黄淮海区域现代夏玉米品种产量与养分吸收规律

程 乙 刘 鹏,* 刘玉文 庞尚水 董树亭 张吉旺 赵 斌 任佰朝

黄淮海区域现代夏玉米品种产量与养分吸收规律

程 乙1刘 鹏1,*刘玉文2庞尚水3董树亭1张吉旺1赵 斌1任佰朝1

1作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018;2商河县农业局, 山东济南 251600;3济南新绿洲农业发展有限公司, 山东济南 251619

为玉米合理施肥, 实现高产高效提供理论依据, 2016年在济南商河国家农作物新品种展示示范中心和山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行试验, 于玉米完熟期进行植株取样, 测定产量、产量构成因素和植株矿质元素含量, 探究黄淮海区域现代夏玉米品种的产量与养分吸收规律。探测分析和正态分布检测结果表明单株生产力、单株生物产量、千粒重和籽粒产量分别符合正态分布N (167.0, 22.722)、N (285.0, 33.472)、N (318.0, 35.752)和N (10.9, 1.502), 其变化范围为141.55~246.99 g 株–1、197.68~389.92 g 株–1、226.58~413.76 g和5.84~13.41 t hm–2。每生产100 kg籽粒氮素需求量平均为1.95 kg, 单位籽粒氮素需求量随籽粒产量提高呈降低趋势。当产量水平由<7.0 t hm–2增加到8.0~9.0 t hm–2时, 每生产100 kg籽粒氮素需求量从2.15 kg降低到1.96 kg, 主要是收获指数升高和籽粒氮浓度降低造成的; 当产量水平由8.0~9.0 t hm–2增加到10.0~11.0 t hm–2时, 每生产100 kg籽粒氮素需求量从1.96 kg降低到1.84 kg, 主要是籽粒氮浓度降低造成的; 当产量水平由10.0~11.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2时, 单位籽粒氮素需求量基本不再变化。生产100 kg玉米籽粒的磷素需求量平均为0.97 kg, 其与籽粒产量呈显著负相关, 从产量水平<7.0 t hm–2的1.07 kg下降到产量水平>11.0 t hm–2的0.92 kg, 这是由收获指数升高和籽粒磷浓度降低造成的。生产100 kg玉米籽粒钾素需求量平均为1.89 kg, 其与籽粒产量呈显著负相关, 从产量水平<7.0 t hm–2的2.14 kg下降到产量水平>11.0 t hm–2的1.74 kg, 这是由收获指数升高、茎秆钾浓度增加和叶片钾浓度降低造成的。当前黄淮海区域现代玉米品种籽粒产量为(8.91±1.23) t hm–2, 生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量的变化范围分别为(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。氮磷钾需求量随产量的提高而增加, 但每生产100 kg籽粒产量的氮素、磷素和钾素需求量随着产量升高而下降。

黄淮海区域; 玉米; 产量水平; 籽粒产量; 养分吸收

氮、磷、钾是植物生长必需的大量元素, 提高作物氮、磷、钾肥利用效率可降低肥料用量、减少生产成本。在我国粮食生产中, 为了提高作物产量满足日益增长的粮食需求, 增施肥料已成为重要措施; 但大量施用化肥、不合理施肥现象相当普遍[1-2]。不合理施肥导致养分利用效率降低[1], 不仅造成生产成本增加和资源浪费, 还导致温室气体排放增加、地下水污染和湖泊、海洋富营养化, 给生态环境带来了巨大的压力[3-5]。如何在耕地资源紧张的刚性条件下协同提高籽粒产量与肥料利用效率, 降低粮食生产带来的温室气体排放、面源污染等负面效应, 实现高产与高效协同成为当前国内外关注的重大问题[1,3,6]。

玉米是我国第一大粮食作物, 对保障粮食安全具有重要作用。自1950年至今, 我国玉米经历了从传统农家种到双交种再到单交种的3个发展阶段[7]; 从1985年到2012年, 我国玉米种植面积增长97%, 产量增加2.2倍, 成为我国总产增长最快的农作物[8]。玉米品种遗传改良及肥料投入是玉米增产因子中最重要的因素[9]。玉米养分积累与分配规律是科学施肥的重要理论依据, 研究玉米养分吸收利用特性, 依据玉米需肥特性合理施肥, 对提高产量和肥料利用率、降低面源污染具有重要意义。前人从品种演替角度对不同品种的产量性状[10-11]、形态特征[12-13]、生理特性[14-15]、抗逆性[16-17]等方面做过较系统的研究。本试验对当前我国黄淮海区域近年来审定或将要审定的390个玉米品种, 通过在其适宜种植密度发挥各品种生产潜力的条件下, 研究产量性状和养分吸收利用的关系, 旨在探明玉米品种的产量和养分利用分布状况, 以期为玉米高产高效品种选育和科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2016年在济南商河国家农作物新品种展示示范中心和山东农业大学作物生物学国家重点实验室, 选用我国黄淮海区域近年来审定或将要审定的390个玉米品种(附表1), 6月10日播种, 9月30日收获。采用各品种适宜的种植密度在同一高肥力地块上种植, 生育期间有效积温为1804.0℃, 降雨量为812.7 mm。播种前0~20 cm土层含有机质15.76 g kg–1、全氮1.52 g kg–1、碱解氮95.26 mg kg–1、速效磷22.30 mg kg–1、速效钾115.26 mg kg–1。播种前统一基施复合肥料(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 300 kg hm–2, 小喇叭口期追施尿素150 kg hm–2, 大喇叭口期追施尿素150 kg hm–2。生长期间给予良好水分管理和田间病虫害防治, 以充分发挥品种的生产潜力。小区面积6 m × 10 m, 品种随机排列, 3次重复。

