不同栽培模式對夏玉米產(chǎn)量和資源利用效率的影響

陳 艷，吳 健，馬海彬，楊 麗，劉迎雪，李成玉，劉天學(xué)，李潮海，趙亞麗

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.甘肅亞盛實(shí)業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

玉米是我國種植面積最大的糧食作物，對保障國家糧食安全具有重要作用[1-2]。目前，世界玉米平均單產(chǎn)紀(jì)錄為6 567 kg/hm2，而我國玉米平均單產(chǎn)為6 117 kg/hm2[3-4]，在玉米種植面積趨于飽和的緊張形勢下，未來玉米總產(chǎn)增加將主要依靠單產(chǎn)水平的提高。黃淮南部是我國玉米優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)，玉米總產(chǎn)和種植面積均約占全國的1/3[5-6]，但該地區(qū)玉米生產(chǎn)普遍存在種植密度低、氮肥施用過量、氮肥利用效率低等問題，嚴(yán)重制約玉米單產(chǎn)水平的提高。隨著全球氣候變暖，適宜播期成為提高玉米單產(chǎn)和光熱利用效率的重要保障[7]。研究表明，在一定的生態(tài)環(huán)境中，播期和密度是影響作物生產(chǎn)及產(chǎn)量的重要栽培因素[8]，氮素是玉米獲得高產(chǎn)的重要保障[9]。栽培因子之間有相互協(xié)調(diào)的作用，玉米早播可以延長干物質(zhì)積累時間[10]，播期推遲會縮短玉米生育期，而增加種植密度可延長生育期、增加葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）、提高光熱利用效率[11-12]。氮肥通過調(diào)控玉米前期物質(zhì)積累和后期籽粒灌漿速率來影響產(chǎn)量形成，而種植密度又可以通過調(diào)控植株快增期、緩增期持續(xù)天數(shù)來影響產(chǎn)量[13-14]。目前，關(guān)于播期、種植密度、氮肥用量等單因素及其互作對玉米產(chǎn)量的影響研究較多[1，15-16]，但播期、種植密度、氮肥用量對玉米資源利用效率及其對產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響研究鮮見報道。為此，研究播期、種植密度、氮肥用量對黃淮南部夏玉米干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、資源利用效率的影響及其貢獻(xiàn)率，明確黃淮南部夏玉米適宜栽培模式，為該區(qū)夏玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2020 年在河南省駐馬店市西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村（33°19′48′′N、114°01′01′′E）進(jìn)行，該試驗(yàn)區(qū)位于黃淮南部，屬季風(fēng)性半濕潤氣候，年均氣溫15 ℃，年均降水量850～980 mm，無霜期220～230 d，種植制度主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。試驗(yàn)期間日降雨量、平均溫度及太陽輻射見圖1。

圖1 黃淮南部試驗(yàn)期間降水量、平均溫度和太陽輻射（2018—2020年）Fig.1 Daily precipitation，mean temperature and solar radiation during the growth period of summer maize in the south of Huanghuai region（2018—2020）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計，主區(qū)為播期，設(shè)6 月10 日（T1）、6月17日（T2）和6月24日（T3）3個播期；副區(qū)為種植密度，設(shè)60 000 株/hm2（D1）、75 000 株/hm2（D2）和90 000 株/hm2（D3）3 個密度；副副區(qū)為氮肥用量，設(shè)0 kg/hm2（N0）、180 kg/hm2（N1）、270 kg/hm2（N2）和360 kg/hm2（N3）4 個氮肥水平。底施150 kg/hm2P2O5和150 kg/hm2K2O，氮肥按照拔節(jié)期∶大口期=4∶6 施用。大區(qū)種植，各處理面積為20 m×15 m，供試玉米品種為鄭單958，田間管理同一般大田。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氣象數(shù)據(jù) 從當(dāng)?shù)貧庀缶肢@取播種至收獲期間逐日降雨量、平均溫度及太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)。

1.3.2 LAI 分別于夏玉米播種后40 d（40D）、吐絲期（VT）、播種后80 d（80D）和完熟期（R6），各處理取3株長勢均勻一致的植株，測量葉片的長和寬，計算面積和LAI。單葉葉面積（cm2）=葉長（cm）×葉寬（cm）×0.75，LAI=（單株葉面積×單位土地面積株數(shù)）/單位土地面積。

