優化管理對小麥-玉米輪作系統植株干物質積累、轉運與產量的影響

關鍵詞：水肥優化；秸稈還田；小麥一玉米輪作系統；干物質積累；干物質轉運；作物產量

我國秸稈資源豐富，總量已超10億噸。秸稈富含氮、磷、鉀等大量元素和纖維素、糖類等物質，還田后不僅可以提供農作物生長所需的養分，還可以改善土壤質量、優化土壤結構、提高作物產量。但還田秸稈的腐解是一個復雜且耗時的過程，受多種因素影響，若腐解不徹底，覆蓋土壤表面會影響作物出苗，且未腐解秸稈自身攜帶的蟲卵使田間病蟲害加重，導致減產。因此，探索小麥一玉米輪作高產系統下適宜的秸稈管理方式非常必要。

還田秸稈的腐解受水肥管理方式的影響：匡恩俊等研究發現，秸稈還田配施氮肥有利于微生物繁殖，促進秸稈分解和養分釋放，但氮肥的施用量及方式均對秸稈腐解有影響：Arcand等認為適量增施氮肥能提高土壤有效氮含量，避免腐解微生物與作物爭氮，從而促進還田秸稈的腐解。適量秸稈還田配合合理的水肥管理能增加農田土壤有機碳含量，提高肥料利用率，提升作物產量，同時緩解過量施肥造成的環境問題。趙穎等研究表明，秸稈還田配施化肥能夠保證當季土壤有效氮供應，增加小麥穗粒數和千粒重，從而提高小麥產量。陳軒敬等基于長期定位試驗發現，秸稈還田配施適量氮磷鉀肥是維持土壤肥力、實現作物高產的最佳培肥方式。李露露等研究發現，秸稈還田配施有機肥能夠促進夏玉米干物質積累，提高籽粒產量。另外，添加腐解劑和秸稈炭化還田，也是優化秸稈管理的常見措施，對改善土壤質量和提高作物產量有積極作用。王承等研究表明，秸稈還田配施腐熟劑的當季玉米產量可提高10.9%，且籽粒蛋白質和游離氨基酸含量明顯提高。竇露等研究表明，秸稈炭處理還田后土壤酶活性提高16.1%～17.6%，冬小麥產量顯著提高21.5%。可見，秸稈和水肥管理方式是影響作物產量的重要因素。

華北平原是我國主要糧食產區，生產方式以小麥一玉米輪作為主，長期的單一管理模式導致土壤質量下降，嚴重制約糧食產量，亟需探索適宜的秸稈和水肥協同管理措施。因此，本研究以當地常規管理模式為對照，設置6種秸稈及水肥協同管理模式，研究不同管理模式下小麥一玉米輪作系統植株干物質積累、轉運與產量的差異，探索小麥一玉米輪作系統的優化管理措施，以能在保障作物產量的同時，促進秸稈資源化高效利用，提高肥料利用效率，為推動農業綠色可持續發展提供技術支持和理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2020年6月-2021年6月在山東省萊陽市團旺鎮（120°58'E，36°75'N）進行。該地區屬北溫帶半濕潤性季風氣候，春季多風易旱，夏季炎熱多雨，年平均降水量800mm。供試土壤為棕壤，試驗前0～20cm土層土壤基礎養分為有機質含量9.24g/kg、堿解氮99.86mg/kg、有效磷35.22mg/kg、速效鉀89.79 mg/kg，pH值5.8。

1.2試驗設計及方法

本研究設計2種水肥優化方案——滴灌+增效復混肥+穩定尿素（水肥優化I，SS）、水肥一體+增效復混肥（水肥優化Ⅱ，SF），每種水肥優化方案下設3種秸稈處理方式——秸稈還田、秸稈還田+腐解劑（D）、秸稈不還田+秸稈炭（C），組成6個處理，分別表示為SS、SSD、SSC、SF、SFD和SFC。以農民常規水肥及秸稈管理模式（漫灌+常規施肥+秸稈還田）為對照（CK）。各處理設計詳見表1。

