遁耕分层施肥对夏玉米产量形成的调控效应*

徐 萍,杨宪杰,邓学斌,杨 震,孙彦玲,张正斌**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022;2.中国科学院种子创新研究院 北京 100101;3.山东驰象机械有限公司 德州 253000;4.山东省德州市陵城区农业广播电视学校 德州 253000;5.河北省农机化技术推广总站 石家庄 050011)

黄淮海是我国冬小麦()-夏玉米()主产区,近10年来,黄淮海地区冬小麦播种面积占全国冬小麦播种面积的38%,冬小麦产量占全国的50%左右,而夏玉米的播种面积占全国夏玉米播种面积的28%,产量约占全国的30%,在我国粮食安全中占有重要地位。为了高效利用光温水土资源,近十年来推广小麦收获后硬茬播种玉米,玉米收获后旋耕播种小麦技术,导致黄淮海平原耕层普遍变浅,玉米倒伏频繁发生、自然资源利用效率低下。多数研究认为免耕下表层土壤容重显著大于其他耕作方式,但也有报道认为长期的免耕会降低土壤表层的容重,而下层土壤容重有增加的趋势。深松是打破犁底层和提高土壤质量的一个重要耕作方法,深松虽然能增加土壤蓄水性能,但是在干旱时,土壤的保水能力相对较弱。深松与分期施氮可以提高玉米水分利用效率及产量。近年来玉米深松播种施肥一体机成为玉米耕作栽培新技术,在提高劳动生产效率、肥料利用效率和产量等方面有明显的促进作用。深松能改良土壤容重等物理特性,促进玉米根系生长。垂直深旋耕和免耕、条带深松相比,能够明显提高玉米干物质积累和产量。垂直深旋耕和硬茬播种、深松相比,可以明显提高玉米产量和氮肥利用效率。条带深松耕作能够明显增加玉米群体的叶面积指数和净同化率,实现夏玉米密植群体高产。深松与追施氮肥能够提高春玉米籽粒灌浆后期的百粒重及产量和蛋白质含量。但遁耕分层施肥对土壤容重、水分和养分分布以及玉米生长发育、干物质积累及产量构成因素的调控效应的研究还少见报道。我们联合山东驰象机械有限公司,研发出了玉米遁耕(40 cm)分层施肥一体机,在河北省进行示范推广。本文研究了遁耕分层施肥对夏玉米产量形成的调控效应,以期促进遁耕分层施肥技术在黄淮海平原大面积示范推广,提高耕地质量,为我国粮食安全持续增长提供理论依据和关键支撑技术。

1 材料与方法

1.1 试验设计与试验材料

试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站(114°40′E,37°50′N,平均海拔50.1 m)进行,土壤类型为潮褐土。设置遁耕分层施肥后播种(遁耕,deep tillage and delamination fertilization,DTDF)和硬茬种肥同播(对照处理,硬茬,hard stubble seeding and fertilization,HSSF)两个处理,两个处理实施前均未进行小麦旋耕灭茬作业。1)遁耕分层施肥后播种处理:面积为0.67 hm;2020年6月13日前茬小麦收获后,用180 马力拖拉机牵引山东驰象机械有限科技公司制造的“遁耕分层施肥一体机”作业,该机械类似于深松机,在前部加有一个旋耕灭茬设备,在后边2 个深松铲柱上加置有两个深浅不同(15 cm 和25 cm)的分层施肥口,底部是2 个小型平底燕尾犁替代常规深松凿形铲,底层松土面积更大,可以深松深耕土壤40 cm,打破犁底层,提高土壤质量;利用40 马力小四轮拖拉机牵引硬茬种肥同播一体机播种玉米,播种深度 5 cm。2)硬茬种肥同播处理:面积0.53 hm;利用40 马力小四轮拖拉机牵引硬茬种肥同播一体机,播种深度5 cm,施肥深度10 cm。

