王洪章 劉 鵬 賈緒存 李 靜 任 昊 董樹亭 張吉旺 趙 斌

不同栽培管理?xiàng)l件下夏玉米產(chǎn)量與肥料利用效率的差異解析

王洪章 劉 鵬*賈緒存 李 靜 任 昊 董樹亭 張吉旺 趙 斌

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/ 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018

于2017—2018年在泰安、淄博和煙臺(tái), 根據(jù)生產(chǎn)調(diào)研和各地夏玉米高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn), 在同一地塊綜合設(shè)置了超高產(chǎn)栽培、高產(chǎn)高效栽培和農(nóng)戶栽培3種栽培模式, 分別模擬超高產(chǎn)生產(chǎn)水平(SH)、高產(chǎn)高效生產(chǎn)水平(HH)和農(nóng)戶生產(chǎn)水平(FP) 3個(gè)層次。并分別設(shè)置不施氮(SHN0、HHN0、FPN0)、不施磷(SHP0、HHP0、FPP0)和不施鉀(SHK0、HHK0、FPK0)的肥料空白處理。定量分析不同產(chǎn)量層次之間產(chǎn)量差及肥料利用效率差, 探究產(chǎn)量差和效率差的影響因素及縮差增效途徑。結(jié)果顯示, 當(dāng)前山東省夏玉米SH、HH和FP的籽粒產(chǎn)量分別實(shí)現(xiàn)了光溫潛力產(chǎn)量的68.13%、63.71%、53.22%。隨著產(chǎn)量差距的增大, 肥料利用效率降低。FP的N、P、K肥料利用效率分別為4.23、5.83、4.94 kg kg–1, SH的分別為3.84、4.64、2.97 kg kg–1。通過優(yōu)化栽培措施后, 高產(chǎn)高效管理模式能夠較FP籽粒產(chǎn)量提升10.49%, N、P、K的肥料利用效率分別提高67.07%、101.35%、57.65%, 是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與肥料利用效率協(xié)同提升的有效技術(shù)途徑。對(duì)各產(chǎn)量水平進(jìn)行產(chǎn)量性能分析發(fā)現(xiàn), 隨著產(chǎn)量水平的提高, 平均葉面積指數(shù)和單位面積穗數(shù)明顯提高, 而穗粒數(shù)、平均凈同化率和粒重則有所下降。隨著產(chǎn)量水平的提高, 吐絲后干物質(zhì)和N、P、K元素積累比例有增加的趨勢(shì)。因此, 在保持現(xiàn)有功能性參數(shù)不降低情況下, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)性參數(shù)是當(dāng)前產(chǎn)量與資源利用效率協(xié)同提升的有效措施, 今后高產(chǎn)高效應(yīng)更加注重生育后期群體結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。

夏玉米; 產(chǎn)量差; 肥料利用

玉米為我國(guó)第一大糧食作物, 在國(guó)家糧食安全中占重要地位。在當(dāng)今人口迅速增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)用地與其他用途土地競(jìng)爭(zhēng)日益嚴(yán)峻的大背景下, 糧食總產(chǎn)再增加只能依靠單產(chǎn)的增加[1]。1980—2015年, 山東省夏玉米平均單產(chǎn)由3.85 t hm–2增加到6.46 t hm–2, 增長(zhǎng)67.8%, 但僅實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力的22.75%, 與高產(chǎn)記錄產(chǎn)量之間仍有14.58 t hm–2的產(chǎn)量差距[2]。同時(shí), 我國(guó)玉米田當(dāng)季氮、磷和鉀肥的利用率只有30%~35%、10%~25%和35%~50%, 遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的50%~60%[3]。近幾十年產(chǎn)量的提升依賴于高產(chǎn)品種的選育和化肥的大量施用, 但由于產(chǎn)量和效率的不協(xié)調(diào)發(fā)展, 產(chǎn)量提升的同時(shí)肥料利用效率顯著下降[4-5]。眾多學(xué)者認(rèn)為, 華北平原夏玉米的最佳種植密度為80,000~120,000株 hm–2, 但實(shí)際的種植密度不足60,000株 hm–2[6-7]。不合理施用氮肥導(dǎo)致夏玉米生育前期的氮肥利用率只有10%左右, 通過氨揮發(fā)、反硝化和淋洗損失的氮肥超過270 kg N hm–2[8-12]。因此, 在縮減產(chǎn)量差、提高單產(chǎn)的同時(shí)還面臨著提升肥料利用效率的巨大挑戰(zhàn)。近年來研究發(fā)現(xiàn)肥料運(yùn)籌、種植密度、土壤條件以及其他的農(nóng)業(yè)管理均可以縮減產(chǎn)量差距、提升肥料利用效率[13-15]。通過優(yōu)化施肥, 能夠在提高氮素利用效率的同時(shí)增加產(chǎn)量13%~15%[16]。高產(chǎn)試驗(yàn)中對(duì)最佳種植密度、均衡施肥和田間管理進(jìn)一步優(yōu)化, 在保證肥料利用效率的前提下, 產(chǎn)量甚至可以達(dá)到15 t hm–2[17]。因此, 需要更多關(guān)注實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)生產(chǎn)。通過量化夏玉米不同產(chǎn)量層次之間的產(chǎn)量差、效率差, 明確二者之間的關(guān)系, 探明縮小產(chǎn)量差、效率差的有效途徑, 對(duì)于提高產(chǎn)量和資源利用效率具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

