濕潤冷涼區(qū)秸稈碎混還田對玉米抗倒伏能力的影響

馬悅 ，劉勝群 ，劉禹澤 ，劉升芹 ，代明媚,3 ，王思敏,3 ，劉君仁

（1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室, 吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049； 3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 吉林 長春 130118）

0 引言

東北地區(qū)是我國重要的商品糧基地，位于黑土帶核心區(qū)，珍貴的黑土資源利于玉米生產(chǎn)。但黑土質(zhì)地較黏重，加之長期的過度墾殖和不合理耕作，致使土壤物理性質(zhì)變差，即土壤容重增加、總孔隙度下降、田間持水量降低、導(dǎo)水性和通氣性能不暢，土壤變硬等[1]。研究顯示，秸稈還田可改善土壤物理性狀，增加土壤孔隙度，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)[2]，降低土壤容重[3-5]，增加土壤持水量[6]，增加土壤通氣、透水能力等。因此，秸稈還田對土壤物理性質(zhì)的改善作用備受關(guān)注。研究顯示，秸稈還田對土壤物理性狀的改善作用是由于秸稈還田過程中的秸稈歸還及其對土壤的擾動[2]。而不同秸稈還田方式對土壤擾動的影響明顯不同，這說明秸稈還田對土壤物理性質(zhì)的影響受其還田方式的影響和制約[7-8]。

吉林省東部地區(qū)春季低溫冷涼、土壤表層溫度相對較低；加之土壤黏重，持水能力強，冬季降水以積雪形式覆蓋地表時間較長，因初春溫度低，積雪融化時間短，因此秋季降雨和冬季降雪常常導(dǎo)致土壤出現(xiàn)偏濕或飽和現(xiàn)象[9-10]，進而影響作物生產(chǎn)和產(chǎn)量形成。由于秸稈還田可改善土壤物理性質(zhì)，因此，既可增加地溫又可降低土壤濕度的秸稈還田方式尤其適合于吉林省東部低溫冷涼區(qū)。目前，吉林省玉米秸稈全量還田方式主要有秸稈覆蓋還田、深翻還田和碎混還田三種[8,11]。孫士明等[12]關(guān)注上述三種秸稈全量還田方式對土壤溫度和土壤水分狀況的影響，研究結(jié)果顯示，與秸稈覆蓋還田和秸稈深翻還田相比，秸稈碎粉還田方式下的土壤溫度較高且土壤含水率低，是適合吉林省東部低溫冷涼區(qū)的秸稈還田方式。研究者同時關(guān)注秸稈碎混還田技術(shù)對土壤物理性質(zhì)的影響，認(rèn)為秸稈碎混還田技術(shù)可降低耕層土壤容重，增加土壤總孔隙度，有效改善土壤物理性質(zhì)[8,13]。

