不同施肥模式對春玉米干物質積累轉運、籽粒灌漿和產量的影響

竇克磊，韓金玲，王 健，李向嶺，郭雪云，劉學銳，馬澤華，楊金雨，楊 晴

(河北科技師范學院農學與生物科技學院/河北省作物逆境生物學重點實驗室，河北秦皇島 066600)

氮素是影響玉米生長和產量形成的重要因素[1]，冀東地區夏季多雨，該地區傳統的施肥模式是將普通復合肥與尿素在播種前一同施入，這種“一炮轟”的施肥模式往往既會造成氮素淋失，也會造成環境污染、氮素利用率下降[2]，同時也會使玉米生育后期脫肥早衰，導致減產[3]。緩釋肥養分釋放與作物吸收同步，在生育前期不易燒苗[4]，具有延長養分有效期、提高氮肥利用率和玉米產量、節約勞動力等優點[5-7]。雖然緩釋肥易受高溫干旱影響在生育前期養分釋放緩慢，但也有研究表明，前期適度控氮可以促進干物質和氮素向籽粒轉運[8]。但緩釋肥價格偏高，而緩釋肥與尿素混施較單施緩釋肥成本低。王宜倫等研究發現，緩釋肥與尿素摻混施用相比普通復合肥可使夏玉米增產8.28%[9]。緩釋肥與尿素混施還可以維持土壤較高的氮素水平，提高氮肥利用率[10-11]。邵國慶等認為，緩釋肥主要通過增加百粒質量和穗粒數來增產[12]。控釋氮肥和尿素合理配施有利于延緩植株衰老，增加玉米產量[13]。施用緩釋肥也會降低收獲后氮素盈余量和硝態氮含量，降低地下水受到氮素污染的風險[14]。

綜上所述，前人關于緩釋肥的研究多集中在不同類型緩釋肥與尿素配施對玉米產量、氮素利用率、環境污染和經濟效益的影響等方面，而有關緩釋肥基施+尿素追施在冀東地區能否獲得高產的研究尚未見報道。因此，本試驗通過田間試驗研究不同施肥模式對春玉米干物質積累轉運、籽粒灌漿和產量的影響，以期為冀東地區春玉米合理施肥模式的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗于2021年在河北省秦皇島市昌黎縣龍家店鎮汪上村(119°03′E，39°43′ N)進行。前茬作物為春玉米，土質為中壤土。耕層土壤pH值7.2，有機質含量21.38 g/kg，堿解氮含量120.87 mg/kg，速效磷含量9.65 mg/kg，速效鉀含量84.12 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試春玉米品種為MC812，試驗采用單因素隨機區組設計。供試氮肥為尿素(N≥46%)，普通復合肥(N、P2O5、K2O含量分別為15%、15%、15%)，緩釋肥(N、P2O5、K2O含量分別為26%、12%、10%)；磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%)；鉀肥為硫酸鉀(K2O≥52%)。以不施氮肥為對照(CK)，設計5種施肥模式：50%普通復合肥+50%尿素全部基施(常規施肥，CB)；50%普通復合肥+20%尿素基施+30%尿素大口期追施(常規優化施肥，CT)；100%緩釋肥基施(緩釋施肥，SB )；70%緩釋肥基施+30%尿素大口期追施(緩釋優化施肥，ST)，并以不施氮肥為對照(CK)。3次重復，小區面積48 m2。各施氮處理純N用量均為210 kg/hm2，所有處理磷鉀肥均為96 kg/hm2，全部磷鉀肥播種前一次性基施。種植密度75 000 株/hm2，行距60 cm，株距22 cm，于2021年5月24日機械播種，9月10日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉面積指數 在玉米關鍵生育時期(拔節期、大口期、吐絲期、灌漿中期、成熟期)，每個處理選3株代表性植株，參照王樂等的方法[13]計算葉面積指數(LAI)。

1.3.2 葉綠素相對含量 在玉米關鍵生育時期，采用 SPAD-502plus 葉綠素測量儀(Konica Minolta 公司，日本)測定玉米穗位葉中部(拔節期測第6葉)的葉綠素相對含量(SPAD)。

1.3.3 干物質積累量 測完葉面積后將植株分為莖稈(含葉鞘)、葉片、雄穗、苞葉、穗軸和籽粒6個部分，其中吐絲期苞葉包含雄穗、穗軸和籽粒。將分開后的各器官在烘箱內105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量后稱干質量，并計算各器官及單株干物質積累量。

