耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產量的影響

姜英，王崢宇，廉宏利，王美佳，蘇業涵，田平，隋鵬祥，馬梓淇，王英儼，孟廣鑫，孫悅，李從鋒，齊華

耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產量的影響

姜英1，王崢宇1，廉宏利1，王美佳1，蘇業涵1，田平1，隋鵬祥1，馬梓淇1，王英儼1，孟廣鑫1，孫悅1，李從鋒2，齊華1

（1沈陽農業大學農學院，沈陽 110866；2中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081）

【】針對東北春玉米主產區秸稈處理的突出矛盾，優化秸稈還田方式對促進該區農業綠色可持續發展意義深遠。本文研究了耕作和秸稈還田方式對春玉米根系形態及分布特征、干物積累和產量的影響，旨在為該區域耕作措施調整、實現秸稈還田維持耕地農業生產提供理論依據。2017—2018年在遼寧沈陽進行田間試驗，采用二因素隨機區組設計，分別設置秸稈全層翻耕還田（PTS）、秸稈條帶翻耕還田（PSS）、秸稈全層旋耕還田（RTS）和秸稈條帶旋耕還田（RSS）4個處理。分析不同耕作和秸稈還田方式下春玉米根長、根干重及其空間分布、植株地上部干物質積累動態和產量性狀的差異。耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米根長及其分布、根干重和比根長影響顯著。在0—30 cm垂直土層，PTS處理根長2017年和2018年分別高出其他處理7.9%—43.2%和17.3%—41.5%；在30—60 cm垂直土層，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）根長較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）平均高出20.1%和20.3%；以植株為中心，PTS處理距植株0—10 cm的根長分布最高，RTS處理最低。根干重在0—10 cm土層表現為RTS處理最低，PTS、PSS、RSS處理2年平均高出36.5%、59.6%和17.3%。PTS處理在0—20 cm土層2年均具有最高比根長，2017年和2018年較其他處理分別高出8.7%—73.8%和14.3%—44.7%。不同處理根表面積的空間分布差異明顯，PTS和RSS處理在0—30 cm土層具有較高的根表面積，在水平和垂直方向具有更廣的根表面分布。耕作和秸稈還田方式對拔節期、吐絲期和成熟期春玉米地上部干物質積累的影響差異顯著，RTS處理較其他處理降低了拔節期莖鞘和地上部總干物重，平均達15.5%—19.2%；PTS處理成熟期果穗和地上總干物重比其他處理提高3.6%—12.3%和2.7%—12.4%，其次為PSS和RSS處理，RTS處理最低。耕作和秸稈還田方式處理顯著影響春玉米穗數和籽粒產量，與RTS處理相比，PTS、PSS和RSS處理2年產量平均高出8.3%、7.9%和5.8%；RTS穗數2017年和2018年較其他處理顯著降低2.9%—9.1%和7.0%—9.7%。適當的耕作和秸稈還田方式有利于促進作物根系形態發育及耕層空間分布，促進干物質積累和分配特征優化及成熟期干物質向果穗的分配，達到提高春玉米產量的目的，在本研究區域中推薦秸稈條帶翻耕還田方式。