试验选用玉米新品种‘伟科702’,行距70 cm,株距26 cm,播种密度5.5 万株·hm。施用中讯牌噻虫嗪复合肥,氮磷钾含量17∶12∶5,药用有效成分0.08%,兼具有对玉米防虫除虫效果,施肥量600 kg·hm。因为玉米生育前期土壤干旱少雨,玉米苗期6月24日灌溉1 次,灌水量900 m·hm。苗期统一喷施除草剂一次。

中国科学院栾城农业生态系统试验站提供的气象数据表明,2020年6月13日-10月7日玉米生育期降水量为307.3 mm,其中6月份降水39.3 mm,7月份降水38.6 mm,8月份降水179 mm,9月份降水50.4 mm(图1)。

图1 2020年试验区玉米生育期降雨量Fig.1 Precipitation during maize growth period in the study area in 2020

1.2 土壤样品测定

土壤容重测定:在玉米播种前和成熟期以10 cm为一层,利用环刀法和烘干法测定待测0～100 cm 土壤容重。在两个处理中分别随机取样3 个重复。

土壤含水率测定:在玉米播种前和成熟期以10 cm 为一层,采用土钻环刀法和铝盒-烘干法测定小区0～100 cm 土壤质量含水率。在两个处理中分别随机取样3 个重复。

在玉米播种前和成熟期多点混合采集0～20 cm和20～40 cm 土样,在两个处理中分别随机取样3 个重复。风干研磨过筛。采用凯氏定氮法测定全氮含量,碱解扩散法测定碱解氮含量,NaHCO浸提-比色法测定速效磷含量,NHOAc 浸提-火焰光度法测定速效钾含量。

1.3 玉米水分利用效率及偏氮肥生产力测定

水分利用效率(WUE)为产量和生育期总耗水量之比:

式中:WUE(kg·hm·mm)为产量水平的水分利用效率,GY 为籽粒产量(kg·hm),ET 为全生育期总耗水量(mm)。

玉米总耗水量为生育期的土壤水分蒸发和玉米植株的蒸腾量之和(ET),计算公式为:

式中:为土壤容重(g·cm),为代表土层厚度(cm),SWC 为土壤质量含水量(%)。

氮肥偏生产力(PFP,kg·kg)计算公式为:

式中:GY 为施氮小区籽粒产量(kg·hm),为总施氮量(kg·hm)。

1.4 农艺性状测定

苗期遁耕和硬茬2 个处理分别随机选取3 块长势均匀的区域作为3 个重复,每个重复2 m×2 m,进行玉米种植密度调查。2020年7月30日(大喇叭口期)、8月11日(抽雄期)、8月29日(吐丝期)、9月25日(灌浆后期)4 次取样,在遁耕和硬茬2 个处理随机选取3 块长势均匀的区域作为重复,每个重复选择3 株,测定植株各部位的生长量指标。10月7日(成熟期)在遁耕和硬茬两个处理随机选取3 块长势均匀的区域作为重复,每个重复选择3 株,取样测定穗长、穗粗、粒行数、行粒数、百粒重、单株粒重、穗轴重、单株秸秆重、单株生物学产量、产量和收获指数等农艺性状。成熟期在遁耕和硬茬两个处理随机选取3 块长势均匀的2 m×2 m 区域,测定玉米产量。

1.5 数据分析

使用 Excel 2017 和SPSS 20.0 软件进行土壤和农艺性状差异比较和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率和土壤容重差异比较

由图2 可以看出,遁耕(DTDF)处理的土壤容重在0～40 cm 显著低于硬茬(HSSF)处理(＜0.05),而在40～100 cm 无显著差异。遁耕处理玉米成熟期的土壤含水率在0～80 cm 高于硬茬处理,在80～100 cm差异不显著。这主要是由于遁耕降低了土壤容重,使土层疏松,增加了土壤深层渗水和蓄水保墒能力。各处理表层0～20 cm 土壤含水率较高,主要是因为玉米生育期后期降水较多(图1),但20～40 cm 土壤含水率较低,主要是因为玉米根系主要集中在20～40 cm,吸取了大量的土壤水分。

