绿洲灌区绿肥还田利用方式对玉米干物质积累、分配及产量的影响

尚永盼 于爱忠 王玉珑 王鹏飞 李 悦 柴 健 吕汉强 杨学慧 王 凤

甘肃农业大学农学院 / 干旱生境作物学国家重点实验室, 甘肃兰州 730070

玉米是主要的粮食作物, 其生长发育过程中,干物质积累是籽粒产量形成的基础, 干物质高效分配是获得高产的重要保障[1-2], 明确其积累分配规律对玉米籽粒产量提升具有重要指导意义。农业生产过程中普遍存在种植模式单一等问题, 严重制约了区域玉米产量提升效果[3]。因此, 认识干物质积累与产量变化特征对农艺措施改良的响应是玉米高产高效栽培中重要的研究内容。一些研究发现绿色有机投入[4]、有机无机配施[5]、水分调控[6]以及密度调节[2]等农艺措施有利于玉米高效生产; 其中, 绿肥作为生长周期短、清洁高效的天然有机肥源[7], 因还田后具有改善土壤理化性质[8]、优化土壤微生态环境[9]、提高土壤肥力[10]、净化环境[11]等功效而被广泛应用。研究表明, 绿肥还田后可显著提高后茬作物产量[12],且绿肥不同品种增产效果不同, 草木樨、针叶豌豆及甜豌豆还田可显著提高地上部干物质积累量, 最终玉米增产9.9%～28.1%[13]。此外, 土壤中碱解氮、有效磷、有机质等含量会因绿肥还田量的不同而发生改变[9,14], 从而直接或间接地影响到光合产物的积累与分配[15], 最终影响作物产量。毛叶苕子还田30,000 kg hm-2结合施氮180 kg hm-2可显著提高小麦干物质积累量, 使小麦增产18.4%～27.6%[16]。在烟草上的研究结果表明, 当箭筈 豌豆还田量介于18,750～30,000 kg hm-2时, 还田量与烟草产量呈显著正相关关系[17]。绿肥还田对主栽作物产量的影响因区域[13,17]、耕作方式[16]而异, 且这些研究多集中于绿肥品种及还田量对作物干物质积累、分配规律的影响, 而有关不同绿肥还田利用方式的研究相对薄弱。西北绿洲灌区光资源丰富, 为玉米生长提供了优越条件, 然而在玉米生产过程中, 由于长期连作导致病虫害加剧, 使玉米产量停滞不前, 严重制约了区域玉米绿色生产模式构建[18]。因此, 本研究将豆科绿肥纳入传统小麦-玉米种植模式中, 重点探讨绿肥还田利用方式对玉米生育中后期地上部干物质积累分配规律及玉米产量的影响, 以期为该区域玉米高产高效种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020—2021 年在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站(37°30′N, 103°5′E)进行, 该区位于河西走廊东端, 属寒温带干旱气候, 平均海拔1506 m,年均降雨量不足160 mm, 年蒸发量大于2000 mm。试验田0～30 cm 土层土壤有机碳含量11.2 g kg-1, 土壤pH 8.3, 土壤全氮、速效磷和速效钾含量分别为0.96 g kg-1、25.4 mg kg-1和135.3 mg kg-1。2020 年和2021 年玉米生育期内日降雨量及日均温变化如图1 所示。

图1 2020-2021 年试验站作物生育期内日降雨量及日均温变化Fig. 1 Mean daily precipitation and air temperature during growth period of crops in the study area from 2020 to 2021

1.2 试验设计

为了消除年际气候因子变异对试验结果造成的影响, 在同一试验田设置2 个轮作序列, 春小麦-绿肥-春玉米轮作为2019 年3 月份种植春小麦, 7 月份春小麦收获后翻耕复种箭 筈豌豆, 10 月份在 箭 筈豌豆盛花期设置4 种还田方式, 2020 年4 月份覆膜平作春玉米, 9 月份收获; 春玉米—春小麦—绿肥轮作为2019 年4 月份覆膜平作春玉米, 翌年依次种植春小麦、箭 筈豌豆, 并设置相同还田方式。试验共设5个处理, 每个处理3 次重复, 采用完全随机区组排列, 小区面积54 m2(6 m×9 m), 具体试验处理及代码如表1。

