李 涵，湯 彬，郭歡樂，曹鐘洋，陳松林，陳志輝，曾 強(qiáng)

（湖南省作物研究所，長(zhǎng)沙 410125）

玉米是我國(guó)重要的糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和飼料作物［1，2］。隨著優(yōu)良玉米品種和高產(chǎn)栽培技術(shù)的應(yīng)用，化肥的大量投入，尤其是氮肥的施用，使玉米單產(chǎn)顯著提高［3］。但在玉米生產(chǎn)中，施肥時(shí)期不合理及施肥方式粗放等現(xiàn)象致使肥料利用率較低，土壤中養(yǎng)分殘留增加，玉米生長(zhǎng)發(fā)育受到脅迫，引發(fā)了很多生態(tài)環(huán)境問題［4，5］。因此，采用合理的栽培方式，結(jié)合優(yōu)化施肥管理是提高玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

玉米是湖南省第一大旱糧作物，而湖南省玉米生產(chǎn)自給率僅50%，是全國(guó)玉米主銷區(qū)之一。在玉米實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中受種植密度較低、施肥方式不合理、高溫等因素影響，致使目前該區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量仍然存在較大差距。研究表明，品種［6］、種植密度［7］、肥料種類及用量［8，9］、播種時(shí)間［10，11］和耕作方式［12］等綜合作用對(duì)玉米干物質(zhì)積累、灌漿速率［13］、養(yǎng)分吸收等產(chǎn)生影響，最終影響產(chǎn)量形成。為此，筆者在廣泛調(diào)研湖南省春玉米種植區(qū)域農(nóng)民習(xí)慣種植方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)種植方式、種植密度、施肥量和追肥方式等多因素栽培技術(shù)集成與優(yōu)化，比較分析不同栽培模式對(duì)湖南春玉米產(chǎn)量形成和氮素利用的影響，以期為本區(qū)域春玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年在湖南省作物研究所試驗(yàn)基地（28.20°N，113.09°E，海拔41 m）進(jìn)行。當(dāng)?shù)貙儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.2℃，年均降水量1361.6 mm。試驗(yàn)地土壤為黃棕壤，0～20 cm土壤平均有機(jī)質(zhì)含量22 g/kg、全氮1.36 g/kg、堿解氮97 mg/kg、有效磷91.6 mg/kg、速效鉀237 mg/kg。

1.2 田間試驗(yàn)與管理

供試玉米品種為登海605。試驗(yàn)設(shè)置基礎(chǔ)地力產(chǎn)量（FP）、農(nóng)戶產(chǎn)量（PP）、高產(chǎn)高效產(chǎn)量（HY）和高產(chǎn)記錄產(chǎn)量（SHY）4個(gè)栽培模式。FP和PP模式等行距種植（60 cm+60 cm，株距27 cm），HY和SHY模式寬窄行種植（80 cm+40 cm，株距分別為22 cm和18 cm），SHY模式覆膜種植，其它模式均不覆膜。各模式氮肥各時(shí)期分配比例：PP模式基施60%，大喇叭口期點(diǎn)施40%；HY模式基施50%，拔節(jié)期溝施20%，大喇叭口期溝施30%；SHY模式基施40%，拔節(jié)期穴施20%，大喇叭口期穴施30%，抽雄吐絲期穴施10%。磷肥、鉀肥、硫酸鋅和有機(jī)肥均作為底肥一次施入。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)面積48 m2。玉米于3月26日播種，7月28日收獲。試驗(yàn)中所用氮肥為尿素（46.7%）、磷肥為鈣鎂磷肥（12%）、鉀肥為氯化鉀（60%），然后按純N、P2O5、K2O計(jì)算肥料用量。各處理的種植密度和施肥量如表1所示。

表1 不同栽培模式的種植密度與施肥量Table 1 The planting density and fertilizer rate of different cultivation modes

1.3 樣品采集與測(cè)定

（1）植株干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)和氮素含量。在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期采集植株樣3株，利用長(zhǎng)寬系數(shù)法測(cè)定植株葉面積，計(jì)算葉面積指數(shù)。在成熟期將植株樣品分為秸稈和籽粒兩部分。所有植株樣品放入干燥箱105℃下殺青30 min后，80℃烘干至恒量，稱重并計(jì)算干物質(zhì)積累量。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2體系消煮后，采用凱氏定氮儀測(cè)定氮素含量。

