耕作方式与施氮量互作对小麦生长、产量与品质的影响

王福玉，陈贵菊，孙雷明，黄 玲，邵敏敏，赵 凯，杨本洲，张玉丹，闫 璐，王 霖

（济宁市农业科学研究院，山东 济宁 272031）

0 引言

秸秆还田和土壤耕作是小麦生产重要的增产与土壤培肥技术措施[1]。秸秆还田还可以增加土壤有机质，提高氮素利用率，改善小麦品质。秸秆还田能提高作物干物质积累量，增加产量[2]。秸秆还田后连年旋耕是当前鲁西南冬小麦生产普遍采用的耕作方式，但是连年旋耕易造成冬小麦播种过浅、出苗率低、苗小、苗弱等现象。因此，秸秆还田技术的应用也对作物生产模式提出新的挑战。

秸秆还田和耕作方式通过对土壤的物理结构和水肥状况的改变，从而极大得改善了作物的生长环境，调节作物的生长发育，进而影响作物的产量[3-4]。旋耕利于有机质富集于表层，下层土壤容重增加、孔隙度降低，对小麦具有增产效应。深耕还田均衡耕层的有机质分布，降低容重、改善孔隙度空间分布，有利于创造适于作物生长发育的耕层结构，从而实现冬小麦年度间稳产增产[5]。在秸秆还田和耕作方式实现了高产稳产的目标后，如何通过品种改良和技术创新来改善小麦品质，已成为当前小麦生产中必须解决的主要问题。前人研究表明不同的耕作方式，造成小麦的个体、群体生长及小麦籽粒产量和品质表现不同[6-8]。小麦籽粒品质受多种因素的影响，如基因型、环境和农艺措施等[9-11]。Ortiz等[12]研究表明，氮肥不仅影响蛋白质的数量，也影响蛋白质的质量，从而改善谷物的加工品质。强筋小麦对氮素缺乏反应明显，适当提高氮肥施用量是改善小麦营养品质的有效措施,但生产中普遍存在氮肥施用过量问题，这不仅使成本增加，也造成大量的氮肥损失，污染了环境，同时降低了氮肥利用效率。因此，找出秸秆还田条件下最佳施氮量迫在眉睫。关于不同耕作方式对小麦籽粒产量、品质的影响已有较多研究[13-16]，但不同耕作方式与氮肥互作对小麦籽粒品质的影响报道较少，研究结果也因地域环境、土壤质地、土壤肥力、定位时间长短等条件的不同而有所差异[17-19]。为此，本研究在连续多年秸秆还田的基础上，分析了连续三年不同耕作方式和施氮量互作对小麦生长、产量与品质的影响，以期为鲁西南小麦高产和优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016—2019年山东省济宁市农业科学研究院试验农场(N:35°27′15′，E:116°35′11′)进行。该地区年均降雨量597 ～820 mm，年均气温13.3℃ ～14.1℃，无霜期199天。试验地土壤为褐土，土壤的有机质13.1 g/kg，碱解氮58.6 mg/kg，速效磷48.3 mg/kg，速效钾128.5 mg/kg。

1.2 试验设计与管理

供试品种为‘山农20’，种植密度为2.25×106株hm2，行距25cm。试验采用裂区设计，主区设秸秆不还田免耕(T1)、秸秆还田免耕(T2)、秸秆还田两旋一耕(T3)、秸秆还田深耕(T4)4个处理，随机排列主区（表1）。副区设3个不同施氮量处理，分别为：N1（施纯N 225 kg/hm2）、N2（施纯N 165 kg/hm2）、N3（施纯N 300 kg/hm2），随机排列副区，重复3次。小区长15.0 m，宽4.0 m，重复间走道1.0 m，周围设保护区；不同耕作方式间留4.0 m过渡区，重复3次。施磷肥(P2O5)105 kg/hm2、钾肥(K2O)75 kg/hm2，全部磷钾肥与50%的氮肥于耕前撒施，其余50%氮肥于拔节期追施。

表1 耕作方式

1.3 测定项目与方法

1.3.1 各生育期群体动态调查及产量测定 采用定点方法调查小麦群体动态：三叶期在各小区选取具有代表性的1.0 m双行固定样点，分别在越冬、返青、拔节、成熟关键生育期调查群体动态。成熟期调查小麦穗粒数、千粒重、每公顷穗数。每个小区收获20.0 m2脱粒自然风干，至含水量低于13%左右时称重，并折算成公顷产量。

1.3.2 干物质积累测定 苗期、越冬期、返青期和拔节期每小区取50株长势均匀的单株测定干物质量，生殖生长期（开花期和成熟期）每小区随机取长势一致的50个单茎测定干物质量。取样后，样品置于105℃烘箱中杀15 min，然后80℃烘至恒重。

