免耕直播下秸稈還田方式對夏玉米苗期生長的影響

王韋韋 吳曉芳 王晴晴 李兆東 張春嶺 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥230036;2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，合肥230036)

0 引言

黃淮海平原是中國夏玉米主要種植區(qū)。隨著保護性耕作技術(shù)的大力推廣，免耕機械直播成為夏玉米主要種植方式，具有省工省時、蓄水保墑、節(jié)本增效的優(yōu)點［1-3］?；幢逼皆靥廃S淮海平原南部，夏季雨熱同步，土壤質(zhì)地黏重，易發(fā)生旱澇漬害。加之前茬小麥秸稈還田量大，播種機作業(yè)壅堵，造成后期苗質(zhì)弱、群體整齊度差。適宜的種床秸稈處理方式能夠保證播種的順暢性，改善種床土壤平整效果，調(diào)節(jié)水溫平衡，抑制種溝積水澇漬，且促進苗期生長［4-6］。

在秸稈殘茬覆蓋影響免耕播種機作業(yè)質(zhì)量方面，國內(nèi)外學(xué)者們采用了不同形式的防堵技術(shù)與機具［7-12］，以解決播種順暢性的問題。而不同防堵方式會產(chǎn)生不同的種床土壤環(huán)境，相關(guān)研究表明，種床土壤環(huán)境(土壤平整度、土壤膨松度及土壤墑情、秸稈覆蓋量等)對播種質(zhì)量起著重要作用［13-14］。文獻［15 -16］初步探究了油菜精量聯(lián)合直播機作業(yè)后廂面平整效果與田間出苗均勻性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)廂面平整效果與油菜出苗質(zhì)量呈正相關(guān)。趙宏波等［17］研究了不同機械化秸稈還田方式對種床土壤物理性質(zhì)和小麥生長的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田方式可不同程度地提高種床土壤含水率和土壤大團聚體含量等。MITCHELL 等［18］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋還田與免耕播種有助于提高土壤有機質(zhì)含量，對作物出苗率、出苗時期有顯著影響。張衛(wèi)衛(wèi)等［19］綜合土壤作業(yè)質(zhì)量及作物生理特征指標分析，發(fā)現(xiàn)機械化作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵障礙因子影響由大到小為土壤平整度、土壤秸稈覆蓋量、耕深、肥藥用量，說明種床土壤平整效果對作物苗期群體形態(tài)特性影響很大。

免耕機械直播夏玉米時，不同結(jié)構(gòu)形式的防堵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同土壤-秸稈復(fù)合地貌的種床?，F(xiàn)有研究多集中于防堵機構(gòu)的設(shè)計及不同秸稈還田方式的效應(yīng)，對免耕播種方式下種床土壤環(huán)境與玉米苗期形態(tài)特征的影響研究較少。本文選取淮北平原砂姜黑土區(qū)夏玉米為研究對象，對免耕播種方式下不同防堵裝置處理秸稈產(chǎn)生種床地貌與苗期群體生長情況進行研究，以期為砂姜黑土易澇漬區(qū)夏玉米免耕直播優(yōu)選適宜的種床秸稈處理方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在安徽省宿州市埇橋區(qū)灰古鎮(zhèn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖北綜合試驗站(116°97'E、33°63'N)實施，土壤類型為砂姜黑土，前茬處理為小麥秸稈全量覆蓋還田，麥收后留茬高度為30 ～40 cm，秸稈覆蓋量為0.82 ～1.24 kg/m2。實地測量3 ～10 cm 下土壤硬度為8.8 ～22.5 kg/cm2、土壤含水率為13.6% ～35.5%。其中近5 年6—10 月平均氣溫為31.4、32.68、31.8、26.6、21.8℃，平 均 降 雨 量 為111、240.9、120.6、80.9、51.2 mm。

