0 引言
【研究意义】玉米是陕西省第一大粮食作物。陕北灌溉区因充足的光热和灌溉条件,已成为玉米高产创建的重要地区[1-2],如2008年创造西北灌区春玉米小面积195 000 kg·hm-2的高产纪录。选育高产潜力品种和改进农艺管理措施（密度、肥料管理等方面）为玉米高产做出了重要贡献[3-4],但玉米生产中农民实际获得产量与当地玉米产量潜力之间存在较大的产量差[5]。阐明影响陕西灌区春玉米高产增进的农艺技术和生理机制[6-8],对于大面积持续提高玉米产量,缩小产量差距具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明高产玉米品种花后氮素吸收量显著高于低产玉米品种,从而延长叶面积持续期并且保证较高的光合生产能力[9-10],同时,通过优化氮肥管理降低了高产玉米花前氮素吸收累积比例[11]。因此,进一步明确高产玉米氮素吸收特征,实现高产玉米物质生产和氮素需求的匹配,是实现玉米高产的重要生理基础。研究表明,玉米高产的实现不仅仅是髙的生物量累积和氮素吸收一方面决定的;光合产物和氮素向籽粒中的分配也是一个重要因素。例如籽粒形成阶段的干物质累积和氮素吸收与穗粒数存在显著的正相关关系[12]。另外,灌浆期同化物和氮素供应不足会导致籽粒败育,从而降低穗粒数和千粒重[13-15]。【本研究切入点】前人研究多侧重于玉米高产与吐丝后干物质、氮素累积、光合特性的关系研究[16-19],但是不同农艺管理产量水平下玉米吐丝前后干物质生产和氮素吸收比率与效率研究相对较少。【拟解决的关键问题】通过2013—2015年大田试验分析不同产量栽培管理下玉米干物质积累和氮素吸收动态以及与产量形成的关系,进而揭示高产栽培下春玉米群体干物质和氮素积累特征,为其高产栽培提供理论与技术支撑。1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验在西北农林科技大学榆林玉米试验示范站（37°48′N、109°11′E,海拔1 808 m）进行。试验地土壤为砂质土,0—20 cm 土壤有机质平均含量为6.76 g·kg-1、速效氮为42.75 mg·kg-1、速效磷为16.98 mg·kg-1、速效钾为99.77 mg·kg-1。2013—2015年玉米生育期温度和降雨量见表1。Table 1
表1
表12013—2015年陕西省榆林春玉米生长季节月降雨量和温度的变化
Table 1Changes of monthly rainfall (mm) and monthly maximum temperature (Tmax) and minimum temperature (Tmin) of spring maize in growing period at Yuling of Shaanxi province from 2013 to 2015
| 月份 Month | 2013 | 2014 | 2015 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最高温度 Tmax (℃) | 最低温度 Tmin (℃) | 降雨量 Rainfall (mm) | 最高温度 Tmax (℃) | 最高温度 Tmin (℃) | 降雨量 Rainfall (mm) | 最高温度 Tmax (℃) | 最高温度 Tmax (℃) | 降雨量 Rainfall (mm) | |
| 4月April | 29.5 | 3.0 | 19.3 | 28.6 | 2.2 | 23.5 | 28.3 | 2.6 | 17.8 |
| 5月 May | 27.4 | 4.6 | 56.2 | 28.0 | 2.8 | 49.8 | 27.8 | 3.3 | 45.8 |
| 6月 June | 35.4 | 9.7 | 14.2 | 33.4 | 9.1 | 34.8 | 32.6 | 10.2 | 28.7 |
| 7月 July | 34.6 | 12.9 | 112.5 | 32.7 | 14.1 | 119.4 | 35.6 | 13.6 | 91.4 |
| 8月 August | 30.7 | 11.5 | 101.5 | 29.5 | 11.2 | 92.2 | 34.7 | 13.2 | 72.9 |
| 9月 September | 25.3 | 6.4 | 70.3 | 25.6 | 5.2 | 85.9 | 28.6 | 8.1 | 50.3 |
新窗口打开
1.2 田间试验与管理
