深松和施肥方式對砂姜黑土區(qū)夏玉米生長、光合特性及產(chǎn)量的影響

管艷霞，王 群，趙寒梅，賈緒存，閆振華，劉東堯，董朋飛，李潮海

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046； 2.鄢陵縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 鄢陵 461200)

黃淮海平原是我國重要糧食主產(chǎn)區(qū)，種植模式以冬小麥、夏玉米一年兩熟為主。長期以來，該區(qū)域大多采用冬小麥播前旋耕或淺旋耕和玉米播前免耕的耕作方式，使得土壤耕層變淺，犁底層變硬，不利于作物養(yǎng)分的吸收和產(chǎn)量的增加[1]。同時(shí)，不合理的肥料施用方式和過量施肥造成田間氮素?fù)p失和養(yǎng)分利用效率低。研究表明，合理的深松和肥料深施能改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收，提高肥料利用率，增加產(chǎn)量[2-11]。 在東北春玉米區(qū)，通過條帶深松平作，可以增加10～15 cm土層水分，并使20～25 cm土層蓄水能力增強(qiáng)[5]。與常規(guī)旋耕相比，深松25～30 cm使夏玉米苗期、拔節(jié)期、成熟期的耕層土壤含水量分別提高了8.5%、15.2%、2.8%[6]。深松克服了土壤緊實(shí)對土壤有效水的限制，使土壤水分利用效率增加10.6%[7]。深松還可以改善土壤養(yǎng)分分布情況，與傳統(tǒng)耕作相比，連年深松使砂姜黑土15～40 cm土壤全氮、速效磷、速效鉀含量分別增加30.9%、217.7%、20.4%，作物產(chǎn)量提高17.3%[8]。肥料深施能協(xié)調(diào)土壤中氮、磷養(yǎng)分空間分布，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收，改善作物生長發(fā)育，提高肥料利用效率[9-11]。李國生等[9]研究表明，氮肥深施增加了0～60 cm土層的氮含量，改善了玉米氮素吸收，增加了產(chǎn)量。董慶玲等[12]研究表明，氮肥深施10 cm使冬小麥旗葉光合速率增加3.6%，氮肥農(nóng)學(xué)效率提高10.8%，產(chǎn)量提高12.2%。而磷肥深施15 cm能顯著促進(jìn)夏玉米根系縱向延伸，使植株氮素吸收量和籽粒產(chǎn)量分別增加19.2%和16.4%[13]。前人關(guān)于深松和肥料深施促進(jìn)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量、改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和水肥利用效率的研究已很多[2-18]，但多側(cè)重于研究單一土壤耕作方式或單一施肥處理方式，有關(guān)土壤深松技術(shù)與施肥方位二者交互作用對作物生長發(fā)育和土壤特性的影響研究尚未見報(bào)道。另外，砂姜黑土土壤黏重、耕性差、養(yǎng)分含量低、全苗難。為此，在砂姜黑土條件下，研究深松和施肥方位對土壤水分、夏玉米生長、光合特性和產(chǎn)量的影響，以期為砂姜黑土區(qū)夏玉米苗齊、苗壯和增產(chǎn)增效的機(jī)械化播種提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016—2017年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村)(33°19′48″N、114°01′01″E)進(jìn)行。該區(qū)年平均氣溫為16.0 ℃，年平均降雨量為852 mm。試驗(yàn)所用土壤為砂姜黑土，土壤物理機(jī)械組成：物理性砂粒39.0%、粉粒21.4%、黏粒39.6%。耕層土壤養(yǎng)分：有機(jī)質(zhì)12.4 g/kg、全氮1.2 g/kg、堿解氮120.5 mg/kg、速效磷20.1 mg/kg、速效鉀94.7 mg/kg。該區(qū)傳統(tǒng)種植方式采用冬小麥—夏玉米輪作制度，冬小麥采用播前旋耕耕作方式，夏玉米采用免耕耕作方式。