田間試驗(yàn)于2017—2018年在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)(35°58′41″N, 116°58′22″E, 海拔85 m)、淄博市桓臺(tái)縣果里鎮(zhèn)(36°24′15″N, 118°0′7″E, 海拔24 m)和煙臺(tái)市萊州市西由鎮(zhèn)(37°21′10″N, 119°57′5″E, 海拔6 m)進(jìn)行。三試驗(yàn)點(diǎn)均為溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 生育期間積溫、輻射量及降雨量詳見表1。作物種植體系為冬小麥/夏玉米一年兩熟, 于小麥?zhǔn)斋@后深耕(25 cm)滅茬, 耙耱整平, 播種。室內(nèi)試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為登海605, 在同一地塊結(jié)合不同地區(qū)高產(chǎn)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn), 制定超高產(chǎn)栽培模式, 模擬超高產(chǎn)水平(SH); 由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶進(jìn)行田間管理, 并詳細(xì)記錄栽培管理措施及水、肥、農(nóng)藥等的投入情況來設(shè)置農(nóng)戶栽培模式模擬農(nóng)戶生產(chǎn)水平(FP); 結(jié)合生產(chǎn)調(diào)研與專家意見, 對(duì)農(nóng)戶栽培模式在種植密度、肥料用量和施肥方式上進(jìn)行優(yōu)化, 設(shè)置高產(chǎn)高效栽培模式, 模擬高產(chǎn)高效生產(chǎn)水平(HH)。并分別設(shè)置不施氮(SHN0、HHN0、FPN0)、不施磷(SHP0、HHP0、FPP0)和不施鉀(SHK0、HHK0、FPK0)的肥料空白處理用于計(jì)算肥料利用效率, 種植密度和肥料運(yùn)籌詳見表2。所用氮肥分別為包膜緩控尿素(PU, 含N 42%)和普通尿素(U, 含N 46%), 所用磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 51%), 有機(jī)肥料為商品有機(jī)肥[含有機(jī)碳(干基) 304 g kg–1、P2O531.2 g kg–1、K2O 30.4 g kg–1、C/N為11.2],依其含量計(jì)算肥料用量。采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì), 各產(chǎn)量水平小區(qū)面積為300 m2, 肥料空白試驗(yàn)區(qū)設(shè)置100 m2, 3次重復(fù)。各小區(qū)之間設(shè)立1.5 m的緩沖帶。生長(zhǎng)期根據(jù)土壤墑情采用微噴帶統(tǒng)一灌溉, 遇澇及時(shí)排水。按正常田間管理進(jìn)行良好的病蟲害防治。

表1 試驗(yàn)期間生育進(jìn)程及生育期氣象因子

表2 各處理的種植密度及肥料運(yùn)籌

SH: 超高產(chǎn)生產(chǎn)水平; HH: 高產(chǎn)高效生產(chǎn)水平; FP: 農(nóng)戶生產(chǎn)水平; PU: 包膜緩控尿素; U: 普通尿素。

