秸秆还田方式对半干旱区春玉米生长特性、产量及水分利用效率的影响

徐莹莹 王俊河 刘玉涛 王宇先 高盼 杨慧莹 钱春荣 葛选良 樊景胜

摘要：以秸秆不还田作对照（CK），设置秸秆覆盖还田（SCR）、秸秆旋耕还田（SPR）和秸秆深翻还田（SDPR）3种还田方式，研究不同还田方式对黑龙江半干旱区春玉米生长特性、产量及水分利用效率的影响。结果表明，苗期SCR处理的根条数、根长、根干质量均高于其他3种处理;拔节期SPR和SDPR处理的根条数、根系活力、根干质量均与CK差异显著（P<0.05）;吐丝期和成熟期，除根干质量外，各项指标表现为SDPR>SPR>SCR>CK;植株茎秆干质量和叶面积表现为秸秆还田处理>CK，且从苗期开始差异显著（P<0.05）;拔节期至吐丝期，SCR、SPR和SDPR处理的光合势显著高于CK（P<0.05），分别提高1.80%、5.74%、6.34%;吐丝期各处理光合速率达到最大值，且不同处理间差异显著（P<0.05）。植株和籽粒中全氮、全磷和全钾含量较CK均有所增加，且秸秆深翻还田处理的养分含量最高。产量和水分利用效率表现为SDPR>SPR>SCR>CK，较CK产量分别提高10.57%、9.66%、4.02%，水分利用效率分别提高12.25%、11.78%、2.87%。综合各项指标来看，秸秆深翻还田对促进半干旱区玉米生长、提高产量及水分利用效率效果最佳。

关键词：秸秆还田;半干旱区;春玉米;生长特性;产量;水分利用效率

中图分类号： S513.01文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0128-05

收稿日期：2018-08-17

基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费项目（编号：201503116-02）;国家重点研发计划子课题（编号：2016YFD070030103）;国家现代农业产业技术体系建设项目（编号：CARS-02）;黑龙江省农业科学院院级科研项目（编号：2017SJ034）。

作者简介：徐莹莹（1989—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，研究实习员，主要从事作物耕作栽培及农业微生物研究。E-mail：ghdetongzhuo@163.com。

通信作者：王俊河，研究员，主要从事作物耕作栽培研究。E-mail：wangjunhe63@sohu.com。

玉米是黑龙江省西部半干旱区的第一大作物，该区是黑龙江省玉米主产区之一，年平均种植面积在170万hm2以上，占全省种植面积的1/3左右，产生的秸秆量超过775万t[1]。每年玉米收获后，多数秸秆被农民就地焚烧，既浪费资源，又对生态环境造成严重影响[2]。研究表明，秸秆中含有丰富的氮、磷、钾等元素，还田后能够培肥地力，提高土壤质量，同时秸秆还田具有疏松土壤、蓄水保墒等作用[3-7]，有利于作物根系对水肥的吸收利用，进而促进作物生长，提高产量[8-10]。因此，采用适宜的秸秆还田方式是解决半干旱区秸秆問题并实现该区玉米稳产的重要技术手段。

本研究设置秸秆不还田（CK）、秸秆覆盖还田（SCR）、秸秆旋耕还田（SPR）和秸秆深翻还田（SDPR）等4种方式，系统分析不同还田方式对春玉米生长动态、光合作用、养分利用、产量及水分利用效率的影响，以期为黑龙省西部半干旱区选择合适的还田方式，促进玉米可持续发展奠定重要基础。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院试验基地（123°41′46″E，47°16′26″N）进行，该区属于松嫩平原西部半干旱区，海拔143 m。2017年试验地生育期≥10 ℃的活动积温为2 952.4 ℃，降水量为327.2 mm，无霜期154 d。土壤类型为碳酸盐黑钙土，基础肥力：有机质含量为26.52 g/kg，全氮含量为0.16%，全磷含量为0.09%，全钾含量为0.50%，碱解氮含量为100.05 mg/kg，有效磷含量为16.91 mg/kg，速效钾含量为134.03 mg/kg，pH值为7.82。

1.2试验设计

试验设置4种处理，如表1所示。采用大区对比，大区面积为0.33 hm2，秸秆还田处理均为连续2年还田（2015年玉米收获后进行秸秆还田，2016年再次还田，还田方式同2015年），还田量为9 000 kg/hm2。供试玉米品种为先玉335，种植密度为6万株/hm2，一次性施入复合肥750 kg/hm2（氮、磷、钾含量分别为14%、22%、14%）。2017年5月12日播种，播种后喷灌35 mm，2017年10月6日收获。