图2 玉米成熟期不同耕作处理下不同土层土壤含水率和土壤容重Fig.2 Soil water contents and soil bulk densities of different soil layers under two tillage treatments at maize maturity stage

2.2 不同土层养分分布的差异比较

从图3 可以看出,硬茬处理(施肥深度为15 cm)成熟期0～20 cm 耕层土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均高于20～40 cm 土层。遁耕分层施肥(施肥深度为15 cm 和25 cm)处理中,0～20 cm 土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均低于20～40 cm 土壤,其中全氮、速效磷和速效钾含量差异达显著水平(＜0.05)。碱解氮含量在两种处理的0～20 cm 和20～40 cm 土层间差异均不显著,速效钾含量在硬茬处理0～20 cm 和20～40 cm 土层间差异不显著。从整体上来看,遁耕处理能够增加中深层土壤(20～40 cm)氮磷钾养分含量,减少表层土壤养分聚积,有利于氮磷钾快速下渗到中深层土壤,提高玉米在中深层根系吸收,在玉米生长后期保障养分供应能力。

图3 不同耕作处理下玉米成熟期不同土层土壤养分含量的差异Fig.3 Nutrients contents of different soil layers under two tillage treatments at maize maturity stage

2.3 生长发育性状差异比较

由图4 和图5 可以看出,遁耕处理的株高从大喇叭口期到吐丝期明显高于硬茬处理,大喇叭口期达到了较高水平,缓慢上升到吐丝期达到最高,之后有一定的下降,说明遁耕处理玉米在吐丝期提前由营养生长转向生殖生长,将干物质更多地向穗部运转。而硬茬处理随着玉米生育期株高有明显的上升趋势,大喇叭口期到抽雄期增长较慢,抽雄到吐丝期株高增长最快,吐丝期到灌浆后期缓慢增长。遁耕处理玉米在灌浆后期株高有一定的下降,而硬茬玉米灌浆后期株高略高于遁耕处理。

图4 不同生育期不同耕作处理下玉米植株状态Fig.4 Maize plants at different growth stages under two tillage treatments

图5 不同耕作处理下玉米生长发育性状Fig.5 Comparison of growth and development characters of maize under two tillage treatments

2 种耕作处理条件下,玉米基部茎周长从大喇叭口期到灌浆后期都呈大致下降的趋势,茎秆有抽条变细的趋势。在大喇叭口期遁耕处理略低于硬茬处理,而从抽雄到灌溉后期,遁耕处理明显高于硬茬处理。基部茎粗从吐丝期(8月29日)到灌浆后期(9月25日)有变粗的趋势,可能是吐丝期到灌浆后期有一定的降雨(图2),根部加快了深层水分和养分吸收,增加了基部茎干物质积累,基部茎变粗有利于干物质向穗部转移和增强抗倒伏能力。

遁耕处理单株叶面积从大喇叭口期到吐丝期明显高于硬茬处理,吐丝期到灌浆后期二者相差不大,且有缓慢下降趋势。遁耕处理和硬茬处理的单株叶面积从大喇叭口期到抽雄期快速上升,但遁耕处理抽雄到吐丝期单株叶面积缓慢下降,而硬茬处理缓慢上升。说明遁耕处理下玉米在抽雄期停止了叶面积的增加而提前转入生殖生长和光合产物向穗部运转阶段。

遁耕处理单株叶片数大喇叭口期到吐丝期高于硬茬处理,特别是大喇叭口期到抽雄期快速增加,但抽雄期到灌浆后期缓慢下降。硬茬处理单株叶面积大喇叭口期到吐丝期则缓慢增加,吐丝期到灌浆后期则缓慢减少。两种处理的叶片数目最后趋于相同。

