春小麥秸稈還田對后茬玉米干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應*

殷 文,陳桂平, 郭 瑤, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范 虹, 于愛忠, 趙 財, 柴 強

春小麥秸稈還田對后茬玉米干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應*

殷 文?,陳桂平?, 郭 瑤, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范 虹, 于愛忠, 趙 財, 柴 強**

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 蘭州 730070)

干物質(zhì)是作物光合作用產(chǎn)物的最高形式, 其積累動態(tài)特性與籽粒產(chǎn)量有密切關(guān)系, 研究前茬作物不同秸稈還田方式對后茬地膜覆蓋作物地上干物質(zhì)積累特性與產(chǎn)量形成的影響, 對優(yōu)化作物高產(chǎn)高效栽培理論和技術(shù)具有重要意義。本研究通過田間試驗, 在干旱內(nèi)陸灌區(qū)研究了前茬春小麥不同秸稈還田方式(免耕秸稈覆蓋還田, NTM; 免耕秸稈立茬還田, NTS; 傳統(tǒng)翻耕秸稈還田, CTS; 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田, CT, 對照)對后茬玉米地上干物質(zhì)積累規(guī)律及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應。結(jié)果表明: 前茬春小麥免耕秸稈還田(NTM, NTS)提高了后茬玉米地上干物質(zhì)最大增長速率和干物質(zhì)平均增長速率, 延遲了干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)的時間, 以NTM處理作用效果最明顯, 較CT玉米地上干物質(zhì)最大增長速率和干物質(zhì)平均增長速率分別提高5.7%、11.2%, 玉米地上干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)時間延遲3.4 d, 差異達顯著水平(<0.05)。NTM、NTS處理可長時間保持后茬玉米相對較高的地上干物質(zhì)積累速率, 有效延緩吐絲至灌漿期后茬玉米地上干物質(zhì)積累速率的降低, 維持較長的地上干物質(zhì)積累期, 提高完熟期地上干物質(zhì)積累量, NTM和NTS較CT處理玉米收獲期地上干物質(zhì)積累量分別提高11.3%和9.9%(<0.05)。NTM、NTS和CTS比CT處理分別增產(chǎn)15.6%、13.0%和7.8%, 以NTM處理增產(chǎn)幅度較大, 較CTS增產(chǎn)7.3%(<0.05), 增產(chǎn)的主要原因為穗數(shù)、穗粒數(shù)及粒重的協(xié)同提高。通過關(guān)聯(lián)矩陣分析表明, 通過優(yōu)化前茬春小麥秸稈還田方式影響后茬玉米穗數(shù)來調(diào)控群體大小, 進而協(xié)調(diào)穗粒數(shù)與粒重, 通過三者相互協(xié)調(diào)發(fā)展可實現(xiàn)增產(chǎn)。因此, 前茬春小麥免耕25~30 cm覆蓋秸稈還田(NTM)是典型干旱內(nèi)陸灌區(qū)優(yōu)化后茬玉米干物質(zhì)積累特性及獲得高產(chǎn)的理想耕作措施。

小麥秸稈還田; 地膜覆蓋; 玉米; 干物質(zhì)積累; 產(chǎn)量形成; 綠洲灌區(qū)

玉米()作為糧飼兼用作物遍布世界各地, 在保障糧飼供應安全方面發(fā)揮著重要作用[1]。與小麥()、水稻()等糧食作物相比, 玉米具有很強的耐貧瘠性及環(huán)境適應性[2], 再加上玉米生產(chǎn)機械化水平高、人力資源投入相對較少, 使得農(nóng)民大面積連年種植玉米, 導致病蟲害、早衰早熟問題日益突顯, 逐步影響玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。輪作倒茬可平衡土壤養(yǎng)分, 改善土壤結(jié)構(gòu), 降低病蟲害, 實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[4-5], 將輪作倒茬種植方式集成于玉米栽培體系中是其可持續(xù)生產(chǎn)的重要研究內(nèi)容。已有研究認為, 作物地上干物質(zhì)積累是其產(chǎn)量形成的生物學基礎, 干物質(zhì)積累速率、干物質(zhì)最大增長速率及其出現(xiàn)的時間決定著光合同化物對籽粒形成的貢獻和產(chǎn)量水平[6-7]。作物干物質(zhì)積累動態(tài)受諸多農(nóng)藝措施的影響, 諸如, 覆蓋措施[8]、耕作方式[9]、施肥制度[7]等, 其中優(yōu)化耕作與覆蓋措施可通過改善土壤水熱特性[10], 調(diào)控作物干物質(zhì)積累動態(tài)[6]。秸稈還田、地膜覆蓋因可操作性強, 常常作為調(diào)控農(nóng)田土壤水熱特性的主要措施[10]。秸稈還田結(jié)合少免耕技術(shù)具有抑制土壤無效蒸發(fā)、保墑蓄水、調(diào)節(jié)土壤溫度、培肥地力等優(yōu)點[11], 但也存在降低作物生育初期表層土壤溫度, 延緩出苗乃至生長發(fā)育等缺點[12]。地膜覆蓋通過保墑蓄水、提高表層土壤溫度, 改善水熱狀況, 促進作物生長發(fā)育而提高產(chǎn)量[13-14], 但在高溫季節(jié), 傳統(tǒng)單一的地膜覆蓋容易造成作物根區(qū)極高的土壤溫度, 遠遠超出玉米正常生長發(fā)育的土壤溫度閾值, 導致其根系及葉片早衰而降低產(chǎn)量[15]。干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)嚴重缺水, 春、秋熱量不足但夏季炎熱, 在“非膜不植”的玉米栽培背景下, 亟待研發(fā)弱化單一地膜覆蓋造成地表極端高溫弊端的理論與技術(shù)。

