施钾量对玉米钾素吸收、转运及产量的影响

张正珍，慕瑞瑞,2，王佳,3，徐灿，陈永伟，张战胜，吴宏亮，康建宏

（1宁夏大学农学院，银川 750021；2海原县农业农村局，宁夏海原 751800；3平罗县红果子镇农技站，宁夏平罗 753400；4宁夏农垦农林牧技术推广服务中心，银川 750024；5宁夏农业技术推广总站，银川 750001）

0 引言

玉米是中国主要经济作物之一，其生产的多少将直接影响中国粮食安全和谷物工业的发展，因此提高玉米产量是保证中国食品安全的重要途径[1]。钾是玉米生长所必需的重要元素，又是植物体内多种酶的激活剂，可直接参与作物体内多种代谢过程，促进有机物质的转运和作物对氮、磷等养分的吸收利用[2-3]。宁夏被认为是钾素相对丰富地区，致使人们只注重氮磷的施用，忽略钾肥的施用，推荐的施肥方案中几乎不施钾肥，又因长期高产带走较多钾素，造成土壤和作物严重缺钾，进而影响到玉米产量。因此，想要玉米获得高产，必须注重钾肥的使用。近年来，许多研究者针对钾肥用量对作物干物质积累、作物群体钾素吸收利用和钾肥利用效率的影响进行了大量研究，明确了作物干物质积累和养分积累转运受施肥量的影响。胡志桥等[4]表明，施钾能提高玉米植株钾含量和吸钾量，与不施钾肥相比，玉米植株中的含钾量比施钾处理，含钾量减少了20%～24.8%，吸钾量降低了25.7%～28.7%。李波等[5]研究发现，夏玉米产量和钾素农学利用率随施钾水平的增加呈先增后降趋势，钾肥偏生产力随施钾水平的增加显著减小。侯云鹏等[6]等表明，适宜的钾肥用量促进了钾素向玉米籽粒中的转运量和转运效率。有研究发现，在中国南部红壤丘陵区，随着施肥期限的增长，有机或无机肥配施处理对一年二季小麦的产量、吸钾量、钾肥使用率、钾肥收获指数，以及钾对农学效果的改善效应逐步提高[7]。大量的科学研究已经证实，钾利用率与玉米生产具有明显的正相关性，使用钾有助于增加谷物对钾吸收和钾素吸收的利用率，而施用钾能明显提高谷物产量，并提高玉米穗粒数和百粒重，从而增加了谷物生产[8-9]。近年来对超高产夏玉米干物质、养分积累、转运及分配的研究大多基于不同种植模式及水肥运筹方式下进行[10-11]，而针对宁夏干旱地区滴灌施肥条件下，钾素用量对玉米干物质和养分积累与转运及分配特性研究相对薄弱，且长期缺钾和钾素用量对宁夏旱区滴灌施肥条件下，玉米干物质、养分积累、转运及分配机制并不清楚。通过探讨施钾量对玉米干物质积累和钾素转运及利用效率的影响，明确滴灌施肥条件下施钾量对玉米群体干物质和钾积累转运特性，以期为宁夏旱区滴灌施肥条件下的高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在宁夏银川平吉堡进行，地处106°01′E，38°24′N，平均海拔1170 m，年平均气温8.5℃，年平均降雨在200 mm 左右，年平均蒸发量在2000 mm以上，属干旱地区，土壤类型为淡灰钙土。试验地土壤(0～20 cm)基本理化性状见表1。

表1 2018—2019年试验地耕层土壤基本理化性状

1.2 试验品种与肥料

试验品种：‘先玉1225’，属中晚熟玉米品种。

试验肥料：氮肥为尿素（含N≥46%），磷肥为磷酸一铵（含P2O5≥61%、N≥12%），钾肥为硫酸钾（含K2O≥52%），皆为水溶性肥料。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，设6个钾肥处理，分别为0、60、120、180、240、300 kg/hm2，依次标记为K0、K1、K2、K3、K4和K5，每处理做3 次重复，共18 个小区，小区面积为88 m2（长20 m、宽4.4 m）。采用宽窄行种植模式，宽行70 cm，窄行40 cm，株距为20 cm，种植密度为90000 株/hm2。各处理氮肥和磷肥用量一致，分别为300 kg/hm2和138 kg/hm2，所有肥料均随水施入。钾肥和磷肥的施肥比例为：苗期30%、拔节期40%和大喇叭口期30%。氮肥的施肥比例为：苗期10%、拔节期30%、大喇叭口期30%、抽雄期20%、灌浆期10%。2018 和2019 年玉米种植日期分别为4 月18 日和4月20日，收获日期分别为9月15日和9月18日。

