综合农艺管理提高夏玉米产量和养分利用效率的潜力

刘 正，高 佳，高 飞，杨今胜，任佰朝，张吉旺*

（1 作物生物学国家重点实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018；2 山东省玉米育种与栽培技术重点实验室/山东登海种业股份有限公司，山东莱州 261448）

黄淮海平原面积30 万公顷，占全国总耕地面积的六分之一，粮食产量全国占比超过三分之一[1]。冬小麦-夏玉米一年两熟制是黄淮海区域主要的粮食种植模式，对保障国家粮食安全具有重要意义[2-3]。传统栽培模式存在的诸多问题，如种植密度低、玉米收获早、施肥量和施肥时期不合理等，不利于作物生产潜力发挥，阻碍粮食增产[4-5]。因此，建立合理的栽培管理模式有助于提高作物产量，减少资源消耗和保护生态环境安全。氮元素 (N) 参与玉米器官建成和光合作用等生理过程，是重要的产量限制因子[6-8]。磷元素 (P) 是核酸、磷脂和ATP 等的合成原料，参与细胞分裂、能量代谢和信号转导等生理过程[9]。钾元素 (K) 参与酶激活、蛋白质合成和逆境防御等生理过程[10-11]。生产中存在的种种问题限制了产量和养分利用效率的进一步提高。一方面，施肥量远超作物需求和土地承载能力，其中又以过量施氮最为严重和突出。黄淮海夏玉米季平均施氮量为458 kg/hm2，远超180～210 kg/hm2的推荐用量。长期过量施氮导致土壤氮库饱和、氮肥损失增加，威胁生态环境安全[12-14]。与之相反，在生产中钾肥没有得到足够的重视。虽然土壤中全钾含量较高，但是能被作物直接吸收利用的有效钾含量较低，高强度的复种连作大量消耗土壤有效钾，若不能及时补充，将影响作物的抗倒伏能力和籽粒品质[15]。另一方面，施肥时期与作物养分需求规律不符。拔节期一次性施肥、没有底肥和追肥的施肥方式导致夏玉米生育后期脱肥，影响籽粒灌浆和粒重增长[16-17]。因为磷元素在土壤中极易被固定，移动性差，所以生育前期一次性施用磷肥导致其利用率低。另外，土壤类型和施肥位置等也显著影响磷肥吸收、利用[9,18-20]。为解决上述问题，本研究设置了代表不同生产水平、循序渐进的四种综合农艺管理栽培模式 (integrated agronomic practices management，IAPM)。优化模式在当地农户传统种植模式的基础上，分析并解决产量限制因子，缩小产量差，实现产量与效率的初步提高；超高产模式以牺牲效率为代价，挖掘产量潜力，实现当地最高产量[21]；再优化模式进一步解决了产量限制因子，较传统种植模式实现了产量与效率进一步提高。耕作和秸秆还田方式的改变适应当地气候条件变化和机械化作业发展[1-2,22]。当地夏玉米种植密度普遍较低，难以充分发挥雨热同期的气候优势。因此，增加种植密度，构建合理的群体结构，是挖掘产量潜力的有效途径[23]。前期研究表明，大量施肥不利于玉米根系下扎[7]，也不利于作物吸收、利用土壤自身的营养元素[9-10,15]。本研究依据作物需肥规律和养分临界期确定施肥时期；依据土壤养分含量和目标产量确定施肥量，并根据前期试验做进一步调整，以减少作物奢侈吸收和肥料损失，协同提高产量和效率[8,12,21,24]。通过增加种植密度、减量分次施氮、推迟玉米收获和小麦播种等措施，再优化模式促进了夏玉米的光合作用[12,14,16]和干物质积累[6-7]，降低了土壤硝态氮冗余[17]，提高了产量和氮素利用效率[13]。前期研究多关注夏玉米产量和氮素利用效率方面，对磷、钾元素利用的思考与研究较少。本文旨在探索综合农艺管理对夏玉米氮、磷、钾积累与利用的影响，并为夏玉米养分管理提供理论指导和科学依据，以最小的环境代价实现夏玉米高产稳产。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2013—2017 年在作物生物学国家重点实验室和泰安市岱岳区大汶口试验田进行。试验区域土壤类型为棕壤，气候类型为温带大陆性季风气候。播前0—30 cm 深度土壤养分含量如下:有机质12.6 g/kg、全氮0.83 g/kg、有效磷(P2O5) 19.6 mg/kg、速效钾 (K2O) 125.7 mg/kg。2013—2017 年夏玉米生长季 (6～9 月) 生长度日为 (1843 ± 37)℃，降水量为 (468 ± 122) mm。

