基于品种生育期有效积温确定夏玉米适宜播期

2021-09-18陈静任佰朝赵斌刘鹏杨今胜张吉旺

中国农业科学 2021年17期

陈静，任佰朝，赵斌，刘鹏，杨今胜，张吉旺

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

【】在当前气候变化和夏玉米品种更替的背景下，如何调整品种和播种期以适应当地有效积温的变化对夏玉米的生产具有重要的意义。本研究通过分析不同熟期夏玉米品种产量形成对播期的响应，以期为当地适宜播期和品种的选择提供理论依据。2017—2019年，共选用3个中早熟夏玉米品种登海518（DH518）、京农科728（JNK728）、登海618（DH618），3个中晚熟品种郑单958（ZD958）、登海605（DH605）、先玉335（XY335）作为试验材料，并设置6月5日（E）、6月15日（N）、6月25日（L）3个播期，探讨播期对不同熟期夏玉米授粉结实和产量形成等的影响。播期推迟至6月25日，各品种千粒重增加，单位面积穗数、穗粒数显著降低，产量下降。与6月25日播种中晚熟品种相比，6月5日播种，产量和有效积温生产效率分别增加28.81%和16.24%；与6月25日播种中早熟品种相比，6月15日播种，产量和有效积温生产效率分别增加18.92%和14.66%。随播期推迟，不同品种全生育期有效积温降低1.21%—10.62%，中晚熟品种的降幅大于中早熟品种；中早熟品种总结实率降低6.25%—19.94%，中晚熟品种总结实率降低8.11%—27.32%，中晚熟品种的降幅大于中早熟品种；不同品种空秆率增高1.42%—14.72%，与品种熟期无关；中早熟品种收获指数先升高后降低，变幅在15.91%—20.23%，中晚熟品种收获指数降幅在2.36%—27.69%。不同品种产量与有效积温呈正相关，且吐丝期—成熟期有效积温与产量的关系更密切；有效积温、收获指数、总结实率、全生育期天数4个因素中，中早熟品种的产量与收获指数、总结实率的关系更密切，而中晚熟品种的产量与有效积温、收获指数的相关性更强；中早熟品种的有效积温与全生育期天数的相关性强于其与总结实率、收获指数和产量的相关性，而中晚熟品种的有效积温与产量的相关性强于其与收获指数、总结实率和全生育期天数的相关性。中早熟品种产量受有效积温限制较小，1 700℃·d左右的全生育期有效积温更有利于保证其较高的结实率和收获指数，进而获得高产；中晚熟品种产量受有效积温限制较大，1 800℃·d以上的有效积温更有利于其产量的增加。在当地气候条件下，6月5日左右播种中晚熟品种、6月15日左右播种中早熟品种，有利于获得较高产量且提高有效积温生产效率。