土壤物理性質(zhì)影響作物生長，改變作物地上部和根系某些性狀（如根體積、根表面積和根系在土壤中的分布等）[14-15]。由于上述性狀與作物抗倒伏能力密切相關(guān)，因此，研究者重視作物對土壤物理性質(zhì)的這種響應(yīng)，以期利用這種變化改善作物的抗倒伏能力。李永賢等[16]報道耕作方式改變土壤物理性質(zhì)，致使玉米根系性狀發(fā)生改變，最終改變了玉米倒伏抗性。劉明等[17]報道深松作業(yè)影響玉米莖稈性狀，并最終使其倒伏抗性發(fā)生改變。上述研究證明，作物對土壤物理性質(zhì)的改變做出響應(yīng)，從而改變自身莖稈和根系的某些性狀，并最終影響其抗倒伏能力。但很少有關(guān)于秸稈還田對玉米抗倒伏能力的影響的報道。高天平[18]關(guān)注了秸稈還田對夏玉米根系生長的影響，結(jié)果顯示秸稈還田條件下夏玉米根系的根長、根干重、根表面積等均增加，但未見對其倒伏抗性的報道。由于我國現(xiàn)階段提高玉米產(chǎn)量的一個重要途徑是增加種植密度，但隨著密度的增加，倒伏發(fā)生風(fēng)險隨之提高[19]。因此，倒伏成為限制密植玉米高產(chǎn)的一個重要障礙因素[20]。由于根系[21]和莖稈[22]是作物抗倒伏的主體，因此，本研究以吉林省東部冷涼區(qū)的6 個玉米品種為對象，研究秸稈碎混還田條件下其倒伏發(fā)生情況及其抗倒伏能力，以期明確吉林省東部冷涼區(qū)秸稈碎混還田對玉米倒伏抗性的影響，為評估冷涼區(qū)秸稈還田改善土壤物理性質(zhì)和玉米產(chǎn)量，實現(xiàn)東北黑土資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地點位于吉林省敦化市沙河沿鎮(zhèn)鴻發(fā)生態(tài)農(nóng)場（128°21′E, 43°25′N）。試驗地年均氣溫為2.6 ℃，年降雨量631.8 mm，有效積溫2 400 ℃。土壤為白漿土，0 ～ 20 cm 土層的水解氮含量為216.8 mg·kg-1，速效磷含量為15.76 mg·kg-1，速效鉀含量為113.4 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為38.3 g·kg-1，pH 為5.76。秸稈還田（SR）方式為碎混還田[23]，玉米秸稈粉碎后，利用機械將秸稈與 0 ～ 20 cm 土層的土壤混合。秸稈離田（CK）為對照，秸稈離田對照是將玉米秸稈人工運出試驗田后，其它操作與秸稈還田的地塊相同。供試玉米品種為德美亞1 號、雁玉1 號、金珠58、先達101、賽玉529 和院軍1 號（表1）。種植密度為75 000 株·hm-2。均勻壟種植，壟寬60 cm，每個小區(qū)長20 m，寬12 m。 秸稈處理為主區(qū)，品種為副區(qū)，3 次重復(fù)。于2018 年5 月3 日播種。田間施肥量分別為240 kg(N)·hm-2、90 kg(P2O5)·hm-2和105 kg(K2O)·hm-2。80 kg·hm-2的氮肥和全部的磷、鉀肥基施以及160 kg·hm-2的氮肥于6 月末追施。玉米田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田相同。

表1 供試6 個玉米品種基本信息Table 1 Basic information of six maize varieties

1.2 測定指標(biāo)及方法

于玉米灌漿期取樣測定玉米根倒力矩（Root failure moment，Rfm）和節(jié)根根系數(shù)量[24]。Rfm的測定參照Fouere 等[24]進行，公式如下：

式中：Fmax為根倒承受的最大推力，采用測力計測定；α 為最大推力時莖稈與地面的夾角；h 為測力計作用位點與地面之間的距離。

測根倒力矩后，以植株為中心挖取25 cm（長）×25 cm（寬）×25 cm（深）的根土復(fù)合體，用流水沖洗上面附著的土壤，然后記錄氣生根條數(shù)和單株節(jié)根總數(shù)。另外，每區(qū)選取代表性植株，自地面莖節(jié)基部將玉米莖稈剪斷。用精度為1 mm 的卷尺測量株高（HP）、穗位高（HE）和重心高度（Hg），計算穗高系數(shù)，穗高系數(shù)=HE/HP。玉米莖節(jié)選取基部向上第三伸長節(jié)間[21-22]，其壓碎強度用YYD-1 莖稈強度測定儀測定，測量時用橫截面積為1 cm2的探測頭垂直于莖稈緩慢壓下至莖稈破裂，記錄莖稈橫向壓碎強度。并計算莖稈抗倒伏指數(shù)，莖稈抗倒伏指數(shù)=基部第三節(jié)橫向壓碎強度/植株重心高度[25]。

玉米灌漿期土壤容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測定0 ～ 8 cm、8 ～ 16 cm 和16 ～ 24 cm 3 個土層深度。于2018 年10 月10 日調(diào)查小區(qū)內(nèi)根倒伏和莖倒伏發(fā)生株數(shù)和總株數(shù)[23]，并分別計算根倒伏和莖倒伏的倒伏率。而后進行測產(chǎn)，每區(qū)選取中間兩行玉米進行測產(chǎn)，并折算14%含水率的籽粒產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 軟件計算平均值并作圖，用SPSS16.0 軟件進行根系性狀、莖稈性狀以及土壤物理性狀在對照（CK）和秸稈還田處理（SR）之間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈碎混還田對土壤容重和孔隙度的影響