試驗小區長20m，寬5m。隨機區組設計，重復3次。供試小麥品種為煙農24，玉米品種為鄭單958。秸稈還田量為上一季作物的秸稈殘渣，小麥秸稈機械化粉碎后直接還田，玉米秸稈粉碎后采用深旋機（IGKN-230，河北農哈哈）均勻旋耕至0～30cm土層內。

玉米季，2020年6月28日整地，7月2日播種，10月23日收獲。采用寬窄行種植，小行距45cm，大行距80cm，株距25cm;采用滴灌方式進行水肥一體節水灌溉，1管2行，在小行距間鋪管。小麥季，2020年10月27日整地，10月29日播種，行距25cm，播種量180kg/hm2，2021年6月20日收獲：采用滴灌方式進行水肥一體節水灌溉，1管4行。分別在小麥拔節期和玉米大喇叭口期進行灌溉，每次灌水量300m3/hm2。各處理病蟲草害防治同一般大田生產。小麥、玉米季各處理施肥種類、施肥量及施肥方式見表2。

供試常規復合肥為金正大牌復合肥（N-P2 0s-K20=15-15-15），常規尿素為金正大牌尿素（N46%），增效復混肥（N-P205-K2 0=22-8-10）由山東糧源生物科技有限公司生產，穩定尿素（N45%）由河北冀衡賽瑞化工有限公司生產，液體尿素（N30%）主成分為改性尿素硝酸銨溶液。供試秸稈炭為小麥、玉米秸稈在缺氧、亞高溫條件下熱解形成的富碳產物，碳含量60%以上，按照秸稈產量折算，玉米季秸稈炭施用量為3000kg/hm2，小麥季秸稈炭施用量為2250kg/hm2。供試秸稈腐解劑由廣州市微元生物科技有限公司生產，主要成分為粗纖維降解菌劑（有效活菌數≥2x10cfu/g），玉米季腐解劑施用量為12.75kg/hm2，小麥季腐解劑施用量為15kg/hm2。

1.3測定項目及方法

1.3.1植株干物質積累量玉米季，于苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期分別取樣，每處理隨機取5株，采集玉米地上部，并分為葉片、莖稈（含鞘）、籽粒和其他部位（含雄穗、苞葉、花絲、穗軸和穗柄），其中，苗期、拔節期分為葉片和莖稈（含鞘）兩部分。

小麥季，于苗期、返青期、拔節期、開花期、灌漿期、成熟期取樣。其中，苗期和返青期每小區隨機選取一行，采集長度為20cm區域的小麥植株，測定每株的干物質量；其余時期，每小區隨機選20個單莖進行取樣，其中，拔節期將植株分為葉片、莖稈（含鞘）兩部分，開花期將植株分為葉片、莖稈（含鞘）和其他部位（含穗軸和穎殼）三部分，灌漿期和成熟期將植株分為葉片、莖稈（含鞘）、籽粒和其他部位（含穗軸和穎殼）四部分，測定干物質量。各部位樣品于105℃殺青30min后75℃烘干至恒重，測定干物質量。

干物質轉運及相關指標計算如下：

花前干物質轉運量（kg/m2）=開花期營養器官干重一成熟期營養器官干重：

花前干物質轉運效率（%）=花前干物質轉運量／開花期營養器官干重×100；

花前干物質轉運對籽粒的貢獻率（%）=花前干物質轉運量／籽粒重量×100：

花后干物質積累量（kg/hm2）=成熟期籽粒產量一花前干物質轉運量；

花后干物質積累對籽粒的貢獻率（%）=花后干物質積累量／籽粒重量×100。

1.3.2作物產量小麥和玉米產量通過小區樣方實收法測定。玉米和小麥收獲期，每小區除去2邊行以及每行兩端各2.0m，隨機選取長5.0m、寬2.5m的樣方收取所有果穗并稱重。玉米從中選取具有代表性的15個果穗裝入尼龍網袋，帶回實驗室風干、考種，統計穗行數、行粒數、穗粒數，計算出籽率：小麥從中選取具有代表性的50個麥穗帶回實驗室進行考種，統計穗重、千粒重、穗粒數。利用PM-8188-A谷物水分測量儀（測定范圍在6%～40%，誤差在-0.5%～0.5%）測定籽粒含水率。

