长期秸秆还田对春季低温胁迫下小麦生理特性及籽粒产量的影响

《Journal of Agronomy and Crop Science》：Effects of Long-Term Straw Return on Physiological Traits and Grain Yield of Wheat Under Spring Low-Temperature Stress

　　

春季低温胁迫（SLTS）是在气候变率加剧背景下制约冬小麦生产的重要因子，但长期秸秆还田能否在SLTS下维持生理稳定性尚不清楚。研究人员于2008年在中国淮河流域建立长期田间试验，比较无秸秆还田、玉米秸秆翻压还田、小麦秸秆覆盖还田以及小麦秸秆覆盖结合玉米秸秆翻压还田4种处理，在2024—2025生长季自然轻度SLTS事件中评估小麦生理特性与籽粒产量。结果表明，相较无秸秆还田，秸秆还田处理维持了更高的根系活力、更稳定的叶绿素（Chl）状态、更强的抗氧化与渗透调节能力以及更低的氧化损伤；过氧化氢（H2O2）与丙二醛（MDA）含量分别降低11.3%—53.4%与6.8%—37.8%。上述生理优势伴随幼穗生长、生物量积累与籽粒产量提升，其中小麦秸秆覆盖处理综合主成分分析得分最高，籽粒产量较无秸秆还田提高19.2%。该结果描述了单次自然轻度SLTS事件下不同处理关联的生理与产量表现，为多事件多年份下秸秆还田管理的进一步评估提供依据。

研究背景方面，冬小麦是全球重要粮食作物，但气候变率加剧使春季低温胁迫（SLTS）在返青至拔节期严重威胁产量形成，该阶段低温损伤幼穗分化、降低小花育性并延迟穗发育。SLTS通过破坏细胞氧化还原稳态引发活性氧过量积累、膜脂过氧化、渗透调节受损及叶绿素（Chl）与根系活力下降；而根区环境（如淮河流域石灰结核黑土的高容重、结构差）会协同削弱根系功能。秸秆还田作为淮河流域普遍采用的保育措施，可改善土壤结构、水分养分有效性及根区水热条件，但既往研究多关注常规环境下的土壤质量与产量稳定性，自然SLTS下长期秸秆还田如何调控小麦生理响应仍不清楚。为此，研究人员基于2008年始建的冬小麦—夏玉米长期定位试验，在2024—2025生长季遭遇的轻度SLTS（2025年3月4—7日，K=0.883）中，假设长期秸秆还田可维持生理与产量稳定且不同方式效果有别，旨在明确秸秆还田模式对叶绿素、抗氧化、渗透调节、根系活力及产量的影响，并筛选适宜淮河流域的秸秆管理模式。

关键技术方法上，研究人员依托安徽蒙城（33°9′44″N，116°32′56″E）石灰结核黑土长期定位平台（2008年建，2024—2025年为第17年），设无秸秆还田（W0M0）、玉米秸秆翻压（W0M1）、小麦秸秆覆盖（W1M0）、小麦覆盖+玉米翻压（W1M1）4处理，3次重复，供试品种烟农19。以2025年3月3日为参照，于?2、2、5、8天取叶根样品，测定Chl（丙酮—乙醇法）、根系活力（TTC还原法）、SOD/POD/CAT/PPO、AsA–GSH系统（APX、GSH、GSSG、AsA）、渗透物质（脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白）、氧化指标（MDA、H₂O₂）；同步测0—25 cm分层土温、生物量及成熟期籽粒产量（校正至13%水分），采用R语言ANOVA、Duncan检验、Pearson相关与PCA综合评价。

研究结果部分，3.1节显示秸秆还田显著增产，W1M0达11233.3 kg·hm^?2，较W0M0（9425.0 kg·hm^?2）增19.2%，W0M1与W1M1分别增11.5%与8.8%。3.2节表明SLTS抑制营养生长，但秸秆还田维持更高地上/地下干物质、株高与分蘖数，W1M0在?2至8天均最优（8天时地上、根干物质较W0M0高30.0%与15.8%）。3.3节幼穗形态显示，胁迫后秸秆还田处理穗长穗宽恢复更好，8天时W1M0最大。3.4节叶绿素与根系活力表明，各处理在SLTS后均下降后回升，但秸秆还田（尤W1M0）维持更高Chl a、总Chl及根活，如2天时W1M0的Chl a较W0M0高27.71%，8天时根活高10.16%—12.75%。3.5节氧化损伤显示，秸秆还田叶片与根系MDA、H₂O₂积累更低，8天时W1M0叶、根MDA较W0M0低36.0%与37.8%。3.6节渗透调节物质中，秸秆还田提升叶根可溶性糖、脯氨酸（W1M0根可溶性糖2天高39.0%、5天高89.1%）及可溶性蛋白。3.7节抗氧化酶显示SOD、POD、CAT、PPO在秸秆还田下活性更高，W1M0叶SOD在?2天高16.9%，根SOD在5天高19.8%。3.8节AsA–GSH系统中，APX在叶2天W1M0高57.8%，根2天W1M1/W0M1高93.2%—100.2%；GSH、GSSG、AsA总体上调，但GSH/GSSG比下降。3.9节土温显示处理效应集中于0—15 cm浅层，2天时0—5 cm秸秆还田较W0M0高约0.64—0.90°C，恢复期W1M0在5—10 cm仍偏高。3.10节相关与PCA筛选7指标（叶总Chl、叶可溶性糖、叶H₂O₂反向、叶GSH、根APX、叶MDA反向、根活），前2主成分累积贡献84.528%，综合得分W1M0（0.249）>W0M1（0.113）>W1M1（0.068）>W0M0（?0.429）。

讨论部分指出，秸秆还田通过改良浅层根区水热（0—5 cm土温提升）与土壤结构，缓冲SLTS对根系代谢的抑制，浅层增温与根活提升协同；叶部Chl维持与抗氧化—渗透调节（低H₂O₂/MDA、高脯氨酸/可溶性糖）减轻膜损伤，保障同化物向幼穗供应，从而改善穗部发育。不同还田模式效果差异不源于残体总量而源于返还时序与分解状态：玉米秸翻压于播前可能激发微生物氮（N）固定，小麦秸覆盖因放置—分解间隔长而缓和早期矿质N竞争，故W1M0优于W1M1。结论部分表明，在观测到的轻度SLTS下，长期秸秆还田关联更优的根叶生理状态、更低氧化损伤及更好幼穗与产量形成，其中小麦秸秆覆盖在本次试验条件下综合PCA得分与籽粒产量最高，为麦—玉轮作系统优化秸秆管理提供生理与理论基础。该文发表于《Journal of Agronomy and Crop Science》。