内陆灌区小麦秸秆还田对玉米光能利用及水分生产效益的影响*

郭 瑶, 陈桂平, 殷 文, 冯福学, 赵 财, 于爱忠, 柴 强**

(1. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学水利水电工程学院 兰州730070)

河西绿洲灌区光热水土条件利于玉米(Zea mays)生产, 但玉米长期连作种植, 产量、品质下降, 经济效益降低, 制约其发展[1]。通过运用后作倒茬平衡土壤养分, 以及稳产、高产优势[2], 促进玉米产业可持续发展亟待研究。另外, 土壤水分作为作物生产的约束性条件, 受到土壤耕作措施、种植模式、栽培方式等因素的影响[3], 而土壤水分的变化与作物生产密切相关[4]。河西绿洲灌区资源型缺水及水分利用效率低等问题十分突出[5], 因此, 通过优化耕作措施及种植模式提高有限供水条件下灌溉水的生产效率是未来农业发展的重点方向。众所周知, 提高农田纯收益是生产者共同目标, 如何降低生产成本提高收益是研究者解决的重要问题。作物生产中, 运用少耕秸秆还田等保护性耕作技术可以通过减少机械作业量, 增加土壤含水量,改善土壤理化性状, 创造有利于作物生长及提高作物产量的土壤环境, 通过降低成本而增加农民收入[6-7];另一方面, 有效减少水土流失, 防止风蚀水蚀, 提高生态环境可持续性[8-9]。因此, 通过优化秸秆还田技术提高水分生产效益与纯收益的双赢效应是实现玉米产业可持续发展的重要措施。

光能是农业生产系统初级生产的主要驱动力, 也是作物转化利用的对象, 太阳辐射能利用率的理论值为 5%～6%[10], 光合有效辐射(PAR)的利用率可达10%～12%[11], 远远高于农作物生育期间光能利用率,提高作物产量的限制因素不是光能不足, 而是光能利用率低[12-13]。因此, 通过优化耕作措施提高农田光能利用率研究非常迫切。目前, 有关农作物光能利用和生产效益的研究主要集中在优化灌溉制度[14]、施肥制度[15]、种植密度[16]、种植模式[17]、种植方式[18]等因素,并证实适宜的灌水施肥量配套合理的种植密度及模式可提高农田光能利用及水分生产效益。关于如何将上述因素整合成为优化栽培模式及其对生产效益和光能利用的调控效应尚不清楚。为此, 本研究在典型干旱绿洲灌区, 以小麦(Triticum aestivum)后作玉米为研究对象, 将小麦秸秆还田方式与地膜覆盖组装集成在玉米栽培模式中, 重点探讨了前茬小麦秸秆还田及耕作方式对后茬玉米的水分生产效益与光能利用率的影响,以期为区域内发展高产玉米栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2009—2012年度在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站进行田间试验。试验区位于甘肃河西走廊东端, 属寒温带干旱气候区, 年平均气温7.2 ℃, ≥10 ℃的积温 2 985.4 ℃; 日照时数 2 945 h,适宜长生育期高产作物栽培。试区多年平均降雨量约为150 mm, 主要集中在7—9月, 每年潜在蒸发量高于2 000 mm, 是典型的绿洲灌溉农业区。2011年和2012年, 玉米生育期内降水量分别为94.7 mm与128.5 mm。该区玉米种植比例大于30%, 连作普遍,耕作以传统深翻耕为主, 均采用地膜覆盖种植, 属于典型的高投入生产模式。

1.2 试验设计

2009年布置预备试验, 建立不同小麦秸秆还田方式。2010年与 2012年度重复前茬不同小麦秸秆还田种植后茬玉米试验并系统进行相关数据的采集与整理。玉米播种日期分别为2010年4月22日与2012年4月20日, 收获日期分别为2010年9月28日与2012年10月2日。供试玉米品种为‘吉祥1号’。

试验设4个处理, 即4种秸秆还田方式: 25～30 cm高茬收割立茬免耕(NTSS)、25～30 cm高茬等量秸秆覆盖免耕(NTS)、25～30 cm高茬等量秸秆翻耕(TIS), 以传统无秸秆还田翻耕(CT)为对照, 3次重复。2009年和2011年小麦收获时根据试验处理采取相应秸秆处理方式, 2010年与2012年种植玉米, 形成小麦-玉米轮作体系, 玉米收获后, 秸秆移除农田。玉米播种密度为 82 500株·hm-2, 小区面积48 m2(4.8 m×10 m)。传统无留茬翻耕及高茬等量秸秆翻耕处理于小麦收获后翻耕, 翻耕深度均为30 cm, 翌年撒施底肥, 机械耙耱、覆膜; 免耕秸秆还田(高茬收割立茬免耕、高茬等量秸秆覆盖免耕)即小麦高茬收割后免耕, 翌年撒施底肥, 机械旋耕、耙耱、覆膜, 4月下旬运用简易滚轮穴播机播种玉米。所有处理在玉米出苗后, 2～3叶期间苗, 4～5叶期定苗, 其他田间管理措施同地方玉米高产田。

