姜英，王崢宇，廉宏利，王美佳，蘇業(yè)涵，田平，隋鵬祥，馬梓淇，王英儼，孟廣鑫，孫悅，李從鋒，齊華

耕作和秸稈還田方式對(duì)東北春玉米吐絲期根系特征及產(chǎn)量的影響

姜英1，王崢宇1，廉宏利1，王美佳1，蘇業(yè)涵1，田平1，隋鵬祥1，馬梓淇1，王英儼1，孟廣鑫1，孫悅1，李從鋒2，齊華1

（1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081）

【】針對(duì)東北春玉米主產(chǎn)區(qū)秸稈處理的突出矛盾，優(yōu)化秸稈還田方式對(duì)促進(jìn)該區(qū)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。本文研究了耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米根系形態(tài)及分布特征、干物積累和產(chǎn)量的影響，旨在為該區(qū)域耕作措施調(diào)整、實(shí)現(xiàn)秸稈還田維持耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。2017—2018年在遼寧沈陽進(jìn)行田間試驗(yàn)，采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分別設(shè)置秸稈全層翻耕還田（PTS）、秸稈條帶翻耕還田（PSS）、秸稈全層旋耕還田（RTS）和秸稈條帶旋耕還田（RSS）4個(gè)處理。分析不同耕作和秸稈還田方式下春玉米根長(zhǎng)、根干重及其空間分布、植株地上部干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量性狀的差異。耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米根長(zhǎng)及其分布、根干重和比根長(zhǎng)影響顯著。在0—30 cm垂直土層，PTS處理根長(zhǎng)2017年和2018年分別高出其他處理7.9%—43.2%和17.3%—41.5%；在30—60 cm垂直土層，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）根長(zhǎng)較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）平均高出20.1%和20.3%；以植株為中心，PTS處理距植株0—10 cm的根長(zhǎng)分布最高，RTS處理最低。根干重在0—10 cm土層表現(xiàn)為RTS處理最低，PTS、PSS、RSS處理2年平均高出36.5%、59.6%和17.3%。PTS處理在0—20 cm土層2年均具有最高比根長(zhǎng)，2017年和2018年較其他處理分別高出8.7%—73.8%和14.3%—44.7%。不同處理根表面積的空間分布差異明顯，PTS和RSS處理在0—30 cm土層具有較高的根表面積，在水平和垂直方向具有更廣的根表面分布。耕作和秸稈還田方式對(duì)拔節(jié)期、吐絲期和成熟期春玉米地上部干物質(zhì)積累的影響差異顯著，RTS處理較其他處理降低了拔節(jié)期莖鞘和地上部總干物重，平均達(dá)15.5%—19.2%；PTS處理成熟期果穗和地上總干物重比其他處理提高3.6%—12.3%和2.7%—12.4%，其次為PSS和RSS處理，RTS處理最低。耕作和秸稈還田方式處理顯著影響春玉米穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量，與RTS處理相比，PTS、PSS和RSS處理2年產(chǎn)量平均高出8.3%、7.9%和5.8%；RTS穗數(shù)2017年和2018年較其他處理顯著降低2.9%—9.1%和7.0%—9.7%。適當(dāng)?shù)母骱徒斩掃€田方式有利于促進(jìn)作物根系形態(tài)發(fā)育及耕層空間分布，促進(jìn)干物質(zhì)積累和分配特征優(yōu)化及成熟期干物質(zhì)向果穗的分配，達(dá)到提高春玉米產(chǎn)量的目的，在本研究區(qū)域中推薦秸稈條帶翻耕還田方式。

