春小麦秸秆还田对后茬玉米干物质积累及产量形成的调控效应*

2020-08-01陈桂平樊志龙胡发龙于爱忠

中国生态农业学报(中英文) 2020年8期

殷文,陈桂平, 郭瑶, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 于爱忠, 赵财, 柴强

殷文†,陈桂平†, 郭瑶, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 于爱忠, 赵财, 柴强**

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院兰州 730070)

干物质是作物光合作用产物的最高形式, 其积累动态特性与籽粒产量有密切关系, 研究前茬作物不同秸秆还田方式对后茬地膜覆盖作物地上干物质积累特性与产量形成的影响, 对优化作物高产高效栽培理论和技术具有重要意义。本研究通过田间试验, 在干旱内陆灌区研究了前茬春小麦不同秸秆还田方式(免耕秸秆覆盖还田, NTM; 免耕秸秆立茬还田, NTS; 传统翻耕秸秆还田, CTS; 传统翻耕无秸秆还田, CT, 对照)对后茬玉米地上干物质积累规律及产量形成的调控效应。结果表明: 前茬春小麦免耕秸秆还田(NTM, NTS)提高了后茬玉米地上干物质最大增长速率和干物质平均增长速率, 延迟了干物质最大增长速率出现的时间, 以NTM处理作用效果最明显, 较CT玉米地上干物质最大增长速率和干物质平均增长速率分别提高5.7%、11.2%, 玉米地上干物质最大增长速率出现时间延迟3.4 d, 差异达显著水平(<0.05)。NTM、NTS处理可长时间保持后茬玉米相对较高的地上干物质积累速率, 有效延缓吐丝至灌浆期后茬玉米地上干物质积累速率的降低, 维持较长的地上干物质积累期, 提高完熟期地上干物质积累量, NTM和NTS较CT处理玉米收获期地上干物质积累量分别提高11.3%和9.9%(<0.05)。NTM、NTS和CTS比CT处理分别增产15.6%、13.0%和7.8%, 以NTM处理增产幅度较大, 较CTS增产7.3%(<0.05), 增产的主要原因为穗数、穗粒数及粒重的协同提高。通过关联矩阵分析表明, 通过优化前茬春小麦秸秆还田方式影响后茬玉米穗数来调控群体大小, 进而协调穗粒数与粒重, 通过三者相互协调发展可实现增产。因此, 前茬春小麦免耕25~30 cm覆盖秸秆还田(NTM)是典型干旱内陆灌区优化后茬玉米干物质积累特性及获得高产的理想耕作措施。

小麦秸秆还田; 地膜覆盖; 玉米; 干物质积累; 产量形成; 绿洲灌区

玉米()作为粮饲兼用作物遍布世界各地, 在保障粮饲供应安全方面发挥着重要作用[1]。与小麦()、水稻()等粮食作物相比, 玉米具有很强的耐贫瘠性及环境适应性[2], 再加上玉米生产机械化水平高、人力资源投入相对较少, 使得农民大面积连年种植玉米, 导致病虫害、早衰早熟问题日益突显, 逐步影响玉米产业的发展[3]。轮作倒茬可平衡土壤养分, 改善土壤结构, 降低病虫害, 实现作物稳产、高产[4-5], 将轮作倒茬种植方式集成于玉米栽培体系中是其可持续生产的重要研究内容。已有研究认为, 作物地上干物质积累是其产量形成的生物学基础, 干物质积累速率、干物质最大增长速率及其出现的时间决定着光合同化物对籽粒形成的贡献和产量水平[6-7]。作物干物质积累动态受诸多农艺措施的影响, 诸如, 覆盖措施[8]、耕作方式[9]、施肥制度[7]等, 其中优化耕作与覆盖措施可通过改善土壤水热特性[10], 调控作物干物质积累动态[6]。秸秆还田、地膜覆盖因可操作性强, 常常作为调控农田土壤水热特性的主要措施[10]。秸秆还田结合少免耕技术具有抑制土壤无效蒸发、保墒蓄水、调节土壤温度、培肥地力等优点[11], 但也存在降低作物生育初期表层土壤温度, 延缓出苗乃至生长发育等缺点[12]。地膜覆盖通过保墒蓄水、提高表层土壤温度, 改善水热状况, 促进作物生长发育而提高产量[13-14], 但在高温季节, 传统单一的地膜覆盖容易造成作物根区极高的土壤温度, 远远超出玉米正常生长发育的土壤温度阈值, 导致其根系及叶片早衰而降低产量[15]。干旱内陆绿洲灌区严重缺水, 春、秋热量不足但夏季炎热, 在“非膜不植”的玉米栽培背景下, 亟待研发弱化单一地膜覆盖造成地表极端高温弊端的理论与技术。