1.3.3 干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn) 分別于夏玉米播種后40 d（40D）、吐絲期（VT）、播種后80 d（80D）和完熟期（R6），各處理取3 株長勢均勻一致的植株，取地上部，烘干，稱質(zhì)量，計算夏玉米吐絲期前后干物質(zhì)積累量及花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻(xiàn)率?；ㄇ案晌镔|(zhì)積累量（t/hm2）=吐絲前干物質(zhì)量；花后干物質(zhì)積累量（t/hm2）=成熟期干物質(zhì)積累量-吐絲前干物質(zhì)量；

花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（t/hm2）=吐絲期干物質(zhì)積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量；

花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻(xiàn)率=（花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/籽粒干質(zhì)量）×100%。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 夏玉米成熟期，每個處理隨機(jī)選取3個點(diǎn)，調(diào)查穗數(shù)，并選有代表性的20 m雙行收獲果穗，調(diào)查穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。計算產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、輻射利用效率、熱量利用效率及其貢獻(xiàn)率。

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/施氮量；

輻射利用效率（g/MJ）=籽粒產(chǎn)量/生育期太陽總輻射；

熱量利用效率[kg/（hm2·℃）]=籽粒產(chǎn)量/生育期≥10 ℃活動積溫；

貢獻(xiàn)率=SS變量/SS校準(zhǔn)總計×100%[17]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、顯著性檢驗(yàn)（LSD法），使用SigmaPlot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及資源利用效率影響的方差分析

年份、播期、種植密度和氮肥用量對吐絲期LAI、吐絲期干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、輻射利用效率、熱量利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均存在極顯著影響，年份×播期、年份×種植密度、年份×氮肥用量和年份×播期×種植密度對上述所有指標(biāo)也存在顯著或極顯著影響（表1）。播期×種植密度對吐絲期干物質(zhì)積累量存在顯著影響，播期×氮肥用量對吐絲期LAI、產(chǎn)量、輻射利用效率、熱量利用效率存在極顯著影響，種植密度×氮肥用量對除吐絲期干物質(zhì)積累量之外的指標(biāo)均存在顯著或極顯著影響。年份×播期×種植密度對上述所有指標(biāo)均存在顯著或者極顯著影響，年份×播期×氮肥用量對吐絲期干物質(zhì)積累量、輻射利用效率、熱量利用效率存在顯著或極顯著影響，年份×種植密度×氮肥用量、年份×播期×種植密度×氮肥用量均對吐絲期干物質(zhì)積累量存在顯著或極顯著影響，播期×種植密度×氮肥用量對吐絲期LAI、吐絲期干物質(zhì)積累量存在顯著或極顯著影響。

表1 不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及資源利用效率影響的方差分析Tab.1 Variance analysis of effects of different cultivation modes on dry matter accumulation，yield and resource utilization efficiency of summer maize

2.2 不同栽培模式對夏玉米LAI的影響

夏玉米群體LAI 總體上隨播期的推遲而降低，隨種植密度的增加而增加，且早播和高密度種植夏玉米的LAI 衰減速率最?。▓D2）。對于夏玉米LAI，T1 處理比T2 和T3 處理分別提高5.2%和6.2%；D3處理比D2 和D1 處理分別提高10.7%和28.4%；適宜的氮肥用量可以有效提高LAI，4 個氮肥用量中，以N2 處理LAI 最高，比N3、N1 和N0 處理分別提高3.1%、15.6%和15.6%。整體看來，以6月10日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理LAI最高，比6月24日播種搭配種植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2處理提高40.4%，比6月17日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理提高5.1%。表明黃淮南部夏玉米6 月中上旬播種，同時搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2可以維持較大的LAI，降低葉片衰老速度。

圖2 不同栽培模式對夏玉米LAI的影響Fig.2 Effect of different cultivation modes on LAI of summer maize

