綠洲灌區(qū)小麥免耕秸稈還田對后作玉米產(chǎn)量性能指標的影響*

郭 瑤,柴 強**,殷 文,馮福學(xué),趙 財,于愛忠

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 蘭州 730070)

綠洲灌區(qū)小麥免耕秸稈還田對后作玉米產(chǎn)量性能指標的影響*

郭 瑤1,柴 強1**,殷 文1,馮福學(xué)2,趙 財1,于愛忠1

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 蘭州 730070)

產(chǎn)量性能是決定作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素,研究前茬秸稈處理方式對后茬作物產(chǎn)量性能指標的影響,對于建立高效種植制度、優(yōu)化栽培措施具有重要指導(dǎo)意義。2009—2012年,在甘肅河西綠洲灌區(qū),通過田間定位試驗,研究了前茬小麥不同秸稈還田和耕作措施(NTSS:25cm高茬收割立茬免耕;NTS:25cm高茬等量秸稈覆蓋免耕;TIS:25cm高茬等量秸稈翻耕;CT:不留茬翻耕對照)對后作玉米產(chǎn)量性能指標的影響,以期為優(yōu)化試區(qū)玉米種植模式提供依據(jù)。結(jié)果表明,與CT相比,前茬小麥秸稈還田降低了后作玉米大喇叭口期之前的葉面積指數(shù)(LAI)與光合勢(LAD),但增大了吐絲期之后的LAI與LAD,延緩了衰老,以NTSS、NTS延緩衰老作用突出;NTSS、NTS和TIS處理玉米全生育期的平均葉面積指數(shù)(MLAI)比CT分別提高12.8%、19.1%和7.0%,總光合勢分別提高12.9%、18.6%和6.8%,免耕秸稈還田(NTSS和NTS)提高MLAI和LAD的效果最好。免耕秸稈還田提高了玉米全生育期的平均凈同化率(MNAR),以 NTSS提高作用明顯,較 CT高10.7%;但凈同化率(NAR)表現(xiàn)為吐絲期之前增大,吐絲期之后降低。NTSS、NTS提高了后作玉米的籽粒產(chǎn)量,比CT分別高13.0%、15.6%,TIS比CT提高7.9%,NTS增產(chǎn)效應(yīng)最大。不同秸稈還田及耕作方式下,玉米籽粒產(chǎn)量與MLAI、穗數(shù)(EN)、穗粒數(shù)(KNE)呈極顯著正相關(guān)性,與收獲指數(shù)(HI)呈顯著正相關(guān)性,但與MNAR無顯著相關(guān)性。MLAI、EN、KNE增加、HI提高是前茬小麥免耕秸稈還田提高后作玉米產(chǎn)量的主要原因。前茬秸稈免耕還田優(yōu)化后茬玉米主要產(chǎn)量性能指標的效果最好。因此,前茬小麥 25cm秸稈覆蓋免耕還田是綠洲灌區(qū)優(yōu)化后作玉米產(chǎn)量性能指標及獲得高產(chǎn)的可行栽培措施。

玉米;免耕;秸稈還田;后茬作物;產(chǎn)量性能;綠洲灌區(qū)