纵观作物生长发育规律及光合同化物的积累动态, 基于干物质积累速率、干物质最大增长速率及其出现的时间对产量形成影响的研究主要集中于种植方式与施氮制度[7], 而在不同覆盖措施下的研究相对较少。为此, 本研究在西北干旱内陆灌区将前茬春小麦秸秆还田与地膜覆盖同时组装在玉米生产中, 探究前茬春小麦不同秸秆还田方式对后茬地膜覆盖玉米全生育期地上干物质积累特征及产量形成的调控效应, 研发特定管理措施下, 与区域特定自然资源和地方农户生产习惯相吻合的高效种植制度, 以期为相似区域内发展高产、高效、可持续玉米生产技术提供支撑, 对推动特定作物可持续生产具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2010—2012年在典型的干旱内陆绿洲灌区甘肃省武威市农业技术推广中心-甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地进行。该基地位于甘肃省武威市凉州区, 属寒温带干旱气候, 多年平均气温约7.3 ℃,≥10 ℃年平均积温2 985 ℃; 年日照时数2 945 h, 多年平均降水量低于200 mm, 年蒸发量高达2 400 mm, 是典型的灌溉农业区。土壤类型为灌漠土, 土层厚约120 cm, 土壤容重1.57 g·cm-3, 耕层0~30 cm土层全氮含量0.68 g·kg-1、全磷1.41 g·kg-1、有机质14.31 g·kg-1。该区是玉米、春小麦的主要生产区域, 播种面积占粮食作物总面积的一半以上, 以传统深翻耕、连作生产为主, 土壤退化严重。

1.2 试验设计

在同一块田块, 2009年和2011年种植春小麦, 2010年和2012年在相同小区种植玉米, 形成“春小麦-玉米”轮作模式。在2009年和2011年春小麦成熟收割时, 设置4种春小麦秸秆还田处理方式: 免耕25~30 cm秸秆覆盖还田(NTM)、免耕25~30 cm秸秆立茬还田(NTS)、传统翻耕25~30 cm秸秆还田(CTS)、传统翻耕无秸秆还田(CT), 翌年撒施底肥, 旋耕后镇压、耙耱、覆盖地膜后穴播玉米, 形成4个处理, 各处理3次重复, 小区面积48 m2, 裂区排列。本文涉及2010年和2012年后茬玉米地上干物质积累与产量形成的相关指标。

供试玉米品种为‘武科2号’, 播种密度为82 500 株·hm-2, 覆膜栽培。2010年度与2012年度, 玉米播种日期分别为4月12日和4月20日, 收获日期分别为9月28日和10月2日。玉米施肥及灌溉制度如表1所示。

表1 玉米栽培的施肥与灌溉制度

1.3 测定指标和计算方法

玉米地上干物质积累量: 自玉米苗期开始, 每隔约2周, 每小区在同一地膜覆盖带内随机取样, 苗期取样10株, 随着玉米植株的增大至拔节期之后每次取样5株, 于105 ℃下杀青1 h后在80 ℃恒温烘干至恒重, 称重后根据基本苗换算每小区的干物质积累量。

