張盼盼, 劉京寶, 黃璐, 喬江方, 李川, 張美微

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所, 鄭州 450002)

玉米是我國(guó)三大糧食作物之一，2010年以來(lái)，我國(guó)玉米平均種植面積和產(chǎn)量分別為0.361億hm2和2.13億t，占全國(guó)糧食總種植面積和產(chǎn)量的32.2%和35.4%。在耕地面積有限的情況下，滿足玉米持續(xù)增長(zhǎng)需求的唯一途徑是提高單產(chǎn)。改良玉米品種和優(yōu)化栽培技術(shù)是提高玉米產(chǎn)量的重要措施[1-3]。

機(jī)收是玉米生產(chǎn)發(fā)展的方向，推廣玉米全程機(jī)械化操作是節(jié)約成本增加效益的有效手段。機(jī)收品種后期脫水快、綜合性狀表現(xiàn)好、產(chǎn)量高，能較快地推進(jìn)玉米機(jī)械籽粒機(jī)收技術(shù)，解決農(nóng)村新型經(jīng)營(yíng)主體勞動(dòng)力不足等問(wèn)題[4]。而目前機(jī)收品種較多，在不同生態(tài)條件下的產(chǎn)量差異也較大，針對(duì)不同種植區(qū)域選擇相應(yīng)的機(jī)收品種就顯得尤為重要[5]。增施氮肥是提高玉米產(chǎn)量最有效的方法之一，目前氮肥投入過(guò)量，氮肥利用率下降，土壤氮素污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的危害也日趨嚴(yán)重[6-7]。因此，選擇適宜品種，推進(jìn)玉米產(chǎn)區(qū)氮肥減量、提質(zhì)增效是協(xié)調(diào)玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、氮肥高效利用和生態(tài)保護(hù)的重要途徑[8-9]。

黃淮海地區(qū)是玉米優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)之一，占我國(guó)玉米種植面積的三分之一。氮肥過(guò)量施用給本地區(qū)帶來(lái)較多的資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞等問(wèn)題。因此，研究黃淮海地區(qū)氮肥減施下機(jī)收品種產(chǎn)量和生物量的變化，篩選氮肥減施下綠色優(yōu)異機(jī)收品種，對(duì)我國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。為此，本研究在黃淮海地區(qū)的河南省鄲城和陜西省戶縣兩種不同的生態(tài)環(huán)境下，以已經(jīng)或待審定的機(jī)收品種為研究對(duì)象，基于正常施氮水平(240 kg N·hm-2)設(shè)置不同的減施氮肥處理，比較減氮條件下品種間的產(chǎn)量和生物量分配的差異，分析產(chǎn)量和生物量之間的關(guān)系，以期為篩選適宜的機(jī)收品種和評(píng)價(jià)氮肥減施下玉米高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年6—10月分別在黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)河南省周口市鄲城縣(N33°40′34″，E115°12′53″)和陜西省戶縣區(qū)域試驗(yàn)站(N34°6′31″，E108°32′57″)進(jìn)行，河南鄲城點(diǎn)為砂漿黑土，屬于內(nèi)陸季風(fēng)型氣候，年均氣溫為14.6 ℃，年活動(dòng)積溫4 565 ℃，年平均降水量738 mm，全年光照2 259 h，無(wú)霜期223 d。陜西戶縣點(diǎn)為耬土，屬于暖熱帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為13 ℃，年活動(dòng)積溫4 689 ℃，年平均降水量879 mm，全年光照1 782 h，無(wú)霜期219 d。兩試驗(yàn)點(diǎn)在玉米播前取基礎(chǔ)土壤樣品，分別采用凱氏定氮法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提火焰光度法、重鉻酸鉀容量法-外加熱法和水土比2.5∶1.0電位法等方法[10]測(cè)定土壤中全氮(土壤氮素豐缺指標(biāo))、堿解氮(土壤氮素水平供應(yīng)指標(biāo))、速效磷(土壤磷素水平供應(yīng)指標(biāo))、速效鉀(土壤鉀素水平供應(yīng)指標(biāo))、有機(jī)質(zhì)(土壤肥力和碳庫(kù)指標(biāo))和pH(土壤酸度指標(biāo))等項(xiàng)目。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為施氮量，分別為0(不施氮，N0)、120 kg N·hm-2(較正常施氮量減少1/2，N1)、160 kg N·hm-2(減氮1/3，N2)、200 kg N·hm-2(減氮1/6，N3)和240 kg N·hm-2(正常施氮量，N4)共5個(gè)處理；副因素為20個(gè)已經(jīng)或待審定的玉米機(jī)收品種，分別是NK916、魯單608(LD608)、鄭單309(ZD309)、鄭單326(ZD326)、鄭單317(ZD317)、德單179(DD179)、登海528(DH528)、隆平381(LP381)、K6961、豐德存玉22(FDCY22)、金海3318(JH3318)、百玉393(BY393)、科玉153(KY153)、澤玉8911(ZY8911)、偉玉178(WY178)、偉科518(WK518)、先達(dá)724(XD724)、谷神玉66(GSY66)、豐大668(FD668)、博奧408(BA408)。共100個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共300個(gè)小區(qū)，每小區(qū)長(zhǎng)6 m，寬4.8 m，種植密度為75 000株·hm-2。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)播前土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)Table 1 Initial chemical characteristics of soil before sowing in two localities

