不同栽培模式对夏玉米产量和资源利用效率的影响

陈 艳，吴 健，马海彬，杨 丽，刘迎雪，李成玉，刘天学，李潮海，赵亚丽

（1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046；2.甘肃亚盛实业（集团）股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

玉米是我国种植面积最大的粮食作物，对保障国家粮食安全具有重要作用[1-2]。目前，世界玉米平均单产纪录为6 567 kg/hm2，而我国玉米平均单产为6 117 kg/hm2[3-4]，在玉米种植面积趋于饱和的紧张形势下，未来玉米总产增加将主要依靠单产水平的提高。黄淮南部是我国玉米优势主产区，玉米总产和种植面积均约占全国的1/3[5-6]，但该地区玉米生产普遍存在种植密度低、氮肥施用过量、氮肥利用效率低等问题，严重制约玉米单产水平的提高。随着全球气候变暖，适宜播期成为提高玉米单产和光热利用效率的重要保障[7]。研究表明，在一定的生态环境中，播期和密度是影响作物生产及产量的重要栽培因素[8]，氮素是玉米获得高产的重要保障[9]。栽培因子之间有相互协调的作用，玉米早播可以延长干物质积累时间[10]，播期推迟会缩短玉米生育期，而增加种植密度可延长生育期、增加叶面积指数（Leaf area index，LAI）、提高光热利用效率[11-12]。氮肥通过调控玉米前期物质积累和后期籽粒灌浆速率来影响产量形成，而种植密度又可以通过调控植株快增期、缓增期持续天数来影响产量[13-14]。目前，关于播期、种植密度、氮肥用量等单因素及其互作对玉米产量的影响研究较多[1，15-16]，但播期、种植密度、氮肥用量对玉米资源利用效率及其对产量贡献率的影响研究鲜见报道。为此，研究播期、种植密度、氮肥用量对黄淮南部夏玉米干物质积累量、产量、资源利用效率的影响及其贡献率，明确黄淮南部夏玉米适宜栽培模式，为该区夏玉米高产稳产提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020 年在河南省驻马店市西平县二郎乡张尧村（33°19′48′′N、114°01′01′′E）进行，该试验区位于黄淮南部，属季风性半湿润气候，年均气温15 ℃，年均降水量850～980 mm，无霜期220～230 d，种植制度主要为冬小麦-夏玉米一年两熟制。试验期间日降雨量、平均温度及太阳辐射见图1。

图1 黄淮南部试验期间降水量、平均温度和太阳辐射（2018—2020年）Fig.1 Daily precipitation，mean temperature and solar radiation during the growth period of summer maize in the south of Huanghuai region（2018—2020）

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主区为播期，设6 月10 日（T1）、6月17日（T2）和6月24日（T3）3个播期；副区为种植密度，设60 000 株/hm2（D1）、75 000 株/hm2（D2）和90 000 株/hm2（D3）3 个密度；副副区为氮肥用量，设0 kg/hm2（N0）、180 kg/hm2（N1）、270 kg/hm2（N2）和360 kg/hm2（N3）4 个氮肥水平。底施150 kg/hm2P2O5和150 kg/hm2K2O，氮肥按照拔节期∶大口期=4∶6 施用。大区种植，各处理面积为20 m×15 m，供试玉米品种为郑单958，田间管理同一般大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 气象数据 从当地气象局获取播种至收获期间逐日降雨量、平均温度及太阳辐射等气象数据。

1.3.2 LAI 分别于夏玉米播种后40 d（40D）、吐丝期（VT）、播种后80 d（80D）和完熟期（R6），各处理取3株长势均匀一致的植株，测量叶片的长和宽，计算面积和LAI。单叶叶面积（cm2）=叶长（cm）×叶宽（cm）×0.75，LAI=（单株叶面积×单位土地面积株数）/单位土地面积。

1.3.3 干物质积累和转运 分别于夏玉米播种后40 d（40D）、吐丝期（VT）、播种后80 d（80D）和完熟期（R6），各处理取3 株长势均匀一致的植株，取地上部，烘干，称质量，计算夏玉米吐丝期前后干物质积累量及花后干物质转移对籽粒的贡献率。花前干物质积累量（t/hm2）=吐丝前干物质量；花后干物质积累量（t/hm2）=成熟期干物质积累量-吐丝前干物质量；

