稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦出苗和幼苗形态及生理特性的影响

张莀茜 杭雅文 李福建 朱新开 李春燕 丁锦峰 朱 敏 郭文善

(1 扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/扬州大学小麦研究中心，江苏 扬州 225009；2扬州大学粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009)

秸秆是可为作物生长提供必需的氮、磷、钾、木质素和纤维素等养分的重要的可再生有机资源[1-4]。 现阶段秸秆的利用途径包括秸秆还田、饲料、能源、工业原料和培育食用菌等[5]。 秸秆直接还田能释放大量养分，改善土壤肥力和质量[6]，加强土壤微生物活性[6-8]；减少农田径流养分流失，从而提高作物产量[9-10]；为农作物提供良好的生长环境，促进农田生态系统内部的良性循环[4，11]。 同时秸秆还田很大程度上减少了秸秆焚烧还田对农田生态系统碳循环造成的极大危害[12]，因而秸秆直接还田是秸秆资源利用最经济、便捷、高效的途径[13]。 但现阶段秸秆直接还田后，尤其是稻秸直接还田后，土壤水分、温度等因素导致稻秸不易腐解和再利用，而且会产生有毒有害物质，易造成病虫害发生加重、土壤孔隙度增加、水分分布不均、紧实度差、土壤碳氮比失调等问题[14-17]，影响后茬小麦的出苗率和出苗均匀性，从而影响作物产量。 杨四军等[18]研究认为，稻秸还田1 a 显著降低了后茬小麦田间出苗率，导致出苗均匀性和苗情素质差，发生冻害后死苗严重，小麦减产。 因此，需要通过不同措施的协同处理来减轻这种伤害。 本试验在前人研究的基础上，通过研究定位条件下稻秸不同还田年数对扬辐麦4 号小麦品种幼苗生长发育的影响及其在不同施肥运筹下的调控效应，以期为麦季稻秸还田提供适宜的配套措施，为稻秸还田的合理应用提供理论依据和技术支持，实现壮苗高产。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2017-2019年在扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室试验场进行。 试验田长期实行稻麦复种轮作，从2009年开始于麦季进行连续定点定位水稻秸还田、小麦秸秆不还田试验，逐年增加还田年数(2010年缺)。 试验田的土质为轻壤土，2017年秋播时连续不还田处理土壤的养分含量为有机质19.82 g·kg-1、 全氮1.26 g·kg-1、速效氮87.01 mg·kg-1、速效磷96.45 mg·kg-1、速效钾84 mg·kg-1。 供试品种为中筋春性小麦扬辐麦4 号，由江苏里下河地区农业科学研究所提供。

1.2 试验设计

采用二因素裂区试验设计，以还田年数(S)为主区，进行长期定点定位稻秸还田处理，2017-2018年设当季水稻全量还田9年(S9)、7年(S7)、6年(S6)、5年(S5)、4年(S4)、3年(S3)、2年(S2)、1年(S1)和连续不还田(N，CK)9 个水平；2018-2019年设当季水稻全量还田10年(S10)、8年(S8)、7年(S7)、6年(S6)、5年(S5)、4年(S4)、3年(S3)、2年(S2)、1年(S1)和连续不还田(N，CK)10 个水平；还田量为9 000 kg·hm-2左右，还田处理是在水稻收获后用机械将稻秸切碎成10 cm 左右的短杆，称重后人工均匀铺撒在小区中，采用旋耕方式将秸秆混入土层中，施耕深度15 cm 左右。 稻秸中养分含量为N 0.48%、P 0.17%、K 0.56%。 不还田处理小区将稻秸移出小区，只留残茬。以氮肥运筹(N)为裂区，总施氮量为240 kg·hm-2，按照基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥比为50%∶10%∶20%∶20%(简记为5 ∶1 ∶2 ∶2，下同，N1)、5 ∶2 ∶2 ∶1(N2)以及5∶3 ∶2 ∶0(N3)设3 种水平；磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)用量分别为90、150 kg·hm-2，基肥和拔节肥各一半用量。其中基肥于播种前施用，壮蘖肥于4 叶期施用，拔节肥于倒3 叶期(叶龄余数2.5)施用，孕穗肥于倒1 叶期(叶龄余数1.2～0.8)施用。 施肥种类分别为尿素(N，46%)、氯化钾(K2O，60%)和三元复合肥(N、P2O5、K2O 均为15%)。 2017 和2018年的播期均为11月1日，人工条播，基本苗定为225 万·hm-2，行距30 cm，小区面积12.6 m2(3 m×4.2 m)，重复2 次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 出苗率 每米播种135 粒小麦种子，播种后15 d 调查小麦出苗数量，计算出苗率，出苗率=每米出苗数/135×100%，每小区调查5 个1 米长样段，取平均值。

