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不同基因型夏玉米间作对产量及氮素吸收利用的影响

2017-01-17陶静静王海标朱宗瑛谭金芳王宜伦

华北农学报 2016年6期
关键词:单作施氮间作

陶静静,王海标,朱宗瑛,谭金芳,王宜伦

(河南农业大学 资源与环境学院,河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002)

不同基因型夏玉米间作对产量及氮素吸收利用的影响

陶静静,王海标,朱宗瑛,谭金芳,王宜伦

(河南农业大学 资源与环境学院,河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002)

为探究不同氮效率夏玉米品种间作的氮肥增产效果,采用田间试验研究了不同施氮水平下,不同氮效率夏玉米品种间作种植模式对其产量、氮素积累量、地上部生物量、光合特性及氮肥利用效率的影响。结果表明,不施氮水平下,郑单958和浚单20间作较郑单958和浚单20单作产量分别增加8.82%和6.34%,吐丝期净光合速率分别增加47.68%和30.89%;施氮240 kg/hm2水平下,间作较郑单958和浚单20单作产量分别增加7.19%和5.88%,吐丝期净光合速率分别增加27.31%和22.16%;施氮450 kg/hm2水平下,间作较郑单958和浚单20单作产量分别增加6.53%和5.31%,吐丝期净光合速率分别增加19.20%和7.43%。间作模式下,施氮240,450 kg/hm2,玉米分别增产9.55%和11.22%,但2个氮水平间差异不显著。郑单958和浚单20间作提高了夏玉米氮素积累量,氮肥利用率提高3.10~3.47个百分点,氮肥农学效率提高1.08~2.64 kg/kg;施氮240 kg/hm2水平下,郑单958和浚单20间作的氮肥利用率高于浚单20单作,氮肥农学效率最高。综合产量和氮肥利用效率,郑单958和浚单20间作施氮240 kg/hm2效果较好。

基因型;夏玉米;间作;产量;氮肥效率

玉米是重要的粮食、饲料及经济兼用作物,在谷物生产中占有重要地位[1]。2014年总播种面积3 712.3万hm2,总产量21 564.6万t,已发展为中国第一大粮食作物,提高玉米产量对于保障国家粮食安全具有重要战略意义[2-5]。肥料是作物的粮食,通过施肥为作物提供足够的养分是提高单产的关键[6]。氮素是夏玉米需求量和吸收量最多的营养元素,对玉米的生长发育、产量和品质等极为重要[7-9]。施用氮肥是提高夏玉米产量的主要技术措施,目前生产中普遍偏施氮肥导致实际施氮量已远远超过最佳经济施肥量[10-11],造成资源浪费。间套作是一种能集约利用光、热、肥、水等自然资源的种植方式,可以实现土地、养分和水热资源在时间和空间上的集约化利用[12-14]。科学研究和生产实践表明,合理的作物间作、混作可以通过协调作物间的竞争与互补关系,充分利用自然资源,减少病虫害等方面来提高作物群体产量和整体经济效益[15-19]。

近年来,在不同施氮水平对夏玉米产量、氮肥利用效率、碳氮代谢、不同生育期光合产物的运输、氮磷钾积累与分配及玉米冠层的高光谱特征等方面有较多的研究报道[20-27]。邓小燕等[28]研究报道了玉米/大豆和玉米/甘薯套作模式下不同分隔方式及不同供磷水平对磷素吸收特性及种间相互作用的影响,结果表明,无论施磷与否,玉米均表现出套作优势。焦念元等[29]研究报道了施氮量和玉米-花生间作模式对玉米和花生产量、生物量、氮磷吸收与利用以及蛋白质产量的影响,结果表明,玉米-花生间作显著提高了玉米产量和氮、磷吸收量,但降低了花生产量和氮吸收量,且间作优势随施氮量的增加而降低。高阳等[30]研究报道了不同水氮处理对玉米-大豆间作群体的光能截获、竞争与利用的影响,结果表明,充分供水条件下,施氮处理间作玉米和大豆的光能利用效率高于不施氮处理,水分亏缺条件下,施氮处理间作玉米比不施氮处理高而大豆基本相同。李潮海等[15]和刘天学等[31]研究表明,紧凑型与半紧凑型玉米品种间作可以提高群体质量,延长叶片功能期,提高光合效率,增加籽粒产量。但有关不同基因型夏玉米间作对氮肥的响应等方面的研究鲜见报道。为此,研究不同氮效率基因型夏玉米间作对夏玉米氮素吸收利用及产量的影响,旨在明确不同基因型夏玉米间作的氮肥增产效应,为合理施氮与夏玉米增产提供技术依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014年6-10月在河南省鹤壁市淇滨区钜桥镇刘寨村进行,供试土壤为黏壤质潮土,种植模式为小麦玉米轮作。供试土壤有机质为17.83 g/kg,碱解氮为98.79 mg/kg,速效磷为15.82 mg/kg,速效钾为166.50 mg/kg。

