王洪章, 刘鹏^,*, 贾绪存, 李静, 任昊, 董树亭, 张吉旺, 赵斌山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018

Analysis of differences in summer maize yield and fertilizer use efficiency under different cultivation managements

WANG Hong-Zhang, LIU Peng^,*, JIA Xu-Cun, LI Jing, REN Hao, DONG Shu-Ting, ZHANG Ji-Wang, ZHAO BinCollege of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China

通讯作者: * 刘鹏, E-mail: liupengsdau@126.com, Tel: 0538-8281485

第一联系人: 王洪章, E-mail: whz3707@163.com
收稿日期:2019-01-22接受日期:2019-05-12网络出版日期:2019-06-05

基金资助:

本研究由国家重点研发计划项目.2016YFD0300106 国家自然科学基金项目.31771713 国家自然科学基金项目.31371576 山东省现代农业产业技术体系项目资助.SDAIT02-08

Received:2019-01-22Accepted:2019-05-12Online:2019-06-05

Fund supported:

This study was supported by the National Key R&D Program of China.2016YFD0300106 the National Natural Science Foundation of China.31771713 the National Natural Science Foundation of China.31371576 the Shandong Modern Agricultural Industry Technical System Project.SDAIT02-08

摘要
于2017—2018年在泰安、淄博和烟台, 根据生产调研和各地夏玉米高产经验, 在同一地块综合设置了超高产栽培、高产高效栽培和农户栽培3种栽培模式, 分别模拟超高产生产水平(SH)、高产高效生产水平(HH)和农户生产水平(FP) 3个层次。并分别设置不施氮(SHN₀、HHN₀、FPN₀)、不施磷(SHP₀、HHP₀、FPP₀)和不施钾(SHK₀、HHK₀、FPK₀)的肥料空白处理。定量分析不同产量层次之间产量差及肥料利用效率差, 探究产量差和效率差的影响因素及缩差增效途径。结果显示, 当前山东省夏玉米SH、HH和FP的籽粒产量分别实现了光温潜力产量的68.13%、63.71%、53.22%。随着产量差距的增大, 肥料利用效率降低。FP的N、P、K肥料利用效率分别为4.23、5.83、4.94 kg kg ^-1, SH的分别为3.84、4.64、2.97 kg kg ^-1。通过优化栽培措施后, 高产高效管理模式能够较FP籽粒产量提升10.49%, N、P、K的肥料利用效率分别提高67.07%、101.35%、57.65%, 是实现产量与肥料利用效率协同提升的有效技术途径。对各产量水平进行产量性能分析发现, 随着产量水平的提高, 平均叶面积指数和单位面积穗数明显提高, 而穗粒数、平均净同化率和粒重则有所下降。随着产量水平的提高, 吐丝后干物质和N、P、K元素积累比例有增加的趋势。因此, 在保持现有功能性参数不降低情况下, 优化结构性参数是当前产量与资源利用效率协同提升的有效措施, 今后高产高效应更加注重生育后期群体结构性能的优化。
关键词： 夏玉米;产量差;肥料利用

Abstract
Our study was conducted in Tai’an, Zibo, and Yantai city from 2017 to 2018. According to the production research and experience of high-yield summer maize, three cultivation modes simulating super-high production level (SH), high production and high-efficiency production level (HH), and farmer production level (FP) were comprehensively set up in the same plot. The fertilizer blanks were applied with no nitrogen (SHN₀, HHN₀, FPN₀), no phosphorus (SHP₀, HHP₀, FPP₀), and no potassium (SHK₀, HHK₀, FPK₀). Quantitative analysis of the yield gap and fertilizer utilization efficiency gap under different yield levels was carried out to explore the factors affecting yield gap and efficiency gap, and the way to reduce the gap and improve the efficiency. The grain yields of SH, HH, and FP of summer maize in Shandong province were realized 68.13%, 63.71%, and 53.22% of the potential yield of light and temperature. The fertilizer utilization efficiency decreased with the enlarged yield gap. The agronomic utilization rates of N, P and K fertilizers in FP were 4.23, 5.83, and 4.94 kg kg ^-1, respectively. The N, P, and K fertilizer utilization efficiencies of FP were 4.23, 5.83, and 4.94 kg kg ^-1, and those of SH were 3.84, 4.64, and 2.97 kg kg ^-1, respectively. After optimizing the cultivation measures, the high-yield and high-efficiency management mode increased the fertilizer utilization efficiency of N, P, and K by 67.07%, 101.35%, and 57.65%, respectively, and the output by 10.49%, as compared with FP. It is an effective technical way to achieve the synergistic improvement of yield and fertilizer use efficiency. The yield performance analysis of summer maize yields showed that with the increase of yield level, the mean leaf area index and the number of panicles per unit area increased significantly, while the number of kernels per panicle, average net assimilation rate and grain weight decreased. At the same time, with the increase of yield level, the accumulation ratio of biomass and N, P, and K uptake decreased in pre-silking stage, and increased in post-silking stage. Therefore, under the condition of keeping functional parameters unchanged on the existing basis, optimizing structural parameters is an effective measure for current yield and efficiency increase, and with the increase of yield, more attention should be paid to structural optimization in post-silking stage.
Keywords：summer maize;yield gap;fertilizer utilization


