調(diào)整播期提高春玉米對(duì)養(yǎng)分和氣候資源的利用效率

展文潔，張吉旺，袁靜超，梁 堯，程 松，張水梅，任 軍，劉劍釗*，蔡紅光*

（1 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林長(zhǎng)春 130033；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京 210095；3 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018）

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，其種植面積居我國(guó)糧食作物首位[1]，在保障糧食安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。吉林省地處“黃金玉米帶”，玉米單產(chǎn)水平較高，適合種植玉米[2]。然而吉林省也存在著霜凍和春旱的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，是影響玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要原因[3–4]。播種日期是影響玉米產(chǎn)量的重要因素，適宜的播期可以充分利用生育期內(nèi)的光溫資源和雨熱條件，提升玉米抗逆性，更加充分發(fā)揮吉林省玉米主產(chǎn)區(qū)自然條件和土壤肥力的作用[5]。研究表明過(guò)晚播種會(huì)降低玉米灌漿速率，單株干物質(zhì)積累量呈下降趨勢(shì)[6]。不同的播期由于其光溫資源分配等生態(tài)條件的差異，使作物生長(zhǎng)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)分配發(fā)生變化[7]。小麥和棉花，不同播期處理間氮素累積量差異不顯著，但早播處理下收獲指數(shù)較高、產(chǎn)量高進(jìn)而提高了氮素利用效率[8–9]。水稻在播期處理間的相關(guān)分析表明，產(chǎn)量與多個(gè)生育時(shí)期的氮素吸收量、氮素吸收速率及氮素利用效率呈顯著正相關(guān)[10]。玉米葉片中的氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率大約占50%～90%，這跟基因型密切相關(guān)[11–13]，且不同基因型品種具有不同的硝酸還原酶活性，導(dǎo)致氮素的同化能力不同[14]。因此，品種和播期均會(huì)對(duì)玉米氮效率產(chǎn)生影響。但不同基因型玉米品種在播期處理下其氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的響應(yīng)機(jī)制鮮有報(bào)道。

此外，近些年研究的熱點(diǎn)是基于長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥?、栽培等，采用作物生長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)作物在不同太陽(yáng)輻射、溫度等氣候條件下產(chǎn)量潛力，為實(shí)現(xiàn)光溫資源與作物生長(zhǎng)的最佳匹配提供參考和指導(dǎo)。侯鵬等[15]通過(guò)Hybrid-Maize模型，利用玉米的實(shí)際品種特性及區(qū)域氣象條件確定了黑龍江省玉米區(qū)域的灌溉增產(chǎn)潛力；陳明等[16]借助CERES-maize模型表明推遲播期有利于玉米增產(chǎn)。但Alexandrov等[17]和Babel等[18]等提出提前播種可提高玉米產(chǎn)量。

基于此，本研究擬通過(guò)兩年田間試驗(yàn)，通過(guò)比較不同播期對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，解析不同氮效率基因型對(duì)播期的響應(yīng)機(jī)制；并通過(guò)Hybrid-maize模型進(jìn)行產(chǎn)量潛力比對(duì)分析，探明東北中部影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子，為當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014—2015年在吉林省中部農(nóng)安縣進(jìn)行。該地屬大陸性季風(fēng)氣候，地勢(shì)平坦，四季分明，年均氣溫4.7℃，平均無(wú)霜期145天，年均降雨量507.7 mm，有效積溫2770℃～2800℃。供試土壤為黑鈣土，0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)25.0 g/kg、速效氮121 mg/kg、速效磷 24.2 mg/kg、速效鉀 167 mg/kg、pH 7.90，2014—2015年的降雨及積溫等氣象信息見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)2014—2015年玉米生育期降雨量和日均溫Fig. 1 Rainfall and daily mean temperature during the growth period of spring maize at the experiment station in 2014–2015

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素播期，分別為早播(4月24日)、中播(5月4日)、晚播(5月14日)；副因素品種，分別為先玉335 (XY335)、鄭單 958 (ZD958)。各個(gè)處理均施 N 200 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。氮肥為尿素 (含 N 46%)，磷肥為磷酸二銨 (含 N 18%、P2O546%)，鉀肥為氯化鉀(含 K2O 60%)，磷肥鉀肥一次性基施，氮肥 50 kg/hm2作底肥施用，150 kg/hm2在拔節(jié)期作追肥施用。小區(qū)面積40 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次，播種密度6萬(wàn)株/hm2。2014年于9月23日統(tǒng)一測(cè)產(chǎn)，2015年于9月28日統(tǒng)一測(cè)產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

