贵州春玉米产量构成要素和养分积累及利用效率对不同秸秆还田和耕作方式的响应

谢婷婷，肖厚军，陈云梅，胡 岗，秦 松，赵伦学，何成兴，赵 欢

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵阳 550006；3.黔西县农牧局，贵州 黔西 553000；4.云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205)

【研究意义】贵州每年玉米种植面积约67万hm2，玉米产量占粮食总产量的28%左右[1]，每年产生大量的秸秆资源，而这些玉米秸秆得不到有效利用被农民就地焚烧，不仅造成了秸秆资源的巨大浪费，还对大气和环境造成严重污染[2]。秸秆还田是秸秆资源利用最有效的方法之一[3]。秸秆中含有丰富的C、N、P以及K等大量元素以及中微量元素，能够增加土壤微生物的数量和质量，提高土壤肥力，从而增加作物产量，同时减少化肥的施用[4-6]，秸秆还田既利用了每年产生的大量秸秆资源，又可改土培肥增加作物产量。通过耕作可改善土壤理化性质，提高土壤肥力，秸秆还田与耕作方式是培肥土壤促进作物生长的两项重要的农艺措施[7]。因此，研究秸秆还田结合不同耕作方式二者的交互作用对玉米生长及土壤肥力具有重要意义。【前人研究进展】慕平等[8]研究发现，多年连续全量玉米秸秆还田能够有效提高土壤0～30 cm土层的有机质、全氮、速效N、全氮和速效K的含量，并且有利于后期玉米对养分的吸收，改善玉米产量构成要素，提高产量。谢贵佳等[9]对春玉米的研究发现，秸秆还田提高了玉米茎秆和籽粒的N、P和K吸收量。卫晓轶等[10]在耕作方式及秸秆还田对夏玉米的研究中指出，不同耕作方式加秸秆还田能够显著提高夏玉米灌浆后期的百粒重和干物质量。【本研究切入点】已有大量研究表明，耕作方式与秸秆还田在对小麦、玉米等粮食作物有显著的增产作用[11-13]，但在贵州黄壤区关于秸秆还田与耕作方式对春玉米交互影响的研究却鲜有报道。【拟解决的关键问题】在贵州黄壤区分析研究秸秆还田结合不同耕作方式对春玉米产量、养分吸收量、玉米干物质积累及土壤理化性质的影响，为指导黄壤区合理的秸秆还田和优化耕作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年3月27日至9月11日在黔西县观音洞镇黄泥村(105°9′E，26°83′N)进行。供试土壤前茬作物为玉米，冬季休闲，土壤类型为贵州典型地带粘性黄壤，pH 5.1、有机质21.7 g/kg、全氮2.2 g/kg、全磷0.9 g/kg、全钾15.2 g/kg、碱解氮159.5 mg/kg、有效磷23.5 mg/kg、速效钾143.0 mg/kg。

1.2 试验材料

供试秸秆为玉米秸秆，其N、P、K含量分别为13.67、6.01和29.1 g/kg。供试肥料包括复合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]，尿素(N 46%)，过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。供试玉米品种为黔审品种盛农3号，由贵州省毕节市盛农种业有限责任公司提供。

1.3 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，共5个处理，每处理3次重复，每试验小区面积30 m2。处理1(T1)：前茬秸秆不还田+旋耕整地(CK)；处理2(T2)：前茬秸秆粉碎+旋耕还田；处理3(T3)：前茬秸秆粉碎地表覆盖+免耕整地；处理4(T4)：前茬秸秆整秆+旋耕还田；处理5(T5)：前茬秸秆整秆地表覆盖+免耕整地。秸秆还田处理方法：将秸秆粉碎或截成5～10 cm小段，整秆还田不需粉碎。秸秆还田量为15 000 kg/hm2；基肥施复合肥525 kg/hm2和过磷酸钙75 kg/hm2，50～60 d追施尿素255 kg/hm2，氯化钾51 kg/hm2。种植密度为5万株/hm2，玉米整个生育期管理措施按照一般生产田进行。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 玉米生物性状、产量和产量构成要素的测定 收获期每重复选取6株玉米进行考种，采用卷尺测定玉米株高、穗长、穗位高和秃尖，采用游标卡尺测定茎粗和穗粗，数出穗行数及行粒数；收获期测玉米产量；籽粒含水量用谷物水分测定仪(LD-1G)测定，玉米脱粒风干后测籽粒干质量和百粒质量，计算玉米籽粒产量。