2.4 干物质积累性状差异比较

图4 和图6 中可以看出,硬茬处理叶干重有持续上升的趋势;遁耕处理的叶干重大喇叭口期到吐丝期明显高于硬茬处理,但吐丝期到灌浆后期增长缓慢且略微低于硬茬。遁耕处理叶干重大喇叭口期到抽雄期快速增长达最大值,抽雄到吐丝期下降,可能是遁耕玉米生殖生长阶段叶片放缓了干物质积累,将更多光合产物转运至穗部所致;遁耕处理叶干重从吐丝期到灌浆后期又有明显上升,对保障后期穗部干物质积累有利。

图6 不同耕作处理玉米干物质积累性状差异比较Fig.6 Comparison of dry matter accumulation characters of maize under two tillage treatments

遁耕处理的茎干重明显高于硬茬处理且呈持续上升趋势,说明由于深松深施肥,根系水分和养分吸收能力增强,可以持续向茎秆和穗部转运干物质积累。硬茬处理大喇叭口期到吐丝期的茎干重呈上升趋势,而吐丝期到灌浆后期呈缓慢下降趋势,可能是硬茬播种下根较浅、水分养分吸收能力减弱,茎秆干物质提前向穗部加快转移所致。

遁耕和硬茬处理的茎叶干重整体上都呈较快的上升趋势,且遁耕处理茎叶干重明显高于硬茬处理;但遁耕处理抽雄期到吐丝期呈下降趋势,说明遁耕有更多的茎叶干物质积累,为高产打好了基础。

抽雄期到灌浆后期,遁耕处理的穗干重明显高于硬茬处理,这得益于遁耕处理在抽雄期以前的高干物质积累。抽雄期到吐丝期穗干重快速增加达峰值,但吐丝期到灌浆后期呈下降趋势,这可能是穗部碳水化合物转化成籽粒淀粉、蛋白质、脂肪等营养成分,种子自动脱水及自然衰老等成熟机制形成的一个特殊过程。

在整个生育期,遁耕处理30 cm 耕层的根干重略微高于硬茬处理,且整体上呈上升趋势。两种耕作处理根干重变化基本一致,大喇叭口期到抽雄期呈缓慢上升趋势,抽雄到吐丝期呈下降趋势,吐丝到灌浆后期快速增加,这可能与灌浆后期有较多的降雨有关(图2)。

单株生物学产量在遁耕和硬茬处理呈相似的上升趋势,大喇叭口期到吐丝期缓慢上升,吐丝期到灌浆后期迅猛上升;整体表现为遁耕处理的单株生物学产量高于硬茬处理。

2.5 产量构成性状差异比较

由表1 可知,遁耕处理的各产量构成性状均高于硬茬处理,其中穗轴重、百粒重和产量达显著水平(＜0.05),分别比硬茬处理高20.19%、17.05%和19.53%。与硬茬播种相比,遁耕深施肥明显增加了穗粗、行粒数、百粒重、穗轴重、单株粒重,从而发挥了明显的增产效应。

表1 不同耕作处理玉米产量构成性状的差异Table 1 Comparison of yield components characters of maize under two tillage treatments

2.6 玉米水分利用效率和偏氮肥生产力差异比较

从图7 可以看出,遁耕处理的玉米水分利用效率及偏氮肥生产力都显著高于硬茬处理(＜0.05)。在深松和水肥互作条件下,遁耕分层施肥明显促进了玉米生长特别是生物量和籽粒产量的增加,进而提高了玉米水分利用效率和偏氮肥生产力。

图7 不同耕作处理下玉米水分利用效率(WUE)和偏氮肥生产力(PFPN)Fig.7 Comparison of water use efficiency(WUE)and partial factor productivity of nitrogen(PFPN)of maize under two tillage treatments

以上研究结果表明,与硬茬处理相比,遁耕处理明显降低了土壤容重,增加了土壤含水率,增加了中深层土壤氮磷钾养分含量,改变了玉米生长发育节奏和根冠结构及产量构成要素,提高了玉米水分利用效率和偏氮肥生产力。遁耕处理的玉米大喇叭口期到吐丝期的株高和单株叶面积、大喇叭口期到抽雄期的叶干重、吐丝期到灌浆期的穗干重均高于硬茬处理;百粒重、穗轴重和产量也显著高于对照。这些结果揭示了遁耕分层施肥对土壤容重、土壤水分和土壤养分的调控效应,及不同生长发育和干物质积累性状在不同生育期的变化模式和调控效应及产量构成要素特征。

