耕作和秸稈還田方式對半干旱區黑土玉米養分積累分配與產量的影響

齊翔鯤，安思危，侯 楠，吳鳳婕，王玉鳳，楊克軍，付 健

（黑龍江八一農墾大學農學院 / 黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江大慶 163319）

黑龍江半干旱區是中國重要的玉米生產區，提供了全國三分之一以上的玉米產量[1]。黑土富含有機質，具有較大的作物生產潛力，被譽為“土中之王”[2]。但是，近年來由于人們對耕地的過度開發利用，導致黑土區土壤結構遭到破壞，土壤肥力加速退化，因此限制作物養分吸收，導致作物產量降低，嚴重影響該地區農業的可持續發展[3]。在該地區探索合理有效的耕作措施，提高土壤質量與肥力，對保障國家糧食安全具有重要意義。

耕作是農業生產中的一項重要措施，可改變土壤的結構和理化性狀，直接影響作物的高產穩產與可持續發展。黑龍江半干旱區黑土農田長期采用傳統的旋耕壟作，導致土壤耕層變淺，容重增大，根系生長受限，養分和水分吸收受阻，限制作物生長和高產[4]。深松能夠降低容重，利于根系下扎和深層養分吸收[5–7]，但是不能翻動土壤進行深層土壤的晾曬。深翻之后可以透氣、曬垡，打破土壤板結、粘重的狀態，并使秸稈、草種、病蟲等充分置換，防除病蟲害的同時使秸稈在地下腐解，增加土壤肥力[8]。免耕、少耕等保護性耕作可減少風蝕、水蝕和田間水分蒸發量，具有培肥地力、節本增效等作用[9]，但免耕增加了土壤容重和緊實度[10–12]，限制了玉米根系的生長，進而影響對土壤深層養分的吸收。平作能有效減少土壤水分蒸散量，提高保墑能力，減小春季干旱條件下勉強播種所帶來的經濟損失。相較于平作，壟作增加了土層厚度、土壤孔隙度，改善了土壤通氣性，吸熱散熱快，加大晝夜溫差，利于光合產物積累[13]。因此，只有采用合理的耕作措施才能改善土壤結構，促進作物養分吸收，提高作物產量[14]。

我國秸稈資源豐富，每年約生產6.4億噸秸稈，隨著作物產量的提高，秸稈量也在逐年增加[15]。秸稈中含有大量氮、磷、鉀元素，還田可提高土壤養分。秸稈還田在培肥土壤的同時，還能提高作物對養分的吸收與積累[16]，采用適宜的秸稈還田方式和耕作措施相結合促進作物吸收養分的效果更佳。朱敏等[17]研究指出秸稈還田方式與耕作措施對玉米穗粒數、百粒重和產量的影響存在極顯著的交互作用。也有研究表明玉米秸稈深翻還田能有效解決還田中秸稈腐解慢、玉米出苗受阻這一問題，同時能夠明顯改善土壤結構特征、增加土壤養分[18–20]。其他研究表明在深松條件下，秸稈還田可改善土壤物理特性[21]，促進作物對氮、磷、鉀元素的吸收。

因此，通過秸稈還田結合適宜的耕作方式，改善土壤結構，促進玉米對養分的吸收，對黑龍江半干旱區黑土農田可持續利用具有重要意義。目前，關于平作在本區黑土農田的適應性研究鮮有報道。本試驗通過連續定位耕作與秸稈還田方式相結合，研究玉米養分積累與分配、干物質積累量、玉米產量等變化規律，以期為優化半干旱區黑土農田土壤耕作方式、合理利用秸稈資源及玉米高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗開始于2017年，在黑龍江省肇州縣興城鎮示范區 (N 46°00′28″、E 125°32′81″)進行。該區地勢平坦，無霜期平均130～135天，2019—2020年氣溫、生育期降水量如圖1。試驗區肥力中等，土壤為黑鈣土，0—20 cm耕層土壤基礎肥力狀況：土壤堿解氮140.0 mg/kg、速效磷 17.2 mg/kg、速效鉀 240.4 mg/kg、有機質 25.5 g/kg、pH 為 7.9。

