土壤耕作方式對冬小麥根系生理特性的影響

于麗娜，戈秋妹，任瑩，韓欣芃，尹寶重*

（1.棗強縣農業農村局，衡水 棗強 053100；2.河北農業大學植物保護學院，河北 保定 071001；3.河北農業大學生命科學學院，河北 保定 071001）

根系是植物獲取養分和水分的重要器官[1]，對植物生長可塑性起到了至關重要的作用。根系生長受土壤物理結構、水熱特征、化學性狀等環境因素影響很大，如，當土壤容重超過作物生長的適宜范圍后，即使微小增加也會給根系生長帶來更大的機械阻力，造成根系活力和形態分布受到影響，對作物產量造成負面效應[2，3]。研究表明，當根系在容重較大、緊實度較高的土壤中生長時，其軸向的細胞伸長和形成速率受到抑制，根系伸長速率下降，這對作物吸收水分和養分以及增強抗倒伏性是極為不利的[4]。因此，塑造良好的土壤環境，促進根系生長發育，是充分利用土壤水分和養分，保障作物產量建成的重要途徑。

耕作是人類改變土壤環境最直接的手段，長期以來，廣大科技工作者圍繞耕作改變土壤理化性狀、水熱狀態，以及作物水分和養分利用，作物形態、生理生化等層面的適應性進行了諸多有益研究。尤其在一些長期采用單一耕作方式的地區，改變耕作方式對增強作物根系活力、延長根系生命周期、提高作物抗逆力具有重要意義。尹寶重等[5，6]研究表明，在連年采用免耕—旋耕的種植體系中實施深松作業，可提高玉米根系活力，改變根區微生物動態。類似研究在中國的黃土高原[7]、膠東半島潮褐土區[8]、東北黑土區[9]也有很多。但是，不同區域的土壤類型、種植制度、氣候環境等存在較大差異，這就導致不同區域耕作方式的研究結果缺乏直接借鑒的價值。因此，針對各區域農業要素差異優化耕作方式，是提升農業生產力的重要途徑。

冬小麥—夏玉米一年兩熟制是河北省平原最主要的種植制度，且大部分地區采用兩季作物均秸稈還田，玉米季免耕、小麥季旋耕的土壤耕作方式。近年來，隨著玉米高產的需要，其播量有增大趨勢，導致需要還田的玉米秸稈量增加，影響后茬小麥旋耕作業的深度，造成麥田耕層變淺，農田蓄水能力下降、透氣性變差、養分狀況惡化、微生物活性降低等一系列耕地生產力退化的問題[10]。因此，探索更為合理的土壤耕作方式，提升耕地的可持續生產能力勢在必行?；诖?，在多年實施小麥—玉米一年兩熟制的河北平原區，研究不同耕作方式下小麥根系生理特征的響應特征，可為構建適應區域特殊種植制度的土壤耕作體系提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2020～2021 年在河北農業大學辛集實驗站進行。試驗區土壤為中壤土，0～20 cm 耕層基礎土壤養分含量為有機質12.6 g/kg、全氮1.19 g/kg、堿解氮68.4 mg/kg、速效磷23.4 mg/kg、速效鉀119.5 mg/kg。試驗期間該區降水量為64.9 mm，屬偏干旱年型。截至2017 年小麥季播種前，該試驗田采用小麥—玉米一年兩熟制已連續種植10 a，兩季作物均秸稈還田，玉米季免耕、小麥季旋耕。

1.2 試驗材料

供試小麥品種為馬蘭1 號。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 2017 年小麥播種前開始進行土壤耕作方式處理，土壤耕作方式設連年深松（S）、隔年深松（SR）、隔2 a 深松（SRRS）和旋耕（R，CK）4 個處理（表1），玉米季全部采用常規免耕播種。小區面積240 m2，隨機區組排列，3 次重復。小麥深松作業采用2BMYFS 系列深松免耕施肥播種機（山東天盛機械科技股份有限公司）進行，深松間隔年限小麥采用2BFG-18 型小麥旋耕施肥播種機（河北農哈哈機械公司）旋耕（作業深度15 cm）；玉米季免耕種肥同播。2020 年10 月11 日趁墑播種小麥，行距15 cm，基本苗348.5 萬株/hm2。2020～2021 年小麥季，分別在苗期、拔節期和開花期灌水，總灌水量為172.5 mm。小麥播前底施氮肥（N）120 kg/hm2、磷肥（P2O5）112.5 kg/hm2、鉀肥（K2O）112.5 kg/hm2，春季隨灌水追施氮肥（N）120 kg/hm2。其他管理同常規。

表1 試驗設計的小麥季土壤耕作方式Table 1 Experimental design of soil tillage methods for the wheat season

1.3.2 測定項目與方法 分別在小麥拔節期、開花期和乳熟期，采用根鉆法取0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60 cm、60～80 cm 土層的根系，于行間、1/2 行距各取一鉆混合，每重復隨機3 個取樣點，每處理3 次重復。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定根系活力[11]；采用甲烯藍比色法測定根系總吸收面積和活躍吸收面積[12]，計算根系活躍吸收面積比例（根系活躍吸收面積/根系總吸收面積×100%）。

