0 引言
【研究意义】改善土壤耕作方式和氮肥施用技术是同步提高作物产量和氮肥利用效率的重要措施[1-2]。研究耕作方式和肥料类型对玉米干物质积累与转运的影响,可更好地协调作物生长发育对肥料的需求与土壤氮肥供应,高效利用氮肥,增加产量,并实现环境友好。【前人研究进展】黄淮海平原夏玉米生长季高温多雨,农民习惯采用的传统施肥方式常将大部分的氮肥（60%）在玉米播种或生育前期施用,而多半常规速效化肥由淋失、挥发等途径损失掉,不仅造成资源浪费和环境污染[3],也常常使玉米生长发育后期发生脱肥早衰,导致不同程度的减产[4-5]。与常规化学肥料比,缓/控释肥具有肥效期长且稳定的特点,能源源不断地供给养分,一次施用能满足玉米在整个生育期对养分的需求,减少营养元素的损失,提高作物产量和肥料利用效率[5-7]。前人研究表明,施用玉米缓/控释肥比相应等养分含量的普通肥料处理增产7.6%—21.1%,土壤剖面硝态氮累积量降低20%—70%,降低了地下水硝态氮污染的生态风险[6, 8-9]。除了肥料类型,土壤耕作等栽培措施对作物生长发育及肥料利用效率也存在较大影响[2, 10-11]。在黄淮海平原,由于传统的耕作措施常采用机械灭茬加旋耕或免耕直播,常年机械压实导致土壤耕层变浅,容重增加,产生坚硬的犁底层,限制土壤水分、养分、气体的运动,抑制作物根系的生长[12-13],进而造成玉米的倒伏及产量降低[13-14]。深松耕作可以有效打破土壤犁底层,降低容重,增加孔隙度,提高土壤蓄水能力[15-16],为玉米生长创造适宜的土壤环境,增强植株根系从土壤中吸收水分和养分的能力,从而提高作物产量[17-18]。玉米产量是由植株干物质的积累分配与转移特性所决定的,提高干物质的生产能力及花后干物质向籽粒的转移能力是提高玉米籽粒产量的有效途径[19-21]。【本研究切入点】目前,关于耕作方式与缓/控释肥耦合对玉米水氮吸收利用及产量的影响已有部分报道[2,22],但缺乏从整个生育期干物质积累动态及花后物质转运与同化角度系统分析耕作方式与缓/控释肥耦合影响玉米产量的研究。【拟解决的关键问题】本研究通过田间试验比较了在灭茬旋耕、免耕直播和条带深松3种耕作方式下施用缓释肥对玉米干物质积累过程及花前、花后物质生产与转运的影响,并结合分析玉米叶面积指数动态及光合速率的差异进一步阐明耕作方式与缓释肥耦合的作用效果与增产机理,旨在为黄淮海区夏玉米高产高效生产提供理论依据和技术支撑。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2013—2014年在中国农业科学院河南新乡（37°41′02″N,116°37′23″E）试验基地进行。该区位于黄淮海平原区,属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温14℃,全年≥10℃积温4 647.2℃。年降水量573.4 mm,多在7、8月间,年日照时数2 323.9 h。试验地土壤为黏质壤土,0—20 cm土层有机质含量12.6 g·kg-1,速效氮61.2 mg·kg-1,速效磷16.2 mg·kg-1,速效钾110.0 mg·kg-1,pH 8.2。图1为2013年和2014年夏玉米生长季降雨量及温度状况。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12013—2014年夏玉米生长季日降雨量及平均温度变化
-->Fig. 1Daily precipitation (mm), and mean temperature (℃) during the growing seasons (June-September) of summer maize in 2013 and 2014
-->
1.2 试验设计
试验采用裂区设计,以耕作方式为主区,设免耕直播（N）,浅旋耕作（R）和条带深松（S）3个处理;以肥料类型为副区,设缓释肥270 kg N·hm-2一次性基施（slow release fertilizer,SRF）,常规施肥270 kg N·hm-2分次施用（conventional compound fertilizer,CCF,60%基施,40%拔节期追施）2个处理。免耕处理使用当地的农哈哈免耕播种机进行播种,一次作业同时完成播种及施种肥作业;浅旋处理利用卧式旋耕耙进行10—15 cm旋耕,后同免耕处理一样,使用农哈哈播种机进行播种、施种肥作业;条带深松处理采用中国农科院作物所与北京禾惠农科技有限公司共同研制的玉米推茬清垄精量播种机进行条带深松、精量播种及深施肥一体化作业,深松深度为25—30 cm,施肥深度为10 cm。试验用缓释肥由河南省心连心化肥有限公司生产,其N、P2O5、K2O 含量分别为30%、5%、5%,该肥料采用高分子网捕技术,控失率高,为作物持续不断提供养分;常规施肥处理由普通复合肥和尿素混合配制出与缓释肥处理等养分量的肥料。各处理磷、钾肥施用量相同,均为45 kg P2O5·hm-2和45 kg K2O·hm-2。