小麦玉米轮作区周年耕作模式对夏玉米生长的影响

赵东波，高建胜，郭良海，管培燕，郭建军，崔慧妮， 欧文静，李拥军，郭智慧*

(1.德州市农业科学研究院，山东德州253015；2.德州学院，山东德州253023)

玉米是我国第一大粮食作物，在保障国家粮食安全中占有重要地位。由于耕地资源限制及种植业结构调整，2015年全国玉米种植面积4 496.84万hm，之后逐年减少，2020年降至4 126.43万hm；2015年玉米单产5 892.85 kg/hm，2020年达到6 316.97 kg/hm(国家统计局https：//data.stats.gov.cn/adv.htm?m=advquery&cn=C01)。黄淮海地区是我国玉米的主产区之一，目前农户普遍采用小麦季旋耕播种、玉米季免耕播种、双季秸秆还田的耕作措施，长期“旋耕免耕”的耕作组合造成该地区耕层变浅、犁底层上升、土壤环境变差，进而导致作物产量降低。蒋飞等研究表明，鲁西南地区秸秆全层深翻处理下，玉米开花期、叶面积和叶干重均增加，整株干重在开花期和成熟期均明显高于免耕，产量比免耕和旋耕分别高10.6%和4.3%；刘洋等研究表明，在辽西地区一次全方位深松、连年秋翻、连年沟垄交替深松，单从玉米产量来看，以一次全方位深松效果最为明显，比对照增产13.7%；吕巨智等研究表明，广西热带地区春季深松和夏季免耕播种条件下，玉米单株干物质积累量较传统耕作增加26.41%。前人对玉米播种前的耕作方式研究较多，结果表明受光照、降雨、土壤等因属影响，不同玉米生产区对应的优势耕作模式并不相同；而对于黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟轮作区，周年不同耕作措施对夏玉米的影响研究较少。鉴于此，笔者通过系统研究小麦季与玉米季周年不同耕作组合对玉米生长发育及产量的影响，探究黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟轮作区优势耕作组合，为基于机械化的新型耕作制度改革提供科学依据。

1 材料与方法

试验区位于山东省德州市德城区黄河涯镇(116.346 7°E，37.360 0°N)，该地属于暖温带大陆性气候，雨热同期，降水主要集中在7—9月份，降水量年份间差异较大(图1)。试验区属于典型的冬小麦-夏玉米轮作区，此前长期采用“小麦季秸秆粉碎还田旋耕后播种、玉米季秸秆覆盖还田免耕播种”的保护性耕地措施。试验区以砂质土壤为主，土壤肥沃，呈弱碱性，试验地0～20 cm土层基础理化性状如下：有机质18.15 g/kg，全氮1.08 g/kg，全磷1.03 g/kg，全钾18.9 g/kg，速效磷21.3 mg/kg，速效钾140.8 mg/kg，pH 7.7。

注：气象数据来自德州国家气象观测站；折线图为温度；柱状图为降雨量 Note：Meteorological data were from National Meteorological Observatory of Dezhou；line chart was temperature and histogram was precipitation图1 2019—2021年试验区月平均降水量和月平均温度比较Fig.1 Comparison of monthly average rainfall and monthly mean temperature in experiment site from 2019 to 2021

试验玉米品种为当地主栽品种登海605；小麦品种为济麦22。

2018—2021年试验采用裂区设计，小麦季设旋耕(A)、深松(B)和深翻(C)3个主处理，玉米季设免耕(X)、灭茬(Y)、旋耕(Z)3个副处理(表1)。小区面积12 m×20 m=240 m，每个处理3个重复，第1年随机区组排列，以后固定位置。采用冬小麦-夏玉米一年两熟轮作模式，冬季种植“济麦22”并统一管理，不进行调查。夏季选用当地主栽品种“登海605”，6月中旬播种(表2)，种植密度设定为75 000株/hm，行距60 cm。玉米播种前基施复合肥(N∶PO∶KO=15∶15∶15，总养分 ≥ 45%)300 kg/hm。3年的试验轮作过程中小麦和玉米的管理方式均相同，仅在耕作方式上有差异。