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本文引用格式
王洪章, 刘鹏, 贾绪存, 李静, 任昊, 董树亭, 张吉旺, 赵斌. 不同栽培管理条件下夏玉米产量与肥料利用效率的差异解析[J]. 作物学报, 2019, 45(10): 1544-1553. doi:10.3724/SP.J.1006.2019.93002
WANG Hong-Zhang, LIU Peng, JIA Xu-Cun, LI Jing, REN Hao, DONG Shu-Ting, ZHANG Ji-Wang, ZHAO Bin. Analysis of differences in summer maize yield and fertilizer use efficiency under different cultivation managements[J]. Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(10): 1544-1553. doi:10.3724/SP.J.1006.2019.93002


玉米为我国第一大粮食作物, 在国家粮食安全中占重要地位。在当今人口迅速增长、农业用地与其他用途土地竞争日益严峻的大背景下, 粮食总产再增加只能依靠单产的增加^[1]。1980—2015年, 山东省夏玉米平均单产由3.85 t hm^-2增加到6.46 t hm^-2, 增长67.8%, 但仅实现了当地气候生产潜力的22.75%, 与高产记录产量之间仍有14.58 t hm^-2的产量差距^[2]。同时, 我国玉米田当季氮、磷和钾肥的利用率只有30%~35%、10%~25%和35%~50%, 远低于发达国家的50%~60%^[3]。近几十年产量的提升依赖于高产品种的选育和化肥的大量施用, 但由于产量和效率的不协调发展, 产量提升的同时肥料利用效率显著下降^[4,5]。众多****认为, 华北平原夏玉米的最佳种植密度为80,000~120,000株 hm^-2, 但实际的种植密度不足60,000株 hm^{-2 [6,7]}。不合理施用氮肥导致夏玉米生育前期的氮肥利用率只有10%左右, 通过氨挥发、反硝化和淋洗损失的氮肥超过270 kg N hm^{-2 [8,9,10,11,12]}。因此, 在缩减产量差、提高单产的同时还面临着提升肥料利用效率的巨大挑战。近年来研究发现肥料运筹、种植密度、土壤条件以及其他的农业管理均可以缩减产量差距、提升肥料利用效率^[13,14,15]。通过优化施肥, 能够在提高氮素利用效率的同时增加产量13%~15%^[16]。高产试验中对最佳种植密度、均衡施肥和田间管理进一步优化, 在保证肥料利用效率的前提下, 产量甚至可以达到15 t hm^{-2 [17]}。因此, 需要更多关注实现高效可持续生产。通过量化夏玉米不同产量层次之间的产量差、效率差, 明确二者之间的关系, 探明缩小产量差、效率差的有效途径, 对于提高产量和资源利用效率具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 试验概况

田间试验于2017—2018年在山东省泰安市岱岳区马庄镇(35°58′41″N, 116°58′22″E, 海拔85 m)、淄博市桓台县果里镇(36°24′15″N, 118°0′7″E, 海拔24 m)和烟台市莱州市西由镇(37°21′10″N, 119°57′5″E, 海拔6 m)进行。三试验点均为温带大陆性季风气候, 生育期间积温、辐射量及降雨量详见表1。作物种植体系为冬小麦/夏玉米一年两熟, 于小麦收获后深耕(25 cm)灭茬, 耙耱整平, 播种。室内试验在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。

Table 1
表1
表1试验期间生育进程及生育期气象因子
Table 1Growth stage and meteorological factors during the experiment

年份 Year	地点 Site	播种日期 Sowing date (month/day)	收获日期 Harvest date (month/day)	生育期天数 Total days (d)	≥10℃有效积温 Accumulated temperature (℃)	光合有效辐射量 Radiation (MJ m-2)	降雨量 Rainfall (mm)
2017	泰安Tai’an	6/12	10/06	116	1788.8	1102.8	427.5
	淄博Zibo	6/12	9/29	109	1778.9	991.5	244.4
	烟台Yantai	6/20	10/06	108	1722.5	1067.4	420.8
2018	泰安Tai’an	6/12	10/06	116	1833.3	1175.8	515.4
	淄博Zibo	6/13	10/01	110	1875.6	1165.2	632.8
	烟台Yantai	6/20	10/08	110	1742.5	1177.5	449.1

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1.2 试验设计

供试品种为登海605, 在同一地块结合不同地区高产攻关经验, 制定超高产栽培模式, 模拟超高产水平(SH); 由当地农户进行田间管理, 并详细记录栽培管理措施及水、肥、农药等的投入情况来设置农户栽培模式模拟农户生产水平(FP); 结合生产调研与专家意见, 对农户栽培模式在种植密度、肥料用量和施肥方式上进行优化, 设置高产高效栽培模式, 模拟高产高效生产水平(HH)。并分别设置不施氮(SHN₀、HHN₀、FPN₀)、不施磷(SHP₀、HHP₀、FPP₀)和不施钾(SHK₀、HHK₀、FPK₀)的肥料空白处理用于计算肥料利用效率, 种植密度和肥料运筹详见表2。所用氮肥分别为包膜缓控尿素(PU, 含N 42%)和普通尿素(U, 含N 46%), 所用磷肥和钾肥分别为过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)和硫酸钾(含K₂O 51%), 有机肥料为商品有机肥[含有机碳(干基) 304 g kg^-1、P₂O₅ 31.2 g kg^-1、K₂O 30.4 g kg^-1、C/N为11.2], 依其含量计算肥料用量。采取随机区组试验设计, 各产量水平小区面积为300 m², 肥料空白试验区设置100 m², 3次重复。各小区之间设立1.5 m的缓冲带。生长期根据土壤墒情采用微喷带统一灌溉, 遇涝及时排水。按正常田间管理进行良好的病虫害防治。

