冀東地區晚播春玉米氮素積累、分配與轉運特性

裴世娟 張 萌 李向嶺 王 健 楊 敏 馬洪靜 韓金玲,3,*

(1 河北科技師范學院農學與生物科技學院，河北 秦皇島 066000；2 河北省昌黎縣農業農村局，河北 昌黎 066600；3 河北省作物逆境生物學重點實驗室， 河北 秦皇島 066000)

玉米是我國重要的糧食作物，據國家統計年鑒數據，自2011年開始，玉米的播種面積和產量已躍居三大糧食作物之首[1]，玉米高產穩產對我國的糧食安全具有重要意義。春玉米適期早播能夠延長生育期，提高產量[2-3]。但近60年我國地表溫度呈明顯增加趨勢，華北及東北地區增溫幅度最大[4]。同時東北玉米產區降水呈減少趨勢，且遼寧地區降水減少速度最快[5]。近些年研究表明，華北和東北地區春玉米早播并未提高產量，而適期晚播可使春玉米的需水規律和自然降水的耦合度更高[6-7]，且能避開灌漿期高溫[8]，在提高產量的同時能夠提高水分利用效率，節約用水[9-10]。河北科技師范學院燕山山麓平原小麥、玉米豐產與資源高效利用課題組4年的播期試驗表明冀東地區春玉米播期推遲至5月底，產量最高且穩定[11]。因此，晚播是當前氣候條件下冀東地區春玉米高產穩產的重要措施。

播期通過影響作物各生育時期內的活動積溫、降水量、日照時數以及日較差等氣象因子，間接影響土壤環境[12]。土壤pH值、有機質、全氮、速效鉀、交換性K+、Na+、Mg2+等含量與溫度指標呈正相關關系[13]。土壤微生物群落結構和生理活性隨土壤水分的變化而變化[14]。綜上所述，播期通過影響氣象因子和土壤環境，進而顯著影響作物的生長發育[15-17]及植株對氮、磷、鉀養分的吸收和積累[18-19]。有研究發現春玉米各生育階段植株氮、磷、鉀養分含量的變化與其生育階段內相對積溫和相對日照時數之間呈顯著負相關[12]，大跨度設置播期時(間隔2個月)，早播處理的玉米植株養分吸收量最多[19]。雖然前人對春玉米播期氮素積累和轉運有少量研究，但研究尚不深入，晚播春玉米氮素積累、分配與轉運特性的系統研究未見報道。

本研究以前期篩選出的2個春玉米品種為材料，設置常規播期(5月1日)和晚播(經過4年播期試驗確定的最佳播期，5月30日)兩個處理，進行2年的試驗，通過對春玉米植株氮素積累量和氮素在各器官的分配比例做動態分析，明確晚播春玉米氮素積累和分配特性；并從氮素在各器官積累量變化角度分析，揭示氮素在各器官的轉運特性，以期為晚播春玉米合理施氮和玉米專用控釋肥生產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗于2017—2018年在河北科技師范學院試驗基地(39°75′N，118°94′E)進行。該試驗點處于溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫11.2℃，≥10℃積溫多年平均值為4 132.7℃[20]，無霜期180 d左右，近10年平均降雨量為634.96 mm。前茬作物為春玉米，試驗地土壤類型為褐土，質地為中壤土。土壤有機質含量19.08 g·kg-1，全氮含量1.68 g·kg-1，堿解氮含量102.35 mg·kg-1，速效磷含量23.59 mg·kg-1，速效鉀含量74.10 mg·kg-1。

試驗材料為前期篩選出的適宜本地區種植的高產耐密品種京農科728和MC812(由玉田縣集強農民專業合作社提供)。

1.2 試驗設計

設置5月1日(常規播期)和5月30日(晚播)兩個播期，分別用CD和LD表示。試驗采用裂區設計，品種為主區，播期為副區，3次重復。小區面積50 m2，行長17 m，行距0.58 m，株距0.2 m，機械開溝，人工點播，足墑播種。播前整地時一次性撒施玉米專用控釋肥(氮磷鉀配比為26-10-12)600 kg·hm-2，田間管理同當地生產田。由于常規播期處理的大喇叭口期到抽雄期處在6月下旬至7月上旬，此時冀東地區仍處于少雨時期，因此，常規播期處理在大喇叭口到抽雄期灌水600 m3·hm-2， 晚播處理玉米生長期間無灌水。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 玉米生育進程與氣象數據 調查并記錄播種期、六展葉期、十二展葉期、抽雄期和成熟期等物候期，日均溫和降雨量等氣象數據由秦皇島市氣象局提供。