縱觀作物生長發(fā)育規(guī)律及光合同化物的積累動態(tài), 基于干物質(zhì)積累速率、干物質(zhì)最大增長速率及其出現(xiàn)的時間對產(chǎn)量形成影響的研究主要集中于種植方式與施氮制度[7], 而在不同覆蓋措施下的研究相對較少。為此, 本研究在西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)將前茬春小麥秸稈還田與地膜覆蓋同時組裝在玉米生產(chǎn)中, 探究前茬春小麥不同秸稈還田方式對后茬地膜覆蓋玉米全生育期地上干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應, 研發(fā)特定管理措施下, 與區(qū)域特定自然資源和地方農(nóng)戶生產(chǎn)習慣相吻合的高效種植制度, 以期為相似區(qū)域內(nèi)發(fā)展高產(chǎn)、高效、可持續(xù)玉米生產(chǎn)技術(shù)提供支撐, 對推動特定作物可持續(xù)生產(chǎn)具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2010—2012年在典型的干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)甘肅省武威市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心-甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地進行。該基地位于甘肅省武威市涼州區(qū), 屬寒溫帶干旱氣候, 多年平均氣溫約7.3 ℃,≥10 ℃年平均積溫2 985 ℃; 年日照時數(shù)2 945 h, 多年平均降水量低于200 mm, 年蒸發(fā)量高達2 400 mm, 是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤類型為灌漠土, 土層厚約120 cm, 土壤容重1.57 g·cm-3, 耕層0~30 cm土層全氮含量0.68 g·kg-1、全磷1.41 g·kg-1、有機質(zhì)14.31 g·kg-1。該區(qū)是玉米、春小麥的主要生產(chǎn)區(qū)域, 播種面積占糧食作物總面積的一半以上, 以傳統(tǒng)深翻耕、連作生產(chǎn)為主, 土壤退化嚴重。

1.2 試驗設計

在同一塊田塊, 2009年和2011年種植春小麥, 2010年和2012年在相同小區(qū)種植玉米, 形成“春小麥-玉米”輪作模式。在2009年和2011年春小麥成熟收割時, 設置4種春小麥秸稈還田處理方式: 免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田(NTM)、免耕25~30 cm秸稈立茬還田(NTS)、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田(CTS)、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT), 翌年撒施底肥, 旋耕后鎮(zhèn)壓、耙耱、覆蓋地膜后穴播玉米, 形成4個處理, 各處理3次重復, 小區(qū)面積48 m2, 裂區(qū)排列。本文涉及2010年和2012年后茬玉米地上干物質(zhì)積累與產(chǎn)量形成的相關(guān)指標。

供試玉米品種為‘武科2號’, 播種密度為82 500 株·hm-2, 覆膜栽培。2010年度與2012年度, 玉米播種日期分別為4月12日和4月20日, 收獲日期分別為9月28日和10月2日。玉米施肥及灌溉制度如表1所示。

表1 玉米栽培的施肥與灌溉制度

1.3 測定指標和計算方法

玉米地上干物質(zhì)積累量: 自玉米苗期開始, 每隔約2周, 每小區(qū)在同一地膜覆蓋帶內(nèi)隨機取樣, 苗期取樣10株, 隨著玉米植株的增大至拔節(jié)期之后每次取樣5株, 于105 ℃下殺青1 h后在80 ℃恒溫烘干至恒重, 稱重后根據(jù)基本苗換算每小區(qū)的干物質(zhì)積累量。