1.3.2 幼苗形态质量 分别于小麦3 叶期(施壮蘖肥前)、6 叶期(施壮蘖肥后过2 叶)，在每个小区连续取样50 株，测量小麦苗高(分蘖节到叶尖的高度)、叶龄、分蘖数、地上部干物重。 用LI-3000C 叶面积扫描仪(LI-COR，美国)测定叶片总面积。 叶面积指数(leaf area index，LAI)=绿叶总面积/土地面积。

1.3.3 幼苗生理活性 于小麦6 叶期在每个小区连续取样50 株，用SPAD-502 型叶绿素计(KONICA MINOLTA，日本)测定10 株第5 片全展叶的SPAD 值；采用α-萘胺氧化法测定10 株根系活力[19]；硫代巴比妥酸法测定 8 株第 5 片全展叶丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量[20]；将剩余植株的叶鞘、叶片分开，采用蒽酮法测定其可溶性糖含量[21]。

1.4 统计分析

本试验所有数据均以Excel 2010 处理和绘制图表，以DPS 7.05 进行方差分析，采用LSD 法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 稻秸还田年数对小麦出苗率的影响

由图1 可知，当季稻秸还田会影响小麦出苗率，还田处理的出苗率较CK 低5.4 ～10.6(2017-2018，F=5.96**)、4.9～8.6(2018-2019年，F=15.79**)个百分点，其影响程度会随还田年数增加有所减轻。 总体而言，不同还田年数条件下当季稻秸还田的影响表现虽有不同，但差异较小。 说明当季稻秸还田后，对小麦出苗均会产生负面影响，长期还田后虽改善了地力水平，但并不能从根本上消除这种影响。

2.2 稻秸还田年数对小麦幼苗质量的影响

2.2.1 对小麦3 叶期幼苗质量的影响 由表1 可知，稻秸还田对小麦叶龄影响不大，处理间差异较小。 与CK 相比，S1 的小麦3 叶期幼苗苗高有所降低，还田3 a 以上处理的苗高多呈增加趋势，其中以S9(2017-2018)以及S8、S10(2018-2019)小麦3 叶期幼苗苗高最高。 稻秸还田对小麦3 叶期幼苗第2 叶叶面积影响不同，两年度S1 的小麦3 叶期幼苗第2 叶叶面积分别较CK 减少6.7%、10.2%，不同还田年数处理间的单株干物重变动在38.9 ～48.6、42.5 ～44.7 mg/株之间，且S1～S3 单株干物重均低于CK。

表1 稻秸还田年数对小麦3 叶期幼苗质量的影响Table 1 Effects of rice straw returning years on seedling quality of wheat at 3-leaf stage

图1 稻秸还田年数对小麦出苗率的影响Fig.1 Effect of rice straw returning years on wheat emergence rate

2.2.2 对小麦6 叶期幼苗质量的影响 由表2 可知，氮肥运筹为N1 时，各还田处理小麦6 叶期幼苗LAI 分别在1.2～1.6 和0.9～1.1 之间，还田4 a 及以上处理小麦6 叶期幼苗LAI 均高于CK。 两年度试验小麦6 叶期幼苗的单株分蘖数均以CK、S9、S10 较高，其中S1 ～S4的分蘖数均小于CK。 两年度小麦6 叶期幼苗苗高分别在19.4～20.7 和20.3～22.2 cm 之间，还田年数较长的处理苗高整体较还田年数较短的处理高，但各处理间差异较小。 与CK 相比，还田年数较少时，小麦6 叶期幼苗单株干物重有所降低，但其干物重随还田年数增加有增加的趋势，至还田5～6 a 后普遍高于CK。

结果表明，3 种氮肥运筹中不同稻秸还田年数对小麦6 叶期幼苗质量影响的趋势基本一致，其中N2小麦6 叶期幼苗的LAI、分蘖数、苗高、单株干物重整体大于N1 和N3。

综合来看，稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦6 叶期苗体质量均有影响，稻秸还田年数对小麦6 叶期幼苗LAI 有显著影响，与CK 相比，稻秸还田减少了小麦6 叶期幼苗的单株分蘖数、苗高和单株干物重，影响小麦的正常生长，随着稻秸还田年数的增加，不利影响逐渐降低；且适当提高壮蘖肥施用比例，能减轻稻秸还田带来的不利影响，改善幼苗质量。

