秸稈還田方式對半干旱區春玉米生長特性、產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春玉米生長特性、產量及水分利用效率的影響。結果表明，苗期SCR處理的根條數、根長、根干質量均高于其他3種處理;拔節期SPR和SDPR處理的根條數、根系活力、根干質量均與CK差異顯著（P<0.05）;吐絲期和成熟期，除根干質量外，各項指標表現為SDPR>SPR>SCR>CK;植株莖稈干質量和葉面積表現為秸稈還田處理>CK，且從苗期開始差異顯著（P<0.05）;拔節期至吐絲期，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分含量最高。產量和水分利用效率表現為SDPR>SPR>SCR>CK，較CK產量分別提高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玉米生長、提高產量及水分利用效率效果最佳。

關鍵詞：秸稈還田;半干旱區;春玉米;生長特性;產量;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（農業）科研專項經費項目（編號：201503116-02）;國家重點研發計劃子課題（編號：2016YFD070030103）;國家現代農業產業技術體系建設項目（編號：CARS-02）;黑龍江省農業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業微生物研究。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的第一大作物，該區是黑龍江省玉米主產區之一，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，產生的秸稈量超過775萬t[1]。每年玉米收獲后，多數秸稈被農民就地焚燒，既浪費資源，又對生態環境造成嚴重影響[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，提高產量[8-10]。因此，采用適宜的秸稈還田方式是解決半干旱區秸稈問題并實現該區玉米穩產的重要技術手段。

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，系統分析不同還田方式對春玉米生長動態、光合作用、養分利用、產量及水分利用效率的影響，以期為黑龍省西部半干旱區選擇合適的還田方式，促進玉米可持續發展奠定重要基礎。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院試驗基地（123°41′46″E，47°16′26″N）進行，該區屬于松嫩平原西部半干旱區，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。采用大區對比，大區面積為0.33 hm2，秸稈還田處理均為連續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面積為頂，挖60 cm深的規則土柱，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，并折算成標準含水量（14%）的產量，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

生長動態測定：根條數、莖粗、株高、葉面積等指標直接測量;根長測定采用網格交叉法，根長=11/14×交叉點數×網格單位[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];植株干質量和根干質量測定采用烘干法，105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質量。

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。

產量性狀測定：穗長、穗粗、行粒數、禿尖長、百粒質量直接測定;籽粒產量（按14%標準水折算，kg/hm2）=粒質量÷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數據處理

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

2結果與分析

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、根長、根系活力及根干質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、根長和根干質量均高于其他3種處理;拔節期SPR和SDPR處理的根條數、根系活力和根干質量與CK相比差異顯著（P<0.05）;吐絲期和成熟期，除根干質量外，各項指標均表現為SDPR>SPR>SCR>CK;這主要是由于拔節期前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，因此根系較為發達，而CK處理土壤水分蒸發量較大，導致土壤含水率降低，進而影響玉米根系生長。到了吐絲期，秸稈經過一段時間的腐解，產生較多有機質釋放到土壤中，使土壤養分增加，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量和葉面積從苗期開始顯著差異（P<0.05），表現為秸稈還田處理>CK，說明秸稈還田對增加干物質質量和葉面積具有促進作用。根據當年氣候條件，進入拔節期降水量較少，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分，更有利于植株生長發育。與CK相比，成熟期SDPR、SPR和SCR的穗干質量分別增加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育及后期營養物質積累密切相關。研究表明，光照、水分和養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的主要動力，特別是高大的作物，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轉化[18]。如表5所示，光合作用從拔節期開始迅速增強，拔節期—吐絲期光合勢出現最大值，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構和環境，滿足群體生長所需條件，為作物光合產能奠定重要基礎。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分含量的影響

如表6所示，各處理從拔節期開始，植株全氮、全磷和全鉀含量迅速增加，在吐絲期達到最大值，至成熟期時植株養分含量有所下降，籽粒養分含量增加，說明營養器官養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%。可見，秸稈還田處理對籽粒養分積累具有重要促進作用。

2.5秸稈還田方式對產量性狀的影響

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，提高百粒質量，禿尖長分別比CK降低57.14%、28.57%，百粒質量分別增加8.40%、4.80%。產量結果表現為SDPR>SPR>SCR>CK，與CK相比，3種處理產量分別提高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

根系是作物對營養物質吸收轉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量的形成[19]。戰秀梅等研究表明，秸稈還田能夠改善土壤理化環境，有利于養分積累，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]，本研究結果與此研究結果一致。與CK相比，3種秸稈還田處理下的根條數、根長、根系活力及根干質量普遍明顯提高，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構，有利于根系延伸以吸取更多的水分和養分，加之還田后的秸稈釋放出更多營養物質，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、鉀元素和干物質的積累，進而提高產量。解文艷等研究發現，在東北地區，秸稈連續多年還田下產量增幅為8.33%～16.19%[22]，本試驗結果與之基本一致。由于本試驗區位于半干旱區且秸稈還田年限為2年，因此產量增幅較東北地區平均值偏低。馬立婷研究表明，秸稈還田具有顯著的增產效果，且秸稈深翻效果更顯著[23]。本研究結果表明，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果[24-25]一致，說明秸稈還田對提高干旱、半干旱地區土壤保墑蓄水能力作用明顯。

4結論

秸稈還田對半干旱區春玉米生長特性、產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、根長及根干質量，增強根系活力，顯著增加植株干質量、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分積累，進而提高玉米產量及水分利用效率。而由于還田方式不同，產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春玉米穩產增產效果最佳。

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