采用Logistic方程通過回歸分析擬合玉米地上干物質(zhì)積累動態(tài), 并計算其最大干物質(zhì)積累速率及最大積累速率出現(xiàn)的時間[16]。

式中:Y為單位土地面積上玉米地上部干物質(zhì)積累量(kg·hm-2),為玉米出苗后的天數(shù),為最大地上部干物質(zhì)積累量(kg·hm-2),為最初的增長速率(d-1),50為玉米出苗后最大增長速率出現(xiàn)的天數(shù)(d)。當Y=/2時, 增長率達最大值, 因此, 最大增長率max=(×)/4出現(xiàn)在50。

式中:1、2、3分別表示實測數(shù)據(jù)的始點、中點、終點時間,1、2、3分別表示在始點、中點、終點測定時間對應的干物質(zhì)積累量。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素: 玉米達到生理成熟時, 按小區(qū)測定有效穗數(shù)并收獲, 測定穗粒數(shù), 通過谷物水分測定儀(PM-8188)測定玉米籽粒水分含量, 以13%的谷物含水量為基準進行計產(chǎn)并計算千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理、匯總、圖表制作、灰色關(guān)聯(lián)矩陣分析, 使用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件進行相關(guān)性分析并通過回歸分析擬合Logistic方程, 運用Duncan及LSD方法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 后茬覆膜玉米地上干物質(zhì)積累特征對前茬春小麥秸稈還田方式的響應

2.1.1 干物質(zhì)積累量動態(tài)

兩個試驗年份, 前茬春小麥秸稈還田對后茬覆膜玉米苗期至拔節(jié)期(出苗后0~30 d)地上干物質(zhì)積累量的影響不顯著(圖1)。拔節(jié)期至大喇叭口期(30~60 d), 前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田(NTM)、免耕25~30 cm秸稈立茬還田(NTS)、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田(CTS)處理下后茬玉米平均干物質(zhì)積累量較傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(CT)處理分別提高32.8%、27.5%和14.7%(<0.05), 以免耕秸稈還田(NTM, NTS)處理提高幅度較大, 比CTS分別高15.2%和20.0%(<0.05), 說明前茬春小麥秸稈還田結(jié)合免耕有利于促進后茬玉米生育前期光合同化物的積累。大喇叭口期至抽雄期(60~75 d), 前茬春小麥不同秸稈還田處理下后茬玉米干物質(zhì)積累量均顯著增加, NTM處理玉米地上干物質(zhì)積累量較CT處理提高9.4%(<0.05)。抽雄期至吐絲期(75~90 d), NTM與NTS處理較對照CT玉米地上干物質(zhì)積累量分別增加10.5%與6.0%(<0.05), NTM較NTS高4.8%(<0.05)。吐絲至灌漿期(90~120 d), 與CT相比, NTM、NTS處理玉米地上干物質(zhì)積累量分別增加10.7%和5.7%, NTM較NTS增加4.3%(<0.05)。由于灌漿期之后NTS處理玉米生長較快, 到蠟熟至完熟期(135~150 d) NTS與NTM處理玉米的地上干物質(zhì)積累量相當, 完熟期NTM、NTS、CTS較CT處理玉米地上干物質(zhì)積累量分別提高11.2%、9.9%和4.3%(<0.05), NTM、NTS較CTS處理分別提高6.7%和5.4%(<0.05)。縱觀整個生育期, 前茬春小麥秸稈還田結(jié)合免耕可促進后茬玉米的生長發(fā)育, 能夠明顯加快抽雄期之后玉米的地上干物質(zhì)積累, 使其成熟期具有較高的地上干物質(zhì)積累量, 為獲得高產(chǎn)奠定基礎。

圖1 不同春小麥秸稈還田方式下玉米的地上干物質(zhì)積累量動態(tài)

NTM、NTS、CTS、CT分別為前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田、免耕25~30 cm秸稈立茬還田、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(對照); 圖內(nèi)數(shù)值表示每個測定時間的LSD值。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. The values in the figure represent the LSD values for each measurement time.

