東北典型黑土種植密度與施鉀量對玉米干物質積累與產量的調控效應

陳一昊,孔麗麗,侯云鵬,尹彩俠,張 磊,趙胤凱,劉志全

(吉林省農業(yè)科學院 農業(yè)資源與環(huán)境研究所,農業(yè)農村部東北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室,吉林 長春 130033)

玉米是我國當前第一大糧食作物,也是重要的飼用、工業(yè)及能源原料,對我國的生存和發(fā)展做出了重大貢獻[1]。隨著我國人口總量和居民生活水平的不斷提高,對玉米需求仍呈增加態(tài)勢。東北地區(qū)是我國玉米的重要生產基地,據國家統(tǒng)計局統(tǒng)計,2019年黑龍江、吉林和遼寧三省合計春玉米種植面積約為1 276.7萬 hm2,占全國的30.2%[2]。如何進一步挖掘該區(qū)域玉米增產潛力已成為保障國家糧食安全的必要條件。

玉米物質積累、轉運和分配特征決定了營養(yǎng)物質的去向,是玉米產量形成的物質基礎。而玉米物質積累受品種、施肥技術以及環(huán)境效應等因素的綜合影響[3-6],其中密度和養(yǎng)分管理是玉米物質積累和產量形成的重要影響因素[5-6]。增加種植密度可以在一定范圍內顯著提高冠層光截留、作物冠層生產力、收獲指數、生物量和產量[7-8]。因此,提高植株密度是提高玉米產量的途徑之一,也是目前最直接有效的栽培技術[9]。在養(yǎng)分管理中,鉀是玉米生長發(fā)育所需的重要營養(yǎng)元素之一。在植株蛋白質、酶、淀粉、纖維素和維生素的合成、營養(yǎng)物質的運輸和吸收、抵抗非生物和生物脅迫等方面起了重要作用。并可增強玉米抗倒伏和抗寒抗旱等能力,進而增加玉米產量和改善品質[10-13]。但在東北地區(qū),玉米種植密度低和鉀素施用不足在玉米種植系統(tǒng)中非常普遍[14-15]。因此,探索玉米密度與鉀肥的互促效應,對進一步挖掘該區(qū)域玉米產量潛力具有重大意義。

目前,關于增加種植密度和施鉀對玉米生長發(fā)育的調控效應研究較多,這些研究表明,在一定范圍內,群體葉面積、物質積累和冠層光截獲量均隨種植密度的增加呈現增高趨勢[16]。但是,當密度進一步增加,導致冠層光截獲率過高,削弱玉米中下部葉層的光照條件,降低群體光合能力[17],進而影響產量。而適宜的鉀肥用量可以促進干物質積累與轉運,并能提高作物抗倒伏能力,提高作物的增產潛力[18-19]。但當鉀肥施用不足或過量供應時,均會對作物生長發(fā)育產生負效應[20]。可見,在玉米生產中種植密度和鉀肥用量只有維持高度協(xié)調和相互平衡的關系,才能夠充分發(fā)揮生產潛力,實現玉米高產高效。但縱觀前人研究,雖然有關種植密度和養(yǎng)分管理或不同種植密度對玉米干物質積累的研究較多,但由于養(yǎng)分管理中鉀對玉米增產效果低于氮肥[14],因此,大多數是以氮素養(yǎng)分與種植密度組合研究,而關于東北典型黑土不同密度和鉀肥用量互作模式對玉米物質積累與產量形成的協(xié)同調控增產機制還鮮見報道。鑒于此,本研究通過探索適度調控玉米種植密度、量化鉀肥用量以及兩者間互作效應對玉米群體物質積累、轉運特征以及玉米產量形成的影響,解析玉米增密與增施鉀肥的互利增產機制,以期為東北典型黑土區(qū)肥密耦合下鉀素高效利用和高產栽培技術提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年,在吉林省公主嶺市劉房子村進行。試驗區(qū)位于東北南部(35°28′ N,104°44′ E),平均氣溫 5.6 ℃,≥10 ℃積溫 2 980.4 ℃,屬中溫帶半濕潤區(qū);多年平均降水594.8 mm,為典型的雨養(yǎng)分農業(yè)區(qū)。試驗地塊附近自動氣象站記錄的氣溫和降雨量見圖1。試驗地土壤類型為黑土,播前耕層(0～20 cm)土壤水解性氮122.64 mg/kg,有效磷25.38 mg/kg,速效鉀116.47 mg/kg,有機質22.74 g/kg,pH值6.86。

