貴州春玉米產量構成要素和養(yǎng)分積累及利用效率對不同秸稈還田和耕作方式的響應

謝婷婷，肖厚軍，陳云梅，胡 崗，秦 松，趙倫學，何成興，趙 歡

(1.貴州省農業(yè)科學院土壤肥料研究所/農業(yè)部貴州耕地保育與農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴陽 550006；2.貴州大學農學院，貴陽 550006；3.黔西縣農牧局，貴州 黔西 553000；4.云南省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205)

【研究意義】貴州每年玉米種植面積約67萬hm2，玉米產量占糧食總產量的28%左右[1]，每年產生大量的秸稈資源，而這些玉米秸稈得不到有效利用被農民就地焚燒，不僅造成了秸稈資源的巨大浪費，還對大氣和環(huán)境造成嚴重污染[2]。秸稈還田是秸稈資源利用最有效的方法之一[3]。秸稈中含有豐富的C、N、P以及K等大量元素以及中微量元素，能夠增加土壤微生物的數量和質量，提高土壤肥力，從而增加作物產量，同時減少化肥的施用[4-6]，秸稈還田既利用了每年產生的大量秸稈資源，又可改土培肥增加作物產量。通過耕作可改善土壤理化性質，提高土壤肥力，秸稈還田與耕作方式是培肥土壤促進作物生長的兩項重要的農藝措施[7]。因此，研究秸稈還田結合不同耕作方式二者的交互作用對玉米生長及土壤肥力具有重要意義。【前人研究進展】慕平等[8]研究發(fā)現，多年連續(xù)全量玉米秸稈還田能夠有效提高土壤0～30 cm土層的有機質、全氮、速效N、全氮和速效K的含量，并且有利于后期玉米對養(yǎng)分的吸收，改善玉米產量構成要素，提高產量。謝貴佳等[9]對春玉米的研究發(fā)現，秸稈還田提高了玉米莖稈和籽粒的N、P和K吸收量。衛(wèi)曉軼等[10]在耕作方式及秸稈還田對夏玉米的研究中指出，不同耕作方式加秸稈還田能夠顯著提高夏玉米灌漿后期的百粒重和干物質量。【本研究切入點】已有大量研究表明，耕作方式與秸稈還田在對小麥、玉米等糧食作物有顯著的增產作用[11-13]，但在貴州黃壤區(qū)關于秸稈還田與耕作方式對春玉米交互影響的研究卻鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】在貴州黃壤區(qū)分析研究秸稈還田結合不同耕作方式對春玉米產量、養(yǎng)分吸收量、玉米干物質積累及土壤理化性質的影響，為指導黃壤區(qū)合理的秸稈還田和優(yōu)化耕作方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年3月27日至9月11日在黔西縣觀音洞鎮(zhèn)黃泥村(105°9′E，26°83′N)進行。供試土壤前茬作物為玉米，冬季休閑，土壤類型為貴州典型地帶粘性黃壤，pH 5.1、有機質21.7 g/kg、全氮2.2 g/kg、全磷0.9 g/kg、全鉀15.2 g/kg、堿解氮159.5 mg/kg、有效磷23.5 mg/kg、速效鉀143.0 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試秸稈為玉米秸稈，其N、P、K含量分別為13.67、6.01和29.1 g/kg。供試肥料包括復合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]，尿素(N 46%)，過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。供試玉米品種為黔審品種盛農3號，由貴州省畢節(jié)市盛農種業(yè)有限責任公司提供。

1.3 試驗設計

采用單因素隨機區(qū)組試驗設計，共5個處理，每處理3次重復，每試驗小區(qū)面積30 m2。處理1(T1)：前茬秸稈不還田+旋耕整地(CK)；處理2(T2)：前茬秸稈粉碎+旋耕還田；處理3(T3)：前茬秸稈粉碎地表覆蓋+免耕整地；處理4(T4)：前茬秸稈整稈+旋耕還田；處理5(T5)：前茬秸稈整稈地表覆蓋+免耕整地。秸稈還田處理方法：將秸稈粉碎或截成5～10 cm小段，整稈還田不需粉碎。秸稈還田量為15 000 kg/hm2；基肥施復合肥525 kg/hm2和過磷酸鈣75 kg/hm2，50～60 d追施尿素255 kg/hm2，氯化鉀51 kg/hm2。種植密度為5萬株/hm2，玉米整個生育期管理措施按照一般生產田進行。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 玉米生物性狀、產量和產量構成要素的測定 收獲期每重復選取6株玉米進行考種，采用卷尺測定玉米株高、穗長、穗位高和禿尖，采用游標卡尺測定莖粗和穗粗，數出穗行數及行粒數；收獲期測玉米產量；籽粒含水量用谷物水分測定儀(LD-1G)測定，玉米脫粒風干后測籽粒干質量和百粒質量，計算玉米籽粒產量。