采用Logistic方程通过回归分析拟合玉米地上干物质积累动态, 并计算其最大干物质积累速率及最大积累速率出现的时间[16]。

式中:Y为单位土地面积上玉米地上部干物质积累量(kg·hm-2),为玉米出苗后的天数,为最大地上部干物质积累量(kg·hm-2),为最初的增长速率(d-1),50为玉米出苗后最大增长速率出现的天数(d)。当Y=/2时, 增长率达最大值, 因此, 最大增长率max=(×)/4出现在50。

式中:1、2、3分别表示实测数据的始点、中点、终点时间,1、2、3分别表示在始点、中点、终点测定时间对应的干物质积累量。

产量及产量构成要素: 玉米达到生理成熟时, 按小区测定有效穗数并收获, 测定穗粒数, 通过谷物水分测定仪(PM-8188)测定玉米籽粒水分含量, 以13%的谷物含水量为基准进行计产并计算千粒重。

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2016整理、汇总、图表制作、灰色关联矩阵分析, 使用SPSS 20.0统计分析软件进行相关性分析并通过回归分析拟合Logistic方程, 运用Duncan及LSD方法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 后茬覆膜玉米地上干物质积累特征对前茬春小麦秸秆还田方式的响应

2.1.1 干物质积累量动态

两个试验年份, 前茬春小麦秸秆还田对后茬覆膜玉米苗期至拔节期(出苗后0~30 d)地上干物质积累量的影响不显著(图1)。拔节期至大喇叭口期(30~60 d), 前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田(NTM)、免耕25~30 cm秸秆立茬还田(NTS)、传统翻耕25~30 cm秸秆还田(CTS)处理下后茬玉米平均干物质积累量较传统翻耕无秸秆还田(CT)处理分别提高32.8%、27.5%和14.7%(<0.05), 以免耕秸秆还田(NTM, NTS)处理提高幅度较大, 比CTS分别高15.2%和20.0%(<0.05), 说明前茬春小麦秸秆还田结合免耕有利于促进后茬玉米生育前期光合同化物的积累。大喇叭口期至抽雄期(60~75 d), 前茬春小麦不同秸秆还田处理下后茬玉米干物质积累量均显著增加, NTM处理玉米地上干物质积累量较CT处理提高9.4%(<0.05)。抽雄期至吐丝期(75~90 d), NTM与NTS处理较对照CT玉米地上干物质积累量分别增加10.5%与6.0%(<0.05), NTM较NTS高4.8%(<0.05)。吐丝至灌浆期(90~120 d), 与CT相比, NTM、NTS处理玉米地上干物质积累量分别增加10.7%和5.7%, NTM较NTS增加4.3%(<0.05)。由于灌浆期之后NTS处理玉米生长较快, 到蜡熟至完熟期(135~150 d) NTS与NTM处理玉米的地上干物质积累量相当, 完熟期NTM、NTS、CTS较CT处理玉米地上干物质积累量分别提高11.2%、9.9%和4.3%(<0.05), NTM、NTS较CTS处理分别提高6.7%和5.4%(<0.05)。纵观整个生育期, 前茬春小麦秸秆还田结合免耕可促进后茬玉米的生长发育, 能够明显加快抽雄期之后玉米的地上干物质积累, 使其成熟期具有较高的地上干物质积累量, 为获得高产奠定基础。

图1 不同春小麦秸秆还田方式下玉米的地上干物质积累量动态

NTM、NTS、CTS、CT分别为前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田、免耕25~30 cm秸秆立茬还田、传统翻耕25~30 cm秸秆还田、传统翻耕无秸秆还田(对照); 图内数值表示每个测定时间的LSD值。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. The values in the figure represent the LSD values for each measurement time.