2.3 不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響不同（表2）。T1處理干物質(zhì)積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)量整體高于T2 和T3 處理，T1 處理花后干物質(zhì)積累量比T2 和T3 處理分別提高4.2%和9.2%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高22.5%和66.4%，成熟期干物質(zhì)積累量分別提高5.1%和8.2%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻(xiàn)率分別提高45.4%和43.8%。增加種植密度提高了夏玉米植株干物質(zhì)積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)量，D3處理花后干物質(zhì)積累量分別比D1、D2 處理提高22.4%、9.3%，成熟期干物質(zhì)積累量分別提高23.8%、11.6%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高62.5%、21.4%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻(xiàn)率分別提高46.4%、9.4%。4 個氮肥用量中，N2 處理干物質(zhì)積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)量最高，N2 處理花后干物質(zhì)積累量比N0、N1 和N3 處理分別提高24.5%、6.9%和5.7%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高70.9%、31.3%和39.7%，成熟期干物質(zhì)積累量分別提高25.4%、6.3%和5.6%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻(xiàn)率分別提高35.2%、20.9%和16.9%。在36 個處理中，以6 月10 日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理干物質(zhì)積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)量最高，其成熟期干物質(zhì)積累量比6月24 日播種搭配種植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2處理顯著提高28.3%，花后干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對籽粒的貢獻(xiàn)率分別顯著提高32.2%、244.4%、170.1%；比6 月17 日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理成熟期干物質(zhì)積累量提高2.6%，花后干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對籽粒的貢獻(xiàn)率分別顯著提高5.6%、7.0%、56.9%。

表2 不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Tab.2 Effects of different cultivation modes on dry matter accumulation and transport in summer maize

續(xù)表2 不同栽培模式對夏玉米干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Tab.2（Continued）Effects of different cultivation modes on dry matter accumulation and transport in summer maize

2.4 不同栽培模式對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3 可以看出，播期推遲對夏玉米產(chǎn)量具有顯著影響，夏玉米產(chǎn)量以T1 和T2 處理較高，分別比T3 處理提高10.1%和10.9%，且穗粒數(shù)和穗數(shù)均高于T3 處理。對于種植密度，夏玉米產(chǎn)量以D3 處理最高，分別比D1 和D2 處理提高13.0%和4.3%，穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量總體上也表現(xiàn)為D3＞D2＞D1。一定的氮肥用量范圍內(nèi)，夏玉米產(chǎn)量隨氮肥用量增加而增加，但超過270 kg/hm2時，夏玉米產(chǎn)量表現(xiàn)下降趨勢，各氮肥用量的夏玉米產(chǎn)量總體表現(xiàn)為N2＞N3＞N1＞N0，N2處理夏玉米產(chǎn)量分別比N3、N1和N0處理提高17.0%、59.6%和65.2%，穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量總體上均表現(xiàn)為N2處理最高。在36個處理中，以6月10日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理夏玉米產(chǎn)量最高，比6 月24 日播種搭配種植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2處理提高101.5%，比6 月17 日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理產(chǎn)量提高5.7%。

表3 不同栽培模式對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effect of different cultivation modes on yield and its components of summer maize

2.5 不同栽培模式對夏玉米資源利用效率的影響

不同栽培管理模式對夏玉米資源利用效率存在顯著影響（表4）。夏玉米資源利用效率總體上均隨播期的推遲而降低，隨種植密度的增加而增加，在氮肥用量為270 kg/hm2時最高。T2處理資源利用效率整體高于T1 和T3 處理，T2 處理氮肥偏生產(chǎn)力比T3處理提高11.7%，輻射利用效率提高14.9%，熱量利用效率提高9.4%。D3 處理夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力、輻射利用效率和熱量利用效率分別比D1 處理提高12.7%、13.7%和13.6%。夏玉米光熱利用效率整 體 表 現(xiàn) 為N2＞N3＞N1＞N0，以 氮 肥 用 量 為270 kg/hm2時最大。N2 處理氮肥偏生產(chǎn)力分別比N1 和N3 處理提高6.7%和55.5%，光熱利用效率提高61.3%和17.2%。在36 個處理中，以6 月10 日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理夏玉米資源利用效率最大，比6 月24 日播種搭配種植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2處理氮肥偏生產(chǎn)力、輻射利用效率和熱量利用效率分別提高34.2%、116.6%和97.4%，比6 月17 日播種搭配種植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2處理分別提高6.0%、8.3%和5.5%。

2.6 不同栽培模式對夏玉米產(chǎn)量和資源利用效率的貢獻(xiàn)率

播期、種植密度、氮肥用量對夏玉米產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、輻射利用效率和熱量利用效率的貢獻(xiàn)率不同，以氮肥用量的貢獻(xiàn)率最大，播期的貢獻(xiàn)率最?。▓D3）。各栽培因子對夏玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氮肥用量（62.4%）＞種植密度（3.4%）＞播期（2.7%），對氮肥偏生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氮肥用量（59.7%）＞種植密度（4.4%）＞播期（4.3%），對輻射利用效率的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氮肥用量（49.4%）＞種植密度（2.6%）＞播期（2.3%），對熱量利用效率的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氮肥用量（59.4%）＞種植密度（3.3%）＞播期（1.8%）。表明在不同氮肥用量下，協(xié)同合適的播期和種植密度可以提高夏玉米產(chǎn)量。

