李霞, 张吉旺^*, 任佰朝, 范霞, 董树亭, 刘鹏, 赵斌
作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安271018
^* 通讯作者(Corresponding author): 张吉旺, E-mail:jwzhang@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8245838 第一作者联系方式: E-mail:bflixia@163.com, Tel: 15966018517
收稿日期:2014-03-04 基金资助:本研究由山东省现代农业产业技术体系建设专项(SDAIT-01-022-05), 国家粮食丰产科技工程项目(2011BAD16B09), 国家公益性行业(农业)科研专项(201203100)和山东省玉米育种与栽培技术企业重点实验室开放课题资助;

摘要针对黄淮海平原冬小麦夏玉米周年生产的特点, 将冬小麦夏玉米播前耕作统筹结合, 以期为冬小麦夏玉米周年生产体系耕作方式的改良提供依据。以郑单958为试验材料, 设冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕(RN)、冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕(MN)、冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕(MR) 3个处理, 探讨冬小麦夏玉米周年生产条件下不同耕作方式对夏玉米抗倒伏能力及产量的影响。2年研究结果表明, MR处理夏玉米的株高、穗位高增加, MN与MR处理的地上第3茎节变粗, MN处理的地上第3节间茎粗系数最大。MR与MN处理间抽雄期的基部茎节穿刺强度无显著差异, 但较RN均显著增强, 茎秆皮层厚度和维管束密度及维管束鞘面积较RN也显著增大, 茎秆伤流速率较RN分别提高60.60%和46.70%, 茎秆质量显著提高。此外, MN与MR的根重和根冠比较RN显著提高, 地上节根根条数与干重也显著提高。MN与MR较RN处理分别增产26.33%与39.21%。冬小麦播前翻耕可显著提高夏玉米产量及抗倒伏能力。

关键词:夏玉米; 小麦玉米周年耕作; 茎秆形态与结构; 倒伏; 产量
Yield and Lodging Resistance of Summer Maize under Different Winter Wheat- Summer Maize Tillage Systems
LI Xia, ZHANG Ji-Wang^*, REN Bai-Zhao, FAN Xia, DONG Shu-Ting, LIU Peng, ZHAO Bin
State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomic Sciences, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
Fund:
AbstractThe objective of the study was to explore the effects of different tillage systems in winter wheat-summer maize cropping on yield and lodging resistance of summer maize. Maize hybrid Zhengdan 958 was used as experimental material. Three tillage treatments were designed, including rotary tillage before winter wheat seeding and no-tillage before maize seeding (RN), moldboard tillage before winter wheat seeding and no-tillage before maize seeding (MN), and moldboard tillage before winter wheat seeding and rotary tillage before maize seeding (MR). The results showed that plant height and ear height were higher in MR than in RN, the third internode diameter of MN and MR was greater than that of RN, and the ratio of length to diameter in MN was the lowest and the stem diameter coefficients of MN was the highest. Rind penetrometer resistance of summer maize enhanced at the tasselling stage (VT) and reduced at the milk stage (R3) in the treatment of moldboard tillage before winter wheat seeding, density of the vascular and area of the vascular bundle were increased, and bleeding sap in stalk increased under MR and MN. Bleeding sap of stalks under MR and MN was 60.62% and 46.70% greater than under RN respectively. Root and shoot dry matter, the ratio of root and shoot dry matter, and brace root numbers of summer maize in MN and MR were higher than these in RN. Grain yield of MR and MN was 26.33% and 39.21% greater than that of RN, respectively. In conclusion, moldboard tillage before winter wheat seeding has good effects on yield and lodging-resistant capability in summer maize.