夏玉米；播期；产量；有效积温；授粉结实

0 引言

【研究意义】近年来，随全球变暖、温度升高[1-2]，在黄淮海夏玉米生产区，玉米生长季后延，部分缓解了麦套改夏直播后玉米生长季有效积温不足的现状[3-4]。但该区主推品种生育期仍偏长，收获时难以达到生理成熟，严重影响产量。因此，选种不同熟期夏玉米品种并配合调整播种期，是促进当地气候资源高效利用，冬小麦-夏玉米种植模式可持续发展的必然趋势[5]。【前人研究进展】播期主要通过影响生育期有效积温调控夏玉米的生长发育和产量形成[4,6-7]。夏玉米的生育进程主要受有效积温的调控[8-10]，温度的变化会增加或减少玉米完成生育进程的时间，进而影响各生育阶段光、热、降雨等气候资源的分配。赵先丽等[11]和韩慧敏等[12]研究表明，随播种日期推迟，夏玉米花前温度逐渐升高，生育进程加快，全生育期缩短；但过晚播种，生育后期温度降低，全生育期又会延长，晚熟品种最终甚至不能完熟[7,13]。不同品种的玉米生育期天数变化幅度存在差异，播种每推迟1 d，全生育期缩短0.35—5 d[14-17]。同时，夏玉米播种过早，开花期易遭遇高温胁迫，影响授粉结实[18-23]；播种过晚，生育后期有效积温显著降低，影响籽粒发育[7]。播期的改变也会影响夏玉米干物质的积累与分配，过晚播种，不利于养分向籽粒运输，易造成植株营养生长过剩，收获指数下降[19,24]。结实率和干物质积累与分配的改变影响夏玉米单位面积穗数、穗粒数和千粒重，最终对夏玉米产量造成影响[20,25]。韩慧敏等[12]研究表明，随播种日期的推迟，夏玉米产量逐渐降低，单位面积穗数、穗粒数和千粒重与其产量的变化趋势相似[16]。但Zhou[18]和Tian等[19]研究表明，随播种日期推迟，夏玉米产量呈现先升高后降低的趋势，单位面积穗数、千粒重、穗粒数逐渐降低或与播期无显著相关。【本研究切入点】在黄淮海地区冬小麦-夏玉米周年轮作模式下，随气候变化和品种更替，夏玉米生育期内有效积温发生变化，不同熟期夏玉米的适宜播期有待进一步确定。【拟解决的关键问题】本研究旨在探究调整播期条件下，不同熟期夏玉米各生育时期的有效积温及其对生育进程、授粉结实、干物质积累与分配和产量的影响，以期为当地夏玉米播期和品种熟期的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

2017—2019年，试验在山东农业大学试验农场（36.09°N，117.09°E）进行，本地处于温带大陆性季风气候区，试验期间日均温23.57℃，总降雨411.87 mm。土壤类型为棕壤土，试验前土壤表层0—20 cm养分含量为全氮1.22 g·kg-1，有机质12.08 g·kg-1，速效磷44.12 mg·kg-1，速效钾85.22 mg·kg-1，碱解氮116.51 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用裂区设计，其中播期为主区，品种为副区。2017—2019年选用玉米品种见表1。设置6月5日（E）、6月15日（N）、6月25日（L）3个播期，小区面积为36 m2（6 m×6 m），每处理重复3次，随机排列。种植密度为67 500株/hm2。按12 000 kg·hm-2的产量水平施用肥料（N 210 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、KCl 150 kg·hm-2），氮肥于拔节期（V6）施入40%，大喇叭口期（V12）施入60%，磷肥和钾肥于V6期一次性施入，参照高产田管理方式进行田间管理。

表1 选用玉米品种及其生育期（2017—2019）

VE：出苗期；R6：成熟期。下同 VE: Emergence stage; R6: Maturity stage. The same as below

1.3 测定项目及方法

1.3.1 气象数据 2017—2019年气象数据由试验地附近气象站提供（图1）。

1.3.2 生育进程及积温详细记录夏玉米的生育进程，计算各生育阶段所需天数及相应积温。播种后观察出苗情况，记录各处理出苗期（VE）。出苗后，记录各处理拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、吐丝期（R1）、成熟期（R6）的生育进程，以小区内50%植株到达某生育时期为标准记录生育进程。

参照Meng等[26]方法计算有效积温。第天积累的有效积温：

有效积温生产效率=单位面积籽粒产量/生长季有效积温总量[27]。

图1 试验期间温度和降雨量的变化（2017-2019）

Fig. 1 Climate data for temperature and precipitation during the experimental period from 2017 to 2019

1.3.3 雌、雄穗授粉结实特性

1.3.3.1 雌穗特性玉米吐丝前选取有代表性的植株标记，记录吐丝时间，授粉完成后，每处理摘取5个果穗，用单面刀片从苞叶的顶端切掉吐出苞叶的花丝，剥去苞叶，分为3部分计数：萎缩的花丝数（受精小花数）；基部新鲜的花丝数（未受精小花数）；未抽丝的退化小花数。3部分合计为雌穗总小花数。计数雌穗总小花数、正常受精小花数、未受精小花数、穗粒数，计算小花受精率、小花败育率、小花结实率、籽粒败育率、总结实率、总败育率。

