綠洲灌區綠肥還田利用方式對玉米干物質積累、分配及產量的影響

尚永盼 于愛忠 王玉瓏 王鵬飛 李 悅 柴 健 呂漢強 楊學慧 王 鳳

甘肅農業大學農學院 / 干旱生境作物學國家重點實驗室, 甘肅蘭州 730070

玉米是主要的糧食作物, 其生長發育過程中,干物質積累是籽粒產量形成的基礎, 干物質高效分配是獲得高產的重要保障[1-2], 明確其積累分配規律對玉米籽粒產量提升具有重要指導意義。農業生產過程中普遍存在種植模式單一等問題, 嚴重制約了區域玉米產量提升效果[3]。因此, 認識干物質積累與產量變化特征對農藝措施改良的響應是玉米高產高效栽培中重要的研究內容。一些研究發現綠色有機投入[4]、有機無機配施[5]、水分調控[6]以及密度調節[2]等農藝措施有利于玉米高效生產; 其中, 綠肥作為生長周期短、清潔高效的天然有機肥源[7], 因還田后具有改善土壤理化性質[8]、優化土壤微生態環境[9]、提高土壤肥力[10]、凈化環境[11]等功效而被廣泛應用。研究表明, 綠肥還田后可顯著提高后茬作物產量[12],且綠肥不同品種增產效果不同, 草木樨、針葉豌豆及甜豌豆還田可顯著提高地上部干物質積累量, 最終玉米增產9.9%～28.1%[13]。此外, 土壤中堿解氮、有效磷、有機質等含量會因綠肥還田量的不同而發生改變[9,14], 從而直接或間接地影響到光合產物的積累與分配[15], 最終影響作物產量。毛葉苕子還田30,000 kg hm-2結合施氮180 kg hm-2可顯著提高小麥干物質積累量, 使小麥增產18.4%～27.6%[16]。在煙草上的研究結果表明, 當箭筈 豌豆還田量介于18,750～30,000 kg hm-2時, 還田量與煙草產量呈顯著正相關關系[17]。綠肥還田對主栽作物產量的影響因區域[13,17]、耕作方式[16]而異, 且這些研究多集中于綠肥品種及還田量對作物干物質積累、分配規律的影響, 而有關不同綠肥還田利用方式的研究相對薄弱。西北綠洲灌區光資源豐富, 為玉米生長提供了優越條件, 然而在玉米生產過程中, 由于長期連作導致病蟲害加劇, 使玉米產量停滯不前, 嚴重制約了區域玉米綠色生產模式構建[18]。因此, 本研究將豆科綠肥納入傳統小麥-玉米種植模式中, 重點探討綠肥還田利用方式對玉米生育中后期地上部干物質積累分配規律及玉米產量的影響, 以期為該區域玉米高產高效種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020—2021 年在甘肅農業大學綠洲農業綜合試驗站(37°30′N, 103°5′E)進行, 該區位于河西走廊東端, 屬寒溫帶干旱氣候, 平均海拔1506 m,年均降雨量不足160 mm, 年蒸發量大于2000 mm。試驗田0～30 cm 土層土壤有機碳含量11.2 g kg-1, 土壤pH 8.3, 土壤全氮、速效磷和速效鉀含量分別為0.96 g kg-1、25.4 mg kg-1和135.3 mg kg-1。2020 年和2021 年玉米生育期內日降雨量及日均溫變化如圖1 所示。

圖1 2020-2021 年試驗站作物生育期內日降雨量及日均溫變化Fig. 1 Mean daily precipitation and air temperature during growth period of crops in the study area from 2020 to 2021

1.2 試驗設計

為了消除年際氣候因子變異對試驗結果造成的影響, 在同一試驗田設置2 個輪作序列, 春小麥-綠肥-春玉米輪作為2019 年3 月份種植春小麥, 7 月份春小麥收獲后翻耕復種箭 筈豌豆, 10 月份在 箭 筈豌豆盛花期設置4 種還田方式, 2020 年4 月份覆膜平作春玉米, 9 月份收獲; 春玉米—春小麥—綠肥輪作為2019 年4 月份覆膜平作春玉米, 翌年依次種植春小麥、箭 筈豌豆, 并設置相同還田方式。試驗共設5個處理, 每個處理3 次重復, 采用完全隨機區組排列, 小區面積54 m2(6 m×9 m), 具體試驗處理及代碼如表1。