Keyword:Summer maize; Tillage systems; Stalk quality; Lodging; Grain yield
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0 引言黄淮海区域冬小麦夏玉米周年生产条件下, 冬小麦播前长期免耕或旋耕、夏玉米播前长期免耕的耕作模式致使土壤养分表层富集, 耕层变浅^{[ 1]}, 影响夏玉米生长发育与形态建成, 由此导致的倒伏使夏玉米减产5%~20%, 严重时达70%以上^{[ 2]}, 此外倒伏还降低籽粒品质, 影响机械化收获^{[ 3]}。因此, 研究小麦玉米周年耕作对夏玉米产量及抗倒伏能力的影响具有重要理论和实践意义。
前人研究表明, 翻耕能够降低土壤容重与土壤紧实度, 增加土壤孔隙度, 提高土壤蓄水能力^{[ 4, 5, 6]}, 利于作物根系生长发育, 进而增强植株从土壤中吸收养分和水分的能力, 使地上部生长代谢旺盛, 促进茎秆发育。作物抗倒伏性能与其株高、穗位高、茎粗等植株形态指标, 茎秆机械组织厚度、维管束密度及穿刺强度等茎秆质量指标, 以及根系干重、根冠比及气生根发育等根系质量指标密切相关^{[ 7, 8, 9, 10, 11]}。目前, 关于玉米倒伏的研究多集中在品种、施肥、种植密度、秸秆还田和气候变化等方面, 茎秆基部节间的穿刺强度随群体密度增加呈线性递减^{[ 12, 13]}, 适量增施氮肥可提高茎秆的抗折强度^{[ 14]}, 小麦玉米秸秆连续全量还田可以显著降低夏玉米倒折率, 提高籽粒产量^{[ 15]}, 夏玉米生长期内光照不足降低茎秆抗倒伏性能, 且花前遮阴对田间倒伏率的影响大于花后遮阴^{[ 16]}, 而关于冬小麦夏玉米周年生产中耕作方式对夏玉米抗倒伏性能影响的研究鲜见报道。本研究针对黄淮海平原冬小麦夏玉米周年生产的特点, 将冬小麦夏玉米播前耕作统筹结合, 以两年试验研究不同耕作方式对夏玉米茎秆穿刺强度、解剖结构、伤流强度及根系生长的影响, 探讨冬小麦夏玉米一年两熟种植制度下耕作对夏玉米产量和抗倒伏能力的影响, 为冬小麦夏玉米周年生产体系耕作方式改良提供依据。
1 材料与方法1.1 试验地点山东省泰安市马庄镇北苏村(35º59' N, 117º00' E, 海拔86 m)属典型的冬小麦夏玉米一年两熟种植区, 温带大陆性半湿润季风气候, 年平均气温13℃, 全年平均≥0℃的积温4731℃, 无霜期平均195 d, 最长可达241 d, 最短为161 d, 年平均降水量697 mm, 主要分布在6月至8月。土壤为黏壤土, 2011年秋季试验前0~30 cm耕层土壤平均含: 有机质15.71 g kg^-1、全氮1.12 g kg^-1、速效磷46.64 mg kg^-1、速效钾 98.15 mg kg^-1。
1.2 试验设计2011—2013年连续2个冬小麦夏玉米生长季, 设置冬小麦旋耕夏玉米免耕(RN)、冬小麦翻耕夏玉米免耕(MN)、冬小麦翻耕夏玉米旋耕(MR) 3个处理, 详见表1, 每处理3次重复, 随机区组设计。冬小麦旋耕夏玉米免耕(RN)处理于冬小麦播前玉米秸秆机械粉碎还田, 撒施化肥后用1GKN-200旋耕机(连云港市华云机械制造有限公司)旋耕2遍播种, 旋耕深度10 cm, 秸秆和表土形成混合层, 机械播种小麦; 小麦收获后留茬, 采用2BYF系列玉米施肥精密播种机(山东宁联机械制造有限公司)一次性完成播种、施肥和镇压作业, 地表形成沟、垄背的微地表, 玉米种、肥料播于垄沟内土壤中; 冬小麦翻耕夏玉米免耕(MN) 处理于冬小麦播前玉米秸秆机械粉碎还田, 撒施化肥后用铧式犁翻耕1遍, 耕深25 cm, 再用1GKN-200旋耕机(连云港市华云机械制造有限公司)旋耕1遍, 旋平后机械播种小麦, 小麦收获后留茬, 采用2BYF系列玉米施肥精密播种机(山东宁联机械制造有限公司)一次性完成播种、施肥和镇压作业, 地表形成沟、垄背的微地表, 玉米种、肥料播于垄沟内土壤中; 冬小麦翻耕夏玉米旋耕(MR) 于冬小麦播前玉米秸秆机械粉碎还田, 撒施化肥后用铧式犁翻耕1遍, 耕深25 cm, 再用1GKN-200旋耕机(连云港市华云机械制造有限公司)旋耕1遍, 旋平后机械播种小麦, 小麦收获后, 撒施复合肥后用1GKN-200旋耕机(连云港市华云机械制造有限公司)旋耕2遍播种, 旋耕深度10 cm, 秸秆和表土形成混合层, 机械播种玉米。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 不同耕作方式对夏玉米茎秆性状的影响 Table 1 Effects of different tillage treatments on plant agronomic traits of summer maize 年份 Year 处理 Treatment 株高 Plant height (cm) 穗位 Ear height (cm) 茎粗 Stem diameter of the third (cm) 穗位系数 Ear position coefficients 茎粗系数 Stem diameter coefficients 地上第3茎节长 Internode length of the third (cm) 长粗比 Length to diameter ratio 2012 RN 251.33 b 110.97 b 2.50 b 44.13 ab 1.00 b 9.83 a 3.98 a MN 250.33 b 107.30 b 2.68 a 42.87 b 1.07 a 9.43 a 3.55 b MR 257.67 a 115.93 a 2.70 a 44.99 a 1.05 ab 10.07 a 3.76 ab 2013 RN 255.00 a 110.40 b 2.34 b 43.30 b 0.92 c 7.96 a 3.39 a MN 250.67 a 110.33 b 2.60 a 43.97 b 1.04 a 6.93 a 2.67 b MR 252.53 a 114.60 a 2.51 a 45.44 a 1.00 b 8.08 a 3.21 ab 同一列标以不同小写字母的数值在5%水平差异显著。RN: 小麦播前旋耕玉米播前免耕; MN: 小麦播前翻耕玉米播前免耕; MR: 小麦播前翻耕玉米播前旋耕。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. RN means rotary tillage before winter wheat seeding and no-tillage before maize seeding; MN: moldboard tillage before winter wheat seeding and no-tillage before maize seeding; MR: moldboard tillage before winter wheat seeding and rotary tillage before maize seeding.