Table 2
表2
表2各处理的种植密度及肥料运筹
Table 2Plant density and application of fertilizer in different treatments

处理 Treatment	种植密度 Plant density (plant hm-2)	目标产量 Target yield (kg hm-2)	肥料种类 Fertilizer	用量 Rate (kg hm-2)	比例 Percentage
					播种期 Sowing	大喇叭口期 Bell stage	开花期 Flowering stage	乳熟期 Milking stage
SH	82500	18000	有机肥OF	7500	100%	—	—	—
			N	540	30%PU+10%U	30%U	20%U	10%U
			P2O5	180	100%	—	—	—
			K2O	360	75%	—	25%	—
HH	82500	15000	有机肥OF	7500	100%
			N	375	30%PU+10%U	30%U	20%U	10%U
			P2O5	150	100%	—	—	—
			K2O	300	75%	—	25%	—
FP	67500	—	N	208.5	100%	—	—	—
			P2O5	120	100%	—	—	—
			K2O	112.5	100%	—	—	—

SH: super-high production level; HH: high production and high-efficiency production level; FP: farmer production level; OF: organic fertilizer; PU: coated membrane controlled urea; U: ordinary urea.
SH: 超高产生产水平; HH: 高产高效生产水平; FP: 农户生产水平; PU: 包膜缓控尿素; U: 普通尿素。

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1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部生物量的测定 于吐丝期和成熟期选取每个处理长势一致的植株5株, 按茎秆、叶片、籽粒、雄穗、苞叶、穗轴分开, 105℃下杀青30 min, 80℃烘至恒重, 称干重并计算群体干物质积累量。

1.3.2 产量测定及产量差计算 根据经验模型, 参照赖荣生等^[18]、刘江等^[19]提出的参数及莱亨泊温度修订系数^[18]计算光温生产潜力产量(Y_RT)。于成熟期随机选取每个处理3个9 m² (5.0 m×1.8 m)的小区, 将果穗全部收获, 考种并计算产量。分别得到超高产水平产量(Y_SH)、高产高效水平产量(Y_HH)和农户水平产量(Y_FP)用于产量差(YG)的计算。产量差I (YG_I, %) = (Y_RT-Y_SH)/Y_RT×100; 产量差II (YG_II, %) = (Y_RT-Y_HH)/Y_RT×100; 产量差III (YG_III, %) = (Y_RT-Y_FP)/ Y_RT×100。

1.3.3 产量性能方程参数计算 在全生育期间选取长势一致的植株5株, 分别于大喇叭口期、吐丝期、灌浆期、乳熟期和成熟期定株测定5次叶面积, 并参照张宾等^[20]方法计算产量性能方程参数, 求出玉米的全生育期平均叶面积指数(MLAI)和平均净同化率(MNAR)。MLAI×D×MNAR×HI = EN×GN×GW, 其中MLAI为全生育期平均叶面积指数, D为生育期天数, MNAR为平均净同化率, HI为收获指数, EN为穗数, GN为穗粒数, GW为粒重。并参照赵明等^[21]分类方法将主要引起群体结构性变化的数量性状MLAI、EN和GN归纳为结构性参数, 将主要引起个体功能改变的质量性状MNAR、HI和GW归纳为功能性参数。

1.3.4 植株N、P、K含量的测定 将植株干样粉碎过筛后用浓H₂SO₄-H₂O₂消煮, 采用 BRAN+LUEBBE AA3 型连续流动分析仪测定N、P含量, 采用Sherwood M410 型火焰光度计测定K含量。

1.3.5 N、P、K肥料利用效率计算 氮肥农学利用率(kg kg^-1) = (施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量)/施纯氮量; 磷肥农学利用率(kg kg^-1) = (施磷区籽粒产量-无磷区籽粒产量)/施纯磷量; 钾肥农学利用率(kg kg^-1) = (施钾区籽粒产量-无钾区籽粒产量)/施纯钾量。

1.4 数据分析与作图

采用Microsoft Excel 2016处理数据; 采用DPS 16.05统计分析数据, 以LSD法检验差异显著性(α=0.05)。采用SigmaPlot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同产量层次夏玉米籽粒产量及产量差

由表3可见, 试验期间山东省夏玉米的Y_RT为18.12 t hm^-2, 各试验点平均Y_SH、Y_HH、Y_FP分别为12.27、11.45、9.56 t hm^-2。产量水平差距明显, Y_SH、Y_HH和Y_FP与Y_RT之间分别存在31.87%、36.29%和46.78%的产量差距。SH和HH能有效缩小产量差距, 平均Y_SH和Y_HH较Y_FP产量分别提高28.35%和19.77%。其中, 2017年泰安、淄博、烟台试验点的Y_SH和Y_HH较Y_FP分别提高23.37%、23.16%、21.73%和13.34%、16.53%、20.91%; 2018年泰安、淄博、烟台试验点的Y_SH和Y_HH较Y_FP产量分别提升43.20%、31.14%、29.81%和29.49%、19.98%、19.87%。

Table 3
表3
表3不同产量层次夏玉米产量及各级产量差
Table 3Yield and yield gap at different yield levels

