水氮减量密植玉米的产量及产量构成

韦金贵 郭 瑶 柴 强殷 文樊志龙 胡发龙

省部共建干旱生境作物学国家重点实验室 / 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070

随着人口的持续增加, 在有限耕地上提高粮食产量是农业生产面临的重大挑战[1-2]。而资源性缺水是限制旱农地区作物生产的主要因素[3], 且作为维持作物高产的化学肥料, 在施用量较大时存在投入成本高, 易造成排放大和氮素淋溶等生态风险[4],加剧了生态环境与农艺目标间的矛盾[5-6]。因此, 水肥减量作物稳产增产技术研究亟需深入。

合理的耕作制度、水肥管理、种植密度、覆盖措施等农艺技术皆可提高作物产量[7-9]。其中, 水氮运筹和密植技术因资源高效利用而应用广泛, 为实现粮食高产稳产提供了保障[10-11]。研究表明, 减量灌水会抑制作物干物质积累和产量形成[12], 适宜的化肥投入量能补偿水分亏缺对植株干物质生产的负效应, 提高有机物质积累和籽粒灌浆速率, 增加粒重并获得较高的籽粒产量[8,13]。减量施氮降低光合产物积累, 而充足的灌水能缓解群体生长率的下降, 延长干物质积累时间[12,14]。减量灌水或者施氮均不利于发挥作物的群体增产优势, 而合理密植能显著提高作物群体生产力, 进一步补偿水或氮减量造成单株生产力下降的负效应, 最终提高作物目标产量[10,15-16]。目前, 关于水、氮和密度3个因素两两互作的作物生产研究成果众多, 但基于通过增密补偿水氮减量于一体的技术体系能否同步实现稳产增产却鲜有报道, 使得生产实践中通过增密对水氮减量造成减产的补偿效应缺乏系统的研究。产量构成因素之间的协调发展是玉米高产稳产的关键措施,而密度则是决定产量构成的基础因子[16-17]。合理密植有利于协调作物群体与个体间的矛盾, 在保证一定群体数量的前提下, 提高作物的成穗率是进一步提高籽粒产量和收获指数的有效栽培措施[18-19]。在一定的密度范围内, 决定玉米产量的首要因子是单位面积穗数, 其次是穗粒数和千粒重[20-21]。因此, 能否通过增密补偿水氮减量造成产量及其构成因素的负效应, 其可行性须研究证实。河西绿洲灌区光资源丰富, 是典型的玉米高产区, 玉米生产化肥施用量较大, 受资源性缺水制约严重。本研究在地方习惯灌水、施氮基础上减量施用并增加种植密度, 探究干物质积累、群体生长速率和产量形成的补偿效应,为建立水氮节约玉米稳产高产技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(37o30′N,103o5′E)位于河西走廊东端, 年均日照时数＞2945 h,年平均气温7.2℃, 太阳辐射总量6000 MJ m-2, 常年降雨量约为156 mm, 年蒸发量2400 mm, 是典型的绿洲灌溉农业区。玉米是该区主栽作物之一, 当地习惯种植密度7.5万株 hm-2。试验地土壤类型为沙壤土, 0～20 cm土层有机质16.71 g kg-1、全氮0.68 g kg-1、全磷1.48 g kg-1、碱解氮102.35 g kg-1、速效磷26.93 mg kg-1、速效钾178.26 mg kg-1。2020—2021年度, 玉米生育期降水量及日平均温度如图1。

图1 2020-2021年度试验区玉米生育期降水量及日平均温度变化Fig. 1 Daily precipitation and mean air temperature during maize growth period at the experiment station in 2020 and 2021

