典型黑土区不同保护性耕作方式对玉米生长发育及产量形成的影响*

李瑞平 ,谢瑞芝 ,罗 洋 ,隋鹏祥 ,郑洪兵 ,明 博 ,王 浩,刘武仁,郑金玉**,李少昆**

(1.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北作物生理生态与耕作重点实验室 长春 130033;2.中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室 北京 100081;3.内蒙古农业大学农学院 呼和浩特 010019)

中国东北(黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古东四盟市)位于世界上著名的四大黑土带之一“中国黑土带”。黑土是宝贵的土壤资源,其土壤有机质含量高,保肥、供肥能力强,为作物生长发育提供了有利条件,也为东北成为“中国最大的商品粮生产基地”奠定基础。东北被称作我国粮食安全的“压舱石”[1],粮食总产量约占全国粮食总产量的1/4,输出的商品粮占全国商品粮总量的1/3[2],其中玉米(Zea mays)播种面积占粮食作物播种面积的一半以上[3]。

然而,该区域长期“重用轻养”的耕作制度加速了农田土壤退化,严重制约了东北地区农业可持续发展,甚至将导致东北粮食生产“压舱石”的作用发生动摇风险[1],黑土退化引起学者们广泛关注[4-6]和政府部门的高度重视。国内外实践证明,采用保护性耕作是防止土壤退化的有效途径。但是,在东北地区实际生产中保护性耕作条件下玉米产量的不确定性是影响其大面积应用的障碍因素之一。因此,揭示黑土区保护性耕作对玉米产量的影响及其关键因素,对于保护黑土和确保国家粮食安全至关重要。

国内外一部分学者研究认为,少耕、免耕等保护性耕作能够提高玉米产量,特别是在干旱地区增产更显著[7-9];邬小春等[10]研究认为少耕能够提高穗粒数、百粒重和玉米产量;也有报道认为,保护性耕作即使降低玉米出苗率,但对产量没有负面影响,免耕留高茬较常规翻耕增产4.4%[11];少耕(留茬深松)较翻耕、免耕和旋耕产量提高11.3%～14.6%[12]。另一部分学者认为,保护性耕作由于采用了少耕、免耕以及秸秆覆盖措施降低土壤温度,会影响作物前期生长发育,产量降低[13-14],特别是在冷凉气候区免耕秸秆覆盖条件下影响更大[15]。也有研究表明,实施保护性耕作措施作物产量平均增加 12.5%,但也有10.9%数据显示减产[16]。当然,保护性耕作作物产量效应因作物种类、生态区域以及耕作措施不同而有所差异[7,17]。

虽然前人关于保护性耕作对玉米产量的影响开展了大量研究,但对东北典型黑土区不同秸秆覆盖方式下少耕、免耕保护性耕作(特别是全量秸秆覆盖)对玉米产量影响的系统性研究还鲜有报道,且其影响玉米产量的关键因素尚不清楚。本研究通过大田定位试验,从耕层土壤理化特性、玉米生长发育视角,系统研究黑土区保护性耕作影响玉米产量的潜在机制,以期为东北黑土地保护性耕作技术应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2020 年在吉林省农业科学院范家屯镇香山村试验站(43°45'N,125°01'E;海拔120 m)进行,该地位于东北平原中部,属于典型黑土区,寒温带大陆性气候,雨热同季,年均降水量560 mm,无霜期140 d 左右,年均气温4.5 ℃。试验期间玉米生长季节日平均气温与降雨量见图1,2018 年、2019年和2020 年4—10 月降雨量分别为555 mm、714 mm 和633 mm,玉米生育期≥10 ℃积温分别为3227℃、3011 ℃和3000 ℃。试验区域为一年一熟制,玉米连作,常规耕作方式为灭茬旋耕起垄。试验实施前(2017 年4 月) 0～20 cm 耕层土壤容重1.39 g∙cm−3、有机质含量29.88 g∙kg−1、全氮1.50 g∙kg−1、全磷0.54 g∙kg−1、全钾18.96 g∙kg−1、速效氮124.81 mg∙kg−1、速效 磷29.18 mg∙kg−1、速效钾196.89 mg∙kg−1、pH 6.11。