1.4數據處理與分析

用Microsoft Office 2019進行數據處理與繪圖，DPS7.05軟件進行差異顯著性分析，SPSS22.0軟件進行相關性分析，Origin2022軟件進行主成分分析。

2結果與分析

2.1不同優化管理措施對成熟期玉米、小麥干物質分配的影響

由表3可知，玉米收獲期，SS、SF處理的全株干物質量分別較CK顯著增加30.6%、10.9%，其他優化處理的全株干物質量與CK差異不顯著。各處理玉米植株干物質均主要分配在籽粒中，其中SS、SSD處理的籽粒干物質分配量顯著高于CK。在水肥優化I各處理中，SS處理的全株干物質量顯著高于SSD、SSC，較之分別提高18.7%、26.0%; SS處理的籽粒干物質分配量明顯高于SSD、SSC，分別提高4.0%、21.4%，其中，與SSC處理差異顯著。水肥優化Ⅱ各處理的籽粒和全株干物質量差異均不顯著。

相同秸稈處理方式下，SS處理的籽粒和全株干物質量均顯著高于SF，較之分別提高14.9%和17.7%，SSD、SSC處理的全株和籽粒干物質量與SFD、SFC處理差異均不顯著。

由表4可知，小麥收獲期，優化處理中SS處理的全株干物質量顯著高于CK，較之提高15.0%。各處理下干物質均主要分配在小麥籽粒中，其中SS處理的籽粒干物質分配量顯著高于CK，較之提高24.0%。在水肥優化I各處理中，籽粒和全株干物質量均表現為SS處理顯著高于SSD、SSC．較之分別增加24.0%、36.4%和18.0%、27.5%：水肥優化Ⅱ中，SFD處理的籽粒干物質量較SF、SFC處理分別顯著提高33.3%、31.8%，而全株干物質積累量各處理間無顯著差異。

相同秸稈處理方式下，SS處理的全株和籽粒干物質積累量均顯著高于SF; SSD處理的全株、籽粒干物質量與SFD處理均無顯著差異：SSC處理的籽粒干物質量較SFC處理顯著提高25.0%，而全株干物質量二者差異不顯著。

2.2不同優化管理措施對玉米、小麥不同生育時期干物質分配的影響

由圖1可知，隨生育時期推進，各處理玉米葉片干物質分配比例逐漸降低，到成熟期達到最低（9.3%～10.1%）。莖鞘干物質分配比例先升高后降低，在大喇叭口期占比達到最大（51.5%～62.8%）。籽粒干物質分配比例呈逐漸增加趨勢，成熟期達到最高51.6%（SS）～58.9%（SSD），其中SSD、SFD分別較CK提高2.8、0.3個百分點；水肥優化I中，SSD成熟期籽粒干物質分配比例較SS、SSC分別提高7.30、5.37個百分點；水肥優化Ⅱ中，SFD成熟期籽粒干物質分配比例較SF、SFC分別提高3.55．1.15個百分點。相同秸稈處理方式下，SF、SFC處理籽粒干物質分配比例分別較SS、SSC提高1.29、1.75個百分點，而SFD則較SSD降低2.46個百分點。

其他部位干物質分配比例呈先增加后降低趨勢，吐絲期達到最高，其中，CK的其他部位干物質分配比例最低（29.0%），水肥優化Ⅱ中SF處理的最高（34.8%），水肥優化I中SSD處理的次之（34.1%）。相同秸稈處理方式下，SSD、SSC處理的玉米吐絲期其他部位干物質分配比例均高于SFD、SFC，而SS處理較SF降低5.37個百分點。

由圖2可知，小麥全生育期干物質分配變化與玉米季相似。葉片干物質分配比例隨生育時期推進逐漸降低，成熟期達到最低（5.8%～7.6%）。莖鞘干物質分配比例隨生育期推進逐漸降低，拔節期最高（52.1%～65.5%），其中，水肥優化I中SS處理較SSD、SSC處理分別提高2.67、13.46個百分點，水肥優化Ⅱ中SFD處理較SF、SFC處理分別提高0.78、3.86個百分點；相同秸稈處理方式下，SFD、SFC處理莖鞘干物質分配比例均分別高于SSD、SSC處理，而SF處理莖鞘干物質分配比例低于SS處理。

