秸秆还田作为农业可持续发展的重要技术措施,既能有效补充土壤有机质,改善土壤结构,又能实现农业废弃物资源化利用
[1]。研究表明,秸秆还田可显著提高土壤有机碳储量,增强微生物活性并改善作物养分吸收
[2]。然而,秸秆分解过程中由于碳氮比高,微生物对可利用氮的竞争,导致作物早期氮素供应不足。因此,如何在秸秆还田过程中协调“有机碳积累”与“氮素有效性”的平衡,成为当前作物养分管理与农田生态学研究的核心问题之一。
在我国北方半干旱区,冬小麦是主要粮食作物之一,陕西关中平原作为该地区典型代表,具有降水偏少、蒸发量大、土壤有机质低的特征,长期单一施肥使耕层土壤结构退化、土壤碳氮库下降,导致作物产量与品质难以进一步提升
[3]。在此背景下,秸秆还田被认为是恢复土壤肥力与实现碳汇农业的重要途径
[4]。然而,不同秸秆还田量对土壤氮循环过程、作物生理响应及产量形成的综合效应仍缺乏系统量化研究。特别是在半干旱区,秸秆分解速率受水分、温度和微生物活性的影响,易出现“碳过剩-氮匮乏”的失衡状态。因此,探明秸秆还田与施氮配比的协同机制,对制定区域化的高效施肥与秸秆管理模式具有重要意义。
氮素是限制小麦产量与品质的关键元素,其供需平衡直接影响光合能力、干物质积累和籽粒灌浆进程
[5]。秸秆还田配施氮肥不仅可改善氮素供应结构,还能调节土壤微生态环境,降低氮素流失风险
[6]。已有研究指出,适量秸秆还田可提高土壤质量,对作物产量的提高具有促进作用,高量秸秆还田会使土壤碳氮比失衡
[7]。同时,氮素供应与作物抗氧化代谢功能密切相关,充足的氮素可增强叶片抗氧化酶活性,减轻氧化胁迫,延缓叶片衰老,从而提高光合效率与产量稳定性
[8]。为此,本研究以陕西关中平原冬小麦为对象,设置不同秸秆还田量处理,结合常规施氮条件,系统分析了秸秆还田对土壤碳氮含量和冬小麦光合生理特性、叶片抗氧化酶活性、干物质积累、产量及品质的影响,并通过逼近理想解排序(TOPSIS)熵权法与通径分析,探讨影响冬小麦产量的关键因子,以阐明秸秆还田与氮肥协同作用的生理-生态机制,为陕西关中地区冬小麦秸秆资源高效利用与氮肥精准调控提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2024-2025年在陕西省合阳县农业试验基地(35.15°N,110.35°E)进行。试验区属暖温带半干旱气候,年平均气温11.5 ℃,年日照时数2 858.8 h,无霜期197 d,多年平均降水量528.2 mm。在2024-2025年冬小麦生长季,总降水量为295.38 mm,降水量和气温的变化见
图1。试验区土壤质地为砂壤土,0~30 cm土层土壤pH为8.32,有机质含量12.3 g/kg,全氮1.01 g/kg,有效磷15.6 mg/kg,速效钾110 mg/kg。
1.2 试验设计
试验采用随机区组设计,共设4个处理,每个处理3次重复,小区面积40 m2(4 m×10 m),各小区间设有2 m保护行。试验处理如下:CK,秸秆移除,仅常规施肥(N、P2O5、K2O基施,用量分别为120,120,60 kg/hm2,氮、磷、钾肥分别采用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 16%)和氯化钾(含K2O 60%));T1,常规施肥+低量秸秆还田(秸秆还田量6 000 kg/hm2);T2,常规施肥+中量秸秆还田(秸秆还田量9 000 kg/hm2);T3,常规施肥+高量秸秆还田(秸秆还田量12 000 kg/hm2)。
供试品种为‘济麦22’,行距20 cm,播种量225 kg/hm2,于2024年10月10日播种,2025年6月3日收获。秸秆还田为上季成熟冬小麦秸秆,将秸秆粉碎至2~3 cm长度,均匀撒施在试验地表,使用旋耕机旋耕入土20~25 cm深度。所有处理在拔节期追施氮肥(N)120 kg/hm2,施肥形式为尿素,其他田间管理如病虫害及杂草控制按照常规管理措施进行。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 土壤碳氮含量
在冬小麦灌浆期,使用直径5 cm的螺旋钻采集0~20 cm土层土壤样品,每个处理采集3个土样,将土样于105 ℃烘箱中烘干6~8 h,使用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量,使用凯氏定氮法测定土壤全氮含量。于冬小麦拔节期、扬花期和灌浆期,采集0~20 cm土层土样,每处理采集3个土样,使用碱解扩散吸收法测定土壤速效氮含量。土壤碳氮比为土壤有机碳与全氮含量的比值。
