秸稈還田方式對半干旱區(qū)春玉米生長特性、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

徐瑩瑩 王俊河 劉玉濤 王宇先 高盼 楊慧瑩 錢春榮 葛選良 樊景勝

摘要：以秸稈不還田作對照（CK），設置秸稈覆蓋還田（SCR）、秸稈旋耕還田（SPR）和秸稈深翻還田（SDPR）3種還田方式，研究不同還田方式對黑龍江半干旱區(qū)春玉米生長特性、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。結(jié)果表明，苗期SCR處理的根條數(shù)、根長、根干質(zhì)量均高于其他3種處理;拔節(jié)期SPR和SDPR處理的根條數(shù)、根系活力、根干質(zhì)量均與CK差異顯著（P<0.05）;吐絲期和成熟期，除根干質(zhì)量外，各項指標表現(xiàn)為SDPR>SPR>SCR>CK;植株莖稈干質(zhì)量和葉面積表現(xiàn)為秸稈還田處理>CK，且從苗期開始差異顯著（P<0.05）;拔節(jié)期至吐絲期，SCR、SPR和SDPR處理的光合勢顯著高于CK（P<0.05），分別提高1.80%、5.74%、6.34%;吐絲期各處理光合速率達到最大值，且不同處理間差異顯著（P<0.05）。植株和籽粒中全氮、全磷和全鉀含量較CK均有所增加，且秸稈深翻還田處理的養(yǎng)分含量最高。產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)為SDPR>SPR>SCR>CK，較CK產(chǎn)量分別提高10.57%、9.66%、4.02%，水分利用效率分別提高12.25%、11.78%、2.87%。綜合各項指標來看，秸稈深翻還田對促進半干旱區(qū)玉米生長、提高產(chǎn)量及水分利用效率效果最佳。

關鍵詞：秸稈還田;半干旱區(qū);春玉米;生長特性;產(chǎn)量;水分利用效率

中圖分類號： S513.01文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0128-05

收稿日期：2018-08-17

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目（編號：201503116-02）;國家重點研發(fā)計劃子課題（編號：2016YFD070030103）;國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設項目（編號：CARS-02）;黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院院級科研項目（編號：2017SJ034）。

作者簡介：徐瑩瑩（1989—），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究實習員，主要從事作物耕作栽培及農(nóng)業(yè)微生物研究。E-mail：ghdetongzhuo@163.com。

通信作者：王俊河，研究員，主要從事作物耕作栽培研究。E-mail：wangjunhe63@sohu.com。

玉米是黑龍江省西部半干旱區(qū)的第一大作物，該區(qū)是黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)之一，年平均種植面積在170萬hm2以上，占全省種植面積的1/3左右，產(chǎn)生的秸稈量超過775萬t[1]。每年玉米收獲后，多數(shù)秸稈被農(nóng)民就地焚燒，既浪費資源，又對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[2]。研究表明，秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀等元素，還田后能夠培肥地力，提高土壤質(zhì)量，同時秸稈還田具有疏松土壤、蓄水保墑等作用[3-7]，有利于作物根系對水肥的吸收利用，進而促進作物生長，提高產(chǎn)量[8-10]。因此，采用適宜的秸稈還田方式是解決半干旱區(qū)秸稈問題并實現(xiàn)該區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段。

本研究設置秸稈不還田（CK）、秸稈覆蓋還田（SCR）、秸稈旋耕還田（SPR）和秸稈深翻還田（SDPR）等4種方式，系統(tǒng)分析不同還田方式對春玉米生長動態(tài)、光合作用、養(yǎng)分利用、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為黑龍省西部半干旱區(qū)選擇合適的還田方式，促進玉米可持續(xù)發(fā)展奠定重要基礎。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院齊齊哈爾分院試驗基地（123°41′46″E，47°16′26″N）進行，該區(qū)屬于松嫩平原西部半干旱區(qū)，海拔143 m。2017年試驗地生育期≥10 ℃的活動積溫為2 952.4 ℃，降水量為327.2 mm，無霜期154 d。土壤類型為碳酸鹽黑鈣土，基礎肥力：有機質(zhì)含量為26.52 g/kg，全氮含量為0.16%，全磷含量為0.09%，全鉀含量為0.50%，堿解氮含量為100.05 mg/kg，有效磷含量為16.91 mg/kg，速效鉀含量為134.03 mg/kg，pH值為7.82。