1.3.4 作物生長分析 參照侯玉虹等的方法[15]計算群體絕對生長率(AGR)和凈同化率(NAR)。

1.3.5 玉米籽粒灌漿參數、速率及百粒干質量 在玉米吐絲前，選擇長勢一致的植株進行掛牌標記，自吐絲期開始，每隔7 d取樣1次，直至成熟。用Logistic方程Y=K/(1+ae-bt)[16]擬合玉米籽粒灌漿過程，并計算相應參數。式中：K為終極生長量，a、b為待定參數，t為吐絲后天數。同時每個小區選擇有代表性的3個果穗，取100粒籽粒，烘干后測百粒干質量，并計算籽粒灌漿速率。

籽粒灌漿速率=[后一次籽粒干質量(g)-前一次籽粒干質量(g)]/2次取樣相隔天數(d)×100%。

1.3.6 考種及測產 成熟期每小區選擇3 m雙行進行測產，并考察產量構成因素，包括穗長、穗粗、禿尖長、百粒質量、穗粒數等。并參照張瑞富等的方法[17-18]計算收獲指數(HI)和營養器官干物質轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率。

1.4 數據統計與分析

采用 Microsoft Excel 2019、SPSS 20.0 和 DPS 7.05進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對春玉米葉面積指數和葉綠素相對含量的影響

由圖1、圖2可知，隨生育進程推進，玉米的葉面積指數和葉綠素相對含量均呈先增后降趨勢，并在吐絲期達到峰值。在拔節期，CB處理的SPAD顯著高于其他處理；在大口期、吐絲期，CB、CT處理的LAI、SPAD均顯著高于CK，說明常規施肥和常規優化施肥在生育前期可維持較高的葉面積指數和葉綠素相對含量。在灌漿中期和成熟期，SB、ST處理的LAI和SPAD均顯著高于CK，在灌漿中期SB、ST處理的LAI較 CK分別增加8.9%、12.4%，SPAD較 CK分別增加16.7%、14.9%；在成熟期SB、ST處理的LAI較 CK分別增加31.6%、34.3%，SPAD較CK分別增加27.2%、23.5%。說明緩釋施肥和緩釋優化施肥在生育后期可以延緩植株衰老、維持較高的葉綠素含量，有利于光合作用及產量的形成。

2.2 不同施肥模式對春玉米群體絕對生長率和凈同化率的影響

處理、生育時期和二者互作對玉米絕對生長率和凈同化率的影響均極顯著(表1)。隨生育進程的推進，各處理的AGR、NAR均呈先增后降的變化趨勢，且均在大口期—吐絲期最高，灌漿中期—成熟期最低。在拔節期—大口期，ST、SB、CT、CB處理的AGR、NAR均顯著高于CK；在大口期—吐絲期，CB、CT處理的AGR、NAR均顯著高于ST、SB、CK處理；在吐絲期—灌漿中期和灌漿中期—成熟期，SB、ST處理的AGR、NAR均顯著高于CB、CK處理。表明緩釋施肥和緩釋優化施肥相較于不施氮肥和常規施肥在灌漿中期和成熟期仍有較強的干物質積累和光合生產能力。

表1 不同施肥模式對春玉米群體絕對生長率和凈同化率的影響 g/(m2·d)

2.3 不同施肥模式對春玉米單株干物質積累量的影響

由圖3可知，干物質積累量隨生育進程的推進呈增加趨勢。在大口期，CB處理的單株干物質積累顯著高于CK；在吐絲期，CB處理的單株干物質積累顯著高于SB、ST、CK處理；在灌漿中期和成熟期，ST、SB、CT、CB處理的單株和籽粒干物質積累量均顯著高于CK。在灌漿中期，ST、SB、CT、CB處理的單株和籽粒干物質積累量較CK分別增加22.30%、18.60%、17.10%、11.70%和39.70%、31.68%、35.71%、24.40%，在成熟期則較CK分別增加24.50%、23.00%、16.50%、7.10%和38.60%、35.30%、24.00%、11.30%。在成熟期，器官干物質積累量為籽粒>莖鞘>葉>穗軸>苞葉>雄穗。表明緩釋施肥和緩釋優化施肥在促進生育后期干物質積累的同時也明顯增加了干物質向籽粒中的分配。

2.4 不同施肥模式對春玉米百粒質量和籽粒灌漿速率的影響

隨生育進程推進，百粒干質量呈慢—快—慢的“S”形變化趨勢(圖4)。在吐絲后7、14 d百粒干質量差異顯著，在吐絲后21～56 d百粒干質量差異極顯著，成熟期百粒干質量為ST>SB>CT>CB>CK處理。隨吐絲后時間增加，不同處理間籽粒灌漿速率差異顯著(圖5)，CK、CB處理在吐絲后21 d達到峰值，表現為前期灌漿速率較高，但中后期速率較低；CT、SB、ST處理在吐絲后28 d灌漿速率達到峰值，表現為前期灌漿速率較低，但中后期可維持較高速率。表明緩釋施肥、緩釋優化施肥和常規優化施肥在灌漿中后期仍有較高的灌漿速率。

