不同水分條件下玉米秸稈還田對小麥群體發(fā)育和干物質積累及產量的影響

張素瑜 , 王和洲, 楊明達, 賀德先

(1.河南農業(yè)大學農學院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州 450002； 2.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

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不同水分條件下玉米秸稈還田對小麥群體發(fā)育和干物質積累及產量的影響

張素瑜1, 王和洲2, 楊明達1, 賀德先1

(1.河南農業(yè)大學農學院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州 450002； 2.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

為探究土壤水分與秸稈還田對小麥生長的交互作用，通過防雨棚微區(qū)控水試驗，研究了不同土壤水分條件下玉米秸稈粉碎翻壓還田對小麥群體數量、干物質積累、籽粒產量等的影響。結果表明，干旱條件下，小麥群體數量、葉面積指數、干物質積累量、成穗數和產量顯著降低，最大根冠比出現時間推遲至開花期；與秸稈不還田(CK)相比，秸稈還田(RS)處理的群體最大莖數提高了8.5%，灌漿期根冠比增加 12.26%，但生育后期的葉面積指數顯著降低，穗數、千粒重、產量和收獲指數也分別下降5.10%、3.17%、15.46%和8.39%；輕旱和適宜水分條件下，根冠比在拔節(jié)期達到最大值，RS處理的群體最大莖數較CK增加12.04%～14.18%；拔節(jié)期根冠比顯著增加，灌漿期則相反；RS處理的不孕小穗數減少了14.91%～18.98%，穗粒數和產量則分別提高9.18%～26.30%及5.76%～6.96%。在輕旱或適宜水分條件下，秸稈還田可以改善小麥群體質量，協(xié)調植株地上部與根系的生長，最終提高籽粒產量；而土壤干旱時不宜進行秸稈還田。

小麥；秸稈還田；土壤水分；群體發(fā)育；干物質積累；籽粒產量

秸稈資源是農業(yè)生產系統(tǒng)中重要的可再生資源和生物能源，黃淮海地區(qū)秸稈資源豐富且數量逐年增加，其中玉米秸稈占秸稈資源總量的37%[1]。農作物秸稈含有大量的碳、氮、磷、鉀及多種微量元素，是重要的有機肥源，秸稈還田作為重要的耕作措施，對發(fā)展循環(huán)農業(yè)、實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。研究表明，秸稈還田可提高接茬小麥的葉綠素含量及光合速率，減緩后期葉綠素的降解[2-3]；促進冬前及春季小麥分蘗[4]，增加干物質積累量[5]，提高小麥穗數[6]及穗粒數[4,7]，進而增加產量。秸稈的還田效果與耕作方式、施肥方式和數量及秸稈還田方式密切相關[8-11]。秸稈還田條件下，與常規(guī)耕作相比，深松處理的冬小麥產量提高了10.25%～10.43%，水分利用效率提高了4.36%～10.05%[8]。甄麗莎等[10]研究認為，秸稈還田配施氮磷肥或有機肥能夠顯著提高土壤全氮含量，顯著增加土壤養(yǎng)分，獲得較高產量。李 波等[9]研究表明，稻秸還田深度15 cm有利于小麥根系的生長及功能的提高，延緩植株衰老，增加產量。然而前人對不同土壤水分條件下秸稈還田效應的研究尚不多見[12-13]。有研究指出，秸稈覆蓋還田后增產與否，與降水多少即水分年型關系密切[12-13]，這從另一個方面說明土壤水分狀況與秸稈的還田效果直接相關，但玉米秸稈粉碎翻壓還田在不同土壤水分條件下，秸稈還田效果如何，是否與相同水分狀況下秸稈覆蓋的還田效果一致，前人對此研究較少。另外，根系是植物生命活動中的重要器官，與植株生長和作物產量的形成密切相關，因而作物地上部和地下部生長發(fā)育及其相互關系一直是作物學研究的重要內容。有關土壤水分與小麥地上部和地下部生長的關系，前人已進行了研究[14-15]，但有關秸稈還田對小麥地上部和地下部生長發(fā)育及其相互關系的研究還不多見。鑒于此，本研究綜合分析土壤水分含量與秸稈還田對小麥群體生長、地上部和地下部干物質積累及籽粒產量的影響，探究土壤水分與秸稈還田對小麥生長發(fā)育及產量形成的交互效應，以期為提高秸稈還田對小麥增產的效果提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗于2014年10月至2015年6月在河南省商丘農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(34°34′N，115°33′E)移動式防雨棚下測坑中進行。測坑面積為6.6 m2(2 m×3.3 m)，坑內土層深1.5 m，四周用鐵皮焊接以防水分側滲。試驗區(qū)土壤類型為潮土，土壤容重為1.34 g·cm-3，田間持水量(field moisture capacity, FMC)為30%。耕層土壤有機質含量為10.5 g·kg-1，全氮含量0.95 g·kg-1，速效氮含量53.8 mg·kg-1，速效磷含量27.5 mg·kg-1。

