河北省高产夏玉米的群体结构与产量形成特征

王　磊,万敬敬,杜　雄,崔彦宏,党红凯,李科江

(1.河北农业大学 农学院,河北省作物生长重点调控实验室,河北 保定　071001;2.河北省农林科学院 旱作农业研究所,河北 衡水　053000)



河北省高产夏玉米的群体结构与产量形成特征

王磊1,万敬敬1,杜雄1,崔彦宏1,党红凯2,李科江2

(1.河北农业大学 农学院,河北省作物生长重点调控实验室,河北 保定071001;2.河北省农林科学院 旱作农业研究所,河北 衡水053000)

为探寻夏玉米高产栽培可借鉴的高效生产管理方法和显著提高其产量,采用对比研究方法,明确了河北省夏玉米生产中高产模式和农户生产模式间群体结构、产量形成的差异。结果表明,高产模式比农户生产模式产量提高了21.4%,原因在于高产模式下82 000穗/hm2以上的有效穗数和近350 g的千粒质量,但高产模式的单穗粒数不占优势。高产模式下夏玉米具有较高的穗高系数,倒伏风险也随之加大。高产模式吐丝期叶面积指数在6.3以上、全生育期总光合势在300万(m2·d)/hm2以上,且花后光合势占总光合势的75%以上,吐丝后光合势较农户栽培模式提高了38.4%。高产模式下茎叶干物质向籽粒转移量显著高于农户生产模式,而农户生产模式因籽粒的灌浆活跃期较短而出现干物质在茎叶中的积累现象。收获时高产模式下群体干物质达到24 296 kg/hm2,收获指数为54.43%。每生产100 kg籽粒对氮磷钾的需求量高产模式下分别为1.93,1.19,1.85 kg,与农户生产模式相比,高产模式对钾素和磷素的相对需求比例增高,氮素需求量则有所降低。

高产夏玉米;群体结构;产量形成;河北省

从20世纪90年代开始,世界粮食的持续短缺成为未来几十年需要解决的重大问题[1-2]。面对我国人口不断增加,耕作面积日趋减少的基本国情[3],作为我国种植面积和产量最大的作物,玉米的持续增产是保障我国粮食安全的关键[4],依赖单产的进一步提高业已成为解决我国“少耕地,多人口”问题的重要出路。叶面积和干物质积累是决定作物产量的重要指标[5-7]。多年来,众多学者围绕玉米冠层结构、光合特性和干物质积累开展了大量研究[8-11],认为叶面积指数大且功能期长,群体内光分布合理,叶片光合速率高,并且拥有较多生物量是夏玉米获得高产的基础[12]。但前人对夏玉米高产机制的研究多以同一品种设置不同的管理栽培模式或不同品种在相同的管理栽培模式下进行对比,针对在不同的管理栽培模式下的夏玉米群体产量形成特征鲜有研究。从2004年起,国家开始实施以粮食丰产科技工程为代表的主要粮食作物高产研究、样板创建和技术推广,自此在国家支持下,河北省的夏玉米超高产产量不断被刷新,实现超高产的区域也从原来的山前平原区扩展到低平原区,而且年度间也具有了较为稳定的重现性。虽然河北省夏玉米的平均单产或普通农户的产量也在不断提高,但其产量较科研项目的攻关高产还有不小差距。如何更好地大面积、区域化的提高我省夏玉米产量水平,缩小农户生产田和高产攻关田之间的产量差距,研究明确12 000 kg/hm2以上超高产夏玉米的产量结构特点和群、个体发育特征,以及实现超高产所需的生产条件具有重要意义。因此,本试验以试验区当地农户种植模式为对照,以高产栽培模式为基础,探索不同玉米群体和产量之间的差异性,以期为夏玉米的高产栽培提供理论依据和可供借鉴的思路。