秸稈還田；春玉米；根系分布；籽粒產量

0 引言

【研究意義】我國農作物秸稈產量超過7億噸，其中玉米秸稈占比高達37.5%，而東北三省玉米秸稈約占全國玉米秸稈總產量的20%[1]，因此，如何合理利用東北地區玉米秸稈成為區域農業綠色發展面臨的重大問題。近年來，秸稈直接還田成為東北玉米主產區提升耕地質量、降低生態成本的重要措施[1-2]。東北地區傳統的玉米秸稈還田方式包括深翻秸稈還田、旋耕秸稈還田和秸稈覆蓋還田等，但該區域冬春季節氣溫較低、降水偏少不利于秸稈腐解[3-4]。一方面，秸稈腐解與作物播種和生長同期進行，腐解過程與作物生長存在氮素競爭等問題[5-6]。另一方面，秸稈還田條件下的耕層土壤松散，影響種子發芽（著根）和作物抗倒伏能力[7-8]。因此，在東北春玉米產區突破傳統秸稈還田方式的技術瓶頸，探索適宜的秸稈還田方式對實現區域農業綠色發展具有重要的現實意義。【前人研究進展】實際生產中，秸稈還田過程往往伴隨著相應的耕作措施進行，如秸稈翻耕還田、秸稈旋耕還田等，結合多種耕作形式的秸稈還田措施得到了諸多嘗試和研究[9]。一方面，耕作措施對耕層土壤團聚體結構、土壤滲水能力、土壤養分構成及土壤微生態環境具有重要影響[10-13]；另一方面，不同秸稈還田方式決定了秸稈對耕層土壤物理屬性和腐解過程的影響差異，間接地影響耕層土壤理化性質和微生態環境。研究表明，秸稈還田量（半量、全量等）和還田方式（翻埋、混拌、覆蓋等）決定了秸稈在耕層土壤中的分布狀態和環境，這些因素導致了秸稈還田影響作物生長環境的差異性[4, 14-15]。耕作和秸稈還田方式及其交互效應對作物生產影響的差異性，在作物生長和籽粒產量等方面不盡相同。殷文等[16-17]通過研究河西綠洲灌區不同耕作和秸稈還田方式對小麥和玉米生產的影響，表明小麥前茬免耕高留茬覆蓋較翻耕秸稈高留茬或低茬收割還田，對玉米籽粒產量提高作用顯著，并表現出對干物質積累的促進作用；而玉米前茬少耕秸稈高留茬立茬還田、少耕秸稈高留茬覆蓋還田較翻耕高留茬還田小麥產量提高顯著，說明不同耕作和秸稈還田方式對作物產量的作用效果具有差異性。然而，趙亞麗等[9]在研究黃淮海地區麥-玉輪作系統中耕作和秸稈還田效應發現，較秸稈不還田處理，結合深松和深耕的秸稈還田處理顯著提高了周年作物干物質積累及產量，但深耕和深松秸稈還田的處理間無顯著差異。近來，隋鵬祥等[3]在東北春玉米區對秸稈旋耕和翻耕還田進行比較，研究發現兩者對春玉米籽粒產量及氮素積累無顯著差異，但對地上部干物質積累和氮素轉運具有顯著影響。穆心愿等[18]等認為，秸稈還田對作物生長及產量的影響受到耕作方式、還田方式、氣候條件、土壤類型及其他農藝管理措施等綜合調控，研究結果總體表現出較大的差異性。事實上，耕作和秸稈還田處理調控作物根系發育是影響作物地上部生長和產量形成不容忽視的重要環節。Mu等[19]和You等[20]分別在我國華北和東北地區進行了相關研究，結果表明結合秸稈還田的翻耕或深松耕作處理顯著改善作物根系生長特征，并且不同耕作和秸稈還田方式對作物根系在不同土層中的分布有顯著影響；而Sui等[21]研究也發現，翻耕和旋耕秸稈還田通過調控根系生長進而影響玉米產量。隨著國家一系列鼓勵秸稈還田政策的提出，多種形式的耕作和秸稈還田措施不斷出現。研究發現，秸稈條帶還田能夠改善作物根際水分和養分的空間分布等特點[22-24]。因此，與傳統的全層耕作和秸稈還田方式相比，秸稈條帶還田方式如何影響作物根系生長的空間分布，進而影響作物地上部生長發育及產量形成值得深入研究。【本研究切入點】耕作和秸稈還田方式能夠改善耕層土壤的諸多理化性質，改變耕層土壤中水分、養分等空間分布條件，最終影響作物生長和籽粒產量。由于耕作和秸稈還田方式對春玉米生長及生產仍未能得到一致而系統的結論，在東北春玉米產區秸稈還田大力推行的背景下，不同耕作的秸稈條帶還田與全層還田條件下作物生長特性及產量響應仍值得深入研究。【擬解決的關鍵問題】本研究著眼于東北春玉米主產區的秸稈還田問題，通過研究翻耕和旋耕條件下，全層和條帶秸稈還田方式對春玉米吐絲期根系生長空間分布、干物質積累及作物產量的變化規律，明確春玉米根系構造和物質生產對耕作和秸稈還田方式的響應，以期為東北地區春玉米秸稈還田生產實踐提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017—2018年在沈陽農業大學作物科學試驗基地進行（123°33′E，41°49′N）。該試驗區屬于典型溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫8.7℃，年平均降水量714 mm，全年無霜期155—180 d，一年一熟制，雨養旱作栽培，主要種植作物為春玉米。2017和2018年玉米生長季總降雨量分別為388.4 mm和430.4 mm，玉米生育期的日降水量和平均氣溫變化情況如圖1所示。供試土壤類型為棕壤，0— 20 cm土層基本理化性狀為有機碳10.02 g·kg-1、全氮1.13 g·kg-1、速效磷16.19 mg·kg-1、速效鉀128.11 mg·kg-1、pH 5.60。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素隨機區組設計，耕作處理分為翻耕、旋耕方式，秸稈還田處理分為全層還田和條帶還田方式，試驗共4個處理，分別為秸稈全層翻耕還田（PTS）、秸稈條帶翻耕還田（PSS）、秸稈全層旋耕還田（RTS）和秸稈條帶旋耕還田（RSS）。每個處理設置3次重復，隨機區組排列。試驗小區行長12 m，行寬0.6 m，10行區，小區面積72 m2。2017—2018年均為上季作物收獲后進行耕作與秸稈還田處理，將秸稈粉碎后（5 cm左右）全量還田。全層翻耕和旋耕還田采用機械處理；條帶旋耕秸稈還田為混拌式，而條帶翻耕秸稈還田為翻埋式，在行間分別挖出寬30 cm、深度為15 cm（旋耕）和30 cm（翻耕）的溝槽進行秸稈還田，如圖2所示。供試玉米品種“鄭單958”，種植密度67 500株/hm2。播種時一次性施入氮肥（N）75 kg·hm-2、磷肥（P2O5）75 kg·hm-2和鉀肥（K2O）85 kg·hm-2作基肥，在玉米拔節期追施氮肥（N）150 kg·hm-2，其他病、蟲、草管理按照當地常規方式進行。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤基礎理化性質測定 于2016年秋季試驗前，以“S”形取樣法采集試驗田0—20 cm土壤樣品帶回室內，土樣室內風干后，經研磨并通過20目和100目篩，測定土壤基礎理化性質。土壤有機碳和全氮含量采用元素分析儀（EA 3000）測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用火焰光度法測定[25]；土壤pH采用電子pH計（PHSJ-3F）測定土液比為1﹕2.5浸提液所得[25]。