1.3.2 干物質量 分別于三葉期、六展葉期、十二展葉期、抽雄期、抽雄后13 d、抽雄后26 d、抽雄后39 d和生理成熟期進行取樣，每次每小區選取5株有代表性的植株，按器官(莖鞘、葉片、苞葉、籽粒、穗軸、雄穗)分開，于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重并稱重。

1.3.3 產量 玉米生理成熟期，每處理取有代表性樣點3個，每個樣點連續取5 m雙行，收獲全部果穗，晾干、脫粒、稱重，計算產量。

1.3.4 地上部植株氮素含量 參照喬亞科[21]的方法測定植株氮素含量，即將烘干稱重后的各器官用粉碎機粉碎，過0.5 mm篩。采用H2SO4-H2O2進行消煮，用FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀(福斯分析儀器公司，瑞典)測定其全氮含量。

1.3.5 氮素積累、分配、運轉及利用 相關計算公式如下：

植株氮素積累量(kg·hm-2)=各時期植株干物質積累量×氮素含量；

氮素階段積累量(kg·hm-2)=階段起止期氮素積累量差值；

階段積累百分率=階段積累量/總積累量×100%；

平均日吸收量(kg·hm-2·d-1)=階段吸收量/階段持續天數；

各器官氮素積累量(g·株-1)=各器官干物質積累量×氮素含量；

各器官氮素分配率=各器官氮素積累量/整株氮素積累量×100%；

氮素轉運量(kg·hm-2)=最大氮素積累量-成熟期氮素積累量；

氮素轉運率=氮素轉運量/最大氮素積累量×100%；

氮素轉運對籽粒貢獻率=氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素收獲指數=籽粒氮素積累量/植株地上部氮素吸收量；

氮素生產效率(kg·kg-1)=籽粒產量/植株地上部氮素吸收量；

百公斤籽粒氮素吸收量(kg)=植株地上部氮素積累量×100/產量；

氮素偏生產力(kg·kg-1)=產量/氮素施用量。

1.3.6 玉米干物質和氮素積累模型 具體參數參照肖強等[22]的方法進行計算和模擬，春玉米干物質和氮素積累參數表述及計算方法見表1。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理和作圖，DPS 7.05軟件進行方差分析。由于本研究中2年的各指標數據變化趨勢基本一致，因此采用2年數據的平均值進行分析。

表1 干物質和氮素積累參數表述及計算方法Table 1 Expression and calculating method of dry matter and N accumulation parameters

2 結果與分析

2.1 晚播春玉米生育時期及所處水熱狀況

與常規播期相比，春玉米晚播后各生育時期延遲，生育進程基本晚一個生育時期(表2)。各生育時期所處水熱狀況差異較大，尤其十二展葉期至抽雄期降雨量相差51.65～64.16 mm，常規播期春玉米在十二展葉期至抽雄期需進行灌溉。

表2 兩種播期下春玉米生育時期及所處水熱狀況Table 2 Growth stage and hydrothermal condition with two sowing dates

2.2 晚播春玉米干物質積累特性

2.2.1 干物質積累動態 由圖1可知，春玉米干物質積累呈慢-快-慢的“S”型增長曲線，在干物質積累較快的六展葉期至抽雄后26 d，晚播春玉米干物質積累量少于常規播期，但抽雄26 d之后，常規播期干物質積累出現拐點，積累量增加緩慢，而晚播春玉米仍保持較快的干物質積累速率，成熟期以晚播春玉米干物質積累量較多。

注：L3、L6、L12、TS、TS13、TS26、TS39和MS分別表示三葉期、六展葉期、十二展葉期、抽雄期、抽雄后13 d、抽雄后26 d、抽雄后39 d、成熟期。下同。Note: L3, L6, L12, TS, TS13, TS26, TS39 and MS express from three leaf stage, six completely unrolled leaf stage, twelve completely unrolled leaf stage, tasseling stage, the thirteenth day after tasseling, the twenty-sixth day after tasseling, the thirty-ninth day after tasseling, and maturity stage, respectively. The same as following.圖1 兩播期下春玉米干物質積累動態Fig.1 Dynamics of dry matter accumulation of spring maize with two sowing dates