SH: super-high production level; HH: high production and high-efficiency production level; FP: farmer production level; OF: organic ferti-lizer; PU: coated membrane controlled urea; U: ordinary urea.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 地上部生物量的測(cè)定 于吐絲期和成熟期選取每個(gè)處理長(zhǎng)勢(shì)一致的植株5株, 按莖稈、葉片、籽粒、雄穗、苞葉、穗軸分開, 105℃下殺青30 min, 80℃烘至恒重, 稱干重并計(jì)算群體干物質(zhì)積累量。

1.3.2 產(chǎn)量測(cè)定及產(chǎn)量差計(jì)算 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 參照賴榮生等[18]、劉江等[19]提出的參數(shù)及萊亨泊溫度修訂系數(shù)[18]計(jì)算光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量(RT)。于成熟期隨機(jī)選取每個(gè)處理3個(gè)9 m2(5.0 m×1.8 m)的小區(qū), 將果穗全部收獲, 考種并計(jì)算產(chǎn)量。分別得到超高產(chǎn)水平產(chǎn)量(SH)、高產(chǎn)高效水平產(chǎn)量(HH)和農(nóng)戶水平產(chǎn)量(FP)用于產(chǎn)量差(YG)的計(jì)算。產(chǎn)量差I(lǐng) (YGI, %) = (RT?SH)/RT×100; 產(chǎn)量差I(lǐng)I (YGII, %) = (RT?HH)/RT×100; 產(chǎn)量差I(lǐng)II (YGIII, %) = (RT?FP)/RT×100。

1.3.3 產(chǎn)量性能方程參數(shù)計(jì)算 在全生育期間選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株5株, 分別于大喇叭口期、吐絲期、灌漿期、乳熟期和成熟期定株測(cè)定5次葉面積, 并參照張賓等[20]方法計(jì)算產(chǎn)量性能方程參數(shù), 求出玉米的全生育期平均葉面積指數(shù)(MLAI)和平均凈同化率(MNAR)。MLAI×D×MNAR×HI = EN×GN×GW, 其中MLAI為全生育期平均葉面積指數(shù), D為生育期天數(shù), MNAR為平均凈同化率, HI為收獲指數(shù), EN為穗數(shù), GN為穗粒數(shù), GW為粒重。并參照趙明等[21]分類方法將主要引起群體結(jié)構(gòu)性變化的數(shù)量性狀MLAI、EN和GN歸納為結(jié)構(gòu)性參數(shù), 將主要引起個(gè)體功能改變的質(zhì)量性狀MNAR、HI和GW歸納為功能性參數(shù)。

1.3.4 植株N、P、K含量的測(cè)定 將植株干樣粉碎過篩后用濃H2SO4-H2O2消煮, 采用 BRAN＋LUEBBE AA3 型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定N、P含量, 采用Sherwood M410 型火焰光度計(jì)測(cè)定K含量。

1.3.5 N、P、K肥料利用效率計(jì)算 氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg kg–1) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量?無氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施純氮量; 磷肥農(nóng)學(xué)利用率(kg kg–1) = (施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量?無磷區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施純磷量; 鉀肥農(nóng)學(xué)利用率(kg kg–1) = (施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量?無鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施純鉀量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與作圖

采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù); 采用DPS 16.05統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù), 以LSD法檢驗(yàn)差異顯著性(α=0.05)。采用SigmaPlot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)量層次夏玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量差

由表3可見, 試驗(yàn)期間山東省夏玉米的RT為18.12 t hm–2, 各試驗(yàn)點(diǎn)平均SH、HH、FP分別為12.27、11.45、9.56 t hm–2。產(chǎn)量水平差距明顯,SH、HH和FP與RT之間分別存在31.87%、36.29%和46.78%的產(chǎn)量差距。SH和HH能有效縮小產(chǎn)量差距, 平均SH和HH較FP產(chǎn)量分別提高28.35%和19.77%。其中, 2017年泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)的SH和HH較FP分別提高23.37%、23.16%、21.73%和13.34%、16.53%、20.91%; 2018年泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)的SH和HH較FP產(chǎn)量分別提升43.20%、31.14%、29.81%和29.49%、19.98%、19.87%。

表3 不同產(chǎn)量層次夏玉米產(chǎn)量及各級(jí)產(chǎn)量差

RT: 光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量;SH: 超高產(chǎn)水平產(chǎn)量;HH: 高產(chǎn)高效水平產(chǎn)量;FP: 農(nóng)戶水平產(chǎn)量; YGI: 產(chǎn)量差I(lǐng); YGII: 產(chǎn)量差I(lǐng)I; YGIII: 產(chǎn)量差I(lǐng)II。同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。

RT: light temperature production potential yield;SH: super high yield level yield;HH: high yield and high efficiency level yield;FP: farmers’ level yield; YGI: yield gap I; YGII: yield gap II; YGIII: yield gap III. Values followed by different letters with in a row are significantly different between treatments at< 0.05.