1.2 试验设计

试验为裂区试验设计,主区为种植模式:郑单958单作用ZD958表示,浚单20单作用XD20表示,郑单958和浚单20间作(2∶2)用ZD958││XD20表示;副区为施氮水平:N0-不施氮,N1-240 kg/hm2,N2-450 kg/hm2。各处理磷钾肥一致,磷肥(P2O5)75 kg/hm2、钾肥(K2O)90 kg/hm2,磷、钾肥苗期一次性施入,氮肥50%苗期施用,50%做大喇叭口期追肥。小区面积32 m2,3次重复,随机区组排列。

供试玉米品种为浚单20和郑单958,种植密度为67 500株/hm2。2014年6月15日种植,10月1日收获。灌溉、病虫草害防治等其他田间管理措施同当地农民管理一致。

1.3 测定项目与方法

播种施肥前采集0~30 cm基础土壤样品,常规方法测定土壤养分。在玉米的关键时期(大喇叭口期、吐丝期、灌浆期)测定各小区夏玉米叶片的SPAD值(前期取玉米植株的最新完全展开叶,抽穗后取植株穗位叶),用日本产SPAD502测定,每个小区测20片同一位置的叶片,取平均值。

成熟期,每个小区收获30穗玉米,装入尼龙网袋,晒干称其质量,以含水量14%折算作为小区产量,另取10穗玉米进行考种,调查穗长、穗行数、穗粒数和千粒质量等。收获时采集各小区代表性植株样品2株,在105 ℃杀青15 min,然后在65 ℃烘干至恒重,用天平称其质量,测定植株的干物质量,常规方法测定植株和籽粒的养分。

于玉米吐丝期和灌浆期,在晴朗的上午用LI-6400型便携光合仪测定夏玉米叶片光合指标,每个单作小区选取代表性植株3株测定其穗位叶,求平均值;每个间作小区2个品种分别选取代表性植株3株测定其穗位叶,求平均值。

1.4 相关指标计算

氮素积累量(kg/hm2)=非收获物干质量×非收获物养分含量+收获物干质量×收获物养分含量;

氮肥利用率=(施氮肥区植株地上部氮素积累量-不施氮肥区植株地上部氮素积累量)/施氮肥量×100%;

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮肥区产量-不施氮肥区产量)/施氮肥量。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel、SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同基因型夏玉米间作对产量及其构成要素的影响

由表1可知,不同氮水平处理下,2个品种间作产量均高于单作。N0水平下ZD958││XD20较ZD958和XD20分别增产8.82%和6.34%;N1和 N2水平下分别增产7.19%,5.88%和6.53%,5.31%。N1和N2水平下ZD958 、ZD958││XD20、XD20的增产率分别为11.21%,9.55%,10.03%和13.61%,11.22%,12.32%;N1和N2水平下ZD958││XD20较ZD958和XD20的增产率分别为19.21%,16.50% 和21.03%,18.28%。间作可协同提高穗粒数和千粒质量而增加产量。ZD958││XD20下,N1和N2分别增产9.55%和11.22%;穗粒数和千粒质量分别增加2.23%,8.01%和8.74%,7.31%。说明施氮240 kg/hm2的ZD958││XD20即可达到较高产量。

表1 不同基因型夏玉米间作对产量及其构成要素的影响Tab.1 Effect of different genotypes of summer maize intercropping on yield and its components

注:同列不同字母表示同一氮水平下不同种植模式差异显著(P<0.05);括号内不同字母表示间作种植模式下不同氮水平间差异显著(P<0.05);括号内的数据表示间作较单作的增产率,表2-3。图1-2同。

Note:Different alphabet in a column indicate significant differences at 0.05 level among different cropping patterns of a N application rate.Different alphabet in brackets indicate significant differences at 0.05 level among different N application rates of intercropping cropping pattern.The data in brackets indicate the increasing ratio that intercropping than monoculture.The same as Tab.2-3,Fig.1-2.