1.2試驗材料

供試材料為黃淮麥區(qū)大面積推廣種植的小麥品種百農矮抗58(國審麥2005008)。

1.3試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計。主處理設玉米秸稈粉碎翻壓還田(RS)和秸稈不還田(CK)兩個水平，還田秸稈的長度約為5 cm，還田深度為20 cm，還田量約為9 000 kg·hm-2，還田的玉米秸稈中全氮含量為0.65%；副處理為土壤水分，設3種土壤水分含量，分別為田間持水量的50%～55%(干旱，D)、60%～65%(輕旱，SD)和70%～75%(正常，N)。共6個處理，重復4次。于2014年10月20日播種，每個測坑為一個小區(qū)，播種量為150 kg·hm-2，行距23 cm，9行區(qū)。試驗區(qū)四周設保護行。N、P2O5、K2O施用量分別為240、100和100 kg·hm-2，其中50%氮肥和全部磷、鉀肥作為基肥施入，另外的50%氮肥在拔節(jié)期隨澆水施入。其他管理同一般高產田，并于灌漿初期在試驗區(qū)外圍布置防鳥網。2015年6月3日收獲。

1.4測定項目及方法

1.4.1土壤水分測定及調控

不同處理的土壤水分控制從越冬后開始。由表1可知，拔節(jié)期控水前后土壤相對含水量的相對誤差為0.5%～3.4% (平均為2.0%)，開花期為0.4%～4.7%(平均為2.6%)，灌漿期為0.36%～4.96%(平均為2.9%)，說明不同土壤水分含量的控制效果符合原初的試驗設計要求。

表1　不同試驗處理0～100 cm土層土壤灌水前后的平均相對含水量Table 1　Relative soil water contents within 0-100 cm soil layer before and after irrigation in different experimental treatments

RS：秸稈還田;CK：秸稈不還田; D:干旱(50%～55% FMC)；SD：輕旱(60%～65% FMC)；N：正常供水(70%～75% FMC)；TVMC：目標含水量；RMCBI：灌水前相對含水量；RMCAI：灌水后相對含水量；RE：相對誤差。下同。

RS：Stalks returning; CK：Non-stalks returning; D:Drought(50%-55% FMC)；SD：Slight drought(60%-65% FMC)；N：Normal(70%-75% FMC)；TVMC:Target value of water content; RMCBI:Relative water content before irrigation; RMCAI:Relative water content after irrigation;RE:Relative error.The same as below.

1.4.2群體數量調查

小麥三葉期定苗，基本苗3.0×106株·hm-2。每個小區(qū)中選擇長勢均勻的1 m雙行樣段，兩端分別插入1 m長標記桿，于苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期定點調查莖蘗發(fā)展動態(tài)，并計算成穗率(成穗率=穗數/最高總莖數)。

1.4.3干物質測定

地上部干物質測定在拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期4個時期進行，每個小區(qū)選取長勢均勻一致的植株5株，剪去根部，取下葉片，按比葉重法[16]測量總葉面積，將莖稈、樣葉、剩余葉分別包好，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃條件下烘至恒重，平衡室溫后分別稱重，最后換算成每公頃生物量及葉面積指數(LAI)。

LAI=(M1+M2)/(A×M1)×S1×N

式中，M1為樣葉干重，S1為樣葉面積，M2為剪去樣葉后剩余綠葉干重，N為取樣區(qū)內總株數，A為取樣區(qū)面積。

根干物質測定依次于拔節(jié)期、開花期、灌漿期3個時期進行，用鉆頭直徑為6.5 cm的根鉆，按照Bolinder等[17]的方法取樣，每小區(qū)取3鉆，1鉆中心在行上，1鉆中心在行間距1/2處，第3鉆鉆頭外壁與行相切，3鉆合為1個土壤-根系樣品，取樣深度為50 cm。將取出的根系裝入100目的尼龍網袋，浸泡1 h，用自來水沖洗干凈，借助鑷子挑除雜質。最后將收集到的根樣包好，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃條件下烘至恒重，稱量獲得根干重。