秸稈還田；春玉米；根系分布；籽粒產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量超過7億噸，其中玉米秸稈占比高達(dá)37.5%，而東北三省玉米秸稈約占全國(guó)玉米秸稈總產(chǎn)量的20%[1]，因此，如何合理利用東北地區(qū)玉米秸稈成為區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展面臨的重大問題。近年來，秸稈直接還田成為東北玉米主產(chǎn)區(qū)提升耕地質(zhì)量、降低生態(tài)成本的重要措施[1-2]。東北地區(qū)傳統(tǒng)的玉米秸稈還田方式包括深翻秸稈還田、旋耕秸稈還田和秸稈覆蓋還田等，但該區(qū)域冬春季節(jié)氣溫較低、降水偏少不利于秸稈腐解[3-4]。一方面，秸稈腐解與作物播種和生長(zhǎng)同期進(jìn)行，腐解過程與作物生長(zhǎng)存在氮素競(jìng)爭(zhēng)等問題[5-6]。另一方面，秸稈還田條件下的耕層土壤松散，影響種子發(fā)芽（著根）和作物抗倒伏能力[7-8]。因此，在東北春玉米產(chǎn)區(qū)突破傳統(tǒng)秸稈還田方式的技術(shù)瓶頸，探索適宜的秸稈還田方式對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】實(shí)際生產(chǎn)中，秸稈還田過程往往伴隨著相應(yīng)的耕作措施進(jìn)行，如秸稈翻耕還田、秸稈旋耕還田等，結(jié)合多種耕作形式的秸稈還田措施得到了諸多嘗試和研究[9]。一方面，耕作措施對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、土壤滲水能力、土壤養(yǎng)分構(gòu)成及土壤微生態(tài)環(huán)境具有重要影響[10-13]；另一方面，不同秸稈還田方式?jīng)Q定了秸稈對(duì)耕層土壤物理屬性和腐解過程的影響差異，間接地影響耕層土壤理化性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境。研究表明，秸稈還田量（半量、全量等）和還田方式（翻埋、混拌、覆蓋等）決定了秸稈在耕層土壤中的分布狀態(tài)和環(huán)境，這些因素導(dǎo)致了秸稈還田影響作物生長(zhǎng)環(huán)境的差異性[4, 14-15]。耕作和秸稈還田方式及其交互效應(yīng)對(duì)作物生產(chǎn)影響的差異性，在作物生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量等方面不盡相同。殷文等[16-17]通過研究河西綠洲灌區(qū)不同耕作和秸稈還田方式對(duì)小麥和玉米生產(chǎn)的影響，表明小麥前茬免耕高留茬覆蓋較翻耕秸稈高留茬或低茬收割還田，對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量提高作用顯著，并表現(xiàn)出對(duì)干物質(zhì)積累的促進(jìn)作用；而玉米前茬少耕秸稈高留茬立茬還田、少耕秸稈高留茬覆蓋還田較翻耕高留茬還田小麥產(chǎn)量提高顯著，說明不同耕作和秸稈還田方式對(duì)作物產(chǎn)量的作用效果具有差異性。然而，趙亞麗等[9]在研究黃淮海地區(qū)麥-玉輪作系統(tǒng)中耕作和秸稈還田效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，較秸稈不還田處理，結(jié)合深松和深耕的秸稈還田處理顯著提高了周年作物干物質(zhì)積累及產(chǎn)量，但深耕和深松秸稈還田的處理間無顯著差異。近來，隋鵬祥等[3]在東北春玉米區(qū)對(duì)秸稈旋耕和翻耕還田進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量及氮素積累無顯著差異，但對(duì)地上部干物質(zhì)積累和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)具有顯著影響。穆心愿等[18]等認(rèn)為，秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響受到耕作方式、還田方式、氣候條件、土壤類型及其他農(nóng)藝管理措施等綜合調(diào)控，研究結(jié)果總體表現(xiàn)出較大的差異性。事實(shí)上，耕作和秸稈還田處理調(diào)控作物根系發(fā)育是影響作物地上部生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成不容忽視的重要環(huán)節(jié)。Mu等[19]和You等[20]分別在我國(guó)華北和東北地區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明結(jié)合秸稈還田的翻耕或深松耕作處理顯著改善作物根系生長(zhǎng)特征，并且不同耕作和秸稈還田方式對(duì)作物根系在不同土層中的分布有顯著影響；而Sui等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，翻耕和旋耕秸稈還田通過調(diào)控根系生長(zhǎng)進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量。隨著國(guó)家一系列鼓勵(lì)秸稈還田政策的提出，多種形式的耕作和秸稈還田措施不斷出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈條帶還田能夠改善作物根際水分和養(yǎng)分的空間分布等特點(diǎn)[22-24]。因此，與傳統(tǒng)的全層耕作和秸稈還田方式相比，秸稈條帶還田方式如何影響作物根系生長(zhǎng)的空間分布，進(jìn)而影響作物地上部生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成值得深入研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】耕作和秸稈還田方式能夠改善耕層土壤的諸多理化性質(zhì)，改變耕層土壤中水分、養(yǎng)分等空間分布條件，最終影響作物生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量。由于耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米生長(zhǎng)及生產(chǎn)仍未能得到一致而系統(tǒng)的結(jié)論，在東北春玉米產(chǎn)區(qū)秸稈還田大力推行的背景下，不同耕作的秸稈條帶還田與全層還田條件下作物生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量響應(yīng)仍值得深入研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究著眼于東北春玉米主產(chǎn)區(qū)的秸稈還田問題，通過研究翻耕和旋耕條件下，全層和條帶秸稈還田方式對(duì)春玉米吐絲期根系生長(zhǎng)空間分布、干物質(zhì)積累及作物產(chǎn)量的變化規(guī)律，明確春玉米根系構(gòu)造和物質(zhì)生產(chǎn)對(duì)耕作和秸稈還田方式的響應(yīng)，以期為東北地區(qū)春玉米秸稈還田生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2018年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)作物科學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行（123°33′E，41°49′N）。該試驗(yàn)區(qū)屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.7℃，年平均降水量714 mm，全年無霜期155—180 d，一年一熟制，雨養(yǎng)旱作栽培，主要種植作物為春玉米。2017和2018年玉米生長(zhǎng)季總降雨量分別為388.4 mm和430.4 mm，玉米生育期的日降水量和平均氣溫變化情況如圖1所示。供試土壤類型為棕壤，0— 20 cm土層基本理化性狀為有機(jī)碳10.02 g·kg-1、全氮1.13 g·kg-1、速效磷16.19 mg·kg-1、速效鉀128.11 mg·kg-1、pH 5.60。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，耕作處理分為翻耕、旋耕方式，秸稈還田處理分為全層還田和條帶還田方式，試驗(yàn)共4個(gè)處理，分別為秸稈全層翻耕還田（PTS）、秸稈條帶翻耕還田（PSS）、秸稈全層旋耕還田（RTS）和秸稈條帶旋耕還田（RSS）。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)小區(qū)行長(zhǎng)12 m，行寬0.6 m，10行區(qū)，小區(qū)面積72 m2。2017—2018年均為上季作物收獲后進(jìn)行耕作與秸稈還田處理，將秸稈粉碎后（5 cm左右）全量還田。全層翻耕和旋耕還田采用機(jī)械處理；條帶旋耕秸稈還田為混拌式，而條帶翻耕秸稈還田為翻埋式，在行間分別挖出寬30 cm、深度為15 cm（旋耕）和30 cm（翻耕）的溝槽進(jìn)行秸稈還田，如圖2所示。供試玉米品種“鄭單958”，種植密度67 500株/hm2。播種時(shí)一次性施入氮肥（N）75 kg·hm-2、磷肥（P2O5）75 kg·hm-2和鉀肥（K2O）85 kg·hm-2作基肥，在玉米拔節(jié)期追施氮肥（N）150 kg·hm-2，其他病、蟲、草管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定 于2016年秋季試驗(yàn)前，以“S”形取樣法采集試驗(yàn)田0—20 cm土壤樣品帶回室內(nèi)，土樣室內(nèi)風(fēng)干后，經(jīng)研磨并通過20目和100目篩，測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。土壤有機(jī)碳和全氮含量采用元素分析儀（EA 3000）測(cè)定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定[25]；土壤pH采用電子pH計(jì)（PHSJ-3F）測(cè)定土液比為1﹕2.5浸提液所得[25]。