1　材料和方法

1.1试验设计

本试验在河北省农林科学院深州旱作节水农业试验站进行。试验地为黏壤质潮土,土壤0～20 cm耕层含有机质14.95 g/kg、碱解氮96.3 mg/kg、速效磷20.9 mg/kg、速效钾123.1 mg/kg,土壤容重1.41 g/cm3。试验设置高产栽培模式(High-yield planting mode,简称HYPM)和普通农户种植模式(Farmers′ practice mode,简称FPM)2个处理,高产栽培模式以郑单958为试材,严格按照“夏玉米12 000～12 750 kg/hm2栽培技术规程(DB13/T2054-2014)”种植和管理,种植密度为85 500株/hm2,行距60 cm,种植面积1 000 m2,从中选择3个面积150 m2的区域作为试验小区和重复。普通栽培模式调查试验站所在地(衡水市深州护驾迟镇护驾迟村)的农户生产田,该村整建制种植的品种为先玉335,种植密度为55 500株/hm2,行距60 cm,该村对河北省平原区的夏玉米生产具有较好的代表性。高产田施肥量按 N 360 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2,磷钾肥和30%氮肥作为底肥,50%氮肥在大口期追施,20%氮肥吐丝期追施。普通农户生产田在播种时一次性施入750 kg/hm2的复合肥(N-P2O5-K2O= 16-16-16)。2种种植模式均在6月13日播种,并灌溉蒙头水75 mm,10月1日收获,高产田于7月28日和8月25日补充灌溉,灌溉量为75 mm；农户生产田于8月15日补充灌溉,灌溉量为90 mm。

1.2测定项目与方法

1.2.1叶面积分别在苗期(V3)、拔节期(V7)、大口期(V12)、吐丝期(S)、吐丝后15 d(AS15)、吐丝后30 d(AS30)、吐丝后45 d(AS45)和收获期(H)采用长宽系数法测定叶面积。

1.2.2干物质在测量叶面积的同时收取植株地上部干物质,将样品在烘箱中105 ℃杀青30 min,然后在80 ℃条件下烘干至恒重时称重。在吐丝期和收获期将植株器官拆分为叶片、茎鞘(包括茎秆、叶鞘和雄穗)、苞叶&穗轴和籽粒(不包括吐丝期)等四部分。干物质转移量=吐丝期营养器官干物重-收获时营养器官干物重。

1.2.3穗位叶光合参数的测定吐丝后每隔15 d选择晴天的上午10:00-11:00用CI-340PS便携式光合测定仪对标记植株测定穗位叶的光合速率。

1.2.4产量及植株性状的调查收获每小区中间未受到任何取样破坏的6行15 m长区域的果穗,同时测量株高和穗位高,并计数玉米株数和穗数,折合单位面积有效穗数。每个处理从收获果穗中随机选取20果穗进行考种。待全部果穗晒干后进行脱粒,测定含水量并按14%商品含水量折合单位面积产量,同时测定千粒质量。

1.2.5籽粒灌浆的测定吐丝期每小区选择生长大小一致果穗挂牌标记植株,在标记植株中每7 d选取5个果穗,脱粒并混合均匀后取100籽粒烘干至恒重后测定百粒质量。以开花后天数(t)为自变量,测得的百粒质量为因变量(y),用Logistic方程y=K/(1+ae-bt)拟合不同处理的籽粒灌浆特征。1.2.6氮、磷、钾的测定玉米样品消煮定容后,氮、磷使用德国产连续流动分析仪进行测定,钾采用火焰光度法测定。养分在某器官中的积累量(kg/hm2)=某器官养分含量×干物重×种植密度;营养器官的养分转移量(kg/hm2)=吐丝期营养器官养分积累量-收获期营养器官养分积累量;

营养器官中养分对籽粒的贡献率=营养器官中养分转移量/收获期籽粒养分积累量×100%。

1.3数据处理及分析

用Microsoft Excel 2003进行数据计算和作图;用SAS 8.0统计软件进行方差分析。

2　结果与分析

2.1产量及植株性状2.1.1产量及其构成因素从表1可以看出,高产种植模式的产量显著高出农户种植模式21.4%。从产量构成来看,高产种植模式的有效穗数和千粒质量均显著高于农户种植模式,分别提高了48.3%和12.2 g,但穗粒数显著降低,较农户种植模式减少了21.7%。说明有效穗数和千粒质量的提高是高产种植模式获得目标产量的主要原因。高产种植模式的最大灌浆速率较农户种植模式降低,但是线性增长期和灌浆活跃期延长(表2),最终结果是千粒质量显著提高。

表1　两种种植模式下的产量及其构成因素

注:不同字母表示2种种植模式在0.05水平上差异显著。表3-8,图1-3同。

Note:Different letters within a column are significantly different at 0.05 level.The same as Tab.3-8,Fig.1-3.