作物產(chǎn)量是平均葉面積指數(shù)、平均凈同化率、收獲指數(shù)、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量性能指標相互補償協(xié)調(diào)的結(jié)果[1]。在產(chǎn)量潛力提高過程中,群體產(chǎn)量性能參數(shù)會相應(yīng)變化,研究高產(chǎn)作物產(chǎn)量性能參數(shù)特征及其形成機制,對于優(yōu)化作物管理技術(shù)具有重要理論和技術(shù)指導(dǎo)價值。在影響玉米(Zea mays)產(chǎn)量性能指標的諸多因子中,品種[2-3]、耕作措施[4]、播種密度[5]、播種期[6]、水肥條件[7]倍受關(guān)注。已有研究證明,創(chuàng)造適宜的土壤水分環(huán)境,并配以相應(yīng)的耕作措施、播種密度可作為優(yōu)化玉米產(chǎn)量性能指標的調(diào)控措施[4-5,7]。大量研究表明,以少免耕作和秸稈還田為主要措施的保護性耕作技術(shù)主要通過保持水土、提高作物產(chǎn)量、降低風(fēng)蝕、水蝕等環(huán)境問題而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[8-9];而后作倒茬通過平衡土壤養(yǎng)分具有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn),提高農(nóng)業(yè)資源轉(zhuǎn)化率等優(yōu)勢[10-11]。然而,基于少免耕、秸稈還田和后作于一體的技術(shù)體系,能否通過優(yōu)化作物的產(chǎn)量性能指標而獲得高產(chǎn)尚少見報道,使得生產(chǎn)實踐中缺乏通過優(yōu)化耕作制度而提高作物產(chǎn)量的理論依據(jù)。甘肅河西綠洲灌區(qū)光資源豐富、熱量適于玉米生產(chǎn),但連作普遍,連作弊端逐年顯現(xiàn),缺乏集成應(yīng)用輪作與保護性耕作技術(shù)的玉米高產(chǎn)模式與理論。為此,本研究以優(yōu)化利用小麥(Triticum aestivum)茬口為突破口,在不同耕作措施和小麥秸稈還田方式下,探討提高后作玉米產(chǎn)量性能指標的可行性,以期為優(yōu)化試區(qū)高產(chǎn)高效玉米種植制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2009—2012年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(37o30′N,103o5′E)進行。試驗區(qū)位于河西走廊東端,屬寒溫帶干旱氣候區(qū),年平均氣溫7.2 ,℃ ≥0℃和≥10℃積溫分別為3 513.4℃和2 985.4 ;℃ 日照時數(shù)2 945 h。試區(qū)年平均降雨量約156 mm,主要集中在7—9月,年蒸發(fā)量約2 400 mm,是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。小麥、玉米為試區(qū)主栽作物,均為一年1熟栽培模式,小麥傳統(tǒng)栽培中秸稈不還田,每年進行翻耕;玉米普遍連作,每年翻耕,均采用地膜覆蓋種植,玉米生產(chǎn)表現(xiàn)出連作病蟲害逐年加重,產(chǎn)量、品質(zhì)下降等問題。

1.2 試驗設(shè)計

2009年布置預(yù)備試驗,建立不同小麥留茬高度及秸稈還田方式。2010年度與 2012年度重復(fù)試驗并進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與整理。玉米播種日期分別為2010年4月22日和2012年4月20日,收獲日期分別為2010年9月28日和2012年10月2日。供試玉米品種為‘武科2號’。2010年度與2012年度,玉米播種至收獲期降雨量分別為94.7 mm和128.5 mm。

試驗設(shè)4種耕作及秸稈還田處理,3次重復(fù)。2009年和2011年種植小麥,小麥收獲期采取4種不同收割方式:25cm高茬收割立茬免耕(NTSS)、25cm高茬等量秸稈覆蓋免耕(NTS)、25cm高茬等量秸稈翻耕(TIS),以傳統(tǒng)不還田翻耕(CT)為對照;NTS和TIS秸稈還田量為 4 200kg·hm-2。翌年(2010年和2012年)種植玉米,形成小麥?玉米輪作體系。玉米播種密度為82 500株·hm-2,小區(qū)面積48 m2。傳統(tǒng)不留茬耕作(CT)及高茬等量秸稈翻耕(TIS)處理前茬小麥收獲后翻耕(深度為30cm),翌年撒施底肥,然后機械耙耱、人工覆膜;小麥高茬收割立茬免耕(NTSS)與高茬等量秸稈覆蓋免耕(NTS)處理前茬小麥收割后免耕,翌年撒施底肥,然后機械旋耕、耙耱、人工覆膜,穴播點種玉米。其他田間管理措施同地方高產(chǎn)田。

施肥、灌溉制度與地方高產(chǎn)田一致,即總施 N量為450kg·hm-2,按基肥︰大喇叭口期追肥︰灌漿期追肥=3︰6︰1分施,追肥時,用穴播槍在距玉米莖稈10cm處打孔,將肥料施入10cm深的孔中,然后埋土即可;施純P2O5225kg·hm-2,全作基肥。灌溉制度為冬灌水120 mm,玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、開花期和灌漿期分別灌水90 mm、75 mm、90 mm、75 mm和75 mm。

1.3 測定指標和計算方法

1.3.1 葉面積指數(shù)與凈同化率

玉米苗期至成熟期,各小區(qū)每隔約20 d(2010年和 2012年玉米具體生育時期的取樣時間見表1)用“S”型法選取長勢均勻、有代表性的5株玉米,先測定每株各葉片的葉長(ai)和最大葉寬(bi),計算葉面積指數(shù)(LAI),然后將所有樣品于105℃下殺青1 h后,在80℃下烘24 h至完全烘干后稱其重量,測定其干物質(zhì)積累量。