供试材料为陕西灌区大面积推广应用的玉米品种陕单609（陕审玉2011005;国审玉2016001）。试验设置普通大田栽培、高产栽培和超高产栽培3种处理。普通大田栽培（FP）：种植密度为60 000株/hm2,等行距种植（60 cm+60 cm）,施氮270 kg·hm-2,P2O5 105 kg·hm-2为底肥;高产栽培（HY）：种植密度为75 000株/hm2,宽窄行种植（80 cm+40 cm）,施有机肥30 000 kg·hm-2、N 225 kg·hm-2、P2O5 135 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2,40%氮肥作为基肥,60%氮肥拔节期追施,有机肥和磷钾肥整地时一次施用,地膜覆盖;超高产栽培（SHY）：采用宽窄行种植（80 cm+40 cm）,密度90 000株/hm2,施有机肥75 000 kg·hm-2、N 450 kg·hm-2、P2O5 225 kg·hm-2和K2O 248 kg·hm-2,其中氮肥在底肥、拔节期、大喇叭口期和灌浆期分4次施入,比例为30%、30%、30%和10%,有机肥和磷钾肥整地时一次施,地膜覆盖。试验重复4次,小区面积48 m2。处理间灌水量和次数相同,维持玉米正常生长水分。2013、2014和2015年分别于4月22日、4月25日和4月23日人工播种,每穴播3粒,于3叶期按设计密度定苗,每年10月3日收获。1.3 测定项目与方法
1.3.1 叶面积指数 于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、灌浆期（R3）和成熟期（R6）取5株具有代表性的玉米植株,利用长宽系数法测定植株叶面积,叶面积指数（LAI）=单位群体叶面积/单位土地面积。1.3.2 叶片SPAD值 于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、灌浆期（R3）和成熟期（R6）采用叶绿素快速测定仪（SPAD-502,日本）测定叶片SPAD值。
1.3.3 干物质积累量 于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、灌浆期（R3）和成熟期（R6）取5株具有代表性的玉米植株,分为叶片、茎鞘、苞叶、穗轴和籽粒部分,105℃杀青30 min后,80℃烘48 h至恒重,称干物质量。参照COX等[20]方法计算群体干物质积累量和吐丝后干物质量对籽粒贡献率。
吐丝后干物质积累量（t·hm-2）=成熟期植株干物质重-吐丝期干物质重;
吐丝后干物质量对籽粒贡献率（%）=吐丝后干物质重/成熟期籽粒干重×100%。
1.3.4 氮素积累量 利用Kj8400型凯氏定氮仪测定拔节期（V6）、大口期（V12）、吐丝期（VT）、灌浆期（R3）和成熟期（R6）植株各部分氮素含量,根据MOLL[21]公式计算氮素积累量及相关性状。
吐丝后氮素积累量（kg·hm-2）=成熟期植株氮素
积累量-吐丝期植株氮素积累量
吐丝后氮素积累量对籽粒氮贡献率（%）=吐丝后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100%
1.3.5 产量及产量构成 成熟期统计每个小区的倒伏株数、空秆株数,并收获中间4行计产并考种,其中籽粒含水量统一折算成14%。
1.4 数据分析
采用Excel软件进行数据处理,SPSS12.0软件进行数据统计分析。2 结果
2.1 不同栽培方式下春玉米产量及其构成因素
方差分析表明,栽培方式、年份以及栽培方式与年份的互作对产量有极显著影响（表2）。不同年份各处理的结果趋势表现一致,超高产栽培下产量显著高于高产栽培和普通大田栽培,在普通大田栽培（CK）、高产栽培、超高产栽培3个处理下,春玉米3年平均产量分别为11.1、13.1和16.1 t·hm-2,其中高产和超高产栽培的玉米产量分别较对照增加18.0%和45.1%,与对照差异显著（表2）;2015年各处理下产量显著低于2014和2013年,因2015年玉米灌浆期高温所致（表1）。从产量构成因素来看,与普通大田栽培相比,高产和超高产栽培穗粒数和千粒重显著降低,而单位面积有效穗数显著增加（表2）,表明增密增加单位面积穗数是实现玉米高产的重要途径。3年结果显示,超高产春玉米产量获得是以足够的穗数为前提（89.3穗数/10m2）,同时协调较高的穗粒数（507粒左右）和千粒重（356 g 左右）。Table 2
表2
表2不同栽培方式下春玉米产量及其构成因素
Table 2Grain yield and its components of spring maize under different cultivation patterns in 3 years
| 年份 Year | 处理 Treatment | 实收穗数 Ears (number/10m2) | 穗粒数 Kernels | 千粒重 1000-grain weight (g) | 产量 Grain yield (t·hm-2) | 收获指数 HI |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | 普通大田栽培 FP | 54c | 561a | 368.9a | 11.2c | 0.47b |
| 高产栽培 HY | 71b | 522b | 354.3b | 13.1b | 0.52a | |
| 超高产栽培 SHY | 89a | 514b | 358.1b | 16.4a | 0.53a | |
| 2014 | 普通大田栽培 FP | 55c | 568a | 371.2a | 11.5c | 0.48b |
| 高产栽培 HY | 73b | 523b | 361.5b | 13.8b | 0.52a | |
