免耕对玉米光合特性日变化及产量的影响

董智+邓林军+董俊+向午燕，+靖+凯+侯志研

摘要：研究免耕对玉米灌浆期光合性能日变化的影响，对灌浆期干物质积累及产量形成具有重要的理论意义。以辽宁省农业科学院大固本玉米综合试验示范基地2014年设置的免耕定位试验为基础，分析传统耕作（ridge tillage，简称RT）、免耕（no tillage，简称NT）条件下不同秸秆覆盖还田（NT-0/33/67/100）对玉米灌浆期棒3叶光合特性日变化和产量的影响。结果表明，各处理对玉米灌浆期棒3叶的光合速率和气孔导度均呈单峰变化趋势，免耕各处理的光合峰值和气孔导度峰值分别出现在11：00—13：00和10：00—12：00之间，且免耕各处理光合速率在峰值附近维持的时间较传统耕作长2 h左右；各处理对玉米灌浆期棒3叶胞间CO2浓度日变化的影响均呈“广口V形”多峰曲线变化，最大值分别出现在08：00和17：00左右，最小值出现在12：00左右；各处理蒸腾速率日变化除NT-0外均呈单峰曲线，峰值出现在 12：00—14：00；叶片的水分利用效率大体趋势均表现为先下降后上升再下降，第2个峰值出现在 16：00 左右。免耕各处理（NT-0/33/67/100）的光合速率平均值分别比传统耕作提高9.48%、27.01%、37.59%、3514%。NT-67的产量最高，免耕各处理（NT-0/33/67/100）分别比传统耕作增产1.47%、10.38%、15.87%、1233%，免耕配合秸秆覆盖还田更有利于灌浆期光合性能和玉米产量的提高。

关键词：免耕；玉米；灌浆期；光合特性；秸秆还田；干物质积累量；产量

中图分类号： S513.04 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0071-04

收稿日期：2017-03-21

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2013BAD07B03）；国家重大科技专项“水体污染控制与治理专项”（编号：2015ZX07103-007）。

作者简介：董 智（1981—），男，山东临沂人，博士，助理研究员，主要从事免耕栽培技术与旱作农业研究。Tel：（024）31029891；E-mail：dongzhi1207@163.com。

通信作者：侯志研，研究员，主要从事作物高产与旱作农业研究。Tel：（024）31024900；E-mail：houzhiyan@163.com。 随着玉米产量和农民生活水平的不断提高，玉米秸秆量大幅增加，同时秸秆不再是农村的主要燃料，大量秸秆直接被就地焚烧，不仅浪费资源而且严重污染了环境[1-2]。秸秆覆盖还田不仅是免耕的关键技术措施[3]，也是实现批量处理秸秆的主要途径。免耕可以改善风沙半干旱区土壤耕地质量、减轻风蚀水蚀、增强降雨入渗和土壤保水能力、提高作物产量[4-6]。国内外学者对免耕种植方式下土壤的理化性状、微生物学性状以及作物生长发育和产量已进行大量研究，但因气象因素、土壤状况、生态条件、种植结构等因素的差异，造成了研究结果[7-9]不一致。

