2 甘肃农业大学工学院 兰州 730070
2 College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
作物产量是平均叶面积指数、平均净同化率、收获指数、单位面积穗数、穗粒数、粒重等产量性能指标相互补偿协调的结果[1]。在产量潜力提高过程中, 群体产量性能参数会相应变化, 研究高产作物产量性能参数特征及其形成机制, 对于优化作物管理技术具有重要理论和技术指导价值。在影响玉米(Zea mays)产量性能指标的诸多因子中, 品种[2-3]、耕作措施[4]、播种密度[5]、播种期[6]、水肥条件[7]倍受关注。已有研究证明, 创造适宜的土壤水分环境, 并配以相应的耕作措施、播种密度可作为优化玉米产量性能指标的调控措施[4-5, 7]。大量研究表明, 以少免耕作和秸秆还田为主要措施的保护性耕作技术主要通过保持水土、提高作物产量、降低风蚀、水蚀等环境问题而广泛应用于农业生产[8-9]; 而后作倒茬通过平衡土壤养分具有稳产、高产, 提高农业资源转化率等优势[10-11]。然而, 基于少免耕、秸秆还田和后作于一体的技术体系, 能否通过优化作物的产量性能指标而获得高产尚少见报道, 使得生产实践中缺乏通过优化耕作制度而提高作物产量的理论依据。甘肃河西绿洲灌区光资源丰富、热量适于玉米生产, 但连作普遍, 连作弊端逐年显现, 缺乏集成应用轮作与保护性耕作技术的玉米高产模式与理论。为此, 本研究以优化利用小麦(Triticum aestivum)茬口为突破口, 在不同耕作措施和小麦秸秆还田方式下, 探讨提高后作玉米产量性能指标的可行性, 以期为优化试区高产高效玉米种植制度提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2009-2012年度在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(37°30′N, 103°5′E)进行。试验区位于河西走廊东端, 属寒温带干旱气候区, 年平均气温7.2 ℃, ≥0 ℃和≥10 ℃积温分别为3 513.4 ℃和2 985.4 ℃; 日照时数2 945 h。试区年平均降雨量约156 mm, 主要集中在7-9月, 年蒸发量约2 400 mm, 是典型的绿洲灌溉农业区。小麦、玉米为试区主栽作物, 均为一年1熟栽培模式, 小麦传统栽培中秸秆不还田, 每年进行翻耕; 玉米普遍连作, 每年翻耕, 均采用地膜覆盖种植, 玉米生产表现出连作病虫害逐年加重, 产量、品质下降等问题。
1.2 试验设计2009年布置预备试验, 建立不同小麦留茬高度及秸秆还田方式。2010年度与2012年度重复试验并进行相关数据的采集与整理。玉米播种日期分别为2010年4月22日和2012年4月20日, 收获日期分别为2010年9月28日和2012年10月2日。供试玉米品种为‘武科2号’。2010年度与2012年度, 玉米播种至收获期降雨量分别为94.7 mm和128.5 mm。
试验设4种耕作及秸秆还田处理, 3次重复。2009年和2011年种植小麦, 小麦收获期采取4种不同收割方式: 25 cm高茬收割立茬免耕(NTSS)、25 cm高茬等量秸秆覆盖免耕(NTS)、25 cm高茬等量秸秆翻耕(TIS), 以传统不还田翻耕(CT)为对照; NTS和TIS秸秆还田量为4 200 kg·hm-2。翌年(2010年和2012年)种植玉米, 形成小麦−玉米轮作体系。玉米播种密度为82 500株·hm-2, 小区面积48 m2。传统不留茬耕作(CT)及高茬等量秸秆翻耕(TIS)处理前茬小麦收获后翻耕(深度为30 cm), 翌年撒施底肥, 然后机械耙耱、人工覆膜; 小麦高茬收割立茬免耕(NTSS)与高茬等量秸秆覆盖免耕(NTS)处理前茬小麦收割后免耕, 翌年撒施底肥, 然后机械旋耕、耙耱、人工覆膜, 穴播点种玉米。其他田间管理措施同地方高产田。
