不同栽培方式下春玉米養(yǎng)分累積與轉(zhuǎn)運特征

王藝霖，張水梅，袁靜超，程 松，梁 堯，劉松濤，任 軍，蔡紅光，劉劍釗*

（1．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118；2．吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，吉林 長春 130033）

玉米是世界三大糧食作物之一，在世界谷物類作物中，玉米的種植范圍和總產(chǎn)量均居第三位［1］。我國具有全球最廣的玉米種植面積［2］，是我國第一大作物，糧食增產(chǎn)的主力軍［3］。玉米持續(xù)高產(chǎn)對于保障國家糧食安全至關(guān)重要。在玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)技術(shù)方面，前人最初多集中于對增加密度、優(yōu)化施肥、改良耕作等獨立因素的研究，隨著生產(chǎn)需求的變化，近年來逐漸過渡到以綜合養(yǎng)分管理方式或栽培模式為主的綜合性研究。劉正等［4］研究表明，通過增加種植密度，優(yōu)化氮肥施用量，可以顯著增加夏玉米整個生育期干物質(zhì)和氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量，從而實現(xiàn)增產(chǎn)、增效的目標。張秀芝等［5］研究表明，在改良耕作方式的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)厣钍┗屎陀袡C肥，可有效增加氮、磷、鉀養(yǎng)分在植株的累積量，提高氮素在籽粒中的累積比例，從而達到增產(chǎn)增收的目的。袁靜超等［6］通過合理增加種植密度、優(yōu)化化肥用量和施用時期、增施有機肥等措施，實現(xiàn)了春玉米產(chǎn)量和效率的協(xié)同提高。靳立斌等［7］研究表明，通過優(yōu)化氮肥施用量及施肥時期，可以增加氮素利用效率，提高氮素積累量和氮肥偏生產(chǎn)力，實現(xiàn)夏玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)。綜上所述，本研究在東北中部雨養(yǎng)區(qū)，通過兩年田間定位試驗，監(jiān)測綜合優(yōu)化種植密度、肥料施用的情況下，對春玉米群體的產(chǎn)量和氮、磷、鉀養(yǎng)分累積規(guī)律及轉(zhuǎn)運特征進行研究，以期為當(dāng)?shù)卮河衩赘弋a(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012～2013年在吉林省農(nóng)安縣靠山鎮(zhèn)（44°47′47″N，125°40′48″E，海拔154 m）進行。該地區(qū)屬于松嫩平原黑土帶玉米連作區(qū)。年均降水量425 mm，無霜期平均145 d，年均積溫2800 ℃。土壤類型為中層黑土，耕層土壤主要性狀為：有機質(zhì)2.6%、堿解氮141.9 mg/kg、有效磷21.4 mg/kg、速效鉀129.0 mg/kg、pH值7.0。試驗田為雨養(yǎng)，全年無灌溉。2012、2013年生育時期降水量、≥10℃有效積溫和日照時數(shù)分別為453.6和450.1 mm、3019.2和3054.7℃、1024.4和1145.3 h（圖1）。

圖1 玉米生育期降水量及有效積溫分布

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3種栽培模式，均采用大區(qū)種植，面積400 m2，每區(qū)重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。具體設(shè)計如下：

（1）農(nóng)戶模式（TRA）：均勻壟，壟寬60 cm，清除根茬；播種密度5.0 萬株/hm2；氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的施用量分別為225、82.5、67.5 kg/hm2，一次性底肥施入。

（2）優(yōu)化栽培模式1（OPT-1：均勻壟，壟寬60 cm；拔節(jié)期壟溝深松20 cm，根茬還田，施用優(yōu)質(zhì)農(nóng)肥40 m3/hm2；播種密度8.0萬株/hm2；氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的施用量分別為330、150、150 kg/hm2；其中30%氮肥和全部磷、鉀肥作底肥施入，70%氮肥在拔節(jié)期追施，有機肥在滅茬前作底肥施入。

（3）優(yōu)化栽培模式2（OPT-2）：均勻壟，壟寬60 cm；拔節(jié)期壟溝深松20 cm，根茬還田，施用優(yōu)質(zhì)農(nóng)肥40 m3/hm2；播種密度9.0萬株/hm2，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的施用量分別為330、150、150 kg/hm2。全部有機肥、30%氮肥和60%磷肥、60%鉀肥在滅茬前作底肥深施，5%氮肥和10%磷肥、10%鉀肥作種肥施用，45%氮肥于拔節(jié)期追施，20%氮肥和30%磷肥、30%鉀肥在抽雄期前追施。

供試品種均為利民33（LM33）。試驗所用氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為磷酸二銨（18-46-0）、鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。試驗于5月上旬播種，10月上旬收獲，其他管理方式均同一般大田。

