李静静^1,2, 李从锋^2,*, 李连禄¹, 丁在松², 赵明^2,*
1 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京100193

² 中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态重点实验室, 北京100081

^*通讯作者(Corresponding authors): 赵明, E-mail:zhaomingcau@163.net, Tel: 010-82108752; 李从锋, E-mail:licongfeng@caas.cn, Tel: 010-82106043 收稿日期:2014-07-06 基金:本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(NYCYTX-02)和国家粮食丰产科技工程项目(2011BAD16B14)资助;

摘要免耕秸秆覆盖是中国北方干旱半干旱区一种重要的保护性耕作模式。为明确宽行覆盖窄行深松交错种植条件下覆盖带适宜的秸秆覆盖量和覆盖方式, 2012—2013年在河北省廊坊市进行了春玉米的田间试验。选用郑单958为试验材料, 采用80 cm+40 cm宽窄行种植, 宽行间覆盖秸秆, 窄行间进行苗带深松, 设置8.42 t hm^-2覆盖量下粉碎覆盖(100SC)、整秆覆盖(100SP)、4.21 t hm^-2覆盖量下粉碎覆盖(50SC)、整秆覆盖(50SP)和不覆盖(CK)处理, 测定土壤水分和温度、出苗状况、物质积累、产量及产量构成。结果表明, 秸秆覆盖与深松结合条件下, 4种覆盖处理与对照相比均提高了土壤含水量, 其中50SC处理在花前0~15 cm土壤降温幅度最小, 其他覆盖处理显著降低花前土壤温度。各覆盖处理明显提高了苗期整齐度, 秸秆覆盖对苗期的生育期天数略有推迟。与CK相比, 50SC提高了春玉米地上部生物量, 促进花后干物质积累, 千粒重和穗粒重分别提高10.9% (P<0.05)和6.5% (P<0.05), 产量提高4.78%, 达12 243 kg hm^-2。50SC条件下产量与全生育期干物质积累(DMA)、花后/花前DMA呈极显著正相关。说明宽行覆盖窄行深松交错种植有利于缓和秸秆覆盖对出苗的物理阻碍, 其中秸秆以4.21 t hm^-2的覆盖量粉碎覆盖效果最好, 该处理可为玉米提供稳定有利的土壤水分和温度条件, 提高了生育后期的物质积累以及籽粒产量。

关键词:玉米生长发育; 秸秆覆盖量; 秸秆覆盖方式; 土壤水温; 产量
Effect of Straw Mulching on Soil Temperature, Soil Moisture and Spring Maize Yield under Seedling Strip Subsoiling
LI Jing-Jing^1,2, LI Cong-Feng^2,*, LI Lian-Lu¹, DING Zai-Song², ZHAO Ming^2,*
1 College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China

² Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Ecophysiology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

Fund:
AbstractNo-tillage with straw mulching is widely adopted in arid and semi-arid regions of North China which effectively preserves the water content. But it decreases the soil temperature and results in seed germination delaying. We developed a new way of no-tillage with straw mulching. The straw mulching was conducted only in the wide inter-row, and subsoiling was conducted in the narrow inter-row. To determine the quantity and method of straw mulching in this new no-tillage way, we conducted field experiments in 2012 and 2013 in Langfang, Hebei province. The maize cultivar Zhengdan 958 was planted with 80 cm+40 cm inter-row planting spacing. The treatments of wide inter-row included mulching with 8.42 t ha^-1 of chopped straw (100SC) and prostrated straw (100SP), 4.21 t ha^-1 of chopped straw (50SC) and prostrated straw (50SP), with no straw mulching as CK. Soil temperature, soil moisture, emergence quality, days of growth period, dry matter accumulation, yield and its components were compared among these treatments. The results showed that the soil moisture were increased in all the four straw mulching treatments. The 50SC treatment had the least influence on decreasing soil temperature compared with CK. The emergence uniformity of all straw mulching treatments increased significantly. Straw mulching had less significant effects on duration from sowing to seedling. Above-ground biomass of 50SC was improved, and its dry matter accumulation was promoted at post-anthesis stage. Compared with CK, the yield of 50SC was increased by 4.78%, and 1000-kernel weight and kernel weight per ear by 10.9% and 6.5%, respectively. The yield of 50SC had very significant correlation with its whole period dry matter accumulation (DMA) and ratio of post-anthesis to pre-anthesis DMA. Therefore, the mulching technique in this study has less physical constraint to emergence, and in this new way of straw mulching 4.21 t ha^-1 of chopped straw mulching is better for maize. With this condition, the adverse effects of straw on emergence are alleviated and dry matter accumulation in later period and yield of maize are increased.