2.1.2 干物質(zhì)積累速率動態(tài)

從2個試驗年度結(jié)果分析可知(圖2), 后茬玉米苗期至拔節(jié)期(出苗后0~30 d)地上干物質(zhì)積累速率對前茬春小麥秸稈還田方式的響應無顯著差異(>0.05)。拔節(jié)期至大喇叭口期(30~60 d), NTM、NTS、CTS處理后茬玉米平均地上干物質(zhì)積累速率較CT分別提高32.1%、27.0%和14.1%(<0.05), 以NTS和NTM處理提高比例較大, 比CTS分別高15.4%和11.0%(<0.05)。隨著生育期的推進, 玉米的地上干物質(zhì)積累速率均顯著增大, 大喇叭口期至抽雄期(60~75 d), NTS處理玉米地上干物質(zhì)積累速率較CT降低7.0%, 但NTM、CTS與CT差異不顯著。抽雄期至吐絲期(75~90 d), 前茬春小麥秸稈還田明顯促進了后茬玉米地上光合同化物的積累, NTM、NTS與CTS較CT處理玉米地上干物質(zhì)積累速率分別增大12.6%、7.7%和7.6%, 增幅達顯著水平(<0.05)。吐絲期之后, 玉米地上干物質(zhì)積累速率逐漸降低, 吐絲至灌漿初期(90~105 d), NTM比CT處理玉米地上干物質(zhì)積累速率高6.3%(<0.05)。灌漿初期至完熟期(105~150 d), 前茬春小麥秸稈還田處理均保持相對較高的玉米地上干物質(zhì)積累速率, NTM、NTS、CTS較CT分別提高20.5%、33.3%、10.6%(<0.05), 其中NTM、NTS比CTS分別提高9.3%、20.7%(<0.05)?？v觀玉米全生育期, 前茬春小麥免耕秸稈覆蓋還田能夠提高后茬玉米拔節(jié)期之后的地上干物質(zhì)積累速率, 延緩吐絲至灌漿期地上干物質(zhì)積累速率的降低, 較傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理保持了較高的地上干物質(zhì)積累速率, 提高了地上干物質(zhì)積累量, 最終獲得高產(chǎn)。

2.1.3 干物質(zhì)最大增長速率及其出現(xiàn)的天數(shù)

前茬春小麥秸稈還田處理下后茬玉米地上干物質(zhì)積累量()依據(jù)出苗后天數(shù)()的動態(tài)過程均可用Logistic方程=/[1+exp(-′)]加以回歸描述(決定系數(shù)2≥0.98,<0.01, 表2)。兩個試驗年份, 均以NTM與NTS處理獲得較高玉米地上部最大干物質(zhì)積累量(), 較CT分別提高12.2%和10.7%(<0.05), 較CTS分別提高7.2%和5.8%(<0.05)。NTS與NTM較CT處理玉米最初干物質(zhì)增長速率()分別降低9.3%和5.8%(<0.05)。說明前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈還田具有降低最初玉米干物質(zhì)增長速率而增大最大干物質(zhì)積累量的作用。

前茬春小麥秸稈還田方式對后茬玉米的地上部最大干物質(zhì)增長速率出現(xiàn)的時間(50)和最大干物質(zhì)增長速率(max)及平均增長速率(mean)影響顯著(表2)。NTM較CT處理提高了玉米的50和max及mean, 提高比例分別為4.2%、5.7%、11.2% (< 0.05), 前茬春小麥秸稈還田處理間差異不顯著。說明前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田延遲了后茬玉米地上干物質(zhì)積累高峰期, 增大其干物質(zhì)最大增長速率, 維持抽雄期之后較長時期的干物質(zhì)積累期, 增加地上部干物質(zhì)積累量, 為后茬玉米高產(chǎn)奠定基礎。

圖2 不同春小麥秸稈還田方式下玉米的干物質(zhì)積累速率動態(tài)

NTM、NTS、CTS、CT分別為前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田、免耕25~30 cm秸稈立茬還田、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(對照); 圖內(nèi)數(shù)值表示每個測定時間的LSD值。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. The values in the figure represent the LSD values for each measurement time.

表2 不同春小麥秸稈還田措施下玉米地上干物質(zhì)積累的Logistic方程回歸分析

NTM、NTS、CTS、CT分別為前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田、免耕25~30 cm秸稈立茬還田、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(對照)。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 probability level.

