調整播期提高春玉米對養分和氣候資源的利用效率

展文潔，張吉旺，袁靜超，梁 堯，程 松，張水梅，任 軍，劉劍釗*，蔡紅光*

（1 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室, 吉林長春 130033；2 南京農業大學資源與環境科學學院, 江蘇南京 210095；3 山東農業大學/作物生物學國家重點實驗室, 山東泰安 271018）

玉米是我國第一大糧食作物，其種植面積居我國糧食作物首位[1]，在保障糧食安全方面發揮著舉足輕重的作用。吉林省地處“黃金玉米帶”，玉米單產水平較高，適合種植玉米[2]。然而吉林省也存在著霜凍和春旱的農業氣象災害，是影響玉米穩產增產的主要原因[3–4]。播種日期是影響玉米產量的重要因素，適宜的播期可以充分利用生育期內的光溫資源和雨熱條件，提升玉米抗逆性，更加充分發揮吉林省玉米主產區自然條件和土壤肥力的作用[5]。研究表明過晚播種會降低玉米灌漿速率，單株干物質積累量呈下降趨勢[6]。不同的播期由于其光溫資源分配等生態條件的差異，使作物生長過程中營養物質的轉運分配發生變化[7]。小麥和棉花，不同播期處理間氮素累積量差異不顯著，但早播處理下收獲指數較高、產量高進而提高了氮素利用效率[8–9]。水稻在播期處理間的相關分析表明，產量與多個生育時期的氮素吸收量、氮素吸收速率及氮素利用效率呈顯著正相關[10]。玉米葉片中的氮素對籽粒的貢獻率大約占50%～90%，這跟基因型密切相關[11–13]，且不同基因型品種具有不同的硝酸還原酶活性，導致氮素的同化能力不同[14]。因此，品種和播期均會對玉米氮效率產生影響。但不同基因型玉米品種在播期處理下其氮素轉運的響應機制鮮有報道。

此外，近些年研究的熱點是基于長期氣象數據，結合當地土壤、栽培等，采用作物生長模型預測作物在不同太陽輻射、溫度等氣候條件下產量潛力，為實現光溫資源與作物生長的最佳匹配提供參考和指導。侯鵬等[15]通過Hybrid-Maize模型，利用玉米的實際品種特性及區域氣象條件確定了黑龍江省玉米區域的灌溉增產潛力；陳明等[16]借助CERES-maize模型表明推遲播期有利于玉米增產。但Alexandrov等[17]和Babel等[18]等提出提前播種可提高玉米產量。

基于此，本研究擬通過兩年田間試驗，通過比較不同播期對玉米生長及產量的影響，解析不同氮效率基因型對播期的響應機制；并通過Hybrid-maize模型進行產量潛力比對分析，探明東北中部影響玉米產量的關鍵氣象因子，為當地玉米生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2015年在吉林省中部農安縣進行。該地屬大陸性季風氣候，地勢平坦，四季分明，年均氣溫4.7℃，平均無霜期145天，年均降雨量507.7 mm，有效積溫2770℃～2800℃。供試土壤為黑鈣土，0—20 cm土壤有機質25.0 g/kg、速效氮121 mg/kg、速效磷 24.2 mg/kg、速效鉀 167 mg/kg、pH 7.90，2014—2015年的降雨及積溫等氣象信息見圖1。

圖1 試驗點2014—2015年玉米生育期降雨量和日均溫Fig. 1 Rainfall and daily mean temperature during the growth period of spring maize at the experiment station in 2014–2015

1.2 試驗設計

試驗為雙因素裂區設計，主因素播期，分別為早播(4月24日)、中播(5月4日)、晚播(5月14日)；副因素品種，分別為先玉335 (XY335)、鄭單 958 (ZD958)。各個處理均施 N 200 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2。氮肥為尿素 (含 N 46%)，磷肥為磷酸二銨 (含 N 18%、P2O546%)，鉀肥為氯化鉀(含 K2O 60%)，磷肥鉀肥一次性基施，氮肥 50 kg/hm2作底肥施用，150 kg/hm2在拔節期作追肥施用。小區面積40 m2，每個處理重復3次，播種密度6萬株/hm2。2014年于9月23日統一測產，2015年于9月28日統一測產。