Keyword:Maize growth; Straw mulching quantity; Straw mulching method; Soil temperature and moisture; Yield
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免耕秸秆覆盖是中国北方干旱半干旱地区广泛采用的保护性耕作措施, 合理的覆盖量和秸秆处理方法, 可减少土壤水分无效蒸发, 提高土壤含水量, 影响玉米的生长发育和产量^{[ 1, 2, 3]}。目前, 研究认为秸秆覆盖与深松耕作相结合能够提高水分利用效率, 增加玉米产量, 但关于两者在空间上和效益上的结合方式及其合理的秸秆覆盖方式等, 在前人的研究中都没有明确的阐述^{[ 4, 5, 6]}, 因此, 进一步明确秸秆覆盖与深松结合条件下具体的种植方式和秸秆覆盖方式, 对春玉米单作条件下保护性耕作方式的改善和产量的稳定提高都具有重要意义。
国内外研究表明, 秸秆覆盖的免耕措施对作物有增产效应。Sharma等^{[ 7]}的研究认为作物秸秆覆盖由于后期的保墒作用, 对玉米的生长发育和产量都有显著的促进效应。张萌等^{[ 8]}研究表明长期免耕覆盖使玉米产量增加17.44%, 从产量和肥力上肯定了这种技术的利用效应。付国占等^{[ 9]}认为小麦秸秆覆盖与深松结合是一种保证两者效果良好发挥并提高产量的有效措施, 但并未探讨秸秆覆盖与深松的具体结合方式。王昕等^{[ 10]}和王晖等^{[ 11]}的研究认为高覆盖量和一倍的还田量有利于干物质积累, 增产幅度达17.6%和12.1%。
但秸秆过量覆盖和不合理的覆盖方式会对作物的出苗造成物理阻碍, 影响出苗质量甚至造成减产^{[ 12, 13]}。秸秆覆盖对中国北方春播作物的出苗造成不利影响, 还主要由于在气温较低的情况下, 秸秆覆盖降低土表温度2~6℃, 造成出苗时间延长而推迟各生育时期^{[ 14, 15]}; 在与深松结合的同时, 秸秆覆盖还存在一些负面效应; 刘超等^{[ 16]}和蔡太义等^{[ 17]}明确指出秸秆覆盖的增产效应限制在一定的覆盖量内, 过量和少量均不能达到增产的目的, 对于秸秆覆盖方式, Sharratt等^{[ 18]}的研究结果表明立秆留茬处理提高土壤温度, 有利于物质积累, 但关于春玉米单作条件下秸秆覆盖与深松耕作相结合的合理秸秆覆盖方式的研究还鲜见报道。因此, 本研究在秸秆条带覆盖和深松宽窄行交替的种植方式下, 明确粉碎和整秸秆两种覆盖方式和100%、50%两种覆盖量互作对土壤水温效应、春玉米生长发育及产量的影响, 以期为玉米免耕覆盖及新型保护性耕作措施的探索提供理论依据。
1 材料与方法1.1 试验设计试验于2012年和2013年在中国农业科学院国际农业高新技术产业园(河北廊坊)进行。两年春玉米生长季5月至9月期间日平均温度分别为23.7℃和23.8℃, 总降水量分别为516.6 mm和469.9 mm。采用郑单958为试验材料。春玉米单作种植, 行距为80 cm+40 cm宽窄行设置, 其苗带深松播种行和秸秆覆盖行配置见图1, 各处理的40 cm窄行采用条深旋—施肥—播种一体化机械进行条带深松和播种, 均无秸秆覆盖; 利用前一年秋季收获后的玉米秸秆还田, 将覆盖秸秆放置于80 cm宽行(CK除外), 并在播前处理, 覆盖条带和苗带深松条带交错设置。秸秆覆盖带处理包括: (1) 100%的覆盖量, 秸秆粉碎后覆盖(100SC); (2)100%的覆盖量, 整秸秆直接压倒覆盖(100SP); (3) 50%的覆盖量, 秸秆粉碎后覆盖(50SC); (4) 50%的覆盖量, 整秸秆直接压倒覆盖(50SP); (5) 0留茬, 无秸秆覆盖(CK), 3次重复。100%和50%的覆盖量(干重)分别为8.42 t hm^-2和4.21 t hm^-2。播种密度为8.25万株 hm^-2, 2012年试验于5月11日播种, 9月13日收获; 2013年试验于5月2日播种, 9月3日收获。试验地土壤为沙壤土, 含有机质13.8 g kg^-1、全氮1.1 g kg^-1、碱解氮75.0 mg kg^-1、速效磷40.8 mg kg^-1、速效钾140.6 mg kg^-1, pH 8.6。小区面积4.8 m×5.0 m, 每小区8行。播种时分别施纯氮225 kg hm^-2、P₂O₅173 kg hm^-2、K₂O 150 kg hm^-2, 在拔节期和大喇叭口期追施纯氮172.5 kg hm^-2。播种后喷洒除草剂异丙草•莠, 玉米生长期人工除草。
图1
Fig. 1