表1 不同耕作方式对夏玉米茎秆性状的影响 Table 1 Effects of different tillage treatments on plant agronomic traits of summer maize

以目前我国第一主推品种郑单958为试验材料, 密度为67 500株 hm^-2, 玉米种植的行距60 cm, 株距24 cm, 分别于2012年6月17日和2013年6月19日播种, 2012年10月3日和2013年9月27日收获。各处理夏玉米季均在耕地前基施N∶P₂O₅∶K₂O为15∶15∶15的农大复合肥750 kg hm^-2, 夏玉米小喇叭口期后追施N∶P₂O₅∶K₂O为35∶5∶5的复合肥600 kg hm^-2, 折合N 705 kg hm^-2、P₂O₅ 315 kg hm^-2、K₂O 315 kg hm^-2, 并分别于2012年6月17日、8月14日、2013年6月20日、8月11日灌水, 以水表控制灌水量。
1.3 测定项目1.3.1 茎秆形态 于乳熟期在各小区选取长势一致的代表性植株10株, 测量植株的株高、穗位高, 计算穗位系数; 同时测量茎秆地上第3节节间长、茎粗, 计算长粗比及茎粗系数。
穗位系数=穗位高/株高×100
茎节长粗比=地上第3茎节节间长/基部第3茎节茎粗×100%
茎粗系数=茎粗/株高×100
1.3.2 茎秆解剖结构 分别于抽雄期、乳熟期在各小区选取代表性植株3株, 取茎秆地上第3节中部约1.5 cm长节间, 用卡诺固定液固定, 70%乙醇保存。室内用Olympus BX51荧光显微镜摄像系统及徒手切片法测定茎秆显微结构。观察记录维管束结构, 包含大小维管束个数(分布于内部薄壁组织间的维管束为大维管束, 分布于外部厚壁机械组织中的维管束为小维管束), 并计算维管束密度^{[ 17]}。
维管束密度=维管束数目/茎秆横截面积
1.3.3 茎秆硬皮穿刺强度 从每个小区连续选取代表性植株10株, 用浙江托普仪器有限公司生产的YYD-1型数字式测力仪, 用0.01 cm²横断面积的测头, 在茎秆节间中部垂直于茎秆方向匀速缓慢插入, 读取穿透茎秆表皮的最大值。在玉米抽雄期及乳熟期测定自下而上第2~第7节间的茎秆硬皮穿刺强度。
1.3.4 茎秆伤流速率 分别于抽雄期与乳熟期, 在每小区选取长势一致的代表性植株5株, 每天18:00用锋利小刀在距地面10 cm处快速去除地上部, 套上已称重(W1)的装有脱脂棉的塑料套, 密封, 收集伤流液12 h后称重(W2)。
伤流速率(g plant^-1 h^-1)=(W2-W1)/12 h
1.3.5 根系特征 于抽雄期与乳熟期, 在每小区选取长势一致的代表性植株3株, 以茎秆为圆心, 1/2行距为半径, 挖取0~30 cm土层根系, 用清水冲净后, 分别计算节根根层数及根条数, 然后将地上部及根系于70℃烘干至恒重, 称重。
1.3.6 产量 玉米成熟后, 将每小区去除边行, 调查群体及倒伏情况, 分别记录群体总株数, 双穗、空杆、倒伏株数; 随机收获双行中的连续30穗, 自然风干后室内考种, 得穗粒数及千粒重, 计算产量。
倒伏率(%)=倒伏株数/总株数×100
产量(kg hm^-2)=有效穗数(ears hm^-2)×穗粒数×千粒重(g)×(1-含水量%)/(1-14%)/10⁶
1.4 数据处理与分析采用SPSS 16.0软件分析数据, Duncan’s法多重比较, SigmaPlot10.0绘图。

