黃淮海區域現代夏玉米品種產量與養分吸收規律

程 乙 劉 鵬,* 劉玉文 龐尚水 董樹亭 張吉旺 趙 斌 任佰朝

黃淮海區域現代夏玉米品種產量與養分吸收規律

程 乙1劉 鵬1,*劉玉文2龐尚水3董樹亭1張吉旺1趙 斌1任佰朝1

1作物生物學國家重點實驗室 / 山東農業大學農學院, 山東泰安 271018;2商河縣農業局, 山東濟南 251600;3濟南新綠洲農業發展有限公司, 山東濟南 251619

為玉米合理施肥, 實現高產高效提供理論依據, 2016年在濟南商河國家農作物新品種展示示范中心和山東農業大學作物生物學國家重點實驗室進行試驗, 于玉米完熟期進行植株取樣, 測定產量、產量構成因素和植株礦質元素含量, 探究黃淮海區域現代夏玉米品種的產量與養分吸收規律。探測分析和正態分布檢測結果表明單株生產力、單株生物產量、千粒重和籽粒產量分別符合正態分布N (167.0, 22.722)、N (285.0, 33.472)、N (318.0, 35.752)和N (10.9, 1.502), 其變化范圍為141.55~246.99 g 株–1、197.68~389.92 g 株–1、226.58~413.76 g和5.84~13.41 t hm–2。每生產100 kg籽粒氮素需求量平均為1.95 kg, 單位籽粒氮素需求量隨籽粒產量提高呈降低趨勢。當產量水平由<7.0 t hm–2增加到8.0~9.0 t hm–2時, 每生產100 kg籽粒氮素需求量從2.15 kg降低到1.96 kg, 主要是收獲指數升高和籽粒氮濃度降低造成的; 當產量水平由8.0~9.0 t hm–2增加到10.0~11.0 t hm–2時, 每生產100 kg籽粒氮素需求量從1.96 kg降低到1.84 kg, 主要是籽粒氮濃度降低造成的; 當產量水平由10.0~11.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2時, 單位籽粒氮素需求量基本不再變化。生產100 kg玉米籽粒的磷素需求量平均為0.97 kg, 其與籽粒產量呈顯著負相關, 從產量水平<7.0 t hm–2的1.07 kg下降到產量水平>11.0 t hm–2的0.92 kg, 這是由收獲指數升高和籽粒磷濃度降低造成的。生產100 kg玉米籽粒鉀素需求量平均為1.89 kg, 其與籽粒產量呈顯著負相關, 從產量水平<7.0 t hm–2的2.14 kg下降到產量水平>11.0 t hm–2的1.74 kg, 這是由收獲指數升高、莖稈鉀濃度增加和葉片鉀濃度降低造成的。當前黃淮海區域現代玉米品種籽粒產量為(8.91±1.23) t hm–2, 生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量的變化范圍分別為(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。氮磷鉀需求量隨產量的提高而增加, 但每生產100 kg籽粒產量的氮素、磷素和鉀素需求量隨著產量升高而下降。

黃淮海區域; 玉米; 產量水平; 籽粒產量; 養分吸收

氮、磷、鉀是植物生長必需的大量元素, 提高作物氮、磷、鉀肥利用效率可降低肥料用量、減少生產成本。在我國糧食生產中, 為了提高作物產量滿足日益增長的糧食需求, 增施肥料已成為重要措施; 但大量施用化肥、不合理施肥現象相當普遍[1-2]。不合理施肥導致養分利用效率降低[1], 不僅造成生產成本增加和資源浪費, 還導致溫室氣體排放增加、地下水污染和湖泊、海洋富營養化, 給生態環境帶來了巨大的壓力[3-5]。如何在耕地資源緊張的剛性條件下協同提高籽粒產量與肥料利用效率, 降低糧食生產帶來的溫室氣體排放、面源污染等負面效應, 實現高產與高效協同成為當前國內外關注的重大問題[1,3,6]。