2.2 前茬春小麥秸稈還田方式對后茬玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2.1 籽粒產(chǎn)量

與對照CT相比, 前茬春小麥秸稈還田顯著提高了后茬玉米的籽粒產(chǎn)量(表3)。NTM、NTS、CTS較CT處理分別增產(chǎn)15.6%、13.0%、7.8%, 以NTM處理增產(chǎn)幅度較大, 較CTS增產(chǎn)7.3%, 增產(chǎn)作用顯著(<0.05)。說明前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田有利于促進后茬玉米的增產(chǎn)效應。

2.2.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素

前茬春小麥秸稈還田顯著提高了后茬玉米的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重(表3)。與對照CT相比, NTM、NTS后茬玉米單位面積穗數(shù)分別提高19.6%和10.8%(<0.05)。NTM、NTS較CT玉米穗粒數(shù)分別增加65.8%、62.6%(<0.05), CTS較CT玉米穗粒數(shù)增加43.4%(<0.05), 以NTM和NTS處理穗粒數(shù)增加幅度較大, 比CTS處理分別高15.6%與13.4%。NTM、NTS較CT玉米千粒重分別提高9.2%、7.8%(<0.05)?？傊? 3種春小麥秸稈還田處理中, 均以NTM處理玉米籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素最高。因此, 前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田是后茬玉米獲得高產(chǎn)的適宜栽培措施。

2.3 玉米籽粒產(chǎn)量與其產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)度分析

為探明不同產(chǎn)量構(gòu)成因子對玉米籽粒產(chǎn)量的影響程度, 由不同產(chǎn)量構(gòu)成因子與其籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性分析可知, 前茬春小麥秸稈還田下后茬玉米籽粒產(chǎn)量與其穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)(表4), 說明可通過優(yōu)化前茬春小麥秸稈還田方式協(xié)調(diào)同步提高后茬玉米單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重的正效應來提高其籽粒產(chǎn)量。由玉米不同產(chǎn)量構(gòu)成因子與其籽粒產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度分析可知, 前茬春小麥秸稈還田影響后茬玉米籽粒產(chǎn)量的主導因素為穗數(shù), 其次為粒重, 最后為穗粒數(shù), 說明通過優(yōu)化前茬春小麥秸稈還田方式影響后茬玉米穗數(shù)來調(diào)控群體大小, 進而協(xié)調(diào)穗粒數(shù)與粒重, 通過三者相互協(xié)調(diào)發(fā)展可實現(xiàn)增產(chǎn)。

表3 不同春小麥秸稈還田方式下玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

NTM、NTS、CTS、CT分別為前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田、免耕25~30 cm秸稈立茬還田、傳統(tǒng)翻耕25~30 cm秸稈還田、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田(對照)。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 probability level.

表4 玉米籽粒產(chǎn)量與其產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)度分析

**表示0.01水平下顯著相關(guān)。** indicates significant correlations at 0.01 probability level.

3 討論

3.1 作物干物質(zhì)積累特征對秸稈還田的響應

干物質(zhì)是作物光合作用的產(chǎn)物, 其積累量與作物籽粒產(chǎn)量形成密切相關(guān)[6]。增加作物地上部干物質(zhì)積累量會直接或間接地促進生物產(chǎn)量和粒重的增加, 為作物獲得較高籽粒產(chǎn)量奠定生物學基礎[17]?？v觀整個作物生長發(fā)育過程, 生殖生長期大部分地上干物質(zhì)積累主要用于籽粒的形成, 營養(yǎng)生長期貯存于葉片和莖稈中的光合產(chǎn)物所占比例較小[18]。因此, 促進營養(yǎng)生長期莖、葉生長的同時, 加強作物生殖生長期生長至關(guān)重要, 即作物生育前期擴源后期壯穗。許多研究表明, 作物地上部的生長動態(tài)過程受多種農(nóng)藝措施的調(diào)控, 諸如灌水制度[19]、施肥制度[7]、耕作及覆蓋措施[6]等優(yōu)化作物地上干物質(zhì)的積累過程是作物獲得高產(chǎn)的重要方式之一, 其中優(yōu)化耕作與覆蓋措施可通過改善土壤水熱特性而有效調(diào)控作物地上干物質(zhì)積累動態(tài)[10]。本研究中, 前茬春小麥秸稈還田結(jié)合免耕可促進后茬玉米拔節(jié)期之后的生長發(fā)育, 能夠明顯加快玉米抽雄期之后的地上干物質(zhì)積累, 確保成熟期獲得較高的地上干物質(zhì)積累量, 為其獲得較高籽粒產(chǎn)量奠定基礎。前茬春小麥免耕秸稈覆蓋還田前期較低的土壤溫度利于玉米根系生長[20], 不利于地上部生長發(fā)育, 造成后茬玉米拔節(jié)期及其之前較低的地上干物質(zhì)積累量及積累速率。而拔節(jié)期之后, 免耕秸稈還田下后茬玉米的地上干物質(zhì)積累量及積累速率明顯高于傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理, 特別是吐絲期之后提高幅度更大, 這是因為玉米吐絲期之后, 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田地膜覆蓋在玉米開花灌漿期造成玉米根區(qū)極端高的土壤溫度[10,15], 以及生育前期較高的土壤溫度加快玉米生長造成水分養(yǎng)分過度消耗, 后期水分養(yǎng)分供應不足, 導致后期單一地膜覆蓋玉米根系及葉片發(fā)生早衰, 降低光合作用而減小地上干物質(zhì)積累量及積累速率;而前茬春小麥免耕秸稈還田玉米生育后期適宜的土壤溫度, 以及玉米生育前期生長慢, 水分養(yǎng)分消耗少, 剩余水分養(yǎng)分通過“錯期分配”滿足玉米生育后期旺盛生長的水分養(yǎng)分需求, 增大其吐絲期之后的地上干物質(zhì)積累量及積累速率[21], 特別是在玉米灌漿末期至成熟期仍然保持較高的地上干物質(zhì)積累速率, 說明前茬春小麥免耕秸稈還田方式下后茬玉米增產(chǎn)主要發(fā)生在生育后期, 因此, 在玉米生產(chǎn)田間管理中, 可通過優(yōu)化栽培措施, 維持并增強玉米生育后期的地上干物質(zhì)積累而實現(xiàn)高產(chǎn)。

