張正珍,慕瑞瑞,2,王佳,3,徐燦,陳永偉,張戰(zhàn)勝,吳宏亮,康建宏
(1寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750021;2海原縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,寧夏海原 751800;3平羅縣紅果子鎮(zhèn)農(nóng)技站,寧夏平羅 753400;4寧夏農(nóng)墾農(nóng)林牧技術(shù)推廣服務(wù)中心,銀川 750024;5寧夏農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,銀川 750001)
玉米是中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一,其生產(chǎn)的多少將直接影響中國(guó)糧食安全和谷物工業(yè)的發(fā)展,因此提高玉米產(chǎn)量是保證中國(guó)食品安全的重要途徑[1]。鉀是玉米生長(zhǎng)所必需的重要元素,又是植物體內(nèi)多種酶的激活劑,可直接參與作物體內(nèi)多種代謝過(guò)程,促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和作物對(duì)氮、磷等養(yǎng)分的吸收利用[2-3]。寧夏被認(rèn)為是鉀素相對(duì)豐富地區(qū),致使人們只注重氮磷的施用,忽略鉀肥的施用,推薦的施肥方案中幾乎不施鉀肥,又因長(zhǎng)期高產(chǎn)帶走較多鉀素,造成土壤和作物嚴(yán)重缺鉀,進(jìn)而影響到玉米產(chǎn)量。因此,想要玉米獲得高產(chǎn),必須注重鉀肥的使用。近年來(lái),許多研究者針對(duì)鉀肥用量對(duì)作物干物質(zhì)積累、作物群體鉀素吸收利用和鉀肥利用效率的影響進(jìn)行了大量研究,明確了作物干物質(zhì)積累和養(yǎng)分積累轉(zhuǎn)運(yùn)受施肥量的影響。胡志橋等[4]表明,施鉀能提高玉米植株鉀含量和吸鉀量,與不施鉀肥相比,玉米植株中的含鉀量比施鉀處理,含鉀量減少了20%~24.8%,吸鉀量降低了25.7%~28.7%。李波等[5]研究發(fā)現(xiàn),夏玉米產(chǎn)量和鉀素農(nóng)學(xué)利用率隨施鉀水平的增加呈先增后降趨勢(shì),鉀肥偏生產(chǎn)力隨施鉀水平的增加顯著減小。侯云鵬等[6]等表明,適宜的鉀肥用量促進(jìn)了鉀素向玉米籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)效率。有研究發(fā)現(xiàn),在中國(guó)南部紅壤丘陵區(qū),隨著施肥期限的增長(zhǎng),有機(jī)或無(wú)機(jī)肥配施處理對(duì)一年二季小麥的產(chǎn)量、吸鉀量、鉀肥使用率、鉀肥收獲指數(shù),以及鉀對(duì)農(nóng)學(xué)效果的改善效應(yīng)逐步提高[7]。大量的科學(xué)研究已經(jīng)證實(shí),鉀利用率與玉米生產(chǎn)具有明顯的正相關(guān)性,使用鉀有助于增加谷物對(duì)鉀吸收和鉀素吸收的利用率,而施用鉀能明顯提高谷物產(chǎn)量,并提高玉米穗粒數(shù)和百粒重,從而增加了谷物生產(chǎn)[8-9]。近年來(lái)對(duì)超高產(chǎn)夏玉米干物質(zhì)、養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配的研究大多基于不同種植模式及水肥運(yùn)籌方式下進(jìn)行[10-11],而針對(duì)寧夏干旱地區(qū)滴灌施肥條件下,鉀素用量對(duì)玉米干物質(zhì)和養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)運(yùn)及分配特性研究相對(duì)薄弱,且長(zhǎng)期缺鉀和鉀素用量對(duì)寧夏旱區(qū)滴灌施肥條件下,玉米干物質(zhì)、養(yǎng)分積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配機(jī)制并不清楚。通過(guò)探討施鉀量對(duì)玉米干物質(zhì)積累和鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)及利用效率的影響,明確滴灌施肥條件下施鉀量對(duì)玉米群體干物質(zhì)和鉀積累轉(zhuǎn)運(yùn)特性,以期為寧夏旱區(qū)滴灌施肥條件下的高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2018—2019年在寧夏銀川平吉堡進(jìn)行,地處106°01′E,38°24′N,平均海拔1170 m,年平均氣溫8.5℃,年平均降雨在200 mm 左右,年平均蒸發(fā)量在2000 mm以上,屬干旱地區(qū),土壤類型為淡灰鈣土。試驗(yàn)地土壤(0~20 cm)基本理化性狀見表1。