2.2 不同產(chǎn)量層次夏玉米群體生物量的差異

由圖1可見, 試驗(yàn)期間不同產(chǎn)量水平夏玉米吐絲前、吐絲后和全生育期地上部生物積累量均表現(xiàn)為SH>HH>FP。2017年, SH的吐絲前、吐絲后和全生育期生物積累量較FP在泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高8.80%、14.71%、16.45%, 31.70%、28.55%、3.55%和22.36%、23.00%、23.42%; HH吐絲前、吐絲后和全生育期生物積累量較FP在泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高了5.83%、11.51%、13.77%, 15.15%、20.06%、1.29%和11.35%、16.63%、16.15%。2018年趨勢(shì)與之一致, SH較FP的提高幅度分別為10.02%、14.25%、12.44%, 30.26%、29.46%、28.02%和22.05%、23.31%、21.65%; HH較FP的提高幅度分別為7.99%、6.24%、4.53%, 23.36%、19.86%、16.51%和12.17%、14.35%、11.61%。

2.3 不同產(chǎn)量層次夏玉米吐絲前、吐絲后物質(zhì)積累比例與產(chǎn)量水平之間的關(guān)系

由圖2可見, 隨著產(chǎn)量水平的提升, 吐絲后干物質(zhì)積累比例呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。SH、HH和FP的吐絲后干物質(zhì)積累量占比分別為63.02%、61.98%和59.78%, SH和HH較FP分別增加了5.43%和3.68%。

2.4 不同產(chǎn)量層次夏玉米產(chǎn)量性能方程參數(shù)的差異

由表4可見, 不同產(chǎn)量層次夏玉米的結(jié)構(gòu)性參數(shù)差異較大, 而功能性參數(shù)差異較小。結(jié)構(gòu)性參數(shù)當(dāng)中, SH、HH的平均MLAI和EN較FP增加17.55%、10.08%和19.51%、14.03%, 平均GN較FP降低8.24%和9.79%。功能性參數(shù)當(dāng)中, SH、HH的平均MNAR和GW較FP下降11.67%、13.11%和1.69%、1.59%。

圖1 不同產(chǎn)量層次夏玉米的地上部生物量的差異

SH: 超高產(chǎn)水平; HH: 高產(chǎn)高效水平; FP: 農(nóng)戶生產(chǎn)水平。

SH: super-high production level; HH: high production and high-efficiency production level; FP: farmer production level.

圖2 不同產(chǎn)量層次夏玉米吐絲前、吐絲后干物質(zhì)積累占比與產(chǎn)量之間的關(guān)系

縮寫同圖1。Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

表4 不同產(chǎn)量層次夏玉米產(chǎn)量性能方程參數(shù)的差異

MLAI: 平均葉面積指數(shù); EN: 穗數(shù); GN: 穗粒數(shù); MNAR: 平均凈同化率; HI: 收獲指數(shù); GW: 粒重。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。其他縮寫同表2。

MLAI: mean leaf area index; EN: ear number; GN: grain number; MNAR: mean net assimilation rate; HI: harvest index; GW: grain weight. Values followed by different letters with in a column are significantly different between treatments at< 0.05. Other abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.5 不同產(chǎn)量層次夏玉米N、P、K元素積累量的差異

以泰安試驗(yàn)點(diǎn)為例(圖3), 不同產(chǎn)量層次夏玉米的地上部N、P、K元素積累量有明顯差異, 總體趨勢(shì)表現(xiàn)為SH>HH>FP。2017年, SH吐絲期和成熟期的地上部N、P、K元素積累量較HH分別增加6.76%、8.05%、3.02%和9.97%、10.37%、4.11%, 較FP分別增加15.94%、16.38%、11.56%和29.38%、29.35%、22.35%。2018年趨勢(shì)與之一致, 增加幅度分別為1.86%、6.86%、0.97%和3.49%、8.81%、4.53%, 13.81%、16.11%、11.12%和20.63%、19.68%、37.08%。且隨著產(chǎn)量水平的提高, 吐絲后養(yǎng)分積累比例呈增加趨勢(shì), 2017年, SH的吐絲后氮素積累比例較HH和FP分別增加了8.86%、45.78%, 吐絲后磷素積累比例較HH和FP分別增加了1.45%、8.03%, 吐絲后鉀素積累比例較HH和FP分別增加2.34%、26.63%。2018年趨勢(shì)與之一致, 增幅分別為2.64%、10.67%, 1.17%、1.98%, 8.29%、102.57%。

