松土促根劑和秸稈腐熟劑對砂姜黑土農(nóng)田夏玉米生長及產(chǎn)量的影響

李方杰，時明坤，龐海芳，連延浩，任永哲，王志強，辛澤毓，林同保

(1．河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南 鄭州 450002;2．河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002;3．省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南 鄭州 450002)

黃淮海平原南部地區(qū)是中國的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，砂姜黑土農(nóng)田分布較廣，約占該地區(qū)耕地面積的1/4。砂姜黑土農(nóng)田土壤黏粒含量在35%以上，且以蒙脫石為主，遇水膨脹而粘閉，失水龜裂而僵硬，是典型的中低產(chǎn)田[1-5]。此外，在小麥-玉米復種連作種植制度下[6]，該區(qū)長期采用小麥季旋耕和玉米季免耕的耕作模式，導致犁底層加厚和耕層變淺，進一步限制了砂姜黑土農(nóng)田生產(chǎn)力的提升[7]。目前，關(guān)于砂姜黑土土壤耕層改良的研究和應用主要集中在深松耕等耕作措施方面[5,8]，而運用土壤調(diào)理劑改善土壤環(huán)境促進地力提升的手段多應用在煙草、薯類和棉花等經(jīng)濟作物上[9-11]，其在小麥玉米周年種植模式下對小麥和玉米等糧食作物的作用則研究較少。土壤調(diào)理劑是一種對土壤理化性質(zhì)有改良作用的天然或人工合成材料[12]，能夠降低土壤容重和緊實度，提高土壤孔隙度，使土壤疏松，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，打破板結(jié)，有效提高土壤養(yǎng)分和肥料利用率[9]。也有研究報道，施用土壤調(diào)理劑可以改善作物光合作用進而起到增產(chǎn)作用[10-11,13]。松土促根劑(RP)是一種人工合成的土壤調(diào)理劑，相比于傳統(tǒng)天然土壤調(diào)理劑，具有用量少，可以混合肥料機施，操作簡單方便等優(yōu)點，有較廣闊的應用前景。此外，秸稈還田作為培肥及改良耕層土壤的一種措施已經(jīng)有了廣泛研究，但在豫南砂姜黑土區(qū)還少見秸稈還田對夏玉米生長影響的研究報道[14]，特別是秸稈快速腐熟對秸稈還田條件下夏玉米生理生化特性及產(chǎn)量的影響，目前缺乏系統(tǒng)研究。秸稈腐熟劑(SD)是一種能促進秸稈等有機物質(zhì)分解的生物活體制劑，它能促進秸稈的分解，提高秸稈中養(yǎng)分的釋放和利用[15-16]，能夠解決砂姜黑土農(nóng)田由于土壤孔隙度低、透氣性差而導致的秸稈分解慢的問題，起到一定的增產(chǎn)作用[17-20]。本研究通過研究RP和SD對夏玉米植株農(nóng)藝性狀、光合特性、灌漿特征等的影響，探究他們對豫南砂姜黑土地區(qū)夏玉米生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成的作用效果，為進一步改善砂姜黑土土壤性質(zhì)、提升農(nóng)田生產(chǎn)力提供技術(shù)手段和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年在河南省駐馬店市西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村(33°19′48″N，114°01′01″E)進行，試驗地平均海拔49 m，年平均日照時數(shù)2 157.2 h，年平均氣溫14.8 ℃，無霜期221 d，年平均降雨量852 mm。試驗地土壤類型為砂姜黑土，土壤質(zhì)地為黏土，0～20 cm土層pH值為5.87，有機質(zhì)為14.73 g·kg-1、全氮為1.12 g·kg-1、銨態(tài)氮為5.26 mg·kg-1、硝態(tài)氮為12.02 mg·kg-1、有效磷為31.95 mg·kg-1、速效鉀為122.47 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試玉米品種為鄭單958；土壤調(diào)理劑為Agri-star松土促根劑(購自河南省火車頭農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司)，主要成分包括氨基酸酚、硫酸鋅、硫酸亞鐵、聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基苯磺酸、脂肪酸甲酯磺酸鈉、硫酸錳等，表面活性劑總活性物質(zhì)>1%，鐵錳鋅總含量為5%～10%；秸稈腐熟劑為BYM-秸稈腐熟劑(購自三門峽龍飛生物工程有限公司)，有效成分為芽孢菌類、米根霉和酵母菌等高效菌株及載體，有效活菌數(shù)不少于0.5億個·g-1。