表1 2018—2019年試驗(yàn)地耕層土壤基本理化性狀
試驗(yàn)品種:‘先玉1225’,屬中晚熟玉米品種。
試驗(yàn)肥料:氮肥為尿素(含N≥46%),磷肥為磷酸一銨(含P2O5≥61%、N≥12%),鉀肥為硫酸鉀(含K2O≥52%),皆為水溶性肥料。
試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)6個(gè)鉀肥處理,分別為0、60、120、180、240、300 kg/hm2,依次標(biāo)記為K0、K1、K2、K3、K4和K5,每處理做3 次重復(fù),共18 個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為88 m2(長(zhǎng)20 m、寬4.4 m)。采用寬窄行種植模式,寬行70 cm,窄行40 cm,株距為20 cm,種植密度為90000 株/hm2。各處理氮肥和磷肥用量一致,分別為300 kg/hm2和138 kg/hm2,所有肥料均隨水施入。鉀肥和磷肥的施肥比例為:苗期30%、拔節(jié)期40%和大喇叭口期30%。氮肥的施肥比例為:苗期10%、拔節(jié)期30%、大喇叭口期30%、抽雄期20%、灌漿期10%。2018 和2019 年玉米種植日期分別為4 月18 日和4月20日,收獲日期分別為9月15日和9月18日。
在玉米拔節(jié)期(SL)、大喇叭口期(JT)、抽雄期(BT)、灌漿期(FL)和成熟期(MT)取不同處理中具有代表性植株5 株,將各器官分開,105℃殺青30 min,70℃烘干至恒重后稱重,采用硫酸—雙氧水消煮,火焰光度法測(cè)定全鉀含量。
成熟期,每小區(qū)收取中間2 行,測(cè)定每小區(qū)的穗數(shù),當(dāng)籽粒水分≤20%時(shí),人工脫粒,以14%標(biāo)準(zhǔn)含水量計(jì)算產(chǎn)量,收獲時(shí)選擇15 個(gè)代表性果穗,用于測(cè)定產(chǎn)量構(gòu)成因素。
部分參數(shù)計(jì)算如式(1)~(9)所示。
用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整合,SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,Origin 2021作圖。
由圖1可知,隨著玉米生育進(jìn)程的推進(jìn),植株干物質(zhì)積累呈遞增趨勢(shì),施鉀可顯著提高玉米地上部干物質(zhì)積累量(P<0.05),且隨施鉀量的增加呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì),各生育時(shí)期中均以K3處理下最高,較K0均具有顯著差異。成熟期(MT),施鉀處理較K0,干物質(zhì)積累量2年平均提高了3.04%~13.80%,干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為K3>K4>K2>K5>K1>K0。
圖1 不同施鉀量下玉米不同生育階段地上部干物質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化
2.2.1 不同施鉀量下玉米鉀積累動(dòng)態(tài)從2年不同生育階段玉米各器官鉀養(yǎng)分積累動(dòng)態(tài)變化可以看出(圖2),植株地上部葉和莖的鉀素積累量隨生育期的推進(jìn)呈先增后降趨勢(shì),以抽雄期(BT)鉀素積累量最高,植株地上部總養(yǎng)分隨生育期的推進(jìn)呈遞增趨勢(shì)。各器官鉀素積累量在各生育時(shí)期中均以K3處理下最高,較K0均具有顯著差異。K3較K0處理,葉片鉀素積累量?jī)赡昶骄岣?3.30%~65.11%,莖鉀素積累量2 年平均提高10.56%~53.08%,穗鉀素積累量?jī)赡昶骄岣?2.17%~42.57%。
圖2 不同施鉀量下玉米地上部不同生育階段鉀積累量
2.2.2 不同施鉀量下玉米鉀分配比例由圖3 可知,隨著玉米生育進(jìn)程的推進(jìn),葉鉀素積累量所占整個(gè)植株鉀素積累總量比例呈遞減趨勢(shì),且隨施鉀量的增加呈先升后降趨勢(shì),以K3處理下所占比例最大;莖中鉀素積累量占整個(gè)植株鉀素積累總量的比例隨玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升后降趨勢(shì),在抽雄期所占比例最大;穗鉀素積累量所占整個(gè)植株鉀素積累總量比例隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而遞增,且隨施鉀量的增加呈先升后降趨勢(shì)。施鉀提高了成熟期穗鉀素分配比例,降低了莖和葉鉀素分配比例,穗鉀素分配比例2 年平均提高了1.79%~8.04%;莖和葉總鉀素分配比例兩年平均降低了3.5%~19.92%。
