秸秆还田对土壤理化参数及冬小麦形态特征和光合性能的影响

张茜茜，王海峰,2

(1.河北工程大学水利水电学院, 河北 邯郸 056038；2.韩国又石大学风景园林与城市设计系，韩国 全州 565701)

0 前 言

农田作物秸秆是一种便于回收利用的可再生能源，而秸秆还田则能够有效调节和改善农田生态系统小环境，提高土壤的蓄水能力，进而通过优化农田土壤的理化性质来促进作物生长发育[1-5]。先前的研究通过对农田进行一系列的覆盖处理证实，秸秆还田通过改变植物生长的土壤环境和物候状况，并调整作物的根系分布状态，最终造成作物的增产或减产[6-8]。例如，宋广鹏等[9]通过对水稻田和小麦田进行连续监测证实，秸秆还田改善了农田土壤中的微环境，使得水稻的株高和小麦的分蘖数显著增加，进而促进了作物的生长。同时，秸秆还田会导致土壤水分和温度的变化，改善植物进行光合作用的环境条件，提高植物的光能利用能力，促使作物进行更多的碳同化和碳固定，最终提高作物的光合速率和水分利用效率[10-13]。然而，也有大量的研究结果已经表明，秸秆还田也存在常见的“先抑后扬”现象，即秸秆还田并不是从一开始就对作物生长有正效应，而是经过一段时间之后才会产生促进作用[14]。比如李新举等[15]的研究就发现，秸秆还田导致小麦分蘖期的分蘖数减少，土壤养分和肥力缺失，但秸秆的逐渐分解可以弥补小麦生长后期的营养限制，最终完成小麦的正常生长。但也有研究证实，秸秆还田会降低土壤温度和叶片的光捕获量，减缓作物生长，使作物减产[16-18]。

秸秆还田主要通过改变作物生长的土壤环境，从而影响作物的生长发育[7,19]。然而，尽管秸秆还田对作物的最终产量有着积极的正效应，但秸秆覆盖如何通过改变土壤理化性质，进而影响农作物形态结构和产量构成的潜在机理并不清楚，本研究基于大田试验，探讨了秸秆还田对土壤理化参数及冬小麦形态特征和光合性能的影响机理。研究结果对于黄淮海农田生态系统管理具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该试验地位于华北平原中部的邢台市宁晋县原种场(114°53′E，37°37′N)，以壤土和黏土为主。宁晋县处于暖温带大陆性气候区，年平均气温13 ℃，年平均降水量约501 mm，降水年内分配不均，主要集中在夏季。

1.2 试验设计

试验于2017年10月至2018年6月进行，供试作物为小麦，品种为“济麦22”，肥料为氮肥(尿素)，灌水采用激光喷灌。试验设置2个处理(秸秆还田，秸秆不还田)，每个处理3个重复，每个重复的小区面积均为16 m×12 m。秸秆还田方式采用秸秆粉碎反压还田，即夏玉米秸秆粉碎后旋耕使其与表层土壤均匀混合[20]。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤含水量和养分含量测定

在冬小麦成熟期用土钻取地下30 cm处的土壤样品，立即放入密封袋中保存，待到室内后取一部分土样放入烘箱105 ℃烘干至恒重并计算土壤含水量。剩余的土壤样品则自然晾干，晾干后用研钵研磨细碎，过0.1 mm的筛子，然后使用J200激光光谱元素分析仪测定土壤养分含量。

1.3.2 冬小麦形态参数测定

在冬小麦成熟期随机选取每个小区内的30株小麦，然后分别测定小麦的株高、分蘖数等形态参数；再把小麦样品放入烘箱110 ℃杀青半小时，后转为80 ℃烘干48 h后称量小麦干重。