圖1 2018和2019年玉米生長季溫度與降雨量Fig.1 The temperature and precipitation of maize growing season in 2018 and 2019

1.2 試驗材料

選用密植型玉米品種富民985為供試材料。2018年5月2日播種,10月3日收獲,2019年5月6日播種,10月5日收獲。供氮肥來源為尿素(46% N),磷肥為重過磷酸鈣(P2O546%)、鉀肥為氯化鉀(60% K2O)。

1.3 試驗設計

試驗采用雙因素析因設計,分別以3個種植密度水平(D1:5.5×104株/hm2、D2:7.0×104株/hm2、D3:8.5×104株/hm2)和5個施鉀(K2O)水平(K0:0 kg/hm2、K40:40 kg/hm2、K80:80 kg/hm2、K120:120 kg/hm2、K160:160 kg/hm2)的完全組合建立。共15個處理,各處理3次重復,隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積40 m2(6行區(qū)),采用等行距種植模式。所有處理氮肥(N)和磷肥(P2O5)用量均分別為220,90 kg/hm2。施肥方法為:30%氮肥和全部磷鉀肥作為基肥施入,70%氮肥于拔節(jié)期施入。在玉米生育期內無灌溉情況,其他栽培措施均同當地玉米常規(guī)生產田。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 干物質量與鉀素測定 玉米生長-苗期(V3)、拔節(jié)期(V6)、大口期(V12)、吐絲期(R1)、灌漿期(R2)和成熟期(PM),在每小區(qū)選取長勢一致的玉米植株5株(苗期取30株),灌漿期和成熟期分解為莖稈和籽粒兩部分,在105 ℃殺青20～30 min后,80 ℃下烘干至恒質量,計算不同生育時期單位面積群體干物質量。并將成熟期玉米植株和籽粒樣品研磨后用H2SO4-H2O2消化、采用火焰光度法測定各部分鉀含量。

采用Logistic曲線擬合玉米不同生育時期干物質積累量。方程Y=K/(1+aebt)擬合玉米生育期干物質積累過程,式中,Y為干物質積累量,t為時間(d),a、b為待定參數,K為干物質積累量理論最大值。對 Logistic方程求一階、二階和三階導數,得到相應生長曲線中干物質快速積累期起始時期(t1)、終止時期(t2)、干物質最大積累速率(Vm)、最大積累速率出現天數(tm)和平均積累速率(Va)。

1.4.2 干物質轉運 干物質轉運量(kg/hm2)=營養(yǎng)器官吐絲期干質量-營養(yǎng)器官成熟期干質量;干物質轉運率=干物質轉運量/營養(yǎng)器官吐絲期干質量×100%;干物質轉運貢獻率=干物質轉運量/成熟期籽粒干質量×100%。

1.4.3 產量及構成因素測定 于玉米成熟期,在每個處理內選取26.7 m2(中間4行)進行人工收獲,晾曬后測定籽粒產量,并折算成14%的標準含水量。同時在各處理選擇10 個具有代表性果穗,測定產量構成因素(穗粒數和百粒質量)。

1.4.4 鉀素利用效率 鉀素利用效率包括鉀素回收率(REK)、農學利用率(AEK)和偏生產力(PFPK),公式如下[13]:

鉀素回收率(REK)=(不同密度下施鉀處理鉀積累量-低密度不施鉀處理鉀積累量)/施鉀量×100%;

鉀素農學利用率(AEK,kg/kg)=(不同密度下施鉀處理籽粒產量-低密度不施鉀處理籽粒產量)/施鉀量;

鉀素偏生產力(PFPK,kg/kg)=施鉀處理籽粒產量/施鉀量。

1.5 數據處理

采用 Excel 365對試驗數據進行整理,使用 SPSS 19.0軟件進行兩因素(種植密度和施鉀量)方差分析,不同施鉀量處理多重比較采用LSD法;用SigmaPlot 14.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 干物質積累特征

