播期对玉米籽粒灌浆特性、产量及水分利用效率的影响

潘胤霖，曹彩云，党红凯，郑春莲，马俊永，张俊鹏，李树宁

（1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018；2.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北衡水053000）

河北低平原是我国重要的粮食生产基地之一，该地区淡水资源极度匮乏，人均和单位面积水资源量明显低于全国平均水平［1］。冬小麦-夏玉米一年两熟制是该地区主要种植制度，然而，小麦生育期降雨与需水的吻合度仅0.26左右［2］，灌溉是保证小麦高产的重要前提。由于过量超采深层地下水灌溉，导致区域地下水位不断下降，形成全国最大的地下水降落漏斗区。姜杰等［3］研究表明，即使在冬小麦季减少灌溉仍不能达到地下水资源的采补平衡，从长远看，应减少冬小麦种植面积。玉米生育期降水较为集中，对灌溉的需求相对较小。隋鹏［4］等研究认为，在黄淮海平原水资源亏缺地区，以巨大水生态代价支撑的冬小麦-夏玉米种植模式是不可持续的，玉米一熟种植制度可作为节水高效模式。因此，以玉米一熟种植方式替代小麦-玉米一年两熟制，对充分利用降雨、减少地下水开采具有重要意义。

播期是影响玉米产量的重要因素之一，适宜的播期通过调控作物生长对降水、温度及光照等资源的利用效率，进而影响玉米光合速率和灌浆特性，是实现玉米高产的必要条件［5］。灌浆期是玉米籽粒形成的关键时期［6］，籽粒灌浆速率和灌浆强度决定籽粒库容，与产量的高低密切相关。张海艳等［7］研究指出，灌浆时间与玉米籽粒质量无显著相关性，灌浆速率是决定玉米籽粒质量的重要因素。同样，有研究表明，播期对玉米产量的影响主要通过光温对灌浆过程的调节来实现［8］。王若男等［9］研究发现，灌浆期低温加速植株衰老，光合作用减弱，同时会减缓光合物质由叶片向籽粒的转运效率，从而影响籽粒灌浆，最终造成百粒重和产量降低。本文在以往研究的基础上，针对河北低平原区玉米一熟制模式，研究不同播期对玉米籽粒灌浆特性、产量构成和水分利用效率的影响，探索确定玉米适宜播期，以期为该区玉米高产栽培和节水技术体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5-10月在河北省农林科学院旱作节水农业试验站进行，该站地处河北省深州市护驾迟镇，地理坐标为北纬37°44′，东经115°47′，海拔21 m。该区属温带大陆性季风气候，年日照时数为2 509.4 h，平均无霜期为188 d，年均气温、降水量、蒸发量分别为12.8 ℃、510 mm、1 785 mm。种植制度采用玉米一年一熟制，该地区土壤类型为黏质壤土，土壤有机质22.3 g/kg，土壤速效氮105.8 mg/kg，速效磷19.7 mg/kg，速效钾121.3 mg/kg。试验区地势平坦，1 m 土体平均容重1.4 g/cm3，地下水埋深大于5 m。

1.2 试验设计

供试玉米品种为“郑单958”，设置5月05日（T05-05）、5月20日（T05-20）、6月05日（T06-05）和6月20日（T06-20）4 个播期处理，3次重复，共12个小区，试验小区面积为31.5 m2（7.0 m×4.5 m）。人工点播，株距0.24 m，行距0.60 m。收获期分别为2019年9月10日、9月23日、10月7日、10月25日。所有处理底施复合肥（N、P2O5、K2O 含量分别为20%、8%、12%）750 kg/hm2，仅在播种后灌水1 次，灌水方式为畦灌，灌水定额75 mm，田间管理同当地生产一致。试验期间的日均气温和降雨量见图1。由图可知，2019年试验期间（5月05日至10月25日）的日均气温为23.4 ℃，累积降雨量为311.7 mm，其中70%集中在7-8月。与近30 a 同期值相比，试验期间日均气温升高0.9 ℃，降雨量降低114.2 mm，属降水较少的年份。

图1 玉米生长期间降雨量和日均温度的变化Fig.1 Changes of rainfall and daily mean temperature during maize growing period

1.3 观测项目及方法

1.3.1 玉米株高和叶面积指数

吐丝期每个小区采集3 棵代表性植株，用直尺测定植株株高及全部叶片的长度和宽度，采用下式计算叶面积指数（LAI）：

式中：k为叶片数；lj为单叶片长度，cm；bj为单叶片最大宽度，cm；f为单株玉米的占地面积，cm2。

1.3.2 净光合速率

在玉米授粉开始时以及第15 d和第30 d，采用CI-340型便携式光合仪（美国，CID）于上午9∶00-11∶00 测定穗位叶的净光合速率（Pn），每个处理3次重复。