1.4.4收獲與考種

每小區(qū)選取1 m2，單獨收割，曬干后脫粒，測定千粒重和產量。每副區(qū)隨機選取30株完整植株測量穗長、不孕小穗數、結實小穗數和穗粒數。

1.5數據分析

運用Microsoft Office 2010、SAS V8.0統(tǒng)計軟件對試驗數據進行分析與作圖。

2　結果與分析

2.1不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥莖數變化及成穗率的影響

不同處理間小麥返青前總莖數的差異未達顯著水平，秸稈還田與土壤水分對最大莖數的影響均達極顯著水平(表2)。無論秸稈還田與否，干旱處理的小麥莖數明顯低于輕旱和適宜水分處理，并且成熟期干旱處理單位面積穗數與輕旱和適宜水分處理差異顯著，因而干旱處理不利于形成較多的穗數。在相同的土壤水分條件下，返青期RS處理的莖數分別較CK高8.5%、14.2%和12.0%，說明秸稈還田可顯著促進小麥分蘗，有利于后期形成較大的穗數。從成穗數看，干旱條件下RS較CK平均降低5.1%；輕旱和適宜水分條件下，RS處理數與CK間差異未達顯著水平。秸稈還田與土壤水分對成穗率的影響均達極顯著水平(F值分別為67.11**和11.98**)。無論秸稈還田與否，成穗率隨著土壤水分含量的增加均呈上升趨勢。相同土壤水分條件下，RS處理的成穗率顯著低于CK。

表2　 不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥群體莖數動態(tài)的影響Table 2　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on stem number of winter wheat at different growing stages

同列數據后不同字母表示處理間的差異達顯著水平(P<0.05)。下同。

Values with different small letters in a same column are significantly different among the treatments at 0.05 level. The same as bellow.

表3　不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥LAI的影響Table 3　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on LAI of wheat at different growing stages

2.2不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥LAI的影響

由表3可知，秸稈還田對小麥除拔節(jié)、抽穗期外其他時期LAI的影響均達顯著水平(F值為7.53*～349.77**)，土壤水分含量對各生育時期LAI的影響均達極顯著水平(F值為14.14**～248.98**)，而且秸稈還田與土壤水分存在極顯著的交互效應(F值為9.52**～56.33**)。返青期后，無論秸稈還田與否，LAI隨著土壤水分含量的提高基本上呈增加趨勢。干旱條件下，開花期以后RS處理的LAI顯著低于CK；輕旱條件下，開花期RS處理的LAI顯著高于CK；適宜水分條件下，除拔節(jié)期外，RS與CK間差異均不顯著，說明土壤水分不足時，在小麥生育后期秸稈還田降低LAI，而輕旱條件下可明顯提高LAI。由于充足的“源”有利于小麥光合物質的生產和產量形成[18]，因此在較好土壤水分狀況下秸稈還田的增“源”效應對小麥高產非常重要。

2.3不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥干物質積累和根冠比的影響

土壤水分對小麥生育后期干物質積累和根冠比均影響顯著(表4，F值為26.97**～48.13**)。無論秸稈還田與否，地上部根系干物質積累量均隨著土壤水分的增加而增加；不同土壤水分條件下，根干重均在開花期最大，但干旱條件下根冠比在開花期最大，輕旱和適宜水分條件下則在拔節(jié)期最大，說明增加土壤水分對地上部生長的促進作用明顯大于根系。在干旱下，開花后RS處理地上部與根系干物質積累量顯著低于CK，而RS處理灌漿期的根冠比顯著大于CK；在輕旱和適宜水分條件下，生育中期RS處理的根冠比顯著大于CK，而灌漿期顯著低于CK。

表4　 不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥植株干物質積累與根冠比的影響Table 4　 Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on dry matter accumulation and root-shoot ratio of wheat at different growing stages

DMAGB:Dry matter of above-ground parts; RDM:Root dry matter; R/S:Root-shoot ratio.