3 讨论和结论

深翻、深松、旋耕等多种土壤耕作消减土壤障碍因素是国内外普遍采用的有效生产措施。为了减少因传统深翻导致的水土流失和耕层土壤水分无效快速蒸发,争取农时,近年来免耕和深松技术替代深翻在国内外大面积应用,但在不同生态环境和不同作物上其节本增效的作用并不统一。在干旱半干旱一年一熟地区,深翻耕地对水土保持不利,适度免耕和少耕利于节本增效。但在半湿润和湿润一年两熟地区,长期免耕和少耕对增产增效不利,易导致耕地质量退化,适度的深翻深松有利于改良土壤、减少病虫害及杂草危害。中国农业科学院作物科学研究所开展了玉米冠层耕层优化高产技术体系研究,创新了“深耕层-密冠层”“控株型-促根系”及“培地力-高肥效”的密植高产高效技术模式,为玉米高产高效提供了新思路。我们近年来的研究也表明,垂直深旋耕(40 cm)技术在玉米和小麦增产和资源利用效率提高方面成效显著。

本文研究表明,遁耕分层施肥可以明显降低土壤容重和增加土壤蓄水,这与前人关于深松效应的研究结果一致。陈林等研究表明,土壤深松与保留土壤结皮相比,可以增加玉米苗期的植株直径、株高、叶片数、根深,生长后期的干物质含量、穗长、穗粗、穗位高、减少秃尖;玉米拔节期、抽雄期和成熟期提前,百粒重和产量增加。刘战东等研究表明,与免耕相比深松促进了玉米株高和叶面积指数增长,开花期玉米茎粗相对减小和穗位高增大。勾玲等研究表明,从抽雄前到蜡熟期,随密度增加,基部节间直径变细。本试验研究表明,遁耕处理的株高和单株叶面积大喇叭口期到吐丝期都明显高于对照,玉米基部茎周长从大喇叭口期到灌浆后期呈下降趋势,与以上研究结果相同;但不同的是从吐丝期到灌溉后期,茎基部周长还略有增加,其中遁耕分层施肥处理增长的趋势大于硬茬播种处理,可能是与玉米后期降水增多和遁耕分层施肥增加20～40 cm 土壤氮磷钾养分有关。本研究结果中遁耕分层施肥可以增加叶片数目也与以上研究结果相同。

张美微等研究表明,在相同施氮量下,深松分层施肥技术的玉米叶面积指数、干物质积累量、产量及氮肥利用效率均显著高于传统“一炮轰”施肥技术。周宝元等研究表明,与传统施肥和土壤耕作方式相比,施用缓释肥与条带深松耕作均能维持植株开花后较高的叶面积指数和光合速率,且条带深松与缓释肥耦合处理的值最大。花后较高的叶面积指数和光合速率可提高玉米中后期干物质积累速率及延长积累持续期,从而显著提高花后光合产物积累量及同化量。本试验与上述研究结果有部分相同,但也有不同,特别是遁耕分层施肥的单株叶面积和干重在大喇叭口期到抽雄期明显比硬茬播种增加快,可能是因为遁耕分层施肥处理的玉米在前期加快了营养生长;但抽雄期到吐丝期,单株叶面积和叶干重都有一定的下降,可能是遁耕分层施肥玉米提前从营养生长转向生殖生长,特别是单株叶面积从吐丝期到灌浆后期,遁耕分层施肥和硬茬播种没有差异,但单株叶干重吐丝期到灌浆后期还有一定的上升,且遁耕分层施肥处理高于硬茬播种。说明遁耕分层施肥处理在大喇叭口期-吐丝期较大的叶面积和叶干重,对保障吐丝-灌浆期的高叶干重提供了重要基础。