2.5 不同施肥模式對春玉米籽粒灌漿參數的影響

不同施肥模式春玉米籽粒灌漿參數的R2處于0.990 7～0.991 4之間，說明用Logistic方程可以較好地擬合玉米籽粒灌漿進程(表2)。最大灌漿速率出現時間(Tmax)為SB>ST>CT>CK>CB處理；灌漿速率最大時生長量(Wmax)、最大灌漿速率(Rmax)、平均灌漿速率(R)均為ST>SB>CT>CB>CK處理；CK的灌漿活躍期(P)最短，ST、SB、CT、CB處理的P較CK分別延長2.16、3.58、1.26、0.83 d。在漸增期(T1)，灌漿持續時間為ST>SB>CT>CK>CB處理，灌漿速率(V1)為CB>CT>ST≥CK>SB處理，粒質量增加(W1)為ST>SB>CT>CB>CK處理；在快增期(T2)和緩增期(T3)，灌漿持續時間為 SB>ST>CT>CB>CK處理，灌漿速率(V2、V3)和粒質量增加(W2、W3)均為ST>SB>CT>CB>CK處理。可見，緩釋施肥和緩釋優化施肥籽粒灌漿性能優于其他處理，利于籽粒灌漿充實。

2.6 不同施肥模式對春玉米產量及構成因素和收獲指數的影響

不同處理對穗長、百粒質量、穗粒數、穗數、產量和收獲指數影響極顯著，對穗粗影響顯著(表3)。各施氮處理較CK均可達到增產效果。ST、SB、CT、CB處理的百粒質量較CK分別增加24.1%、20.6%、13.4%、6.2%；穗粒數較CK分別增加11.9%、12.2%、9.2%、4.7%；穗數較CK分別增加1.9%、1.9%、0.7%、-0.1%；產量較CK分別增加41.4%、38.0%、25.1%、11.3%；收獲指數較CK分別增加11.8%、9.8%、5.9%、3.9%。表明緩釋施肥和緩釋優化施肥能更好地協調產量構成因素之間的矛盾，實現高產。

2.7 不同施肥模式對春玉米營養器官干物質轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率的影響

不同處理、營養器官對營養器官干物質轉運量、轉運率、對籽粒貢獻率影響顯著，二者互作僅對營養器官對籽粒貢獻率的影響極顯著(表4)。CB處理莖鞘和葉片的轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率最高，ST處理最低，且莖鞘的干物質轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率均高于葉片。莖鞘和葉片的干物質轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率均為CB>CK>CT>SB>ST處理。可見，常規施肥中后期光合產物較少，庫源反饋作用使營養器官中大量干物質向籽粒轉運；而緩釋施肥和優化施肥在花后可以生產較多的同化物，滿足了玉米生長發育的需求，更好地協調了籽粒灌漿期“源”“庫”平衡。

表2 不同施肥模式對春玉米籽粒灌漿參數的影響

表3 不同施肥模式對春玉米產量及其構成因素和收獲指數的影響

表4 不同施肥模式對春玉米營養器官干物質轉移量、轉運率及對籽粒貢獻率的影響

2.8 籽粒灌漿參數、產量構成因素和干物質轉運特征與產量的相關性分析

通過相關性分析(表5、表6)可知，Tmax、Wmax、Rmax、R、T1、W1、V2、W2、V3、W3、穗長、百粒質量、穗粒數、穗數與產量呈極顯著正相關；莖鞘和葉片干物質轉運對籽粒貢獻率與產量呈極顯著負相關。

3 討論與結論

3.1 緩釋施肥和緩釋優化施肥提高了生育后期玉米LAI和SPAD值

合理的氮肥運籌可以協調玉米不同生育時期的需氮特性，延長葉片功能期和持綠期，提高群體光合速率，生產更多的光合同化物向籽粒運輸[13]。本研究結果表明，緩釋施肥和緩釋優化施肥相較于常規施肥在生育前期葉面積指數和葉綠素相對含量較低，但在花后可維持較高水平。說明緩釋施肥和緩釋優化施肥在生育后期依然可以滿足作物對氮素的需求，延長葉片生育后期光合生理功能的持續期，增大葉片光合速率，延緩植株衰老。