小花受精率（%）=（受精小花数/总小花数）×100；

小花败育率（%）=（总小花数-受精小花数）/总小花数×100；

小花结实率（%）=（穗粒数/受精小花数）×100；

籽粒败育率（%）=（受精小花数-穗粒数）/受精小花数×100；

总结实率（%）=（穗粒数/总小花数）×100；

总败育率（%）=（总小花数-穗粒数）/总小花数×100。

1.3.3.2 雄穗特性在雄穗散粉之前，选取生长良好、整齐一致且有代表性的植株10株，记录各处理雄穗的分支数、总小花数和有效小花数，并计算雄穗小花败育率，雄穗小花败育率（%）=（总小花数-有效小花数）/总小花数×100。

1.3.4 干物质积累与分配于V6、V12、VT、乳熟期（R3）和R6时期取样，每个处理选取有代表性的玉米5株，V12、VT时期分为茎、叶2部分，R3、R6时期植株分为茎、叶、穗轴和籽粒4部分，置烘箱内105℃杀青30 min后，80℃烘干至恒量，称重。

1.3.5 收获、考种和测产每小区选取中间3行，随机收获连续30株玉米的果穗，自然风干用于室内考种，80℃烘干后，按14%含水量折算千粒重，计算理论产量。单位面积穗数为田间调查的有效亩穗数换算所得。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 23软件进行数据统计和分析。利用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果

2.1 播期对不同熟期夏玉米产量及其构成因素的影响

2017—2019年，不同熟期夏玉米品种的产量差异显著，中晚熟品种产量高于中早熟品种，3年总产量平均高出9.15%。该产量差异主要源于穗粒数的差异，中晚熟品种3年平均穗粒数较中早熟品种高10.24%。随播期推迟，中早熟品种产量先增加后降低，中晚熟品种产量逐渐降低（2018年ZD958除外，该处理后期出现倒伏），中早熟和中晚熟品种分别在N和E处理达到产量最大值，较L处理，两者3年的平均增产分别为18.92%和28.81%。同时，不同熟期品种的单位面积穗数、穗粒数均下降，千粒重增加。以2019年为例，较N处理，中早熟品种JNK728、DH618的产量在E或L处理分别下降6.78%、18.95%或7.89%、11.83%；较E处理，中晚熟品种ZD958、XY335的产量在N或L处理分别下降10.59%、11.83%或15.05%、30.09%。JNK728、DH618、ZD958、XY335 4个品种L处理的千粒重均增加，较E处理分别增加17.31%、11.29%、15.50%、10.96%；单位面积穗数和穗粒数均降低，较E处理分别减少14.38%、7.29%、23.15%、27.95%和13.44%、7.23%、4.79%、12.55%（表2）。

表2 播期对不同熟期夏玉米产量及其构成因素的影响

同列标以不同小写字母的值达5%差异显著，ns表示差异不显著，**表示在0.01水平下差异显著，*表示在0.05水平下差异显著。下同

Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 probability level. ns, no signiﬁcance.*, signiﬁcant at 0.05 probability level. **, signiﬁcant at 0.01 probability level. The same as below

2.2 播期对不同熟期夏玉米生育进程的影响

播期对不同熟期夏玉米生育进程的影响存在差异，对播种—拔节期的影响不显著，对拔节—吐丝期的影响显著，对吐丝—成熟期的影响与品种熟期有关。以2019年为例，各处理播种—出苗需4—5 d，出苗—拔节期需16—18 d，L处理的播种—出苗所需时间比E、N处理减少1 d，不同品种之间差异不显著；E处理拔节—吐丝期的天数比N、L处理增加3—5 d，后两者所需时间相近；随播期推迟，中晚熟品种吐丝—成熟期的天数增加5—14 d，多于中早熟品种的2—3 d（表3）。

表3 播期对不同熟期夏玉米生育进程的影响

V6：拔节期；VT：抽雄期；R1：吐丝期；SD：播种。下同

V6: Six-leaf stage; VT: Tassel stage; R1: Silking stage; SD: Seeding. The same as below