1.4 测定项目与方法

在玉米拔节期(SL)、大喇叭口期(JT)、抽雄期(BT)、灌浆期(FL)和成熟期(MT)取不同处理中具有代表性植株5 株，将各器官分开，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重后称重，采用硫酸—双氧水消煮，火焰光度法测定全钾含量。

成熟期，每小区收取中间2 行，测定每小区的穗数，当籽粒水分≤20%时，人工脱粒，以14%标准含水量计算产量，收获时选择15 个代表性果穗，用于测定产量构成因素。

1.5 参数计算

部分参数计算如式(1)～(9)所示。

1.6 数据分析

用Microsoft Excel 2016 进行数据整合，SPSS 23.0进行数据分析，Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同施钾量下玉米干物质积累动态

由图1可知，随着玉米生育进程的推进，植株干物质积累呈递增趋势，施钾可显著提高玉米地上部干物质积累量(P＜0.05)，且随施钾量的增加呈现先增后降趋势，各生育时期中均以K3处理下最高，较K0均具有显著差异。成熟期(MT)，施钾处理较K0，干物质积累量2年平均提高了3.04%～13.80%，干物质积累量表现为K3＞K4＞K2＞K5＞K1＞K0。

图1 不同施钾量下玉米不同生育阶段地上部干物质量动态变化

2.2 不同施钾量下玉米钾积累动态与分配

2.2.1 不同施钾量下玉米钾积累动态从2年不同生育阶段玉米各器官钾养分积累动态变化可以看出（图2），植株地上部叶和茎的钾素积累量随生育期的推进呈先增后降趋势，以抽雄期(BT)钾素积累量最高，植株地上部总养分随生育期的推进呈递增趋势。各器官钾素积累量在各生育时期中均以K3处理下最高，较K0均具有显著差异。K3较K0处理，叶片钾素积累量两年平均提高33.30%～65.11%，茎钾素积累量2 年平均提高10.56%～53.08%，穗钾素积累量两年平均提高32.17%～42.57%。

图2 不同施钾量下玉米地上部不同生育阶段钾积累量

2.2.2 不同施钾量下玉米钾分配比例由图3 可知，随着玉米生育进程的推进，叶钾素积累量所占整个植株钾素积累总量比例呈递减趋势，且随施钾量的增加呈先升后降趋势，以K3处理下所占比例最大；茎中钾素积累量占整个植株钾素积累总量的比例随玉米生育进程的推进呈先升后降趋势，在抽雄期所占比例最大；穗钾素积累量所占整个植株钾素积累总量比例随生育进程的推进而递增，且随施钾量的增加呈先升后降趋势。施钾提高了成熟期穗钾素分配比例，降低了茎和叶钾素分配比例，穗钾素分配比例2 年平均提高了1.79%～8.04%；茎和叶总钾素分配比例两年平均降低了3.5%～19.92%。

图3 不同施钾量下玉米钾分配比例

2.3 不同施钾量下玉米植株体内钾的转运

表2 可知，与K0相比，施钾可显著提高钾转运量、钾转运率和转运养分对籽粒贡献率，并随钾素水平的提高呈先增加后降低趋势，其中以K3处理转运效果最好。施钾处理下叶钾素转运量2年平均提高了18.65%～82.14%，茎钾素转运量2 年平均提高了21.91%～55.32%；施钾处理下叶钾转运率2 年平均提高了6.57%～31.92%，茎钾素转运量2年平均提高了13.75%～28.82%；施钾处理下叶和茎中转运养分对籽粒贡献率两年平均提高了20.40%～67.71%；积累养分贡献率与转运养分对籽粒贡献率呈相反变化趋势。不同施钾水平下钾转运量、转运率、转运养分对籽粒贡献率和积累养分对籽粒贡献率无论增加或减少，均具有明显的一致性。

