播期对机械粒收春玉米产量性能及安全播期窗口的影响*

戎美仁,高聚林,王富贵,王振,于晓芳,孙继颖,胡树平,王志刚

(内蒙古农业大学农学院 呼和浩特 010019)

机械粒收是北方春玉米(Zea mays)生产发展的必然趋势[1-2]。当前北方春玉米区机械粒收技术推广受积温有限导致脱水时间不足的制约明显,给北方春玉米安全增产和热量资源充分利用提出了新的挑战。内蒙古作为我国北方第三大玉米主产区,地理跨度大、区域热量资源差异显著,各生态区玉米播期各不相同。通过调整播期、合理配置不同积温需求的粒收品种,并将其与区域热量资源有效匹配是获得高产、提高生产效率并充分挖掘区域产量潜力的前提[3-4]。有研究指出,通过品种选择、播期调整等可充分利用区域热量资源,从而提升内蒙古玉米生产潜力[5]。气候变暖背景下,内蒙古春玉米区≥10 ℃温度起始日有提前趋势,预示着玉米宜播期可能有提前空间[6]。但目前内蒙古玉米区玉米播期是否可以提前、有多大提前空间尚缺乏定量化依据,研究播期对机械粒收玉米产量形成的影响机制,对机械粒收玉米高产和区域热量资源高效栽培技术探索具有重要参考意义。研究[7-9]表明,玉米产量与纬度之间存在非线性关系,而温度是造成玉米产量、收获指数和千粒重变化的主要气候因素。Liu 等[10]研究表明,玉米出苗期、花前阶段持续期长短主要受各阶段温度的影响。于胜男等[11]研究认为,花前日平均温度和花后温度日较差分别是影响春玉米粒收品种花前、花后阶段物质积累的核心温度因子。调整播期是优化玉米生长和产量形成的主要栽培措施之一[12]。Abbas 等[13]研究表明,播期调整导致的阶段温度变化会使玉米的阶段生长发育发生相应变化,使玉米各生育阶段处于相对有利的热量条件下,充分发挥光、热资源的综合增产效应[14-15]。江东岭[16]在夏玉米上的研究表明,适期早播是增加叶源量、源生产能力和源供应能力,并且延长叶片功能期的有效措施,播期提前后可延长玉米的生殖生长期[17],减缓叶片衰老速率,增加同化物的积累,使籽粒充分灌浆,增加百粒重,缓解温度升高对玉米产量的负面影响[18-19]。而梁茜等[20]研究发现,随着播期的推延,夏玉米穗粒数、行粒数和穗行数均呈先增加后下降的趋势,产量随着播期推迟也呈现先上升后下降的趋势。然而,机械粒收发展导向下,我国北方春玉米播期是否有提前空间,播期提前是否会对机械粒收玉米产量造成显著影响,其影响产量形成的核心机制是什么都缺乏系统研究。本研究立足于内蒙古春玉米区较大的地理跨度和玉米熟期差异,以应用机械粒收品种为前提,通过播期联网试验研究播期对机械粒收玉米产量性能的影响,揭示内蒙古各生态区机械粒收玉米播期的提前潜力,为机械粒收玉米热量资源高效利用和高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2019-2020 年,在内蒙古六大生态区:大兴安岭东温凉旱作区(岭东,EXM)、大兴安岭南温暖旱作区(岭南,SXM)、西辽河平原温热灌溉区(西辽河,WLR)、燕山北部丘陵温热灌溉区(燕山北部,NYM)、土默川平原温热灌溉区(土默川,TMP)、河套平原温热灌溉区(河套,HTP)进行播期联网试验。试验点地理坐标及各生态区热量条件概况如表1 所示。

表1 内蒙古六大生态区试验点地理位置和玉米生育期内平均热量条件Table 1 Geographical locations and average heat conditions of maize growth period in six ecological regions of Inner Mongolia

