小麦玉米周年生产中耕作方式对夏玉米根系特性和产量的影响

高飞，李霞，任佰朝，董树亭，刘鹏，赵斌，张吉旺



小麦玉米周年生产中耕作方式对夏玉米根系特性和产量的影响

高飞，李霞，任佰朝，董树亭，刘鹏，赵斌，张吉旺

（山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安271018）

【目的】黄淮海平原地区冬小麦-夏玉米一年两熟，长期冬小麦免耕或旋耕、夏玉米免耕使耕层变浅，养分含量降低，对根系发育和产量造成影响。通过探讨冬小麦夏玉米周年生产中不同耕作模式来探寻小麦玉米周年中夏玉米高产高效生产的耕作模式及机理。【方法】供试品种选用郑单958（ZD958），3个试验处理为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）与冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕（MR），探究不同耕作方式对小麦玉米周年生产中夏玉米根干重、根冠比、根长、根表面积、根体积和节根数量等根系特性及产量的影响。【结果】MR与MN处理0—30 cm的根干重、根冠比、根长、根表面积、根体积、节根层数、节根条数及节根干重较RN处理差异显著，分别提高59.1%、37.5%、22.8%、41.1%、59.2%、5.9%、21.0%、50.8%和68.5%、50.0%、16.7%、33.7%、44.0%、3.9%、20.1%、57.6%；根系TTC还原强度、TTC还原量、活跃吸收面积、总吸收面积及根系伤流速率也有显著提高，分别提高82.6%、91.9%、33.9%、34.5%、24.0%和109.9%、108.5%、83.8%、65.1%、14.7%；与RN处理相比，MR与MN处理的有效穗数、穗粒数、千粒重显著增加，分别提高8.5%、11.7%、4.9%和3.9%、8.5%、4.2%，产量显著提高29.5%和23.7%。冬小麦播前翻耕可以显著改善夏玉米根系数量与质量特性，有利于提高产量。与MR处理相比，MN处理显著提高根系总吸收面积和活跃吸收面积，分别提高了22.8%、37.21%；但MN处理的根长、根表面积、根体积、节根层数、茎秆伤流速率、TTC还原量及TTC还原强度较MR处理没有达到显著性差异水平。MR处理与MN处理相比，其有效穗数提高4.7%，但两处理之间千粒重和穗粒数差异不大，产量没有达到显著差异水平。【结论】冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕（MN）与冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕（MR）较冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕（RN）可显著提高根系特性从而提高了产量。而冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕（MN）和冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕（MR）的根系特性指标和产量不具有显著性差异，表明小麦玉米周年生产中主要是冬小麦播前翻耕对夏玉米产量及根特性指标起主要作用。综合比较3种不同的耕作方式，冬小麦播前翻耕夏玉米免耕（MN）是黄淮海区夏玉米生产最为适宜的耕作方式。