施肥、灌溉制度与地方高产田一致, 即总施N量为450 kg·hm-2, 按基肥︰大喇叭口期追肥︰灌浆期追肥=3︰6︰1分施, 追肥时, 用穴播枪在距玉米茎秆10 cm处打孔, 将肥料施入10 cm深的孔中, 然后埋土即可; 施纯P2O5 225 kg·hm-2, 全作基肥。灌溉制度为冬灌水120 mm, 玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期和灌浆期分别灌水90 mm、75 mm、90 mm、75 mm和75 mm。
1.3 测定指标和计算方法 1.3.1 叶面积指数与净同化率玉米苗期至成熟期, 各小区每隔约20 d (2010年和2012年玉米具体生育时期的取样时间见表 1)用“S”型法选取长势均匀、有代表性的5株玉米, 先测定每株各叶片的叶长(ai)和最大叶宽(bi), 计算叶面积指数(LAI), 然后将所有样品于105 ℃下杀青1 h后, 在80 ℃下烘24 h至完全烘干后称其重量, 测定其干物质积累量。
叶面积指数由下式求得:
$ {\rm{LAI}} = 0.75 \times P \times \sum\limits_{i = 1}^n {({a_i} \times {b_i})} $ |
式中: 0.75为校正系数, P为玉米种植密度, a和b分别为叶片的长和宽, i为叶片个数。
然后由下式求得光合势(LAD):
$ {\rm{LAD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {(LA{I_i} \times {D_i})} $ | (1) |
式中: LAIi为第i个生育阶段的平均叶面积, Di为第i个生育阶段所持续的时间。
净同化率(NAR: g·m-2·d-1)表示单位叶面积在单位时间内的干物质增长量, 由下式求得:
$ {\rm{NAR}} = \frac{{\ln {L_2} - \ln {L_1}}}{{{L_2} - {L_1}}} \times \frac{{{W_2} - {W_1}}}{{{t_2} - {t_1}}} $ | (2) |
式中: L2、L1分别为t2、t1时间的叶面积, W1为时间t1时的干重, W2为时间t2时的干重。
根据张宾等[12]的方法计算平均叶面积指数(MLAI), 根据侯玉虹等[13]的方法计算平均净同化率(MNAR)。
1.3.2 产量及产量性状每小区单独收获计产(除去取样植株所占面积), 测定单位面积穗数(EN), 玉米随机选取10穗进行考种, 测定穗粒数(KNE)、千粒重(TKW)等产量性能指标。
1.4 数据统计数据用Microsoft Excel 2007整理汇总, 用SPSS 17.0进行方差分析、显著性检验及相关性分析。
2 结果与分析 2.1 不同耕作及秸秆还田方式下后作玉米叶面积指数及光合势动态 2.1.1 全生育期平均叶面积指数(LAI)及叶面积指数动态就全生育期平均叶面积指数(MLAI)而言(表 2), 秸秆还田处理NTSS、NTS、TIS较CT显著提高了MLAI, 分别高11.7%~14.0%、16.8%~21.5%和6.5%~7.4%(P < 0.05), 以免耕还田NTSS、NTS提高MLAI作用较大, 比TIS分别高4.9%~6.2%、9.6%~13.1% (P < 0.05), 以NTS提高MLAI优势最为突出。
前茬小麦免耕秸秆还田降低了后作玉米生育前期的LAI, 但保持了生育后期较高的LAI (图 1)。2010年度与2012年度, 与CT相比, NTSS、NTS处理在玉米大喇叭口期(2010年: 6月30日; 2012年: 6月27日)之前的LAI分别显著低26.2%~31.1%与17.8%~30.7%, TIS低11.2%~13.6%(P < 0.05);大喇叭口期至吐丝期(2010年: 6月30日-7月20日; 2012年: 6月27日-7月17日), NTS比CT显著高5.0%~14.3%(P < 0.05);吐丝期(2010年: 7月20日; 2012年: 7月17日)之后, NTSS、NTS处理的LAI比CT显著高33.5%~41.4%, TIS比CT显著高15.7%~41.4%, 其中NTS具有较高的LAI, 较CT高36.0%~41.4%, 较TIS高17.6%~19.1%(P < 0.05), 说明NTS具有良好的保持玉米生育后期光合源的功能。