圖1 2017-2018年作物生育期日降雨量和日平均氣溫變化

PTS：秸稈全層翻耕還田；PSS：秸稈條帶翻耕還田；RTS：秸稈全層旋耕還田；RSS：秸稈條帶旋耕還田。下同

1.3.2 根系取樣及樣品測(cè)定 在2017和2018年玉米吐絲期，選取各小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株玉米，采用Monilith 3D法收集根系[26]。取樣土體總體積為長(zhǎng)60 cm×寬24 cm×深60 cm，然后細(xì)分為36個(gè)10 cm×24 cm×10 cm的土體，將每個(gè)土體中所有根系仔細(xì)撿出、去雜后清洗干凈，置于-20℃?zhèn)錅y(cè)。利用掃描儀（EPSON Perfection V800）進(jìn)行根系樣品圖片掃描，運(yùn)用根系分析程序（WinRHI 2.0 Pro 2012）獲得根系相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算總根長(zhǎng)和比根長(zhǎng)[23]。分別在0—30 cm和30—60 cm土層測(cè)定垂直根長(zhǎng)分布；以玉米植株為中心測(cè)定距離0—10、10—20及20—30 cm水平根長(zhǎng)分布。同時(shí)，將掃描完的根系按每10 cm土層分裝收好，置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，使用萬分之一天平稱重。