2.2 不同基因型夏玉米间作对其氮素养分积累量的影响

由图1可知,在N0和N1水平下ZD958的氮素养分积累量均高于ZD958││XD20和XD20,分别提高0.63%,18.82%和5.00%,10.14%;在N2水平下ZD958││XD20的氮素养分积累量均高于ZD958和XD20,但差异不显著,在N2水平下,ZD958││XD20较各氮水平ZD958和XD20的氮素养分积累量分别增加29.34%,2.61%,7.11%和53.67%,13.02%,7.44%。ZD958││XD20下,施氮可有效增加夏玉米氮素养分积累量,N1和N2水平分别增加20.81%和30.15%。说明低氮水平下有利于ZD958的氮素养分积累量的增加,而高氮水平下则ZD958││XD20的氮素养分积累量较高。

图1 不同基因型夏玉米间作对其氮素养分积累量的影响Fig.1 Effect of different genotypes of summer maize intercropping on N accumulation

2.3 不同基因型夏玉米间作对叶片SPAD值的影响

由表2可知,N0水平下,在夏玉米生长的大喇叭口期、吐丝期和灌浆期ZD958││XD20 SPAD值均大于ZD958和XD20,其中N0水平下,大喇叭口期和吐丝期ZD958││XD20 的SPAD值均达到显著水平;N1水平下,在灌浆期ZD958││XD20显著高于XD20。N2水平下,在吐丝期ZD958││XD20显著高于XD20。ZD958││XD20下增施氮肥,对夏玉米生长的大喇叭口期、吐丝期和灌浆期的叶片SPAD值均有显著增加作用。说明不同施氮水平下,SPAD值均是ZD958││XD20效果较好。

表2 不同基因型夏玉米间作对叶片SPAD值的影响Tab.2 Effect of different genotypes of summer maize intercropping on SPAD

2.4 不同基因型夏玉米间作对其光合速率的影响

光合速率的强度决定了光合产物积累的速度,由表3可以看出,在吐丝期,不同施氮水平ZD958││XD20的净光合速率均显著高于ZD958和XD20,N0水平下,ZD958││XD20的净光合速率较ZD958和XD20单作分别增加47.68%和30.89%;N1和N2水平下分别增加27.31%,22.16%和19.20%,7.43%。灌浆期ZD958││XD20的净光合速率高于ZD958和XD20,N0水平下显著高于ZD958,N1和N2水平下差异不显著;ZD958││XD20下,随着施氮量的增加在吐丝期和灌浆期对气孔导度、细胞间隙CO2浓度和蒸腾速率有一定影响,但两氮水平相比差异不显著。ZD958││XD20下,夏玉米净光合速率和气孔导度均随着施氮量的增加而增加,且净光合速率随生育期的推进而降低,吐丝期和灌浆期的玉米净光合速率有显著增加,吐丝期N1和N2水平分别增加31.90%和50.74%;灌浆期N1和N2水平分别增加14.20%和26.22%。N1和N2水平下吐丝期和灌浆期ZD958││XD20的气孔导度和蒸腾速率均比N0水平有增加,对细胞间隙CO2浓度有一定影响,但不显著。说明ZD958││XD20下适量施氮即可达到较高的净光合速率。

表3 不同基因型夏玉米间作对其光合速率的影响Tab.3 Effect of different genotypes of summer maize intercropping on photosynthetic rate