| 超高产栽培 SHY | 90a | 515b | 359.8b | 16.6a | 0.52a | |
| 2015 | 普通大田栽培 FP | 53c | 552a | 362.4a | 10.5c | 0.47b |
| 高产栽培 HY | 70b | 502b | 352.8b | 12.4b | 0.53a | |
| 超高产栽培 SHY | 89a | 493b | 350.3b | 15.2a | 0.52a | |
| 误差来源 Source of variation | ||||||
| 处理 Treatment | ** | ** | * | ** | * | |
| 年份 Year | * | ** | ns | ** | ns | |
| 处理×年份 Treatment×Year | ns | * | ns | ** | ns | |
新窗口打开
2.2 不同栽培方式下干物质积累量
从干物质积累动态变化可以看出（图1）,大喇叭口期前,不同栽培方式下干物质积累量之间没有显著差异。大喇叭口期后,不同栽培方式下干物质积累量差异显著,成熟期超高产栽培下玉米干物质量分别比高产栽培和普通大田栽培提高24.5%和23.9%。由图2—3可知,吐丝期后,超高产栽培干物质积累量占总干重比例（49.3%）显著高于高产栽培和普通大田栽培（44.0%和40.1%）;吐丝期后,超高产栽培下干物质积累量对籽粒贡献率（92.5%）显著高于高产栽培和普通大田栽培（84.7%和77.0%）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同栽培群体春玉米干物质积累动态变化
-->Fig. 1Dry matter accumulation dynamics of spring maize under different cultivation patterns at different growth stages
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同栽培方式下春玉米吐丝前后干物质所占干重比例
-->Fig. 2Ratio of pre- and post-silking dry matter to total biomass of spring maize under different cultivation patterns
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同栽培方式下春玉米吐丝前后干物质对籽粒贡献率
-->Fig. 3Contribution of pre- and post-silking dry matter to grain yield of spring maize under different cultivation patterns
-->
2.3 不同栽培方式下春玉米氮素积累量
从氮素积累动态变化可以看出（图4）,大喇叭口期前,不同栽培方式下氮素积累之间没有显著差异。而从大喇叭口期到成熟期,超高产栽培下植株氮素积累量分别比高产栽培和普通大田栽培提高了9.7%和21.7%。吐丝期后,超高产栽培下氮素积累量占总氮素积累量比例（24.5%）显著高于高产栽培和普通大田栽培（20.5%和15.5%）（图5）。由图6可知,吐丝期后,超高产栽培下氮素积累量对籽粒氮的贡献率（41.2%）也显著高于高产栽培和普通大田栽培（33.2%和25.5%）。回归分析表明（图7）,在不同栽培方式下,春玉米产量与吐丝后干物质积累量呈极显著正相关（r=0.998）;籽粒产量与吐丝后氮素积累量也呈极显著正相关（r=0.927）,这表明吐丝后干物质积累和氮素吸收量是获得高产的关键。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同栽培方式下春玉米氮素积累动态变化
-->Fig. 4Nitrogen accumulation dynamics of spring maize under different cultivation patterns at different growth stages
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同栽培方式下春玉米吐丝前后氮积累量所占整株氮的比例
-->Fig. 5Ratio of pre- and post-silking nitrogen accumulation to total nitrogen accumulation of spring maize under different cultivation patterns
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6不同栽培方式下春玉米吐丝前后氮积累量干对籽粒氮贡献率
-->Fig. 6Contribution of pre- and post-silking nitrogen accumulation to grain N of spring maize under different cultivation patterns
