于 博， 楊玉亭， 任 琴， 徐松鶴， 周萌洋， 劉夢琪， 潘 瑜

(集寧師范學院，內蒙古烏蘭察布 012000)

我國玉米種植面積達4 332萬 hm2，產(chǎn)量達 2.725 5億t(2021年數(shù)據(jù))[1]。玉米是內蒙古第一大作物，主要分布在西遼河、土默川、河套平原灌區(qū)，播種面積約260萬hm2，占內蒙古糧食作物播種面積的38.2%，總產(chǎn)穩(wěn)定在0.272 5億t(2019年數(shù)據(jù))，占內蒙古糧食總產(chǎn)的79.9%。由于缺乏對高產(chǎn)農(nóng)田土壤肥力特征及其形成過程和作用機制的認識，導致玉米難以大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。玉米秸稈當中含有豐富的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營養(yǎng)元素，是很好的生物質能源。我國玉米秸稈還田比例為17.6%，美國為68%，英國為73%[2]，韓國的玉米秸稈有20%還田，80%用作飼料[3]，因此我國玉米秸稈還田研究尚有較大進步空間[4]。鄭金玉等的研究表明，秸稈粉碎后全量還田能夠促進作物干物質的積累及產(chǎn)量的提高，秸稈還田與普通耕作相比，產(chǎn)量可提高近15%[5]。李亭亭的研究表明，秸稈深翻還田后能夠增加作物穗粒數(shù)和畝穗數(shù)，并且有助于最終產(chǎn)量的提高[6]。解文艷等的研究表明，秸稈覆蓋還田處理能夠增加玉米的百粒質量及畝穗數(shù)，有利于產(chǎn)量的提高[7]。秸稈還田與氨肥配合施用，能提高土地肥力，使玉米灌漿特性得到改善，玉米的百粒質量增加[8]。秸稈還田可以改善土壤條件，對農(nóng)作物的生長發(fā)育、營養(yǎng)吸收、營養(yǎng)物質的積累及產(chǎn)量的增加有很大的促進作用[9]。秸稈還田能為玉米提供花后籽粒灌漿和干物質積累所必需的養(yǎng)分，實現(xiàn)產(chǎn)量的提高[10]。秸稈還田后添加氮肥可促進秸稈腐解，提高土壤微生物生物量和土壤中的氮含量，彌補秸稈腐解過程中土壤微生物對氮素的固持，從而保證氮素的供給[11]。內蒙古春玉米主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田土壤培肥要結合區(qū)域農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展政策[12]，以秸稈還田代替部分化學肥料的施用、調整有機肥(秸稈肥)與化學肥料的配施方式和配施結構，綜合內蒙古平原灌區(qū)不同生態(tài)氣候特點，深入研究春玉米高產(chǎn)田配方施肥的綜合配套技術。內蒙古平原灌區(qū)農(nóng)田土壤培肥應以秸稈還田為核心技術，同時加強中低產(chǎn)田改造及可持續(xù)利用，才能進一步提升耕地地力，提升玉米秸稈綜合利用能力，減少畝均化肥用量，保證內蒙古糧食增產(chǎn)和綠色高質量發(fā)展[13]。本研究以此為切入點，在有機肥投入不足及化肥不合理施用的背景下，設計了秸稈連續(xù)還田定位試驗，研究春玉米根冠指標和產(chǎn)量的變化規(guī)律及其相關關系，以明確秸稈還田措施對春玉米增產(chǎn)的貢獻。研究成果對實現(xiàn)春玉米大面積高產(chǎn)具有指導意義，具有良好的應用前景，同時對保證內蒙古乃至全國糧食穩(wěn)定增產(chǎn)和糧食安全都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在集寧師范學院玉米試驗田(113°7′14″E，41°0′56″N)進行，試驗區(qū)屬典型的蒙古高原大陸性氣候，具有晝夜溫差大、無霜期短的特點，年平均無霜期達114 d，年平均氣溫4.3 ℃，年均日照 3 000 h，年平均風速3.0 m/s，最大凍土深度為 1.9 m。供試土壤類型均為沙壤土，試驗地0～20 cm 耕層土壤有機質含量13.40 g/kg、堿解氮含量50.23 mg/kg、速效磷含量11.82 mg/kg、速效鉀含量136.10 mg/kg，pH值為8.01。春玉米生育期(5月1日至9月30日)平均降水量為384 mm，積溫為 2 150 ℃。

