耕作和秸秆还田方式对半干旱区黑土玉米养分积累分配与产量的影响

齐翔鲲，安思危，侯 楠，吴凤婕，王玉凤，杨克军，付 健

（黑龙江八一农垦大学农学院 / 黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江大庆 163319）

黑龙江半干旱区是中国重要的玉米生产区，提供了全国三分之一以上的玉米产量[1]。黑土富含有机质，具有较大的作物生产潜力，被誉为“土中之王”[2]。但是，近年来由于人们对耕地的过度开发利用，导致黑土区土壤结构遭到破坏，土壤肥力加速退化，因此限制作物养分吸收，导致作物产量降低，严重影响该地区农业的可持续发展[3]。在该地区探索合理有效的耕作措施，提高土壤质量与肥力，对保障国家粮食安全具有重要意义。

耕作是农业生产中的一项重要措施，可改变土壤的结构和理化性状，直接影响作物的高产稳产与可持续发展。黑龙江半干旱区黑土农田长期采用传统的旋耕垄作，导致土壤耕层变浅，容重增大，根系生长受限，养分和水分吸收受阻，限制作物生长和高产[4]。深松能够降低容重，利于根系下扎和深层养分吸收[5–7]，但是不能翻动土壤进行深层土壤的晾晒。深翻之后可以透气、晒垡，打破土壤板结、粘重的状态，并使秸秆、草种、病虫等充分置换，防除病虫害的同时使秸秆在地下腐解，增加土壤肥力[8]。免耕、少耕等保护性耕作可减少风蚀、水蚀和田间水分蒸发量，具有培肥地力、节本增效等作用[9]，但免耕增加了土壤容重和紧实度[10–12]，限制了玉米根系的生长，进而影响对土壤深层养分的吸收。平作能有效减少土壤水分蒸散量，提高保墒能力，减小春季干旱条件下勉强播种所带来的经济损失。相较于平作，垄作增加了土层厚度、土壤孔隙度，改善了土壤通气性，吸热散热快，加大昼夜温差，利于光合产物积累[13]。因此，只有采用合理的耕作措施才能改善土壤结构，促进作物养分吸收，提高作物产量[14]。

我国秸秆资源丰富，每年约生产6.4亿吨秸秆，随着作物产量的提高，秸秆量也在逐年增加[15]。秸秆中含有大量氮、磷、钾元素，还田可提高土壤养分。秸秆还田在培肥土壤的同时，还能提高作物对养分的吸收与积累[16]，采用适宜的秸秆还田方式和耕作措施相结合促进作物吸收养分的效果更佳。朱敏等[17]研究指出秸秆还田方式与耕作措施对玉米穗粒数、百粒重和产量的影响存在极显著的交互作用。也有研究表明玉米秸秆深翻还田能有效解决还田中秸秆腐解慢、玉米出苗受阻这一问题，同时能够明显改善土壤结构特征、增加土壤养分[18–20]。其他研究表明在深松条件下，秸秆还田可改善土壤物理特性[21]，促进作物对氮、磷、钾元素的吸收。

因此，通过秸秆还田结合适宜的耕作方式，改善土壤结构，促进玉米对养分的吸收，对黑龙江半干旱区黑土农田可持续利用具有重要意义。目前，关于平作在本区黑土农田的适应性研究鲜有报道。本试验通过连续定位耕作与秸秆还田方式相结合，研究玉米养分积累与分配、干物质积累量、玉米产量等变化规律，以期为优化半干旱区黑土农田土壤耕作方式、合理利用秸秆资源及玉米高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验开始于2017年，在黑龙江省肇州县兴城镇示范区 (N 46°00′28″、E 125°32′81″)进行。该区地势平坦，无霜期平均130～135天，2019—2020年气温、生育期降水量如图1。试验区肥力中等，土壤为黑钙土，0—20 cm耕层土壤基础肥力状况：土壤碱解氮140.0 mg/kg、速效磷 17.2 mg/kg、速效钾 240.4 mg/kg、有机质 25.5 g/kg、pH 为 7.9。

