湿润冷凉区秸秆碎混还田对玉米抗倒伏能力的影响

马悦 ，刘胜群 ，刘禹泽 ，刘升芹 ，代明媚,3 ，王思敏,3 ，刘君仁

（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室, 吉林 长春 130102；2.中国科学院大学, 北京 100049； 3.吉林农业大学, 吉林 长春 130118）

0 引言

东北地区是我国重要的商品粮基地，位于黑土带核心区，珍贵的黑土资源利于玉米生产。但黑土质地较黏重，加之长期的过度垦殖和不合理耕作，致使土壤物理性质变差，即土壤容重增加、总孔隙度下降、田间持水量降低、导水性和通气性能不畅，土壤变硬等[1]。研究显示，秸秆还田可改善土壤物理性状，增加土壤孔隙度，改善土壤孔隙结构[2]，降低土壤容重[3-5]，增加土壤持水量[6]，增加土壤通气、透水能力等。因此，秸秆还田对土壤物理性质的改善作用备受关注。研究显示，秸秆还田对土壤物理性状的改善作用是由于秸秆还田过程中的秸秆归还及其对土壤的扰动[2]。而不同秸秆还田方式对土壤扰动的影响明显不同，这说明秸秆还田对土壤物理性质的影响受其还田方式的影响和制约[7-8]。

吉林省东部地区春季低温冷凉、土壤表层温度相对较低；加之土壤黏重，持水能力强，冬季降水以积雪形式覆盖地表时间较长，因初春温度低，积雪融化时间短，因此秋季降雨和冬季降雪常常导致土壤出现偏湿或饱和现象[9-10]，进而影响作物生产和产量形成。由于秸秆还田可改善土壤物理性质，因此，既可增加地温又可降低土壤湿度的秸秆还田方式尤其适合于吉林省东部低温冷凉区。目前，吉林省玉米秸秆全量还田方式主要有秸秆覆盖还田、深翻还田和碎混还田三种[8,11]。孙士明等[12]关注上述三种秸秆全量还田方式对土壤温度和土壤水分状况的影响，研究结果显示，与秸秆覆盖还田和秸秆深翻还田相比，秸秆碎粉还田方式下的土壤温度较高且土壤含水率低，是适合吉林省东部低温冷凉区的秸秆还田方式。研究者同时关注秸秆碎混还田技术对土壤物理性质的影响，认为秸秆碎混还田技术可降低耕层土壤容重，增加土壤总孔隙度，有效改善土壤物理性质[8,13]。

土壤物理性质影响作物生长，改变作物地上部和根系某些性状（如根体积、根表面积和根系在土壤中的分布等）[14-15]。由于上述性状与作物抗倒伏能力密切相关，因此，研究者重视作物对土壤物理性质的这种响应，以期利用这种变化改善作物的抗倒伏能力。李永贤等[16]报道耕作方式改变土壤物理性质，致使玉米根系性状发生改变，最终改变了玉米倒伏抗性。刘明等[17]报道深松作业影响玉米茎秆性状，并最终使其倒伏抗性发生改变。上述研究证明，作物对土壤物理性质的改变做出响应，从而改变自身茎秆和根系的某些性状，并最终影响其抗倒伏能力。但很少有关于秸秆还田对玉米抗倒伏能力的影响的报道。高天平[18]关注了秸秆还田对夏玉米根系生长的影响，结果显示秸秆还田条件下夏玉米根系的根长、根干重、根表面积等均增加，但未见对其倒伏抗性的报道。由于我国现阶段提高玉米产量的一个重要途径是增加种植密度，但随着密度的增加，倒伏发生风险随之提高[19]。因此，倒伏成为限制密植玉米高产的一个重要障碍因素[20]。由于根系[21]和茎秆[22]是作物抗倒伏的主体，因此，本研究以吉林省东部冷凉区的6 个玉米品种为对象，研究秸秆碎混还田条件下其倒伏发生情况及其抗倒伏能力，以期明确吉林省东部冷凉区秸秆碎混还田对玉米倒伏抗性的影响，为评估冷凉区秸秆还田改善土壤物理性质和玉米产量，实现东北黑土资源可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于吉林省敦化市沙河沿镇鸿发生态农场（128°21′E, 43°25′N）。试验地年均气温为2.6 ℃，年降雨量631.8 mm，有效积温2 400 ℃。土壤为白浆土，0 ～ 20 cm 土层的水解氮含量为216.8 mg·kg-1，速效磷含量为15.76 mg·kg-1，速效钾含量为113.4 mg·kg-1，有机质含量为38.3 g·kg-1，pH 为5.76。秸秆还田（SR）方式为碎混还田[23]，玉米秸秆粉碎后，利用机械将秸秆与 0 ～ 20 cm 土层的土壤混合。秸秆离田（CK）为对照，秸秆离田对照是将玉米秸秆人工运出试验田后，其它操作与秸秆还田的地块相同。供试玉米品种为德美亚1 号、雁玉1 号、金珠58、先达101、赛玉529 和院军1 号（表1）。种植密度为75 000 株·hm-2。均匀垄种植，垄宽60 cm，每个小区长20 m，宽12 m。 秸秆处理为主区，品种为副区，3 次重复。于2018 年5 月3 日播种。田间施肥量分别为240 kg(N)·hm-2、90 kg(P2O5)·hm-2和105 kg(K2O)·hm-2。80 kg·hm-2的氮肥和全部的磷、钾肥基施以及160 kg·hm-2的氮肥于6 月末追施。玉米田间管理与当地生产田相同。