选用郑单958为供试材料,于6月中旬播种,种植密度为60 000株/hm2,60 cm等行距种植,株距25 cm。小区面积为96 m2（4.8 m×20 m）,每小区种植8行,3次重复。其他管理措施同夏玉米高产田。在玉米达到生理成熟后收获,2013年收获期为9月28日,2014年收获期为9月26日。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 叶面积指数 于玉米拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、乳熟期（R3）、成熟期（R6）,田间活体测量5株叶面积,采用长宽系数法计算叶面积（0.75）,叶面积指数（LAI）=该土地面积上的总叶面积/土地面积。1.3.2 穗位叶净光合速率 在玉米开花期和成熟期,采用LI-6400光合测定系统（LI-COR,美国）,开放式气路,冠层穗位叶附近CO2浓度360—380 μmol·mol-1,应用系统LED光源补光,光量子通量为1 800 μmol·m-2·s-1。选择天气晴朗的10：00—12：00测定穗位叶中部上表面净光合速率,每处理测代表性植株10株。
1.3.3 干物质积累 于玉米拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、乳熟期（R3）、成熟期（R6）,每个小区取代表性植株3株,按不同器官（茎鞘、叶片、籽粒和穗轴）分开,105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重后测定干物重。
以播种后天数（t）为自变量,以播种后0、26 d（V6）、55 d（VT）、109 d（R6）（2013年）和0、27 d（V6）、43 d（V12）、53 d（VT）、76 d（R3）、106 d（R6）（2014年）测得单株地上部干重为因变量（W）,可用Logistic方程y=a/(1+be-cx)对干物质积累过程进行模拟[23]。对Logistic方程求一阶导数可得到玉米干物质积累速率方程。对Logistic方程求二阶导数,并令其为0,可得两个拐点在t坐标上的值t1和t2,试验结束时间t3,确定干物质积累过程的3个阶段,分别为渐增期（0—t1）、快增期（t1—t2）和缓增期（t2—t3）。并求出各阶段持续时间（T）和平均干物质积累速率（Gmean）。
1.3.4 干物质转运 相关参数计算参照参考文献[24]。干物质转运量（kg·hm-2）=开花期营养器官干重-成熟期营养器官干重;干物质转运效率（%）=干物质转运量/开花期营养器官干重×100;转运干物质对籽粒的
贡献率（%）=干物质转运量/粒重×100。
1.3.5 测产、考种 每小区去掉两侧边行和每行两端各五株后,调查相应的空秆数、双穗数;测定全部收获穗的穗鲜重、穗数;选取样本穗20穗（误差小于0.1 kg）,风干后脱粒,称重,测定含水量,换算成14%含水量的重量,进而折合成公顷产量;另外选取20穗进行考种。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理,采用SPSS 16.0统计软件进行方差分析和多重比较,利用SigmaPlot 10.0软件作图。2 结果
2.1 土壤耕作与施肥方式对夏玉米叶面积指数（LAI）的影响
由图2可以看出,相同耕作方式下,施用缓释肥处理（SRF）和常规施肥处理（CCF）开花前（V6和V12）叶面积指数（LAI）差异不显著,开花至成熟期SRF处理LAI显著高于CCF处理。开花期各处理LAI达最大值,3种耕作方式下SRF处理LAI均显著高于CCF处理,2013年增幅分别为10.3%（R）、12.7%（N）和14.7%（S）,2014年增幅分别为8.7%（R）、8.4%（N）和12.1%（S）。不同耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理开花期LAI分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。各处理中,以条带深松耕作下SRF处理开花期LAI最高,显著高于其他处理,2013年增幅为6.6%—23.2%,2014年增幅为8.6%—21.0%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同处理夏玉米群体叶面积指数（LAI）动态
A,B：旋耕;C,D：免耕直播;E,F：深松;CCF：常规肥;SRF：缓释肥。下同
-->Fig. 2Leaf area index (LAI) of summer maize under different tillage practices and fertilizations
A, B: Rototilling; C, D: No-tillage; E, F: Sub-soiling; CCF: 270 kg N·hm-2 conventional compound fertilizer; SRF: 270 kg N·hm-2 slow release fertilizer. The same as below