籽粒干物質分配比例隨生育時期推進逐漸升高，成熟期達到最高（37.3%～47.5%），其中，水肥優化I中SS處理較SSD、SSC處理分別提高2.08、2.96個百分點，水肥優化Ⅱ中SFD處理較SF、SFC處理分別提高9.89、8.95個百分點：相同秸稈處理方式下，僅SFD處理較SSD處理提高1.75個百分點，SF、SFC處理則分別低于SS、SSC處理。

2.3不同優化管理措施對玉米、小麥干物質轉運及其對籽粒貢獻率的影響

在保證花后干物質積累的同時，通過管理措施提升花前干物質對籽粒的貢獻是提高產量的途徑之一。由表5可知，大多數優化處理的玉米花前干物質轉運量及花后干物質積累量高于CK。其中，除SSC處理的花前干物質轉運效率與SFC差異不顯著外，SSC、SFD處理的花前干物質轉運量、轉運效率和對籽粒的貢獻率均顯著高于其他處理．分別較CK提高56.6%、7.14個百分點、10.93個百分點及67.8%、9.26個百分點、8.70個百分點；SSD處理花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率分別較CK顯著提高23.5%、5.59個百分點。綜上表明，優化管理能有效提升玉米花前干物質轉運量、轉運效率及對籽粒的貢獻率，增加成熟期的籽粒干物質分配量。

水肥優化I中，SSC處理的花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率分別較SS和SSD顯著提高19.2%、10.39個百分點、9.06個百分點和95.6%、12.69個百分點、16.52個百分點，而其花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率均顯著低于SS、SSD處理。水肥優化Ⅱ中，SFD處理的花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率較SF和SFC處理分別顯著提高130.4%、17.29個百分點、14.21個百分點和28.9%、5.30個百分點、4.19個百分點，而SF處理的花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率分別較SFD處理顯著提高5.9%、11.98個百分點。

相同秸稈處理方式下，SS處理的花前干物質轉運量、對籽粒的貢獻率分別較SF處理顯著提高80.5%、7.38個百分點，花后干物質積累量顯著增加8.2%，花后干物質積累對籽粒的貢獻率顯著降低5.15個百分點，花前干物質轉運效率二者差異不顯著。SSD處理的花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率均顯著低于SFD，花后表現則正好相反：SSC處理的花前干物質轉運量、對籽粒的貢獻率均顯著高于SFC，轉運效率高于SFC但差異不顯著，花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率均顯著低于SFC。

多因素方差分析結果表明，水肥優化僅對玉米花前干物質轉運效率有顯著影響（Plt;0.05）；秸稈處理及其與水肥的交互作用對玉米花前、花后的干物質積累和轉運均有顯著影響（Plt;0.01）。

由表6可知，SF和SFC處理的小麥花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率較高，分別較CK顯著增加46.1%、7.13個百分點、16.61個百分點和64.7%、8.67個百分點、8.75個百分點：而SFD處理可有效促進花前干物質轉運，其花前干物質轉運效率和對籽粒的貢獻率較CK分別顯著提高3.04個百分點和7.08個百分點。SS處理的小麥花后干物質積累量最高，較其他處理顯著增力口23.2%（SSD）～115.1%（SF）；除SSC處理花后干物質積累對籽粒的貢獻率與SFD差異不顯著外，CK及水肥優化I各處理花后干物質對籽粒的貢獻率均顯著高于水肥優化Ⅱ各處理。

水肥優化I中，各處理花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率（SSD與SSC差異顯著除外）、花后干物質對籽粒的貢獻率差異不顯著，而花后干物質積累量表現為SS處理顯著高于SSD、SSC，較之分別提高23.2%、40.0%。水肥優化Ⅱ中，SF、SFC處理的花前干物質轉運量、轉運效率分別較SFD處理顯著增加39.0%、4.09個百分點和56.7%、5.63個百分點，SF處理的花前干物質對籽粒的貢獻率顯著高于SFD．SFC處理，而其花后干物質積累量顯著低于SFC，低于SFD但差異不顯著，花后干物質對籽粒的貢獻率顯著低于SFD，低于SFC但差異不顯著。