灌溉及施肥制度同地方高产田一致, 即灌溉制度为冬灌水1 200 m3·hm-2, 在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、开花期、灌浆期分别补灌 900 m3·hm-2、750 m3·hm-2、900 m3·hm-2、750 m3·hm-2和 750 m3·hm-2。总施N量为450 kg·hm-2, 其中基肥、大喇叭口期追肥、灌浆期追肥分别按3∶6∶1分施; 追肥时, 用点播器在距离玉米茎秆约10 cm处打孔, 将N肥施入约12 cm深的空隙中, 埋土即可。施P2O5225 kg·hm-2,全作基肥。

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 叶日积(LAI-D)

每隔约20 d, 在试验处理小区内用“S”型法选取长势均匀、代表性玉米植株进行定期观测(抽雄期以及抽雄之前10株, 抽雄后5株), 先测定每株各叶片的叶长(ai)和最大叶宽(bi), 叶面积指数(LAI)由下式求得:

式中: 0.75为校正系数,P为玉米种植密度,a和b分别为叶片的长和宽,i为叶片个数。

然后借助LAI由下式中求得LAI-D:

式中, LAIi为第i个生育阶段的平均叶面积,Di为第i个生育阶段所持续的时间。

1.3.2 光能利用率(LUE)

式中:Y为玉米籽粒与秸秆产量(kg·hm-2), 每小区单独收获, 测定籽粒与秸秆产量;H为籽粒与秸秆的产出能量折算参数(J·kg-1), 玉米籽粒取 16.3×106J·kg-1,玉米秸秆取14.6×106J·kg-1[19]; ΣQ为生长期间的太阳总辐射(MJ·m-2), 通过气象资料获得。

1.3.3 经济效益

试验过程中, 详细记载各种栽培措施下的玉米播前整地、田间管理、施肥、灌溉、病虫害防治、收获等各个环节的用工、肥料、农药、灌溉量等投入情况, 收获时进行考种并实测收获商品玉米籽粒与秸秆产量, 计算分析各种栽培措施下的成本及其产值、纯收益和产投比。农产品、生产资料价格、用工费等按当时市价计算。按下式计算水分效益和生产力:

1.4 数据统计

数据采用 Microsoft Excel 2007整理、汇总, 用SPSS 17.0进行方差分析、显著性检验及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦秸秆还田方式对玉米叶日积的影响

小麦免耕秸秆还田可显著提高玉米的总叶日积(LAI-D), 2010年与2012年, 免耕秸秆还田(NTSS、NTS)处理玉米的全生育期总LAI-D较传统无秸秆还田处理(CT)分别提高 11.2%～14.5%与 16.3%～20.8%,翻耕秸秆还田(TIS)比 CT处理提高 6.0%～7.5%(表1)。3种小麦秸秆还田处理中, NTSS、NTS比 TIS处理总 LAI-D 分别提高 4.9%～6.6%、9.7%～12.4%,表明免耕秸秆还田利于增大玉米冠层。

就玉米不同生育阶段而言, 大喇叭口期之前(2010年6月30日, 2012年6月27日), NTSS、NTS处理玉米的叶日积均小于传统耕作, 降低幅度分别达到 5.9%～21.4%、20.1%～23.1%。大喇叭口期至吐丝期(2010年6 月30日—7月20日; 2012年6月27日—7月17日), NTSS、TIS叶日积与CT相当, 但NTS比 CT 提高 4.9%～14.3%(P＜0.05)。相反, 吐丝期之后(2010年7月20日, 2012年7月17日), NTSS、NTS、TIS处理LAI-D均高于CT, 提高比例分别为26.3%～28.1%、29.7%～33.7%、12.7%～14.0%, 以 NTS提高作用最明显, 比TIS高15.1%～17.3%。因此, 小麦秸秆免耕覆盖还田减小了玉米大喇叭口期之前的叶日积, 增大了吐丝期之后的叶日积, 有效调控玉米前后生育时期的生长发育动态关系, 以NTS调控效应最明显, 为后茬玉米高产奠定了生物学基础。