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	图1 玉米深松种植行和秸秆覆盖行设置Fig. 1 Field layout of rows for maize sowing, subsoiling and straw mulching

1.2 测定项目与方法1.2.1 土壤含水量 于苗期、拔节期、开花期、收获期, 在秸秆覆盖行用土钻取土烘干法测定土壤含水量, 每小区3次重复。苗期因根系分布浅, 取0~40 cm土壤, 其余时期取0~80 cm, 每20 cm为一层, 测定该层的平均土壤含水量。
1.2.2 土壤温度 在播种后将金属地温计放置于各处理秸秆覆盖行中, 于播种、苗期、拔节期、大喇叭口期、开花期、花后20 d、收获期记录5 cm、10 cm、15 cm、20 cm土层8:00、12:00、14:00、20:00的温度, 计算其平均值, 每小区3次重复。
1.2.3 出苗质量 苗期从各小区取3个点, 每点取5 m长的双行样段, 计数样段内的植株, 计算大田出苗率。在玉米三叶期, 从各小区取3个点, 每点连续测定10株玉米的株高。苗期株高整齐度计算公式为: 整齐度= 1/ CV_株高^{[ 19]}。
1.2.4 玉米生长 在苗期、拔节期、大喇叭口期、开花期、花后20 d、收获期记录日期, 并从各小区取长势一致3棵植株, 将植株按照茎、叶、鞘、苞叶、穗, 在105℃下杀青30 min, 80℃下烘干至恒重, 并称重。
1.2.5 产量及产量构成 收获前调查小区内的空秆率、双穗率、穗数, 从每小区收获30穗进行考种, 按籽粒含水量为14%折算籽粒产量。
1.3 数据处理与分析采用Microsoft Excel 2010整理数据, SPSS 20.0进行方差分析和相关分析, 采用Sigmaplot 12.0作图。本文各数据为2012年和2013年的加权平均值。

2 结果与分析2.1 秸秆覆盖对土壤水温效应的影响2.1.1 秸秆覆盖对土壤含水量的影响 由图2可知, 随着土层加深, 含水量有逐渐提高的趋势, 秸秆覆盖处理各层的土壤含水量均高于CK, 20~60 cm土层保墒效果更为明显, 在这4个时期中, 拔节期时各处理间的差异最为明显, 各处理从播种至开花期各层的土壤含水量均逐渐升高, 至收获期有所下降。100SC在0~80 cm各层含水量最高, 各时期均高于其他处理, 在拔节期、开花期及收获期土壤含水量均表现为100SC>100SP>50SC>50SP。
图2
Fig. 2

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	图2 不同秸秆覆盖处理关键生育时期土壤含水量变化100SC: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100SP: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50SC: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50SP: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; CK: 无秸秆覆盖。Fig. 2 Soil moisture in different straw mulching treatments at main growth stages100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching.

