小麥玉米輪作區(qū)周年耕作模式對(duì)夏玉米生長的影響

趙東波，高建勝，郭良海，管培燕，郭建軍，崔慧妮， 歐文靜，李擁軍，郭智慧*

(1.德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東德州253015；2.德州學(xué)院，山東德州253023)

玉米是我國第一大糧食作物，在保障國家糧食安全中占有重要地位。由于耕地資源限制及種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，2015年全國玉米種植面積4 496.84萬hm，之后逐年減少，2020年降至4 126.43萬hm；2015年玉米單產(chǎn)5 892.85 kg/hm，2020年達(dá)到6 316.97 kg/hm(國家統(tǒng)計(jì)局https：//data.stats.gov.cn/adv.htm?m=advquery&cn=C01)。黃淮海地區(qū)是我國玉米的主產(chǎn)區(qū)之一，目前農(nóng)戶普遍采用小麥季旋耕播種、玉米季免耕播種、雙季秸稈還田的耕作措施，長期“旋耕免耕”的耕作組合造成該地區(qū)耕層變淺、犁底層上升、土壤環(huán)境變差，進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。蔣飛等研究表明，魯西南地區(qū)秸稈全層深翻處理下，玉米開花期、葉面積和葉干重均增加，整株干重在開花期和成熟期均明顯高于免耕，產(chǎn)量比免耕和旋耕分別高10.6%和4.3%；劉洋等研究表明，在遼西地區(qū)一次全方位深松、連年秋翻、連年溝壟交替深松，單從玉米產(chǎn)量來看，以一次全方位深松效果最為明顯，比對(duì)照增產(chǎn)13.7%；呂巨智等研究表明，廣西熱帶地區(qū)春季深松和夏季免耕播種條件下，玉米單株干物質(zhì)積累量較傳統(tǒng)耕作增加26.41%。前人對(duì)玉米播種前的耕作方式研究較多，結(jié)果表明受光照、降雨、土壤等因?qū)儆绊懀煌衩咨a(chǎn)區(qū)對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)耕作模式并不相同；而對(duì)于黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作區(qū)，周年不同耕作措施對(duì)夏玉米的影響研究較少。鑒于此，筆者通過系統(tǒng)研究小麥季與玉米季周年不同耕作組合對(duì)玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，探究黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作區(qū)優(yōu)勢(shì)耕作組合，為基于機(jī)械化的新型耕作制度改革提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)區(qū)位于山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)(116.346 7°E，37.360 0°N)，該地屬于暖溫帶大陸性氣候，雨熱同期，降水主要集中在7—9月份，降水量年份間差異較大(圖1)。試驗(yàn)區(qū)屬于典型的冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，此前長期采用“小麥季秸稈粉碎還田旋耕后播種、玉米季秸稈覆蓋還田免耕播種”的保護(hù)性耕地措施。試驗(yàn)區(qū)以砂質(zhì)土壤為主，土壤肥沃，呈弱堿性，試驗(yàn)地0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如下：有機(jī)質(zhì)18.15 g/kg，全氮1.08 g/kg，全磷1.03 g/kg，全鉀18.9 g/kg，速效磷21.3 mg/kg，速效鉀140.8 mg/kg，pH 7.7。

注：氣象數(shù)據(jù)來自德州國家氣象觀測(cè)站；折線圖為溫度；柱狀圖為降雨量 Note：Meteorological data were from National Meteorological Observatory of Dezhou；line chart was temperature and histogram was precipitation圖1 2019—2021年試驗(yàn)區(qū)月平均降水量和月平均溫度比較Fig.1 Comparison of monthly average rainfall and monthly mean temperature in experiment site from 2019 to 2021

試驗(yàn)玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N登海605；小麥品種為濟(jì)麥22。

2018—2021年試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，小麥季設(shè)旋耕(A)、深松(B)和深翻(C)3個(gè)主處理，玉米季設(shè)免耕(X)、滅茬(Y)、旋耕(Z)3個(gè)副處理(表1)。小區(qū)面積12 m×20 m=240 m，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，第1年隨機(jī)區(qū)組排列，以后固定位置。采用冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作模式，冬季種植“濟(jì)麥22”并統(tǒng)一管理，不進(jìn)行調(diào)查。夏季選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N“登海605”，6月中旬播種(表2)，種植密度設(shè)定為75 000株/hm，行距60 cm。玉米播種前基施復(fù)合肥(N∶PO∶KO=15∶15∶15，總養(yǎng)分 ≥ 45%)300 kg/hm。3年的試驗(yàn)輪作過程中小麥和玉米的管理方式均相同，僅在耕作方式上有差異。

