耕作方式对主要粮食作物影响的研究综述

张向前，杨文飞，徐云姬

（1安徽省农业科学院作物研究所，合肥 230031；2农作物品质改良安徽省重点实验室，合肥 230031；3江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏淮安 223001；4扬州大学教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室，江苏扬州 225009）

0 引言

作物的生长发育和高产离不开良好的生长环境，耕作方式是影响土壤和作物生态环境最直接的途径，对作物生长发育进程中的水、肥、气、热起到了调控作用，进而对作物养分吸收利用和生理特性产生不同的影响，并最终影响作物产量和品质的形成[1]。近年来，虽然国内农业机械化水平得到明显提高，但在实际农业生产过程中由于不合理耕作方式的大面积使用导致了部分农田的耕层变浅、物理结构变差，降低了耕层土壤的蓄水保肥能力和农田生态系统部分服务功能，从而影响作物高产优质和和农田生态系统的可持续发展[2-3]。如何根据生产条件，采用合理的机械耕作和播种方式对实现作物高产、优质、高效生产是目前农业生产上密切关注的热点问题之一。为充分发挥不同耕作方式在作物增产方面的效果，笔者对有关耕作方式对作物根系特性、光合效应及品质产量的影响研究进行了总结评述，试图为中国合理耕作制度的建立及作物产量的进一步提高提供科学依据和理论指导。

1 不同耕作方式对作物根系的影响

作物根系具有固定和支撑作物及从土壤中吸收各种养分的双重功能，同时又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所，是土壤养分的充分利用者和产量形成的重要贡献者[4-5]，根系形态的构建及生理机能的发挥受不同耕作方式的明显影响。

1.1 对根系性状的影响

谷思玉等[6]研究发现，深松相比深翻、免耕和旋耕有利于增加玉米根长度、根体积、根表面积、根干质量，其中与深翻相比分别增加4.54%、19.21%、18.57%、14.12%。赵亚丽等[7]研究发现，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕、秋季深耕+夏季下位深松、秋季深耕+夏季侧位深松、秋季旋耕+夏季免耕（对照）5 个耕作方式中，秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦开花期的根体积密度、根长密度、根干重密度和根表面积密度及夏玉米开花期单株根体积、根长、根表面积和根干重密度均最大。高飞等[8]研究发现，冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕与冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕处理0～30 cm的根冠比、根干重、根表面积、根长、节根层数、根体积、节根条数及节根干重皆显著高于冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕处理。冯跃华等[9]研究指出，无论移栽或直播，免耕稻分蘖期的单蔸根干重、根冠比、根系总吸收表面积、总活跃吸收表面积均明显高于翻耕稻，其中0～5 cm 土层成熟期的根重、根重密度和5～10 cm、10～20 cm 土层的比根长也皆高于翻耕稻。张明君等[10]研究发现，根表面积、根长及其空间分布受不同耕作措施的显著影响，与传统耕作相比免耕秸秆覆盖和免耕覆膜能显著增加小麦关键生育期的根长和根表面积，改善根系空间分布。李其成等[11]研究证实2～3 年深松一次相比未深松可促进根系下扎，明显增加小麦总根长、根表面积、根体积和次生根数，促进根系对土壤养分的充分吸收利用。

1.2 对根系活力的影响

高飞等[8]研究证实，冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕处理和冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕处理相比，冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕处理能明显提高耕层0～30 cm 的根系TTC 还原量、TTC 还原强度和根系伤流速率。全妙华等[12]研究指出，垄作方式相比传统耕作方式水稻根系活力和根系SOD、CAT、POD 酶活性显著增加，MDA含量显著降低。马立婷等[13]研究发现，不同耕作方式在根系POD 和SOD 活性方面表现为全层耕作＞行间耕作＞苗带耕作，行间和全层深耕相比浅耕有利于提高玉米乳熟期根系SOD活性，延长玉米中后期深层根系保护酶活性和功能期。杨志远等[14]通过研究翻免耕下不同耕作栽培方式对水稻根系衰老的影响发现，免耕稻相比翻耕稻有利于提高生育中期根系活力，但灌浆后期根系活力会明显下降，维持根系活力的能力相对较差，此外亦发现免耕与抛秧栽培和宽窄行栽培互作有利于提高两者免耕下的根系活力。张慧芋等[15]通过研究夏闲期不同耕作方式对旱地小麦根系活性的影响发现，深松相比深翻和免耕能明显提高旱地小麦各生育时期0～80 cm 根系活力，其中在越冬期—孕穗期提升效果显著。

2 不同耕作方式对作物光合效应的影响

光合是作物生长发育与物质形成的重要基础，作物通过光合效应形成的有机物占作物总干质量的95%左右，而不同耕作方式主要是通过调控土壤水分、温度、紧实度及植株叶面积和叶绿素含量对作物光合效应大小产生影响。