1.2 試驗設計

采用大區對比試驗，設置7個處理，3次重復，具體如表1所示。每個處理面積約為0.33 hm2(100 m×32.5 m)，玉米種植密度為7.5萬株/hm2，施入復合肥 650 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=27∶10∶12)。供試品種為“東旭20”。其他田間管理均按照當地常規大田進行。2019年5月7日播種，9月29日收獲；2020年4月27日播種，10月1日收獲。

表1 試驗各處理耕作、秸稈還田和播種方法Table 1 Detail information of each treatment in tillage, straw returning and sowing method

1.3 樣品采集

在2019和2020年于玉米拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期對各個處理隨機取樣3株后，分成莖、葉、鞘、苞葉、穗軸、籽粒、雄蕊共7個部位放入烘箱105℃殺青30 min，75℃烘干后稱干物重。將烘干的樣品粉碎過0.25 mm篩后，裝袋待測。

1.4 測定項目

1.4.1 成熟期植株氮磷鉀含量測定 植株和籽粒樣品用H2SO4–H2O2消煮，氮含量采用連續流動分析儀測定，磷含量利用釩鉬黃比色法測定，鉀含量采用火焰光度計法測定[22]。

1.4.2 收獲期玉米產量測定 玉米成熟期，從每個大區中間選取2行(長5 m，行距0.65 m)，收獲全部果穗，用PM8818水分測定儀測其含水量折算出實際產量，并隨機抽取10穗進行考種，記錄穗數、穗粒數、百粒重等指標。

1.5 計算方法

植株氮(磷、鉀)積累量=植株氮(磷、鉀)含量(%)×單株干重×種植密度

氮(磷、鉀)素收獲指數=籽粒氮(磷、鉀)含量/植株總氮(磷、鉀)吸收量

花前營養器官干物質轉運量(DMT)=開花期營養器官干重－成熟期營養器官干重

花前營養器官干物質轉運率(DMTE)=(花前營養器官干物質轉運量/開花期營養器官干重)×100%

花后同化物輸入籽粒量(CAA)=成熟期籽粒干重?花前營養器官干物質轉運量

花后同化物對籽粒的貢獻率(CPAG)=花后同化物輸入籽粒量/成熟期籽粒干重×100%

1.6 數據分析

采用Excle 2010整理數據并計算，使用SPSS 22.0對數據進行差異顯著性檢驗分析，利用Origin 2018 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對玉米成熟期氮素積累量及分配的影響

不同試驗年份和耕作方式對玉米氮素積累的影響達到極顯著水平(P>0.01)，但兩者交互作用對玉米氮素積累量影響不顯著(P>0.05，圖2)。2019和2020年，秸稈還田處理的氮素積累量均高于秸稈不還田處理，并且各處理中以T4處理氮素積累量最高，T1最低。與Con相比，T2、T3、T4氮素積累分別增加11.5%、20.4%、24.8%。在免耕下，氮素積累T2較T1顯著增加17.6%；與T6相比，T4氮素積累增幅15%。而在秸稈深翻還田下，平作和壟作無顯著差異。

圖2 耕作方式對玉米氮素積累量及各部位氮素分配的影響Fig. 2 Effects of tillage methods on nitrogen accumulation and nitrogen distribution in each part of maize plants

玉米籽粒氮素分配比例最高。T4處理的籽粒氮素占比最高，較Con處理顯著增加10.5%。T3、T5、T6籽粒氮素占比均高于Con處理。在免耕下，T2較T1增加4.9%。

2.2 耕作方式對玉米成熟期磷素積累量及分配的影響

不同試驗年份和耕作方式對玉米磷素積累量的影響均達到極顯著水平(P<0.01，圖3)。2019和2020年T4和T3處理的磷素積累量較高。2019年除T1外，T4與其他處理間磷素積累量無明顯差異，并較T1處理顯著增加19.2%。2020年，T4磷素積累量顯著高于其他處理，在秸稈深翻還田下，T4較T3處理磷素積累量顯著增加了8.4%。T5較T6磷素積累量顯著增加7.8%。在免耕方式下，T2較T1磷素積累量增加16.7%。T4較T6磷素積累量增加18.8%。