图1 2018—2020 年玉米生育期间日平均气温与降雨量Fig.1 Daily mean air temperature and precipitation during the growth period of maize from 2018 to 2020

1.2 试验设计

定位试验始于2017 年,共设4 个处理: 常规垄作秸秆不还田(CK)、免耕秸秆全量粉碎覆盖(T1)、免耕留高茬全量秸秆覆盖(T2)、少耕秸秆全量条带覆盖(T3),每个处理3 次重复,每个小区910 m2(13 m×70 m),随机区组排列。按照保护性耕作概念和内涵,CK 为传统耕作方式,其他3 个处理属于保护性耕作方式,其中T1 和T2 属于免耕、T3 属于少耕。各处理秸秆处理与播种方法见表1。

表1 不同处理具体操作过程Table 1 Operation steps of different treatments

传统耕作方式在播种前整地时一次性施入底肥(复合肥,N、P、K 总含量50%),施肥量纯N 230 kg∙hm−2、P2O590 kg∙hm−2和K2O 90 kg∙hm−2;其他处理在播种时采用免耕播种机一次性施入,施肥量与常规耕作方式一致。2018 年、2019 年播种密度为6.0×104株∙hm−2,考虑到收获穗数偏低,2020 年播种密度调整为6.5×104株∙hm−2。2018 年、2019 年和2020 年播种日期分别为4 月26 日、5 月9 日和5 月7日。玉米品种为‘先玉335’。

1.3 田间管理

播后苗前,采用阿特拉津+乙草胺为主的除草剂进行土壤封闭除草。6 月下旬防黏虫和玉米螟,2018年采用机械喷施,2019 年和2020 年采用无人机防治。

1.4 测试指标与方法

1.4.1 土壤理化特性

土壤容重: 在玉米收获后采样环刀法[18]测定0～20 cm 耕层土样,3 次重复。

土壤有机质: 玉米收获后“S”型5 点取0～20 cm耕层土样,装入土袋带回试验室,置于阴凉处自然风干,采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[18]。

土壤含水量: 采用ZDR-20T 土壤水分温度记录仪监测玉米全生育期土壤含水量,每隔1 h 记录一次,每个处理监测同一位置(植株间),每个小区记录监测土壤深度为5 cm 和15 cm,5 cm 和15 cm 平均土壤含水量代表0～20 cm 耕层土壤含水量。选取播种至出苗连续每天土壤含水量数据进行统计分析,2018 年、2019 年和2020 年播种至出苗天数分别为25 d、22 d 和22 d。

土壤温度: 采用Watch Dog B 系列防水纽扣记录仪(B101 型)测定,测定时期、频次、土壤深度和位置与土壤含水量一致。选取播种至出苗无有效降雨(≤5 mm)连续5 d 数据进行统计分析。

1.4.2 玉米生长发育指标

生育期: 准确记录各处理的播种期、出苗期、6叶期、12 叶期、吐丝期、灌浆期、生理成熟期。以50%以上植株表现出某一生育时期特征时为判断标准[19]。

出苗率: 出苗后,各小区去掉两边行各4 行和两地头各10 m,在有效区域内选取10 m 记录其出苗总株数和应出苗株数,5 次重复,田间出苗率(%)=田间出苗数/理论出苗数×100。

群体整齐度: 以株高变异系数的倒数衡量群体整齐度。在玉米6 叶期,每个小区随机选5 垄,每垄连续选取10 株测量株高。

干物质测量: 在6 叶期、12 叶期、吐丝期、灌浆期、生理成熟期测定。6 叶期每个小区连续测定10 株,其他时期每个小区连续测定5 株。灌浆期和生理成熟期,每株分别测定籽粒干重和植株干重(包括茎秆、叶、穗轴)。植株切割成15 cm 长段,装入牛皮纸袋在烘箱105 ℃下杀青30 min,然后在75 ℃下烘干至恒重,测定单株干物质重。

