不同耕作方式与秸秆还田对土壤养分及小麦产量和品质的影响

周正萍 田宝庚 陈婉华 王子阳 袁 伟 刘世平

（扬州大学/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，225009，江苏扬州）

中国是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一，农作物秸秆产量已达9亿t，其中粮食作物类秸秆产量占70%左右。传统的秸秆处理方式多为就地焚烧，不仅浪费秸秆中大量的养分资源，而且增加大气污染。前人对于秸秆的优化处理已做了不少研究，结果表明，适当的秸秆还田具有改善土壤结构[1]、降低土壤容重[2]和改变土壤水热条件[3-4]等功能，秸秆还田还可以实现农业资源循环利用，符合发展生态农业的要求。

20世纪30年代，美国提出保护性耕作模式，其指导思想是在促进农业可持续发展的基础上，对可利用的土壤及生物资源进行高效率综合管理，提高农作物产量，改善农产品品质[5]。保护性耕作技术主要包括秸秆还田、少耕和免耕等，我国北方地区最早将免耕技术应用于小麦种植试验，随后在全国不同类型生态区展开保护性耕作技术的多方面研究，从作物产量、经济效益发展到土壤理化性质等[6]，已取得一定的经济、社会和生态效益。根据前人研究结果可知，保护性耕作会直接或间接影响土壤的物理性质[7]和耕层养分含量[8]。衣明圣等[9]研究表明长期采用小麦田免耕覆盖方式可显著提高土壤表层有机质和全氮含量。我国主要农业区的保护性耕作模式总体表现为“少裸露”、“少动土”、“高保蓄”和“高效益”的特点，不同区域可通过耕法与配套技术的有效组合，形成有区域特色的耕作体系[10]。

江苏省地处江淮下游，以稻麦两熟制为主，其中小麦年种植面积约为220万hm2，是我国最大的稻茬小麦生产省，小麦在江苏省粮食生产上占有重要地位。赵华桐等[11]研究发现免耕与秸秆还田有助于籽粒干物质的积累，提高小麦产量；顾克军等[12]进行了2年田间试验，得出秸秆还田配合适宜的耕作方式可稳定小麦的产量；同时也有研究[13-14]表明，生态环境、土壤质地及肥力等都会影响小麦籽粒的品质。在江苏地区针对稻麦两熟区耕法的研究多为短期定位试验，因此，为了完善对该地区耕作体系的研究，探寻适宜小麦生产的耕作模式，本试验设置不同耕作方式和秸秆还田的组合模式，于2001年秋播开始进行长期定位试验，跟踪测定了2009-2018年土壤有机质和全氮的变化，分析不同耕作方式和秸秆还田组合对小麦产量及籽粒品质的影响，为该地区小麦高产及优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2001年秋季开始播种，在扬州大学江苏省作物遗传生理实验室试验田进行，土壤类型为砂壤土，试验开始时耕层土壤含有机质14.66g/kg，全氮0.97g/kg，碱解氮87.9mg/kg，速效磷30.8mg/kg，速效钾75.5mg/kg。

1.2 试验设计

共设6个处理（表1），免耕为秸秆覆盖还田，少耕为旋耕还田，耕深10～12cm，翻耕耕深14～16cm，稻麦季翻耕无秸秆还田是该区传统的耕作方式，即对照（CT），各处理小区面积50m2，重复3次，随机排列。小区间筑埂进行隔离，保证单独灌排水。

表1 试验处理Table 1 Treatments of experiment

1.3 供试品种与种植方式

1.3.1 供试品种 在2018-2019年，以弱筋小麦扬麦22号为试验材料，前茬水稻品种为南粳9108。

1.3.2 种植方式 在10月水稻收获后，小麦于11月初进行人工开沟条播，播量为120kg/hm2，行距25cm。小麦季施基肥尿素245kg/hm2、过磷酸钙600kg/hm2和氯化钾120kg/hm2，后期追施尿素147kg/hm2，整个小麦生育期施纯氮180kg/hm2，其中基蘖肥与穗肥比例为7:3。

1.4 指标测定与方法

1.4.1 土壤养分 在水稻收获后，分别在0～7、7～14和14～21cm 土层进行取土壤样品备用。采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量；采用半微量开氏法测定土壤全氮含量，计算3层土壤养分的平均值即土壤耕层（0～21cm）的有机质和全氮含量。

1.4.2 小麦产量 于小麦成熟期在每个小区选取5个点调查穗数；选取5个5m2样方收割测定实际产量；取样考种，测定穗粒数和千粒重。

1.4.3 小麦籽粒品质 使用HQ-TO1000型容重器测定籽粒容重；利用Quadrumat junior实验磨粉机（德国Brabender公司）出粉并计算小麦籽粒出粉率；利用BAU-A型沉淀值测定仪测定籽粒沉淀值；利用1241近红外谷物快速品质分析仪（瑞典Foss公司）测定籽粒硬度、蛋白质和湿面筋含量；用Super3快速粘度仪（RVA，澳大利亚Newport Scientific公司）测定淀粉糊化特性。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0软件处理数据及统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式和秸秆还田下土壤耕层养分的动态变化

