量的影響

氮素是小麥植株重要的營養元素，直接參與植株器官建成及多種生理生化過程。由圖2可知，開花期小麥葉片和植株氮素含量均隨土壤表面結構等級的升高呈先升高后降低的趨勢，且在土壤表面結構等級Ⅳ時出現最大值。這表明過于粗糙或過于平整的耕地表面結構均會抑制小麥葉片以及植株花前對氮素的貯存積累。與土壤表面結構等級Ⅳ相比，等級Ⅰ和等級Ⅷ條件下，小麥開花期葉片氮素含量的下降幅度分別為11.9%和16.1%，植株氮素含量的下降幅度分別為21.2%和24.2%。相同土壤表面結構等級下，小麥開花期的葉片和植株氮素含量隨著小麥播種密度的增加而增加。

圖2 土壤表面結構對開花期小麥氮素含量的影響Fig.2 Effects of soil surface structure on nitrogen contents of wheat at flowering stage

2.6 不同土壤表面結構對小麥產量及其構成因素的影響

由表7可知，在相同土壤表面結構等級下，小麥穗數隨播種密度增加而增加。隨著播種密度的增大，小麥的穗粒數和千粒重均減小。

表7 土壤表面結構對成熟期小麥產量及其構成因素的影響Table 7 Effects of soil surface structure on yield and its compositions of wheat at ripe stage

當土壤表面結構等級為Ⅳ時，小麥的平均產量最高，為8217.84kg/hm2；當土壤表面結構等級為Ⅷ時，小麥的平均產量最低，為6054.84kg/hm2。隨著土壤表面結構等級的提高，平均產量呈先升高后降低的變化趨勢，這表明過于粗糙或過于平整的耕地表面結構均不利于小麥高產高效群體的構建，會導致減產。

3 討論

不同土壤表面結構對小麥生長發育的影響是多方面的。本研究表明，小麥拔節期以前，土壤的表面結構影響小麥的出苗速度、出苗率和出苗均勻度，同時對莖蘗數和干物質重也有一些影響，其中Ⅲ和Ⅳ等級的耕地表面結構更有利于小麥的出苗和分蘗發生。不同生育期小麥的根系活力受土壤表面結構和播種密度的影響明顯，根系活力是反映根系吸收功能的重要指標。土壤結構等級為Ⅳ時，根系活力達到峰值，其代謝、吸收礦物營養和水分的能力最高[18]?？偢L、根系表面積和根系平均直徑是表現小麥根系形態的主要數量性狀指標，這三者之間同樣受到土壤表面結構的影響[19-20]。

前人在小麥根系生長與土壤水分、溫度和養分等因素方面有較多的研究，但在耕地表面結構影響方面研究較少。緊實土壤對根系的伸長和葉片的展開有一定的阻礙作用，造成植物株高、地上部及根系干物質質量的降低以及葉面積的減小[21]。但Passioura[22]認為，土壤結構等級增大，根土接觸緊密，使更多水分和營養元素進入根區，從而提高養分吸收能力。本研究表明，表面粗糙的耕地由于土塊較大，墑情不足，抑制了小麥萌發出苗的速度，從而導致相同時期小麥根系表面積的差異較大。夏愛萍等[23]研究發現，當整地質量不高時，易造成小麥播種深淺不一，出苗不齊，缺苗斷壟，進而導致小麥減產。聶勝委等[24]研究表明，立式旋耕較常規旋耕能夠有效降低當季土壤的緊實度，構建良好的土壤結構，提高小麥產量和養分利用率。

在相同的土壤表面結構條件下，不同的播種密度對小麥的生長發育也有不同的影響。本研究表明，在土壤結構等級為Ⅰ～Ⅲ時，均勻播種有利于產量的提高。土壤結構等級為Ⅳ～Ⅷ時，密播有利于小麥高產。同時，適宜的土壤表面結構往往能夠使小麥的株高處于合理的水平，提高小麥分蘗成穗率，減少無效分蘗數，形成良好的冠層群體結構，提升小麥群體的光合效率，以獲得較高的干物質產量。本研究采取人工穴播的方式，有研究[25-26]表明，穴播比條播的成穗率高7%～9%，增產5.5%～15.1%。李明等[27]研究認為，免耕帶旋播種處理可增強土壤保墑能力，提高稻茬小麥的播種質量，從而促進產量的提高。

本研究未涉及耕地表面結構特性對地表水分、熱量以及養分分布等方面的影響，將在后續研究中進一步探索。

4 結論

從不同的土壤表面結構等級來看，根活力、根系生長動態、群體質量指標以及產量等表明，在土壤表面結構等級Ⅳ時有利于小麥根系水分和礦物質的吸收利用，適合構建高產群體。在土壤表面結構等級Ⅰ～Ⅲ時，均勻播種有利于小麥的生長和高產；在土壤結構等級Ⅳ～Ⅷ時，密播有利于小麥高產。在土壤表面結構等級Ⅲ～Ⅳ時，小麥的相關指標以及最終產量表現較佳，有利于小麥群體均勻分布，形成長勢一致的壯苗，對小麥個體后期生長發育及高產群體構建有積極影響。