不同水分条件下玉米秸秆还田对小麦群体发育和干物质积累及产量的影响

张素瑜 , 王和洲, 杨明达, 贺德先

(1.河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，河南郑州 450002； 2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453003)



不同水分条件下玉米秸秆还田对小麦群体发育和干物质积累及产量的影响

张素瑜1, 王和洲2, 杨明达1, 贺德先1

(1.河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，河南郑州 450002； 2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453003)

为探究土壤水分与秸秆还田对小麦生长的交互作用，通过防雨棚微区控水试验，研究了不同土壤水分条件下玉米秸秆粉碎翻压还田对小麦群体数量、干物质积累、籽粒产量等的影响。结果表明，干旱条件下，小麦群体数量、叶面积指数、干物质积累量、成穗数和产量显著降低，最大根冠比出现时间推迟至开花期；与秸秆不还田(CK)相比，秸秆还田(RS)处理的群体最大茎数提高了8.5%，灌浆期根冠比增加 12.26%，但生育后期的叶面积指数显著降低，穗数、千粒重、产量和收获指数也分别下降5.10%、3.17%、15.46%和8.39%；轻旱和适宜水分条件下，根冠比在拔节期达到最大值，RS处理的群体最大茎数较CK增加12.04%～14.18%；拔节期根冠比显著增加，灌浆期则相反；RS处理的不孕小穗数减少了14.91%～18.98%，穗粒数和产量则分别提高9.18%～26.30%及5.76%～6.96%。在轻旱或适宜水分条件下，秸秆还田可以改善小麦群体质量，协调植株地上部与根系的生长，最终提高籽粒产量；而土壤干旱时不宜进行秸秆还田。

小麦；秸秆还田；土壤水分；群体发育；干物质积累；籽粒产量

秸秆资源是农业生产系统中重要的可再生资源和生物能源，黄淮海地区秸秆资源丰富且数量逐年增加，其中玉米秸秆占秸秆资源总量的37%[1]。农作物秸秆含有大量的碳、氮、磷、钾及多种微量元素，是重要的有机肥源，秸秆还田作为重要的耕作措施，对发展循环农业、实现农业可持续发展具有重要意义。研究表明，秸秆还田可提高接茬小麦的叶绿素含量及光合速率，减缓后期叶绿素的降解[2-3]；促进冬前及春季小麦分蘖[4]，增加干物质积累量[5]，提高小麦穗数[6]及穗粒数[4,7]，进而增加产量。秸秆的还田效果与耕作方式、施肥方式和数量及秸秆还田方式密切相关[8-11]。秸秆还田条件下，与常规耕作相比，深松处理的冬小麦产量提高了10.25%～10.43%，水分利用效率提高了4.36%～10.05%[8]。甄丽莎等[10]研究认为，秸秆还田配施氮磷肥或有机肥能够显著提高土壤全氮含量，显著增加土壤养分，获得较高产量。李 波等[9]研究表明，稻秸还田深度15 cm有利于小麦根系的生长及功能的提高，延缓植株衰老，增加产量。然而前人对不同土壤水分条件下秸秆还田效应的研究尚不多见[12-13]。有研究指出，秸秆覆盖还田后增产与否，与降水多少即水分年型关系密切[12-13]，这从另一个方面说明土壤水分状况与秸秆的还田效果直接相关，但玉米秸秆粉碎翻压还田在不同土壤水分条件下，秸秆还田效果如何，是否与相同水分状况下秸秆覆盖的还田效果一致，前人对此研究较少。另外，根系是植物生命活动中的重要器官，与植株生长和作物产量的形成密切相关，因而作物地上部和地下部生长发育及其相互关系一直是作物学研究的重要内容。有关土壤水分与小麦地上部和地下部生长的关系，前人已进行了研究[14-15]，但有关秸秆还田对小麦地上部和地下部生长发育及其相互关系的研究还不多见。鉴于此，本研究综合分析土壤水分含量与秸秆还田对小麦群体生长、地上部和地下部干物质积累及籽粒产量的影响，探究土壤水分与秸秆还田对小麦生长发育及产量形成的交互效应，以期为提高秸秆还田对小麦增产的效果提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验于2014年10月至2015年6月在河南省商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(34°34′N，115°33′E)移动式防雨棚下测坑中进行。测坑面积为6.6 m2(2 m×3.3 m)，坑内土层深1.5 m，四周用铁皮焊接以防水分侧渗。试验区土壤类型为潮土，土壤容重为1.34 g·cm-3，田间持水量(field moisture capacity, FMC)为30%。耕层土壤有机质含量为10.5 g·kg-1，全氮含量0.95 g·kg-1，速效氮含量53.8 mg·kg-1，速效磷含量27.5 mg·kg-1。