2.2.2 干物質動態積累的Logistic方程擬合 春玉米干物質積累量與出苗后天數進行Logistic模型擬合的各參數如表3所示，各處理的決定系數R2在0.989 4～0.997 1之間，表明各處理的擬合效果較好。

由表3可知，與常規播期相比，晚播京農科728干物質積累的漸增期持續時間(T1)縮短8 d，其他兩時期持續時間在播期間差異不大；晚播MC812干物質積累的漸增期和緩增期持續時間(T1和T3)均縮短，分別縮短4和8 d，而快增期持續時間(T2)延長4 d，因此，晚播后兩品種干物質積累的總持續時間(T)均縮短8 d，到達最大干物質積累速率的時間(Tm)提前。晚播使得京農科728各干物質積累速率參數均增高，增幅為11.11%～32.93%，漸增期干物質積累速率(V1)增高最多；晚播后，MC812的平均干物質積累速率(-V)、漸增期和緩增期干物質積累速率(V1和V3)均增高，增幅為10.8%～19.25%，而最大干物質積累速率(Vm)和快增期干物質積累速率(V2)分別降低4.39%和4.14%。受干物質積累時間和積累速率的綜合影響，除晚播MC812的緩增期干物質積累量(Y3)少于常規播期外，其他階段干物質積累量均以晚播處理的較高。這說明春玉米晚播后，由于氣溫升高和降水量增加，使春玉米植株生長進程和速率加快，提早進入快增期，且能維持甚至延長快增期持續時間，使春玉米干物質積累量增加。播期對京農科728干物質積累參數的影響大于MC812。

2.3 晚播春玉米氮素積累特性

2.3.1 氮素積累動態 氮素積累動態(圖2)與干物質類似，常規播期的京農科728在抽雄后13 d植株氮素積累明顯減慢，而晚播處理仍保持快速積累態勢，成熟期以晚播京農科728植株氮素積累量較多；MC812對晚播的反應與京農科728類似，常規播期處理在抽雄后26 d氮素積累出現明顯減慢趨勢。以上結果表明晚播春玉米在生育后期仍保持較快的氮素積累態勢。

表3 兩種播期下春玉米干物質積累的Logistic擬合方程Table 3 Fitting Logistic equation of spring maize dry matter accumulation with two sowing dates

圖2 兩播期下春玉米氮素積累動態Fig.2 Dynamics of N accumulation of spring maize with two sowing dates

2.3.2 氮素動態積累的Logistic方程擬合 春玉米氮素積累量與出苗后天數進行Logistic模型擬合的各參數如表4所示，各處理的決定系數R2在0.979 1～0.992 9之間，表明各處理的擬合效果較好。

由表4可知，晚播后，京農科728和MC812氮素積累持續時間均縮短8 d，這主要由氮素積累的漸增期和緩增期持續時間縮短所致，兩品種氮素積累的漸增期持續時間均縮短5 d，緩增期持續時間分別縮短17和7 d，而快增期持續時間分別延長14和4 d，即晚播使春玉米氮素積累提早進入快增期，且延長快增期持續時間，尤其京農科728快增期持續時間延長率達43.75%。晚播促進兩品種氮素平均積累速率、漸增期和緩增期積累速率提高，而最大積累速率和快增期積累速率降低。受氮素積累持續時間和積累速率的綜合影響，除晚播MC812緩增期氮素積累量略少于常規播期外，其他階段氮素積累量均以晚播處理的較高。

表4 兩種播期下春玉米植株氮素積累的Logistic擬合方程Table 4 Fitting Logistic equation of spring maize N accumulation with two sowing dates

2.4 晚播春玉米植株氮素階段吸收特性

由表5可知，兩品種氮素階段吸收量和吸收百分率均出現2個峰值，第1個峰值在六展葉期至十二展葉期，第2個峰值出現在抽雄至成熟階段，且第2峰值高于第1峰值，其階段吸收百分率達31.95%～45.44%。氮素平均日吸收量最大值出現在六展葉期至十二展葉期和十二展葉期至抽雄期，即以十二展葉為中心的時期。