1.2 试验设计

试验选用经鉴选的适宜各生态区的机械粒收玉米品种为材料(表2)。各生态区播期均以当地常规播期为对照(OT),以7 d 为步长,设早播14 d (E14)、早播7 d (E7)、晚播7 d (D7)、晚播14 d (D14),共5个播期处理。种植密度均为75 000 株·hm-2,养分、水分管理同当地大田生产。试验随机区组排列,各处理分别设3 次重复,每重复小区长7 m,宽6 m,各小区面积皆为42 m2。

表2 内蒙古各生态区春玉米品种选择和播期设置Table 2 Variety selection and sowing date setting of spring maize in each ecological region of Inner Mongolia

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生育时期记录及计算

于田间定株调查并记录玉米播种期、出苗期(VE)、吐丝期(R1)、生理成熟期(R6)的准确到达日期,每重复小区于玉米四叶期标定5 m 双行,记录双行总株数。

1.3.2 地上部生物量测定

各处理于拔节期(V6)、吐丝期(R1)、生理成熟期(R6)取样,每个重复小区分别取3 株代表性植株(无病虫害影响且生长发育正常一致的植株),于105 ℃烘箱中杀青30 min,80 ℃烘干至恒重后称重,计算群体生物量。

1.3.3 叶面积测定

测定拔节期(V6)和吐丝期(R1)全株叶面积,每重复取3 株代表性植株(无病虫害影响且生长发育正常的植株),采用长宽系数法[21],从顶叶向下逐叶测量叶长(L,叶片展平,测定叶基部至叶尖的长度)、叶宽(W,叶片展平,垂直叶脉测定叶片最大宽度)。按展开叶叶面积=L×W×0.75,未展开叶叶面积=L×W×0.5进行计算。

1.3.4 测产及考种

于成熟期(R6)选取每次重复中无缺苗断垄且长势整齐的2 行收获,晾晒后考种。逐穗测定穗行数、穗粒数后全部脱粒,测定千粒重并采用PM-8188 型谷物水分测定仪测定籽粒含水量,计算籽粒产量(籽粒含水量为14%)。

1.3.5 气象数据记录

于各试验地气象站获取2019-2020 年的全年逐日平均气温(Ta)、日最高温(Tmax)、日最低温(Tmin)等数据。

1.4 产量性能参数计算

式中:MLAI (mean leaf area index)为某生育阶段平均叶面积指数;D(duration of photosynthesis)为光合时间;MNAR (mean net assimilation rate,g·m-2·d-1)为平均净同化率;HI (harvest index)为收获指数;EN (ears number·m-2)为单位面积穗数;GN (grains number per ear)为每穗穗粒数;GW (grain weight,g)为千粒重;LAD (photosynthetic potential)为生育期内单位土地面积累计光合叶面积。产量性能方程中各参数的具体计算方法参考张宾等[22]的计算方法。

1.5 相对产量归一计算

式中:Yr(relative yield)为玉米相对产量;Y(yield)为各生态区不同播期处理玉米实际产量;Ybase(yield base value)为归一基值,代表各生态区常规播期(OT)处理玉米产量。

1.6 数据处理

采用SPSS 25.0 中的一般线性模型进行方差分析,处理间显著性检验采用LSD 法,显著水平为P＜0.05;采用Sigmaplot 12.5 作图、线性模型回归和模型显著性检验(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 播期对机械粒收春玉米产量的影响

如图1 所示,不同播期玉米产量在两年间表现相同。随着播期的推迟,各生态区春玉米产量呈现单峰曲线变化趋势。其中,E7 处理产量最高,与常规播期(OT)相比,岭东、岭南、西辽河、燕山北部、土默川和河套生态区分别增产9.2%、7.5%、9.5%、18.4%、8.0%和9.8%;E14 和OT 处理次之,但E14与常规播期(OT)间差异不显著。各生态区E14 处理两年平均产量较最高产量(E7)相差(t·hm-2) 1.0、1.3、1.3、1.6、0.8 和1.0。相反,晚播则导致产量逐渐下降,各生态区最高产量(E7)与最低产量(D14)间分别相差(t·hm-2) 2.8、2.6、3.3、4.3、3.3 和3.9;最低产量(D14)较常规播期(OT)分别减产17.8%、13.4%、14.5%、19.3%、15.9%和21.1%。