1.4.2 植株干物质积累和养分含量的测定 在玉米收获期，将玉米植株分为茎、叶和籽粒，称鲜质量后放入烘箱中于105 ℃杀青30 min，85 ℃恒温烘干称质量，粉碎过筛采用H2SO4-H2O2消煮，全自动凯氏定N仪(K1100)测定全氮含量，钼锑抗吸光光度法测定全氮含量，火焰光度法测定全钾含量。

1.4.3 土壤理化性质的测定 在玉米收获期取土壤表土层 0～20 cm的土壤，采用四分法取样品进行土壤理化性质的测定。pH采用电位法(水土比2.5∶1.0)；有机质采用外加热重铬酸K容量法测定；全氮采用全自动凯氏定N仪(K1100)测定；全氮采用钼锑抗吸光光度法测定；全钾采用火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠提取，钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.4.4 肥料利用率计算 NPK肥料偏生产力(kg/kg)= 施NPK肥后作物产量/施NPK肥量

NPK收获指数(%)=籽粒肥料NPK吸收量/植株NPK肥料总吸收量

NPK肥料吸收效率(%)=(植株NPK肥料吸收量/肥料施N用量)×100%

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据基本运算(平均值±标准差),用SPSS 22进行显著性检验(差异显著P<0.05)，用Origin Pro 2015制图。

2 结果与分析

2.1 玉米的产量及产量构成要素

2.1.1 产量 由图1可知，与T1(CK)相比，各处理产量提高594～1840 kg/hm2，增幅为6.9%～21.39%，以T2产量最高，达10 444 kg/hm2，其次是T4，为10 073 kg/hm2，二者间差异不显著，但均显著高于CK，T2、T3和T4间无显著差异，表现为T2>T4>T3，表明旋耕还田的耕作方式比免耕的增产效果好，秸秆粉碎还田比整秆还田效果好；T5与T3和T4间差异不显著，表现为T4>T3>T5，表明秸秆整杆加旋耕还田二者交互作用的增产效果优于秸秆粉碎加免耕还田。

图1 不同处理玉米的产量

2.1.2 产量构成要素 由表1可知，不同秸秆还田方式和耕作方式对玉米产量构成要素有不同影响，与对照相比，玉米穗长均显著增加，以T3最长，达21.34 cm，比对照增加4.04 cm，T3与T4间无显著差异。玉米穗粗以T2最粗，达64.62 mm，其次是T3，为60.9 5 mm，二者间无显著差异；各处理与对照相比，除T5外差异均达显著水平。不同处理对玉米秃尖无显著影响，以T3最优，为1.67 cm。不同处理对玉米穗行数均有影响，穗行数以T2、T3最多，达17行，T5最少，为15行；T2、T3显著高于与T5，T1～T4间差异不显著。不同的处理对玉米行粒数影响有所不同。行粒数以T5最多，为44粒；T1和T4最少，均为41粒；T5显著高于T3、T4和T1，与T2间差异不显著。玉米百粒重T2显著高于其他处理，为35.17 g，比T1增加23.84%。产量构成要素较优的处理，产量也相对较高。

表1 不同处理玉米的产量构成要素

2.2 玉米的生物性状

由表2所示，不同秸秆还田方式以及耕作方式不同对玉米生物性状有不同的影响。玉米株高各处理间差异不显著，以T4最高，为2.42 m，T5最矮，为2.30 m。玉米茎粗以T2最粗，为27.91 mm，对照提高7.15 mm，增幅34.44%，且与各处理间差异达显著水平。玉米穗位以T4最高，为101.24 cm，显著优于其他处理；其次是T5，为95.57 cm，显著高于T1、T2和T5；T2最低，为84.9 cm,与其他处理间差异显著。

表2 不同处理玉米的生物性状

2.3 玉米各部位的干物质积累量

由图2可知，玉米各部位的干物质量总体表现出籽粒>茎>叶，秸秆还田方式和耕作方式可显著提高玉米的干物质量。与T1相比，秸秆还田处理的总干重提高15.98%～50.40%，总干重以T2最高，达26 383 kg/hm2；玉米茎秆的干物质量以T2最高，为7712 kg/hm2，显著高于T1和T5，T2、T3和T4间无显著差异；叶干物质量以T2最高，其次是T4，分别为7979和7741.5 kg/hm2，二者差异不显著，但均显著高于对照；籽粒的干物质量同样以T2最高，达10 692 kg/hm2，占总干重的40.53%，显著高于T1和T5，与T3、T4间无显著差异，表现出T2>T4>T3。表明秸秆还田加耕作方式能够促进玉米干物质的积累，显著提高玉米干物质质量。