供試夏玉米品種為中種8號。供試肥料為尿素(含N 46.0%)、過磷酸鈣(含P2O518.0%)、硫酸鉀(含K2O 54.0%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置免耕(無深松)+單層施肥(CK)、側(cè)位深松+單層施肥(T1)、側(cè)位深松+三層施肥(T2)、正位深松+三層施肥(T3)、正位深松+單層施肥(T4)5個(gè)處理。其中，深松處理的深度為30 cm，側(cè)位深松的深松位置距離播種帶橫向垂直距離10 cm，正位深松的深松位置位于播種帶正下方。單層施肥：肥料施在相同位置，即深度為10 cm的土層，種子與肥料橫向間隔距離為10 cm左右；分層施肥料：肥料分別施在3個(gè)不同的位置，分別為10 cm、15 cm和20 cm，種子與肥料橫向間隔距離為10 cm左右。2 a均采用深松、施肥、播種一體化的海輪王播種機(jī)于6月8日播種，種植密度為67 500株/hm2，寬窄行播種，寬行為70 cm，窄行為50 cm。小區(qū)面積648 m2，重復(fù)3次。各處理總施肥量一致，播種時(shí)施入N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 240 kg/hm2，大喇叭口期追施N 120 kg/hm2。采用噴灌進(jìn)行灌溉，其他管理同一般大田。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量 采用烘干法，2 a均于播種后的5、10、15、25、30 d用土鉆取0～10、10～20、20～30 cm土層的土壤，并及時(shí)裝入鋁盒內(nèi)，室內(nèi)進(jìn)行烘干，稱質(zhì)量，計(jì)算土壤含水量。

1.3.2 出苗率和株高整齊度 夏玉米出苗后，每個(gè)處理選取生長均勻的3個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)面積12 m2，調(diào)查出苗數(shù)，從出苗第3 天開始調(diào)查，每天調(diào)查一次，至出苗數(shù)不變?yōu)橹?，?jì)算出苗率。分別在夏玉米三葉期和拔節(jié)期，調(diào)查夏玉米株高，每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)面積6 m2，進(jìn)行株高整齊度調(diào)查，整齊度采用變異系數(shù)法計(jì)算，公式為：

式中，X代表株高，N代表調(diào)查樣本數(shù)。

1.3.3 葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI) 分別在夏玉米三葉期、拔節(jié)期、吐絲期，選取5株調(diào)查葉面積，葉面積采用長寬系數(shù)法計(jì)算(葉面積=長×寬×0.75)，單株總?cè)~面積是單個(gè)植株的綠葉面積之和，LAI=單株葉面積/單株土地面積。

1.3.4 SPAD值 分別在夏玉米三葉期、拔節(jié)期、吐絲期，用日本產(chǎn)手持式SPAD測定儀(SPAD-502)測定第3片全展葉、第6片全展葉及穗位葉的上、中、下葉脈兩側(cè)部位，每個(gè)葉片測定6個(gè)點(diǎn)取平均值，每個(gè)處理測量5株。

1.3.5 光合特性 在夏玉米拔節(jié)期和吐絲期，選擇晴天的9:00—11:30，每小區(qū)選取3株生長一致且受光良好的植株，拔節(jié)期選取第6片葉，吐絲期選取穗位葉，采用LI-6400光合測定系統(tǒng)(LI-COR，美國)測定葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度。測定時(shí)參數(shù)：開放式氣路，CO2濃度360～380 μmol/mol，應(yīng)用系統(tǒng)LED光源補(bǔ)光，光量子通量為1 800 μmol/(m2·s)。

1.3.6 地上部干物質(zhì)積累量 分別于夏玉米拔節(jié)期、吐絲期、成熟期，從各小區(qū)選取生長一致的代表性植株3株，取地上部分樣品后放入烘箱105 ℃殺青30 min，在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。

1.3.7 產(chǎn)量 成熟期，每個(gè)小區(qū)選取2行10 m長植株進(jìn)行田間測產(chǎn)，曬干至籽粒含水量為14%時(shí)進(jìn)行計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松和施肥方式對不同土層土壤含水量的影響

由表1可知，2016、2017年，深松施肥對不同土層土壤含水量的影響趨勢基本一致，2 a的平均數(shù)據(jù)分析表明，與CK相比，深松提高了0～30 cm土層土壤水分含量， 0～10、10～20、20～30 cm土層土壤含水量分別較CK提高13.03%、5.97%、7.31%。其中，側(cè)位深松處理0～10、10～20、20～30 cm土層土壤含水量分別較CK提高13.89%、6.12%、7.70%，正位深松處理0～10、10～20、20～30 cm土層土壤含水量分別較CK提高12.17%、5.82%、6.91%。單層施肥與三層施肥對不同土層土壤含水量的影響差異較小，總體上差異不顯著。5個(gè)處理中，T2處理0～10、10～20、20～30 cm土壤含水量分別較CK提高17.64%、7.56%、8.57%，T1處理0～10、10～20、20～30 cm土壤含水量分別較CK提高9.62%、4.68%、6.82%，T3處理0～10、10～20、20～30 cm土壤含水量分別較CK提高15.05%、5.58%、8.17%，T4處理分別較CK提高9.16%、6.06%、5.68%，說明播種時(shí)深松與施肥相結(jié)合可以提高土壤含水量，有利于土壤蓄水，滿足夏玉米苗期生長對水分的需求，總體以T2處理最優(yōu)。