本研究還發(fā)現(xiàn), 前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田(NTM)后茬玉米群體地上干物質(zhì)積累量最大, 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田玉米成熟期群體地上干物質(zhì)積累量最小。其主要原因是前茬小麥收獲后傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田, 土壤裸露保水效應差, 造成后茬玉米生育期內(nèi)可利用的土壤水分相對較少[10]; 另外, 傳統(tǒng)處理玉米生育前期土壤溫度較高, 生長發(fā)育與秸稈還田處理相當, 水分養(yǎng)分消耗多, 造成籽粒灌漿期水分養(yǎng)分不足, 以及該措施在玉米開花灌漿期造成根區(qū)極端高溫, 導致根系及葉片早衰, 影響生育后期光合產(chǎn)物的形成, 降低灌漿速率[10,21], 從而造成地上部干物質(zhì)最大增長速率相對較低和成熟期地上干物質(zhì)積累量相對較小, 而NTM處理則及時彌補抽雄期至灌漿期的水分養(yǎng)分虧缺及極端高溫的不利影響, 顯著提高地上干物質(zhì)積累速率, 延遲葉片衰老, 維持較長時間的地上干物質(zhì)積累時間, 加速營養(yǎng)器官光合產(chǎn)物向生殖器官籽粒中的運轉(zhuǎn)[2,20], 促進籽粒灌漿, 從而獲得高產(chǎn)。

Logistic方程能夠準確反映作物地上干物質(zhì)積累的動態(tài)狀況, 已有研究認為玉米地上部干物質(zhì)積累速率與秸稈還田密切相關(guān)[22], 并證實群體地上干物質(zhì)積累最大速率與其產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子有緊密的聯(lián)系。本研究發(fā)現(xiàn), 前茬春小麥秸稈還田方式對后茬玉米地上干物質(zhì)積累Logistic擬合方程產(chǎn)生極顯著影響, 造成這種差異的主要原因是不同秸稈還田方式對玉米特定生育時期地上干物質(zhì)積累速率的影響不同。前茬春小麥免耕秸稈還田較傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理提高了后茬玉米的地上最大干物質(zhì)增長速率, 延緩了地上最大干物質(zhì)增長速率出現(xiàn)的時間, 說明前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈還田延遲了后茬玉米地上部干物質(zhì)積累高峰期, 增大其地上部干物質(zhì)最大增長速率, 維持抽雄期之后較長時期的干物質(zhì)積累時間, 增加其地上部干物質(zhì)積累量, 為后茬玉米獲得較高籽粒產(chǎn)量奠定基礎。另外, 不同的秸稈還田方式形成不同的土壤理化特性, 如土壤水熱特性[10]、團粒結(jié)構(gòu)[23]及有機質(zhì)含量[23]等變化均影響玉米生育期內(nèi)的光合生理特性及關(guān)鍵酶活性[24-25], 最終影響地上部干物質(zhì)的積累動態(tài)和籽粒產(chǎn)量形成。