1.3.3 籽粒品质测定 籽粒品质测定在农业部谷物品质检测中心（泰安）进行。籽粒蛋白质含量测定：采用浓硫酸消煮，半微量凯氏定氮法测定。面粉的制备采用德国Brabender公司产880101型小型实验磨制备，细度为100目。湿面筋含量测定参照国标GB131506-85测定，瑞典Perten公司产2200型洗涤仪洗涤。面团流变学特性测定采用德国Brabender公司产810106002型粉质仪测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件进行试验数据统计整理，用DPS 7.05软件进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 耕作方式与施氮量互作对小麦群体动态的影响

从表2可知，耕作方式对基本苗(F=2.44)无显著影响，而对冬前群体(F=101.04**)、返青群体(F=19.79**)、最大群体(F=46.72**)、有效群体(F=21.93**)的影响极显著。施氮量对基本苗(F=1.16)、有效群体(F=3.14)无显著影响，而对冬前群体(F=6.13*)、返青群体(F=7.85*)影响显著，最大群体(F=11.11**)影响达极显著。耕作方式和施氮量的交互作用对各个时期群体互作效应不显著。同一施氮量时，各个时期以T4耕作方式的群体最大；其中有效群体T4与T3差异不显著，与T2、T1差异显著；其他各个时期群体差异较大。同一耕作方式下，随着施氮量的增加，各个时期群体呈逐渐增加趋势，均以N3处理群体最大；施氮量对最大群体影响较大，且不同施氮量处理间差异显著，其他各个时期N3与N1差异不显著，N3与N2差异显著。本试验中，不同处理间小麦基本苗无明显差异，田间调查发现，秸秆还田与不还田相比，T1出苗率明显高于T2，但是出苗整齐度和均匀度秸秆还田均低于不还田处理，T3、T4出苗质量显著好于T1、T2。可见，秸秆还田影响出苗率，但提高了小麦的出苗质量；耕作方式和施氮量显著影响了小麦的群体结构与成穗率，连年深耕并适当增加施氮量可以有效提高小麦出苗质量，增加分蘖，利于小麦群体构建。

表2 耕作方式与施氮量互作对小麦群体动态的影响

从表3可知，耕作方式(F=0.44)、施氮量(F=0.94)及两者的交互作用(F=1.67)对苗期干物质积累无显著影响，而耕作方式对越冬期(F=10.79*)影响显著，对返青期(F=44.94**)、拔节期(F=44.52**)、开花期(F=14.98**)、成熟期(F=16.86**)干物质积累影响极显著，且各个处理间差异较大；施氮量对拔节期(F=10.03*)干物质积累影响显著，对开花期(F=19.92**)、成熟期(F=33.18**)干物质积累影响极显著；耕作方式与施氮量在越冬期(F=10.97**)、返青期(F=15.02**)、拔节期(F=42.28**)、开花期(F=64.30**)、成熟期(F=37.83**)对干物质积累存在着显著互作效应。拔节期之前是冬小麦干物质的缓慢累积阶段，拔节期之后冬小麦进入干物质快速积累阶段。T1、T2耕作方式下，在冬小麦返青期前干物质积累量T1＞T2，拔节期后T2＞T1，这可能由于秸秆不还田冬前利于干物质积累有关。T3、T4及较T1、T2耕作方式显著提高了越冬至成熟期干物质的积累量，大小顺序为T4＞T3＞T2＞T1。在相同耕作方式时，小麦干物质的积累量随着施氮量的增加而增加，N3处理达到最大值，返青期后 N3与 N1、N3与 N2、N1与 N2差异显著；相同施氮量时，干物质积累量依次为T4＞T3＞T2＞T1，不同耕作模式在小麦越冬期以后不同施氮处理下小麦干物质积累量之间均有明显差异。试验结果表明，随着免耕应用年限的延长，小麦生长发育及干物质积累均受到不同程度的影响；增加施氮量有利于干物质的积累，但是不同的耕作方式应搭配不同的施氮量。