管建慧等研究表明,3～6 层节根出现时对应叶龄为 15.7～21;大喇叭口期至吐丝期,其根系干重达最大值;吐丝期之后,第 6 层以上直到第 8 层的节根及根系总干量均达到最大值,说明吐丝期以后玉米根系还在继续增长。包额尔敦嘎等研究表明,整个生育期内根系干重先增加后减低,在吐丝期达最大值,且深松处理根系干重均高于不深松处理。杨慧研究表明,在相同的密度条件下,不同耕作处理随生育进程的推进玉米群体根系干重整体呈增加趋势,根长、根表面积整体呈先增加后下降的趋势。在相同的耕作方法下,随着密度增加,灌浆期根重增加,根长、根表面积减少。张瑞富等研究表明深松对根系影响主要表现在吐丝期后,且随生育期的推移差异会逐渐增大。其原因主要是深松改善了根系生长的条件,利于根系生长且保持较高活性,使得吐丝期后单株根干质量深松+旋耕较旋耕处理优势明显;深松+旋耕处理下2 个品种春玉米0～20 cm 土层内根干重质量占总根重的比例低于旋耕处理,40 cm以下土层均高于旋耕处理,其中完熟期差异尤为明显,说明深松有利于春玉米重心下移。Zhai 等研究表明,和硬茬播种、深松相比,垂直深旋耕可以降低土壤密度和增加土壤孔隙度,显著增加0～40 cm 根系干物质积累和籽粒产量。本试验研究表明,在整个生育期,遁耕分层施肥处理30 cm 耕层的根干重略高于硬茬播种处理,且整体呈上升趋势,2 种耕作处理根干重变化基本一致,大喇叭口期到抽雄期呈缓慢上升趋势,抽雄到吐丝期有一定的下降,吐丝到灌浆后期很快增加。整个生育期根系干重增加,深松能够增加根系干重,在开花期(抽雄到吐丝期)根系干重有一定下降,这与以上研究结果相同或相似,但本研究的根系干重变化过程研究更加详细,但有关变化模式还有待进一步深入研究确定。

Zhai 等研究表明,垂直深旋耕可以提高玉米偏氮肥生产力。本研究结果表明,遁耕分层施肥可以显著提高玉米偏氮肥生产力。马阳研究表明,与免耕浅施肥相比,深松全层施肥和深松两肥异位分层施肥的土壤容重降低,紧实度压强值下降,0～100 cm 土层平均含水量抬升,土壤水分入渗速率增加明显。深松两肥异位分层施肥在玉米拔节期20～40 cm 的土壤氮磷钾含量高于免耕浅施肥处理,有利于玉米后期养分的需求。这与本文研究结果相同,遁耕分层施肥可以明显增加20～40 cm 耕层的氮磷钾养分,为玉米养分高效利用和高产奠定了基础。

本研究结果表明,遁耕分层施肥后播种处理和硬茬种肥同播处理相比,显著地降低了土壤容重,增加了土壤含水率,同时增加了20～40 cm 土壤氮磷钾含量,为玉米高产高效创造了很好的耕层基础。遁耕分层施肥改变了玉米生长发育节奏和产量构成要素,玉米株高和单株叶面积在大喇叭口期到吐丝期明显高于硬茬播种,叶干重从大喇叭口期到抽雄期、穗干重从吐丝期到灌浆后期都显著高于硬茬播种;穗粗、行粒数、百粒重、穗轴重、单株粒重和产量也高于硬茬播种。遁耕深施肥比硬茬播种显著增产12.03%,提高了玉米水分利用效率和偏氮肥生产力。因此,遁耕分层施肥一体化技术可以降低土壤容重、增加土壤蓄水,增加20～40 cm 耕层氮磷钾养分含量,提高水分利用效率和偏氮肥生产力,增加夏玉米干物质积累,增加穗粒数,提高粒重而实现增产。研究结果可为黄淮海平原农田高质量发展、玉米持续绿色提质增产增效提供理论依据和技术支撑。