表1 試驗處理及代碼Table 1 Experiment treatment and code

供試小麥(TriticumaestivumL.)品種為“永良4 號”,播種密度為675 萬粒 hm-2, 施氮肥180 kg hm-2, 施P2O5180 kg hm-2, 全作基肥。玉米(ZeamaysL.)品種為“先玉335”, 播種密度為8.25 萬株 hm-2, 施氮肥360 kg hm-2, 按基肥 ：大喇叭口期 ：灌漿期=3：5：2 分施; 施P2O5180 kg hm-2, 筈全做基肥。箭 豌豆(ViciasativaL.)品種為“蘭箭2 號”, 播量為75 kg hm-2,不施肥。灌溉方式為膜下滴灌, 灌水總量4050 m3hm-2, 按拔節期 ：大喇叭口期 ：抽雄吐絲期 ：灌漿初期 ：灌漿中期=6：5：6：5：5 進行灌溉。

1.3 測定指標與計算方法

地上部干物質積累量: 玉米出苗后, 每隔15 d左右取樣1 次。用S 形法在各小區內選取具有代表性的10 株玉米, 在105℃烘箱中殺青1 h, 然后調至80℃恒溫連續烘干至恒重, 待冷卻后測其干重。

采用Logistic 方程擬合玉米地上干物質積累過程, 并計算最大干物質積累速率及最大積累速率出現的天數[19]。

式中,Yt為單位土地面積上玉米地上部干物質積累量(kg hm-2),t為玉米出苗后的天數,K為最大地上部干物質積累量(kg hm-2),r為最初的增長速率(d-1),t50為玉米出苗后最大增長速率出現的天數(d)。當Yt=K/2 時, 增長率達最大值, 因此, 最大增長率Vmax=(r×K)/4 出現在t50。

式中,t1、t2、t3分別表示實測數據的始點、中點、終點時間,N1、N2、N3分別表示在始點、中點、終點測定時間對應的干物質積累量。

產量及產量構成因素: 玉米成熟后將每小區單獨收獲測定穗數、風干后脫粒測產。在各處理小區內選取具有代表性的20 株進行室內考種, 測定穗粒數、千粒重等產量指標。

1.4 數據統計

采用Microsoft Excel 2016 整理匯總數據, Origin 2021 作圖, 使用SPSS 26.0 統計分析軟件進行方差分析和顯著性檢驗, 并通過回歸分析擬合Logistic 方程。

2 結果與分析

2.1 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質積累特征的影響

2.1.1 干物質積累動態 2 年試驗結果表明, 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質積累動態影響顯著(圖2)。在玉米吐絲期, TG 處理的地上部干物質積累量較 CT、NTG 處理分別提高 14.8%、8.8%(P＜0.05)。由于吐絲期后NTG 處理玉米生長較快, 地上部干物質積累量達到快速增長階段, 在灌漿期,NTG、TG 處理的地上部干物質積累量分別較CT 處理提高25.1%、21.2% (P＜0.05), 但NTG 與TG 處理之間無顯著差異。此后, NTG 和TG 處理仍然保持較高的地上部干物質積累量, 使得完熟期NTG 處理的地上部干物質積累量較CT、T 和NT 處理分別提高20.2%、20.2%和15.7%, TG 處理的地上部干物質積累量較CT、T 和NT 處理分別提高17.7%、7.3%和13.0% (P＜0.05), NTG 與TG 處理之間無顯著差異?？v觀玉米4 個生育時期, 綠肥地表覆蓋免耕(NTG)和綠肥全量翻壓(TG)處理可顯著提高玉米地上部干物質積累量, 為玉米獲得高產奠定物質基礎, 其中綠肥地表覆蓋免耕處理效果突出。

圖2 不同處理下玉米干物質積累量動態Fig. 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different treatments

2.1.2 干物質積累的Logistic 方程擬合 2 個試驗年份綠肥還田利用方式下玉米地上部干物質積累量(Y)依據出苗后天數(t)的動態變化過程均可用Logistic 方程加以回歸描述(R2≥0.98, 表2)。2 個試驗年度內, 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質最大增長速率(Vmax)、平均增長速率(Vmean)影響顯著(P＜0.05)。NTG、TG 處理的最大增長速率分別較CT處理提高36.6%、24.8%, 較NT 處理提高31.0%、18.2%。平均增長速率也呈現相同變化趨勢, NTG、TG 處理的平均增長速率分別較CT 處理提高20.2%、17.7%, 較T 處理提高10.1%、7.3%, 較NT 處理提高 15.6%、13.0%。分析可知, 綠肥地表覆蓋免耕(NTG)和綠肥全量翻壓(TG)處理主要通過提高最大增長速率和平均增長速率來增加玉米地上部干物質積累量。

表2 不同處理下玉米地上部干物質積累的Logistic 方程回歸分析Table 2 Logistic equation analysis on above-ground dry matter accumulation of maize under different treatments

