宋 杰 王少祥 李 亮 黃金苓 趙 斌 張吉旺 任佰朝 劉 鵬,*

施鉀量對(duì)夏玉米氮、磷、鉀吸收利用和籽粒產(chǎn)量的影響

宋 杰1王少祥2李 亮2黃金苓2趙 斌1張吉旺1任佰朝1劉 鵬1,*

1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 / 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東泰安 271018;2東平縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 山東泰安 271500

于2019—2020年在山東省泰安市東平農(nóng)科所以登海605 (DH605)為試驗(yàn)材料進(jìn)行大田試驗(yàn), 在統(tǒng)一氮、磷肥用量(N 225 kg hm–2、P2O5110 kg hm–2)的條件下, 設(shè)置5個(gè)K2O施用量, 分別為0 kg hm–2(K0)、150 kg hm–2(K1)、225 kg hm–2(K2)、300 kg hm–2(K3)和375 kg hm–2(K4), 研究連續(xù)多年秸稈還田條件下施鉀量對(duì)夏玉米籽粒產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及利用的影響。結(jié)果表明, 施鉀顯著提高了夏玉米籽粒產(chǎn)量, 2年均在225 kg K2O hm–2時(shí)增幅最高, 2019年和2020年籽粒產(chǎn)量分別增加13.64%和15.27%; 施鉀顯著提高了葉面積指數(shù)、生物量及干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)的強(qiáng)度, 促進(jìn)植株對(duì)氮、磷、鉀的吸收, 提高玉米氮、磷、鉀積累量及花后氮、磷積累比例, 但當(dāng)施鉀量>225 kg hm–2時(shí)增效降低。玉米養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量隨施鉀量的增加也呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì), 在施鉀300 kg hm–2時(shí)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率最高。施鉀也提高了夏玉米養(yǎng)分利用效率。225 kg K2O hm–2時(shí)玉米養(yǎng)分收獲指數(shù), 氮、磷、鉀肥表觀利用率和鉀肥農(nóng)學(xué)利用率都維持在較高水平, 施鉀量超過(guò)300 kg hm–2后肥料利用效率則明顯下降。適量施鉀可促進(jìn)夏玉米地上部生長(zhǎng), 顯著提高植株生物量和夏玉米氮、磷、鉀素吸收效率與積累量, 并優(yōu)化花后養(yǎng)分積累與分配, 提高養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)率, 進(jìn)而提高了夏玉米產(chǎn)量與養(yǎng)分利用率。綜合考慮玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)運(yùn)及肥料利用等因素, 本試驗(yàn)條件下以施鉀量為225 kg hm–2較為適宜。