年份 Year	地点 Site	产量 Yield (t hm-2)					产量差 Yield gap (%)
		YRT	YSH	YHH	YFP		YGI	YGII	YGIII
2017	泰安Tai’an	17.71	12.30 a	11.30 b	9.97 c		30.55	36.19	43.70
	淄博Zibo	16.78	12.07 a	11.42 b	9.80 c		28.07	31.94	41.60
	烟台Yantai	15.84	11.99 a	11.91 a	9.85 b		24.31	24.81	37.82
2018	泰安Tai’an	19.06	12.53 a	11.33 b	8.75 c		34.26	40.56	54.09
	淄博Zibo	20.25	12.34 a	11.29 b	9.41 c		39.06	44.25	53.53
	烟台Yantai	19.09	12.41 a	11.46 b	9.56 c		34.99	39.97	49.92
平均Average		18.12	12.27 a	11.45 b	9.56 c		31.87	36.29	46.78

Y_RT: light temperature production potential yield; Y_SH: super high yield level yield; Y_HH: high yield and high efficiency level yield; Y_FP: farmers’ level yield; YG_I: yield gap I; YG_II: yield gap II; YG_III: yield gap III. Values followed by different letters with in a row are significantly different between treatments at P < 0.05.
Y_RT: 光温生产潜力产量; Y_SH: 超高产水平产量; Y_HH: 高产高效水平产量; Y_FP: 农户水平产量; YG_I: 产量差I; YG_II: 产量差II; YG_III: 产量差III。同行数据后不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。

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2.2 不同产量层次夏玉米群体生物量的差异

由图1可见, 试验期间不同产量水平夏玉米吐丝前、吐丝后和全生育期地上部生物积累量均表现为SH>HH>FP。2017年, SH的吐丝前、吐丝后和全生育期生物积累量较FP在泰安、淄博、烟台试验点分别提高8.80%、14.71%、16.45%, 31.70%、28.55%、3.55%和22.36%、23.00%、23.42%; HH吐丝前、吐丝后和全生育期生物积累量较FP在泰安、淄博、烟台试验点分别提高了5.83%、11.51%、13.77%, 15.15%、20.06%、1.29%和11.35%、16.63%、16.15%。2018年趋势与之一致, SH较FP的提高幅度分别为10.02%、14.25%、12.44%, 30.26%、29.46%、28.02%和22.05%、23.31%、21.65%; HH较FP的提高幅度分别为7.99%、6.24%、4.53%, 23.36%、19.86%、16.51%和12.17%、14.35%、11.61%。

图1

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图1不同产量层次夏玉米的地上部生物量的差异

SH: 超高产水平; HH: 高产高效水平; FP: 农户生产水平。
Fig. 1Biomass of summer maize at different yield levels

SH: super-high production level; HH: high production and high-efficiency production level; FP: farmer production level.

2.3 不同产量层次夏玉米吐丝前、吐丝后物质积累比例与产量水平之间的关系

由图2可见, 随着产量水平的提升, 吐丝后干物质积累比例呈现增高的趋势。SH、HH和FP的吐丝后干物质积累量占比分别为63.02%、61.98%和59.78%, SH和HH较FP分别增加了5.43%和3.68%。

图2

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图2不同产量层次夏玉米吐丝前、吐丝后干物质积累占比与产量之间的关系

缩写同图1。
Fig. 2Relationship of biomass percentage between per-silking and post-silking with yield under different yield levels

Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2.4 不同产量层次夏玉米产量性能方程参数的差异

由表4可见, 不同产量层次夏玉米的结构性参数差异较大, 而功能性参数差异较小。结构性参数当中, SH、HH的平均MLAI和EN较FP增加17.55%、10.08%和19.51%、14.03%, 平均GN较FP降低8.24%和9.79%。功能性参数当中, SH、HH的平均MNAR和GW较FP下降11.67%、13.11%和1.69%、1.59%。

Table 4
表4
表4不同产量层次夏玉米产量性能方程参数的差异
Table 4Differences in parameters of yield performance equation of summer maize under different yield levels

年份 Year	产量水平 Yield level	结构性参数Structural parameter				功能性参数Functional parameter
		MLAI	EN (×104 hm-2)	GN		MNAR (g m-2 d-1)	HI	GW (g)
2017	SH	3.69 a	7.93 a	501.30 b		6.69 b	0.51 a	370.16 b
	HH	3.51 b	7.61 a	502.97 b		6.77 b	0.51 a	366.66 b
	FP	3.00 c	6.76 b	557.40 a		8.38 a	0.50 a	383.32 a
2018	SH	3.47 a	7.84 a	524.40 b		7.23 b	0.53 a	371.36 a
	HH	3.28 b	7.46 a	506.00 c		6.92 c	0.53 a	370.52 a
	FP	3.01 c	6.44 b	563.47 a		7.49 a	0.53 a	379.31 a
平均 Average	SH	3.45	7.93	516.20		7.85	0.51	377.38
	HH	3.23	7.57	507.50		7.72	0.52	377.76
	FP	2.94	6.64	562.57		8.88	0.50	383.86

MLAI: mean leaf area index; EN: ear number; GN: grain number; MNAR: mean net assimilation rate; HI: harvest index; GW: grain weight. Values followed by different letters with in a column are significantly different between treatments at P < 0.05. Other abbreviations are the same as those given in Table 2.
MLAI: 平均叶面积指数; EN: 穗数; GN: 穗粒数; MNAR: 平均净同化率; HI: 收获指数; GW: 粒重。同列数据后不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。其他缩写同表2。