图3
Fig. 3

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图3 不同秸秆覆盖在各生育时期不同土层的温度变化100SC: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100SP: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50SC: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50SP: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; CK: 无秸秆覆盖。I: 播种; II: 苗期; III: 拔节期; IV: 大喇叭口期; V: 开花期; VI: 花后20 d; VII: 收获期。Fig. 3 Soil temperature at different depths and growth stages in different straw mulching treatments100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching. I: sowing; II: seedling; III: jointing; IV: the 12th leaf; V: anthesis; VI: 20 d after anthesis; VII: harvesting.

2.1.2 秸秆覆盖对土壤温度的影响 各处理不同深度的土壤温度动态变化见图3。与5 cm土层相比, 各处理10 cm温度均升高, 15 cm以下土层温度降 低。各层温度在开花期趋于平稳或下降, 花后20 d时温度回升, 至收获期又下降, 呈近似“M”形的趋势, 且各处理在收获期随着覆盖秸秆长时间腐解而土壤温度趋于一致。秸秆覆盖降温效应从播种到拔节在5 cm、10 cm、15 cm土层较明显, 随着土层加深, 降温效应逐渐降低, 其中5 cm土层的降温效应在各层中最明显: 100SC平均降温2.41℃, 100SP平均降温4.52℃, 50SC平均降温2.14℃, 50SP平均降温3.18℃, 各层降温幅度最大的处理为100SP, 除拔节期5 cm土层外, 50SC在同层中降温幅度最小, 维持在0.32%~15.78%。
2.2 秸秆覆盖对玉米生长发育的影响2.2.1 对出苗质量的影响 由表1可知, 各覆盖处理的出苗率均有所降低, 比CK平均降低5.37%, 除50SP外, 其余覆盖处理均显著低于CK, 说明秸秆覆盖在一定程度上影响了出苗率, 使出苗率降低。从株高整齐度看, 各覆盖处理均提高, 其中100SC、100SP、50SC显著高于CK, 分别提高51.38%、54.84%、37.37%, 说明仅在宽行覆盖秸秆, 窄行的苗带深松而无秸秆覆盖虽然导致出苗率在一定程度上的降低, 但保证了出苗整齐度。
2.2.2 对生育时期和干物质积累的影响 从图4可知, 秸秆覆盖处理与CK相比均延长了全生育期。覆盖处理100SC和100SP的苗期天数比CK推迟1 d, 50SC和50SP与CK一致, 开花期各处理比CK推迟1~2 d, 总天数比CK推迟3~6 d, 总体看来, 50%覆盖量的处理比100%覆盖量处理推迟的天数少。
图5中, 各处理干物质积累(DMA)随出苗后天数的增加呈近似S型增长的趋势。从0到60 d左右(开花期)各处理DMA差异不明显, 在81 d时, 各覆盖处理的DMA显著高于CK, 比CK提高11.85%~ 23.52%。在118 d (收获期) 100SC、50SC的干物质积累高于CK, 分别比CK提高了1.76%、16.92%。说明SC这种覆盖方式在100%和50%两个覆盖量下都能促进花后积累, 提高收获期地上部生物产量。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 不同秸秆覆盖处理的出苗质量 Table 1 Emergence quality of different straw mulching treatments 处理 Treatment 出苗率Emergence rate (%) 整齐度 Uniformity % 相对值1) Relative value1) % 相对值 Relative value 100%粉碎 100SC 85.84 b -6.05 10.13 a 51.38 100%整秆 100SP 86.07 b -5.80 10.36 a 54.84 50%粉碎 50SC 86.09 b -5.79 9.19 b 37.37 50%整秆 50SP 87.85 ab -3.85 6.76 c 1.02 对照 CK 91.37 a ─ 6.69 c ─ Values within the same column followed by different lowercase letters are significantly different at 5% probability level.1): Relative values equal to ratio of the difference between each mean value with CK and CK. 100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching. 同一栏内标有不同小写字母的均值间差异显著( P<0.05)。1): 各处理均值都与对照比较得到相对值。100%粉碎: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100%整秆: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50%粉碎: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50%整秆: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; 对照: 无秸秆覆盖。

