免耕對玉米光合特性日變化及產(chǎn)量的影響

董智+鄧林軍+董俊+向午燕，+靖+凱+侯志研

摘要：研究免耕對玉米灌漿期光合性能日變化的影響，對灌漿期干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成具有重要的理論意義。以遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大固本玉米綜合試驗示范基地2014年設(shè)置的免耕定位試驗為基礎(chǔ)，分析傳統(tǒng)耕作（ridge tillage，簡稱RT）、免耕（no tillage，簡稱NT）條件下不同秸稈覆蓋還田（NT-0/33/67/100）對玉米灌漿期棒3葉光合特性日變化和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，各處理對玉米灌漿期棒3葉的光合速率和氣孔導(dǎo)度均呈單峰變化趨勢，免耕各處理的光合峰值和氣孔導(dǎo)度峰值分別出現(xiàn)在11：00—13：00和10：00—12：00之間，且免耕各處理光合速率在峰值附近維持的時間較傳統(tǒng)耕作長2 h左右；各處理對玉米灌漿期棒3葉胞間CO2濃度日變化的影響均呈“廣口V形”多峰曲線變化，最大值分別出現(xiàn)在08：00和17：00左右，最小值出現(xiàn)在12：00左右；各處理蒸騰速率日變化除NT-0外均呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在 12：00—14：00；葉片的水分利用效率大體趨勢均表現(xiàn)為先下降后上升再下降，第2個峰值出現(xiàn)在 16：00 左右。免耕各處理（NT-0/33/67/100）的光合速率平均值分別比傳統(tǒng)耕作提高9.48%、27.01%、37.59%、3514%。NT-67的產(chǎn)量最高，免耕各處理（NT-0/33/67/100）分別比傳統(tǒng)耕作增產(chǎn)1.47%、10.38%、15.87%、1233%，免耕配合秸稈覆蓋還田更有利于灌漿期光合性能和玉米產(chǎn)量的提高。

關(guān)鍵詞：免耕；玉米；灌漿期；光合特性；秸稈還田；干物質(zhì)積累量；產(chǎn)量

中圖分類號： S513.04 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0071-04

收稿日期：2017-03-21

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAD07B03）；國家重大科技專項“水體污染控制與治理專項”（編號：2015ZX07103-007）。

作者簡介：董 智（1981—），男，山東臨沂人，博士，助理研究員，主要從事免耕栽培技術(shù)與旱作農(nóng)業(yè)研究。Tel：（024）31029891；E-mail：dongzhi1207@163.com。

通信作者：侯志研，研究員，主要從事作物高產(chǎn)與旱作農(nóng)業(yè)研究。Tel：（024）31024900；E-mail：houzhiyan@163.com。 隨著玉米產(chǎn)量和農(nóng)民生活水平的不斷提高，玉米秸稈量大幅增加，同時秸稈不再是農(nóng)村的主要燃料，大量秸稈直接被就地焚燒，不僅浪費資源而且嚴重污染了環(huán)境[1-2]。秸稈覆蓋還田不僅是免耕的關(guān)鍵技術(shù)措施[3]，也是實現(xiàn)批量處理秸稈的主要途徑。免耕可以改善風(fēng)沙半干旱區(qū)土壤耕地質(zhì)量、減輕風(fēng)蝕水蝕、增強降雨入滲和土壤保水能力、提高作物產(chǎn)量[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者對免耕種植方式下土壤的理化性狀、微生物學(xué)性狀以及作物生長發(fā)育和產(chǎn)量已進行大量研究，但因氣象因素、土壤狀況、生態(tài)條件、種植結(jié)構(gòu)等因素的差異，造成了研究結(jié)果[7-9]不一致。