施鉀量; 夏玉米; 養(yǎng)分吸收利用; 籽粒產(chǎn)量

玉米作為我國(guó)第一大糧食作物, 其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對(duì)保證我國(guó)糧食安全具有重要作用[1]。玉米產(chǎn)量潛力較高, 但由于其對(duì)外部生長(zhǎng)因子的高度敏感性, 會(huì)導(dǎo)致每年的玉米產(chǎn)量發(fā)生波動(dòng), 導(dǎo)致玉米年產(chǎn)量不穩(wěn)定, 造成這種現(xiàn)象的主要原因之一是土壤肥力不足和施肥不平衡[2-4]。據(jù)調(diào)查北方玉米種植區(qū)養(yǎng)分投入總量平均為512 kg hm–2, 而純鉀投入量?jī)H為68 kg hm–2, 鉀肥投入量偏低[3]。1980—2015年全國(guó)農(nóng)田鉀素總盈虧平衡量平均為17萬(wàn)噸K2O, 黃淮海平原平均僅為4萬(wàn)噸K2O, 低于全國(guó)平均水平, 且黃淮海平原的單位面積鉀素盈虧平衡量至2015年仍處于虧缺狀態(tài)[4]。土壤缺鉀, 直接阻礙玉米根系和莖葉的正常發(fā)育, 進(jìn)而影響水分和養(yǎng)分的吸收利用、光合產(chǎn)物的合成與運(yùn)輸[5-10]。在水分及氮、磷肥供應(yīng)充足的條件下增施鉀肥能促進(jìn)玉米葉片生長(zhǎng), 提高光合性能, 增加玉米群體干物質(zhì)積累量并促進(jìn)鉀素吸收, 提高鉀素由營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量, 有利于玉米增產(chǎn)[11-17]。在黃淮海夏玉米區(qū), 登海661在施鉀184 kg hm–2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量10.52 t hm–2, 鄭單958在施鉀201 kg hm–2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量9.30 t hm–2 [6]。然而過(guò)量施用鉀肥并不會(huì)使玉米產(chǎn)量進(jìn)一步提高, 反而會(huì)造成鉀肥資源浪費(fèi)[9-11,18]。當(dāng)施鉀量超過(guò)作物正常發(fā)育所需時(shí), 會(huì)導(dǎo)致玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期養(yǎng)分代謝過(guò)旺, 光合性能降低, 不利于吐絲后養(yǎng)分積累, 并由此導(dǎo)致產(chǎn)量降低[6,18]。施鉀量不足不僅影響作物對(duì)鉀的吸收, 而且因養(yǎng)分投入不平衡, 最小養(yǎng)分限制了其他養(yǎng)分尤其是氮、磷的吸收, 養(yǎng)分元素間的拮抗作用以及由此導(dǎo)致養(yǎng)分的淋失, 降低了肥料利用效率[19-20]。目前, 關(guān)于施鉀對(duì)玉米生產(chǎn)的影響多為秸稈大面積還田以前進(jìn)行的研究。秸稈還田對(duì)土壤物理性狀有顯著的正向影響[21-22]。秸稈還田可以破壞犁底層, 增加耕層厚度, 不僅能有效降低土壤容重, 還可以增加土壤孔隙度, 顯著改善土壤結(jié)構(gòu)。連續(xù)多年的秸稈還田可以使土壤性質(zhì)不斷改善, 使包括鉀肥在內(nèi)的肥料資源得到更有效的利用[21]。在有關(guān)鉀肥的研究中, 多年秸稈還田后的報(bào)道較少。因此探明黃淮海夏玉米區(qū)多年秸稈還田后不同施鉀量下玉米氮、磷、鉀吸收利用的差異及其對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響, 對(duì)指導(dǎo)玉米合理施肥十分必要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020年在山東省泰安市東平農(nóng)科所(35°90'N, 116°36'E)進(jìn)行, 試驗(yàn)田地處山東半島中部, 屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 種植制度為冬小麥/夏玉米一年兩熟。試驗(yàn)田已經(jīng)連續(xù)6年將小麥和玉米秸稈粉碎后還田。2012—2018年, 在小麥、玉米收獲后將全部秸稈粉碎, 均勻撒施到地表, 并立即翻埋。小麥秸稈還田量年均為5000 kg hm–2, 玉米秸稈還田量年均為6200 kg hm–2。播前土壤耕層養(yǎng)分含量為: 速效氮24.16 mg kg–1、有效磷33.41 mg kg–1、速效鉀51.57 mg kg–1、pH 6.87、有機(jī)質(zhì)13.21 g kg–1。樣品分析在山東農(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)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉面積指數(shù) 于拔節(jié)期(V6)在田間選擇具有代表性的植株10株掛牌標(biāo)記, 在拔節(jié)期(V6)、小喇叭口期(V9)、大喇叭口期(V12)、抽雄期(Vt)、灌漿期(R2)和乳熟期(R3)定株測(cè)量標(biāo)記植株各葉片的葉長(zhǎng)和最大葉寬, 在灌漿期(R2)、乳熟期(R3)僅測(cè)量葉片綠葉面積的最大長(zhǎng)度和寬度。單株葉面積=∑完全展開(kāi)葉的葉長(zhǎng)×葉寬×0.75＋∑未完全展開(kāi)葉的葉長(zhǎng)×葉寬×0.5; 葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)=(單株葉面積×單位面積株數(shù))/占地面積。

1.3.2 植株養(yǎng)分含量測(cè)定 于小喇叭口期(V9)、大喇叭口期(V12)、抽雄期(Vt)、灌漿期(R2)、乳熟期(R3)和完熟期(R6)在各小區(qū)中部取5株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株。將植株按照葉片(含苞葉)、莖稈(含雄穗、葉鞘、穗軸和地下莖)、籽粒分開(kāi)。105℃殺青30 min后80℃烘干至恒重后稱(chēng)重, 將樣品粉碎用于測(cè)定養(yǎng)分含量。樣品經(jīng)濃H2SO4-H2O2消煮, 采用BRAN+LUEBBE III型(德國(guó))連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定全氮和全磷含量, Sherwood M410型火焰光度計(jì)測(cè)定全鉀含量。