1.4.2 植株干物質積累和養(yǎng)分含量的測定 在玉米收獲期，將玉米植株分為莖、葉和籽粒，稱鮮質量后放入烘箱中于105 ℃殺青30 min，85 ℃恒溫烘干稱質量，粉碎過篩采用H2SO4-H2O2消煮，全自動凱氏定N儀(K1100)測定全氮含量，鉬銻抗吸光光度法測定全氮含量，火焰光度法測定全鉀含量。

1.4.3 土壤理化性質的測定 在玉米收獲期取土壤表土層 0～20 cm的土壤，采用四分法取樣品進行土壤理化性質的測定。pH采用電位法(水土比2.5∶1.0)；有機質采用外加熱重鉻酸K容量法測定；全氮采用全自動凱氏定N儀(K1100)測定；全氮采用鉬銻抗吸光光度法測定；全鉀采用火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.4.4 肥料利用率計算 NPK肥料偏生產力(kg/kg)= 施NPK肥后作物產量/施NPK肥量

NPK收獲指數(%)=籽粒肥料NPK吸收量/植株NPK肥料總吸收量

NPK肥料吸收效率(%)=(植株NPK肥料吸收量/肥料施N用量)×100%

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據基本運算(平均值±標準差),用SPSS 22進行顯著性檢驗(差異顯著P<0.05)，用Origin Pro 2015制圖。

2 結果與分析

2.1 玉米的產量及產量構成要素

2.1.1 產量 由圖1可知，與T1(CK)相比，各處理產量提高594～1840 kg/hm2，增幅為6.9%～21.39%，以T2產量最高，達10 444 kg/hm2，其次是T4，為10 073 kg/hm2，二者間差異不顯著，但均顯著高于CK，T2、T3和T4間無顯著差異，表現為T2>T4>T3，表明旋耕還田的耕作方式比免耕的增產效果好，秸稈粉碎還田比整稈還田效果好；T5與T3和T4間差異不顯著，表現為T4>T3>T5，表明秸稈整桿加旋耕還田二者交互作用的增產效果優(yōu)于秸稈粉碎加免耕還田。

圖1 不同處理玉米的產量

2.1.2 產量構成要素 由表1可知，不同秸稈還田方式和耕作方式對玉米產量構成要素有不同影響，與對照相比，玉米穗長均顯著增加，以T3最長，達21.34 cm，比對照增加4.04 cm，T3與T4間無顯著差異。玉米穗粗以T2最粗，達64.62 mm，其次是T3，為60.9 5 mm，二者間無顯著差異；各處理與對照相比，除T5外差異均達顯著水平。不同處理對玉米禿尖無顯著影響，以T3最優(yōu)，為1.67 cm。不同處理對玉米穗行數均有影響，穗行數以T2、T3最多，達17行，T5最少，為15行；T2、T3顯著高于與T5，T1～T4間差異不顯著。不同的處理對玉米行粒數影響有所不同。行粒數以T5最多，為44粒；T1和T4最少，均為41粒；T5顯著高于T3、T4和T1，與T2間差異不顯著。玉米百粒重T2顯著高于其他處理，為35.17 g，比T1增加23.84%。產量構成要素較優(yōu)的處理，產量也相對較高。

表1 不同處理玉米的產量構成要素

2.2 玉米的生物性狀

由表2所示，不同秸稈還田方式以及耕作方式不同對玉米生物性狀有不同的影響。玉米株高各處理間差異不顯著，以T4最高，為2.42 m，T5最矮，為2.30 m。玉米莖粗以T2最粗，為27.91 mm，對照提高7.15 mm，增幅34.44%，且與各處理間差異達顯著水平。玉米穗位以T4最高，為101.24 cm，顯著優(yōu)于其他處理；其次是T5，為95.57 cm，顯著高于T1、T2和T5；T2最低，為84.9 cm,與其他處理間差異顯著。

表2 不同處理玉米的生物性狀

2.3 玉米各部位的干物質積累量

由圖2可知，玉米各部位的干物質量總體表現出籽粒>莖>葉，秸稈還田方式和耕作方式可顯著提高玉米的干物質量。與T1相比，秸稈還田處理的總干重提高15.98%～50.40%，總干重以T2最高，達26 383 kg/hm2；玉米莖稈的干物質量以T2最高，為7712 kg/hm2，顯著高于T1和T5，T2、T3和T4間無顯著差異；葉干物質量以T2最高，其次是T4，分別為7979和7741.5 kg/hm2，二者差異不顯著，但均顯著高于對照；籽粒的干物質量同樣以T2最高，達10 692 kg/hm2，占總干重的40.53%，顯著高于T1和T5，與T3、T4間無顯著差異，表現出T2>T4>T3。表明秸稈還田加耕作方式能夠促進玉米干物質的積累，顯著提高玉米干物質質量。