表1 不同年份玉米不同生育時期的取樣時間(月-日)Table1 The sampling dates (month-day) for maize at different growth stages in 2010 and 2012

葉面積指數(shù)由下式求得:

式中:0.75為校正系數(shù),P為玉米種植密度,a和b分別為葉片的長和寬,i為葉片個數(shù)。

然后由下式求得光合勢(LAD):

式中:LAIi為第i個生育階段的平均葉面積,Di為第i個生育階段所持續(xù)的時間。

凈同化率(NAR:g·m-2·d-1)表示單位葉面積在單位時間內(nèi)的干物質(zhì)增長量,由下式求得:

式中:L2、L1分別為t2、t1時間的葉面積,W1為時間t1時的干重,W2為時間t2時的干重。

根據(jù)張賓等[12]的方法計算平均葉面積指數(shù)(MLAI),根據(jù)侯玉虹等[13]的方法計算平均凈同化率(MNAR)。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

每小區(qū)單獨收獲計產(chǎn)(除去取樣植株所占面積),測定單位面積穗數(shù)(EN),玉米隨機選取10穗進行考種,測定穗粒數(shù)(KNE)、千粒重(TKW)等產(chǎn)量性能指標。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007整理匯總,用SPSS17.0進行方差分析、顯著性檢驗及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作及秸稈還田方式下后作玉米葉面積指數(shù)及光合勢動態(tài)

2.1.1 全生育期平均葉面積指數(shù)(LAI)及葉面積指數(shù)動態(tài)

就全生育期平均葉面積指數(shù)(MLAI)而言(表 2),秸稈還田處理NTSS、NTS、TIS較CT顯著提高了MLAI,分別高11.7%～14.0%、16.8%～21.5%和6.5%～ 7.4%(P<0.05),以免耕還田NTSS、NTS提高MLAI作用較大,比TIS分別高4.9%～6.2%、9.6%～13.1% (P<0.05),以NTS提高MLAI優(yōu)勢最為突出。

表2 不同耕作及秸稈還田方式下玉米全生育期平均葉面積指數(shù)、總光合勢及凈同化率差異Table 2 Mean leaf area index,total leaf area duration and net assimilation rate of maize growth season under different tillage and wheat straw returning patterns

前茬小麥免耕秸稈還田降低了后作玉米生育前期的 LAI,但保持了生育后期較高的 LAI(圖1)。2010年度與2012年度,與CT相比,NTSS、NTS處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分別顯著低 26.2%～31.1%與17.8%～30.7%,TIS低11.2%～13.6%(P<0.05);大喇叭口期至吐絲期(2010年:6月30日—7月20日;2012年:6月27日—7月17日),NTS比CT顯著高5.0%～14.3%(P<0.05);吐絲期(2010年:7月20日;2012年:7月17日)之后,NTSS、NTS處理的LAI比CT顯著高33.5%～41.4%,TIS比CT顯著高15.7%～41.4%,其中NTS具有較高的LAI,較CT高36.0%～41.4%,較TIS高17.6%～19.1%(P<0.05),說明NTS具有良好的保持玉米生育后期光合源的功能。

圖1 不同耕作及秸稈還田方式下玉米葉面積指數(shù)變化Fig.1 Dynamic changes of leaf area index of maize populations under different tillage and straw returing patterns

2.1.2 全生育期總光合勢(LAD)及其動態(tài)

前茬小麥免耕秸稈還田可顯著提高后作玉米的總光合勢,NTS提高LAD的效果最為顯著(表2)。兩個試驗?zāi)攴葜?免耕還田(NTSS、NTS)后作玉米全生育期總光合勢比 CT分別高11.2%～14.5%、16.3%～20.8%,翻耕還田(TIS)比 CT高 6.0%～7.5%,均達到顯著水平(P<0.05)。3種秸稈還田處理中,NTSS、NTS比TIS分別高4.9%～6.6%、9.7%～12.4%,差異顯著(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處理玉米的光合勢均小于CT(圖2),降低比例分別達5.9%～21.4%、20.1%～ 23.1%(P<0.05)。大喇叭口期至吐絲期(2010年:6月30日—7月20日;2012年:6月27日—7月17日),NTSS、TIS處理的光合勢與CT相似,但NTS比CT高4.9%～14.3%(P<0.05)。吐絲期(2010年:7月20日;2012年:7月17日)之后,NTSS、NTS的LAD比CT分別高 26.3%～28.1%、29.7%～33.7%,TIS比 CT高12.7%～14.0%,差異顯著(P<0.05),即免耕秸稈還田處理對玉米光合勢的提高作用較大,以NTS提高作用最明顯,比TIS高15.1%～17.3%?？傮w來說,前茬小麥秸稈覆蓋免耕減小了玉米大喇叭口期(2010年:6月30日;2012年:6月27日)之前的光合勢,增大了吐絲期(2010年:7月20日;2012年:7月17日)之后的光合勢,以 NTS調(diào)控效應(yīng)最明顯,為后茬玉米高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 不同耕作及秸稈還田方式下玉米各生育階段的光合勢差異Fig.2 Leaf area duration of maize in each growth stage under different tillage and straw returning patterns