1.2 試驗設計

定位試驗于2019年5月至2021年10月進行，玉米秸稈在收獲后全量粉碎還田。自2019年起逐年形成秸稈還田1～3年3個試驗處理(HT1、HT2、HT3)，秸稈年均還田量為15.877、15.701、16.504 t/hm2；以秸稈不還田作為對照(CK)。秸稈還田量按照1.0 ∶1.2的籽粒-秸稈質量比計算，每個試驗小區(qū)長6 m、寬5 m，小區(qū)面積為30 m2，共計12個試驗小區(qū)，隨機區(qū)組排列。玉米品種為先玉1619，種植密度為7.5萬株/hm2，等行距60 cm種植。施肥量：按照內蒙古自治區(qū)地方標準DB15/T 1088—2016《內蒙古平原灌區(qū)飼用玉米施肥技術規(guī)程》施肥，施肥量折算之后純N 465 kg/hm2、P2O5210 kg/hm2、K2O 202.5 kg/hm2。施肥方式：磷鉀肥全部作基肥，氮肥以3 ∶6 ∶1(質量比)分別用作基肥和追肥，追肥于拔節(jié)期與灌漿期前施用。灌水4次：拔節(jié)期1次、大喇叭口期1次、灌漿期2次。具體見表1。

表1 秸稈還田試驗設計方案

1.3 試驗測定項目與方法

1.3.1 春玉米根系的測定 吐絲期，采用1/2株距×1/2行距法，3點取樣，每10 cm為一層，取0～60 cm土層的春玉米根系，用ESPON STD4800 Scanner根系掃描儀對根系進行掃描，保存生成TIF格式的圖片，用WinRHIZOTM軟件分析總根長、根表面積和根尖數(shù)[14]。采用α-萘胺氧化法測定根系活力[15]。

1.3.2 葉片SPAD值的測定 吐絲期，采用日本美能達公司的手持式SPAD-502型葉綠素計測定葉片SPAD值[16]。

1.3.3 葉片凈光合速率的測定 吐絲期，采用美國LI-COR公司的LI-6400光合作用測量系統(tǒng)測定葉片的光合速率[17]。

1.3.4 葉片全氮和蔗糖含量的測定 吐絲期，采用凱氏定氮法測定葉片全氮含量；采用紫外分光光度法測定葉片蔗糖含量[18]。

1.3.5 產(chǎn)量和生物量的測定 收獲期，每個試驗小區(qū)實測玉米產(chǎn)量和地上部生物量，取連續(xù)20個果穗，待風干后考種，測定穗周長、穗粒數(shù)、百粒質量(14%含水率)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析、相關性分析和通徑分析，采用最小顯著差異(LSD)法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構成及地上部生物量的影響

由表2可知，秸稈還田處理與CK相比穗周長、穗數(shù)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量以及地上部生物量存在顯著差異，百粒質量與CK間差異不顯著。秸稈還田處理的穗周長比CK顯著增加，穗周長表現(xiàn)為HT2>HT3>HT1>CK，HT2的穗周長最長，比CK增加10.00%。穗數(shù)以HT1最大，比CK顯著增加4.83%，HT2、HT3與CK差異不顯著。穗粒數(shù)表現(xiàn)為秸稈還田各處理與CK相比差異顯著，秸稈還田各處理之間差異不顯著。秸稈還田處理的春玉米產(chǎn)量比CK顯著增加，HT1、HT2、HT3處理分別增產(chǎn)12.49%、11.23%、16.93%，秸稈還田處理對春玉米增產(chǎn)的平均貢獻率為13.55%。秸稈還田處理可以顯著增加春玉米地上部生物量，各處理與CK間差異顯著，HT1的地上部生物量最大，比CK增加23.67%。

表2 秸稈還田對春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構成及地上部生物量的影響

2.2 秸稈還田對春玉米根長、根尖數(shù)、根表面積和根系活力的影響

由表3可知，秸稈還田對春玉米根長影響顯著。秸稈還田處理的春玉米根長與CK之間差異顯著，表現(xiàn)為秸稈還田各處理0～10、20～30、40～50、50～60 cm土層的根長與CK間差異顯著。0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土層，秸稈還田各處理間差異顯著。

表3 秸稈還田對春玉米根長的影響

由表4可知，秸稈還田對春玉米根尖數(shù)影響顯著。10～20、40～50、50～60 cm土層，秸稈還田處理下各土層與CK差異顯著，表現(xiàn)為HT1、HT2和HT3處理下的春玉米根尖數(shù)均顯著高于CK。0～10 cm 和20～30 cm土層，不同秸稈還田處理的玉米根尖數(shù)差異顯著，表現(xiàn)為HT1>HT2>HT3，隨著秸稈還田年限的增加春玉米根尖數(shù)呈逐年降低的趨勢。