供試氮肥為尿素，按5∶5分基施和大喇叭口期追施兩次施用，磷、鉀肥為過(guò)磷酸鈣(12%)和硫酸鉀(52%)，播前一次施用，田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致，每項(xiàng)田間管理措施均在同一天內(nèi)完成。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1產(chǎn)量測(cè)定 在成熟期，收獲每小區(qū)內(nèi)中間兩行的所有果穗，風(fēng)干后脫粒，稱重并同時(shí)測(cè)定籽粒含水量，折算出籽粒產(chǎn)量(14%含水量)。

1.3.2生物量測(cè)定 在每個(gè)小區(qū)測(cè)產(chǎn)區(qū)以外取3株具有代表性的地上部植株樣品，分為莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒，殺青(105 ℃)后烘干(75 ℃)至恒重，稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件整理，用SPSS 22統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和聚類分析，不同處理間的多重比較采用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)。采用組之間的鏈接和歐氏距離平方法對(duì)機(jī)收品種產(chǎn)量進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量

試驗(yàn)點(diǎn)、施氮水平和品種對(duì)機(jī)收品種籽粒產(chǎn)量的影響結(jié)果(表2)顯示，各個(gè)因素及其兩兩交互作用對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)顯著或極顯著水平，而三者的交互作用未達(dá)顯著水平。從表3可以看出，本研究中籽粒產(chǎn)量平均為9.11 t·hm-2，N0處理下產(chǎn)量為8.31 t·hm-2，N2、N3和N4分別較N0提高13.8%、12.7%和17.8%，三者之間差異不顯著，但顯著高于N1處理。各機(jī)收品種產(chǎn)量分析結(jié)果表明，品種WY178和WK518產(chǎn)量最高，二者無(wú)顯著差異，其次是K6961、ZY8911、DD179、DH528、BA408、LD608、LP381、BY393、FD668、XD724和KY153，其他品種的產(chǎn)量較低且之間無(wú)顯著差異。具體來(lái)說(shuō)，河南鄲城點(diǎn)，N2、N3和N4處理間差異不明顯，平均為8.97 t·hm-2，較N0處理顯著增加18.0%；品種間產(chǎn)量結(jié)果表現(xiàn)為，各施氮處理下均以WY178產(chǎn)量最高，在N0、N1、N2、N3和N4處理下，分別為10.19、10.65、12.27、12.57和13.06 t·hm-2；N0處理下，LD608和DH528的產(chǎn)量較低，分別為5.56 和6.24 t·hm-2，二者之間差異不明顯；N1下，以GSY66的產(chǎn)量最低，為5.77 t·hm-2，而FDCY22在N2、N3和N4處理下的產(chǎn)量均較低，分別為5.76、6.42和7.18 t·hm-2。陜西戶縣點(diǎn)，各施氮處理以N4和N3處理的產(chǎn)量較高，較N0處理分別增加了15.6%和10.8%，為10.43和9.99 t·hm-2，二者無(wú)顯著差異。不同施氮處理下，WK518均表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，除此以外，LD608在N0、K6961和WY178在N2和DH528在N4處理下的產(chǎn)量也相對(duì)較高，平均分別為9.59、10.42、10.33和11.61 t·hm-2；在各個(gè)施氮處理下，ZD326和JH3318的產(chǎn)量均較低，二者無(wú)顯著差異，兩個(gè)品種在N0、N1、N2、N3和N4處理下產(chǎn)量分別為8.24、8.18、8.54、8.54、9.58 t·hm-2和7.81、8.56、8.15、8.21、8.97、8.58 t·hm-2?？偟膩?lái)說(shuō)，黃淮海地區(qū)使用WK518和WY178等高產(chǎn)品種，采取減施氮肥1/6～1/3等措施(N2、N3處理)，能夠保證玉米達(dá)到高產(chǎn)高效的目的。