1.3.3 數據統計與分析 采用SPSS 26.0 軟件進行數據統計，采用LSD 法進行數據的多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 土壤耕作方式對小麥根系活躍吸收面積比例的影響

不同土壤耕作方式對主要生育期不同深度土層小麥根系活躍吸收面積比例的影響不同（圖1）。

圖1 耕作方式對主要生育期不同深度土層小麥根系活躍吸收面積比例的影響Fig.1 Effect of tillage methods on the proportion of active absorption area of wheat roots in different depths of soil layers during the main growth period

2.1.1 拔節期 0～15 cm 土層，前期試驗年度無論是深松還是旋耕，試驗開始后小麥當季進行過旋耕的地塊根系活躍吸收面積比例均顯著＞連年深松地塊，平均高10.8 百分點，其中，隔年深松與連年深松處理的指標值差異不顯著，但二者均顯著＞隔2 a 深松處理；15～30 cm 土層，旋耕/深松交替進行的地塊根系活躍吸收面積比例顯著＞連年旋耕或深松地塊，平均高15.2 百分點；30～60 cm 土層，深松頻率高的處理根系活躍吸收面積比例更大，其中，連年深松處理的指標值最高，平均較其他處理高4.6 百分點；60～80 cm 土層，小麥根系活躍吸收面積比例受土壤耕作方式影響的規律性不強，不同處理的指標值差異均不顯著。

2.1.2 開花期 以深松為核心的3 個土壤耕作方式處理平均根系活躍吸收面積比例較連年旋耕地塊低12.0百分點。旋耕/深松交替進行的地塊，尤其是隔年深松處理下0～15 cm 土層平均活躍吸收面積比例更高，平均較其他2 個深松處理高9.1 百分點；15～30 cm 土層受土壤耕作方式影響的規律性更為明顯，旋耕/深松交替進行的地塊根系活躍吸收面積比例顯著高于連年旋耕或深松地塊，平均高17.8 百分點；30 cm 以下土層，隨著土層深度的增加，根系活躍吸收面積比例受土壤耕作方式影響的差異逐漸縮小，至60～80 cm 土層，根系活躍吸收面積比例依然是深松頻率高的地塊指標值更大，尤其是連年深松的地塊根系活躍吸收面積比例顯著較高。

2.1.3 乳熟期 不同土壤耕作方式處理的0～15 cm 土層根系活躍吸收面積比例與之前相比均已顯著降低，這與小麥生育后期上層根系衰老密切相關；15 cm 以下土層根系活躍吸收面積依然保持較大，尤其是15～30 cm 土層根系已成為各處理小麥吸收土壤水分和養分的重要部分。旋耕/深松交替進行的地塊平均根系活躍吸收面積比例較連年旋耕或深松地塊高13.0 百分點，其中隔年深松/旋耕交替進行的地塊指標值最高，平均較連年旋耕或深松地塊高14.4 百分點。30～45 cm土層也有類似趨勢，但各處理的根系活躍吸收面積比例均有不同程度的下降。至60～80 cm 土層，各處理的根系活躍吸收面積比例均降至10%以下，對作物水分和養分的吸收作用有限。

總體來看，旋耕有利于提高上層土壤的小麥根系活躍吸收面積，深松有利于提高下層土壤的小麥根系＞吸收面積；旋耕/深松交替進行時對上下層土壤小麥根系的影響較為均衡。采用旋耕或旋耕/深松交替進行的地塊，有利于提高0～15 cm 土層的根系活躍吸收面積，平均較單獨深松地塊高6.1 百分點；采用深松/旋耕交替，尤其是隔年深松，對提高15～45 cm 土層的根系活躍吸收面積較為有利，平均較其他處理提高6.1 百分點。

2.2 土壤耕作方式對小麥根系活力的影響

不同土壤耕作方式對主要生育期不同深度土層小麥根系活力的影響不同（圖2）。

圖2 耕作方式對主要生育期不同深度土層小麥根系活力的影響Fig.2 Effect of tillage methods on the root activity of wheat in different depths of soil layers during the main growth period

2.2.1 拔節期 0～15 cm 土層，前期試驗年度無論是深松還是旋耕，試驗開始后小麥當季進行過旋耕的地塊根系活力均顯著＞連年深松地塊，平均高12.3%；15～30 cm 土層，旋耕/深松交替進行或連年深松的地塊根系活力均顯著＞連年旋耕地塊，平均高24.8%，其中，隔2 a 深松處理效果最好，根系活力較其他處理平均高23.5%；30～45 cm 土層也有類似趨勢，至60 cm土層依然是旋耕/深松交替進行的地塊根系活力較高。