2.3 播期对不同熟期夏玉米有效积温的影响

播期影响不同熟期夏玉米各生育期有效积温。E处理的出苗—吐丝期有效积温高于N、L处理，后两者差异不显著，该阶段中晚熟品种有效积温比中早熟品种高50—80℃·d。随播期推迟，中晚熟品种吐丝—成熟期的有效积温较中早熟品种显著降低，全生育期有效积温变幅与吐丝—成熟期的相似。以2019年为例，JNK728、DH618、ZD958、XY335 4个品种L处理的全生育期积温，较E处理的分别降低9.78%、9.47%、9.12%、9.79%；较N处理分别降低6.11%、6.49%、8.01%、8.65%。中早熟和中晚熟品种的有效积温生产效率，分别在N和E处理达到最高值（2018年ZD958除外，该处理后期出现倒伏）。中早熟品种JNK728和DH618 2年有效积温生产效率变化幅度差异显著，与2018年相比，2019年3个播期处理平均增加3.57%和28.55%（表4）。

2.4 播期对不同熟期夏玉米穗部性状的影响

2.4.1 雄穗发育特性播期对雄穗分枝数、总小花数、不育小花数、小花败育率均有影响。2年间，3个播期雄穗分支数的变幅在0—28.57%，而不同品种之间的差异为0—380.00%；雄穗总小花数对播期的响应无明显规律，不同品种之间雄穗总小花数差异显著，最大可达219.43%；除2018年DH618品种外，其他处理均表现为L处理的小花败育率最高；2018年ZD958 3个播期的小花败育率变幅最大，达8.22%（表5）。

表4 播期对不同熟期夏玉米有效积温的影响

表5 不同熟期夏玉米品种的雄穗发育特性

2.4.2 雌穗发育特性播期对不同熟期夏玉米开花期雌穗影响显著。中晚熟品种总小花数较中早熟品种总小花数平均高25.26%，小花受精率平均高3.17%，小花结实率平均低12.66%，总结实率平均低9.91%。以2019年为例，随播期推迟，4个品种均表现为总结实率、小花结实率和小花受精率降低，其中以XY335的总结实率、小花结实率，JNK728的小花受精率降低最显著，最大降幅分别为27.21%、20.11%、17.90%（表6）。

2.4.3 果穗穗部性状播期对不同熟期夏玉米品种的穗长、穗粗、秃顶长、空秆率、畸形率均有影响。随播期推迟，各品种穗粗均增大，E和N处理的穗粗差异不显著，在2.33%—5.16%范围内；L处理的穗粗与前2个播期，尤其是E处理的差异显著，中早熟和中晚熟品种的最大差异分别为10.61%、9.93%，两者相近；中晚熟品种有效穗长显著降低，最大降幅为26.05%，中早熟品种秃尖比先增加后减少；不同品种空秆率均显著升高，以JNK728增长最显著，最大增长值为14.72%；中早熟品种畸形率下降0.05%—13.46%，中晚熟品种畸形率先降低后增大，以XY335变幅更显著，较E处理，N处理的畸形率降低9.70%，L处理增加11.74%（表7）。

2.5 播期对不同熟期夏玉米干物质积累与分配的影响

播期对不同熟期夏玉米品种干物重积累的影响与品种熟期和年份有关。中早熟和中晚熟品种E和N处理的成熟期干物重均无明显规律，中晚熟品种L处理的成熟期干物重最小，较前2个播期2年平均降低21.32%，而中早熟品种L处理的成熟期干物重，2018年平均降低19.78%，2019年平均增长11.15%（图2）。随播期推迟，不同品种收获指数均下降，最大降幅为27.69%。2019年3个播期收获指数较2018年分别增长13.57%、4.97%、-2.43%（图3）。

表6 不同熟期夏玉米品种雌穗小花和穗粒数

2.6 不同熟期夏玉米品种的相关性分析

相关性分析表明，不同熟期夏玉米品种的产量均与全生育期有效积温呈正相关，中早熟品种的产量比中晚熟品种受收获指数和总结实率的影响更显著，中晚熟品种的产量受有效积温影响更显著（表8）。JNK728和ZD958吐丝前后有效积温和产量的相关性分析表明，吐丝—成熟期的有效积温与产量的关系比播种—吐丝期的更密切（图4）。

