綜合農藝管理提高夏玉米產量和養分利用效率的潛力

劉 正，高 佳，高 飛，楊今勝，任佰朝，張吉旺*

（1 作物生物學國家重點實驗室/山東農業大學農學院，山東泰安 271018；2 山東省玉米育種與栽培技術重點實驗室/山東登海種業股份有限公司，山東萊州 261448）

黃淮海平原面積30 萬公頃，占全國總耕地面積的六分之一，糧食產量全國占比超過三分之一[1]。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是黃淮海區域主要的糧食種植模式，對保障國家糧食安全具有重要意義[2-3]。傳統栽培模式存在的諸多問題，如種植密度低、玉米收獲早、施肥量和施肥時期不合理等，不利于作物生產潛力發揮，阻礙糧食增產[4-5]。因此，建立合理的栽培管理模式有助于提高作物產量，減少資源消耗和保護生態環境安全。氮元素 (N) 參與玉米器官建成和光合作用等生理過程，是重要的產量限制因子[6-8]。磷元素 (P) 是核酸、磷脂和ATP 等的合成原料，參與細胞分裂、能量代謝和信號轉導等生理過程[9]。鉀元素 (K) 參與酶激活、蛋白質合成和逆境防御等生理過程[10-11]。生產中存在的種種問題限制了產量和養分利用效率的進一步提高。一方面，施肥量遠超作物需求和土地承載能力，其中又以過量施氮最為嚴重和突出。黃淮海夏玉米季平均施氮量為458 kg/hm2，遠超180～210 kg/hm2的推薦用量。長期過量施氮導致土壤氮庫飽和、氮肥損失增加，威脅生態環境安全[12-14]。與之相反，在生產中鉀肥沒有得到足夠的重視。雖然土壤中全鉀含量較高，但是能被作物直接吸收利用的有效鉀含量較低，高強度的復種連作大量消耗土壤有效鉀，若不能及時補充，將影響作物的抗倒伏能力和籽粒品質[15]。另一方面，施肥時期與作物養分需求規律不符。拔節期一次性施肥、沒有底肥和追肥的施肥方式導致夏玉米生育后期脫肥，影響籽粒灌漿和粒重增長[16-17]。因為磷元素在土壤中極易被固定，移動性差，所以生育前期一次性施用磷肥導致其利用率低。另外，土壤類型和施肥位置等也顯著影響磷肥吸收、利用[9,18-20]。為解決上述問題，本研究設置了代表不同生產水平、循序漸進的四種綜合農藝管理栽培模式 (integrated agronomic practices management，IAPM)。優化模式在當地農戶傳統種植模式的基礎上，分析并解決產量限制因子，縮小產量差，實現產量與效率的初步提高；超高產模式以犧牲效率為代價，挖掘產量潛力，實現當地最高產量[21]；再優化模式進一步解決了產量限制因子，較傳統種植模式實現了產量與效率進一步提高。耕作和秸稈還田方式的改變適應當地氣候條件變化和機械化作業發展[1-2,22]。當地夏玉米種植密度普遍較低，難以充分發揮雨熱同期的氣候優勢。因此，增加種植密度，構建合理的群體結構，是挖掘產量潛力的有效途徑[23]。前期研究表明，大量施肥不利于玉米根系下扎[7]，也不利于作物吸收、利用土壤自身的營養元素[9-10,15]。本研究依據作物需肥規律和養分臨界期確定施肥時期；依據土壤養分含量和目標產量確定施肥量，并根據前期試驗做進一步調整，以減少作物奢侈吸收和肥料損失，協同提高產量和效率[8,12,21,24]。通過增加種植密度、減量分次施氮、推遲玉米收獲和小麥播種等措施，再優化模式促進了夏玉米的光合作用[12,14,16]和干物質積累[6-7]，降低了土壤硝態氮冗余[17]，提高了產量和氮素利用效率[13]。前期研究多關注夏玉米產量和氮素利用效率方面，對磷、鉀元素利用的思考與研究較少。本文旨在探索綜合農藝管理對夏玉米氮、磷、鉀積累與利用的影響，并為夏玉米養分管理提供理論指導和科學依據，以最小的環境代價實現夏玉米高產穩產。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013—2017 年在作物生物學國家重點實驗室和泰安市岱岳區大汶口試驗田進行。試驗區域土壤類型為棕壤，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候。播前0—30 cm 深度土壤養分含量如下:有機質12.6 g/kg、全氮0.83 g/kg、有效磷(P2O5) 19.6 mg/kg、速效鉀 (K2O) 125.7 mg/kg。2013—2017 年夏玉米生長季 (6～9 月) 生長度日為 (1843 ± 37)℃，降水量為 (468 ± 122) mm。