1.2試驗設計

試驗設置4種處理，如表1所示。采用大區(qū)對比，大區(qū)面積為0.33 hm2，秸稈還田處理均為連續(xù)2年還田（2015年玉米收獲后進行秸稈還田，2016年再次還田，還田方式同2015年），還田量為9 000 kg/hm2。供試玉米品種為先玉335，種植密度為6萬株/hm2，一次性施入復合肥750 kg/hm2（氮、磷、鉀含量分別為14%、22%、14%）。2017年5月12日播種，播種后噴灌35 mm，2017年10月6日收獲。

1.3取樣方法

分別于玉米苗期、拔節(jié)期、吐絲期和成熟期取樣，每次取樣3株。地下部分采用挖剖面法取樣（整段標本法），以取樣株為中心，按植株平均所占營養(yǎng)面積為頂，挖60 cm深的規(guī)則土柱，土壤過篩分離出根系[11]。成熟期采用對角線5點取樣法測產(chǎn)，并折算成標準含水量（14%）的產(chǎn)量，同時每個處理取30穗測定玉米穗部性狀。

1.4測定項目及方法

生長動態(tài)測定：根條數(shù)、莖粗、株高、葉面積等指標直接測量;根長測定采用網(wǎng)格交叉法，根長=11/14×交叉點數(shù)×網(wǎng)格單位[12];根系活力測定采用2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）還原法[13];植株干質(zhì)量和根干質(zhì)量測定采用烘干法，105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質(zhì)量。

光合作用測定：光合速率和蒸騰速率采用3051植物光合測定儀測定;光合勢=（L1+L2）÷2×（T2-T1），式中：L1、L2為葉面積，m2;T1、T2為時間，d。

養(yǎng)分含量測定：植株全氮含量采用凱氏定氮法測定;全磷含量采用鉬銻抗比色法測定;全鉀含量采用火焰光度法[14]測定。

產(chǎn)量性狀測定：穗長、穗粗、行粒數(shù)、禿尖長、百粒質(zhì)量直接測定;籽粒產(chǎn)量（按14%標準水折算，kg/hm2）=粒質(zhì)量÷單位面積×（1-籽粒含水量/0.86）×10 000。

水分利用效率測定：水分利用效率（WUE）=Y/ET，ET=P+I-ΔS，式中：Y為玉米產(chǎn)量，kg/hm2;ET為生育期耗水量，mm;P為降水量，mm;I為灌溉量，mm;ΔS為收獲后土壤貯水量與播種前土壤貯水量之差，mm[15]。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件中的單因素方差分析（ANOVA）進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈還田方式對根系生長的影響

如表2所示，在整個生育期，不同處理的根條數(shù)、根長、根系活力及根干質(zhì)量具有相同的變化趨勢，即苗期至吐絲期逐漸增大，吐絲期達到最大值后逐漸減小。苗期SCR處理的根條數(shù)、根長和根干質(zhì)量均高于其他3種處理;拔節(jié)期SPR和SDPR處理的根條數(shù)、根系活力和根干質(zhì)量與CK相比差異顯著（P<0.05）;吐絲期和成熟期，除根干質(zhì)量外，各項指標均表現(xiàn)為SDPR>SPR>SCR>CK;這主要是由于拔節(jié)期前SCR更有利于保持土壤水分，減少水分流失，滿足玉米生長需求，因此根系較為發(fā)達，而CK處理土壤水分蒸發(fā)量較大，導致土壤含水率降低，進而影響玉米根系生長。到了吐絲期，秸稈經(jīng)過一段時間的腐解，產(chǎn)生較多有機質(zhì)釋放到土壤中，使土壤養(yǎng)分增加，因此秸稈還田3種處理的根系生長較好，根系活力較高，且SDPR處理的效果優(yōu)于SPR和SCR。