2.2 深松和施肥方式對夏玉米出苗率和株高整齊度的影響

采用2 a的平均數(shù)據(jù)分析(表2)可知，與CK相比，深松處理夏玉米的出苗率和株高整齊度平均提高12.50%和18.36%。其中，側(cè)位深松和正位深松處理出苗率分別提高14.93%和10.06%，株高整齊度分別提高26.20%和10.51%。不同層次施肥比較，三層施肥比單層施肥處理出苗率、株高整齊度分別提高4.66%、5.14%。5個(gè)處理比較，T2處理出苗率、株高整齊度分別較CK提高18.50%、31.46%，T1處理分別較CK提高11.36%、21.39%，T3處理分別較CK提高11.61%、11.43%，T4處理分別較CK提高8.52%、9.63%，以T2處理最有利于提高夏玉米出苗率和株高整齊度。處理間比較，T2處理出苗率和株高整齊度分別比T3處理提高6.17%和17.97%，T1處理出苗率和株高整齊度分別比T4處理提高2.62%和18.26%。綜合分析，T2處理提高夏玉米出苗率和株高整齊度效果最好，更有利于保證苗全苗齊。

表1 深松和施肥方式對不同土層土壤含水量的影響Tab.1 Effects of deep tillage and fertilization modes on soil water content under different soil depths %

表2 深松和施肥方式對夏玉米出苗率及株高整齊度的影響Tab.2 Effects of deep tillage and fertilization modes on seedling emergence rate and plant height uniformity of summer maize

2.3 深松和施肥方式對夏玉米葉片LAI和SPAD值的影響

2 a的平均數(shù)據(jù)分析(表3)表明，深松增加了夏玉米葉片LAI，三葉期、拔節(jié)期、吐絲期，深松處理LAI分別較CK增加6.73%、7.98%、11.92%。其中，三葉期，側(cè)位深松、正位深松處理LAI分別較CK增加6.73%、6.72%；拔節(jié)期，側(cè)位深松、正位深松處理LAI分別較CK增加8.51%、7.45%；吐絲期，側(cè)位深松、正位深松處理LAI分別較CK增加13.35%、10.48%。可見隨著生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，深松對葉片生長的促進(jìn)效應(yīng)越來越明顯。不同施肥層次相比，拔節(jié)期和吐絲期，三層施肥處理LAI分別較單層施肥處理增加5.05%和3.27%。不同處理間比較，拔節(jié)期和吐絲期，T2處理LAI分別較CK增加12.77%和15.00%，T1處理LAI分別較CK增加4.26%和11.71%，T3處理LAI分別較CK增加8.51%和12.44%，T4處理LAI分別較CK增加6.38%和8.54%。5個(gè)處理夏玉米LAI表現(xiàn)為T2>T3>T4>T1>CK，且吐絲期T2處理與T4處理差異顯著，除T4處理外其他各處理總體均與CK差異顯著。

表3 深松和施肥方式對夏玉米葉面積指數(shù)的影響Tab.3 Effects of deep tillage and fertilization modes on leaf area index of summer maize

由圖1可看出，不同深松和施肥處理對夏玉米葉片SPAD值的影響不同。2 a平均數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，夏玉米葉片SPAD值表現(xiàn)為T1、T2>T3、T4>CK。拔節(jié)期和吐絲期，深松處理葉片SPAD值分別較CK增加5.63%和2.10%，但三層施肥處理葉片SPAD值與單層施肥處理間差異不顯著。拔節(jié)期和吐絲期，T1處理葉片SPAD值分別較CK提高6.50%和2.98%，T2處理葉片SPAD值分別較CK提高6.36%和2.98%，T3處理葉片SPAD值分別較CK提高4.76%和1.26%，T4處理葉片SPAD值分別較CK提高4.90%和1.16%。

不同小寫字母表示在同一生育時(shí)期內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05)，表4、圖2同Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level under the same growth stage,the same asTab.4 andFig.2圖1 深松和施肥方式對夏玉米葉片SPAD值的影響Fig.1 Effect of deep tillage and fertilization modes on SPAD value of summer maize