2 结果与分析2.1 植株性状从表1可以看出, 不同耕作方式对夏玉米株高、穗位高、穗位系数、茎粗、茎粗系数等植株性状有显著影响。MR处理的株高和穗位高较MN显著提高2.93%和2.52%, 较RN提高8.04%与4.47%, MR与MN处理的穗位系数有显著差异, MR处理较MN 提高4.95%。MR与MN处理的茎粗较RN分别提高7.96%与7.04%, MR与MN处理间差异不显著, 说明小麦播前翻耕对夏玉米茎粗的影响大于冬小麦播前旋耕处理, 玉米播前不同耕作措施对茎粗则无显著影响。MN与RN处理间茎粗系数有显著差异且MN > RN, RN和MN间长粗比有显著性差异, RN处理较MN提高12.14%, 说明冬小麦播前耕作影响茎粗, 进而影响夏玉米地上第3节间长粗比。两年的试验结果一致。
2.2 茎秆解剖结构不同耕作方式下, 抽雄和乳熟期夏玉米茎秆的皮层厚度、维管束密度、维管束鞘面积以及横截面面积均存在显著差异。在抽雄期, MN处理的茎秆皮层厚度、第3茎节横截面积、小维管束密度、小维管束鞘面积与大维管束鞘面积均显著高于RN处理, 分别高33.25%、22.57%、13.68%、58.77%和30.07%, MR处理的茎秆皮层厚度、第3茎节横截面积、小维管束密度、小维管束鞘面积与大维管束鞘面积也均显著高于RN处理, 分别高21.49%、20.55%、21.05%、80.53%和42.86%; 在乳熟期, MN处理的茎秆皮层厚度、第3茎节横截面积、大维管束密度、小维管束鞘面积与大维管束鞘面积均显著高于RN处理, 分别高58.34%、15.00%、14.00%、28.99%和38.37%, MR处理的茎秆皮层厚度、第3茎节横截面积、大维管束密度、小维管束鞘面积与大维管束鞘面积也均显著高于RN, 分别高54.88%、11.98%、40.00%、62.70%和80.95%。2年趋势基本一致(表2)。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 不同耕作方式对夏玉米茎秆解剖结构的影响 Table 2 Effects of different tillage treatments on stalk microstructure of summer maize 生育时期 Growing stage 处理 Treatment 皮层厚度 Cortex thickness (μm) 维管束密度 Vascular bundle density (mm-2) 维管束鞘的面积 Vascular bundle sheath area (μm2) 地上第3节间 横截面积 Area of the third internode (mm2) 外部 Outer 内部 Inner 外部 Outer 内部 Inner 2012 抽雄期 Tasseling stage RN 18.89 c 0.95 b 1.08 a 8290.49 b 5878.88 b 304.31 b MN 25.18 a 1.08 ab 1.17 a 13162.84 a 7646.85 ab 372.99 a MR 22.95 b 1.15 a 1.12 a 14966.54 a 8398.62 a 366.49 a 乳熟期 Milking stage RN 14.14 b 1.66 a 0.50 b 7216.07 b 4217.03 c 267.86 b MN 22.39 a 1.73 a 0.57 ab 9307.84 a 5835.27 b 308.03 a MR 21.90 a 1.80 a 0.70 a 11740.78 a 7630.73 a 299.96 a 2013 抽雄期 Tasseling stage RN 15.24 b 0.77 a 1.52 b 7334.13 b 5257.91 b 212.61 b MN 21.26 a 0.77 a 1.64 a 10715.48 a 7293.38 a 259.31 a MR 23.52 a 0.77 a 1.65 a 9543.96 a 7453.55 a 254.29 a 乳熟期 Milking stage RN 17.38 b 0.86 b 1.88 b 7997.35 b 5416.13 b 226.48 b MN 24.94 a 1.03 a 1.92 a 9983.83 a 7801.02 a 284.01 a MR 21.24 a 1.06 a 1.91 a 9896.15 a 7757.48 a 269.77 a 同一列标以不同小写字母的数值表示在5%水平差异显著。缩写同表1。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. Abbreviations are the same as given in Table 1.