试验材料为玉米杂交种郑单958，随机区组设计，四次重复。设置4 个处理，常规对照采用秸秆覆盖，免耕 (CK)；优化模式 (Opt-1)，在CK 基础上，增加种植密度，延迟收获，减少施氮量并增加施肥次数；最高产量管理模式 (HY)；再优化模式(Opt-2)，在HY 基础上，降低种植密度和施氮量，以期实现产量效率协同提高。后三个处理的耕作方式均为秸秆还田，浅旋耕 (表1)。每个小区面积为240 m2(6 m × 40 m)，每组间隔1 m，总面积为3912 m2(24 m × 163 m)。玉米行间距为0.6 m，每个小区包含10 行玉米。开沟施肥，深度为5 cm。播前灌水80 mm，足墒播种。试验期间无明显病虫草害。

1.2 取样与测定指标

在抽雄 (VT) 和成熟期 (R6)，从每个小区随机取样5 株，成熟期样品分为秸秆 (包括茎、叶、穗轴等) 和籽粒。样品烘干至恒重，称重；粉碎后过2 mm 筛，经H2SO4-H2O2消煮，使用AA3 连续流动分析仪测定全氮和全磷浓度；使用火焰光度计测定全钾浓度[19]。成熟期调查小区果穗数，计算单位面积穗数；在各小区中间三行连续收取30 个果穗，三次重复，用于计算夏玉米千粒重和产量。计算下列指标以衡量夏玉米养分利用效率[20]。

产量 (kg/hm2) = 单位面积穗数 × 穗粒数 × 千粒重/ 106

干物质转运效率 (%) = (抽雄期干物质重-成熟期秸秆干物质重)/ 抽雄期干物质重 × 100

干物质转运贡献率 (%) = (抽雄期干物质重-成熟期秸秆干物质重)/籽粒重 × 100

花后积累量 (kg/hm2) = 籽粒重-(抽雄期干物质重-成熟期秸秆干物质重)

籽粒中氮 (磷、钾) 含量 (kg/hm2) = 氮 (磷、钾)浓度 × 产量 × 10-3

表 1 不同处理的栽培管理及施肥策略Table 1 Cultivation managements and fertilizer strategies for different treatments

养分偏生产力 (kg/kg) = 产量/施肥量

1.3 数据统计与分析

数据以平均值 ± 标准差表示。使用Excel 2010软件进行数据整理和作图，使用SPSS17.0 软件进行数据分析。利用双因素重复测量方差分析模型 (年份 ×处理)，检验各指标的差异显著性，均值多重比较采用Duncan 法，置信水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 假设检验及方差分析

表2 表明，所有指标均通过正态分布和球形检验，适用于双因素重复测量方差分析模型。所有指标的处理间差异均达到显著水平。受年际气象条件变化影响，产量和抽雄期干物质重等八项指标存在显著的年际差异，其他四项指标年际变化不显著。所有指标的年份与处理交互效应 (年份 × 处理) 不显著，即五年试验处理间的差异趋势一致，且稳定。

2.2 产量

2013—2017 年期间，4 个处理间产量差异均达到显著水平，由高到低为HY ＞ Opt-2 ＞ Opt-1 ＞ CK(P ＜0.05，图1)。Opt-2 处理的夏玉米产量比CK 高27.6%～37.9%，比Opt-1 处理高19.2%～31.9%，显示了再优化处理进一步提高产量的效果。

2.3 干物质重

抽雄期处理间干物质重存在显著差异，高低变化与产量相同 (图2)。HY 处理的干物质重显著高于其他处理，Opt-2 处理分别比CK 和Opt-1 处理高22.8%～25.0%和13.2%～20.3%。

2.4 花后干物质转运与分配

由表3 可知，处理间干物质分配和转运特性存在显著差异。Opt-1、HY 和Opt-2 处理的花后干物质运转效率 (DTE) 分别较CK 平均提高了14.4%、13.7%和5.8%，Opt-1 和HY 两处理间无显著差异，但二者均显著高于Opt-2。花后干物质运转对产量的贡献率 (DTC) 与运转效率一致，Opt-1 和HY 处理最高，其平均DTC 较CK 和Opt-2 处理增加了15.8～19.1%。花后干物质积累量 (DA) 则以HY 和Opt-2 处理显著高于CK 和Opt-1，提高幅度为28.7%～36.8% (P ＜ 0.05)。