2.4 深松和施肥方式對夏玉米光合特性的影響

2 a平均數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表4)顯示，深松施肥處理提高了夏玉米光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，降低了胞間CO2濃度。拔節(jié)期和吐絲期，與CK相比，深松處理凈光合速率分別提高11.61%和10.04%，氣孔導(dǎo)度分別提高14.75%和40.91%，蒸騰速率分別提高27.60%和33.51%，胞間CO2濃度分別降低8.40%和13.77%。拔節(jié)期，三層施肥處理凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度分別比單層施肥處理增加4.95%、11.15%、4.26%，吐絲期分別增加3.85%、0.81%、4.21%；拔節(jié)期和吐絲期，三層施肥處理胞間CO2濃度分別比單層施肥處理降低6.59%和2.99%。拔節(jié)期和吐絲期，T2處理凈光合速率分別較CK增加21.47%和15.49%，蒸騰速率分別較CK增加46.92%和39.03%，氣孔導(dǎo)度分別較CK增加29.75%和51.52%，胞間CO2濃度分別較CK降低11.95%和17.93%；T1處理凈光合速率分別較CK增加15.47%和7.79%，蒸騰速率分別較CK增加21.2%和34.9%，氣孔導(dǎo)度分別較CK增加20.0%和42.4%，胞間CO2濃度分別較CK降低4.99%和24.63%；T3處理凈光合速率分別較CK增加7.41%和8.92%，蒸騰速率分別較CK增加23.35%和29.07%，氣孔導(dǎo)度分別較CK增加4.75%和36.36%，胞間CO2濃度分別較CK降低11.07%和12.22%；T4處理凈光合速率分別較CK增加2.07%和7.97%，蒸騰速率分別較CK增加18.90%和31.06%，氣孔導(dǎo)度分別較CK增加4.75%和33.33%，胞間CO2濃度分別較CK降低6.14%和10.41%。綜合比較5個(gè)處理，總體上T2處理碳同化能力優(yōu)于其他處理，更利于夏玉米的物質(zhì)生產(chǎn)。

表4 深松和施肥方式對夏玉米光合特性的影響Tab.4 Effects of deep tillage and fertilization modes on photosynthetic characteristics of summer maize

2.5 深松和施肥方式對夏玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

本研究用2 a的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，不同深松施肥處理對夏玉米地上部干物質(zhì)積累量的影響不同。拔節(jié)期、吐絲期和成熟期，深松處理夏玉米地上部干物質(zhì)積累量分別較CK增加13.56%、12.31%和13.04%。其中，拔節(jié)期，側(cè)位深松、正位深松處理地上部干物質(zhì)積累量分別比CK提高18.08%、9.04%；吐絲期，側(cè)位深松、正位深松處理地上部干物質(zhì)積累量分別比CK提高16.86%、7.77%；成熟期，側(cè)位深松、正位深松處理地上部干物質(zhì)積累量分別比CK提高16.59%、9.48%。拔節(jié)期、吐絲期、成熟期，三層施肥處理地上部干物質(zhì)積累量分別比單層施肥處理提高4.43%、4.76%、2.78%。拔節(jié)期、吐絲期、成熟期，地上部干物質(zhì)積累量均以T2處理最高，分別比CK顯著增加20.92%、18.51%、18.10%；T1處理次之，分別比CK增加15.23%、15.20%、15.08%；T3處理分別比CK增加10.63%、10.88%、10.75%；T4處理分別比CK增加7.45%、4.67%、8.22%。當(dāng)均為三層施肥時(shí)，拔節(jié)期、吐絲期、 成熟期， T2處理地上部干物質(zhì)積累量分別較T3處理提高10.30%、7.64%、7.35%；當(dāng)均為單層施肥時(shí)，拔節(jié)期、吐絲期、成熟期，T1處理地上部干物質(zhì)積累量分別較T4處理增加7.78%、7.53%、6.87%。說明深松與三層施肥的交互效應(yīng)大于深松與單層施肥的交互效應(yīng)。

圖2 深松和施肥方式對夏玉米地上部干物質(zhì)積累量的影響Fig.2 Effects of deep tillage and fertilization modes on aboveground dry matter accumulation of summer maize

