劉 正，高 佳，高 飛，楊今勝，任佰朝，張吉旺*

（1 作物生物學國家重點實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山東泰安 271018；2 山東省玉米育種與栽培技術(shù)重點實驗室/山東登海種業(yè)股份有限公司，山東萊州 261448）

黃淮海平原面積30 萬公頃，占全國總耕地面積的六分之一，糧食產(chǎn)量全國占比超過三分之一[1]。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是黃淮海區(qū)域主要的糧食種植模式，對保障國家糧食安全具有重要意義[2-3]。傳統(tǒng)栽培模式存在的諸多問題，如種植密度低、玉米收獲早、施肥量和施肥時期不合理等，不利于作物生產(chǎn)潛力發(fā)揮，阻礙糧食增產(chǎn)[4-5]。因此，建立合理的栽培管理模式有助于提高作物產(chǎn)量，減少資源消耗和保護生態(tài)環(huán)境安全。氮元素 (N) 參與玉米器官建成和光合作用等生理過程，是重要的產(chǎn)量限制因子[6-8]。磷元素 (P) 是核酸、磷脂和ATP 等的合成原料，參與細胞分裂、能量代謝和信號轉(zhuǎn)導等生理過程[9]。鉀元素 (K) 參與酶激活、蛋白質(zhì)合成和逆境防御等生理過程[10-11]。生產(chǎn)中存在的種種問題限制了產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的進一步提高。一方面，施肥量遠超作物需求和土地承載能力，其中又以過量施氮最為嚴重和突出。黃淮海夏玉米季平均施氮量為458 kg/hm2，遠超180～210 kg/hm2的推薦用量。長期過量施氮導致土壤氮庫飽和、氮肥損失增加，威脅生態(tài)環(huán)境安全[12-14]。與之相反，在生產(chǎn)中鉀肥沒有得到足夠的重視。雖然土壤中全鉀含量較高，但是能被作物直接吸收利用的有效鉀含量較低，高強度的復種連作大量消耗土壤有效鉀，若不能及時補充，將影響作物的抗倒伏能力和籽粒品質(zhì)[15]。另一方面，施肥時期與作物養(yǎng)分需求規(guī)律不符。拔節(jié)期一次性施肥、沒有底肥和追肥的施肥方式導致夏玉米生育后期脫肥，影響籽粒灌漿和粒重增長[16-17]。因為磷元素在土壤中極易被固定，移動性差，所以生育前期一次性施用磷肥導致其利用率低。另外，土壤類型和施肥位置等也顯著影響磷肥吸收、利用[9,18-20]。為解決上述問題，本研究設置了代表不同生產(chǎn)水平、循序漸進的四種綜合農(nóng)藝管理栽培模式 (integrated agronomic practices management，IAPM)。優(yōu)化模式在當?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)種植模式的基礎上，分析并解決產(chǎn)量限制因子，縮小產(chǎn)量差，實現(xiàn)產(chǎn)量與效率的初步提高；超高產(chǎn)模式以犧牲效率為代價，挖掘產(chǎn)量潛力，實現(xiàn)當?shù)刈罡弋a(chǎn)量[21]；再優(yōu)化模式進一步解決了產(chǎn)量限制因子，較傳統(tǒng)種植模式實現(xiàn)了產(chǎn)量與效率進一步提高。耕作和秸稈還田方式的改變適應當?shù)貧夂驐l件變化和機械化作業(yè)發(fā)展[1-2,22]。當?shù)叵挠衩追N植密度普遍較低，難以充分發(fā)揮雨熱同期的氣候優(yōu)勢。因此，增加種植密度，構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，是挖掘產(chǎn)量潛力的有效途徑[23]。前期研究表明，大量施肥不利于玉米根系下扎[7]，也不利于作物吸收、利用土壤自身的營養(yǎng)元素[9-10,15]。本研究依據(jù)作物需肥規(guī)律和養(yǎng)分臨界期確定施肥時期；依據(jù)土壤養(yǎng)分含量和目標產(chǎn)量確定施肥量，并根據(jù)前期試驗做進一步調(diào)整，以減少作物奢侈吸收和肥料損失，協(xié)同提高產(chǎn)量和效率[8,12,21,24]。通過增加種植密度、減量分次施氮、推遲玉米收獲和小麥播種等措施，再優(yōu)化模式促進了夏玉米的光合作用[12,14,16]和干物質(zhì)積累[6-7]，降低了土壤硝態(tài)氮冗余[17]，提高了產(chǎn)量和氮素利用效率[13]。前期研究多關(guān)注夏玉米產(chǎn)量和氮素利用效率方面，對磷、鉀元素利用的思考與研究較少。本文旨在探索綜合農(nóng)藝管理對夏玉米氮、磷、鉀積累與利用的影響，并為夏玉米養(yǎng)分管理提供理論指導和科學依據(jù)，以最小的環(huán)境代價實現(xiàn)夏玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013—2017 年在作物生物學國家重點實驗室和泰安市岱岳區(qū)大汶口試驗田進行。試驗區(qū)域土壤類型為棕壤，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候。播前0—30 cm 深度土壤養(yǎng)分含量如下:有機質(zhì)12.6 g/kg、全氮0.83 g/kg、有效磷(P2O5) 19.6 mg/kg、速效鉀 (K2O) 125.7 mg/kg。2013—2017 年夏玉米生長季 (6～9 月) 生長度日為 (1843 ± 37)℃，降水量為 (468 ± 122) mm。