相同秸稈處理方式下，SS、SSC處理的花前干物質轉運量、轉運效率、對籽粒的貢獻率分別顯著低于SF、SFC，SSD處理的花前干物質對籽粒的貢獻率顯著低于SFD，花前干物質轉運量、轉運效率與SFD處理差異不顯著；SS、SSD處理的花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率分別顯著高于SF、SFD，SSC處理的花后干物質對籽粒的貢獻率顯著高于SFC，即水肥優化I各處理花后干物質積累量、對籽粒的貢獻率整體優于水肥優化Ⅱ各處理。

多因素方差分析結果表明，水肥優化對小麥花前、花后干物質積累、轉運過程均有極顯著影響（Plt;0.01）；秸稈處理僅對花前干物質轉運過程有極顯著影響（Plt;0.01）；二者交互作用對小麥花前干物質轉運量影響顯著（Plt;0.05），對花前干物質對籽粒的貢獻率、花后干物質積累量影響極顯著（Plt;0.01）。

2.4不同優化管理措施對玉米、小麥產量及產量性狀的影響

由表7可知，優化管理中SSD、SSC、SF、SFD、SFC處理的玉米產量分別較CK提高9.9%、21.8%、10.2%、14.2%、8.1%，且SSC、SFD與CK差異顯著。水肥優化I中，SSD、SSC處理的產量分別較SS顯著提高28.4%、42.3%；水肥優化Ⅱ中各處理間差異不顯著。相同秸稈處理方式下，僅SF處理的玉米產量顯著高于SS，其他處理間差異不顯著。

玉米出籽率處理間差異不顯著。SSD處理的玉米穗粒數最低，顯著低于除SS外的其余各處理；水肥優化I中，SSC處理的穗粒數較SS、SSD分別提高3.5%、5.3%；水肥優化Ⅱ中各處理間差異不顯著。SS、SSD、SSC、SF、SFD、SFC處理的玉米籽粒含水率分別較CK高出2.79、3.17、1.65、3.22、2.49、1.23個百分點，且SS、SSD、SF、SFD與CK差異顯著，各優化處理間差異不顯著。

多因素方差分析結果表明，水肥優化顯著影響玉米產量（Plt;0.05）．穗粒數（Plt;0.01）；秸稈處理及其與水肥的交互作用對玉米產量均有顯著影響（Plt;0.01）。

由表8可知，SS、SSD、SSC、SF、SFD、SFC各優化管理處理的小麥產量均顯著高于CK，較之分別提高13.3%、13.3%、16.2%、9.1%、23.6%、22.1%。水肥優化I中各處理產量差異不顯著：水肥優化Ⅱ中，SF處理產量較SFD、SFC分別顯著降低11.8%、10.7%。相同秸稈處理方式下，SFD處理的小麥產量顯著高于SSD，其余處理間差異不顯著。

SSC處理的小麥穗數最高，較CK顯著增加7.9%：水肥優化I中，SSC處理的穗數顯著高于SS、SSD，較之分別提高5.3%、7.3%；水肥優化Ⅱ中，SF處理的穗數較SFD、SFC分別顯著提高4.1%、2.5%。相同秸稈處理方式下，SSC的穗數顯著高于SFC，SS顯著低于SF，而SSD與SFD差異不顯著。

SSC處理的小麥穗粒數與CK差異不顯著，其余優化管理處理均顯著高于CK：水肥優化I中，SS、SSD處理的穗粒數較SSC分別顯著提高17.8%、23.7%；水肥優化Ⅱ各處理間差異顯著，其中．SFD、SFC處理較SF分別顯著提高17.7%、7.9%。相同秸稈處理方式下，SS的穗粒數與SF差異不顯著，SSD、SSC分別顯著低于SFD、SFC。