1.2 试验设计

采用大区对比试验，设置7个处理，3次重复，具体如表1所示。每个处理面积约为0.33 hm2(100 m×32.5 m)，玉米种植密度为7.5万株/hm2，施入复合肥 650 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=27∶10∶12)。供试品种为“东旭20”。其他田间管理均按照当地常规大田进行。2019年5月7日播种，9月29日收获；2020年4月27日播种，10月1日收获。

表1 试验各处理耕作、秸秆还田和播种方法Table 1 Detail information of each treatment in tillage, straw returning and sowing method

1.3 样品采集

在2019和2020年于玉米拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期对各个处理随机取样3株后，分成茎、叶、鞘、苞叶、穗轴、籽粒、雄蕊共7个部位放入烘箱105℃杀青30 min，75℃烘干后称干物重。将烘干的样品粉碎过0.25 mm筛后，装袋待测。

1.4 测定项目

1.4.1 成熟期植株氮磷钾含量测定 植株和籽粒样品用H2SO4–H2O2消煮，氮含量采用连续流动分析仪测定，磷含量利用钒钼黄比色法测定，钾含量采用火焰光度计法测定[22]。

1.4.2 收获期玉米产量测定 玉米成熟期，从每个大区中间选取2行(长5 m，行距0.65 m)，收获全部果穗，用PM8818水分测定仪测其含水量折算出实际产量，并随机抽取10穗进行考种，记录穗数、穗粒数、百粒重等指标。

1.5 计算方法

植株氮(磷、钾)积累量=植株氮(磷、钾)含量(%)×单株干重×种植密度

氮(磷、钾)素收获指数=籽粒氮(磷、钾)含量/植株总氮(磷、钾)吸收量

花前营养器官干物质转运量(DMT)=开花期营养器官干重－成熟期营养器官干重

花前营养器官干物质转运率(DMTE)=(花前营养器官干物质转运量/开花期营养器官干重)×100%

花后同化物输入籽粒量(CAA)=成熟期籽粒干重−花前营养器官干物质转运量

花后同化物对籽粒的贡献率(CPAG)=花后同化物输入籽粒量/成熟期籽粒干重×100%

1.6 数据分析

采用Excle 2010整理数据并计算，使用SPSS 22.0对数据进行差异显著性检验分析，利用Origin 2018 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对玉米成熟期氮素积累量及分配的影响

不同试验年份和耕作方式对玉米氮素积累的影响达到极显著水平(P>0.01)，但两者交互作用对玉米氮素积累量影响不显著(P>0.05，图2)。2019和2020年，秸秆还田处理的氮素积累量均高于秸秆不还田处理，并且各处理中以T4处理氮素积累量最高，T1最低。与Con相比，T2、T3、T4氮素积累分别增加11.5%、20.4%、24.8%。在免耕下，氮素积累T2较T1显著增加17.6%；与T6相比，T4氮素积累增幅15%。而在秸秆深翻还田下，平作和垄作无显著差异。

图2 耕作方式对玉米氮素积累量及各部位氮素分配的影响Fig. 2 Effects of tillage methods on nitrogen accumulation and nitrogen distribution in each part of maize plants

玉米籽粒氮素分配比例最高。T4处理的籽粒氮素占比最高，较Con处理显著增加10.5%。T3、T5、T6籽粒氮素占比均高于Con处理。在免耕下，T2较T1增加4.9%。

2.2 耕作方式对玉米成熟期磷素积累量及分配的影响

不同试验年份和耕作方式对玉米磷素积累量的影响均达到极显著水平(P<0.01，图3)。2019和2020年T4和T3处理的磷素积累量较高。2019年除T1外，T4与其他处理间磷素积累量无明显差异，并较T1处理显著增加19.2%。2020年，T4磷素积累量显著高于其他处理，在秸秆深翻还田下，T4较T3处理磷素积累量显著增加了8.4%。T5较T6磷素积累量显著增加7.8%。在免耕方式下，T2较T1磷素积累量增加16.7%。T4较T6磷素积累量增加18.8%。