前茬小麦免耕秸秆还田可显著提高后作玉米的总光合势, NTS提高LAD的效果最为显著(表 2)。两个试验年份中, 免耕还田(NTSS、NTS)后作玉米全生育期总光合势比CT分别高11.2%~14.5%、16.3%~20.8%, 翻耕还田(TIS)比CT高6.0%~7.5%, 均达到显著水平(P < 0.05)。3种秸秆还田处理中, NTSS、NTS比TIS分别高4.9%~6.6%、9.7%~12.4%, 差异显著(P < 0.05)。
玉米大喇叭口期(2010年: 6月30日; 2012年: 6月27日)之前, NTSS、NTS处理玉米的光合势均小于CT (图 2), 降低比例分别达5.9%~21.4%、20.1%~23.1%(P < 0.05)。大喇叭口期至吐丝期(2010年: 6月30日-7月20日; 2012年: 6月27日-7月17日), NTSS、TIS处理的光合势与CT相似, 但NTS比CT高4.9%~14.3% (P < 0.05)。吐丝期(2010年: 7月20日; 2012年: 7月17日)之后, NTSS、NTS的LAD比CT分别高26.3%~28.1%、29.7%~33.7%, TIS比CT高12.7%~14.0%, 差异显著(P < 0.05), 即免耕秸秆还田处理对玉米光合势的提高作用较大, 以NTS提高作用最明显, 比TIS高15.1%~17.3%。总体来说, 前茬小麦秸秆覆盖免耕减小了玉米大喇叭口期(2010年: 6月30日; 2012年: 6月27日)之前的光合势, 增大了吐丝期(2010年: 7月20日; 2012年: 7月17日)之后的光合势, 以NTS调控效应最明显, 为后茬玉米高产奠定了基础。
前茬小麦免耕秸秆还田提高了后作玉米生育前期的NAR, 但降低了生育后期的NAR (图 3)。两年度最大NAR出现在小喇叭口期至吐丝期(2010年: 6月10日-7月20日; 2012年: 6月9日-7月17日), 2010年, 翻耕处理TIS、CT的最大NAR出现先于免耕处理NTSS、NTS, 而2012年均出现在小喇叭口期至大喇叭口期(6月10-30日)。小喇叭口期至大喇叭口期(2010年: 6月10-30日; 2012年: 6月9-27日)的NAR年际间有差异, 但以CT最低; 大喇叭口期至吐丝期(2010年: 6月30日-7月20日; 2012年: 6月27日-7月17日), 2010年表现为NTSS、NTS高于TIS、CT, 分别提高21.0%~31.7%、38.2%~50.4%, 2012年NTSS比CT高10.2%, 均达显著性差异(P < 0.05)。总之, 吐丝期(2010年: 7月20日; 2012年: 7月17日)之前, NTSS、NTS较CT提高NAR, 分别显著高12.0%~20.3%、4.4%~16.8%, TIS较CT高8.0%~9.1%(P < 0.05), 以免耕秸秆还田提高作用突出; 相反, 吐丝期(2010年: 7月20日; 2012年: 7月17日)之后, 与CT相比, 秸秆还田降低了NAR, 其中NTSS、NTS分别低7.0%~8.4%、11.3%~23.9%, TIS低6.9%~11.0%(P < 0.05), 且以NTS降低幅度最大。全生育期平均净同化率(MNAR) NTSS显著高于CT, 提高比例达6.4%~15.0%(P < 0.05)(表 2)。