1.3.3 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(t hm–2)=灌漿期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量(t hm–2)?完熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量(t hm–2);

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(t hm–2)/灌漿期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量(t hm–2)×100;

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%)=營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(t hm–2)/完熟期籽粒干物質(zhì)積累量(t hm–2)×100;

植株氮(磷、鉀)積累量(kg hm–2)=單株干重(kg plant–1)×田間種植密度(plant hm–2)×單株含氮(磷、鉀)量(%);

開(kāi)到自己家的停車(chē)位，馮一余發(fā)現(xiàn)車(chē)位被占了，起先還以為自己開(kāi)錯(cuò)了位子，搖下車(chē)窗玻璃朝外看了看，沒(méi)錯(cuò)，和自己的車(chē)牌號(hào)對(duì)應(yīng)的那個(gè)停車(chē)位，確實(shí)被別的車(chē)給占了。

氮(磷、鉀)吸收效率(kg kg–1)=完熟期地上部氮(磷、鉀)吸收量(kg hm–2)/肥料中純氮(磷、鉀)量(kg hm–2);

營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2)=灌漿期營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分積累量(kg hm–2)?完熟期營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分積累量(kg hm–2);

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)＝營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2)/灌漿期營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分積累量(kg hm–2)×100;

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%)＝營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2)/完熟期籽粒養(yǎng)分積累量(kg hm–2)×100;

氮(磷、鉀)收獲指數(shù)(%)=籽粒中氮(磷、鉀)積累量(kg hm–2)/植株地上部氮(磷、鉀)積累量(kg hm–2)× 100;

氮(磷、鉀)肥表觀利用率(%)=[施鉀區(qū)植株地上部氮(磷、鉀)積累量(kg hm–2)?不施鉀區(qū)植株地上部氮(磷、鉀)積累量(kg hm–2)]/施肥量(kg hm–2)×100;

鉀肥農(nóng)學(xué)利用率(kg kg–1)=[施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg hm–2)?不施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg hm–2)]/施肥量(kg hm–2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理, 采用DPS18.10軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差分析。利用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施鉀量對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

施鉀顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量(<0.05, 表1), 2019年增產(chǎn)幅度為7.32%～13.64%; 2020年增幅為8.48%～15.27%, 2年內(nèi)均以K2處理籽粒產(chǎn)量最高。在不同施鉀處理中, 2019年K2處理顯著高于K1、K3、K4處理, 但K1、K3、K4處理間差異不顯著; 2020年K1、K2處理顯著高于K3、K4處理, 但K1與K2處理之間、K3與K4處理之間均無(wú)顯著性差異。施鉀提高了玉米的單位面積穗粒數(shù)和千粒重。施鉀后穗粒數(shù)與千粒重呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 均以K2處理最高。除2019年K0處理穗粒數(shù)與K1、K3、K4處理差異不顯著外, 2年內(nèi)施鉀處理的穗粒數(shù)和千粒重均顯著高于K0處理(<0.05)。

2.2 施鉀量對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)的影響

玉米葉面積指數(shù)在2019年和2020年生育期內(nèi)均呈單峰曲線(xiàn)變化趨勢(shì), 在Vt期達(dá)到最大值(圖1)。各生育時(shí)期葉面積指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致, 均以K2處理最高, K0處理最低。2019年Vt期, 與K0處理相比, K1、K2、K3、K4處理分別提高26.95%、29.81%、26.80%、20.28%; 2020年分別提高23.42%、24.29%、21.28%、12.90%, 各處理間差異顯著(<0.01)?？梢?jiàn)在0～225 kg hm–2范圍內(nèi)施鉀可顯著提高葉面積, 施用量繼續(xù)增加則增效降低。