1.3.3 作物地上部干物質(zhì)量、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 于玉米拔節(jié)期、吐絲期和成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3株玉米，進(jìn)行地上部植株取樣。植株樣品分為葉片、莖鞘、果穗（吐絲期、成熟期），經(jīng)105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重，測(cè)定各部分干物質(zhì)量。成熟期各小區(qū)選取中間3行統(tǒng)計(jì)收獲穗數(shù)并實(shí)收測(cè)產(chǎn)，依照計(jì)算后的平均穗重，選取10個(gè)果穗進(jìn)行考種，測(cè)定穗粒數(shù)和百粒重。采用谷物水分測(cè)定儀（PM-8188-A）測(cè)定籽粒含水量，折算為14%含水量的玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0進(jìn)行處理間方差分析和顯著性檢驗(yàn)（Duncan），Origin 9.0和Surfer 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 根長(zhǎng)及其分布

耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米根系垂直根長(zhǎng)分布、水平根長(zhǎng)分布和總根長(zhǎng)有顯著影響，且兩者交互效應(yīng)顯著（表1，＜0.05）。從根長(zhǎng)垂直分布看，在0—30 cm土層，PTS處理根長(zhǎng)顯著高于其他處理，2017和2018年分別高出7.9%—43.2%和17.3%— 41.5%；在30—60 cm土層，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）根長(zhǎng)明顯高于秸稈全層還田（PTS和RTS處理），2年平均高出25.2%和12.3%。從根長(zhǎng)水平分布可知，根長(zhǎng)分布表現(xiàn)為以植株為中心由近及遠(yuǎn)遞減，距植株0—10 cm范圍根長(zhǎng)分布表現(xiàn)出PTS處理最高，RTS處理最低；與旋耕處理（RSS、RTS）相比，翻耕處理（PSS、PTS）在距植株10—20 cm根長(zhǎng)分布2年平均提高了17.0%和9.8%?？偢L(zhǎng)2年均表現(xiàn)為PTS＞PSS＞RSS＞RTS，2年范圍分別在397.4—535.1 m和649.7—780.9 m，2017年作物在垂直和水平方向的整體根長(zhǎng)分布水平低于2018年。

表1 耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米根長(zhǎng)及其分布的影響

PTS：秸稈全層翻耕還田；PSS：秸稈條帶翻耕還田；RTS：秸稈全層旋耕還田；RSS：秸稈條帶旋耕還田；T：耕作因素效應(yīng)；S：秸稈還田方式效應(yīng)；T×S：耕作與秸稈還田方式交互效應(yīng)。不同字母表示處理間在＜0.05水平差異顯著。*，**分別表示在0.05，0.01水平差異顯著。下同

PTS: Straw incorporation with full-thickness plough tillage; PSS: Straw incorporation with strip plough tillage; RTS: Straw incorporation with full-thickness rotary tillage; RSS: Straw incorporation with strip rotary tillage; T: tillage factor; S: Straw incorporation approaches factor; T×S: Interaction effects of tillage and straw incorporation approaches. Different letters in the same column indicate significant differences between treatments at 0.05 level. *and** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels. The same as below

2.2 根干物質(zhì)

耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米不同土層根干重的影響如圖3所示，0—60 cm土層根干重隨著土層深度增加呈遞減趨勢(shì)。2017年，各處理對(duì)0—60 cm土層根干重有顯著影響（＜0.05）。在0—10 cm土層，RTS處理根干重最低，PTS、PSS、RSS處理分別高出36.5%、59.6%和17.3%，而在20— 60 cm土層PTS處理根干重最高；各處理在0—10 cm和20—60 cm土層每株春玉米根干重為5.16—8.57 g和0.16—2.23 g。2018年，各處理對(duì)0—50 cm土層根干重有顯著影響（＜0.05），對(duì)50—60 cm土層根干重影響不顯著。與2017年類似，在0—10 cm土層，RTS處理根干重表現(xiàn)最低，PTS、PSS、RSS處理分別高出28.2%、32.4%和23.9%；而在20—60 cm土層，各處理根干重未體現(xiàn)明顯規(guī)律；各處理在0—10 cm和20—60 cm土層每株春玉米根干重為7.10—9.39 g和0.23—3.17 g。