3.2 秸稈還田對作物籽粒產(chǎn)量形成的調(diào)控效應

本研究發(fā)現(xiàn), 與試區(qū)農(nóng)戶習慣生產(chǎn)模式傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田相比, 前茬春小麥免耕秸稈覆蓋與立茬還田下后茬玉米均獲得較高籽粒產(chǎn)量, 且二者差異不顯著, 說明試區(qū)玉米生產(chǎn)中通過集成輪作倒茬、秸稈還田、免耕措施可獲得良好的增產(chǎn)效應。前茬春小麥免耕秸稈還田方式下后茬玉米顯著增產(chǎn)的原因在于: 第一, 前茬春小麥秸稈還田及免耕優(yōu)化了土壤理化特性[23], 為后茬玉米生育后期生長提供了良好的土壤水熱環(huán)境[10]; 第二, 前茬春小麥秸稈還田后茬玉米的生長速率高于傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田, 各營養(yǎng)器官的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及對籽粒產(chǎn)量的貢獻均高于傳統(tǒng)耕作無秸稈還田[6], 特別是前茬春小麥免耕秸稈覆蓋還田(NTM)處理尤為突出; 第三, 前茬春小麥秸稈還田使得后茬玉米吐絲期之前干物質(zhì)主要分配在葉片、莖稈、葉鞘中, 而吐絲期之后主要轉(zhuǎn)向穗部籽粒灌漿, 其中, NTM處理在玉米吐絲期之前促進了地上干物質(zhì)在各營養(yǎng)器官的積累, 而吐絲期之后又促進了穗部籽粒灌漿而獲得高產(chǎn)[6]。相反, 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理產(chǎn)量較低的原因為: 第一, 由于傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理單一的地膜覆蓋往往造成玉米吐絲開花至灌漿期根區(qū)極端高溫, 導致其根系及葉片早衰而形成較低的籽粒產(chǎn)量[10]; 第二, 秸稈還田可增加土壤有機質(zhì)含量[26-27], 傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田處理可能由于植株體內(nèi)養(yǎng)分不足和“源”與“庫”關(guān)系不協(xié)調(diào), 表現(xiàn)為營養(yǎng)“源”向籽?！皫臁鞭D(zhuǎn)移光合產(chǎn)物相對較少, 進而降低籽粒產(chǎn)量[6]。

禾谷類作物獲得高產(chǎn)是其產(chǎn)量構(gòu)成因子相互協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果[28]。試區(qū)傳統(tǒng)玉米生產(chǎn)采用地膜覆蓋, 其增產(chǎn)的主要原因是穗粒數(shù)的增加, 主要體現(xiàn)在抽雄及雌穗分化發(fā)育階段[29]。優(yōu)化耕作方式通過增加群體平均葉面積指數(shù)、平均凈同化率、穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重, 通過產(chǎn)量性能參數(shù)的差異補償機制實現(xiàn)玉米增產(chǎn)[30]。本研究發(fā)現(xiàn), 前茬春小麥免耕秸稈還田方式下后茬玉米的穗數(shù)明顯多于其他處理, 主要是提高了玉米的雙穗率[31], 可能因為前茬春小麥免耕秸稈還田明顯提高了后茬玉米農(nóng)田土壤水分含量,降低了后茬玉米開花吐絲期土壤溫度, 為其穗部形成及籽粒灌漿奠定了基礎[32]; 而傳統(tǒng)耕作無秸稈還田地膜覆蓋玉米的穗數(shù)明顯少于免耕秸稈還田, 可能因為單一的地膜覆蓋玉米開花吐絲期, 較低的土壤含水量與較高的土壤溫度[20], 降低了生育后期的葉面積指數(shù)及光合勢[21], 減弱光合速率, 從而降低成穗率。通過玉米籽粒產(chǎn)量與其產(chǎn)量構(gòu)成因子的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)度分析表明, 前茬春小麥免耕秸稈還田增強后茬玉米增產(chǎn)的主要原因在于產(chǎn)量三要素的協(xié)同提升, 通過優(yōu)化前茬春小麥秸稈還田方式影響后茬玉米穗數(shù)來調(diào)控群體大小, 進而協(xié)調(diào)穗粒數(shù)與粒重, 通過三者相互協(xié)調(diào)發(fā)展而實現(xiàn)增產(chǎn)。