表1 不同秸秆覆盖处理的出苗质量 Table 1 Emergence quality of different straw mulching treatments

图4
Fig. 4

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	图4 不同秸秆覆盖处理生育时期天数100SC: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100SP: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50SC: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50SP: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; CK: 无秸秆覆盖。Fig. 4 Durations of growth stage of different treatments100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching.

图5
Fig. 5

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图5 不同秸秆覆盖处理干物质积累随出苗后天数的动态变化100SC: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100SP: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50SC: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50SP: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; CK: 无秸秆覆盖。Fig. 5 Dynamic changes of dry matter accumulation in different straw mulching treatments with the increase of days after emergence100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching.

2.2.3 对各阶段干物质积累的影响 各处理花前DMA差异不显著, 而差异主要表现在后期及全生育期(表2)。花后100SC和50SC的DMA均高于CK, 且50SC显著高于其他各处理, 比CK提高35.56%; 全生育期DMA与花后表现一致, SC的两覆盖量处理均高于CK, 其中50SC显著高于其他各处理, 比CK提高16.92%。100SC、100SP和50SC均提高了花后DMA占全生育期的比例, 且花后/花前DMA也高于CK, 说明这3个处理在花前DMA虽然没有优势, 但在花后弥补了干物质积累, 甚至高于CK, 其中50SC显著高于其他处理, 花后/花前DMA>2, 说明50SC在花后的干物质积累高于花前2倍以上, 即有利于干物质在花后阶段的积累。
2.3 秸秆覆盖对产量的影响2.3.1 产量及产量构成 表3表明, 各处理产量均达到10 000 kg hm^-2以上, 100%覆盖量处理的单位面积穗数较高, 而50%覆盖量处理的穗粒重较高, 各处理的穗粒数差异不大。其中50SC的千粒重、穗粒重、产量、收获指数均高于其他处理, 其中产量比CK提高了4.78%, 而其余处理的产量均低于CK, 且显著低于50SC。千粒重和穗粒重显著高于CK。50SP的千粒重和穗粒重虽然与50SC差异不显著, 但是其单位面积穗数显著低于其余处理, 比CK低4.17%, 所以其产量较低。
由表3可知, 覆盖量单一因素对产量的影响达到极显著水平, 覆盖量和覆盖方式互作对产量有极显著影响; 覆盖量分别对千粒重和穗粒重有极显著影响, 覆盖方式对千粒重有极显著影响, 对收获指数有显著影响, 覆盖量和覆盖方式互作对千粒重有极显著影响, 对收获指数有显著影响。因此秸秆覆盖对千粒重的效应最为明显。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 秸秆覆盖处理对不同阶段干物质积累(DMA)的影响 Table 2 Effects of straw mulching treatments on dry matter accumulation (DMA) during different stages 处理 Treatment 花前DMA Pre-anthesis DMA 花后DMA Post-anthesis DMA 全生育期DMA Whole period DMA 花前/全生育期DMA Pre-anthesis/whole period DMA 花后/全生育期DMA Post-anthesis/whole period DMA 花后/花前DMA Post-/pre-anthesis DMA (t hm-2) (%1)) (t hm-2) (%) (t hm-2) (%) (t t-1) (%) (t t-1) (%) (t t-1) (%) 100%粉碎 100SC 9.61 a -4.69 16.80 b 5.86 26.42 b 1.76 0.363 ab -7.02 0.637 ab 4.48 1.80 b 14.30 100%整秆 100SP 9.41 a -6.70 15.67 b -1.29 25.08 b -3.39 0.374 a -3.96 0.626 b 2.53 1.67 b 6.40 50%粉碎 50SC 8.83 a -12.41 21.52 a 35.56 30.35 a 16.92 0.293 b -24.94 0.707 a 15.94 2.47 a 57.05 50%整秆 50SP 11.09 a 9.95 14.62 b -7.89 25.71 b -0.96 0.431 a 10.59 0.569 b -6.77 1.34 b -14.98 对照 CK 10.09 a ─ 15.87 b ─ 25.96 b ─ 0.390 a ─ 0.610 b ─ 1.57 b ─ Values within the same column followed by different lowercase letters are significantly different at 0.05 probability level.1): Relative values equal to ratio of the difference between each mean value with CK and CK. 100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching. 同一栏内标有不同小写字母的均值间差异显著( P<0.05)。1): 各处理均值都与对照比较得到相对值。100%粉碎: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100%整秆: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50%粉碎: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50%整秆: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; 对照: 无秸秆覆盖。