表3 耕作方式与施氮量互作对小麦干物质积累的影响 kg/hm2

由表4和图1可知，耕作方式对小麦穗数(F=21.93**)、穗粒数(F=18.36**)、千粒重(F=67.34**)及籽粒产量(F=62.42**)均有极显著影响。同一氮肥水平下，T4耕作方式穗数和穗粒数最多，穗数多少依次为T4＞T3＞T2＞T1，T3与 T4差异较小，T4与 T1、T2差异显著；其中T4的穗粒数平均为38.0，分别比T3、T1、T2高1.88%、5.76%、6.05%；以T4耕作方式千粒重最高，T2、T3、T4处理之间差异较小，T4与T1差异显著；小麦籽粒平均产量为T4＞T3＞T2＞T1，且各个处理间差异显著，其中T4平均产量为 8210.59 kg/hm2，较 T1、T3、T2分别增产2.25%、5.71%、8.61%。施氮量对穗数(F=3.74)和穗粒数(F=2.26)无显著影响，而对千粒重(F=82.91**)和籽粒产量(F=35.30**)影响极显著。同一耕作方式下，千粒重依次为N1＞N3＞N2，但是 N3与 N1差异较小，N2与N1差异显著，N3与N2差异不显著；小麦籽粒平均产量最高的是 N3，达 8094.15 kg/hm2，较 N1、N2分别增产3.04%、4.76%，从施纯N165kg/hm2到施纯N225kg/hm2，每公顷增施1 kg氮肥可以增产2.1 kg/hm2，从施纯N 225 kg/hm2到施纯N 300 kg/hm2，每公顷增施1 kg氮肥增产3.19 kg/hm2，可见，施纯N 225 kg/hm2到施纯N 300 kg/hm2增产效果显著。耕作方式和施氮量对小麦产量的互作效应显著(F=5.78**)。

表4 耕作方式与施氮量互作对小麦产量构成因素及产量的影响

图1 耕作方式与施氮量互作对籽粒产量的影响

由表5可知，耕作方式对蛋白质含量无显著影响(F=1.08)。同一氮肥水平下，T4的平均蛋白质含量最高达15.00%。施氮量对小麦籽粒平均蛋白质含量有显著影响(F=8.05*)，且在所有的耕作方式下随着施氮量的增加小麦籽粒平均蛋白质含量增加。同一耕作方式下，N3的平均蛋白质含量为15.14%，比N1、N2分别高1.90%、3.25%。耕作方式和施氮量对小麦籽粒蛋白质含量互作效应达极显著水平(F=5.4**)。

表5 耕作方式与施氮量互作对小麦品质指标的影响

耕作方式对湿面筋含量(F=1.05)和降落值(F=1.77)均无显著影响。施氮量对小麦湿面筋含量有极显著影响(F=12.85**)，同一耕作方式下，施氮量显著提高了小麦湿面筋含量，N3的平均湿面筋含量为37.9%，分别比N1、N2高3.27%、6.61%。施氮量对降落值无显著影响(F=2.33)。耕作方式和施氮量对湿面筋含量(F=23.87**)和降落值(F=16.91**)有互作效应。

耕作方式对面团的形成时间(F=2.43)和稳定时间(F=3.20)效应不显著，而对吸水量(F=5.66*)有显著影响。同一氮肥水平下，平均吸水量最大的是T1，与T4差异较小，与T2、T3差异显著。施氮量对面团形成时间(F=8.10*)和吸水量(F=9.22*)有显著影响，而对稳定时间(F=4.85)无显著影响，但随着施氮量的增加稳定时间呈增加趋势。同一耕作方式下，施氮显著增加了小麦面团形成时间(F=8.10*)；N3的平均形成时间是3.35s，分别比N1、N2的面团形成时间增加了6.35%、15.19%；同时增加氮肥用量提高了小麦面团的吸水量。耕作方式和施氮量对形成时间(F=1.19)和稳定时间(F=1.63)互作效应不显著。

耕作方式对小麦面团延伸性(F=5.16*)、最大抗延阻力(F=2.69*)和最大拉伸比值(F=5.23*)均有显著影响。同一氮肥水平下，面团的延伸性平均值依次为T4＞T1＞T3＞T2，其中T4延伸性平均值为164，较T1、T3、T2分别高2.50%、4.46%、7.89%。最大抗延阻力平均值依次为 T2＞T3＞T4＞T1，T2与 T3无显著差异，但显著大于T4、T1的最大抗延阻力。最大拉伸比值最高的是T2，较T3、T4、T1分别高3.57%、16.46%、26.85%。施氮量对面团延伸性(F=6.75*)有显著影响，而对最大抗延阻力(F=0.09)和最大拉伸比值(F=0.88)无显著影响。可见，施氮通过增加面团的延伸性来降低最大拉伸比值。耕作方式和施氮量互作对面团延伸性(F=0.77)无显著影响，而对最大抗延阻力(F=4.04**)和最大拉伸比值(F=9.30**)影响极显著。