方差分析表明,除苗期外,種植密度、施鉀量以及兩因素的交互作用對玉米干物質積累量的影響均達到顯著或極顯著水平(圖2)。相同施鉀量下,隨種植密度的增加,除苗期外,其他各生育時期干物質積累量均表現為先增后降,以D2處理最高。2 a平均拔節(jié)期、大口期、吐絲期、灌漿期和成熟期干物質積累量較D1和D3處理分別提高13.9%,8.9%,5.4%,6.5%,6.7%和7.3%,6.1%,2.1%,6.3%,2.7%。在相同種植密度下,玉米各生育期干物質積累量均表現為隨施鉀量的增加而增加,其中D1密度下鉀肥用量增加至80 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05),D2和D3密度下鉀肥用量增加至120 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05)。種植密度與施鉀量互作下,玉米成熟期干物質積累量以D2 K120處理最高,2 a平均干物質積累量較D1K80和D3K120處理分別提高9.9%,3.7%。

圖2 不同處理玉米干物質累積動態(tài)Fig.2 The dynamic of dry matter accumulation under different treatments of maize

方差分析表明,種植密度對干物質最大積累速率和平均積累速率的影響均達到極顯著水平,對干物質快速積累期起始時期、終止時期和最大積累速率出現時間的影響均未達顯著水平;施鉀量對干物質快速積累期起始時期、終止時期、最大積累速率出現時間、干物質最大積累速率和平均積累速率的影響均達到極顯著水平,而兩因素的交互作用僅對玉米干物質最大積累速率和平均積累速率的影響達到極顯著水平(表1)。相同施鉀量下,除2019年D2 K40、D2K80和D2K160處理外,玉米干物質最大積累速率和平均積累速率均表現為隨種植密度的增加呈先增后降的趨勢,且均以D2處理最高,2 a平均干物質最大積累速率和平均積累速率較D1和D3處理分別提高4.0%,0.6%和8.5%,1.1%。在相同種植密度下,玉米干物質最大積累速率、平均積累速率在一定施鉀范圍內均表現為隨施鉀量的增加而顯著增加,且干物質快速積累期起始時期、終止時期和最大積累速率出現時間均有所提前,其中D1密度下鉀肥用量增加至80 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05),D2和D3密度下鉀肥用量增加至120 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05)。種植密度與施鉀量互作下,玉米干物質最大累積速率和平均積累速率在D2K120處理獲得最大值,2 a平均最大積累速率和平均積累速率較D1K80和D3K120處理分別提高8.4%,1.1%和12.1%,2.3%。

表1 不同處理玉米干物質累積特征Tab.1 The characteristics of dry matter accumulation under different treatments of maize

2.2 干物質轉運特征

種植密度對干物質轉運量影響達極顯著水平,對干物質轉運率和轉運貢獻率的影響未達顯著水平;施鉀量對干物質轉運量和干物質轉運貢獻率的影響均達到顯著或極顯著水平,對干物質轉運率的影響未達顯著水平;而兩因素的交互作用僅對干物質轉運量影響達到顯著水平(表2)。相同施鉀量下,干物質轉運量均表現為隨種植密度增加先增后降,以D2處理最高,2 a平均干物質轉運量較D1和D3處理分別提高10.6%和4.3%。在相同種植密度下,玉米干物質轉運率、轉運貢獻率均表現為隨施鉀量的增加而增加的趨勢,其中D1密度下當鉀肥用量增加至80 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05),而D2和D3密度下當鉀肥用量增加至120 kg/hm2后增幅不再顯著(P>0.05)。種植密度與施鉀量互作下,干物質轉運量和轉運貢獻率在D2K120獲得最大值。2 a平均物質轉運量和轉運貢獻率較D1K80和D3K120處理分別提高14.7%,3.9%和0.7,0.1百分點。

表2 不同處理玉米干物質轉運Tab.2 Dry matter translocation under different treatments

2.3 種植密度和施鉀量對玉米鉀素利用效率的影響

種植密度和施鉀量對鉀素回收率、農學利用率和偏生產力均達極顯著水平,且兩因素的交互作用達顯著水平(圖3)。相同施鉀量下,玉米鉀素回收率、農學利用率和偏生產力均表現為隨種植密度增加先增后降,以D2處理最高。與D1和D3處理相比,D2處理鉀素回收率分別提高11.3,4.2百分點;鉀素農學利用率分別提高69.7%,25.5%,鉀素偏生產力分別提高6.5%,3.1%。說明適宜提高種植密度可使玉米產量和鉀素積累總量增加,進而提高了鉀素利用效率。相同密度下,隨施鉀量的增加,鉀素回收率、農學利用率和偏生產力均呈下降趨勢。

D×K表示密度和施鉀量間的交互作用;*.P<0.05;**.P<0.01。D×K indicates the interaction between density and K application rate;*.P<0.05;**.P<0.01.