2.2秸稈還田方式對地上部生長的影響

如表3所示，除拔節(jié)期外，其他各時期不同處理株高和莖粗差異不顯著，SPR和CK處理的植株莖稈干質(zhì)量和葉面積從苗期開始顯著差異（P<0.05），表現(xiàn)為秸稈還田處理>CK，說明秸稈還田對增加干物質(zhì)質(zhì)量和葉面積具有促進作用。根據(jù)當年氣候條件，進入拔節(jié)期降水量較少，而秸稈具有蓄水保墑作用，因此和CK相比，秸稈還田處理的土壤含水率相對較高，可以滿足玉米生長的水分要求，此外秸稈還田后釋放養(yǎng)分，更有利于植株生長發(fā)育。與CK相比，成熟期SDPR、SPR和SCR的穗干質(zhì)量分別增加31.60%、24.35%、9.80%。

2.3秸稈還田方式對光合作用的影響

2.3.1秸稈還田方式對光合速率和蒸騰速率的影響

光合速率是光合作用強弱的一種表示方法，光合速率大小與作物生長發(fā)育及后期營養(yǎng)物質(zhì)積累密切相關。研究表明，光照、水分和養(yǎng)分是影響作物光合速率的重要因素[16]。如表4所示，吐絲期各處理光合速率達到最大值，且不同處理間差異顯著（P<0.05），SDPR處理的光合速率最大，其次為SPR和SCR處理，CK光合速率最小。

蒸騰速率是衡量蒸騰作用大小的一種表示方法，蒸騰作用是植物對水分吸收和運輸?shù)闹饕獎恿Γ貏e是高大的作物，假如沒有蒸騰作用，由蒸騰拉力引起的吸水過程便不能產(chǎn)生，植株較高部分也無法獲得水分，因此，蒸騰速率對作物水分運輸利用具有重要影響[17]。由表4可知，蒸騰速率變化趨勢及在各處理間的差異表現(xiàn)與光合速率大致相同。

2.3.2秸稈還田方式對群體光合勢的影響

光合勢是反映作物群體光合作用的重要指標之一，光合勢越大，表示群體光合作用越強，越有利于植株生長及后期干物質(zhì)轉(zhuǎn)化[18]。如表5所示，光合作用從拔節(jié)期開始迅速增強，拔節(jié)期—吐絲期光合勢出現(xiàn)最大值，之后隨著玉米逐漸成熟，光合作用減弱，光合勢逐漸下降。拔節(jié)期—吐絲期，SDPR、SPR和SCR處理的光合勢顯著高于CK（P<0.05），較CK分別提高6.34%、574%、1.80%。各處理間光合勢的差異主要是由于SDPR、SPR和SCR處理能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境，滿足群體生長所需條件，為作物光合產(chǎn)能奠定重要基礎。SDPR處理為作物提供了更適宜的水熱氣條件，因此群體光合作用效果較好。

2.4秸稈還田方式對玉米全量養(yǎng)分含量的影響

如表6所示，各處理從拔節(jié)期開始，植株全氮、全磷和全鉀含量迅速增加，在吐絲期達到最大值，至成熟期時植株養(yǎng)分含量有所下降，籽粒養(yǎng)分含量增加，說明營養(yǎng)器官養(yǎng)分積累主要是在吐絲期以后。成熟期，SDPR和SPR的植株及籽粒中全氮、全磷、全鉀含量與CK相比差異顯著（P<0.05），與CK相比，植株全氮含量分別增加14.94%、14.29%，全磷含量分別增加36.84%、29.82%，全鉀含量分別增加17.99%、265%;籽粒全氮含量分別增加34.58%、22.43%，全磷含量分別增加57.63%、50.85%，全鉀含量分別增加57.81%、3906%?？梢姡斩掃€田處理對籽粒養(yǎng)分積累具有重要促進作用。