圖3 不同栽培因子對夏玉米產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、輻射利用效率、熱量利用效率的貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of different cultivation factors to summer maize yield，partial productivity of nitrogen fertilizer，radiation utilization efficiency and heat utilization efficiency

3 結(jié)論與討論

播期、種植密度和氮肥用量是玉米生產(chǎn)中的重要栽培技術(shù)[18]，是調(diào)節(jié)作物光熱水等氣候資源、促進(jìn)玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要途徑[19-20]。夏玉米播期越早，群體干物質(zhì)積累量越多；播期越晚，產(chǎn)量下降越顯著[21-22]。本研究結(jié)果表明，黃淮南部夏玉米干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量隨播期的推遲而降低，6 月中上旬播種的夏玉米產(chǎn)量顯著高于6 月下旬，主要原因與播期推遲導(dǎo)致夏玉米生育后期溫度較低、籽粒灌漿緩慢有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，增加種植密度可以增加玉米群體LAI，提高群體物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量[23]。研究表明，玉米在82 500 株/hm2種植密度下產(chǎn)量最高，超過此密度產(chǎn)量開始降低[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米在90 000 株/hm2種植密度下的產(chǎn)量最高，主要與試驗(yàn)品種的耐密性和施肥量有關(guān)。同樣，在一定范圍內(nèi)，夏玉米產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量隨氮肥用量的增加而增加，但氮肥用量過高時，夏玉米產(chǎn)量不增反減，這與前人研究結(jié)果一致[25-26]。

作物生產(chǎn)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，受環(huán)境因子和栽培因子的共同影響。播期、種植密度和氮肥用量相互影響，共同作用于玉米生長發(fā)育過程[27]。研究表明，播期與種植密度互作，可使玉米生育后期處于較高的溫度條件下，有利于籽粒灌漿，充分利用光熱資源[28]。播期和氮肥用量與玉米生長指標(biāo)和產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，播期越早玉米產(chǎn)量越高，而玉米產(chǎn)量隨施氮量增加先升后降[29]。本研究中，6 月中上旬播種的夏玉米產(chǎn)量最高，6 月下旬播種的夏玉米產(chǎn)量即使在高密高氮條件下依舊低于6 月中上旬播種處理，這與前人研究結(jié)果相似[30-31]。此外，種植密度和氮肥用量互作影響玉米營養(yǎng)生長階段和生殖生長階段的長短，進(jìn)而影響植株干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成[32-33]。大田生產(chǎn)中，氮肥的不合理施用會導(dǎo)致玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率降低[34]，而在適宜種植密度范圍內(nèi)，適當(dāng)增加氮肥用量可以提高氮肥偏生產(chǎn)力[35-36]。本研究結(jié)果表明，不同氮肥用量搭配適宜的播期和種植密度可提高夏玉米產(chǎn)量。因此，適當(dāng)調(diào)整夏玉米播期、增加種植密度，并選擇適宜的氮肥用量能顯著提高夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率。

本試驗(yàn)地點(diǎn)處于黃淮南部，該區(qū)光熱資源豐富，夏玉米光熱生產(chǎn)潛力高，但夏玉米生產(chǎn)中普遍存在種植密度低、管理粗放等問題，同時近年來高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率增加，導(dǎo)致該區(qū)夏玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)、資源利用效率低[37-38]。目前，不同生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量潛力及技術(shù)突破一直是玉米栽培提高產(chǎn)量和資源利用效率的重要研究方向[39]。因此，優(yōu)化調(diào)節(jié)玉米栽培因子之間的關(guān)系，可以協(xié)同提高玉米產(chǎn)量和資源利用效率。根據(jù)本研究結(jié)果，黃淮南部夏玉米宜6 月中上旬播種，同時搭配高密度種植和270 kg/hm2氮肥用量，不僅可以提高夏玉米產(chǎn)量，還可以提高資源利用效率，促進(jìn)夏玉米可持續(xù)生產(chǎn)。