图2 不同处理玉米各部位的干物质质量

2.4 玉米各部位对N、P、K养分的吸收量

由图3可知，不同秸秆还田方式和耕作方式能显著提高玉米各部位N、P、K的养分吸收量，玉米对养分的吸收表现为N>K>P。玉米叶和籽粒对N的吸收量最多，玉米叶以T5最高，为70.37 kg/hm2，比T1增加21.9 kg/hm2，且差异达显著水平，但除T1外，其他处理间无显著差异；玉米籽粒以T2 N吸收量最高，为150.28 kg/hm2，占整株的62.73%；玉米茎、叶、籽粒中N吸收量对总吸收量的贡献率分别为10.08%～14.47%、30.52%～34.92%和55.99%～62.73%。玉米茎对P和K的吸收量最多，其中P以T2最高，为40.83 kg/hm2，与T1相比高75.84%，占整株的81.86%，显著高于T1，但与T3无显著差异；K以T4最高，为86.57 kg/hm2，比T1高66.8%，占整株的58.98%，且差异达显著水平，T2、T3和T4间差异不显著；玉米茎、叶、籽粒中K吸收量对总吸收量的贡献率分别为49.43%～58.98%、37.79%～42.74%和12.58%～12.66%。

图3 不同处理玉米各部位的养分吸收量

2.5 玉米N、P、K肥的利用率

由表3可知，N、P、K的偏生产力均以T2最高，分别比T1提高21.38%、21.39%和21.39%，且差异均达显著水平；T2、T3、T4间差异不显著，表现为T2>T4>T3；N、P、K偏生产力以P的最高。N收获指数表现为T2>T4>T1>T5>T3，除T2外，其他各处理间无显著差异；P收获指数以T2最高，为8.89%，其次是T4，为8.67%，二者间无显著差异；K收获指数T2显著高于T3、T4和T5，为12.67%，N、P、K收获指数中以N的最高，其次是K。吸收效率表现为K>N>P，N的吸收效率以T2最高，其次是T4，二者间无显著差异;P的吸收效率以T4最高，为58.27%，与T2和T3相比无显著差异；K的吸收效率表现为T3>T4>T5>T2>T1，除T1外，其他各处理间无显著差异。

表3 不同处理玉米N、P、K肥料的利用效率

2.6 玉米产量与籽粒养分吸收量的相关性分析

由表4可知，玉米产量与籽粒N、P和K之间的相关系数均为正值，表明若保持其他因素不变，提高N、P和K中任何一个因素都会影响玉米产量。产量与N(r=0.820)、P(r=0.681)和K(r=0.886)的相关性均达极显著水平，其中产量与K的相关系数大于产量与N和P的相关系数，说明增加玉米对K的吸收量对提高产量的作用最大。以N(x1)、P(x2)和K(x3)为自变量，产量(y)为因变量进行回归分析，建立与玉米产量(y)的最优回归方程为：y=3331.591-10.089x1+126.962x2+46289x3，回归相关系数R2=0.812，达极显著水平。

表4 玉米产量与籽粒N、P、K的相关性

2.7 玉米产量与籽粒养分吸收量之间的通径分析

由表5可知，玉米产量与籽粒N、P和K的直接通径系数表现为K>P>N，P和K均表现为正值，其中K的直接通径系数最大，为0.976，说明K对产量的影响表现为较高的正效应；根据间接通径系数，K通过N和P间接对产量产生作用，间接通径系数为0.906和0.632，表现为促进作用，说明对于提高玉米产量，要注重玉米对N和P的吸收量，并不只注重对K的吸收。