圖3 不同施鉀量下玉米鉀分配比例
表2 可知,與K0相比,施鉀可顯著提高鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率,并隨鉀素水平的提高呈先增加后降低趨勢(shì),其中以K3處理轉(zhuǎn)運(yùn)效果最好。施鉀處理下葉鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量2年平均提高了18.65%~82.14%,莖鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量2 年平均提高了21.91%~55.32%;施鉀處理下葉鉀轉(zhuǎn)運(yùn)率2 年平均提高了6.57%~31.92%,莖鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量2年平均提高了13.75%~28.82%;施鉀處理下葉和莖中轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率兩年平均提高了20.40%~67.71%;積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率與轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率呈相反變化趨勢(shì)。不同施鉀水平下鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率和積累養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率無(wú)論增加或減少,均具有明顯的一致性。
表2 不同施鉀量下玉米鉀轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率
表3可知,鉀用量對(duì)鉀素吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力均具有顯著影響。鉀素吸收利用率、鉀素農(nóng)學(xué)利用率均隨施鉀量的增加呈先增后降趨勢(shì),以K3處理下最優(yōu),較其他處理,K3處理下的鉀素吸收利用效率兩年平均提高了20.09%~247.97%,鉀素農(nóng)學(xué)利用率兩年平均提高了37.47%~221.27%。鉀肥偏生產(chǎn)力隨施鉀水平的增加呈降低趨勢(shì),以K1處理鉀素偏生產(chǎn)力最大,其他施鉀處理較K1處理,鉀肥偏生產(chǎn)力下降了48.71%~80.20%。
表3 2018—2019年鉀素利用效率
由表4 可知,隨著施鉀量的增加,2018 年和2019年玉米產(chǎn)量均呈先增后降趨勢(shì),其產(chǎn)量表現(xiàn)為:K3>K4>K2>K5>K1>K0,以K3處理產(chǎn)量最高,且顯著高于其他處理,K3處理較其他處理,2年產(chǎn)量平均提高了6.99%~18.14%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來(lái)看,施鉀可以顯著提高玉米的百粒重和穗粒重,對(duì)穗長(zhǎng)、穗粗和收獲指數(shù)影響不顯著,但對(duì)其有促進(jìn)作用。百粒重和穗粒重是決定玉米產(chǎn)量最主要的影響因素,各處理中以K3處理下的百粒重和穗粒重表現(xiàn)最好,百粒重較其他處理平均兩年增加了3.43%~5.39%,穗粒重較其他處理平均2年增加了5.83%~12.19%。本研究基于不同施鉀量對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行回歸擬合:得方程(10)。求得極值X=171.60 kg/hm2,所以當(dāng)施鉀量為時(shí)171.60 kg/hm2,產(chǎn)量達(dá)到最大值y=15125.13 kg/hm2。
表4 不同施鉀量下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素