1.4.3 玉米产量及其构成因素

在玉米成熟期,每个小区去掉两边行各4 行和两地头各10 m,随机选取3 个点,每个点4 行,行长7.7 m,面积20 m2进行测产。调查有效穗数,称穗鲜重,计算单穗重。选取20 个代表穗,待风干后进行考种,测定穗行数、行粒数、百粒重、籽粒含水率,然后计算标准含水率(14%)籽粒产量。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2013 进行数据处理和作图,采用SPSS 22.0 软件进行方差分析,采用Duncan 法进行显著性检验,采用AMOS 软件(IBM SPSS AMOS 22.0)建立影响产量形成的直接和间接影响因子的结构方程模型(SEM)。

2 结果与分析

2.1 保护性耕作对玉米产量及其构成因素的影响

如表2 所示,与CK 相比,2018—2020 年T1 和T2 处理产量降低(P<0.05),分别降低7.5% 和5.5%、15.6%和12.9%、9.7% 和11.8%。T3 处理产量与CK 产量差异均不显著。2018 年不同保护性处理与CK 穗数差异不显著,但2019 年和2020 年T1 处理穗数显著降低(P<0.05)。2018 年3 个保护性处理、2019 年T1 和T2 处理及2020 年T2 处理的穗粒数显著低于CK (P<0.05),3 年T1 和T2 处理的百粒重与CK 差异达到显著水平(P<0.05)。多重比较分析表明,年份、处理对产量的影响均达极显著水平(P<0.01),二者之间互作对产量的影响达显著水平(P<0.05)。年份和处理对穗数的影响达极显著水平(P<0.01)和显著水平(P<0.05),但二者互作对穗数的影响未达显著水平。年份和处理对穗粒数的影响均达极显著水平(P<0.01),但二者互作对穗粒数无显著影响。年份和处理对百粒重的影响均达极显著水平(P<0.01),二者互作对百粒重的影响达显著水平(P<0.05)。可见,保护性耕作影响玉米产量、穗数、穗粒数和百粒重,T1 和T2 处理显著降低产量,T3 处理与CK 产量差异不显著。

表2 2018—2020 年不同处理玉米产量及产量构成因素差异Table 2 Difference of maize yields and yield components under different treatments from 2018 to 2020

2.2 保护性耕作对土壤理化性质的影响

与CK 相比,保护性耕作处理中仅2018 年T3 处理显著降低0～20 cm 土壤容重(P<0.05),其他保护性耕作处理对土壤容重均无显著影响(表3)。2018 年不同处理土壤有机质含量差异不显著,但保护性耕作均有提高土壤有机质含量的趋势;2019 年和2020年T1 处理土壤有机质含量分别比CK 提高11.73%和13.17% (P<0.05),2020 年T2 处理提高4.51%(P<0.05)。2018—2020 年T1 处理较CK 均显著提高土壤含水量(P<0.05),分别提高7.8%、28.8%和30.4%;T2 和T3 处理2019 年和2020 年较CK 显著提高土壤含水量(P<0.05),其中T2 处理分别提高9.0%和18.7%,T3 处理分别提高17.3% 和20.0%。2018—2020 年T1 和T2 处理较CK 显著降低土壤温度(P<0.05),其中T1 处理分别降低2.56℃、3.11℃和2.94℃,T2 处理分别降低2.27℃、2.10℃和2.02℃;2018—2019 年T3 处理较CK 显著降低土壤温度(P<0.05),分别降低0.94℃和1.93℃,2020 年与CK差异不显著。总之,保护性耕作对0～20 cm 耕层土壤容重几乎无影响,但土壤有机质含量呈增加趋势;保护性耕作显著增加土壤含水量,但显著降低土壤温度,其中T1 处理土壤含水量增幅最大、土壤温度降幅最高,T3 土壤温度降低幅度最低。多重比较显示,年份、处理对土壤有机质的影响均达极显著水平(P<0.01),二者之间互作对土壤有机质的影响达显著水平(P<0.05);年份、处理以及二者之间互作对土壤含水量的影响均达极显著水平(P<0.01);年份、处理对土壤温度的影响分别达到极显著水平(P<0.01)。可见,保护性耕作显著影响土壤有机质、土壤含水量和温度。