2.3 施鉀量對(duì)夏玉米干物質(zhì)積累的影響

自Vt期后, 各處理干物質(zhì)積累量表現(xiàn)出明顯的差異, 隨施鉀量的增加先升高后降低, 至R6期均表現(xiàn)為K0處理最低, K2處理最高(圖2)。2019年R6期, K1、K2、K3、K4處理干物質(zhì)積累量分別較K0處理增加25.28%、45.01%、34.59%、20.01%; 2020年分別增加28.14%、30.65%、20.47%、15.08%, 各處理間差異顯著(<0.01)。2019年R2～R6期各處理干物質(zhì)積累量占最終干物質(zhì)積累量的比例分別為62.55%、70.53%、70.03%、68.43%、65.32%; 2020年分別為61.89%、66.47%、65.20%、63.12%、64.28%, 可見(jiàn)施鉀提高了夏玉米花后干物質(zhì)積累比例。

表1 施鉀量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

同年同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied, K1: 150 kg hm–2K2O applied, K2: 225 kg hm–2K2O applied, K3: 300 kg hm–2K2O applied, K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

圖1 不同處理夏玉米葉面積指數(shù)變化

V6: 拔節(jié)期; V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌漿期; R3: 乳熟期。*和**分別表示在0.05和0.01水平上處理之間差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied; V6: elongation stage; V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; Vt: tassel stage; R2: filing stage; R3: milking stage. * and ** indicate significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 施鉀量對(duì)夏玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

施鉀顯著提高干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)的強(qiáng)度, 但不同處理間各器官表現(xiàn)不同(<0.05, 表2)。2019年, 各處理總干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量在0.39～1.71 t hm–2之間, 2020年在0.76～2.48t hm–2之間。2019年, 玉米葉片轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及貢獻(xiàn)率均以K2處理最高, K1處理次之, K1、K2處理均顯著高于K0處理; 在2020年則以K3處理最高, K2、K3、K4處理間無(wú)顯著性差異但顯著高于K1、K0處理。2019年, 玉米莖稈干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及貢獻(xiàn)率規(guī)律一致, 均表現(xiàn)為K3>K2>K4>K1>K0, K3與K2處理間無(wú)顯著差異但顯著高于K0、K1、K4處理; 2020年表現(xiàn)為K3>K4>K2>K1>K0, K3處理干物質(zhì)處理轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及貢獻(xiàn)率均顯著高于其他處理,僅轉(zhuǎn)運(yùn)率與K4處理無(wú)顯著差異。玉米總干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及貢獻(xiàn)率均隨施鉀量的增加先升高后降低, 2019年以K2處理最高, 2020年以K3處理最高, 2年內(nèi)各施鉀處理均顯著高于K0處理。

2.5 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分積累量的影響

隨著生育進(jìn)程的推進(jìn), 玉米氮、磷積累量呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢(shì), 而鉀素積累量則呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)(表3)。K0處理鉀素積累量在R2期達(dá)到最大值, K1、K2、K3、K4處理則在R3期達(dá)到最大鉀素積累量。施鉀提高了各時(shí)期夏玉米氮、磷、鉀積累量。至R6期玉米氮、磷、鉀積累量表現(xiàn)為, 隨施鉀量的增加先升高后下降的趨勢(shì), 均以K0處理最低, K2處理最高, 且施鉀處理均顯著高于K0處理(<0.05)。2019年施鉀后夏玉米R(shí)6期氮、磷、鉀積累量分別增加45.37～102.10 kg hm–2、18.36～29.40 kg hm–2、40.93～69.07 kg hm–2; 2020年氮、磷、鉀積累量增幅分別為40.81～105.10 kg hm–2、27.07～40.73 kg hm–2、46.73～92.80 kg hm–2。2019年各處理花后氮素積累百分率分別為28.79%、29.23%、41.45%、24.06%、43.38%, 2020年分別為26.99%、42.25%、50.29%、39.86%、41.74%; 2019年花后磷素積累百分率分別為39.80%、49.71%、45.30%、43.49%、49.38%, 2020年分別為48.28%、60.28%、56.77%、52.03%、54.99%?？梢?jiàn)施鉀提高了夏玉米花后氮、磷積累比例, 而在生育后期, 由于鉀素存在流失、淋洗的情況, 因此并未提高花后鉀素積累比例。