1.3.3 玉米籽粒灌浆特性

玉米吐丝期，选择生长一致的植株挂牌标记，自开花授粉日起，每隔5 d 取玉米果穗中部籽粒100 粒，每次取3 个果穗，80 ℃烘干至恒重后称重。

采用Logistic方程对玉米籽粒增重过程进行模拟：

Y=K/(1+ea-bt)

式中：Y单粒重，g；t为授粉后天数，d；K为理论最大粒重，g；a、b均为回归参数。

对Logistic 方程求二阶导数，并令其值为0，得到灌浆最大速率出现的时间t0= ln(ea)/b，带入一阶导数的方程得到最大灌浆速率Vmax=Kb/4；籽粒增重模型曲线的两个拐点T1、T2将籽粒灌浆进程分成渐增期、速增期和缓增期，计算公式为T1，2=平均灌浆速率V=最大粒重/生长天数。

1.3.4 产量构成

收获时，统计各小区有效穗数，在每个小区中间行连续取40 穗，风干后测定穗行数和行粒数，脱粒后称重并测定百粒质量，折算籽粒产量。

1.3.5 玉米耗水量与水分利用效率

玉米生育期间耗水量根据水量平衡方程计算：

式中：ET为玉米生育期耗水量，mm；I为生育期内灌水量，mm；P为生育期内有效降雨量，mm；G为地下水，补给量，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm；ΔS为生育期内土壤贮水变化量，mm。

试验地地势平坦，且小区间有畦埂，地下水位在5 m 以下，故地表径流量和地下水补给量可忽略不计。ΔS采用试验初始和试验结束时0～200 cm 土层土壤含水率计算，由于土壤水分测定土层深度较大，且玉米生育期间未出现强度较大的降雨，无深层渗漏量产生。

水分利用效率（WUE）采用下式计算：

式中：WUE为水分利用效率，kg/m2；Y为玉米籽粒产量，kg/hm2；ET为玉米生育期总耗水量，m3/hm2。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010和DPS数据处理系统进行数据处理和统计分析，采用LSD法进行多重比较，显著水平为0.05。

2 结果与分析与方法

2.1 播期对玉米株高、叶面积指数的影响

图2 显示了不同播期处理玉米吐丝时的株高和叶面积指数，可以看出，玉米株高和叶面积指数随着播期的推迟均呈现先增大后减小的趋势，株高和叶面积指数最大的处理均为T06-05。与T05-05、T05-20、T06-20 处理相比，T06-05 处理的株高分别增加25.3%、9.6%、4.8%；叶面积指数依次增加27.6%、9.9%、5.3%。其中，T05-05、T05-20 处理的株高和叶面积指数与T06-05间差异达显著水平。

图2 播期对玉米株高和叶面积指数的影响Fig.2 Effect of sowing date on plant height and leaf area index of maize

2.2 播期对玉米净光合速率的影响

由图3可见，开花授粉时以及第15 d和第30 d，净光合速率均随着播期的推迟呈现先增后降的趋势，净光合速率最大的处理均为T06-05。与T05-05、T05-20、T06-20 处理相比，开花授粉时净光合速率分别增加63.7%、17.7%、30.7%，授粉第15 d 净光合速率依次增加17.4%、3.2%、14.0%，授粉第30 d 净光合速率分别增加23.9%、1.4%、13.2%。其中开花授粉时至第30 d，T05-05和T06-05处理的净光合速率差异达显著水平。

图3 播期对玉米净光合速率Pn的影响Fig.3 Effect of sowing date on net photosynthetic rate Pn of maize

2.3 播期对玉米籽粒灌浆进程的影响

图4给出了不同处理玉米籽粒增长进程，可以看出，不同播期处理下玉米粒重随着授粉后天数的增加呈现了较为一致的变化规律，即授粉后10 d，粒重增长速率较小，10～40 d进入快速增长期，40～60 d 增长速率减缓，粒重趋于稳定，粒重最大和最小处理分别是T06-05和T05-05。

图4 播期对玉米授粉后籽粒增重进程的影响Fig.4 Effect of sowing date on seed growth process of maize after pollination

Logistic 生长模型可以对不同播期处理玉米籽粒增长过程进行较好的模拟，模拟结果见表1。可以看出，各处理拟合方程的决定系数R2介于0.992 8～0.995 9，说明模拟结果较好。依据模拟结果，平均灌浆速率Vt最大的处理为T06-05，T05-05、T05-20 和T06-20 处理间的差异较小；最大灌浆速率Vmax随播期推迟不断增大，而籽粒速增期持续天数ΔT随播期推迟呈现减少的趋势。可以看出，T06-05 处理下Vt高于其余处理，Vmax和ΔT较高，有利于籽粒库容的增加。

表1 不同播期处理下玉米籽粒灌浆拟合方程与灌浆参数Tab.1 Grain filling fitting equation and Grain filling parameters of maize under sowing date treatment