試驗材料為玉米雜交種鄭單958，隨機區(qū)組設計，四次重復。設置4 個處理，常規(guī)對照采用秸稈覆蓋，免耕 (CK)；優(yōu)化模式 (Opt-1)，在CK 基礎上，增加種植密度，延遲收獲，減少施氮量并增加施肥次數(shù)；最高產(chǎn)量管理模式 (HY)；再優(yōu)化模式(Opt-2)，在HY 基礎上，降低種植密度和施氮量，以期實現(xiàn)產(chǎn)量效率協(xié)同提高。后三個處理的耕作方式均為秸稈還田，淺旋耕 (表1)。每個小區(qū)面積為240 m2(6 m × 40 m)，每組間隔1 m，總面積為3912 m2(24 m × 163 m)。玉米行間距為0.6 m，每個小區(qū)包含10 行玉米。開溝施肥，深度為5 cm。播前灌水80 mm，足墑播種。試驗期間無明顯病蟲草害。

1.2 取樣與測定指標

在抽雄 (VT) 和成熟期 (R6)，從每個小區(qū)隨機取樣5 株，成熟期樣品分為秸稈 (包括莖、葉、穗軸等) 和籽粒。樣品烘干至恒重，稱重；粉碎后過2 mm 篩，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，使用AA3 連續(xù)流動分析儀測定全氮和全磷濃度；使用火焰光度計測定全鉀濃度[19]。成熟期調(diào)查小區(qū)果穗數(shù)，計算單位面積穗數(shù)；在各小區(qū)中間三行連續(xù)收取30 個果穗，三次重復，用于計算夏玉米千粒重和產(chǎn)量。計算下列指標以衡量夏玉米養(yǎng)分利用效率[20]。

產(chǎn)量 (kg/hm2) = 單位面積穗數(shù) × 穗粒數(shù) × 千粒重/ 106

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率 (%) = (抽雄期干物質(zhì)重-成熟期秸稈干物質(zhì)重)/ 抽雄期干物質(zhì)重 × 100

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運貢獻率 (%) = (抽雄期干物質(zhì)重-成熟期秸稈干物質(zhì)重)/籽粒重 × 100

花后積累量 (kg/hm2) = 籽粒重-(抽雄期干物質(zhì)重-成熟期秸稈干物質(zhì)重)

籽粒中氮 (磷、鉀) 含量 (kg/hm2) = 氮 (磷、鉀)濃度 × 產(chǎn)量 × 10-3

表 1 不同處理的栽培管理及施肥策略Table 1 Cultivation managements and fertilizer strategies for different treatments

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 產(chǎn)量/施肥量

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)以平均值 ± 標準差表示。使用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理和作圖，使用SPSS17.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析。利用雙因素重復測量方差分析模型 (年份 ×處理)，檢驗各指標的差異顯著性，均值多重比較采用Duncan 法，置信水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 假設檢驗及方差分析

表2 表明，所有指標均通過正態(tài)分布和球形檢驗，適用于雙因素重復測量方差分析模型。所有指標的處理間差異均達到顯著水平。受年際氣象條件變化影響，產(chǎn)量和抽雄期干物質(zhì)重等八項指標存在顯著的年際差異，其他四項指標年際變化不顯著。所有指標的年份與處理交互效應 (年份 × 處理) 不顯著，即五年試驗處理間的差異趨勢一致，且穩(wěn)定。