玉米是我國第一大糧食作物, 對保障糧食安全具有重要作用。自1950年至今, 我國玉米經歷了從傳統農家種到雙交種再到單交種的3個發展階段[7]; 從1985年到2012年, 我國玉米種植面積增長97%, 產量增加2.2倍, 成為我國總產增長最快的農作物[8]。玉米品種遺傳改良及肥料投入是玉米增產因子中最重要的因素[9]。玉米養分積累與分配規律是科學施肥的重要理論依據, 研究玉米養分吸收利用特性, 依據玉米需肥特性合理施肥, 對提高產量和肥料利用率、降低面源污染具有重要意義。前人從品種演替角度對不同品種的產量性狀[10-11]、形態特征[12-13]、生理特性[14-15]、抗逆性[16-17]等方面做過較系統的研究。本試驗對當前我國黃淮海區域近年來審定或將要審定的390個玉米品種, 通過在其適宜種植密度發揮各品種生產潛力的條件下, 研究產量性狀和養分吸收利用的關系, 旨在探明玉米品種的產量和養分利用分布狀況, 以期為玉米高產高效品種選育和科學施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2016年在濟南商河國家農作物新品種展示示范中心和山東農業大學作物生物學國家重點實驗室, 選用我國黃淮海區域近年來審定或將要審定的390個玉米品種(附表1), 6月10日播種, 9月30日收獲。采用各品種適宜的種植密度在同一高肥力地塊上種植, 生育期間有效積溫為1804.0℃, 降雨量為812.7 mm。播種前0~20 cm土層含有機質15.76 g kg–1、全氮1.52 g kg–1、堿解氮95.26 mg kg–1、速效磷22.30 mg kg–1、速效鉀115.26 mg kg–1。播種前統一基施復合肥料(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 300 kg hm–2, 小喇叭口期追施尿素150 kg hm–2, 大喇叭口期追施尿素150 kg hm–2。生長期間給予良好水分管理和田間病蟲害防治, 以充分發揮品種的生產潛力。小區面積6 m × 10 m, 品種隨機排列, 3次重復。

1.2 測定方法

玉米籽粒完熟期(籽粒乳線消失、基部出現黑層), 在每個小區中心位置收獲9 m2范圍內的全部果穗, 測定單位面積穗數、穗粒數和千粒重, 最終折算為14%含水量時的籽粒產量。每處理取9株, 按照莖稈(含雄穗和穗軸)、葉片(含苞葉)、籽粒分成3個部分, 于105℃殺青30 min后, 在80℃的烘箱中烘至恒重, 分別稱重、測定各部分干重, 計算單株干物質積累量和籽粒產量。將烘干樣品粉粹后過60號篩, 用于測定養分含量。采用濃H2SO4-H2O2消煮, 采用BRAN＋LUEBBE III型(德國)連續流動分析儀測定全氮和全磷含量, Sherwood M410型火焰光度計測定全鉀含量。

1.3 計算方法

收獲指數(%) = 籽粒產量/地上部生物量×100

氮素(磷素或鉀素)籽粒生產效率(kg kg–1) = 籽粒產量/地上部整株氮素(磷素或鉀素)積累總量

氮素(磷素或鉀素)收獲指數(%) = 單株籽粒氮素(磷素或鉀素)積累量/地上部整株氮素(磷素或鉀素)積累總量×100

采用SPSS 18.0 for Windows進行試驗數據計算處理和相關分析。

2 結果與分析

2.1 產量及相關性狀

利用SPSS 18.0 for Windows探測分析(Explore)功能考察390個玉米品種的單株籽粒產量、單株生物產量、千粒重和籽粒產量的分布特征, 探測過程形成的箱圖(Boxplots)見圖1, 經Kolmogorov-Smirnov正態分布測試檢測和產量相關指標的觀測, 其與預期積累分布之間無顯著差異, 均符合正態分布(圖2)。

390個玉米品種單株籽粒產量符合正態分布N (167.0, 22.722)(圖1-a, 圖2-a), 出現2個極高奇異值(金來98, 246.99 g 株–1和丹玉405, 231.53 g 株–1), 偏度(Skewness)為0.150±0.124, 峰度(Kurtosis)為0.006±0.247, 最小值為141.55 g株–1, 最大值為246.99 g株–1, 平均單株生產力為(167.02±22.72) g株–1, 變異系數(CV)為0.14。95%置信區間內平均單株籽粒產量為164.76~169.28 g 株–1。