圖3 耕作方式對玉米磷素積累量及各部位磷素分配的影響Fig. 3 Effects of tillage methods on phosphorus accumulation and phosphorus distribution in each part of maize plants

兩年期間，玉米籽粒磷素分配比例最高。T4處理籽粒磷素占比最高，T1最低。在秸稈不還田條件下，Con籽粒磷素占比較T1增加4.0%。

2.3 耕作方式對玉米成熟期鉀素積累量及分配的影響

不同試驗年份和耕作方式對玉米鉀素積累量的影響達到極顯著水平(P<0.01，圖4)。2019和2020年T3和T4處理的鉀素積累量較高，T1處理最低，且秸稈還田處理的鉀素積累量均高于秸稈不還田處理。2019年T4較Con、T1和T2分別顯著增加了19.0%、25.5%、16.7%，T3和T5較T1分別增加19.0%、15.3%。2020年，T3和T4顯著高于其他處理，與Con相比，T3和T4分別增加了12.0%、11.6%。

圖4 耕作方式對玉米鉀素積累量及各部位鉀素分配的影響Fig. 4 Effects of tillage methods on potassium accumulation and potassium distribution in each part of maize plants

兩年期間，玉米各部位鉀素在莖稈分配比例最高，Con處理和T1處理莖稈鉀素占比較高，T4處理籽粒鉀素占比最高。在秸稈不還田下，Con的籽粒鉀素占比較T1增加16.1%。在平作方式下，T4的籽粒鉀素占比較T6顯著增加了11.5%，壟作方式下T3較T5增加9.2%。

2.4 耕作方式對玉米養分收獲指數的影響

試驗年份對N、P收獲指數影響顯著。不同耕作方式對N、P、K收獲指數均影響顯著，但年份與耕作方式交互作用對玉米養分收獲指數影響不顯著(表2)。2019和2020年，T3和T4的N、P、K收獲指數較高，T1最低。2019年，T4和T3較T1的N、P、K收獲指數分別顯著提升了12.9%、8.5%、18.5%和10.0%、5.6%、22.2%。2020年，在免耕下，T2較T1的N、K收獲指數分別提升9.1%、17.1%；與Con相比，T4的N、P收獲指數分別提高10.0%、5.1%。

表2 耕作方式對玉米氮磷鉀收獲指數的影響Table 2 Effects of tillage patterns on the N, P and K harvest index of maize

2.5 耕作方式對玉米干物質積累量的影響

不同試驗年份和耕作方式及兩者交互作用對玉米干物質積累量的影響達到極顯著水平(圖5)。2019和2020年玉米單株干物質積累量隨生育時期的推移呈上升趨勢。兩年平均來看，拔節期，T2處理的干物質積累量最高，較T1處理顯著增加40.9%。抽雄期，T5干物質積累量較高，與Con相比增加了14.3%，在秸稈深翻還田條件下，干物質積累量為T3>T4。灌漿期，T5干物質積累量最高，T2較T1增加13.2%。成熟期，在平作下，T4較T6增加2.3%；在壟作下，T3較Con增加4.8%；在秸稈碎混還田條件下，干物質積累量大小表現為T5>T6。

圖5 耕作方式對玉米干物質積累量的影響Fig. 5 Effects of tillage methods on dry matter accumulation of maize

2.6 耕作方式對玉米干物質轉運能力的影響

耕作方式對花前營養器官干物質轉運率和花后同化物輸入籽粒量的影響達到顯著水平(表3)。2019年T4和T3處理花前營養器官干物質轉運量較高，除T1的花后同化物輸入籽粒量較低外，其他指標處理間沒有明顯差異。2020年，T4處理花前營養器官干物質轉運量和轉運率最高，Con處理最低。T4較T1的花后同化物輸入籽粒量顯著增加了6.4%。