秸稈還田影響土壤容重（圖1a）和土壤孔隙度（圖1b）。與CK 相比，SR 條件下0 ～ 8 cm 和8 ～ 16 cm土層的土壤容重顯著降低，分別下降了10.9%和8.4%（P＜ 0.05）；0 ～ 8 cm 土層的土壤孔隙度顯著增加，與CK 相比，SR 條件下0 ～ 8 cm 土層的土壤孔隙度提高了9.8%（P＜ 0.05）。

圖1 秸稈還田對0 ～ 24 cm 土層土壤容重和土壤孔隙度的影響Fig. 1 Effects of straw returning on soil bulk density and soil porosity of 0 ～ 24 cm soil layer

2.2 秸稈碎混還田對玉米根倒力矩（Rfm）的影響

秸稈碎粉還田顯著影響玉米Rfm（圖2），與CK 相比，SR 條件下Rfm顯著增加，DMY1、YY1、JZ58、SY529 和YJ1 的Rfm分別較CK 顯著增加了12.0%、12.7%、16.4%、14.4%和26.5%（P＜ 0.05）。Rfm存在品種差異，不同品種的Rfm不同，6 個品種中以SY529 的Rfm最高。

圖2 6 個品種玉米的根倒力矩（Rfm）Fig. 2 Root failure moment of 6 maize varieties

2.3 秸稈碎混還田條件下玉米根系數(shù)量

與CK 相比，SR 條件下單株玉米總節(jié)根數(shù)和氣生根數(shù)量均有增加趨勢，6 個品種玉米的節(jié)根總數(shù)和氣生根條數(shù)分別平均增加了3.9%和5.4%。但SR 對單株玉米節(jié)根總量的影響差異未達到顯著水平（圖3a），而對氣生根數(shù)量產(chǎn)生了顯著影響（P＜ 0.05，圖3b）。SR 條件下單株玉米總節(jié)根數(shù)和氣生根數(shù)存在品種差異，不同品種的總節(jié)根數(shù)和氣生根數(shù)不同。

圖3 秸稈還田對玉米的根系數(shù)量和氣生根數(shù)量的影響Fig. 3 Effects of straw returning on total number of nodal roots and brace root of maize

2.4 秸稈碎混還田對玉米莖稈抗倒伏指數(shù)的影響

秸稈碎粉還田顯著提高了玉米莖稈抗倒伏指數(shù)（圖4），與CK 相比，SR 條件下6 個玉米品種的莖稈抗倒伏指數(shù)平均增加了5.34%。6 個品種的莖稈抗倒伏指數(shù)存在品種差異，以YJ1 的莖稈抗倒伏指數(shù)最高。

圖4 6 個品種玉米莖稈抗倒伏指數(shù)Fig. 4 Stalk breaking percentage of 6 maize varieties

2.5 秸稈碎混還田對玉米穗高系數(shù)和基部莖稈壓碎強度的影響

6 個品種玉米灌漿期的穗高系數(shù)在CK 和SR 之間的差異未達到顯著水平（圖5a）。與CK 比較，SR條件下品種YY1 和YJ1 的穗高系數(shù)有降低趨勢。穗高系數(shù)存在品種差異，不同品種間差異達到顯著水平（P＜ 0.05），6 個品種中，DMY1 和XD101 穗高系數(shù)較高，而YJ1 的穗高系數(shù)相對較低。

圖5 秸稈還田對玉米穗高系數(shù)和第三節(jié)間橫向壓碎強度的影響Fig. 5 Effects of straw returning on ear height coefficient and crushing strength of the 3rd internodes of maize

6 個品種玉米基部第三伸長節(jié)間的橫向壓碎強度見圖5b。分析結(jié)果顯示，第三伸長節(jié)間的橫向壓碎強度在CK 和SR 之間的差異未達到顯著水平，但與CK 相比，SR 處理下的DMY1 和JZ58 處理的第三伸長節(jié)間的橫向壓碎強度分別提高了9.85%和8.37%。玉米基部第三節(jié)間的橫向壓碎強度存在品種間的差異，6 個品種玉米基部第三節(jié)間的橫向壓碎強度差異達顯著水平（P＜ 0.05）。