2.6 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分吸收效率的影響

施鉀顯著提高了玉米氮、磷、鉀吸收效率(<0.05, 表4)。植株氮、磷吸收效率在2019年和2020年均隨施鉀量的增加先升高后降低, 以K2處理顯著高于其他處理。2019年, K1、K2、K3、K4處理氮素吸收效率較K0處理分別提高35.09%、78.95%、49.12%、38.59%; 2020年分別提高25.00%、88.46%、57.69%、40.38%。2019年磷素吸收效率分別提高41.27%、41.27%、33.33%、14.29%; 2020年分別提高37.50%、58.93%、46.43%、23.21%。各施鉀處理中鉀素吸收效率隨施鉀量的增加逐漸降低, 2年內(nèi)均以K1處理顯著高于各處理(<0.05)。

2.7 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

施鉀顯著提高了夏玉米氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量, 隨施鉀量的增加呈先增高后降低的趨勢(shì), 均以K3處理顯著高于其他處理(<0.05, 表5)。2019年, 與K0處理相比, 施鉀使夏玉米氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高242.89%～320.74%、46.95%～89.31%、14.83%～ 66.27%; 2020年分別提高198.26%～261.73%、39.13%～126.05%、48.94%～84.16%。施鉀對(duì)玉米氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)率影響較大, 2年內(nèi)各施鉀處理均顯著高于K0處理, 對(duì)鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)率影響較小, 除2020年K2處理顯著低外, 其余處理間均無(wú)顯著差異。籽粒氮、磷、鉀積累量隨鉀肥的施入而增加, 在施鉀量達(dá)到225 kg hm–2后降低, 2年內(nèi)趨勢(shì)一致。盡管K2處理籽粒氮、磷、鉀積累量最高, 但其營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率卻并未顯著高于其他處理。玉米養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率與轉(zhuǎn)運(yùn)量變化規(guī)律一致, 氮、磷、鉀均以K3處理最高, 2年試驗(yàn)趨勢(shì)一致。

圖2 不同處理夏玉米群體干物質(zhì)積累量變化

V6: 拔節(jié)期; V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌漿期; R3: 乳熟期; R6: 完熟期。*和**分別表示在0.05和0.01水平上處理之間差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. V6: elongation stage; V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; Vt: tassel stage; R2: filling stage; R3: milking stage; R6: maturing stage. * and ** indicate significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively.

表3 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分積累量的影響

V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌漿期; R3: 乳熟期; R6: 完熟期。同年同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; VT: tassel stage; R2: filling stage; R3: milking stage; R6: maturing stage. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

表4 施鉀量對(duì)夏玉米植株養(yǎng)分吸收效率的影響

(續(xù)表4)

同年同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

表5 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

同年同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

2.8 施鉀量對(duì)夏玉米肥料利用效率的影響

施鉀顯著提高了夏玉米的肥料利用效率(<0.05, 表6)。氮收獲指數(shù)在2019年和2020年內(nèi)均以K1處理最高, 除2020年與K4處理無(wú)顯著差異外, 均顯著高于其他處理。2年內(nèi)磷收獲指數(shù)均在K3處理下達(dá)到最高值, 但K3處理與K2、K4處理間差異不顯著。2019年, 鉀收獲指數(shù)以K3處理最高, 與K1處理無(wú)顯著差異但顯著高于K0、K2、K4處理; 2020年則以K1處理最高, 顯著高于K3、K4處理但與K0、K2處理無(wú)顯著差異。隨施鉀量的增加, 氮、磷、鉀素表觀利用率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì), 均以K2處理顯著高于各處理, 僅2020年K2與K3處理的磷素表觀利用率無(wú)顯著差異。鉀肥農(nóng)學(xué)利用率隨鉀肥的施入不斷降低, 以K1處理最高, 但K1、K2處理間無(wú)顯著性差異(<0.05)。因此施鉀可以提高夏玉米肥料利用效率, 當(dāng)施鉀量在225 kg hm–2時(shí)養(yǎng)分收獲指數(shù)、肥料表觀利用率和鉀肥農(nóng)學(xué)利用率均維持在較高水平, 而施鉀過(guò)量, 尤其是超過(guò)300 kg hm–2后則會(huì)降低玉米對(duì)肥料的利用效率。