1.2试验材料

供试材料为黄淮麦区大面积推广种植的小麦品种百农矮抗58(国审麦2005008)。

1.3试验设计

试验采用裂区设计。主处理设玉米秸秆粉碎翻压还田(RS)和秸秆不还田(CK)两个水平，还田秸秆的长度约为5 cm，还田深度为20 cm，还田量约为9 000 kg·hm-2，还田的玉米秸秆中全氮含量为0.65%；副处理为土壤水分，设3种土壤水分含量，分别为田间持水量的50%～55%(干旱，D)、60%～65%(轻旱，SD)和70%～75%(正常，N)。共6个处理，重复4次。于2014年10月20日播种，每个测坑为一个小区，播种量为150 kg·hm-2，行距23 cm，9行区。试验区四周设保护行。N、P2O5、K2O施用量分别为240、100和100 kg·hm-2，其中50%氮肥和全部磷、钾肥作为基肥施入，另外的50%氮肥在拔节期随浇水施入。其他管理同一般高产田，并于灌浆初期在试验区外围布置防鸟网。2015年6月3日收获。

1.4测定项目及方法

1.4.1土壤水分测定及调控

不同处理的土壤水分控制从越冬后开始。由表1可知，拔节期控水前后土壤相对含水量的相对误差为0.5%～3.4% (平均为2.0%)，开花期为0.4%～4.7%(平均为2.6%)，灌浆期为0.36%～4.96%(平均为2.9%)，说明不同土壤水分含量的控制效果符合原初的试验设计要求。

表1　不同试验处理0～100 cm土层土壤灌水前后的平均相对含水量Table 1　Relative soil water contents within 0-100 cm soil layer before and after irrigation in different experimental treatments

RS：秸秆还田;CK：秸秆不还田; D:干旱(50%～55% FMC)；SD：轻旱(60%～65% FMC)；N：正常供水(70%～75% FMC)；TVMC：目标含水量；RMCBI：灌水前相对含水量；RMCAI：灌水后相对含水量；RE：相对误差。下同。

RS：Stalks returning; CK：Non-stalks returning; D:Drought(50%-55% FMC)；SD：Slight drought(60%-65% FMC)；N：Normal(70%-75% FMC)；TVMC:Target value of water content; RMCBI:Relative water content before irrigation; RMCAI:Relative water content after irrigation;RE:Relative error.The same as below.

1.4.2群体数量调查

小麦三叶期定苗，基本苗3.0×106株·hm-2。每个小区中选择长势均匀的1 m双行样段，两端分别插入1 m长标记杆，于苗期、越冬期、返青期、拔节期、灌浆期定点调查茎蘖发展动态，并计算成穗率(成穗率=穗数/最高总茎数)。

1.4.3干物质测定

地上部干物质测定在拔节期、开花期、灌浆期、成熟期4个时期进行，每个小区选取长势均匀一致的植株5株，剪去根部，取下叶片，按比叶重法[16]测量总叶面积，将茎秆、样叶、剩余叶分别包好，105 ℃杀青30 min，然后80 ℃条件下烘至恒重，平衡室温后分别称重，最后换算成每公顷生物量及叶面积指数(LAI)。

LAI=(M1+M2)/(A×M1)×S1×N

式中，M1为样叶干重，S1为样叶面积，M2为剪去样叶后剩余绿叶干重，N为取样区内总株数，A为取样区面积。

根干物质测定依次于拔节期、开花期、灌浆期3个时期进行，用钻头直径为6.5 cm的根钻，按照Bolinder等[17]的方法取样，每小区取3钻，1钻中心在行上，1钻中心在行间距1/2处，第3钻钻头外壁与行相切，3钻合为1个土壤-根系样品，取样深度为50 cm。将取出的根系装入100目的尼龙网袋，浸泡1 h，用自来水冲洗干净，借助镊子挑除杂质。最后将收集到的根样包好，105 ℃杀青30 min，然后80 ℃条件下烘至恒重，称量获得根干重。