為了深入解析施鉀條件下玉米干物質(zhì)、鉀素積累、鉀轉(zhuǎn)用量、鉀轉(zhuǎn)用率、轉(zhuǎn)用養(yǎng)分貢獻(xiàn)率、積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率、鉀素吸收利用效率、鉀素農(nóng)學(xué)利用率、鉀肥偏生產(chǎn)力、穗長(zhǎng)、穗粗、百粒重、穗粒重、產(chǎn)量和收獲指數(shù)的變化規(guī)律,筆者對(duì)15 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析(表5)。結(jié)果表明,DM 與PA、PTA、GW 和Y 呈顯著正相關(guān),與PCR、KRE、EL和HGW呈及顯著正相關(guān);PA與PTA呈極顯著正相關(guān),與GW、和Y 呈顯著正相關(guān);PTA 與PCR 呈極顯著正相關(guān),與TNCR 呈顯著正相關(guān),與CRAN 呈顯著負(fù)相關(guān);TNCR 與KRE 呈先著正相關(guān);CRAN 與KRE 呈顯著負(fù)相關(guān);KRE 與KAE 和EL 呈極顯著正相關(guān),與GW、Y和HI呈顯著正相關(guān);KAE與HI呈極顯著正相關(guān),與EL和HI呈顯著正相關(guān);EL與GW和Y呈顯著正相關(guān);Y與EL和HI呈顯著正相關(guān);其他各指標(biāo)間相關(guān)性不顯著。
表5 不同施鉀條件下各指標(biāo)間的相關(guān)性分析
在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上,本研究采用Origin 對(duì)不同施鉀條件下玉米養(yǎng)分利用效率及產(chǎn)量構(gòu)成因素等15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表6)。采用分析—降維—因子方法發(fā)現(xiàn)獲得4 個(gè)主成分,解析貢獻(xiàn)率分別為58.62%、12.53%、9.64%和6.98%,其累積總貢獻(xiàn)率為87.77%。第1 主成分主要由鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量、干物質(zhì)和鉀素吸收利用率等組成,第2 主成分主要為鉀素農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥偏生產(chǎn)力,第3 主成分主要是積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率和百粒重,第4 主成分主要為轉(zhuǎn)用養(yǎng)分貢獻(xiàn)率和穗粗。將15 個(gè)指標(biāo)成分矩陣主成分得分除以提取載荷獲得載荷矩陣(表7),獲得4個(gè)主成分得分的計(jì)算方程分別為(11)~(14)。
表6 初始特征值和提取的主成分貢獻(xiàn)率
表7 成分矩陣
從表8 可以看出,不同施鉀處理下K3得分最高為2.147,主成分分析結(jié)果與不同施鉀量下養(yǎng)分積累、養(yǎng)分利用效率及產(chǎn)量所得結(jié)果一致,進(jìn)一步證明施鉀量180 kg/hm2最優(yōu)。
表8 綜合評(píng)價(jià)表
群體干物質(zhì)量的積累決定著玉米產(chǎn)量,氮磷鉀養(yǎng)分積累是干物質(zhì)積累的基礎(chǔ),也是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[12-13]。本試驗(yàn)中,植株干物質(zhì)和鉀素積累隨生育期的推進(jìn)不斷增加,且施鉀顯著提高玉米花后鉀積累比例,與花后干物質(zhì)積累比例變化趨勢(shì)一致,植株干物質(zhì)和鉀素積累及分配比例均隨施鉀量的增加呈先增后降的趨勢(shì),以K3處理最優(yōu)。本研究還發(fā)現(xiàn)葉片和莖中的鉀素積累隨著生育期的推進(jìn)呈先升高后降低,穗部鉀素積累量隨之升高,這應(yīng)是花后葉片和莖中養(yǎng)分向穗部轉(zhuǎn)移的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),在氮、磷肥和水分供應(yīng)豐富的條件下,施用鉀肥能促進(jìn)玉米葉片發(fā)育,增強(qiáng)光合性能,提高玉米群體干物質(zhì)積累量并促進(jìn)鉀素吸收,有利于鉀素由營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量,進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)效果[14-16]。研究發(fā)現(xiàn),鉀使用量不足的情況下,不僅會(huì)影響作物對(duì)鉀的吸收,而且會(huì)因養(yǎng)分投入不平衡,限制其他養(yǎng)分的吸收,尤其是對(duì)氮磷的吸收,從而降低了肥料利用率[17-18]。