2.5秸稈還田方式對產(chǎn)量性狀的影響

如表7所示，各處理穗粗差異不顯著，禿尖長和百粒質(zhì)量差異較大，與CK相比，SDPR和SPR能明顯降低果穗禿尖長度，提高百粒質(zhì)量，禿尖長分別比CK降低57.14%、28.57%，百粒質(zhì)量分別增加8.40%、4.80%。產(chǎn)量結(jié)果表現(xiàn)為SDPR>SPR>SCR>CK，與CK相比，3種處理產(chǎn)量分別提高10.57%、9.66%、4.02%。

2.6秸稈還田方式對水分利用效率的影響

如表8所示，SDPR處理下玉米水分利用效率最高，每消耗1 mm水可生產(chǎn)玉米33.64 kg/hm2，其次為SPR和SCR處理，每消耗1 mm水分別可生產(chǎn)玉米33.50、30.83 kg/hm2，CK水分利用率最低，為29.97 kg/（hm2·mm）。這主要是由于秸稈還田有助于保持土壤水分，提高玉米對水分的吸收利用，因此水分有效利用率較高，而CK處理在干旱少雨情況下易導致土壤水分流失，使作物對水分吸收利用率降低。

3討論

根系是作物對營養(yǎng)物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化和貯藏的重要器官，其生長的好壞直接影響地上部生長及產(chǎn)量的形成[19]。戰(zhàn)秀梅等研究表明，秸稈還田能夠改善土壤理化環(huán)境，有利于養(yǎng)分積累，促進作物根系生長，尤其到了生育中后期，玉米深層根系根長顯著提高[20]，本研究結(jié)果與此研究結(jié)果一致。與CK相比，3種秸稈還田處理下的根條數(shù)、根長、根系活力及根干質(zhì)量普遍明顯提高，且秸稈深翻還田效果更好，這主要是由于深翻能夠打破堅硬的犁底層，建立了合理的耕層結(jié)構(gòu)，有利于根系延伸以吸取更多的水分和養(yǎng)分，加之還田后的秸稈釋放出更多營養(yǎng)物質(zhì)，更能滿足作物根系及地上部生長要求[21]。

本研究中，秸稈深翻還田、秸稈旋耕還田和秸稈覆蓋還田提高了植株葉片光合速率、蒸騰速率及群體光合勢，有利于玉米氮、磷、鉀元素和干物質(zhì)的積累，進而提高產(chǎn)量。解文艷等研究發(fā)現(xiàn)，在東北地區(qū)，秸稈連續(xù)多年還田下產(chǎn)量增幅為8.33%～16.19%[22]，本試驗結(jié)果與之基本一致。由于本試驗區(qū)位于半干旱區(qū)且秸稈還田年限為2年，因此產(chǎn)量增幅較東北地區(qū)平均值偏低。馬立婷研究表明，秸稈還田具有顯著的增產(chǎn)效果，且秸稈深翻效果更顯著[23]。本研究結(jié)果表明，與CK相比，秸稈深翻還田、秸稈旋耕還田和秸稈覆蓋還田產(chǎn)量分別提高10.57%、9.66%、4.02%。

本研究中，秸稈深翻還田、秸稈旋耕還田和秸稈覆蓋還田處理下的水分利用效率分別比CK提高12.25%、11.78%、2.87%，這與張麗等的研究結(jié)果[24-25]一致，說明秸稈還田對提高干旱、半干旱地區(qū)土壤保墑蓄水能力作用明顯。

4結(jié)論

秸稈還田對半干旱區(qū)春玉米生長特性、產(chǎn)量及水分利用效率具有重要影響，尤其在玉米生育中后期，與秸稈不還田相比，還田處理能夠增加根條數(shù)、根長及根干質(zhì)量，增強根系活力，顯著增加植株干質(zhì)量、葉面積、光合速率和群體光合勢等，同時促進植株及籽粒中養(yǎng)分積累，進而提高玉米產(chǎn)量及水分利用效率。而由于還田方式不同，產(chǎn)生的作用效果又有所差異。綜合各項指標來看，秸稈深翻還田對保證半干旱區(qū)春玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)效果最佳。

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