表1 试验处理及代码Table 1 Experiment treatment and code

供试小麦(TriticumaestivumL.)品种为“永良4 号”,播种密度为675 万粒 hm-2, 施氮肥180 kg hm-2, 施P2O5180 kg hm-2, 全作基肥。玉米(ZeamaysL.)品种为“先玉335”, 播种密度为8.25 万株 hm-2, 施氮肥360 kg hm-2, 按基肥 ：大喇叭口期 ：灌浆期=3：5：2 分施; 施P2O5180 kg hm-2, 筈全做基肥。箭 豌豆(ViciasativaL.)品种为“兰箭2 号”, 播量为75 kg hm-2,不施肥。灌溉方式为膜下滴灌, 灌水总量4050 m3hm-2, 按拔节期 ：大喇叭口期 ：抽雄吐丝期 ：灌浆初期 ：灌浆中期=6：5：6：5：5 进行灌溉。

1.3 测定指标与计算方法

地上部干物质积累量: 玉米出苗后, 每隔15 d左右取样1 次。用S 形法在各小区内选取具有代表性的10 株玉米, 在105℃烘箱中杀青1 h, 然后调至80℃恒温连续烘干至恒重, 待冷却后测其干重。

采用Logistic 方程拟合玉米地上干物质积累过程, 并计算最大干物质积累速率及最大积累速率出现的天数[19]。

式中,Yt为单位土地面积上玉米地上部干物质积累量(kg hm-2),t为玉米出苗后的天数,K为最大地上部干物质积累量(kg hm-2),r为最初的增长速率(d-1),t50为玉米出苗后最大增长速率出现的天数(d)。当Yt=K/2 时, 增长率达最大值, 因此, 最大增长率Vmax=(r×K)/4 出现在t50。

式中,t1、t2、t3分别表示实测数据的始点、中点、终点时间,N1、N2、N3分别表示在始点、中点、终点测定时间对应的干物质积累量。

产量及产量构成因素: 玉米成熟后将每小区单独收获测定穗数、风干后脱粒测产。在各处理小区内选取具有代表性的20 株进行室内考种, 测定穗粒数、千粒重等产量指标。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2016 整理汇总数据, Origin 2021 作图, 使用SPSS 26.0 统计分析软件进行方差分析和显著性检验, 并通过回归分析拟合Logistic 方程。

2 结果与分析

2.1 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质积累特征的影响

2.1.1 干物质积累动态 2 年试验结果表明, 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质积累动态影响显著(图2)。在玉米吐丝期, TG 处理的地上部干物质积累量较 CT、NTG 处理分别提高 14.8%、8.8%(P＜0.05)。由于吐丝期后NTG 处理玉米生长较快, 地上部干物质积累量达到快速增长阶段, 在灌浆期,NTG、TG 处理的地上部干物质积累量分别较CT 处理提高25.1%、21.2% (P＜0.05), 但NTG 与TG 处理之间无显著差异。此后, NTG 和TG 处理仍然保持较高的地上部干物质积累量, 使得完熟期NTG 处理的地上部干物质积累量较CT、T 和NT 处理分别提高20.2%、20.2%和15.7%, TG 处理的地上部干物质积累量较CT、T 和NT 处理分别提高17.7%、7.3%和13.0% (P＜0.05), NTG 与TG 处理之间无显著差异。纵观玉米4 个生育时期, 绿肥地表覆盖免耕(NTG)和绿肥全量翻压(TG)处理可显著提高玉米地上部干物质积累量, 为玉米获得高产奠定物质基础, 其中绿肥地表覆盖免耕处理效果突出。

图2 不同处理下玉米干物质积累量动态Fig. 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different treatments

2.1.2 干物质积累的Logistic 方程拟合 2 个试验年份绿肥还田利用方式下玉米地上部干物质积累量(Y)依据出苗后天数(t)的动态变化过程均可用Logistic 方程加以回归描述(R2≥0.98, 表2)。2 个试验年度内, 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质最大增长速率(Vmax)、平均增长速率(Vmean)影响显著(P＜0.05)。NTG、TG 处理的最大增长速率分别较CT处理提高36.6%、24.8%, 较NT 处理提高31.0%、18.2%。平均增长速率也呈现相同变化趋势, NTG、TG 处理的平均增长速率分别较CT 处理提高20.2%、17.7%, 较T 处理提高10.1%、7.3%, 较NT 处理提高 15.6%、13.0%。分析可知, 绿肥地表覆盖免耕(NTG)和绿肥全量翻压(TG)处理主要通过提高最大增长速率和平均增长速率来增加玉米地上部干物质积累量。

表2 不同处理下玉米地上部干物质积累的Logistic 方程回归分析Table 2 Logistic equation analysis on above-ground dry matter accumulation of maize under different treatments