2.1.2 干物质积累速率动态

从2个试验年度结果分析可知(图2), 后茬玉米苗期至拔节期(出苗后0~30 d)地上干物质积累速率对前茬春小麦秸秆还田方式的响应无显著差异(>0.05)。拔节期至大喇叭口期(30~60 d), NTM、NTS、CTS处理后茬玉米平均地上干物质积累速率较CT分别提高32.1%、27.0%和14.1%(<0.05), 以NTS和NTM处理提高比例较大, 比CTS分别高15.4%和11.0%(<0.05)。随着生育期的推进, 玉米的地上干物质积累速率均显著增大, 大喇叭口期至抽雄期(60~75 d), NTS处理玉米地上干物质积累速率较CT降低7.0%, 但NTM、CTS与CT差异不显著。抽雄期至吐丝期(75~90 d), 前茬春小麦秸秆还田明显促进了后茬玉米地上光合同化物的积累, NTM、NTS与CTS较CT处理玉米地上干物质积累速率分别增大12.6%、7.7%和7.6%, 增幅达显著水平(<0.05)。吐丝期之后, 玉米地上干物质积累速率逐渐降低, 吐丝至灌浆初期(90~105 d), NTM比CT处理玉米地上干物质积累速率高6.3%(<0.05)。灌浆初期至完熟期(105~150 d), 前茬春小麦秸秆还田处理均保持相对较高的玉米地上干物质积累速率, NTM、NTS、CTS较CT分别提高20.5%、33.3%、10.6%(<0.05), 其中NTM、NTS比CTS分别提高9.3%、20.7%(<0.05)。纵观玉米全生育期, 前茬春小麦免耕秸秆覆盖还田能够提高后茬玉米拔节期之后的地上干物质积累速率, 延缓吐丝至灌浆期地上干物质积累速率的降低, 较传统翻耕无秸秆还田处理保持了较高的地上干物质积累速率, 提高了地上干物质积累量, 最终获得高产。

2.1.3 干物质最大增长速率及其出现的天数

前茬春小麦秸秆还田处理下后茬玉米地上干物质积累量()依据出苗后天数()的动态过程均可用Logistic方程=/[1+exp(-´)]加以回归描述(决定系数2≥0.98,<0.01, 表2)。两个试验年份, 均以NTM与NTS处理获得较高玉米地上部最大干物质积累量(), 较CT分别提高12.2%和10.7%(<0.05), 较CTS分别提高7.2%和5.8%(<0.05)。NTS与NTM较CT处理玉米最初干物质增长速率()分别降低9.3%和5.8%(<0.05)。说明前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆还田具有降低最初玉米干物质增长速率而增大最大干物质积累量的作用。

前茬春小麦秸秆还田方式对后茬玉米的地上部最大干物质增长速率出现的时间(50)和最大干物质增长速率(max)及平均增长速率(mean)影响显著(表2)。NTM较CT处理提高了玉米的50和max及mean, 提高比例分别为4.2%、5.7%、11.2% (< 0.05), 前茬春小麦秸秆还田处理间差异不显著。说明前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田延迟了后茬玉米地上干物质积累高峰期, 增大其干物质最大增长速率, 维持抽雄期之后较长时期的干物质积累期, 增加地上部干物质积累量, 为后茬玉米高产奠定基础。

图2 不同春小麦秸秆还田方式下玉米的干物质积累速率动态

表2 不同春小麦秸秆还田措施下玉米地上干物质积累的Logistic方程回归分析

NTM、NTS、CTS、CT分别为前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田、免耕25~30 cm秸秆立茬还田、传统翻耕25~30 cm秸秆还田、传统翻耕无秸秆还田(对照)。不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。NTM, NTS, CTS, and CT are treatments of no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw mulching in the field, no-tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw standing in the field, conventional tillage with 25 to 30 cm long spring wheat straw incorporation, and conventional tillage without straw retention. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 probability level.