3 讨论

3.1 播期对不同熟期夏玉米品种有效积温、穗部性状、授粉结实和干物质积累与分配的影响

生育期内充足的有效积温是保证夏玉米生长发育和产量形成的关键因素[28]。万泽花等[9]研究表明，夏玉米全生育期所需有效积温约为1 700—1 800℃·d。本试验表明，6月5日和6月15日2个播期，能充分保证中早熟品种所需有效积温，基本满足中晚熟品种的积温需求；6月25日播种，灌浆后期温度下降显著（图1），不能满足两类品种的积温需求。因此，为保证两类品种全生育期所需有效积温，当地应选在6月25日之前进行播种。

不同小写字母表示同一生育时期不同播期间在5%水平显著差异。E：6月5日播期；N：6月15日播期；L：6月25日播期。V6：拔节期；V12：大喇叭口期；VT：抽雄期；R3：乳熟期；R6：成熟期。下同

孟佳佳等[29]研究表明，品种特性对雌穗总小花数的影响大于栽培措施及环境条件。而于康珂等[30]研究发现，玉米的穗发育受温度影响较大。本试验表明，随播期推迟，不同熟期夏玉米雌穗总小花数的变化无统一规律，而总结实率均降低。全生育期有效积温基本满足时，不同品种的总结实率随出苗—吐丝期有效积温的增加而增加。此时，较高的花前（吐丝前）有效积温源于较长的花前累积天数，日均温度更适宜穗发育（图1），有利于小花结实率的提高。比较2018和2019年的总结实率和积温数据，2018年不同熟期品种花前有效积温均高于2019年，但中早熟品种2019年总结实率高于2018年，中晚熟品种则相反，表明过高的花前有效积温不利于中早熟品种总结实率的提高，而中晚熟品种对花前有效积温的需求高于中早熟品种。

干物质积累与分配是影响作物产量形成的重要因素[31]。吕新等[32]研究表明，适当早播能增加夏玉米干物质积累的速度，延长积累的持续时间，有利于干物质向籽粒中运输，促进籽粒增重[33]，提高收获指数。本试验表明，花后有效积温影响不同熟期夏玉米品种干物质的积累与分配，但播期对收获指数的影响与品种熟期有关。全生育期有效积温基本满足时，中早熟品种的收获指数随吐丝—成熟期有效积温的增加而降低。与6月5日播种相比，6月15日播种，中早熟品种花后有效积温略有降低，但花后天数增加，此时，灌浆后期有效积温仍能满足灌浆所需，灌浆天数增加，有利于粒重增加，收获指数提高。张巽等[34]研究表明，灌浆期低温，灌浆速率降低，不利于光合产物向籽粒中运输。6月15日播种，中晚熟品种虽通过延长花后天数，增加了花后有效积温，但灌浆后期均温不足，其收获指数仍降低。

表7 播期对不同熟期夏玉米穗部性状的影响（2019）

表8 不同熟期夏玉米品种的相关性分析

*表示在0.05水平下差异显著 *, signiﬁcant at 0.05 probability level

3.2 播期对不同熟期夏玉米品种产量形成的影响

播期对产量形成的影响与品种熟期及当地的气候条件，尤其是光热条件关系密切[35-37]。相关性分析表明，中早熟品种产量与收获指数呈显著正相关，与总结实率呈正相关，有效积温对其的影响与品种及年份有关。6月15日播种，2个中早熟品种花前、花后有效积温相对适宜，收获指数和总结实率均较高，能保证较高的穗粒数和后期籽粒的增重，夏玉米产量增加。而中晚熟品种的产量与全生育期有效积温和收获指数呈显著正相关，总结实率对其影响较小。全生育期有效积温降低时，其花前有效积温降低，总结实率和收获指数下降，单位面积穗数和单穗重降低，产量降低。中晚熟品种总小花数较多，在较低的结实率下仍能保证较高的穗粒数，这可能是其产量受总结实率影响较小的主要原因。过晚播种，不同熟期品种花前天数显著减少，全生育期有效积温显著下降，导致收获指数和结实率显著降低，产量下降。根据品种特性和当地气候条件调整播期，能够合理地分配花前和花后有效积温，从而有效地提高结实率和收获指数，进而提高产量。在本试验条件下，6月5日左右是中晚熟夏玉米品种的适宜播期，中早熟品种则适宜在6月15日左右播种。