2.2 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质分配规律的影响

2 年试验结果表明, 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质分配影响显著(图3)。在玉米吐丝期,NTG、TG 处理的穗部干物质分配比率分别较CT 处理提高11.5%、11.3% (P＜0.05)。此后, NTG 和TG处理穗部干物质分配比率迅速增加, 至灌浆期,NTG、TG 处理的穗部干物质分配比率分别较CT 处理提高16.0%、18.4%, T、NT 处理的穗部干物质分配比率分别较CT 处理提高14.6%、10.8% (P＜0.05),但NTG 与TG 处理之间无显著差异。灌浆期后, 各处理仍然保持较高的穗部干物质分配, 使得完熟期NTG、TG 处理的穗部干物质分配比率分别较CT 处理提高10.3%、9.0%, T、NT 处理的穗部干物质分配比率分别较CT 处理提高6.6%、3.8% (P＜0.05), 但NTG 与TG 处理之间仍无显著差异。分析可知, 绿肥不同还田利用方式处理可有效提高玉米地上部干物质向穗部的分配, 其中绿肥地表覆盖免耕(NTG)和绿肥全量翻压(TG)处理效果突出。

图3 不同处理下玉米各器官干物质分配比率Fig. 3 Dry matter distribution ratio in different organs of maize under different treatments

2.3 绿肥还田利用方式对玉米籽粒产量的影响

2 年试验结果表明, 绿肥还田利用方式对玉米籽粒产量影响显著(图4)。NTG 处理的玉米籽粒产量较CT、T 和NT 处理分别提高24.9%、11.4%和16.7%,TG 处理的玉米籽粒产量较CT、T 和NT 处理分别提高25.7%、12.1%和17.3% (P＜0.05)。同样T 处理的玉米籽粒产量较CT 处理显著提高15.6%, NTG 与TG处理之间无显著差异。说明绿肥地表覆盖免耕(NTG)和绿肥全量翻压(TG)处理有利于提高玉米籽粒产量。

图4 不同处理下玉米籽粒产量Fig. 4 Grain yield of maize under different treatments

2.4 籽粒产量与产量构成因素的相关分析

2 个试验年度, 绿肥还田利用方式下玉米籽粒产量与产量构成因素的相关分析和通径分析结果表明(表3), 玉米籽粒产量与穗数、穗粒数和千粒重均呈显著正相关关系。通过玉米籽粒产量与各指标直接通径系数可知, 绿肥不同还田利用方式对玉米籽粒产量构成因素的影响为穗粒数＞穗数＞千粒重; 通过玉米籽粒产量与各指标间接通径系数可知, 穗数通过穗粒数对玉米籽粒产量的间接贡献率最大, 穗粒数通过穗数对玉米籽粒产量的间接贡献率最大,千粒重通过穗粒数对玉米籽粒产量的间接贡献率最大。分析可知, 绿肥不同还田利用方式处理主要通过提高穗粒数使玉米获得较高的籽粒产量。

表3 不同处理玉米籽粒产量与产量因素的相关系数和通径系数Table 3 Correlation coefficient and path coefficient of maize between grain yield and yield components

3 讨论

3.1 绿肥还田利用方式对作物干物质积累、分配的影响

玉米干物质积累是籽粒产量形成的基础, 生育期内干物质积累量的大小决定着籽粒产量的高低[20]。众多研究证实, 作物生长过程受诸多因素影响, 通过改良农艺措施来优化干物质积累特征是作物获得高产的重要途径之一[2], 其中, 复种轮作绿肥作物对主栽作物稳产丰产具有显著作用[21-22]。本研究结果表明, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理可显著提高玉米地上部干物质积累量使玉米获得高产。有研究认为, 绿肥翻压还田可促进作物关键生育时期氮素的吸收与积累, 提高作物成熟期干物质的积累量[23]; 另有研究认为, 在河西绿洲灌区玉米绿肥间作体系下, 绿肥压青或根茬还田均可显著提高玉米干物质积累量, 且压青还田的效果优于根茬还田[13], 这与本研究结果相一致。其原因主要有: 第一, 豆科绿肥生长期通过根瘤菌的共生固氮作用,提高了土壤氮素含量, 同时绿肥全量还田可改善土壤微生物活性、相关功能微生物数量等氮素转化因子[24], 促进土壤中无机态氮向有机态氮的转化, 提高土壤中氮素的持续供应能力, 进而保证主栽作物吸收利用充足的氮素, 促进氮素向各器官的转运分配, 为干物质积累提供养分保障[25-26]。第二, 豆科绿肥还可通过自身氧化还原过程活化土壤中作物难以直接吸收利用的磷、钾等元素[27], 补充土壤中矿质养分含量, 提高土壤养分供应的有效性, 使玉米生育前期主要促进地上部的生长, 延长茎、叶等营养器官的功能期, 从而提高光合同化产物, 为生育后期光合产物向库的运输奠定良好基础[28]。