-->
开花至成熟期,各处理LAI均逐渐降低,同一耕作方式下SRF处理LAI降幅显著低于CCF处理,条带深松耕作下二者差异达最大。2013年,3种耕作方式下,CCF处理LAI降幅分别为51.1%（R）、50.9%（N）和48.6%（S）;SRF处理LAI降幅分别为47.7%（R）、46.4%（N）和41.7%（S）。2014年,3种耕作方式下,CCF处理LAI降幅分别为62.2%（R）、62.6%（N）和57.3%（S）;SRF处理LAI降幅分别为57.6%（R）、57.1%（N）和51.1%（S）。3种耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理成熟期LAI降幅分别显著低于浅旋和免耕条件下相应处理的降幅。各处理中,以条带深松耕作下缓释肥处理开花至成熟期LAI降幅最小,LAI值最大,2013年高于其他处理16.0%—46.9%,2014年高于其他处理20.3%—47.9%。
2.2 土壤耕作与施肥方式对夏玉米穗位叶净光合速率的影响
由图3可以看出,开花期和成熟期穗位叶光合速率均不同程度受到施肥和耕作方式的影响。开花期,3种耕作方式下,2013年SRF处理光合速率分别比CCF处理高6.2%（R）、8.7%（N）和7.5%（S）;2014年SRF处理光合速率分别比CCF处理高4.4%（R）、5.3%（N）和6.6%（S）。各处理中,以条带深松耕作下SRF处理开花期穗位叶光合速率最高,2013年比其他处理高3.3%—12.1%,2014年比其他处理高2.4%—8.3%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同处理夏玉米开花期（A, B）和成熟期（C, D）穗位叶净光合速率
R：浅旋耕作;N：免耕直播;S：条带深松。不同小写字母表示处理间5%水平上的差异显著
-->Fig. 3Photosynthetic rate of summer maize ear leaf at silking (A, B) and maturity (C, D) stages under different tillage practices and fertilizations
R: Rototilling; N: No-tillage; S: Sub-soiling. Different letters in the same line indicated the significant difference at 5% level
-->
开花至成熟期,各处理穗位叶光合速率均显著下降,而施用缓释肥可以延缓后期穗位叶光合速率下降,其降幅显著低于常规施肥处理,且在条带深松耕作下二者差异最大。2013年,3种耕作方式下,CCF处理成熟期穗位叶光合速率降幅分别为66.7%（R）、65.9%（N）和62.8%（S）;SRF处理成熟期穗位叶光合速率降幅分别为61.9%（R）、59.2%（N）和54.8%（S）。2014年,3种耕作方式下,CCF处理成熟期穗位叶光合速率降幅分别为65.7%（R）、65.6%（N）和62.1%（S）;SRF处理成熟期穗位叶光合速率降幅分别为61.5%（R）、58.8%（N）和52.2%（S）。各处理中,以条带深松耕作下SRF处理成熟期穗位叶光合速率降幅最小,光合速率值最高,2013年较其他处理高14.5%—52.3%,2014年较其他处理高18.7%—50.8%。
2.3 土壤耕作与施肥方式对夏玉米干物质积累动态的影响
由图4可以看出,相同耕作方式下,SRF和CCF处理拔节（V6）至开花期（VT）干物质积累量没有明显差异,而开花至成熟期SRF处理干物质积累量显著高于CCF处理。3种耕作方式下,2013年SRF处理花后干物质积累量分别比CCF处理高13.0%（R）、12.7%（N）和18.7%（S）;2014年SRF处理花后干物质积累量分别比CCF处理高8.9%（R）、11.7%（N）和15.3%（S）。不同耕作方式比较,各处理花前干物质积累量没有明显差异,条带深松耕作下CCF和SRF处理的花后干物质积累量分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,而浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。各处理中,以条带深松耕作下缓释肥处理（S- SRF）花后干物质积累量显著高于其他处理,2013年增幅为12.5%—30.0%,2014年增幅为14.3%—27.8%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同处理夏玉米干物质积累动态
A,B：浅旋耕作;C,D：免耕直播;E,F：条带深松;DM：干物质积累量;DMR：干物质积累速率