表3 耕作方式對玉米干物質轉運能力的影響Table 3 Effects of tillage patterns on the transport capacity of maize dry matter

2.7 耕作方式對玉米產量及產量構成因素的影響

不同試驗年份和耕作方式的交互作用對玉米百粒重的影響達到極顯著水平(P<0.01，表4)。2019年，不同處理玉米單位面積穗數無顯著差異，T4處理的穗粒數最高。在免耕下，T2穗粒數較T1顯著提高23.2%。T5、T6和Con處理的玉米百粒重較大，T2處理的玉米百粒重最小。T4的玉米產量最高，其次是T3處理。在平作條件下，T4較T6的玉米產量顯著增加了20.0%。2020年T4處理的玉米單位面積穗數最高，其次為T3、T2處理，其他處理與對照差異不顯著。在壟作下，T3處理的玉米單位面積穗數較T5和Con處理分別顯著增加了5.5%和8.9%。T2、T3和T4的穗粒數較高，T1最低，且T2較T1顯著提高9.3%。T3、T4、T5和T6處理的玉米百粒重相似且顯著高于其他處理。T3和T4處理產量最高，較Con處理分別顯著增加16.3%和12.5%。

表4 耕作方式對玉米產量及產量構成因素的影響Table 4 Effects of different tillage methods on maize yield and its components

2.8 玉米產量與干物質積累和產量構成因素的相關性

由表5所示，2019年玉米產量與單位面積穗數呈顯著正相關(P<0.01)；2020年玉米產量與干物質積累量、單位面積穗數、百粒重和穗粒數呈顯著正相關(P<0.01)。

表5 玉米產量與干物質積累量和產量構成因素間的相關關系(r）Table 5 Correlation between maize yield, dry matter accumulation and yield components

3 討論

耕作措施可以改善土壤環境質量，提高土壤養分的有效性，影響作物對養分的吸收，進而提高作物產量。本研究表明，2019和2020年，與旋耕壟作相比，秸稈深翻還田+平作深松和秸稈深翻還田+壟作深松均可提高成熟期玉米氮、磷、鉀元素積累量。在相同耕作方式下，秸稈深翻+平作深松較秸稈碎混+平作和秸稈深翻+壟作深松較秸稈碎混+壟作處理的氮、磷、鉀元素積累量分別提高了12.54%～17.57%、4.71%～18.86%、10.05%～11.07%和3.80%～11.88%、1.12%～1.33%、3.1%～9.3%；說明秸稈深翻+深松可促進玉米養分的吸收與積累，這與前人[23–25]研究結果基本一致，其一部分原因是深松改善了土壤結構[26]，促進土壤營養元素的礦化，進而提高了作物對營養元素的吸收能力[27–28]，另一部分原因是秸稈中含有大量的礦質元素，與秸稈碎混還田相比，秸稈深翻還田既達到耕作土壤的目的，又增加深層土壤有機質，降低土壤團聚體破壞率，提高水穩性團聚體的穩定系數，利于培肥地力。張宇飛[16]的研究結果表明，免耕秸稈還田較免耕秸稈不還田利于作物對養分的積累利用。本試驗中，免耕秸稈移除處理的氮、磷、鉀積累量均最低，說明免耕秸稈移除處理不利于玉米對養分的積累，其原因可能是免耕使土壤耕層變淺，犁底層加厚，限制了玉米根系的生長進而限制了玉米對養分的吸收[29]，而秸稈覆蓋還田后，減少水分的蒸發并提高地溫，增加微生物活動，抑制雜草生長等，從而作物對養分元素的吸收積累有一定提高[30]。

作物生物量與養分的積累有著密切的關系，養分積累是生物量累積的基礎，也是作物產量形成的基礎[31]。前人研究表明，玉米干物質積累與產量呈正相關關系[32]。張瑞富等[33]研究發現，各個生育時期干物質積累量均表現為深松+旋耕大于旋耕，說明深松利于提高玉米干物質生產能力。本試驗表明，秸稈深翻+平作深松和秸稈深翻+壟作深松較免耕秸稈移除均增加了玉米成熟期干物質積累量。前人大量研究發現花后物質生產與分配對作物高產有重要影響[34]，本研究中，秸稈深翻+平作深松處理可顯著提高花前營養器官干物質轉運量，利于提高花后同化物向籽粒輸入的效率，進而增加產量。