表1 不同小麦秸秆还田方式下玉米各生育阶段的叶日积差异Table 1 Leaf area duration (LAI-D) of maize at each growth stage under different wheat straw retention patterns

2.2 前茬小麦秸秆还田方式对后作玉米产量及经济效益的影响

2.2.1 产量表现

与传统无秸秆还田翻耕(CT)处理相比, 秸秆还田显著提高了玉米的籽粒产量(表2)。两个试验年度, 免耕还田(NTSS、NTS)处理分别增产 12.0%～13.9%和13.7%～17.5%, 翻耕还田(TIS)处理增产 4.4%～11.3%,增产效果显著。3种秸秆还田处理中均以小麦秸秆25～30 cm高茬等量覆盖免耕处理(NTS)的籽粒产量最高, 分别达到 13 470 kg·hm-2与 13 247 kg·hm-2, 较 TIS提高5.7%～9.0%。说明小麦秸秆25～30 cm高茬等量覆盖配合免耕有利于进一步提高玉米的籽粒产量。

2.2.2 经济效益

因劳力与机械投入的不同, 各处理总投入有明显差异(表2)。传统无秸秆还田翻耕处理(CT)较小麦秸秆免耕还田(NTSS、NTS)总投入分别增加5.1%～5.3%、5.9%～6.1%, 其中, 劳动力与机械投入CT较NTSS、NTS高10.2%～10.6%、11.6%～12.0%, 说明传统耕作处理对劳动力与机械需求较大。随着总投入的增加, 其总产值降低, NTSS、NTS的总产值较 CT 增多 9.7%～13.3%(高 3 049～3 643 元·hm-2)、10.2%～16.4%(高 3 195～4 477 元·hm-2), 比 TIS 高3.0%～7.4%(高 906～2 380 元·hm-2)。与产值相似,NTSS、NTS的纯收益比CT提高20.9%～35.5%(增加3 713～5 200元·hm-2), 比 TIS 提高 7.9%～15.7%(增加1 384～2 957 元·hm-2)。同样, NTSS、NTS 处理的产投比较CT提高15.4%～19.3%、16.8%～23.4%。两年度, 两种前茬小麦秸秆免耕还田处理(NTSS、NTS)中, 以 NTS总投入低, 总产值、纯收益、产投比较高。以上结果说明, 河西绿洲灌区在劳动力和资源投入有保障的前提下前茬小麦秸秆免耕覆盖后作玉米获得较高的总产值, 具有较高的纯收益和产投比,有利于农民增收, 可替代传统精耕细作种植方式,提高农业效益。

2.3 玉米光能利用率对小麦秸秆还田方式的响应

光能利用率表示植物通过光合作用将所截获、吸收的光能转化为自身有机干物质的效率。2010年与 2012年春玉米全生育期内太阳总辐射量分别为2 614 MJ·m-2与 2 712 MJ·m-2, 玉米的光能利用率随着前茬小麦秸秆还田方式的变化而不同(图1)。免耕秸秆还田(NTSS、NTS)处理的光能利用率比 CT分别提高4.5%～11.0%、5.3%～11.8%, 其中以前茬小麦秸秆免耕覆盖(NTS)后作玉米的光能利用率最高,说明可通过优化秸秆还田方式及耕作措施, 如本研究中的免耕小麦秸秆覆盖还田方式可增加春玉米对光资源的利用, 具有较高的光能利用率。

表2 不同小麦秸秆还田方式下玉米产量及与经济效益Table 2 Grain yield and economic benefits of maize under different wheat straw retention patterns

图1 不同小麦秸秆还田方式下玉米的光能利用率Fig. 1 Light use efficiency (LUE) of maize under different wheat straw retention patterns

2.4 不同小麦秸秆还田方式对玉米水分生产力及单方水效益的影响

2.4.1 水分生产效益

小麦秸秆还田可提高玉米的水分生产力(图2A)。2种小麦秸秆免耕还田处理(NTSS、NTS)的水分生产力比传统无秸秆还田翻耕(CT)分别增加12.0%～13.9%、13.7%～17.5%, 秸秆翻耕还田处理(TIS)比CT提高4.5%～11.3%; 3种秸秆还田处理中,以NTS水分生产力最高, 比TIS高5.6%～9.0%。说明在灌溉量相同情况下, 小麦秸秆免耕覆盖利于提高单位灌溉水产生籽粒产量的能力。