1.2 試驗設(shè)計

供試品種選用安農(nóng)591，供試機型選用安裝不同防堵方式的玉米免耕播種機，其中播種單體均為勺輪式結(jié)構(gòu)。試驗共設(shè)置4 個處理，分別為條帶淺耕防堵(ST-X)、側(cè)拋覆秸防堵(SMT-Y)、條帶立式淺耕防堵(ST-Z)和條帶深松破茬(SST)，各防堵裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，播后種床秸稈處理效果如圖2 所示。其中條帶淺耕防堵(ST-X)利用繞X 軸方向動力驅(qū)動旋耕刀切斷、粉碎種行的秸稈、疏松種床土壤，4 行免耕播種機種肥開溝器正前方各安裝一套;側(cè)拋覆秸防堵(SMT-Y)利用繞Y 軸方向動力驅(qū)動撥指將麥秸和殘茬拋向播種機兩側(cè)，形成秸稈覆蓋的種床環(huán)境，免耕播種機全幅寬進行秸稈側(cè)拋覆蓋;條帶立式淺耕防堵(ST-Z)利用繞Z 軸方向動力驅(qū)動立式旋耕刀淺耕、旋切破茬，以期實現(xiàn)只切土、不拋土的目的，安裝于施肥開溝器正前方;條帶深松破茬(SST)利用被動式雙圓盤開溝器進行破茬深松打破犁底層改善土壤結(jié)構(gòu)。試驗于2018 年6月18 日播種，10 月15 日收獲，試驗前對4 款不同防堵形式的玉米免耕播種機施肥量、排種株距(25 mm)、行距(600 mm)調(diào)定一致，每個處理播種面積為1.0 ×104hm2。各處理播期、基肥配比量、澆水、田間管理等措施均一致。

圖1 不同結(jié)構(gòu)形式防堵裝置Fig.1 Different structure forms of anti-blocking device

圖2 免耕播種機作業(yè)后不同種床秸稈處理情況Fig.2 Different treatments of soil-straw-seedbed after operation of no-tillage planter

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1 種床土壤平整效果

土壤平整度和橫向最大垂直高度差是評價種床土壤平整效果的重要指標。利用前期自制的耕作土壤溝形測量系統(tǒng)對種床土壤橫向高低落差進行掃描測量［20］。參照GB/T 5668—2008 規(guī)定的試驗方法，每個處理下選取3 個區(qū)域的種床土壤微地貌進行掃描。計算其種床土壤垂直高度標準差SMN和橫向最大垂直高度差Δh，以m 個行程的標準差平均值表示該區(qū)域的土壤平整度，其計算式為

式中 hi，j——任意掃描點到基準面垂直距離，mm

m——被測區(qū)域縱向掃描點數(shù)

n——被測區(qū)域橫向掃描點數(shù)

1.3.2 不同葉齡期形態(tài)參數(shù)

由于種床積水淹澇對苗期玉米生育進程的影響很大，各處理葉齡期的玉米形態(tài)特征差異隨生育進程的推進逐漸減少［21］。玉米苗期階段包括播種—三葉期、三葉期—拔節(jié)2 個進程，本文播種后間隔7 d 測定1 次苗期特征參數(shù)，分別于2018 年6 月28日、7 月5 日、7 月12 日進行觀察取樣，每個處理在不同葉齡期采集20 株玉米植株，挖出后清除土塊，并帶回實驗室用水清洗。用直尺和游標卡尺進行特征參數(shù)測量，主要包括葉齡、株高、莖粗和根系長度。

1.3.3 苗期群體整齊度

根據(jù)每個處理隨機選定20 株測量玉米植株高度并記錄，則苗期群體整齊度Q 計算式為

其中

式中 di——苗期玉米株高，mm

d——玉米株高平均值，mm

Sd——玉米株高標準差，mm

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 進行試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理，SPSS 22.0 軟件進行顯著性和相關(guān)性分析，OriginPro 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種床土壤平整效果