圖1 2017-2018年作物生育期日降雨量和日平均氣溫變化

PTS：秸稈全層翻耕還田；PSS：秸稈條帶翻耕還田；RTS：秸稈全層旋耕還田；RSS：秸稈條帶旋耕還田。下同

1.3.2 根系取樣及樣品測定 在2017和2018年玉米吐絲期，選取各小區長勢均勻的3株玉米，采用Monilith 3D法收集根系[26]。取樣土體總體積為長60 cm×寬24 cm×深60 cm，然后細分為36個10 cm×24 cm×10 cm的土體，將每個土體中所有根系仔細撿出、去雜后清洗干凈，置于-20℃備測。利用掃描儀（EPSON Perfection V800）進行根系樣品圖片掃描，運用根系分析程序（WinRHI 2.0 Pro 2012）獲得根系相關數據，計算總根長和比根長[23]。分別在0—30 cm和30—60 cm土層測定垂直根長分布；以玉米植株為中心測定距離0—10、10—20及20—30 cm水平根長分布。同時，將掃描完的根系按每10 cm土層分裝收好，置于80℃烘箱內烘干至恒重，使用萬分之一天平稱重。

1.3.3 作物地上部干物質量、產量及產量構成因素 于玉米拔節期、吐絲期和成熟期，每個小區隨機選取長勢一致的3株玉米，進行地上部植株取樣。植株樣品分為葉片、莖鞘、果穗（吐絲期、成熟期），經105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重，測定各部分干物質量。成熟期各小區選取中間3行統計收獲穗數并實收測產，依照計算后的平均穗重，選取10個果穗進行考種，測定穗粒數和百粒重。采用谷物水分測定儀（PM-8188-A）測定籽粒含水量，折算為14%含水量的玉米籽粒產量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理，SPSS 20.0進行處理間方差分析和顯著性檢驗（Duncan），Origin 9.0和Surfer 8.0軟件作圖。

2 結果

2.1 根長及其分布

耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米根系垂直根長分布、水平根長分布和總根長有顯著影響，且兩者交互效應顯著（表1，＜0.05）。從根長垂直分布看，在0—30 cm土層，PTS處理根長顯著高于其他處理，2017和2018年分別高出7.9%—43.2%和17.3%— 41.5%；在30—60 cm土層，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）根長明顯高于秸稈全層還田（PTS和RTS處理），2年平均高出25.2%和12.3%。從根長水平分布可知，根長分布表現為以植株為中心由近及遠遞減，距植株0—10 cm范圍根長分布表現出PTS處理最高，RTS處理最低；與旋耕處理（RSS、RTS）相比，翻耕處理（PSS、PTS）在距植株10—20 cm根長分布2年平均提高了17.0%和9.8%。總根長2年均表現為PTS＞PSS＞RSS＞RTS，2年范圍分別在397.4—535.1 m和649.7—780.9 m，2017年作物在垂直和水平方向的整體根長分布水平低于2018年。

表1 耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米根長及其分布的影響

PTS：秸稈全層翻耕還田；PSS：秸稈條帶翻耕還田；RTS：秸稈全層旋耕還田；RSS：秸稈條帶旋耕還田；T：耕作因素效應；S：秸稈還田方式效應；T×S：耕作與秸稈還田方式交互效應。不同字母表示處理間在＜0.05水平差異顯著。*，**分別表示在0.05，0.01水平差異顯著。下同

PTS: Straw incorporation with full-thickness plough tillage; PSS: Straw incorporation with strip plough tillage; RTS: Straw incorporation with full-thickness rotary tillage; RSS: Straw incorporation with strip rotary tillage; T: tillage factor; S: Straw incorporation approaches factor; T×S: Interaction effects of tillage and straw incorporation approaches. Different letters in the same column indicate significant differences between treatments at 0.05 level. *and** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels. The same as below

2.2 根干物質

耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米不同土層根干重的影響如圖3所示，0—60 cm土層根干重隨著土層深度增加呈遞減趨勢。2017年，各處理對0—60 cm土層根干重有顯著影響（＜0.05）。在0—10 cm土層，RTS處理根干重最低，PTS、PSS、RSS處理分別高出36.5%、59.6%和17.3%，而在20— 60 cm土層PTS處理根干重最高；各處理在0—10 cm和20—60 cm土層每株春玉米根干重為5.16—8.57 g和0.16—2.23 g。2018年，各處理對0—50 cm土層根干重有顯著影響（＜0.05），對50—60 cm土層根干重影響不顯著。與2017年類似，在0—10 cm土層，RTS處理根干重表現最低，PTS、PSS、RSS處理分別高出28.2%、32.4%和23.9%；而在20—60 cm土層，各處理根干重未體現明顯規律；各處理在0—10 cm和20—60 cm土層每株春玉米根干重為7.10—9.39 g和0.23—3.17 g。

2.3 比根長

在0—60 cm各土層，吐絲期春玉米的比根長受耕作和秸稈還田方式影響顯著（＜0.05），隨著土層加深整體呈逐漸增加趨勢（圖4）。在0—10 cm和10—20 cm土層，PTS處理較其他處理顯著提高了比根長（＜0.05），分別達19.8%—73.8%、8.7%— 51.2%（2017）和21.6%—44.7%、14.3%—41.9%（2018）。在20—30 cm土層，秸稈旋耕處理（RSS、RTS）較秸稈翻耕處理（PSS、PTS）顯著降低了比根長，降幅達0.2—1倍。在30—60 cm土層，各處理對春玉米比根長未體現一致的顯著性影響，但PSS和RTS處理在40—60 cm土層表現出較高的比根長，最高分別可達79.3 m·g-1和95.5 m·g-1。