Logistic 方程能够准确拟合分析干物质积累的动态状况[29], 赵姣等[30]通过构建Logistic 方程模型分析冬小麦干物质积累过程发现, 产量的形成与最大干物质积累速率呈正相关关系, 速率越大, 产量越高; 侯玉虹等[31]通过Logistic 方程模拟玉米干物质积累过程发现, 产量的高低与干物质快速增长持续时间密切相关。而本研究结果表明, 绿肥还田利用方式对玉米地上部干物质积累Logistic 方程产生显著影响, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理主要通过提高地上部干物质最大增长速率和平均增长速率来提高干物质积累量, 造成这种差异的原因可能是绿肥还田后改善了土壤理化性状, 影响到玉米生育期叶绿素含量发生变化, 有效延缓了营养器官的衰老, 改善了作物光合特性[32], 使玉米特定生育时期干物质积累速率不同, 最终影响地上部干物质的积累。

玉米地上部干物质积累是高产的前提, 而提高干物质向穗部的分配是高产的关键。玉米随着生育时期的推进, 叶片、茎秆等器官的干物质分配比率呈下降趋势, 而穗部干物质分配比率呈上升趋势[33],这与本研究结果相一致, 且在绿肥还田利用方式中,绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理效果最佳,主要是由于绿肥具有持续供应养分的能力, 还田后主要通过微生物腐解作用向农田释放营养元素供作物吸收利用[34], 在玉米生育前期主要促进了植株叶片的生长发育, 中期通过壮杆和扩大绿叶面积, 维持了玉米生育后期叶片较强的光合能力, 从而使干物质高效地分配到穗部[33]。

3.2 绿肥还田利用方式对作物产量的影响及其关键机制

本研究发现, 与传统翻耕相比, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理均可获得较高的籽粒产量,且二者差异不显著。这与李虹桥等[35]和姚致远等[22]的研究结果相一致, 而绿肥处理造成后茬玉米显著增产的原因在于: 一方面, 绿肥全量还田后分解产生大量的腐殖质, 显著提高了土壤中的水稳定性团粒数量, 改善了土壤蓄水保墒能力, 为延缓后茬玉米根系的生长提供了良好的土壤环境, 起到养根护叶的作用[36-37]; 另一方面, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理可显著增加土壤有机质含量[38], 使植株养分供应充足, 协调了“源”与“库”的关系, 主要表现为营养“源”向籽粒“库”光合作用最终产物的转运增多, 进而增加籽粒产量[39]。本研究还发现, 绿肥地上部移除免耕处理的玉米籽粒产量与对照无显著差异。有研究认为, 在玉米绿肥间作体系下, 草木樨压青和根茬还田均可显著提高玉米产量[13], 这与本研究结果存在差异, 其原因可能是不同种植模式下, 绿肥全量和根茬还田后对养分的供应能力不同,进而影响玉米产量[13]。本研究中, 通过对籽粒产量与产量构成因子的相关分析得, 不同处理下玉米籽粒产量的增加主要归因于穗粒数的提高, 其原因主要是绿肥还田后可为玉米生长提供充足的氮素, 使植株体内活性氧清除酶的代谢合成处于相对旺盛水平, 延缓了植株衰老, 使叶片的光合作用增强,显示出源端同化物的持续供应能力, 进而促进籽粒灌浆, 提高结实率[25,40-41]。综上所述, 绿肥还田后能够创造和维持后茬作物生长的环境条件, 有利于实现玉米的高产、稳产, 且绿肥不同还田方式对玉米增产的影响不同, 其增产实质在于对玉米植株代谢强度的影响, 但对“源库流”关系的影响机制还需进一步探究, 是未来玉米高产栽培研究的重点方向之一。

4 结论

与传统翻耕相比, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理均可增加玉米生育后期地上部干物质积累量, 促进干物质向穗部的分配, 提高地上部干物质最大增长速率和平均增长速率, 使玉米增产24.9%～25.7%, 增产主要归因于穗粒数的提高, 其中绿肥地表覆盖免耕处理效果突出。因此, 在干旱绿洲灌区麦后复种绿肥轮作玉米生产模式中, 绿肥地表覆盖免耕可作为玉米获得较高籽粒产量的理想绿肥还田方式。