2.5 不同基因型夏玉米间作对其地上部生物量的影响

由图2可以看出,N0和N1水平下,ZD958││XD20的地上部生物量较XD20均显著增加,N1和N2水平下ZD958││XD20的地上部生物量均高于ZD958,但差异不显著。N1水平下ZD958││XD20较ZD958和XD20分别增加2.76%和10.47%。N2水平下,ZD958││XD20的地上部生物量均高于ZD958和XD20,但差异不显著,较ZD958和XD20分别增加0.21%和6.41%。在N2水平下,ZD958││XD20较各氮水平ZD958和XD20的地上部生物量分别增加14.91%,4.54%,0.21%和35.11%,12.39%,6.41%。ZD958││XD20下,施氮对地上部生物量有显著增加作用,N1和N2水平下地上部生物量分别增加13.23%和15.19%,但N2和N1水平相比没有显著差异。说明ZD958││XD20下施氮240 kg/hm2即可达到较高的生物量。

2.6 不同基因型夏玉米间作对其氮肥利用效率的影响

由表4可知,N1水平下ZD958││XD20的氮肥利用率较XD20提高了3.10个百分点,而低于ZD958;N2水平下ZD958││XD20氮肥利用率较ZD958和XD20分别提高了3.32和3.47个百分点。N1、N2水平下,ZD958││XD20的氮肥农学效率较ZD958分别提高了2.64,1.31 kg/kg,较XD20分别提高了2.19,1.08 kg/kg。低氮下ZD958氮肥利用率较高,而高氮下ZD958││XD20氮肥利用率较高,ZD958││XD20在施氮240 kg/hm2氮肥农学效率最高。

图2 不同基因型夏玉米间作对其地上部生物量的影响Fig.2 Effect of different genotypes of summer maize intercropping on aboveground biomass

氮水平Nlevel种植模式Plantingpattern氮肥利用率/%RecoveryefficiencyofappliedN氮肥农学效率/(kg/kg)AgronomicefficiencyofappliedNN1ZD95818.903.71ZD958││XD2013.57(25.06)6.35(5.58)XD2021.963.39N2ZD9588.032.40ZD958││XD2011.35(17.48)3.71(3.30)XD2014.012.22

注:括号内为间作种植模式较浚单20单作下的氮肥利用率和氮肥农学效率;括号外为间作种植模式较郑单958单作下的氮肥利用率和氮肥农学效率。

Note:It is recovery and agronomic efficiency of applied N that intercropping planting pattern compared with Xundan 20 monoculture in brackets;Compared with Zhengdan 958 monoculture out of brackets.

3 讨论与结论

在适宜的种植模式和管理条件下,玉米产量的提高取决于穗粒数的增加和千粒质量的提高[32],在一定施氮范围内,玉米产量随施氮量的增加而增加[33];史振声等[34]研究表明,玉米不同品种的合理间作具有明显增产作用,穗粒数增加幅度最大,其次是千粒质量的增加。在本试验不同氮水平下,2个品种间作产量均高于单作;不施氮水平下ZD958││XD20较ZD958和XD20分别增产8.82%和6.34%;施氮240,450 kg/hm2水平下分别增产7.19%,5.88%和6.53%,5.31%。 ZD958││XD20下,施氮240和450 kg/hm2产量分别增加9.55%和11.22%;穗粒数和千粒质量分别增加2.23%,8.01%和8.74%,7.31%。不同氮效率玉米品种间作协同增加了穗粒数和千粒质量,进而提高了产量。

不同基因型玉米合理间作,不仅可以丰富群体遗传多样性、优化群体结构、增强群体抗逆性,而且能够有效延长优良品种的生产寿命[31]。施氮和有机肥可延长干物质积累的旺盛时期,使玉米干物质总量积累速率最大的时刻推后1~3 d,增加了玉米的干物质积累量[35]。本试验条件下,ZD958││XD20在不同氮水平下的地上部生物量均大于ZD958和XD20。光合作用是玉米进行物质生产的基本生理过程,适量施用氮素可减少花后叶片中氮素的输出,延缓叶片衰老,维持较高的光合速率,为籽粒灌浆提供充足的碳水化合物[36]。本试验不同氮水平下,吐丝期ZD958││XD20的净光合速率显著高于ZD958和XD20,吐丝期ZD958││XD20 SPAD值大于ZD958和XD20。间作种植模式下,随施氮量的增加,吐丝期和灌浆期的玉米净光合速率有显著的增加。不同氮效率玉米品种间作可能改善了群体质量和碳素营养,提高了光合速率。

