仝星星，孫 武，李松堅，張洪生，劉樹堂，姜 雯

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266109；2.青島市農(nóng)技推廣站，山東 青島 266109)

砂姜黑土是我國糧食主產(chǎn)區(qū)黃淮平原的主要耕作土壤之一，是我國目前面積最大的中低產(chǎn)土壤之一，主要分布在安徽、河南、山東、江蘇等地，其中，山東省約有53.66萬hm2，占土地總面積的4.4%[1]。自20世紀90年代以來，由于主要采用小麥季旋耕玉米季免耕秸稈不還田機械耕作方式，致使砂姜黑土耕層變淺，犁底層變硬，土壤肥力降低，保肥蓄水能力降低，加劇了作物需水肥與供水肥間的矛盾。耕作方式是砂姜黑土障礙因子消減的重要途徑之一，合理的耕作措施有利于協(xié)調(diào)土壤水熱關(guān)系，改善土壤微環(huán)境，為作物創(chuàng)造適宜的生長發(fā)育環(huán)境[2-5]，前人研究表明，深耕和深松可以打破犁底層，創(chuàng)造疏松深厚的耕作層，提高土壤蓄水量和改善根系生長[6-8]；也能提高玉米氮素利用效率，提高作物干物質(zhì)積累量，增產(chǎn)顯著[9-10]。付國占等[11]研究表明，與小麥收獲后不覆蓋免耕相比，殘茬覆蓋結(jié)合深松耕作能顯著增加夏玉米葉片光合速率。李霞等[12]研究發(fā)現(xiàn)，與冬小麥旋耕夏玉米免耕相比，冬小麥翻耕夏玉米免耕和冬小麥翻耕夏玉米旋耕均提高了夏玉米花后干物質(zhì)積累及其向籽粒分配的比例，進而提高穗粒數(shù)與粒重；近年來對在小麥-夏玉米2季播前適宜的年內(nèi)輪耕措施探索研究仍然較少，相關(guān)研究大多集中在夏玉米或冬小麥單季耕作基礎(chǔ)上。

本研究在定位耕作試驗條件下，研究分析砂姜黑土農(nóng)田小麥玉米2季年內(nèi)不同耕作措施組合對夏玉米干物質(zhì)、氮素積累轉(zhuǎn)運的影響，旨在為探索該地區(qū)夏玉米穩(wěn)產(chǎn)高效耕作方式提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 耕作定位試驗地概況

試驗在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州試驗站(35.53°N，119.58°E)進行。試驗站位于山東省青島市膠州市膠萊鎮(zhèn)，膠州市地處北溫帶季風區(qū)域，屬暖溫帶半濕潤季風區(qū)大陸性氣候。雨熱同季，四季分明，無霜期較長，適宜農(nóng)作物生長。年平均氣溫14 ℃，降水量686.5 mm，無霜期205.5 d，日照時數(shù)2 411.6 h。試驗地為砂姜黑土，耕層較淺，2010年播種前試驗地0～20 cm土層有機質(zhì)含量13.8 g/kg，速效鉀含量135 mg/kg，速效磷含量25.6 mg/kg，堿解氮含量104.7 mg/kg。2012，2013年夏玉米生育期間有效降雨量和光照時數(shù)見表1。

表1 夏玉米生長季有效降雨量、溫度和光照時數(shù)(2012，2013年)Tab.1 The rainfall，temperature and sunshine hours during maiz growing season in 2012 an 2013

1.2 試驗設(shè)計

本試驗為定位機械耕作試驗，2010年小麥季為試驗第一年，分別于2012，2013年夏玉米季取植株樣進行測定。試驗共設(shè)7個處理(表2)，采用完全隨機設(shè)計，3次重復(fù)，每試驗小區(qū)面積約330 m2。供試材料為當?shù)刂髟韵挠衩灼贩N鄭單958，玉米播種密度為7.5萬株/hm2，行距60 cm。2012年夏玉米于6月26日播種，10月9日收獲，玉米全生育期為105 d，2013年于6月25日播種，10月9日收獲，玉米全生育期為106 d。玉米季基施沃夫特復(fù)合控釋肥(600 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O5=22 ∶8∶12)，玉米生長期間不追肥，整個生育期內(nèi)進行常規(guī)管理。

