秸秆还田条件下耕作措施与施氮量对冬小麦干物质积累转运及产量的影响

李文倩，张海军，韩明明，牟群，吕连杰

（淄博市农业科学研究院，山东淄博 255000）

0 引言

黄淮海地区是中国粮食的主产区之一，小麦—玉米一年两熟是主要的种植制度，该区每年秸秆产量超过3.5 亿t[1]。作物秸秆含有丰富的C、N、P、K 等养分，秸秆还田是作物秸秆肥料化利用最简单有效的途径，但由于农村劳动力资源紧缺，农户为节约工时，仍存在秸秆弃置及焚烧现象[2-4]。长期的浅旋耕、少免耕导致土壤耕层变浅，犁底层上移，阻碍作物根系正常新陈代谢及其他生理活动，同时引起土壤肥力下降[5-8]。氮素是作物生长必不可少的元素，过量施氮不仅导致作物产量和品质下降，也造成了资源浪费和环境污染[3]。针对以上问题，通过改善农田养分与技术管理措施促进冬小麦稳产增产，对黄淮海地区粮食生产和环境保护有重要意义。

秸秆还田、耕作措施和氮肥管理是农业生产中重要的增产措施[9-12]。秸秆还田一方面能够改善土壤理化性状[13]，提高土壤微生物活性[14]，起到培肥土壤的作用；另一方面可以促进作物根系生长[15]，延缓叶片衰老[16]，增加植株干物质积累[16-18]，有利于维持作物产量提升。旋耕具有作业步骤简单、成本低等优点，但长期旋耕导致土壤容重增加，影响根系发育，同时引起土壤养分上富下贫，不利于根系对养分的均衡吸收与利用[12-13]。深耕和深松均能降低土壤容重，提高土壤有效养分及土壤生物活性，改善下层土壤物理性状，提高根系活力，利于作物对养分的吸收[7,19-20]；同时提高作物水分利用效率和光合速率，增加光合产物的积累及向籽粒的分配，进而促进了作物持续增产[14,21-23]。施用氮肥是保证小麦高产稳产的关键措施之一，但氮肥的不合理施用不仅引起氮肥利用率降低、经济效益下降，而且导致土壤硝态氮高量残留，增加环境污染的风险[9,24]。深耕与秸秆还田相结合可改善播种质量，增加小麦拔节后光合面积，增粒增重，同时改善小麦加工和营养品质[25]。深松与控释尿素结合可有效协调光系统，提高夏玉米光合性能，促进玉米增产[26]。尽管增施氮肥可提高秸秆腐解速率，改善土壤理化性质[13]，增加小麦地上部吸氮量和产量，但是同时增加了土壤硝态氮残留量和土壤氮盈余量，不利于保护生态环境[3]。

目前，大部分研究主要集中在秸秆还田、耕作方式、施氮量等单因素或两因素互作对土壤质量或小麦产量的影响，有关于三因素互作条件下小麦生长发育和产量形成规律缺乏深入了解。鉴于此，本研究在黄淮海小麦—玉米一年两熟区设置连续2年的田间定位试验，探讨不同秸秆处理、耕作方式以及施氮量下冬小麦干物质积累转运特性以及产量性状的差异，并分析秸秆还田、耕作方式和施氮水平3个因素的协同作用，以明确本区秸秆还田条件下适宜的耕作与氮肥组合，为优化本区冬小麦综合管理措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2020 年在山东省淄博市桓台试验基地(36°54′17″N，118°0′6″E)进行，土壤为褐壤土，2018 年玉米收获后小麦试验前耕层(0～20 cm)土壤养分状况为有机质12.97 g/kg、全氮1.24 g/kg、速效磷19.52 mg/kg、速效钾89.30 mg/kg、硝态氮14.56 mg/kg、铵态氮7.13 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂—裂区设计，主区为秸秆处理，裂区为耕作方式，裂裂区为施氮量。2 个秸秆处理分别为，全量秸秆还田(S1)和秸秆不还田(S0)；3 个耕作方式分别为旋耕(R)、深耕(P)、深松(B)；4 个氮肥施用量分别为135 kg/hm2（氮肥减施40%，N135）、180 kg/hm2（氮肥减施20%，N180）、225 kg/hm2（当前推荐施氮量，N225）、270 kg/hm2（氮肥增施20%，N270）。3个因素相互组合共24个处理。试验设置3个重复，小区面积为60 m2(4 m×15 m)，共72个小区。

供试品种为‘淄麦28’，种植密度270 株/m2，行距25 cm，畦宽2 m，畦内播9行小麦。50%氮肥以及全部的P2O5(105 kg/hm2)和K2O(75 kg/hm2)作为底肥撒施，拔节期追施其余氮肥，其他管理措施同大田高产栽培。