2.2 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質分配規律的影響

2 年試驗結果表明, 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質分配影響顯著(圖3)。在玉米吐絲期,NTG、TG 處理的穗部干物質分配比率分別較CT 處理提高11.5%、11.3% (P＜0.05)。此后, NTG 和TG處理穗部干物質分配比率迅速增加, 至灌漿期,NTG、TG 處理的穗部干物質分配比率分別較CT 處理提高16.0%、18.4%, T、NT 處理的穗部干物質分配比率分別較CT 處理提高14.6%、10.8% (P＜0.05),但NTG 與TG 處理之間無顯著差異。灌漿期后, 各處理仍然保持較高的穗部干物質分配, 使得完熟期NTG、TG 處理的穗部干物質分配比率分別較CT 處理提高10.3%、9.0%, T、NT 處理的穗部干物質分配比率分別較CT 處理提高6.6%、3.8% (P＜0.05), 但NTG 與TG 處理之間仍無顯著差異。分析可知, 綠肥不同還田利用方式處理可有效提高玉米地上部干物質向穗部的分配, 其中綠肥地表覆蓋免耕(NTG)和綠肥全量翻壓(TG)處理效果突出。

圖3 不同處理下玉米各器官干物質分配比率Fig. 3 Dry matter distribution ratio in different organs of maize under different treatments

2.3 綠肥還田利用方式對玉米籽粒產量的影響

2 年試驗結果表明, 綠肥還田利用方式對玉米籽粒產量影響顯著(圖4)。NTG 處理的玉米籽粒產量較CT、T 和NT 處理分別提高24.9%、11.4%和16.7%,TG 處理的玉米籽粒產量較CT、T 和NT 處理分別提高25.7%、12.1%和17.3% (P＜0.05)。同樣T 處理的玉米籽粒產量較CT 處理顯著提高15.6%, NTG 與TG處理之間無顯著差異。說明綠肥地表覆蓋免耕(NTG)和綠肥全量翻壓(TG)處理有利于提高玉米籽粒產量。

圖4 不同處理下玉米籽粒產量Fig. 4 Grain yield of maize under different treatments

2.4 籽粒產量與產量構成因素的相關分析

2 個試驗年度, 綠肥還田利用方式下玉米籽粒產量與產量構成因素的相關分析和通徑分析結果表明(表3), 玉米籽粒產量與穗數、穗粒數和千粒重均呈顯著正相關關系。通過玉米籽粒產量與各指標直接通徑系數可知, 綠肥不同還田利用方式對玉米籽粒產量構成因素的影響為穗粒數＞穗數＞千粒重; 通過玉米籽粒產量與各指標間接通徑系數可知, 穗數通過穗粒數對玉米籽粒產量的間接貢獻率最大, 穗粒數通過穗數對玉米籽粒產量的間接貢獻率最大,千粒重通過穗粒數對玉米籽粒產量的間接貢獻率最大。分析可知, 綠肥不同還田利用方式處理主要通過提高穗粒數使玉米獲得較高的籽粒產量。

表3 不同處理玉米籽粒產量與產量因素的相關系數和通徑系數Table 3 Correlation coefficient and path coefficient of maize between grain yield and yield components

3 討論

3.1 綠肥還田利用方式對作物干物質積累、分配的影響

玉米干物質積累是籽粒產量形成的基礎, 生育期內干物質積累量的大小決定著籽粒產量的高低[20]。眾多研究證實, 作物生長過程受諸多因素影響, 通過改良農藝措施來優化干物質積累特征是作物獲得高產的重要途徑之一[2], 其中, 復種輪作綠肥作物對主栽作物穩產豐產具有顯著作用[21-22]。本研究結果表明, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理可顯著提高玉米地上部干物質積累量使玉米獲得高產。有研究認為, 綠肥翻壓還田可促進作物關鍵生育時期氮素的吸收與積累, 提高作物成熟期干物質的積累量[23]; 另有研究認為, 在河西綠洲灌區玉米綠肥間作體系下, 綠肥壓青或根茬還田均可顯著提高玉米干物質積累量, 且壓青還田的效果優于根茬還田[13], 這與本研究結果相一致。其原因主要有: 第一, 豆科綠肥生長期通過根瘤菌的共生固氮作用,提高了土壤氮素含量, 同時綠肥全量還田可改善土壤微生物活性、相關功能微生物數量等氮素轉化因子[24], 促進土壤中無機態氮向有機態氮的轉化, 提高土壤中氮素的持續供應能力, 進而保證主栽作物吸收利用充足的氮素, 促進氮素向各器官的轉運分配, 為干物質積累提供養分保障[25-26]。第二, 豆科綠肥還可通過自身氧化還原過程活化土壤中作物難以直接吸收利用的磷、鉀等元素[27], 補充土壤中礦質養分含量, 提高土壤養分供應的有效性, 使玉米生育前期主要促進地上部的生長, 延長莖、葉等營養器官的功能期, 從而提高光合同化產物, 為生育后期光合產物向庫的運輸奠定良好基礎[28]。