2.6 收獲時玉米田間倒伏發(fā)生率和籽粒產(chǎn)量

秸稈還田顯著降低玉米田間倒伏發(fā)生率（圖6），與CK 相比，SR 條件下6 個品種玉米倒伏率平均降低1.13%。田間倒伏發(fā)生率存在品種差異，玉米收獲時田間倒伏實際發(fā)生情況與品種有關(guān)，CK 和SR 條件下，6 個品種相比，JZ58 和SY529 的田間倒伏發(fā)生率低。

圖6 收獲時田間玉米倒伏發(fā)生率Fig. 6 Lodging rate in field at harvest of 6 maize varieties

6 個品種玉米的穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重和籽粒產(chǎn)量見表2。與CK 相比，SR 條件下品種DMY1 和YY1 的產(chǎn)量顯著高于CK，分別增加了3.5%和3.6%（P＜ 0.05）。與CK 相比，SR 各品種玉米的穗行數(shù)和百粒重差異不顯著，但SR 條件下品種DMY1 和YY1 的行粒數(shù)和產(chǎn)量均顯著高于CK，行粒數(shù)分別增加了1.9 粒和1.3 粒（P＜ 0.05）。

表2 玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重和子粒產(chǎn)量Table 2 Number of rows, number of grains per row, 100-kernel weight and grain yield of maize

2.7 Rfm 與根系數(shù)量、莖稈抗倒伏指數(shù)與節(jié)間橫向壓碎強度之間的相關(guān)分析

6 個品種玉米的Rfm和氣生根數(shù)量之間進行Pearson 相關(guān)分析（圖7），結(jié)果顯示，Rfm與氣生根數(shù)量之間呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，方程為Y=1.486 4X+3.871 1（P＜ 0.05）。玉米莖稈抗倒伏指數(shù)和第三節(jié)間橫向壓碎強度之間進行Pearson 相關(guān)分析（圖8），結(jié)果顯示，玉米莖稈抗倒伏指數(shù)與第三節(jié)間橫向壓碎強度之間呈顯著線性相關(guān)，方程分別為Y=10.068X+38.584（P＜ 0.05）和Y=7.216X+33.797（P＜ 0.05）。

圖7 根倒力矩和氣生根數(shù)量之間的相關(guān)性Fig. 7 Correlation between root failure moment and number of brace roots

圖8 莖稈抗倒伏指數(shù)與第三莖節(jié)橫向壓碎強度的相關(guān)性Fig. 8 Correlation between stalk breaking percentage and crushing strength of the 3rd internode

3 討論

秸稈還田可有效改善土壤物理性狀，提高土壤有機質(zhì)含量，在我國備受關(guān)注并廣泛應(yīng)用。但在我國東北地區(qū)低溫冷涼，不合理的秸稈還田方式導(dǎo)致還田秸稈降解慢、春季地溫低和玉米出苗率下降等問題[26]，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)赜衩捉斩掃€田的推廣和應(yīng)用。前人研究顯示，玉米秸稈碎混還田技術(shù)可提高土溫、降低土壤含水量[23]，適于在低溫濕潤冷涼區(qū)應(yīng)用[12]，因此本研究以玉米秸稈碎混還田技術(shù)作為秸稈還田技術(shù)，研究其對薄層黑土區(qū)土壤容重和土壤孔隙度的影響。結(jié)果顯示，玉米秸稈碎混還田技術(shù)顯著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度（圖1），有效改善了薄層黑土土壤的物理性質(zhì)，這一結(jié)果與李位波等對川中丘陵區(qū)土壤的研究結(jié)果相似[13]。