生育期。生育期的判定标准均为群体60%及以上植株达到某生育期。记载各处理玉米出苗、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、成熟期、收获日期等。

苗期调查。小区内60%植株有4片可见叶片时调查出苗数，并连续测定20株株高，计算出苗率和出苗整齐度(出苗整齐度用苗期株高整齐度表示，即平均株高/标准偏差)。

叶面积。拔节期、开花期与成熟期，每小区连续测5株，测量每株玉米全部展开绿叶的叶长和最大叶宽，乘以0.75，累加得到全株叶面积。

干物质累积。在拔节期、大喇叭口期、开花期与成熟期，每小区连续选取5株，并将其分为叶片、茎鞘和籽粒3部分，分别烘至恒重后称重。

农艺性状调查。成熟期测量株高、穗位高和茎粗，每小区连续测量5株；调查小区株数、倒伏(含倒折)、空秆、双穗等农艺性状。

表1 不同周年耕作模式比较Table 1 Comparison of annual farming modes

表2 夏玉米播种和收获日期比较Table 2 Comparison of sowing and harvest dates of summer maize

考种和测产。成熟期各小区选取中间2行统计收获穗数并实收测产，自然风干脱粒测产，采用谷物水分测定仪(PM-8188-A)测定籽粒含水量，计算玉米籽粒产量(折算为14%含水量)；随机选择20个果穗进行考种，调查穗粒数(穗行数×行粒数)、单穗重、穗长、穗粗、秃尖长等穗部性状。

采用Microsoft Excel 2019 进行数据整理；采用IBM SPSS Statistics 26软件统计和分析数据；采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan’s法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

由表3可知，除播种至出苗外，玉米季灭茬旋耕播种(AZ、BZ、CZ处理)的玉米各生育期略晚于玉米季免耕播种(AX、BX、CX处理)和灭茬播种(AY、BY、CY处理)；从夏玉米播种到成熟期的平均天数来看，AX和AY处理较短(107.0 d)，AZ和BZ处理较长(108.7 d)，最长平均天数处理与最短平均天数处理间差异显著。

表3 不同处理对夏玉米生育期的影响Table 3 Effects of different treatments on the growth period of summer maize d

由表4可知，不同处理苗期株高由高到低依次为AY处理>AX处理>AZ处理、BY处理>BX处理>BZ处理、CX处理>CY处理>CZ处理，玉米季免耕播种(AX、BX、CX处理)和灭茬后播种(AY、BY、CY处理)夏玉米出苗率较高，苗期平均株高较高，出苗整齐度较好，均优于玉米季灭茬旋耕后播种(AZ、BZ、CZ处理)。综上可知，小麦季灭茬后深松或深翻再旋耕播种(B或C处理)较好，玉米季免耕播种或灭茬播种(X或Y处理)较好。其中AY和BY处理的夏玉米苗期表现较好、出苗率较高、苗期平均株高较高、苗期整齐度较好。

表4 不同处理对夏玉米苗期性状的影响Table 4 Effects of different treatments on seedling stage characters of summer maize

由表5可知，2019—2021年玉米拔节期、大喇叭口期、开花期和成熟期的叶面积无显著差异。从小麦季B与C处理对夏玉米各生育期叶面积的影响来看，仅拔节期各处理间有显著差异；B和C处理拔节期、大喇叭口期、成熟期的玉米叶面积高于A处理。玉米季X与Y处理在玉米成熟期前叶面积显著高于Z处理，但成熟期Z处理叶面积高于X和Y处理。由图1可知，AX、AY、BX、BY、CX和CY处理夏玉米成熟前叶面积显著高于AZ、BZ和CZ处理，但至成熟期时前者的叶面积较后者低。

表5 玉米各生育期不同处理叶面积比较 Table 5 Comparison of leaf area of different treatments at different maize growth stages cm2

图2 不同处理对玉米各生育期叶面积的影响Fig.2 Effects of different treatments on leaf area of maize at different growth stages