單株生物量符合正態分布N (285.0, 33.472)(圖1-b, 圖2-b), 出現2個極高奇異值(泉玉217, 389.92 g 株–1和丹玉405, 376.70 g株–1), 偏度為0.198±0.124,峰度為?0.136±0.247, 最小值為197.68 g株–1, 最大值為389.92 g 株–1, 平均單株生物量為(285.04±33.47)g 株–1, 變異系數(CV)為0.12。95%置信區間內平均單株生物量為281.71~288.38 g 株–1。

千粒重符合正態分布N (318.0, 35.752)(圖1-c, 圖2-c), 偏度為0.056±0.124, 峰度為0.162±0.247, 最小值為226.58 g, 最大值為413.76 g, 平均千粒重為(317.97±35.75) g,變異系數(CV)為0.11。95%置信區間內平均千粒重為314.41~321.53 g。

圖1 產量相關性狀分布的探測分析箱圖

圖2 產量相關性狀的頻數分布與正態分布曲線

籽粒產量符合正態分布N (8.9, 1.232)(圖1-d, 圖2-d), 出現1個極高奇異值(明科玉2號, 13.41 t hm–2),偏度(Skewness)為0.162±0.124, 峰度(Kurtosis)為?0.034±0.247, 最小值為5.84 t hm–2, 最大值為13.41 t hm–2, 平均籽粒產量為(8.91±1.23) t hm–2, 變異系數(CV)為0.14。95%置信區間內平均籽粒產量為8.79~9.03 t hm–2。

為了進一步明確氮、磷、鉀養分吸收與產量的關系, 將390個品種根據籽粒產量水平劃分為<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2六類(表1)。其中產量范圍<7.0 t hm–2的樣本量為20, 平均產量為(6.52±0.35) t hm–2; 產量范圍7.0~8.0 t hm–2的樣本量為74, 平均產量為(7.56±0.28) t hm–2; 產量范圍8.0~9.0 t hm–2的樣本量為117, 平均產量為(8.54±0.28) t hm–2; 產量范圍9.0~10.0 t hm–2的樣本量為105, 平均產量為(9.47±0.28) t hm–2; 產量范圍10.0~11.0 t hm–2的樣本量為53, 平均產量為(10.41±0.28) t hm–2; 產量范圍>11.0 t hm–2的樣本量為21, 平均產量為(11.47±0.54) t hm–2。生物量平均為(18.58±2.21) t hm–2, 各產量水平下生物量平均分別為14.84、16.50、17.96、19.38、20.89和22.41 t hm–2; 收獲指數平均為(54.09±3.60)%, 各產量水平下收獲指數平均分別為49.86%、51.92%、53.80%、55.08%、56.06%和57.48%, 生物量和收獲指數隨產量的提高而顯著增加, 相關系數分別為0.855和0.508 (<0.01,圖3, 表2)。

表1 不同產量水平下的產量數據分布

圖3 不同產量水平夏玉米品種的收獲期生物量和收獲指數變化

圖中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表2 產量相關性狀與氮素吸收相關參數的相關系數

**相關性在0.01水平上顯著(雙側)。*相關性在0.05概率水平上顯著(雙側)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

2.2 夏玉米礦質元素吸收利用規律

2.2.1 夏玉米氮素需求特征 籽粒產量與地上部吸氮量呈顯著正相關, 相關系數達0.622 (<0.01, 圖4-a, 表3)。每生產100 kg玉米籽粒氮素需求量平均為(1.95±0.24) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~ 10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2產量水平下籽粒氮素需求量平均分別為2.15、2.09、1.96、1.88、1.84和1.80 kg (圖4-b), 每生產100 kg籽粒氮素需求量與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.402 (<0.01, 表3)。氮素籽粒生產效率平均為(52.19±6.51) kg kg–1, 各產量水平下平均氮素籽粒生產效率分別為47.09、48.51、51.91、53.82、55.05和56.14 kg kg–1, 隨著產量水平的提高而增加(圖5-a), 而氮收獲指數平均為(58.35±4.27)%, 各產量水平下平均氮收獲指數分別為55.84%、56.99%、58.61%、58.79%、58.74%和60.81% (圖5-b)。莖稈和葉片氮濃度在產量水平<7.0 t hm–2時分別為5.58 g kg–1和9.43g kg–1左右, 產量水平>7.0 t hm–2時則在5.95 g kg–1和11.86 g kg–1左右; 籽粒氮濃度平均為(9.66±1.16) g kg–1, 各產量水平的平均籽粒氮濃度分別為10.12、10.03、9.76、9.45、9.26和9.43 g kg–1(表3), 籽粒氮濃度與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.235 (<0.01, 表3)。