1.2 测定方法

玉米籽粒完熟期(籽粒乳线消失、基部出现黑层), 在每个小区中心位置收获9 m2范围内的全部果穗, 测定单位面积穗数、穗粒数和千粒重, 最终折算为14%含水量时的籽粒产量。每处理取9株, 按照茎秆(含雄穗和穗轴)、叶片(含苞叶)、籽粒分成3个部分, 于105℃杀青30 min后, 在80℃的烘箱中烘至恒重, 分别称重、测定各部分干重, 计算单株干物质积累量和籽粒产量。将烘干样品粉粹后过60号筛, 用于测定养分含量。采用浓H2SO4-H2O2消煮, 采用BRAN＋LUEBBE III型(德国)连续流动分析仪测定全氮和全磷含量, Sherwood M410型火焰光度计测定全钾含量。

1.3 计算方法

收获指数(%) = 籽粒产量/地上部生物量×100

氮素(磷素或钾素)籽粒生产效率(kg kg–1) = 籽粒产量/地上部整株氮素(磷素或钾素)积累总量

氮素(磷素或钾素)收获指数(%) = 单株籽粒氮素(磷素或钾素)积累量/地上部整株氮素(磷素或钾素)积累总量×100

采用SPSS 18.0 for Windows进行试验数据计算处理和相关分析。

2 结果与分析

2.1 产量及相关性状

利用SPSS 18.0 for Windows探测分析(Explore)功能考察390个玉米品种的单株籽粒产量、单株生物产量、千粒重和籽粒产量的分布特征, 探测过程形成的箱图(Boxplots)见图1, 经Kolmogorov-Smirnov正态分布测试检测和产量相关指标的观测, 其与预期积累分布之间无显著差异, 均符合正态分布(图2)。

390个玉米品种单株籽粒产量符合正态分布N (167.0, 22.722)(图1-a, 图2-a), 出现2个极高奇异值(金来98, 246.99 g 株–1和丹玉405, 231.53 g 株–1), 偏度(Skewness)为0.150±0.124, 峰度(Kurtosis)为0.006±0.247, 最小值为141.55 g株–1, 最大值为246.99 g株–1, 平均单株生产力为(167.02±22.72) g株–1, 变异系数(CV)为0.14。95%置信区间内平均单株籽粒产量为164.76~169.28 g 株–1。

单株生物量符合正态分布N (285.0, 33.472)(图1-b, 图2-b), 出现2个极高奇异值(泉玉217, 389.92 g 株–1和丹玉405, 376.70 g株–1), 偏度为0.198±0.124,峰度为−0.136±0.247, 最小值为197.68 g株–1, 最大值为389.92 g 株–1, 平均单株生物量为(285.04±33.47)g 株–1, 变异系数(CV)为0.12。95%置信区间内平均单株生物量为281.71~288.38 g 株–1。

千粒重符合正态分布N (318.0, 35.752)(图1-c, 图2-c), 偏度为0.056±0.124, 峰度为0.162±0.247, 最小值为226.58 g, 最大值为413.76 g, 平均千粒重为(317.97±35.75) g,变异系数(CV)为0.11。95%置信区间内平均千粒重为314.41~321.53 g。

图1 产量相关性状分布的探测分析箱图

图2 产量相关性状的频数分布与正态分布曲线

籽粒产量符合正态分布N (8.9, 1.232)(图1-d, 图2-d), 出现1个极高奇异值(明科玉2号, 13.41 t hm–2),偏度(Skewness)为0.162±0.124, 峰度(Kurtosis)为−0.034±0.247, 最小值为5.84 t hm–2, 最大值为13.41 t hm–2, 平均籽粒产量为(8.91±1.23) t hm–2, 变异系数(CV)为0.14。95%置信区间内平均籽粒产量为8.79~9.03 t hm–2。