表2 不同施钾量下玉米钾转运及对籽粒的贡献率

2.4 不同施钾量下玉米植株体内钾素利用效率

表3可知，钾用量对钾素吸收利用率、农学利用率和钾肥偏生产力均具有显著影响。钾素吸收利用率、钾素农学利用率均随施钾量的增加呈先增后降趋势，以K3处理下最优，较其他处理，K3处理下的钾素吸收利用效率两年平均提高了20.09%～247.97%，钾素农学利用率两年平均提高了37.47%～221.27%。钾肥偏生产力随施钾水平的增加呈降低趋势，以K1处理钾素偏生产力最大，其他施钾处理较K1处理，钾肥偏生产力下降了48.71%～80.20%。

表3 2018—2019年钾素利用效率

2.5 不同施钾量下玉米产量及其构成因素

由表4 可知，随着施钾量的增加，2018 年和2019年玉米产量均呈先增后降趋势，其产量表现为：K3＞K4＞K2＞K5＞K1＞K0，以K3处理产量最高，且显著高于其他处理，K3处理较其他处理，2年产量平均提高了6.99%～18.14%。从产量构成因素来看，施钾可以显著提高玉米的百粒重和穗粒重，对穗长、穗粗和收获指数影响不显著，但对其有促进作用。百粒重和穗粒重是决定玉米产量最主要的影响因素，各处理中以K3处理下的百粒重和穗粒重表现最好，百粒重较其他处理平均两年增加了3.43%～5.39%，穗粒重较其他处理平均2年增加了5.83%～12.19%。本研究基于不同施钾量对产量进行回归拟合：得方程(10)。求得极值X=171.60 kg/hm2，所以当施钾量为时171.60 kg/hm2，产量达到最大值y=15125.13 kg/hm2。

表4 不同施钾量下玉米产量及其构成因素

2.6 不同施钾量下玉米养分利用效率及产量构成因素间的相关性分析

为了深入解析施钾条件下玉米干物质、钾素积累、钾转用量、钾转用率、转用养分贡献率、积累养分贡献率、钾素吸收利用效率、钾素农学利用率、钾肥偏生产力、穗长、穗粗、百粒重、穗粒重、产量和收获指数的变化规律，笔者对15 个指标进行相关分析（表5）。结果表明，DM 与PA、PTA、GW 和Y 呈显著正相关，与PCR、KRE、EL和HGW呈及显著正相关；PA与PTA呈极显著正相关，与GW、和Y 呈显著正相关；PTA 与PCR 呈极显著正相关,与TNCR 呈显著正相关，与CRAN 呈显著负相关；TNCR 与KRE 呈先著正相关；CRAN 与KRE 呈显著负相关；KRE 与KAE 和EL 呈极显著正相关，与GW、Y和HI呈显著正相关；KAE与HI呈极显著正相关，与EL和HI呈显著正相关；EL与GW和Y呈显著正相关；Y与EL和HI呈显著正相关；其他各指标间相关性不显著。

表5 不同施钾条件下各指标间的相关性分析

2.7 不同施钾量下玉米养分利用效率及产量构成因素主成分分析

在相关分析的基础上，本研究采用Origin 对不同施钾条件下玉米养分利用效率及产量构成因素等15个指标进行主成分分析（表6）。采用分析—降维—因子方法发现获得4 个主成分，解析贡献率分别为58.62%、12.53%、9.64%和6.98%，其累积总贡献率为87.77%。第1 主成分主要由钾转运量、干物质和钾素吸收利用率等组成，第2 主成分主要为钾素农学利用率和钾肥偏生产力，第3 主成分主要是积累养分贡献率和百粒重，第4 主成分主要为转用养分贡献率和穗粗。将15 个指标成分矩阵主成分得分除以提取载荷获得载荷矩阵（表7），获得4个主成分得分的计算方程分别为(11)～(14)。

表6 初始特征值和提取的主成分贡献率

表7 成分矩阵

从表8 可以看出，不同施钾处理下K3得分最高为2.147，主成分分析结果与不同施钾量下养分积累、养分利用效率及产量所得结果一致，进一步证明施钾量180 kg/hm2最优。