与CT相比, 前茬小麦秸秆还田显著提高了后作玉米的籽粒产量(表 3)。两个试验年度, NTSS、NTS比CT分别高12.0%~13.9%、13.7%~17.5%, TIS比CT高4.4%~11.3%, 差异显著(P < 0.05), 免耕秸秆还田增产效果明显。以NTS处理的籽粒产量最高, 分别达13 470 kg·hm-2与13 247 kg·hm-2, 较TIS高5.7%~9.0%(P < 0.05)。由此说明, 前茬小麦秸秆25 cm高茬等量覆盖结合免耕有利于提高玉米籽粒产量。
小麦秸秆还田明显提高了后作玉米的单位面积成穗数(EN)、穗粒数(KNE)及千粒重(TKW)(表 3)。与CT相比, NTSS、NTS的EN分别高8.7%~12.8%与18.1%~21.0%(P < 0.05)。NTSS、NTS较CT提高了KNE, 提高比例分别为60.6%~64.6%、63.7%~67.8%, TIS较CT高41.0%~45.8%, 以NTS提高KNE幅度较大, 比TIS高15.0%~16.1%(P < 0.05)。NTSS、NTS较CT提高了TKW, 分别高4.2%~7.8%、8.7%~9.6%, 以NTS提高TKW作用较大, 比TIS高5.0%~5.6%(P < 0.05)。总之, 3种小麦秸秆还田处理中, 均以NTS产量构成因素最高, 是玉米获得高产的基础。
前茬小麦秸秆还田提高了后作玉米光合产物向穗部的转化(表 3)。两年度, 均有NTS的收获指数显著高于CT, 提高比例为5.4%~8.4%(P < 0.05), 说明25 cm高茬秸秆覆盖结合免耕是提高玉米光合产物转化的适宜茬口管理措施。
2.3 不同耕作及秸杆还田方式下籽粒产量与产量性能指标的相关性由表 4可以看出, 玉米籽粒产量与MLAI、EN、KNE呈极显著正相关, 与HI、TKW呈显著正相关, 但与MNAR无显著相关。说明小麦秸秆还田可通过提高叶面积指数、收获指数来提高物质生产的稳定性及干物质的转移效率, 从而提高籽粒产量; 也可通过优化耕作方式提高单位面积穗数、穗粒数的正效应来提高籽粒产量。
作物良好的生长发育需要适宜的土壤温度与水分, 土壤温度与水分的变化与根系功能、光合特性及产量形成等作物生长发育密切相关[14-15], 通过耕作方式及覆盖措施调控农田土壤水热特性对作物生长发育具有重要作用[16]。作物叶面积指数(LAI)及光合势(LAD)是群体结构的重要量化指标, 是反映作物长势与预测作物产量的重要农学参数[17]。创建合理的群体结构对提高作物产量具有重要作用, 采用适宜的栽培技术是调节群体结构的重要措施[18], 前期扩源后期保持庞大的绿色叶面积是作物高产的基础[19]。本研究发现, 前茬免耕秸秆还田降低了后作玉米大喇叭口期之前的LAI与LAD, 保持了吐丝期之后较高的LAI与LAD, 以秸秆免耕覆盖还田(NTS)的效应最为突出, 这是因为免耕秸秆覆盖还田前期低温利于玉米根系生长[20], 不利于地上部生长发育, 造成较低的光合源, 而吐丝期之后, 传统地膜覆盖在玉米开花灌浆期造成玉米根区极端高的土壤温度[21], 以及生育前期水分养分过度消耗, 后期养分不足, 导致后期根系及叶片发生早衰, 光合源相对较小, 而免耕秸秆还田后期适宜的土壤温度, 以及玉米生育前期生长慢, 养分消耗少, 实现养分“错期分配”, 满足玉米生育后期旺盛生长的养分需求, 提高了吐丝期之后的叶面积与光合势, 说明免耕秸秆还田玉米增产主要发生在生育后期。前人研究发现, 高产玉米吐丝后光合势占总光合势的50%以上[2]。本研究中前茬小麦秸秆还田处理玉米吐丝后光合势占总光合势的63.1%~70.9%, 以前茬小麦免耕秸秆覆盖还田(NTS)玉米吐丝后光合势占总光合势的比例最大, 达66.7%~70.9%, 为玉米增产奠定了基础, 其高产效应已被证实[22]。