1.3取样方法

分别于玉米苗期、拔节期、吐丝期和成熟期取样，每次取样3株。地下部分采用挖剖面法取样（整段标本法），以取样株为中心，按植株平均所占营养面积为顶，挖60 cm深的规则土柱，土壤过筛分离出根系[11]。成熟期采用对角线5点取样法测产，并折算成标准含水量（14%）的产量，同时每个处理取30穗测定玉米穗部性状。

1.4测定项目及方法

生长动态测定：根条数、茎粗、株高、叶面积等指标直接测量;根长测定采用网格交叉法，根长=11/14×交叉点数×网格单位[12];根系活力测定采用2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）还原法[13];植株干质量和根干质量测定采用烘干法，105 ℃杀青，80 ℃烘干至恒质量。

光合作用测定：光合速率和蒸腾速率采用3051植物光合测定仪测定;光合势=（L1+L2）÷2×（T2-T1），式中：L1、L2为叶面积，m2;T1、T2为时间，d。

养分含量测定：植株全氮含量采用凯氏定氮法测定;全磷含量采用钼锑抗比色法测定;全钾含量采用火焰光度法[14]测定。

产量性状测定：穗长、穗粗、行粒数、秃尖长、百粒质量直接测定;籽粒产量（按14%标准水折算，kg/hm2）=粒质量÷单位面积×（1-籽粒含水量/0.86）×10 000。

水分利用效率测定：水分利用效率（WUE）=Y/ET，ET=P+I-ΔS，式中：Y为玉米产量，kg/hm2;ET为生育期耗水量，mm;P为降水量，mm;I为灌溉量，mm;ΔS为收获后土壤贮水量与播种前土壤贮水量之差，mm[15]。

1.5数据处理

采用Excel 2010和SPSS 17.0软件中的单因素方差分析（ANOVA）进行数据处理和分析。

2结果与分析

2.1秸秆还田方式对根系生长的影响

如表2所示，在整个生育期，不同处理的根条数、根长、根系活力及根干质量具有相同的变化趋势，即苗期至吐丝期逐渐增大，吐丝期达到最大值后逐渐减小。苗期SCR处理的根条数、根长和根干质量均高于其他3种处理;拔节期SPR和SDPR处理的根条数、根系活力和根干质量与CK相比差异显著（P<0.05）;吐丝期和成熟期，除根干质量外，各项指标均表现为SDPR>SPR>SCR>CK;这主要是由于拔节期前SCR更有利于保持土壤水分，减少水分流失，满足玉米生长需求，因此根系较为发达，而CK处理土壤水分蒸发量较大，导致土壤含水率降低，进而影响玉米根系生长。到了吐丝期，秸秆经过一段时间的腐解，产生较多有机质释放到土壤中，使土壤养分增加，因此秸秆还田3种处理的根系生长较好，根系活力较高，且SDPR处理的效果优于SPR和SCR。

2.2秸秆还田方式对地上部生长的影响

如表3所示，除拔节期外，其他各时期不同处理株高和茎粗差异不显著，SPR和CK处理的植株茎秆干质量和叶面积从苗期开始显著差异（P<0.05），表现为秸秆还田处理>CK，说明秸秆还田对增加干物质质量和叶面积具有促进作用。根据当年气候条件，进入拔节期降水量较少，而秸秆具有蓄水保墒作用，因此和CK相比，秸秆还田处理的土壤含水率相对较高，可以满足玉米生长的水分要求，此外秸秆还田后释放养分，更有利于植株生长发育。与CK相比，成熟期SDPR、SPR和SCR的穗干质量分别增加31.60%、24.35%、9.80%。

2.3秸秆还田方式对光合作用的影响

2.3.1秸秆还田方式对光合速率和蒸腾速率的影响

光合速率是光合作用强弱的一种表示方法，光合速率大小与作物生长发育及后期营养物质积累密切相关。研究表明，光照、水分和养分是影响作物光合速率的重要因素[16]。如表4所示，吐丝期各处理光合速率达到最大值，且不同处理间差异显著（P<0.05），SDPR处理的光合速率最大，其次为SPR和SCR处理，CK光合速率最小。

蒸腾速率是衡量蒸腾作用大小的一种表示方法，蒸腾作用是植物对水分吸收和运输的主要动力，特别是高大的作物，假如没有蒸腾作用，由蒸腾拉力引起的吸水过程便不能产生，植株较高部分也无法获得水分，因此，蒸腾速率对作物水分运输利用具有重要影响[17]。由表4可知，蒸腾速率变化趋势及在各处理间的差异表现与光合速率大致相同。