1.3.2 叶片光合指标
于拔节期、扬花期和灌浆期,每小区选取10片旗叶,使用SPAD501型叶绿素仪测定旗叶叶绿素相对含量(以SPAD值计)。在冬小麦灌浆期,于晴天上午09:00-11:00,选择功能叶片(旗叶),使用便携式光合仪(LI-6400XT,美国LI-COR)测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)。
1.3.3 叶片酶活性和丙二醛(MDA)含量
于冬小麦灌浆期,每小区采集3株小麦叶片,测定旗叶抗氧化酶活性,其中超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定。MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定。
1.3.4 植株生长指标
于冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期,在各小区内选取长势均匀且具有代表性的冬小麦植株,于每小区随机取3行,每行截取20 cm长的地上部样品。样品经105 ℃杀青30 min后,转至75 ℃条件下烘干至质量恒定,称量其干质量,并换算为单位面积的地上部干物质积累量(kg/hm
2)。于冬小麦拔节期、扬花期和灌浆期,各小区选取3株冬小麦,使用直尺测定冬小麦叶片长度和宽度,并采用文献[
9]的方法计算冬小麦叶面积指数(LAI)。
1.3.5 产量与品质
于冬小麦成熟期,在每个小区收获3个1 m
2样方,统计单位面积穗数,随机选择20穗确定穗粒数。脱粒后自然风干,用电子天平测定千粒质量,最后称取部分籽粒烘干后计算含水率(13%),最后折算成产量。将冬小麦籽粒储藏1个月后,根据国家标准方法
[10-12],采用傅里叶变换近红外分析仪(德国MATRZX-1)测定蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值,用偏振光法测定淀粉含量。
1.4 逼近理想解排序(TOPSIS)熵权法评价分析
TOPSIS熵权法能够利用原始数据的信息,精确反映各评价方案之间的差距,已被用于评价棉花、番茄等作物的优化生产中
[13-14]。该方法具体流程为:首先,对观测指标进行标准化和归一化处理,得到各指标信息熵;然后,计算各指标的权重,从而得到加权规范化评价矩阵;最后,计算得到评价指标与正负理想解的距离(
Di+ 和
Di-)以及相对贴近度(
Ci ),根据相对贴近度大小进行排名,具体计算方法见文献[
15]。
1.5 通径分析
利用多元线性回归分析对自变量(不同测定指标)与因变量(冬小麦产量)进行通径分析,根据直接通径系数和间接通径系数筛选对冬小麦产量影响较大的因素,直接通径系数和间接通径系数的计算参考文献[
16-
18]进行。
1.6 数据处理
试验数据采用Excel 2019、SPSS 26.0进行处理,采用LSD法进行显著性差异分析(P<0.05),使用Origin 2021和GraphPad Prism 8.0进行制图。
2 结果与分析
2.1 不同处理土壤碳氮状况
表1显示,随着秸秆还田量的增加,土壤有机碳、全氮含量呈增加趋势,碳氮比呈先升后降趋势。CK的土壤有机碳含量最低,仅为8.80 g/kg;T3处理的土壤有机碳含量最高(11.20 g/kg),但与T2处理相比差异不显著。CK的土壤全氮含量最低,仅为0.78 g/kg;T3处理的土壤全氮含量最高,为0.95 g/kg。土壤碳氮比维持在11~12,其中T2处理的碳氮比最高,CK的碳氮比最低。
图2为冬小麦各生育期不同处理土壤速效氮含量的动态变化。
图2显示,随着生育期的推进,相同处理土壤速效氮含量呈现下降趋势,其峰值出现在拔节期。T2处理的土壤速效氮含量在各时期均明显高于其他处理,特别是冬小麦需氮高峰期——拔节期和灌浆期,分别达到78.80和54.40 mg/kg。虽然T3处理的秸秆还田量较T2有所增加,但其土壤速效氮含量仍明显低于T2处理。
2.2 不同处理冬小麦的光合生理代谢响应
图3为不同处理冬小麦各生育期叶绿素相对含量(SPAD)的动态变化。从
图3可以看出,随着生育期的推进,叶绿素相对含量呈现先增加后减少趋势,峰值出现在小麦扬花期。T2处理的SPAD在各生育期均高于其他处理,扬花期T2处理的SPAD最高(42.70),其次为T3处理(40.60),但二者之间无显著差异。