表6 施鉀量對(duì)夏玉米養(yǎng)分利用效率的影響

同年同一列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

3 討論

前人關(guān)于施鉀增產(chǎn)的效應(yīng)進(jìn)行了大量研究, 李波等[6]在黃淮海地區(qū)秸稈不還田條件下測(cè)得施鉀最高可使兩品種夏玉米增產(chǎn)6.36%～7.58%, 謝佳貴等[15]對(duì)春玉米進(jìn)行的試驗(yàn)中表明在秸稈不還田條件下施鉀使籽粒產(chǎn)量增加9.6%, 而在秸稈還田后, 施鉀最高可使籽粒產(chǎn)量增加13.8%。本試驗(yàn)中, 連續(xù)6年秸稈還田后施鉀顯著提高了夏玉米籽粒產(chǎn)量。與不施鉀相比, 2019年施鉀使夏玉米籽粒產(chǎn)量提高7.32%～13.64%, 2020年增幅為8.48%～15.27%, 較前人在秸稈不還田條件下得到的產(chǎn)量增幅有所提高。2年內(nèi)籽粒產(chǎn)量均在施鉀225 kg hm–2時(shí)最高, 但施鉀量與產(chǎn)量之間并不是完全呈正比關(guān)系。當(dāng)施鉀量超過(guò)225 kg hm–2后, 產(chǎn)量增幅降低, 這與前人研究結(jié)果一致[6,18]。相關(guān)研究表明, 施鉀可以顯著提高玉米的生物學(xué)產(chǎn)量[9,14-15]。本試驗(yàn)中玉米干物質(zhì)積累量隨施鉀量的增加先增加后減少, 施鉀量在225 kg hm–2時(shí)最高。施鉀還提高了玉米花后干物質(zhì)積累比例及花后干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)的強(qiáng)度。玉米的干物質(zhì)積累主要來(lái)源于葉片[18]。鉀在玉米體內(nèi)呈離子狀態(tài), 多集中在植株最活躍的部分, 葉片鉀濃度增加, 可以減少葉肉細(xì)胞對(duì)CO2的阻抗, 提高植株對(duì)CO2的同化能力促進(jìn)光合作用[23]。充足的鉀肥有利于葉面積的快速擴(kuò)展, 提高葉片光合速率[24-25]。本試驗(yàn)中施鉀顯著提高了玉米養(yǎng)分含量, 增大玉米葉面積, 從而提高玉米干物質(zhì)積累。且充足的鉀肥可以延緩葉片衰老, 延長(zhǎng)光合功能期[5], 這是施鉀使玉米花后干物質(zhì)積累比例提高的重要原因。但鉀肥并非越多越好。鉀肥過(guò)量會(huì)導(dǎo)致葉片葉綠素含量降低, 葉片光合性能下降, 影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收, 阻礙植株的正常生長(zhǎng)[26], 而且施鉀量過(guò)高會(huì)增加土壤中交換性K+含量, 可能會(huì)影響土壤中K+/(Ca2++Mg2+)的正常比值, 造成植株吸鉀過(guò)多, 使植株對(duì)K+、Ca2+、Mg2+的吸收比例失調(diào), 影響作物籽粒發(fā)育, 最終導(dǎo)致干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的下降[27]。

鉀與氮、磷營(yíng)養(yǎng)之間存在著一定的互作效應(yīng)。相比于全肥料狀態(tài), 缺乏任何一種養(yǎng)分均會(huì)降低作物對(duì)氮、磷、鉀素的吸收效率, 施氮鉀肥、磷鉀肥均比不施肥顯著提高植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和積累[28-29]。施鉀后可提高作物的養(yǎng)分含量, 并提高作物對(duì)氮、磷肥的利用效率[30]。養(yǎng)分吸收效率是表征植株對(duì)環(huán)境中養(yǎng)分吸收能力的重要指標(biāo), 在本試驗(yàn)中, 玉米氮、磷吸收效率隨施鉀量的增加先升高后降低, 施鉀量為225 kg hm–2時(shí)最高, 鉀素吸收效率則隨施鉀量的增加逐漸降低。養(yǎng)分積累是作物物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。在生育后期, 養(yǎng)分積累的多少在很大程度上決定了籽粒產(chǎn)量的高低[31-34]。本試驗(yàn)中, 植株氮、磷積累量隨生育期的推進(jìn)不斷增加, 鉀素積累量則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 這是因?yàn)殁浀牧鲃?dòng)性較強(qiáng), 生育后期能以外滲的方式從植株葉片流失。K0處理鉀素積累量在灌漿期就已達(dá)到最大值, 而各施鉀處理在乳熟期達(dá)到最大值, 說(shuō)明不施鉀肥使鉀素轉(zhuǎn)移、流失提前。2年內(nèi)玉米氮、磷、鉀積累量均隨施鉀量的增加先升高后降低, 以K2處理最高。籽粒灌漿開(kāi)始后的養(yǎng)分積累是玉米籽粒養(yǎng)分的重要來(lái)源[34-35]。在本試驗(yàn)中施鉀顯著提高夏玉米花后氮、磷積累比例, 與花后干物質(zhì)積累比例變化趨勢(shì)一致, 均隨施鉀量的增加先升高后降低, 以K2處理最高。綜上所述, 適量施鉀使夏玉米有較高的氮、磷、鉀素積累優(yōu)勢(shì), 對(duì)花后氮、磷積累影響較花前更大, 花后養(yǎng)分吸收促進(jìn)玉米花后干物質(zhì)積累, 為夏玉米產(chǎn)量提高奠定基礎(chǔ)。