2.1.3 凈同化率(NAR)的動態(tài)特征

前茬小麥免耕秸稈還田提高了后作玉米生育前期的NAR,但降低了生育后期的NAR(圖3)。兩年度最大NAR出現(xiàn)在小喇叭口期至吐絲期(2010年:6月10日—7月20日;2012年:6月9日—7月17日),2010年,翻耕處理TIS、CT的最大NAR出現(xiàn)先于免耕處理NTSS、NTS,而2012年均出現(xiàn)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年際間有差異,但以CT最低;大喇叭口期至吐絲期(2010年:6月30日—7月20日;2012年:6月27日—7月17日),2010年表現(xiàn)為NTSS、NTS高于 TIS、CT,分別提高 21.0%～31.7%、38.2%～ 50.4%,2012年NTSS比CT高10.2%,均達顯著性差異(P<0.05)。總之,吐絲期(2010年:7月20日;2012年:7月17日)之前,NTSS、NTS較CT提高NAR,分別顯著高12.0%～20.3%、4.4%～16.8%,TIS較CT高8.0%～9.1%(P<0.05),以免耕秸稈還田提高作用突出;相反,吐絲期(2010年:7月20日;2012年:7月17日)之后,與 CT相比,秸稈還田降低了 NAR,其中NTSS、NTS分別低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。全生育期平均凈同化率(MNAR)NTSS顯著高于CT,提高比例達6.4%～15.0%(P<0.05)(表2)。

圖3 不同耕作及秸稈還田方式下玉米凈同化率變化Fig.3 Dynamic changes of net assimilation rate of maize under different tillage and straw returning patterns

2.2 不同秸稈處理方式下后作玉米的產(chǎn)量表現(xiàn)與產(chǎn)量構(gòu)成因素

式中：Ax+By+Cz+D=0表示一個法向量為(A,B,C)的平面方程；(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2表示球心坐標為(x0，y0，z0)、半徑為R的球面方程。

與 CT相比,前茬小麥秸稈還田顯著提高了后作玉米的籽粒產(chǎn)量(表3)。兩個試驗?zāi)甓?NTSS、NTS比CT分別高12.0%～13.9%、13.7%～17.5%,TIS比CT高4.4%～11.3%,差異顯著(P<0.05),免耕秸稈還田增產(chǎn)效果明顯。以NTS處理的籽粒產(chǎn)量最高,分別達13 470kg·hm-2與13 247kg·hm-2,較 TIS高5.7%～9.0%(P<0.05)。由此說明,前茬小麥秸稈25cm高茬等量覆蓋結(jié)合免耕有利于提高玉米籽粒產(chǎn)量。

小麥秸稈還田明顯提高了后作玉米的單位面積成穗數(shù)(EN)、穗粒數(shù)(KNE)及千粒重(TKW)(表3)。與CT相比,NTSS、NTS的EN分別高8.7%～12.8%與18.1%～21.0%(P<0.05)。NTSS、NTS較CT提高了 KNE,提高比例分別為 60.6%～64.6%、63.7%～ 67.8%,TIS較CT高41.0%～45.8%,以NTS提高KNE幅度較大,比TIS高15.0%～16.1%(P<0.05)。NTSS、NTS較CT提高了TKW,分別高4.2%～7.8%、8.7%～ 9.6%,以NTS提高TKW作用較大,比TIS高5.0%～ 5.6%(P<0.05)。總之,3種小麥秸稈還田處理中,均以NTS產(chǎn)量構(gòu)成因素最高,是玉米獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

