灌浆期控水和施用控释肥对杂交玉米制种产量和种子质量的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

任利沙, 顾日良, 贾光耀, 田开新, 施秀德, 王建华. 灌浆期控水和施用控释肥对杂交玉米制种产量和种子质量的影响[J]. , 2016, 49(16): 3108-3118 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.16.005
REN Li-sha, GU Ri-liang, JIA Guang-yao, TIAN Kai-xin, SHI Xiu-de, WANG Jian-hua. Effects of Water Management and Controlled-Release Fertilizer on Seed Yield and Seed Quality of Maize (Zea mays L.)[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(16): 3108-3118 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.16.005

0 引言

【研究意义】水分和肥料是限制作物生长最重要的2个因子。研究水肥协同方式对种子成熟、质量及产量的影响,可为中国玉米高质高效生产制种提供理论和技术支撑,具有重要的理论和实践双重意义。【前人研究进展】玉米是中国种植面积与总产量均为第一的作物,每年消耗约9×10⁸ kg杂交种子^[1]。甘肃省河西地区土壤肥沃,光照充足,且具有完备的灌溉条件,是中国重要的玉米种子生产基地^[2-4]。但长期以来河西地区玉米制种多采用大田生产的粗放技术,片面追求产量,而忽视了种子质量^[5-7]。樊廷录等^[8]、李凤英等^[9]研究表明,玉米灌浆到成熟期适度控水有利于节水增产并提高种子活力。控释肥具有养分释放与作物吸收同步进行的特点,樊小林等^[10-11]研究发现,施用控释氮肥可减少氮素挥发、淋溶和被固定,在减轻环境污染的同时提高氮肥利用效率、增加作物产量。李伟等^[12]、衣文平等^[13]研究发现,适当比例的控释肥与尿素配合施用,可以实现肥料间肥效的有效接力,减少肥料施用量和施肥次数,显著降低生产成本。【本研究切入点】虽然水肥在粮食生产中的节能增产效应已被广泛认可,但它们对玉米制种产量和质量影响的研究还未有报道。【拟解决的关键问题】本研究通过比较控释肥与传统复合肥、灌浆期控水和常规灌水的耕作方式对不同收获期玉米种子产量和活力性状的影响,明确京科968种子最适宜的收获时期及有效的水肥耕作方式,优化传统玉米制种生产中高肥水投入的栽培技术,为中国玉米制种高质高效生产提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

国审玉米品种京科968;控释肥为乐喜施缓释复合肥,N-P-K有效成分比为24-12-10。

1.2 试验设计

试验于2014和2015年在甘肃省张掖市甘州区进行。播种日期为2014年4月19日和2015年4月16日,采用“行比”加“满天星”的播种方式,父母本行比比例为1行父本与7行母本交替种植,行距：空沟55 cm,膜面50 cm,于膜两侧播种;株距：母本20 cm,“行比”时父本25 cm,“满天星”时父本80 cm。保苗75 000株/hm²。2014年7月23日和2015年7月18日,母本花丝长2 cm,父本散粉率60%,此时统一挂牌,视为授粉第一天。从授粉后44 d开始,每3天采集一次果穗,直至68 d,共采集9次。每次采收20个果穗,取部分籽粒用于测定含水量,其他果穗自然晾晒至籽粒水分降至安全水分（13%）后人工脱粒用于种子活力分析。
试验采用裂区设计,主区为水分处理,W1：常规灌水,W2：开花35 d后停止浇水。副区为施肥方式,N1：传统施肥,每亩底肥施尿素10 kg +64%磷酸二铵15 kg +锌肥2.5 kg;二水追肥施尿素20 kg +64%磷酸二铵15 kg +复合肥15 kg;抽雄后追肥施尿素25 kg。N2：控释肥处理,每亩施底肥乐喜施缓释复合肥60 kg+尿素10 kg+锌肥2.5 kg,不追肥。4次重复,共16个小区,小区面积为666.7 m²。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 籽粒水分每批样品中随机取5个果穗,去除苞叶后人工脱下中部位置籽粒^[14],称取（25.00±0.02）g籽粒于105℃烘箱中预烘30 min,取出,冷却,称重,计算失去的水分（S1）;再将半干样品磨碎,称取4.500—5.000 g于130℃烘箱中烘1 h,计算失去的水分（S2）。籽粒水分（%）=S1+S2-S1×S2/100^[15]。
1.3.2 百粒重玉米果穗经自然晾晒至安全水分（约13%）后脱粒,并测定此时的籽粒水分（实测水分）;然后数取100粒称重（实测百粒重）,计算出13%水分时的百粒重（g）=实测百粒重（g）×（1-实测水分）/（1-13%）。
1.3.3 产量通过测定每公顷的植株数、果穗数、穗粒数、百粒重进行计算,即产量（kg·hm^-2）=每公顷的植株数×每株果穗数×每穗粒数×百粒重/100000。
1.3.4 种子活力标准发芽率（standard germination,SG）测定：发芽纸在高压蒸汽灭菌锅中灭菌30 min,充分吸水饱和后备用。随机数取200粒种子,1.0%次氯酸钠消毒5 min,去离子水冲洗至无味。先铺2层发芽纸,用数种板在上面播50粒种子,再覆上一张,然后将纸疏松卷起,两端整平,竖直装入自封袋,4个重复,放入25℃光照培养箱中,7 d后统计发芽率（发芽率%=正常幼苗数/供试种子总数）。
人工加速老化（accelerated aging,AA）测定：随机数取200粒种子放入老化盒中,置于温度45℃和湿度100%的老化箱中,72 h后取出再按照SG的步骤测定老化后种子的发芽率。
种子电导率（electric conductivity,EC）测定：数取种子50粒,准确称重W克,去离子水冲洗3次,滤纸吸干表面水分,装入500 mL烧杯中,再加入250 mL去离子水;确保所有种子完全浸没,用FE30电导率仪测定初始电导率（d1）,作为空白对照;20℃静置24 h,然后轻微摇晃烧杯10—15 s,马上测定溶液的浸出液电导率（d2）,种子的电导率EC=（d2-d1）/W^[15]。
1.3.5 经济效益根据调查,玉米杂交种平均售价是60元/袋（5 000粒）,毛收入（元/hm²）=粒数产量/ 5 000×60。肥料成本：尿素1 550元/t、磷酸二铵3 500元/t、复合肥2 750元/t、控释肥2 013元/t,灌水成本：常规灌水1 650元/hm²、开花后35 d停止浇水为1 320元/hm²。某处理的相对收益=该处理的毛收入-当年各处理经济效益的平均值。