1.3 小麦植株干物质积累转运和产量相关指标测定方法

1.3.1 干物质积累转运相关指标于越冬期、返青期、拔节期、开花期和成熟期随机选取代表性植株15 株，其中开花期和成熟期地上部按器官分开，105℃杀青30 min后70℃烘干至恒重，测定干重。部分指标计算如式(1)～(5)所示。

1.3.2 产量及相关指标成熟期每小区随机取30株，测定穗粒数、千粒重。随机调查每小区1 m×1 m面积上的穗数，折合成每公顷穗数。实收每小区全部植株测产。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2010 整理汇总试验数据，在SPSS 22进行显著性分析、相关性和通径分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦干物质积累转运的影响

2.1.1 干物质积累动态图1为不同生育时期冬小麦干物质积累动态变化。越冬期（12 月13 日）秸秆还田较秸秆不还田处理干物质积累量降低5.7%～23.5%。秸秆还田条件下，不同耕作措施间干物质积累量表现为深耕＞旋耕＞深松。干物质积累量随着施氮量降低下降0.8%～21.3%。

图1 不同处理小麦干物质积累动态

返青期（3 月1 日）秸秆还田较秸秆不还田处理干物质积累量降低0.4%～11.7%。秸秆还田条件下，干物质积累量表现为深耕＞旋耕＞深松。干物质积累量随着施氮量降低下降0.6%～11.7%。

拔节期（4 月10 日）秸秆还田较秸秆不还田处理，旋耕措施下干物质积累量下降2.6%～4.7%，深耕和深松措施下则分别增加4.3%～10.8%和0.9%～3.2%。秸秆还田条件下，干物质积累量表现为深耕≈深松＞旋耕。干物质积累量随着施氮量降低下降1.1%～10.2%。

开花期（5 月4 日）秸秆还田较秸秆不还田处理干物质积累量增加0.6%～17.5%。秸秆还田条件下，干物质积累量表现为深松＞深耕＞旋耕。干物质积累量随着施氮量降低下降1.3%～15.5%。秸秆还田条件下，深松+N180相较于旋耕+N225、深耕+N225、旋耕+N270和深耕+N270干物质积累量分别增加10.3%、6.6%、7.9%和2.4%。

成熟期（6 月5 日）秸秆还田较秸秆不还田处理干物质积累量增加1.1%～17.0%。秸秆还田条件下，不同耕作措施间干物质积累量表现与开花期一致。干物质积累量随着施氮量降低下降2.8%～22.2%。秸秆还田条件下，深松+N180处理干物质积累量较旋耕+N225处理平均增加7.2%。

以上结果表明，秸秆还田配套深松、减氮措施仍可保持小麦较高的干物质生产潜力，尤其是较常规施氮N225减氮20%至N180可保持花后较大的生物量，为小麦高产奠定了基础。

2.1.2 干物质转运、花后干物质积累及其对籽粒贡献率秸秆还田较秸秆不还田处理，旋耕措施下干物质转运量及其对籽粒贡献率分别降低3.9%及1.8%，在深耕、深松措施下则分别增加24.5%、42.9%和4.4%、29.2%（图2）。秸秆还田条件下，干物质转运量及其对籽粒贡献率均以深松处理最高。秸秆还田+深松措施下，施氮量由N270降至N180，干物质转运量及其对籽粒贡献率无明显变化。

图2 不同处理下小麦干物质转运量、转运率、花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率

就干物质转运率而言，秸秆还田较秸秆不还田处理在旋耕措施下平均下降6.0%，而在深耕和深松措施下平均分别增加11.2%和27.5%。秸秆还田条件下，干物质转运率表现为深松＞深耕＞旋耕。总体看来干物质转运率随着施氮量降低增加3.7%～34.1%。

秸秆还田较不还田处理，深耕措施下花后干物质积累量增加1.1%～18.5%，而在旋耕和深松措施下差异不显著。秸秆还田条件下，花后干物质积累量及其对籽粒贡献率均以深耕处理最大。秸秆还田结合深耕和深松措施，施氮量由N270降至N180，花后干物质积累量及其对籽粒贡献率无明显降低。

以上结果表明，秸秆还田结合深松措施可有效增加小麦干物质转运量、转运率以及转运量对籽粒的贡献率，同时减施氮肥至N180，仍能维持较高的干物质转运量、花后干物质积累量和干物质转运率，为维持小麦高产奠定了基础。