前茬小麥秸稈還田提高了后作玉米光合產(chǎn)物向穗部的轉(zhuǎn)化(表3)。兩年度,均有NTS的收獲指數(shù)顯著高于 CT,提高比例為 5.4%～8.4%(P<0.05),說明25cm 高茬秸稈覆蓋結(jié)合免耕是提高玉米光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的適宜茬口管理措施。

表3 不同耕作及秸稈還田方式下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table3 Grain yield and yield components of maize under different tillage and straw returning patterns

2.3 不同耕作及秸稈還田方式下籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量性能指標的相關(guān)性

由表4可以看出,玉米籽粒產(chǎn)量與MLAI、EN、KNE呈極顯著正相關(guān),與HI、TKW呈顯著正相關(guān),但與MNAR無顯著相關(guān)。說明小麥秸稈還田可通過提高葉面積指數(shù)、收獲指數(shù)來提高物質(zhì)生產(chǎn)的穩(wěn)定性及干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移效率,從而提高籽粒產(chǎn)量;也可通過優(yōu)化耕作方式提高單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)的正效應(yīng)來提高籽粒產(chǎn)量。

表4 不同耕作及秸稈還田方式下籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量性能指標的相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficient between grain yield and parameters of yield for different tillage and straw returning patterns

3 討論

3.1 前茬小麥秸稈免耕還田對后作玉米葉面積指數(shù)、光合勢的影響

作物良好的生長發(fā)育需要適宜的土壤溫度與水分,土壤溫度與水分的變化與根系功能、光合特性及產(chǎn)量形成等作物生長發(fā)育密切相關(guān)[14-15],通過耕作方式及覆蓋措施調(diào)控農(nóng)田土壤水熱特性對作物生長發(fā)育具有重要作用[16]。作物葉面積指數(shù)(LAI)及光合勢(LAD)是群體結(jié)構(gòu)的重要量化指標,是反映作物長勢與預(yù)測作物產(chǎn)量的重要農(nóng)學(xué)參數(shù)[17]。創(chuàng)建合理的群體結(jié)構(gòu)對提高作物產(chǎn)量具有重要作用,采用適宜的栽培技術(shù)是調(diào)節(jié)群體結(jié)構(gòu)的重要措施[18],前期擴源后期保持龐大的綠色葉面積是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)[19]。本研究發(fā)現(xiàn),前茬免耕秸稈還田降低了后作玉米大喇叭口期之前的LAI與LAD,保持了吐絲期之后較高的LAI與LAD,以秸稈免耕覆蓋還田(NTS)的效應(yīng)最為突出,這是因為免耕秸稈覆蓋還田前期低溫利于玉米根系生長[20],不利于地上部生長發(fā)育,造成較低的光合源,而吐絲期之后,傳統(tǒng)地膜覆蓋在玉米開花灌漿期造成玉米根區(qū)極端高的土壤溫度[21],以及生育前期水分養(yǎng)分過度消耗,后期養(yǎng)分不足,導(dǎo)致后期根系及葉片發(fā)生早衰,光合源相對較小,而免耕秸稈還田后期適宜的土壤溫度,以及玉米生育前期生長慢,養(yǎng)分消耗少,實現(xiàn)養(yǎng)分“錯期分配”,滿足玉米生育后期旺盛生長的養(yǎng)分需求,提高了吐絲期之后的葉面積與光合勢,說明免耕秸稈還田玉米增產(chǎn)主要發(fā)生在生育后期。前人研究發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)玉米吐絲后光合勢占總光合勢的 50%以上[2]。本研究中前茬小麥秸稈還田處理玉米吐絲后光合勢占總光合勢的63.1%～ 70.9%,以前茬小麥免耕秸稈覆蓋還田(NTS)玉米吐絲后光合勢占總光合勢的比例最大,達 66.7%～70.9%,為玉米增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ),其高產(chǎn)效應(yīng)已被證實[22]。