图1 2019 年和2021 年不同播期下内蒙古各生态区机械粒收春玉米产量比较Fig.1 Comparison in yields of mechanically grain-harvested spring maize sowed in different dates in different ecological regions of Inner Mongolia in 2019 and 2020

为了进一步解析播期对产量的整体效应,以常规播期(OT)玉米产量为基值对各生态区不同播期处理下机械粒收春玉米产量数据进行归一化处理。由图2可见,各生态区平均粒收玉米相对产量在不同播期条件下,整体呈单峰曲线变化,其中E7 相对产量最高,两年平均相对产量为1.1,D14 相对产量最低,仅为0.8。E7 的相对产量较E14 增产10.0%,较D14 增产32.9%,E14 与OT 两处理间无显著差异。

图2 2019 年和2021 年内蒙古不同播期下机械粒收春玉米的相对产量比较Fig.2 Comparison of relative yield of mechanically grain-harvested spring maize under different sowing dates in Inner Mongolia in 2019 and 2020

2.2 内蒙古不同生态区机械粒收春玉米适宜播期及播期窗口

对机械粒收玉米产量与播期响应的拟合曲线进行解析,若以产量峰值点对应日期为最适播期,则内蒙古各生态区玉米播期还有6～8 d 的提前空间(图3)。其中,与常规播期(OT)相比,岭东可提前7 d,播种日期可提前至5 月3 日;岭南可提前6 d,播种日期可提前至4 月29 日;西辽河可提前6 d,播种日期可提前至4 月19 日;燕山北部可提前8 d,播种日期可提前至4 月17 日;土默川地区可提前6 d,播种日期可提前至4 月19 日;河套地区可提前7 d,播种日期可提前至4 月13 日。最适播期下,岭东、岭南、西辽河、燕山北部、土默川和河套生态区玉米产量(t·hm-2)分别为11.0、12.9、14.4、12.3、14.4 和13.4,较常规播期可分别增产(t·hm-2) 0.5、0.4、0.6、1.0、0.7 和0.8。

图3 内蒙古各生态区春玉米播期与机械粒收春玉米产量的回归分析Fig.3 Regression analysis of sowing date and yield of mechanically grain-harvested spring maize in Inner Mongolia

播期窗口的确定以最适播期条件下的玉米产量不显著降低5%为前提[23],并且为规避播期提前后造成低温易粉种的问题,结合长期气象数据,以播种前5 日滑动平均温度≥10 ℃为基准,对起始日播期窗口进行优化(图3、表3)。岭东、岭南、西辽河、燕山北部、土默川和河套生态区的机械粒收玉米播期窗口为7～20 d,随着纬度的升高,内蒙古地区的播期窗口由“宽”逐渐变“窄”,纬度每升高1°,窗口期平均缩短1.8 d,播期平均提前幅度减小2.8 d (图4)。

表3 ≥10 ℃日均温起始日优化后内蒙古各生态区春玉米播期窗口Table 3 Sowing date windows of spring maize in each ecological region in Inner Mongolia after optimization with strating date of≥10 ℃ average temperature

图4 内蒙古春玉米机械粒收播期窗口天数随纬度的变化趋势Fig.4 Variation trend of sowing date window duration with latitude of mechanically grain-harvested spring maize in Inner Mongolia

2.3 播期对机械粒收春玉米物质生产的影响

由图5 可见,随着播期的推迟,春玉米花前、花后的阶段干物质积累量及总生物量均呈单峰曲线变化趋势,均以E7 处理最大,之后随播期的推迟依次降低。相较于OT 处理,E7 处理花前和花后的群体生物量分别提高14.8%和3.9%。从阶段生物量积累分析,播期对粒收春玉米花前、花后物质积累均有显著影响。相关分析表明(图6),花前、花后生物量与产量之间皆呈极显著正相关,但从与产量关系的决定系数来看,花后生物量明显高于花前生物量,说明播期主要通过影响花后生物量的积累,从而影响粒收玉米产量。