表2 不同耕作方式对夏玉米茎秆解剖结构的影响 Table 2 Effects of different tillage treatments on stalk microstructure of summer maize

2.3 茎秆穿刺强度从表3可以看出, 玉米播前旋耕与小麦播前翻耕可显著影响抽雄期及乳熟期夏玉米基部节间穿刺强度, 但对不同茎节影响不同。在抽雄期, MN处理基部第2、第3、第4和第5节间穿刺强度比RN的分别提高29.02%、10.69%、12.62%和9.31%, MR处理基部第2、第3、第4、第5节间穿刺强度比RN的分别提高11.35%、6.69%、8.23%和4.30%, 第6和第7节间穿刺强度各处理间无显著差异; 在乳熟期, RN处理基部第2、第3节间穿刺强度比MN的分别高18.78%和27.38%, 比MR的分别高35.80%和32.87%, RN处理基部第4、第5、第6和第7节间穿刺强度比MR的分别高17.51%、14.42%、13.96%和9.12%, MN处理基部第4、第5、第6和第7节间穿刺强度比MR的分别高17.08%、12.31%、15.23%和11.40%。与抽雄期相比, 乳熟期MR基部节间穿刺强度减小, MN的不增不减, 而RN基部节间穿刺强度增强, 说明在抽雄期MN与MR处理茎秆质量高于RN的, 但在乳熟期MR的茎秆质量有所下降。2年试验结果基本一致。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 不同耕作方式对夏玉米茎秆穿刺强度的影响 Table 3 Effects of different tillage treatments on stalk rind penetrometer resistance of summer maize (N mm2) 生育时期 Growing stage 处理 Treatment 基部节间 Bottom internodes 2 3 4 5 6 7 2012 抽雄期 Tasseling stage RN 44.20 c 46.90 b 43.10 b 40.90 b 41.90 a 38.10 a MN 57.00 a 55.30 a 48.60 a 44.70 a 43.10 a 36.90 a MR 49.20 b 50.10 b 46.70 a 42.70 ab 40.10 a 37.10 a 乳熟期 Milking stage RN 64.50 a 63.50 a 49.70 a 45.10 a 42.00 a 40.10 a MN 51.80 b 49.90 b 49.60 a 44.20 a 42.50 a 40.90 a MR 47.50 b 47.80 b 42.30 b 39.40 b 36.90 b 36.80 b 2013 抽雄期 Tasseling stage RN 44.20 c 48.20 b 44.80 a 39.50 b 41.90 a 35.10 a MN 57.07 a 55.30 a 48.60 a 44.70 a 43.10 a 36.55 a MR 49.20 b 49.30 b 45.20 a 42.00 ab 43.70 a 36.97 a 乳熟期 Milking stage RN 54.90 a 53.10 a 50.20 a 46.30 a 42.20 a 40.24 a MN 52.30 ab 50.00 ab 50.10 a 44.30 a 42.70 a 40.95 a MR 49.60 b 48.80 b 47.50 b 42.80 b 39.50 b 37.10 b 同一列标以不同小写字母的数值表示在5%水平差异显著。缩写同表1。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. Abbreviations are the same as given in Table 1.