圖2 不同處理玉米各部位的干物質質量

2.4 玉米各部位對N、P、K養(yǎng)分的吸收量

由圖3可知，不同秸稈還田方式和耕作方式能顯著提高玉米各部位N、P、K的養(yǎng)分吸收量，玉米對養(yǎng)分的吸收表現為N>K>P。玉米葉和籽粒對N的吸收量最多，玉米葉以T5最高，為70.37 kg/hm2，比T1增加21.9 kg/hm2，且差異達顯著水平，但除T1外，其他處理間無顯著差異；玉米籽粒以T2 N吸收量最高，為150.28 kg/hm2，占整株的62.73%；玉米莖、葉、籽粒中N吸收量對總吸收量的貢獻率分別為10.08%～14.47%、30.52%～34.92%和55.99%～62.73%。玉米莖對P和K的吸收量最多，其中P以T2最高，為40.83 kg/hm2，與T1相比高75.84%，占整株的81.86%，顯著高于T1，但與T3無顯著差異；K以T4最高，為86.57 kg/hm2，比T1高66.8%，占整株的58.98%，且差異達顯著水平，T2、T3和T4間差異不顯著；玉米莖、葉、籽粒中K吸收量對總吸收量的貢獻率分別為49.43%～58.98%、37.79%～42.74%和12.58%～12.66%。

圖3 不同處理玉米各部位的養(yǎng)分吸收量

2.5 玉米N、P、K肥的利用率

由表3可知，N、P、K的偏生產力均以T2最高，分別比T1提高21.38%、21.39%和21.39%，且差異均達顯著水平；T2、T3、T4間差異不顯著，表現為T2>T4>T3；N、P、K偏生產力以P的最高。N收獲指數表現為T2>T4>T1>T5>T3，除T2外，其他各處理間無顯著差異；P收獲指數以T2最高，為8.89%，其次是T4，為8.67%，二者間無顯著差異；K收獲指數T2顯著高于T3、T4和T5，為12.67%，N、P、K收獲指數中以N的最高，其次是K。吸收效率表現為K>N>P，N的吸收效率以T2最高，其次是T4，二者間無顯著差異;P的吸收效率以T4最高，為58.27%，與T2和T3相比無顯著差異；K的吸收效率表現為T3>T4>T5>T2>T1，除T1外，其他各處理間無顯著差異。

表3 不同處理玉米N、P、K肥料的利用效率

2.6 玉米產量與籽粒養(yǎng)分吸收量的相關性分析

由表4可知，玉米產量與籽粒N、P和K之間的相關系數均為正值，表明若保持其他因素不變，提高N、P和K中任何一個因素都會影響玉米產量。產量與N(r=0.820)、P(r=0.681)和K(r=0.886)的相關性均達極顯著水平，其中產量與K的相關系數大于產量與N和P的相關系數，說明增加玉米對K的吸收量對提高產量的作用最大。以N(x1)、P(x2)和K(x3)為自變量，產量(y)為因變量進行回歸分析，建立與玉米產量(y)的最優(yōu)回歸方程為：y=3331.591-10.089x1+126.962x2+46289x3，回歸相關系數R2=0.812，達極顯著水平。

表4 玉米產量與籽粒N、P、K的相關性

2.7 玉米產量與籽粒養(yǎng)分吸收量之間的通徑分析

由表5可知，玉米產量與籽粒N、P和K的直接通徑系數表現為K>P>N，P和K均表現為正值，其中K的直接通徑系數最大，為0.976，說明K對產量的影響表現為較高的正效應；根據間接通徑系數，K通過N和P間接對產量產生作用，間接通徑系數為0.906和0.632，表現為促進作用，說明對于提高玉米產量，要注重玉米對N和P的吸收量，并不只注重對K的吸收。