表2 秸秆覆盖处理对不同阶段干物质积累(DMA)的影响 Table 2 Effects of straw mulching treatments on dry matter accumulation (DMA) during different stages

表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 秸秆覆盖处理对产量及产量构成的影响 Table 3 Effects of straw mulching treatments on yield and yield components 处理 Treatment 穗数 Ear number (×104 No. hm-2) 穗粒数 Grain number per ear 千粒重 1000-kernel weight (g) 穗粒重 Kernel weight per ear (g) 产量 Yield (kg hm-2) 收获指数 Harvest index 100%粉碎 100SC 8.0 a 471 a 317.7 bc 144.8 d 11325 b 0.514 b 100%整秆 100SP 7.7 ab 482 a 316.7 bc 152.5 cd 11557 b 0.509 b 50%粉碎 50SC 7.4 b 479 a 344.4 a 174.3 a 12243 a 0.541 a 50%整秆 50SP 6.9 d 478 a 334.2 ab 169.2 ab 11504 b 0.457 c 对照 CK 7.2 c 470 a 310.6 c 163.7 bc 11685 ab 0.518 ab 产量及产量构成显著性分析( F值) Interaction analysis of yield and yield components ( F-value) 覆盖量 Mulching rates (MR) 83.070** 0.015 85.661** 22.832** 21.065** 1.951 覆盖方式 Mulching methods (MM) 0.100 0.068 20.201** 0.325 0.775 7.370* 覆盖量×覆盖方式 MR× MM 4.486 0.095 10.438** 0.816 20.418** 5.589* Values within the same column followed by different lowercase letters are significantly different at 0.05 probability level.* P<0.05,** P<0.01. 100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching. 同一栏内标有不同小写字母的均值间差异显著( P<0.05),* P<0.05,** P<0.01。100%粉碎: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100%整秆: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50%粉碎: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50%整秆: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; 对照: 无秸秆覆盖。

表3 秸秆覆盖处理对产量及产量构成的影响 Table 3 Effects of straw mulching treatments on yield and yield components

2.3.2 相关性分析 由图6可知, 各处理的产量与全生育期DMA、花后/花前DMA呈正相关。其中100SC、50SC的全生育期DMA与产量呈极显著正相关( P<0.01), 各处理的花后/花前DMA与产量呈极显著正相关( P<0.01)。这进一步说明在该试验条件下各处理的干物质积累及花后干物质积累与花前之比均正向影响产量。
图6
Fig. 6

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图6 不同秸秆覆盖处理全生育期干物质积累及其花后/花前的比值与产量的相关性100SC: 覆盖量为100%, 秸秆粉碎覆盖; 100SP: 覆盖量为100%, 秸秆直接压倒覆盖; 50SC: 覆盖量为50%, 秸秆粉碎覆盖; 50SP: 覆盖量为50%, 秸秆直接压倒覆盖; CK: 无秸秆覆盖;* P<0.05,** P<0.01。Fig. 6 Relationship of whole period dry matter accumulation and their post-/pre-anthesis ratios with yields in different straw mulching treatments100SC: 100% chopped straw mulching; 100SP: 100% prostrated straw mulching; 50SC: 50% chopped straw mulching; 50SP: 50% prostrated straw mulching; CK: without any straw mulching.* P<0.05,** P<0.01.