2.4.2 单方水效益

与水分生产效益相似, 运用单方水效益表示单位耗水产生的纯收益(图2B)。2种小麦秸秆免耕还田处理(NTSS、NTS)单方水效益比传统无秸秆还田翻耕(CT)分别提高 21.7%～26.2%、25.6%～33.1%, 秸秆翻耕还田(TIS)比CT提高6.1%～21.3%; 3种秸秆还田处理中, 以NTS提高单方水效益最高, 比TIS高9.7%～18.3%。表明小麦秸秆免耕覆盖通过提高纯收益、降低耗水而提高单方水效益。

2.5 作物叶日积与籽粒产量及光能利用率的相关关系

两个试验年度, 不同小麦秸秆还田后茬玉米光能利用率与全生育期总叶日积呈正相关关系, 具有显著相关性(图3)。玉米全生育期内的群体总叶日积与其籽粒产量均呈显著二次相关关系, 当总叶日积在0～547、0～555范围内时, 随群体总叶日积的增大,籽粒产量呈持续增大趋势; 当总叶日积超过 547、555时, 群体籽粒产量随之下降。以上结果说明, 在试验设计的农艺措施范围内, 光合源越大, 有助于干物质的积累, 利于光能利用率的提高。然而, 并非冠层越大越利于籽粒产量的提高, 本研究表明群体保持适宜大小的冠层结构有利于提高群体籽粒产量。证实叶日积分析中所得, 小麦秸秆覆盖免耕(NTS)减小了玉米大喇叭口期之前的叶日积,增大了吐丝期之后的叶日积, 有效调控玉米前后生育时期的生长发育动态关系, 为后茬玉米高产奠定了基础。

图2 不同小麦秸秆还田方式下玉米的水分生产力(A)和单方水效益(B)Fig. 2 Water productivity (A) and benefit per cubic meter water (B) of maize under different wheat straw retention patterns

图3 玉米叶日积与籽粒产量及光能利用率的相关关系Fig. 3 Relationships between leaf area duration (LAI-D) and grain yield (A), light use efficiency (B) of maize

3 讨论

叶面积指数的大小和动态直接影响作物冠层光截获, 从而影响光能利用率, 是作物获得高产稳产的基础[20], 提高叶日积(LAI-D)与延长叶面积高值持续时间是作物获得高产及高光能利用率的重要原因[21]。作物群体光能利用率反映了作物干物质生产和光合能力, 与产量密切相关[20]。国内外通过设置不同种植方式[17]、密植效应[16]对作物光能利用率与产量关系进行了大量研究, 但有关耕作措施对作物光能利用的研究较少。大量研究表明秸秆覆盖会推迟作物生育进程[22], 减弱光对地面的照射强度, 使土壤吸热少升温慢, 降低土壤温度, 延缓作物生育进程[23-24]。耕作方式影响作物生育进程, 与传统翻耕秸秆不还田相比, 免耕处理推迟了作物生育进程[25], 而旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田对作物生育进程影响不大[26]。这主要是由于免耕下秸秆覆盖地表降低了土壤温度, 而秸秆还田下的旋耕和翻耕秸秆与土壤混合形成疏松的耕层, 地表无秸秆覆盖, 耕层土壤升温快有利于作物生长[27]。而免耕秸秆还田是在免耕的基础上, 将作物秸秆覆盖在地表,能够激发土壤微生物活性, 使土壤的理化性质和生物学特性发生变化[27-28], 通过改善农田土壤环境而促进作物对水分养分的吸收, 在生育后期存在贪青晚熟的现象, 延长绿色叶片的功能期, 延长光合作用时间, 集约利用光热资源, 延长籽粒灌浆时间,从而提高作物产量[29]。本研究发现, 前茬免耕秸秆还田降低了后作玉米大喇叭口期之前的叶日积, 保持了吐丝期之后较高的叶日积, 以免耕秸秆覆盖还田(NTS)的调控效应最为突出, 这是因为免耕秸秆覆盖还田前期低温利于玉米根系生长[30], 不利于地上部生长发育, 造成较低的光合源。而吐丝期之后,传统地膜覆盖在玉米开花灌浆期造成玉米根区极端高的土壤温度[31], 以及生育前期水分养分过度消耗,后期养分不足, 导致后期根系及叶片发生早衰现象,造成光合源相对较小; 而免耕秸秆还田后期适宜的土壤温度, 以及玉米生育前期生长慢, 养分消耗少,实现养分“错期分配”, 满足玉米生育后期旺盛生长的养分需求, 提高了吐丝期之后的叶日积, 说明免耕秸秆还田玉米增产主要发生在生育后期。前人研究发现, 高产玉米吐丝后叶日积占总叶日积的 50%以上[32]。本研究中小麦秸秆还田处理玉米吐丝后叶日积占总叶日积的 63.1%～70.9%, 以小麦免耕秸秆覆盖还田(NTS)玉米吐丝后所占比例最大, 为玉米增产奠定了生物学基础, 其高产效应已被证实[7]。通过作物光能利用率与全生育期总叶日积及籽粒产量的相关性分析可知, 不同小麦秸秆还田玉米光能利用率与全生育期总叶日积呈正相关关系, 这与前人的研究结果一致[10]。说明通过优化耕作措施, 正如本研究中的小麦秸秆免耕覆盖可扩大地上部光合源, 延长光合源的功能期, 延缓叶片衰老, 促进光能利用,从而提高光能利用率。然而, 并非冠层越大越利于籽粒产量的提高, 因为籽粒产量的形成取决于作物各营养器官干物质累积量向籽粒器官的转运量[33], 已有研究表明, 前茬小麦秸秆还田轮作玉米使得玉米吐丝前干物质主要分配在叶片、茎秆、叶鞘中, 而吐丝之后主要转向穗部籽粒灌浆, 其中, 高茬等量秸秆覆盖免耕处理在玉米吐丝前促进了干物质向各营养器官的运转, 而吐丝后又加快了穗部籽粒灌浆,利于高产[7]。因此, 本研究表明群体保持适宜大小的冠层结构(叶日积在 547～555范围内)有利于提高群体籽粒产量。正如叶日积分析中所得, 小麦秸秆覆盖免耕(NTS)减小了玉米大喇叭口期之前的叶日积,增大了吐丝期之后的叶日积, 有效调控玉米前后生育时期的生长发育动态关系, 为后茬玉米高产奠定了基础。