夏玉米；小麦玉米周年生产体系；耕作方式；根系特性；产量

0 引言

【研究意义】黄淮海平原是中国典型的两熟制区，冬小麦-夏玉米的种植模式应用最为广泛，其中小麦种植面积为1 300 万公顷，占全国的60%；玉米种植面积大约为900 万公顷，占全国的36%[1-2]。而该区长期冬小麦免耕或旋耕、夏玉米免耕的耕作方式使耕层变浅，养分大多在表层，下层土层板结度加深，养分含量降低，进而影响夏玉米根系生长与发育[3]。合理的耕作方式可以提高土壤孔隙度，降低土壤紧实度和容重，增强土壤蓄水能力，为玉米根系下扎提供便利，提高玉米吸水和养分吸收能力，协调地上部和地下部生长。因此，在冬小麦夏玉米周年产区采取适宜的耕作方式改善土壤，促进根系生长发育意义重大。【前人研究进展】玉米根系生长与地上部生长关系密切，根系发育不良会导致地上部营养物质的供应减少，使地上部生长受到限制，同时反作用于根系；只有根系生长良好才能保证地上部各器官生长发育所需的水分与养分的充分供应[4]。根系的生长发育不仅决定于品种，而且受土壤类型、质地、肥力等土壤环境条件[5]，以及耕作方式、种植密度、肥水管理等栽培技术[6]的制约。研究表明，夏玉米根条数、根系干重等根系特性指标均随土壤容重的增加呈降低趋势[7-8]。玉米根系在轻壤土中生长表现“早发早衰”，根量于开花期达最大之后开始衰老；在轻黏土中表现“晚发晚衰”，根量于灌浆期达最大之后开始衰老[9]。深松后玉米根系不仅能更好地向深层土壤下扎，而且向植株两侧扩展的范围变大，20—50 cm土层根干重、根长密度和根系体积明显高于不深松[10]。翻耕覆膜根系生长状况优于翻耕不覆膜及免耕[11]，翻耕能够降低土壤容重与土壤紧实度，增加土壤孔隙度[12]，提高土壤蓄水能力[13-15]，利于作物根系生长与深层分布。也有研究表明，与传统翻耕相比，免耕3年后土壤水分利用率和春玉米产量显著提高[16]。由于作物差异和试验区域，使得不同研究的结果不尽相同。【本研究切入点】作物根系与地上部是相互依赖，相互促进的统一体，根系的生长发育与地上部的生长状况息息相关，然而关于黄淮海区小麦-玉米周年耕作方式对夏玉米根系特性的影响鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究在连续两年的大田试验条件下，探讨周年条件下冬小麦与夏玉米播前的耕作方式对夏玉米根系及产量的影响，以期探讨小麦玉米周年生产体系中夏玉米高产高效生产的耕作模式及机理。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2012—2014年在山东省泰安市马庄镇北苏村（35°59′N，117°00′E）进行，该区属温带大陆性半湿润季风气候，年平均气温13.4℃，≥10℃的积温4 210℃，年平均降水量697 mm，主要分布在6月下旬至8月中旬。土壤质地及基础肥力情况如表1所示。

1.2 试验设计

2012—2014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个试验处理，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，旋耕深度10 cm，使得秸秆与土层充分混匀，机械播种小麦；小麦收获后留茬，播种、施肥、镇压一次性完成；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，耕深25 cm，旋平后机械播种小麦；小麦收获后，播种、施肥、镇压一次性完成；冬小麦翻耕夏玉米旋耕（MR）处理于冬小麦播前玉米秸秆机械粉碎还田，耕深10 cm，旋平后机械播种小麦；小麦收获后留茬，耕深25 cm，秸秆和表土形成混合层，机械播种玉米。本试验于2012年开始，冬小麦播前耕作按照上述处理进行。试验为大区试验，小区面积为240 m2，供试玉米品种为郑单958，种植密度为67 500株/hm2，行距60 cm，2013年6月17日播种，10月3日收获；2014年6月19日播种，9月27日收获。各处理夏玉米季施氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）分别为250、100和200 kg·hm-2，磷钾肥于播前一次性施入，氮肥于拔节期（V6）与大喇叭口期（V12）按照4﹕6的比例施入，水分管理按照高产田管理进行。

表1 试验土壤的基础肥力状况

1.3 测定项目

1.3.1 产量 玉米成熟后，每小区去除边行后，随机收获双行中的连续30穗，自然风干后室内考种，折算为玉米籽粒标准含水量14%。

1.3.2 根系特征 在抽雄期及乳熟期，采用土壤剖面挖根法，以茎干为中心，以1/2株距为宽，1/2行距为长，挖取0—30 cm土层根系，用水冲洗，计算节根层数及节根条数，并用HP Scanjet 8200扫描仪扫描各土层根系图片，用软件（Delta-T Area Meter Type AMB2；Delta-T Devices，Cambridge，UK）进行根系指标的检测。最后将扫描后的根系于75℃烘干至恒重，称取根系重量。