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2.5 不同产量层次夏玉米N、P、K元素积累量的差异

以泰安试验点为例(图3), 不同产量层次夏玉米的地上部N、P、K元素积累量有明显差异, 总体趋势表现为SH>HH>FP。2017年, SH吐丝期和成熟期的地上部N、P、K元素积累量较HH分别增加6.76%、8.05%、3.02%和9.97%、10.37%、4.11%, 较FP分别增加15.94%、16.38%、11.56%和29.38%、29.35%、22.35%。2018年趋势与之一致, 增加幅度分别为1.86%、6.86%、0.97%和3.49%、8.81%、4.53%, 13.81%、16.11%、11.12%和20.63%、19.68%、37.08%。且随着产量水平的提高, 吐丝后养分积累比例呈增加趋势, 2017年, SH的吐丝后氮素积累比例较HH和FP分别增加了8.86%、45.78%, 吐丝后磷素积累比例较HH和FP分别增加了1.45%、8.03%, 吐丝后钾素积累比例较HH和FP分别增加2.34%、26.63%。2018年趋势与之一致, 增幅分别为2.64%、10.67%, 1.17%、1.98%, 8.29%、102.57%。

图3

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图3不同产量层次夏玉米地上部N、P、K元素积累量的差异

图中不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。缩写同图1。
Fig. 3N, P, K uptake of summer maize under different yield levels

Bars superscripted by different small letters are significantly different between treatments at P < 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2.6 不同产量层次夏玉米N、P、K肥料利用效率的差异

由图4可见, 不同产量水平夏玉米的N、P、K肥料利用效率差异显著, 总体表现为HH>FP>SH。HH、FP和SH的氮肥农学利用率分别为6.64、4.23和3.84 kg kg^-1, HH的氮肥农学利用率较FP和SH分别提高了56.81%和72.79%。其中2017年HH的氮肥农学利用率较FP和SH在泰安、淄博、烟台试验点分别提高了20.11%、61.40%、58.62%和29.94%、66.80%、84.71%; 2018年分别提高了88.91%、66.60%、51.40%和90.71%、83.55%、87.13%。

图4

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图4不同产量层次夏玉米肥料利用效率的差异

图中不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。缩写同图1。
Fig. 4Fertilizer use efficiency of summer maize at different yield levels

Bars superscripted by different small letters are significantly different between treatments at P < 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.


HH、FP和SH处理的磷肥农学利用率分别为10.10、5.83和4.64 kg kg^-1, HH的磷肥农学利用率较FP和SH分别提高了73.15%和117.66%。其中2017年HH的磷肥农学利用率较FP和SH在泰安、淄博、烟台试验点分别提高了65.73%、49.87%、68.04%和89.82%、61.38%、97.03%; 2018年分别提高了137.40%、34.92%、109.51%和217.41%、156.28%、134.75%。

HH、FP和SH的钾肥农学利用率分别为5.61、4.94和2.97 kg kg^-1, HH的钾肥农学利用率较FP和SH分别提高了13.66%和89.29%。其中2017年HH的钾肥农学利用率较FP和SH在泰安、淄博、烟台试验点分别提高了10.82%、6.98%、39.29%和49.14%、68.58%、97.64%; 2018年分别提高了4.85%、4.56%、23.67%和65.23%、179.82%、121.09%。

2.7 不同产量层次夏玉米肥料利用效率与产量水平之间的关系

由图5可见, 在当前生产中随着产量水平的提高, N、P、K肥的利用效率均出现降低的趋势, 其中K肥利用效率下降幅度最大, 其次是P肥, N肥的利用效率降低幅度最小。而HH显著提高了N、P、K肥的肥料利用效率, 在相应的产量水平下, HH能分别提升N、P、K的肥料利用效率67.07%、101.35%和57.65%。

图5

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图5不同产量层次夏玉米产量与肥料利用效率的关系

缩写同图1。
Fig. 5Relationship between yield of summer maize and fertilizer use efficiency under different yield levels

Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

3 讨论

在粮食需求迅速增加、农业用地日益紧张的背景下, 增加粮食产量只能依靠提升现有耕地的生产能力^[1,22]。自1949年至2015年, 我国夏玉米单产由0.96 t hm^-2增加到5.89 t hm^-2, 增幅达到了515.54%。另外, 随着品种及栽培水平的不断提高, 各地陆续创造出一系列的高产记录。2005—2014年, 山东省多地夏玉米高产田块产量曾突破20 t hm^{-2 [23]}, 但多年山东省平均产量只有6.36 t hm^-2, 不足记录产量的1/3。可见, 产量差距已经成为解决粮食单产增加的重大阻碍。本试验研究发现, 山东省玉米的Y_RT达到了18.12 t hm^-2, 当前农户生产仅实现了53.22%的产量潜力, 仍存在46.78%的产量差距。在众多生产潜力的研究中, 常把区域内潜在生产力的80%作为当前可获得产量的上限, 另外20%的产量差距在短时间内难以消除, 对农户生产而言也无利可图^[24,25]。而超高产栽培和高产高效栽培作为今后的必由之路, 缩差效果显著, 可以缩减产量差距14.91%和10.49%。但由于高温等恶劣天气的影响, SH的产量远低于预估产量。Y_SH仅为Y_RT的68%左右, 这提示我们如何去优化农业栽培措施来应对不良环境因子, 同样是当前产量差缩减过程中至关重要的一环。