3 讨论免耕秸秆覆盖是中国北方玉米种植区有效的保墒增产措施, 不同秸秆覆盖方式直接影响作物的土壤水温环境。秸秆覆盖因其减少蒸发和增加入渗的效应, 使土壤含水量提高^{[ 20]}, 且随覆盖量的增加而有不断提高的趋势^{[ 21]}。在本研究条件下, 各秸秆覆盖处理均提高了各层土壤含水量, 在0~40 cm土层, 同种覆盖方式下, 都表现出高量覆盖的含水量高于低量覆盖。100%覆盖量下粉碎秸秆处理的各土层含水量均高于整秸秆处理, 因为玉米秸秆覆盖均匀度与保水效果成正比^{[ 22]}, 高覆盖量下粉碎处理较整秸秆处理的覆盖均匀度更高, 保水效果更好。在各时期中, 覆盖处理对拔节期土壤含水量的影响最大, 对于20~60 cm土层的含水量提高幅度最大, 因为拔节期宽覆盖行玉米冠层未封行, 裸地部分土壤无效水分蒸发量最大, 因此各秸秆覆盖处理此时的保水效果最明显, 蔡太义等^{[ 23]}的研究也表明玉米的拔节期秸秆覆盖处理与对照的水分差异在全生育期最大。对于土壤温度, 在秸秆覆盖条件下显著低于不覆盖处理, 且温度降幅随秸秆覆盖量的增加而增加^{[ 24]}, 秸秆的这种降温效应主要表现在前期, 即在行内郁闭前, 秸秆因遮挡了近地面辐射而降低土壤温度^{[ 25]}。本研究中土壤温度降低也主要表现在从播种到拔节的5 cm、10 cm、15 cm土层, 降温效应在覆盖量处理的表现为50%处理<100%处理, 覆盖方式处理为SC处理[ 26], 因此50SC既能保证土壤含水量的提高又减小了秸秆覆盖的降温效应, 为玉米生长前期提供了良好的土壤水温环境。
秸秆覆盖在较高的覆盖量下降低出苗质量, 表现在出苗率和苗期株高整齐度2个方面。秸秆覆盖降低出苗率的主要原因是秸秆对出苗造成障碍, 即使出苗时真叶出土正常, 可能也存在无法冲破秸秆覆盖层的问题^{[ 27]}。不同的秸秆覆盖方式和覆盖量都会影响出苗, 无论玉米秸秆粉碎覆盖或立秆直播处理, 出苗率都比传统耕作方式降低10%以上^{[ 28]}。秸秆覆盖量与出苗率间的二次关系表现为覆盖量增大到一定程度后, 出苗率显著降低。本研究中宽行秸秆覆盖条件下各处理的出苗率仍有一定程度的降低, 但最低的处理仅降低6%, 因为苗带40 cm范围内均没有秸秆覆盖, 仅有宽行一侧覆盖对苗带有秸秆阻碍的影响。由于前期保水效果明显, 秸秆覆盖处理含水量的提高保证了玉米出苗时的水分需求, 提高了玉米出苗的整齐度, 其中因100SC、100SP和50SC的含水量较50SP高, 其对整齐度的促进作用更加明显。因此利用玉米秸秆覆盖与苗带深松耕作交错设置的方式, 因苗带一侧无秸秆影响出苗, 与前人的研究相比缓和了秸秆对玉米出苗的物理阻碍作用, 出苗质量受秸秆的影响降低, 保证了玉米前期的正常生长发育。
许多研究表明秸秆覆盖的低温效应使玉米苗期的生育期延缓^{[ 29]}, 导致出苗推迟或收获期推迟。秸秆覆盖由于低温和物理阻碍等因素, 影响玉米的生长发育, 甚至出现减产的效应^{[ 30]}。本研究中春玉米播种较迟, 出苗时日均温度在15℃以上(数据未列出), 因此除100SP外, 其余处理的苗期地温均与CK差异不显著。100%覆盖量下的两处理苗期天数与CK相差1 d, 在收获期相差3~6 d, 因此覆盖处理对玉米生育进程影响较小。已有研究表明秸秆覆盖能够增加玉米抽雄期后的叶面积指数, 促进植株生长发育^{[ 31]}。