玉米是一種高產(chǎn)作物，其干物質(zhì)質(zhì)量的90%以上是光合作用生產(chǎn)的，其中棒3葉對玉米籽粒產(chǎn)量的貢獻占70%左右[10]。在自然環(huán)境下，光合作用具有隨環(huán)境變化而變化的不穩(wěn)定性，但光合特性的日變化有一定的規(guī)律性和可塑性，國內(nèi)外許多學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量研究，但由于各地生態(tài)條件及栽培措施不同，造成玉米生境上的差異，所以在光合性能各項指標方面得出的結(jié)論也不盡相同[11-13]。本研究從免耕種植入手，研究傳統(tǒng)種植、免耕條件下不同秸稈量覆蓋還田對玉米灌漿期光合作用的影響，探討半干旱區(qū)免耕種植的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)機制，旨在提出科學(xué)合理的農(nóng)田耕作措施，合理利用秸稈資源、減輕農(nóng)業(yè)面源污染，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大固本玉米綜合試驗示范基地（122°13′21″E，42°15′57″N）進行，該基地位于遼寧省阜蒙縣東南部大固本鎮(zhèn)，年平均溫度為 7.2 ℃，多年平均降水量為481 mm，5—9月降水量為 418 mm（資料來源于阜蒙縣氣象局），2014年5—9月降水量（基地自測）為 312 mm。試驗地0～20 cm土層中全氮含量為 0.62 g/kg、有效磷含量為 17.55 mg/kg、速效鉀含量為 83.41 mg/kg、有機質(zhì)含量為 13.61 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個處理：免耕無覆蓋（NT-0）、免耕+33%玉米秸稈覆蓋（NT-33）、免耕+67%玉米秸稈覆蓋（NT-67）和免耕+100%玉米秸稈覆蓋（NT-100），每個處理重復(fù)3次，對照為傳統(tǒng)壟作（RT）。每個小區(qū)面積為6 m×10 m。壟作處理為秋季收獲留茬約12 cm，剩余秸稈全部移出地表，春季滅茬旋耕（深度為15～18 cm），平作播種，玉米苗期（4～6葉）耘地起小壟，拔節(jié)期追肥起壟，壟高約為15 cm，壟距為50 cm。不同秸稈覆蓋量（NT-0、NT-33、NT-67、NT-100）處理為秋季收獲留茬約15 cm，其他秸稈按照不同覆蓋量（NT-100處理秸稈覆蓋量約為 9 000 kg/hm2，其他處理的秸稈覆蓋量分別為全量秸稈的67%、33%，無秸稈覆蓋為移走全部秸稈）要求均勻覆蓋地表，剩余秸稈移出地表，播種前不再整地，直接播種，播種所用機械為吉林省康達農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的免耕播種機（2BMZF-2），可以在秸稈覆蓋地表的情況下一次性完成精確播種、施肥、鎮(zhèn)壓作業(yè)；4種處理除進行播種外，全年不再攪動土壤。各處理施用的化肥量相同，免耕處理所有肥料在播種時一次性施入；傳統(tǒng)壟作的磷肥、鉀肥及1/3的氮肥隨播種時施用，剩余2/3氮肥拔節(jié)期追肥時施用。施肥量為尿素393 kg/hm2、磷酸二銨233 kg/hm2、氯化鉀137 kg/hm2。試驗品種為遼單502，播種日期為2014年5月9日，種植密度為60 000株/hm2，壟距為50 cm，收獲日期為2014年9月26日。endprint

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合測定 采用美國Li-6400光合作用測定系統(tǒng)在8月12日（無風(fēng)晴朗天氣）灌漿期進行測定。光合儀測定條件流速為500 μmol/s，采用非控制條件下的自然光源。測定指標為玉米葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細胞間隙CO2濃度、蒸騰速率，從08：00—17：00進行測定，每隔1 h測定1次。測定部位為玉米棒3葉，每個處理測定3株。

1.3.2 產(chǎn)量 玉米完熟后，每個小區(qū)連續(xù)選4壟，按10 m2樣方計算取樣長度，記錄穗個數(shù)并稱取鮮質(zhì)量。每個小區(qū)選10個具有代表性的果穗考種分析，重復(fù)3次，晾干后考種，人工全部脫粒后測定籽粒質(zhì)量，并測定籽粒含水率，折算出14%含水量下的產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕對灌漿期玉米棒3葉光合速率日變化的影響

不同栽培方式下玉米灌漿期棒3葉的光合速率日變化均呈單峰曲線變化趨勢（圖1），各處理間光合速率的差異在傍晚最低，且處理間的差異不明顯。NT-0/33/67/100處理在 09：00—15：00之間光合速率[>18 μmol/（m2·s）]較高，NT-0和NT-33光合速率的峰值均出現(xiàn)在11：00，分別為3212、33.34 μmol/（m2·s），NT-67和NT-100的峰值均出現(xiàn)在13：00，分別為29.98、32.35 μmol/（m2·s），而RT處理在 10：00—14：00之間光合速率較高，峰值出現(xiàn)在10：00，為 32.56 μmol/（m2·s）。免耕各處理（NT-0/33/67/100）在 08：00—17：00間的光合速率平均值分別比RT提高9.48%、27.01%、37.59%、35.14%。免耕各處理光合速率在峰值附近維持的時間較傳統(tǒng)耕作長2 h左右，免耕系統(tǒng)內(nèi)光合速率隨秸稈覆蓋量增加而提高，秸稈覆蓋處理（NT-33/67/100）的光合速率平均值明顯高于無秸稈覆蓋處理（NT-0），NT-0 和RT間的光合速率平均值差異不大。