1.4 数据分析

以年份（Y,df=1）、施肥方式（F,df=1）、灌水方式（W,df=1）、授粉后天数（DAP,df=8）为试验处理因素,按照多因素随机区组试验设计方法,用DPS统计软件进行方差分析,4个因素各因子之间平均值在α=0.05显著水平上用LSD法进行多重比较。用Excel软件中的Correl函数计算种子产量与质量之间的相关性;用SAS软件的Princomp函数进行各性状的主成分分析。

2 结果

2.1 施肥、灌水和采收期对杂交玉米制种产量的影响

施肥、灌水和采收期3个因素对京科968玉米杂交种制种产量的影响都达到显著水平,其中,采收期的影响最为显著（表1）。随着采收期的推后,制种产量在各水肥处理下均逐渐增加,从授粉后44 d的 6 751 kg·hm^-2增加到68 d的10 966 kg·hm^-2,增幅达到62.4%,说明晚收能增加制种产量（表2）。施用控释肥可显著提高制种产量,与传统施肥的8 777 kg·hm^-2相比,施用控释肥后产量增加到9 049 kg·hm^-2,增幅3.10%。灌浆期控水处理显著降低制种产量,降幅2.01%;产量的降低可能来自于收获的籽粒数的降低（降幅2.48%）,而控水对百粒重没有明显影响（表2）。施用控释肥和灌浆期控水的交互作用对制种产量没有显著影响（表1）。此外,年份对制种产量的影响也达到显著水平,2015年的产量比2014年高2.31%（表1）。
Table 1
表1
表1年份、施肥方式、灌水管理和授粉后天数对京科968玉米种子产量和种子质量指标影响的方差分析
Table 1Analysis of variance for growth year , fertilizer treatment, water management and harvest time on maize seed yield, seed harvest mumber, seed weight, seed water content and seed germination ratios

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百粒重是最重要的产量构成因子之一,采收时期对百粒重的影响达到显著水平（表1）,与产量变化的趋势一致,随采收时间的推迟,百粒重不断增加（表2）。年份对百粒重的影响也达到显著水平（表1和表2）,2015年的平均百粒重比2014年高18.70%。而施肥和灌水方式对百粒重没有明显影响。说明百粒重的差异可能是造成不同收获期和不同年份间制种产量差异的一个主要原因,但百粒重对不同施肥和灌水方式条件下的产量差异没有贡献。
种子作为一种特殊的商品,粒数是衡量其数量的一个重要指标,随着单粒播种进程的推进,未来玉米种子行业将会按照粒数来进行包装销售,因此,调查了单位面积收获的种子粒数（粒数产量）。结果表明,粒数产量受到年份、施肥和灌溉的显著影响,但不受采收时期的影响（表1）。其中年份的影响最为显著,2014年（3.71×10⁷粒）比2015年（3.21×10⁷粒）增收15.71%（表2）。施用控释肥也增收粒数产量2.13%,而控水处理则减产2.48%。
Table 2
表2
表2年份、施肥方式、灌水管理和授粉后天数对京科968玉米种子产量和种子质量指标的影响
Table 2Performance of seed yield and seed quality traits in response to year, fertilizer treatment, water management and harvest time in maize Jingke968