2.3 比根長(zhǎng)

在0—60 cm各土層，吐絲期春玉米的比根長(zhǎng)受耕作和秸稈還田方式影響顯著（＜0.05），隨著土層加深整體呈逐漸增加趨勢(shì)（圖4）。在0—10 cm和10—20 cm土層，PTS處理較其他處理顯著提高了比根長(zhǎng)（＜0.05），分別達(dá)19.8%—73.8%、8.7%— 51.2%（2017）和21.6%—44.7%、14.3%—41.9%（2018）。在20—30 cm土層，秸稈旋耕處理（RSS、RTS）較秸稈翻耕處理（PSS、PTS）顯著降低了比根長(zhǎng)，降幅達(dá)0.2—1倍。在30—60 cm土層，各處理對(duì)春玉米比根長(zhǎng)未體現(xiàn)一致的顯著性影響，但PSS和RTS處理在40—60 cm土層表現(xiàn)出較高的比根長(zhǎng)，最高分別可達(dá)79.3 m·g-1和95.5 m·g-1。

2.4 根表面積

耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米吐絲期的根表面積空間分布影響如圖5所示。2017年，在0—30 cm土層，春玉米根系在不同處理下的空間分布差異明顯，RTS處理根表面積最低，在水平方向具有較低的延展；在30—60 cm土層，PTS、RSS處理較RTS、PSS處理具有更高的根表面積，PTS和RSS處理在垂直方向具有更深的根表面積分布特點(diǎn)。2018年，秸稈翻耕（PTS、PSS處理）較秸稈旋耕（RTS、RSS處理）具有更高的根表面積，同時(shí)在水平方向根表面積體現(xiàn)出更高的分布；與2017年類似，根表面積主要分布在0—30 cm土層，并且PTS和RSS處理仍表現(xiàn)出在垂直方向具有更深的根表面積分布特點(diǎn)?？傮w而言，各處理的根表面積具有0—15 cm土層核心分布特點(diǎn)；與2017年相比，2018年根表面積分布線更加密集，說明根表面積隨著土層深度和植株水平距離的變化更為明顯。

圖3 耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米根干物質(zhì)的影響

圖4 耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米比根長(zhǎng)的影響

圖5 耕作和秸稈還田方式對(duì)吐絲期春玉米根系表面積的影響

2.5 地上部干物質(zhì)積累

由表2可見，耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米拔節(jié)期、吐絲期和成熟期不同植株部位干物質(zhì)積累的影響顯著，而其交互效應(yīng)對(duì)地上部總干物質(zhì)積累具有顯著影響（＜0.05）。在拔節(jié)期，RTS處理較其他處理，2017年植株莖鞘和地上部總干物重降低約19.2%和15.5%；而在2018年生長(zhǎng)季，RTS處理在葉、莖鞘和地上部總干物重均表現(xiàn)最低，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）具有較高的莖鞘和地上部總干物重的積累，平均高出6.5%和4.6%。在吐絲期，2017年各處理對(duì)地上部總干物重具有顯著影響，秸稈條帶還田（PSS和RSS處理）較秸稈全層還田（PTS和RTS處理）地上部總干物重平均高出4.1%（＜0.05）；而2018年各處理對(duì)莖鞘、果穗和地上部總干物重均具有顯著影響（＜0.05），與2017年拔節(jié)期類似，RTS處理的上述指標(biāo)均低于其他處理。在成熟期，PTS處理果穗和地上部總干物重2年均高于其他處理，分別達(dá)3.6%—12.3%（2017）和2.7%—12.4%（2018），其次為PSS和RSS處理，RTS處理表現(xiàn)為最低?？傮w看，秸稈翻耕還田（PTS、PSS處理）較旋耕還田（RTS、RSS處理）在春玉米拔節(jié)期、吐絲期和成熟期2年均表現(xiàn)為總干物質(zhì)積累增加，平均幅度為3.9%—5.4%（2017）和3.7%—4.6%（2018）。

