免耕直播下秸秆还田方式对夏玉米苗期生长的影响

王韦韦 吴晓芳 王晴晴 李兆东 张春岭 陈黎卿

(1.安徽农业大学工学院，合肥230036;2.安徽省智能农机装备工程实验室，合肥230036)

0 引言

黄淮海平原是中国夏玉米主要种植区。随着保护性耕作技术的大力推广，免耕机械直播成为夏玉米主要种植方式，具有省工省时、蓄水保墒、节本增效的优点［1-3］。淮北平原地处黄淮海平原南部，夏季雨热同步，土壤质地黏重，易发生旱涝渍害。加之前茬小麦秸秆还田量大，播种机作业壅堵，造成后期苗质弱、群体整齐度差。适宜的种床秸秆处理方式能够保证播种的顺畅性，改善种床土壤平整效果，调节水温平衡，抑制种沟积水涝渍，且促进苗期生长［4-6］。

在秸秆残茬覆盖影响免耕播种机作业质量方面，国内外学者们采用了不同形式的防堵技术与机具［7-12］，以解决播种顺畅性的问题。而不同防堵方式会产生不同的种床土壤环境，相关研究表明，种床土壤环境(土壤平整度、土壤膨松度及土壤墒情、秸秆覆盖量等)对播种质量起着重要作用［13-14］。文献［15 -16］初步探究了油菜精量联合直播机作业后厢面平整效果与田间出苗均匀性的关系，发现厢面平整效果与油菜出苗质量呈正相关。赵宏波等［17］研究了不同机械化秸秆还田方式对种床土壤物理性质和小麦生长的影响，发现秸秆还田方式可不同程度地提高种床土壤含水率和土壤大团聚体含量等。MITCHELL 等［18］研究发现，秸秆覆盖还田与免耕播种有助于提高土壤有机质含量，对作物出苗率、出苗时期有显著影响。张卫卫等［19］综合土壤作业质量及作物生理特征指标分析，发现机械化作业环节的关键障碍因子影响由大到小为土壤平整度、土壤秸秆覆盖量、耕深、肥药用量，说明种床土壤平整效果对作物苗期群体形态特性影响很大。

免耕机械直播夏玉米时，不同结构形式的防堵结构产生不同土壤-秸秆复合地貌的种床。现有研究多集中于防堵机构的设计及不同秸秆还田方式的效应，对免耕播种方式下种床土壤环境与玉米苗期形态特征的影响研究较少。本文选取淮北平原砂姜黑土区夏玉米为研究对象，对免耕播种方式下不同防堵装置处理秸秆产生种床地貌与苗期群体生长情况进行研究，以期为砂姜黑土易涝渍区夏玉米免耕直播优选适宜的种床秸秆处理方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在安徽省宿州市埇桥区灰古镇安徽农业大学皖北综合试验站(116°97'E、33°63'N)实施，土壤类型为砂姜黑土，前茬处理为小麦秸秆全量覆盖还田，麦收后留茬高度为30 ～40 cm，秸秆覆盖量为0.82 ～1.24 kg/m2。实地测量3 ～10 cm 下土壤硬度为8.8 ～22.5 kg/cm2、土壤含水率为13.6% ～35.5%。其中近5 年6—10 月平均气温为31.4、32.68、31.8、26.6、21.8℃，平 均 降 雨 量 为111、240.9、120.6、80.9、51.2 mm。

1.2 试验设计

供试品种选用安农591，供试机型选用安装不同防堵方式的玉米免耕播种机，其中播种单体均为勺轮式结构。试验共设置4 个处理，分别为条带浅耕防堵(ST-X)、侧抛覆秸防堵(SMT-Y)、条带立式浅耕防堵(ST-Z)和条带深松破茬(SST)，各防堵装置结构形式如图1 所示，播后种床秸秆处理效果如图2 所示。其中条带浅耕防堵(ST-X)利用绕X 轴方向动力驱动旋耕刀切断、粉碎种行的秸秆、疏松种床土壤，4 行免耕播种机种肥开沟器正前方各安装一套;侧抛覆秸防堵(SMT-Y)利用绕Y 轴方向动力驱动拨指将麦秸和残茬抛向播种机两侧，形成秸秆覆盖的种床环境，免耕播种机全幅宽进行秸秆侧抛覆盖;条带立式浅耕防堵(ST-Z)利用绕Z 轴方向动力驱动立式旋耕刀浅耕、旋切破茬，以期实现只切土、不抛土的目的，安装于施肥开沟器正前方;条带深松破茬(SST)利用被动式双圆盘开沟器进行破茬深松打破犁底层改善土壤结构。试验于2018 年6月18 日播种，10 月15 日收获，试验前对4 款不同防堵形式的玉米免耕播种机施肥量、排种株距(25 mm)、行距(600 mm)调定一致，每个处理播种面积为1.0 ×104hm2。各处理播期、基肥配比量、浇水、田间管理等措施均一致。