处理 Treatment		产量 Seed yield (kg·hm^-2)	百粒重 100-seed weight (g)	公顷粒数 Seed number (×10⁶seed/hm²)	籽粒水分 Kernel moisture (%)	标准发芽率 Standard germination (%)	人工加速老化发芽率 Accelerated aging germination (%)
年份 Year	2014	8811±1564b	23.79±4.29b	37.13±1.56a	45.84±4.75a	91.68±5.90b	84.93±8.13b
年份 Year	2015	9015±1170a	28.23±3.40a	32.09±1.40b	39.40±3.86b	93.75±2.57a	90.09±5.44a
施肥方式 Fertilizer	N1	8777±1317b	25.91±4.51a	34.29±3.04b	42.73±5.71a	92.73±4.39a	87.76±7.40a
施肥方式 Fertilizer	N2	9049±1436a	26.11±4.42a	34.97±2.78a	42.51±5.07a	92.69±4.93a	87.26±7.36a
灌水方式 Water management	W1	9001±1413a	25.96±4.41a	35.03±2.94a	42.58±5.46a	92.49±4.81a	87.24±7.29a
灌水方式 Water management	W2	8826±1350b	26.06±4.52a	34.18±2.86b	42.66±5.33a	92.94±4.51a	87.78±7.47a
授粉后天数 Days after pollination	44	6751±413i	19.81±2.63i	34.55±3.21a	49.92±4.07a	91.16±4.69b	78.72±5.30f
	47	7466±602h	21.68±2.91h	34.74±2.95a	47.79±4.39b	89.67±4.48b	82.79±8.75e
	50	8011±534g	23.37±2.79g	34.71±2.94a	45.87±3.36c	90.58±5.99b	86.56±7.3cd
	53	8545±558f	25.05±2.72f	34.48±2.79a	42.87±3.54d	90.54±4.36b	88.04±4.40c
	56	9030±394e	26.39±2.46e	34.53±2.98a	41.69±3.70e	95.62±2.80a	90.06±3.43b
	59	9338±409d	27.25±2.16d	34.72±3.10a	40.59±3.37f	95.94±2.53a	90.58±3.02b
	62	9859±433c	28.93±2.54c	34.52±2.79a	39.59±2.99g	94.88±3.05a	92.50±3.40a
	65	10251±531b	29.79±2.28b	34.60±2.91a	37.69±3.40h	95.33±2.86a	92.69±2.52a
	68	10966±696a	31.84±1.87a	34.64±3.03a	37.58±2.10h	90.69±3.89b	85.65±10.4d

Different letters within a treatment represent significant deference at P<0.05. N1: Traditional nitrogen fertilizer; N2: Controlled-release nitrogen treatment; W1: Traditional water management; W2: Stop water irrigation after 35 days after pollination. The same as below不同字母表示同一指标下不同处理间在0.05水平上的差异显著性。N1：传统施肥;N2：施用控释肥;W1：常规灌水;W2：开花后35 d停止浇水。下同

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2.2 施肥、灌水和采收期对杂交玉米种子质量的影响

京科968的籽粒含水量受到年份和采收时期的显著影响,但不受施肥方式和灌水管理的影响（表1）。随着灌浆进程的推进,籽粒水分逐渐降低,但其下降幅度在两年间存在差异。2014年在授粉后44—53 d快速下降,降幅0.83%/d,53 d后缓慢下降,降幅0.45%/d。2015年在整个生育期的下降趋势平稳,基本稳定0.43%/天。至授粉后68 d,2年的籽粒含水量均达到最低值,为2014年39.4%和2015年35.7%（图1）。
与籽粒含水量相似,京科968种子的标准发芽率和人工加速老化发芽率也受到年份和采收时期的显著影响,但不受施肥方式和灌水管理的影响（表1）。随着采收期的推迟,种子成熟度不断提高,种子活力在2年试验中均呈现先逐渐上升后微弱下降的变化趋势（图2和图3）。标准发芽率和人工加速老化发芽率均在授粉后56—65 d时达到最高值,分别为95%和90%;之后开始下降,在授粉后68 d时分别降到91%和86%（表2）。由此推测授粉后56—65 d是京科968种子的最佳收获时期,此时对应的种子含水量为35%—45%（图1）,乳线位于籽粒1/4—1/2位置。总之,适时收获既可保证种子的高活力,又可有效避免晚收可能遇到的低温冻害。