图3 耕作方式对玉米磷素积累量及各部位磷素分配的影响Fig. 3 Effects of tillage methods on phosphorus accumulation and phosphorus distribution in each part of maize plants

两年期间，玉米籽粒磷素分配比例最高。T4处理籽粒磷素占比最高，T1最低。在秸秆不还田条件下，Con籽粒磷素占比较T1增加4.0%。

2.3 耕作方式对玉米成熟期钾素积累量及分配的影响

不同试验年份和耕作方式对玉米钾素积累量的影响达到极显著水平(P<0.01，图4)。2019和2020年T3和T4处理的钾素积累量较高，T1处理最低，且秸秆还田处理的钾素积累量均高于秸秆不还田处理。2019年T4较Con、T1和T2分别显著增加了19.0%、25.5%、16.7%，T3和T5较T1分别增加19.0%、15.3%。2020年，T3和T4显著高于其他处理，与Con相比，T3和T4分别增加了12.0%、11.6%。

图4 耕作方式对玉米钾素积累量及各部位钾素分配的影响Fig. 4 Effects of tillage methods on potassium accumulation and potassium distribution in each part of maize plants

两年期间，玉米各部位钾素在茎秆分配比例最高，Con处理和T1处理茎秆钾素占比较高，T4处理籽粒钾素占比最高。在秸秆不还田下，Con的籽粒钾素占比较T1增加16.1%。在平作方式下，T4的籽粒钾素占比较T6显著增加了11.5%，垄作方式下T3较T5增加9.2%。

2.4 耕作方式对玉米养分收获指数的影响

试验年份对N、P收获指数影响显著。不同耕作方式对N、P、K收获指数均影响显著，但年份与耕作方式交互作用对玉米养分收获指数影响不显著(表2)。2019和2020年，T3和T4的N、P、K收获指数较高，T1最低。2019年，T4和T3较T1的N、P、K收获指数分别显著提升了12.9%、8.5%、18.5%和10.0%、5.6%、22.2%。2020年，在免耕下，T2较T1的N、K收获指数分别提升9.1%、17.1%；与Con相比，T4的N、P收获指数分别提高10.0%、5.1%。

表2 耕作方式对玉米氮磷钾收获指数的影响Table 2 Effects of tillage patterns on the N, P and K harvest index of maize

2.5 耕作方式对玉米干物质积累量的影响

不同试验年份和耕作方式及两者交互作用对玉米干物质积累量的影响达到极显著水平(图5)。2019和2020年玉米单株干物质积累量随生育时期的推移呈上升趋势。两年平均来看，拔节期，T2处理的干物质积累量最高，较T1处理显著增加40.9%。抽雄期，T5干物质积累量较高，与Con相比增加了14.3%，在秸秆深翻还田条件下，干物质积累量为T3>T4。灌浆期，T5干物质积累量最高，T2较T1增加13.2%。成熟期，在平作下，T4较T6增加2.3%；在垄作下，T3较Con增加4.8%；在秸秆碎混还田条件下，干物质积累量大小表现为T5>T6。

图5 耕作方式对玉米干物质积累量的影响Fig. 5 Effects of tillage methods on dry matter accumulation of maize

2.6 耕作方式对玉米干物质转运能力的影响

耕作方式对花前营养器官干物质转运率和花后同化物输入籽粒量的影响达到显著水平(表3)。2019年T4和T3处理花前营养器官干物质转运量较高，除T1的花后同化物输入籽粒量较低外，其他指标处理间没有明显差异。2020年，T4处理花前营养器官干物质转运量和转运率最高，Con处理最低。T4较T1的花后同化物输入籽粒量显著增加了6.4%。

表3 耕作方式对玉米干物质转运能力的影响Table 3 Effects of tillage patterns on the transport capacity of maize dry matter