試驗材料為玉米雜交種鄭單958，隨機區組設計，四次重復。設置4 個處理，常規對照采用秸稈覆蓋，免耕 (CK)；優化模式 (Opt-1)，在CK 基礎上，增加種植密度，延遲收獲，減少施氮量并增加施肥次數；最高產量管理模式 (HY)；再優化模式(Opt-2)，在HY 基礎上，降低種植密度和施氮量，以期實現產量效率協同提高。后三個處理的耕作方式均為秸稈還田，淺旋耕 (表1)。每個小區面積為240 m2(6 m × 40 m)，每組間隔1 m，總面積為3912 m2(24 m × 163 m)。玉米行間距為0.6 m，每個小區包含10 行玉米。開溝施肥，深度為5 cm。播前灌水80 mm，足墑播種。試驗期間無明顯病蟲草害。

1.2 取樣與測定指標

在抽雄 (VT) 和成熟期 (R6)，從每個小區隨機取樣5 株，成熟期樣品分為秸稈 (包括莖、葉、穗軸等) 和籽粒。樣品烘干至恒重，稱重；粉碎后過2 mm 篩，經H2SO4-H2O2消煮，使用AA3 連續流動分析儀測定全氮和全磷濃度；使用火焰光度計測定全鉀濃度[19]。成熟期調查小區果穗數，計算單位面積穗數；在各小區中間三行連續收取30 個果穗，三次重復，用于計算夏玉米千粒重和產量。計算下列指標以衡量夏玉米養分利用效率[20]。

產量 (kg/hm2) = 單位面積穗數 × 穗粒數 × 千粒重/ 106

干物質轉運效率 (%) = (抽雄期干物質重-成熟期秸稈干物質重)/ 抽雄期干物質重 × 100

干物質轉運貢獻率 (%) = (抽雄期干物質重-成熟期秸稈干物質重)/籽粒重 × 100

花后積累量 (kg/hm2) = 籽粒重-(抽雄期干物質重-成熟期秸稈干物質重)

籽粒中氮 (磷、鉀) 含量 (kg/hm2) = 氮 (磷、鉀)濃度 × 產量 × 10-3

表 1 不同處理的栽培管理及施肥策略Table 1 Cultivation managements and fertilizer strategies for different treatments

養分偏生產力 (kg/kg) = 產量/施肥量

1.3 數據統計與分析

數據以平均值 ± 標準差表示。使用Excel 2010軟件進行數據整理和作圖，使用SPSS17.0 軟件進行數據分析。利用雙因素重復測量方差分析模型 (年份 ×處理)，檢驗各指標的差異顯著性，均值多重比較采用Duncan 法，置信水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 假設檢驗及方差分析

表2 表明，所有指標均通過正態分布和球形檢驗，適用于雙因素重復測量方差分析模型。所有指標的處理間差異均達到顯著水平。受年際氣象條件變化影響，產量和抽雄期干物質重等八項指標存在顯著的年際差異，其他四項指標年際變化不顯著。所有指標的年份與處理交互效應 (年份 × 處理) 不顯著，即五年試驗處理間的差異趨勢一致，且穩定。

2.2 產量

2013—2017 年期間，4 個處理間產量差異均達到顯著水平，由高到低為HY ＞ Opt-2 ＞ Opt-1 ＞ CK(P ＜0.05，圖1)。Opt-2 處理的夏玉米產量比CK 高27.6%～37.9%，比Opt-1 處理高19.2%～31.9%，顯示了再優化處理進一步提高產量的效果。

2.3 干物質重

抽雄期處理間干物質重存在顯著差異，高低變化與產量相同 (圖2)。HY 處理的干物質重顯著高于其他處理，Opt-2 處理分別比CK 和Opt-1 處理高22.8%～25.0%和13.2%～20.3%。

2.4 花后干物質轉運與分配

由表3 可知，處理間干物質分配和轉運特性存在顯著差異。Opt-1、HY 和Opt-2 處理的花后干物質運轉效率 (DTE) 分別較CK 平均提高了14.4%、13.7%和5.8%，Opt-1 和HY 兩處理間無顯著差異，但二者均顯著高于Opt-2。花后干物質運轉對產量的貢獻率 (DTC) 與運轉效率一致，Opt-1 和HY 處理最高，其平均DTC 較CK 和Opt-2 處理增加了15.8～19.1%。花后干物質積累量 (DA) 則以HY 和Opt-2 處理顯著高于CK 和Opt-1，提高幅度為28.7%～36.8% (P ＜ 0.05)。