2.2 產(chǎn)量

2013—2017 年期間，4 個處理間產(chǎn)量差異均達到顯著水平，由高到低為HY ＞ Opt-2 ＞ Opt-1 ＞ CK(P ＜0.05，圖1)。Opt-2 處理的夏玉米產(chǎn)量比CK 高27.6%～37.9%，比Opt-1 處理高19.2%～31.9%，顯示了再優(yōu)化處理進一步提高產(chǎn)量的效果。

2.3 干物質(zhì)重

抽雄期處理間干物質(zhì)重存在顯著差異，高低變化與產(chǎn)量相同 (圖2)。HY 處理的干物質(zhì)重顯著高于其他處理，Opt-2 處理分別比CK 和Opt-1 處理高22.8%～25.0%和13.2%～20.3%。

2.4 花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運與分配

由表3 可知，處理間干物質(zhì)分配和轉(zhuǎn)運特性存在顯著差異。Opt-1、HY 和Opt-2 處理的花后干物質(zhì)運轉(zhuǎn)效率 (DTE) 分別較CK 平均提高了14.4%、13.7%和5.8%，Opt-1 和HY 兩處理間無顯著差異，但二者均顯著高于Opt-2?；ê蟾晌镔|(zhì)運轉(zhuǎn)對產(chǎn)量的貢獻率 (DTC) 與運轉(zhuǎn)效率一致，Opt-1 和HY 處理最高，其平均DTC 較CK 和Opt-2 處理增加了15.8～19.1%?；ê蟾晌镔|(zhì)積累量 (DA) 則以HY 和Opt-2 處理顯著高于CK 和Opt-1，提高幅度為28.7%～36.8% (P ＜ 0.05)。

2.5 籽粒氮、磷、鉀積累量

Opt-2 處理的籽粒氮、磷、鉀積累量分別為146.0～171.4 kg/hm2、75.6～92.7 kg/hm2和40.0～43.8 kg/hm2。總的來看，Opt-2 處理籽粒氮積累量顯著低于HY 處理，高于Opt-1 處理和CK，分別比CK 和Opt-1 處理高20.5%～68.4%和12.5%～29.2%，比HY 處理低13.2%～19.0%。Opt-2 處理籽粒磷積累量顯著高于其他三個處理。Opt-2 處理籽粒鉀積累量基本與HY 處理相當，但分別比CK 和Opt-1 處理高38.4%～58.9%和16.3%～32.6% (圖3)。

表 2 假設檢驗及方差分析Table 2 Hypothesis test and analysis of variance

圖 1 2013—2017 年夏玉米籽粒產(chǎn)量Fig. 1 Grain yield of summer maize in the period from 2013 to 2017

圖 2 2013—2017 年抽雄期夏玉米干物質(zhì)積累量Fig. 2 Dry matter weight of summer maize at tasseling stage in 2013-2017

表 3 各處理夏玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率、貢獻率和花后積累量Table 3 Dry matter translocation efficiency and its contribution and dry matter accumulation after tasseling of summer maize in each treatment

2.6 氮、磷和鉀肥偏生產(chǎn)力

Opt-1 和Opt-2 處理氮、磷肥偏生產(chǎn)力相當，Opt-2 處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別比CK 和HY 處理高62.0% 和125.2%。鉀肥偏生產(chǎn)力以Opt-1 處理和CK 處理最高，Opt-2 處理的也顯著高于HY 處理(表4)。表明再優(yōu)化處理顯著提高了氮磷肥效率，鉀肥偏生產(chǎn)力雖然不如常規(guī)和優(yōu)化處理，但是綜合考慮鉀的養(yǎng)分功能，增加鉀的吸收是保證高產(chǎn)必需的。

3 討論

圖 3 2013—2017 年成熟期夏玉米籽粒氮、磷和鉀積累量Fig. 3 Nitrogen, phosphorus and potassium accumulation in grain of summer maize at physiological maturity stage in 2013-2017