3.2 前茬小麥秸稈免耕還田對后作玉米凈同化率影響

凈同化率是衡量作物光合能力的重要指標之一。大量研究表明,玉米一生中凈同化率呈“雙峰型”曲線變化,峰值分別出現(xiàn)在大喇叭口期和灌漿期,谷值出現(xiàn)在開花授粉期[23],利用地膜覆蓋、殘茬覆蓋等不同覆蓋方式對玉米的研究得到了相同結(jié)論[24]。同時,姚剛等[25]研究地膜對春玉米凈同化率的影響后發(fā)現(xiàn),凈同化率在玉米出苗后 50 d左右達到峰值,與本研究結(jié)果一致。另有研究表明,吐絲期是春玉米群體由營養(yǎng)生長過渡到生殖生長時期,該時期植株形態(tài)發(fā)育完全,葉面積最高,吐絲期之后凈同化率卻最低[26]。從群體葉片發(fā)育角度分析認為,春玉米群體葉面積指數(shù)的高低會影響凈同化率的變化,葉面積系數(shù)達到高峰期,葉片相互遮蔽,群體受光面積不再隨著玉米葉面積的增加而增加,凈同化率降低[27]。本研究表明,前茬小麥秸稈免耕還田提高了玉米吐絲期之前的凈同化率(NAR),相反降低了吐絲期之后的 NAR。這是因為通過優(yōu)化耕作措施,小麥秸稈免耕還田前期低溫延緩玉米生長發(fā)育,后期適宜的土壤溫度使得玉米表現(xiàn)出明顯的恢復(fù)生長,群體擁擠程度加大,植株中下部葉片光合速率降低,凈同化率降低。另一可能原因是凈同化率隨著平均葉面積指數(shù)的變化而變化,是葉面積與干物質(zhì)重量共同影響的光合生理指標,受外界生態(tài)環(huán)境影響明顯,吐絲期至灌漿期正是全年氣溫最高季節(jié),植物新陳代謝旺盛,呼吸消耗多,積累少,導(dǎo)致凈同化率降低[28]。

3.3 前茬小麥秸稈免耕還田對后作玉米產(chǎn)量與性能指標的影響

作物產(chǎn)量由平均葉面積指數(shù)、平均凈同化率、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重共同決定[1]。對于禾谷類作物而言,各產(chǎn)量性能指標間的協(xié)調(diào)發(fā)展是實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)玉米栽培采用地膜覆蓋增產(chǎn)的主要原因是玉米穗粒數(shù)的增加,主要表現(xiàn)在抽雄及雌穗分化發(fā)育階段[29]。條帶深松耕作方式可增加穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、干物質(zhì)積累量、群體平均葉面積指數(shù)、平均凈同化率,通過產(chǎn)量性能參數(shù)的差異補償機制實現(xiàn)密植夏玉米增產(chǎn)[30]。本研究發(fā)現(xiàn),前茬小麥秸稈還田提高了后作玉米的穗數(shù)、穗粒數(shù)及粒重,其中免耕還田處理的穗數(shù)明顯高于其他處理,主要是提高了玉米的雙穗率[31],一方面由于其品種的遺傳特性所決定,另一方面可能因為秸稈免耕還田明顯提高了土壤水分含量,降低了開花吐絲期土壤溫度,為玉米穗部形成及灌漿奠定了基礎(chǔ)[32];而傳統(tǒng)耕作處理的穗數(shù)明顯低于秸稈還田,傳統(tǒng)耕作成穗率較低所致,可能因為玉米開花吐絲期,較低的土壤含水量與較高的土壤溫度[20],降低了生育后期的葉面積指數(shù)及光合勢,減弱光合速率,從而降低成穗率。通過籽粒產(chǎn)量與其產(chǎn)量性能指標的相關(guān)分析表明,免耕還田提高玉米產(chǎn)量主要因為平均葉面積指數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重及收獲指數(shù)的提高。25cm秸稈免耕還田可以作為區(qū)域玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)。

4 結(jié)論

前茬小麥秸稈還田可減小后作玉米大喇叭口期之前的葉面積指數(shù)、光合勢,增大吐絲期之后的葉面積指數(shù)、光合勢,延緩衰老,以免耕秸稈還田處理大喇叭口期之前降低作用與吐絲期之后延緩衰老作用突出。與CT相比,NTSS、NTS平均葉面積指數(shù)(MLAI)及總光合勢(LAD)分別高11.7%～14.0%、16.8%～21.5%與11.2%～14.5%、16.3%～20.8%,TIS分別高6.5%～7.4%與6.0%～7.5%,以NTS提高MLAI與總 LAD幅度最大。前茬小麥免耕秸稈還田提高了后作玉米生育前期的凈同化率(NAR),但降低了生育后期的 NAR,以NTSS調(diào)控作用最突出,全生育期的平均凈同化率(MNAR)高6.4%～15.0%。前茬小麥秸稈免耕還田有利于后作玉米產(chǎn)量的提高,其中NTS的增產(chǎn)效果較大,比CT增產(chǎn)13.7%～17.5%,比TIS增產(chǎn)5.7%～9.0%,其高產(chǎn)主要歸因于MLAI、穗數(shù)、穗粒數(shù)、收獲指數(shù)的提高。因此,前茬小麥25cm秸稈覆蓋免耕還田是綠洲灌區(qū)優(yōu)化后作玉米產(chǎn)量性能指標及獲得高產(chǎn)的可行栽培措施。