花后干物质转运量（t/hm2）=吐丝期干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量；

花后干物质转移对籽粒的贡献率=（花后干物质转运量/籽粒干质量）×100%。

1.3.4 产量及其构成因素 夏玉米成熟期，每个处理随机选取3个点，调查穗数，并选有代表性的20 m双行收获果穗，调查穗粒数和千粒质量。计算产量、氮肥偏生产力、辐射利用效率、热量利用效率及其贡献率。

氮肥偏生产力（kg/kg）=籽粒产量/施氮量；

辐射利用效率（g/MJ）=籽粒产量/生育期太阳总辐射；

热量利用效率[kg/（hm2·℃）]=籽粒产量/生育期≥10 ℃活动积温；

贡献率=SS变量/SS校准总计×100%[17]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2020 进行数据整理，利用SPSS 26.0软件进行统计分析、显著性检验（LSD法），使用SigmaPlot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对夏玉米干物质积累量、产量及资源利用效率影响的方差分析

年份、播期、种植密度和氮肥用量对吐丝期LAI、吐丝期干物质积累量、产量、辐射利用效率、热量利用效率和氮肥偏生产力均存在极显著影响，年份×播期、年份×种植密度、年份×氮肥用量和年份×播期×种植密度对上述所有指标也存在显著或极显著影响（表1）。播期×种植密度对吐丝期干物质积累量存在显著影响，播期×氮肥用量对吐丝期LAI、产量、辐射利用效率、热量利用效率存在极显著影响，种植密度×氮肥用量对除吐丝期干物质积累量之外的指标均存在显著或极显著影响。年份×播期×种植密度对上述所有指标均存在显著或者极显著影响，年份×播期×氮肥用量对吐丝期干物质积累量、辐射利用效率、热量利用效率存在显著或极显著影响，年份×种植密度×氮肥用量、年份×播期×种植密度×氮肥用量均对吐丝期干物质积累量存在显著或极显著影响，播期×种植密度×氮肥用量对吐丝期LAI、吐丝期干物质积累量存在显著或极显著影响。

表1 不同栽培模式对夏玉米干物质积累、产量及资源利用效率影响的方差分析Tab.1 Variance analysis of effects of different cultivation modes on dry matter accumulation，yield and resource utilization efficiency of summer maize

2.2 不同栽培模式对夏玉米LAI的影响

夏玉米群体LAI 总体上随播期的推迟而降低，随种植密度的增加而增加，且早播和高密度种植夏玉米的LAI 衰减速率最小（图2）。对于夏玉米LAI，T1 处理比T2 和T3 处理分别提高5.2%和6.2%；D3处理比D2 和D1 处理分别提高10.7%和28.4%；适宜的氮肥用量可以有效提高LAI，4 个氮肥用量中，以N2 处理LAI 最高，比N3、N1 和N0 处理分别提高3.1%、15.6%和15.6%。整体看来，以6月10日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理LAI最高，比6月24日播种搭配种植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2处理提高40.4%，比6月17日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理提高5.1%。表明黄淮南部夏玉米6 月中上旬播种，同时搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2可以维持较大的LAI，降低叶片衰老速度。

图2 不同栽培模式对夏玉米LAI的影响Fig.2 Effect of different cultivation modes on LAI of summer maize