2.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米產(chǎn)量和穗數(shù)具有顯著影響，兩處理因素交互作用顯著（＜0.05），但對(duì)穗粒數(shù)的影響2年表現(xiàn)不一致（表3）。2017年，各處理間春玉米產(chǎn)量趨勢(shì)表現(xiàn)為PSS＞PTS＞RSS＞RTS，在9 128.8—9 812.2 kg·hm-2變化；2018年則表現(xiàn)為PTS＞RSS＞PSS＞RTS，處于9 209.5 kg·hm-2— 10 100.5 kg·hm-2范圍。各處理對(duì)穗數(shù)的影響與產(chǎn)量類似，RTS處理較其他處理均表現(xiàn)為顯著降低穗數(shù)，2年降幅分別在2.9%—9.1%和7.0%—9.7%。2年各處理對(duì)春玉米百粒重影響差異不顯著（＞0.05）。

表2 耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米生育期地上部干物質(zhì)的影響

表3 耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 討論

3.1 耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米根系生長(zhǎng)的影響

隨著秸稈還田措施受到鼓勵(lì)和推廣，耕作和秸稈還田對(duì)作物根系特征的研究越來越受到重視[27-28]。耕作和秸稈還田措施對(duì)作物根系的影響體現(xiàn)在總體根系形態(tài)構(gòu)造，如根長(zhǎng)、根重、比根長(zhǎng)和根表面積等。與秸稈旋耕還田相比，秸稈翻耕還田措施能夠顯著提高0—30 cm農(nóng)田耕層土壤的物理性能，從而改善作物根系生長(zhǎng)環(huán)境[29]。作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育很大程度受到耕層土壤物理結(jié)構(gòu)、水肥供應(yīng)能力的影響[29-30]。較好的土壤透氣條件有利于作物水肥吸收和延緩根系衰老，從而促進(jìn)根系在土壤中的生長(zhǎng)發(fā)育[31-32]。本研究表明，與秸稈旋耕還田處理相比，春玉米吐絲期秸稈翻耕還田處理的0—30 cm垂直根長(zhǎng)、0—10 cm水平根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)和0—20 cm土層根干重普遍較高。這是由于翻耕秸稈還田與旋耕秸稈還田相比，具備了更深層土壤的通氣性等優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)了春玉米的根系生長(zhǎng)發(fā)育[21]。無論是翻耕還是旋耕條件，秸稈條帶還田區(qū)別于秸稈全層還田主要表現(xiàn)為：一是兩者對(duì)耕層土壤的擾動(dòng)程度。秸稈翻耕較旋耕、全層較條帶還田相比，前者均具有更大的土壤擾動(dòng)強(qiáng)度；二是秸稈還田后在耕層土壤的垂直分布。翻耕主要使得秸稈被翻埋在25—30 cm土層，旋耕條件下秸稈主要被混拌在0—15 cm土層，旋耕較翻耕還田的秸稈與土壤接觸更充分。這些因素使得玉米根系生長(zhǎng)所處土壤的物理及養(yǎng)分環(huán)境具有明顯差異[22]。前人研究表明，耕作和秸稈條帶還田對(duì)耕層土壤的養(yǎng)分分布及動(dòng)態(tài)變化具有調(diào)控作用，秸稈條帶還田促進(jìn)了水分及養(yǎng)分在30—60 cm土層的分布[22-23]。這可解釋本研究中，秸稈全層旋耕還田較其他處理表現(xiàn)出較低的根長(zhǎng)和根干重，以及秸稈條帶還田較全層還田在垂直30—60 cm和水平20—30 cm表現(xiàn)出較高水平的根長(zhǎng)，說明秸稈條帶還田較全層還田具有促進(jìn)根系向深層土壤生長(zhǎng)的作用。

耕作和秸稈還田措施對(duì)作物的影響表現(xiàn)在根系于耕層土壤中的空間分布。作物根系空間分布的水肥趨向性較其形態(tài)發(fā)育更為明顯。本研究表明，同秸稈全層還田相比，秸稈條帶還田根長(zhǎng)和根表面積在水平和垂直的空間分布被普遍提高，在旋耕耕作措施下尤為明顯。這是由于同秸稈全層還田相比，秸稈條帶還田營(yíng)造了“虛實(shí)相間”耕層土壤結(jié)構(gòu)（圖2），加之等量秸稈還田條件下單位土體秸稈密度增大，這樣既避免了秸稈腐解與作物根系生長(zhǎng)的養(yǎng)分利用競(jìng)爭(zhēng)[12]，又為水肥入滲提供了更有利的條件[33]，最終為春玉米根系在耕層土壤中的水平和垂直分布生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件。此外，不同耕作和秸稈還田方式導(dǎo)致秸稈在土壤中腐解過程具有明顯差異性，而這過程對(duì)土壤的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化具有重要影響已得到普遍證實(shí)[34]。因此，為了明確秸稈還田影響作物生長(zhǎng)發(fā)育過程，不同秸稈還田方式下秸稈腐解過程的土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化及其機(jī)制值得深入研究。