2.5 籽粒氮、磷、鉀積累量

Opt-2 處理的籽粒氮、磷、鉀積累量分別為146.0～171.4 kg/hm2、75.6～92.7 kg/hm2和40.0～43.8 kg/hm2。總的來看，Opt-2 處理籽粒氮積累量顯著低于HY 處理，高于Opt-1 處理和CK，分別比CK 和Opt-1 處理高20.5%～68.4%和12.5%～29.2%，比HY 處理低13.2%～19.0%。Opt-2 處理籽粒磷積累量顯著高于其他三個處理。Opt-2 處理籽粒鉀積累量基本與HY 處理相當，但分別比CK 和Opt-1 處理高38.4%～58.9%和16.3%～32.6% (圖3)。

表 2 假設檢驗及方差分析Table 2 Hypothesis test and analysis of variance

圖 1 2013—2017 年夏玉米籽粒產量Fig. 1 Grain yield of summer maize in the period from 2013 to 2017

圖 2 2013—2017 年抽雄期夏玉米干物質積累量Fig. 2 Dry matter weight of summer maize at tasseling stage in 2013-2017

表 3 各處理夏玉米干物質轉運效率、貢獻率和花后積累量Table 3 Dry matter translocation efficiency and its contribution and dry matter accumulation after tasseling of summer maize in each treatment

2.6 氮、磷和鉀肥偏生產力

Opt-1 和Opt-2 處理氮、磷肥偏生產力相當，Opt-2 處理的氮肥偏生產力分別比CK 和HY 處理高62.0% 和125.2%。鉀肥偏生產力以Opt-1 處理和CK 處理最高，Opt-2 處理的也顯著高于HY 處理(表4)。表明再優化處理顯著提高了氮磷肥效率，鉀肥偏生產力雖然不如常規和優化處理，但是綜合考慮鉀的養分功能，增加鉀的吸收是保證高產必需的。

3 討論

圖 3 2013—2017 年成熟期夏玉米籽粒氮、磷和鉀積累量Fig. 3 Nitrogen, phosphorus and potassium accumulation in grain of summer maize at physiological maturity stage in 2013-2017

足量的群體是實現產量提高的基礎。然而，過高的密度也會帶來冠層郁閉、個體競爭加劇、群體整齊度降低和倒伏風險提高等問題[5-6,22]，限制產量潛力的釋放。解決上述問題的途徑除了培育新品種以優化群體結構外，施肥量及施肥時期也是有效的栽培措施[13-14,16-17,23]。適當增加施肥量、調整施肥時期也能有效地緩解個體競爭，提高群體整齊度，進而實現高產[14]。本試驗中，優化、超高產和再優化管理模式的夏玉米種植密度分別較傳統種植模式 (6 ×104/hm2) 提高了12.5%、45.0%和25.0%，超高產模式氮、磷和鉀肥施用量分別較傳統種植模式提高了100.0%、233.3% 和300.0%；優化模式減少了28.7% 施氮量；再優化模式減少了18.0% 的施氮量，增加了22.2%的磷肥和73.3%鉀肥。對照只施一次肥，即所有肥料在拔節期“一炮轟”。優化模式肥料分兩次施用，氮肥播前∶拔節期占比3∶7。再優化模式肥料分三次施用，氮肥播前∶拔節期∶抽雄期占比2∶5∶3，以滿足夏玉米各生育階段的養分需求。依據供試地區氣候條件，優化后的耕作措施改變了當地農民普遍早收夏玉米的習慣，優化、超高產和再優化模式較傳統種植模式推遲夏玉米收獲10～15 天，充分利用九月下旬和十月初豐沛的光熱資源，促使干物質再分配和籽粒脫水。研究表明，當地夏玉米收獲時間從9 月20 日推遲6 至10 天，產量提高14.1%～19.8%，氮素利用效率提高4.2%～6.4%[22]。因此，適當晚收夏玉米可以簡單有效地提高作物產量和效率，同時不影響下茬冬小麥的生長。從試驗結果看，再優化模式與一般優化管理和常規管理相比，顯著提高了抽雄期玉米干物質積累量和收獲期籽粒產量；從干物質和養分的運轉效率及對籽粒的貢獻率結果看，顯著增加了抽雄期花后干物質的積累，但是其花前干物質向子粒的轉移率顯著低于優化處理，籽粒的貢獻率也與優化處理持平；從氮、磷、鉀肥的偏生產力結果看，再優化處理降低了氮磷鉀肥的偏生產力，但是顯著提高了玉米的籽粒和秸稈產量。綜合考慮糧食產量、肥料施用量和追肥人工成本[13]，再優化模式提高了經濟效益。