表4 秸稈還田對春玉米根尖數(shù)的影響

由表5可知，秸稈還田對春玉米根表面積影響顯著。不同秸稈還田年限的春玉米根表面積與CK間差異顯著，其中0～10、20～30、50～60 cm土層下秸稈還田各處理與CK差異顯著。0～60 cm土層，HT1處理的根表面積相較于CK顯著增加，HT2和HT3處理下的根表面積與CK相比顯著降低。

表5 秸稈還田對春玉米根表面積的影響

由表6可知，秸稈還田對春玉米根系活力影響顯著。HT2和HT3處理的根系活力均顯著高于CK，HT1處理與CK間差異不顯著。秸稈還田各處理間表現(xiàn)為HT2、HT3處理與HT1處理間差異顯著，HT2與HT3處理間差異不顯著，其中HT3處理的根系活力最高，即HT3>HT2>HT1>CK。

表6 秸稈還田對根系活力的影響

2.3 秸稈還田對春玉米葉片凈光合速率、葉綠素相對含量、全氮和蔗糖含量的影響

由表7可知，秸稈還田處理對春玉米葉片的凈光合速率無顯著影響。葉片SPAD值表現(xiàn)為HT1>HT2>HT3>CK，HT1處理顯著高于CK，HT2和HT3處理與CK相比差異不顯著，且HT1處理的SPAD值最高，比CK增加6.31%，秸稈還田各處理間差異不顯著。秸稈還田處理下的春玉米葉片全氮含量顯著高于CK，表現(xiàn)為HT3>HT1>HT2>CK，HT1與HT2處理差異不顯著。秸稈還田顯著增加了春玉米葉片的蔗糖含量，表現(xiàn)為HT1>HT3>HT2>CK，HT1、HT2和HT3處理的蔗糖含量顯著高于CK，HT1處理的葉片蔗糖含量最大，比CK增加41.19%。

表7 秸稈還田對春玉米葉片凈光合速率、葉綠素相對含量、全氮和蔗糖含量的影響

2.4 秸稈還田處理年限與春玉米產(chǎn)量的擬合關系

如表8所示，通過4種不同擬合模型探究了秸稈還田處理年限(X)與春玉米產(chǎn)量(Y，kg/hm2)之間的曲線擬合關系，結果顯示，擬合決定系數(shù)表現(xiàn)為三次曲線>二次曲線>線性>指數(shù)?；貧w分析結果表明，4種擬合模型的決定系數(shù)表現(xiàn)為三次曲線最大，指數(shù)擬合關系的決定系數(shù)最小?；谇€擬合和回歸分析，可知三次曲線模型Y=4.170X3+0.331X+11 762.382 能較好地擬合秸稈還田年限與春玉米產(chǎn)量之間的關系。

表8 秸稈還田處理年限與春玉米產(chǎn)量的回歸分析

2.5 春玉米產(chǎn)量與根冠生理特性之間的相關性分析

由表9和表10可知，春玉米根尖數(shù)、根系活力與春玉米產(chǎn)量之間存在顯著正相關；春玉米葉片凈合速率、葉片SPAD值及葉片蔗糖含量與根長存在顯著正相關關系；春玉米的根表面積、葉片全氮含量與根尖數(shù)之間均存在顯著正相關關系；春玉米根系活力與根表面積之間呈現(xiàn)顯著負相關關系；春玉米葉片蔗糖含量與葉片SPAD值之間存在顯著正相關關系。春玉米葉片全氮含量、葉片蔗糖含量與產(chǎn)量之間呈極顯著正相關關系；春玉米根尖數(shù)、根表面積與根長之間呈極顯著正相關關系；春玉米葉片SPAD值、葉片蔗糖含量與根尖數(shù)之間存在極顯著正相關關系；春玉米葉片全氮含量、蔗糖含量與根系活力間存在極顯著正相關關系；春玉米葉片SPAD值與凈光合速率之間呈現(xiàn)極顯著正相關關系；春玉米葉片全氮含量同葉片蔗糖含量之間呈現(xiàn)出極顯著正相關關系。