表2 不同試驗(yàn)點(diǎn)、施氮量和品種對(duì)籽粒產(chǎn)量影響的方差分析Table 2 Variance analysis of effects of different localities, nitrogen applications and varieties on grain yield

2.2 聚類分析

不同試驗(yàn)點(diǎn)，各機(jī)收品種對(duì)不同供氮水平的響應(yīng)不同。以不施氮(N0)、減氮1/3(N2)和正常氮(N4)3個(gè)氮水平為例，對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各機(jī)收品種的產(chǎn)量進(jìn)行聚類分析，將20個(gè)品種分為低產(chǎn)、中產(chǎn)和高產(chǎn)品種。結(jié)果(圖1)顯示，在河南鄲城點(diǎn)，N0條件下，WY178和WK518 表現(xiàn)為高產(chǎn)，N2下WY178為高產(chǎn)，ZD317、FDCY22和XD724為低產(chǎn)，其余品種為中產(chǎn)，N4下WY178表現(xiàn)為高產(chǎn)，ZD309、FDCY22、NK916和KY153為低產(chǎn)，其余品種為中產(chǎn)。在陜西戶縣點(diǎn)，N0下除LP381、JH3318和ZD326表現(xiàn)為低產(chǎn)外，其余品種均表現(xiàn)為中、高產(chǎn)，N2下除ZD326、JH3318、NK916、GDY66和FD668外，其余則均表現(xiàn)為高產(chǎn)，N4下，WK518和DH528 表現(xiàn)為高產(chǎn)，JH3318為低產(chǎn)，其余均屬于中產(chǎn)品種。依據(jù)此結(jié)果，根據(jù)黃淮海地區(qū)的施氮水平，可有針對(duì)性的選擇使用WK518、WY178等高產(chǎn)品種，達(dá)到玉米高產(chǎn)高效栽植。

2.3 地上部生物量

河南鄲城點(diǎn)氮肥減施對(duì)機(jī)收品種地上部生物量分配的影響結(jié)果(圖2A～E)顯示，各機(jī)收品種的地上部生物量平均為18.12 t·hm-2，莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒平均分別占19.0%、12.2%、6.9%、6.1%、8.8%和47.0%。統(tǒng)計(jì)分析表明，N4下XD724的地上部生物量最高，為26.07 t·hm-2。隨施氮量增加，地上部生物量呈先增后降趨勢(shì)，在N2處理下達(dá)最高為19.12 t·hm-2，各機(jī)收品種平均生物量以WY178和WK518最高，分別為21.93和21.40 t·hm-2，二者之間差異不明顯，NK916和LP381最低，分別為15.25和16.16 t·hm-2，兩品種間無(wú)顯著差異。除以上品種外，GSY66在N2處理下、XD724在N3和N4下地上部生物量也相對(duì)較大，而LD608在N0和N4以及ZD317在N2和N3下生物量相對(duì)較低。不同施氮處理下各機(jī)收品種生物量的差異主要來(lái)源于籽粒和莖，N2處理下籽粒和莖重均達(dá)最高，平均分別為9.17和3.71 t·hm-2，N2處理下莖重占地上部生物量比例最高，N4下籽粒所占比例為最高，分別為18.1%和54.0%。不同品種以WK518和WY178籽粒、XD724莖重為最高，平均分別為10.60、10.49和5.12 t·hm-2。