-->Fig. 4Dry matter accumulation of summer maize under different tillage practices and fertilization
A, B: Rototilling; C, D: No-tillage; E, F: Sub-soiling; DM: Dry matter accumulation; DMR: Dry matter accumulated rate
-->
成熟期（R6）,3种耕作方式下,2013年SRF处理成熟期总干物质积累量分别为18 875.7 kg·hm-2（R）、19 022.6 kg·hm-2（N）和20 627.7 kg·hm-2（S）,分别高于CCF处理9.5%、11.7%和12.3%;2014年SRF处理成熟期干物质积累量分别为16 968.1 kg·hm-2（R）、16 666.6 kg·hm-2（N）和18 551.6 kg·hm-2（S）,分别高于CCF处理7.8%、10.7%和13.3%。不同耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理的总干物质积累量分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,而浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。各处理中,以条带深松耕作下SRF处理总干物质积累量显著高于其他处理,2013年增幅为8.4%—21.1%,2014年增幅为9.3%—21.0%。
根据干物质积累速率变化,可将干物质积累过程分为3个时期,即渐增期,快增期和缓增期（表1）。由表1可以看出,3种耕作方式下SRF处理和CCF处理的干物质积累3个时期的持续时间均无显著差异,而SRF处理快增期和缓增期的平均积累速率显著高于CCF处理。快增期,3种耕作方式下SRF处理平均积累速率两年分别比CCF处理高7.3%和5.3%,8.6%和15.2%,7.1%和17.8%;缓增期,3种耕作方式下SRF处理平均积累速率两年比CCF处理高10.5%和33.6%,10.7%和12.1%,19.6.%和21.7%。不同耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理的缓增期持续时间显著高于免耕和浅旋耕作下的相应处理。
Table 1
表1
表1不同处理夏玉米干物质积累阶段特征
Table 1Dry matter accumulation stage characteristics of summer maize under different tillage practices and fertilizations
| 年份 Year | 处理 Treatment | 渐增期Early stage | 快增期Fast stage | 缓增期Late stage | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 持续时间 Duration (d) | 积累速率 Accumulate rate (kg·hm-2·d-1) | 持续时间 Duration (d) | 积累速率 Accumulate rate (kg·hm-2·d-1) | 持续时间 Duration (d) | 积累速率 Accumulate rate (kg·hm-2·d-1) | |||||
| 2013 | 浅旋 Rotary tillage | CCF | 45.2 a | 83.7d | 22.2a | 460.6c | 41.7bc | 88.9c | ||
| SRF | 45.9a | 85.9bcd | 22.3a | 494.1b | 40.7cd | 98.2b | ||||
| 免耕 No-tillage | CCF | 45.4a | 84.2cd | 22.7a | 454.3c | 40.8cd | 91.5c | |||
| SRF | 46.1a | 87.3ab | 22.8a | 493.4b | 40.1d | 101.3b | ||||
| 条带深松 Sub-soil tillage | CCF | 44.8a | 86.8abc | 21.8a | 487.5b | 42.4ab | 91.0c | |||
| SRF | 46.5a | 90.0a | 22.9a | 522.0a | 43.6a | 108.8a | ||||
| 2014 | 浅旋 Rotary tillage | CCF | 40.7a | 83.2bc | 37.7a | 245.5d | 27.5c | 97.5e | ||
| SRF | 40.7a | 86.3ab | 38.0a | 258.5c | 27.4c | 130.3a | ||||
| 免耕 No-tillage | CCF | 39.9a | 82.6c | 35.5b | 250.6c | 30.6b | 103.3d | |||