4 結(jié)論

干旱綠洲灌區(qū)前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈還田可顯著提高后茬玉米地上部干物質(zhì)最大增長速率, 增大其地上部干物質(zhì)平均增長速率, 延遲地上部干物質(zhì)最大增長速率出現(xiàn)的時間。前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈還田可較長時間維持后茬玉米相對較高的地上部干物質(zhì)積累速率, 有效延緩吐絲至灌漿期玉米干物質(zhì)積累速率的降低, 優(yōu)化干物質(zhì)的積累特性, 提高完熟期干物質(zhì)積累量。前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈還田有利于提高后茬玉米籽粒產(chǎn)量, 其中春小麥免耕25~30 cm高茬收割秸稈覆蓋還田的增產(chǎn)效應更強, 其高產(chǎn)主要歸因于免耕秸稈覆蓋還田協(xié)同提高后茬玉米單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重。因此, 前茬春小麥免耕25~30 cm秸稈覆蓋還田是干旱內(nèi)陸灌區(qū)優(yōu)化后茬玉米干物質(zhì)積累特性及獲得高產(chǎn)的適宜耕作措施。

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Responses of dry matter accumulation and yield in a following maize crop to spring wheat straw returning*

YIN Wen?, CHEN Guiping?, GUO Yao, FAN Zhilong, HU Falong, FAN Hong, YU Aizhong, ZHAO Cai, CHAI Qiang**

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Dry matter accumulation is the highest form of photosynthetic products in crops, and its accumulation dynamic characteristics are closely related to grain yield. Therefore, it is important to identify the effects of different straw retention methods on dry matter accumulation and crop yield with plastic film mulching. In this study, a field experiment was carried out in a typical irrigated inland region with an arid climate, to determine the characteristics of the above-ground dry matter accumulation and the yield of maize under different retention methods of straws of the preceding spring wheat. The treatments were: no-tillage with long spring wheat straw mulched in the field (NTM), no-tillage with spring wheat straw standing in the field (NTS), conventional tillage with long spring wheat straw incorporated into the soil (CTS), and conventional tillage without straw retention (CT). The results showed that the NTM and NTS treatments increased the maximum and the mean dry matter accumulation rate and delayed the emergence time of the maximum dry matter accumulation rate of maize. The NTM treatment had the most obvious effect. Compared to CT, the NTM treatment significantly increased the maximum and mean dry matter accumulation rate of maize by 5.7% and 11.2%, respectively. The emergence time of the maximum dry matter accumulation rate underh NTM was delayed by 3.4 days (<0.05). The NTM and NTS treatments maintained a high dry matter accumulation rate, effectively delaying the decline of dry matter accumulation rate for maize from the silking to filling stage. This prolonged the duration of dry matter accumulation and increased the amount of dry matter accumulation at the maturing stage. Compared to CT, NTM and NTS treatments significantly increased the dry matter accumulation of maize at the harvest stage by 11.3% and 9.9% (<0.05), respectively. The grain yield of maize was 15.6%, 13.0%, and 7.8% higher in NTM, NTS, and CTS treatments than in CT treatment (<0.05). The most significant effect on improved yield was from NTM treatment, which was 7.3% higher than that of CTS (<0.05). The main reason for the increased yield was the combined increase in spike numbers, grain numbers per spike, and 1000-grain weight. Correlation matrix analysis showed that the population size of following maize could be regulated by optimizing the previous spring wheat straw returning methods, which affected the growth and yield characteristics. Our results showed that the NTM (no-tillage with spring wheat straw mulch) is the most appropriate cultivation method to optimize dry matter accumulation and obtain high yields of maize in an arid inland irrigation region.

Wheat straw retention; Plastic film mulching; Maize; Dry matter accumulation; Yield formation; Oasis irrigation area

S341; S141

10.13930/j.cnki.cjea.200164

殷文, 陳桂平, 郭瑤, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范虹, 于愛忠, 趙財, 柴強. 春小麥秸稈還田對后茬玉米干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(8): 1210-1218

YIN W, CHEN G P, GUO Y, FAN Z L, HU F L, FAN H, YU A Z, ZHAO C, CHAI Q. Responses of dry matter accumulation and yield in a following maize crop to spring wheat straw returning[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1210-1218

*甘肅省干旱生境作物學重點實驗室開放基金(GSCS-2019-03)、國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研項目(201503125-3)和甘肅農(nóng)業(yè)大學伏羲青年人才培育項目(GAUFX-03Y10)資助

柴強, 從事多熟種植、循環(huán)農(nóng)業(yè)、保護性耕作技術(shù)與理論研究。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

? 同等貢獻者: 殷文, 從事節(jié)水農(nóng)業(yè)研究, E-mail: yinwentx@126.com; 陳桂平, 從事多熟種植研究, E-mail: chengp@gsau.edu.cn

2020-03-05

2020-05-02

* This study was supported by the Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science (GSCS-2019-03), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503125-3), andthe Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (GAUFX-03Y10).

? Equiavlent contributors

, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

Mar. 5, 2020;

May 2, 2020