陜西戶縣點(diǎn)氮肥減施對(duì)機(jī)收品種地上部生物量分配的影響(圖2F～J)顯示，各機(jī)收品種的地上部生物量平均為19.64 t·hm-2，莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒平均分別占19.9%、11.6%、6.2%、5.1%、7.8%和49.4%。統(tǒng)計(jì)分析表明，N4下WK518的地上部生物量最高，為25.18 t·hm-2。施氮處理對(duì)地上部生物量的影響未達(dá)顯著水平，各品種地上部生物量以WK518最高為22.18 t·hm-2，以JH3318和LP381最低，分別為16.66和16.99 t·hm-2，二者之間差異不明顯。除這4個(gè)品種外，ZY8911在N0、KY153和ZD317在N1、XD724在N2和ZD309在N4下生物量也相對(duì)較高，而NK916在N0、DH5286在N2以及FD668和ZD326在N3下生物量相對(duì)較低。施氮處理對(duì)莖、葉、鞘、苞葉和穗軸的重量影響不顯著，各品種表現(xiàn)為WK518籽粒和XD724莖重為最高，分別為10.61和5.84 t·hm-2。

表3 不同試驗(yàn)點(diǎn)和施氮量對(duì)機(jī)收品種籽粒產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different localities and nitrogen applications on the grain yield of different mechanized harvesting maize varieties (t·hm-2)

圖1 不同機(jī)收品種的產(chǎn)量聚類分析樹狀圖Fig.1 Dendrogram of grain yield of different mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南鄲城；B: N2-河南鄲城；C: N4-河南鄲城；D: N0-陜西戶縣；E: N2-陜西戶縣；F: N4-陜西戶縣A: N0 in Dancheng, Henan; B: N2 in Dancheng, Henan; C: N4 in Dancheng, Henan; D: N0 in Huxian, Shaanxi; E: N2 in Huxian, Shaanxi; F: N4 in Huxian, Shaanxi.

圖2 不同處理機(jī)收品種各器官的生物量Fig.2 Dry matter content of different organs of 12 mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南鄲城；B: N1-河南鄲城；C: N2-河南鄲城；D: N3-河南鄲城；E: N4-河南鄲城; F: N0-陜西戶縣；G: N1-陜西戶縣；H: N2-陜西戶縣；I: N3-陜西戶縣；J: N4-陜西戶縣。A: N0 in Dancheng, Henan; B: N1 in Dancheng, Henan; C: N2 in Dancheng, Henan; D: N3 in Dancheng, Henan; E: N4 in Dancheng, Henan; F: N0 in Huxian, Shaanxi; G: N1 in Huxian, Shaanxi; H: N2 in Huxian, Shaanxi; I: N3 in Huxian, Shaanxi; J: N4 in Huxian, Shaanxi.

2.4 相關(guān)性分析

對(duì)施氮量、莖重、葉重、鞘重、苞葉重、穗軸重、產(chǎn)量和總生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表4)表明，施氮量和產(chǎn)量、地上部總生物量顯著正相關(guān)，除產(chǎn)量和鞘重、苞葉重、穗軸重的相關(guān)性不顯著外，莖重、葉重、鞘重、苞葉重、穗軸重、產(chǎn)量和總生物量之間正相關(guān)性達(dá)顯著水平，P值最大為0.781。總生物量和產(chǎn)量的回歸分析結(jié)果(圖3)表明，二者的關(guān)系表現(xiàn)為y=0.368 1x+2.163 1，其中，R2為0.470 3，P<0.01，表明生物量和產(chǎn)量之間存在顯著的回歸關(guān)系，可用收獲期機(jī)收品種的生物量估測(cè)產(chǎn)量數(shù)值。

表4 施氮量和各器官生物量間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between nitrogen application and dry matter contents of different organs

圖3 籽粒產(chǎn)量和總生物量的回歸分析Fig.3 Regression analysis of grain yield and dry matter content