2.7 耕作方式对玉米产量及产量构成因素的影响

不同试验年份和耕作方式的交互作用对玉米百粒重的影响达到极显著水平(P<0.01，表4)。2019年，不同处理玉米单位面积穗数无显著差异，T4处理的穗粒数最高。在免耕下，T2穗粒数较T1显著提高23.2%。T5、T6和Con处理的玉米百粒重较大，T2处理的玉米百粒重最小。T4的玉米产量最高，其次是T3处理。在平作条件下，T4较T6的玉米产量显著增加了20.0%。2020年T4处理的玉米单位面积穗数最高，其次为T3、T2处理，其他处理与对照差异不显著。在垄作下，T3处理的玉米单位面积穗数较T5和Con处理分别显著增加了5.5%和8.9%。T2、T3和T4的穗粒数较高，T1最低，且T2较T1显著提高9.3%。T3、T4、T5和T6处理的玉米百粒重相似且显著高于其他处理。T3和T4处理产量最高，较Con处理分别显著增加16.3%和12.5%。

表4 耕作方式对玉米产量及产量构成因素的影响Table 4 Effects of different tillage methods on maize yield and its components

2.8 玉米产量与干物质积累和产量构成因素的相关性

由表5所示，2019年玉米产量与单位面积穗数呈显著正相关(P<0.01)；2020年玉米产量与干物质积累量、单位面积穗数、百粒重和穗粒数呈显著正相关(P<0.01)。

表5 玉米产量与干物质积累量和产量构成因素间的相关关系(r）Table 5 Correlation between maize yield, dry matter accumulation and yield components

3 讨论

耕作措施可以改善土壤环境质量，提高土壤养分的有效性，影响作物对养分的吸收，进而提高作物产量。本研究表明，2019和2020年，与旋耕垄作相比，秸秆深翻还田+平作深松和秸秆深翻还田+垄作深松均可提高成熟期玉米氮、磷、钾元素积累量。在相同耕作方式下，秸秆深翻+平作深松较秸秆碎混+平作和秸秆深翻+垄作深松较秸秆碎混+垄作处理的氮、磷、钾元素积累量分别提高了12.54%～17.57%、4.71%～18.86%、10.05%～11.07%和3.80%～11.88%、1.12%～1.33%、3.1%～9.3%；说明秸秆深翻+深松可促进玉米养分的吸收与积累，这与前人[23–25]研究结果基本一致，其一部分原因是深松改善了土壤结构[26]，促进土壤营养元素的矿化，进而提高了作物对营养元素的吸收能力[27–28]，另一部分原因是秸秆中含有大量的矿质元素，与秸秆碎混还田相比，秸秆深翻还田既达到耕作土壤的目的，又增加深层土壤有机质，降低土壤团聚体破坏率，提高水稳性团聚体的稳定系数，利于培肥地力。张宇飞[16]的研究结果表明，免耕秸秆还田较免耕秸秆不还田利于作物对养分的积累利用。本试验中，免耕秸秆移除处理的氮、磷、钾积累量均最低，说明免耕秸秆移除处理不利于玉米对养分的积累，其原因可能是免耕使土壤耕层变浅，犁底层加厚，限制了玉米根系的生长进而限制了玉米对养分的吸收[29]，而秸秆覆盖还田后，减少水分的蒸发并提高地温，增加微生物活动，抑制杂草生长等，从而作物对养分元素的吸收积累有一定提高[30]。

作物生物量与养分的积累有着密切的关系，养分积累是生物量累积的基础，也是作物产量形成的基础[31]。前人研究表明，玉米干物质积累与产量呈正相关关系[32]。张瑞富等[33]研究发现，各个生育时期干物质积累量均表现为深松+旋耕大于旋耕，说明深松利于提高玉米干物质生产能力。本试验表明，秸秆深翻+平作深松和秸秆深翻+垄作深松较免耕秸秆移除均增加了玉米成熟期干物质积累量。前人大量研究发现花后物质生产与分配对作物高产有重要影响[34]，本研究中，秸秆深翻+平作深松处理可显著提高花前营养器官干物质转运量，利于提高花后同化物向籽粒输入的效率，进而增加产量。