表1 供试6 个玉米品种基本信息Table 1 Basic information of six maize varieties

1.2 测定指标及方法

于玉米灌浆期取样测定玉米根倒力矩（Root failure moment，Rfm）和节根根系数量[24]。Rfm的测定参照Fouere 等[24]进行，公式如下：

式中：Fmax为根倒承受的最大推力，采用测力计测定；α 为最大推力时茎秆与地面的夹角；h 为测力计作用位点与地面之间的距离。

测根倒力矩后，以植株为中心挖取25 cm（长）×25 cm（宽）×25 cm（深）的根土复合体，用流水冲洗上面附着的土壤，然后记录气生根条数和单株节根总数。另外，每区选取代表性植株，自地面茎节基部将玉米茎秆剪断。用精度为1 mm 的卷尺测量株高（HP）、穗位高（HE）和重心高度（Hg），计算穗高系数，穗高系数=HE/HP。玉米茎节选取基部向上第三伸长节间[21-22]，其压碎强度用YYD-1 茎秆强度测定仪测定，测量时用横截面积为1 cm2的探测头垂直于茎秆缓慢压下至茎秆破裂，记录茎秆横向压碎强度。并计算茎秆抗倒伏指数，茎秆抗倒伏指数=基部第三节横向压碎强度/植株重心高度[25]。

玉米灌浆期土壤容重和总孔隙度采用环刀法测定0 ～ 8 cm、8 ～ 16 cm 和16 ～ 24 cm 3 个土层深度。于2018 年10 月10 日调查小区内根倒伏和茎倒伏发生株数和总株数[23]，并分别计算根倒伏和茎倒伏的倒伏率。而后进行测产，每区选取中间两行玉米进行测产，并折算14%含水率的籽粒产量。

1.3 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2007 软件计算平均值并作图，用SPSS16.0 软件进行根系性状、茎秆性状以及土壤物理性状在对照（CK）和秸秆还田处理（SR）之间的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆碎混还田对土壤容重和孔隙度的影响

秸秆还田影响土壤容重（图1a）和土壤孔隙度（图1b）。与CK 相比，SR 条件下0 ～ 8 cm 和8 ～ 16 cm土层的土壤容重显著降低，分别下降了10.9%和8.4%（P＜ 0.05）；0 ～ 8 cm 土层的土壤孔隙度显著增加，与CK 相比，SR 条件下0 ～ 8 cm 土层的土壤孔隙度提高了9.8%（P＜ 0.05）。

图1 秸秆还田对0 ～ 24 cm 土层土壤容重和土壤孔隙度的影响Fig. 1 Effects of straw returning on soil bulk density and soil porosity of 0 ～ 24 cm soil layer

2.2 秸秆碎混还田对玉米根倒力矩（Rfm）的影响

秸秆碎粉还田显著影响玉米Rfm（图2），与CK 相比，SR 条件下Rfm显著增加，DMY1、YY1、JZ58、SY529 和YJ1 的Rfm分别较CK 显著增加了12.0%、12.7%、16.4%、14.4%和26.5%（P＜ 0.05）。Rfm存在品种差异，不同品种的Rfm不同，6 个品种中以SY529 的Rfm最高。