3 討論

3.1 氮肥減施對(duì)機(jī)收品種產(chǎn)量的影響

不同的生態(tài)條件對(duì)玉米機(jī)收品種的產(chǎn)量影響不同。研究發(fā)現(xiàn)(表3)，河南鄲城點(diǎn)的產(chǎn)量平均為8.52 t·hm-2，而陜西戶縣點(diǎn)的玉米產(chǎn)量平均高達(dá)9.71 t·hm-2，這種差異主要與試驗(yàn)地的土壤地力高低有關(guān)(表1)。減少氮肥施用量、提高氮肥效率是降低玉米種植成本，提高玉米競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施[11-12]。段然等[13]連續(xù)兩年開展玉米油菜田間輪作試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥處理相比，減氮15%和減氮30%時(shí)對(duì)洞庭湖旱地玉米和油菜產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。董強(qiáng)等[14]連續(xù)3年研究了不同減氮模式對(duì)黃土高原南部的春玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施氮模式相比，減氮20%模式下的玉米產(chǎn)量均未有顯著變化。李恩堯等[15]發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥量相比，減少20%處理對(duì)坡地紅壤的玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響，而在減施量達(dá)30%時(shí)產(chǎn)量顯著下降。本研究結(jié)果也顯示，與正常施氮量相比，河南鄲城點(diǎn)氮肥減施1/3處理(N2)和陜西戶縣點(diǎn)氮肥減施1/6處理(N3)下機(jī)收玉米品種的產(chǎn)量無(wú)顯著下降，持續(xù)減氮后產(chǎn)量顯著下降(表3)。這表明與傳統(tǒng)習(xí)慣性施肥相比，合理減少施氮量，玉米產(chǎn)量未有明顯變化，這可能由于減施氮肥的土壤中仍然能夠維持玉米生長(zhǎng)中對(duì)氮素的吸收，保證玉米植株對(duì)氮素的利用，減少了氮素的損失，進(jìn)而達(dá)到減氮不減產(chǎn)的目標(biāo)[16-17]。然而，本研究?jī)H為一年試驗(yàn)，連續(xù)多年的持續(xù)性減氮1/6～1/3情況下，本地區(qū)夏玉米是否依然保持高產(chǎn)，仍需進(jìn)一步研究。

由于機(jī)收品種對(duì)氣候環(huán)境及施氮水平的適應(yīng)力不同，其高產(chǎn)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮程度也存在差異[18-21]，本研究中對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的20個(gè)機(jī)收品種按照施氮水平進(jìn)行聚類分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)在河南鄲城點(diǎn)，WY178在各個(gè)施氮水平下均屬于高產(chǎn)品種，因此在此點(diǎn)可以優(yōu)先種植WY178，發(fā)揮其高產(chǎn)性好和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)。在陜西戶縣點(diǎn)，大多品種均能表現(xiàn)出高產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，在氮肥減施情況下，可以選用WK518、WY178和K6961等品種，以達(dá)到高產(chǎn)的目的。

3.2 玉米產(chǎn)量和生物量的關(guān)系

玉米生產(chǎn)是群體的生產(chǎn)，干物質(zhì)積累是玉米產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，增加干物質(zhì)積累量對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)具有重大意義[22]。隨著生育期的推進(jìn)，植株生物量的增加呈先快后慢的趨勢(shì)[23]，其變化還受品種、施肥、灌水、種植密度和間套作方式等因素的影響[24-28]。本研究中，在河南鄲城點(diǎn)，隨著施氮量的增加，地上部生物量呈先增后降趨勢(shì)，這表明在施氮量為160 kg N·hm-2時(shí)，即可滿足植株對(duì)氮素吸收和利用的需求，持續(xù)增氮?jiǎng)t無(wú)顯著變化，這與陶靜靜等[29]的研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)高產(chǎn)機(jī)收品種如WY178來(lái)說(shuō)，隨施氮量的增加，生物量在莖和葉中所占的比例呈先增后減趨勢(shì)，在正常氮水平下減至較低水平，生物量在籽粒中的分配則達(dá)較高水平(圖2)，這表明高產(chǎn)品種能夠根據(jù)生長(zhǎng)條件協(xié)調(diào)配置營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官中資源的積累和分配，降低營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)光合產(chǎn)物的消耗比例，提高光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移和累積，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限資源的高效利用，進(jìn)而獲得高產(chǎn)。本研究?jī)H研究了玉米成熟期生物量在各個(gè)器官的分配，其花前花后干物質(zhì)積累量對(duì)地上部生物量的貢獻(xiàn)以及營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官對(duì)光合產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制仍有待深入探索。

對(duì)于玉米生物量和產(chǎn)量的關(guān)系，前人研究結(jié)果表明，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段玉米總生物量和產(chǎn)量是光合有效輻射、輻射截獲率以及輻射利用率的函數(shù)[25]，玉米籽粒產(chǎn)量與吐絲期和成熟期根系和地上部生物量及成熟期的根冠比呈顯著相關(guān)[30-31]。綜合試驗(yàn)中所有因素，本研究(表4和圖4)也發(fā)現(xiàn)，成熟期玉米植株地上部生物量和籽粒產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)，回歸方程也達(dá)顯著水平，這對(duì)于進(jìn)一步深入研究產(chǎn)量形成機(jī)制和推求玉米產(chǎn)量生產(chǎn)函數(shù)提供了一定的參考依據(jù)。