宋杰等[19]指出,玉米干物質(zhì)和養(yǎng)分積累隨施鉀量的增加呈先增加后降低趨勢(shì),且增施鉀肥提高了玉米花后干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)的強(qiáng)度。王曉磊等[20]發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)拟浄视昧靠梢匝泳徶仓耆~片衰老,施鉀之所以使玉米花后干物質(zhì)積累比例提高是因?yàn)檠娱L(zhǎng)了玉米光合功能期。薛欣欣等[21]發(fā)現(xiàn),合理施鉀能夠明顯提高水稻地上部干物質(zhì)與鉀素積累量。綜上可知,合理施鉀使玉米具有較大的干物質(zhì)和鉀素累積優(yōu)勢(shì),對(duì)花后氮、磷的積累影響也比花前更大,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)。
農(nóng)學(xué)利用率、吸收利用率和肥料的偏生產(chǎn)力均是表示養(yǎng)分利用率的常用定量指標(biāo),能從不同的角度說(shuō)明作物對(duì)肥料的利用率[5]。本研究表明,鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率、鉀素吸收利用效率和農(nóng)學(xué)利用效率都隨施鉀量的增加先升后降,鉀肥偏生產(chǎn)力隨施鉀量的增加呈顯著降低趨勢(shì),這與薛欣欣等[21]在水稻中的研究結(jié)果一致,鉀素存在明顯的奢侈吸收現(xiàn)象。李颯等[22]指出,玉米對(duì)鉀素的吸收過(guò)程大多在吐絲之前進(jìn)行,而吐絲后的鉀素累積速度顯著降低。有研究表明,籽粒中52.4%~100%的鉀素來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)體的轉(zhuǎn)運(yùn)[3],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[23-25]。薛欣欣等[21]發(fā)現(xiàn),水稻對(duì)鉀的吸收存在顯著的奢侈吸收現(xiàn)象,即便過(guò)量施鉀,也不能進(jìn)一步獲得更高的生長(zhǎng)潛力。王寅等[26]表明,施鉀量水平較低的處理其農(nóng)學(xué)利用效率和鉀肥貢獻(xiàn)率顯著高于施鉀水平高的處理。結(jié)合前人研究和本次試驗(yàn)可知,施鉀不但增加了玉米生殖生長(zhǎng)階段中對(duì)鉀的吸收,還促使了玉米花前儲(chǔ)存更多的養(yǎng)分向籽粒中轉(zhuǎn)移,進(jìn)而提高養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)玉米籽粒養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率。
施鉀可促進(jìn)玉米對(duì)鉀素的吸收,提高玉米的含鉀量和鉀素積累量,當(dāng)鉀素用量超過(guò)玉米所需時(shí),會(huì)導(dǎo)致玉米體內(nèi)葉綠素含量降低及熒光作用減弱,從而影響光合作用,使得光合產(chǎn)物減少,影響地上部生物量的累積及光合器官葉片的生長(zhǎng),降低群體的葉面積指數(shù),最終影響產(chǎn)量[27]。鉀肥施用量與玉米干物質(zhì)具有顯著相關(guān)性,當(dāng)超過(guò)一定量時(shí),干物質(zhì)積累量隨施鉀量增加而下降,玉米花前對(duì)養(yǎng)分的儲(chǔ)存量降低,進(jìn)而影響到養(yǎng)分向籽粒中的轉(zhuǎn)移,因此導(dǎo)致產(chǎn)量降低[19]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均隨施鉀量的增加呈先增加后降低趨勢(shì),施鉀處理下的產(chǎn)量顯著高于不施鉀處理,這反應(yīng)了玉米產(chǎn)量對(duì)外源鉀肥的依賴程度較高,但因鉀素存在明顯的奢侈吸收現(xiàn)象,應(yīng)積極合理地施用鉀肥提高土壤鉀的供應(yīng)能力。
本研究表明,適宜的施鉀水平可有效促進(jìn)玉米對(duì)鉀素的吸收,提高干物質(zhì)和鉀素積累量,有利于花前營(yíng)養(yǎng)器官儲(chǔ)存的鉀素向籽粒的再轉(zhuǎn)運(yùn),提高玉米鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率、鉀素吸收利用效率和農(nóng)學(xué)利用效率。綜合考慮玉米干物質(zhì)積累、養(yǎng)分積累及吸收利用特性等因素,寧夏滴灌水肥一體化條件下最佳施鉀范圍為171.60~180 kg/hm2左右。