兩品種氮素階段吸收特性對晚播的響應出現差異，晚播京農科728在氮素階段吸收量和階段積累量出現峰值的兩個階段，其氮素階段吸收量和平均日吸收量均高于常規播期；MC812以十二展葉期為分界點，此期之前階段吸收量、階段吸收百分率以常規播期較高，之后以晚播處理較高，而平均日吸收量在抽雄期之前以晚播較高，抽雄期之后常規插期較高。抽雄期之前播期對兩春玉米氮素階段吸收的影響基本不顯著，在氮素階段吸收量最高的抽雄至成熟階段，兩品種的各階段吸收參數基本以晚播的最高，播期間差異顯著，此階段晚播京農科728和MC812的階段吸收量比常規播期分別提高72.56%(54.16 kg·hm-2) 和18.39%(18.46 kg·hm-2)，階段吸收百分率均達45%以上。說明晚播顯著促進抽雄后植株對氮素的吸收。

2.5 晚播春玉米氮素分配比例

由圖3可知，兩品種在抽雄后13 d之前葉片是氮素分配中心，之后隨著籽粒的生長發育，氮素的分配中心轉移至籽粒，至成熟期籽粒氮素分配比例達66.53%～77.41%。播期間比較，晚播春玉米植株莖鞘氮素分配率較高，相應葉片的氮素分配率降低；從籽粒氮素分配率來看，抽雄后13 d時晚播春玉米籽粒氮素分配率較高，但抽雄后26 d時常規播期的籽粒氮素分配率較高，之后晚播處理增加得較快，至成熟期以晚播春玉米籽粒氮素分配率較高。與常規播期相比，成熟期晚播京農科728和MC812籽粒氮素分配比例分別提高10.98和16.36個百分點。成熟期氮素在各器官的分配比例表現為常規播期中籽粒>葉片>莖鞘>苞葉>穗軸>雄穗，晚播處理則為籽粒>莖鞘>葉片>穗軸>苞葉>雄穗。

表5 兩種播期下春玉米氮素階段吸收量、吸收百分率及日吸收量Table 5 Nitrogen absorption,absorption percentage and average daily absorption in growth stage of spring maize with two sowing dates

注：A：京農科728； B：MC812。Note: A: Jingnongke 728. B: MC812.圖3 兩種播期下春玉米氮素分配比例Fig.3 N distribution proportion of spring maize with two sowing dates

2.6 晚播春玉米氮素轉運特性

由表6可知，兩品種在氮素轉運方面對晚播表現出不同的反應。京農科728的莖鞘、雄穗、苞葉、穗軸和整株的轉運量、轉運率、轉運貢獻率均以常規播期的較多，而葉片則基本相反，除莖鞘轉運量、葉片轉運貢獻率、苞葉轉運量和轉運率、整株轉運率外，其他指標在播期間出現顯著差異。MC812的莖鞘、葉片和整株的轉運量、轉運率、轉運貢獻率均以晚播的較多，雄穗和穗軸的轉運量、轉運率、轉運貢獻率均以常規播期的較多，除葉片轉運貢獻率、雄穗轉運率、苞葉轉運量、苞葉和整株轉運貢獻率外，其他指標在播期間出現顯著差異。

2.7 晚播春玉米的氮素利用特性

由表7可知，與常規播期相比，春玉米晚播后的產量、氮素收獲指數和氮素偏生產力均顯著提高。兩品種的氮素生產效率和百公斤籽粒氮素吸收量對播期的響應出現差異，京農科728的氮素生產效率以常規播期的較高，MC812則與其相反，播期間均差異顯著。而播期間百公斤籽粒氮素吸收量差異不顯著。

3 討論

何萍等[23]研究表明，玉米植株氮、磷、鉀積累動態與干物質積累動態基本同步。本研究發現春玉米植株氮素與干物質積累趨勢大致相似，均呈S型曲線，遵循Logistic方程，但積累動態并不同步。春玉米播種后33～39 d(六展葉期)進入氮素積累快增期，在播種后的55～60 d(抽雄期前后)達到氮素最大積累速率，而播種后45～55 d(十二展葉期)進入干物質積累快增期，播種后68～76 d(抽雄后13～26 d)達到干物質最大積累速率；兩品種快增期持續時間相當，大都在42～46 d之間，因此氮素積累的快增期處于六展葉期至抽雄后13 d，而干物質積累的快增期則在十二展葉期至抽雄后26 d，即氮素積累拐點的出現先于干物質，這與黃志浩[24]的研究結果一致。