圖4 籽粒產量與地上部吸氮量的關系和各產量水平下單位籽粒氮素需求量

圖a中實線表示擬合曲線, 虛線表示95%預測區間,**顯著性為<0.01; 圖b中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction range (=0.95),**significant at< 0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表3 夏玉米各產量水平下的植株莖稈、葉片和籽粒氮濃度

圖5 各產量水平下的氮素籽粒生產率和氮素收獲指數

圖中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

夏玉米每生產100 kg籽粒的氮素需求量隨著產量水平提高而降低的趨勢可分為3個階段。第一階段為從籽粒產量水平由<7.0 t hm–2增加到8.0~ 9.0 t hm–2, 籽粒產量提升是地上部生物量和收獲指數共同提高的結果。在此階段, 產量由6.52 t hm–2增加到8.54 t hm–2提高了31.05%, 而地上部生物量從14.84 t hm–2增加到17.96 t hm–2提高了20.96%, 收獲指數則從49.86%增加到53.80%提高了7.90%。由于收獲指數的增加, 同時籽粒氮濃度從10.12 g kg–1降低到9.76 g kg–1, 導致每生產100 kg籽粒氮素需求量從2.15 kg降低到1.96 kg。第二階段為產量水平從8.0~9.0 t hm–2增加到10.0~11.0 t hm–2, 該階段地上部生物量由17.96 t hm–2提高到20.89 t hm–2, 提高幅度為16.35%, 而收獲指數變化較小, 從53.80%增加到56.06%僅僅提高了4.20%, 籽粒產量的提升主要是由于地上部生物量的提高。籽粒氮濃度從9.76 g kg–1降低到9.26 g kg–1, 導致每生產100 kg籽粒氮素需求量從1.96 kg降低到1.84 kg。第三階段為產量水平從10.0~11.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2, 籽粒產量的提升主要是由于地上部生物量的提高, 而收獲指數不變。由于籽粒氮濃度變化不大, 單位籽粒氮素需求量無顯著變化。說明夏玉米地上部吸氮量隨著產量水平的升高而升高, 但每生產100 kg籽粒氮素需求量隨著產量水平的升高而降低, 這主要是由收獲指數的增加和籽粒氮濃度的降低引起的。

2.2.2 夏玉米磷素需求特征 籽粒產量與地上部吸磷量呈顯著正相關, 相關系數達0.667 (<0.01, 圖6-a, 表4)。每生產100 kg玉米籽粒磷素需求量平均為(0.97±0.11) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2產量水平下籽粒磷素需求量平均分別為1.07、1.04、0.97、0.94、0.92和0.92 kg (圖6-b), 每生產100 kg籽粒磷素需求量與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.396 (<0.01, 表4)。磷素籽粒生產效率平均為(104.35± 11.77) kg kg–1, 各產量水平下平均磷素籽粒生產效率分別為94.63、97.44、104.20、107.46、109.76和109.66 kg kg–1, 而各產量水平下平均磷收獲指數分別為51.53%、53.77%、55.02%、55.98%、57.44%和58.12%, 二者均隨著產量水平的提高而提高(圖7)。莖稈、葉片、籽粒磷濃度在不同產量水平下變化幅度較小, 分別為(3.96±0.47)、(4.62±0.57)、(4.57±0.49) g kg–1(表5), 其中籽粒磷濃度與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.120 (<0.05, 表4)。可見, 夏玉米地上部吸磷量隨著產量水平的升高而升高, 但是每生產100 kg籽粒磷素需求量隨著產量水平的升高而降低, 造成這一結果的主要原因是收獲指數的增加和籽粒磷濃度的降低。

圖6 籽粒產量與地上部吸磷量的關系和各產量水平下單位籽粒磷素需求量

圖a中實線表示擬合曲線, 虛線表示95%預測區間,**顯著性為<0.01; 圖b中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction band (= 0.95),**significant at< 0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表4 產量相關性狀與磷素吸收相關參數的相關系數

**相關性在0.01水平上顯著(雙側)。*相關性在0.05水平上顯著(雙側)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

表5 夏玉米各產量水平下的植株莖稈、葉片和籽粒磷濃度

(續表5)