1.3.3 冬小麦产量构成测定

在冬小麦收获时同样每个小区随机选30株，分别测定每株小麦的穗粒数和千粒重。

1.3.4 印迹法采集气孔样品及测量

本研究采用了被广泛使用的气孔印迹法来测量气孔密度、气孔开度及其分布模式[21,22]。

1.3.5 气孔的空间分布格局分析

采用空间分布软件Arc GIS 10.0将所选的显微镜照片在相同的坐标系下进行数字化处理，并利用Ripley’s K-Function对数字化后表征气孔分布状况的点进行空间分析[22,23]。

1.3.6 气体交换参数测定

利用Li-6400-09便携式光合测定系统 (LI-COR Inc. Lincoln, Nebraska, USA) 测定冬小麦的气体交换参数即叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(E)。此外，利用公式WUE=Pn/E计算叶片尺度上的水分利用效率[21,24]。

1.4 统计分析

秸秆还田处理对冬小麦产生影响的各个指标利用单因素的统计方法，并使用Duncan’s Multiple Range Test比较不同处理间的显著性差异(P<0.05)，统计分析均利用SPSS13.0(Chicago, IL)软件完成。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤含水量和养分含量的影响

从图1中可以得出，秸秆还田处理导致土壤含水量显著增加47%[P<0.05；图1(a)]。此外，秸秆还田显著降低了土壤N和P含量，但对K含量的影响没有达到显著水平[P>0.05；图1(b)～(d)]。

2.2 秸秆还田对冬小麦形态特征和产量构成的影响

本研究结果显示，秸秆还田处理显著增加了冬小麦的叶面积(P<0.05)，但株高、鲜重和穗干重的增加未达到显著水平(P>0.05；表1)。

另外，从图2中也可以得出，秸秆还田仅使得冬小麦穗粒数和千粒重分别增加9%和8%，但均没有产生显著影响(P>0.05；图2)。

图1 秸秆还田对土壤含水量和养分含量的影响

表1 秸秆还田对冬小麦形态特征的影响

图2 秸秆还田对冬小麦产量构成的影响

2.3 秸秆还田对冬小麦气孔特征的影响

两种处理下的叶片近轴面气孔密度均高于远轴面，但气孔面积却呈现出相反的趋势，即近轴面的气孔面积均低于远轴面(表2)。另外，秸秆还田处理并未显著降低冬小麦叶片近轴面和远轴面的气孔密度(P>0.05；表2)。同时，气孔长度，气孔宽度，气孔周长和气孔面积在秸秆还田处理下，一致表现为在近轴面保持不变而远轴面仅有轻微的下降(P>0.05；表2)。

表2 秸秆还田对冬小麦气孔特征的影响

2.4 秸秆还田对冬小麦气孔分布格局的影响

从图3中可以得出，无论秸秆是否还田，冬小麦近轴面和远轴面的气孔均在小尺度范围内为规则分布(近轴面<160 μm，远轴面<200 μm)，而在大尺度范围内(近轴面>160 μm，远轴面>200 μm)呈现随机分布的特征。秸秆还田处理下，冬小麦近轴面Lhat(d)的最小值低于不还田，说明秸秆还田使得近轴面气孔的空间分布格局更加规则；而在远轴面Lhat(d)的最小值与不还田差距不大，也就说明秸秆还田对远轴面气孔的空间分布格局影响不显著(图3)。