图2 6 个品种玉米的根倒力矩（Rfm）Fig. 2 Root failure moment of 6 maize varieties

2.3 秸秆碎混还田条件下玉米根系数量

与CK 相比，SR 条件下单株玉米总节根数和气生根数量均有增加趋势，6 个品种玉米的节根总数和气生根条数分别平均增加了3.9%和5.4%。但SR 对单株玉米节根总量的影响差异未达到显著水平（图3a），而对气生根数量产生了显著影响（P＜ 0.05，图3b）。SR 条件下单株玉米总节根数和气生根数存在品种差异，不同品种的总节根数和气生根数不同。

图3 秸秆还田对玉米的根系数量和气生根数量的影响Fig. 3 Effects of straw returning on total number of nodal roots and brace root of maize

2.4 秸秆碎混还田对玉米茎秆抗倒伏指数的影响

秸秆碎粉还田显著提高了玉米茎秆抗倒伏指数（图4），与CK 相比，SR 条件下6 个玉米品种的茎秆抗倒伏指数平均增加了5.34%。6 个品种的茎秆抗倒伏指数存在品种差异，以YJ1 的茎秆抗倒伏指数最高。

图4 6 个品种玉米茎秆抗倒伏指数Fig. 4 Stalk breaking percentage of 6 maize varieties

2.5 秸秆碎混还田对玉米穗高系数和基部茎秆压碎强度的影响

6 个品种玉米灌浆期的穗高系数在CK 和SR 之间的差异未达到显著水平（图5a）。与CK 比较，SR条件下品种YY1 和YJ1 的穗高系数有降低趋势。穗高系数存在品种差异，不同品种间差异达到显著水平（P＜ 0.05），6 个品种中，DMY1 和XD101 穗高系数较高，而YJ1 的穗高系数相对较低。

图5 秸秆还田对玉米穗高系数和第三节间横向压碎强度的影响Fig. 5 Effects of straw returning on ear height coefficient and crushing strength of the 3rd internodes of maize

6 个品种玉米基部第三伸长节间的横向压碎强度见图5b。分析结果显示，第三伸长节间的横向压碎强度在CK 和SR 之间的差异未达到显著水平，但与CK 相比，SR 处理下的DMY1 和JZ58 处理的第三伸长节间的横向压碎强度分别提高了9.85%和8.37%。玉米基部第三节间的横向压碎强度存在品种间的差异，6 个品种玉米基部第三节间的横向压碎强度差异达显著水平（P＜ 0.05）。

2.6 收获时玉米田间倒伏发生率和籽粒产量

秸秆还田显著降低玉米田间倒伏发生率（图6），与CK 相比，SR 条件下6 个品种玉米倒伏率平均降低1.13%。田间倒伏发生率存在品种差异，玉米收获时田间倒伏实际发生情况与品种有关，CK 和SR 条件下，6 个品种相比，JZ58 和SY529 的田间倒伏发生率低。

图6 收获时田间玉米倒伏发生率Fig. 6 Lodging rate in field at harvest of 6 maize varieties

6 个品种玉米的穗行数、行粒数、百粒重和籽粒产量见表2。与CK 相比，SR 条件下品种DMY1 和YY1 的产量显著高于CK，分别增加了3.5%和3.6%（P＜ 0.05）。与CK 相比，SR 各品种玉米的穗行数和百粒重差异不显著，但SR 条件下品种DMY1 和YY1 的行粒数和产量均显著高于CK，行粒数分别增加了1.9 粒和1.3 粒（P＜ 0.05）。

表2 玉米穗行数、行粒数、百粒重和子粒产量Table 2 Number of rows, number of grains per row, 100-kernel weight and grain yield of maize

2.7 Rfm 与根系数量、茎秆抗倒伏指数与节间横向压碎强度之间的相关分析

6 个品种玉米的Rfm和气生根数量之间进行Pearson 相关分析（图7），结果显示，Rfm与气生根数量之间呈显著线性相关关系，方程为Y=1.486 4X+3.871 1（P＜ 0.05）。玉米茎秆抗倒伏指数和第三节间横向压碎强度之间进行Pearson 相关分析（图8），结果显示，玉米茎秆抗倒伏指数与第三节间横向压碎强度之间呈显著线性相关，方程分别为Y=10.068X+38.584（P＜ 0.05）和Y=7.216X+33.797（P＜ 0.05）。

图7 根倒力矩和气生根数量之间的相关性Fig. 7 Correlation between root failure moment and number of brace roots

图8 茎秆抗倒伏指数与第三茎节横向压碎强度的相关性Fig. 8 Correlation between stalk breaking percentage and crushing strength of the 3rd internode