東北低溫濕潤冷涼地區(qū)的薄層黑土土壤質(zhì)地黏重、耕層淺，因此導(dǎo)致玉米根系下扎困難，致使此區(qū)玉米倒伏頻發(fā)[27]，嚴(yán)重制約玉米產(chǎn)量的提高。根倒力矩是衡量根倒伏抗性的重要指標(biāo)，根倒力矩大則說明作物抗根倒能力強。本研究結(jié)果顯示，玉米根倒力矩受秸稈碎混還田影響顯著（圖2），秸稈碎混還田顯著提高了玉米根倒力矩，這可能與玉米氣生根數(shù)量的改變有關(guān)（圖3），因為根倒力矩與氣生根數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖7），這一結(jié)果與前人關(guān)于根倒伏抗性和氣生根數(shù)量的研究結(jié)果一致[28]。本研究顯示秸稈碎粉還田條件下玉米氣生根數(shù)量增加，這可能與其對土壤物理性質(zhì)的改善有關(guān)（圖1）。這一結(jié)果與王月寧等[29]的玉米秸稈深埋還田能顯著促進玉米生長的研究結(jié)果相似。莖稈抗倒伏指數(shù)是衡量莖倒伏抗性的重要指標(biāo)，與基部節(jié)間性狀如基部莖稈力學(xué)性能有關(guān)[30]。研究顯示，秸稈還田可影響作物的莖倒伏抗性，鄒兵[31]報道秸稈還田顯著降低小麥基部節(jié)間長度、增加基部節(jié)間莖粗、節(jié)間充實度，進而提高了小麥的抗倒伏能力。沈明林[32]報道麥秸和玉米秸稈還田可提高夏玉米抗倒性能，降低玉米倒折率。本文研究結(jié)果顯示，玉米秸稈碎混還田顯著提高了玉米莖稈抗倒伏指數(shù)（圖4）和第三節(jié)間橫向壓碎強度（圖5），且莖稈抗倒伏指數(shù)與基部第三節(jié)間橫向壓碎強度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖8），這說明秸稈碎混還田技術(shù)下玉米莖稈抗倒伏指數(shù)的增加與基部第三節(jié)間橫向壓碎強度的增加有關(guān)。

大量研究結(jié)果顯示，秸稈還田可增加玉米產(chǎn)量[33]，本研究結(jié)果顯示，秸稈碎混還田條件下玉米產(chǎn)量顯著提高，品種德美亞1 號和雁玉1 號分別增加了3.5%、3.6%。本文調(diào)查了供試玉米田間倒伏發(fā)生率，秸稈碎混還田條件下玉米倒伏發(fā)生率平均降低1.13%。研究顯示，田間作物倒伏率通常與風(fēng)、雨等誘因有關(guān)，若作物在生育期內(nèi)無疾風(fēng)驟雨天氣，則田間作物倒伏發(fā)生率較低，反之則倒伏發(fā)生率較高，因此，以田間調(diào)查倒伏發(fā)生率的方式判斷作物倒伏抗性存在局限，應(yīng)結(jié)合作物抗倒伏指標(biāo)進行綜合分析。前人研究顯示，作物倒伏抗性存在品種差異[34]，不同品種倒伏抗性不同，本研究得出類似的結(jié)果，6 個供試玉米品種的根倒力矩和莖稈抗倒伏指數(shù)均存在品種差異，說明6 個品種的抗根倒伏和莖倒伏能力存在差異。結(jié)合秸稈碎混還田對玉米產(chǎn)量的影響，建議生產(chǎn)中在選用適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的玉米品種的同時，要充分考慮秸稈碎混還田對玉米產(chǎn)量和倒伏抗性影響的品種差異。推測產(chǎn)生這種差異的原因與品種生育期長短（表1）和品種適宜生長密度等性狀有關(guān)，需要進一步深入研究和探討。

4 結(jié)論

（1）東北低溫濕潤冷涼區(qū)秸稈碎混還田有效改善土壤物理性狀，可促進玉米根系生長，提高氣生根數(shù)量，增強玉米抗根倒伏能力，提高根倒伏抗性。

（2）東北低溫濕潤冷涼區(qū)秸稈碎混還田可提高玉米基部莖節(jié)力學(xué)性能，增強玉米抗莖倒伏的能力，提高玉米莖倒伏抗性。

（3）在東北低溫濕潤冷涼區(qū)，秸稈碎混還田對玉米根系和莖稈性狀的影響不同，且玉米根系和莖稈對秸稈碎混還田處理的響應(yīng)存在品種差異。