表5 玉米产量与籽粒N、P、K的通径系数

3 讨 论

籽粒产量大多来自于叶片的光合产物，因此干物质是产量形成的物质基础[14]，秸秆还田通过促进作物对水分和养分的吸收利用，从而增加作物产量和干物质积累量[7]。本试验中，秸秆粉碎旋耕还田显著增加玉米茎、叶和籽粒的干物质积累量，总体表现出籽粒>茎>叶的趋势，相比无秸秆还田处理，秸秆还田可使玉米总干物质量提高15.98%～50.4%，这与赵亚丽等[15]的研究结果类似。朱敏等[16]研究发现，耕作方式与秸秆还田措施对玉米秃尖、穗粗、穗粒数、百粒重和玉米产量的影响存在极显著的交互作用，秸秆还田旋耕能够降低秃尖，增加穗长、穗粗和百粒重等玉米产量构成要素等指标，最终增产35.3%。本研究结果表明，相比秸秆不还田，秸秆粉碎旋耕还田能够显著增加玉米穗粗、穗行数、行粒数和百粒重，改善玉米的生物性性状，从而使玉米达到增产的目的，秸秆粉碎与旋耕的交互作用使玉米产量达到10 444 kg/hm2，增产21.39%，这与张宇飞等[17]的研究结果类似。

秸秆还田在其腐解的过程中，可以促进土壤微粒的团聚，改善土壤结构及土壤理化性质，提高土壤肥力[18]。在本研究中，相比秸秆不还田，不同的秸秆还田方式加不同的耕作方式均降低了土壤pH，这可能是由于不同的秸秆还田技术和耕作方式促进了秸秆的分解，因此秸秆腐解状况也有所不同，而在秸秆分解的过程中会积累酸性分解产物，导致秸秆还田处理pH降低[19]。土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标之一[20]，秸秆粉碎与整秆旋耕还田能够提高土壤表层有机质、碱解氮和有效P含量，这与伍震威等[21]的研究结果类似，在本试验中，秸秆粉碎地表覆盖与免耕还田，土壤的速效K含量最高，这可能是由于秸秆粉碎还田与土壤的接触面积更大，在腐解过程中可增加土壤酶活性和微生物数量等，激活土壤中N、P和K的养分，从而提高土壤速效养分[22-23]，但同为秸秆粉碎还田处理(T2)的速效K含量却低于对照，这可能是由于耕作方式或系统误差所造成。

养分吸收量是玉米产量形成的基础，其高低决定了玉米产量和肥料利用效率[9]，大多研究[24-26]表明，秸秆还田能够提高作物对养分的吸收积累。在本试验中，不同秸秆还田和耕作方式能够显著提高玉米各部位N、P和K的养分吸收量，玉米对养分的吸收量表现为N>K>P，本试验研究结果表明，前茬秸秆粉碎加旋耕还田显著提高玉米籽粒N素的吸收量，相比无秸秆还田玉米籽粒N素吸收量提高69.01%，这与刘冬碧等[27]和王允青等[28]的研究结果类似，其次是前茬秸秆粉碎加免耕还田玉米籽粒的N素吸收量最高，这表明旋耕比免耕更有助于提高玉米籽粒N素的吸收积累，这可能是由于免耕降低了作物器官N素向籽粒的转运量，导致作物贪青晚熟所造成[29]。

肥料偏生产力是反应当地土壤肥力和肥料施用量综合效应的重要指标[30]，本研究中秸秆粉碎和秸秆整秸旋耕还田比其他免耕秸秆还田方式能够显著增加N、P和K的偏生产力，这表明秸秆地表覆盖还田和免耕耕作方式对于肥料利用效率的影响不如旋耕的效果明显。同时秸秆粉碎旋耕还田对N收获指数最高，并显著优于秸秆不还田和免耕秸秆还田处理，这可能是由于秸秆还田后，植株叶片硝酸还原酶活性增强，减少了N素在营养器官里的残留，增加了N收获指数[31]。在本试验中，N的吸收效率以旋耕秸秆粉碎还田最高，P的吸收效率以旋耕秸秆整秸还田最高，这说明耕作方式对于提高肥料利用效率起到重要作用，这与马俊艳等[32]的研究结果类似。

4 结 论

不同耕作方式与秸秆还田二者交互作用对春玉米养分吸收、干物质积累、产量以及土壤肥力有积极作用，且对提高肥料利率有显著效果，前茬秸秆整秸加旋耕还田能够提高土壤有机质、碱解氮、有效P以及速效K含量，改善土壤肥力，但综合来看，玉米前茬秸秆粉碎加旋耕还田更能优化玉米产量构成要素和生物性状等指标，提高玉米各部位对N、P和K养分吸收量，增加其干物质积累量，该处理对玉米产量效应更好。因此，在本试验条件下，秸秆粉碎加旋耕还田是较为合理的秸秆还田与耕作模式，更适宜贵州黄壤区春玉米高产栽培。