2.5 籽粒氮、磷、钾积累量

Opt-2 处理的籽粒氮、磷、钾积累量分别为146.0～171.4 kg/hm2、75.6～92.7 kg/hm2和40.0～43.8 kg/hm2。总的来看，Opt-2 处理籽粒氮积累量显著低于HY 处理，高于Opt-1 处理和CK，分别比CK 和Opt-1 处理高20.5%～68.4%和12.5%～29.2%，比HY 处理低13.2%～19.0%。Opt-2 处理籽粒磷积累量显著高于其他三个处理。Opt-2 处理籽粒钾积累量基本与HY 处理相当，但分别比CK 和Opt-1 处理高38.4%～58.9%和16.3%～32.6% (图3)。

表 2 假设检验及方差分析Table 2 Hypothesis test and analysis of variance

图 1 2013—2017 年夏玉米籽粒产量Fig. 1 Grain yield of summer maize in the period from 2013 to 2017

图 2 2013—2017 年抽雄期夏玉米干物质积累量Fig. 2 Dry matter weight of summer maize at tasseling stage in 2013-2017

表 3 各处理夏玉米干物质转运效率、贡献率和花后积累量Table 3 Dry matter translocation efficiency and its contribution and dry matter accumulation after tasseling of summer maize in each treatment

2.6 氮、磷和钾肥偏生产力

Opt-1 和Opt-2 处理氮、磷肥偏生产力相当，Opt-2 处理的氮肥偏生产力分别比CK 和HY 处理高62.0% 和125.2%。钾肥偏生产力以Opt-1 处理和CK 处理最高，Opt-2 处理的也显著高于HY 处理(表4)。表明再优化处理显著提高了氮磷肥效率，钾肥偏生产力虽然不如常规和优化处理，但是综合考虑钾的养分功能，增加钾的吸收是保证高产必需的。

3 讨论

图 3 2013—2017 年成熟期夏玉米籽粒氮、磷和钾积累量Fig. 3 Nitrogen, phosphorus and potassium accumulation in grain of summer maize at physiological maturity stage in 2013-2017

足量的群体是实现产量提高的基础。然而，过高的密度也会带来冠层郁闭、个体竞争加剧、群体整齐度降低和倒伏风险提高等问题[5-6,22]，限制产量潜力的释放。解决上述问题的途径除了培育新品种以优化群体结构外，施肥量及施肥时期也是有效的栽培措施[13-14,16-17,23]。适当增加施肥量、调整施肥时期也能有效地缓解个体竞争，提高群体整齐度，进而实现高产[14]。本试验中，优化、超高产和再优化管理模式的夏玉米种植密度分别较传统种植模式 (6 ×104/hm2) 提高了12.5%、45.0%和25.0%，超高产模式氮、磷和钾肥施用量分别较传统种植模式提高了100.0%、233.3% 和300.0%；优化模式减少了28.7% 施氮量；再优化模式减少了18.0% 的施氮量，增加了22.2%的磷肥和73.3%钾肥。对照只施一次肥，即所有肥料在拔节期“一炮轰”。优化模式肥料分两次施用，氮肥播前∶拔节期占比3∶7。再优化模式肥料分三次施用，氮肥播前∶拔节期∶抽雄期占比2∶5∶3，以满足夏玉米各生育阶段的养分需求。依据供试地区气候条件，优化后的耕作措施改变了当地农民普遍早收夏玉米的习惯，优化、超高产和再优化模式较传统种植模式推迟夏玉米收获10～15 天，充分利用九月下旬和十月初丰沛的光热资源，促使干物质再分配和籽粒脱水。研究表明，当地夏玉米收获时间从9 月20 日推迟6 至10 天，产量提高14.1%～19.8%，氮素利用效率提高4.2%～6.4%[22]。因此，适当晚收夏玉米可以简单有效地提高作物产量和效率，同时不影响下茬冬小麦的生长。从试验结果看，再优化模式与一般优化管理和常规管理相比，显著提高了抽雄期玉米干物质积累量和收获期籽粒产量；从干物质和养分的运转效率及对籽粒的贡献率结果看，显著增加了抽雄期花后干物质的积累，但是其花前干物质向子粒的转移率显著低于优化处理，籽粒的贡献率也与优化处理持平；从氮、磷、钾肥的偏生产力结果看，再优化处理降低了氮磷钾肥的偏生产力，但是显著提高了玉米的籽粒和秸秆产量。综合考虑粮食产量、肥料施用量和追肥人工成本[13]，再优化模式提高了经济效益。