2.4 根表面積

耕作和秸稈還田方式對春玉米吐絲期的根表面積空間分布影響如圖5所示。2017年，在0—30 cm土層，春玉米根系在不同處理下的空間分布差異明顯，RTS處理根表面積最低，在水平方向具有較低的延展；在30—60 cm土層，PTS、RSS處理較RTS、PSS處理具有更高的根表面積，PTS和RSS處理在垂直方向具有更深的根表面積分布特點。2018年，秸稈翻耕（PTS、PSS處理）較秸稈旋耕（RTS、RSS處理）具有更高的根表面積，同時在水平方向根表面積體現出更高的分布；與2017年類似，根表面積主要分布在0—30 cm土層，并且PTS和RSS處理仍表現出在垂直方向具有更深的根表面積分布特點。總體而言，各處理的根表面積具有0—15 cm土層核心分布特點；與2017年相比，2018年根表面積分布線更加密集，說明根表面積隨著土層深度和植株水平距離的變化更為明顯。

圖3 耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米根干物質的影響

圖4 耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米比根長的影響

圖5 耕作和秸稈還田方式對吐絲期春玉米根系表面積的影響

2.5 地上部干物質積累

由表2可見，耕作和秸稈還田方式對春玉米拔節期、吐絲期和成熟期不同植株部位干物質積累的影響顯著，而其交互效應對地上部總干物質積累具有顯著影響（＜0.05）。在拔節期，RTS處理較其他處理，2017年植株莖鞘和地上部總干物重降低約19.2%和15.5%；而在2018年生長季，RTS處理在葉、莖鞘和地上部總干物重均表現最低，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）具有較高的莖鞘和地上部總干物重的積累，平均高出6.5%和4.6%。在吐絲期，2017年各處理對地上部總干物重具有顯著影響，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）地上部總干物重平均高出4.1%（＜0.05）；而2018年各處理對莖鞘、果穗和地上部總干物重均具有顯著影響（＜0.05），與2017年拔節期類似，RTS處理的上述指標均低于其他處理。在成熟期，PTS處理果穗和地上部總干物重2年均高于其他處理，分別達3.6%—12.3%（2017）和2.7%—12.4%（2018），其次為PSS和RSS處理，RTS處理表現為最低。總體看，秸稈翻耕還田（PTS、PSS處理）較旋耕還田（RTS、RSS處理）在春玉米拔節期、吐絲期和成熟期2年均表現為總干物質積累增加，平均幅度為3.9%—5.4%（2017）和3.7%—4.6%（2018）。

2.6 產量及產量構成因素

耕作和秸稈還田方式對春玉米產量和穗數具有顯著影響，兩處理因素交互作用顯著（＜0.05），但對穗粒數的影響2年表現不一致（表3）。2017年，各處理間春玉米產量趨勢表現為PSS＞PTS＞RSS＞RTS，在9 128.8—9 812.2 kg·hm-2變化；2018年則表現為PTS＞RSS＞PSS＞RTS，處于9 209.5 kg·hm-2— 10 100.5 kg·hm-2范圍。各處理對穗數的影響與產量類似，RTS處理較其他處理均表現為顯著降低穗數，2年降幅分別在2.9%—9.1%和7.0%—9.7%。2年各處理對春玉米百粒重影響差異不顯著（＞0.05）。

表2 耕作和秸稈還田方式對春玉米生育期地上部干物質的影響

表3 耕作和秸稈還田方式對春玉米產量及其構成因素的影響

3 討論

3.1 耕作和秸稈還田方式對春玉米根系生長的影響

隨著秸稈還田措施受到鼓勵和推廣，耕作和秸稈還田對作物根系特征的研究越來越受到重視[27-28]。耕作和秸稈還田措施對作物根系的影響體現在總體根系形態構造，如根長、根重、比根長和根表面積等。與秸稈旋耕還田相比，秸稈翻耕還田措施能夠顯著提高0—30 cm農田耕層土壤的物理性能，從而改善作物根系生長環境[29]。作物根系的生長發育很大程度受到耕層土壤物理結構、水肥供應能力的影響[29-30]。較好的土壤透氣條件有利于作物水肥吸收和延緩根系衰老，從而促進根系在土壤中的生長發育[31-32]。本研究表明，與秸稈旋耕還田處理相比，春玉米吐絲期秸稈翻耕還田處理的0—30 cm垂直根長、0—10 cm水平根長、總根長和0—20 cm土層根干重普遍較高。這是由于翻耕秸稈還田與旋耕秸稈還田相比，具備了更深層土壤的通氣性等優勢，從而促進了春玉米的根系生長發育[21]。無論是翻耕還是旋耕條件，秸稈條帶還田區別于秸稈全層還田主要表現為：一是兩者對耕層土壤的擾動程度。秸稈翻耕較旋耕、全層較條帶還田相比，前者均具有更大的土壤擾動強度；二是秸稈還田后在耕層土壤的垂直分布。翻耕主要使得秸稈被翻埋在25—30 cm土層，旋耕條件下秸稈主要被混拌在0—15 cm土層，旋耕較翻耕還田的秸稈與土壤接觸更充分。這些因素使得玉米根系生長所處土壤的物理及養分環境具有明顯差異[22]。前人研究表明，耕作和秸稈條帶還田對耕層土壤的養分分布及動態變化具有調控作用，秸稈條帶還田促進了水分及養分在30—60 cm土層的分布[22-23]。這可解釋本研究中，秸稈全層旋耕還田較其他處理表現出較低的根長和根干重，以及秸稈條帶還田較全層還田在垂直30—60 cm和水平20—30 cm表現出較高水平的根長，說明秸稈條帶還田較全層還田具有促進根系向深層土壤生長的作用。