图1 不同结构形式防堵装置Fig.1 Different structure forms of anti-blocking device

图2 免耕播种机作业后不同种床秸秆处理情况Fig.2 Different treatments of soil-straw-seedbed after operation of no-tillage planter

1.3 测定内容及方法

1.3.1 种床土壤平整效果

土壤平整度和横向最大垂直高度差是评价种床土壤平整效果的重要指标。利用前期自制的耕作土壤沟形测量系统对种床土壤横向高低落差进行扫描测量［20］。参照GB/T 5668—2008 规定的试验方法，每个处理下选取3 个区域的种床土壤微地貌进行扫描。计算其种床土壤垂直高度标准差SMN和横向最大垂直高度差Δh，以m 个行程的标准差平均值表示该区域的土壤平整度，其计算式为

式中 hi，j——任意扫描点到基准面垂直距离，mm

m——被测区域纵向扫描点数

n——被测区域横向扫描点数

1.3.2 不同叶龄期形态参数

由于种床积水淹涝对苗期玉米生育进程的影响很大，各处理叶龄期的玉米形态特征差异随生育进程的推进逐渐减少［21］。玉米苗期阶段包括播种—三叶期、三叶期—拔节2 个进程，本文播种后间隔7 d 测定1 次苗期特征参数，分别于2018 年6 月28日、7 月5 日、7 月12 日进行观察取样，每个处理在不同叶龄期采集20 株玉米植株，挖出后清除土块，并带回实验室用水清洗。用直尺和游标卡尺进行特征参数测量，主要包括叶龄、株高、茎粗和根系长度。

1.3.3 苗期群体整齐度

根据每个处理随机选定20 株测量玉米植株高度并记录，则苗期群体整齐度Q 计算式为

其中

式中 di——苗期玉米株高，mm

d——玉米株高平均值，mm

Sd——玉米株高标准差，mm

1.4 数据分析

利用Excel 2010 进行试验数据预处理，SPSS 22.0 软件进行显著性和相关性分析，OriginPro 8.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 种床土壤平整效果

种床土壤平整效果直接或间接影响玉米播深稳定性变异系数及后期群体生长发育［22-23］。土壤平整度和横向最大垂直高度差越小，表明种床土壤波动起伏越小，即平整效果越佳，可为玉米发芽以及生长提供良好的种床环境;反之，土壤平整度和横向最大垂直高度差越大，种床土壤平整效果越差，在一定程度上不利于播种质量，降雨量一致的情况下，横向高低起伏越大的区域越易积水，影响土壤中含氧量，容易造成根系发育不良。

由图3 可以看出(图中某一测量区域4 种秸秆处理方式的不同小写字母表示差异显著，下同)，4 种免耕直播防堵方式对种床土壤平整效果存在显著差异。其中每个处理下的3 个区域(Q1、Q2、Q3)种床土壤平整度与横向最大高度差变化趋势基本上一致，从大到小依次为SST、ST-X、ST-Z、SMT-Y，依照种床土壤平整效果由好到坏依次为SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。与被动式种床处理的SST 相比，ST-X、SMT-Y、ST-Z 的种床土壤平整度平均值分别降低7.67、16.33、11.00 mm;在3 个驱动式种床秸秆处理中，SMT-Y、ST-Z 在3 个测量区域相对于ST-X 种床土壤平整度和横向最大高度差均显著降低，其中SMT-Y 处理的土壤平整效果最好，较ST-X 土壤平整度和横向最大高度差平均值分别降低8.66、57.67 mm，较ST-Z分别降低5.33、21.34 mm。

图3 不同秸秆处理方式下种床土壤平整效果Fig.3 Surface flatness effect of seedbed under different straw treatment methods

2.2 秸秆还田方式对苗期形态特征的影响

播种后3 个时间点进行取样测量，每个时间点测量的20 个幼苗样本叶片数的平均值计为各处理的叶龄期。图4 为各处理不同叶龄期苗期形态特征测量对比结果。条带立式浅耕播种(ST-Z)在6 月28 日叶龄期有显著的生长优势;7 月12 日的4 个处理间苗期的叶龄、茎粗、单株根系长度显著性差异降低;在此之前呈现出种床土壤平整效果越差，苗期形态特征指标越差。