表3 不同耕作方式对夏玉米茎秆穿刺强度的影响 Table 3 Effects of different tillage treatments on stalk rind penetrometer resistance of summer maize (N mm2)

2.4 茎秆伤流速率玉米播前旋耕与小麦播前翻耕可提高夏玉米茎秆的伤流速率, 表现为MR > MN > RN, 且在抽雄期与乳熟期各处理间差异均达到显著水平。在抽雄期, MR处理的茎秆伤流速率比RN高19.67%, MN处理的茎秆伤流速率比RN高16.93%; 在乳熟期, MR处理的茎秆伤流速率比RN高101.57%, MN处理的茎秆伤流速率比RN高76.47%, 说明MR与MN处理在抽雄期及乳熟期有较发达的维管束结构。2年试验结果基本一致(图1)。
图1
Fig. 1

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图1 不同耕作方式对夏玉米茎秆伤流速率的影响时期VT和R3分别代表抽雄期和乳熟期。其他缩写同表1。Fig. 1 Effects of different tillage treatments on quantity of bleeding sap in stalk of summer maizeVT: tasselling stage; R3: milking stage. Other abbreviations are the same as given in Table 1.

2.5 根干重与根冠比从表4可以看出, 耕作可显著增加抽雄期和乳熟期的根重及根冠比。在抽雄期, MN与MR处理的根重和根冠比较RN处理分别提高55.70%、64.69%和40.00%、40.00%; 在乳熟期则分别提高69.72%、46.45%和66.67%、33.33%。与抽雄期相比, 乳熟期RN、MN和MR处理地上部重分别增加68.56%、77.89%和81.98%, 根冠比分别降低40.00%、28.57%和42.86%; RN与MN根重分别增加7.14%和16.79%, MR处理根重减少1.01%。说明MN与MR处理促进夏玉米根系生长, 且提高根冠比, 抗倒伏能力好。2年趋势基本一致。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 不同耕作方式对夏玉米根系干重及根冠比的影响 Table 4 Effects of tillage treatments on root and shoot dry matter and their ratio 年份 Year 处理 Treatment 抽雄期Tasseling stage 乳熟期Milking stage 地上部重 Shoot dry matter (g plant-1) 根重 Root dry matter (g plant-1) 根冠比 Root/shoot ratio 地上部重 Shoot dry matter (g plant-1) 根重 Root dry matter (g plant-1) 根冠比 Root/shoot ratio 2012 RN 109.32 c 10.79 b 0.10 b 184.27 c 11.56 c 0.06 c MN 116.10 b 16.80 a 0.14 a 206.53 b 19.62 a 0.10 a MR 124.22 a 17.77 a 0.14 a 226.06 a 16.93 b 0.08 b 2013 RN 120.55 c 7.14 b 0.06 b 207.43 b 12.19 b 0.06 b MN 142.10 a 13.41 a 0.09 a 253.55 a 18.42 a 0.07 a MR 132.85 b 10.76 a 0.08 a 240.19 a 15.08 b 0.06 b 同一列标以不同小写字母的数值表示在5%水平差异显著。缩写同表1。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. Abbreviations are the same as given in Table 1.

表4 不同耕作方式对夏玉米根系干重及根冠比的影响 Table 4 Effects of tillage treatments on root and shoot dry matter and their ratio

2.6 地上节根从表5可以看出, 耕作可显著增加抽雄期及乳熟期夏玉米的地上节根条数、地上节根干重, 可增加地上节根层数但未达显著性水平。在抽雄期, MN处理的地上节根条数、地上节根干重与地上节根层数较RN处理分别提高79.70%、60.60%和28.76%, MR处理的地上节根条数、地上节根干重与地上节根层数较RN处理分别提高75.01%、62.59%和28.76%; 在乳熟期, MN处理的地上节根条数、地上节根干重与地上节根层数较RN处理分别提高48.25%、70.68%和28.76%, MR处理的地上节根条数、地上节根干重与地上节根层数较RN处理分别提高45.88%、45.41%和28.76%。与抽雄期相比, 乳熟期RN、MN和MR处理地上节根层数无变化, 地上节根条数分别增加32.86%、9.57%和10.72%, RN和MN地上节根干重分别增加5.26%和11.87%, MR处理地上节根干重减少5.86%。说明MN和MR处理促进夏玉米地上节根发育, 提高玉米抗倒伏能力。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 不同耕作方式对夏玉米地上节根的影响 Table 5 Effects of different tillage treatments on the brace root 年份 Year 处理 Treatment 抽雄期 Tasseling stage 乳熟期 Milking stage 地上节根层数 Layers number of brace root 地上节根条数 number of brace root 地上节根重量 Brace root weight (g plant-1) 地上节根层数 Layers number of brace root 地上节根条数 number of brace root 地上节根重量 Brace root weight (g plant-1) 2012 RN 2.33 a 21.33 b 7.03 b 2.33 a 28.33 b 7.40 c MN 3.00 a 38.33 a 11.29 a 3.00 a 42.00 a 12.63 a MR 3.00 a 37.33 a 11.43 a 3.00 a 41.33 a 10.76 b 2013 RN 2.33 a 21.33 b 2.73 b 2.67 a 33.00 b 8.30 c MN 3.00 a 38.33 a 5.24 a 3.00 a 43.67 a 12.60 a MR 3.00 a 37.33 a 5.76 a 3.00 a 42.33 a 10.96 b 同一列标以不同小写字母的数值表示在5%水平差异显著。缩写同表1。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. Abbreviations are the same as given in Table 1.