2.1 对叶面积的影响

张礼军等[16]通过研究常规耕作、全膜覆土穴播、秸秆还田和免耕秸秆覆盖对旱地冬小麦叶面积的影响，发现开花期光合高效叶面积和总叶面积受耕作方式的显著影响，其中全膜覆土穴播处理能显著增加不同叶位叶面积，总叶面积分别比常规耕作、秸秆还田、免耕秸秆覆盖增加了30.55%、33.43%、28.60%。刘鹏等[17]通过2 年试验研究证实，旋耕秸秆还田相比免耕秸秆还田有利于提高雨养冬小麦拔节期、孕穗期等关键生育时期的群体叶面积指数。张瑜等[18]通过研究不同耕作方式对春玉米的生长发育影响指出，不同耕作方式对春玉米叶面积指数的影响表现为地膜覆盖+秸秆深埋＞地膜覆盖＞秸秆深埋＞传统耕作。赵晓宇等[19]在河套平原灌区通过定点试验研究发现，深松+翻耕、翻耕+秸秆还田、深松+翻耕+秸秆还田、深松、翻耕相比浅旋能显著提高玉米群体叶面积指数和生育后期叶面积持续期。

2.2 对叶绿素含量的影响

张奎等[20]通过8种不同耕播方式的对比试验研究发现，孕穗期旋耕+镇压处理和秸秆+旋耕+镇压处理相比其他耕作方式有利于提高小麦叶绿素含量，而抽穗期和灌浆期秸秆+耕翻+镇压处理小麦叶绿素含量高于旋耕、旋耕+镇压、耕翻+镇压、旋耕+撒播、秸秆+旋耕、秸秆+旋耕+镇压、秸秆+旋耕+撒播。翟振等[21]，研究指出，不同耕作深度通过影响土壤结构和水、肥、气、热，进而对植株叶片叶绿素含量产生影响，其中深旋松30 cm 相比深松20 cm 处理能提高开花期小麦叶片相对叶绿素含量1.3%。王维等[22]在宁南旱区通过2年试验比较了传统翻耕、连年免耕、免耕/深松、连年深松、深松/免耕5 种耕作模式对小麦叶绿素含量的影响，发现深松/免耕、免耕/深松、连年深松、连年免耕处理小麦开花至灌浆期的叶绿素含量分别比传统翻耕增加了13.5%、27.4%、32.2%和11%。周静和张仁陟[23]通过研究不同耕作措施对小麦叶片生理特性的影响发现，轮作8年后，免耕无覆盖、免耕+秸秆覆盖和传统耕作+秸秆还田3 种耕作模式相比传统耕作能不同程度增加小麦关键生育期叶片叶绿素含量。

2.3 对光合特性的影响

赵竹等[24]通过研究秸秆还田+深耕、旋耕、深松、旋耕（播后不镇压）和旋耕施肥播种机复式播种作业对小麦光合特性的影响发现，旋耕耕作方式相比其他耕作方式可提高小麦后期光合速率，促进小麦生育后期的干物质积累量。赵晓宇等[19]研究证实，深松+翻耕+秸秆还田、翻耕+秸秆还田、深松+翻耕、深松、翻耕相比浅旋均能显著增加玉米光合净同化速率。邵云等[25]通过分析深耕、深耕+秸秆、深耕+粪肥、浅耕、浅耕+粪肥、浅耕+秸秆不同耕作模式间光合特性差异发现，深耕+有机物料处理能明显提高小麦叶片净光合速率和气孔导度。董智等[26]研究发现，免耕相比传统耕作玉米灌浆期棒3叶的光合速率平均值明显提高。何建宁等[27]通过9 年定位试验研究了翻耕、旋耕、间隔2 年深松+条旋耕、间隔2 年深松+旋耕4 种耕作方式对小麦叶片光合的影响，发现间隔2年深松+条旋耕处理旗叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在开花后21～35 天显著高于其他耕作方式，灌浆期间隔2年深松+条旋耕处理小麦冠层平均光合有效辐射截获率显著高于间隔2年深松+旋耕和翻耕方式，其中旋耕处理最低。张德健等[28]研究指出，从光合效率的角度看，保护性耕作玉米叶片的净光合速率明显高于传统耕作，在内蒙古土默川南部保护性耕作模式可以替代传统耕作模式。全妙华等[12]研究证实垄作方式与传统耕作方式相比水稻的光合速率、气孔导度和水分利用效率等光合特征参数的值均显著提高。王维等[22]通过多年研究亦证实，连年免耕、连年深松、免耕/深松、深松/免耕相比传统翻耕明显提高了小麦叶片日均光合速率和日均蒸腾速率，与传统翻耕相比，其他4种耕作模式均提高了光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数、实际光化学效率、PSⅡ潜在活性和PSⅡ最大光化学效率，降低了光抑制程度。