3.2 耕作和秸稈還田方式對(duì)春玉米干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

干物質(zhì)積累與分配作為“庫(kù)源”關(guān)系的重要表征，是作物籽粒產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)[35]，耕作和秸稈還田對(duì)作物干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的研究也受到了足夠的重視[3]。趙亞麗等[9]研究表明，深松或深耕秸稈還田較常規(guī)耕作秸稈還田在華北平原有利于冬小麥-夏玉米兩季作物各生育期的干物質(zhì)累積。而隋鵬祥等[3]發(fā)現(xiàn)，秸稈旋耕還田較翻耕還田處理促進(jìn)了春玉米地上部干物質(zhì)積累，但后者具有更高的花前干物質(zhì)積轉(zhuǎn)移量。說明秸稈還田對(duì)作物干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)移的影響會(huì)受到秸稈還田方式和氣候等因素的影響。本研究表明，秸稈條帶還田較全層還田在春玉米拔節(jié)期和吐絲期表現(xiàn)出較高的總干物質(zhì)積累，這可能由于秸稈條帶較全層還田處理更有利于水分向深層入滲分布，促進(jìn)根系深層分布和養(yǎng)分吸收[23]，最終有利于作物花前干物質(zhì)積累。而秸稈條帶還田促進(jìn)根系向深層土壤分布的作用在本研究也有類似的體現(xiàn)（表1，圖5）。此外，秸稈翻耕處理在各生育期的平均干物質(zhì)積累高于旋耕處理，主要由于秸稈全層旋耕還田處理（RTS）干物質(zhì)積累顯著低于其他處理造成的，這與隋鵬祥等[3]研究結(jié)果不一致。這可能由于研究區(qū)域的氣候條件差異（如降水等），導(dǎo)致耕作方式影響作物干物質(zhì)積累的作用機(jī)制不同，值得深入研究。

前人研究表明，秸稈在翻耕、旋耕以及免耕等條件下還田對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量影響顯著[20]。本研究也發(fā)現(xiàn)，在2017年秸稈翻耕還田下，春玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于秸稈旋耕還田處理，而在2018年高于秸稈旋耕全層還田處理。從產(chǎn)量構(gòu)成看，耕作和秸稈還田方式主要影響了春玉米的公頃穗數(shù)，導(dǎo)致了最終籽粒產(chǎn)量差異的出現(xiàn)（表3）。這可能由于兩方面原因：一是秸稈還田導(dǎo)致下茬作物播種層環(huán)境差，影響作物出苗和幼苗生長(zhǎng)[5]，這在秸稈旋耕還田條件下尤為明顯，本研究秸稈條帶旋耕還田較秸稈全層還田公頃穗數(shù)和產(chǎn)量有明顯提高，說明前者減緩這一弊端，達(dá)到同秸稈翻耕還田一致的影響；二是耕作和秸稈還田方式影響春玉米后期抗倒伏特性，本研究在2018年生育后期遭遇強(qiáng)降雨氣候（圖1），致使不同程度倒伏發(fā)生，尤其在秸稈全層旋耕處理下嚴(yán)重降低了公頃穗數(shù)和產(chǎn)量。這與該處理下作物根系在土層中分布較淺（表1）及耕層土壤結(jié)構(gòu)松散密切相關(guān)[33]，此外，秸稈翻耕還田較旋耕條件具有作物地上和地下生長(zhǎng)發(fā)育及物質(zhì)轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢(shì)，以及對(duì)土壤養(yǎng)分供給能力的改善，更有利于籽粒產(chǎn)量的提高[21]。