1.4.4收获与考种

每小区选取1 m2，单独收割，晒干后脱粒，测定千粒重和产量。每副区随机选取30株完整植株测量穗长、不孕小穗数、结实小穗数和穗粒数。

1.5数据分析

运用Microsoft Office 2010、SAS V8.0统计软件对试验数据进行分析与作图。

2　结果与分析

2.1不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦茎数变化及成穗率的影响

不同处理间小麦返青前总茎数的差异未达显著水平，秸秆还田与土壤水分对最大茎数的影响均达极显著水平(表2)。无论秸秆还田与否，干旱处理的小麦茎数明显低于轻旱和适宜水分处理，并且成熟期干旱处理单位面积穗数与轻旱和适宜水分处理差异显著，因而干旱处理不利于形成较多的穗数。在相同的土壤水分条件下，返青期RS处理的茎数分别较CK高8.5%、14.2%和12.0%，说明秸秆还田可显著促进小麦分蘖，有利于后期形成较大的穗数。从成穗数看，干旱条件下RS较CK平均降低5.1%；轻旱和适宜水分条件下，RS处理数与CK间差异未达显著水平。秸秆还田与土壤水分对成穗率的影响均达极显著水平(F值分别为67.11**和11.98**)。无论秸秆还田与否，成穗率随着土壤水分含量的增加均呈上升趋势。相同土壤水分条件下，RS处理的成穗率显著低于CK。

表2　 不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦群体茎数动态的影响Table 2　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on stem number of winter wheat at different growing stages

同列数据后不同字母表示处理间的差异达显著水平(P<0.05)。下同。

Values with different small letters in a same column are significantly different among the treatments at 0.05 level. The same as bellow.

表3　不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦LAI的影响Table 3　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on LAI of wheat at different growing stages

2.2不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦LAI的影响

由表3可知，秸秆还田对小麦除拔节、抽穗期外其他时期LAI的影响均达显著水平(F值为7.53*～349.77**)，土壤水分含量对各生育时期LAI的影响均达极显著水平(F值为14.14**～248.98**)，而且秸秆还田与土壤水分存在极显著的交互效应(F值为9.52**～56.33**)。返青期后，无论秸秆还田与否，LAI随着土壤水分含量的提高基本上呈增加趋势。干旱条件下，开花期以后RS处理的LAI显著低于CK；轻旱条件下，开花期RS处理的LAI显著高于CK；适宜水分条件下，除拔节期外，RS与CK间差异均不显著，说明土壤水分不足时，在小麦生育后期秸秆还田降低LAI，而轻旱条件下可明显提高LAI。由于充足的“源”有利于小麦光合物质的生产和产量形成[18]，因此在较好土壤水分状况下秸秆还田的增“源”效应对小麦高产非常重要。

2.3不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦干物质积累和根冠比的影响

土壤水分对小麦生育后期干物质积累和根冠比均影响显著(表4，F值为26.97**～48.13**)。无论秸秆还田与否，地上部根系干物质积累量均随着土壤水分的增加而增加；不同土壤水分条件下，根干重均在开花期最大，但干旱条件下根冠比在开花期最大，轻旱和适宜水分条件下则在拔节期最大，说明增加土壤水分对地上部生长的促进作用明显大于根系。在干旱下，开花后RS处理地上部与根系干物质积累量显著低于CK，而RS处理灌浆期的根冠比显著大于CK；在轻旱和适宜水分条件下，生育中期RS处理的根冠比显著大于CK，而灌浆期显著低于CK。

表4　 不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦植株干物质积累与根冠比的影响Table 4　 Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on dry matter accumulation and root-shoot ratio of wheat at different growing stages

DMAGB:Dry matter of above-ground parts; RDM:Root dry matter; R/S:Root-shoot ratio.