玉米是一种高产作物，其干物质质量的90%以上是光合作用生产的，其中棒3叶对玉米籽粒产量的贡献占70%左右[10]。在自然环境下，光合作用具有随环境变化而变化的不稳定性，但光合特性的日变化有一定的规律性和可塑性，国内外许多学者在这方面已经做了大量研究，但由于各地生态条件及栽培措施不同，造成玉米生境上的差异，所以在光合性能各项指标方面得出的结论也不尽相同[11-13]。本研究从免耕种植入手，研究传统种植、免耕条件下不同秸秆量覆盖还田对玉米灌浆期光合作用的影响，探讨半干旱区免耕种植的稳产增产机制，旨在提出科学合理的农田耕作措施，合理利用秸秆资源、减轻农业面源污染，为实现农业可持续发展提供科学依据。1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年在辽宁省农业科学院大固本玉米综合试验示范基地（122°13′21″E，42°15′57″N）进行，该基地位于辽宁省阜蒙县东南部大固本镇，年平均温度为 7.2 ℃，多年平均降水量为481 mm，5—9月降水量为 418 mm（资料来源于阜蒙县气象局），2014年5—9月降水量（基地自测）为 312 mm。试验地0～20 cm土层中全氮含量为 0.62 g/kg、有效磷含量为 17.55 mg/kg、速效钾含量为 83.41 mg/kg、有机质含量为 13.61 g/kg。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个处理：免耕无覆盖（NT-0）、免耕+33%玉米秸秆覆盖（NT-33）、免耕+67%玉米秸秆覆盖（NT-67）和免耕+100%玉米秸秆覆盖（NT-100），每个处理重复3次，对照为传统垄作（RT）。每个小区面积为6 m×10 m。垄作处理为秋季收获留茬约12 cm，剩余秸秆全部移出地表，春季灭茬旋耕（深度为15～18 cm），平作播种，玉米苗期（4～6葉）耘地起小垄，拔节期追肥起垄，垄高约为15 cm，垄距为50 cm。不同秸秆覆盖量（NT-0、NT-33、NT-67、NT-100）处理为秋季收获留茬约15 cm，其他秸秆按照不同覆盖量（NT-100处理秸秆覆盖量约为 9 000 kg/hm2，其他处理的秸秆覆盖量分别为全量秸秆的67%、33%，无秸秆覆盖为移走全部秸秆）要求均匀覆盖地表，剩余秸秆移出地表，播种前不再整地，直接播种，播种所用机械为吉林省康达农业机械有限公司生产的免耕播种机（2BMZF-2），可以在秸秆覆盖地表的情况下一次性完成精确播种、施肥、镇压作业；4种处理除进行播种外，全年不再搅动土壤。各处理施用的化肥量相同，免耕处理所有肥料在播种时一次性施入；传统垄作的磷肥、钾肥及1/3的氮肥随播种时施用，剩余2/3氮肥拔节期追肥时施用。施肥量为尿素393 kg/hm2、磷酸二铵233 kg/hm2、氯化钾137 kg/hm2。试验品种为辽单502，播种日期为2014年5月9日，种植密度为60 000株/hm2，垄距为50 cm，收获日期为2014年9月26日。endprint

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合测定 采用美国Li-6400光合作用测定系统在8月12日（无风晴朗天气）灌浆期进行测定。光合仪测定条件流速为500 μmol/s，采用非控制条件下的自然光源。测定指标为玉米叶片的净光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度、蒸腾速率，从08：00—17：00进行测定，每隔1 h测定1次。测定部位为玉米棒3叶，每个处理测定3株。

1.3.2 产量 玉米完熟后，每个小区连续选4垄，按10 m2样方计算取样长度，记录穗个数并称取鲜质量。每个小区选10个具有代表性的果穗考种分析，重复3次，晾干后考种，人工全部脱粒后测定籽粒质量，并测定籽粒含水率，折算出14%含水量下的产量（kg/hm2）。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0统计分析数据，用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 免耕对灌漿期玉米棒3叶光合速率日变化的影响

不同栽培方式下玉米灌浆期棒3叶的光合速率日变化均呈单峰曲线变化趋势（图1），各处理间光合速率的差异在傍晚最低，且处理间的差异不明显。NT-0/33/67/100处理在 09：00—15：00之间光合速率[>18 μmol/（m2·s）]较高，NT-0和NT-33光合速率的峰值均出现在11：00，分别为3212、33.34 μmol/（m2·s），NT-67和NT-100的峰值均出现在13：00，分别为29.98、32.35 μmol/（m2·s），而RT处理在 10：00—14：00之间光合速率较高，峰值出现在10：00，为 32.56 μmol/（m2·s）。免耕各处理（NT-0/33/67/100）在 08：00—17：00间的光合速率平均值分别比RT提高9.48%、27.01%、37.59%、35.14%。免耕各处理光合速率在峰值附近维持的时间较传统耕作长2 h左右，免耕系统内光合速率随秸秆覆盖量增加而提高，秸秆覆盖处理（NT-33/67/100）的光合速率平均值明显高于无秸秆覆盖处理（NT-0），NT-0 和RT间的光合速率平均值差异不大。