表5 不同耕作方式对夏玉米地上节根的影响 Table 5 Effects of different tillage treatments on the brace root

2.7 产量从表6可以看出, 耕作可以显著提高夏玉米产量, 冬小麦播前翻耕与夏玉米播前旋耕均可提高夏玉米产量, 2年趋势一致。与RN处理相比, 2012年和2013年的MN处理分别增产24.19%和22.04%, MR分别增产36.58%和22.64%; 与MN处理相比, 2012年和2013年的MR处理分别增产9.97%和0.49%。此外, 耕作对产量构成因素也有影响, 冬小麦播前翻耕可显著提高夏玉米有效穗数、穗粒数与千粒重, 夏玉米播前旋耕可显著提高有效穗数与千粒重。与RN处理相比, 2012年和2013年MN处理的有效穗数分别提高4.67%和3.89%, 千粒重分别提高5.52%和4.85%, 穗粒数分别提高12.43%和11.75%, MR处理的有效穗数分别提高9.89%和8.49%, 千粒重分别提高10.02%和4.21%, 穗粒数分别提高12.95%和8.48%; 与MN处理相比, 2012年和2013年MR处理的有效穗数分别提高4.99%和4.43%。与RN处理相比, 2012年和2013年的MN处理倒伏率分别降低27.65%和18.06%, MR处理倒伏率分别降低20.20%和16.29%。
表6
Table 6
表6(Table 6)

表6 不同耕作方式对夏玉米产量的影响 Table 6 Effects of different tillage treatments on yield and yield components of summer maize 年份 Year 处理 Treatment 产量 Grain yield (Mg hm-2) 千粒重 1000-kernel weight (g) 穗粒数 Kernel number per ear 有效穗数 Actual ears number per hectare 倒伏率 Lodging percentage (%) 2012 RN 7.97 c 276 c 510 b 56505 c 5.10 a MN 10.04 b 292 b 582 a 59145 b 3.69 b MR 11.04 a 304 a 585 a 62100 a 4.07 b 2013 RN 9.30 b 309 b 519 b 58029 c 28.84 a MN 11.35 a 324 a 580 a 60289 b 23.64 b MR 11.40 a 322 a 563 a 62957 a 24.14 b 同一列标以不同小写字母的数值表示在5%水平差异显著。缩写同表1。 Values within a column followed by a different small letter are significantly different at 5% probability level. Abbreviations are the same as given in Table 1.

表6 不同耕作方式对夏玉米产量的影响 Table 6 Effects of different tillage treatments on yield and yield components of summer maize