在玉米播種前采集0—20 cm耕層土壤樣品，采用常規(guī)方法測(cè)定土壤養(yǎng)分。分別在第6片展葉期(V6)、開(kāi)花期(VT)、生理成熟期(R6) 3個(gè)時(shí)期取植株地上部。每個(gè)小區(qū)選取有代表性的植株3株，成熟期選取5株。地上部植株按照莖、葉、籽粒、穗軸4部分分開(kāi)，烘干稱(chēng)重后粉碎，采用凱氏定氮法測(cè)定各器官氮含量。成熟期收獲中間2 行玉米，裝入尼龍網(wǎng)袋曬干脫粒稱(chēng)重，以籽粒含水量14%折算小區(qū)產(chǎn)量。采用常規(guī)方法考種，取10株標(biāo)準(zhǔn)穗，人工調(diào)查穗行數(shù)和行粒數(shù)，計(jì)算得出穗粒數(shù)，然后脫粒，取5組稱(chēng)量300粒重，折算百粒重。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法[19–20]

營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg/hm2) = 開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量－成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量；

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%) = 營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量×100

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(%) = 營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮素積累量×100

開(kāi)花后氮素同化量(kg/hm2) = 成熟期籽粒氮素積累量－營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量；

1.5 模型分析

基于農(nóng)安地區(qū)氣象站數(shù)據(jù)信息，采用美國(guó)內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的Hybrid-Maize 模型進(jìn)行玉米生長(zhǎng)預(yù)測(cè)和分析[21-22]，以評(píng)估不同播期玉米群體最優(yōu)產(chǎn)量潛力及與太陽(yáng)輻射、溫度等氣象條件的響應(yīng)關(guān)系。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和Origin 8.5進(jìn)行整理分析與繪圖制作，用SPSS 21.0軟件進(jìn)行多重比較(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播期處理下干物質(zhì)累積、產(chǎn)量及其組分

由表1可知，XY335在早、中、晚播期的干物質(zhì)積累量(生物量)兩年平均分別為21233、21249、20311 kg/hm2；ZD958在早、中、晚播期的干物質(zhì)積累量?jī)赡昶骄謩e為 21031、20637、20405 kg/hm2。不同播期間比較，XY335品種在兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴菥鶠橹胁ヌ幚硐庐a(chǎn)量較高，兩年較早播處理、晚播處理平均分別增加9.9%、17.4%。從產(chǎn)量形成來(lái)看，其百粒重較早播處理、晚播處理相應(yīng)增加2.8%、3.4%。ZD958品種在兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴菥鶠橥聿ヌ幚硐庐a(chǎn)量最低，兩年平均較早播處理、中播處理分別減少8.6%、5.4%。品種間進(jìn)行比較，綜合兩年結(jié)果，XY335產(chǎn)量中播處理高于ZD958，增幅為8.4%，百粒重增幅為3.1%。2015年，XY335品種在中播處理和晚播處理下的產(chǎn)量均顯著高于ZD958 (P<0.05)，產(chǎn)量增幅分別為16.3%和5.9%。

表1 不同播期玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Maize yield and its component under different sowing dates

2.2 不同處理下干物質(zhì)及氮的積累動(dòng)態(tài)

隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量均呈逐漸增加的趨勢(shì)(圖2、圖3)。年度間比較，XY335和ZD958品種2015年V6—VT和VT—R6時(shí)期的干物質(zhì)積累量和氮素積累量均高于2014年，干物質(zhì)積累量平均增幅分別為29.1%和15.6%，氮素積累量平均增幅分別為44.9%和63.4%，這可能與兩年間玉米生育期的降水、光溫資源匹配情況不同有關(guān)。播期間進(jìn)行比較，XY335在兩年間均表現(xiàn)為中播處理下，VT—R6期干物質(zhì)積累量和氮素積累量最高，2014年VT—R6期中播處理下干物質(zhì)積累量較早播處理和晚播處理分別增加8.5%和12.5%，氮素積累量較早播處理和晚播處理分別增加39.1%、57.7%；2015年VT—R6期中播處理下干物質(zhì)積累量較早播處理和晚播處理分別增加6.8%、11.7%，氮素累積量分別增加14.8%、29.8%。綜合兩年來(lái)看，XY335中播處理花后干物質(zhì)積累量較其他處理增加9.8%，氮素積累量較其他處理增加35.4%。ZD958在2014年表現(xiàn)為V6—VT期早播處理下干物質(zhì)累積量最高，2014年V6—VT期早播處理下干物質(zhì)積累量較中播和晚播處理分別提高39.6%、40.8%，氮素積累量較中播和晚播處理分別增加107.7%和69.0%；ZD958在2015年V6—R6期晚播處理氮素累積量較早播處理和中播處理分別降低0.2%和3.6%。兩年平均，早、中、晚3個(gè)播期XY335氮素積累量分別為 184.2、192.5、171.1 kg/hm2；ZD958氮素積累量分別為 173.7、163.4、154.9 kg/hm2。