2.2 免耕对灌浆期玉米棒3叶胞间CO2浓度日变化的影响

不同栽培方式对玉米灌浆期棒3叶胞间CO2浓度的影响趋势相同，均呈波浪型变化趋势（图2），最大值出现在 17：00 左右，最小值出现在12：00左右。在11：00，传统耕作下玉米棒3叶胞间CO2浓度高于免耕各处理，12：00—14：00传统耕作下玉米棒3叶胞间CO2浓度均低于免耕各处理，免耕条件下玉米棒3叶胞间CO2浓度与秸秆覆盖量无明显相关性。在12：00时，不同栽培措施对玉米棒3叶胞间CO2浓度的影响表现为NT-0>NT-67>NT-100>NT-33>RT；在17：00时，NT-67处理的胞间CO2浓度最大，比NT-33、RT、NT-100、NT-0分别高5.19%、16.06%、17.37%、28.52%；日平均胞间CO2浓度由高到低依次呈现为 NT-67>NT-0>NT-100>NT-33>RT。

2.3 免耕对灌浆期玉米棒3叶气孔导度日变化的影响

不同栽培方式对玉米灌浆期棒3叶气孔导度日变化的影响与光合速率变化趋势相似，也呈单峰曲线（图3），但各处理峰值出现的时间不同。NT-33、RT的峰值出现在10：00，棒3叶气孔导度峰值分别为302.07、313.74 mmol/（m2·s）；NT-100、NT-0的峰值出现在11：00，峰值分别为308.85、284.57 mmol/（m2·s）；而NT-67延后为12：00，峰值为 244.12 mmol/（m2·s）。自08：00开始免耕各处理的气孔导度均呈上升趋势，09：00—14：00各处理的气孔导度维持较高数值[>80 mmol/（m2·s）]，之后开始下降，17：00时气孔导度最低。NT-67处理的日平均气孔导度最大，依次比 NT-100、NT-33、NT-0、RT高2.02%、2.86%、21.13%、37.33%。

2.4 免耕对灌浆期玉米棒3叶蒸腾速率日变化的影响

不同栽培方式对玉米灌浆期棒3叶蒸腾速率日变化的影响除NT-0外均呈单峰曲线（图4）。RT的峰值出现在 11：00，比NT-0、NT-33、NT-67、NT-100分别高1.84%、127%、21.25%、6.84%；NT-33和NT-100的峰值均出现在12：00，NT-33达到峰值时比RT、NT-0、NT-67、NT-100分别高14.90%、11.71%、11.20%、0.97%；NT-67的峰值则延后至14：00，分别比RT、NT-0、NT-33、NT-100高 86.38%、0.89%、24.13%、12.13%；NT-0呈双峰曲线，峰值分别出现在11：00、14：00。秸秆覆盖免耕（NT-100/67/33）在09：00—15：00期间的蒸腾速率维持在较高数值，免耕无秸秆覆盖和传统耕作在10：00—14：00期间维持较高数值。NT-67处理的日平均蒸腾速率最大，分别比NT-100、NT-33、NT-0、RT高4.14%、4.65%、12.93%、17.58%。

2.5 免耕对灌浆期玉米棒3叶叶片水分利用效率（water use efficiency，简称WUE）日变化的影响

由图5可知，不同栽培方式对玉米棒3叶的WUE日变化趋势差异较大，整体趋势均表现为先下降后上升再下降。NT-33、NT-0、RT的最大值均出现在16：00，NT-100的最大值出现在15：00，NT-67的最大值却出现在08：00。免耕条件下玉米棒3叶日平均WUE呈现随秸秆覆盖量增大而增加的趋