图5 2019 年和2021 年播期对春玉米各生育阶段物质积累量的影响Fig.5 Effects of sowing date on matter accumulation at different growth stages of spring maize in 2019 and 2020

图6 机械粒收春玉米花前、花后阶段物质积累量与产量的相关关系Fig.6 Correlation between matter accumulation of pre-silking,post-silking and yield of mechanically grain-harvested spring maize

2.4 播期对机械粒收春玉米群体产量性能参数的影响

2.4.1 光合性能参数

从“源”端光合性能参数来看(表4),除E14 处理外,平均叶面积指数总体随播期的推迟而降低,各生态区的平均叶面积指数皆表现为 E7 处理最高,平均较OT 增加5.3%。各处理的平均净同化率随着播期的推迟而逐渐下降,从均值来看,E14、E7 和OT 处理间差异不显著,但皆高于D7 和D14;其中,E14 最大,为8.8 g·m-2·d-1,较E7 和OT 的平均净同化率高2.7%%和4.8%;D14 最小,为7.9 g·m-2·d-1。光合时间随播期的推迟而逐渐缩短,随着热量资源的增加延长;其中E14 持续时间最长,D14 持续时间最短。收获指数在各处理间无显著差异。相关分析如图7 所示,平均叶面积指数和光合势与产量呈显著正相关(P＜0.01),而产量与平均净同化率相关性不显著。可见,适当提前播期在“源”端主要通过提高群体叶面积进而提高物质生产能力。

图7 机械粒收春玉米平均叶面积指数、光合势及平均净同化率与产量间相关关系Fig.7 Correlation of yield with mean leaf area index,photosynthetic potential and mean net assimilation rate of mechanically grainharvested spring maize

从不同生育阶段看(图8),不同播期间玉米花前平均叶面积指数差异较大,E7 处理的花前平均叶面积指数高于其他处理,较常规播期OT 高3.9%;播期的变化对花后平均叶面积指数的影响相对较小。不同生态区间比较可见(表4),总体上,群体平均叶面积指数和光合时间皆随着热量资源总量的增加而增大,说明热量资源对玉米光合源总量建成有促进作用,热量充沛区域,同等密度下玉米单株叶源量能得到充分发展,而热量有限区域则明显限制单株叶源发展,群体叶源量的增加可能对物质生产更为重要。

如果将平均叶面积指数与阶段光合时间综合考虑,则需要分析阶段光合势差异,如图8 所示,播期对花后光合势影响显著,E7 处理下粒收玉米的花后光合势最高,较常规播期OT 高7.6%;而提前播期对花前光合势的影响不显著。因此,播期主要影响花后光合势,适期早播可提高花后光合势,延长花后叶面积持续时间,从而显著增加花后粒收玉米群体干物质积累。

图8 播期对机械粒收春玉米不同生育阶段平均叶面积指数和光合势的影响Fig.8 Effects of sowing date on mean leaf area index and photosynthetic potential of mechanically grain-harvested maize at different grwoth perids

2.4.2 产量构成参数

从“库”端产量构成参数来看(表4),播期主要通过影响玉米单株库容影响产量。适期早播明显提高穗粒数,除E14 处理外,各生态区的穗粒数皆表现为随着播期的推迟而降低的趋势,E7 处理的平均穗粒数较OT 高4.5%;千粒重与穗粒数表现出相同的趋势,适期早播E7 处理下的平均千粒重较OT 增加3.8%。单株产量随着播期呈单峰曲线变化,E7 高于其他处理,与常规播期OT 相比,单株产量提高8.6%。不同生态区间比较,单株产量随着热量资源的增加逐渐提高,热量有限的岭东地区单株产量最低,为154.1 g·株-1,热量充沛的西辽河地区单株产量最高,为206 g·株-1。通过穗数、穗粒数、千粒重和单株产量与产量间的相关关系分析可见(图9),穗粒数、千粒重、单株产量与产量间皆呈极显著正相关,说明不同播期条件下,穗粒数和千粒重是提高粒收玉米库容和单株产量的主要因素。