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7不同栽培方式下春玉米产量与吐丝后干物质积累量（A）和氮素积累量（B）间的相关性
-->Fig. 7Relationship between grain yield and dry matter accumulation after silking (A) and nitrogen accumulation after silking (B) of spring maize in 3 years
-->
2.4 不同栽培方式下春玉米叶面积指数和SPAD值
不同栽培模式下玉米叶面积指数在吐丝期达到最大,之后均呈下降趋势。其中,从吐丝期至成熟期,高产栽培和超高产栽培叶面积指数下降幅度分别为48.7%和45.6%,而普通大田栽培下降幅度为52.6%,期间,高产栽培和超高产栽培的叶面积指数均显著高于普通大田栽培。另外,在灌浆期,超高产栽培的叶片SPAD值最高,其次为高产栽培,普通大田栽培下SPAD值最低（图8）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图82013—2015年不同栽培方式下春玉米叶面积指数（LAI）和SPAD值
-->Fig. 8Spring maize canopy leaf area index (LAI) and SPAD at different development stages under different cultivation patterns in 2013-2015
-->
3 讨论
陕西灌溉春玉米区3年田间试验结果表明,在优化栽培技术条件下,产量水平不断提高,与普通大田栽培相比、高产栽培和超高产栽培籽粒产量分别增加18.0%和45.1%。从产量构成看,穗粒数和粒重是影响产量的重要因素[31]。TOLLERNAAR等[14]研究表明,籽粒产量与穗粒数显著正相关,而与粒重相关性不显著。而董树亭[25]认为,玉米产量提高是粒重和穗粒数增加的结果。本研究中,单位面积穗粒数的增加提高了玉米产量,可见增穗增粒扩大库容是实现高产的重要途径。从同化物分配看,玉米籽粒产量是干物质量和收获指数的乘积[3],很多研究认为玉米生产中收获指数很难进一步提高,提高产量主要依靠增加干物质量[14, 23];也有研究认为实现玉米高产是收获指数和干物质量共同提高的结果[15, 24]。本研究发现,从普通大田栽培到高产栽培的增产过程中,收获指数和干物质量都发挥了作用;从高产栽培到超高产栽培增产过程中,干物质量增加,而收获指数并没有发生变化。因此,在较高的收获指数基础上,持续提高干物质量是陕西灌区高产玉米的调控目标。玉米干物质积累量与氮素积累有着密切的关系,氮素积累是干物质量累积的基础,也是玉米产量形成的基础[8, 27]。本研究中,从大喇叭口期开始,高产栽培和超高产栽培下干物质积累和氮素吸收量就高于普通大田栽培,随着生育进程其差距加大。到成熟期,超高产栽培干物质累积与氮素吸收量显著高于高产栽培和普通大田栽培。这与前人报道的高产玉米是由于花后具有更高的干物质累积和氮素吸收能力一致[3, 9, 27],而籽粒产量与花后干物质累积和氮素累积量呈显著正相关也支持了这一观点。干物质量和氮素吸收也受到气候条件的影响,在不利于气候条件下,增加花前干物质和氮素积累量有利于增加产量[22, 30];2015年玉米灌浆期8—9月高温,干物质量和氮素累积量减少,导致籽粒产量低于2013和2014年,说明玉米产量潜力也依赖良好的气候条件。从光合生产能力看,玉米籽粒产量的60%以上来自抽穗以后的光合同化物,花后光合效率高和绿叶持续期长有利于产量形成[27]。本研究发现,与普通大田栽培比,高产栽培和超高产栽培下,玉米维持了高的叶面积指数持续期和SPAD值,这说明高产栽培下改善了玉米叶片光合性能,为籽粒灌浆提供较充足的光合同化物。在陕西灌区玉米生产中,增加密度和加强养分管理是玉米高产的关键措施。增密主要是截获更多的太阳辐射,使得群体生产力较高而增产[31]。就超高产栽培而言,单位面积穗数显著增加,增密对产量贡献最大。但高密度下往往导致养分竞争的加剧,限制了单位叶片的光合生产能力[32],因此本试验中增施氮肥用量,分4次施用可以在生育后期提高氮肥利用效率实现高产,这与之前研究报道的通过氮肥分次施用使得玉米氮肥需求和根层养分在时空匹配来提高产量的结果一致[28, 33]。同时,配施磷钾肥更有利于玉米养分需求平衡实现稳产高产[34]。本试验中氮肥施用量450 kg·hm-2,高于玉米高产氮肥推荐用量[29, 33],可能是本试验田为砂质土壤的原因。因此,如何在沙质土壤优化配置氮肥、密度和水分协同管理,提高陕西灌区春玉米产量和资源效率仍需深入研究。
4 结论
与普通大田栽培和高产栽培相比,超高产栽培显著提高了春玉米吐丝后生物量和氮素积累量,维持了较强的叶片光合生产能力,这是实现春玉米高产的生理基础。在陕西灌区春玉米生产中,筛选耐密品种基础上增加种植密度、强化氮肥分次追施,保证高产玉米吐丝后期对氮素的需求,实现春玉米高产。The authors have declared that no competing interests exist.