2.1.1 土壤耕层有机质的变化 由表2可知，2009-2018年，各处理土壤平均有机质含量为MTS＞CTS＞NTS＞RNT＞RCT＞CT，且均显著高于CT处理，增幅为11.15%～29.64%，说明长期秸秆还田有利于提高土壤耕层的有机质含量。MTS和CTS处理土壤有机质平均含量较高，且两者差别不大，表明一定范围内秸秆还田量对土壤有机质含量影响较小，主要与耕作方式有关，少耕秸秆还田更有利于有机质积累。稻季或麦季免耕处理土壤平均有机质含量略低于NTS处理，但差异均不明显。综合来看，长期秸秆还田对土壤有机质含量增加效果显著，并且以稻麦双季少耕与秸秆减量还田处理对土壤有机质增加的贡献较突出。

表2 不同耕作方式与秸秆还田对土壤耕层有机质含量的影响Table 2 Effects of different tillage methods and straw returning on soil organic matter content g/kg

2.1.2 土壤耕层全氮的变化 从2009-2018年的土壤全氮平均含量（表3）来看，各处理的全氮平均含量变化规律与有机质一致，均高于CT，较CT增幅为5.21%～19.76%，其中，MTS和CTS与CT处理均存在显著差异，MTS处理的全氮含量最高。综上，稻麦双季少耕与秸秆减量还田更有利土壤全 氮含量的积累，翻耕秸秆还田全氮含量也较高。

表3 不同耕作方式与秸秆还田对土壤耕层全氮含量的影响Table 3 Effects of different tillage methods and straw returning on soil total nitrogen content g/kg

2.2 不同耕作方式与秸秆还田对小麦产量及其构成因素的影响

不同耕作处理对2018-2019年小麦产量及其构成因素的影响结果见表4，RCT、CT和RNT处理实际产量较高，且RCT和CT处理均显著高于NTS处理，NTS处理小麦实际产量较RCT、CT、RNT处理分别减产16.33%、15.48%和10.34%。CTS和MTS处理较CT略低，但差异不显著。从小麦的产量构成因素来看，CT处理的穗数最高，NTS处理的穗数最低，两者存在显著差异，说明长期稻麦双季免耕与秸秆还田对小麦穗数有较大影响，过多覆盖秸秆且未能及时腐解会影响小麦的基本苗数，RNT和MTS穗数也较低，免耕和少耕秸秆还田影响小麦穗数；各处理穗粒数无明显差异，MTS处理穗粒数较多，CTS较少；千粒重以NTS处理最高，显著高于除RNT外的其余各处理，表明免耕有利于小麦后期籽粒灌浆；MTS处理小麦的实际产量要远低于理论产量，而该处理下小麦穗粒数最多，可能与小麦成熟略早而造成的麦粒脱落有一定的关联。综上，不同耕法和秸秆还田对小麦产量的影响主要表现在穗数和千粒重上，且长期秸秆还田影响小麦穗数，免耕则有利于提高小麦的千粒重。

表4 不同耕作方式与秸秆还田对小麦产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of different tillage methods and straw returning on wheat yield and its components

2.3 不同耕作方式与秸秆还田对小麦籽粒品质的影响

由表5可知，不同耕作方式处理下小麦品质指标皆存在一定差异。从小麦的加工品质来看，NTS和RNT处理小麦硬度和出粉率较低，与其他处理存在显著差异，免耕处理下小麦易于研磨但出粉率较低；同时RNT处理湿面筋含量达到最高，沉淀值显著高于除CTS外的其余各处理，适于制作面条，有利于提高面条筋道。RCT处理小麦的硬度和出粉率较高，但与CT无显著差异。从小麦的营养品质来看，CTS处理小麦蛋白质含量最高，与CT、NTS处理间存在显著差异，而该处理下淀粉含量最低，显著低于NTS处理。综上可得，麦季免耕与秸秆还田对小麦加工品质有所改善；翻耕秸秆还田提高了籽粒蛋白质含量；长期免耕有利于小麦籽粒淀粉的积累，但降低了籽粒蛋白质含量。

表5 不同耕作方式与秸秆还田对小麦籽粒品质的影响Table 5 Effects of different tillage methods and straw returning on grain quality of wheat

2.4 不同耕作方式与秸秆还田对小麦淀粉RVA参数的影响

由表6可以看出，不同处理下，小麦淀粉的峰值黏度、低谷黏度和最终黏度存在着显著差异。RNT处理小麦籽粒淀粉的峰值黏度、低谷黏度和最终黏度均为最高，且与NTS处理存在显著差异，其中低谷黏度和最终黏度要显著高于CT处理。除稀懈值外，NTS处理的淀粉糊化特性参数均为最低，影响中筋小麦面条的品质。RCT处理淀粉糊化峰值时间要显著高于CT和NTS处理，对面条质量有提高作用。综上，RNT和RCT处理均有提高小麦粉面条品质的趋势，长期稻麦双季免耕与秸秆还田使中筋小麦面条的品质降低。