1.3 樣品采集與測定方法

在玉米播種前采集0—20 cm耕層土壤樣品，采用常規方法測定土壤養分。分別在第6片展葉期(V6)、開花期(VT)、生理成熟期(R6) 3個時期取植株地上部。每個小區選取有代表性的植株3株，成熟期選取5株。地上部植株按照莖、葉、籽粒、穗軸4部分分開，烘干稱重后粉碎，采用凱氏定氮法測定各器官氮含量。成熟期收獲中間2 行玉米，裝入尼龍網袋曬干脫粒稱重，以籽粒含水量14%折算小區產量。采用常規方法考種，取10株標準穗，人工調查穗行數和行粒數，計算得出穗粒數，然后脫粒，取5組稱量300粒重，折算百粒重。

1.4 相關指標計算方法[19–20]

營養器官氮素轉運量(kg/hm2) = 開花期營養器官氮素積累量－成熟期營養器官氮素積累量；

氮素轉運效率(%) = 營養器官氮素轉運量/開花期營養器官氮素積累量×100

氮素轉運對籽粒氮的貢獻率(%) = 營養器官氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100

開花后氮素同化量(kg/hm2) = 成熟期籽粒氮素積累量－營養器官氮素轉運量；

1.5 模型分析

基于農安地區氣象站數據信息，采用美國內布拉斯加州林肯大學開發研制的Hybrid-Maize 模型進行玉米生長預測和分析[21-22]，以評估不同播期玉米群體最優產量潛力及與太陽輻射、溫度等氣象條件的響應關系。

1.6 數據統計與分析

試驗數據采用Excel 2016和Origin 8.5進行整理分析與繪圖制作，用SPSS 21.0軟件進行多重比較(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 不同播期處理下干物質累積、產量及其組分

由表1可知，XY335在早、中、晚播期的干物質積累量(生物量)兩年平均分別為21233、21249、20311 kg/hm2；ZD958在早、中、晚播期的干物質積累量兩年平均分別為 21031、20637、20405 kg/hm2。不同播期間比較，XY335品種在兩個試驗年份均為中播處理下產量較高，兩年較早播處理、晚播處理平均分別增加9.9%、17.4%。從產量形成來看，其百粒重較早播處理、晚播處理相應增加2.8%、3.4%。ZD958品種在兩個試驗年份均為晚播處理下產量最低，兩年平均較早播處理、中播處理分別減少8.6%、5.4%。品種間進行比較，綜合兩年結果，XY335產量中播處理高于ZD958，增幅為8.4%，百粒重增幅為3.1%。2015年，XY335品種在中播處理和晚播處理下的產量均顯著高于ZD958 (P<0.05)，產量增幅分別為16.3%和5.9%。

表1 不同播期玉米產量及其構成因素Table 1 Maize yield and its component under different sowing dates

2.2 不同處理下干物質及氮的積累動態

隨著生育時期的推進，植株干物質積累量和氮素積累量均呈逐漸增加的趨勢(圖2、圖3)。年度間比較，XY335和ZD958品種2015年V6—VT和VT—R6時期的干物質積累量和氮素積累量均高于2014年，干物質積累量平均增幅分別為29.1%和15.6%，氮素積累量平均增幅分別為44.9%和63.4%，這可能與兩年間玉米生育期的降水、光溫資源匹配情況不同有關。播期間進行比較，XY335在兩年間均表現為中播處理下，VT—R6期干物質積累量和氮素積累量最高，2014年VT—R6期中播處理下干物質積累量較早播處理和晚播處理分別增加8.5%和12.5%，氮素積累量較早播處理和晚播處理分別增加39.1%、57.7%；2015年VT—R6期中播處理下干物質積累量較早播處理和晚播處理分別增加6.8%、11.7%，氮素累積量分別增加14.8%、29.8%。綜合兩年來看，XY335中播處理花后干物質積累量較其他處理增加9.8%，氮素積累量較其他處理增加35.4%。ZD958在2014年表現為V6—VT期早播處理下干物質累積量最高，2014年V6—VT期早播處理下干物質積累量較中播和晚播處理分別提高39.6%、40.8%，氮素積累量較中播和晚播處理分別增加107.7%和69.0%；ZD958在2015年V6—R6期晚播處理氮素累積量較早播處理和中播處理分別降低0.2%和3.6%。兩年平均，早、中、晚3個播期XY335氮素積累量分別為 184.2、192.5、171.1 kg/hm2；ZD958氮素積累量分別為 173.7、163.4、154.9 kg/hm2。