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图1玉米杂交种京科968籽粒水分随授粉后天数的变化关系
-->Fig. 1Seed moisture in response to harvest time (days after pollination) in hybrid maize Jingke968
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2015年种子的标准发芽率和人工加速老化发芽率比2014年的分别高2.26%和5.16%,2015年高的百粒重和低的籽粒含水量可能是造成这一年种子活力较高的原因（表2）。
电导率增大意味着细胞膜修复能力降低和种子活力降低,因此,电导率常用来衡量种子活力水平。随着成熟度提高,种子电导率呈现先降低后升高的趋势,授粉后56—65 d时,电导率最低,此时种子活力最高（表2,图4）。

2.3 种子产量与种子质量性状间的相关性分析

相关性分析表明,种子发芽率与产量和百粒重呈显著正相关,与粒数产量和籽粒水分呈负相关（表3）。进一步通过主成分分析,发现京科968种子的标准发芽率和老化发芽率聚集在一起（图5）,百粒重与这两个发芽率指标靠得最近,而粒数产量离的最远,这些结果与相关性分析结果一致,说明种子活力与百粒重关系最密切,而与粒数产量相关性最弱。

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图22014 (A)和2015（B）年不同施肥和灌水管理下的京科968玉米种子标准发芽率
-->Fig. 2Standard germination ratio of Jingke968 grown under different fertilizer and water management treatments in 2014 (A) and 2015 (B)
-->

2.4 杂交玉米制种的经济效益分析

按粒包装情况下,不同时期收获对种子的经济效益没有显著差异,但年份、施肥和灌水方式对其有显著影响。如表4所示,2014年收获的粒数产量显著高于2015年。同一年份下,正常灌水且施用控释肥的制种经济效益最高,较其他3种处理每公顷平均增收0.71万元（2014年）和3.20万元（2015）。与传统施肥相比,施用控释肥在2014年每公顷增收0.44万元, 2015年增收2.17万元,增收主要来自于粒数产量的增加和人工成本及肥料成本支出的减少。

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图32014(A) 和2015（B）年不同施肥和灌水管理下的京科968玉米种子老化发芽率
-->Fig. 3Accelerated aging germination ratio of Jingke968 grown under different fertilizer and water management treatments in 2014 (A) and 2015 (B)
-->

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图42014年施肥（A）和灌水（B）管理下不同发育阶段京科968玉米种子的电导率
-->Fig. 4Electric conductivity of Jingke968 at different growth stages in response to fertilizer (A) and water (B) treatments in 2014
-->

Table 3
表3
表3京科968玉米种子产量与种子质量各指标间的相关性
Table 3Correlation coefficient among seed yield and seed quality traits in Jingke968 maize

相关系数 Correlation coefficient	产量 Seed Yield	籽粒水分 Kernel moisture	百粒重 100-seed weight	公顷粒数 Seed number per hectare	标准发芽率 Standard germination	老化发芽率 Accelerated aging germination
产量 Seed yield	1	-0.77**	0.86**	0.04	0.27**	0.42**
籽粒水分 Kernel moisture		1	-0.95**	0.51**	-0.38**	-0.57**
百粒重 100-seed weigh			1	-0.45**	0.34**	0.51**
公顷粒数 Seed number per hectare				1	-0.24**	-0.28**
标准发芽率 Standard germination					1	0.47**
老化发芽率 Accelerated aging germination						1

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Table 4
表4
表4不同水肥处理下京科968玉米制种经济效益分析
Table 4The economic benefit of Jingke968 seed product under different nitrogen input and water management

年份 Year	处理 Treatment	粒数 Seed number（粒/hm²)	毛收入 Gross income （元/hm²)	肥料成本 Fertilizer costs （元/hm²)	灌水成本 Irrigation costs （元/hm²)	施肥和灌水人工成本 Labor costs for fertilizer and irrigation（元/hm²)	其他成本^a Other costs （元/hm²)	相对收益 Relative profit （万元/hm²)
2014	N1W1	36962697.2	443552.4	3450.0	1650	900	-	-849.0
	N1W2	37333104.4	447997.3	3450.0	1320	900	-	-1946.6
	N2W1	36637896.8	439654.8	2044.5	1650	375	-	3555.0
	N2W2	37602726.4	451232.7	2044.5	1320	375	-	-741.3
2015	N1W1	31079370.2	372952.4	3450.0	1650	900	-	-3946.2
	N1W2	31791871.5	381502.5	3450.0	1320	900	-	-13678.5
	N2W1	32058359.8	384700.3	2044.5	1650	375	-	17782.3
	N2W2	33411119.2	400933.4	2044.5	1320	375	-	-157.6