籽粒養(yǎng)分積累是花后養(yǎng)分積累和花前養(yǎng)分再轉(zhuǎn)運(yùn)共同作用的結(jié)果[36-37]。玉米對(duì)鉀素的吸收主要集中在生育前期, 灌漿期以后吸收逐漸減少, 因此營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)是籽粒中鉀素的主要來(lái)源, 適宜的鉀肥用量有利于提高養(yǎng)分由營(yíng)養(yǎng)體向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及籽粒養(yǎng)分比例[25,35,37-38]。本研究表明, 施鉀不但提高夏玉米生殖生長(zhǎng)階段對(duì)氮、磷、鉀的吸收積累, 還促進(jìn)了此階段營(yíng)養(yǎng)器官氮、磷、鉀素的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)。施鉀顯著提高了玉米營(yíng)養(yǎng)器官氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)率, 進(jìn)而提高營(yíng)養(yǎng)體的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量。2019年, 施鉀使夏玉米氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高242.89%～ 320.74%、46.95%～89.31%、14.83%～66.27%; 2020年分別提高198.26%～261.73%、39.13%～126.05%、48.94%～84.16%, 2年內(nèi)均在K3處理下最高, 說(shuō)明施鉀促進(jìn)玉米花前儲(chǔ)存更多的養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 對(duì)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)影響最大。施鉀增加玉米養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量的同時(shí), 提高了養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率。夏玉米鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率最高, 高達(dá)66.35%～81.85%, 氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率分別在12.52%～40.52%、28.37%～42.17%之間(2020年)。玉米營(yíng)養(yǎng)器官氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率均隨施鉀量的增加先升高后降低, 在K3處理下達(dá)到最高值。養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率的提高表明植株花前營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)更旺盛, 但過(guò)高的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)體養(yǎng)分代謝過(guò)旺, 引起葉片衰老進(jìn)程加快、光合能力下降, 限制產(chǎn)量提高[39]。因而本研究中K3處理雖養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率最高, 但產(chǎn)量卻低于K2處理。

施鉀在促進(jìn)產(chǎn)量提高的同時(shí), 顯著提高了玉米氮、磷、鉀肥的肥料利用效率。適量施鉀可以提高肥料利用率, 但隨著施鉀量增加, 肥料利用率呈下降趨勢(shì)[40]。本研究結(jié)果表明, 施鉀提高了夏玉米的肥料收獲指數(shù), 植株氮、磷、鉀肥表觀利用率隨鉀肥的施入先增大后降低, 其中施鉀量為225 kg hm–2時(shí)肥料表觀利用率最高。說(shuō)明適量施鉀通過(guò)促進(jìn)群體養(yǎng)分積累提高了肥料利用效率。在黃淮海平原, 李波等[6]研究結(jié)果表明在秸稈不還田條件下, 施鉀0～360 kg hm–2范圍內(nèi), 玉米鉀肥農(nóng)學(xué)利用率變化在-0.15～4.18 kg kg–1之間; 姚培清等[9]試驗(yàn)表明施鉀0～300 kg hm–2范圍內(nèi), 經(jīng)小麥秸稈一年還田后玉米鉀肥農(nóng)學(xué)利用率為2.19～5.54kg kg–1。本試驗(yàn)中鉀肥農(nóng)學(xué)利用率則隨肥料的施入不斷降低, 但K1、K2處理間無(wú)顯著性差異, 在施鉀0～375 kg hm–2范圍內(nèi), 2019年鉀肥農(nóng)學(xué)利用率變化在2.46～11.01 kg kg–1之間, 2020年變化范圍為1.46～11.63 kg kg–1, 相較前人有明顯提高。綜上所述, 施鉀不足與過(guò)量都會(huì)導(dǎo)致夏玉米產(chǎn)量降低, 同時(shí)肥料利用效率也降低, 而施鉀量在225 kg hm–2時(shí)可提高玉米對(duì)肥料的利用效率,獲得較高產(chǎn)量。同時(shí), 多年秸稈還田可提高玉米對(duì)鉀肥的利用效率, 使施鉀對(duì)玉米產(chǎn)量的增效提高。