表2展示了灌浆期不同处理冬小麦叶片的光合生理参数。从
表2可以看出,不同处理冬小麦叶片光合生理参数有明显差异。
表2显示,T2处理的净光合速率(
Pn)、蒸腾速率(
Tr)、气孔导度(
Gs)均明显高于其他处理,胞间CO
2浓度(
Ci)明显低于其他处理。虽然T3处理的秸秆还田量高于T2处理,但对冬小麦叶片光合生理参数的促进效果略逊于T2处理。
2.3 不同处理冬小麦叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的变化
表3显示,随着秸秆还田量增加,抗氧化酶活性先增加后降低,MDA含量先降低后增加。4个处理中,T2处理的抗氧化酶活性最高,与CK相比,其SOD、POD和CAT活性分别显著提高15.32%,9.09%,18.25%,MDA含量显著降低了24.34%,说明T2处理叶片衰老和氧化损伤较轻。T3处理的SOD、POD和CAT活性明显低于T2处理,但二者之间差异不显著。
2.4 不同处理冬小麦生长效能的变化
不同生育期各处理冬小麦叶面积指数和干物质积累量的动态变化见
图4和
图5。
图4显示,随着生育期的推进,叶面积指数的变化呈先增后减趋势,于扬花期达到峰值。T2处理的叶面积指数在各生育期均高于其他处理,其中扬花期T2处理的叶面积指数最高(4.6),其次为T3处理(4.4),二者均显著高于CK和T1处理。
由
图5可知,随着生育期推进,各处理冬小麦生长季地上部干物质积累量的变化呈逐渐增加趋势,于收获期达到最大值。T2处理的干物质积累量在4个生育期均明显高于其他处理,其中收获期T2的干物质积累量最高,为17 840 kg/hm
2,分别较CK,T1和T3处理显著增加了28.2%,11.7%,6.4%。
2.5 不同处理冬小麦产量及其构成因素和品质的变化
不同处理冬小麦产量及其构成因素如
表4所示。
表4显示,秸秆还田对冬小麦产量及其构成因素均产生了积极影响,各指标均不同程度高于CK。4个处理中,T2处理的穗数、穗粒数、千粒质量和产量均最高,分别较CK显著提高了5.24%,15.09%,8.29%,31.14%;其次为T3处理,但是二者之间差异均不显著。
不同处理对冬小麦籽粒品质的影响见
表5。
表5显示,4个处理中,T2处理蛋白质、湿面筋含量和沉降值均最高,淀粉含量最低。与CK相比,T2处理的蛋白质和湿面筋含量显著提高了19.67%和14.96%,沉降值为37.8 mL,达到中强筋小麦的标准
[19]。
2.6 不同处理冬小麦TOPSIS熵权法综合评价
根据TOPSIS熵权法计算可知,本试验中土壤有机碳含量、全氮含量、速效氮含量以及冬小麦叶绿素相对含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO
2浓度、叶面积指数、干物质积累量与叶片SOD、POD、CAT、MDA和产量的权重分别为0.072,0.067,0.065,0.063,0.068,0.063,0.072,0.068,0.065,0.064,0.058,0.076,0.068,0.068和0.061,其中权重较大的指标分别为土壤有机碳含量、气孔导度和POD活性。由
表6可知,T2处理的相对贴近度最高(0.777),为最优处理。
2.7 冬小麦产量影响因素的通径分析
采用线性回归模型开展通径分析,探究冬小麦高产的关键影响因素,其结果如
图6所示。
图6显示,对冬小麦产量影响显著的指标分别为净光合速率、土壤速效氮含量、干物质积累量、土壤全氮含量,其余指标影响不显著。回归方程决定系数
R2 为0.992,说明回归拟合效果较好,对冬小麦产量有影响的自变量引入较为完善。由直接通径系数可知,土壤速效氮含量对冬小麦产量的直接影响最大(0.520),其次是土壤全氮含量(0.249)和干物质积累量(0.235),而净光合速率对冬小麦产量的直接影响最小(0.059)。
间接通径系数反映的是某一自变量通过其他中介变量,对因变量产生影响的强度与方向,其物理意义在于揭示变量之间的传递路径和调控机制。为深入探讨秸秆还田对冬小麦产量的影响途径,本研究按照“秸秆还田通过提高土壤氮素含量,从而促进小麦生理生长进而提高产量”的逻辑,计算土壤氮素指标与冬小麦生理生长指标的间接通径系数,结果(
图6)显示,秸秆还田通过提高土壤速效氮含量,从而增加冬小麦干物质积累量,对冬小麦产量提升的贡献最为显著(0.204)。
3 讨 论
3.1 土壤氮素动态与碳汇效应