足量的群體是實現(xiàn)產(chǎn)量提高的基礎。然而，過高的密度也會帶來冠層郁閉、個體競爭加劇、群體整齊度降低和倒伏風險提高等問題[5-6,22]，限制產(chǎn)量潛力的釋放。解決上述問題的途徑除了培育新品種以優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)外，施肥量及施肥時期也是有效的栽培措施[13-14,16-17,23]。適當增加施肥量、調(diào)整施肥時期也能有效地緩解個體競爭，提高群體整齊度，進而實現(xiàn)高產(chǎn)[14]。本試驗中，優(yōu)化、超高產(chǎn)和再優(yōu)化管理模式的夏玉米種植密度分別較傳統(tǒng)種植模式 (6 ×104/hm2) 提高了12.5%、45.0%和25.0%，超高產(chǎn)模式氮、磷和鉀肥施用量分別較傳統(tǒng)種植模式提高了100.0%、233.3% 和300.0%；優(yōu)化模式減少了28.7% 施氮量；再優(yōu)化模式減少了18.0% 的施氮量，增加了22.2%的磷肥和73.3%鉀肥。對照只施一次肥，即所有肥料在拔節(jié)期“一炮轟”。優(yōu)化模式肥料分兩次施用，氮肥播前∶拔節(jié)期占比3∶7。再優(yōu)化模式肥料分三次施用，氮肥播前∶拔節(jié)期∶抽雄期占比2∶5∶3，以滿足夏玉米各生育階段的養(yǎng)分需求。依據(jù)供試地區(qū)氣候條件，優(yōu)化后的耕作措施改變了當?shù)剞r(nóng)民普遍早收夏玉米的習慣，優(yōu)化、超高產(chǎn)和再優(yōu)化模式較傳統(tǒng)種植模式推遲夏玉米收獲10～15 天，充分利用九月下旬和十月初豐沛的光熱資源，促使干物質(zhì)再分配和籽粒脫水。研究表明，當?shù)叵挠衩资斋@時間從9 月20 日推遲6 至10 天，產(chǎn)量提高14.1%～19.8%，氮素利用效率提高4.2%～6.4%[22]。因此，適當晚收夏玉米可以簡單有效地提高作物產(chǎn)量和效率，同時不影響下茬冬小麥的生長。從試驗結(jié)果看，再優(yōu)化模式與一般優(yōu)化管理和常規(guī)管理相比，顯著提高了抽雄期玉米干物質(zhì)積累量和收獲期籽粒產(chǎn)量；從干物質(zhì)和養(yǎng)分的運轉(zhuǎn)效率及對籽粒的貢獻率結(jié)果看，顯著增加了抽雄期花后干物質(zhì)的積累，但是其花前干物質(zhì)向子粒的轉(zhuǎn)移率顯著低于優(yōu)化處理，籽粒的貢獻率也與優(yōu)化處理持平；從氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力結(jié)果看，再優(yōu)化處理降低了氮磷鉀肥的偏生產(chǎn)力，但是顯著提高了玉米的籽粒和秸稈產(chǎn)量。綜合考慮糧食產(chǎn)量、肥料施用量和追肥人工成本[13]，再優(yōu)化模式提高了經(jīng)濟效益。