表2　两种种植模式下的籽粒灌浆特征

2.1.2植株性状由表3可以看出,农户种植模式较高产模式的穗粗差异并不显著,穗长、行数和行粒数均显著提高,这也是农户模式穗粒数显著提高的原因。农户模式的穗高系数显著低于高产模式,较低的穗高系数说明穗上节间相对拉长程度较高,更有利于建立高光效的光合生产系统,促进穗位叶光合产物的形成,使得单穗产量得到提高,也进而说明高产模式下增加穗数是产量显著提高的主要原因,但也因较高的穗高系数,倒伏的风险随之加大。

表3　两种种植模式下的夏玉米植株性状和穗部性状

2.2叶面积指数变化及光合势

由图1可知,2个种植模式的叶面积指数(LAI)随着生育进程的推进不断增大,均在吐丝期达到最大值,高产模式和农户模式的LAI分别为6.3和4.3。吐丝后,高产模式的LAI一直处于高值状态,吐丝到吐丝后45 d的LAI一直高于5;农户种植模式的LAI吐丝后则一直处于较低状态(4.3>LAI>3.4)。从群体光合势来看(图2),吐丝后2种模式的光合势均占总光合势的75%左右,高产模式下总光合势为414×104(m2·d)/hm2,较农户种植模式提高了38.4%。

2.3干物质动态

2.3.1地上部干物质的变化由图3可以看出,干物质积累随着生育进程的推进而不断增加,收获期达到最大值。在吐丝期2个种植模式的单株干物质积累量差异不大,吐丝后农户种植模式的单株干物重快速增加,显著高于高产模式,至收获期农户种植模式的单株干物重为386 g/株,较高产模式增加了35.9%。2个种植模式下,群体干物质积累在大口期差异并不显著,大口期以后,高产模式的群体干物质积累显著高于农户种植模式,收获时高产模式下群体干物质达到24 296 kg/hm2,较农户模式提高了13.0%。

图1　两种种植模式下的叶面积指数动态变化

图2　两种种植模式下的群体光合势比较

图3　两种种植模式下不同时期的夏玉米干物质积累比较

2.3.2地上部干物质的分配和转移从表4可以看出,成熟期2个种植模式的单株地上部干物质在不同器官中的分配量和比例依次为籽粒>茎鞘>叶>苞叶&穗轴。高产模式的籽粒比例即经济系数为54.43%,显著高于农户模式将近5个百分点,而营养器官所占比例两者差异不显著,但农户模式条件下单株各个器官的生物积累量均显著高于高产模式,这则是农户模式较低的种植密度导致的结果。

表4　两种种植模式下夏玉米成熟期干物质的分配比较

由于种植条件的不同,吐丝后干物质的积累量与转移出现变化(表5)。农户模式的种植密度较低,但吐丝后总的干物质积累量较高产模式有所增加,但差异不显著。从营养器官的干物重来看,高产种植模式的茎鞘和叶片收获时的干物重较吐丝期减少,表明有干物质向籽粒转移,而收获期农户模式的茎鞘和叶片的干物重较吐丝期增加;2种种植模式下收获期苞叶&穗轴的干物重较吐丝期增加,但增加量高产模式比农户模式减少了33.6%。由于农户模式籽粒的灌浆活跃期较短,不能充分利用叶片生产的光合产物,可能是造成吐丝后干物质继续在营养器官中积累的原因。吐丝后干物质积累量和营养器官中干物质向籽粒的转移量及效率也是造成最终产量差异的重要因素。

表5　两种种植模式下吐丝后各器官的干物质积累和转移

2.4光合特性

如表6所示,在吐丝期2个种植模式的净光合速率差异不显著,但高产模式的冠层光合能力显著高于农户模式32.3%;吐丝后15 d,高产模式的净光合速率和冠层光合能力均较农户模式显著提高了37.5%和90.8%;吐丝后30 d,2个种植模式的净光合速率差异不再显著,但高产模式的冠层光合能力提高了48.1%;吐丝后45 d,高产栽培模式下的净光合速率显著降低,冠层光合能力较农户种植模式也未显著提高。表明在吐丝后45 d内拥有较强的冠层光合能力是获得高产的重要原因。

2.5氮、磷、钾的积累

2.5.1吐丝前后氮、磷、钾养分的累积由表7可以看出,吐丝前高产模式的群体营养元素积累量均显著高于农户模式,氮、磷、钾养分积累量分别提高了55.5%,66.9%,80.6%;吐丝后高产模式的氮素和钾素的积累量较农户模式显著降低了39.1%,44.6%,磷素积累量则显著增加了22.3%。从吐丝前后养分的分配比例来看,2个种植模式钾素的积累主要在吐丝期前吸收积累,磷素则在吐丝后吸收积累,对于氮素2种模式的表现不同,高产模式主要在吐丝前吸收积累,农户模式则在吐丝后吸收积累量所占比例较大。因此,要想获得高产,生育前期要保证充足的氮肥和钾肥,这有利于促进地上部光合产物的积累,生育后期要保证充足的氮肥和磷肥,有利于满足籽粒充实过程中所需的营养物质。