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Effect of wheat straw return to soil with zero-tillage on maize yield in irrigated oases*

GUO Yao1,CHAI Qiang1**,YIN Wen1,FENG Fuxue2,ZHAO Cai1,YU Aizhong1
(1.Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science /Faculty of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.College of Engineering, Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Yield capability is a key factor for crop growth and yield formation.The response of yield capability of crops tostraw return to soils usually has been important in establishing highly efficient cropping systems and optimizing cultivation practices.A field experiment was carried out in a typically irrigated oasis region in 2009–2012 to determine the effects of yield capability of maize with different treatments of wheat straw return to soil and different tillage operations.The tillage operations included (i) no tillage with straw standing (NTSS),where no tillage was combined with 25cm length wheat straw standing in the field after wheat harvesting in the previous fall;(ii) no tillage with straw covering (NTS),where no tillage was combined with 25cm length wheat straw chopped and evenly spread on the soil surface at wheat harvest in the previous fall;(iii) tillage with straw incorporation (TIS),where 25cm length wheat straw was incorporated into the soil through conventional deep tillage (30cm) at wheat harvest in the previous fall;and (iv) conventional tillage (as control),where conventional deep (30cm) plow was done with wheat straw removed from the field.The results showed that compared with the control,wheat straw return treatments reduced leaf area index (LAI) and leaf area duration (LAD) of maize before the large bell mouth stage.However,it increased LAI and LAD of maize after silking,which effectively delayed senescence.No tillage with straw standing and straw covering (NTSS and NTS) had the best effects on senescence delay among all treatments.Mean leaf area index (MLAI) increased by12.8% under NTSS,19.1% under NTS and 7.0% under TIS.Similarly,total LAD increased by12.9% under NTSS,18.6% under NTS and 6.8% under TIS.Specifically,the increase in MLAI and LAD under NTSS and NTS treatments was the highest.No tillage with straw retention improved mean net assimilation rate (MNAR) of maize growth season,which was10.7% greater under NTSS treatment than under the control.But NAR of maize increased before silking,and decreased after silking under treatments of no tillage with straw retention,compared with the control.Straw return treatments had higher grain yield than the control,which increased by13.0% under NTSS,15.6% under NTS and 7.9% under TIS,with NTS had the best effect on grain yield increase.There was a high significant positive correlation between grain yield and MLAI,ear number (EN) and kernel number per ear (KNE),a significant positive correlation between grain yield and harvest index (HI),but no correlation between grain yield and MNAR.Increased MLAI,EN,KNE and HI were the main reasons for high grain yield of maize under wheat straw return conditions.No tillage with 25cm length straw mulching over the soil surface (NTS) was the most suitable straw return strategy for optimal yield capability.Based on the results therefore,no-tillage with 25cm length straw return to soil was recommended as the most feasible cultural method to optimize yield capability of maize ration with wheat in irrigated oasis regions.

Maize;No-tillage;Straw return to soil;Succession crop;Yield capability;Irrigated oasis

S341

:A

:1671-3990(2017)01-0069-09

10.13930/j.cnki.cjea.160639

郭瑤,柴強,殷文,馮福學(xué),趙財,于愛忠.綠洲灌區(qū)小麥免耕秸稈還田對后作玉米產(chǎn)量性能指標的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2017,25(1):69-77

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* 國家自然科學(xué)基金項目(31360323)、國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研項目(201503125-3)和國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B10)資助

** 通訊作者:柴強,主要從事多熟種植、循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。E-mail:chaiq@gsau.edu.cn

郭瑤,主要從事多熟種植、節(jié)水農(nóng)業(yè)研究。E-mail:guoyaogsau@126.com

2016-07-18接受日期:2016-09-14

* This study was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (31360323),the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503125-3),and the National Key Technology R&D Program of China (2012BAD14B10).

** Corresponding author,E-mail:chaiq@gsau.edu.cn

Received Jul.18,2016;accepted Sep.14,2016