圖2 不同播期玉米干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)Fig. 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different sowing dates

圖3 不同播期玉米氮素累積動(dòng)態(tài)Fig. 3 Dynamics of N accumulation of maize under different sowing dates

品種間進(jìn)行比較，綜合兩年，XY335中播處理氮素積累量在V6、VT和R6期較ZD958平均增加15.3%。2015年，XY335在V6—R6期的總氮素積累量均高于ZD958，早播、中播和晚播處理下的增幅分別為14.1%、21.1%、16.0%。2014年無(wú)明顯差異。

2.3 不同播期處理下氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率

由表2可知，播期對(duì)XY335和ZD958的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)均有顯著影響。兩年平均，XY335在早、中、晚播期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率分別為35.1%、45.7%、35.8%；氮素對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率分別為19.4%、29.6%、23.9%。ZD958在早、中、晚播期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率分別為39.2%、36.4%、25.6%；氮素對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率分別為32.7%、25.4%、13.7%。XY335品種，2014和2015年中播處理的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)均明顯增多，兩年間其轉(zhuǎn)運(yùn)量較早播處理、晚播處理平均分別增加59.4%、43.7%，轉(zhuǎn)運(yùn)率分別增加30.1%、27.6%，對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率分別增加52.1%、23.7%； ZD958品種兩年間晚播處理的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)明顯偏低，早播和中播處理氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量較晚播處理分別增加114.4%、55.1%，轉(zhuǎn)運(yùn)率分別增加53.3%、42.2%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 不同播期下氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)玉米籽粒氮的貢獻(xiàn)率Table 2 Nitrogen transport and contribution rate to grain nitrogen under different sowing dates

品種間進(jìn)行比較，綜合兩年，XY335中播處理氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量較ZD958平均增加35.4%。2014年，兩品種早播處理和晚播處理氮素轉(zhuǎn)運(yùn)存在明顯差異，其中早播處理ZD958氮素轉(zhuǎn)運(yùn)明顯高于XY335，轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率分別增加82.3%、28.6%和92.9%；晚播處理兩年間XY335氮素轉(zhuǎn)運(yùn)均優(yōu)于ZD958，其轉(zhuǎn)運(yùn)量和對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率在兩年間平均分別增加77.5%、75.1%。這表明播期能顯著影響玉米氮素轉(zhuǎn)運(yùn)狀況。

2.4 基于Hybrid-Maize模型對(duì)不同播期玉米的產(chǎn)量分析

通過(guò)Hybrid-Maize模型模擬得出兩年間農(nóng)安地區(qū)不同播期下玉米的理論產(chǎn)量、生物量及光溫資源配置情況。由表3可知，在各個(gè)處理中，理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量中均存在一定的產(chǎn)量差和生物量差。兩品種的模擬產(chǎn)量與全生育期太陽(yáng)總輻射量成正比，與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期日均溫呈反比。但實(shí)際產(chǎn)量與模擬產(chǎn)量的變化規(guī)律不完全一致，XY335品種實(shí)際產(chǎn)量與生殖生長(zhǎng)期的日均溫成正比，XY335品種在中播處理下達(dá)最高實(shí)際產(chǎn)量，為12.0 t/hm2，而ZD958的實(shí)際產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的天數(shù)顯著相關(guān)(P< 0.05)，其晚播處理下實(shí)際產(chǎn)量最低，僅為10.5 t/hm2，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)天數(shù)較早播和中播處理分別縮短13.5和8天。從模擬與實(shí)際產(chǎn)量差來(lái)看，兩品種均在早播處理下的產(chǎn)量差最大，這是由于兩品種在早播處理下的模擬產(chǎn)量較高，這與早播處理在全生育期的日輻射量較高，且營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的日均溫較低有關(guān)。

表3 不同播期處理下的玉米產(chǎn)量潛力及光溫資源配置Table 3 Yieldpotential andlight temperature resource allocation of maize varieties at different sowing dates