表3 2018—2020 年不同处理0～20 cm 土壤理化性质差异Table 3 Differences in physical and chemical properties of 0–20 cm soil under different treatments from 2018 to 2020

2.3 保护性耕作对玉米生育期的影响

与CK 相比,3 种保护性耕作处理均导致玉米生育期延迟,主要是延迟了出苗时间,随着生育进程推进,不同保护性耕作处理玉米生育时期与CK 差异逐渐缩小(表4)。3 年试验结果显示,T1、T2 和T3 处理玉米出苗期分别延迟5～7 d、4～6 d 和2 d,成熟期分别延迟3～4 d、2～3 d 和1～2 d。分析表明,对于保护性耕作而言,少耕(秸秆全量条带覆盖,T3)有利于缩短与CK 玉米生育时期差异。

2.4 保护性耕作对玉米出苗率的影响

如表5 所示,2018 年不同处理玉米出苗率差异不显著,但以T2 处理玉米出苗率最低且变异系数(CV)最大(14.28%)。2019 年T3 处理玉米出苗率显著高于其他处理(P<0.05),CV 仅为3.23%;T1 处理玉米出苗率最低(78.8%)且CV 最大(13.86%)。2020年T3 处理玉米出苗率最高,其与T2 处理差异达显著水平(P<0.05) 。不同处理间的3 年平均出苗率依次为T3>CK>T1>T2。与CK 相比,T3 处理出苗率增加3.2%,T1 和T2 处理出苗率分别降低4.3%和4.7%。

表5 2018—2020 年不同处理玉米出苗率差异Table 5 Difference of maize emergence rates under different treatments from 2018 to 2020 %

2.5 保护性耕作对玉米苗期株高整齐度的影响

3 年试验数据表明,CK 玉米株高整齐度均高于所有保护性耕作处理,3 年株高整齐度大小顺序均表现为CK>T3>T2>T1 (图2)。与CK 相比,2018—2020年T1、T2 和T3 处理苗期株高整齐度分别降低35.7%、30.3%和 24.6%,17.1%、13.3% 和 1.0%,37.1%、28.0%和11.4%。T1 和T2 处理苗期株高整齐度显著降低(P<0.05),而T3 处理在2019 年和2020 年降低幅度较小,特别是2019 年苗期株高整齐度基本与CK 相同。

图2 2018—2020 年不同处理玉米苗期株高整齐度差异Fig.2 Difference in uniformity of maize plant height under different treatments from 2018 to 2020

2.6 不同保护性耕作方式对玉米单株干物质积累的影响

与CK 相比,2018—2020 年不同生育时期,除了T3 在2019 年成熟期和2020 年12 叶期单株干物质积累有所增加之外,其他处理均呈降低趋势,6 叶期降低幅度最大,T1、T2 和T3 处理6 叶期单株干物质积累分别降低45.6%、32.5%和18.4%,52.1%、67.6%和46.9%,47.6%、36.9% 和14.6% (表6)。随着生育进程推进保护性耕作处理与CK 之间的差异逐渐缩小,在成熟期,仅2018 年T1 处理与CK,2019 年T1和T2 处理分别与CK 差异达显著水平,其他处理与CK 差异均未达显著水平。总体而言,与CK 相比,T1 和T2 处理单株干物质积累降低幅度较大,T3 处理降低幅度较小。

表6 2018—2020 年不同处理玉米干物质积累差异Table 6 Difference in dry matter accumulation of maize under different treatments from 2018 to 2020 g·plant−1