为了进一步明确氮、磷、钾养分吸收与产量的关系, 将390个品种根据籽粒产量水平划分为<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2六类(表1)。其中产量范围<7.0 t hm–2的样本量为20, 平均产量为(6.52±0.35) t hm–2; 产量范围7.0~8.0 t hm–2的样本量为74, 平均产量为(7.56±0.28) t hm–2; 产量范围8.0~9.0 t hm–2的样本量为117, 平均产量为(8.54±0.28) t hm–2; 产量范围9.0~10.0 t hm–2的样本量为105, 平均产量为(9.47±0.28) t hm–2; 产量范围10.0~11.0 t hm–2的样本量为53, 平均产量为(10.41±0.28) t hm–2; 产量范围>11.0 t hm–2的样本量为21, 平均产量为(11.47±0.54) t hm–2。生物量平均为(18.58±2.21) t hm–2, 各产量水平下生物量平均分别为14.84、16.50、17.96、19.38、20.89和22.41 t hm–2; 收获指数平均为(54.09±3.60)%, 各产量水平下收获指数平均分别为49.86%、51.92%、53.80%、55.08%、56.06%和57.48%, 生物量和收获指数随产量的提高而显著增加, 相关系数分别为0.855和0.508 (<0.01,图3, 表2)。

表1 不同产量水平下的产量数据分布

图3 不同产量水平夏玉米品种的收获期生物量和收获指数变化

图中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表2 产量相关性状与氮素吸收相关参数的相关系数

**相关性在0.01水平上显著(双侧)。*相关性在0.05概率水平上显著(双侧)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

2.2 夏玉米矿质元素吸收利用规律

2.2.1 夏玉米氮素需求特征 籽粒产量与地上部吸氮量呈显著正相关, 相关系数达0.622 (<0.01, 图4-a, 表3)。每生产100 kg玉米籽粒氮素需求量平均为(1.95±0.24) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~ 10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2产量水平下籽粒氮素需求量平均分别为2.15、2.09、1.96、1.88、1.84和1.80 kg (图4-b), 每生产100 kg籽粒氮素需求量与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.402 (<0.01, 表3)。氮素籽粒生产效率平均为(52.19±6.51) kg kg–1, 各产量水平下平均氮素籽粒生产效率分别为47.09、48.51、51.91、53.82、55.05和56.14 kg kg–1, 随着产量水平的提高而增加(图5-a), 而氮收获指数平均为(58.35±4.27)%, 各产量水平下平均氮收获指数分别为55.84%、56.99%、58.61%、58.79%、58.74%和60.81% (图5-b)。茎秆和叶片氮浓度在产量水平<7.0 t hm–2时分别为5.58 g kg–1和9.43g kg–1左右, 产量水平>7.0 t hm–2时则在5.95 g kg–1和11.86 g kg–1左右; 籽粒氮浓度平均为(9.66±1.16) g kg–1, 各产量水平的平均籽粒氮浓度分别为10.12、10.03、9.76、9.45、9.26和9.43 g kg–1(表3), 籽粒氮浓度与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.235 (<0.01, 表3)。

图4 籽粒产量与地上部吸氮量的关系和各产量水平下单位籽粒氮素需求量

图a中实线表示拟合曲线, 虚线表示95%预测区间,**显著性为<0.01; 图b中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction range (=0.95),**significant at< 0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表3 夏玉米各产量水平下的植株茎秆、叶片和籽粒氮浓度

图5 各产量水平下的氮素籽粒生产率和氮素收获指数

图中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

夏玉米每生产100 kg籽粒的氮素需求量随着产量水平提高而降低的趋势可分为3个阶段。第一阶段为从籽粒产量水平由<7.0 t hm–2增加到8.0~ 9.0 t hm–2, 籽粒产量提升是地上部生物量和收获指数共同提高的结果。在此阶段, 产量由6.52 t hm–2增加到8.54 t hm–2提高了31.05%, 而地上部生物量从14.84 t hm–2增加到17.96 t hm–2提高了20.96%, 收获指数则从49.86%增加到53.80%提高了7.90%。由于收获指数的增加, 同时籽粒氮浓度从10.12 g kg–1降低到9.76 g kg–1, 导致每生产100 kg籽粒氮素需求量从2.15 kg降低到1.96 kg。第二阶段为产量水平从8.0~9.0 t hm–2增加到10.0~11.0 t hm–2, 该阶段地上部生物量由17.96 t hm–2提高到20.89 t hm–2, 提高幅度为16.35%, 而收获指数变化较小, 从53.80%增加到56.06%仅仅提高了4.20%, 籽粒产量的提升主要是由于地上部生物量的提高。籽粒氮浓度从9.76 g kg–1降低到9.26 g kg–1, 导致每生产100 kg籽粒氮素需求量从1.96 kg降低到1.84 kg。第三阶段为产量水平从10.0~11.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2, 籽粒产量的提升主要是由于地上部生物量的提高, 而收获指数不变。由于籽粒氮浓度变化不大, 单位籽粒氮素需求量无显著变化。说明夏玉米地上部吸氮量随着产量水平的升高而升高, 但每生产100 kg籽粒氮素需求量随着产量水平的升高而降低, 这主要是由收获指数的增加和籽粒氮浓度的降低引起的。