1.3 試驗設(shè)計

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)對照(CK)、施用松土促根劑(RP)和施用秸稈腐熟劑(SD)3個處理，每個處理設(shè)置3個重復，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為48 m2(6 m×8 m)。各小區(qū)內(nèi)小麥秸稈殘茬經(jīng)粉碎留田，點播種植玉米，株行距分別為25和66.7 cm，種植密度為6萬株·hm-2。RP施用量為15 kg·hm-2，與復合肥均勻混合后在玉米苗期施用；SD施用量為30 kg·hm-2，其中V細土∶VSD=4∶1混合后撒施于小麥秸稈殘茬上，于玉米播前和苗期各施用50%。其他田間管理過程與當?shù)厣a(chǎn)習慣一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤容重 分別在玉米的拔節(jié)期、開花期和成熟期，利用環(huán)刀法測定耕層0～20 cm、20～40 cm的土壤容重[21]。

1.4.2 玉米植株農(nóng)藝性狀 在玉米開花期，于每個小區(qū)選5株具有代表性的植株測定株高、穗位高和莖粗。同時測定所有綠色葉片的長和寬，計算平均單株葉面積：長×寬×0.75。

1.4.3 SPAD值 分別在玉米開花期、灌漿期和乳熟期，于每個小區(qū)內(nèi)隨機選取5株長勢一致的玉米植株，用葉綠素測定儀(SPAD-502)測定玉米穗位葉的SPAD值。

1.4.4 葉片光合速率及氣體交換參數(shù) 分別在開花期、灌漿期和乳熟期，每個小區(qū)選擇3株生長一致的代表性植株，選擇晴朗天氣在10:00—12:00，用 Li-6400光合測定儀測定穗位葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測定時參數(shù)：采用開放式氣路,CO2質(zhì)量分數(shù)為350 μmol·mol-1，應用系統(tǒng)LED光源補光，光量子通量為1 500 μmol·m-2·s-1。

1.4.5 子粒灌漿及灌漿特征參數(shù) 子粒灌漿動態(tài)：選擇玉米果穗吐絲時間一致的玉米植株并掛牌標記，于授粉后第7、14、21、28、35、42 d進行取樣。每次從各小區(qū)取 3 穗玉米，取穗中部子粒100粒，在105 ℃烘箱中殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，測定百粒質(zhì)量。灌漿特征參數(shù)的計算方法：以授粉后天數(shù)(t)為自變量、授粉后每隔7 d測得的百粒質(zhì)量為因變量(W)，參照朱慶森等[22]的方法，利用DPS 7.5軟件進行Richards生長方程擬合，子粒灌漿特征參數(shù)和發(fā)育參數(shù)的計算參照陳廣周[23]的方法。

1.4.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 成熟期在每個小區(qū)內(nèi)，收取中間的2行果穗進行小區(qū)測產(chǎn)，并且隨機選取20個果穗考察穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量以及禿尖長。收獲穗全部脫粒后自然晾曬風干，用近紅外谷物水分儀測定水分后，按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析和繪圖；利用SPSS20.0軟件進行處理間顯著性檢驗(Duncan’s)和相關(guān)性分析；DPS7.5軟件進行灌漿方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 松土促根劑和秸稈腐熟劑對土壤容重的影響

施用RP和SD后，0～40 cm耕層的土壤容重下降明顯，尤其在玉米開花后，效果更為顯著(表1)。與CK相比，2018年RP和SD處理的0～20 cm土層在玉米拔節(jié)期的土壤容重分別降低了2.05%和1.37%，20～40 cm土層的土壤容重分別降低了2.55%和1.27%；在玉米開花期，0～20 cm土層的土壤容重分別降低了7.43%和2.70%，20～40 cm土層的土壤容重分別降低了7.84%和3.92%；在玉米成熟期，0～20 cm土層的土壤容重分別降低了5.92%和3.28%，20～40 cm土層的土壤容重分別降低了5.70%和1.90%。2019年的結(jié)果與2018年相似，RP和SD處理的0～20 cm土層在玉米拔節(jié)期的土壤容重分別降低了3.82%和4.58%，20～40 cm土層的土壤容重分別降低了2.53%和1.27%；在玉米開花期，0～20 cm土層的土壤容重分別降低了4.62%和3.77%，20～40 cm土層的土壤容重分別降低了4.46%和2.55%；在玉米成熟期，0～20 cm土層的土壤容重分別降低了7.63%和6.11%，在20～40 cm土層，土壤容重分別降低了2.65%和1.99%。