3 讨论3.1 小麦玉米周年生产中耕作方式对夏玉米茎秆抗倒伏能力的影响黄淮海区域冬小麦夏玉米一年两熟, 前后茬作物光温利用矛盾突出, 为抢农时往往免耕播种, 形成了冬小麦播前免耕或旋耕夏玉米播前免耕的耕作模式。此耕作模式造成土壤紧实、养分表层富集, 作物根系难以下扎, 夏玉米生长发育受阻, 且夏玉米生育期正值雨季, 受风雨影响大^{[ 18]}, 倒伏严重。
玉米茎秆承受着地上部各器官的全部重量, 在玉米抗倒性能中有重要作用^{[ 19]}。王群瑛等^{[ 11]}研究指出, 从植株形态分析茎粗系数大和穗位系数小的植株具有较高的抗倒伏能力; 从茎秆内在因素分析玉米茎秆中机械组织发达和维管束数量多与质量高的具有较高的抗倒伏能力。适宜的耕作方式可以改善土壤^{[ 20]}, 促进作物生长发育, 改善植株形态, 提高茎秆质量。茎秆表皮厚度、维管束的数量和横截面积、木质部和韧皮部横截面积与倒伏均呈显著的负相关, 通过深松可调节维管束结构, 降低倒伏^{[ 21]}。本研究表明, MN处理基部第3节间长粗比最小, 茎粗系数最大, 具有最高的抗倒伏能力; MN与MR基部第3茎节皮层变厚, 单位面积内维管束数目显著增加, 维管束鞘横截面积增加。可见, 冬小麦播前翻耕改善了夏玉米茎秆外部形态和内部显微结构, 有利于提高夏玉米的抗倒伏能力。茎秆外壁穿刺强度是衡量茎秆质量的重要指标^{[ 21]}, 抽雄期MN与MR显著增强茎秆基部茎节穿刺强度, 提高茎秆质量, 但对较高茎节的穿刺强度影响较小, 乳熟期MN与MR的茎秆穿刺强度降低, 可能与茎秆中营养物质 向生殖器官转移有关。伤流速率反映根系吸收水分和养分的能力, 根系从土壤中吸收水分与养分可增强地上部位代谢, 延缓地上部衰老, 增强抗倒伏能力^{[ 18]}, 此外, 茎秆横截面伤流速率在一定程度上反映茎秆内维管束的质量, 横截面伤流速率的快慢取决于维管束输送效率的高低, 较多的维管束数量、较大的维管束面积或茎秆横截面积才能保证较大的单株伤流速率。本研究表明, MN与MR显著提高了夏玉米茎秆伤流速率。可见, 玉米播前旋耕与小麦播前翻耕可改善夏玉米茎秆结构影响茎秆质量, 进而提高夏玉米的抗倒伏能力。
玉米根系在玉米抗倒性能中也起重要作用。夏玉米节根粗壮坚韧, 厚壁组织发达, 根多量大, 入土角度陡, 形如支柱, 能增强根系对地上部的支持固定能力。根系干重可以反应玉米的抗倒伏能力, 一般根系发达、根冠比合理的夏玉米抗倒伏能力强^{[ 22]}。本研究表明, MN与MR处理有较高的根干重和根冠比, 且气生根根条数与根重也较高, 有利于提高根系对地上部的支持固定能力, 进而增强夏玉米的抗倒伏能力, 倒伏率降低。
3.2 小麦玉米周年生产中耕作方式对夏玉米产量的影响不同耕作方式显著影响玉米产量, 史志强等^{[ 23]}在山东龙口试验表明, 耙耕秸秆还田比常规翻耕增产14.15%, 与旋耕秸秆还田无明显差异, 而免耕秸秆覆盖减产11.00%。李明德等^{[ 24]}指出, 翻耕与免耕相比, 翻耕能改良土壤物理性状、提高土壤有机质和氮素含量、提高玉米产量。梁金凤等^{[ 25]}研究认为, 不同耕作方式和耕作深度对玉米产量影响差异不显著。前人的研究结果不一致, 且主要集中在玉米播前耕作对玉米产量的影响, 没有将冬小麦与夏玉米耕作结合。统筹考虑冬小麦与夏玉米播前耕作, 本研究结果表明, 冬小麦播前翻耕可显著提高夏玉米有效穗数、穗粒数与千粒重, 夏玉米播前旋耕可显著提高有效穗数与千粒重, 从而提高夏玉米产量。MN处理既提高了夏玉米茎秆质量, 增强抗倒伏能力, 又能缓解前后茬作物矛盾, 能够显著提高夏玉米产量。
在实际生产中, 冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕较目前的冬小麦旋耕夏玉米免耕能提高夏玉米产量与抗倒伏能力, 又能较冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕减少机械耕作次数, 有节本增效的作用。所以, 统筹考虑冬小麦夏玉米周年生产, 冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕可实现高产高效。本研究仅为2年的试验结果, 为更好地推广与应用, 将进行系统的长期定位试验。

4 结论冬小麦播前翻耕可降低夏玉米茎粗系数、穗位系数, 增强抽雄与乳熟期的茎秆穿刺强度和茎秆伤流速率, 可使茎秆皮层变厚、横截面外部维管束密度与维管束鞘面积增大; 提高根干重、根冠比及节根条数, 进而增强抗倒伏能力, 显著提高夏玉米产量, MN和MR较RN处理分别增产26.33%和39.21%。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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