2.2 前茬春小麦秸秆还田方式对后茬玉米籽粒产量及产量构成因素的影响

2.2.1 籽粒产量

与对照CT相比, 前茬春小麦秸秆还田显著提高了后茬玉米的籽粒产量(表3)。NTM、NTS、CTS较CT处理分别增产15.6%、13.0%、7.8%, 以NTM处理增产幅度较大, 较CTS增产7.3%, 增产作用显著(<0.05)。说明前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田有利于促进后茬玉米的增产效应。

2.2.2 产量构成因素

前茬春小麦秸秆还田显著提高了后茬玉米的单位面积穗数、穗粒数及千粒重(表3)。与对照CT相比, NTM、NTS后茬玉米单位面积穗数分别提高19.6%和10.8%(<0.05)。NTM、NTS较CT玉米穗粒数分别增加65.8%、62.6%(<0.05), CTS较CT玉米穗粒数增加43.4%(<0.05), 以NTM和NTS处理穗粒数增加幅度较大, 比CTS处理分别高15.6%与13.4%。NTM、NTS较CT玉米千粒重分别提高9.2%、7.8%(<0.05)。总之, 3种春小麦秸秆还田处理中, 均以NTM处理玉米籽粒产量构成因素最高。因此, 前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田是后茬玉米获得高产的适宜栽培措施。

2.3 玉米籽粒产量与其产量构成因素的相关性及关联度分析

为探明不同产量构成因子对玉米籽粒产量的影响程度, 由不同产量构成因子与其籽粒产量的相关性分析可知, 前茬春小麦秸秆还田下后茬玉米籽粒产量与其穗数、穗粒数、千粒重呈极显著正相关(表4), 说明可通过优化前茬春小麦秸秆还田方式协调同步提高后茬玉米单位面积穗数、穗粒数及千粒重的正效应来提高其籽粒产量。由玉米不同产量构成因子与其籽粒产量的关联度分析可知, 前茬春小麦秸秆还田影响后茬玉米籽粒产量的主导因素为穗数, 其次为粒重, 最后为穗粒数, 说明通过优化前茬春小麦秸秆还田方式影响后茬玉米穗数来调控群体大小, 进而协调穗粒数与粒重, 通过三者相互协调发展可实现增产。

表3 不同春小麦秸秆还田方式下玉米籽粒产量及产量构成

表4 玉米籽粒产量与其产量构成因素的相关性及关联度分析

**表示0.01水平下显著相关。** indicates significant correlations at 0.01 probability level.

3 讨论

3.1 作物干物质积累特征对秸秆还田的响应

干物质是作物光合作用的产物, 其积累量与作物籽粒产量形成密切相关[6]。增加作物地上部干物质积累量会直接或间接地促进生物产量和粒重的增加, 为作物获得较高籽粒产量奠定生物学基础[17]。纵观整个作物生长发育过程, 生殖生长期大部分地上干物质积累主要用于籽粒的形成, 营养生长期贮存于叶片和茎秆中的光合产物所占比例较小[18]。因此, 促进营养生长期茎、叶生长的同时, 加强作物生殖生长期生长至关重要, 即作物生育前期扩源后期壮穗。许多研究表明, 作物地上部的生长动态过程受多种农艺措施的调控, 诸如灌水制度[19]、施肥制度[7]、耕作及覆盖措施[6]等优化作物地上干物质的积累过程是作物获得高产的重要方式之一, 其中优化耕作与覆盖措施可通过改善土壤水热特性而有效调控作物地上干物质积累动态[10]。本研究中, 前茬春小麦秸秆还田结合免耕可促进后茬玉米拔节期之后的生长发育, 能够明显加快玉米抽雄期之后的地上干物质积累, 确保成熟期获得较高的地上干物质积累量, 为其获得较高籽粒产量奠定基础。前茬春小麦免耕秸秆覆盖还田前期较低的土壤温度利于玉米根系生长[20], 不利于地上部生长发育, 造成后茬玉米拔节期及其之前较低的地上干物质积累量及积累速率。而拔节期之后, 免耕秸秆还田下后茬玉米的地上干物质积累量及积累速率明显高于传统翻耕无秸秆还田处理, 特别是吐丝期之后提高幅度更大, 这是因为玉米吐丝期之后, 传统翻耕无秸秆还田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[10,15], 以及生育前期较高的土壤温度加快玉米生长造成水分养分过度消耗, 后期水分养分供应不足, 导致后期单一地膜覆盖玉米根系及叶片发生早衰, 降低光合作用而减小地上干物质积累量及积累速率;而前茬春小麦免耕秸秆还田玉米生育后期适宜的土壤温度, 以及玉米生育前期生长慢, 水分养分消耗少, 剩余水分养分通过“错期分配”满足玉米生育后期旺盛生长的水分养分需求, 增大其吐丝期之后的地上干物质积累量及积累速率[21], 特别是在玉米灌浆末期至成熟期仍然保持较高的地上干物质积累速率, 说明前茬春小麦免耕秸秆还田方式下后茬玉米增产主要发生在生育后期, 因此, 在玉米生产田间管理中, 可通过优化栽培措施, 维持并增强玉米生育后期的地上干物质积累而实现高产。