耕作和秸稈還田措施對作物的影響表現在根系于耕層土壤中的空間分布。作物根系空間分布的水肥趨向性較其形態發育更為明顯。本研究表明，同秸稈全層還田相比，秸稈條帶還田根長和根表面積在水平和垂直的空間分布被普遍提高，在旋耕耕作措施下尤為明顯。這是由于同秸稈全層還田相比，秸稈條帶還田營造了“虛實相間”耕層土壤結構（圖2），加之等量秸稈還田條件下單位土體秸稈密度增大，這樣既避免了秸稈腐解與作物根系生長的養分利用競爭[12]，又為水肥入滲提供了更有利的條件[33]，最終為春玉米根系在耕層土壤中的水平和垂直分布生長創造了有利條件。此外，不同耕作和秸稈還田方式導致秸稈在土壤中腐解過程具有明顯差異性，而這過程對土壤的養分動態變化具有重要影響已得到普遍證實[34]。因此，為了明確秸稈還田影響作物生長發育過程，不同秸稈還田方式下秸稈腐解過程的土壤養分動態變化及其機制值得深入研究。

3.2 耕作和秸稈還田方式對春玉米干物質積累及產量的影響

干物質積累與分配作為“庫源”關系的重要表征，是作物籽粒產量形成的重要基礎[35]，耕作和秸稈還田對作物干物質積累與轉運的研究也受到了足夠的重視[3]。趙亞麗等[9]研究表明，深松或深耕秸稈還田較常規耕作秸稈還田在華北平原有利于冬小麥-夏玉米兩季作物各生育期的干物質累積。而隋鵬祥等[3]發現，秸稈旋耕還田較翻耕還田處理促進了春玉米地上部干物質積累，但后者具有更高的花前干物質積轉移量。說明秸稈還田對作物干物質積累和轉移的影響會受到秸稈還田方式和氣候等因素的影響。本研究表明，秸稈條帶還田較全層還田在春玉米拔節期和吐絲期表現出較高的總干物質積累，這可能由于秸稈條帶較全層還田處理更有利于水分向深層入滲分布，促進根系深層分布和養分吸收[23]，最終有利于作物花前干物質積累。而秸稈條帶還田促進根系向深層土壤分布的作用在本研究也有類似的體現（表1，圖5）。此外，秸稈翻耕處理在各生育期的平均干物質積累高于旋耕處理，主要由于秸稈全層旋耕還田處理（RTS）干物質積累顯著低于其他處理造成的，這與隋鵬祥等[3]研究結果不一致。這可能由于研究區域的氣候條件差異（如降水等），導致耕作方式影響作物干物質積累的作用機制不同，值得深入研究。

前人研究表明，秸稈在翻耕、旋耕以及免耕等條件下還田對玉米籽粒產量影響顯著[20]。本研究也發現，在2017年秸稈翻耕還田下，春玉米籽粒產量顯著高于秸稈旋耕還田處理，而在2018年高于秸稈旋耕全層還田處理。從產量構成看，耕作和秸稈還田方式主要影響了春玉米的公頃穗數，導致了最終籽粒產量差異的出現（表3）。這可能由于兩方面原因：一是秸稈還田導致下茬作物播種層環境差，影響作物出苗和幼苗生長[5]，這在秸稈旋耕還田條件下尤為明顯，本研究秸稈條帶旋耕還田較秸稈全層還田公頃穗數和產量有明顯提高，說明前者減緩這一弊端，達到同秸稈翻耕還田一致的影響；二是耕作和秸稈還田方式影響春玉米后期抗倒伏特性，本研究在2018年生育后期遭遇強降雨氣候（圖1），致使不同程度倒伏發生，尤其在秸稈全層旋耕處理下嚴重降低了公頃穗數和產量。這與該處理下作物根系在土層中分布較淺（表1）及耕層土壤結構松散密切相關[33]，此外，秸稈翻耕還田較旋耕條件具有作物地上和地下生長發育及物質轉移的優勢，以及對土壤養分供給能力的改善，更有利于籽粒產量的提高[21]。

4 結論

在東北春玉米主產區推廣秸稈還田背景下，適當的耕作和秸稈還田方式有利于促進作物根系形態發育及耕層空間分布，進一步使得春玉米的干物質積累和分配特征得到優化，提高成熟期干物質在果穗的分配，達到提高春玉米產量的目的。秸稈翻耕還田較秸稈旋耕還田具有更好的根系形態和空間分布，秸稈條帶還田較全層還田體現出同樣的優勢，同時前者表現較高的籽粒產量。因此，推薦秸稈條帶翻耕還田為該區域適合的秸稈還田方式。

[1] 宋大利, 侯勝鵬, 王秀斌, 梁國慶, 周衛. 中國秸稈養分資源數量及替代化肥潛力. 植物營養與肥料學報, 2018, 24(1): 1-21.