3.2 前茬小麦秸秆免耕还田对后作玉米净同化率影响净同化率是衡量作物光合能力的重要指标之一。大量研究表明, 玉米一生中净同化率呈“双峰型”曲线变化, 峰值分别出现在大喇叭口期和灌浆期, 谷值出现在开花授粉期[23], 利用地膜覆盖、残茬覆盖等不同覆盖方式对玉米的研究得到了相同结论[24]。同时, 姚刚等[25]研究地膜对春玉米净同化率的影响后发现, 净同化率在玉米出苗后50 d左右达到峰值, 与本研究结果一致。另有研究表明, 吐丝期是春玉米群体由营养生长过渡到生殖生长时期, 该时期植株形态发育完全, 叶面积最高, 吐丝期之后净同化率却最低[26]。从群体叶片发育角度分析认为, 春玉米群体叶面积指数的高低会影响净同化率的变化, 叶面积系数达到高峰期, 叶片相互遮蔽, 群体受光面积不再随着玉米叶面积的增加而增加, 净同化率降低[27]。本研究表明, 前茬小麦秸秆免耕还田提高了玉米吐丝期之前的净同化率(NAR), 相反降低了吐丝期之后的NAR。这是因为通过优化耕作措施, 小麦秸秆免耕还田前期低温延缓玉米生长发育, 后期适宜的土壤温度使得玉米表现出明显的恢复生长, 群体拥挤程度加大, 植株中下部叶片光合速率降低, 净同化率降低。另一可能原因是净同化率随着平均叶面积指数的变化而变化, 是叶面积与干物质重量共同影响的光合生理指标, 受外界生态环境影响明显, 吐丝期至灌浆期正是全年气温最高季节, 植物新陈代谢旺盛, 呼吸消耗多, 积累少, 导致净同化率降低[28]。
3.3 前茬小麦秸秆免耕还田对后作玉米产量与性能指标的影响作物产量由平均叶面积指数、平均净同化率、单位面积穗数、穗粒数和粒重共同决定[1]。对于禾谷类作物而言, 各产量性能指标间的协调发展是实现高产的基础。传统玉米栽培采用地膜覆盖增产的主要原因是玉米穗粒数的增加, 主要表现在抽雄及雌穗分化发育阶段[29]。条带深松耕作方式可增加穗数、穗粒数、千粒重、干物质积累量、群体平均叶面积指数、平均净同化率, 通过产量性能参数的差异补偿机制实现密植夏玉米增产[30]。本研究发现, 前茬小麦秸秆还田提高了后作玉米的穗数、穗粒数及粒重, 其中免耕还田处理的穗数明显高于其他处理, 主要是提高了玉米的双穗率[31], 一方面由于其品种的遗传特性所决定, 另一方面可能因为秸秆免耕还田明显提高了土壤水分含量, 降低了开花吐丝期土壤温度, 为玉米穗部形成及灌浆奠定了基础[32]; 而传统耕作处理的穗数明显低于秸秆还田, 传统耕作成穗率较低所致, 可能因为玉米开花吐丝期, 较低的土壤含水量与较高的土壤温度[20], 降低了生育后期的叶面积指数及光合势, 减弱光合速率, 从而降低成穗率。通过籽粒产量与其产量性能指标的相关分析表明, 免耕还田提高玉米产量主要因为平均叶面积指数、穗数、穗粒数、粒重及收获指数的提高。25 cm秸秆免耕还田可以作为区域玉米高产栽培技术。
4 结论前茬小麦秸秆还田可减小后作玉米大喇叭口期之前的叶面积指数、光合势, 增大吐丝期之后的叶面积指数、光合势, 延缓衰老, 以免耕秸秆还田处理大喇叭口期之前降低作用与吐丝期之后延缓衰老作用突出。与CT相比, NTSS、NTS平均叶面积指数(MLAI)及总光合势(LAD)分别高11.7%~14.0%、16.8%~21.5%与11.2%~14.5%、16.3%~20.8%, TIS分别高6.5%~7.4%与6.0%~7.5%, 以NTS提高MLAI与总LAD幅度最大。前茬小麦免耕秸秆还田提高了后作玉米生育前期的净同化率(NAR), 但降低了生育后期的NAR, 以NTSS调控作用最突出, 全生育期的平均净同化率(MNAR)高6.4%~15.0%。前茬小麦秸秆免耕还田有利于后作玉米产量的提高, 其中NTS的增产效果较大, 比CT增产13.7%~17.5%, 比TIS增产5.7%~9.0%, 其高产主要归因于MLAI、穗数、穗粒数、收获指数的提高。因此, 前茬小麦25 cm秸秆覆盖免耕还田是绿洲灌区优化后作玉米产量性能指标及获得高产的可行栽培措施。
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