生育期。生育期的判定標(biāo)準(zhǔn)均為群體60%及以上植株達(dá)到某生育期。記載各處理玉米出苗、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、成熟期、收獲日期等。

苗期調(diào)查。小區(qū)內(nèi)60%植株有4片可見葉片時(shí)調(diào)查出苗數(shù)，并連續(xù)測(cè)定20株株高，計(jì)算出苗率和出苗整齊度(出苗整齊度用苗期株高整齊度表示，即平均株高/標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

葉面積。拔節(jié)期、開花期與成熟期，每小區(qū)連續(xù)測(cè)5株，測(cè)量每株玉米全部展開綠葉的葉長和最大葉寬，乘以0.75，累加得到全株葉面積。

干物質(zhì)累積。在拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期與成熟期，每小區(qū)連續(xù)選取5株，并將其分為葉片、莖鞘和籽粒3部分，分別烘至恒重后稱重。

農(nóng)藝性狀調(diào)查。成熟期測(cè)量株高、穗位高和莖粗，每小區(qū)連續(xù)測(cè)量5株；調(diào)查小區(qū)株數(shù)、倒伏(含倒折)、空稈、雙穗等農(nóng)藝性狀。

表1 不同周年耕作模式比較Table 1 Comparison of annual farming modes

表2 夏玉米播種和收獲日期比較Table 2 Comparison of sowing and harvest dates of summer maize

考種和測(cè)產(chǎn)。成熟期各小區(qū)選取中間2行統(tǒng)計(jì)收獲穗數(shù)并實(shí)收測(cè)產(chǎn)，自然風(fēng)干脫粒測(cè)產(chǎn)，采用谷物水分測(cè)定儀(PM-8188-A)測(cè)定籽粒含水量，計(jì)算玉米籽粒產(chǎn)量(折算為14%含水量)；隨機(jī)選擇20個(gè)果穗進(jìn)行考種，調(diào)查穗粒數(shù)(穗行數(shù)×行粒數(shù))、單穗重、穗長、穗粗、禿尖長等穗部性狀。

采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用IBM SPSS Statistics 26軟件統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)；采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan’s法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

由表3可知，除播種至出苗外，玉米季滅茬旋耕播種(AZ、BZ、CZ處理)的玉米各生育期略晚于玉米季免耕播種(AX、BX、CX處理)和滅茬播種(AY、BY、CY處理)；從夏玉米播種到成熟期的平均天數(shù)來看，AX和AY處理較短(107.0 d)，AZ和BZ處理較長(108.7 d)，最長平均天數(shù)處理與最短平均天數(shù)處理間差異顯著。

表3 不同處理對(duì)夏玉米生育期的影響Table 3 Effects of different treatments on the growth period of summer maize d

由表4可知，不同處理苗期株高由高到低依次為AY處理>AX處理>AZ處理、BY處理>BX處理>BZ處理、CX處理>CY處理>CZ處理，玉米季免耕播種(AX、BX、CX處理)和滅茬后播種(AY、BY、CY處理)夏玉米出苗率較高，苗期平均株高較高，出苗整齊度較好，均優(yōu)于玉米季滅茬旋耕后播種(AZ、BZ、CZ處理)。綜上可知，小麥季滅茬后深松或深翻再旋耕播種(B或C處理)較好，玉米季免耕播種或滅茬播種(X或Y處理)較好。其中AY和BY處理的夏玉米苗期表現(xiàn)較好、出苗率較高、苗期平均株高較高、苗期整齊度較好。

表4 不同處理對(duì)夏玉米苗期性狀的影響Table 4 Effects of different treatments on seedling stage characters of summer maize

由表5可知，2019—2021年玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期和成熟期的葉面積無顯著差異。從小麥季B與C處理對(duì)夏玉米各生育期葉面積的影響來看，僅拔節(jié)期各處理間有顯著差異；B和C處理拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期的玉米葉面積高于A處理。玉米季X與Y處理在玉米成熟期前葉面積顯著高于Z處理，但成熟期Z處理葉面積高于X和Y處理。由圖1可知，AX、AY、BX、BY、CX和CY處理夏玉米成熟前葉面積顯著高于AZ、BZ和CZ處理，但至成熟期時(shí)前者的葉面積較后者低。

表5 玉米各生育期不同處理葉面積比較 Table 5 Comparison of leaf area of different treatments at different maize growth stages cm2

圖2 不同處理對(duì)玉米各生育期葉面積的影響Fig.2 Effects of different treatments on leaf area of maize at different growth stages