SONG D L, HOU S P, WANG X B, LIANG G Q, ZHOU W. Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting., 2018, 24(1): 1-21. (in Chinese)

[2] Kong L. Maize residues, soil quality, and wheat growth in China. A review., 2014, 34: 405-416.

[3] 隋鵬祥, 有德寶, 安俊朋, 張文可, 田平, 梅楠, 王美佳, 王灃, 蘇思慧, 齊華. 秸稈還田方式與施氮量對春玉米產量及干物質和氮素積累、轉運的影響. 植物營養與肥料學報, 2018, 24(2): 316-324.

SUI P X, YOU D B, AN J P, ZHANG W K, TIAN P, MEI N, WANG M J, WANG F, SU S H, QI H. Effects of straw management and nitrogen application on spring maize yield, dry matter and nitrogen accumulation and transfer., 2018, 24(2): 316-324. (in Chinese)

[4] 田平, 姜英, 孫悅, 馬梓淇, 隋鵬祥, 梅楠, 齊華. 不同還田方式對玉米秸稈腐解及土壤養分含量的影響. 中國生態農業學報, 2019, 27(1): 100-108.

TIAN P, JIANG Y, SUN Y, MA Z Q, SUI P X, MEI N, QI H. Effect of straw return methods on maize straw decomposition and soil nutrients contents., 2019, 27(1): 100-108. (in Chinese)

[5] 楊文鈺, 王蘭英. 作物秸稈還田的現狀與展望. 四川農業大學學報, 1999(2): 211-216.

YANG W Y, WANG L Y. Present situation and prospects of returning application of crop straw., 1999(2): 211-216. (in Chinese)

[6] KUMAR K, GOH K M. Nitrogen release from crop residues and organic amendments as affected by biochemical composition., 34(17/18): 2441-2460.

[7] Turmel M S, Speratti A, Baudron F, Verhulst N, Govaerts B. Crop residue management and soil health: A systems analysis., 2014, 134: 6-16.

[8] LI Z Q, ZHAO B Z, OLK D C, JIA Z J, MAO J D, CAI Y F, ZHANG J B. Contributions of residue-C and -N to plant growth and soil organic matter pools under planted and unplanted conditions., 2018, 120: 91-104.

[9] 趙亞麗, 郭海斌, 薛志偉, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對冬小麥–夏玉米輪作系統中干物質生產和水分利用效率的影響. 作物學報, 2014, 40(10): 1797-1807.

ZHAO Y L, GUO H B, XUE Z W, MU X Y, LI C H. Effects of tillage and straw returning on biomass and water use efficiency in a winter wheat and summer maize rotation system., 2014, 40(10): 1797-1807. (in Chinese)

[10] 趙紅香, 遲淑筠, 寧堂原, 田慎重, 王丙文, 李增嘉. 科學耕作與留茬改良小麥-玉米兩熟農田土壤物理性狀及增產效果. 農業工程學報, 2013, 29(9): 113-122.

ZHAO H X, CHI S Y, NING T Y, TIAN S Z, WANG B W, LI Z J. Covering farming pattern to improve soil physical properties and crop yield in wheat-maize cropping system., 2013, 29(9): 113-122. (in Chinese)

[11] 許菁, 賀貞昆, 馮倩倩, 張亞運, 李曉莎, 許姣姣, 林祥, 韓惠芳, 寧堂原, 李增嘉. 耕作方式對冬小麥-夏玉米光合特性及周年產量形成的影響. 植物營養與肥料學報, 2017, 23(1): 101-109.

XU J, HE Z K, FENG Q Q, ZHANG Y Y, LI X S, XU J J, LIN X, HAN H F, NING T Y, LI Z J. Effect of tillage method on photosynthetic characteristics and annual yield formation of winter wheat–summer maize cropping system., 2017, 23(1): 101-109. (in Chinese)

[12] 蘇思慧, 王美佳, 張文可, 隋鵬祥, 王灃, 齊華. 耕作方式與玉米秸稈條帶還田對土壤水穩性團聚體和有機碳分布的影響. 土壤通報, 2018, 49(4): 841-847.

SU S H, WANG M J, ZHANG W K, SUI P X, WANG F, QI H. Effects of tillage practices and maize straw incorporation on water-stable aggregates and organic carbon in soils., 2018, 49(4): 841-847. (in Chinese)

[13] 代紅翠, 張慧, 薛艷芳, 高英波, 錢欣, 趙海軍, 成浩, 李宗新, 劉開昌. 不同耕作和秸稈還田下褐土真菌群落變化特征. 中國農業科學, 2019, 52(13): 2280-2294.

DAI H C, ZHANG H, XUE Y F, GAO Y B, QIAN X, ZHAO H J, CHENG H, LI Z X, LIU K C. Response of fungal community and function to different tillage and straw returning methods., 2019, 52(13): 2280-2294. (in Chinese)

[14] ZHANG P, WEI T, JIA Z K, HAN Q F, REN X L, LI Y P. Effects of straw incorporation on soil organic matter and soil water-stable aggregates content in semiarid regions of northwest China., 2014, 9(3): e92839.

[15] ZHANG P, CHEN X L, WEI T, YANG Z, JIA Z K, YANG B P, HAN Q F, REN X L. Effects of straw incorporation on the soil nutrient contents, enzyme activities, and crop yield in a semiarid region of China., 2016, 160: 65-72.

