品种和播期对华北春玉米产量及水分利用效率的影响*

孙宏勇, 刘小京, 王金涛, 董心亮, 郭 凯, 巨兆强

(中国科学院农业水资源重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)

2015年中国玉米(Zea mays)种植面积达0.38亿hm2, 总产达2.24亿t, 面积和总产均列作物第1位,玉米已成为中国第一大作物[1]。华北平原是我国重要的粮食生产基地, 是小麦(Triticum aestivum)和玉米的主产区[2], 又是我国水资源短缺地区, 水资源短缺已经成为限制该区农业生产的主要障碍因子。近期, 我国农业部等10部委联合发布《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》, 提出重点在地下水漏斗区、重金属污染区和生态严重退化地区开展休耕轮作试点, 在河北省黑龙港地下水漏斗区推荐种植雨热同季的春玉米等作物, 减少地下水用量。因此,如何充分利用降水资源提高春玉米水分利用效率和高效生产已成为该区玉米生产技术的迫切需求。

品种特性和管理措施是实现玉米高产的必要条件, 针对品种特性采取配套的技术和管理措施是实现玉米高产的重要保障[3]。关于玉米品种特性与高产关系的研究主要集中在不同基因型品种的适宜密度、农艺性状、养分利用机理、高产稳产性评价及高产品种产量结构和形成机制[4-10]等方面, 研究结果表明不同玉米品种产量存在显著差异, 其在地上地下表型及对光热和水肥的利用方面也存在一定差异。关于管理措施提升玉米产量的研究, 主要集中在播期、播种密度和肥料施用方面。关于玉米播期如何促进高效生产的研究主要集中于播期对玉米籽粒灌浆、生长发育、产量性能和产量形成的影响[11-16]以及播期如何与种植密度、肥料管理等措施[17-19]协同影响产量等方面。刘明等[16]研究了两个春玉米品种在两个播期下(4月24日和5月15日)的产量表现, 提出5月15日为合理播期, 降水是实现春玉米生长的重要保障。刘战东等[19]研究了两个春玉米品种 4个密度下产量和耗水特性, 提出不同品种的水分利用效率在不同密度下表现不同。以上研究主要集中在品种高产机理, 品种、播期和密度等对产量的协同影响, 品种与密度对产量和耗水等方面的影响, 缺乏品种、播期及相应时期气象因子等综合要素对玉米生产影响的研究。华北春玉米如何通过调整播期来实现降水高效利用, 如何利用品种、播期和降水的耦合效应, 提高产量和水分利用鲜有报道。在华北平原探索休耕的形式下, 如何通过春玉米的播期调整探索构建降水资源高效利用、保障产量又与休耕制度相符的优化种植模式, 是该区域农业可持续发展研究的重要内容。

本文以 5个春玉米品种为材料, 旨在探讨 3个播期下春玉米的生长发育特点和水分利用特征, 筛选研究区适宜的春玉米品种以及明确提高春玉米生育期降雨利用效率的适宜播期, 以期为研究区春玉米高产栽培及水分高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2016年在中国科学院南皮生态农业试验站进行。试验站位于38o00′06ʺ N , 116o00′40ʺ E,海拔11.0 m, 属华北平原环渤海区域。该地区多年平均气温12.3 ℃, 多年平均降水量520 mm。耕地土壤为轻壤质潮土, 土壤容重为 1.42 g·cm-3, 田间持水量 0.34 cm3·cm-3, 玉米的凋萎系数为 0.10 cm3·cm-3; 耕层土壤有机质含量 10～12 g·kg-1, 有效氮、磷、钾含量分别为 98 mg·kg-1、15 mg·kg-1和100 mg·kg-1。主要种植作物为冬小麦、夏玉米和春玉米, 主要种植制度为冬小麦-夏玉米一年 2作(10月初播种冬小麦, 于翌年6月上旬收获后立即播种夏玉米, 9月底收获夏玉米)和冬小麦-夏玉米-春玉米二年三作(10月初播种冬小麦, 于次年 6月上旬收获后立即播种夏玉米, 9月底收获夏玉米, 然后休耕, 于翌年春天播种春玉米, 春玉米播种时期与降水有关)。