4 結(jié)論

本研究表明, 合理施用鉀肥有效促進(jìn)了夏玉米對(duì)氮、磷、鉀的吸收, 有利于葉面積的擴(kuò)展和干物質(zhì)積累量的提高, 增加花前營(yíng)養(yǎng)器官貯存的干物質(zhì)和氮、磷、鉀素向籽粒的再轉(zhuǎn)運(yùn), 提高轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率和植株對(duì)氮、磷、鉀肥的吸收利用效率。綜合考慮玉米籽粒產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用特性等因素, 在黃淮海夏播玉米區(qū)連續(xù)多年秸稈還田條件下, 夏玉米推薦的施鉀量應(yīng)該在225 kg hm–2左右。

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Effects of potassium application rate on NPK uptake and utilization and grain yield in summer maize (L.)

SONG Jie1, WANG Shao-Xiang2, LI Liang2, HUANG Jin-Ling2, ZHAO Bin1, ZHANG Ji-Wang1, REN Bai-Zhao1, and LIU Peng1,*

1State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agriculture, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China;2Dongping County Agricultural and Rural Bureau, Tai’an, 271500, Shandong, China

Field experiments were conducted at Dongping Agricultural Science Institute, Tai’an city, Shandong province from 2019 to 2020, using Denghai 605 (DH605) as the experimental material. To study the effects of K application on summer maize grain yield, nutrient uptake and transportation, and utilization under continuous multi-year straw return conditions, five K2O application rates of 0 kg hm–2(K0), 150 kg hm–2(K1), 225 kg hm–2(K2), 300 kg hm–2(K3), and 375 kg hm–2(K4) were set under uniform N and P fertilizer rates (N 225 kg hm–2and P2O5110 kg hm–2). The results showed that K application significantly increased grain yield with the highest increase at 225 kg hm–2in both years, 13.64% and 15.27% in 2019 and 2020, respectively. K application significantly increased maize leaf area index, biomass and the intensity of dry matter transfer to the ears, promoted plant uptake of N, P and K, and increased maize N, P and K accumulation and the proportion of N and P accumulation after flowering, but the efficiency gain decreased when the K application was less than 225 kg hm–2. With the increase of K application, the nutrient transport of maize increased and then decreased, with the highest amount of nutrient translocation and the contribution rate of nutrient translocation at 300 kg hm–2.The nutrient harvest index, apparent utilization efficiency of N, P, and K, and agronomic utilization efficiency of K remained at a high level when K application rate was at 225 kg hm–2, and the fertilizer utilization efficiency decreased significantly when K application rate exceeded 300 kg hm–2. The appropriate amount of K application promoted the shoot growth of summer maize, increased biomass accumulation, significantly improved the uptake efficiency and plant N, P, and K accumulation of summer maize, optimized post-flowering nutrient accumulation and distribution, and improved the contribution of nutrient translocation to the formation of grain yield, thus improving the grain yield and nutrient utilization of summer maize. Considering the factors of grain yield, nutrient accumulation and transport, and fertilizer utilization, the K application rate of 225 kg hm–2was suitable for this experiment.

potassium application; summer maize; nutrient uptake and utilization; grain yield

10.3724/SP.J.1006.2023.13067

本研究由山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(LJNY202103)和山東省玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(SDAIT-02-08)資助。

This study was supported by the Shandong Province Key Research and Development Project (LJNY202103) and the Shandong Provincial Maize Industry Technology System Project (SDAIT-02-08).

劉鵬, E-mail: liup@sdau.edu.cn

E-mail: 1253500871@qq.com

2021-11-22;

2022-02-25;

2022-03-24.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220323.1716.002.html

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