势，NT-100的日平均WUE最大，分别比NT-67、NT-33、NT-0、RT高3.26%、5.16%、17.49%、15.82%。endprint

2.6 免耕对玉米产量及其构成因素的影响

免耕配合秸秆覆盖还田可明显提高半干旱地区的玉米产量。由表1可知，NT-67的产量最高，达14 235 kg/hm2，比RT增产15.87%；NT-100、NT-33、NT-0分别比RT增产1233%、10.38%、1.47%。不同栽培措施下百粒质量呈现为RT>NT-33>NT-100>NT-67>NT-0，而穗粒数则表现为NT-67>NT-100>NT-33>NT-0>RT，免耕各处理下的穗粒数显著高于传统耕作，免耕条件下秸秆覆盖量对穗粒数的影响不显著。与传统耕作相比，免耕各处理（NT-100/67/33/0）显著提高玉米穗长，依次比RT提高24.42%、27.33%、1744%、19.77%，同时在免耕各处理下玉米的穗粗较RT处理也有明显的提高，分别增加9.58%、9.96%、421%、3.45%。

3 结论与讨论

免耕作为一项可持续农业的耕作方式[14-15]是目前在玉米生产上广泛应用的一种种植方式，它改变了土壤的物理结构，从而引起农田水肥气热等的变化，进而间接影响作物生长发育和光合产物的合成、积累及转运。秸秆覆盖还田不仅可以改善土壤肥力状况，还可降低土壤水分蒸发，起到一定的蓄水保墒作用，从而影响了土壤微生物种类和数量，改善农田的小生境，进而影响玉米的光合生产能力[5，16]。本研究结果表明，免耕条件下秸稈覆盖还田处理的光合速率日变化及叶片水分利用效率均优于传统耕作，但其峰值及其在峰值附近维持的时间与前人研究的结果存在一定差异，这可能主要是由免耕覆盖对土壤水分含量、温度的影响存在差异引起的。各处理对玉米灌浆期棒3叶的光合速率和气孔导度均呈单峰变化趋势，免耕各处理的光合速率峰值和气孔导度峰值分别出现在11：00—13：00和10：00—12：00之间，而传统耕作的峰值均出现在10：00，这与夏桂敏等的研究结果[11-12]基本一致；但免耕处理光合速率在峰值附近维持的时间却长于传统耕作，这可能与各免耕处理良好的田间水热条件有关。各处理对玉米灌浆期棒3叶胞间CO2浓度日变化的影响均呈“广口V形”多峰曲线变化，最大值分别出现在08：00和17：00左右，最小值出现12：00左右；各处理蒸腾速率日变化除 NT-0外均呈单峰曲线变化，峰值出现在12：00—14：00。叶片的水分利用效率整体趋势均表现为先下降后上升再下降，第2个峰值出现在16：00左右，与陈甲瑞等的研究结果[17]不同。各处理玉米光合速率在 08：00—09：00增加较快，而 10：00—15：00 之间变化较平缓，上午的光合速率大于下午。从各时间点的光合速率、气孔导度和日平均光合速率、日平均气孔导度可以看出，免耕各处理均优于传统耕作。前人研究表明，长期免耕覆盖可有效提高土壤的蓄水保墒能力和光能截获能力，从而进一步提高玉米的光合速率、水分利用效率及干物质积累量[18-20]，但不一定是秸秆覆盖量越大越好。本研究结果表明，NT-67处理对光合作用和灌浆后期干物质的积累及转化效果最优。

张志国等对国外连续25年实行玉米连作秸秆覆盖免耕研究结果表明，免耕有利于玉米产量的显著提高[6]。魏欢欢等对我国年降水量≤500 mm地区和年均温度≤10 ℃地区的研究结果也表明，免耕更有利于春玉米产量提高，增产幅度高达13.4%[21]。本研究表明，免耕条件下各处理的穗长、穗粗及穗粒数均高于传统耕作，进而提高玉米产量，其中NT-67的增产效果最好，较传统耕作的产量提高15.87%，而NT-0的增产幅度仅为1.47%，说明在试验区域内免耕配合秸秆覆盖还田更有利于提高玉米产量，对不同气候及玉米长期连作条件下的免耕稳产增产机制还有待进一步研究。

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