^aOther cost were not mentioned here because it was different to determine^a其他成本因当前制种涉及的人工、管理等较难准确横量,因此省略不提,只计算相对经济效益

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图5京科968玉米种子产量和质量性状的主成分分析
-->Fig. 5Principal component analysis (PCA) of seed yield and seed quality related traits for Jingke968 maize
-->

3 讨论

玉米杂交种种子质量主要受种子成熟度的影响,一般认为达到生理成熟时种子的活力最大^[16]。但本研究发现京科968杂交种的种子活力最高值出现在授粉后56—65 d（表2、图2和图3）,此时其百粒重还未达到最大值,即种子还未达到生理成熟。早在1943年,ALDRICH^[17]认为玉米种子生理活力最大值出现在籽粒干物质积累达到最大值的65%时,这与本研究结果相似,授粉后56—65 d时京科968种子的百粒重达到最大值的70%—80%。
作物的生长发育和产量形成与光照、温度、水分等条件密切相关,特别是温度,它通过影响相关酶的活性、基因表达等来影响植物的生长发育和干物质积累等^[18-19],并最终影响产量形成。王海梅等^[20]、唐谷等^[21]研究发现积温增加可促进玉米生长发育、导致百粒重和产量增加。本试验于2014和2015年在甘肃省张掖市进行,通过计算该地区从播种到收获的有效积温（≥10℃的日平均气温总和）,发现不同收获期下2015年的值都明显高于2014年（图6）,可能导致2015年籽粒脱水和灌浆速率加快,从而获得更高的干物质积累及产量（表2）。
水分是另一个影响作物生产的关键因子。张芮等^[22]研究表明,玉米不同生育时期对水分的需求不同,对缺水的反应也不同：拔节至抽穗期缺水会抑制叶面积扩展,阻碍光合作用进行,导致植株矮小,产量降低;抽穗至灌浆期缺水会影响籽粒干物质积累,导致籽粒库容减少,籽粒变小,粒重降低,产量降低;而灌浆至成熟期进行适度的水分胁迫不会影响产量,但还可以提高水分利用效率。然而张玉书等^[23]则发现,在玉米抽雄期、盛花期和灌浆期适度缺水有利于促进玉米叶面积的伸展,重度缺水条件下才会产生较大的抑制作用。张立勤等^[24]、强秦等^[25]也认为在抽穗期至灌浆期进行适度水分亏缺不会影响作物产量,同时还能提高制种玉米的质量。总之,前人研究基本上一致认为灌浆期适度控水不会影响产量,但能提高水分利用效率,还可能促进种子提早成熟和收获^[26]。笔者2年的田间试验结果发现,灌浆期控水不影响种子活力,可以有效提高玉米水分利用效率,节约成本,增加制种经济效益（表4）。

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图6不同收获期的京科968玉米种子在2014年和2015年获得的积温变化图
-->Fig. 6The cumulative temperature of Jingke968 at different harvest time in 2014 and 2015
-->

施用控释肥能在减少田间追肥次数的情况下实现肥料肥效和植物生长需求的协调,降低农业生产成本,同时提高肥料利用率和产量^[3]。本研究发现,施用控释肥显著提高京科968种子的百粒重、产量以及粒数产量（表2）。同时,施用控释肥不影响种子的标准发芽率和老化发芽率（表2）。水分和养分可能会对种子产量和质量产生交叉影响,只有实现水肥的高效配合才能更有效地提高水肥利用效率^[27]。本研究结果发现施用控释肥配合常规灌水下的玉米产量最高,这可能是因为控水处理导致控释肥在土壤中因缺乏溶剂而无法释放。

4 结论

杂交玉米京科968的制种产量和粒数产量均受到施肥、灌水方式的显著影响,施用控释肥提高产量和粒数产量,而灌浆期控水则降低产量和粒数产量,但施肥和灌水处理对种子活力没有明显影响。在不同采收期,京科968的制种产量和种子活力差异明显,但粒数产量差异不显著。随着采收期的推后,制种产量在各水肥处理下均逐渐增加。种子活力在授粉后56—65 d最高,是京科968种子的最佳收获期。
（责任编辑李莉）
The authors have declared that no competing interests exist.