图9 机械粒收春玉米产量构成参数与产量的相关关系Fig.9 Correlation between yield components and yield of mechanically grain-harvested spring maize

表4 播期对内蒙古各生态区机械粒收春玉米产量性能参数的影响Table 4 Effects of sowing date on yield performance parameters of mechanically grain-harvested spring maize in different ecological regions of Inner Mongolia

2.5 播期对各生态区机械粒收春玉米生长有效积温的影响

分析图10 可知,相较常规播期OT 来说,提前春玉米播期能够充分利用春季的≥10 ℃有效积温,有效积温利用率提高1.5%,避免了播前有效积温浪费的情况。E7 处理出苗所用有效积温较常规播期OT少17.1～39.9 ℃,使春玉米提早出苗;而在花粒期阶段,适期早播E7 处理的≥10 ℃有效积温较OT 高1.5%～3.1%,为花后物质积累和籽粒建成提供了良好的热量环境,并且适期早播条件下,春玉米可提早3～5 d 成熟;E7 处理“成熟-霜冻”阶段的有效积温占比相较于OT 提高1.2%,可为后期粒收玉米的籽粒脱水争取43.7～130.9 ℃的脱水积温,降低籽粒含水率,有利于机械粒收。

3 讨论

温度是影响玉米生产的主要因素之一。全球气候变暖背景下,温度升高对玉米产量产生了重要影响[24],20 世纪90 年代以来玉米播期的提前趋势更明显[25]。调整播期、改变作物生育期内温度条件以适应区域气候变化将会成为农作物提高产量、适应气候变化的主要措施之一[26-28]。侯琼等[29]分析表明,1995 年以来内蒙古农业主产区温度明显升高,＞10 ℃积温增加了350～570 ℃。随着温度的升高,内蒙古春玉米区≥10 ℃温度起始日明显提前,预示着玉米宜播期可能有提前空间[6]。机械粒收发展导向下,为给玉米籽粒脱水争取更多脱水时间,研究早播对产量影响机制具有重要意义,但目前内蒙古玉米区玉米播期提前是否会导致减产,播期有多大提前空间尚缺乏定量化依据。本研究通过两年的播期联网试验,将播期与粒收玉米产量进行响应曲线拟合,若以产量峰值点对应播期为最适播期,则内蒙古六大生态区内粒收玉米播期较常规播期有6～8 d 的提前空间,岭东、岭南、西辽河、燕山北部、土默川、河套六大生态区机械粒收春玉米播期可分别提前7 d、6 d、6 d、8 d、6 d 和7 d,且较常规播期可分别增产4.9%、3.5%、4.7%、8.4%、4.9%和6.2%。从这一结果来看,不同纬度地区因热量资源差异,其适宜播期是有明显差异的。

Long 等[9]对美国不同纬度玉米高产田的分析表明,播期对北美高纬度地区的玉米产量影响显著,其研究认为40°N 以上地区玉米的播期窗口与低纬度地区相比是较窄的。在玉米适宜播期窗口的确定方面,Abendroth 等[23]在美国爱荷华州(40°36′N～43°30′N)进行了18 个站点的播期试验,将产量与播期回归曲线的最高产量减去2%～5%,为每个试验点设置了达到最高播期产量98%～100%和95%～100%两个不同的播期窗口。Huang 等[24]对中国玉米带的研究表明,从西南到东北的玉米主产区潜在播期窗口均有提前趋势,东北地区在1.5 ℃和2 ℃的升温情景下,其潜在播期窗口分别可增加2～17 d 和4～26 d。玉米是温度敏感作物,生物学零点温度为10 ℃,日均温过低时会影响玉米出苗率[30-31],内蒙古春玉米区是典型的寒旱区,春季常有低温冷害发生[32]。为规避过早播种低温易造成粉种的问题,本研究结合长期气象数据分析对内蒙古各生态区的播期窗口进行了优化,以播前5 日滑动平均温度＞10 ℃为窗口起始日,以响应曲线与产量不显著降低5%的切线右端为窗口终止日,确定了六大生态区的适宜播期窗口。从不同纬度的播期窗口变化规律来看,随着纬度的北移,玉米播期窗口逐渐变窄,纬度每升高1°,玉米窗口期将平均缩短1.8 d,播期的提前幅度将减小2.8 d,此结果与Long 等[9]的研究结果基本一致。