表8 综合评价表

3 结论与讨论

群体干物质量的积累决定着玉米产量，氮磷钾养分积累是干物质积累的基础，也是产量形成的基础[12-13]。本试验中，植株干物质和钾素积累随生育期的推进不断增加，且施钾显著提高玉米花后钾积累比例，与花后干物质积累比例变化趋势一致，植株干物质和钾素积累及分配比例均随施钾量的增加呈先增后降的趋势，以K3处理最优。本研究还发现叶片和茎中的钾素积累随着生育期的推进呈先升高后降低，穗部钾素积累量随之升高，这应是花后叶片和茎中养分向穗部转移的结果。研究发现，在氮、磷肥和水分供应丰富的条件下，施用钾肥能促进玉米叶片发育，增强光合性能，提高玉米群体干物质积累量并促进钾素吸收，有利于钾素由营养器官向籽粒的转运量，进而达到增产效果[14-16]。研究发现，钾使用量不足的情况下，不仅会影响作物对钾的吸收，而且会因养分投入不平衡，限制其他养分的吸收，尤其是对氮磷的吸收，从而降低了肥料利用率[17-18]。宋杰等[19]指出，玉米干物质和养分积累随施钾量的增加呈先增加后降低趋势，且增施钾肥提高了玉米花后干物质向穗部转运的强度。王晓磊等[20]发现，适当的钾肥用量可以延缓植株叶片衰老，施钾之所以使玉米花后干物质积累比例提高是因为延长了玉米光合功能期。薛欣欣等[21]发现，合理施钾能够明显提高水稻地上部干物质与钾素积累量。综上可知，合理施钾使玉米具有较大的干物质和钾素累积优势，对花后氮、磷的积累影响也比花前更大，花后养分吸收促进玉米花后干物质积累，为夏玉米产量提高奠定基础。

农学利用率、吸收利用率和肥料的偏生产力均是表示养分利用率的常用定量指标，能从不同的角度说明作物对肥料的利用率[5]。本研究表明，钾素转运量、钾转运率、转运养分对籽粒贡献率、钾素吸收利用效率和农学利用效率都随施钾量的增加先升后降，钾肥偏生产力随施钾量的增加呈显著降低趋势，这与薛欣欣等[21]在水稻中的研究结果一致，钾素存在明显的奢侈吸收现象。李飒等[22]指出，玉米对钾素的吸收过程大多在吐丝之前进行，而吐丝后的钾素累积速度显著降低。有研究表明，籽粒中52.4%～100%的钾素来源于营养体的转运[3]，籽粒养分积累是花后养分积累和花前养分再转运共同作用的结果[23-25]。薛欣欣等[21]发现，水稻对钾的吸收存在显著的奢侈吸收现象，即便过量施钾，也不能进一步获得更高的生长潜力。王寅等[26]表明，施钾量水平较低的处理其农学利用效率和钾肥贡献率显著高于施钾水平高的处理。结合前人研究和本次试验可知，施钾不但增加了玉米生殖生长阶段中对钾的吸收，还促使了玉米花前储存更多的养分向籽粒中转移，进而提高养分转运对玉米籽粒养分的贡献率。

施钾可促进玉米对钾素的吸收，提高玉米的含钾量和钾素积累量，当钾素用量超过玉米所需时，会导致玉米体内叶绿素含量降低及荧光作用减弱，从而影响光合作用，使得光合产物减少，影响地上部生物量的累积及光合器官叶片的生长，降低群体的叶面积指数，最终影响产量[27]。钾肥施用量与玉米干物质具有显著相关性，当超过一定量时，干物质积累量随施钾量增加而下降，玉米花前对养分的储存量降低，进而影响到养分向籽粒中的转移，因此导致产量降低[19]。本试验结果显示，玉米产量及产量构成因素均随施钾量的增加呈先增加后降低趋势，施钾处理下的产量显著高于不施钾处理，这反应了玉米产量对外源钾肥的依赖程度较高，但因钾素存在明显的奢侈吸收现象，应积极合理地施用钾肥提高土壤钾的供应能力。

本研究表明，适宜的施钾水平可有效促进玉米对钾素的吸收，提高干物质和钾素积累量，有利于花前营养器官储存的钾素向籽粒的再转运，提高玉米钾素转运量、钾转运率、转运养分对籽粒贡献率、钾素吸收利用效率和农学利用效率。综合考虑玉米干物质积累、养分积累及吸收利用特性等因素，宁夏滴灌水肥一体化条件下最佳施钾范围为171.60～180 kg/hm2左右。