表5 玉米產量與籽粒N、P、K的通徑系數

3 討 論

籽粒產量大多來自于葉片的光合產物，因此干物質是產量形成的物質基礎[14]，秸稈還田通過促進作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用，從而增加作物產量和干物質積累量[7]。本試驗中，秸稈粉碎旋耕還田顯著增加玉米莖、葉和籽粒的干物質積累量，總體表現出籽粒>莖>葉的趨勢，相比無秸稈還田處理，秸稈還田可使玉米總干物質量提高15.98%～50.4%，這與趙亞麗等[15]的研究結果類似。朱敏等[16]研究發(fā)現，耕作方式與秸稈還田措施對玉米禿尖、穗粗、穗粒數、百粒重和玉米產量的影響存在極顯著的交互作用，秸稈還田旋耕能夠降低禿尖，增加穗長、穗粗和百粒重等玉米產量構成要素等指標，最終增產35.3%。本研究結果表明，相比秸稈不還田，秸稈粉碎旋耕還田能夠顯著增加玉米穗粗、穗行數、行粒數和百粒重，改善玉米的生物性性狀，從而使玉米達到增產的目的，秸稈粉碎與旋耕的交互作用使玉米產量達到10 444 kg/hm2，增產21.39%，這與張宇飛等[17]的研究結果類似。

秸稈還田在其腐解的過程中，可以促進土壤微粒的團聚，改善土壤結構及土壤理化性質，提高土壤肥力[18]。在本研究中，相比秸稈不還田，不同的秸稈還田方式加不同的耕作方式均降低了土壤pH，這可能是由于不同的秸稈還田技術和耕作方式促進了秸稈的分解，因此秸稈腐解狀況也有所不同，而在秸稈分解的過程中會積累酸性分解產物，導致秸稈還田處理pH降低[19]。土壤有機質是衡量土壤肥力的重要指標之一[20]，秸稈粉碎與整稈旋耕還田能夠提高土壤表層有機質、堿解氮和有效P含量，這與伍震威等[21]的研究結果類似，在本試驗中，秸稈粉碎地表覆蓋與免耕還田，土壤的速效K含量最高，這可能是由于秸稈粉碎還田與土壤的接觸面積更大，在腐解過程中可增加土壤酶活性和微生物數量等，激活土壤中N、P和K的養(yǎng)分，從而提高土壤速效養(yǎng)分[22-23]，但同為秸稈粉碎還田處理(T2)的速效K含量卻低于對照，這可能是由于耕作方式或系統(tǒng)誤差所造成。

養(yǎng)分吸收量是玉米產量形成的基礎，其高低決定了玉米產量和肥料利用效率[9]，大多研究[24-26]表明，秸稈還田能夠提高作物對養(yǎng)分的吸收積累。在本試驗中，不同秸稈還田和耕作方式能夠顯著提高玉米各部位N、P和K的養(yǎng)分吸收量，玉米對養(yǎng)分的吸收量表現為N>K>P，本試驗研究結果表明，前茬秸稈粉碎加旋耕還田顯著提高玉米籽粒N素的吸收量，相比無秸稈還田玉米籽粒N素吸收量提高69.01%，這與劉冬碧等[27]和王允青等[28]的研究結果類似，其次是前茬秸稈粉碎加免耕還田玉米籽粒的N素吸收量最高，這表明旋耕比免耕更有助于提高玉米籽粒N素的吸收積累，這可能是由于免耕降低了作物器官N素向籽粒的轉運量，導致作物貪青晚熟所造成[29]。

肥料偏生產力是反應當地土壤肥力和肥料施用量綜合效應的重要指標[30]，本研究中秸稈粉碎和秸稈整秸旋耕還田比其他免耕秸稈還田方式能夠顯著增加N、P和K的偏生產力，這表明秸稈地表覆蓋還田和免耕耕作方式對于肥料利用效率的影響不如旋耕的效果明顯。同時秸稈粉碎旋耕還田對N收獲指數最高，并顯著優(yōu)于秸稈不還田和免耕秸稈還田處理，這可能是由于秸稈還田后，植株葉片硝酸還原酶活性增強，減少了N素在營養(yǎng)器官里的殘留，增加了N收獲指數[31]。在本試驗中，N的吸收效率以旋耕秸稈粉碎還田最高，P的吸收效率以旋耕秸稈整秸還田最高，這說明耕作方式對于提高肥料利用效率起到重要作用，這與馬俊艷等[32]的研究結果類似。

4 結 論

不同耕作方式與秸稈還田二者交互作用對春玉米養(yǎng)分吸收、干物質積累、產量以及土壤肥力有積極作用，且對提高肥料利率有顯著效果，前茬秸稈整秸加旋耕還田能夠提高土壤有機質、堿解氮、有效P以及速效K含量，改善土壤肥力，但綜合來看，玉米前茬秸稈粉碎加旋耕還田更能優(yōu)化玉米產量構成要素和生物性狀等指標，提高玉米各部位對N、P和K養(yǎng)分吸收量，增加其干物質積累量，該處理對玉米產量效應更好。因此，在本試驗條件下，秸稈粉碎加旋耕還田是較為合理的秸稈還田與耕作模式，更適宜貴州黃壤區(qū)春玉米高產栽培。