秸秆还田在增强土壤有机碳储存方面发挥着关键作用。农作物秸秆中存在大量营养物质,经土壤微生物分解将营养元素(如C、N、P等)释放到土壤中。研究表明,常规秸秆还田方法可使土壤有机碳增加10%~15%
[20-21],但土壤有机碳含量也受秸秆填埋深度的影响,因为较深土层中的土壤微生物含量较低,秸秆分解缓慢,故土壤有机碳含量较低,最佳秸秆还田深度应控制在0~30 cm为宜
[22]。本研究的秸秆还田深度控制在20~25 cm,与CK相比,秸秆还田处理土壤有机碳含量明显增加,这与前人研究结果
[23]一致。此外,适量秸秆还田处理(T2)显著提高了土壤全氮和速效氮含量,表明其在改善土壤肥力和增强养分循环效率方面具有积极作用。在本研究中,虽然T3处理土壤有机质含量最高,但其土壤速效氮含量相对T2处理偏低。这可能与有机质分解过程中微生物活性有关,高碳底物促使微生物对矿质氮的需求增加,从而加剧了微生物对可利用氮的竞争,产生明显的氮素固定效应,最终导致土壤速效氮含量降低。
3.2 作物生长生理响应与抗氧化调控
本研究中,与CK相比,秸秆还田显著提高了冬小麦的叶绿素含量与光合性能,其中T2处理的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度最高。这是因为秸秆还田改善了土壤通气性、保水性及氮素供应稳定性,延缓冬小麦叶片衰老,维持较高的碳同化能力,促进了叶绿素的合成,从而使光合参数明显提高。此外,T2处理冬小麦叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著增加,而丙二醛(MDA)含量最低;而CK由于缺少有机质改良,植株承受更高的氧化胁迫。由此可见,适量秸秆还田能强化叶片抗氧化系统,减轻氧化胁迫对细胞膜结构的损伤,从而维持光合体系稳定与功能完整
[24]。
本研究中,与CK相比,秸秆还田明显促进叶面积扩展与干物质积累,扬花期T2处理的叶面积指数(LAI)显著高于其他处理,从而有助于提高了作物的光能截获能力与光合产物积累能力,并最终积累了更高的生物量。在高量秸秆还田处理(T3)中,因其氮素释放滞后,导致冬小麦分蘖发育和冠层封闭延迟,部分抵消了有机物输入带来的产量潜力
[25]。由此可见,当秸秆还田量为9 000 kg/hm
2时,能在养分矿化与作物吸收之间实现最佳平衡,为最佳秸秆还田量。
3.3 作物籽粒产量提升机制与决定因子
本研究中,T2处理小麦穗数、穗粒数及千粒质量均表现最优,最终其产量较CK显著提高31.14%。这源于土壤速效氮水平提升与干物质积累量增强的协同作用。同时,T2处理籽粒的蛋白质、湿面筋含量和沉降值均显著提高,达到中强筋小麦标准
[19,26],表明秸秆还田促进了氮素的同化与籽粒营养品质的提升。T3处理冬小麦产量与品质略低于T2处理,进一步说明过量秸秆还田易引起氮素短缺,从而降低灌浆效率与籽粒充实度。
基于TOPSIS熵权法的综合评价结果显示,T2处理的相对贴近度最高(0.777),为最优处理,这是因为其土壤碳氮含量以及冬小麦光合性能及产量、品质等指标综合表现较优。通径分析表明,土壤速效氮含量是影响冬小麦产量最主要的直接因子,其次为土壤全氮含量与干物质积累量。这表明秸秆还田促进冬小麦产量提升的核心途径在于改善土壤氮素供应与增强干物质积累。
本研究结果基于单一年份的田间试验数据,未能充分反映不同生长季气候条件和年际环境差异对作物生长及土壤养分的影响。未来有必要通过多年连续定位试验,进一步验证本研究结果的长期效应及稳定性,并为区域尺度推广提供更可靠的科学依据。
4 结 论
秸秆还田明显改善了陕西关中平原土壤碳氮状况以及冬小麦叶片生理特性、产量和品质,其中适量秸秆还田(9 000 kg/hm2)使土壤有机碳与全氮含量分别提高22.73%和16.67%,碳氮比维持在11~12;促进叶片叶绿素积累和净光合速率提升,提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性,降低MDA含量;叶面积指数和干物质积累显著提高,产量达7 962.97 kg/hm2,较对照增产31.14%,品质达到中强筋小麦标准。TOPSIS熵权法与通径分析结果表明,T2处理的综合评价最优,秸秆还田配施氮肥的增产效应主要通过“提升土壤速效氮含量-促进干物质积累-增强产量构成”的链式机制实现。综上,当秸秆还田量为9 000 kg/hm2时可实现氮素供应与碳积累的最佳平衡,是陕西关中地区冬小麦高产优质与土壤养分可持续提升的最优模式。
国家自然科学基金项目(52339003)