除产量差外, 当前不同产量水平之间的肥料利用效率同样需要提升。一方面是高产高投入, 当前高产田的平均氮肥投入为747 kg hm^-2, 有的田块甚至达到1100 kg hm^{-2 [26]}, 这在增产的同时降低资源利用效率, 增大了环境的压力^[27,28]。另一方面, 小农户生产作为我国的主要生产模式, 其生产投入和生产水平极易受到粮食价格和生产资料价格等社会因素的影响, 而出现重效益轻效率的现象^[29,30]。本研究发现, SH的N、P、K肥料农学利用率只有3.84、4.64和2.97 kg kg^-1, 肥料的当季利用率极低。FP生产相对于SH有较高的N、P、K肥利用率, 但“一次性施肥”的施肥模式加大了肥料资源的损失。该生产模式虽然能有效地减轻劳动力投入, 但产量难以保证, 肥料利用率仍有较大的提升空间。因此, 以更低的代价去获得更高的产量应该得到人们的广泛认可^[31]。本研究发现, HH栽培相对于FP栽培能够在缩减产量差距10.49%的同时, 提高FP的N、P、K肥农学利用率56.81%、73.15%、13.66%; 能够在实现SH产量93.32%的情况下, 提高SH的N、P、K肥农学利用率72.79%、117.66%、89.29%。由此可见, HH栽培是产量与肥料利用效率协同提升的有效生产方式。

作物的产量差有众多影响因素。前人研究认为, 气候、品种和栽培措施对于产量差的贡献率分别为31.5%、19.8%和45%~70%^[32,33,34]。气候属于不可控因子, 在现有资源的基础上, 通过优化栽培措施缩减产量差距却现实可行^[15,35]。赵明等^[21]通过产量性能分析研究发现, 在当前玉米产量差距缩减过程中, 结构性参数仍起主导作用, 而功能性参数将会在未来产量突破方面起重大作用。李少昆等^[36]也指出当前适度增密结合合理的肥水调控是高产高效生产的有效途径。本研究发现, 随着产量水平的提升, 夏玉米地上部生物量和地上部N、P、K吐丝后积累比例呈增大的趋势。同时, 在收获指数无显著差异的情况下, SH和HH高产夏玉米群体有较高的平均叶面积指数、生物量以及收获穗数。因此, 着重加强吐丝后的田间管理, 进一步提高生育后期的叶面积和物质积累是获得高产的关键。而如何稳定或提升高产玉米群体的平均净同化率可能是下一步产量提升的突破口。

4 结论

当前山东省夏玉米平均超高产水平、高产高效水平和农户生产水平的产量为12.27、11.45和9.56 t hm^-2, 分别实现了光温潜力生产水平的68.13%、63.71%和53.22%。通过优化栽培措施, 超高产水平和农户生产水平的N、P、K肥料利用率分别有72.79%、117.66%、89.29%和56.81%、73.15%、13.66%的提升空间。高产高效管理模式能够在缩小产量差距10.49%的同时提高肥料利用效率57.65%~ 101.35%, 是实现产量与肥料利用效率协同提升的有效技术途径。在保持功能性参数在现有基础上不降低的情况下, 优化结构性参数仍是当前产量与资源利用效率协同提升的有效措施, 且应更加注重吐丝后的结构性能优化。

参考文献 View Option 原文顺序
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被引期刊影响因子

[1] Cassman K G . Ecological intensification of cereal production systems: Yield potential, soil quality, and precision agriculture
Proc Natl Acad Sci USA, 1999,96:5952-5959.
[本文引用: 2]

[2] 王庆成, 柴兰高, 李宗新, 刘霞 . 山东省玉米的生产现状与发展策略
玉米科学, 2006,14(5):159-162.
[本文引用: 1]

Wang Q C, Chai L G, Li Z X, Liu X . Current status and development strategies of maize production in Shandong province
J Maize Sci, 2006,14(5):159-162 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[3] 张福锁, 王激清, 张卫峰, 崔振岭, 马文奇, 陈新平, 江荣风 . 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径
土壤学报, 2008,45:915-924.
[本文引用: 1]

Zhang F S, Wang J Q, Zhang W F, Cui Z L, Ma W Q, Chen X P, Jiang R F . Current status and improvement of fertilizer utilization rate of main grain crops in China
Acta Pedol Sin, 2008,45:915-924 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[4] Yu Y, Huang Y, Zhang W . Changes in rice yields in China since 1980 associated with cultivar improvement, climate and crop management
Field Crops Res, 2012,136:65-75.
[本文引用: 1]

[5] Prem S, B, Christian D, Latha N, Amit R, Rudy R . Revisiting fertilisers and fertilisation strategies for improved nutrient uptake by plants
Biol Fert Soils, 2015,51:897-911.
[本文引用: 1]

[6] 刘伟, 吕鹏, 苏凯, 杨今胜, 张吉旺, 董树亭, 刘鹏, 孙庆泉 . 种植密度对夏玉米产量和源库特性的影响
应用生态学报, 2010,21:1737-1743.
[本文引用: 1]

Liu W, Lyu P, Su K, Yang J S, Zhang J W, Dong S T, Liu P, Sun Q Q . Effects of planting density on the grain yield and source-sink characteristics of summer maize
Chin J Appl Ecol, 2010,21:1737-1743 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[7] 陈国平, 杨国航, 赵明, 王立春, 王友德, 薛吉全, 高聚林, 李登海, 董树亭, 李潮海, 宋慧欣, 赵久然 . 玉米小面积超高产创建及配套栽培技术研究
玉米科学, 2008,16(4):1-4.
[本文引用: 1]