表2 不同機械耕作處理情況Tab.2 Illustrations of all tillage treatments

1.3 測定項目及方法

于2012，2013年吐絲期、成熟期，各小區(qū)收取連續(xù)3株玉米植株地上部樣品，按不同器官(莖鞘、葉片、苞葉、穗軸和籽粒)分開，烘干、稱重、粉碎，用于分析植株不同器官干物質(zhì)積累量、氮素含量。植株各部分器官全氮含量采用 FOSS Kjeltec-2300型號全自動凱氏定氮儀及半微量法測定。玉米收獲期，每個小區(qū)取長8 m，寬2 m，稱總穗鮮質(zhì)量，并隨機取20穗帶回，風干后考種，采用GAC2100谷物水分速測儀測定籽粒含水量，計算實際產(chǎn)量(按14%籽粒含水量折算)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮積累總量×100/植株地上部氮素積累總量；各器官氮素積累量(kg/hm2)=各器官氮素含量×各器官干物質(zhì)積累量；各營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運率=(吐絲期各營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期各營養(yǎng)器官氮素積累量)/吐絲期各營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；各營養(yǎng)器官氮素對籽粒氮素積累貢獻率=(吐絲期各營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期各營養(yǎng)器官氮素積累量)/籽粒氮素積累量×100%；各器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率=(吐絲期各器官干物質(zhì)積累量-成熟期各器官干物質(zhì)積累量)/吐絲期各器官干物質(zhì)積累量×100%；各器官干物質(zhì)對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率=(吐絲期各器官干物質(zhì)積累量-成熟期各器官干物質(zhì)積累量)/籽粒產(chǎn)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同機械耕作處理對夏玉米氮素積累的影響

吐絲前玉米地上部氮素積累量2012，2013年均為深耕-隔年深耕(DD)處理最低，與對照差異顯著，分別比對照CK減少24.7%，33.6%，深松-免耕(SN)處理2012年氮素積累量也顯著低于對照(-19.9%)，2012年和2013年其他處理與對照間差異均不顯著(表3)；灌漿期間(吐絲-成熟)地上部氮素積累量2年均為對照(小麥旋耕、玉米免耕)最低，免耕-免耕(NN)和深耕-免耕處理(DN)積累量也較低。成熟期玉米地上部氮素總積累量2012，2013年均為RR(旋耕-隔年旋耕)耕作處理最高，分別比對照高14.57%(2012年)，30.95%(2013年)，與對照差異顯著，其他處理與對照間差異均不顯著(2012年和2013年)。年際間吐絲期前和整個生育期氮素積累量均差異顯著，主要與2013年生育前期天氣干旱有關(guān)(表1)。

表3 不同機械耕作處理對夏玉米吐絲期和成熟期氮素積累的影響Tab.3 Effects of different tillage treatments on N accumulation of silking and maturity in summer maize kg/hm2

注：表中同列不同小寫字母分別表示同列處理間差異顯著(P <0. 05)；*、**.差異顯著( P<0. 05)、極顯著(P<0. 01)；NS.差異不顯著。
表4-6同。
Note：Different small letters in the same column mean significant difference at 0. 05 levels；*，** and NS indicate the significant difference at 0. 05
levels，0.01 level，and not significant，respectively. The same as Tab.4-6．

2.2 不同機械耕作處理對夏玉米營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)運的影響

由表4可知，2013年各耕作處理間成熟期籽粒含氮量差異達到顯著水平，其中RR(旋耕-隔年旋耕)籽粒含氮量最高，顯著高于對照、NN和DN處理；2012年處理間雖然差異不顯著，但RR處理籽粒含氮量仍為最高；年際間成熟期籽粒含氮量差異顯著，2012年各處理籽粒含氮量均高于2013年。2012，2013年各耕作方式中均為CK葉片和莖鞘氮素向籽粒轉(zhuǎn)運率最高，營養(yǎng)器官(葉片和莖鞘)氮素總轉(zhuǎn)運率顯著高于SN、RR、DD和NN處理(2012年)和SS 處理(2013年)；葉和莖鞘氮素對籽粒氮素積累貢獻率也為CK值最高，顯著高于SN、RR、SS和DD處理(2012年)和除NN外其他處理(2013年)。

表4 不同機械耕作處理對夏玉米營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運的影響Tab.4 Effect of different treatments on the N translocation of vegetative organs to grains in summer maize

2.3 不同機械耕作處理對玉米干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運的影響

由表5可知，耕作處理間成熟期植株地上部干物重達顯著差異水平，2012，2013年2年均為對照地上干物重最低，SN、RR(2012年)和SS(2013年)耕作處理干物重最高，與對照間差異顯著，其他處理間差異不顯著。葉片和莖鞘干物質(zhì)總轉(zhuǎn)運率耕作處理間和年際間均存在顯著差異，總體上2012年各處理營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率高于2013年。各耕作處理間比較，2012年和2013年均為對照耕作模式營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最高，顯著高于RR和DD處理，分別比RR、DD處理高86.46%，18.26%(2012年)和94.82%，101.44%(2013年)，2013年SN和SS也顯著低于對照，分別比對照低64.06%，187.44%。與轉(zhuǎn)運率一致，處理間和年際間葉片和莖鞘干物質(zhì)向籽粒干物質(zhì)積累的貢獻率也均存在顯著差異，總體上也是2012年各處理營養(yǎng)器官干物質(zhì)貢獻率高于2013年。各耕作處理間比較，2012，2013年均為對照耕作模式營養(yǎng)器官干物質(zhì)貢獻率最高，顯著高于RR、DD處理(2012年)和RR、SN、DN以及SS處理(2013年)。