4 結(jié)論

在東北春玉米主產(chǎn)區(qū)推廣秸稈還田背景下，適當(dāng)?shù)母骱徒斩掃€田方式有利于促進(jìn)作物根系形態(tài)發(fā)育及耕層空間分布，進(jìn)一步使得春玉米的干物質(zhì)積累和分配特征得到優(yōu)化，提高成熟期干物質(zhì)在果穗的分配，達(dá)到提高春玉米產(chǎn)量的目的。秸稈翻耕還田較秸稈旋耕還田具有更好的根系形態(tài)和空間分布，秸稈條帶還田較全層還田體現(xiàn)出同樣的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)前者表現(xiàn)較高的籽粒產(chǎn)量。因此，推薦秸稈條帶翻耕還田為該區(qū)域適合的秸稈還田方式。

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JIANG Ying1, WANG Zhengyu1, LIAN Hongli1, WANG Meijia1, SU Yehan1, TIAN Ping1, SUI Pengxiang1, MA Ziqi1, WANG Yingyan1, MENG Guangxin1, SUN Yue1, LI Congfeng2, QI Hua1

(1College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【】In view of the prominent contradiction of straw utility, the optimization of straw returning method is significant for promoting the green and sustainable development of agriculture in northeast China, where is the main production areas of spring maize. In this study, the effects of tillage and straw incorporation approaches on the morphology and distribution characteristics of root, dry matter accumulation and yield of spring maize were investigated to provide a theory basis for optimizing tillage and straw incorporation measures to maintain agricultural production.【】The field experiment was carried out in Shenyang, Liaoning province in 2017 and 2018. The two-factor random zone group design was adopted to set up four treatments, including straw incorporation with full-thickness plough tillage (PTS), straw incorporation with strip plough tillage (PSS), straw incorporation with full-thickness rotary tillage (RTS), and straw incorporation with strip rotary tillage (RSS). Under different tillage and straw incorporation methods, the differences of root length, root dry weight, their spatial distribution in soil, dry matter accumulation dynamics and yield characters of spring maize were analyzed.【】tillage and straw incorporation methods had significant effects on root length and distribution as well as dry weight and specific root length of spring maize at silking stage. In the vertical soil layer of 0-30 cm, the root length of PTS treatment was 7.9%-43.2% and 17.3%-41.5% higher than other treatments, respectively. In the vertical soil layer of 30-60 cm, root length under strip straw incorporation (PSS and RSS) treatments was average 20.1% and 20.3% higher than those under full-thickness straw incorporation (PTS and RTS) treatments, respectively. Centering on maize plant, the horizontal distribution of root length in soil showed that PTS treatment was the highest and RTS treatment was the lowest in 0-10 cm away from the plant. The lowest root dry weight was observed from RTS treatment, PTS, PSS and RSS treatments presented 36.5%, 59.6% and 17.3% higher root dry weight in the 0-10 cm soil layer, respectively. PTS treatment obtained the highest specific root length in 0-20 cm soil layers, with 8.7%-73.8% and 14.3%-44.7% more than those under other treatments. The spatial distribution of root surface area was significantly different among treatments. PTS and RSS treatments had higher root surface area in 0-30 cm soil layer and better root surface distribution in horizontal and vertical directions. The effects of tillage and straw incorporation methods on the accumulation of dry matter in shoot of spring maize at jointing, silking and maturity stages were significant. Compared with other three treatments, RTS reduced the average dry matter weight of stem+sheath and total shoot weight by 15.5% to 19.2% at jointing stage. The weight of ear and shoot dry matter in maturity stage under PTS treatment was 3.6%-12.3% and 2.7%-12.4% higher than those under other treatments, followed by PSS and RSS treatments, and RTS treatment was the lowest. Tillage and straw incorporation methods significantly affected the number of ears and grain yield of spring maize. PTS, PSS, and RSS treatments obtained average 8.3%, 7.9%, and 5.8% higher grain yield than that under RTS treatments in 2017 and 2018. RTS significantly reduced the number of ears by 2.9%-9.1% and 7.0%-9.7%, compared with other three treatments.【】Proper tillage and straw returning methods were conducive to promoting the morphological development of crop root and its spatial distribution in the tilled soil layer, optimizing of dry matter accumulation and distribution characteristics, and the distribution of dry matter to ear at maturity, so as to increase the yield of spring maize. In summary, the straw strip returning with plough tillage was recommended in the study area.

straw incorporation; spring maize; root distribution; grain yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.15.008

2020-04-09；

2020-07-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300103）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31901471）、遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（2019JH2/10200004）

姜英，E-mail：jiangying@syau.edu.cn。通信作者齊華，E-mail：qihua10@syau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）