2.4 玉米產量與構成因素

種植密度和施鉀量對玉米產量均達極顯著水平,且兩因素間的交互作用達極顯著水平(表3)。相同施鉀量下,隨種植密度增加,玉米產量表現為先增后降,以D2處理最高,2 a平均產量較D1和D3處理分別提高6.9%,3.0%,差異均達顯著水平(P<0.05)。相同密度下,隨施鉀量的增加,玉米產量呈增加趨勢,其中在D1密度下施鉀量增加至80 kg/hm2后玉米產量增幅不再顯著(P>0.05);而在D2和D3密度下施鉀量增加至120 kg/hm2后玉米產量增幅不再顯著(P>0.05)。種植密度與施鉀量互作下,D2K120處理2 a平均玉米產量較D1K80和D3K120處理分別提高9.8%,3.4%。

表3 不同處理玉米產量與構成因素Tab.3 Maize yield and its components under different treatments

產量構成因素中,種植密度對玉米穗數、穗粒數和千粒質量影響均達顯著或極顯著水平,施鉀量對穗粒數和千粒質量影響達顯著或極顯著水平,對穗數的影響未達顯著水平,而兩因素的交互作用對玉米穗粒數和千粒質量的影響達到顯著或極顯著水平。相同鉀肥用量下,隨種植密度的增加,玉米穗數呈增加趨勢,而穗粒數和千粒質量呈下降趨勢。相同密度下,玉米穗粒數和千粒質量表現隨施鉀量的增加而增加;其中D1密度下施鉀量增至80 kg/hm2后穗粒數和千粒質量增幅不再顯著(P>0.05);D2和D3密度下施鉀量增至120 kg/hm2后穗粒數和千粒質量增幅不再顯著(P>0.05)。而不同施鉀處理玉米穗數差異均未達顯著水平(P>0.05)。

回歸分析表明(圖4),在不同密度下,鉀肥用量與玉米產量呈顯著的線性加平臺關系(R2=0.825**～0.942**);與鉀素回收率呈顯著的指數關系(R2=0.944**～0.961**)。結合回歸方程,求得D1、D2和D3密度下鉀肥用量分別為75.8,109.9,110.5 kg/hm2,平臺產量分別為10 656,11 703,11 340 kg/hm2。而在此施鉀量下,鉀素回收率分別為29.6%,33.7%,28.8%。以理論最高產量鉀肥用量的95%作為置信區(qū)間,計算出D1、D2和D3密度下施鉀范圍分別為72～80 kg/hm2,104～115 kg/hm2,105～116 kg/hm2。而D2密度下鉀肥適宜用量在較D1處理鉀肥用量提高44.5%以及與D3處理相持平條件下,玉米產量分別提高9.8%,3.2%,鉀素回收率分別提高4.1,4.9百分點。

圖4 不同密度處理籽粒產量、鉀素回收率與施鉀量的關系Fig.4 Correlations between K application rates,maize yield and K recovery efficiency under different densities

3 結論與討論

3.1 種植密度與鉀肥用量對干物質積累轉運特征的影響

干物質是作物光合作用產物的最高形式,其積累量高低直接影響作物產量[21]。而種植密度和施鉀量作為玉米生產重要調控措施,對干物質積累影響顯著[22-23]。魏廷邦等[24]研究發(fā)現,種植密度可顯著影響玉米干物質積累速率。隨種植密度的增加,干物質積累速率顯著增大,但當密度增大到一定數量后,干物質積累速率有所下降。而本研究結果也表明,群體干物質積累速率和積累總量隨種植密度的增加呈先增后降趨勢,其群體干物質積累速率和積累總量最高值出現在種植密度7.0萬株/hm2處理,主要是由于適宜增加種植密度可優(yōu)化作物群體光合特性[25],促進群體干物質積累速率,使積累總量得到提高,但當超過適宜密度,玉米光合能力下降,影響光合產物的生產,從而造成干物質積累總量下降[26]。本研究小組前期的研究表明[27],在適宜群體密度基礎上,通過肥料合理運籌,可進一步促進群體干物質積累。本研究中,在適宜種植密度下(7.0萬株/hm2),增施鉀肥進一步提高了干物質最大積累速率和積累總量,并且干物質快速積累期起始時期和最大積累速率出現時間均有所提前。其主要原因是適宜的鉀肥用量可延緩葉綠素含量的降低,改善作物光合特性,使植物體生育后期葉片光合功能期延長,使干物質積累進一步提高[28]。但當鉀肥用量超過作物需求后,不僅不會提高玉米干物質積累總量,還會導致作物對鉀素的奢侈吸收[29]。此外,種植密度和施鉀量互作還顯著提高了玉米吐絲后干物質向籽粒的轉運,其中以D2K120處理達到最高。由此說明,合理的種植密度結合適宜的鉀肥用量可有效改善玉米的生長狀況,提高干物質積累總量,促進干物質向庫器官籽粒的轉移,進而增加了干物質積累對籽粒的貢獻率。