1.3.3 茎秆伤流速率 在抽雄期及乳熟期，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）的装有脱脂棉的密封塑料套，密封，收集伤流液12 h后称重（W2）。

伤流速率（g/(plant·h)）=（W2-W1）/ 12 h

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel、SigmaPlot11.0和SPSS 16.0软件处理分析数据，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果

2.1 夏玉米根系特性

2.1.1 根干重与根冠比 从图1可以看出，冬小麦翻耕夏玉米免耕（MN）与冬小麦翻耕夏玉米旋耕（MR）在抽雄期及乳熟期显著提高夏玉米地上部重、根干重及根冠比。在抽雄期，MN与MR处理地上部重、根干重及根冠比较RN处理分别提高12.3%、68.5%、50.0%和11.8%、59.1%、37.5%；在乳熟期，MN和MR处理地上部重、根干重及根冠比较RN处理分别提高17.5%、60.2%、33.3%与19.0%、34.8%、16.7%。乳熟期RN、MN与MR处理的地上部重分别比抽雄期增加70.4%、78.2%与81.4%，根干重分别增加32.5%、25.9%与12.2%；根冠比分别减少25.0%、33.3%与36.4%。MN与MR处理促进夏玉米根系生长且在抽雄期后期主要促进地上部干重的增加。

同一列不同小写字母表示 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。下同

2.1.2 根长、根表面积与根体积 从表2可以看出，耕作可显著增加抽雄期及乳熟期夏玉米根长、根表面积与根体积。在抽雄期，MN和MR处理根长、根表面积与根体积较RN处理分别提高17.0%、33.7%、44.0%和22.8%、41.1%、59.2%；在乳熟期，MN与MR处理根长、根表面积与根体积比RN处理分别提高31.1%、29.8%、47.6%和19.6%、22.6%、48.3%。

2.1.3 节根层数、条数及干重 如图2所示，MN与MR处理在抽雄期显著提高夏玉米的节根条数和节根干重。在抽雄期，MN与MR处理节根条数比RN处理分别提高20.1%和21.0%，节根干重分别提高57.6%和50.8%，节根层数分别提高3.9%和5.9%。这表明MN与MR处理促进夏玉米节根发育。

2.1.4 根系伤流速率 耕作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（表3）。在抽雄期，MR、MN处理的茎秆伤流速率比RN处理分别提高了24.0%、14.7%；在乳熟期，MR、MN处理的茎秆伤流速率比RN处理分别提高了54.7%、48.4%。

表2 不同耕作方式对夏玉米根长、根表面积与根体积的影响

同一列标以不同小写字母的数值表示5%水平差异显著性

Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level

图2 不同耕作方式对夏玉米抽雄期及乳熟期节根特性的影响

2.1.5 根系TTC 还原强度及TTC还原量、活跃吸收面积及总根系吸收面积 耕作可显著提高夏玉米根系TTC还原强度及TTC还原量、活跃吸收面积及总根系吸收面积，各处理间在抽雄期与乳熟期差异均达到显著水平（表4—5）。在抽雄期，MR处理的根系TTC还原强度、TTC还原量、活跃吸收面积和总根系吸收面积比RN处理提高了82.6%、81.9%、33.9%和34.5%，MN处理比RN处理提高了109.9%、108.5%、83.8%和65.1%；在乳熟期，MR处理比RN处理提高了99.1%、97.2%、16.8%和13.2%，MN处理比RN处理提高了114.6%、113.5%、44.4%和40.6%。这表明冬小麦播前翻耕可以提高夏玉米根系活性。

表 3 不同耕作方式对夏玉米茎秆伤流速率的影响

表4 不同耕作处理对根系TTC 还原强度及TTC还原量的 影响

表5 不同耕作处理对根系活跃吸收面积及总根系吸收面积的影响

2.2 夏玉米产量

从表6可以看出，在两年试验条件下，MN和MR处理可以显著提高夏玉米产量，与RN处理相比，2013和2014年MN处理分别增产26.1%和21.9%，MR处理分别增产38.7%和22.6%；与MN处理相比，2013和2014年MR处理分别增产9.9%和0.5%。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，与RN相比，2013和2014年MN处理的有效穗数分别提高4.7%和3.9%，千粒重分别提高5.8%和4.9%，穗粒数分别提高14.1%和11.8%。夏玉米播前旋耕可显著提高有效穗数，与MN相比，2013和2014年MR处理的有效穗数分别提高5.0%和4.4%。