1.2 试验设计

采用裂区设计, 主区为灌水量, 设W2 (4050 m3hm-2, 当地习惯灌水)、W1 (3240 m3hm-2, 减量20%)两个水平; 第1裂区为施氮水平, 设N2 (360 kg hm-2, 当地习惯施氮)、N1 (270 kg hm-2, 减量25%)两个水平; 第2裂区为种植密度, 设D1 (7.50万株hm-2, 当地习惯种植密度)、D2 (9.75万株 hm-2, 增加30%)、D3 (12.0万株 hm-2, 增加60%) 3个水平, 共组成12个处理, 每处理重复3次, 小区面积为40 m2(5 m×8 m)。玉米覆膜平作, 等行距(40 cm)播种, 株距分别为D1 (33 cm)、D2 (26 cm)、D3 (21 cm), 玉米品种为“先玉335”, 分别于2020年4月20日、2021年4月23日播种, 2020年9月27日、2021年9月21日收获,收获后秸秆移除。本试验所有处理均采用膜下滴灌,在管道中安装水表控制灌溉量。基肥在播种前均匀施于地面, 用旋耕机旋入15 cm深的耕作层; 追肥时, 用穴播枪在距离玉米茎秆10 cm处打孔, 将肥料施入10 cm深的孔中, 只施氮肥(N 46.6%的尿素)和磷肥(P2O518%的过磷酸钙基施, 180 kg hm-2),该地区土壤中的钾含量足以维持作物生长需求, 因此不施钾肥。具体试验处理灌水和施氮制度详见表1。

表1 不同处理的灌水制度和施氮制度Table 1 Irrigation and fertilization regimes for different treatments

1.3 测定指标及方法

干物质积累量: 从玉米苗期开始, 在每小区每隔15 d随机选取玉米5株(苗期选取10株), 于105℃下杀青30 min, 80℃下烘干至恒重, 计算干物质积累量。用Logistic方程y=k/(1+ea-rt)拟合玉米生育期最大干物质积累速率以及积累速率持续天数[22]。

群体生长率: CGR = (W2-W1)/(T2-T1)式中, CGR代表群体生长率(kg hm-2d-1), T2和T1为测定时期,W2和W1分别为T2和T1时期的干物质重(kg hm-2)。

产量及产量构成因素: 按小区收获计产, 测定有效穗数, 随机选取10株测定穗粒数、千粒重。

收获指数: HI = GY/BY。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019整理数据, Origin 2021作图, SPSS 19.0进行方差分析(ANOVA)、多重比较(Duncan)、相关性分析(Pearson)和通径分析。

2 结果与分析

2.1 水氮减量密植玉米的产量表现

减量灌水、减量施氮显著降低了玉米籽粒产量,增加密度可提高产量, 灌水与施氮、施氮与密度以及灌水与施氮和密度间的互作对产量作用显著(表2)。W1较W2减产3.0%, N1较N2减产12.9%, D2、D3较D1分别增产12.9%、9.2%, 表明减水减氮均显著降低产量, 增密在一定程度上可弥补产量损失。与对照W2N2D1相比, 在W1N1条件下D1、D3产量分别降低12.3%、6.3%, 与D2差异不显著, 说明中密度可以补偿水氮减量导致的负效应。在N2条件下,W1D1较W2D1产量低4.5%, W1D2、W1D3较W2D1分别高13.9%、5.7%, W1D2与W2D2差异不显著, 说明在施氮量保持不变时, 中密度可在补偿灌水减量20%的同时提高产量。

表2 不同处理模式下玉米的产量、产量构成因素Table 2 Grain yield and yield components of maize under different treatments

(续表2)

2.2 增密对减水减氮玉米产量构成因素的影响

增加密度提高了玉米穗数, 施氮与密度对穗数的互作效应显著(表2), 水氮减量对穗数影响不显著。D3、D2较D1穗数分别增加55.9%、26.4%。与W2N2D1相比, W1N1D3、W1N1D2、W1N2D2穗数分别增加51.0%、24.7%、24.8%, 但W2N2D1与W1N1D1穗数差异不显著。

水氮减量和增密显著降低玉米穗粒数(表2)。W1较W2穗粒数减少5.6%, N1较N2穗粒数减少6.9%, D2、D3较D1分别减少6.3%、15.2%。与W2N2D1相比, 在W1N1条件下D1、D2、D3穗数分别减少了13.2%、19.3%、24.2%, 表明增密加剧了水氮减量造成穗粒数的进一步下降。与W2N2D1相比, W1N2D1、W1N2D2、W1N2D3穗粒数分别减少5.2%、10.4%、19.8%, 说明充裕的氮肥供应能使中密度有效缓解穗粒数下降。