本研究还发现, 前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田(NTM)后茬玉米群体地上干物质积累量最大, 传统翻耕无秸秆还田玉米成熟期群体地上干物质积累量最小。其主要原因是前茬小麦收获后传统翻耕无秸秆还田, 土壤裸露保水效应差, 造成后茬玉米生育期内可利用的土壤水分相对较少[10]; 另外, 传统处理玉米生育前期土壤温度较高, 生长发育与秸秆还田处理相当, 水分养分消耗多, 造成籽粒灌浆期水分养分不足, 以及该措施在玉米开花灌浆期造成根区极端高温, 导致根系及叶片早衰, 影响生育后期光合产物的形成, 降低灌浆速率[10,21], 从而造成地上部干物质最大增长速率相对较低和成熟期地上干物质积累量相对较小, 而NTM处理则及时弥补抽雄期至灌浆期的水分养分亏缺及极端高温的不利影响, 显著提高地上干物质积累速率, 延迟叶片衰老, 维持较长时间的地上干物质积累时间, 加速营养器官光合产物向生殖器官籽粒中的运转[2,20], 促进籽粒灌浆, 从而获得高产。

Logistic方程能够准确反映作物地上干物质积累的动态状况, 已有研究认为玉米地上部干物质积累速率与秸秆还田密切相关[22], 并证实群体地上干物质积累最大速率与其产量及产量构成因子有紧密的联系。本研究发现, 前茬春小麦秸秆还田方式对后茬玉米地上干物质积累Logistic拟合方程产生极显著影响, 造成这种差异的主要原因是不同秸秆还田方式对玉米特定生育时期地上干物质积累速率的影响不同。前茬春小麦免耕秸秆还田较传统翻耕无秸秆还田处理提高了后茬玉米的地上最大干物质增长速率, 延缓了地上最大干物质增长速率出现的时间, 说明前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆还田延迟了后茬玉米地上部干物质积累高峰期, 增大其地上部干物质最大增长速率, 维持抽雄期之后较长时期的干物质积累时间, 增加其地上部干物质积累量, 为后茬玉米获得较高籽粒产量奠定基础。另外, 不同的秸秆还田方式形成不同的土壤理化特性, 如土壤水热特性[10]、团粒结构[23]及有机质含量[23]等变化均影响玉米生育期内的光合生理特性及关键酶活性[24-25], 最终影响地上部干物质的积累动态和籽粒产量形成。