试验选用该区域种植面积较大的‘华农887’、‘胡新 338’、‘郑单 958’、‘华农 866’和‘联创 1 号’等 5 个品种。该区春玉米的播期一般根据降水进行调整, 发生1次10 mm以上的降水则进行播种。试验播期设5月1日、5月15日和5月30日3个播期, 随机区组设计, 共15个处理, 3次重复。每个小区面积48 m2(8 m×6 m), 种植密度为67 500 株·hm-2, 行距 60 cm。5月 1日播期处理, 因该时期没有降水, 播前灌溉 1次, 水量60 mm, 5月15日和5月30日播期处理在播前有降水发生, 未灌溉。

按照当地习惯进行播种和田间管理。根据降雨情况在7月20日进行尿素追肥, 施氮量为240 kg·hm-2,病虫害防治等田间其他管理措施与当地相同。

1.2 测定项目与方法

观测不同春玉米品种在不同播期下的出苗期、拔节期、抽雄期和成熟期等生育时期数据。

在春玉米播种前后分别用烘干法测定土壤含水量, 每20 cm一个层次取土测定, 测定深度2 m, 共10层。每个小区在春玉米拔节期、吐丝期、乳熟期和完熟期, 各取玉米 3株, 分茎、叶、穗等器官于105 ℃下杀青30 min, 80 ℃下烘干至恒重。计算地上营养器官的物质转运率和对籽粒的贡献率[15]。

玉米成熟后每个小区取中间4行3 m进行测产,记录总株数、有效穗数等; 另取10株具有代表性的植株进行考种, 测定穗粒数、百粒重和收获指数等指标。

1.3 数据分析

2016年的逐日降水量、日最高气温、日最低气温、日平均气温和日照时数等基本气象资料由中国科学院南皮生态农业试验站自动气象站记录获得, 历年气象资料由中国气象数据共享服务网的泊头气象站下载获得, 该气象站距离试验基地5 km。

参照文献[20]计算水量平衡和水分利用效率。

采用Microsoft Excel和SPSS 15.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 播期对不同品种春玉米生长发育的影响

2.1.1 生育期内气象因子变化

由图1可知, 2016年4—9月降水量为445.2 mm,比该区多年平均降水量少72.4 mm, 属于偏旱年份。同时, 降水分布不均, 4、9月份降水量较少, 7、8月份降水量达 302.2 mm, 占生育期降水的 67.88%, 8月中旬降水量达103.36 mm。与多年平均气温相比,2016年气温在4、9月份偏高, 5、6月份偏低, 7月下旬和8月上旬、中旬偏高。说明2016年玉米生长季属于温度偏高、偏旱的年型。

图1 2016年与多年平均(1960—2014年)的玉米生长期逐旬平均温度和降水量变化Fig. 1 Average ten-day temperature and precipitation from April to September in 2016 and the mean data from 1960 to 2014

2.1.2 对春玉米生育时期的影响

随播期推迟各品种春玉米生育期呈缩短趋势(表1)。播期从5月1日推迟到5月15日, 5个品种的全生育期平均缩短4.6 d; 播期从5月15日推迟到5月30日, 全生育期平均缩短2.6 d。这与李文科等[21]在吉林的研究结果相比偏小, 主要是因为吉林省玉米生长期的日均温度低于该研究区域。不同播期对生育阶段天数的影响达显著水平。5月 1日和5月15日播种的处理, 从播种到抽雄阶段的天数比从抽雄到成熟阶段的天数多10 d左右, 而5月31日播种的处理, 两个阶段的天数相差不大。播期的推迟主要是缩短了从播种到抽雄阶段的时间, 5月1日、5月15日和5月30日播种处理这个阶段的天数分别为68.8 d、63.2 d和55.8 d; 而后期温度的降低导致了抽雄到成熟阶段天数的增加, 3个处理分别为52.0 d、53.0 d和57.6 d。从不同品种来看, 不同播期下生育期天数存在显著差异。不同品种全生育期天数的变化趋势相同, 在不同播期下‘华农887’的生育期最短, ‘联创1号’的生育期最长, 在5月1日、5月15日和5月30日播种的处理下, 二者全生育期天数分别为119 d和114 d、111 d和123 d、120 d和118 d。播期变化引起的生育期缩短的趋势在品种间表现相同, 播期从5月1日推迟到5月15日, ‘联创1号’缩短时间最小, 为3 d, ‘胡新338’缩短时间最长, 为6 d。播期从5月15日推迟到5月30日, ‘华农866’和‘联创 1号’生育期缩短时间最小, 为 2 d, ‘胡新338’缩短时间最长, 为4 d。早播的春玉米处理延长了营养生长时间, 主要是由于春玉米从播种到抽雄期所需的积温基本相同, 而前期的日均温度较低造成的。