焦念元等[29]研究表明玉米-花生间作时,间作玉米氮、磷吸收量显著高于单作玉米,间作花生氮、磷吸收量与单作花生差异不明显。已有研究表明,郑单958为低氮高效品种,浚单20为高氮高效品种[20],本试验表明施氮240 kg/hm2ZD958││XD20氮肥利用效率高于XD20而低于ZD958,施氮450 kg/hm2ZD958││XD20氮肥利用效率均高于ZD958和XD20;施氮240,450 kg/hm2下ZD958││XD20的氮肥农学效率均高于ZD958和XD20。不同氮效率玉米品种间作提高了高氮水平下的夏玉米氮肥利用效率。

不同氮水平下,郑单958和浚单20间作净光合速率提高7.43%~47.68%,地上部生物量增加2.76%~15.19%,协同增加了穗粒数和千粒质量,较单作增产5.31%~8.82%;郑单958和浚单20间作提高了夏玉米氮素积累量,氮肥利用率提高3.10~3.47个百分点,氮肥农学效率提高1.08~2.64 kg/kg。间作模式下,施氮240,450 kg/hm2分别增产9.55%和11.22%,但2个水平间产量差异不显著。施氮240 kg/hm2水平下,间作的氮肥利用率高于浚单20单作,氮肥农学效率最高;综合产量和氮肥利用效率,郑单958和浚单20间作施氮240 kg/hm2效果较好。

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Effect of Different Genotype Summer Maize Intercropping on Yield and Nitrogen Absorption and Utilization

TAO Jingjing,WANG Haibiao,ZHU Zongying,TAN Jinfang,WANG Yilun

(College of Resources and Environment Science,Henan Agricultural University,Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops,Zhengzhou 450002,China)

A field experiment was conducted to study the influence of intercropping of different nitrogen-efficiency varieties of maize on yield,nitrogen accumulation,aboveground biomass,photosynthetic characteristics and nitrogen fertilizer use efficiency in different application levels of nitrogen.The results showed that,in the condition of no nitrogen application,Zhengdan 958 and Xundan 20 intercropping increased the grain yield by 8.82% and 6.34% respectively,compared with the monoculture of Zhengdan 958 and Xundan 20,and the net photosynthetic rate increased by 47.68% and 30.89% respectively at silking stage.In 240 kg/ha nitrogen level,Zhengdan 958 and Xundan 20 intercropping increased the yield by 7.19% and 5.88% respectively than Zhengdan 958 and Xundan 20 monoculture,and the net photosynthetic rate increased by 27.31% and 22.16% respectively in silking stage.In 450 kg/ha nitrogen level,Zhengdan 958 and Xundan 20 intercropping increased the yield by 6.53% and 5.31% respectively than Zhengdan 958 and Xundan 20 monoculture,and the net photosynthetic rate increased by 19.20% and 7.43% respectively in silking stage.In intercropping mode,the yield increased by 9.55% and 11.22% respectively at 240,450 kg/ha nitrogen level,while there was no significant difference between the two levels.The nitrogen accumulation amount of summer maize was increased by intercropping of Zhengdan 958 and Xundan 20,the nitrogen use rate increased by 3.10-3.47 perlentage points and the nitrogen agronomic efficiency increased by 1.08-2.64 kg/kg.In 240 kg/ha nitrogen level,the nitrogen-efficiency in Zhengdan 958 and Xundan 20 intercropping was higher than Xundan 20 monoculture,and the nitrogen agronomic efficiency was the best.Consideing the yield and nitrogen fertilizer use efficiency,240 kg/ha nitrogen level was better for Zhengdan 958 and Xundan 20 intercropping.

Genotype;Summer maize;Intercropping;Yield;N fertilizer efficiency

2016-05-05

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD23B02);河南省科技成果转化基金项目(142201110025)

陶静静(1992-),女,河南周口人,在读硕士,主要从事植物营养与施肥研究。

王宜伦(1976-),男,山东郓城人,副教授,博士,主要从事植物营养与施肥研究。

S513.062

A

1000-7091(2016)06-0185-07

10.7668/hbnxb.2016.06.029

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