由表6可知，2019—2021年玉米拔节期、大喇叭口期、开花期、成熟期的叶片、茎鞘和籽粒的植株干重间无显著差异。小麦季3种耕作模式中，B、C处理各生育期植株干重均比A处理玉米高，且各处理间差异显著；B和C处理间拔节期无显著差异，大喇叭口期B处理的玉米植株干重高于C处理，且各处理间差异显著；而开花期和成熟期C处理的植株干重最高，与B、A处理间差异显著。玉米季3种耕作模式各生育期植株干重排序均为Y处理>X处理>Z处理，处理间差异显著。由图3可知，小麦季与玉米季9个周年耕作组合处理中，玉米各生育期BY和CY处理的植株干重均最高，与其他处理间差异显著。

表6 不同处理对玉米生育期植株干重的影响 Table 6 Effects of tillage measures on total dry matter in maize growth period g

注：不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著 Note：Different lowercases indicated significant differences between treatments at 0.05 level 图3 不同处理对玉米各生育期植株干重的影响Fig.3 Effects of different treatments on dry weight of maize at different growth periods

由表7可知，B处理的倒伏率较A和C处理略高，Z处理显著高于X和Y处理，其中AZ、BZ、CZ处理的倒伏率显著高于其他处理。Z处理空秆率高于X和Y处理，其中BZ、CZ处理空杆率高于其他处理。各处理平均株高由高到低依次为B处理>C处理>A处理、Y处理>X处理>Z处理，其中BX处理平均株高最高，为284.4 cm，而AZ处理平均株高最低，为253.5 cm。CY处理平均穗位最高，为134.1 cm，AZ处理平均穗位最低，为122.0 cm。各处理茎粗为1.8～2.0 cm。

由表8可知，小麦季B和C处理的小麦产量显著高于A处理，X和Y处理的玉米产量显著高于Z处理；BX、BY、CX、CY处理的玉米平均产量均在12 300.0 kg/hm以上，显著高于其他5个处理。BX、BY、CX、CY处理单穗重、穗粒数显著高于其他处理，千粒重为296.8～306.8 g/L；CY处理的穗长和穗粗表现最好，而且秃尖不严重。

表7 不同处理对玉米主要农艺性状的影响Table 7 Effects of different treatments on major agronomic characters of maize

表8 不同处理对玉米产量及其构成因素的影响Table 8 Effects of different treatments on maize yield and its components

耕作方式有区域适应性，周年耕作模式对产量的效应受土壤、气候等环境因子影响，增产效应略有差别。研究发现，小麦季灭茬后深松或深翻再旋耕播种与玉米季免耕播种或灭茬播种结合的周年耕作模式下夏玉米苗期表现较好，出苗率较高，苗期平均株高较高，苗期整齐度较好，有利于叶的发育；玉米成熟期积累的生物质量最多，协调产量构成因素，提高了夏玉米的产量。经过3年的周年轮作，试验结果表现稳定。张德伟等研究显示，小麦播种前深松或者深翻到次年玉米季，玉米秸秆经8个月的分解能改善土壤耕层、增加土壤含水量、降低土壤容重和坚实度，有利于玉米根系发育，促进矿物质的吸收，进而影响夏玉米的生育期。张丽华等研究显示，小麦播种前秸秆深翻还田和秸秆覆盖深松还田处理2年的处理比对照玉米产量分别增加8.36%和14.35%。郭良海等指出，夏玉米播种前再次旋耕，小麦秸秆导致耕层土壤松软、空隙过大，不利于玉米的播种出苗，因此玉米苗期长势比较弱。李景等研究显示，长期免耕和深松提高了土壤团聚体颗粒态有机碳及全氮含量，夏玉米播种前旋耕等翻动土壤的耕作模式对于土壤耕层结构具有破坏作用。

综上所述，小麦季深松或深翻与玉米季灭茬或直播的周年耕作模式，尤其小麦季深翻与玉米季灭茬的周年耕作模式在黄淮海一年两熟区可显著提高夏玉米产量，为基于机械化的新型耕作制度改革提供科学依据，有望带动德州市粮食大面积均衡增产，助力德州市吨半粮生产能力建设。