圖7 各產量水平下的磷素籽粒生產率和磷素收獲指數

圖中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

2.2.3 夏玉米鉀素需求特征 籽粒產量與地上部需鉀量呈顯著正相關, 相關系數達0.504 (<0.01, 圖8-a, 表6)。每生產100 kg玉米籽粒鉀素需求量平均為(1.89±0.28) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~ 10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2產量水平下籽粒鉀素需求量平均分別為2.14、2.04、1.93、1.80、1.74和1.74 kg (圖8-b), 每生產100 kg籽粒鉀素需求量與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.411 (<0.01, 表6)。鉀素籽粒生產效率平均為(54.10±7.92) kg kg–1, 各產量水平下平均鉀素籽粒生產效率分別為47.73、50.06、52.85、56.58、58.38和58.24 kg kg–1, 鉀素籽粒生產效率隨著產量水平提高而提高, 而各產量水平下平均鉀收獲指數分別為15.02%、15.67%、15.72%、17.07%、17.01%和16.66%, 呈先升高后降低的趨勢(圖9)。莖稈鉀濃度平均為(15.49±2.65) g kg–1, 各產量水平下平均莖稈鉀濃度分別為14.52、15.24、15.53、15.45、15.60和16.92 g kg–1(表7), 其與籽粒產量呈顯著正相關, 相關系數達0.118 (<0.05, 表6); 葉片鉀濃度平均為(14.99±2.65) g kg–1, 各產量水平下平均葉片鉀濃度分別為15.58、15.33、15.63、14.37、14.32和14.47 g kg–1, 其與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數達?0.175 (<0.01); 籽粒鉀濃度為(2.58±0.43) g kg–1, 在不同產量水平下變化幅度較小。可見, 夏玉米地上部吸鉀量隨產量水平升高而升高, 但是每生產100 kg籽粒鉀素需求量隨產量水平升高而降低, 造成這一結果的主要原因是收獲指數和莖稈鉀濃度的增加以及葉片鉀濃度的降低。

圖8 籽粒產量與地上部吸鉀量的關系和各產量水平下單位籽粒鉀素需求量

圖a中實線表示擬合曲線, 虛線表示95%預測區間,**顯著性為<0.01; 圖b中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction band (=0.95),**significant at<0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

圖9 各產量水平下的鉀素籽粒生產率和鉀素收獲指數

圖中實線表示中值, 虛線表示平均值, 箱型邊界表示75%和25%的四分位數, 上下邊緣表示90和10百分位數, 圓圈表示95和5百分位數。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表6 產量相關性狀與鉀素吸收相關參數的相關系數

(續表6)