2.6 深松和施肥方式對夏玉米產(chǎn)量的影響

2 a的平均數(shù)據(jù)(圖3)表明，深松處理產(chǎn)量較CK提高9.03%，其中，側(cè)位深松處理產(chǎn)量較CK提高12.45%，正位深松處理產(chǎn)量較CK提高5.60%，側(cè)位深松處理產(chǎn)量較正位深松處理提高6.84%。三層施肥處理產(chǎn)量與單層施肥處理差異不顯著。不同處理間比較，產(chǎn)量表現(xiàn)為T2>T1>T3>T4>CK，與CK相比，T2處理產(chǎn)量提高了13.24%，T1處理產(chǎn)量提高11.65%，T3處理產(chǎn)量提高了6.34%，T4處理產(chǎn)量提高了4.87%，說明側(cè)位深松比正位深松更能提高夏玉米產(chǎn)量，尤其以側(cè)位深松+三層施肥處理夏玉米增產(chǎn)效果最好。

圖3 深松和施肥方式對夏玉米產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of deep tillage and fertilization modes on yield of summer maize

3 結(jié)論與討論

土壤水分含量對夏玉米苗期生長發(fā)育起重要作用。砂姜黑土質(zhì)地黏重、土壤結(jié)構(gòu)差、保水性差，對夏玉米出苗質(zhì)量不利。深松是土壤的一項(xiàng)重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，深松處理土壤含水量較免耕處理提高32.5%左右[19]。玉米播前深松處理較常規(guī)表層旋耕處理顯著降低土壤容重和土壤緊實(shí)度，改善耕層土壤質(zhì)量，增加土壤含水量和田間持水量，提高作物產(chǎn)量[20]。本研究結(jié)果表明，無論側(cè)位或正位深松均能增加砂姜黑土0～30 cm土層平均土壤含水量，深松使土壤疏松，苗容易出土，又可抑制水分蒸發(fā)，保墑良好，因此提高了夏玉米苗期出苗率和株高整齊度，這與前人的研究結(jié)果一致[19，21]。本研究結(jié)果還表明，側(cè)位深松出苗率高于正位深松，主要原因是正位深松的深松帶和夏玉米播種帶在同一水平位置，夏玉米直接在深松帶上方播種，使種子播種深淺不一，進(jìn)而導(dǎo)致夏玉米出苗較差，但分層施肥對夏玉米出苗率和株高整齊度總體上無顯著影響。本研究的5個(gè)處理中，以側(cè)位深松+三層施肥出苗率及株高整齊度最高，是提高黃淮海砂姜黑土區(qū)夏玉米播種質(zhì)量和苗情質(zhì)量的適宜方式。

健壯的幼苗是玉米后期干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，也是影響籽粒產(chǎn)量形成的重要因素[22]。與傳統(tǒng)耕作相比，深松和化肥深施增加葉片葉綠素含量，促進(jìn)植株干物質(zhì)積累，延緩玉米花后葉片衰老，提高吐絲后期的葉綠素含量[23-27]。本研究結(jié)果表明，深松提高夏玉米葉面積指數(shù)、SPAD值和干物質(zhì)積累，側(cè)位深松處理優(yōu)于正位深松處理，但三層施肥與單層施肥間總體差異不顯著，以側(cè)位深松+三層施肥處理表現(xiàn)最優(yōu)。

深松和化肥深施能提高玉米光合性能，改善植株后期生長狀況，促進(jìn)光合物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[28-29]。本研究結(jié)果表明，深松增加了夏玉米拔節(jié)期和吐絲期的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉面積指數(shù)和SPAD值，降低了胞間CO2濃度，促進(jìn)了葉片碳同化能力，提高了光合性能，這與前人研究結(jié)果類似[29]。本研究結(jié)果表明，不僅深松能改善葉片的光合性能，三層施肥也能增加葉片凈光合速率，雖然與單層施肥處理相比無顯著差異，但深松與三層施肥二者表現(xiàn)出明顯的正交互效應(yīng)。5個(gè)處理中以側(cè)位深松+三層施肥處理效果最好。深松處理提高了葉片光合性能、葉面積指數(shù)和SPAD值，進(jìn)一步促進(jìn)了群體光合產(chǎn)物的積累，增加了籽粒產(chǎn)量，側(cè)位深松+三層施肥處理增產(chǎn)幅度最大。

綜上所述，在砂姜黑土區(qū)域，側(cè)位深松+三層施肥是夏玉米生產(chǎn)較為適宜的耕作與施肥方式，有利于物質(zhì)積累和產(chǎn)量提高。