3.2 秸秆还田对作物籽粒产量形成的调控效应

本研究发现, 与试区农户习惯生产模式传统翻耕无秸秆还田相比, 前茬春小麦免耕秸秆覆盖与立茬还田下后茬玉米均获得较高籽粒产量, 且二者差异不显著, 说明试区玉米生产中通过集成轮作倒茬、秸秆还田、免耕措施可获得良好的增产效应。前茬春小麦免耕秸秆还田方式下后茬玉米显著增产的原因在于: 第一, 前茬春小麦秸秆还田及免耕优化了土壤理化特性[23], 为后茬玉米生育后期生长提供了良好的土壤水热环境[10]; 第二, 前茬春小麦秸秆还田后茬玉米的生长速率高于传统翻耕无秸秆还田, 各营养器官的干物质转运量、转运率及对籽粒产量的贡献均高于传统耕作无秸秆还田[6], 特别是前茬春小麦免耕秸秆覆盖还田(NTM)处理尤为突出; 第三, 前茬春小麦秸秆还田使得后茬玉米吐丝期之前干物质主要分配在叶片、茎秆、叶鞘中, 而吐丝期之后主要转向穗部籽粒灌浆, 其中, NTM处理在玉米吐丝期之前促进了地上干物质在各营养器官的积累, 而吐丝期之后又促进了穗部籽粒灌浆而获得高产[6]。相反, 传统翻耕无秸秆还田处理产量较低的原因为: 第一, 由于传统翻耕无秸秆还田处理单一的地膜覆盖往往造成玉米吐丝开花至灌浆期根区极端高温, 导致其根系及叶片早衰而形成较低的籽粒产量[10]; 第二, 秸秆还田可增加土壤有机质含量[26-27], 传统翻耕无秸秆还田处理可能由于植株体内养分不足和“源”与“库”关系不协调, 表现为营养“源”向籽粒“库”转移光合产物相对较少, 进而降低籽粒产量[6]。

禾谷类作物获得高产是其产量构成因子相互协调发展的结果[28]。试区传统玉米生产采用地膜覆盖, 其增产的主要原因是穗粒数的增加, 主要体现在抽雄及雌穗分化发育阶段[29]。优化耕作方式通过增加群体平均叶面积指数、平均净同化率、穗数、穗粒数、粒重, 通过产量性能参数的差异补偿机制实现玉米增产[30]。本研究发现, 前茬春小麦免耕秸秆还田方式下后茬玉米的穗数明显多于其他处理, 主要是提高了玉米的双穗率[31], 可能因为前茬春小麦免耕秸秆还田明显提高了后茬玉米农田土壤水分含量,降低了后茬玉米开花吐丝期土壤温度, 为其穗部形成及籽粒灌浆奠定了基础[32]; 而传统耕作无秸秆还田地膜覆盖玉米的穗数明显少于免耕秸秆还田, 可能因为单一的地膜覆盖玉米开花吐丝期, 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[21], 减弱光合速率, 从而降低成穗率。通过玉米籽粒产量与其产量构成因子的相关性及关联度分析表明, 前茬春小麦免耕秸秆还田增强后茬玉米增产的主要原因在于产量三要素的协同提升, 通过优化前茬春小麦秸秆还田方式影响后茬玉米穗数来调控群体大小, 进而协调穗粒数与粒重, 通过三者相互协调发展而实现增产。

4 结论

干旱绿洲灌区前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆还田可显著提高后茬玉米地上部干物质最大增长速率, 增大其地上部干物质平均增长速率, 延迟地上部干物质最大增长速率出现的时间。前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆还田可较长时间维持后茬玉米相对较高的地上部干物质积累速率, 有效延缓吐丝至灌浆期玉米干物质积累速率的降低, 优化干物质的积累特性, 提高完熟期干物质积累量。前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆还田有利于提高后茬玉米籽粒产量, 其中春小麦免耕25~30 cm高茬收割秸秆覆盖还田的增产效应更强, 其高产主要归因于免耕秸秆覆盖还田协同提高后茬玉米单位面积穗数、穗粒数和粒重。因此, 前茬春小麦免耕25~30 cm秸秆覆盖还田是干旱内陆灌区优化后茬玉米干物质积累特性及获得高产的适宜耕作措施。