2.3.2秸秆还田方式对群体光合势的影响

光合势是反映作物群體光合作用的重要指标之一，光合势越大，表示群体光合作用越强，越有利于植株生长及后期干物质转化[18]。如表5所示，光合作用从拔节期开始迅速增强，拔节期—吐丝期光合势出现最大值，之后随着玉米逐渐成熟，光合作用减弱，光合势逐渐下降。拔节期—吐丝期，SDPR、SPR和SCR处理的光合势显著高于CK（P<0.05），较CK分别提高6.34%、574%、1.80%。各处理间光合势的差异主要是由于SDPR、SPR和SCR处理能够改善土壤结构和环境，满足群体生长所需条件，为作物光合产能奠定重要基础。SDPR处理为作物提供了更适宜的水热气条件，因此群体光合作用效果较好。

2.4秸秆还田方式对玉米全量养分含量的影响

如表6所示，各处理从拔节期开始，植株全氮、全磷和全钾含量迅速增加，在吐丝期达到最大值，至成熟期时植株养分含量有所下降，籽粒养分含量增加，说明营养器官养分积累主要是在吐丝期以后。成熟期，SDPR和SPR的植株及籽粒中全氮、全磷、全钾含量与CK相比差异显著（P<0.05），与CK相比，植株全氮含量分别增加14.94%、14.29%，全磷含量分别增加36.84%、29.82%，全钾含量分别增加17.99%、265%;籽粒全氮含量分别增加34.58%、22.43%，全磷含量分别增加57.63%、50.85%，全钾含量分别增加57.81%、3906%。可见，秸秆还田处理对籽粒养分积累具有重要促进作用。

2.5秸秆还田方式对产量性状的影响

如表7所示，各处理穗粗差异不显著，秃尖长和百粒质量差异较大，与CK相比，SDPR和SPR能明显降低果穗秃尖长度，提高百粒质量，秃尖长分别比CK降低57.14%、28.57%，百粒质量分别增加8.40%、4.80%。产量结果表现为SDPR>SPR>SCR>CK，与CK相比，3种处理产量分别提高10.57%、9.66%、4.02%。

2.6秸秆还田方式对水分利用效率的影响

如表8所示，SDPR处理下玉米水分利用效率最高，每消耗1 mm水可生产玉米33.64 kg/hm2，其次为SPR和SCR处理，每消耗1 mm水分别可生产玉米33.50、30.83 kg/hm2，CK水分利用率最低，为29.97 kg/（hm2·mm）。这主要是由于秸秆还田有助于保持土壤水分，提高玉米对水分的吸收利用，因此水分有效利用率较高，而CK处理在干旱少雨情况下易导致土壤水分流失，使作物对水分吸收利用率降低。

3讨论

根系是作物对营养物质吸收转化和贮藏的重要器官，其生长的好坏直接影响地上部生长及产量的形成[19]。战秀梅等研究表明，秸秆还田能够改善土壤理化环境，有利于养分积累，促进作物根系生长，尤其到了生育中后期，玉米深层根系根长显著提高[20]，本研究结果与此研究结果一致。与CK相比，3种秸秆还田处理下的根条数、根长、根系活力及根干质量普遍明显提高，且秸秆深翻还田效果更好，这主要是由于深翻能够打破坚硬的犁底层，建立了合理的耕层结构，有利于根系延伸以吸取更多的水分和养分，加之还田后的秸秆释放出更多营养物质，更能满足作物根系及地上部生长要求[21]。

本研究中，秸秆深翻还田、秸秆旋耕还田和秸秆覆盖还田提高了植株叶片光合速率、蒸腾速率及群体光合势，有利于玉米氮、磷、钾元素和干物质的积累，进而提高产量。解文艳等研究发现，在东北地区，秸秆连续多年还田下产量增幅为8.33%～16.19%[22]，本试验结果与之基本一致。由于本试验区位于半干旱区且秸秆还田年限为2年，因此产量增幅较东北地区平均值偏低。马立婷研究表明，秸秆还田具有显著的增产效果，且秸秆深翻效果更显著[23]。本研究结果表明，与CK相比，秸秆深翻还田、秸秆旋耕还田和秸秆覆盖还田产量分别提高10.57%、9.66%、4.02%。

本研究中，秸秆深翻还田、秸秆旋耕还田和秸秆覆盖还田处理下的水分利用效率分别比CK提高12.25%、11.78%、2.87%，这与张丽等的研究结果[24-25]一致，说明秸秆还田对提高干旱、半干旱地区土壤保墒蓄水能力作用明显。

4结论

秸秆还田对半干旱区春玉米生长特性、产量及水分利用效率具有重要影响，尤其在玉米生育中后期，与秸秆不还田相比，还田处理能够增加根条数、根长及根干质量，增强根系活力，显著增加植株干质量、叶面积、光合速率和群体光合势等，同时促进植株及籽粒中养分积累，进而提高玉米产量及水分利用效率。而由于还田方式不同，产生的作用效果又有所差异。综合各项指标来看，秸秆深翻还田对保证半干旱区春玉米稳产增产效果最佳。

参考文献：

[1]王巍. 对黑龙江省西部半干旱地区玉米育种的几点思考[J]. 农业科技通讯，2014（4）：157-159.