3 討論

本研究通過(guò)兩年田間定位試驗(yàn)對(duì)不同播期處理下玉米品種產(chǎn)量、氮效率的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了分析。證實(shí)了通過(guò)品種選擇和播期優(yōu)化的管理措施可以實(shí)現(xiàn)品種與既定環(huán)境的光溫資源耦合和玉米高產(chǎn)。研究表明，播期不同會(huì)對(duì)玉米生育進(jìn)程的光熱資源需求產(chǎn)生影響，而溫度和光照是影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣象因子[23–24]，適宜的播期可以使玉米在生長(zhǎng)過(guò)程中充分利用氣候和養(yǎng)分資源，提升作物抗逆性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與效率同步提升[25–26]。

兩年間，XY335品種均表現(xiàn)為在中播處理下產(chǎn)量最高，比早播和晚播處理分別增加9.9%和17.4%。Hybrid-Maize 模型分析表明，兩年間的模擬產(chǎn)量均值與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期日均溫呈負(fù)相關(guān)，與全生育期的日輻射呈正相關(guān)。XY335品種在中播處理下實(shí)際產(chǎn)量較高，主要表現(xiàn)為生殖生長(zhǎng)期日均溫較高，其實(shí)際產(chǎn)量與生殖生長(zhǎng)期日均溫表現(xiàn)出高度一致性。生殖生長(zhǎng)階段是物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時(shí)期[27]，該時(shí)期日均溫增加，會(huì)提高玉米灌漿進(jìn)程[28]，進(jìn)而使籽粒產(chǎn)量增加[29]。兩年間，ZD958品種均表現(xiàn)為晚播處理下產(chǎn)量最低，其產(chǎn)量較早播處理和中播處理分別降低8.6%、5.4%，ZD958實(shí)際產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的天數(shù)呈正相關(guān)，這可能與早播可避開(kāi)花期高溫高濕的不利條件，促進(jìn)玉米光合作用有關(guān)[30]，同時(shí)也表明XY335和ZD958品種具有明顯的差異。從模擬與實(shí)際產(chǎn)量差來(lái)看，兩品種均在早播處理下的產(chǎn)量差最大，晚播處理下，降水量較低，均為273 mm，這也是造成產(chǎn)量下降的主要原因。從光溫資源匹配角度來(lái)看，XY335品種的籽粒形成與生殖生長(zhǎng)期日均溫有關(guān)，而ZD958品種的籽粒形成與全生育期日輻射總量及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期天數(shù)有關(guān)；從水分條件來(lái)看，Hybrid-Maize模型模擬得出XY335品種隨播期后移其對(duì)降水需求量逐漸降低，但ZD958則無(wú)此規(guī)律。黃秋婉等[31]研究表明，春玉米的潛在產(chǎn)量和雨養(yǎng)產(chǎn)量差異明顯，表明降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制較大。因此，光溫水資源三者的統(tǒng)籌配置合理，才更加有利于籽粒形成。

干物質(zhì)積累和氮素積累是影響玉米籽粒干重的重要因素，播期和作物品種會(huì)影響氮素吸收積累[10,32]。前人研究表明，適宜的播期有利于提高作物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率，提高營(yíng)養(yǎng)器官中干物質(zhì)的輸出能力[33]。本研究中，XY335在中播處理下產(chǎn)量最高，其玉米花后的干物質(zhì)積累量較其他處理平均增加9.8%，氮素積累量較其他處理增加35.4%。這表明適宜播期使玉米花后養(yǎng)分積累和干物質(zhì)積累得到協(xié)同提高，促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量，進(jìn)而促進(jìn)籽粒形成[34]。

綜合兩年結(jié)果，XY335品種產(chǎn)量在中播處理高于ZD958品種，增幅為8.4%，百粒重增幅為3.1%；XY335品種氮素累積量在V6、VT和R6期較ZD958品種平均增加15.3%，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量平均增加35.4%。這主要是由于XY335后期葉片的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率更高[34]，而氮的高效吸收主要表現(xiàn)在氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)增多，提高氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量可達(dá)到增產(chǎn)效果。

4 結(jié)論

播期和品種不同造成的產(chǎn)量差異，主要與開(kāi)花后的干物質(zhì)累積量與氮素累積量有關(guān)，提升氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量可有效促進(jìn)增產(chǎn)。XY335在花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率優(yōu)勢(shì)明顯，其產(chǎn)量增加受生殖生長(zhǎng)階段日均溫影響較大，ZD958產(chǎn)量增加與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期天數(shù)、全生育期總輻射量相關(guān)性較大。在本試驗(yàn)條件下，XY335適宜在5月4日左右播種，ZD958適宜早播。