图4 不同种床秸秆还田方式苗期形态测量统计结果Fig.4 Statistical results of morphological measurement under different treatments of straw in seedbed

由图4 可以看出，4 个处理间株高、单株根系长度显著性差异顺序一致，由大到小依次为ST-Z、ST-X、SMT-Y、SST。其中条带深松破茬(SST)在3叶期到7 叶期的株高、茎粗及单株根系长度显著小于其他3 个驱动式防堵种床秸秆处理。叶龄为3 叶期时，ST-Z 处理的株高最大，其次是ST-X 与SMT-Y处理，分别比SST 处理高27.8%、17.0%、1.8%。7叶期左右时，ST-X、SMT-Y、ST-Z 处理间的株高差异不显著;4 个处理之间茎粗差异不显著;单株根系长度SST 分别比ST-Z、ST-X、SMT-Y 处理低35.0%、16.8%、6.7%。由图4b、4d 可知，3 种驱动式防堵处理中，叶龄从3 叶期至5 叶期过程中，ST-Z 相对于ST-X 的株高相对增幅由8.4%降至2.5%、单株根系长度相对增幅由13.4% 降至3.4%;相对于SMT-Y 的株高相对增幅由20.3%降至3.6%，单株根系长度相对增幅由20.9%降至4.5%。分析表明，免耕直播下种床秸秆还田方式对玉米苗期形态特征有显著性差异，随着苗期生育进程的推进各处理间苗期的叶龄、茎粗、单株根系长度显著性差异逐渐降低，且驱动式防堵种床秸秆处理(ST-X、SMT-Y、ST-Z)苗期株高特征显著优于条带深松处理(SST)。

2.3 秸秆还田方式对苗期群体整齐度的影响

图5 玉米苗期长势与种床土壤平整度效果对比Fig.5 Comparison of maize seedling growth and fitting surface of planting-strip flatness effect

苗期群体整齐度与夏玉米后期产量有极显著相关性［24-25］。图5 为7 月5 日叶龄期各处理田间玉米苗情长势与种床土壤平整效果拟合曲面，其中侧抛覆盖(SMT-Y)处理的种床土壤平整度和横向最大高度差分别为1.47、7.82 cm，4 个处理中种床土壤平整效果最佳;而SST 处理的种床土壤平整度和横向最大高度差分别为3.52、14.3 cm，其土壤横向高低起伏落差大，种床平整效果较差。由图5 可知，采用免耕驱动式防堵ST-X、SMT-Y、ST-Z 处理的苗情长势明显优于SST 处理，且该处理种床土壤平整效果最差。4 个处理下各区域的平均株高及群体整齐度如表1 所示，取Q1、Q2、Q3区域测量的平均值作为各处理下的苗期形态特征值，SST 处理苗期形态特征指标最差，田间苗期群体整齐度由大到小依次为SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。其中ST-X、SMT-Y、ST-Z、SST 的苗期平均群体整齐度分别为87.28%、94.04%、93.12%、82.94%，3 种免耕驱动式防堵处理相较于SST 分别提高4.34、11.10、10.18 个百分点。其中SMTY 在驱动式防堵处理下的苗期群体整齐度最高，与ST-X 处理之间存在显著性差异，其次是ST-Z 处理。

表1 玉米苗期群体整齐度统计结果Tab.1 Statistical results of population uniformity of maize seedling

2.4 种床土壤平整效果与苗期群体整齐度的相关性

为了进一步分析种床土壤平整效果与玉米苗期群体整齐度之间的关系，利用OriginPro 8.5 对其关系进行函数拟合，结果如图6 所示。在相同田间管理条件下，随着种床土壤平整效果变差，玉米苗期株高稳定性变异系数呈现递增趋势，具有良好的线性相关关系，其中群体整齐度(Q)与种床土壤平整度(SMN)、横向最大垂直高度差(Δh)的线性拟合模型函数决定系数均在0.9 以上，各处理位于同一田块且气温和降雨量一致，SMN、Δh 与Q 之间均呈极显著负相关，播种幅宽内种床土壤平整度和横向最大垂直高度差越大，其种沟土壤地貌波动起伏差异越明显，导致同一区域的土壤水分稳定性、温湿差异大，出现大小苗现象。反之种床土壤平整度和横向最大垂直高度差越小，其种沟土壤起伏差异越小，即种沟平整效果好，播深稳定性变异系数小，因此土壤水分稳定性、温湿差异不明显，出苗的整齐度随之提高。