1.3 測定項目與方法

在玉米播種前采集耕層土壤樣品，采用常規(guī)方法測定土壤養(yǎng)分。2013年在玉米6展葉（V6）、12展葉（V12）、開 花（R1）、灌 漿（R3）、成熟（R6）5個生育時期于每個小區(qū)選取有代表性的植株3株，將葉、莖（鞘）、籽粒、穗軸分開，烘干，粉碎，測定各器官氮、磷、鉀含量，其中全氮采用凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度法。2012、2013年收獲時全區(qū)測產(chǎn)，并以玉米籽粒含水量在14%時折算，另取10穗標準穗考種，調(diào)查穗粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成。

1.4 有關(guān)指標計算［8-10］

開花期氮（磷、鉀）轉(zhuǎn)運量（kg/hm2）=開花期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量-成熟期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量；

開花期氮（磷、鉀）轉(zhuǎn)運效率（%）=［開花期營養(yǎng)器官氮/（磷、鉀）累積量-成熟期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量］/開花期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量×100；

花前氮（磷、鉀）轉(zhuǎn)運對籽粒氮（磷、鉀）貢獻率（%） = ［開花期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量-成熟期營養(yǎng)器官氮（磷、鉀）累積量］/成熟期籽粒氮（磷、鉀）累積量×100；

花后氮（磷、鉀）累積量（kg/hm2）=成熟期氮（磷、鉀）累積量-開花期氮（磷、鉀）累積量；

花后氮（磷、鉀）轉(zhuǎn)運對籽粒氮（磷、鉀）貢獻率（%）=100-花前氮（磷、鉀）轉(zhuǎn)運對籽粒氮（磷、鉀）貢獻率；

偏生產(chǎn)力（kg/kg）=玉米產(chǎn)量/施肥量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與計算方法

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理和作圖，采用SPSS 23.0進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式下籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成

兩年定位試驗結(jié)果表明，與TRA處理相比，OPT-1和OPT-2處理下產(chǎn)量均顯著增加（表1），其中，2012年兩個處理比TRA處理分別增加12.8%和24.6%，2013年兩個處理較TRA處理分別增加了11.6%和24.2%。在產(chǎn)量構(gòu)成中，OPT-1和OPT-2處理下兩年的收獲穗數(shù)分別比TRA處理增加65.4%和81.5%，且處理間差異顯著，而OPT-1和OPT-2處理下的穗粒數(shù)和百粒重較TRA處理明顯降低，降幅分別為17.5%、40.0%和16.6%、12.0%，表明收獲穗數(shù)的增加是產(chǎn)量增加的主要原因。方差分析結(jié)果表明，年份和栽培模式對收獲穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量均產(chǎn)生了極顯著影響，年份和栽培模式的交互作用對百粒重造成了極顯著影響，對收獲穗數(shù)也產(chǎn)生了顯著影響，而栽培模式對于收獲穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量和生物量均產(chǎn)生了極顯著影響，說明合理提升密度可以實現(xiàn)產(chǎn)量的提升。

表1 不同栽培模式下籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.2 不同栽培模式下干物質(zhì)累積特征

3種栽培模式下植株干物質(zhì)累積量均隨著玉米生育進程而不斷增加（圖2）。其中，OPT-2處理下的干物質(zhì)累積在整個生育進程中均顯著高于OPT-1處理；在開花期前，OPT-2處理下干物質(zhì)累積量較OPT-1高21.2%，較TRA處理高62.1%；在開花期后，OPT-2處理下干物質(zhì)累積量較OPT-1處理高11.4%，較TRA處理高32.2%；至成熟期，OPT-2處理下干物質(zhì)累積量較OPT-1處理高10%，較TRA處理高24.2%，OPT-2處理顯著提高了群體干物質(zhì)的累積量，是其增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。各處理間干物質(zhì)積累動態(tài)從6展葉期至成熟期，隨著生育進程的推進，干物質(zhì)大致呈現(xiàn)由快到慢的積累動態(tài)，從6展葉期至開花期干物質(zhì)積累較快，隨后進入緩慢增長期，OPT-2處理在開花期前的干物質(zhì)積累量顯著高于TRA處理，并且干物質(zhì)積累速率較開花期后的干物質(zhì)積累速率要高，在開花期后累積量增長有所緩慢，在開花期和成熟期，OPT-1和OPT-2處理間無顯著差異。

圖2 不同栽培模式下春玉米干物質(zhì)累積動態(tài)