2.6 不同產(chǎn)量層次夏玉米N、P、K肥料利用效率的差異

由圖4可見, 不同產(chǎn)量水平夏玉米的N、P、K肥料利用效率差異顯著, 總體表現(xiàn)為HH>FP>SH。HH、FP和SH的氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別為6.64、4.23和3.84 kg kg–1, HH的氮肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH分別提高了56.81%和72.79%。其中2017年HH的氮肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH在泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高了20.11%、61.40%、58.62%和29.94%、66.80%、84.71%; 2018年分別提高了88.91%、66.60%、51.40%和90.71%、83.55%、87.13%。

HH、FP和SH處理的磷肥農(nóng)學(xué)利用率分別為10.10、5.83和4.64 kg kg–1, HH的磷肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH分別提高了73.15%和117.66%。其中2017年HH的磷肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH在泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高了65.73%、49.87%、68.04%和89.82%、61.38%、97.03%; 2018年分別提高了137.40%、34.92%、109.51%和217.41%、156.28%、134.75%。

HH、FP和SH的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率分別為5.61、4.94和2.97 kg kg–1, HH的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH分別提高了13.66%和89.29%。其中2017年HH的鉀肥農(nóng)學(xué)利用率較FP和SH在泰安、淄博、煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高了10.82%、6.98%、39.29%和49.14%、68.58%、97.64%; 2018年分別提高了4.85%、4.56%、23.67%和65.23%、179.82%、121.09%。

2.7 不同產(chǎn)量層次夏玉米肥料利用效率與產(chǎn)量水平之間的關(guān)系

由圖5可見, 在當(dāng)前生產(chǎn)中隨著產(chǎn)量水平的提高, N、P、K肥的利用效率均出現(xiàn)降低的趨勢(shì), 其中K肥利用效率下降幅度最大, 其次是P肥, N肥的利用效率降低幅度最小。而HH顯著提高了N、P、K肥的肥料利用效率, 在相應(yīng)的產(chǎn)量水平下, HH能分別提升N、P、K的肥料利用效率67.07%、101.35%和57.65%。

圖3 不同產(chǎn)量層次夏玉米地上部N、P、K元素積累量的差異

圖中不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平?？s寫同圖1。

Bars superscripted by different small letters are significantly different between treatments at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

圖4 不同產(chǎn)量層次夏玉米肥料利用效率的差異

圖中不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。縮寫同圖1。

Bars superscripted by different small letters are significantly different between treatments at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

3 討論

在糧食需求迅速增加、農(nóng)業(yè)用地日益緊張的背景下, 增加糧食產(chǎn)量只能依靠提升現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)能力[1,22]。自1949年至2015年, 我國(guó)夏玉米單產(chǎn)由0.96 t hm–2增加到5.89 t hm–2, 增幅達(dá)到了515.54%。另外, 隨著品種及栽培水平的不斷提高, 各地陸續(xù)創(chuàng)造出一系列的高產(chǎn)記錄。2005—2014年, 山東省多地夏玉米高產(chǎn)田塊產(chǎn)量曾突破20 t hm–2[23], 但多年山東省平均產(chǎn)量只有6.36 t hm–2, 不足記錄產(chǎn)量的1/3?？梢? 產(chǎn)量差距已經(jīng)成為解決糧食單產(chǎn)增加的重大阻礙。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 山東省玉米的RT達(dá)到了18.12 t hm–2, 當(dāng)前農(nóng)戶生產(chǎn)僅實(shí)現(xiàn)了53.22%的產(chǎn)量潛力, 仍存在46.78%的產(chǎn)量差距。在眾多生產(chǎn)潛力的研究中, 常把區(qū)域內(nèi)潛在生產(chǎn)力的80%作為當(dāng)前可獲得產(chǎn)量的上限, 另外20%的產(chǎn)量差距在短時(shí)間內(nèi)難以消除, 對(duì)農(nóng)戶生產(chǎn)而言也無利可圖[24-25]。而超高產(chǎn)栽培和高產(chǎn)高效栽培作為今后的必由之路, 縮差效果顯著, 可以縮減產(chǎn)量差距14.91%和10.49%。但由于高溫等惡劣天氣的影響, SH的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于預(yù)估產(chǎn)量。SH僅為RT的68%左右, 這提示我們?nèi)绾稳?yōu)化農(nóng)業(yè)栽培措施來應(yīng)對(duì)不良環(huán)境因子, 同樣是當(dāng)前產(chǎn)量差縮減過程中至關(guān)重要的一環(huán)。