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Responses of dry matter accumulation and yield in a following maize crop to spring wheat straw returning*

YIN Wen†, CHEN Guiping†, GUO Yao, FAN Zhilong, HU Falong, FAN Hong, YU Aizhong, ZHAO Cai, CHAI Qiang**

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Dry matter accumulation is the highest form of photosynthetic products in crops, and its accumulation dynamic characteristics are closely related to grain yield. Therefore, it is important to identify the effects of different straw retention methods on dry matter accumulation and crop yield with plastic film mulching. In this study, a field experiment was carried out in a typical irrigated inland region with an arid climate, to determine the characteristics of the above-ground dry matter accumulation and the yield of maize under different retention methods of straws of the preceding spring wheat. The treatments were: no-tillage with long spring wheat straw mulched in the field (NTM), no-tillage with spring wheat straw standing in the field (NTS), conventional tillage with long spring wheat straw incorporated into the soil (CTS), and conventional tillage without straw retention (CT). The results showed that the NTM and NTS treatments increased the maximum and the mean dry matter accumulation rate and delayed the emergence time of the maximum dry matter accumulation rate of maize. The NTM treatment had the most obvious effect. Compared to CT, the NTM treatment significantly increased the maximum and mean dry matter accumulation rate of maize by 5.7% and 11.2%, respectively. The emergence time of the maximum dry matter accumulation rate underh NTM was delayed by 3.4 days (<0.05). The NTM and NTS treatments maintained a high dry matter accumulation rate, effectively delaying the decline of dry matter accumulation rate for maize from the silking to filling stage. This prolonged the duration of dry matter accumulation and increased the amount of dry matter accumulation at the maturing stage. Compared to CT, NTM and NTS treatments significantly increased the dry matter accumulation of maize at the harvest stage by 11.3% and 9.9% (<0.05), respectively. The grain yield of maize was 15.6%, 13.0%, and 7.8% higher in NTM, NTS, and CTS treatments than in CT treatment (<0.05). The most significant effect on improved yield was from NTM treatment, which was 7.3% higher than that of CTS (<0.05). The main reason for the increased yield was the combined increase in spike numbers, grain numbers per spike, and 1000-grain weight. Correlation matrix analysis showed that the population size of following maize could be regulated by optimizing the previous spring wheat straw returning methods, which affected the growth and yield characteristics. Our results showed that the NTM (no-tillage with spring wheat straw mulch) is the most appropriate cultivation method to optimize dry matter accumulation and obtain high yields of maize in an arid inland irrigation region.

Wheat straw retention; Plastic film mulching; Maize; Dry matter accumulation; Yield formation; Oasis irrigation area

S341; S141

10.13930/j.cnki.cjea.200164

殷文, 陈桂平, 郭瑶, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 于爱忠, 赵财, 柴强. 春小麦秸秆还田对后茬玉米干物质积累及产量形成的调控效应[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(8): 1210-1218

YIN W, CHEN G P, GUO Y, FAN Z L, HU F L, FAN H, YU A Z, ZHAO C, CHAI Q. Responses of dry matter accumulation and yield in a following maize crop to spring wheat straw returning[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1210-1218

*甘肃省干旱生境作物学重点实验室开放基金(GSCS-2019-03)、国家公益性行业(农业)科研项目(201503125-3)和甘肃农业大学伏羲青年人才培育项目(GAUFX-03Y10)资助

柴强, 从事多熟种植、循环农业、保护性耕作技术与理论研究。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

† 同等贡献者: 殷文, 从事节水农业研究, E-mail: yinwentx@126.com; 陈桂平, 从事多熟种植研究, E-mail: chengp@gsau.edu.cn

2020-03-05

2020-05-02

* This study was supported by the Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science (GSCS-2019-03), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503125-3), andthe Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (GAUFX-03Y10).

† Equiavlent contributors

, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

Mar. 5, 2020;

May 2, 2020