表1 松土促根劑和秸稈腐熟劑對土壤容重的影響Table 1 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on soil bulk density

2.2 松土促根劑和秸稈腐熟劑對玉米植株性狀的影響

施用RP和SP后，玉米植株長勢良好，單株葉面積、莖粗和株高均顯著增加(表2)。與CK相比，2018年RP和SD處理小區(qū)內(nèi)的玉米單株葉面積分別增加3.64%和2.68%，莖粗和株高分別顯著增加11.43%，13.21%和3.25%，2.08%，穗位高無明顯差異，但由于株高增加，穗位系數(shù)分別顯著降低4.08%和2.04%；2019年RP和SD處理小區(qū)內(nèi)的玉米單株葉面積分別增加8.45%和5.03%，莖粗和株高分別顯著增加15.45%，12.41%和3.14%，2.57%，穗位系數(shù)分別顯著降低4.00%和4.00%，這有助于增強玉米植株的抗倒伏能力。

表2 松土促根劑和秸稈腐熟劑對夏玉米植株性狀的影響Table 2 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on summer maize plant characters

2.3 松土促根劑和秸稈腐熟劑對葉片SPAD值的影響

RP和SD處理可以明顯提高夏玉米花后葉片的SPAD值(圖1)。2018年RP處理在開花期和灌漿期分別較CK增加了5.38%和3.66%，SD處理在灌漿期較CK增加了2.59%，均達到顯著水平(P<0.05)。2019年的結(jié)果與2018年類似，RP處理在開花期、灌漿期和乳熟期分別較CK增加了6.34%、2.65%和5.39%，SD處理在灌漿期和乳熟期較CK增加了7.90%和8.41%，均達到顯著水平(P<0.05)。

圖1 松土促根劑和秸稈腐熟劑對夏玉米不同生育時期SPAD值的影響Fig.1 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on SPAD value of summer maize at different growth stages

2.4 松土促根劑和秸稈腐熟劑對玉米葉片光合作用的影響

RP和SP處理均可以提高夏玉米葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，降低胞間 CO2摩爾分數(shù)(圖2)。相較于CK，RP和SD處理的玉米植株葉片光合速率在開花期、灌漿期和乳熟期分別提高了20.85%、13.00%、25.42%和18.94%、13.00%、22.71%；氣孔導度在開花期、灌漿期和乳熟期分別提高了15.74%、22.34%、19.63%和14.78%、16.60%、19.91%；蒸騰速率在開花期、灌漿期和乳熟期分別提高了17.40%、10.24%、18.69%和16.47%、11.91%、13.87%；而胞間CO2摩爾分數(shù)在開花期、灌漿期和乳熟期分別降低了17.01%、13.01%、7.07%和15.11%、9.49%、4.60%。RP和SD處理的玉米植株，在玉米開花后其葉片光合作用長時間處于較高水平，這有利于光合產(chǎn)物的穩(wěn)定積累。

圖2 松土促根劑和秸稈腐熟劑對夏玉米不同生育時期光合速率、氣孔導度、胞間CO2摩爾分數(shù)和蒸騰速率的影響Fig.2 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on net photosynthetic rate,stomatal conductance,intercellular CO2 mole fraction and transpiration rate of summer maize at different growth stages

2.5 松土促根劑和秸稈腐熟劑對子粒灌漿的影響

CK、RP和SD 3個處理的玉米百粒質(zhì)量變化過程均呈S形曲線，從花后21 d開始，RP和SD處理的百粒質(zhì)量均高于CK，并且在花后第42天，RP和SD處理百粒質(zhì)量分別較CK高7.34%、5.95%。CK、RP和SD 3個處理子粒灌漿速率的變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖3)。其中，CK在花后24 d灌漿速率達到最大，而RP和SD處理在花后25 d的灌漿速率達到最大。在花后14 d，RP和SD處理的灌漿速率開始高于CK，并且在花后28 d，RP和SD處理與CK的灌漿速率差值達到最大。

圖3 松土促根劑和秸稈腐熟劑對夏玉米花后百粒質(zhì)量和灌漿速率的影響Fig.3 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on 100-grain weight and grain filling rate of summer maize after flowering