2.4 播期对玉米产量和水分利用效率的影响

表2列出了不同播期处理玉米的产量构成要素及耗水量和水分利用效率。可以看出，处理间有效穗数差异不显著；随着玉米播期的推迟，百粒重先增大后减小，最大和最小的处理分别为T06-05 和T05-05，二者间差异达显著水平；穗粒数随玉米播期的推迟逐渐增大，T06-05 和T06-20 处理间差异不显著，但二者显著大于T05-05 和T05-20。由此促使处理间籽粒产量大小顺序为T06-05>T06-20>T05-20>T05-05，与T05-05、T05-20、T06-20相比，T06-05处理籽粒产量依次提高73.9%、19.7%、13.8%，差异达显著水平。

表2 播期处理对玉米产量和水分利用效率的影响Tab.2 Effects of sowing date treatment on Maize yield and water use efficiency

随着播期的推迟，玉米生育期耗水量逐渐降低，水分利用效率先增大后减小，T06-05 处理的水分利用效率最大。与T06-05 处理相比，T05-05、T05-20、T06-20 处理的水分利用效率分别降低45.7%、17.2%、5.7%，其中，T05-05 和T05-20 与T06-05处理间的差异达显著水平。

3 讨 论

玉米经济产量60%以上来自开花至成熟期的光合代谢产物，生育后期的光合作用直接影响到籽粒产量［10-11］。玉米叶面积指数反映光合面积的大小，对光合作用和产量的形成具有重要影响［12］。本研究中，随着播期的推迟，玉米吐丝期的株高和叶面积指数呈现先升高后降低的趋势，最大处理均为T06-05。究其原因是T06-05 处理自播种至吐丝阶段的累计降雨量和日平均温度均高于其他处理，促使其植株长势较优。授粉后30 d，T06-05 和T05-20 处理的Pn较高，这可能是由于2 个处理在该阶段的气温和土壤湿度较为适宜所致。

籽粒的灌浆特性是影响粒重的重要因素。王荣焕等［13］研究表明，播期通过调节光热资源对籽粒灌浆过程产生重要影响。宋立泉［14］和王春乙［15］指出，玉米获得高产的灌浆期最适日平均温度为22～24 ℃，当日平均温度低于16 ℃时，灌浆过程基本停止。本研究表明，玉米灌浆期Vt随着播期推迟呈现先增大后减小的趋势，T06-05 处理最大，T05-05 处理最小。这是由于T05-05、T05-20、T06-05、T06-20 处理灌浆期的日平均温度分别为25.3、24.2、22.8、19.8 ℃，T05-05、T05-20 处理灌浆期日平均温度高于最适灌浆温度，而T06-20 处理低于最适灌浆温度，T06-05处理灌浆期日平均温度在最适范围内，促使其平均灌浆速率最大、粒重最高。

播期处理通过影响玉米株高、叶面积指数、光合速率和灌浆过程，必然会对产量造成影响。本研究中，随着播期的推迟，玉米产量先增大后减小，T06-05 处理最高，T05-05 处理最低。究其原因是早播处理（T05-05）雨热不同期，导致玉米灌浆速率小，粒重低、穗粒数少，进而使得产量显著降低；T06-05 处理雨热同期，玉米灌浆期降雨和气温较为适宜，促使其灌浆速率最高，粒重大、粒数多，籽粒产量显著高于其他处理；T05-20 处理灌浆期气温偏高、而T06-20 处理灌浆中后期气温偏低，导致灌浆速率和粒重低于T06-05处理，产量亦有所降低。

水分利用效率是作物产量和耗水量共同作用的结果，反映作物节水效益状况［16］。在水资源紧缺地区，减少作物无效耗水，提高水分利用效率尤为重要［17］。本研究表明，随着播期的推迟，玉米生育期耗水量逐渐降低，水分利用效率呈现先增大后减小的趋势，T06-05 处理的水分利用效率最高，这与孙宏勇等［18］得出的适当推迟播期有利于水分利用效率提高的结论一致。由此可见，在水资源匮乏的河北低平原区，早播和过于晚播均不利于玉米高产，适当晚播（T06-05）可充分利用雨热资源，促使玉米产量增加和水分利用效率提高。本研究结果是在试验区降雨较少年份得出的，其在不同降雨年型的适用性有待进一步验证。

4 结 论

玉米吐丝期的株高和叶面积指数随着播期推迟呈现先增大后减小的趋势，二者最大的处理均为T06-05。开花授粉后30 d，T06-05 处理的光合速率最大，过早和过晚播种均会降低玉米灌浆期光合速率。

Logistic 曲线能较好地实现不同播期处理玉米籽粒灌浆过程模拟，T06-05 处理的平均灌浆速率最大，有利于粒重增加和产量的形成。T06-05 处理的籽粒产量显著高于T05-05、T05-20、T06-20 处理，增产率分别为73.9%、19.7%、13.8%。处理间玉米耗水量差异不大，水分利用效率随播期延迟先增大后减小，T06-05处理的水分利用效率最高。

综上，在仅灌溉出苗水条件下推荐研究区玉米一熟制种植模式的适宜播期为6月5日。 □