（2）籽粒灌漿測(cè)定。吐絲期在各處理隨機(jī)選取同一天吐絲的植株50株進(jìn)行人工授粉并標(biāo)記，在吐絲后6 d開始，每隔6 d采集各處理標(biāo)記植株果穗3個(gè)，取果穗中部籽粒100粒稱取干重。用Logistics方程y=a/（1+be-cx）模擬籽粒灌漿過(guò)程，其中a為終極生長(zhǎng)量；b為初值參數(shù)，c為生長(zhǎng)速率參數(shù)，得到以下灌漿特征參數(shù)，即Tmax為灌漿速率最大時(shí)的日期；Wmax為灌漿速率最大時(shí)的生長(zhǎng)量；Gmax為最大灌漿速率，P為籽粒灌漿活躍期。

（3）產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成。成熟期在小區(qū)中避開取樣較多區(qū)域選取12 m2的玉米全部收獲，晾曬后進(jìn)行測(cè)產(chǎn)和考種，其中籽粒含水量全部折算成14%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

植株氮素積累量（kg/hm2）=成熟期植株干物質(zhì)量（kg/hm2）×成熟期植株含氮量（%）

氮肥當(dāng)季回收率（REN，%）=（收獲期施氮區(qū)地上部總吸氮量-收獲期不施氮區(qū)地上部總吸氮量）/氮肥施用量×100

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN，kg/kg）=（施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-不施氮區(qū)玉米產(chǎn)量）/氮肥施用量

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量

采用Microsoft Excel 2003和SPSS18.0軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對(duì)春玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2可知，不同栽培模式間千粒重差異不顯著，實(shí)收穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加可能是形成產(chǎn)量差異的主要原因。FP、PP、HY、SHY 產(chǎn)量分別達(dá)到4359.30、6565.86、7586.31、9748.68 kg/hm2，與FP模式相比，PP、HY和SHY處理產(chǎn)量分別顯著提高了0.51、0.74和1.24倍。穗粒數(shù)以SHY處理最高，各處理均與FP處理差異顯著。千粒重表現(xiàn)為FP＞SHY＞HY＞PP，但無(wú)顯著差異。

表2 不同栽培模式下春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素比較Table 2 The yield and yield components of spring maize under different cultivation modes

2.2 不同栽培管理模式下春玉米干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)分析

由圖1可見，隨著玉米生育時(shí)期的推移，不同栽培模式下干物質(zhì)積累量逐漸增加，各生育時(shí)期干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為SHY＞HY＞PP＞FP，大喇叭口期前各處理間干物質(zhì)積累量差異較小，從抽雄吐絲期開始，SHY和HY處理干物質(zhì)量較FP處理顯著提高。成熟期PP、HY和SHY處理干物質(zhì)量較FP處理分別提高了11.21%、57.76%和106.38%。不同栽培模式的葉面積指數(shù)均在抽雄吐絲期達(dá)到最高值，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。SHY處理全生育期葉面積指數(shù)均顯著高于FP處理。從吐絲期到成熟期，HY、SHY處理葉面積指數(shù)下降幅度分別為95.10%、72.54%，而PP、FP處理下降幅度分別為103.71%、100.42%。這說(shuō)明生育后期維持較大的干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)和較高的葉面積指數(shù)能夠增加獲得較高玉米產(chǎn)量的可能性。

圖1 不同栽培模式春玉米干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)Fig.1 The dynamic changes of dry matter accumulation and leaf area index of spring maize under different cultivation modes

2.3 不同栽培管理模式對(duì)春玉米籽粒灌漿特性的影響

從表3可以看出，運(yùn)用Logistic模型可以較好地模擬籽粒灌漿過(guò)程，決定系數(shù)r均在0.99以上。FP、PP、HY、SHY處理的灌漿速率最大時(shí)的日期（Tmax）分別為吐絲后33.46、32.68、33.63、31.27 d，其中SHY處理出現(xiàn)最早，較FP提早2.19 d。不同處理的Wmax和Gmax存在差異，以HY處理的最高。PP、HY、SHY處理灌漿活躍期P均比FP處理長(zhǎng)。

表3 不同栽培管理模式下春玉米籽粒灌漿特性Table 3 The filling characteristics of spring maize under different cultivation modes

2.4 不同栽培管理模式對(duì)春玉米氮素利用率的影響

不同栽培模式下氮素利用效率如表4所示。不同栽培模式下完熟期氮素積累量和籽粒氮素積累量均表現(xiàn)為SHY＞HY＞PP＞FP，SHY、HY處理氮素積累量顯著高于FP、PP處理，PP與FP差異不顯著。氮素收獲指數(shù)以SHY處理最低，SHY與HY間無(wú)顯著差異。氮素當(dāng)季回收率表現(xiàn)為SHY＞HY＞PP，各處理間差異不顯著。氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為PP處理的最高。