2.7 保护性耕作影响玉米产量的直接因素和间接因素

如图3a 所示,通过对土壤容重、有机质含量、含水量和温度,玉米出苗时间差、出苗率、株高整齐度、单株干物质积累,以及玉米产量及其构成因素(穗数、穗粒数和百粒数)指标优化,建立了耕作(所有处理)对玉米产量影响的结构方程模型(SEM),该模型整体拟合效果可接受(χ2/df=1.124,P=0.281,RMSEA=0.078,GFI=0.999),模型可以解释保护性耕作对玉米产量影响总变化的90%。模型结果表明,土壤含水量(SWC)、土壤温度(ST)、出苗时间差(PPD)、出苗率(ER)、穗数(EN)、穗粒数(KN)和百粒重(100-W)对玉米产量(Yield)具有显著的直接或者间接影响(P<0.05),其中穗数、百粒重、土壤温度和出苗时间差对产量具有极显著的直接影响(P≤0.01),并且穗数、百粒重和土壤温度分别与产量呈正相关(标准化路径系数为0.479***、0.537***和0.433***),出苗时间差与产量呈负相关(标准化路径系数为−0.343**);间接因素中耕作(Tillage)通过显著影响土壤温度和土壤含水量进而影响产量(P<0.05),耕作也可以通过显著影响出苗时间差、出苗率、穗数、穗粒数和百粒重,进而影响产量(P<0.001)。结构方程标准化后的总效应如图3b 所示,耕作、土壤含水量和出苗时间差对产量影响呈负效应,而土壤温度、出苗率、穗数、穗粒数和百粒重对产量的影响呈正效应。换言之,保护性耕作虽然提高了土壤含水量,但是降低了土壤温度,延迟出苗时间,降低穗数和百粒重,进而降低产量。

图3 保护性耕作对玉米产量影响的结构方程模型(a)及标准化总效应(b)Fig.3 Structural equation model (a) and standardized total effect (b) of conservation tillage on maize yield

3 讨论

3.1 保护性耕作对土壤理化特性的影响

土壤容重是衡量土壤物理特性的最重要指标之一,其影响土壤的孔隙分布、水气协调状况。不同的耕作方式会改变耕层土壤结构,进而影响土壤容重。大多数学者认为,免耕后会增加耕层土壤容重[20-21],也有学者认为免耕会降低土壤容重[22],还有学者认为土壤容重具有自调功能,免耕后土壤容重变化不大[23]。在本研究中,与CK 相比,几乎所有保护性耕作处理对土壤容重未产生显著影响,研究结果更接近“免耕后土壤容重变化不大”这一观点,这可能与耕作年限和测定土壤深度有关。有机质含量是评价土壤肥力的核心指标[24],是土壤中各种营养元素的重要来源。国内外学者[22,25]研究认为,免耕后有利于土壤表层有机质积累,提高土壤养分含量。本研究结果与前人研究结果一致,保护性耕作处理(T1、T2 和T3)均提高了耕层土壤有机质含量,并且T1 处理提高幅度最大。保护性耕作提高土壤有机质含量的原因有两个方面: 一是长期免耕或者少耕减少了对土壤的扰动,而降低了土壤有机碳的矿化率,从而增加土壤碳固持,增加土壤有机质含量[26];二是由于有秸秆覆盖于地表,秸秆腐解后提高表层土壤有机质含量[20,27]。遗憾的是,在本研究中2018 年土壤有机质含量与2019年和2020 年非同一批次测试,导致2018 年土壤有机质含量数据总体高于2019 年和2020年,无法比较相同处理不同年度差异,但是不影响相同年份不同处理之间比较。