经济效益是农民增收的最终结果, 也是影响作物生产可持续的重要衡量指标。免耕通过节约播种至收获期间的机械作业量和劳力投入, 实现节本增效, 是国内外较为普遍的一种轻简化栽培方式, 可降低作物生产成本, 改善土壤理化性状, 利于作物生长, 提高作物产量与纯收益, 增加农民收入[6], 对促进玉米生产发展具有重要意义。另外, 少耕秸秆覆盖可以有效地保持土壤水分, 降低无效耗水与全生育期总耗水量,提高产量[34], 秸秆与地膜双元覆盖进一步加强了其保水效应, 可作为提高单方水效益的可行途径。本研究表明, 与传统处理相比, 小麦秸秆免耕还田(NTSS、NTS)可降低生产成本 10.2%～12.0%, 提高总产值9.7%～16.4%(高 3 049～4 477 元·hm-2), 增加纯收益20.9%～35.5%(增加 3 713～5 200 元·hm-2), 使得产投比提高 15.4%～23.4%, 水分生产力提高 12.0%～17.5%,单方水效益提高 21.7%～33.1%。说明河西绿洲灌区在劳动力和资源投入有保障的前提下前茬小麦秸秆免耕覆盖后作玉米获得较高的总产值, 具有较高的纯收益和产投比, 有利于农民增收, 可替代传统精耕细作种植方式, 提高农业效益。进一步证实了小麦免耕秸秆还田后种植地膜玉米的可行性, 具有较强的推广应用价值。

4 结论

秸秆免耕还田减小了玉米生育前期(大喇叭口期之前)的叶日积, 增大了生育后期(吐丝期之后)的叶日积, 有效调控玉米前后生育时期的生长发育动态关系。秸秆还田明显提高了玉米全生育期光能利用率,以秸秆覆盖还田配合免耕(NTS)提高作用最明显, 提高5.3%～11.8%。秸秆还田有利于提高玉米的籽粒产量,以NTS处理增产效应较大, 2010年与2012年度籽粒产量分别达 13 470 kg·hm-2和 13 247 kg·hm-2, 较传统耕作增幅为13.7%～17.5%。秸秆免耕还田(NTSS、NTS)可降低生产成本, 从而提高纯收益与产投比, 以 NTS最为突出, 比传统耕作分别高 22.2%～35.5%(高3 953～5 200 元·hm-2)与 16.8%～23.4%, 水分生产力和单方水效益分别提高 13.7%～17.5%和 25.6%～33.1%。因此, 25～30 cm 小麦秸秆免耕覆盖(NTS)可作为河西绿洲灌区发展节本增效玉米生产关键技术。

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