2.2 产量及其构成因素

2.2.1 小麦籽粒产量表现秸秆还田、耕作方式、施氮量以及两两交互和三者交互对小麦籽粒产量影响显著（表1）。秸秆还田较秸秆不还田处理，旋耕措施下籽粒产量平均降低5.2%，深耕和深松措施下籽粒产量平均分别增加3.9%和12.2%。秸秆还田条件下，籽粒产量表现为深松＞深耕＞旋耕。秸秆还田+深松处理下，在N225水平上增施氮肥至N270，产量略有增加，但未达到显著水平；在N225水平上减施至N180，产量未有显著降低。同时秸秆还田+深松+N180处理籽粒产量较秸秆还田+旋耕+N270和秸秆还田+深耕+N270籽粒产量平均分别增加8.7%和2.9%。以上结果表明，秸秆还田结合深松措施下，配合减施氮肥具有实现高产的可行性。

表1 2018—2020 生长季不同处理下小麦产量及产量构成因素

2.2.2 小麦的产量构成因素秸秆还田、耕作方式、施氮量以及秸秆还田和耕作措施互作对小麦单位面积穗数影响显著（表1）。秸秆还田较秸秆不还田处理，穗数增加0.2%～18.4%。秸秆还田条件下，不同耕作措施间穗数表现为深松＞深耕＞旋耕。穗数随施氮量的降低下降0.3%～16.5%。秸秆还田条件下，深松+N180处理穗数与深耕+N225处理无显著差异，显著大于旋耕+N225处理。

秸秆还田、耕作方式以及其互作对小麦穗粒数影响显著，施氮量对小麦穗粒数无显著影响。秸秆还田较秸秆不还田处理，穗粒数增加0.1%～11.5%。秸秆还田条件下，不同耕作措施间穗粒数表现为深松＞深耕＞旋耕。

秸秆还田、耕作方式、施氮量及其两两交互和三者交互对小麦千粒重影响显著。总体看来，秸秆还田较秸秆不还田处理千粒重平均增加3.7%。不同耕作措施下，千粒重表现为深松＞深耕＞旋耕。秸秆还田条件下，深松+N225千粒重达到最大，进一步增施氮肥至N270，千粒重下降0.7%～1.4%。相较于传统秸秆还田+旋耕+N225模式，秸秆还田+深松+N180和秸秆还田+深松+N225千粒重分别提高1.1%和3.5%。

2.2.3 产量构成因素之间的效应机制分析对2018—2019年和2019—2020年生长季不同秸秆还田、耕作措施和施氮量处理下，小麦籽粒产量与单位面积穗数、穗粒数和千粒重进行相关分析和通径分析。表2结果表明，小麦籽粒产量与穗数、穗粒数和千粒重呈极显著正相关。由籽粒产量与产量构成因素的直接通径系数可知，在2 个生长季，不同秸秆还田、耕作措施和施氮量处理对小麦籽粒产量的构成因素影响有差异，2018—2019 年生长季为穗数＞千粒重≈穗粒数，其中穗粒数对产量产生负效应；2019—2020年生长季表现为穗数＞千粒重，其中千粒重对产量产生负效应，穗粒数对产量构成无影响。由籽粒产量与产量构成因素的间接通径系数可知，2018—2019年生长季穗粒数通过单位面积穗数对籽粒产量的影响最大，千粒重通过单位面积穗数对籽粒产量的影响次之；2019—2020年生长季千粒重通过穗数对产量的影响最大。说明保证足够的单位面积穗数对提高产量具有重要作用。

表2 不同处理小麦籽粒产量与产量因素的相关系数与通径系数

结果表明，秸秆还田结合深松措施可有效增加小麦单位面积穗数、穗粒数和千粒重，在N225基础上减氮20%至N180，仍可保证较大的单位面积穗数，维持了小麦较高的产量。

3 讨论

3.1 小麦干物质积累转运对不同农艺措施的响应

小麦生产中，干物质积累是影响小麦产量形成的重要因素[27-28]，在一定范围内干物质积累量越多，籽粒产量越高[12]，因此，通过合理农艺措施提高干物质积累是获得高产的重要途径。在本研究中，秸秆还田、耕作方式、施氮量和秸秆还田与耕作方式互作均对不同生育时期小麦干物质积累量产生显著影响，尤其是在成熟期，干物质积累量受秸秆还田、耕作方式、施氮量以及两两交互和三者交互作用的影响显著。游来勇等[29]研究发现，秸秆还田有利于提高小麦氮素吸收利用，促进小麦生育后期的干物质积累。赵红香等[7,21]研究发现，秸秆还田结合深耕或者深松可有效提高冬小麦和夏玉米叶片叶面积、光合速率和根系活力，增加全生育期植株干物质积累量。在本研究中，返青期前秸秆还田相较于秸秆不还田处理干物质的积累量下降0.4%～11.7%，可能与秸秆还田增加了土壤含水量，降低了地温，使得小麦发芽延缓，出苗率、出苗均匀度降低[25,30]和秸秆腐解与小麦植株竞争吸收土壤中固有的无机氮[18]有关；在拔节期，秸秆还田结合深耕和深松，相较于秸秆不还田处理干物质积累量增加4.3%～10.8%和0.9%～3.2%，其可能原因是秸秆还田结合深耕增大了小麦分蘖[31]；开花期以后，无论采取何种耕作措施，秸秆还田都显著提高了干物质积累量，尤其深松处理，增幅达7.2%～16.7%，这与刘卫玲等[32-33]研究的结果一致。氮肥适量减施可增强小麦根系活力，增加小麦叶片叶绿素含量和光合面积，通过增强光合作用提高小麦群体生长率和干物质积累量[34-36]。本研究发现，小麦不同生育时期干物质积累量均随施氮量降低而降低，秸秆还田+深松+N180较秸秆还田+旋耕+N225开花期和成熟期干物质积累量分别增加10.3%和7.2%。表明秸秆还田结合深松和减氮20%可保持小麦生育后期较高的干物质积累量，是实现小麦高产的保障。