土壤水分和土壤温度是影响玉米发育的重要因素,不同耕作方式通过改变土壤结构和表面状况,调节土壤水分和温度变化[28]。学者们普遍认为,保护性耕作措施更有利于保水、保墒[29,14],特别是在干旱区域效果尤为明显[15],其原因是秸秆覆盖降低了土壤水分蒸发,免耕改善了土体孔隙状况,促进了水分的保持与传输,提高了土壤储水量和表层入渗率[30]。保护性耕作对土壤温度影响方面,大部分学者认为保护性耕作会降低土壤温度[11,20,31];也有部分学者研究认为保护性耕作具有“增温”和“降温”双重效应,“增温效应”主要发生在冬季或者冷凉季节,而“降温效应”发生在夏季或者炎热季节[32-33]。本研究结果显示,3 种保护性耕作处理均提高了播种至出苗耕层土壤含水量,但降低了土壤温度,与前人研究结果“保护性耕作提高土壤含水量,降低土壤温度”观点一致。但与CK、T1 和T2 处理相比,T3 处理能够较好地平衡土壤水分和温度的矛盾。

3.2 保护性耕作对玉米出苗质量及生长发育的影响

在保护性耕作条件下提高玉米出苗质量是高产、稳产的基础,学者们通常采用出苗率、株高、叶面积和干物质积累等指标评价出苗质量及苗期长势[12,34-36]。张昊等[35]在辽宁省昌图县研究表明,免耕(整秸秆覆盖)玉米出苗率显著高于传统垄作,出苗期延迟,6 叶期之前生长发育有所滞后,植株长势较弱;6 叶期之后玉米株高和叶面积均明显高于传统垄作,随着生育进程推进其优势越来越明显,产量增加22%以上。董智[14]在吉林省梨树县研究显示,免耕秸秆覆盖降低了玉米株高、干物质积累、叶面积指数和产量,随着秸秆覆盖量的增加而增大,免耕全量秸秆覆盖减产幅度最大,两年平均减产1117 kg·hm–2。本研究中,所有保护性耕作处理均延迟了玉米出苗时间,导致整个生育期延迟,但T3 处理玉米生育期更接近CK。该结论与前人研究结论基本一致,但出苗延迟后期效应不同,这可能与秸秆覆盖方式、试验区域和土壤类型等有关。本研究结果还表明,与CK 相比,虽然T3 苗期株高整齐度有所降低,但出苗率有所增加,与T1 和T2 处理相比,T3 处理苗期株高整齐度和出苗率均有所提高,说明T3 处理通过清理秸秆为条带状后提高了播种和出苗质量,为高产、稳产奠定基础。此外,T1、T2 和T3 处理在6 叶期显著降低了单株干物质积累,在6 叶期之后差异逐渐缩小,这一结果与前人研究结果类似,虽然T1、T2 和T3玉米在生长发育后期并没有优于CK,但是在玉米成熟期,T3 与CK 之间差异不显著,进一步说明保护性耕作对玉米苗期生长发育影响更大,与T1 和T2 相比,T3 更有利于促进玉米苗期生长和后期干物质积累。

3.3 不同保护性耕作方式对玉米产量的影响及关键因素

不同耕作方式可以通过改变土壤理化特性、水热状况等,进而对玉米生长发育和产量产生影响[37]。在干旱气候区,免耕、少耕等保护性耕作能够提高玉米产量主要归因于免耕、少耕提高了土壤含水量和蓄水性能[7]。在冷凉气候区,免耕秸秆覆盖降低了土壤温度,影响玉米早期生长发育,进而降低产量[29,36],在东北中东部和北部冷凉区会影响更大[38],因为土壤温度会驱动作物生长发育的25%以上[39]。在本研究中,T1 和T2 处理延迟玉米出苗时间主要原因是秸秆覆盖降低了土壤温度,导致玉米出苗时间和整个生育期延迟,穗数和百粒重降低,进而减产;此外,T1 和T2 处理除降低土壤温度外,秸秆全量覆盖会影响播种质量,从而导致出苗率和株高整齐度降低,而T3 处理相对于T1 和T2 处理不仅可提高土壤温度,同时提高了播种质量,出苗率和株高整齐度提高,为高产、稳产奠定了良好基础。