表6 不同耕作方式与秸秆还田对小麦RVA参数的影响Table 6 Effects of different tillage methods and straw returning on the RVA parameters of wheat

3 讨论

3.1 不同耕作方式与秸秆还田对土壤养分的影响

一般认为，长期连续性种植农作物会逐渐降低土壤耕作层的养分含量，可通过改进耕作方式，适当减少对土壤的扰动以减缓土壤结构退化甚至改善土壤肥力。本试验发现在长期不同耕作处理下，有机质和全氮含量的变化规律大致相似；连年的秸秆还田经过秸秆腐解过程可在土壤表层积累较多有机质[15]，少耕与翻耕的形式又促进秸秆与土壤的接触，在土壤微生物的作用下，秸秆被充分腐解，土壤耕层的有机质含量得到显著改善。张春霞等[16]在黄土高原区进行了长达24年的秸秆还田研究，结果表明土壤表层的有机质、全氮均出现富集趋势，秸秆加快有机质的转化速率，达到提高土壤肥力的效果，这与本试验结果一致。但也有试验表明，长期定位秸秆还田对土壤肥力无明显提高作用[17]，可能是地理位置不同或者不同的农作物秸秆还田导致的结果。同时本研究也表明，稻麦双季少耕与秸秆减量还田更利于土壤肥力的提高，少耕秸秆还田处理由于仅作用于土壤浅层，养分流失少，秸秆在耕作层与土壤充分混合，微生物能加速秸秆的腐解，所以在耕作层表现出较高的养分含量[18]；而在稻麦双季免耕与秸秆还田处理情况下，由于土壤表层养分出现富集现象，土壤整个耕层的养分含量也呈现优于对照的趋势，但长期免耕会导致土壤容重变大，秸秆部分遗留在表层，未能与土壤充分接触，腐解较慢，也影响秸秆腐解产物向下层迁移，致使土壤肥力的改善受到限制[19-20]。

3.2 不同耕作方式与秸秆还田对小麦产量的影响

根据前人研究可知，耕作方式对小麦产量的影响因区域的生态条件、秸秆还田的种类和耕作处理的时长等不同而得到的结论不一致。有学者认为免耕与秸秆还田有利于小麦增产，且只要进行覆盖还田，产量均高于未覆盖还田处理[21]。贾树龙等[22]进行连续少免耕试验，研究发现处理对前3年产量无影响，而后小麦产量陆续出现显著降低的趋势。本试验结果表明，连续免耕与秸秆还田较翻耕处理显著降低了小麦产量，且主要是由于穗数的显著降低，或是秸秆还田量较多，加之长期免耕使土壤容重变大导致微生物活动能力降低[23-24]，秸秆未能及时腐解，从而降低小麦的播种质量，影响小麦出苗率和出苗质量[25]，同时，由于2018年冬季该地多雨寡照，小麦苗内在素质较差，易受影响，即使小麦生长后期土壤肥力高，气温高，光照足，小麦籽粒灌浆充实，但产量也未能有所好转。长期翻耕或少耕与秸秆还田处理下土壤肥力虽为最高，但不利于增加小麦群体及穗粒数，对粒重也无显著影响，可能与小麦植株对土壤养分吸收利用率有关，还有待进一步研究。稻季或麦季一季免耕与秸秆减量还田情况下，还田量较少，土壤肥力适宜，对小麦生长无明显抑制作用，小麦皆达到了较高产量。

3.3 不同耕作方式与秸秆还田对小麦籽粒品质的影响

保护性耕作通过改变土壤生态环境来影响小麦籽粒的品质，前人研究表明其结果随基因型、施肥、灌溉和播期等的不同而变化[26-27]。本研究发现，稻麦双季翻耕秸秆全量还田处理小麦籽粒蛋白质含量要显著高于免耕与秸秆还田处理，这与张礼军等[28]研究结果基本一致。本研究结果还表明，稻季或麦季免耕与秸秆还田对小麦的加工品质也有改善的趋势。小麦的淀粉糊化特性与面条品质有一定的关联，众多学者认为峰值黏度是衡量面条质量的重要指标[29-31]。本试验中，稻麦双季免耕与秸秆还田处理小麦淀粉糊化参数除稀懈值外皆为最低，显著降低了小麦的面条品质，与刘世平等[32]研究结果一致。总的来看，麦季免耕与秸秆还田处理小麦的加工品质以及面条质量得到显著改善，符合该地发展中弱筋小麦的要求。

4 结论

不同的耕作方式对土壤养分影响显著，少耕、轮耕和秸秆还田等耕作措施都能有效地改善土壤肥力，其中翻耕或少耕与秸秆还田的组合对土壤有机质和全氮含量的提高最为明显，但对小麦产量和品质影响不显著，生产上加强耕作机具与秸秆还田配套，提高整地质量，也能获得较高产量。同时，麦季免耕与秸秆还田更有利于提高中弱筋小麦的产量和品质，且减少部分机械耕作费用，省工节本，可作为该地发展优质高产高效小麦优先选择的耕作技术组合。