2.3 不同栽培模式对夏玉米干物质积累和转运的影响

不同栽培模式对夏玉米干物质积累和转运的影响不同（表2）。T1处理干物质积累量和转运量整体高于T2 和T3 处理，T1 处理花后干物质积累量比T2 和T3 处理分别提高4.2%和9.2%，花后干物质转运量分别提高22.5%和66.4%，成熟期干物质积累量分别提高5.1%和8.2%，花后干物质转移对籽粒的贡献率分别提高45.4%和43.8%。增加种植密度提高了夏玉米植株干物质积累量和转运量，D3处理花后干物质积累量分别比D1、D2 处理提高22.4%、9.3%，成熟期干物质积累量分别提高23.8%、11.6%，花后干物质转运量分别提高62.5%、21.4%，花后干物质转移对籽粒的贡献率分别提高46.4%、9.4%。4 个氮肥用量中，N2 处理干物质积累量和转运量最高，N2 处理花后干物质积累量比N0、N1 和N3 处理分别提高24.5%、6.9%和5.7%，花后干物质转运量分别提高70.9%、31.3%和39.7%，成熟期干物质积累量分别提高25.4%、6.3%和5.6%，花后干物质转移对籽粒的贡献率分别提高35.2%、20.9%和16.9%。在36 个处理中，以6 月10 日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理干物质积累量和转运量最高，其成熟期干物质积累量比6月24 日播种搭配种植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2处理显著提高28.3%，花后干物质积累量、干物质转运量及其对籽粒的贡献率分别显著提高32.2%、244.4%、170.1%；比6 月17 日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理成熟期干物质积累量提高2.6%，花后干物质积累量、干物质转运量及其对籽粒的贡献率分别显著提高5.6%、7.0%、56.9%。

表2 不同栽培模式对夏玉米干物质积累和转运的影响Tab.2 Effects of different cultivation modes on dry matter accumulation and transport in summer maize

续表2 不同栽培模式对夏玉米干物质积累和转运的影响Tab.2（Continued）Effects of different cultivation modes on dry matter accumulation and transport in summer maize

2.4 不同栽培模式对夏玉米产量及其构成因素的影响

由表3 可以看出，播期推迟对夏玉米产量具有显著影响，夏玉米产量以T1 和T2 处理较高，分别比T3 处理提高10.1%和10.9%，且穗粒数和穗数均高于T3 处理。对于种植密度，夏玉米产量以D3 处理最高，分别比D1 和D2 处理提高13.0%和4.3%，穗数、穗粒数和千粒质量总体上也表现为D3＞D2＞D1。一定的氮肥用量范围内，夏玉米产量随氮肥用量增加而增加，但超过270 kg/hm2时，夏玉米产量表现下降趋势，各氮肥用量的夏玉米产量总体表现为N2＞N3＞N1＞N0，N2处理夏玉米产量分别比N3、N1和N0处理提高17.0%、59.6%和65.2%，穗数、穗粒数和千粒质量总体上均表现为N2处理最高。在36个处理中，以6月10日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理夏玉米产量最高，比6 月24 日播种搭配种植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2处理提高101.5%，比6 月17 日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理产量提高5.7%。

表3 不同栽培模式对夏玉米产量及其构成因素的影响Tab.3 Effect of different cultivation modes on yield and its components of summer maize

2.5 不同栽培模式对夏玉米资源利用效率的影响

不同栽培管理模式对夏玉米资源利用效率存在显著影响（表4）。夏玉米资源利用效率总体上均随播期的推迟而降低，随种植密度的增加而增加，在氮肥用量为270 kg/hm2时最高。T2处理资源利用效率整体高于T1 和T3 处理，T2 处理氮肥偏生产力比T3处理提高11.7%，辐射利用效率提高14.9%，热量利用效率提高9.4%。D3 处理夏玉米氮肥偏生产力、辐射利用效率和热量利用效率分别比D1 处理提高12.7%、13.7%和13.6%。夏玉米光热利用效率整 体 表 现 为N2＞N3＞N1＞N0，以 氮 肥 用 量 为270 kg/hm2时最大。N2 处理氮肥偏生产力分别比N1 和N3 处理提高6.7%和55.5%，光热利用效率提高61.3%和17.2%。在36 个处理中，以6 月10 日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理夏玉米资源利用效率最大，比6 月24 日播种搭配种植密度60 000 株/hm2、氮肥180 kg/hm2处理氮肥偏生产力、辐射利用效率和热量利用效率分别提高34.2%、116.6%和97.4%，比6 月17 日播种搭配种植密度90 000 株/hm2、氮肥270 kg/hm2处理分别提高6.0%、8.3%和5.5%。