虽然已有研究认为,传统翻耕较免耕增产主要归因于穗数增加[40],但前人并未揭示在保护性耕作条件下影响玉米产量的潜在机制。本研究SEM 模型揭示,在保护性耕作条件下穗数和百粒重是决定产量的直接因子,间接因子中保护性耕作通过影响土壤含水量和温度、出苗质量、穗数和百粒重进而影响产量;保护性耕作也可通过直接影响出苗质量和产量构成进而影响产量。此外,虽然保护性耕作可提高耕层土壤有机质含量,但SEM 结构方程模型显示其对玉米产量未产生显著影响,这可能与影响玉米产量的因素复杂有关。此外,不同处理在年际间玉米产量高低顺序并不完全一致。总体而言,T3 处理与CK 产量差异不显著,且比T1 和T2 处理产量更高、稳产性更好,而T1 和T2 处理在年际间略有差异。可见,保护性耕作影响玉米产量原因较为复杂,在不同的生态区和年际间效应也不同,其生理生态机制有待于深入研究。

3.4 适宜于东北典型黑土区的保护性耕作方式

当今,在农业高质量发展背景下,保护性耕作研究成为了农业研究领域的焦点。但不同学者对保护性耕作的概念理解有所不同。根据国内外保护性耕作的定义及内涵,保护性耕作的核心是采用少耕、免耕,以及秸秆覆盖[41-42]。免耕是在收获后至播种前无任何扰动土壤的耕作方式;而少耕是指与常规耕作相比,耕作次数和幅度等有所减少,能够起到降低风蚀和水蚀作用的耕作方式。在保护性耕作概念当中秸秆覆盖的内涵也比较丰富,其包括覆盖率、覆盖方式和秸秆类型等,秸秆覆盖率达到30%以上即符合保护性耕作标准。按照农业农村部《2022 年东北黑土地保护性耕作行动计划技术指引》对保护性耕作的标准和要求,采用少耕或者免耕,具有一定量的秸秆或者根茬覆盖即可认为是保护性耕作。文件中对免耕和少耕有明确规定,其中少耕是指在播种前和播种中动土面积低于50%,耕作深度不超过10 cm,该文件中没有明确要求秸秆覆盖率超过30%,可见该标准的保护性耕作范围更广。在本研究中,虽然T3 处理采用了秸秆全量覆盖还田和免耕播种措施,但在秸秆归行作业过程中秸秆归行机对表土有破坏过程。并且,该处理对土壤有机质增加幅度也远低于T1 和T2 处理,因此在本研究中定义T3 处理为少耕。

在东北地区推广保护性耕作时,因地制宜采用适宜的保护性耕作方式至关重要。前人研究表明,保护性耕作在干旱气候条件下增产效果更好[7],东北地区气候条件和土壤类型差异较大,自西向东气候类型由西部半干旱、中部半湿润和东部冷凉湿润区转变。因此,分区施策、科学规划合理的区域耕作制度对保护黑土和发展可持续农业势在必行。此外,在同一地区不同秸秆覆盖量对产量影响较大[14],免耕秸秆全量覆盖降低玉米产量10%以上,而免耕秸秆还田70%玉米产量与常规耕作差异不显著[30]。本研究中,在相同秸秆还田量下,不同免耕、少耕效果也显著不同,少耕秸秆全量条带覆盖(T3)在本研究区域具有较好的适宜性。

4 结论

免耕秸秆全量粉碎覆盖(T1)和免耕留高茬全量秸秆覆盖(T2)显著降低玉米产量,少耕秸秆全量条带覆盖 (T3)与CK 产量差异不显著。在保护性耕作条件下影响玉米产量的原因较复杂,但穗数和百粒重是影响玉米产量的直接因子,保护性耕作通过调节土壤含水量和温度,间接影响出苗时间、出苗率、穗数和百粒重,进而影响产量,也可通过直接影响出苗质量和产量构成因素进而影响产量。总之,在东北典型黑土区,采取少耕秸秆全量条带覆盖(T3)有利于调节土壤水分和温度平衡,提高土壤质量及玉米出苗质量,有利于玉米高产稳产,是该区域适宜的保护性耕作方式。