Chen G P, Yang G H, Zhao M, Wang L C, Wang Y D, Xue J Q, Gao J L, Li D H, Dong S T, Li C H, Song H X, Zhao J R . Studies on maize small area super-high yield trails and cultivation technique
J Maize Sci, 2008,16(4):1-4 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[8] 王启现, 王璞, 申丽霞, 王秀玲, 张红芳, 翟志席 . 施氮时期对玉米土壤硝态氮含量变化及氮盈亏的影响
生态学报, 2004,24:1582-1588.
[本文引用: 1]

Wang Q X, Wang P, Shen L X, Wang X L, Zhang H F, Zhai Z X . Effect of nitrogen application time on dynamics of nitrate content and apparent nitrogen budget in the soil of summer maize fields
Acta Ecol Sin, 2004,24:1582-1588 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[9] 吴永成, 周顺利, 王志敏, 罗延庆 . 华北地区夏玉米土壤硝态氮的时空动态与残留
生态学报, 2005,25:1620-1625.
[本文引用: 1]

Wu Y C, Zhou S L, Wang Z M, Luo Y Q . Dyanmics and residue of soil nitrate in summer maize field of North China
Acta Ecol Sin, 2005,25:1620-1625 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[10] Fang Q X, Yu Q, Wang E L, Chen Y H, Zhang G L, Wang J, Li L H . Soil nitrate accumulation, leaching and crop nitrogen use as influenced by fertilization and irrigation in an intensive wheat- maize double cropping system in the North China Plain
Plant Soil, 2006,284:335-350.
[本文引用: 1]

[11] Ju X T, Kou C L, Zhang F S, Christie P . Nitrogen balance and groundwater nitrate contamination: Comparison among three intensive cropping systems on the North China Plain
Environ Pollut, 2006,143:117-125.
[本文引用: 1]

[12] 赵荣芳, 陈新平, 张福锁 . 华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系的氮素循环与平衡
土壤学报, 2009,46:684-697.
[本文引用: 1]

Zhao R F, Chen X P, Zhang F S . Nitrogen cycling and balance in winter-wheat-summer-maize rotation system in Northern China Plain
Acta Pedol Sin, 2009,46:684-697 (in Chinese).
[本文引用: 1]

[13] Bai H Z, Tao F L . Sustainable intensification options to improve yield potential and eco-efficiency for rice-wheat rotation system in China
Field Crops Res, 2017,211:89-105.
[本文引用: 1]

[14] Cui Z L, Wang G L, Yue S C, Wu L, Zhang W F, Zhang F S, Chen X P . Closing the N-use efficiency gap to achieve food and environmental security
Environ Sci Technol, 2014,48:5780.
[本文引用: 1]

[15] Liu Z J, Yang X G, Lin X M, Hubbard K G, Lyu S, Wang J . Maize yield gaps caused by non-controllable, agronomic, and socioeconomic factors in a changing climate of northeast China
Sci Total Environ, 2016,541:756-764.
[本文引用: 2]

[16] Zhou B Y, Sun X F, Ding Z S, Ma W, Zhao M . Multisplit nitrogen application via drip irrigation improves maize grain yield and nitrogen use efficiency
Crop Sci, 2017,57:1687-1703.
[本文引用: 1]

[17] Jin L B, Cui H Y, Li B, Zhang J W, Dong S T, Liu P . Effects of integrated agronomic management practices on yield and nitrogen efficiency of summer maize in North China
Field Crops Res, 2012,134:30-35.
[本文引用: 1]

[18] 赖荣生, 余海龙, 黄菊莹 . 作物气候生产潜力计算模型研究述评
江苏农业科学, 2014,42(5):11-14.
[本文引用: 2]

Lai R S, Yu H L, Huang J Y . Review on the calculation model of crop climate production potential
Jiangsu Agric Sci, 2014,42(5):11-14 (in Chinese).
[本文引用: 2]

[19] 刘江, 潘宇弘, 王平华, 李一鸣, 金磊, 温永菁, 高淑新 . 1966-2015年辽宁省玉米气候生产潜力的时空特征
生态学杂志, 2018,37:3396-3406.
[本文引用: 1]

Liu J, Pan Y H, Wang P H, Li Y M, Jin L, Wen Y J, Gao S X . Spatial and temporal characteristics of climatic potential productivity of maize in Liaoning Province from 1966 to 2015
Chin J Ecol, 2018,37:3396-3406 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[20] 张宾, 赵明, 董志强, 陈传永, 孙锐 . 作物产量“三合结构”定量表达及高产分析
作物学报, 2007,33:1674-1681.
[本文引用: 1]

Zhang B, Zhao M, Dong Z Q, Chen C Y, Sun R . “Three combination structure” quantitative expression and high yield analysis in crops
Acta Agron Sin, 2007,33:1674-1681 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[21] 赵明, 李建国, 张宾, 董志强, 王美云 . 论作物高产挖潜的补偿机制
作物学报, 2006,32:1566-1573.
[本文引用: 2]

Zhao M, Li J G, Zhang B, Dong Z Q, Wang M Y . The compensatory mechanism in exploring crop production potential
Acta Agron Sin, 2006,32:1566-1573 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 2]

[22] Godfray H C, Beddington J R, Crute I R, Haddad L, Lawrence D, Muir J F, Pretty J, Robinson S, Thomas S M, Toulmin C . Food security: the challenge of feeding 9 billion people
Science, 2010,327(5967):812.
[本文引用: 1]

[23] 李少昆, 赵久然, 董树亭, 赵明, 李潮海, 崔彦宏, 刘永红, 高聚林, 薛吉全, 王立春, 王璞, 陆卫平, 王俊河, 杨祁峰, 王子明 . 中国玉米栽培研究进展与展望
中国农业科学, 2017,50:1941-1959.
[本文引用: 1]