**相關性在0.01水平上顯著(雙側)。*相關性在0.05概率水平上顯著(雙側)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

表7 夏玉米各產量水平下的植株莖稈、葉片和籽粒鉀濃度

3 討論

養分吸收是生物量積累的基礎, 也是作物產量形成的基礎。生育期內充足的養分供應是夏玉米獲得高產的關鍵。增施肥料已成為獲得作物高產的重要措施, 但由于玉米耐肥性強, 近年來玉米化肥超量施用問題日益嚴重, 化肥投入過高、肥料利用率極低不僅降低了農業生產的經濟效益, 還造成嚴重的資源浪費和環境污染[6,18]。了解玉米的養分需求規律有助于確定生產中資源投入總量, 實現總量控制, 避免養分投入不足或過量, 以充分挖掘產量潛力、實現資源的高效利用。大量研究表明, 作物的養分需求本質上由其生物學特性決定, 但會受到品種、產量水平、肥料用量等因素的影響[19-22]。胡昌浩等[23]在夏玉米產量水平為6.21 t hm–2時, 生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為2.98、1.32和2.58 kg。本試驗中, 產量在<7.0 t hm–2(5.84~6.98 t hm–2)范圍內, 每生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為(2.15±0.26)、(1.07±0.12)和(2.14±0.30) kg, 這一結果與胡昌浩等[23]報道相比, 單位籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別下降了27.82%、18.99%和17.18%。出現這種差異的原因可能是品種更替過程中對養分吸收和分配不同造成的。而佟屏亞等[24]在緊湊型夏玉米“掖單12”產量水平為10.41 t hm–2的試驗結果顯示, 生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為1.76、0.67和1.13 kg。而本文中, 產量在10.0~11.0 t hm–2(10.03~10.93 t hm–2)范圍內, 每生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為 (1.84±0.21)、(0.92±0.08)和(1.74±0.21) kg。造成差異的原因可能是本試驗中該產量水平的現代品種種植密度為75,000株 hm–2左右, 而上述試驗種植密度為105,000株 hm–2, 品種特性和田間管理不同影響夏玉米養分需求特征。陳國平等[25]將全國66個試驗點資料加權平均得出生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為2.68、1.13和2.36 kg。Liu等[26]對1985—1995年中國玉米產區的研究結果顯示, 生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為2.58、0.98和2.77 kg。Xu等[27]收集和分析2001—2010年中國玉米產區田間數據, 采用QUEFTS模型預測在產量達到潛在產量的60%~70%之前平衡營養元素,糧食產量將呈線性增長; 在這線性區間, 每生產100 kg夏玉米籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為2.03、1.01和1.91 kg。在本試驗中, 基于黃淮海區域適宜的施肥條件和種植密度, 390個現代夏玉米品種的平均籽粒產量在(8.91±1.23) t hm–2, 生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量的變化范圍分別為(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。本研究結果在范圍上較21世紀之前的舊品種有所降低, 而與21世紀之后的研究較為一致; 隨著年代推進, 品種更替, 現代夏玉米品種的單位籽粒氮素、磷素和鉀素需求量是降低的, 在實際生產中應考慮適當降低磷肥、鉀肥的施用量。

本研究表明每生產100 kg籽粒氮、磷和鉀素需求量隨著產量水平升高而降低, 岳善超[28]和Hou等[21]的研究結果也表現出類似的趨勢。當前單位籽粒的需氮量和需磷量的下降可能與品種演變和收獲指數提高有關[21]。本研究中, 單位籽粒的氮和磷素需求量降低主要是收獲指數的增加和氮、磷濃度的下降所致, 尤其是籽粒氮、磷濃度的下降。收獲指數與籽粒產量呈顯著正相關, 隨著產量水平由<7.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2, 收獲指數由49.86%增加到57.48%。籽粒氮、磷濃度均與籽粒產量呈顯著負相關, 相關系數分別為?0.235和?0.120 (<0.05)。然而與氮、磷不同的是, 單位籽粒的鉀素需求量隨產量升高而降低的原因主要是莖稈鉀濃度的上升和葉片鉀濃度的下降。吳良泉等[22]也揭示了相似的規律, 他指出夏玉米籽粒中鉀濃度一般維持在3.0 g kg–1, 而秸稈鉀濃度由產量<8 t hm–2下的14.0 g kg–1增加到產量>12 t hm–2下的18.1 g kg–1。

養分籽粒生產效率反映作物如何高效利用養分積累生產籽粒產量, 可作為評價品種性能和農藝措施的一種指標, 養分收獲指數反映了所吸收養分向籽粒的轉移狀況。生育后期, 籽粒中分配較多的養分, 有利于滿足籽粒充實所需的營養物質, 因而具有較高的養分收獲指數[29]。本研究中氮素、磷素、鉀素生產效率平均分別為(52.19±6.51)、(104.35±11.77)、(54.10±7.92) kg kg–1, 三者均隨著產量水平的提高而提高。氮素、磷素、鉀素收獲指數平均為(58.35± 4.27)%、(55.36±4.27)%、(16.27±3.11)%, 氮素、磷素收獲指數隨著產量水平的提高而提高, 鉀素收獲指數則無明顯變化。養分生產效率中磷素最高, 鉀素次之, 氮素最低, 而養分收獲指數氮素最高, 磷素次之, 鉀素最低。說明籽粒中分配了較多的氮素和磷素, 而在更高產條件下由于碳水化合物向籽粒中分配比例的增加導致籽粒中分配的鉀素被進一步稀釋。

基于我國農業轉型升級、提質增效和化肥零增長的戰略, 黃淮海夏玉米生產更應重視高產、高效的協同, 本文在適宜的施肥條件和種植密度條件下探究了養分需求規律, 為現代玉米品種精準養分管理提供了基礎數據參考, 但在實際生產中應根據當地生產情況結合品種產量潛力和肥料特點綜合考慮以確定適宜的養分用量, 實現綠色可持續發展。