3 不同耕作方式对作物籽粒品质的影响

作物籽粒品质受遗传特性、环境条件和土壤理化性状等因素的影响，其中耕作方式是影响作物籽粒品质的重要因素之一。

3.1 对籽粒蛋白的影响

张娟等[29]通过多年研究发现休闲期深松相比深翻能显著提高旱地小麦籽粒蛋白质含量。张礼军等[30]通过研究常规耕作、全膜覆土穴播、秸秆还田和免耕秸秆覆盖4 种耕作方式对旱地冬小麦籽粒蛋白质的影响，表明耕作方式对小麦蛋白质及其组分含量有显著或极显著影响，其中与常规耕作相比全膜覆土穴播可显著提高谷蛋白含量和谷醇比，而免耕秸秆覆盖的蛋白质总量、球蛋白、麦谷蛋白均显著低于常规耕作。熊淑萍等[31]通过研究旋耕、常规耕作和深松3 种耕作方式对小麦籽粒蛋白质含量的影响发现，籽粒蛋白质含量也以深松方式最高，常规耕作居中，旋耕方式最低，且三者间彼此差异显著。孙敏等[32]研究不同降水年型下休闲期深翻和深松方式对籽粒蛋白的影响，不仅发现休闲期深翻或深松较对照可提高平水年、丰水年籽粒醇溶蛋白、清蛋白、谷蛋白含量、蛋白质含量，而且证实休闲期深翻处理枯水年籽粒蛋白质含量及平水年籽粒醇溶蛋白、清蛋白、蛋白质含量显著高于深松处理。张慧芋等[33]研究发现休闲期深翻相比休闲期免耕有利于提高旱地麦田播前底墒，并可将其蓄墒效果延续至孕穗期，从而显著提高籽粒蛋白质及其组分清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量。

3.2 对籽粒蛋白外其他主要品质指标的影响

薛亚光等[34]通过研究麦秸全量旋耕还田、麦秸半量旋耕还田、麦秸半量沟埋还田、麦秸全量沟埋还田对水稻品质的影响发现，麦秸全量旋耕还田会显著降低稻米的崩解值、峰值黏度和胶稠度，提高消减值和直链淀粉含量。赵竹等[24]通过研究深松、旋耕、播后不镇压、秸秆还田+深耕、旋耕、旋耕施肥播种机复式播种作业对小麦籽粒品质的影响，证实沉降值、硬度、湿面筋含量等品质指标以旋耕处理表现最优。聂良鹏等[35]通过研究小麦季深松、免耕、翻耕+玉米季深松或免耕的6 种耕作模式组合发现，轮耕处理的油分和淀粉含量均高于全年免耕，其中全年深松处理的各营养物质含量最高，其次是小麦季深松+玉米季免耕轮耕模式。陈宏涛等[36]研究证实，与常规耕作处理相比“T”型耕作出糙率变化不大，裂纹米质量比、直链淀粉含量有降低趋势，其中‘垦稻12’在“T”型耕作方式下的食味评分与常规耕作差异不明显，而“T”型耕作下‘垦鉴稻10号’的食味品质显著优于常规耕作。