干物质积累量，尤其是花后干物质积累量是实现高产的基础[21]。前人研究认为，高产夏玉米的花后干物质积累量占全生育期的50%～60%[24]。籽粒灌浆来自开花前积累的营养物质再转运和开花后新同化的营养物质[16-17]。因此，实现夏玉米高产，不仅要增加干物质积累量，还要促进营养器官中积累的养分向籽粒转运再分配，提高收获指数。本研究中，超高产模式的抽雄和成熟期干物质积累量分别较其他处理增加了9.2%～35.1%和5.9%～36.5%，进而实现最大产量；各处理的干物质积累量和产量具有同步性，变化规律一致，与前人研究结果相符[21]。在干物质转运和分配方面，再优化模式的转运效率和花后积累量较传统种植模式显著提高，但是其转运效率和贡献率却显著低于初优化和超高产模式。这表明再优化模式虽然实现了产量提高，但是其成熟期仍有较多的光合同化产物滞留在茎叶等营养器官中，该模式有进一步提高产量的潜力。当然，考虑到品种固有特性的限制，这部分产量潜力的释放也需要品种更迭的帮助[25]。氮肥是夏玉米生产的主要养分限制因子，其具有较强的移动性[26-27]。磷是一种移动性差、易被固定的营养元素，施入土壤的磷肥易形成微溶性的磷酸盐，作物根系生长和活性对磷肥利用效率有显著影响[28-29]。土壤中速效钾含量较低，黄淮海区域一年两熟种植模式对土壤速效钾的消耗量较大，加之当地农户对钾肥重视程度低于氮、磷肥，钾元素可能在未来成为该区域的生产限制因子[30]。不合理的肥料运筹无法满足作物生长发育的养分需求，还可能造成土壤养分耗竭或冗余，进而限制生产潜力发挥[13]。传统种植模式在玉米拔节期一次性施肥，易导致作物生育后期脱肥。得益于更高的施肥量和施肥频次，尤其是花粒期追肥，超高产模式的籽粒氮素积累量较其他处理提高了6.0%～53.8%。初优化和再优化模式降低了施氮量，减少奢侈吸收，分次施氮满足玉米阶段养分需求，显著提高了氮肥偏生产力。与氮素积累、利用相比，磷元素表现出不同的规律。再优化模式的施磷量仅为超高产模式的1/3，但是其籽粒磷素积累量达到了后者的2 倍，相应地，其磷肥偏生产力显著高于传统种植和超高产模式。再优化模式以超高产模式1/2 的施钾量实现了相似的籽粒钾素积累量，但是其钾肥偏生产力显著低于传统种植和初优化模式。两个方面限制了再优化模式的钾素利用效率:第一，施钾量增加(+73%) 与有限的根系吸收能力[6,21,30]；第二，籽粒中积累的钾元素在相当程度上依赖营养器官中钾元素的活化和再分配[21,30]，而其较低的干物质转运效率(27.0%～34.3%) 和贡献率 (19.1%～27.6%) 在一定程度上阻滞了转运。受气象等因素影响，2014 年再优化模式籽粒钾素积累量显著高于超高产模式，但是，综合考虑五年试验及方差分析结果，两者在更长时间跨度内无显著差异。另外，超高产模式在实现高产的同时并没有等比例地提高磷和钾元素的吸收积累，造成了籽粒中磷和钾元素稀释，从一个侧面表明了夏玉米籽粒品质的降低。前人在小麦和水稻等作物上也发现了相似规律，即，随作物收获器官重量的提高，其元素或化合物浓度出现不同程度的降低[31-33]。

表 4 不同农艺管理下夏玉米氮、磷和钾肥偏生产力 (kg/kg)Table 4 Partial factor production of NPK fertilizers of summer maize in IAPM different treatments

最后，再优化模式在夏玉米产量、氮和磷养分利用效率上有较为优异的表现，但其仍存在花后养分转运阻滞和钾肥利用率低等问题。我们将在已有结果的基础上，尝试增加种植密度、轮作方式和使用新型肥料 (如菌肥、缓控释肥等) 等措施继续优化该模式，以期进一步提高夏玉米产量和养分利用效率。

4 结论

在播期和收获期不变的前提下，再优化模式通过适当增加种植密度和肥料用量，增加一次追肥措施，进一步显著增加了夏玉米整个生育期干物质和氮磷钾养分积累量，特别是提高了花后干物质积累量，实现了产量和肥料效率的协同提高。与常规对照模式相比，再优化模式减氮18.0%，增产27.6%～37.9%，氮、磷肥效率提高47.5%～67.6%；再优化模式相比优化模式增产19.2%～31.9%。