深松能夠打破犁底層，較旋耕和免耕提高玉米產量[35]。秸稈還田可提高田間持水量，改善作物抗旱能力[36]，增加土壤養分[37]，促進作物對水分和養分的吸收利用，進而增加作物干物質積累量和產量。蔡紅光等[38]研究指出，秸稈深翻還田在東北黑土區是較為適宜的還田方式。劉瑋斌等[39]研究發現，秸稈深翻還田較秸稈覆蓋還田更有利于土壤水分和酶活性的增加，進而提高玉米產量。本研究結果表明，兩年期間，秸稈深翻+平作深松和秸稈深翻+壟作深松的產量較高，與對照相比，分別增產16.3%～19.1%、9.5%～12.5%，這得益于深松后，改善土壤環境，促進玉米生長，增加玉米單位面積穗數和穗粒數。在相同耕作下，免耕秸稈覆蓋還田較免耕秸稈移除處理的產量提高2.9%～3.9%，無明顯差異，秸稈覆蓋還田后，對養分在營養器官和生殖器官中的分配量具有一定調控作用，促進了養分從葉片向籽粒中轉移，使籽粒養分占比提高，從而對玉米有一定增產作用[40]。秸稈深翻+平作深松和秸稈深翻+壟作深松相較于秸稈碎混+平作和秸稈碎混+壟作產量分別提升16.1%～20.0%、8.2%～11.7%，分析其原因，一方面深松打破犁底層，促進作物根系生長，利于根系吸收水分和養分，另一方面秸稈深翻還田提高了秸稈還田深度，使秸稈腐解后的養分充分進入土壤，大大提高了土壤中的酶活性[41–42]，同時還起到抗旱保墑的作用[43–44]，促進玉米生長，提高玉米單位面積有效穗數和穗粒數。張文超[45]通過在松嫩平原半干旱區研究不同耕作方式對土壤養分及玉米產量的影響發現，在10—20 cm土層，平作深松較壟作深松提高了土壤養分含量，玉米增產1.5%左右。本試驗中，在秸稈深翻還田下，平作深松較壟作深松增產3.4%～8.8%，與前人研究結果相似。本課題組前期研究結果表明平作深松減少了耕作次數，避免播種期土壤水分過度蒸發，確保苗期玉米對土壤水分的最低需求，且平作深松有助于根系生長發育，增加玉米水肥利用效率，確保該地區玉米獲得穩產和高產，壟作春季深松雖然也適合該區，但因受農機具的限制，壟作耕層較淺，對作物后期生長有所影響，產量相對減少[46]。下一步我們將深入探究平作與秸稈還田方式在該地區玉米生產中的綜合利用效果。總體來看，2020年各處理的氮、磷、鉀積累量和產量較2019年均有所增加，可能是因為2020年玉米生育期降雨量充足，為根系生長活動提供了良好的條件，提高根系吸收養分能力，并且隨著秸稈還田年限的增加，秸稈不斷被微生物腐解轉化，秸稈中的養分得到充分釋放，使土壤中的堿解氮、速效磷、鉀呈上升趨勢[47]，增加土壤肥力。

4 結論

與旋耕壟作相比，秸稈還田+免耕、秸稈碎混+壟作對玉米產量影響不顯著；而秸稈深翻+平作深松顯著促進玉米N、P、K養分的積累和籽粒產量，且優于秸稈深翻+壟作深松處理。在相同耕作方式下，秸稈深翻對玉米氮磷鉀收獲指數、干物質轉運能力、單位面積穗數、百粒重的提升效果優于秸稈碎混還田。綜合分析，秸稈深翻+平作深松和秸稈深翻+壟作深松對該地區玉米增產穩產是較為合適的耕作方式。