减量灌水、施氮和增加密度均显著降低玉米千粒重, 灌水与施氮、施氮与密度对千粒重的互作效应影响显著(表2)。W1较W2玉米千粒重降低5.0%,N1较N2降低7.4%, D3较D1降低11.7%, D2与D1差异不显著, 适度增密对玉米千粒重没有显著影响。与W2N2D1相比, W1N1下的D1、D2、D3千粒重分别降低10.8%、14.8%、22.4%, W1N2D3降低12.0%, W1N2D2与W2N2D2差异均不显著。说明在习惯施氮条件下, 中密度可补偿灌水减量20%造成的千粒重下降。

2.3 增密对水氮减量玉米干物质积累产生的补偿效应

2.3.1 干物质积累动态 水氮减量显著降低玉米干物质积累, 增加密度提高干物质积累, 灌水与施氮对干物质积累的互作效应显著(图2)。W1较W2在抽雄期到灌浆前期、灌浆前期到成熟期干物质积累分别降低11.7%、4.8%; N1较N2在玉米拔节到大喇叭口期、大喇叭口到抽雄期干物质积累分别降低12.0%、11.4%; D2、D3较D1在玉米拔节期到大喇叭口期干物质积累分别提高8.7%、48.5%, 大喇叭口期到抽雄期分别提高6.9%、31.2%, 灌浆初期到成熟期分别提高14.9%、25.2%。表明增密对减量水氮造成干物质积累下降的补偿效应随着生育期推进越来越明显。与W2N2D1相比, W1N1D1处理在大喇叭口期到抽雄期、抽雄期到灌浆初期、灌浆初期到成熟期干物质积累分别降低25.2%、25.9%、6.3%, W1N1D3、W1N1D2处理灌浆初期到成熟期分别提高22.5%、5.8%, W1N2D2、W1N2D3处理在灌浆初期到成熟期分别提高10.2%、25.4%。说明增密可补偿水减量造成的负效应, 在习惯施氮下进一步提高了干物质积累。

图2 不同处理玉米干物质积累量Fig. 2 Dynamics of dry matter accumulation of maize in different treatments处理缩写同表1。Treatment abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.3.2 群体生长率动态 在玉米整个生育期, 减量水氮显著降低CGR, 增加密度提高CGR, 灌水与施氮对CGR的互作效应显著(图3和表3)。W1较W2大喇叭口期到灌浆中期CGR降低5.2%; N1较N2苗期到大喇叭口期、灌浆中期到成熟期分别降低11.6%、9.9%; D3较D1苗期到大喇叭口期、大喇叭口期到灌浆中期、灌浆中期到成熟期分别提高39.4%、23.9%、26.6%, D2较D1灌浆中期到成熟期提高22.9%。与W2N2D1相比, W1N1D1处理大喇叭口期到灌浆中期、灌浆中期到成熟期CGR分别降低8.4%、6.0%, W1N1D3处理大喇叭口期到灌浆中期、灌浆中期到成熟期CGR分别提高13.3%、16.6%,W1N2D3、W1N2D2苗期到大喇叭口期、大喇叭口期到灌浆中期、灌浆中期到成熟期分别提高72.8%和27.4%、24.7%和3.7%、25.2%和13.9%。说明增密可补偿水氮减量导致的负效应, 且随着生育时期的推进补偿效应越来越明显, 而充足的氮肥更有利于CGR的提高。

图3 不同处理玉米群体生长率动态Fig. 3 Dynamics of dry matter accumulation rate in maize under different treatments处理缩写同表1。Treatment abbreviations are the same as those given in Table 1.