4 不同耕作方式对作物产量的影响

耕作方式是影响作物根际土壤生态环境最直接有效的途径，对土壤中水分、养分、温度、通气性等起到了调控作用，从而影响作物最终产量的形成[37-38]。杨佳等[1]通过研究证实，相同茬口下，旋耕比翻耕更有助于冬小麦穗长、穗质量、结实小穗数的增加以及不结实小穗的减少，对产量的增加有一定的积极作用。唐海明等[39]通过研究4 种土壤耕作处理双季稻旋耕+秸秆还田、双季稻翻耕+秸秆还田、双季稻免耕+秸秆还田、双季稻旋耕+秸秆不还田间产量的差异发现，双季稻翻耕+秸秆还田和双季稻旋耕+秸秆还田处理水稻植株物质生产能力强，干物质积累多，其中2年早稻和晚稻产量双季稻翻耕+秸秆还田处理皆显著高于双季稻旋耕+秸秆不还田。周成河和覃大吉[40]通过研究证实，耕层优化双行匀播技术可改善土壤理化性状，相比传统深耕和旋耕可使小麦产量增加10.64%和15.76%，地上部生物产量分别提高7.82%和9.16%。丁锦峰等[41]研究指出，稻茬小麦产量与不同耕作方式间存在显著的互作效应，板茬耕作方式相比旋耕和翻耕耕作方式群体茎蘖数多，但分蘖成穗率不高、源库协调水平偏低，但花后具有较高的光合生产能力，能明显提高穗粒数和千粒重，在最终产量方面要优于旋耕和耕翻。为探讨砂姜黑土农田适宜的耕作方式，李太魁等[42]研究免耕、深耕(30 cm)和旋耕(15 cm)3 种耕作模式对小麦产量的影响，证实与免耕处理相比，深耕处理可有效增加小麦穗粒数和千粒重，产量增加达9.79%，总体产量表现为深耕＞旋耕＞免耕。田伟等[43]通过3年的田间试验，以常规耕作+施有机肥为CK，研究了免耕+种植绿肥、免耕+不种绿肥、常规耕作+种植绿肥、常规耕作+不种绿肥五种处理对玉米产量的影响，研究发现绿肥种植与免耕技术配合使用相比，单一技术能够显著提高玉米平均产量。乔云发等[44]通过比较常规耕作、旋耕、翻耕、深翻和超深翻不同耕作方式对玉米产量的影响发现，翻耕和超深翻相比常规耕作处理玉米产量分别增加7.6%和6.0%，翻耕比超深翻玉米产量增加10.9%，而深翻处理玉米产量比常规耕作减产8.1%。张瑜等[18]通过研究传统耕作、地膜覆盖、秸秆深埋、地膜覆盖+秸秆深埋4 种不同耕作方式对春玉米生长和产量的影响，证实整个生长过程不同处理的玉米株高、叶面积指数、茎粗均表现为地膜覆盖+秸秆深埋＞地膜覆盖＞秸秆深埋＞传统耕作，地膜覆盖+秸秆深埋、秸秆深埋和地膜覆盖处理的玉米产量显著比传统耕作增加了15.9%、10.5%和5.6%。

5 展望

5.1 未来农业生产中对耕作方式的研究应进一步加强

从国内发展形势看，随着生态环保意识的提高和国家目前大力提倡减肥减药农业绿色发展强制性要求的不断加强，在中国人口不断增加和经济生活水平不断提高的社会背景下，人们对于粮食产量及品质的要求越来越高，如何通过耕作措施实现减肥减药下作物产量品质的稳定和提高将是未来农业发展中急需重点研究的热点问题之一。从国际发展形势看，世界大多数国家农业生产都面临着人口增加、耕地破坏、成本提高、污染加剧、资源浪费、地力下降及能源危机的严峻形势，世界各国都在研究相应的应对策略和农业发展新思路，一致认为农业绿色持续发展的一个重要方面就是保证耕地土壤维持一个良好的生物、化学和物理状态，所有对策中都把耕作方式的合理选择和应用作为未来农业发展研究的重点。笔者及世界多数农业科研人员皆认为耕作方式与土壤耕层深浅、养分平衡、养分供应能力、单位容重、持水保肥性能、抗逆缓冲能力大小及生态系统能量物质循环流动密切相关[45-47]，深入研究耕作方式以提升农田土壤质量必将是未来农业健康持续发展的重要途径之一和急需重点研究的热点领域之一。

5.2 如何选择适宜于中国的耕作方式

在选择耕作方式上应当充分结合中国地少人多的现实国情，不能完全学习模仿人少地多发达国家农业生产中常采用的保土、保墒耕作方式。如美国为了减少作业能耗、减轻土壤压实、优化土层结构大面积推行保土耕作制，大力发展少免耕或覆盖耕作，其耕地有1/3 实行了覆盖耕作，1/3 以上的耕地实行少免耕耕作。中国的现实国情决定了少免耕不适宜在农业生产上大面积推广应用，为解决粮食安全问题和提高人民生活水平，在提高土壤养分供应能力和利用效率的基础上，中国农业生产中对农田土壤频繁的扰动和干扰是不可避免的。笔者认为基于作物产量和品质的提高及耕地的可持续利用，中国在耕作方式的选择和运用上应充分考虑到：（1）中国地域辽阔农业生产中存在西北黄土高原半干旱雨养区、淮北平原区、江淮丘陵区、沿江平原区及东北风沙区等多种土壤类型生态区；（2）主要粮食作物种类多，有早晚稻、春夏玉米和春冬性小麦；（3）作物茬口类型多，有麦-玉、麦-稻、稻-稻等。在实际农业生产中应当根据区域生态环境特点、土壤属性、作物种类和茬口类型以高产优质和可持续栽培为基本出发点，同时注重耕作方式与前茬作物交互作用、地膜覆盖、秸秆机械粉碎还田及保护性耕作等多种耕作方式的合理搭配和推广应用，通过适宜耕作方式的推广和应用，改善土壤结构、养分供应能力、作物播种质量、出苗质量及植株后期生长发育状态和生理生化特性，进而充分挖掘耕地生产潜力，促进耕作技术成效与生态环境相辅相成，实现粮食的大面积增产增效及耕地和农业的可持续利用和发展。