2.2 免耕對灌漿期玉米棒3葉胞間CO2濃度日變化的影響

不同栽培方式對玉米灌漿期棒3葉胞間CO2濃度的影響趨勢相同，均呈波浪型變化趨勢（圖2），最大值出現(xiàn)在 17：00 左右，最小值出現(xiàn)在12：00左右。在11：00，傳統(tǒng)耕作下玉米棒3葉胞間CO2濃度高于免耕各處理，12：00—14：00傳統(tǒng)耕作下玉米棒3葉胞間CO2濃度均低于免耕各處理，免耕條件下玉米棒3葉胞間CO2濃度與秸稈覆蓋量無明顯相關(guān)性。在12：00時，不同栽培措施對玉米棒3葉胞間CO2濃度的影響表現(xiàn)為NT-0>NT-67>NT-100>NT-33>RT；在17：00時，NT-67處理的胞間CO2濃度最大，比NT-33、RT、NT-100、NT-0分別高5.19%、16.06%、17.37%、28.52%；日平均胞間CO2濃度由高到低依次呈現(xiàn)為 NT-67>NT-0>NT-100>NT-33>RT。

2.3 免耕對灌漿期玉米棒3葉氣孔導(dǎo)度日變化的影響

不同栽培方式對玉米灌漿期棒3葉氣孔導(dǎo)度日變化的影響與光合速率變化趨勢相似，也呈單峰曲線（圖3），但各處理峰值出現(xiàn)的時間不同。NT-33、RT的峰值出現(xiàn)在10：00，棒3葉氣孔導(dǎo)度峰值分別為302.07、313.74 mmol/（m2·s）；NT-100、NT-0的峰值出現(xiàn)在11：00，峰值分別為308.85、284.57 mmol/（m2·s）；而NT-67延后為12：00，峰值為 244.12 mmol/（m2·s）。自08：00開始免耕各處理的氣孔導(dǎo)度均呈上升趨勢，09：00—14：00各處理的氣孔導(dǎo)度維持較高數(shù)值[>80 mmol/（m2·s）]，之后開始下降，17：00時氣孔導(dǎo)度最低。NT-67處理的日平均氣孔導(dǎo)度最大，依次比 NT-100、NT-33、NT-0、RT高2.02%、2.86%、21.13%、37.33%。

2.4 免耕對灌漿期玉米棒3葉蒸騰速率日變化的影響

不同栽培方式對玉米灌漿期棒3葉蒸騰速率日變化的影響除NT-0外均呈單峰曲線（圖4）。RT的峰值出現(xiàn)在 11：00，比NT-0、NT-33、NT-67、NT-100分別高1.84%、127%、21.25%、6.84%；NT-33和NT-100的峰值均出現(xiàn)在12：00，NT-33達到峰值時比RT、NT-0、NT-67、NT-100分別高14.90%、11.71%、11.20%、0.97%；NT-67的峰值則延后至14：00，分別比RT、NT-0、NT-33、NT-100高 86.38%、0.89%、24.13%、12.13%；NT-0呈雙峰曲線，峰值分別出現(xiàn)在11：00、14：00。秸稈覆蓋免耕（NT-100/67/33）在09：00—15：00期間的蒸騰速率維持在較高數(shù)值，免耕無秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作在10：00—14：00期間維持較高數(shù)值。NT-67處理的日平均蒸騰速率最大，分別比NT-100、NT-33、NT-0、RT高4.14%、4.65%、12.93%、17.58%。

2.5 免耕對灌漿期玉米棒3葉葉片水分利用效率（water use efficiency，簡稱WUE）日變化的影響

由圖5可知，不同栽培方式對玉米棒3葉的WUE日變化趨勢差異較大，整體趨勢均表現(xiàn)為先下降后上升再下降。NT-33、NT-0、RT的最大值均出現(xiàn)在16：00，NT-100的最大值出現(xiàn)在15：00，NT-67的最大值卻出現(xiàn)在08：00。免耕條件下玉米棒3葉日平均WUE呈現(xiàn)隨秸稈覆蓋量增大而增加的趨