3.2 種植密度與鉀肥用量對玉米產量形成的影響

增加密度是提高玉米單產重要技術途徑之一[16,26]。單位面積玉米穗數、穗粒數和粒質量是產量形成的基礎,三者間任何一個因素都會影響產量的高低[30]。相關研究表明[26,31],在一定密度范圍內,隨著密度增加,玉米單株生產力下降,使穗粒數和粒質量有所下降,但通過提高群體數量,使群體產量得到提高。本研究中,相同施鉀量下,增加種植密度雖然降低了玉米穗粒數和粒質量,但由于顯著增加了玉米穗數,使群體效應的增幅大于單株效應的降幅,進而實現玉米增產。但種植密度過高時,會使玉米的群體光合能力下降[32],導致玉米穗粒數與粒質量降度低于群體增產效應,最終導致減產。可見產量構成因素之間的協(xié)調發(fā)展是實現高產的關鍵。此外,在適宜密度下增施鉀肥是進一步提高玉米產量的重要措施[33]。本研究中適宜種植密度條件下(7.0萬株/hm2),施鉀量增加至120 kg/hm2獲得了較高的玉米產量,而穗粒數和粒質量的增加是獲得高產的關鍵。主要原因是施鉀可以提高植株體內活性氧清除酶的代謝合成量,提高光合性能,促進葉片積累較多的同化產物[34],進而滿足籽粒灌漿期對光合產物的需求,加速光合物質向籽粒轉運[35],獲得高產。

3.3 種植密度與鉀肥用量對玉米鉀素利用效率的影響

評價栽培措施是否合理應綜合考慮增產效應和肥料利用效率。合理的密度配套養(yǎng)分優(yōu)化管理是實現玉米高產和資源高效利用的有效途徑[36]。相關研究指出,在適當肥密條件下,可顯著提高玉米群體干物質積累總量和鉀素積累總量,進而實現玉米產量與鉀素利用效率的協(xié)同提高,并能顯著減少溫室氣體排放,降低污染[37]。本研究結果表明,種植密度7.0萬株/hm2下最高產量處理(D1K120)鉀肥用量雖較5.5萬株/hm2最高產量處理(D1K80)增加40 kg/hm2,但該處理產量和鉀素利用效率均顯著高于后者。說明,適當增密結合適量增施鉀肥,可促進玉米產量和鉀素利用效率協(xié)同提高。

3.4 適宜鉀肥用量的確定

目前,通過肥料投入和作物產量之間的函數關系確定適宜肥料用量是最常用的方法,在農業(yè)上得到了廣泛應用[20,29]。本研究中,在不同種植密度下建立肥料投入和作物產量的關系基礎上,進一步分析了鉀肥投入與鉀素利用效率的關系。與5.5萬株/hm2密度下的鉀肥適宜用量(72～80 kg/hm2)相比,7.0萬株/hm2密度下的鉀肥適宜用量(104～115 kg/hm2)雖然增加了44.5%,但相對應的玉米產量和鉀素回收率分別提高9.8%,4.1百分點。因此,可將104～115 kg/hm2的鉀肥用量,可作為玉米密植條件下高產高效的鉀肥適宜用量。

種植密度與鉀肥用量的交互作用對玉米干物質積累與轉運、產量及鉀素利用率的影響均達到顯著或極顯著水平。兩者互作充分發(fā)揮了玉米群體生產潛力,實現玉米鉀素需求與鉀素供應平衡。當種植密度增加至適宜范圍時,通過調控鉀肥用量達到最適穗粒數和千粒質量,進而實現玉米高產。因此,在東北春玉米實際生產中,種植密度70 000 株/hm2配合施鉀量104～115 kg/hm2的栽培模式,可在確保玉米高產的同時,顯著提高鉀素利用效率。