2.3 不同栽培模式下氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收累積特征

與干物質(zhì)累積規(guī)律相似，從6展葉期至成熟期，各處理下植株氮素累積量逐漸增加（圖3），累積速率在開花期達到最大。在開花期前，氮素累積較快，并且氮素累積速率顯著高于開花期后的氮素累積速率，OPT-2處理在開花期前的氮素累積量明顯高于OPT-1和TRA處理，但OPT-2處理下氮素吸收速率與OPT-1處理無顯著差異。至成熟期，OPT-2和OPT-1處理氮素累積量顯著高于TRA處理，并隨著生育進程差距逐漸增大，OPT-2處理下整株氮素積累量較OPT-1處理增加了12.8%，較TRA增加了39.2%。從分配比例來看，在成熟期氮素分配比例以籽粒最大，各處理間籽粒氮素分配比例為OPT-2＞OPT-1＞TRA，在成熟期OPT-2和OPT-1處理籽粒的氮素分配比例分別為67.2%和64.4%，表明OPT-2和OPT-1處理成熟期籽粒中氮素積累量占全株氮積累量的比例較大。

圖3 不同栽培模式下春玉米不同生育時期氮素累積動態(tài)與分配比例

OPT-2和OPT-1處理在6展葉期至成熟期的磷素累積量無顯著差異，但隨著生育進程的推進各處理下磷素累積量差距逐漸增大，并在開花期達到最大（圖4）。OPT-2處理在開花期前的磷素累積量顯著高于OPT-1和TRA處理，3個處理下磷素累積速率均高于開花期后磷素累積速率。OPT-2和OPT-1處理通過保持較高的磷素積累速率，從而提高植株開花后的磷素積累量，進而增加了籽粒養(yǎng)分累積。在成熟期，OPT-2處理下整株全磷積累量較OPT-1處理增加10.4%，較TRA處理增加26.1%，且各處理間差異顯著。從分配比例來看，在成熟期OPT-2和OPT-1處理籽粒的磷素分配比例分別為73.4%和69.3%，與TRA處理相比，OPT-2和OPT-1處理開花期至成熟期磷素積累量占整個植株磷素積累總量比重的提高幅度達顯著水平。

圖4 不同栽培模式下春玉米不同生育時期磷素累積動態(tài)與分配比例

鉀素累積量在整個生育期內(nèi)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢（圖5），3個處理下的累積速率在12展葉期至開花期累積速率較快，而至灌漿期后累積速率變慢。OPT-2和OPT-1處理隨著生育進程的推進，各處理下鉀素累積量差距逐漸增大，并在開花期達到最大。OPT-2處理下鉀素累積量始終高于OPT-1處理，至成熟期，其鉀素累積量較OPT-1處理高12.8%，較TRA處理高27.5%，且差異顯著。從分配比例來看，在成熟期鉀素分配比例籽粒和穗軸占比較大，在成熟期OPT-2和OPT-1處理籽粒和穗軸的鉀素分配比例分別為59.0%和58.7%、61.6%和63.0%。

圖5 不同栽培模式下春玉米不同生育時期鉀素累積動態(tài)與分配比例

2.4 不同栽培模式下養(yǎng)分轉(zhuǎn)運及分配

從表2可知，在開花期前，OPT-1處理下的氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率以及貢獻率較OPT-2處理分別提高了2.4%、18.2%、7.4%，但處理間差異不顯著，較TRA提高了55.1%、25.2%、17.0%；在開花期后，OPT-2處理下氮素累積量及貢獻率比OPT-1處理分別提高了8.6%和3.9%，但處理間差異不顯著，TRA處理的氮素累積對籽粒氮素累積貢獻率比OPT-2處理提高了4.2%，比OPT-1處理提高了8.3%。

表2 不同栽培模式對春玉米開花期前后營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運及其對籽粒氮素累積的貢獻

由表3可知，在開花期前，OPT-2處理下磷素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率以及貢獻率比OPT-1處理分別提高了47.6%、18.0%、30.4%，且處理間差異不顯著，轉(zhuǎn)運率較TRA提高了74.6%；在開花期后，OPT-1處理磷素累積量及貢獻率比OPT-2處理分別提高了8.8%和23.5%，處理間差異顯著，TRA處理下磷素累積量及貢獻率比OPT-2處理提高了24.4%和62.2%。

表3 不同栽培模式對春玉米開花期前后營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)運及其對籽粒磷素累積的貢獻

由表4可知，在開花期前，OPT-2處理下鉀素轉(zhuǎn)運量、貢獻率比OPT-1處理分別提高了8.7%、2.8%，較TRA提高了26.7%、3.2%；在開花期后，OPT-2處理下鉀素累積量比OPT-1和TRA處理分別提高了9.0%、36.7%，OPT-1處理的鉀素累積對籽粒鉀素累積貢獻率比OPT-2處理高70.3%，且差異顯著。