Logistic 方程能夠準確擬合分析干物質積累的動態狀況[29], 趙姣等[30]通過構建Logistic 方程模型分析冬小麥干物質積累過程發現, 產量的形成與最大干物質積累速率呈正相關關系, 速率越大, 產量越高; 侯玉虹等[31]通過Logistic 方程模擬玉米干物質積累過程發現, 產量的高低與干物質快速增長持續時間密切相關。而本研究結果表明, 綠肥還田利用方式對玉米地上部干物質積累Logistic 方程產生顯著影響, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理主要通過提高地上部干物質最大增長速率和平均增長速率來提高干物質積累量, 造成這種差異的原因可能是綠肥還田后改善了土壤理化性狀, 影響到玉米生育期葉綠素含量發生變化, 有效延緩了營養器官的衰老, 改善了作物光合特性[32], 使玉米特定生育時期干物質積累速率不同, 最終影響地上部干物質的積累。

玉米地上部干物質積累是高產的前提, 而提高干物質向穗部的分配是高產的關鍵。玉米隨著生育時期的推進, 葉片、莖稈等器官的干物質分配比率呈下降趨勢, 而穗部干物質分配比率呈上升趨勢[33],這與本研究結果相一致, 且在綠肥還田利用方式中,綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理效果最佳,主要是由于綠肥具有持續供應養分的能力, 還田后主要通過微生物腐解作用向農田釋放營養元素供作物吸收利用[34], 在玉米生育前期主要促進了植株葉片的生長發育, 中期通過壯桿和擴大綠葉面積, 維持了玉米生育后期葉片較強的光合能力, 從而使干物質高效地分配到穗部[33]。

3.2 綠肥還田利用方式對作物產量的影響及其關鍵機制

本研究發現, 與傳統翻耕相比, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理均可獲得較高的籽粒產量,且二者差異不顯著。這與李虹橋等[35]和姚致遠等[22]的研究結果相一致, 而綠肥處理造成后茬玉米顯著增產的原因在于: 一方面, 綠肥全量還田后分解產生大量的腐殖質, 顯著提高了土壤中的水穩定性團粒數量, 改善了土壤蓄水保墑能力, 為延緩后茬玉米根系的生長提供了良好的土壤環境, 起到養根護葉的作用[36-37]; 另一方面, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理可顯著增加土壤有機質含量[38], 使植株養分供應充足, 協調了“源”與“庫”的關系, 主要表現為營養“源”向籽?！皫臁惫夂献饔米罱K產物的轉運增多, 進而增加籽粒產量[39]。本研究還發現, 綠肥地上部移除免耕處理的玉米籽粒產量與對照無顯著差異。有研究認為, 在玉米綠肥間作體系下, 草木樨壓青和根茬還田均可顯著提高玉米產量[13], 這與本研究結果存在差異, 其原因可能是不同種植模式下, 綠肥全量和根茬還田后對養分的供應能力不同,進而影響玉米產量[13]。本研究中, 通過對籽粒產量與產量構成因子的相關分析得, 不同處理下玉米籽粒產量的增加主要歸因于穗粒數的提高, 其原因主要是綠肥還田后可為玉米生長提供充足的氮素, 使植株體內活性氧清除酶的代謝合成處于相對旺盛水平, 延緩了植株衰老, 使葉片的光合作用增強,顯示出源端同化物的持續供應能力, 進而促進籽粒灌漿, 提高結實率[25,40-41]。綜上所述, 綠肥還田后能夠創造和維持后茬作物生長的環境條件, 有利于實現玉米的高產、穩產, 且綠肥不同還田方式對玉米增產的影響不同, 其增產實質在于對玉米植株代謝強度的影響, 但對“源庫流”關系的影響機制還需進一步探究, 是未來玉米高產栽培研究的重點方向之一。

4 結論

與傳統翻耕相比, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理均可增加玉米生育后期地上部干物質積累量, 促進干物質向穗部的分配, 提高地上部干物質最大增長速率和平均增長速率, 使玉米增產24.9%～25.7%, 增產主要歸因于穗粒數的提高, 其中綠肥地表覆蓋免耕處理效果突出。因此, 在干旱綠洲灌區麥后復種綠肥輪作玉米生產模式中, 綠肥地表覆蓋免耕可作為玉米獲得較高籽粒產量的理想綠肥還田方式。