圖2 不同播期玉米干物質積累動態Fig. 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize under different sowing dates

圖3 不同播期玉米氮素累積動態Fig. 3 Dynamics of N accumulation of maize under different sowing dates

品種間進行比較，綜合兩年，XY335中播處理氮素積累量在V6、VT和R6期較ZD958平均增加15.3%。2015年，XY335在V6—R6期的總氮素積累量均高于ZD958，早播、中播和晚播處理下的增幅分別為14.1%、21.1%、16.0%。2014年無明顯差異。

2.3 不同播期處理下氮素轉運及對籽粒氮的貢獻率

由表2可知，播期對XY335和ZD958的氮素轉運均有顯著影響。兩年平均，XY335在早、中、晚播期的氮素轉運率分別為35.1%、45.7%、35.8%；氮素對籽粒氮的貢獻率分別為19.4%、29.6%、23.9%。ZD958在早、中、晚播期的氮素轉運率分別為39.2%、36.4%、25.6%；氮素對籽粒氮的貢獻率分別為32.7%、25.4%、13.7%。XY335品種，2014和2015年中播處理的氮素轉運均明顯增多，兩年間其轉運量較早播處理、晚播處理平均分別增加59.4%、43.7%，轉運率分別增加30.1%、27.6%，對籽粒氮的貢獻率分別增加52.1%、23.7%； ZD958品種兩年間晚播處理的氮素轉運明顯偏低，早播和中播處理氮素轉運量較晚播處理分別增加114.4%、55.1%，轉運率分別增加53.3%、42.2%，差異均達顯著水平(P<0.05)。

表2 不同播期下氮素轉運及其對玉米籽粒氮的貢獻率Table 2 Nitrogen transport and contribution rate to grain nitrogen under different sowing dates

品種間進行比較，綜合兩年，XY335中播處理氮素轉運量較ZD958平均增加35.4%。2014年，兩品種早播處理和晚播處理氮素轉運存在明顯差異，其中早播處理ZD958氮素轉運明顯高于XY335，轉運量、轉運率和對籽粒氮的貢獻率分別增加82.3%、28.6%和92.9%；晚播處理兩年間XY335氮素轉運均優于ZD958，其轉運量和對籽粒氮的貢獻率在兩年間平均分別增加77.5%、75.1%。這表明播期能顯著影響玉米氮素轉運狀況。

2.4 基于Hybrid-Maize模型對不同播期玉米的產量分析

通過Hybrid-Maize模型模擬得出兩年間農安地區不同播期下玉米的理論產量、生物量及光溫資源配置情況。由表3可知，在各個處理中，理論產量和實際產量中均存在一定的產量差和生物量差。兩品種的模擬產量與全生育期太陽總輻射量成正比，與營養生長期日均溫呈反比。但實際產量與模擬產量的變化規律不完全一致，XY335品種實際產量與生殖生長期的日均溫成正比，XY335品種在中播處理下達最高實際產量，為12.0 t/hm2，而ZD958的實際產量與營養生長期的天數顯著相關(P< 0.05)，其晚播處理下實際產量最低，僅為10.5 t/hm2，營養生長天數較早播和中播處理分別縮短13.5和8天。從模擬與實際產量差來看，兩品種均在早播處理下的產量差最大，這是由于兩品種在早播處理下的模擬產量較高，這與早播處理在全生育期的日輻射量較高，且營養生長期的日均溫較低有關。