2.5 秸秆还田对冬小麦气体交换参数的影响

从图4可以得出，秸秆还田增加了冬小麦的Pn、Gs、E和WUE，但在统计分析上均未达到显著水平(P>0.05；图4)。

图3 秸秆还田对冬小麦气孔分布格局的影响

图4 秸秆还田对冬小麦气体交换参数的影响

3 讨 论

秸秆，作为农业活动的“废料”，含有大量农作物生长所需的营养物质，在归还于农田之后，经过土壤微生物的腐解作用，就会转化为作物生长所需的有机质和速效养分。因此，秸秆还田对农田生态系统内部的养分循环具有重要作用[25]。以往多数研究表明，秸秆还田能够提高土壤有机质含量，调节土壤温度和水分状况，增加作物在关键生育时期的土壤水分，改善土壤微环境，促进作物生长[26-29]。就如王幸等[7]对大豆田进行秸秆覆盖后得出结论，秸秆还田促使土壤中的养分含量增加，直接导致大豆的生产力显著提升。然而，也有研究证实，由于作物生长的时期和土壤类型存在差异，因此秸秆还田对作物的影响并不一定都是正效应[30]。比如，孙隆祥等[31]的试验结果显示，由于秸秆的分解需要消耗大量的土壤有机质，这就使得植物可利用的营养物质锐减，进而导致作物减产。本研究结果显示，秸秆还田使得冬小麦在成熟期的各项形态参数均增加，这在某种程度上说明秸秆还到农田的最初一段时间可能并没有对小麦产生影响，但在生育后期促进了小麦的生长发育，提高了生物量和产量。这种现象属于常见的“先抑后扬”，与前人的研究一致[14-15,32]，即秸秆还田对作物的影响与还田时间的长短有关，因为在还田初期，秸秆的分解速率较慢，且需要吸收土壤中的N元素，但随着还田时间的延长，秸秆内的营养物质不断分解供作物吸收利用，从而提高产量。同时，秸秆还田增加了冬小麦成熟期土壤含水量，提高了土壤K含量，说明在秸秆还田初期，微生物分解还会吸收土壤中的K，但随着作物的生长，秸秆分解逐渐完成使得土壤中的K含量增加并满足作物生长所需。然而，土壤N和P含量的显著降低，说明到作物成熟阶段，N和P含量成为制约植物生长的关键因素。

秸秆还田除了可以优化农田土壤的理化性质来促进作物生长发育外，还能有效提高植物体内叶绿素等的捕光色素含量，同时促进植物叶片的气孔开放，调节叶肉细胞CO2的供应能力，进而提高植物的光合作用[33]。例如，张向前等[34]的研究结果显示，秸秆还田导致小麦植株的光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别显著提高25%、45%和26%。鄢铮等[35]通过对不同秸秆还田模式下马铃薯植株的观测发现秸秆还田使得土壤含水量增加，从而提高马铃薯的气孔导度和蒸腾速率，有利于气体交换，同时能够将土壤中的养分和水分随着上升的蒸腾流运送到植物生长发育的关键部位，最终增加马铃薯的净光合速率。本研究结果显示，秸秆还田导致冬小麦叶片净光合速率在成熟期仅有轻微的上升，这一现象可能是秸秆还田虽然使冬小麦在成熟期的气孔空间分布更加规则，有提高叶片净光合速率的潜质，但由于气孔密度和气孔开度均下降，限制了净光合速率的升高，因此并没有显著提高叶片的净光合速率。此外，由于只对冬小麦进行了一季的秸秆覆盖处理，因此秸秆效应还并不明显，今后需在此基础上做更深入的研究。

4 结 论

冬小麦作为一种广泛分布的C3物种，是中国北方地区普遍种植的重要粮食作物，其生产能力在一定程度上直接关系着该区域甚至国家层面的粮食安全问题。因此，研究秸秆还田处理对冬小麦生长特性的影响，可以为全球粮食生产提供数据支撑和理论依据。本研究在河北省邢台市宁晋县原种场试验区，探究了黄淮海平原农田生态系统内土壤理化性质以及冬小麦形态特征和光合性能对秸秆还田的响应。得到如下结论：

(1)秸秆还田处理导致土壤含水量显著增加，然而显著降低了土壤N和P含量，但对K没有产生显著影响；

(2)秸秆还田处理下，冬小麦的叶面积显著增加，同时提高了穗粒数和千粒重；

(3)冬小麦通过提高气孔空间分布的规则程度来优化其进行气体交换的效率，导致叶片净光合速率增加。