種床土壤平整效果直接或間接影響玉米播深穩(wěn)定性變異系數(shù)及后期群體生長發(fā)育［22-23］。土壤平整度和橫向最大垂直高度差越小，表明種床土壤波動起伏越小，即平整效果越佳，可為玉米發(fā)芽以及生長提供良好的種床環(huán)境;反之，土壤平整度和橫向最大垂直高度差越大，種床土壤平整效果越差，在一定程度上不利于播種質(zhì)量，降雨量一致的情況下，橫向高低起伏越大的區(qū)域越易積水，影響土壤中含氧量，容易造成根系發(fā)育不良。

由圖3 可以看出(圖中某一測量區(qū)域4 種秸稈處理方式的不同小寫字母表示差異顯著，下同)，4 種免耕直播防堵方式對種床土壤平整效果存在顯著差異。其中每個處理下的3 個區(qū)域(Q1、Q2、Q3)種床土壤平整度與橫向最大高度差變化趨勢基本上一致，從大到小依次為SST、ST-X、ST-Z、SMT-Y，依照種床土壤平整效果由好到壞依次為SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。與被動式種床處理的SST 相比，ST-X、SMT-Y、ST-Z 的種床土壤平整度平均值分別降低7.67、16.33、11.00 mm;在3 個驅(qū)動式種床秸稈處理中，SMT-Y、ST-Z 在3 個測量區(qū)域相對于ST-X 種床土壤平整度和橫向最大高度差均顯著降低，其中SMT-Y 處理的土壤平整效果最好，較ST-X 土壤平整度和橫向最大高度差平均值分別降低8.66、57.67 mm，較ST-Z分別降低5.33、21.34 mm。

圖3 不同秸稈處理方式下種床土壤平整效果Fig.3 Surface flatness effect of seedbed under different straw treatment methods

2.2 秸稈還田方式對苗期形態(tài)特征的影響

播種后3 個時間點進行取樣測量，每個時間點測量的20 個幼苗樣本葉片數(shù)的平均值計為各處理的葉齡期。圖4 為各處理不同葉齡期苗期形態(tài)特征測量對比結(jié)果。條帶立式淺耕播種(ST-Z)在6 月28 日葉齡期有顯著的生長優(yōu)勢;7 月12 日的4 個處理間苗期的葉齡、莖粗、單株根系長度顯著性差異降低;在此之前呈現(xiàn)出種床土壤平整效果越差，苗期形態(tài)特征指標越差。

圖4 不同種床秸稈還田方式苗期形態(tài)測量統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of morphological measurement under different treatments of straw in seedbed

由圖4 可以看出，4 個處理間株高、單株根系長度顯著性差異順序一致，由大到小依次為ST-Z、ST-X、SMT-Y、SST。其中條帶深松破茬(SST)在3葉期到7 葉期的株高、莖粗及單株根系長度顯著小于其他3 個驅(qū)動式防堵種床秸稈處理。葉齡為3 葉期時，ST-Z 處理的株高最大，其次是ST-X 與SMT-Y處理，分別比SST 處理高27.8%、17.0%、1.8%。7葉期左右時，ST-X、SMT-Y、ST-Z 處理間的株高差異不顯著;4 個處理之間莖粗差異不顯著;單株根系長度SST 分別比ST-Z、ST-X、SMT-Y 處理低35.0%、16.8%、6.7%。由圖4b、4d 可知，3 種驅(qū)動式防堵處理中，葉齡從3 葉期至5 葉期過程中，ST-Z 相對于ST-X 的株高相對增幅由8.4%降至2.5%、單株根系長度相對增幅由13.4% 降至3.4%;相對于SMT-Y 的株高相對增幅由20.3%降至3.6%，單株根系長度相對增幅由20.9%降至4.5%。分析表明，免耕直播下種床秸稈還田方式對玉米苗期形態(tài)特征有顯著性差異，隨著苗期生育進程的推進各處理間苗期的葉齡、莖粗、單株根系長度顯著性差異逐漸降低，且驅(qū)動式防堵種床秸稈處理(ST-X、SMT-Y、ST-Z)苗期株高特征顯著優(yōu)于條帶深松處理(SST)。

2.3 秸稈還田方式對苗期群體整齊度的影響

圖5 玉米苗期長勢與種床土壤平整度效果對比Fig.5 Comparison of maize seedling growth and fitting surface of planting-strip flatness effect