表1 不同春玉米品种不同播期的生育期进程Table 1 Growing stages of different spring maize cultivars sowed in different dates

2.1.3 播期对干物质转移率的影响

从表2可以看出, 随着播期的推迟, 春玉米植株茎、叶的干物质转移量、转移率和对籽粒的贡献率呈下降趋势。在5月1日、5月15日和5月30日播种处理下, 5个品种叶的平均干物质转移量分别为11.18 g、10.93 g和10.63 g, 茎的平均干物质转移量分别为34.72 g、24.98 g和15.13 g。说明叶、茎的干物质转移量均随播期推迟呈显著下降趋势,其中茎的干物质转移量显著高于叶的干物质转移量。相同播期下不同品种的茎、叶干物质转移量、转移率和对籽粒的贡献率也存在明显差异。这些变化趋势主要由单株生物量在不同播期下的变化差异所致。从单株生物量来看, 随着播期推迟, 生物量呈增加趋势, 这主要是由于后期降水较多和温度较高, 能够满足玉米生长需求。5月1日、5月15日和5月30日播种的5个品种在收获期的单株生物量分别为247.9 g、283.0 g和305.7 g。这说明随着播期的推迟, 春玉米总生物量虽增加, 但播期早的处理会尽量多地把茎、叶的干物质向籽粒转移。早播处理虽然延长了营养生长阶段, 但由于积温的影响, 没有产生较大的生物量, 同时在吐丝期极易遇上降水, 灌浆初期遇上高温, 这两个重要时期的气象因素会对穗粒数和粒重产生影响, 进而影响最终产量的形成[22]。

表2 不同春玉米品种在不同播期下茎和叶的干物质转移量、转移率和籽粒转移率Table 2 Dry matter transfer amounts, transfer rates of leaf and stem and their contribution rates to grain of different cultivars of spring maize sowed in different dates

2.2 播期对不同品种春玉米产量及产量要素的影响

从表3可以看出, 不同播期对不同品种春玉米产量有显著影响。5月1日与5月15日播期的春玉米产量相近, 分别为 9 186.4 kg·hm-2和 9 086.4 kg·hm-2, 均显著低于 5月 30日播期的 10 272.8 kg·hm-2。同时, 5月1日播种不同品种间的变异系数较大, 为14.41%, 5月15日和5月30日播种的变异系数较小, 分别为6.33%和7.34%。这主要是不同播期下不同品种生长前期对干旱和低温的反应差异造成的[23]。不同春玉米品种随播期推迟产量变化也不相同。3 个播期下‘华农 887’、‘华农 866’、‘胡新 338’、‘创联 1号’和‘郑单 958’的平均产量分别为 9 712.2 kg·hm-2、9 787.9 kg·hm-2、9 477.3 kg·hm-2、9 659.1 kg·hm-2和 8 939.4 kg·hm-2, ‘郑单 958’显著低于其他品种(P＜0.05), 而其他品种间差异不显著。‘华农887’和‘华农866’ 5月1日播种产量较高, 而5月15日和5月30日播种产量相差不大; ‘胡新338’、‘创联1号’和‘郑单 958’随播期推迟, 产量呈增加趋势。‘华农887’、‘华农 866’、‘胡新 338’、‘创联 1 号’和‘郑单958’在不同播期下产量的变异系数分别为 7.43%、6.74%、6.79%、12.57%和22.25%。说明不同品种在不同播期处理下产量表现差异比较显著。综合来看,应该选择5月30日播期处理, 而从品种的稳定性来看应该选择稳定性较强的品种。

表3 不同春玉米品种在不同播期下的产量及产量要素Table 3 Yield and yield components of different cultivars of spring maize sowed in different dates