[16] 殷文, 馮福學, 趙財, 于愛忠, 柴強, 胡發龍, 郭瑤. 小麥秸稈還田方式對輪作玉米干物質累積分配及產量的影響. 作物學報, 2016, 42(5): 751-757.

YIN W, FENG F X, ZHAO C, YU A Z, CHAI Q, HU F L, GUO Y. Effects of wheat straw returning patterns on characteristics of dry matter accumulation, distribution and yield of rotation maize., 2016, 42(5): 751-757. (in Chinese)

[17] 殷文, 柴強, 胡發龍, 樊志龍, 范虹, 于愛忠, 趙財. 干旱內陸灌區不同秸稈還田方式下春小麥田土壤水分利用特征. 中國農業科學, 2019, 52(7): 1247-1259.

YIN W, CHAI Q, HU F L, FAN Z L, FAN H, YU A Z, ZHAO C. Characteristics of soil water utilization in spring wheat field with different straw retention approaches in dry inland irrigation areas., 2019, 52(7): 1247-1259. (in Chinese)

[18] 穆心愿, 趙霞, 谷利敏, 冀保毅, 丁勇, 張鳳啟, 張君, 齊建雙, 馬智艷, 夏來坤, 唐保軍. 秸稈還田量對不同基因型夏玉米產量及干物質轉運的影響. 中國農業科學, 2020, 53(1): 29-41.

MU X Y, ZHAO X, GU L M, JI B Y, DING Y, ZHANG F Q, ZHANG J, QI J S, MA Z Y, XIA L K, TANG B J. Effects of straw returning amount on grain yield, dry matter accumulation and transfer in summer maize with different genotypes., 2020, 53(1): 29-41. (in Chinese)

[19] MU X Y, ZHAO Y L, LIU K, JI B Y, GUO H B, XUE Z W, LI C H. Responses of soil properties, root growth and crop yield to tillage and crop residue management in a wheat-maize cropping system on the North China Plain., 2016, 78: 32-43.

[20] YOU D B, TIAN P, SUI P X, ZHANG W K, YANG B, QI H. Short-term effects of tillage and residue on spring maize yield through regulating root-shoot ratio in northeast China., 2017, 7: 13314.

[21] SUI P X, TIAN P , LIAN H L, WANG Z Y, MA Z Q, QI H, MEI N, SUN Y, WANG Y Y, SU Y H, MENG G X, JIANG Y. Straw incorporation management affects maize grain yield through regulating nitrogen uptake, water use efficiency, and root distribution., 2020, 10(3): 324.

[22] YANG H S, YANG B, DAI Y J, XU M M, KOIDE R T, WANG X H, LIU J, BIAN X M. Soil nitrogen retention is increased by ditch-buried straw return in a rice-wheat rotation system., 2015, 69: 52-58.

[23] 安俊朋, 李從鋒, 齊華, 隋鵬祥, 張文可, 田平, 有德寶, 梅楠, 邢靜. 秸稈條帶還田對東北春玉米產量、土壤水氮及根系分布的影響. 作物學報, 2018, 44(5): 774-782.

AN J P, LI C F, QI H, SUI P X, ZHANG W K, TIAN P, YOU D B, MEI N, XING J. Effects of straw strip returning on spring maize yield, soil moisture, nitrogen contents and root distribution in northeast China., 2018, 44(5): 774-782. (in Chinese)

[24] 張文可, 蘇思慧, 隋鵬祥, 田平, 梅楠, 王灃, 王美佳, 張姣, 齊華. 秸稈還田模式對東北春玉米根系分布和水分利用效率的影響. 生態學雜志, 2018, 37(8): 2300-2308.

ZHANG W K, SU S H, SUI P X, TIAN P, MEI N, WANG F, WANG M J, ZHANG J, QI H. Effects of straw incorporation modes on root distribution and water use efficiency of spring maize in northeast China., 2018, 37(8): 2300-2308. (in Chinese)

[25] 鮑士旦. 土壤農化分析. 北京: 中國農業出版社, 2000: 34-35, 44-49, 56-58, 81, 106-107.

BAO S D.. Beijing: China Agriculture Press, 2000: 34-35, 44-49, 56-58, 81, 106-107. (in Chinese)

[26] KUCHENBUCH R O, GERKE H H, BUCZKO U. Spatial distribution of maize roots by complete 3D soil monolith sampling., 2009, 315: 297-314.

[27] KASHIWAGI J, KRISHNAMURTHY L, PURUSHOTHAMAN R, UPADHYAYA H D, GAUR P M, GOWDA C L L, ITO O, VARSHNEY R K. Scope for improvement of yield under drought through the root traits in chickpea (L.)., 2015, 170: 47-54.

[28] CAI H G, MA W, ZHANG X Z, PING Z Q, YAN X G, LIU J Z, YUAN J C, WANG L C, REN J. Effect of subsoil tillage depth on nutrient accumulation, root distribution, and grain yield in spring maize., 2014, 2(5): 297-307.

[29] REN B Z, LI X, DONG S T, LIU P, ZHAN B, ZHANG J W. Soil physical properties and maize root growth under different tillage systems in the North China Plain., 2018, 6: 669-676.

[30] XU X, PANG D W, CHEN J, LUO Y L, ZHENG M J, YIN Y P, LI Y X, LI Y, WANG Z L. Straw return accompany with low nitrogen moderately promoted deep root., 2018, 221: 71-80.