| SRF | 40.5a | 85.8abc | 34.0b | 288.8b | 31.5b | 117.5b | ||||
| 条带深松 Sub-soil tillage | CCF | 40.4a | 85.7abc | 28.8c | 305.4b | 36.9a | 90.3f | |||
| SRF | 41.1a | 88.0a | 29.1c | 359.8a | 35.8a | 109.9c | ||||
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2.4 土壤耕作与施肥方式对夏玉米干物质转运的影响
由表2可知,不同施肥方式和耕作方式处理间花前干物质转运量差异显著。浅旋耕作下,SRF处理花前干物质转移量、转运率及其对籽粒的贡献率显著高于CCF处理,2013年增幅分别为44.9%、23.6%和42.2%,2014年增幅分别为65.3%、51.3%和41.1%。免耕条件下,SRF处理花前干物质转移量显著低于CCF处理,2013年分别降低42.3%、48.5%和68.9%,2014年分别降低34.9%、43.6%和30.1%。条带深松耕作下,SRF处理花前干物质转移量显著低于CCF处理,2013分别降低37%、40%和41.7%,2014年分别降低33.9%、49.2%和60.4%。Table 2
表2
表2不同处理夏玉米营养器官干物质向籽粒的转运
Table 2Dry matter translocation from vegetative organ to grain of summer maize under different tillage practices and fertilizations
| 处理 Treatment | 2013 | 2014 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 花前转移量 Translocation amount (kg·hm-2) | 转运率 Transportation efficiency (%) | 贡献率 Contribution rate (%) | 花后同化量 Post-silking accumulation | 花前转移量 Translocation amount (kg·hm-2) | 转运率 Transportation efficiency (%) | 贡献率 Contribution rate (%) | 花后同化量 Post-silking accumulation | |||
| 浅旋 Rotary tillage | CCF | 1643.6c | 20.8c | 16.6c | 7628.1c | 1079.6d | 15.2d | 14.1d | 7410.2b | |
| SRF | 2381.5a | 25.7b | 23.6a | 7469.3c | 1784.2b | 23.0b | 20.9b | 7476.9b | ||
| 免耕 No-tillage | CCF | 1577.4c | 19.9c | 16.7c | 7541.5c | 2311.0a | 32.3a | 25.5a | 6057.8c | |
| SRF | 1108.3d | 13.4d | 11.1e | 8693.2b | 1712.7b | 22.5b | 19.6b | 7721.5b | ||
| 条带深松Sub-soil tillage | CCF | 2219.5b | 28.0a | 22.1b | 7353.8c | 1391.4c | 19.1c | 17.8c | 7558.5b | |
| SRF | 1620.6c | 20.0c | 15.6d | 9280.6a | 1039.5d | 12.8e | 11.1e | 9267.1a | ||
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花后干物质同化量也受施肥方式和耕作方式影响较大。浅旋耕作下,SRF处理与CCF处理花后干物质同化量无显著差异。免耕和条带深松耕作下,SRF处理花后干物质同化量显著高于CCF处理,两年增幅分别为15.3%和27.5%（N）,26.2%和22.6%（S）。
以上结果表明,浅旋耕作下缓释肥处理花前干物质转移量对籽粒的贡献占优势,而在免耕和条带深松耕作下缓释肥处理花后干物质同化量占优势。
2.5 土壤耕作与施肥方式对夏玉米产量及其构成因素的影响
由表3可知,不同耕作方式下,施用缓释肥处理玉米产量均显著高于常规施肥处理。在浅旋、免耕直播和条带深松耕作下,2013年SRF处理产量比CCF处理分别提高6.3%、7.5%和13.9%,2014年SRF处理产量比CCF分别提高9.1%、12.7%和15.2%。不同耕作方式比较,条带深松耕作下各处理的产量分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,而浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。各处理中,以条带深松下SRF处理产量显著高于其他处理,2013年增幅为10.7%—19.5%,2014年增幅为9.2%—23.2%。Table 3