2.3 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦6 叶期幼苗生理特性的影响

2.3.1 对叶片SPAD 值的影响 由图2 可知，氮肥运筹为N1 时，与CK 相比，稻秸还田年数对小麦幼苗叶片SPAD 值有影响，S1 ～S3 小麦幼苗叶片SPAD 值均低于CK，还田年数较长的处理叶片SPAD 值整体高于还田年数和较短的处理。

氮肥运筹对小麦幼苗叶片SPAD 值也有一定影响，N2 和N3 的稻秸还田年数对SPAD 值的影响规律与N1 表现基本一致。 不同氮肥运筹小麦幼苗叶片SPAD 值整体表现为N3＞N2＞N1，同样表明在稻秸还田条件下，适量提高壮蘖肥的施用比例能够提高小麦幼苗叶片SPAD 值，有利于小麦幼苗的生长。

2.3.2 对根系活力的影响 由图3 可知，氮肥运筹为N1 时，稻秸还田能增加小麦幼苗的根系活力，且随着稻秸还田年数的增加呈升高趋势，两年度试验结果较为接近。

表2 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦6 叶期幼苗质量的影响Table 2 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on seedling quality of wheat at 6-leaf stage

图2 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦幼苗叶片SPAD 值的影响Fig.2 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on SPAD value of wheat seedling leaf

图3 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦幼苗根系活力的影响Fig.3 Effect of rice straw returning years and nitrogen fertilizer application on root activity of wheat seedling

图4 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦幼苗叶片MDA 含量的影响Fig.4 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on MDA content in wheat seedling leaf

氮肥运筹对小麦幼苗根系活力也有一定的调节作用，氮肥运筹为N2 和N3 时，稻秸还田年数对根系活力的影响规律与N1 基本一致，不同氮肥运筹小麦幼苗根系活力整体表现为N2＞N3＞N1，表明适宜的氮肥配比能够减轻稻秸还田腐解对小麦幼苗生长的不利影响。

2.3.3 对叶片丙二醛(MDA)含量的影响 由图4 可知，氮肥运筹为N1 时，与CK 相比，S1～S3 增加了小麦幼苗叶片的MDA 含量，且随着还田年数的增加，稻秸还田的不利影响逐渐减小，小麦幼苗叶片MDA 含量逐渐降低，至还田4～5 a 后这种不利影响基本消除。

氮肥运筹对小麦幼苗叶片MDA 含量也有一定的影响，氮肥运筹为N2 和N3 时，稻秸还田年数对MDA含量的影响规律与N1 表现基本一致，其中N2 小麦幼苗叶片MDA 含量低于N1 和N3。

2.3.4 对可溶性糖含量的影响 由图5 和图6 可知，稻秸还田年数对小麦幼苗叶鞘及叶片的可溶性糖含量均有一定影响。 两年度试验结果表明，氮肥运筹为N1时，与CK 相比，S1～S3 减少了小麦幼苗叶鞘和叶片的可溶性糖含量，但随着稻秸还田年数的增加，叶鞘和叶片的可溶性糖积累量均呈增加趋势。

氮肥运筹对小麦幼苗叶鞘及叶片的可溶性糖含量也有一定调节作用，氮肥运筹为N2 和N3 时稻秸还田年数对可溶性糖含量的影响规律与N1 表现基本一致，其中N2 小麦幼苗叶鞘和叶片的可溶性糖含量整体均高于N1 和N3。

图5 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦幼苗叶鞘可溶性糖含量的影响Fig.5 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on soluble sugar content in wheat seedling leaf sheath

图6 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦幼苗叶片可溶性糖含量的影响Fig.6 Effect of rice straw returning years and nitrogen application on soluble sugar content in wheat seedling leaf

3 讨论

3.1 稻秸还田年数对小麦出苗与幼苗生长的影响

有关稻秸还田对小麦出苗的影响，有研究认为当年稻秸还田显著降低小麦出苗率，抑制了分蘖的发生[22]；稻秸还田1 a 后各处理出苗率和出苗均匀性亦呈下降趋势[23-24]。 本研究表明，与CK 相比，稻秸还田均会降低小麦出苗率，但这种变化会随还田年数的增加有所减弱，说明还田年数增加能在一定程度上改善出苗情况。 这可能与稻秸还田后对土壤的影响有关，小麦苗期时，稻秸未大量腐解，土壤孔隙度不均，土壤水分分布不均匀，小麦种子与土壤结合不紧密，从而影响了小麦出苗率，长期还田能不断改善土壤性状，有利于创造小麦萌发出苗的基础条件，减轻稻秸还田对萌发出苗的影响，但仍不能完全消除这种影响，因此在稻秸还田条件下，需要通过合理增加播种量来确保实现足够的基本苗数。