2.5.2氮、磷、钾养分的转移与100 kg籽粒吸收量

由表8可以看出,2种模式下籽粒中积累的氮素差异不显著,高产模式的营养器官中氮素积累量显著高于农户模式。且在吐丝后,均有氮素从营养器官向籽粒中转移,高产模式的转运量较农户田高出了50 kg/hm2左右,氮素转移贡献率较农户模式大幅提高,达到了45%以上。籽粒中的磷素和钾素均表现为高产模式显著高于农户模式,且高产模式营养器官中的磷素和钾素向籽粒中转移,农户模式的磷素和钾素继续在营养器官中积累。从每生产100 kg籽粒对氮磷钾的需求量来看,高产模式分别为1.93,1.19,1.85 kg,农户模式则为2.27,1.07,1.49 kg,这也表明高产模式对钾素和磷素的相对需求比例增高,氮素则有所降低。

表6　两种种植模式下夏玉米的净光合速率和冠层光合能力

表7　两种种植模式下吐丝前后夏玉米群体氮、磷、钾的积累量及比例

表8　氮、磷、钾养分的转移与100 kg籽粒吸收量

3　讨论与结论

在我国“人口数量不断增长,耕地面积刚性减少”的双重压力下,依赖单产的进一步提高成为我国未来粮食安全的保障。实现作物高产是农业科研和生产中永恒的课题,同时发展超高产也是保障我国粮食安全的基本途径,高产记录是产量持续提升的前提,也能为将来粮食的大面积高产提供有效途径[13]。玉米高产记录的典型示范表明,在一段较长的时间内玉米要获得高产,必须提高种植密度[13-15]，本试验的结果同样证明了这一点。产量是穗数、穗粒数和千粒质量三者共同决定的结果,曹国军等[16]研究表明,低产条件下穗粒数是决定产量的主要因素,高产和超高产条件下穗数是产量的决定性因素。本试验显示,农户模式的穗粒数显著高于高产模式,但高产模式的有效穗数较农户模式提高了48.3%,使得最终产量提高了21.4%。

叶片是玉米制造和输出光合同化产物的主要器官,因此,玉米的最终产量取决于叶片对于光照资源的吸收和转化。黄振喜等[17]研究表明,产量在15 000 kg/hm2以上的夏玉米叶面积指数和叶片的净光合速率高值持续期长且灌浆期净光合速率较强。刘伟等[18]研究认为在高密度栽培条件下,虽然减少了单株叶面积,但有效地扩大了群体叶面积,为玉米高产提供了坚实的“源”基础。张玉芹等[5]研究表明，吐丝后较高的群体光合势和冠层光合能力是玉米高产的重要原因。本试验研究发现,高产栽培模式下LAI在吐丝后一直处于高值状态,吐丝期到吐丝后45 d的LAI一直高于5,而普通农户模式则处于低水平状态(4.3>LAI>3.4);群体光合势较农户模式提高了38.4%。吐丝后高产种植模式的冠层光合能力显著高于普通农户种植模式。群体LAI和冠层光合能力的提高是超高产得以实现的主要原因。

玉米籽粒产量受到生育期内干物质的积累分配和吐丝后营养器官的干物质转移的影响[19-22]。阎翠萍等[20]研究表明春玉米干物质在各器官的分配随生长中心的转移而变化，散粉前干物质主要集中在茎叶中，散粉后果穗成为光合产物的分配中心，各营养器官的干物质向籽粒中转移。连艳鲜等[23]研究认为高产玉米吐丝后的干物质积累要占总干物重的60%以上，经济系数超过53%。产量在15 000 kg/hm2以上的夏玉米花后干物质积累量达到了总生物量的72%以上[17]，一定程度上说明了生殖生长时期干物质积累得越多，籽粒产量也就越高。本试验研究表明，高产栽培模式下的单株干物重在吐丝后明显低于农户模式，但群体总干物重在大口期以后高于农户模式。高产模式的经济系数较农户生产提高了4.7个百分点。吐丝后，高产种植模式的茎鞘和叶片中的干物质向籽粒转移，而农户模式的茎鞘和叶片干物质继续积累，2种模式的苞叶&穗轴干物重较吐丝其均增加，但高产模式的增加量较农户模式减少了33.6%。综合来看，高产模式下吐丝后营养器官干物质向生殖器官的转移并具有较高的经济系数。农户模式吐丝后的干物质一部分储存在营养器官中，且经济系数较低，产量也随之变低。在高产栽培模式下，如何通过改进栽培或育种的方法，增加高产群体吐丝后干物质积累以及提高向籽粒的转移效率，从而进一步提高产量，需要进一步的探讨和研究。