苗期群體整齊度與夏玉米后期產(chǎn)量有極顯著相關(guān)性［24-25］。圖5 為7 月5 日葉齡期各處理田間玉米苗情長勢與種床土壤平整效果擬合曲面，其中側(cè)拋覆蓋(SMT-Y)處理的種床土壤平整度和橫向最大高度差分別為1.47、7.82 cm，4 個處理中種床土壤平整效果最佳;而SST 處理的種床土壤平整度和橫向最大高度差分別為3.52、14.3 cm，其土壤橫向高低起伏落差大，種床平整效果較差。由圖5 可知，采用免耕驅(qū)動式防堵ST-X、SMT-Y、ST-Z 處理的苗情長勢明顯優(yōu)于SST 處理，且該處理種床土壤平整效果最差。4 個處理下各區(qū)域的平均株高及群體整齊度如表1 所示，取Q1、Q2、Q3區(qū)域測量的平均值作為各處理下的苗期形態(tài)特征值，SST 處理苗期形態(tài)特征指標最差，田間苗期群體整齊度由大到小依次為SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。其中ST-X、SMT-Y、ST-Z、SST 的苗期平均群體整齊度分別為87.28%、94.04%、93.12%、82.94%，3 種免耕驅(qū)動式防堵處理相較于SST 分別提高4.34、11.10、10.18 個百分點。其中SMTY 在驅(qū)動式防堵處理下的苗期群體整齊度最高，與ST-X 處理之間存在顯著性差異，其次是ST-Z 處理。

表1 玉米苗期群體整齊度統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of population uniformity of maize seedling

2.4 種床土壤平整效果與苗期群體整齊度的相關(guān)性

為了進一步分析種床土壤平整效果與玉米苗期群體整齊度之間的關(guān)系，利用OriginPro 8.5 對其關(guān)系進行函數(shù)擬合，結(jié)果如圖6 所示。在相同田間管理條件下，隨著種床土壤平整效果變差，玉米苗期株高穩(wěn)定性變異系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢，具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，其中群體整齊度(Q)與種床土壤平整度(SMN)、橫向最大垂直高度差(Δh)的線性擬合模型函數(shù)決定系數(shù)均在0.9 以上，各處理位于同一田塊且氣溫和降雨量一致，SMN、Δh 與Q 之間均呈極顯著負相關(guān)，播種幅寬內(nèi)種床土壤平整度和橫向最大垂直高度差越大，其種溝土壤地貌波動起伏差異越明顯，導(dǎo)致同一區(qū)域的土壤水分穩(wěn)定性、溫濕差異大，出現(xiàn)大小苗現(xiàn)象。反之種床土壤平整度和橫向最大垂直高度差越小，其種溝土壤起伏差異越小，即種溝平整效果好，播深穩(wěn)定性變異系數(shù)小，因此土壤水分穩(wěn)定性、溫濕差異不明顯，出苗的整齊度隨之提高。

3 討論

圖6 種床土壤平整效果與苗期群體整體度的相關(guān)性Fig.6 Correlation between surface flatness effect of seedbed and population uniformity of seedling stage