表6 兩播期下春玉米氮素轉運及其對籽粒的貢獻率Table 6 Translation of nitrogen and contribution rate to grain of spring maize with two sowing dates

表7 晚播對春玉米氮素利用的影響Table 7 Effect of late-sown on nitrogenous utilization efficiency of spring maize

植物吸收的氮素主要來源于土壤有機氮的礦化和氮肥的施用[25]，在一定溫度范圍內(5～35℃)，土壤有機氮礦化速率[26-27]和緩釋肥釋氮速率[28-29]隨溫度的升高而提高。土壤相對含水量大于60%時，土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮素凈礦化速率以及緩釋肥釋氮速率隨含水量的增加而降低[29-31]。冀東地區晚播春玉米生育前期所處環境的溫度高于常規播期[11]，降水量少，促進土壤有機氮礦化和緩釋肥對氮的釋放，使土壤有效氮含量顯著增加[32]。本研究表明，冀東地區晚播春玉米氮素積累漸增期(播種-六展葉期)的速率升高，此時氮素平均日吸收量也顯著高于常規播期；而晚播春玉米氮素積累快增期(六展葉期-抽雄后13 d)的速率則略低于常規播期；晚播春玉米氮素積累緩增期(抽雄后13 d-成熟期)的速率顯著高于常規播期，其相應階段的氮素階段吸收量、階段吸收百分率和平均日吸收量也顯著高于常規播期，與土壤氮礦化和緩釋肥釋氮規律相吻合。這可能與冀東地區晚播春玉米灌漿期處于溫度適宜、降雨量減少的季節，而常規播期春玉米灌漿期處于高溫高濕季節[11]有關。本研究還表明，晚播可以使春玉米氮素積累快增期持續時間延長，增加氮素積累量，這可能與晚播春玉米灌漿期處于溫光水較佳環境條件，玉米植株旺盛生命力保持時間較長有關。

本研究表明冀東地區春玉米氮素階段積累量有兩個峰值，分別是六展葉期至十二展葉期和抽雄期至成熟期，最大值出現在后者，抽雄后氮素積累量占總積累量的31.95%～45.44%，這與王宜倫等[33]的研究結果一致。氮素平均日吸收量有一個峰值，出現在12展葉期(大喇叭口期)前后。因此，冀東地區生產中既要重視穗期氮肥充足，又要保證花粒期氮素的充分供給，才能獲得玉米高產。本研究表明該區域春玉米晚播增加了抽雄至成熟期氮素階段積累量、階段吸收百分率和平均日吸收量，可見，生產中春玉米晚播，應采取后期追施氮肥或基施肥效較長的緩釋肥等措施保證土壤有效氮的充足供應，促進其增產。

前人研究表明玉米在生殖生長期之前氮素積累中心為葉片，之后隨著生殖器官的生長發育，氮素積累中心轉移至籽粒，且成熟期籽粒氮素積累量占氮素總積累量的66%以上[33]，本研究結果與其一致。本研究表明，晚播增加春玉米莖鞘中氮素分配比例，同時促使MC812莖鞘向籽粒轉運氮素的轉運量、轉運率以及對籽粒的貢獻率增加，促使兩春玉米品種葉片向籽粒轉運氮素的轉運量、轉運率以及對籽粒的貢獻率顯著增加，成熟期晚播春玉米籽粒氮素分配比例增加10.98～16.36個百分點。可見，春玉米晚播降低了葉片氮素水平，生產中應注意后期有效氮的充足供應以保持葉片活力，維持葉片光合能力，促進籽粒灌漿，進而達到增產效果。

4 結論

冀東地區春玉米晚播可促進植株對氮素的吸收，尤其顯著促進抽雄期至成熟期春玉米植株對氮素的吸收，使此階段氮素積累量占總積累量的45%以上。晚播提高了春玉米莖鞘中氮素分配比例，降低了葉片的分配比例，同時促進了葉片向籽粒轉運氮素，提高了春玉米籽粒氮素分配比例。生產中應注意對晚播春玉米增加氮肥施用量，且在春玉米生長后期追施氮肥或基施肥效較長的緩釋肥以保證土壤有效氮的充足供應，保持葉片活力，維持葉片光合能力，促進其籽粒灌漿，提高粒重，從而實現增產的目的。