勢，NT-100的日平均WUE最大，分別比NT-67、NT-33、NT-0、RT高3.26%、5.16%、17.49%、15.82%。endprint

2.6 免耕對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

免耕配合秸稈覆蓋還田可明顯提高半干旱地區(qū)的玉米產(chǎn)量。由表1可知，NT-67的產(chǎn)量最高，達14 235 kg/hm2，比RT增產(chǎn)15.87%；NT-100、NT-33、NT-0分別比RT增產(chǎn)1233%、10.38%、1.47%。不同栽培措施下百粒質(zhì)量呈現(xiàn)為RT>NT-33>NT-100>NT-67>NT-0，而穗粒數(shù)則表現(xiàn)為NT-67>NT-100>NT-33>NT-0>RT，免耕各處理下的穗粒數(shù)顯著高于傳統(tǒng)耕作，免耕條件下秸稈覆蓋量對穗粒數(shù)的影響不顯著。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕各處理（NT-100/67/33/0）顯著提高玉米穗長，依次比RT提高24.42%、27.33%、1744%、19.77%，同時在免耕各處理下玉米的穗粗較RT處理也有明顯的提高，分別增加9.58%、9.96%、421%、3.45%。

3 結(jié)論與討論

免耕作為一項可持續(xù)農(nóng)業(yè)的耕作方式[14-15]是目前在玉米生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的一種種植方式，它改變了土壤的物理結(jié)構(gòu)，從而引起農(nóng)田水肥氣熱等的變化，進而間接影響作物生長發(fā)育和光合產(chǎn)物的合成、積累及轉(zhuǎn)運。秸稈覆蓋還田不僅可以改善土壤肥力狀況，還可降低土壤水分蒸發(fā)，起到一定的蓄水保墑作用，從而影響了土壤微生物種類和數(shù)量，改善農(nóng)田的小生境，進而影響玉米的光合生產(chǎn)能力[5，16]。本研究結(jié)果表明，免耕條件下秸稈覆蓋還田處理的光合速率日變化及葉片水分利用效率均優(yōu)于傳統(tǒng)耕作，但其峰值及其在峰值附近維持的時間與前人研究的結(jié)果存在一定差異，這可能主要是由免耕覆蓋對土壤水分含量、溫度的影響存在差異引起的。各處理對玉米灌漿期棒3葉的光合速率和氣孔導(dǎo)度均呈單峰變化趨勢，免耕各處理的光合速率峰值和氣孔導(dǎo)度峰值分別出現(xiàn)在11：00—13：00和10：00—12：00之間，而傳統(tǒng)耕作的峰值均出現(xiàn)在10：00，這與夏桂敏等的研究結(jié)果[11-12]基本一致；但免耕處理光合速率在峰值附近維持的時間卻長于傳統(tǒng)耕作，這可能與各免耕處理良好的田間水熱條件有關(guān)。各處理對玉米灌漿期棒3葉胞間CO2濃度日變化的影響均呈“廣口V形”多峰曲線變化，最大值分別出現(xiàn)在08：00和17：00左右，最小值出現(xiàn)12：00左右；各處理蒸騰速率日變化除 NT-0外均呈單峰曲線變化，峰值出現(xiàn)在12：00—14：00。葉片的水分利用效率整體趨勢均表現(xiàn)為先下降后上升再下降，第2個峰值出現(xiàn)在16：00左右，與陳甲瑞等的研究結(jié)果[17]不同。各處理玉米光合速率在 08：00—09：00增加較快，而 10：00—15：00 之間變化較平緩，上午的光合速率大于下午。從各時間點的光合速率、氣孔導(dǎo)度和日平均光合速率、日平均氣孔導(dǎo)度可以看出，免耕各處理均優(yōu)于傳統(tǒng)耕作。前人研究表明，長期免耕覆蓋可有效提高土壤的蓄水保墑能力和光能截獲能力，從而進一步提高玉米的光合速率、水分利用效率及干物質(zhì)積累量[18-20]，但不一定是秸稈覆蓋量越大越好。本研究結(jié)果表明，NT-67處理對光合作用和灌漿后期干物質(zhì)的積累及轉(zhuǎn)化效果最優(yōu)。

張志國等對國外連續(xù)25年實行玉米連作秸稈覆蓋免耕研究結(jié)果表明，免耕有利于玉米產(chǎn)量的顯著提高[6]。魏歡歡等對我國年降水量≤500 mm地區(qū)和年均溫度≤10 ℃地區(qū)的研究結(jié)果也表明，免耕更有利于春玉米產(chǎn)量提高，增產(chǎn)幅度高達13.4%[21]。本研究表明，免耕條件下各處理的穗長、穗粗及穗粒數(shù)均高于傳統(tǒng)耕作，進而提高玉米產(chǎn)量，其中NT-67的增產(chǎn)效果最好，較傳統(tǒng)耕作的產(chǎn)量提高15.87%，而NT-0的增產(chǎn)幅度僅為1.47%，說明在試驗區(qū)域內(nèi)免耕配合秸稈覆蓋還田更有利于提高玉米產(chǎn)量，對不同氣候及玉米長期連作條件下的免耕穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)機制還有待進一步研究。

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