除產(chǎn)量差外, 當(dāng)前不同產(chǎn)量水平之間的肥料利用效率同樣需要提升。一方面是高產(chǎn)高投入, 當(dāng)前高產(chǎn)田的平均氮肥投入為747 kg hm–2, 有的田塊甚至達(dá)到1100 kg hm–2[26], 這在增產(chǎn)的同時(shí)降低資源利用效率, 增大了環(huán)境的壓力[27-28]。另一方面, 小農(nóng)戶生產(chǎn)作為我國(guó)的主要生產(chǎn)模式, 其生產(chǎn)投入和生產(chǎn)水平極易受到糧食價(jià)格和生產(chǎn)資料價(jià)格等社會(huì)因素的影響, 而出現(xiàn)重效益輕效率的現(xiàn)象[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn), SH的N、P、K肥料農(nóng)學(xué)利用率只有3.84、4.64和2.97 kg kg–1, 肥料的當(dāng)季利用率極低。FP生產(chǎn)相對(duì)于SH有較高的N、P、K肥利用率, 但“一次性施肥”的施肥模式加大了肥料資源的損失。該生產(chǎn)模式雖然能有效地減輕勞動(dòng)力投入, 但產(chǎn)量難以保證, 肥料利用率仍有較大的提升空間。因此, 以更低的代價(jià)去獲得更高的產(chǎn)量應(yīng)該得到人們的廣泛認(rèn)可[31]。本研究發(fā)現(xiàn), HH栽培相對(duì)于FP栽培能夠在縮減產(chǎn)量差距10.49%的同時(shí), 提高FP的N、P、K肥農(nóng)學(xué)利用率56.81%、73.15%、13.66%; 能夠在實(shí)現(xiàn)SH產(chǎn)量93.32%的情況下, 提高SH的N、P、K肥農(nóng)學(xué)利用率72.79%、117.66%、89.29%。由此可見, HH栽培是產(chǎn)量與肥料利用效率協(xié)同提升的有效生產(chǎn)方式。

圖5 不同產(chǎn)量層次夏玉米產(chǎn)量與肥料利用效率的關(guān)系

縮寫同圖1。Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

作物的產(chǎn)量差有眾多影響因素。前人研究認(rèn)為, 氣候、品種和栽培措施對(duì)于產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率分別為31.5%、19.8%和45%~70%[32-34]。氣候?qū)儆诓豢煽匾蜃? 在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上, 通過優(yōu)化栽培措施縮減產(chǎn)量差距卻現(xiàn)實(shí)可行[15,35]。趙明等[21]通過產(chǎn)量性能分析研究發(fā)現(xiàn), 在當(dāng)前玉米產(chǎn)量差距縮減過程中, 結(jié)構(gòu)性參數(shù)仍起主導(dǎo)作用, 而功能性參數(shù)將會(huì)在未來產(chǎn)量突破方面起重大作用。李少昆等[36]也指出當(dāng)前適度增密結(jié)合合理的肥水調(diào)控是高產(chǎn)高效生產(chǎn)的有效途徑。本研究發(fā)現(xiàn), 隨著產(chǎn)量水平的提升, 夏玉米地上部生物量和地上部N、P、K吐絲后積累比例呈增大的趨勢(shì)。同時(shí), 在收獲指數(shù)無顯著差異的情況下, SH和HH高產(chǎn)夏玉米群體有較高的平均葉面積指數(shù)、生物量以及收獲穗數(shù)。因此, 著重加強(qiáng)吐絲后的田間管理, 進(jìn)一步提高生育后期的葉面積和物質(zhì)積累是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。而如何穩(wěn)定或提升高產(chǎn)玉米群體的平均凈同化率可能是下一步產(chǎn)量提升的突破口。