表5 籽粒灌漿參數與產量的相關性分析

表6 產量構成因素和干物質轉運特征與產量的相關性分析

3.2 緩釋施肥和緩釋優化施肥促進花后同化產物的積累和轉運

營養器官干物質的積累和轉運被認為是產量形成的重要因素[19]，本研究結果表明，在生育后期，緩釋施肥和緩釋優化施肥的單株和籽粒干物質積累量均顯著高于不施氮肥、常規施肥、常規優化施肥。周寶元等研究認為，緩釋肥和緩釋優化施肥養分緩慢釋放的特性能持續為干物質的積累提供養分，從而使干物質積累量維持在較高水平上[20]。李秧秧等研究指出，光合作用生產的干物質對籽粒的貢獻率在80%左右，營養器官干物質轉運對籽粒的貢獻率應在20%以下，過高會造成植株早衰不利于光合作用的進行[21-22]。本研究結果表明，不施氮肥、常規施肥、常規優化施肥營養器官干物質轉運對籽粒的貢獻率分別為28.7%、29.0%、21.9%，緩釋施肥和緩釋優化施肥分別為18.7%、18.0%；在吐絲期-成熟期，緩釋施肥和緩釋優化施肥的群體絕對生長率和凈同化率均顯著高于不施氮肥和常規施肥；營養器官干物質轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率均為常規施肥最高，緩釋優化施肥最低，且產量與營養器官干物質轉運量、轉運率及對籽粒的貢獻率均呈負相關。這是由于不施氮肥、常規施肥、常規優化施肥在生育后期由于氮素大量淋失，造成光合能力急劇下降，籽粒生長發育造成的負反饋作用使莖鞘和葉片中的養分向籽粒轉運過多，加速花后植株衰老；而緩釋施肥和緩釋優化施肥滿足了作物對氮素的時間需求，因此在花后仍能保持較好的光合能力，為籽粒充實提供充足的碳水化合物，使植株在前期形成良好的庫容并保證后期氮素持續供給，形成庫-源良好結合，實現高產。宋鳳斌等研究認為，保持植株生長發育前后期肥料供應平衡，有利于提高籽粒“庫”對同化產物的競爭[23-24]。

3.3 緩釋施肥和緩釋優化施肥籽粒灌漿性能好

籽粒灌漿是同化產物由源向庫運輸的結果，灌漿持續期越長，速率越高，籽粒飽滿度就越高[25]。本研究中，不施氮肥和常規施肥灌漿啟動快，除漸增期灌漿速率外，其他灌漿參數均小于緩釋施肥和緩釋優化施肥；緩釋施肥和緩釋優化施肥雖然前期灌漿速率較慢，但在后期可保持較高速率，生產更多光合同化物向籽粒轉運，與王樂等的研究結論[13]一致。通過相關性分析發現，最大灌漿速率出現時間、灌漿速率最大時生長量、最大灌漿速率、平均灌漿速率、漸增期持續時間和粒質量增加、快增期和緩增期的灌漿速率與粒質量增加與產量均呈極顯著正相關。因此，可通過育種手段選育出漸增期持續時間長和平均灌漿速率高的品種，在花后追施氮肥來提高快增期和緩增期的灌漿速率和粒質量增加，使源器官制造的光合產物更多地運往籽粒來提高產量，提高籽粒飽滿度。

3.4 緩釋施肥和緩釋優化施肥有利于產量提高

協調百粒質量、穗粒質量和穗數之間的矛盾，構建合理的群體結構是實現高產的重要途徑[9]。本研究表明，緩釋施肥和緩釋優化施肥的產量比常規優化施肥、常規施肥、不施氮肥分別增產10.4%、24.0%、38.0%和13.1%、27.1%、41.4%，這與谷佳琳等研究發現施用緩釋肥比常規基追肥或“一炮轟”施肥增產更顯著的結論[6]相符合。研究表明，不同施肥模式對產量構成因素調控的不同是差異形成的重要原因，緩釋肥能顯著增產和提高穗粒數[12，26]。本研究表明，緩釋施肥和緩釋優化施肥的百粒質量和穗粒數顯著高于不施氮肥和常規施肥，且產量與百粒質量、穗粒數和穗數呈極顯著正相關，這與前人結論相符。

本研究表明，常規施肥在生育前期營養生長較快，雖然有較高的葉面積指數、葉綠素相對含量和籽粒灌漿速率，但生育后期由于氮素供應不足，光合生產力急劇下降，造成單株和籽粒干物質積累顯著降低，影響了成穗數和籽粒飽滿度，單株庫容量變小，易造成減產；而緩釋施肥和緩釋優化施肥由于其養分釋放緩慢的特性可以更好地協調營養生長和生殖生長的關系，因此玉米群體在生育后期仍能保持較高的群體絕對生長率和凈同化率，同步提高光合生產力和干物質積累量，并提高結實率，減少籽粒敗育，擴大了單株庫容量，為提高玉米穩產性奠定基礎。