通過軟件擬合，建立了夏玉米百粒質(zhì)量增長模型，并計算出相關(guān)的子粒灌漿參數(shù)(表3)。CK、RP和SD 3個處理的百粒質(zhì)量增長擬合方程的決定系數(shù)(R2)均在0.99以上，說明所建立的Richard模型能很好地擬合各個處理下玉米百粒質(zhì)量增長的進程。在利用該模型計算得出的子粒灌漿參數(shù)中，RP和SD處理的理論最終百粒質(zhì)量(HGW)、達到最大灌漿速率的時間(Tmax)、灌漿速率最大時的百粒質(zhì)量(Wmax)、最大灌漿速率(Gmax)、平均灌漿速率(Gmean)和活躍灌漿時間(P)均高于CK。

表3 夏玉米子粒粒重增長模型和子粒灌漿參數(shù)Table 3 Grain weight growth model and grain filling parameters of summer maize

通過計算分析玉米子粒的發(fā)育參數(shù)(表4)，發(fā)現(xiàn)RP和SD處理在子粒灌漿的漸增期、快增期、緩增期的持續(xù)天數(shù)，灌漿速率和灌漿積累量等多個指標上，均高于CK，且RP>SD>CK，說明RP和SD處理的子粒灌漿過程比CK更長，速度也更快。

表4 夏玉米子粒發(fā)育參數(shù)Table 4 Grain development parameters of summer maize

2.6 松土促根劑和秸稈腐熟劑對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2018和2019兩年的結(jié)果均表明，與CK相比，RP和SD處理的玉米穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量均增加，禿尖長降低，產(chǎn)量提高(表5)。2018年RP和SD處理分別比CK的穗長增加1.43和1.17 cm，穗粗增加0.98和0.76 mm，穗粒數(shù)增加52.93和29.80，禿尖長降低0.78和0.67 cm，百粒質(zhì)量增加1.33和1.19 g，產(chǎn)量增加874.12和729.17 kg·hm-2，產(chǎn)量增幅達到11.27%和9.40%；2019年RP和SD處理分別比CK的穗長增加1.49和1.07 cm，穗粗增加1.28和1.01 mm，穗粒數(shù)增加92.07和79.42，禿尖長降低0.81和0.68 cm，百粒質(zhì)量增加2.01和1.37 g，產(chǎn)量增加1 192.95和729.90 kg·hm-2，產(chǎn)量增幅達到15.73%和9.62%。

表5 松土促根劑和秸稈腐熟劑對夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 5 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on summer maize yield and yield components

2.7 玉米葉片光合特性、灌漿參數(shù)與百粒質(zhì)量的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量(Y)與Pn、Gmax、Tmax、Wmax、Gmean、活躍灌漿期(P)、穗粒數(shù)(KNE)和百粒質(zhì)量(HGW)均呈正相關(guān)關(guān)系，其中Y和KNE、Wmax呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與Tmax、Wmax和KNE呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表6)。

表6 灌漿參數(shù)、光合特性與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of grain filling parameters and photosynthetic characteristics and yield

2.8 玉米葉片光合特征參數(shù)與產(chǎn)量的通徑分析

以玉米產(chǎn)量為因變量，玉米葉片光合特征參數(shù)為自變量，進行逐步回歸分析，得到回歸方程：Y=613.28+2.19X1+93.43X2-1.69X3(式中：X1為凈光合速率；X2為氣孔導度；X3為胞間CO2摩爾分數(shù))，為了判斷葉片光合特征參數(shù)對玉米產(chǎn)量的影響程度，進行了通徑分析并計算出各個參數(shù)的通徑系數(shù)(表7)。結(jié)果顯示，玉米產(chǎn)量與光合特征參數(shù)直接通徑系數(shù)根據(jù)絕對值大小排序為胞間CO2摩爾分數(shù)>凈光合速率>氣孔導度，其中，凈光合速率和氣孔導度對玉米產(chǎn)量影響為正向的，胞間CO2摩爾分數(shù)對玉米產(chǎn)量影響為負向的。各指標中凈光合速率的直接通徑系數(shù)最大，并且其通過氣孔導度和胞間CO2摩爾分數(shù)對玉米產(chǎn)量的影響的凈貢獻率在各間接通徑系數(shù)中最大，說明凈光合速率是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。

表7 光合特征參數(shù)與產(chǎn)量的通徑系數(shù)Table 7 Path coefficients of photosynthetic characteristic parameters and yield