4 結論

當前黃淮海區域現代玉米品種籽粒產量為(8.91±1.23) t hm–2, 生產100 kg籽粒的N、P2O5和K2O需求量的變化范圍分別為(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。氮磷鉀需求量隨產量的提高而增加, 但每生產100 kg籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量隨著產量的升高而下降。

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附表1 供試玉米品種

Supplementary table 1 Hybrid summer maize in the experiment

(續附表1)

(續附表1)

Regulation of grain yield and nutrient absorption of modern summer maize varieties in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region

CHENG Yi1, LIU Peng1,*, LIU Yu-Wen2, PANG Shang-Shui3, DONG Shu-Ting1, ZHANG Ji-Wang1, ZHAO Bin1, and REN Bai-Zhao1

1State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China;2Agricultural Bureau of Shanghe County, Jinan 251600, Shandong, China;3Jinan New Oasis Agriculture Development Co. LTD, Jinan 251600, Shandong, China

In order to investigate the grain yield and nutrient absorption of modern summer maize varieties in the Yellow-Huaihe- Haihe Rivers region, with the aim at proposing the theoretical basis for rational application of fertilizer, and high yield and high efficiency production, the experiment was conducted in 2016 at National Demonstration Center for New Crop Varieties in Shanghe, Jinan and the State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University in Tai’an. Plants were sampled at maturity stage, and the grain yield, yield components, and mineral element uptake and utilization of plants were analyzed. Exploring analyses and normality tests showed that yield per plant, biomass per plant, 1000-kernel weight and grain yield were all conformed to normal distribution, with N (167.0, 22.722), N (285.0, 33.472), N (318.0, 35.752), and N (10.9, 1.502), ranging from 141.55 to 246.99 g plant–1, from 197.68 to 389.92 g plant–1, from 226.58 to 413.76 g 1000 kernel–1, and from 5.84 to 13.41 t hm–2, respectively. The average N requirement per 100 kg grain was 1.95 kg and declined with increasing grain yield. When the yield increased from < 7.0 t hm–2to 8.0?9.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain decreased from 2.15 to 1.96 kg due to increasing harvest index and decreasing grain N concentration. When the yield increased from 8.0?9.0 t hm–2to 9.0?11.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain decreased from 1.96 to 1.84 kg due to decreasing grain N concentration. When the yield was more than 11.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain tended to be stable. The average P requirement per 100 kg grain was 0.97 kg, which was negatively correlated with grain yield, and declined from 1.07 to 0.92 kg when the yield increased from < 7.0 t hm–2to > 11.0 t hm–2due to increasing harvest index and declining grain P concentrations. The average K requirement per 100 kg grain was 1.89 kg, which was negatively correlated with grain yield, showing a decrease from 2.14 to 1.74 kg when the yield increased from < 7.0 t hm–2to > 11.0 t hm–2, which was attributed to the increase of the harvest index and stem potassium concentrations, and the decline in leaf potassium concentrations. The grain yield of main maize varieties currently grown in the Yellow- Huaihe-Haihe Rivers region was (8.91±1.23) t hm–2, with the N, P2O5, and K2O requirement per 100 kg grain of (1.95±0.24), (0.97±0.11), and (1.89±0.28) kg, respectively. The N, P, and K requirement for plant growth increased with increasing grain yield, while the average N, P2O5and K2O requirement for producing 100 kg grain declined with increasing grain yield.

the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region; maize; yield; grain yield; nutrient uptake

本研究由山東省現代農業產業技術體系項目(SDAIT02-08), 國家重點研發計劃項目(2016YFD0300106), 國家自然科學基金項目(31771713, 31371576)和山東省農業重大應用技術創新課題資助。

This study was supported by the Shandong Province Key Agricultural Project for Application Technology Innovation (SDAIT02-08), the National Basic Research Program of China (2016YFD0300106), the National Natural Science Foundation of China (31771713, 31371576), and the Agricultural Major Applied Technological Innovation in Shandong Province.

劉鵬, E-mail: liupengsdau@126.com, Tel: 0538-8241485

E-mail: chengyi722@126.com

2019-01-24;

2019-05-12;

2019-06-03.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190603.0847.002.html

10.3724/SP.J.1006.2019.93004