干物質積累量，尤其是花后干物質積累量是實現高產的基礎[21]。前人研究認為，高產夏玉米的花后干物質積累量占全生育期的50%～60%[24]。籽粒灌漿來自開花前積累的營養物質再轉運和開花后新同化的營養物質[16-17]。因此，實現夏玉米高產，不僅要增加干物質積累量，還要促進營養器官中積累的養分向籽粒轉運再分配，提高收獲指數。本研究中，超高產模式的抽雄和成熟期干物質積累量分別較其他處理增加了9.2%～35.1%和5.9%～36.5%，進而實現最大產量；各處理的干物質積累量和產量具有同步性，變化規律一致，與前人研究結果相符[21]。在干物質轉運和分配方面，再優化模式的轉運效率和花后積累量較傳統種植模式顯著提高，但是其轉運效率和貢獻率卻顯著低于初優化和超高產模式。這表明再優化模式雖然實現了產量提高，但是其成熟期仍有較多的光合同化產物滯留在莖葉等營養器官中，該模式有進一步提高產量的潛力。當然，考慮到品種固有特性的限制，這部分產量潛力的釋放也需要品種更迭的幫助[25]。氮肥是夏玉米生產的主要養分限制因子，其具有較強的移動性[26-27]。磷是一種移動性差、易被固定的營養元素，施入土壤的磷肥易形成微溶性的磷酸鹽，作物根系生長和活性對磷肥利用效率有顯著影響[28-29]。土壤中速效鉀含量較低，黃淮海區域一年兩熟種植模式對土壤速效鉀的消耗量較大，加之當地農戶對鉀肥重視程度低于氮、磷肥，鉀元素可能在未來成為該區域的生產限制因子[30]。不合理的肥料運籌無法滿足作物生長發育的養分需求，還可能造成土壤養分耗竭或冗余，進而限制生產潛力發揮[13]。傳統種植模式在玉米拔節期一次性施肥，易導致作物生育后期脫肥。得益于更高的施肥量和施肥頻次，尤其是花粒期追肥，超高產模式的籽粒氮素積累量較其他處理提高了6.0%～53.8%。初優化和再優化模式降低了施氮量，減少奢侈吸收，分次施氮滿足玉米階段養分需求，顯著提高了氮肥偏生產力。與氮素積累、利用相比，磷元素表現出不同的規律。再優化模式的施磷量僅為超高產模式的1/3，但是其籽粒磷素積累量達到了后者的2 倍，相應地，其磷肥偏生產力顯著高于傳統種植和超高產模式。再優化模式以超高產模式1/2 的施鉀量實現了相似的籽粒鉀素積累量，但是其鉀肥偏生產力顯著低于傳統種植和初優化模式。兩個方面限制了再優化模式的鉀素利用效率:第一，施鉀量增加(+73%) 與有限的根系吸收能力[6,21,30]；第二，籽粒中積累的鉀元素在相當程度上依賴營養器官中鉀元素的活化和再分配[21,30]，而其較低的干物質轉運效率(27.0%～34.3%) 和貢獻率 (19.1%～27.6%) 在一定程度上阻滯了轉運。受氣象等因素影響，2014 年再優化模式籽粒鉀素積累量顯著高于超高產模式，但是，綜合考慮五年試驗及方差分析結果，兩者在更長時間跨度內無顯著差異。另外，超高產模式在實現高產的同時并沒有等比例地提高磷和鉀元素的吸收積累，造成了籽粒中磷和鉀元素稀釋，從一個側面表明了夏玉米籽粒品質的降低。前人在小麥和水稻等作物上也發現了相似規律，即，隨作物收獲器官重量的提高，其元素或化合物濃度出現不同程度的降低[31-33]。

表 4 不同農藝管理下夏玉米氮、磷和鉀肥偏生產力 (kg/kg)Table 4 Partial factor production of NPK fertilizers of summer maize in IAPM different treatments

最后，再優化模式在夏玉米產量、氮和磷養分利用效率上有較為優異的表現，但其仍存在花后養分轉運阻滯和鉀肥利用率低等問題。我們將在已有結果的基礎上，嘗試增加種植密度、輪作方式和使用新型肥料 (如菌肥、緩控釋肥等) 等措施繼續優化該模式，以期進一步提高夏玉米產量和養分利用效率。

4 結論

在播期和收獲期不變的前提下，再優化模式通過適當增加種植密度和肥料用量，增加一次追肥措施，進一步顯著增加了夏玉米整個生育期干物質和氮磷鉀養分積累量，特別是提高了花后干物質積累量，實現了產量和肥料效率的協同提高。與常規對照模式相比，再優化模式減氮18.0%，增產27.6%～37.9%，氮、磷肥效率提高47.5%～67.6%；再優化模式相比優化模式增產19.2%～31.9%。