表4 不同栽培模式對春玉米開花期前后營養(yǎng)器官鉀素轉(zhuǎn)運及其對籽粒鉀素累積的貢獻

綜上所述，栽培模式影響玉米花前氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率，花前氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運對籽粒氮、磷、鉀素累積的貢獻率，同時也顯著影響花后氮、磷、鉀素累積量以及氮、磷、鉀素累積對籽粒氮、磷、鉀素累積的貢獻率。OPT-2和OPT-1處理是通過提高花后植株氮、鉀積累來增加籽粒養(yǎng)分積累量，OPT-2和OPT-1處理下的氮、磷、鉀素累積對籽粒氮、磷、鉀素累積貢獻率顯著低于TRA處理，表明TRA處理主要通過增加花后植株體內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)運來提高籽粒養(yǎng)分積累量。

2.5 不同栽培模式下氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力

由表5可知，在2012和2013年，3種栽培模式下氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力均以O(shè)PT-1處理最低，與OPT-1處理相比，OPT-2和TRA處理下氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力顯著提高，OPT-2處理比OPT-1處理兩年的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力平均增加了10.8%，TRA處理比OPT-1處理兩年的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力分別增加了30.7%、61.8%和98.1%，且均達顯著水平。與TRA處理相比，OPT-2和OPT-1處理均未提升玉米的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力，因為OPT-1和OPT-2處理下肥料用量較高，存在養(yǎng)分報酬遞減的情況，導(dǎo)致其養(yǎng)分綜合利用效率沒有提高。

3 討論

本研究通過設(shè)置3種不同栽培管理方式，研究了其對玉米產(chǎn)量構(gòu)成、養(yǎng)分累積與轉(zhuǎn)運特征的影響。研究表明，當(dāng)密度從5.0萬株/hm2增加到9.0萬株/hm2時，結(jié)合優(yōu)化施肥管理，產(chǎn)量可增加24.4%。這表明增加密度是增加產(chǎn)量的重要方式［11-12］。王宏庭等［13］研究表明，在施肥量相同的條件下，密度由4.5萬株/hm2增加至6.0萬株/hm2，產(chǎn)量增加19.7%，表明適當(dāng)增加密度可以實現(xiàn)增產(chǎn)。在玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子方面，本研究OPT-1與OPT-2處理下產(chǎn)量和收獲穗數(shù)均顯著高于TRA處理，OPT-1和OPT-2處理下收獲穗數(shù)分別比TRA處理增加65.4%和81.5%，這與郭曉紅等［14］和殷文等［15］的研究基本一致。魏廷邦等［16］研究表明，對籽粒產(chǎn)量影響最大的是有效穗數(shù)，可以通過增加玉米有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)。

鄭利芳等［17］和周琦等［18］研究表明，優(yōu)化施肥量和施肥時期也可以提高玉米產(chǎn)量。當(dāng)?shù)适┯昧吭诤线m的范圍內(nèi)時，可以保證玉米穩(wěn)產(chǎn)，提高氮肥利用率和經(jīng)濟效益［19］。施磷量不影響各器官間生物量和磷的分配，隨著施磷量的增加地上部的生物量增加，在最適施磷量時，玉米產(chǎn)量增加［20］。適宜的種植密度和施肥方法可以提高干物質(zhì)積累量，促進氮、磷、鉀吸收，提高籽粒氮、磷、鉀的含量和氮、磷、鉀的利用效率，從而提高玉米產(chǎn)量［21］。植株養(yǎng)分累積量均隨著生育進程的推進而差距增大［22］，本研究在開花期達到最大，而且在開花期之前積累速率較快，之后積累速率有所下降。侯云鵬等［23］研究表明，相對于一次性施氮，氮肥后移可顯著提高氮、磷、鉀的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率和籽粒養(yǎng)分增加量。本研究中，鉀肥的偏生產(chǎn)力和鉀素吸收效率均大于或顯著大于氮、磷肥的偏生產(chǎn)力和吸收效率，這與張光巖等［24］的研究結(jié)果一致。OPT-1和OPT-2處理與TRA處理相比均未提升玉米的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力，主要是由于OPT-2處理增加了化肥用量后，養(yǎng)分綜合利用效率隨之下降，增加的氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移比例減少［25］。

4 結(jié)論

在東北中部地區(qū)中等土壤肥力條件下，將種植密度增加至9.0萬株/hm2，優(yōu)化氮、磷、鉀肥運籌方式，調(diào)增氮肥在拔節(jié)期的施用比例，可顯著提高玉米生育期內(nèi)干物質(zhì)的積累量和累積速率，增加玉米在成熟期氮、磷、鉀的累積量，提升轉(zhuǎn)運效率，進而實現(xiàn)玉米增產(chǎn)20%以上的目標。