2.4 不同機械耕作處理對夏玉米籽粒產(chǎn)量的影響

由表6可知，2012年處理間籽粒產(chǎn)量存在顯著差異，其中SN(深松-免耕)處理產(chǎn)量最高，顯著高于DN和DD處理，但各處理籽粒產(chǎn)量與對照相比差異均不顯著；2013年處理間產(chǎn)量差異不顯著。2012年，各處理間氮素收獲指數(shù)差異不顯著，而2013年處理間存在顯著差異，其中DD處理(深耕-深耕)氮素收獲指數(shù)顯著高于DN處理。

表6 不同耕作方式對夏玉米產(chǎn)量和氮收獲指數(shù)的影響(2012，2013年)Tab.6 Effect of different treatments on the grain yield and N harvest index of summer maize(2012 ，2013)

3 討論與結(jié)論

碳、氮代謝過程有著密切的關(guān)系，二者共同決定了作物的生長和發(fā)育過程，在玉米生長過程中，氮素以光合同化物的形式積累，氮素的積累轉(zhuǎn)運與干物質(zhì)的積累轉(zhuǎn)運密切相關(guān)[13-15]。有研究分析表明，夏玉米氮素和干物質(zhì)的積累，尤其是開花后的吐絲期和成熟期氮素和干物質(zhì)積累的增加是夏玉米籽粒產(chǎn)量提高的主要原因[16-18]。玉米灌漿期間氮素吸收積累往往受耕作措施影響[19]，本研究中，總體上RR(旋耕-隔年旋耕)耕作方式較有利于夏玉米植株體內(nèi)氮素的積累，成熟期地上部氮素積累量2年均最高，分別比對照 (旋耕-免耕)增加14.57%(2012年)和30.95%(2013年)，籽粒含氮量連續(xù)2年也均最高。耕作處理間營養(yǎng)器官花后氮素向籽粒轉(zhuǎn)運存在顯著差異，連續(xù)2年灌漿期間(吐絲-成熟)對照(旋耕-免耕)、NN(免耕-免耕)和DN(深耕-免耕處理)處理氮積累量均較低。年際間灌漿期植株對氮素吸收積累及成熟期籽粒氮含量年際差異均顯著，可能是與2013年玉米季8月降雨量少有關(guān)，尤其是8月中下旬是夏玉米吐絲期關(guān)鍵時期，降雨減少影響了植株對氮素的吸收積累。

產(chǎn)量形成具體表現(xiàn)為干物質(zhì)的積累及其在各器官中的分配[20-21]，本研究發(fā)現(xiàn)，對照和小麥、玉米2季均免耕(NN)處理籽粒干物質(zhì)積累來自營養(yǎng)器官花前貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運比例較大，可能是因為生育后期玉米植株莖鞘及葉片中的氮素流失過多，導(dǎo)致葉片、莖鞘等營養(yǎng)體早衰及光合能力下降，吐絲后干物質(zhì)積累較少，促進了花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運。但有研究指出，玉米各器官干物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)移的干物質(zhì)總量應(yīng)控制在20%以下，過多的輸出易造成早衰現(xiàn)象[22-24]，本研究中CK莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率在2012年和2013年均超過30%， CK、NN在2012年葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率超過40%，大于其他處理，在2013年葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率超過25%，大于其他處理。對照地上部干物重顯著低于SN、RR(2012年)和SS(2013年)機械耕作處理。與對照(小麥季旋耕玉米季免耕)相比，各處理籽粒產(chǎn)量差異不顯著，而高飛等[25]在黏壤土質(zhì)地上研究發(fā)現(xiàn)，小麥季深耕夏玉米免耕則比對照小麥旋耕玉米免耕產(chǎn)量增加顯著，研究結(jié)果間的不一致性應(yīng)該與試驗區(qū)域土壤質(zhì)地特性及耕作方式持續(xù)年限不同有關(guān)。本研究中，2012年SN(深松-免耕)處理產(chǎn)量顯著高于深耕DN(小麥季深耕、玉米季免耕)和DD(小麥季深耕、玉米季隔年深耕)處理，說明小麥季深松后效能一定程度上影響到玉米季生長，延緩花后玉米葉片的衰老，延長花后功能期，促進籽粒灌漿，提高玉米的產(chǎn)量[26-29]。

與傳統(tǒng)旋耕-免耕方式相比，本試驗條件下，小麥玉米2季均旋耕(旋耕-隔年旋耕)有利于植株氮素吸收積累尤其是灌漿期間，提高籽粒氮素含量，小麥單季深松、玉米免耕(深松-免耕)與小麥玉米2季均深松(深松-隔年深松)次之，促進光合產(chǎn)物的形成積累，因此，建議傳統(tǒng)的小麥季旋耕玉米季免耕模式應(yīng)與小麥玉米2季均旋耕、小麥單季深松或小麥玉米雙季深松(玉米隔年深松)模式進行結(jié)合，促進玉米吐絲后對氮吸收和干物質(zhì)形成，實現(xiàn)玉米可持續(xù)豐產(chǎn)。