SSC處理的小麥千粒重高于CK，但差異不顯著，其余處理均低于CK，其中，SS、SSD、SF、SFD與CK差異顯著，SFC與CK差異不顯著；水肥優化I中，SSC處理的千粒重較SS、SSD分別顯著增加15.1%、15.8%，水肥優化Ⅱ中各處理間差異不顯著。相同秸稈處理方式下，SSC處理的千粒重顯著高于SFC，其余處理間差異不顯著。

多因素方差分析結果表明，水肥優化顯著影響小麥產量、穗數（Plt;0.05），極顯著影響穗粒數、千粒重（Plt;0.01）；秸稈還田對小麥產量及構成因素均有極顯著影響（Plt;0.01）；水肥和秸稈的交互作用除對千粒重無顯著影響外，對產量、穗數、穗粒數均有極顯著影響（Plt;0.01）。

2.5不同處理下作物干物質積累、轉運及產量的主成分分析

由圖3可見，玉米季，第一主成分PC1占總變化的71.9%，第二主成分PC2占總變化的16.2%。不同處理對花前干物質轉運、花后干物質積累過程具有明顯影響，其中，SFD處理對花前干物質轉運效率、對籽粒貢獻率影響較高；SFC對花前干物質轉運量有較高影響：SSD對花后干物質對籽粒的貢獻率影響較高；SF、SS對玉米干物質積累轉運過程及產量影響較小。

小麥季，第一主成分PCI占總變化的68.9%，第二主成分PC2占總變化的15.0%。其中，SFD、SFC處理對產量具有較高影響；SSD、SS、SSC對花后干物質積累量及其對籽粒貢獻率影響較高：CK、SF處理對小麥干物質積累轉運過程及產量影響較小。

3討論

干物質積累是作物產量形成的基礎，干物質積累及轉運特性與產量的提高關系密切。水分和養分是作物生長必不可少的條件．而水肥協調管理是提高作物干物質積累和轉運的有效措施。本研究中，兩種水肥優化管理措施均能促進收獲期作物干物質積累及其向籽粒的轉運。張麗霞等研究表明，滴灌水肥一體化有利于促進營養器官干物質積累與轉運，實現小麥高產高效。楊麗等的研究也證實水肥耦合能夠有效增加夏玉米干物質積累量，促進光合產物向籽粒轉移?？梢姡瑑灮使芾砟軌騾f調植株干物質分配，促進籽粒干物質積累，這也是作物產量提升的基礎。

優化秸稈管理也是提升產量的有效途徑。研究表明添加腐解劑或秸稈炭化還田有利于提升土壤養分含量和秸稈資源利用率，提高作物產量。鄭云珠、張奇茹等的研究均發現，秸稈炭化還田能夠提高冬小麥籽粒產量。孟謠等研究發現，添加秸稈炭與腐解劑對小麥一玉米輪作體系增產效果明顯。勉有明等的研究指出，配施秸稈腐熟劑能夠促進玉米生長發育，顯著提高其產量與經濟效益。本研究也發現，與農民常規管理模式（CK）相比，優化水肥并配施腐熟劑和秸稈炭化（秸稈炭）還田均能顯著提高作物產量，SFD、SSC處理的花前、花后干物質積累與轉運及作物產量整體明顯高于CK，表明水肥和秸稈協同優化管理可促進干物質向籽粒轉運和積累，為作物產量提升奠定基礎?？愭谩⒗租x杰、隋鵬祥等的研究也證實，通過管理措施優化干物質積累和轉運是提升作物產量的重要途徑，在華北平原等集約化生產區域，可通過秸稈炭化還田或水肥一體配施腐解劑等方式提高小麥一玉米輪作系統的作物產量。

4結論

與常規管理模式相比，滴灌+增效復混肥+穩定尿素+秸稈不還田+秸稈炭（ SSC）、水肥一體+增效復混肥+穩定尿素+秸稈還田+腐解劑（SFD）、水肥一體+增效復混肥+穩定尿素+秸稈不還田+秸稈炭（SFC）管理模式均能有效促進作物干物質積累與轉運，進而提升作物產量，且以SSC和SFD效果最佳，可在生產中推廣應用，以提高小麥一玉米輪作系統的作物產量。