3 讨论

秸秆还田可有效改善土壤物理性状，提高土壤有机质含量，在我国备受关注并广泛应用。但在我国东北地区低温冷凉，不合理的秸秆还田方式导致还田秸秆降解慢、春季地温低和玉米出苗率下降等问题[26]，严重制约着当地玉米秸秆还田的推广和应用。前人研究显示，玉米秸秆碎混还田技术可提高土温、降低土壤含水量[23]，适于在低温湿润冷凉区应用[12]，因此本研究以玉米秸秆碎混还田技术作为秸秆还田技术，研究其对薄层黑土区土壤容重和土壤孔隙度的影响。结果显示，玉米秸秆碎混还田技术显著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度（图1），有效改善了薄层黑土土壤的物理性质，这一结果与李位波等对川中丘陵区土壤的研究结果相似[13]。

东北低温湿润冷凉地区的薄层黑土土壤质地黏重、耕层浅，因此导致玉米根系下扎困难，致使此区玉米倒伏频发[27]，严重制约玉米产量的提高。根倒力矩是衡量根倒伏抗性的重要指标，根倒力矩大则说明作物抗根倒能力强。本研究结果显示，玉米根倒力矩受秸秆碎混还田影响显著（图2），秸秆碎混还田显著提高了玉米根倒力矩，这可能与玉米气生根数量的改变有关（图3），因为根倒力矩与气生根数量呈显著正相关关系（图7），这一结果与前人关于根倒伏抗性和气生根数量的研究结果一致[28]。本研究显示秸秆碎粉还田条件下玉米气生根数量增加，这可能与其对土壤物理性质的改善有关（图1）。这一结果与王月宁等[29]的玉米秸秆深埋还田能显著促进玉米生长的研究结果相似。茎秆抗倒伏指数是衡量茎倒伏抗性的重要指标，与基部节间性状如基部茎秆力学性能有关[30]。研究显示，秸秆还田可影响作物的茎倒伏抗性，邹兵[31]报道秸秆还田显著降低小麦基部节间长度、增加基部节间茎粗、节间充实度，进而提高了小麦的抗倒伏能力。沈明林[32]报道麦秸和玉米秸秆还田可提高夏玉米抗倒性能，降低玉米倒折率。本文研究结果显示，玉米秸秆碎混还田显著提高了玉米茎秆抗倒伏指数（图4）和第三节间横向压碎强度（图5），且茎秆抗倒伏指数与基部第三节间横向压碎强度呈显著正相关关系（图8），这说明秸秆碎混还田技术下玉米茎秆抗倒伏指数的增加与基部第三节间横向压碎强度的增加有关。

大量研究结果显示，秸秆还田可增加玉米产量[33]，本研究结果显示，秸秆碎混还田条件下玉米产量显著提高，品种德美亚1 号和雁玉1 号分别增加了3.5%、3.6%。本文调查了供试玉米田间倒伏发生率，秸秆碎混还田条件下玉米倒伏发生率平均降低1.13%。研究显示，田间作物倒伏率通常与风、雨等诱因有关，若作物在生育期内无疾风骤雨天气，则田间作物倒伏发生率较低，反之则倒伏发生率较高，因此，以田间调查倒伏发生率的方式判断作物倒伏抗性存在局限，应结合作物抗倒伏指标进行综合分析。前人研究显示，作物倒伏抗性存在品种差异[34]，不同品种倒伏抗性不同，本研究得出类似的结果，6 个供试玉米品种的根倒力矩和茎秆抗倒伏指数均存在品种差异，说明6 个品种的抗根倒伏和茎倒伏能力存在差异。结合秸秆碎混还田对玉米产量的影响，建议生产中在选用适合当地气候条件的玉米品种的同时，要充分考虑秸秆碎混还田对玉米产量和倒伏抗性影响的品种差异。推测产生这种差异的原因与品种生育期长短（表1）和品种适宜生长密度等性状有关，需要进一步深入研究和探讨。

4 结论

（1）东北低温湿润冷凉区秸秆碎混还田有效改善土壤物理性状，可促进玉米根系生长，提高气生根数量，增强玉米抗根倒伏能力，提高根倒伏抗性。

（2）东北低温湿润冷凉区秸秆碎混还田可提高玉米基部茎节力学性能，增强玉米抗茎倒伏的能力，提高玉米茎倒伏抗性。

（3）在东北低温湿润冷凉区，秸秆碎混还田对玉米根系和茎秆性状的影响不同，且玉米根系和茎秆对秸秆碎混还田处理的响应存在品种差异。