前人研究认为，玉米秸秆粉碎不充分、土壤耕翻过浅，均会致使秸秆与土壤混合不均匀，造成麦苗吸水不足，导致成块缺苗或出现麦苗瘦弱、黄化的现象[25]；玉米秸秆还田1 a 影响了小麦的早期生长发育，还田后小麦苗期长势较弱，苗体质量较差[26]。 豆利岭[27]研究发现稻秸还田处理小麦苗期的株高、干重降低，不同还田方式处理小麦苗期的平均分蘖数与对照相比均有不同程度的减少。 本试验则认为，稻秸还田会减少小麦6 叶期幼苗的LAI、单株分蘖数、苗高和单株干物重，小麦生长受到影响，但这种不利影响随还田年数增加呈减弱趋势，还田5～6 a 后这种不利影响基本消除。说明当季稻秸还田对小麦幼苗造成的不利影响可能是由于还田后麦苗根系容易扎到秸秆中，根系悬空，出现烧根的情况导致苗黄、苗弱，同时还田后土壤碳氮比增高导致小麦与土壤微生物争氮的现象不利于幼苗生长。 因此在生产中应确定合理的施氮比例，并坚持长期稻秸还田，通过提升土壤肥力和供应合理养分来减轻负面影响，促进小麦幼苗生长发育。

3.2 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦苗期生理特性影响

SPAD 值可以直接反映叶绿素含量的变化趋势，叶绿素含量直观体现了小麦光合效率以及小麦功能叶活性的大小[28]。 邹兵[29]研究表明，在耕作方式一致情况下，玉米秸秆还田1 a 较不还田的SPAD 值高。本试验结果表明，稻秸还田年数对小麦幼苗叶片SPAD 值有影响，S1 ～S3 小麦幼苗叶片的SPAD 值均低于CK，但随着还田年数增加，SPAD 值有升高趋势，且适量提高壮蘖肥的施用比例能提高小麦幼苗叶片SPAD 值，这与前人研究结果不同，可能与选用的试验品种、还田年数、肥料运筹比例等不同有关。

徐国伟等[30]研究表明，麦秸还田1 a 提高了水稻泌物中根系分泌物有机酸总量及氨基酸含量，促进水稻根系活力增长。 张琛[23]研究表明，稻秸还田1 a 能增加后期小麦根系活力，起到延缓根系衰老的作用。本试验结果表明，采用240 kg·hm-2施氮量，氮肥运筹为N2 时，能增加小麦苗期的根系活力；且随着还田年数的增加，根系活力也呈升高趋势。 这可能与长期稻秸还田可以通过改善土壤肥力与质量，增强土壤养分有效性，进而促进小麦根系生长有关，同样说明生产中应坚持长期稻秸还田。

黄金瓒[31]研究表明，与不还田处理相比，稻秸还田1 a 增加了小麦各器官可溶性糖含量。 而薛亚光等[32]研究表明，低温胁迫下，与不还田处理相比，稻秸覆盖还田和浅旋还田1 a 均显著增加了小麦苗期叶片的MDA 含量，减少了可溶性糖含量。 本试验结果与之相似，稻秸还田增加了小麦6 叶期幼苗叶片MDA 含量，降低了小麦6 叶期幼苗叶鞘和叶片的可溶性糖积累量，但这种不利影响会随着还田年数的增加而减弱，还田4～5 a 后这种不利影响基本消除。 说明长期稻秸还田有利于降低小麦幼苗叶片MDA 含量，减轻膜脂过氧化程度，增加可溶性糖含量，提高抗逆性。

4 结论

稻秸还田后，小麦出苗率较CK 显著降低，小麦幼苗质量下降，随着稻秸还田年数增加，这种不利影响逐渐减弱。 稻秸还田4 a 以上，N2 氮肥运筹组合模式可以在一定程度上增强麦苗的根系活力，提高麦苗叶片的SPAD 值，提高了叶鞘和叶片的可溶性糖积累量，降低麦苗叶片的MDA 含量，有利于培育壮苗。 本研究认为坚持长期稻秸还田配以适宜的氮肥运筹模式(基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为5 ∶2 ∶2 ∶1)可以在一定程度上减轻稻秸还田对麦苗生长发育产生的负面影响，有利于改善稻秸还田条件下的幼苗生长情况，为稻茬小麦培育壮苗、提升产量奠定基础。 但如何进一步提高稻秸还田条件下小麦生育前期抗逆性尚需要进一步深入研究。