不同播期处理对玉米产量及产量要素的影响达到显著水平(表3)。单位面积穗数随播期推迟呈下降趋势, 可能是由于5月1日播种处理灌溉了1次, 而5月15日和5月30日播种处理没有灌溉造成的土壤水分差异所致。对于穗粒数来说, 5月15日播种处理最高, 其次为5月30日播期处理, 5月1日播期处理最低, 这主要与抽雄期降水和辐射有关[24]。5月1日、5月15日和5月30日播种处理的开花期分别在7月15日、7月22日和8月2日左右, 而在这段时期, 7月12日、14日、15日和20日均有降水, 7月21日到8月1日之间没有降水, 8月1日、2日和6日有降水, 8月1日的降水为51.3mm。5月15日播期处理的开花期受降水影响较小, 所以穗粒数较多。百粒重在5月1日播种和5月15日播种处理下差异不大, 而5月30日播种处理的百粒重显著高于前两个播期处理(P＜0.05), 这与路海东等[25]的研究结果不同。可能主要是受温度影响, 玉米灌浆期适宜温度为 22～24 ℃,高温同样对灌浆不利[11,26]。5月1日播期处理的灌浆期出现在7月下旬, 5月15日处理的灌浆期出现在8月上旬, 这段时间是温度最高时期, 7月下旬和8月上旬的日均温度达28.7 ℃和28.1 ℃。5月30日播期处理的灌浆期主要在8月中下旬, 该时期的日平均温度为 24.0～26.0 ℃, 利于灌浆。对于不同品种来说, 其穗数在各个播期处理下没有显著差异, 而穗粒数和百粒重在各个播期下均有所差异, 其中百粒重的差异更加显著(P＜0.05)。

2.3 播期对不同品种春玉米水分利用效率的影响

播期对不同品种春玉米耗水量和水分利用效率(WUE)的影响结果见表4。研究区春玉米耗水量为398.7～431.8 mm, WUE 为 1.83～2.71 kg·m-3。不同播期对不同春玉米的耗水量没有显著差异, 品种间的耗水量也不存在显著差异。这主要与玉米生长阶段的降水量关系较大, 5月1日、5月15日和5月30日不同播期下的降水量分别为429.9 mm、406.9 mm和402.6 mm。不同播期和不同品种的玉米耗水量与降水量基本一致。从播期对WUE的影响来看, 5个品种的WUE均随播期推迟呈显著增加趋势, 这主要是由于随着播期的推迟玉米产量增加而耗水量变化不大所致。不同品种的WUE也存在显著差异, 这主要是因为在以降水为主要水源情况下, 不同春玉米品种不同播期下耗水量无显著差异, WUE的差异主要与品种生长特性及遗传特性相关, 产量高的品种WUE高。

表4 播期对不同春玉米品种耗水及水分利用效率的影响Table 4 Effect of sowing date on water consumption and water use efficiency of different cultivars of spring maize

2.4 不同播期下春玉米产量构成与环境因子的相关分析

由于不同播期下春玉米产量间存在较大差异, 而不同播期影响产量的主要是气象因子的变化, 因此利用不同播期下5个玉米品种的平均产量和产量构成要素与不同播期的气象因子进行分析, 结果见表5。不同播期的产量与抽雄前降水量、抽雄后降水量和抽雄前积温均呈显著相关关系(P＜0.05), 其中与抽雄后降水量呈显著负相关关系。百粒重与抽雄前降水量、抽雄后降水量、抽雄前积温和抽雄后积温均呈显著相关关系(P＜0.05), 其中与抽雄后降水量呈显著负相关关系,说明后期过多的降水会影响玉米灌浆过程。穗粒数与气象因子之间均没有显著相关关系, 这与路海东等[25]的研究结果相似而与刘明等[16]的研究结果不同, 这主要与降水年型和播期的差异有关。密度与环境因子之间没有显著相关关系, 说明土壤水分在达到一定程度后能保证出苗, 进而对产量及产量各要素影响不大。播种时土壤含水量的变化与产量没有显著相关关系,这主要是由于播前土壤含水量达到一定程度后能够保证正常出苗, 不影响密度的形成, 而苗期后进入雨季,其对穗粒数和粒重不会产生影响。抽雄期后的降水与产量、百粒重均呈负显著相关关系, 说明后期降水及阴天较多, 辐射较少会对百粒重有较大的影响, 进而影响产量。

表5 不同播期春玉米产量及构成要素与环境因子的相关关系Table 5 Correlation between spring maize yield, yield components and environmental factors under different sowing dates