表3 不同处理玉米干物质积累速率的Logistic方程回归分析Table 3 Logistic equation analysis on dry matter accumulation of maize under different treatments

2.3.3 干物质最大增长速率及其出现的天数

W1较W2水平Vmax和Vmean分别降低7.6%和4.2%(表3), 且W1与W2水平Tm差异不显著; N1较N2水平Vmean降低4.0%, N1较N2水平Tm提前3.0 d; D2、D3较D1水平Vmax、Vmean分别提高4.5%、18.4%和10.5%、28.4%, D2、D3较D1水平Tm分别延迟2.8 d、1.3 d。与W2N2D1相比, W1N1D1处理Vmax和Vmean分别降低3.4%和10.7%, W1N1D3、W1N2D2、W1N2D3处理Vmax和Vmean分别提高12.5%和19.8%、5.4%和8.4%、19.4%和27.5%, W1N2D2处理Tm延迟2.7 d。说明减量水氮显著降低Vmax和Vmean, 增密可补偿干物质积累速率的降低, 而习惯施氮可有效提高干物质的积累速率并延迟灌浆时间。

2.4 收获指数

减量施氮、增加密度、灌水与施氮和灌水与密度二者交互作用均对收获指数有显著影响, 但灌水水平对HI没有显著影响(表2)。N1较N2水平HI降低9.4%。D3较D1水平HI降低15.4%, D2与D1差异不显著。与W2N2D1相比, W1N1D1、W1N1D2处理HI差异不显著, W1N1D3、W1N2D3分别降低22.0%、17.5%, W1N2D2提高4.7%。综上, 水氮同时减量降低HI, 而中密度可补偿水氮减量造成的负效应, W1N2D2种植模式下作物光合同化物转化成籽粒产量的能力较高。

2.5 产量与产量构成因素、干物质积累和收获指数间的效应机制分析

密植玉米在水氮减量种植模式下, 玉米籽粒产量与产量构成因素, 干物质积累和收获指数的相关和通径分析结果表明(表4), 籽粒产量与穗数和收获指数呈极显著正相关, 籽粒产量与千粒重和干物质积累量呈显著正相关。从直接通径系数中可以看出, 对产量的影响为收获指数＞穗数＞干物质积累＞穗粒数＞千粒重。通过玉米籽粒产量与上述产量构成因素的间接通径系数可知, 干物质积累和穗数相互影响玉米籽粒产量。因此, 在水氮减量条件下, 增密的补偿效应主要归因于收获指数、单位面积有效穗数和干物质积累的增加。

表4 不同处理玉米籽粒产量与产量构成因素, 干物质积累和收获指数的相关系数和通径系数Table 4 Correlation coefficient and path coefficient of maize between grain yield and yield components, dry matter accumulation,harvest index, respectively

3 讨论

3.1 增密对水氮减量降低玉米产量的补偿效应

优化栽培措施是作物系统结构与功能趋于协调发展的转变过程, 也是产量不断提高的重要基础[15,23]。水分和养分是干旱地区作物生长发育和产量形成的主要胁迫因子, 水分亏缺抑制养分吸收, 养分不足降低水分利用效率, 均不利于作物产量潜力发挥[3-4]。这与本研究一致, 减水减氮均能显著降低玉米籽粒产量。作物高产源于适宜的种植密度和较优的单株生产力, 合理的群体结构是个体健壮发育和群体稳健发展的结果[17-18], 适宜的施氮量是进一步提高作物产量的关键措施[24]。本试验表明, 随着密度的增加, 产量先增加后降低, 增密30%可补偿水氮减量减产的负效应, 增密30%在水减量20%习惯施氮下增产13.9%。这可能是因为, 适当增加种植密度能有效地调节作物的冠层结构, 提高作物对光、温、养分的利用率, 协调源流库关系, 充分发挥作物的增产潜力[15,18]; 此外, 密度与氮肥之间存在互作效应, 植株通过增加密度调节自身代谢和生理活动,弥补灌水减量对植株的负面影响, 达到增产高效的目的[14,25]。