小麦籽粒产量由花前营养器官向籽粒的转运和花后干物质的积累共同决定[37]。前人研究表明，深松使春玉米干物质转运率以及干物质转运量对籽粒贡献率分别提高8.2%～8.7%和9.0%～16.8%[38]，氮肥减施可有效提高花前贮藏干物质向籽粒的再转运，小麦干物质转运量、转运率及其对籽粒的贡献率可分别增加20.4%～28.5%、17.5%～22.2%和20.7%～37.0%[39-40]，深松可进一步增加氮肥减施下玉米的干物质转运量及其对籽粒的贡献率[41]。本研究发现，相较于传统秸秆还田+旋耕+N225模式，秸秆还田+深松+N180小麦干物质转运量、干物质转运率和干物质对籽粒的贡献率显著提高45.9%、27.2%和35.6%，表明秸秆还田结合深松、氮肥减施20%(180 kg/hm2)，利用三者协同效应促进了小麦干物质积累和转运，为实现高产奠定了基础。

3.2 不同农艺措施对小麦籽粒产量及构成因素的影响

吴金芝等[42]研究发现，隔年深松在欠水年施氮180 kg/hm2和丰水年施氮240 kg/hm2可有效提高旱地小麦水分利用效率和产量。何天池[43]认为秸秆还田结合深松和氮肥减施20%尽管提高了氮肥利用效率，却大大降低了玉米产量，因此不宜盲目减施氮肥。本研究发现，秸秆还田较秸秆不还田处理产量显著增加3.5%，秸秆还田+深松处理较秸秆还田+深耕和旋耕处理产量显著增加6.1%和11.6%，在秸秆还田+深松措施下，传统施氮N225和氮肥增施20%至N270获得最高产量且二者无显著差异，进一步将氮肥减施20%至N180，产量较N225处理无显著差异，说明试验地区小麦生产中采取秸秆还田结合深松、氮肥减施20%（施氮量180 kg/hm2），可获得良好的增产效果。与旋耕相比，秸秆还田结合深松增产的原因在于优化了土壤结构和养分，促进了小麦根系发育与活力，增强了小麦叶面积和光合速率，促进了小麦干物质积累与转运，保证了小麦具有适宜穗数及粒重，最终实现小麦增产[7,33,38]。

作物产量是单位面积穗数、穗粒数和千粒重共同作用的结果[36]。在本研究中，从产量构成来看，秸秆还田使单位面积穗数、穗粒数和千粒重平均分别增加7.7%、6.2%和3.7%；秸秆还田+深松促进三要素增加效应较秸秆不还田更明显，平均分别增加11.2%、7.8%和5.1%；增施氮肥利于小麦单位面积穗数的增加，适量增施氮肥有利于千粒重的增加，施氮量对小麦穗粒数无显著影响。秸秆还田+深松+N180相较于传统的秸秆还田+旋耕+N225显著提高了小麦单位面积穗数和千粒重，通过籽粒产量及其构成因素的通径分析进一步证明，秸秆还田+深松+N180模式提高小麦产量的主要原因是单位面积穗数的提高。因此，在与本地相似的环境条件下，秸秆还田配合深松和减施氮肥的措施能较好协调产量构成，获得较高的籽粒产量，达到了节本增产增效的目标。

4 结论

秸秆还田结合深松、减施氮肥（180 kg/hm2，减氮20%）可维持小麦开花期及成熟期较高的干物质积累量、干物质转运量、花后干物质积累量、干物质转运率和干物质转运量对籽粒的贡献率，该模式有利于小麦单位面积穗数的提高，最终获得较高的籽粒产量。因此，与本试验相近环境条件下，在秸秆还田基础上配合深松和氮肥适量减施是实现小麦高产高效生产的可行技术。