表4 不同栽培模式的春玉米氮素利用效率比較Table 4 Comparison of N use efficiency of spring maize under different cultivation modes

3 結(jié)論與討論

增穗增粒擴(kuò)大庫(kù)容是玉米產(chǎn)量提升的有效途徑。從本試驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)量構(gòu)成看，實(shí)收穗數(shù)和穗粒數(shù)是影響產(chǎn)量形成的重要因素。盛耀輝等［14］研究認(rèn)為，適當(dāng)增加種植密度，保證足夠的收獲穗數(shù)，是實(shí)現(xiàn)玉米產(chǎn)量提高的關(guān)鍵措施。張仁和等［15］和Tollenaar等［16］研究表明，單位面積穗粒數(shù)的增加提高了玉米產(chǎn)量。本研究表明，在優(yōu)化栽培技術(shù)條件下，玉米產(chǎn)量水平不斷提高，與FP模式相比，PP、HY和SHY處理產(chǎn)量分別顯著提高了0.51、0.74和1.24倍。從干物質(zhì)積累來(lái)看，本研究中各生育時(shí)期干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為SHY＞HY＞PP＞FP，抽雄吐絲期后，SHY處理均顯著高于FP處理，可見高產(chǎn)玉米生育后期具有較大的干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)，這與吳春勝［17］的研究結(jié)果一致。

灌漿時(shí)間長(zhǎng)短和灌漿速率是影響玉米籽粒產(chǎn)量形成的重要過(guò)程，籽粒灌漿與種植密度、養(yǎng)分、耕作措施、環(huán)境條件等具有相關(guān)性［18～22］。不同栽培模式對(duì)春玉米的籽粒灌漿速率和灌漿持續(xù)時(shí)間均有影響［13］，隨著種植密度增加，籽粒灌漿速率減緩，達(dá)到最大灌漿速率的天數(shù)提前，灌漿持續(xù)時(shí)間縮短［23］。本研究表明，SHY處理灌漿速率最大時(shí)的日期（Tmax）為吐絲后31.27 d，較FP提早2.19 d，不同處理的Wmax和Gmax存在差異性，以HY處理的最高，SHY處理的最低，說(shuō)明種植密度的增加會(huì)減緩籽粒灌漿速率，這與前人研究結(jié)果一致。此外，有研究表明玉米花后綠葉持續(xù)期長(zhǎng)，光合效率高更有利于產(chǎn)量形成［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同栽培模式均較FP處理的葉面積指數(shù)有所提高且衰落慢，改善了玉米葉片光合性能，為玉米籽粒灌漿提供了充足的光合同化產(chǎn)物，延長(zhǎng)了玉米籽粒的灌漿活躍期。

選擇適宜的氮肥和恰當(dāng)?shù)氖┯梅椒?，是協(xié)調(diào)氮素供應(yīng)與作物吸收、減少氮素?fù)p失、提高氮肥利用率以及減少面源污染的重要途徑［25，26］。植株在生育后期所吸收的氮素被分配到籽粒中的比例很高，對(duì)產(chǎn)量高低起到?jīng)Q定性的作用。本研究表明，所有處理氮素積累量和分配到籽粒中的氮素量均高于FP處理，氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮素偏生產(chǎn)力均以PP處理最高，但SHY處理的氮肥當(dāng)季回收率是最高的。HY模式的氮素農(nóng)學(xué)利用率最低，可能主要是因?yàn)榈蔬^(guò)量施用所致，應(yīng)當(dāng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，酌量減少氮肥的用量，并優(yōu)化氮磷鉀配施比例。

在一定程度上，增加種植密度可以有效補(bǔ)償因單株產(chǎn)量降低而造成的產(chǎn)量損失，并達(dá)到提升玉米群體產(chǎn)量的效果［27～29］。采用適宜的栽培措施優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，弱化群體內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)，提高群體抗逆性及環(huán)境適應(yīng)性，已成為目前玉米高產(chǎn)高效的重要途徑［30，31］。湖南省春玉米生長(zhǎng)前期陰雨寡照、后期階段性干旱和高溫脅迫等風(fēng)險(xiǎn)頻發(fā)致使玉米單產(chǎn)水平較低。在湖南玉米生產(chǎn)中，增加密度和加強(qiáng)養(yǎng)分管理是保證玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵措施。本試驗(yàn)中高產(chǎn)高效（HY）和超高產(chǎn)（SHY）模式獲得的產(chǎn)量較高，但氮肥利用率較低，增加了肥料面源污染的可能性，因此，如何在湖南地區(qū)優(yōu)化配置氮肥、密度等因素，提高本區(qū)玉米產(chǎn)量和資源效率仍需深入研究。