表3
表3不同处理夏玉米产量及产量构成因素
Table 3Grain yield and yield components of summer maize under different tillage practices and fertilization
| 处理 Treatment | 2013 | 2014 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 穗数 Ear numbers (No./hm2) | 穗粒数 Kernels per ear | 千粒重 1000-kernel weight (g) | 产量 Yield (kg·hm-2) | 穗数 Ear numbers (No./hm2) | 穗粒数 Kernels per ear | 千粒重 1000-kernel weight (g) | 产量 Yield (kg·hm-2) | |||
| 浅旋 Rotary tillage | CCF | 6.02ab | 571.0a | 270.4e | 9271.7d | 5.56b | 588.4a | 265.6c | 8489.8d | |
| SRF | 6.08a | 576.2a | 281.5cd | 9851.7b | 5.58b | 593.3a | 284.1b | 9261.1bc | ||
| 免耕 No-tillage | CCF | 5.84de | 568.3a | 275.0de | 9118.9e | 5.53b | 586.1a | 266.7c | 8368.8d | |
| SRF | 5.94bc | 569.6a | 289.8c | 9801.5b | 5.62b | 584.5a | 287.4b | 9434.2b | ||
| 条带深松 Sub-soil tillage | CCF | 5.89cd | 571.7a | 296.5b | 9573.3c | 5.72a | 583.0a | 280.3b | 8949.9c | |
| SRF | 5.82e | 573.0a | 319.6a | 10901.2a | 5.75a | 591.3a | 308.4a | 10306.6a | ||
| 变异来源Source of variation | ||||||||||
| 耕作方式Tillage (T) | 31.043* | 7.176ns | 50.063* | 249.094* | 24.051* | 20.354* | 5.284* | 128.386* | ||
| 肥料类型Fertilizer (F) | 3.007ns | 5.613ns | 33.852* | 896.552* | 2.062ns | 9.912ns | 75.136** | 562.125** | ||
| T×F | 0.272ns | 1.051ns | 2.135ns | 67.944** | 0.365ns | 0.455ns | 4.116* | 16.566** | ||
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产量构成因素中,千粒重受肥料和耕作方式处理影响较大。不同耕作方式下,SRF处理千粒重均显著高于CCF处理。在浅旋、免耕直播和条带深松耕作下,2013年SRF处理千粒重比CCF处理分别提高4.1%、5.4%和9.6%,2014年SRF处理千粒重比CCF分别提高5.0%、7.8%和10.1%。不同耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理的千粒重分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,而浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。
穗数受肥料处理影响较小,受耕作方式影响较大。CCF处理和SRF处理穗数在各耕作方式下均没有显著差异。不同耕作方式比较,条带深松耕作下CCF和SRF处理的穗数分别显著高于浅旋和免耕条件下相应处理,而浅旋和免耕条件下各相应处理之间差异不显著。
穗粒数受肥料和耕作方式处理影响较小,各处理之间穗粒数均没有明显的差异。
3 讨论