3 讨论

3.1 不同播期春玉米对气候的适应性

春玉米对播期的适应性较强, 在华北地区春玉米的播期可以从4月下旬到6月上旬。许多研究表明对玉米穗粒数影响最大的时期是吐丝期, 对粒重影响最大的时期是灌浆期[11]。确定合理播期提高产量的关键是如何提高穗粒数和粒重, 而影响这两个因素的主要环境因素是温度和降水。Lobell等[27]分析了美国极端温度对玉米生产的影响, ORDÓÑEZ等[28]报道玉米开花和灌浆前期的高温会影响玉米对氮素的吸收进而影响玉米的生长和产量。这些学者的研究结果表明, 当日均温度大于 30 ℃时, 玉米散粉和后期的灌浆会受到影响进而影响产量。在本研究区域5月15日前播种的玉米散粉期一般发生在7月中下旬, 这段时间是一年中温度最高时期,7月下旬的日均温度达 28.70 ℃。因此, 避开春玉米散粉和灌浆初期的高温是保证产量的主要因素。同时, 该区域受季风气候的影响, 60%的降水多分布在 7、8月份[29], 春季干旱是该区发生频率较高的灾害之一。播期越早春玉米受旱的可能性越大,进而影响其营养生长阶段的生长并影响后期生长和产量。灌浆期的辐射是影响玉米灌浆的主要因素。孙宏勇等[30]研究结果表明, 灌浆期辐射量会对粒重产生重要影响, 因而灌浆期也需避开阴雨寡照的时期, 即降水较多的时期。播期的差异影响了春玉米的生育期进程, 而不同的生育期进程受气象条件的影响, 不同阶段的气象因素通过影响穗粒数和粒重进而影响产量。本文通过旱作下 3个春玉米播期的研究结果表明, 5月30日播期处理的产量和水分利用效率等表现最好, 主要是因为其在抽雄散粉期能够避开降水的高发期, 同时灌浆期能避开高温的高发期。本文仅用 3个播期处理的1年试验数据, 其结果有待深入研究, 应该拓宽播期的范围, 还要结合多年的降水和温度的变化进行合理分析, 可根据玉米生长早期的需水量和降水发生率及散粉期和灌浆初期易受高温胁迫的情况确定适宜播期。

3.2 不同春玉米品种对环境的适应性

不同熟期和基因型春玉米以及不同生态地区环境气候条件和管理措施等均会对玉米籽粒灌浆特性产生影响, 不同熟期玉米品种的灌浆速率存在显著差异, 其与温度也存在显著的相关关系[30-32]。不同玉米品种受自身遗传特性的影响, 其生育期和外观表型均存在明显的差异。同时, 不同春玉米品种由于自身的遗传特性不同及适宜的气候类型区存在一定差异, 其对播期的适应性存在明显差异, 进而产量表现不同。不同春玉米品种在产量方面的差异主要表现为其对气候的适应性不同, 且在不同阶段对温度、水分和光照的敏感性不同, 进而影响其穗粒数和粒重的形成过程。再有,由于叶片形状、根系等差异，不同玉米品种对密度的适应性也不同, 在不同种植密度下使冠层结构和群体特征产生差异, 进而影响不同春玉米品种的光合作用和产量。因此,选择区域内审定的品种具有较强的气候生态适应性。同时, 春玉米品种选择需要与不同熟期品种相结合, 应该综合考虑气象环境因素和品种本身遗传特性适应环境的特点进而选择适宜品种。本文研究得出的‘华农 866’和‘华农 877’ 2个玉米品种, 是基于1年的田间试验得出, 仍需要对更多的本地审定的玉米品种进行不同气候年型下病虫害发生率、产量稳定性等综合的表现评价, 进而推荐综合抗逆性强、资源利用效率高和高产稳产优质的品种。

4 结论

通过3个播期5个春玉米品种的田间试验结果分析可以看出, 在华北平原区随着播期的推迟, 生育期天数呈减少趋势, 5月30日播种处理的生育期天数分别比5月15日和5月1日播种处理的生育期天数缩短2.8 d和7.4 d, 而生育期天数减少主要发生在从播种到抽雄期这段时间, 5月30日播种处理从播种到抽雄期的生育期天数分别比5月15日和5月1日播种处理缩短5.6 d和13.0 d, 这是由于生育期进程主要受积温影响造成的。不同品种对播期的适应性也不同, 在不同播期下品种的产量变异系数也存在显著差异, 5月1日、5月15日和5月30日播种处理下不同品种产量的变异系数分别为14.41%、6.33%和7.34%, 这主要是与其遗传特性和抗逆特性相关。同时, 主要受产量增加的影响, 春玉米的水分利用效率随播期的推迟也呈增加趋势。通过气象等环境因子与产量要素的相关分析表明: 抽雄前的积温和抽雄前后的降水是决定该区域春玉米产量形成的主要因素, 而粒重主要与抽雄前后积温和降水均存在显著的相关关系, 穗粒数和密度受这些因素影响较小。通过产量、耗水和水分利用效率的综合考虑, 5月30日左右是该区域春玉米适宜的播种时期。从产量和水分利用效率综合表现来看, ‘华农866’和‘华农877’是比较适宜的品种。

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