2.4不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥穗部性狀、籽粒產量及收獲指數的影響

由表5可知，秸稈還田對小麥穗長、不孕小穗數的影響達顯著水平(F值分別為9.01*和5.69*)，對穗粒數、千粒重的影響達極顯著水平(F值分別為63.28**和18.74**)；土壤水分對小麥千粒重及產量的影響也達極顯著水平(F值分別為10.70**和114.65**)；土壤水分與秸稈還田的互作對小麥籽粒產量的影響達極顯著水平(F值為25.09**)。無論秸稈還田與否，隨著土壤水分含量的增加，小麥籽粒產量逐漸增加。在RS條件下，輕旱和適宜水分處理較干旱處理分別增產30.1%和46.9%，在CK條件下分別增產4.0% 和16.1%。這與干旱條件下結實小穗數、穗數均顯著降低(表2)有關。在干旱條件下，RS處理較CK減產15.6%，穗數、千粒重分別降低5.1%和3.2%；而在輕旱和適宜水分條件下，RS處理較CK分別增產5.8%和7.0%，主要是因為RS處理的穗粒數顯著高于CK，不孕小穗數顯著減少。

表5　不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥穗部性狀、產量及收獲指數的影響Table 5　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on spike traits, grain yield and harvest index of wheat

SL:Spike length; FSS:Fertile spikelets per spike; SSS:Sterile spikelets per spike; GS:Grains per spike; SN:Spikes number; GW:1 000-grain weight; GY:Grain yield; DMAGB:Dry matter of above-ground parts; HI:Harvest index.

3　討 論

群體質量是小麥穩(wěn)產高產的基礎，而水肥管理是提高小麥群體質量和產量的關鍵[19]。在高氮(252 kg·hm-2)條件下，玉米秸稈還田可促進小麥冬前和春季分蘗[20，4]；也有研究指出，施氮量相同時，越冬和拔節(jié)期小麥分蘗數表現為秸稈還田處理低于單施化肥處理，孕穗期則相反[21]。本研究中，干旱脅迫顯著降低小麥群體數量；相同土壤水分條件下，RS處理的最大莖數均大于CK，進一步說明秸稈粉碎還田可以顯著促進小麥分蘗，形成較大的群體數量，對群體構建及提高成穗數有利。

根冠比是反映作物生長狀況的重要指標，受環(huán)境因素和植物本身遺傳特性的影響[22]。研究表明，小麥根系干物質量主要集中在0～40 cm土層[23]，拔節(jié)后根系主要集中在0～60 cm土層，但0～30 cm土層的根系仍占80%以上[24]。根系是最早感知干旱的器官，較大的根系系統(tǒng)是作物抗旱的基礎，作物通過增加根冠比，實現對干旱環(huán)境的適應[14]。楊貴羽等[15]的溫室盆栽試驗表明，隨著水分脅迫的增強，作物地上部和根系干物質的累積速率降低，根冠比隨脅迫程度的加劇而增大。干旱脅迫下，地上部和根系絕對生長速率下降，同時促使根系吸收更多水分以滿足作物平衡生長的需要，同化物優(yōu)先供給根系生長，根冠比增大[17]。另外，地下和地上部協(xié)調生長是提高作物產量的基礎[25]。作物根系在生長過程中需要的同化物是地上部的兩倍，因而較小的根系有利于地上部累積更多的同化產物[26]；Ma等[27]通過去根和控制分蘗的方法明確了小麥根冠比與產量間的負相關關系。本研究結果表明，隨著干旱脅迫的加強，不同生育時期小麥植株地上部和根系干物質量均表現為減小趨勢；在輕旱和適宜水分條件下，根冠比較干旱處理提前達最大值，這與陳曉遠等[28]研究指出的“冬小麥葉片水分利用效率達最大值前，根冠比與葉片水分利用效率呈正相關，而水分恒定且充足可使葉片水分利用效率峰值提前到拔節(jié)期”的研究結果有相似之處；而且在拔節(jié)期，RS的根冠比顯著大于CK，開花期至灌漿期RS處理的根冠比則小于CK，說明秸稈還田對協(xié)調植株地下和地上部關系具要重要意義。生育前中期較大的根冠比有利于作物營養(yǎng)物質的積累，而生育后期較小的根冠比則有利于更多營養(yǎng)物質向籽粒中的轉運。本研究中，地上部干物質量在灌漿期達最大值，而根系干物質量在開花期達最大值，隨后根系大量衰亡，植株衰老，地上部干物質量降低，這可能說明地上部較地下部在干物質積累上具有滯后性。