2.4不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦穗部性状、籽粒产量及收获指数的影响

由表5可知，秸秆还田对小麦穗长、不孕小穗数的影响达显著水平(F值分别为9.01*和5.69*)，对穗粒数、千粒重的影响达极显著水平(F值分别为63.28**和18.74**)；土壤水分对小麦千粒重及产量的影响也达极显著水平(F值分别为10.70**和114.65**)；土壤水分与秸秆还田的互作对小麦籽粒产量的影响达极显著水平(F值为25.09**)。无论秸秆还田与否，随着土壤水分含量的增加，小麦籽粒产量逐渐增加。在RS条件下，轻旱和适宜水分处理较干旱处理分别增产30.1%和46.9%，在CK条件下分别增产4.0% 和16.1%。这与干旱条件下结实小穗数、穗数均显著降低(表2)有关。在干旱条件下，RS处理较CK减产15.6%，穗数、千粒重分别降低5.1%和3.2%；而在轻旱和适宜水分条件下，RS处理较CK分别增产5.8%和7.0%，主要是因为RS处理的穗粒数显著高于CK，不孕小穗数显著减少。

表5　不同土壤水分条件下秸秆还田对小麦穗部性状、产量及收获指数的影响Table 5　Influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on spike traits, grain yield and harvest index of wheat

SL:Spike length; FSS:Fertile spikelets per spike; SSS:Sterile spikelets per spike; GS:Grains per spike; SN:Spikes number; GW:1 000-grain weight; GY:Grain yield; DMAGB:Dry matter of above-ground parts; HI:Harvest index.

3　讨 论

群体质量是小麦稳产高产的基础，而水肥管理是提高小麦群体质量和产量的关键[19]。在高氮(252 kg·hm-2)条件下，玉米秸秆还田可促进小麦冬前和春季分蘖[20，4]；也有研究指出，施氮量相同时，越冬和拔节期小麦分蘖数表现为秸秆还田处理低于单施化肥处理，孕穗期则相反[21]。本研究中，干旱胁迫显著降低小麦群体数量；相同土壤水分条件下，RS处理的最大茎数均大于CK，进一步说明秸秆粉碎还田可以显著促进小麦分蘖，形成较大的群体数量，对群体构建及提高成穗数有利。

根冠比是反映作物生长状况的重要指标，受环境因素和植物本身遗传特性的影响[22]。研究表明，小麦根系干物质量主要集中在0～40 cm土层[23]，拔节后根系主要集中在0～60 cm土层，但0～30 cm土层的根系仍占80%以上[24]。根系是最早感知干旱的器官，较大的根系系统是作物抗旱的基础，作物通过增加根冠比，实现对干旱环境的适应[14]。杨贵羽等[15]的温室盆栽试验表明，随着水分胁迫的增强，作物地上部和根系干物质的累积速率降低，根冠比随胁迫程度的加剧而增大。干旱胁迫下，地上部和根系绝对生长速率下降，同时促使根系吸收更多水分以满足作物平衡生长的需要，同化物优先供给根系生长，根冠比增大[17]。另外，地下和地上部协调生长是提高作物产量的基础[25]。作物根系在生长过程中需要的同化物是地上部的两倍，因而较小的根系有利于地上部累积更多的同化产物[26]；Ma等[27]通过去根和控制分蘖的方法明确了小麦根冠比与产量间的负相关关系。本研究结果表明，随着干旱胁迫的加强，不同生育时期小麦植株地上部和根系干物质量均表现为减小趋势；在轻旱和适宜水分条件下，根冠比较干旱处理提前达最大值，这与陈晓远等[28]研究指出的“冬小麦叶片水分利用效率达最大值前，根冠比与叶片水分利用效率呈正相关，而水分恒定且充足可使叶片水分利用效率峰值提前到拔节期”的研究结果有相似之处；而且在拔节期，RS的根冠比显著大于CK，开花期至灌浆期RS处理的根冠比则小于CK，说明秸秆还田对协调植株地下和地上部关系具要重要意义。生育前中期较大的根冠比有利于作物营养物质的积累，而生育后期较小的根冠比则有利于更多营养物质向籽粒中的转运。本研究中，地上部干物质量在灌浆期达最大值，而根系干物质量在开花期达最大值，随后根系大量衰亡，植株衰老，地上部干物质量降低，这可能说明地上部较地下部在干物质积累上具有滞后性。