表3 不同播期處理下的玉米產量潛力及光溫資源配置Table 3 Yieldpotential andlight temperature resource allocation of maize varieties at different sowing dates

3 討論

本研究通過兩年田間定位試驗對不同播期處理下玉米品種產量、氮效率的響應機制進行了分析。證實了通過品種選擇和播期優化的管理措施可以實現品種與既定環境的光溫資源耦合和玉米高產。研究表明，播期不同會對玉米生育進程的光熱資源需求產生影響，而溫度和光照是影響玉米生長發育的關鍵氣象因子[23–24]，適宜的播期可以使玉米在生長過程中充分利用氣候和養分資源，提升作物抗逆性，實現產量與效率同步提升[25–26]。

兩年間，XY335品種均表現為在中播處理下產量最高，比早播和晚播處理分別增加9.9%和17.4%。Hybrid-Maize 模型分析表明，兩年間的模擬產量均值與營養生長期日均溫呈負相關，與全生育期的日輻射呈正相關。XY335品種在中播處理下實際產量較高，主要表現為生殖生長期日均溫較高，其實際產量與生殖生長期日均溫表現出高度一致性。生殖生長階段是物質向籽粒轉移的關鍵時期[27]，該時期日均溫增加，會提高玉米灌漿進程[28]，進而使籽粒產量增加[29]。兩年間，ZD958品種均表現為晚播處理下產量最低，其產量較早播處理和中播處理分別降低8.6%、5.4%，ZD958實際產量與營養生長期的天數呈正相關，這可能與早播可避開花期高溫高濕的不利條件，促進玉米光合作用有關[30]，同時也表明XY335和ZD958品種具有明顯的差異。從模擬與實際產量差來看，兩品種均在早播處理下的產量差最大，晚播處理下，降水量較低，均為273 mm，這也是造成產量下降的主要原因。從光溫資源匹配角度來看，XY335品種的籽粒形成與生殖生長期日均溫有關，而ZD958品種的籽粒形成與全生育期日輻射總量及營養生長期天數有關；從水分條件來看，Hybrid-Maize模型模擬得出XY335品種隨播期后移其對降水需求量逐漸降低，但ZD958則無此規律。黃秋婉等[31]研究表明，春玉米的潛在產量和雨養產量差異明顯，表明降水對春玉米產量的限制較大。因此，光溫水資源三者的統籌配置合理，才更加有利于籽粒形成。

干物質積累和氮素積累是影響玉米籽粒干重的重要因素，播期和作物品種會影響氮素吸收積累[10,32]。前人研究表明，適宜的播期有利于提高作物氮素轉運率，提高營養器官中干物質的輸出能力[33]。本研究中，XY335在中播處理下產量最高，其玉米花后的干物質積累量較其他處理平均增加9.8%，氮素積累量較其他處理增加35.4%。這表明適宜播期使玉米花后養分積累和干物質積累得到協同提高，促進養分轉運量，進而促進籽粒形成[34]。

綜合兩年結果，XY335品種產量在中播處理高于ZD958品種，增幅為8.4%，百粒重增幅為3.1%；XY335品種氮素累積量在V6、VT和R6期較ZD958品種平均增加15.3%，氮素轉運量平均增加35.4%。這主要是由于XY335后期葉片的氮素轉運效率更高[34]，而氮的高效吸收主要表現在氮素向籽粒的轉運增多，提高氮素轉運量可達到增產效果。

4 結論

播期和品種不同造成的產量差異，主要與開花后的干物質累積量與氮素累積量有關，提升氮素轉運量可有效促進增產。XY335在花后氮素轉運效率優勢明顯，其產量增加受生殖生長階段日均溫影響較大，ZD958產量增加與營養生長期天數、全生育期總輻射量相關性較大。在本試驗條件下，XY335適宜在5月4日左右播種，ZD958適宜早播。