種床土壤平整效果是影響種-肥播深穩(wěn)定性及夏玉米苗期生長發(fā)育的一個重要因素。本文研究結(jié)果表明，機械化免耕直播方式下4 種防堵裝置處理對種床土壤平整效果依次為側(cè)拋覆秸防堵(SMTY)、條帶立式淺耕防堵(ST-Z)、條帶淺耕防堵(ST-X)、條帶深松破茬防堵(SST)。其中條帶深松處理的土壤平整度和橫向最大垂直高度差明顯高于繞X、Y、Z 軸淺旋的3 種驅(qū)動式防堵處理。由于各處理位于同一田塊且氣溫和降雨量一致，土壤平整度與橫向最大垂直高度差越大，其種床土壤坑洼不平、種溝土壤起伏差異越明顯，導(dǎo)致洼地積水澇漬、同一區(qū)域溫濕差異大的現(xiàn)象，進而影響夏玉米苗期生長發(fā)育。苗期研究結(jié)果表明，夏玉米免耕機直播下種床土壤平整效果越佳，苗期群體整齊度越高，這與張青松等［26］的廂面平整效果有助于提高播種出苗質(zhì)量結(jié)論一致。其原因可能是秸稈覆蓋量、土壤平整效果影響種床區(qū)域性水分入滲、蒸發(fā)差異性大［27］。其中苗期群體整齊度由大到小依次為SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST，良好的種床土壤平整效果可以提高播種機作業(yè)播種深度穩(wěn)定性，種帶土壤平整度和橫向最大垂直高度差與苗期群體整齊度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01，R2＞0.9)，此結(jié)果與張祥彩等［28］、解文艷等［29］研究結(jié)果一致。葉齡在3 葉期時，各處理間株高、莖粗、單株根系長度由大到小依次為ST-Z、ST-X、SMT-Y、SST，因為驅(qū)動撥指繞Y 軸方向?qū)⒎N床前方全幅寬秸稈進行側(cè)拋覆蓋，而繞X、Z 軸方向驅(qū)動立式、臥式旋切刀對種帶秸稈清潔后鎮(zhèn)壓覆秸，較ST-X、ST-Z 處理，SMT-Y 處理下種床秸稈覆蓋量太大，玉米種子發(fā)芽后突破秸稈層需要一定的時間，這與文獻［30 -31］研究結(jié)果相吻合。此外采用立式淺耕防堵(ST-Z)較其他3 種處理在一定程度上提高了種帶土壤平整效果，增強了夏玉米苗期的整齊度、莖粗及根系長度等。4 種免耕防堵種床處理方式中，側(cè)拋覆秸防堵(SMT-Y)處理下種床土壤平整效果最明顯，且苗期群體整齊度最佳，但是苗期的平均株高、莖粗和根系長度最低，因此建議優(yōu)先選用條帶防堵機構(gòu)將種帶內(nèi)的秸稈清除，并疏松、平整種床土壤，減少種床秸稈覆蓋含量，以達到較優(yōu)的種床環(huán)境。

根據(jù)上述研究，夏玉米免耕直播下不同秸稈還田處理方式種床土壤平整效果對玉米苗期生長特性具有顯著影響，有利于優(yōu)選適宜的防堵機構(gòu)，保證種床土壤環(huán)境。后續(xù)研究中應(yīng)進一步開展在降雨、日照等外界因素條件下不同種床土壤平整效果對土壤溫度、土壤水分、土壤養(yǎng)分等差異性分析，進而分析免耕直播方式對種床土壤環(huán)境影響機制。

4 結(jié)論

(1)夏玉米免耕機直播后SMN、Δh 與Q 之間均呈線性顯著負相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01)，決定系數(shù)分別為0.963 和0.914。即隨著種床土壤平整效果變差，玉米苗期株高穩(wěn)定性變異系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢，其群體整齊度從大到小依次為SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。側(cè)拋覆秸防堵(SMT-Y)處理苗期群體整齊度最高，但是苗期的平均株高、莖粗和根系長度均最低。

(2)夏玉米葉齡從3 葉期至7 葉期，免耕直播處理的株高、莖粗、單株根系長度顯著高于條帶深松處理。3 個驅(qū)動式防堵免耕播種處理中，ST-Z 在3葉期到5 葉期的株高和單株根系長度顯著大于STX、SMT-Y，隨著生育進程的推進，各處理葉齡期的玉米形態(tài)特征差異顯著性降低。

(3)苗期群體整齊度、苗壯(株高、莖粗、單株根系長度等)特征分析表明，條帶立式淺耕防堵(STZ)的免耕播種方式較優(yōu)，能夠有效改善土壤平整效果，提供清潔種帶，有利于提高播深穩(wěn)定性及抑制種溝積明水，是砂姜黑土易澇漬區(qū)夏玉米免耕直播適宜的種床秸稈處理方式。