氮是作物产量形成的重要限制因子[25],氮肥施用不当,不仅导致作物产量和氮肥利用率下降,且会引发一系列的环境问题[26-27]。近年来,中国在提高化肥利用率方面取得了一些成果,如氮肥深施、以水带肥、平衡施肥等技术[28-29]。然而,在提高肥料利用率的同时,能够显著增加玉米产量的能力还有待进一步提高[30]。缓/控释肥料的应用既能满足作物对养分的需求,提高作物产量,也能够降低肥料损失,显著提高肥料利用效率[5-6, 8-9]。本研究中,与常规肥料处理比,施用缓释肥处理夏玉米的产量显著提高。除了肥料类型,土壤耕作等栽培措施对作物生长发育及氮肥利用效率也存在较大影响[2, 10-11]。本研究比较了传统免耕、浅旋和条带深松耕作的作用效果,结果表明条带深松耕作处理玉米产量显著高于免耕和浅旋耕作,且在条带深松耕作下,缓释肥处理产量增幅最大,其次为免耕耕作,浅旋耕作下增幅最小。耕作方式与施肥方式耦合各处理中,以条带深松与缓释肥互作处理产量最高。从产量构成因素看,施用缓释肥通过增加千粒重,条带深松耕作通过增加收获穗数达到了增加产量的目的。2013年玉米开花期遇到高温干旱的天气,玉米授粉受到影响,穗粒数较低,但由于及时进行了灌水补救,保证了较高的千粒重,因此产量没有显著降低;而2014年玉米开花期前后遇到阴雨寡照的天气,影响玉米正常授粉,且没有良好的补救措施,因此玉米收获穗数和千粒重均较低,与2013年比产量下降显著。作物生育期内干物质的积累是产量形成的基础,干物质积累的水平决定了最终籽粒产量的高低[31-33]。本研究中,缓释肥处理玉米总干物质积累量2013年和2014年均显著高于常规施肥处理。另外,条带深松耕作处理玉米干物质积累量显著高于免耕和浅旋耕作,且条带深松与缓释肥互作处理干物质积累量显著高于其他处理。研究表明,禾谷类作物经济产量主要依赖于开花后到成熟期的光合代谢产物积累[34-35]。本研究中,与常规施肥和土壤耕作方式比,缓释肥和条带深松耕作处理拔节至开花期干物质积累量没有显著增加,而二者开花至成熟期干物质积累量分别显著高于常规施肥和其他土壤耕作处理,且条带深松与缓释肥互作处理花后干物质积累量显著高于其他处理。说明施用缓释肥和条带深松耕作及其二者的有机结合均有利于玉米干物质的积累,尤其是花后干物质积累。进一步研究表明,干物质积累量取决于其积累速率和积累持续期的长短[36-37]。本研究中,玉米生育前期（渐增期）缓释肥处理和常规施肥处理干物质积累速率和持续期均无明显差异,而中后期（快增期和缓增期）缓释肥处理干物质积累速率显著高于常规施肥处理,二者持续期无明显差异。条带深松耕作显著提高玉米中期（快增期）干物质积累速率和后期（缓增期）持续时间。条带深松耕作与缓释肥耦合通过提高玉米中后期干物质积累速率和持续时间实现生育期总干物质积累量的增加。
作物籽粒中干物质积累主要来源于开花前营养器官贮存同化物转移到籽粒中的部分和开花后的同化产物[38]。本研究表明,与常规施肥处理比,浅旋耕作下缓释肥处理玉米花前干物质转移量及其对籽粒的贡献率显著提高,而在免耕和条带深松耕作下显著下降。然而,有研究表明玉米营养器官干物质转运对籽粒的贡献率不易过高,超过20%会导致叶片早衰,影响后期光合生产,进而明显影响产量的提高[39]。本研究中浅旋耕作下缓释肥处理营养器官干物质转移量对籽粒的贡献率大于20%,而免耕和条带深松耕作下均在20%以下。说明免耕和条带深松耕作与缓释肥耦合更利于协调玉米籽粒灌浆期源库平衡,也进一步验证了前人的研究结果。另外,与常规施肥处理比,免耕和条带深松耕作下缓释肥处理花后干物质同化量显著增加,且条带深松与缓释肥互作处理花后干物质同化量显著高于其他处理。说明条带深松与缓释肥耦合在促进花后干物质积累的同时,明显增加了花后干物质向籽粒的分配。
玉米干物质生产的绝大部分来自叶片的光合作用[20]。生育后期干物质积累多,说明花后光合生产能力强[40]。本研究发现,与常规耕作和施肥处理比,条带深松和施用缓释肥明显改善了玉米的光合性能,使得植株开花后仍然保持较高的叶面积指数和光合速率,且下降缓慢,有利于生产更多的光合产物。这主要是因为传统浅旋和免耕耕作常年的机械压实使土壤耕层变浅,产生坚硬的犁底层,影响作物根系的正常生长[11-12],且施用的常规化学肥料大量的淋失造成花后氮素不足[5],植株根系周围出现氮素亏缺,加速了花后植株衰老[4],进而导致花后光合物质生产能力下降[41]。而条带深松可以打破土壤犁底层,增加耕层深度,提高蓄水保墒能力,促进根系生长发育[11, 22]。同时,缓释肥根据玉米生长特性进行选择性释放,显著提高花后土壤氮素的供应能力[5-6],从而改善后期光合性能,延缓了叶片衰老[42-43]。条带深松满足了作物对氮素的空间要求,缓释肥满足了作物对氮素的时间要求,因此,条带深松与缓释肥耦合能够更好地实现土壤养分的时空高效管理,满足玉米对氮素的需求,实现玉米产量和氮素利用效率的同步提高。
4 结论
与常规耕作和施肥处理比,条带深松耕作和施用缓释肥明显改善了玉米的光合性能,使得植株开花后仍然保持较高的叶面积指数和光合速率,延缓玉米后期衰老,促进花后光合产物积累的增加及其向籽粒的转运,最终显著提高玉米产量。因此,在黄淮海夏玉米种植区,施用缓释肥并结合条带深松,可以更好地调控土壤的养分供应状况,实现土壤氮素供应与作物需氮的时空吻合,有助于实现夏玉米高产高效生态安全生产。The authors have declared that no competing interests exist.