3 讨论与结论

土壤耕作通过对土壤环境进行调节，解决作物和土壤环境之间矛盾，促进作物正常生长发育的一项重要农艺措施[20]。本试验结果表明，耕作方式和施氮量显著改变了小麦的群体动态结构，大大提高了小麦的成穗率，连年深耕并适当增加施氮量可以大幅增加分蘖，利于小麦合理群体构建。在相同耕作方式下，小麦干物质的积累量随着施氮量的增加而增加；相同施氮量时，干物质积累量深耕处理最大。Simmons[21]研究表明，深耕大都可以提高作物产量，深耕比旋耕增产25%。江晓东等[20]研究指出，不同耕作方式及不同施氮量均对小麦产量有明显影响，且随连续年数的延长而变化较大，这与本研究结果基本一致，这也说明耕作方式和施氮量是影响小麦产量的主要因素。陈贵菊等[22]研究表明，深耕和两旋一耕耕作方式下小麦籽粒产量差异不显著，对小麦千粒重无显著影响，施氮量对穗数和千粒重均影响不大。而本研究表明，耕作方式对小麦穗数、穗粒数、千粒重及籽粒产量均有显著影响；随着施氮量的增加，穗数和穗粒数增多，且明显提高了小麦的千粒重。出现这种差异可能由于随着定位试验年数的增加，秸秆还田和深耕对小麦籽粒产量及产量构成因素的累积效应造成的。

土壤耕作可以通过改善耕层的环境而影响小麦的品质，但目前的研究结果不尽一致[23-24]。刘世平等[25]认为，免耕秸秆还田可以提高小麦的湿面筋和蛋白质含量，有利于品质的改善，这与本研究的结果相似，免耕较旋耕显著提高了小麦蛋白质和湿面筋含量，T1、T2蛋白质含量较T3分别增加0.28%、1.16%；T2、T1、T3较T4湿面筋含量分别增加2.42%、1.89%、1.62%。王靖等[19]研究表明，深耕还田能显著提高小麦籽粒蛋白质、沉淀值和湿面筋含量，改善面条蒸煮品质、加工品质、口感及面团拉伸特性，但降低了延伸性。赵广才等[26]研究表明，随施氮量的增加，湿面筋、降落值、形成时间和稳定时间提高，降落值和吸水率较以上参数相对稳定。Vocla等[23]认为籽粒蛋白质含量和粒重不受耕作方式的影响。本研究结果发现，相同施氮量时深耕处理的小麦籽粒蛋白质含量最高，随着施氮量的增加，明显提高了小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋、形成时间、稳定时间和吸水量，而对降落值无显著影响。T1、T2处理的蛋白质含量、籽粒产量均低于T3、T4耕作方式。施氮量提高了籽粒蛋白质、湿面筋含量，增加了面团延伸性和吸水量，过量的氮肥应用降低了最大拉伸比值，同时也不利于籽粒产量的形成，这与前人的研究结果不尽一致，可能是试验品种、试验处理、地域、气候条件不同造成，产生差异的原因与结论均有待定位年数的增加进一步研究与验证，另外连续2年旋耕1年深耕、3年旋耕2年深耕、1年免耕2年旋耕1年深耕哪种耕作方式更好及该模式下的最佳施氮量，需要继续探索研究，找出最佳耕作方式与施氮量；另外此试验结果是在同一试验点进行，不同地域环境、土壤质地、土壤肥力会有所差异，所以还需多点多年试验进行验证。

总之，在本试验连续多年的耕作方式下，小麦籽粒产量受耕作方式和施氮量影响显著，在一定范围内随着施氮量的增加籽粒产量呈增加趋势。施氮量主要增加了小麦单位面积穗数和穗粒数，同一氮肥水平下，小麦籽粒产量深耕(T4)时最高，达产8210.59 kg/hm2，较T1、T3、T2分别增产2.25%、5.71%、8.61%；在同一耕作方式下，小麦籽粒产量N3(300 kg/hm2)水平达到最高，较N1、N2分别增产3.04%、4.76%。还田深耕处理显著提高了小麦籽粒蛋白质含量，同一耕作方式下，N3的平均蛋白质含量为15.14%，比N1、N2分别高1.90%、3.25%；施氮量可以提高小麦形成时间、稳定时间和吸水量，耕作方式和施氮量互作对籽粒蛋白质含量、湿面筋含量影响极显著，且这种作用随着施氮量的增加而增加。因此，为充分发挥耕作方式和施氮量对籽粒产量的互作效应，在鲁西南地区生产上推荐实施深耕并施纯氮肥300 kg/hm2左右，既能大幅度提高小麦籽粒产量，也有利于改善小麦的加工品质，是该地区小麦生产实现高产和优质的最佳耕作和施氮模式。