2.2.2 開花期 0～15 cm 土層，連年旋耕或旋耕/深松交替進行的地塊根系活力均＞連年深松地塊，其中，隔年深松（SR）處理的根系活力最高，較其他3 個處理平均高13.9%；15～30 cm 土層也有類似規律，連年深松或深松/旋耕交替進行的地塊根系活力均顯著＞連年旋耕地塊，平均高19.8%；30～45 cm 土層也有類似規律，以深松為核心的3 個土壤耕作方式處理根系活力平均較連年旋耕處理高38.5%。45～60 cm 土層，則表現為深松/旋耕交替進行的地塊根系活力更高，平均是連年深松或旋耕處理根系活力的2.5 倍。60～80 cm土層，深松/旋耕交替進行或連年深松的地塊根系活力依然顯著＞連年旋耕地塊。

2.2.3 乳熟期 不同土壤耕作方式處理的0～15 cm 土層根系活力與之前相比均已顯著降低，但各處理差異依然較為明顯，其中，0～15 cm 土層，連年旋耕或當季旋耕的地塊根系活力依然較高，平均較當季深松或連年深松的地塊高19.8%。15～30 cm 土層，隔2 a 深松（SRRS）處理的根系活力最高，較其他處理平均高15.4%。30～45 cm 土層，各處理根系活力明顯低于15～30 cm 土層，且處理間差異縮小，S、SR 和SRRS這3 個處理已無顯著差異。60～80 cm 土層，各處理根系活力，進一步降低；其中，SR 與S 處理根系活力相當，且顯著高于其他處理。

總體來看，旋耕（R）有利于提高0～15 cm 土層土壤的小麥根系活力，而旋耕與深松交替（SR 或SRRS）處理，則利于提高15～60 cm 土層根系活力，平均較單獨深松或旋耕處理提高33.3%和16.9%。

2.3 不同土壤耕作方式下小麥根系活力與根系活躍吸收面積比例的相關性

0～15 cm 和15～30 cm 土層的小麥根系活力與30～45 cm 土層的小麥根系活力具有顯著正相關（平均r為0.68～0.82）；0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 土層的小麥根系活力與45～60 cm 土層的小麥根系活力具有顯著正相關（平均r為0.83～0.90）（圖3）。

圖3 不同耕作方式下小麥根系活力與根系活躍吸收面積的相關性Fig.3 Correlation between root activity and active absorption area of wheat under different tillage methods

不同深度土層的小麥根系活躍吸收面積比例相關性較差，僅30～40 cm 土層與60～80 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例相關性較高（r=0.84）。

0～15 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例與相同深度土層的小麥根系活力具有顯著正相關（r=0.96），但在其他深度類似的相關性并不明顯；0～15 cm 和15～30 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例與15～30 cm土層的小麥根系活力具有顯著正相關性（平均r=0.69）?？傮w來看，不同土層的小麥根系活力相關性較高，上層與下層根系活力一般均具有顯著正相關（平均r變幅0.68～0.90）；上下土層的根系活躍根系吸收面積比例相關性較差。

3 結論與討論

耕作直接作用于土壤，改變土壤物理結構和對根系生長的機械阻力，影響根系生長和生理，進一步影響地上部生長[13]。Dahong Bian 等[14]發現，深松可有效打破犁底層，提高夏玉米根系的長度、深度和數量。Li 等[15]研究顯示，與常規翻耕相比，免耕處理影響作物的根系生長，尤其是0～10 cm 上層土壤根系長度和面積降低顯著。張瑞富等[16]認為，深松可以改善較深土層的環境條件，促進較深土層根系生長發育以及干重增加，且使玉米生長后期根系仍保持較高活力，延緩根系衰老。同時，深松還可增大根系活躍吸收面積，Yin 等[17]研究表明，深松播種可顯著提高玉米根系活躍吸收面積，20～40 cm 土層表現尤為明顯。本研究結果表明，旋耕有利于提高上層土壤的小麥根系活力，深松有利于提高下層土壤的小麥根系活力，而旋耕與深松交替（SR 或SRRS）處理則利于提高15～60 cm 土層的小麥根系活力，平均較單獨深松或旋耕處理提高33.3%和16.9%。根系活力在不同土層中相關性較高，上層與下層根系活力一般均具有顯著正相關（平均r變幅0.68～0.90），活躍根系吸收面積比例在上下土層之間相關性則較差。本研究結果與前人研究結果類似，但根系活躍吸收面積與根系活力之間的相關性較小，而且不同深度土壤根系活躍吸收面積之間的相關性也較小，這還需要進一步研究。

連年旋耕可提高上層土壤的小麥根系活力和活躍吸收面積比例，連年深松則有利于提高深層土壤的小麥根系活躍吸收面積比例和根系活力。旋耕/深松交替進行，尤其是隔年深松，效果較為理想，可兼顧表層與中深層土壤的小麥根系情況。建議在河北平原以及其他連年采用小麥—玉米兩熟種植、小麥季旋耕、玉米季免耕的地區，采用隔年深松的耕作方式，可有效提高小麥根系活力，增大小麥根系活躍吸收面積的比例。