目前的研究普遍認同秸稈還田可以增加作物產量，但關于秸稈還田的增產原因還沒有一致結論。張姍等[29]研究表明，相同施氮量條件下，秸稈還田處理較不還田處理穗粒數顯著增加，增產幅度達5.9%；陳金等[30]研究認為，秸稈還田較不還田處理顯著降低了群體穗數，但提高了千粒重，增產幅度達6.9%～8.0%。本研究中，秸稈還田顯著增加穗粒數，減少不孕小穗數，水分調控對穗數的影響也達顯著水平。本研究也表明，秸稈還田的增產效應一定程度上受土壤水分的制約：干旱條件下秸稈還田容易造成早衰，千粒重的降低導致產量顯著低于CK，輕旱和適宜水分條件下，秸稈還田處理的產量則顯著增加，原因可能是在干旱條件下粉碎翻壓還田的秸稈腐解加劇了小麥干旱脅迫程度，而在土壤濕潤條件下有利于秸稈腐解，增加土壤養(yǎng)分含量[7]。前人研究指出秸稈覆蓋還田在干旱條件下增產效果顯著[12]，在低溫多雨氣候條件下使作物產量降低[13]。結合本研究結果可以得出，秸稈還田的增產效應不僅與土壤水分密切相關，而且與秸稈還田方式也有較大關系。同一小麥品種的收獲指數變異較小[31-32]，因而對于特定品種，進一步提高產量的途徑應是維持現有的收獲指數，提高生物產量，協(xié)調提高生物產量和經濟產量的關系[33]。本研究中，除了秸稈不還田的干旱處理外，不同處理間收獲指數的差異均未達顯著水平，說明改善栽培耕作措施對收獲指數影響不大，這與前人研究結果一致。不同處理中，秸稈不還田的干旱處理收獲指數最高，但較低的生物學產量則不能實現高產。

綜上所述，秸稈粉碎翻壓還田效果與土壤水分狀況密切相關。輕旱和適宜水分條件下，秸稈還田處理可提高小麥群體數量，協(xié)調地上部與地下部的生長關系，增加穗長、穗粒數，減少不孕小穗數，最終獲得較高的籽粒產量。干旱條件下，秸稈還田處理的產量較CK 降低。因此，在秸稈粉碎翻壓還田條件下，較好的土壤水分條件是實現高產穩(wěn)產的基礎，而土壤水分較低時則不宜進行秸稈還田。

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Influence of Returning Corn Stalks to Field under Different Soil Water Contents on Population Development, Dry Matter Accumulation and Grain Yield in Wheat

ZHANG Suyu1, WANG Hezhou2, YANG Mingda1, HE Dexian1

(1.Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou, Henan 450002, China;2.Shangqiu Comprehensive Experimental Station of Farmland Irrigation Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang, Henan 453003, China)

The micro-plot experiment was carried out under rain-proof shelter to investigate influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on population development, dry matter accumulation and grain yield of winter wheat in wheat-maize rotation system in the Huang-Huai-Hai plains. The results showed that under drought condition, population, LAI, dry matter accumulation, spike number as well as grain yield of winter wheat were all dramatically reduced(P<0.05). The largest root-shoot ratio reach to the maximum at anthesis stage. Compared with those in the treatment without corn stalks returning(CK),the maximum population in corn stalks returning(RS) treatment was 8.5% higher, root-shoot ratio at grain-filling stage was significantly increased by 12.26%, while leaf area index was dramatically decreased, spike number, 1 000-grain weight, grain yield, and harvest index were also significantly decreased by 5.10%，3.17%，15.46%，8.39%. Compared with those in CK, the maximum population were significantly increased by 12.04%-14.18% at jointing stage under slight drought and normal soil water conditions, root-shoot ratio was significantly decreased at jointing stage while significantly decreased at grain-filling stage. Meanwhile, spike number and grain yield were dramatically increased by 9.18%-26.30% and 5.76%-6.96% in returning corn stalks to field treatments, while sterile spikelets per spike were significantly reduced by 14.91%-18.98%.Additionally, the study also showed that above-ground parts performance an obvious lag. Conclusively, returning corn stalks to field would improve wheat population quality, coordinate growth of root and shoot, and ultimately increase grain yield under slight drought or suitable soil moisture conditions, but not be recommended under drought conditions.

Wheat(TriticumaestivumL.); Returning stalks to field; Soil water content; Population development; Dry matter accumulation; Grain yield

2015-03-20

2016-04-20

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD07B07-4)；河南省重點實驗室項目(132300413207)

E-mail：729401747@qq.com

賀德先(E-mail:hedexian@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)09-1183-08

網絡出版時間：2016-08-31

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160831.1649.020.html