表9 春玉米產(chǎn)量與根冠生理特性的相關性分析結果

表10 春玉米產(chǎn)量與根冠生理指標的差異性分析結果

2.6 春玉米產(chǎn)量與根冠生理指標間的通徑分析

如表11所示，在春玉米根冠8個指標(自變量)對春玉米產(chǎn)量(因變量)的直接影響中，根長對產(chǎn)量的作用最大，其次是葉片全氮含量，對產(chǎn)量作用最小的是根表面積。通過對各間接通徑系數(shù)分析可知，根尖數(shù)通過根長對春玉米產(chǎn)量的間接作用最大，其間接通徑系數(shù)為2.851，根表面積、根系活力、葉片SPAD值以及葉片蔗糖含量通過根尖數(shù)對產(chǎn)量產(chǎn)生了負的間接作用，但除此之外的其他自變量對產(chǎn)量的間接作用均為正值，導致根尖數(shù)對產(chǎn)量的影響較大，二者相關系數(shù)為0.566。各自變量與產(chǎn)量之間的簡單相關系數(shù)表現(xiàn)為葉片全氮含量>葉片蔗糖含量>根系活力>根尖數(shù)>葉片SPAD值>根長>凈光合速率>根表面積。因此，葉片全氮含量、葉片蔗糖含量、根系活力、根尖數(shù)、葉片SPAD值和根長對春玉米產(chǎn)量的增加具有重要作用，而凈光合速率及根表面積對產(chǎn)量的增加作用不大。

表11 春玉米產(chǎn)量與根冠生理指標的通徑分析結果

3 討論

張姍等的研究表明，相同施氮水平情況下， 秸稈還田與普通耕作相比能夠顯著增加作物的穗粒數(shù)，實現(xiàn)增產(chǎn)的目的[19]。陳金等的研究表明，秸稈還田與普通耕作相比能夠顯著降低作物畝穗數(shù)，但能夠提高作物的千粒質量，最終也能夠使作物增產(chǎn)[20]。本研究中秸稈還田處理與CK相比顯著增加了春玉米的穗周長、穗數(shù)和穗粒數(shù)，但百粒質量并沒有顯著增加。作物產(chǎn)量的提高依賴于干物質生產(chǎn)量和積累量，秸稈還田處理能夠促進根系營養(yǎng)物質的吸收和利用，進而增加作物干物質積累和產(chǎn)量提高[21]。本研究中秸稈還田處理后地上部生物量及蔗糖含量顯著增高，地上部生物量隨秸稈還田年限的增加而降低，葉片蔗糖含量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，這表明秸稈還田過多可能影響根系吸收養(yǎng)分的同時也對地上部干物質積累產(chǎn)生一定的影響。葉片是光合作用的主要場所，根是營養(yǎng)物質供給的部位[22]，根系發(fā)達和較高的活力是春玉米實現(xiàn)高產(chǎn)的重要影響因素。秸稈還田能夠有效改善土壤肥力狀況[23]，本研究表明秸稈還田能夠促進春玉米根系吸收養(yǎng)分的能力，提高春玉米的根系活力，保障地上部光合所需的物質供給，促進光合產(chǎn)物的形成、積累與轉運。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈還田年限的增加，春玉米根長等形態(tài)指標呈現(xiàn)出下降的趨勢，原因可能是過多的秸稈腐解過程中需要大量的氮素，與作物產(chǎn)生爭氮現(xiàn)象。玉米產(chǎn)量不僅取決于充足的養(yǎng)分供給，更重要的是光合產(chǎn)物的積累。秸稈還田配施氮肥條件下能夠有效提高玉米光合色素含量以及光合能力[24]。張向前等研究認為，玉米的光合性狀在不同方式的秸稈施用下均有所改善，但隨著秸稈覆蓋量的不斷增加，對光和特性的改善效果逐漸降低[25]，本研究結果與之一致，隨著秸稈還田年限的增加，春玉米葉片的葉綠素含量和凈光合速率呈降低趨勢。

4 結論

秸稈還田有效增加春玉米的根長、根尖數(shù)以及根系活力，增強了春玉米根系吸收養(yǎng)分并向地上部輸送的能力，提供了充足的營養(yǎng)物質供地上部生長所需。根系吸收營養(yǎng)物質的能力與葉片蔗糖含量以及地上部生物量之間呈顯著正相關關系，增強了春玉米葉片儲存營養(yǎng)物質的能力。春玉米葉片蔗糖含量及地上部生物量的積累有助于春玉米各器官中營養(yǎng)物質的轉運并對產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。春玉米產(chǎn)量隨著秸稈還田年限的增加而增加，秸稈還田處理年限(X)與春玉米產(chǎn)量(Y，kg/hm2)的擬合關系為Y=4.170X3+0.331X+11 762.382(r2=0.655)，秸稈還田對春玉米增產(chǎn)的平均貢獻率為13.55%。