3 讨论

图6 种床土壤平整效果与苗期群体整体度的相关性Fig.6 Correlation between surface flatness effect of seedbed and population uniformity of seedling stage

种床土壤平整效果是影响种-肥播深稳定性及夏玉米苗期生长发育的一个重要因素。本文研究结果表明，机械化免耕直播方式下4 种防堵装置处理对种床土壤平整效果依次为侧抛覆秸防堵(SMTY)、条带立式浅耕防堵(ST-Z)、条带浅耕防堵(ST-X)、条带深松破茬防堵(SST)。其中条带深松处理的土壤平整度和横向最大垂直高度差明显高于绕X、Y、Z 轴浅旋的3 种驱动式防堵处理。由于各处理位于同一田块且气温和降雨量一致，土壤平整度与横向最大垂直高度差越大，其种床土壤坑洼不平、种沟土壤起伏差异越明显，导致洼地积水涝渍、同一区域温湿差异大的现象，进而影响夏玉米苗期生长发育。苗期研究结果表明，夏玉米免耕机直播下种床土壤平整效果越佳，苗期群体整齐度越高，这与张青松等［26］的厢面平整效果有助于提高播种出苗质量结论一致。其原因可能是秸秆覆盖量、土壤平整效果影响种床区域性水分入渗、蒸发差异性大［27］。其中苗期群体整齐度由大到小依次为SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST，良好的种床土壤平整效果可以提高播种机作业播种深度稳定性，种带土壤平整度和横向最大垂直高度差与苗期群体整齐度呈极显著负相关关系(P ＜0.01，R2＞0.9)，此结果与张祥彩等［28］、解文艳等［29］研究结果一致。叶龄在3 叶期时，各处理间株高、茎粗、单株根系长度由大到小依次为ST-Z、ST-X、SMT-Y、SST，因为驱动拨指绕Y 轴方向将种床前方全幅宽秸秆进行侧抛覆盖，而绕X、Z 轴方向驱动立式、卧式旋切刀对种带秸秆清洁后镇压覆秸，较ST-X、ST-Z 处理，SMT-Y 处理下种床秸秆覆盖量太大，玉米种子发芽后突破秸秆层需要一定的时间，这与文献［30 -31］研究结果相吻合。此外采用立式浅耕防堵(ST-Z)较其他3 种处理在一定程度上提高了种带土壤平整效果，增强了夏玉米苗期的整齐度、茎粗及根系长度等。4 种免耕防堵种床处理方式中，侧抛覆秸防堵(SMT-Y)处理下种床土壤平整效果最明显，且苗期群体整齐度最佳，但是苗期的平均株高、茎粗和根系长度最低，因此建议优先选用条带防堵机构将种带内的秸秆清除，并疏松、平整种床土壤，减少种床秸秆覆盖含量，以达到较优的种床环境。

根据上述研究，夏玉米免耕直播下不同秸秆还田处理方式种床土壤平整效果对玉米苗期生长特性具有显著影响，有利于优选适宜的防堵机构，保证种床土壤环境。后续研究中应进一步开展在降雨、日照等外界因素条件下不同种床土壤平整效果对土壤温度、土壤水分、土壤养分等差异性分析，进而分析免耕直播方式对种床土壤环境影响机制。

4 结论

(1)夏玉米免耕机直播后SMN、Δh 与Q 之间均呈线性显著负相关关系(P ＜0.01)，决定系数分别为0.963 和0.914。即随着种床土壤平整效果变差，玉米苗期株高稳定性变异系数呈现递增趋势，其群体整齐度从大到小依次为SMT-Y、ST-Z、ST-X、SST。侧抛覆秸防堵(SMT-Y)处理苗期群体整齐度最高，但是苗期的平均株高、茎粗和根系长度均最低。

(2)夏玉米叶龄从3 叶期至7 叶期，免耕直播处理的株高、茎粗、单株根系长度显著高于条带深松处理。3 个驱动式防堵免耕播种处理中，ST-Z 在3叶期到5 叶期的株高和单株根系长度显著大于STX、SMT-Y，随着生育进程的推进，各处理叶龄期的玉米形态特征差异显著性降低。

(3)苗期群体整齐度、苗壮(株高、茎粗、单株根系长度等)特征分析表明，条带立式浅耕防堵(STZ)的免耕播种方式较优，能够有效改善土壤平整效果，提供清洁种带，有利于提高播深稳定性及抑制种沟积明水，是砂姜黑土易涝渍区夏玉米免耕直播适宜的种床秸秆处理方式。