2.6 不同栽培模式对夏玉米产量和资源利用效率的贡献率

播期、种植密度、氮肥用量对夏玉米产量、氮肥偏生产力、辐射利用效率和热量利用效率的贡献率不同，以氮肥用量的贡献率最大，播期的贡献率最小（图3）。各栽培因子对夏玉米产量的贡献率表现为氮肥用量（62.4%）＞种植密度（3.4%）＞播期（2.7%），对氮肥偏生产力的贡献率表现为氮肥用量（59.7%）＞种植密度（4.4%）＞播期（4.3%），对辐射利用效率的贡献率表现为氮肥用量（49.4%）＞种植密度（2.6%）＞播期（2.3%），对热量利用效率的贡献率表现为氮肥用量（59.4%）＞种植密度（3.3%）＞播期（1.8%）。表明在不同氮肥用量下，协同合适的播期和种植密度可以提高夏玉米产量。

图3 不同栽培因子对夏玉米产量、氮肥偏生产力、辐射利用效率、热量利用效率的贡献率Fig.3 Contribution rate of different cultivation factors to summer maize yield，partial productivity of nitrogen fertilizer，radiation utilization efficiency and heat utilization efficiency

3 结论与讨论

播期、种植密度和氮肥用量是玉米生产中的重要栽培技术[18]，是调节作物光热水等气候资源、促进玉米生长发育和产量形成的重要途径[19-20]。夏玉米播期越早，群体干物质积累量越多；播期越晚，产量下降越显著[21-22]。本研究结果表明，黄淮南部夏玉米干物质积累量和籽粒产量随播期的推迟而降低，6 月中上旬播种的夏玉米产量显著高于6 月下旬，主要原因与播期推迟导致夏玉米生育后期温度较低、籽粒灌浆缓慢有关。在一定范围内，增加种植密度可以增加玉米群体LAI，提高群体物质积累量和籽粒产量[23]。研究表明，玉米在82 500 株/hm2种植密度下产量最高，超过此密度产量开始降低[24]。本研究发现，夏玉米在90 000 株/hm2种植密度下的产量最高，主要与试验品种的耐密性和施肥量有关。同样，在一定范围内，夏玉米产量和干物质积累量随氮肥用量的增加而增加，但氮肥用量过高时，夏玉米产量不增反减，这与前人研究结果一致[25-26]。

作物生产是一个复杂的系统，受环境因子和栽培因子的共同影响。播期、种植密度和氮肥用量相互影响，共同作用于玉米生长发育过程[27]。研究表明，播期与种植密度互作，可使玉米生育后期处于较高的温度条件下，有利于籽粒灌浆，充分利用光热资源[28]。播期和氮肥用量与玉米生长指标和产量呈正相关关系，播期越早玉米产量越高，而玉米产量随施氮量增加先升后降[29]。本研究中，6 月中上旬播种的夏玉米产量最高，6 月下旬播种的夏玉米产量即使在高密高氮条件下依旧低于6 月中上旬播种处理，这与前人研究结果相似[30-31]。此外，种植密度和氮肥用量互作影响玉米营养生长阶段和生殖生长阶段的长短，进而影响植株干物质积累和产量形成[32-33]。大田生产中，氮肥的不合理施用会导致玉米产量和氮肥利用效率降低[34]，而在适宜种植密度范围内，适当增加氮肥用量可以提高氮肥偏生产力[35-36]。本研究结果表明，不同氮肥用量搭配适宜的播期和种植密度可提高夏玉米产量。因此，适当调整夏玉米播期、增加种植密度，并选择适宜的氮肥用量能显著提高夏玉米产量和氮肥利用效率。

本试验地点处于黄淮南部，该区光热资源丰富，夏玉米光热生产潜力高，但夏玉米生产中普遍存在种植密度低、管理粗放等问题，同时近年来高温热害发生频率增加，导致该区夏玉米产量低而不稳、资源利用效率低[37-38]。目前，不同生态区玉米产量潜力及技术突破一直是玉米栽培提高产量和资源利用效率的重要研究方向[39]。因此，优化调节玉米栽培因子之间的关系，可以协同提高玉米产量和资源利用效率。根据本研究结果，黄淮南部夏玉米宜6 月中上旬播种，同时搭配高密度种植和270 kg/hm2氮肥用量，不仅可以提高夏玉米产量，还可以提高资源利用效率，促进夏玉米可持续生产。