3 討論與結(jié)論

KAXAMIAS等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤調(diào)理劑可使耕層土壤容重降低。作為一種人工合成的土壤調(diào)理劑，松土促根劑可以利用土壤的物理化學吸附絡合作用，增加土壤陽離子交換量，使土壤形成更多孔隙，從而降低土壤容重。本研究的結(jié)果表明，施用松土促根劑能夠顯著降低砂姜黑土0～20 cm和20～40 cm耕層的土壤容重，改善玉米根系生長環(huán)境，有利于健壯植株的養(yǎng)成。HUANG等[25]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田較秸稈不還田更容易降低土壤容重，其中秸稈還田結(jié)合施用秸稈腐熟劑的處理效果顯著好于秸稈還田處理。秸稈腐熟劑可以使作物秸稈快速腐解，增加土壤微生物含量和養(yǎng)分，使土壤通透性增強。在本研究中發(fā)現(xiàn)，施用秸稈腐熟劑后，0～20 cm和20～40 cm耕層的土壤容重顯著降低，玉米株高和莖粗增加，葉片光合作用增強。

勉有明等[26]的研究結(jié)果表明，秸稈還田下施用秸稈腐熟劑使土壤容重降低，提高土壤肥力，進而促進玉米生長。王凱等[27]研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤調(diào)理劑可以提高土壤養(yǎng)分含量，促進黃瓜生長。本研究的結(jié)果表明，松土促根劑和秸稈腐熟劑均可以提高玉米單株葉面積，增加莖粗和株高，降低穗位系數(shù)。而且，松土促根劑和秸稈腐熟劑處理的夏玉米，開花后其穗位葉的光合速率顯著提高，這可能與夏玉米葉片SPAD值的提升有關(guān)。施用松土促根劑和秸稈腐熟劑后，夏玉米葉片的SPAD值顯著提高，較高的葉綠素含量有利于作物的葉片光合強度增加[28]。開花后，夏玉米進入以生殖生長為主的階段，在此時期玉米根系對營養(yǎng)元素的吸收約占整個玉米生育時期對營養(yǎng)元素需求量的40%。有研究表明，土壤調(diào)理劑和秸稈腐熟劑可以增加土壤養(yǎng)分，促進作物根系生長[29-30]，進而使葉片葉綠素含量在較長時間內(nèi)穩(wěn)定在較高的水平。在這個時期，夏玉米主要功能葉片是植株的中上層葉片，此時提高葉片光合強度是決定玉米百粒質(zhì)量，提高產(chǎn)量的關(guān)鍵階段。本研究結(jié)果顯示，葉片凈光合速率和最大灌漿速率、玉米產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。通徑分析的結(jié)果也顯示，葉片光合速率是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。因此，土壤調(diào)理劑和秸稈腐熟劑處理促進了夏玉米穗位葉的光合強度，有利于籽粒灌漿和干物質(zhì)積累，進而使玉米產(chǎn)量增加[31-32]。

研究結(jié)果表明，秸稈還田可改善土壤環(huán)境，能夠為夏玉米花后籽粒灌漿和干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運補充必需的土壤養(yǎng)分，使玉米獲得較高的產(chǎn)量[33-34]。栽培措施對土壤的改變可以影響作物籽粒灌漿，如秸稈還田配施氮肥提高了土壤肥力進而改善了玉米灌漿特性、增加了百粒質(zhì)量[34]。秸稈還田不但能改善土壤水肥氣熱狀況，同時有利于作物生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收積累和籽粒產(chǎn)量增加[35]。本研究的結(jié)果表明，秸稈還田結(jié)合應用松土促根劑和秸稈腐熟劑，可使夏玉米花后灌漿特性顯著增強，百粒質(zhì)量增加，產(chǎn)量顯著提高，2018、2019年分別較對照增產(chǎn)11.27%和9.40%，15.73%和9.62%。并且，RP和SD處理能夠增加子粒發(fā)育各階段的持續(xù)時間和灌漿速率，延長籽粒發(fā)育后期的灌漿持續(xù)時間和灌漿速率，使灌漿后期物質(zhì)供應充足，從而使產(chǎn)量增加；各灌漿參數(shù)與百粒質(zhì)量和產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，這與陳廣周[23]的研究結(jié)果一致。

本研究的結(jié)果表明，施用松土促根劑和秸稈腐熟劑可有效降低砂姜黑土農(nóng)田耕層土壤的容重，促進夏玉米植株生長發(fā)育，提高葉片光合性能，增強籽粒灌漿特性，進而提升玉米產(chǎn)量。因此，通過秸稈還田結(jié)合施用松土促根劑、秸稈腐熟劑，可成為改善砂姜黑土土壤環(huán)境，提升農(nóng)田生產(chǎn)力的一種可行措施。