4 结论

中早熟品种产量受有效积温限制较小，1 700℃·d左右的全生育期有效积温更有利于保证其较高的结实率和收获指数，进而获得高产；中晚熟品种产量受有效积温限制较大，1 800℃·d以上的有效积温更有利于其产量的增加。在当地气候条件下，6月5日左右播种中晚熟品种、6月15日左右播种中早熟品种，有利于提高有效积温生产效率，且获得较高产量。

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Determination on Suitable Sowing Date of Summer Maize Hybrids Based on Effective Accumulated Temperature in Growth Period

1College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shangdong;2Denghai Seed Co., Ltd. of Shandong Province/Key Laboratory of Corn Breeding and Cultivation Technology, Laizhou 261448, Shandong

【】As the climate change and summer maize hybrids transition, it is of great significance to study how to adjust the summer maize hybrids and sowing date to adapt the effective accumulated temperature. This study was expected to explore the influence of sowing date on the yield formation of summer maize hybrids differing in maturities, so as to provide theoretical references for the local suitable sowing date and selection of maize hybrids.【】The medium early maturing hybrids, including Denghai 518 (DH518), Jingnongke 728 (JNK728), Denghai 618 (DH618), and medium late maturing hybrids, including Zhengdan 958 (ZD958), Denghai 605 (DH605), Xianyu 335 (XY335), were selected as test materials from 2017 to 2019, and three sowing dates were set up on June 5th (E), June 15th (N) and June 25th (L). Then, the effects of sowing date on the seed setting rate and yield formation of summer maize hybrids differing in maturities were investigated.【】Compared with sowing on June 25th, the yield of the medium late maturing hybrids sowing on June 5th and the medium early maturing hybrids on June 15th was increased by 28.81% and 18.92%, respectively; the production efficiency of the effective accumulated temperature (EAT) was increased by 16.24% and 14.66%, respectively. Under the delayed the sowing date to June 25th, the 1000-kernel weights of all hybrids increased, while the kernels per ear and harvest ear number reduced, which led to the yield losses. With sowing date delayed, the EAT of all hybrids decreased by 1.21%-10.62%, and the decrease of middle late maturing hybrids was greater than that in the middle early. Besides, the total seed setting rate reduced 6.25%-19.94% in the middle early maturing hybrids, while the middle late hybrids decreased by 8.11%-27.32%, which was higher than that in the middle early hybrids. The rate of empty shot increased by 1.42%-14.72%, which was unconcerned with the maturity of hybrids. The harvest index of middle early maturing hybrids first increased and next decreased, with the range of 15.91%-20.23% when the middle late hybrids decreased by 2.36%-27.69%. The yield of different hybrids was positively correlated with EAT, while the effect of EAT from silking to maturing stage was more significant. Among the four factors of EAT, harvest index, total seed rate and the whole growth period days, the yield of middle early maturing hybrids was closely related to harvest index and total seed rate, while the yield of middle late maturing hybrids had stronger correlation with EAT and harvest index. The correlation between EAT and the whole growth period days was greater than that of total seed rate, harvest index and yield in medium early maturing hybrids, while the correlation between EAT and yield was stronger than that of harvest index, total seed rate and the whole growth period days in medium late maturing hybrids.【】The yield of middle early maturing hybrids was less limited by the effective accumulated temperature. Higher harvest index and total seed setting rate could be available when the effective accumulated temperature was about 1 700℃·d in the whole growth period. The yield of middle late hybrids was limited by the effective accumulated temperature more. Above 1 800℃·d was more conductive to the increase of yield. Therefore, sowing medium late maturing hybrids around June 5th and medium early maturing hybrids around June 15th were beneficial to obtain higher yield and improve the production efficiency of effective accumulated temperature for local summer maize.

summer maize; sowing date; yield; effective accumulated temperature; seed setting rate