由表6可知，2019—2021年玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、成熟期的葉片、莖鞘和籽粒的植株干重間無顯著差異。小麥季3種耕作模式中，B、C處理各生育期植株干重均比A處理玉米高，且各處理間差異顯著；B和C處理間拔節(jié)期無顯著差異，大喇叭口期B處理的玉米植株干重高于C處理，且各處理間差異顯著；而開花期和成熟期C處理的植株干重最高，與B、A處理間差異顯著。玉米季3種耕作模式各生育期植株干重排序均為Y處理>X處理>Z處理，處理間差異顯著。由圖3可知，小麥季與玉米季9個(gè)周年耕作組合處理中，玉米各生育期BY和CY處理的植株干重均最高，與其他處理間差異顯著。

表6 不同處理對(duì)玉米生育期植株干重的影響 Table 6 Effects of tillage measures on total dry matter in maize growth period g

注：不同小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著 Note：Different lowercases indicated significant differences between treatments at 0.05 level 圖3 不同處理對(duì)玉米各生育期植株干重的影響Fig.3 Effects of different treatments on dry weight of maize at different growth periods

由表7可知，B處理的倒伏率較A和C處理略高，Z處理顯著高于X和Y處理，其中AZ、BZ、CZ處理的倒伏率顯著高于其他處理。Z處理空稈率高于X和Y處理，其中BZ、CZ處理空桿率高于其他處理。各處理平均株高由高到低依次為B處理>C處理>A處理、Y處理>X處理>Z處理，其中BX處理平均株高最高，為284.4 cm，而AZ處理平均株高最低，為253.5 cm。CY處理平均穗位最高，為134.1 cm，AZ處理平均穗位最低，為122.0 cm。各處理莖粗為1.8～2.0 cm。

由表8可知，小麥季B和C處理的小麥產(chǎn)量顯著高于A處理，X和Y處理的玉米產(chǎn)量顯著高于Z處理；BX、BY、CX、CY處理的玉米平均產(chǎn)量均在12 300.0 kg/hm以上，顯著高于其他5個(gè)處理。BX、BY、CX、CY處理單穗重、穗粒數(shù)顯著高于其他處理，千粒重為296.8～306.8 g/L；CY處理的穗長和穗粗表現(xiàn)最好，而且禿尖不嚴(yán)重。

表7 不同處理對(duì)玉米主要農(nóng)藝性狀的影響Table 7 Effects of different treatments on major agronomic characters of maize

表8 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 8 Effects of different treatments on maize yield and its components

耕作方式有區(qū)域適應(yīng)性，周年耕作模式對(duì)產(chǎn)量的效應(yīng)受土壤、氣候等環(huán)境因子影響，增產(chǎn)效應(yīng)略有差別。研究發(fā)現(xiàn)，小麥季滅茬后深松或深翻再旋耕播種與玉米季免耕播種或滅茬播種結(jié)合的周年耕作模式下夏玉米苗期表現(xiàn)較好，出苗率較高，苗期平均株高較高，苗期整齊度較好，有利于葉的發(fā)育；玉米成熟期積累的生物質(zhì)量最多，協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高了夏玉米的產(chǎn)量。經(jīng)過3年的周年輪作，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)穩(wěn)定。張德偉等研究顯示，小麥播種前深松或者深翻到次年玉米季，玉米秸稈經(jīng)8個(gè)月的分解能改善土壤耕層、增加土壤含水量、降低土壤容重和堅(jiān)實(shí)度，有利于玉米根系發(fā)育，促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響夏玉米的生育期。張麗華等研究顯示，小麥播種前秸稈深翻還田和秸稈覆蓋深松還田處理2年的處理比對(duì)照玉米產(chǎn)量分別增加8.36%和14.35%。郭良海等指出，夏玉米播種前再次旋耕，小麥秸稈導(dǎo)致耕層土壤松軟、空隙過大，不利于玉米的播種出苗，因此玉米苗期長勢(shì)比較弱。李景等研究顯示，長期免耕和深松提高了土壤團(tuán)聚體顆粒態(tài)有機(jī)碳及全氮含量，夏玉米播種前旋耕等翻動(dòng)土壤的耕作模式對(duì)于土壤耕層結(jié)構(gòu)具有破壞作用。

綜上所述，小麥季深松或深翻與玉米季滅茬或直播的周年耕作模式，尤其小麥季深翻與玉米季滅茬的周年耕作模式在黃淮海一年兩熟區(qū)可顯著提高夏玉米產(chǎn)量，為基于機(jī)械化的新型耕作制度改革提供科學(xué)依據(jù)，有望帶動(dòng)德州市糧食大面積均衡增產(chǎn)，助力德州市噸半糧生產(chǎn)能力建設(shè)。