Li S K, Zhao J R, Dong S T, Zhao M, Li C H, Cui Y H, Liu Y H, Gao J L, Xue J Q, Wang L C, Wang P, Lu W P, Wang J H, Yang Q F, Wang Z M . Advances and prospects of maize cultivation in China
Sci Agric Sin, 2017,50:1941-1959 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[24] Cassman K G, Dobermann A, Walters D T, Yang H S . Meeting cereal demand while protecting natural resources and improving environmental quality
Annu Rev Environ Resour, 2003,28:315-358.
[本文引用: 1]

[25] Lobell D B, Cassman K G, Field C B . Crop yield gaps: their importance, magnitudes, and causes
Annu Rev Environ Resour, 2009,34:179-204.
[本文引用: 1]

[26] 陈国平, 高聚林, 赵明, 董树亭, 李少昆, 杨祁峰, 刘永红, 王立春, 薛吉全, 柳京国, 李潮海, 王永宏, 王友德, 宋慧欣, 赵久然 . 近年我国玉米超高产田的分布、产量构成及关键技术
作物学报, 2012,38:80-85.
[本文引用: 1]

Chen G P, Gao J L, Zhao M, Dong S T, Li S K, Yang Q F, Liu Y H, Wang L C, Xue J Q, Liu J G, Li C H, Wang Y H, Wang Y D, Song H X, Zhao J R . Distribution, yield structure, and key cultural techniques of maize super-high yield plots in recent years
Acta Agron Sin, 2012,38:80-85 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[27] Tilman D, Balzer C, Hill J, Befort B L . Global food demand and the sustainable intensification of agriculture
Proc Natl Acad Sci USA, 2011,108:20260.
[本文引用: 1]

[28] Tilman D, Cassman K G, Matson P A, Naylor R, Polasky S . Agricultural sustainability and intensive production practices
Nature, 2002,418:671-677.
[本文引用: 1]

[29] Zhang W, Cao G, Li X, Zhang H Y, Wang C, Liu Q Q, Chen X P, Cui Z L, Shen J B, Jiang R F, Mi G H, Miao Y X, Zhang F S, Dou Z X . Closing yield gaps in China by empowering smallholder farmers
Nature, 2016,537:671.
[本文引用: 1]

[30] Shen J B, Cui Z L, Miao Y X, Mi G H, Zhang H Y, Fan M S, Zhang C C, Jiang R F, Zhang W F, Li H G, Chen X P, Li X L, Zhang F S . Transforming agriculture in China: From solely high yield to both high yield and high resource use efficiency
Global Food Security, 2013,2:1-8.
[本文引用: 1]

[31] Chen X P, Cui Z L, Fan M S, Vitousek P, Zhao M, Ma W Q, Wang Z L, Zhang W J, Yan X Y, Yang J C, Deng X P, Gao Q, Zhang Q, Guo S W, Ren J, Li S Q, Ye Y L, Wang Z H, Huang J L, Tang Q Y, Sun Y X, Peng X L, Zhang J W, He M R, Zhu Y J, Xue J Q, Wang G L, Wu L, An N, Wu L Q, Ma L, Zhang W F, Zhang F S . Producing more grain with lower environmental costs
Nature, 2014,514:486-489.
[本文引用: 1]

[32] 孙宏勇, 张喜英, 陈素英, 王彦梅, 邵立威, 高丽娜 . 气象因子变化对华北平原夏玉米产量的影响
中国农业气象, 2009,30:215-218.
[本文引用: 1]

Sun H Y, Zhang X Y, Chen S Y, Wang Y M, Shao L W, Gao L N . Effect of meteorological factors on grain yield of summer maize in the North China Plain
Chin J Agrometeorol, 2009,30:215-218 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[33] 刘淑云, 董树亭, 胡昌浩, 白萍, 吕新 . 玉米产量和品质与生态环境的关系
作物学报, 2005,31:571-576.
[本文引用: 1]

Liu S Y, Dong S T, Hu C H, Bai P, Lyu X . Relationship between ecological environment and maize yield and quality
Acta Agron Sin, 2005,31:571-576 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]

[34] Mueller N D, Gerber J S, Johnston M, Ray D K, Ramankutty N, Foley J A . Closing yield gaps through nutrient and water management
Nature, 2013,494:390-390.
[本文引用: 1]

[35] Foley J A, Ramankutty N, Brauman K A, Cassidy E S, Gerber G S, Johnston M, Mueller N D, O’Connell C, Ray D K, West P C, Balzer C, Bennett E M, Carpenter S R, Hill J, Monfreda C, Polasky S, Rockstr?m J, Sheehan J, Siebert S, Tilman D, Zaks D P M. Solutions for a cultivated planet
Nature, 2011,478:337-342.
[本文引用: 1]

[36] 李少昆, 王克如, 谢瑞芝, 侯鹏, 明博, 杨小霞, 韩冬生, 王玉华 . 实施密植高产机械化生产实现玉米高产高效协同
作物杂志, 2016, ( 4):1-6.
[本文引用: 1]

Li S K, Wang K R, Xie R Z, Hou P, Ming B, Yang X X, Han D S, Wang Y H . Implement dense planting and high-yield mechanized production to achieve high yield and high efficiency of corn
Crops, 2016, ( 4):1-6 (in Chinese with English abstract).
[本文引用: 1]