[31] BURTON A L, LYNCH J P, BROWN K M. Spatial distribution and phenotypic variation in root cortical aerenchyma of maize (L.)., 2013, 367: 263-274.

[32] BIAN D H, JIA G P, CAI L J, MA Z Y, ENEJI A E, CUI Y H. Effects of tillage practices on root characteristics and root lodging resistance of maize., 2016, 185: 89-96.

[33] 王灃, 王美佳, 蘇思慧, 王英儼, 蘇業涵, 孟廣鑫, 孫悅, 齊華, 姜英. 水分脅迫下秸稈還田對玉米產量和根系空間分布的影響. 應用生態學報, 2018, 29(11): 3643-3648.

WANG F, WANG M J, SU S H, WANG Y Y, SU Y H, MENG G X, SUN Y, QI H, JIANG Y. Effects of straw returning on maize yield and root system spatial distribution under water stress., 2018, 29(11): 3643-3648. (in Chinese)

[34] TIAN P, SUI P X, LIAN H L, WANG Z Y, MENG G X, SUN Y, WANG Y Y, SU Y H, MA Z Q, QI H, JIANG Y. Maize straw returning approaches affected straw decomposition and soil carbon and nitrogen storage in northeast China., 2019, 9: 818.

[35] Dordas C. Variation in dry matter and nitrogen accumulation and remobilization in barley as affected by fertilization, cultivar, and source-sink relations., 2012, 37: 31-42.

Effects of tillage and straw incorporation method on root trait at silking stage and grain yield of spring maize in northeast China

JIANG Ying1, WANG Zhengyu1, LIAN Hongli1, WANG Meijia1, SU Yehan1, TIAN Ping1, SUI Pengxiang1, MA Ziqi1, WANG Yingyan1, MENG Guangxin1, SUN Yue1, LI Congfeng2, QI Hua1

(1College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【】In view of the prominent contradiction of straw utility, the optimization of straw returning method is significant for promoting the green and sustainable development of agriculture in northeast China, where is the main production areas of spring maize. In this study, the effects of tillage and straw incorporation approaches on the morphology and distribution characteristics of root, dry matter accumulation and yield of spring maize were investigated to provide a theory basis for optimizing tillage and straw incorporation measures to maintain agricultural production.【】The field experiment was carried out in Shenyang, Liaoning province in 2017 and 2018. The two-factor random zone group design was adopted to set up four treatments, including straw incorporation with full-thickness plough tillage (PTS), straw incorporation with strip plough tillage (PSS), straw incorporation with full-thickness rotary tillage (RTS), and straw incorporation with strip rotary tillage (RSS). Under different tillage and straw incorporation methods, the differences of root length, root dry weight, their spatial distribution in soil, dry matter accumulation dynamics and yield characters of spring maize were analyzed.【】tillage and straw incorporation methods had significant effects on root length and distribution as well as dry weight and specific root length of spring maize at silking stage. In the vertical soil layer of 0-30 cm, the root length of PTS treatment was 7.9%-43.2% and 17.3%-41.5% higher than other treatments, respectively. In the vertical soil layer of 30-60 cm, root length under strip straw incorporation (PSS and RSS) treatments was average 20.1% and 20.3% higher than those under full-thickness straw incorporation (PTS and RTS) treatments, respectively. Centering on maize plant, the horizontal distribution of root length in soil showed that PTS treatment was the highest and RTS treatment was the lowest in 0-10 cm away from the plant. The lowest root dry weight was observed from RTS treatment, PTS, PSS and RSS treatments presented 36.5%, 59.6% and 17.3% higher root dry weight in the 0-10 cm soil layer, respectively. PTS treatment obtained the highest specific root length in 0-20 cm soil layers, with 8.7%-73.8% and 14.3%-44.7% more than those under other treatments. The spatial distribution of root surface area was significantly different among treatments. PTS and RSS treatments had higher root surface area in 0-30 cm soil layer and better root surface distribution in horizontal and vertical directions. The effects of tillage and straw incorporation methods on the accumulation of dry matter in shoot of spring maize at jointing, silking and maturity stages were significant. Compared with other three treatments, RTS reduced the average dry matter weight of stem+sheath and total shoot weight by 15.5% to 19.2% at jointing stage. The weight of ear and shoot dry matter in maturity stage under PTS treatment was 3.6%-12.3% and 2.7%-12.4% higher than those under other treatments, followed by PSS and RSS treatments, and RTS treatment was the lowest. Tillage and straw incorporation methods significantly affected the number of ears and grain yield of spring maize. PTS, PSS, and RSS treatments obtained average 8.3%, 7.9%, and 5.8% higher grain yield than that under RTS treatments in 2017 and 2018. RTS significantly reduced the number of ears by 2.9%-9.1% and 7.0%-9.7%, compared with other three treatments.【】Proper tillage and straw returning methods were conducive to promoting the morphological development of crop root and its spatial distribution in the tilled soil layer, optimizing of dry matter accumulation and distribution characteristics, and the distribution of dry matter to ear at maturity, so as to increase the yield of spring maize. In summary, the straw strip returning with plough tillage was recommended in the study area.

straw incorporation; spring maize; root distribution; grain yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.15.008

2020-04-09；

2020-07-11

國家重點研發計劃（2016YFD0300103）、國家自然科學基金（31901471）、遼寧省科學技術計劃（2019JH2/10200004）

姜英，E-mail：jiangying@syau.edu.cn。通信作者齊華，E-mail：qihua10@syau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）