表6 不同耕作方式对夏玉米产量及其构成因素的影响

3 讨论

土壤和作物的动态联系集中于作物的根系[17]。同时，根系也是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所，其形态和生理特性与地上部的生长发育密切联系[18]。根系的主要功能在于吸收，而冠层则在地上合成碳水化合物，两者之间既依赖又相互促进，从而构成作物的整体功能系统[19]。本研究表明，MN与MR处理可显著增加根干重，同时在生育后期降低根冠比，促进地上部物质的生长与发育。同时，刘胜群等[20]研究表明根系干重与地上部干重、根系干重与绿叶面积以及根系总吸收面积与绿叶面积均呈极显著正相关。

耕作方式直接影响土壤质地，从而影响到土壤水、气、热和养分状况，进而影响到作物根系的生长、分布和功能，最终影响植株的生长发育与产量[21-23]。本研究表明，冬小麦播前翻耕比冬小麦播前免耕利于玉米根系生长，与此同时，冬小麦播前翻耕可促进玉米根系生长，根表面积增大，根体积等的增加，这与梁建斌等[24]研究不同耕作方式对玉米根系生长发育所得出的结论一致。深松可突破犁底层，为玉米根系的生长发育提供良好的生态条件，促进根系生长，使根干重显著增加[10,25]。同时，中耕深松后玉米根系的根长明显大于未深松根系的根长[26]。翻耕与免耕相比，翻耕可优化土壤物理性状、提高土壤有机质和氮素含量、促使玉米产量的增加[27]。此外，梁金凤等[28]研究了不同耕作方式和耕作深度对土壤理化性状及玉米根系生长的影响，但产量无差异。本研究表明，MN与MR处理较RN处理产量显著，这与前人研究结果并不一致，造成这种现象的原因可能是前人未将冬小麦与夏玉米的播前耕作方式相结合。在实际生产过程中，MN处理较RN处理能提高产量，与此同时，MN处理较MR处理在产量不具有差异性的条件下可减少机械耕作次数。因此，统筹冬小麦-夏玉米周年生产，MN处理可实现高产高效。

根系TTC还原强度是反映根系吸收性能的重要指标。根系TTC还原总量可反映根系的整体功能，也是根系活性与根系数量相结合的指标[29]。本研究表明，MN与MR处理的根系TTC还原强度与根系TTC还原总量较RN处理均有显著提高，此外，冬小麦播前翻耕处理MN与MR较冬小麦旋耕处理RN的根系活跃吸收面积与总吸收面积也具有相同的特点，说明冬小麦播前翻耕促进夏玉米根系生长。前人研究表明，作物产量与根系生长量密切相关[30]。玉米产量主要是由单位面积穗数、穗粒数以及千粒重所决定[31]。MN与MR处理均显著提高了夏玉米的千粒重，穗粒数以及有效穗数；翻耕所影响的根系变化是其产量显著高于冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕处理的重要原因。

4 结论

冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕（MN）和冬小麦播前翻耕夏玉米播前旋耕（MR）较冬小麦播前旋耕夏玉米播前免耕（RN）产量分别提高23.7%、29.5%，MN和MR处理之间产量差异不显著。MN和MR处理的根干重、根系伤流速率、根系TTC含量、活跃吸收面积及总吸收面积等根系特性指标显著高于RN处理，这可能是其产量显著高于RN处理的重要原因。同时，MN和MR处理的根系特性指标和产量不具有显著性差异，表明小麦玉米周年生产中主要是冬小麦播前翻耕对夏玉米产量及根特性指标起主要作用。综合比较3种不同的耕作方式，冬小麦播前翻耕夏玉米播前免耕（MN）可能是黄淮海区夏玉米生产最为适宜的耕作方式。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Root Characteristics and Grain Yield of Summer Maize Under Different Winter Wheat-Summer Maize Tillage Systems