前人对播期影响玉米产量形成的生理基础开展了大量研究。适宜的播期对干物质积累与分配以及产量的影响显著[33-35],魏雯雯等[36]对吉林玉米的播期研究认为,播期主要通过影响生物量积累进而影响产量,展文洁等[37]认为,播期造成的产量差异主要与花粒期干物质积累量与氮素累积量有关。从本研究的结果来看,播期对HI 无显著影响,而玉米阶段和群体生物量随着播期的推迟呈“单峰”曲线变化,早播7 d (E7)处理下机械粒收玉米花前、花后生物量最高,较常规播期(OT)可分别提高14.8%和3.9%。播期对生物量的影响主要与播期对花后阶段物质积累具有显著影响有关,这与前人的研究结果是一致的。

有研究指出,早播是增加作物光合“源”供应能力的有效措施[38],适期早播可优化玉米最大LAI[39],促进阶段物质积累量和穗部发育,改善产量构成[40,16]。张宾等[22]对高产玉米的产量性能参数的分析中指出,春玉米籽粒产量的提高主要伴随平均叶面积指数和单位面积穗数的增加。本研究结果表明,播期对产量性能“源”端光合参数中的平均叶面积指数和LAD影响显著。随着播期的推迟,平均叶面积指数呈“单峰”曲线变化,E7 处理粒收玉米全生育期平均叶面积指数最高,较常规播期(OT)可提高5.3%,各处理的花前LAI 间差异显著,E7 的平均叶面积指数最高,较常规播期(OT)可提高3.9%,花后平均叶面积指数间虽差异不显著,但也表现为E7 处理下获得最大的平均叶面积指数;播期对产量构成因素的研究表明,玉米单株穗粒数和千粒重易受到播期的影响使产量发生变化[41-42],Cao 等[43]研究发现,延迟播期可显著降低玉米籽粒产量、穗粒数和千粒重。本研究结果表明,播期在库端主要影响穗粒数和千粒重,随着播期的推迟,穗粒数和千粒重总体表现为随着播期的推迟而降低的趋势,E7 处理的“库”端穗粒数和千粒重分别较OT 处理增大4.5%和3.8%。播期影响库容的生理机制方面,彭丹丹等[44]研究认为,适期早播通过延长花粒期天数、提高灌浆期昼夜温差等因素延长灌浆时间,提高籽粒灌浆速度[45],增加千粒重,充实了群体库容量,从而提高了玉米产量[13]。可见,播期调整对玉米产量形成的影响与玉米生育期内气象因子如温度、降雨、光照等有关,播期调整后玉米阶段发育与气象因子特别是热量的匹配特征分析对于解析早播增产机理十分必要。

4 结论

内蒙古春玉米区机械粒收玉米的最适播期有提前6～8 d 的空间,在保证出苗率的条件下播期窗口范围为7～20 d,纬度每升高1°,窗口期平均缩短1.8 d,播期平均提前幅度减小2.8 d。适期早播在“源”端促进了花前叶面积发育,提高花前平均叶面积指数,延长了花后叶面积持续期,从而显著提高了花后群体生物量;在“库”端,适期早播通过提高穗粒数和千粒重来提高群体库活性和单株产量,还可为机械粒收玉米争取43.7～130.9 ℃的脱水积温,利于机械粒收玉米增产和高质量籽粒机收。