目前的研究普遍认同秸秆还田可以增加作物产量，但关于秸秆还田的增产原因还没有一致结论。张姗等[29]研究表明，相同施氮量条件下，秸秆还田处理较不还田处理穗粒数显著增加，增产幅度达5.9%；陈金等[30]研究认为，秸秆还田较不还田处理显著降低了群体穗数，但提高了千粒重，增产幅度达6.9%～8.0%。本研究中，秸秆还田显著增加穗粒数，减少不孕小穗数，水分调控对穗数的影响也达显著水平。本研究也表明，秸秆还田的增产效应一定程度上受土壤水分的制约：干旱条件下秸秆还田容易造成早衰，千粒重的降低导致产量显著低于CK，轻旱和适宜水分条件下，秸秆还田处理的产量则显著增加，原因可能是在干旱条件下粉碎翻压还田的秸秆腐解加剧了小麦干旱胁迫程度，而在土壤湿润条件下有利于秸秆腐解，增加土壤养分含量[7]。前人研究指出秸秆覆盖还田在干旱条件下增产效果显著[12]，在低温多雨气候条件下使作物产量降低[13]。结合本研究结果可以得出，秸秆还田的增产效应不仅与土壤水分密切相关，而且与秸秆还田方式也有较大关系。同一小麦品种的收获指数变异较小[31-32]，因而对于特定品种，进一步提高产量的途径应是维持现有的收获指数，提高生物产量，协调提高生物产量和经济产量的关系[33]。本研究中，除了秸秆不还田的干旱处理外，不同处理间收获指数的差异均未达显著水平，说明改善栽培耕作措施对收获指数影响不大，这与前人研究结果一致。不同处理中，秸秆不还田的干旱处理收获指数最高，但较低的生物学产量则不能实现高产。

综上所述，秸秆粉碎翻压还田效果与土壤水分状况密切相关。轻旱和适宜水分条件下，秸秆还田处理可提高小麦群体数量，协调地上部与地下部的生长关系，增加穗长、穗粒数，减少不孕小穗数，最终获得较高的籽粒产量。干旱条件下，秸秆还田处理的产量较CK 降低。因此，在秸秆粉碎翻压还田条件下，较好的土壤水分条件是实现高产稳产的基础，而土壤水分较低时则不宜进行秸秆还田。

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Influence of Returning Corn Stalks to Field under Different Soil Water Contents on Population Development, Dry Matter Accumulation and Grain Yield in Wheat

ZHANG Suyu1, WANG Hezhou2, YANG Mingda1, HE Dexian1

(1.Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou, Henan 450002, China;2.Shangqiu Comprehensive Experimental Station of Farmland Irrigation Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang, Henan 453003, China)

The micro-plot experiment was carried out under rain-proof shelter to investigate influence of returning corn stalks to field under different soil water contents on population development, dry matter accumulation and grain yield of winter wheat in wheat-maize rotation system in the Huang-Huai-Hai plains. The results showed that under drought condition, population, LAI, dry matter accumulation, spike number as well as grain yield of winter wheat were all dramatically reduced(P<0.05). The largest root-shoot ratio reach to the maximum at anthesis stage. Compared with those in the treatment without corn stalks returning(CK),the maximum population in corn stalks returning(RS) treatment was 8.5% higher, root-shoot ratio at grain-filling stage was significantly increased by 12.26%, while leaf area index was dramatically decreased, spike number, 1 000-grain weight, grain yield, and harvest index were also significantly decreased by 5.10%，3.17%，15.46%，8.39%. Compared with those in CK, the maximum population were significantly increased by 12.04%-14.18% at jointing stage under slight drought and normal soil water conditions, root-shoot ratio was significantly decreased at jointing stage while significantly decreased at grain-filling stage. Meanwhile, spike number and grain yield were dramatically increased by 9.18%-26.30% and 5.76%-6.96% in returning corn stalks to field treatments, while sterile spikelets per spike were significantly reduced by 14.91%-18.98%.Additionally, the study also showed that above-ground parts performance an obvious lag. Conclusively, returning corn stalks to field would improve wheat population quality, coordinate growth of root and shoot, and ultimately increase grain yield under slight drought or suitable soil moisture conditions, but not be recommended under drought conditions.

Wheat(TriticumaestivumL.); Returning stalks to field; Soil water content; Population development; Dry matter accumulation; Grain yield

2015-03-20

2016-04-20

“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD07B07-4)；河南省重点实验室项目(132300413207)

E-mail：729401747@qq.com

贺德先(E-mail:hedexian@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)09-1183-08

网络出版时间：2016-08-31

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160831.1649.020.html