GAO Fei, LI Xia, REN BaiZhao, DONG ShuTing, LIU Peng, ZHAO Bin, ZHANG JiWang

(College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shandong)

【Objective】The cultivation pattern in the Huang Huai Hai Plain is double cropping system of winter wheat-summer maize. The key reason for the influence on root development and yield is the decrease of nutrient content and the tillage layer is becoming shallow which are caused by long-term no-tillage or rotary tillage is practiced in growing winter wheat and no-tillage is practiced in growing maize. It has a significant impact on root development and yield of crops. This study is to investigate the effects of different tillages on root characteristics and grain yield of summer maize in double cropping system in Huang-Huai-Hai Plain. 【Method】Zhengdan958 (ZD958) was used as experimental materials. The field study consisted of tillage treatments before sowing winter wheat and summer maize: rotary tillage before winter wheat sowing and no-tillage before maize sowing (RN), tillage before wheat sowing and no-tillage before maize sowing (MN), and tillage before wheat sowing and rotary tillage before maize sowing (MR) were performed to explore the effects of tillage before winter wheat on root dry matter and root/shoot, root length and area, brace root quality, quantity of bleeding sap in stalk and grain yield. 【Result】The root dry weight, root/shoot ratio, root length, root surface area, root volume, brace root layer number, brace root article number and the brace root dry weight in 0-30 cm of MR and MN increased by 59.1%, 37.5%, 22.8%, 41.1%, 59.2%, 5.9%, 21.0%, 50.8%, and 68.5%, 50.0%, 16.7%, 33.7%, 44.0%, 3.9%, 20.1%, 57.6%, respectively. root TTC reducing capacity, TTC reducing quantity, root actively absorbing area, total root absorbing area and quantity of bleeding sap in 0-30 cm of MR and MN increased by 82.6%, 91.9%, 33.9%, 34.5%, 24.0%, and 109.9%, 108.5%, 83.8%, 65.1%, 14.7%, respectively. Compared to RN, actual ears, the spike grain number, 1000-kernel weight in MR and MN treatments were increased by 8.5%, 11.7%, 4.9% and 3.9%, 8.5%, 4.2%, respectively, and MR and MN treatments, respectively, increased yield by 29.5% and 23.7%. Ploughing before wheat seeding significantly improved the summer maize root quantity and quality characteristics, thus improved yield. Compared with MR, MN treatment significantly increased the total absorption area and active absorption area of the roots which increased by 22.8% and 37.21%, respectively. However, the root length, root surface area, root volume, root number, reductive amount and reductive intensity of TTC by root were not significantly different from those of MR. Compared with MN, the effective panicle number of MR increased by 4.7% but the spike grain number and 1000-kernel weight of two treatments showed no different, yield did not reach significant difference levels.【Conclusion】Compared to RN, MN and MR could significantly improve root properties and yield. The root characteristics and yield of MN and MR did not show significant difference, which indicated that the early wheat sowing was the main effect of winter wheat sowing on summer maize yield and root characteristics. In comprehensive comparison of three different farming methods, it was concluded that MN is the most suitable summer maize production farming method in Huang-Huai-Hai Plain.

summer maize; double cropping of winter wheat and summer maize; tillage method; root characteristics; grain yield

2016-08-03；

2017-02-15

山东省农业重大应用技术创新项目、国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项（SQ2017YFNC050063）、国家现代农业产业技术体系建设项目（CARS-02-20）和国家自然科学基金项目（31671629）

张吉旺，E-mail：jwzhang@sdau.edu.cn

联系方式：高飞，E-mail：Sxfeigao@126.com。李霞，E-mail：bflixia@163.com。高飞和李霞为同等贡献作者。