本研究同时表明，由于农户模式籽粒灌浆活跃期较短，不能充分利用叶片生产的光合同化产物，出现吐丝后干物质继续在营养器官中积累的现象，而且因河北省地处华北平原北端的地理区位所决定的冬小麦-夏玉米一年两熟的热量资源劣势，结合当前玉米主要作为饲料的利用途径，变夏玉米“粮用”为“饲用”，通过农牧结合实现玉米整株利用，变国家“粮食”安全为“食物”安全战略，使玉米的粮食产量转换为食物产量，更具资源与经济学意义。而畜牧业产生的大量有机粪便可以继而投入农田，回补土壤养分，又能减少化学肥料的使用，改善土壤条件。如何让玉米在粮食生产中占据越来越重要的地位，协调好农业和畜牧业之间的关系，从而建立起循环农业和绿色农业生产体系，也需要我们的深入研究，也可视为夏玉米高产和高效利用的另外形式。

高产模式产量比农户模式产量提高了21.4%,原因在于高产模式的82 000穗/hm2以上的有效穗数和近350 g的千粒质量,而高产模式的穗粒数不占优势。高产模式下夏玉米具有较高的穗高系数,倒伏风险也随之加大。高产模式吐丝期叶面积指数在6.3以上,全生育期总光合势在300万(m2·d)/hm2以上,且花后光合势占总量的75%以上,吐丝后光合势较普通栽培模式提高了38.4%。高产模式下茎叶干物质向籽粒转移量显著高于农户模式,而农户模式因籽粒的灌浆活跃期较短而出现干物质在茎叶中积累。收获时高产模式下群体干物质达到24 296 kg/hm2,收获指数54.43%。从每生产100 kg籽粒对氮磷钾的需求量来看,高产模式分别为1.93,1.19,1.85 kg,与农户种植模式相比,高产模式下对钾素和磷素的需求比例相对增高,氮素需求量则有所降低。

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Population Structure and Yield Formation of High-yield Summer Maize in Hebei Province

WANG Lei1,WAN Jingjing1,DU Xiong1,CUI Yanhong1,DANG Hongkai2,LI Kejiang2

(1.College of Agronomy,Agricultural University of Hebei,Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation,Baoding071001,China;2.Institute of Dryland Farming,Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Hengshui053000,China)

In order to find out a referential efficient summer maize planting process and increase its grain yield effectively,with a comparative analysis method the difference of population structure and yield formation between high-yield mode of summer maize production and farmers′ practice was cleared in Hebei Province.The results indicated that compared with farmers′ practice,the output of high-yield mode increased by 21.4%,which resulted from more than 82 000 ears per ha and nearly 350 g of 1000-grain weight.In high-yield mode,due to the higher ear height index of summer maize the risk of lodging increased.The leaf area index (LAI) at silking stage was above 6.3,total leaf area duration in the whole growing period was more than 3 million (m2·d)/ha in high-yield production mode,more than 75% of which was in post-anthesis.After silking,the leaf area duration increased by 38.4% compared with farmers′ practice.In high-yield mode,the dry matter transferred from stem and leaf to grain was significantly higher than farmers′ practice in which dry matter accumulated in stem and leaf because the active period of grain filling was shorter.In high-yield production mode,the dry matter of population was up to 24 296 kg/ha at harvest and the harvest index achieved 54.43%.In the demand of N,P,K,for each 100 kg grain production,in high-yield production mode was 1.93,1.19,1.85 kg,respectively.Compared with the farmers′ practice,the demand of potassium and phosphorus relatively increased,while nitrogen demand decreased slightly in high-yield mode.

High-yield summer maize;Population structure;Yield formation;Hebei Province

2016-04-13

河北省科技支撑计划项目(14226401D);河北省现代农业产业技术体系玉米创新团队专项基金项目(HBCT2013020203;HBCT2013020204);粮食丰产科技工程(2011BAD16B08;2012BAD04B06;2013BAD07B05);国家公益性行业专项(201203100)

王磊(1988-),男,河北邯郸人,硕士,主要从事作物高产优质生理生态研究。

杜雄(1979-),男,河北定州人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事农业资源高效利用研究。

S513.01

A

1000-7091(2016)04-0177-07

10.7668/hbnxb.2016.04.028