作物产量形成是单位面积穗数、穗粒数和千粒重3个因素共同决定。减水减氮条件下, 难以满足作物生长发育对水分和养分的需求, 甚至出现减产现象, 主要表现为穗粒数和千粒重下降[16]。本试验表明, 水氮减量显著降低穗粒数和千粒重。穗数反映作物群体状况, 是对作物产量补偿和调控能力最强的产量性能指标之一[20], 当单位面积的穗数达到一定程度时, 穗粒数和千粒重均会下降[19]。有研究表明通过增密获得较高的穗数补偿水氮减量穗粒数和千粒重的负面影响, 从而提高粮食产量[20,25]。这与本研究一致, 减水减氮条件下增密30%可提高穗数,但穗粒数和千粒重显著降低。合理的群体结构是作物利用自然资源, 发挥群体增产优势的基础和保障,在生产实践中需要高度协调才能发挥水、氮、密度三者的互作效应, 促进密植作物充分协调产量构成因素, 为玉米高产奠定基础[20,24]。本研究中, 增密30%在水减量20%习惯施氮下穗数增加24.8%, 穗粒数降低11.6%, 千粒重没有显著影响, 这主要表现为增密30%对水减量引起的负效应起到补偿作用,补偿效应源于单位面积穗数的显著增加, 缓解穗粒数和千粒重下降的减产效应[26-27]; 此外, 在充裕的施氮量下, 适度增密可进一步提高玉米植株源的供应和潜在的库容[27]。总之, 在干旱绿洲灌区, 保证玉米生育期需氮量的同时, 通过增密30%补偿水减量导致穗粒数和千粒重的下降, 是节水增产的有效措施。

3.2 增密对水氮减量降低干物质积累和收获指数的补偿效应

作物籽粒产量由生物产量和收获指数共同决定,高产栽培生产中主要通过提高生物产量以突破作物产量限制, 达到增产高效目的[26,28]。有研究表明, 为降低水氮减量减产的负面影响, 维持较高的收获指数的同时提高作物生物产量是其主要的补偿途径,而密度作为提高生物产量的有效栽培措施之一, 适度增密可提高玉米生育前期CGR和干物质积累量,但密度过高不利于生育后期群体干物质积累, 易引起CGR下降[17,24,29]。这与本研究一致, 主要原因可能是, 由于密度过大使得玉米群体前期营养生长旺盛, 破坏群体与个体生长协同收益的平衡关系, 不利于生育后期光合同化物的积累[20-21]。本试验表明,减量水氮对干物质积累及其积累速率均显著降低,而增密30%能弥补其产生的负效应, 这是因为灌浆期适度减量水氮可促进花前营养器官中储藏的干物质向籽粒中再转运, 维持较高的收获指数有助于弥补水氮减量减产的负效应, 并提高最终产量[27,30],除此之外, 玉米生育后期密集的冠层结构减少土壤无效损耗, 适当增密可补偿灌水减量对干物质积累引起的负效应[16,31]。灌浆期适量追施氮肥能提供充足的碳水化合物, 进而提高玉米的灌浆速率和延长灌浆时间, 促进光合同化物的积累与转运[14,32]。本研究中, 在习惯施氮减量20%灌水下, 增密30%更有利于干物质积累和收获指数显著提高, 说明增密30%能改善玉米生长后期干物质由营养器官向籽粒的运转。减量灌水条件下作物根系加强对深层水分的利用, 供给植株地上部吸收利用, 进一步提高干物质积累[14,29], 在氮肥供给充裕条件下, 适当增密显著提高玉米灌浆速率和延长灌浆时间, 使得玉米群体在生长后期仍能维持较高的光合和物质生产能力, 促进有机物物质向籽粒转移, 为提高玉米灌浆和稳产高产创造了物质条件[13,30,33]。综上, 在保持施氮量不变的基础上减量20%灌水, 增密30%可达到增产高效的目标。

4 结论

干旱绿洲灌区水氮减量, 对玉米籽粒产量、产量构成和干物质积累均产生负效应, 增密30%可补偿玉米生育期内水氮减量导致籽粒产量、穗数、干物质积累及其积累速率的降低效应, 但穗粒数和千粒重显著降低。施氮量不变时, 减水20%增密30%较习惯灌水密度增产13.9%, 这主要归因于产量构成、收获指数、群体生长速率、干物质积累及最大增长速率的同步补偿。因此, 增密30%可作为干旱绿洲灌区玉米节水减氮稳产增产的有效栽培措施。