4 結(jié)論

當(dāng)前山東省夏玉米平均超高產(chǎn)水平、高產(chǎn)高效水平和農(nóng)戶生產(chǎn)水平的產(chǎn)量為12.27、11.45和9.56 t hm–2, 分別實(shí)現(xiàn)了光溫潛力生產(chǎn)水平的68.13%、63.71%和53.22%。通過優(yōu)化栽培措施, 超高產(chǎn)水平和農(nóng)戶生產(chǎn)水平的N、P、K肥料利用率分別有72.79%、117.66%、89.29%和56.81%、73.15%、13.66%的提升空間。高產(chǎn)高效管理模式能夠在縮小產(chǎn)量差距10.49%的同時(shí)提高肥料利用效率57.65%~ 101.35%, 是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與肥料利用效率協(xié)同提升的有效技術(shù)途徑。在保持功能性參數(shù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不降低的情況下, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)性參數(shù)仍是當(dāng)前產(chǎn)量與資源利用效率協(xié)同提升的有效措施, 且應(yīng)更加注重吐絲后的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。

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Analysis of differences in summer maize yield and fertilizer use efficiency under different cultivation managements

WANG Hong-Zhang, LIU Peng*, JIA Xu-Cun, LI Jing, REN Hao, DONG Shu-Ting, ZHANG Ji-Wang, and ZHAO Bin

College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China

Our study was conducted in Tai’an, Zibo, and Yantai city from 2017 to 2018. According to the production research and experience of high-yield summer maize, three cultivation modes simulating super-high production level (SH), high production and high-efficiency production level (HH), and farmer production level (FP) were comprehensively set up in the same plot. The ferti-lizer blanks were applied with no nitrogen (SHN0, HHN0, FPN0), no phosphorus (SHP0, HHP0, FPP0), and no potassium (SHK0, HHK0, FPK0). Quantitative analysis of the yield gap and fertilizer utilization efficiency gap under different yield levels was carried out to explore the factors affecting yield gap and efficiency gap, and the way to reduce the gap and improve the efficiency. The grain yields of SH, HH, and FP of summer maize in Shandong province were realized 68.13%, 63.71%, and 53.22% of the potential yield of light and temperature. The fertilizer utilization efficiency decreased with the enlarged yield gap. The agronomic utilization rates of N, P and K fertilizers in FP were 4.23, 5.83, and 4.94 kg kg–1, respectively. The N, P, and K fertilizer utilization efficiencies of FP were 4.23, 5.83, and 4.94 kg kg–1, and those of SH were 3.84, 4.64, and 2.97 kg kg–1, respectively. After optimizing the cultivation measures, the high-yield and high-efficiency management mode increased the fertilizer utilization efficiency of N, P, and K by 67.07%, 101.35%, and 57.65%, respectively, and the output by 10.49%, as compared with FP. It is an effective technical way to achieve the synergistic improvement of yield and fertilizer use efficiency. The yield performance analysis of summer maize yields showed that with the increase of yield level, the mean leaf area index and the number of panicles per unit area increased significantly, while the number of kernels per panicle, average net assimilation rate and grain weight decreased. At the same time, with the increase of yield level, the accumulation ratio of biomass and N, P, and K uptake decreased in pre-silking stage, and increased in post-silking stage. Therefore, under the condition of keeping functional parameters unchanged on the existing basis, optimizing structural parameters is an effective measure for current yield and efficiency increase, and with the increase of yield, more attention should be paid to structural optimization in post-silking stage.

summer maize; yield gap; fertilizer utilization

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300106), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31771713, 31371576)和山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(SDAIT02-08)資助。

This study was supported by the National Key R&D Program of China (2016YFD0300106), the National Natural Science Foundation of China (31771713, 31371576), and the Shandong Modern Agricultural Industry Technical System Project (SDAIT02-08).

劉鵬, E-mail: liupengsdau@126.com, Tel: 0538-8281485

王洪章, E-mail: whz3707@163.com

2019-01-22;

2019-05-12;

2019-06-05.

10.3724/SP.J.1006.2019.93002

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190604.1045.004.html