干物質(zhì)積累量，尤其是花后干物質(zhì)積累量是實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎[21]。前人研究認為，高產(chǎn)夏玉米的花后干物質(zhì)積累量占全生育期的50%～60%[24]。籽粒灌漿來自開花前積累的營養(yǎng)物質(zhì)再轉(zhuǎn)運和開花后新同化的營養(yǎng)物質(zhì)[16-17]。因此，實現(xiàn)夏玉米高產(chǎn)，不僅要增加干物質(zhì)積累量，還要促進營養(yǎng)器官中積累的養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運再分配，提高收獲指數(shù)。本研究中，超高產(chǎn)模式的抽雄和成熟期干物質(zhì)積累量分別較其他處理增加了9.2%～35.1%和5.9%～36.5%，進而實現(xiàn)最大產(chǎn)量；各處理的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量具有同步性，變化規(guī)律一致，與前人研究結(jié)果相符[21]。在干物質(zhì)轉(zhuǎn)運和分配方面，再優(yōu)化模式的轉(zhuǎn)運效率和花后積累量較傳統(tǒng)種植模式顯著提高，但是其轉(zhuǎn)運效率和貢獻率卻顯著低于初優(yōu)化和超高產(chǎn)模式。這表明再優(yōu)化模式雖然實現(xiàn)了產(chǎn)量提高，但是其成熟期仍有較多的光合同化產(chǎn)物滯留在莖葉等營養(yǎng)器官中，該模式有進一步提高產(chǎn)量的潛力。當然，考慮到品種固有特性的限制，這部分產(chǎn)量潛力的釋放也需要品種更迭的幫助[25]。氮肥是夏玉米生產(chǎn)的主要養(yǎng)分限制因子，其具有較強的移動性[26-27]。磷是一種移動性差、易被固定的營養(yǎng)元素，施入土壤的磷肥易形成微溶性的磷酸鹽，作物根系生長和活性對磷肥利用效率有顯著影響[28-29]。土壤中速效鉀含量較低，黃淮海區(qū)域一年兩熟種植模式對土壤速效鉀的消耗量較大，加之當?shù)剞r(nóng)戶對鉀肥重視程度低于氮、磷肥，鉀元素可能在未來成為該區(qū)域的生產(chǎn)限制因子[30]。不合理的肥料運籌無法滿足作物生長發(fā)育的養(yǎng)分需求，還可能造成土壤養(yǎng)分耗竭或冗余，進而限制生產(chǎn)潛力發(fā)揮[13]。傳統(tǒng)種植模式在玉米拔節(jié)期一次性施肥，易導致作物生育后期脫肥。得益于更高的施肥量和施肥頻次，尤其是花粒期追肥，超高產(chǎn)模式的籽粒氮素積累量較其他處理提高了6.0%～53.8%。初優(yōu)化和再優(yōu)化模式降低了施氮量，減少奢侈吸收，分次施氮滿足玉米階段養(yǎng)分需求，顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力。與氮素積累、利用相比，磷元素表現(xiàn)出不同的規(guī)律。再優(yōu)化模式的施磷量僅為超高產(chǎn)模式的1/3，但是其籽粒磷素積累量達到了后者的2 倍，相應地，其磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于傳統(tǒng)種植和超高產(chǎn)模式。再優(yōu)化模式以超高產(chǎn)模式1/2 的施鉀量實現(xiàn)了相似的籽粒鉀素積累量，但是其鉀肥偏生產(chǎn)力顯著低于傳統(tǒng)種植和初優(yōu)化模式。兩個方面限制了再優(yōu)化模式的鉀素利用效率:第一，施鉀量增加(+73%) 與有限的根系吸收能力[6,21,30]；第二，籽粒中積累的鉀元素在相當程度上依賴營養(yǎng)器官中鉀元素的活化和再分配[21,30]，而其較低的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率(27.0%～34.3%) 和貢獻率 (19.1%～27.6%) 在一定程度上阻滯了轉(zhuǎn)運。受氣象等因素影響，2014 年再優(yōu)化模式籽粒鉀素積累量顯著高于超高產(chǎn)模式，但是，綜合考慮五年試驗及方差分析結(jié)果，兩者在更長時間跨度內(nèi)無顯著差異。另外，超高產(chǎn)模式在實現(xiàn)高產(chǎn)的同時并沒有等比例地提高磷和鉀元素的吸收積累，造成了籽粒中磷和鉀元素稀釋，從一個側(cè)面表明了夏玉米籽粒品質(zhì)的降低。前人在小麥和水稻等作物上也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律，即，隨作物收獲器官重量的提高，其元素或化合物濃度出現(xiàn)不同程度的降低[31-33]。

表 4 不同農(nóng)藝管理下夏玉米氮、磷和鉀肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg)Table 4 Partial factor production of NPK fertilizers of summer maize in IAPM different treatments

最后，再優(yōu)化模式在夏玉米產(chǎn)量、氮和磷養(yǎng)分利用效率上有較為優(yōu)異的表現(xiàn)，但其仍存在花后養(yǎng)分轉(zhuǎn)運阻滯和鉀肥利用率低等問題。我們將在已有結(jié)果的基礎上，嘗試增加種植密度、輪作方式和使用新型肥料 (如菌肥、緩控釋肥等) 等措施繼續(xù)優(yōu)化該模式，以期進一步提高夏玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。

4 結(jié)論

在播期和收獲期不變的前提下，再優(yōu)化模式通過適當增加種植密度和肥料用量，增加一次追肥措施，進一步顯著增加了夏玉米整個生育期干物質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分積累量，特別是提高了花后干物質(zhì)積累量，實現(xiàn)了產(chǎn)量和肥料效率的協(xié)同提高。與常規(guī)對照模式相比，再優(yōu)化模式減氮18.0%，增產(chǎn)27.6%～37.9%，氮、磷肥效率提高47.5%～67.6%；再優(yōu)化模式相比優(yōu)化模式增產(chǎn)19.2%～31.9%。