[2]孙彬，张楠，崔昌龙，等. 黑龙江省作物秸秆综合利用现状、存在问题与发展建议[J]. 安徽农业科学，2015，43（6）：238-239.

[3]隋鹏祥，张心昱，温学发，等. 耕作方式和秸秆还田对棕壤土壤养分和酶活性的影响[J]. 生态学杂志，2016，35（8）：2038-2045.

[4]Dossou-Yovo E R，Brüggemann N，Ampofo E，et al. Combining no-tillage，rice straw mulch and nitrogen fertilizer application to increase the soil carbon balance of upland rice field in northern Benin[J]. Soil & Tillage Research，2016，163：152-159.

[5]Chen J，Zheng M J，Pang D W，et al. Straw return and appropriate tillage method improve grain yield and nitrogen efficiency of winter wheat[J]. Journal of Integrative Agriculture，2017，16（8）：1708-1719.

[6]蒋向，任洪志，贺德先. 玉米秸秆还田对土壤理化性状与小麦生长发育和产量的影响研究进展[J]. 麦类作物学报，2011，31（3）：569-574.

[7]徐文强，杨祁峰，牛芬菊，等. 秸秆还田与覆膜对土壤理化特性及玉米生长发育的影响[J]. 玉米科学，2013，21（3）：87-93，99.

[8]趙亚丽，郭海斌，薛志伟，等. 耕作方式与秸秆还田对土壤微生物数量、酶活性及作物产量的影响[J]. 应用生态学报，2015，26（6）：1785-1792.

[9]Zhang J，Hu K L，Li K J，et al. Simulating the effects of long-term discontinuous and continuous fertilization with straw return on crop yields and soil organic carbon dynamics using the DNDC model[J]. Soil & Tillage Research，2017，165：302-314.

[10]周怀平，解文艳，关春林，等. 长期秸秆还田对旱地玉米产量、效益及水分利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2013，19（2）：321-330.

[11]廖荣伟，刘晶淼，白月明，等. 玉米生长后期的根系分布研究[J]. 中国生态农业学报，2014，22（3）：284-291.

[12]刘晶淼，安顺清，廖荣伟，等. 玉米根系在土壤剖面中的分布研究[J]. 中国生态农业学报，2009，17（3）：517-521.

[13]宋海星，王学立. 玉米根系活力及吸收面积的空间分布变化[J]. 西北农业学报，2005，14（1）：137-141.

[14]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000.

[15]张仁和，胡富亮，杨晓钦，等. 不同栽培模式对旱地春玉米光合特性和水分利用率的影响[J]. 作物学报，2013，39（9）：1619-1627.

[16]张久明，迟凤琴，宿庆瑞，等. 不同有机物料还田对土壤结构与玉米光合速率的影响[J]. 农业资源与环境学报，2014，31（1）：56-61.

[17]谢田玲，沈禹颖，邵新庆，等. 黄土高原4种豆科牧草的净光合速率和蒸腾速率日动态及水分利用效率[J]. 生态学报，2004，24（8）：1678-1685.

[18]崔凤娟，李岩，王振国，等. 种植密度对高粱群体生理指标及产量影响[J]. 中国农学通报，2018，34（8）：9-14.

[19]周佳佳. 秸秆还田与耕作方式对玉米生长发育及产量形成的影响[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2016.

[20]战秀梅，李秀龙，韩晓日，等. 深耕及秸秆还田对春玉米产量、花后碳氮积累及根系特征的影响[J]. 沈阳农业大学学报，2012，43（4）：461-466.

[21]庄倩倩. 寒地秸秆还田腐解规律与土壤酶活性的研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2012.

[22]解文艳，樊贵盛，周怀平，等. 秸秆还田方式对旱地玉米产量和水分利用效率的影响[J]. 农业机械学报，2011，42（11）：60-67.

[23]马立婷. 秸秆还田对玉米产量和根系及耕层环境的影响[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2017.

[24]张丽. 深松和培肥对旱地农田土壤水分保蓄能力及玉米生长的影响[D]. 北京：中国农业大学，2014.

[25]禄兴丽. 保护性耕作措施下西北旱作麦玉两熟体系碳平衡及经济效益分析[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2017.