深松能够打破犁底层，较旋耕和免耕提高玉米产量[35]。秸秆还田可提高田间持水量，改善作物抗旱能力[36]，增加土壤养分[37]，促进作物对水分和养分的吸收利用，进而增加作物干物质积累量和产量。蔡红光等[38]研究指出，秸秆深翻还田在东北黑土区是较为适宜的还田方式。刘玮斌等[39]研究发现，秸秆深翻还田较秸秆覆盖还田更有利于土壤水分和酶活性的增加，进而提高玉米产量。本研究结果表明，两年期间，秸秆深翻+平作深松和秸秆深翻+垄作深松的产量较高，与对照相比，分别增产16.3%～19.1%、9.5%～12.5%，这得益于深松后，改善土壤环境，促进玉米生长，增加玉米单位面积穗数和穗粒数。在相同耕作下，免耕秸秆覆盖还田较免耕秸秆移除处理的产量提高2.9%～3.9%，无明显差异，秸秆覆盖还田后，对养分在营养器官和生殖器官中的分配量具有一定调控作用，促进了养分从叶片向籽粒中转移，使籽粒养分占比提高，从而对玉米有一定增产作用[40]。秸秆深翻+平作深松和秸秆深翻+垄作深松相较于秸秆碎混+平作和秸秆碎混+垄作产量分别提升16.1%～20.0%、8.2%～11.7%，分析其原因，一方面深松打破犁底层，促进作物根系生长，利于根系吸收水分和养分，另一方面秸秆深翻还田提高了秸秆还田深度，使秸秆腐解后的养分充分进入土壤，大大提高了土壤中的酶活性[41–42]，同时还起到抗旱保墒的作用[43–44]，促进玉米生长，提高玉米单位面积有效穗数和穗粒数。张文超[45]通过在松嫩平原半干旱区研究不同耕作方式对土壤养分及玉米产量的影响发现，在10—20 cm土层，平作深松较垄作深松提高了土壤养分含量，玉米增产1.5%左右。本试验中，在秸秆深翻还田下，平作深松较垄作深松增产3.4%～8.8%，与前人研究结果相似。本课题组前期研究结果表明平作深松减少了耕作次数，避免播种期土壤水分过度蒸发，确保苗期玉米对土壤水分的最低需求，且平作深松有助于根系生长发育，增加玉米水肥利用效率，确保该地区玉米获得稳产和高产，垄作春季深松虽然也适合该区，但因受农机具的限制，垄作耕层较浅，对作物后期生长有所影响，产量相对减少[46]。下一步我们将深入探究平作与秸秆还田方式在该地区玉米生产中的综合利用效果。总体来看，2020年各处理的氮、磷、钾积累量和产量较2019年均有所增加，可能是因为2020年玉米生育期降雨量充足，为根系生长活动提供了良好的条件，提高根系吸收养分能力，并且随着秸秆还田年限的增加，秸秆不断被微生物腐解转化，秸秆中的养分得到充分释放，使土壤中的碱解氮、速效磷、钾呈上升趋势[47]，增加土壤肥力。

4 结论

与旋耕垄作相比，秸秆还田+免耕、秸秆碎混+垄作对玉米产量影响不显著；而秸秆深翻+平作深松显著促进玉米N、P、K养分的积累和籽粒产量，且优于秸秆深翻+垄作深松处理。在相同耕作方式下，秸秆深翻对玉米氮磷钾收获指数、干物质转运能力、单位面积穗数、百粒重的提升效果优于秸秆碎混还田。综合分析，秸秆深翻+平作深松和秸秆深翻+垄作深松对该地区玉米增产稳产是较为合适的耕作方式。