这与覆盖处理对土壤的水温效应有关, 玉米拔节前秸秆覆盖比不覆盖的土壤温度低, 生长发育较迟缓, 影响了前期的物质积累, 而拔节后秸秆覆盖提供了良好的土壤水温环境, 从而促进干物质积累向花后转化^{[ 17]}。本研究利用秸秆宽行间隔覆盖, 降低了秸秆对前期生长的物理阻碍影响, 50SC的低温效应在各覆盖处理中对玉米前期的影响最小, 且花后与CK土壤温度差异不显著, 在此基础上花后又具有明显的保墒效应, 因此虽然各处理在花前的干物质积累没有显著差异, 但50SC在花后保持较高的物质生产能力, 100SC因保墒优势最突出, 在花后的积累高于CK。粉碎覆盖处理花后干物质积累分别与全生育期、花前的比值都较高, 后期物质积累优势明显, 这也和Li等^{[ 32]}对秸秆覆盖应用于垄沟种植玉米的研究结果一致。各处理的全生育期DMA和花后/花前DMA均显著影响产量, 其中100SC和50SC对产量的影响达到极显著水平, 这也进一步说明花后良好的水温效应通过调节干物质的积累, 促进了产量的增加。从产量构成而言, 相比其他覆盖处理, 50SC有产量优势的主要原因是其产量构成中千粒重和穗粒重的提高, 即有利于收获指数的提高, 这也与其花后干物质积累的提高有关^{[ 33, 34]}。
关于玉米秸秆覆盖量对产量的影响, 在秸秆覆盖提高产量的基础上^{[ 35]}, 一些研究认为覆盖量与产量呈正比关系^{[ 36, 37]}。在本研究中, 同种覆盖方式下100SP和50SP之间产量没有差异, 甚至低于CK, 而50SC>100SC。因此只有适宜的覆盖量才能保证较高的粒重, 达到增产或稳产的目的, 过高的秸秆覆盖量与温度效应相互矛盾, 导致温度过低, 后期粒重较低, 反而低于无覆盖处理, 这与高飞等^{[ 38]}的研究结论一致。关于秸秆覆盖方式对产量影响, 李潮海等^{[ 39]}有关于小麦留茬方式对夏玉米生态影响的研究表明, 整秸秆立秆处理方式因其遮光效应不利于玉米前期的生长, 而粉碎秸秆处理则不存在遮光效应。本研究中100%覆盖量下的两处理之间产量无显著差异, 50%覆盖量下的产量为粉碎覆盖>整秸秆覆盖, 而且整秸秆覆盖处理的产量均低于对照, 这也是由于整秸秆覆盖方式的降温效应更大, 降低了单位面积穗数和粒重而影响产量的提高。与粉碎秸秆处理相比, 整秸秆覆盖的物理阻碍表现突出, 从而影响了前期的物质生产。因此, 高量覆盖虽对土壤保水更有利, 但半覆盖量粉碎秸秆在宽行间隔覆盖, 在保墒而不降温的基础上, 降低了对前期生长的物理机械阻碍, 并提高了物质生产在花后阶段的积累, 促进了产量的提高。关于该覆盖方式对土壤化学和微生物特性的影响有待进一步研究。
4 结论宽行覆盖窄行深松交错种植模式下, 覆盖带秸秆以4.34 t hm^-2的覆盖量粉碎处理, 能降低秸秆覆盖对玉米苗期的物理阻碍和低温效应, 保证春玉米的出苗质量, 提高土壤含水量, 并通过调节物质生产向花后阶段分配, 提高收获指数和粒重, 与不覆盖相比产量提高4.78%。这种春玉米种植方式在保墒的基础上, 实现了与深松的有机结合, 是一种新型的保护性耕作方式。在中国北方干旱半干旱地区与深松相结合的条件下, 采用秸秆粉碎半量覆盖的免耕措施, 对宽行覆盖窄行深松交错玉米种植方式有较好的应用前景。
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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