2.2.2 夏玉米磷素需求特征 籽粒产量与地上部吸磷量呈显著正相关, 相关系数达0.667 (<0.01, 图6-a, 表4)。每生产100 kg玉米籽粒磷素需求量平均为(0.97±0.11) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2产量水平下籽粒磷素需求量平均分别为1.07、1.04、0.97、0.94、0.92和0.92 kg (图6-b), 每生产100 kg籽粒磷素需求量与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.396 (<0.01, 表4)。磷素籽粒生产效率平均为(104.35± 11.77) kg kg–1, 各产量水平下平均磷素籽粒生产效率分别为94.63、97.44、104.20、107.46、109.76和109.66 kg kg–1, 而各产量水平下平均磷收获指数分别为51.53%、53.77%、55.02%、55.98%、57.44%和58.12%, 二者均随着产量水平的提高而提高(图7)。茎秆、叶片、籽粒磷浓度在不同产量水平下变化幅度较小, 分别为(3.96±0.47)、(4.62±0.57)、(4.57±0.49) g kg–1(表5), 其中籽粒磷浓度与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.120 (<0.05, 表4)。可见, 夏玉米地上部吸磷量随着产量水平的升高而升高, 但是每生产100 kg籽粒磷素需求量随着产量水平的升高而降低, 造成这一结果的主要原因是收获指数的增加和籽粒磷浓度的降低。

图6 籽粒产量与地上部吸磷量的关系和各产量水平下单位籽粒磷素需求量

图a中实线表示拟合曲线, 虚线表示95%预测区间,**显著性为<0.01; 图b中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction band (= 0.95),**significant at< 0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表4 产量相关性状与磷素吸收相关参数的相关系数

**相关性在0.01水平上显著(双侧)。*相关性在0.05水平上显著(双侧)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

表5 夏玉米各产量水平下的植株茎秆、叶片和籽粒磷浓度

(续表5)

图7 各产量水平下的磷素籽粒生产率和磷素收获指数

图中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

2.2.3 夏玉米钾素需求特征 籽粒产量与地上部需钾量呈显著正相关, 相关系数达0.504 (<0.01, 图8-a, 表6)。每生产100 kg玉米籽粒钾素需求量平均为(1.89±0.28) kg, 在<7.0、7.0~8.0、8.0~9.0、9.0~ 10.0、10.0~11.0、>11.0 t hm–2产量水平下籽粒钾素需求量平均分别为2.14、2.04、1.93、1.80、1.74和1.74 kg (图8-b), 每生产100 kg籽粒钾素需求量与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.411 (<0.01, 表6)。钾素籽粒生产效率平均为(54.10±7.92) kg kg–1, 各产量水平下平均钾素籽粒生产效率分别为47.73、50.06、52.85、56.58、58.38和58.24 kg kg–1, 钾素籽粒生产效率随着产量水平提高而提高, 而各产量水平下平均钾收获指数分别为15.02%、15.67%、15.72%、17.07%、17.01%和16.66%, 呈先升高后降低的趋势(图9)。茎秆钾浓度平均为(15.49±2.65) g kg–1, 各产量水平下平均茎秆钾浓度分别为14.52、15.24、15.53、15.45、15.60和16.92 g kg–1(表7), 其与籽粒产量呈显著正相关, 相关系数达0.118 (<0.05, 表6); 叶片钾浓度平均为(14.99±2.65) g kg–1, 各产量水平下平均叶片钾浓度分别为15.58、15.33、15.63、14.37、14.32和14.47 g kg–1, 其与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数达−0.175 (<0.01); 籽粒钾浓度为(2.58±0.43) g kg–1, 在不同产量水平下变化幅度较小。可见, 夏玉米地上部吸钾量随产量水平升高而升高, 但是每生产100 kg籽粒钾素需求量随产量水平升高而降低, 造成这一结果的主要原因是收获指数和茎秆钾浓度的增加以及叶片钾浓度的降低。

图8 籽粒产量与地上部吸钾量的关系和各产量水平下单位籽粒钾素需求量

图a中实线表示拟合曲线, 虚线表示95%预测区间,**显著性为<0.01; 图b中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

(a) The solid line represents the relationship and the dashed lines represent the prediction band (=0.95),**significant at<0.01; The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. (b) The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

图9 各产量水平下的钾素籽粒生产率和钾素收获指数

图中实线表示中值, 虚线表示平均值, 箱型边界表示75%和25%的四分位数, 上下边缘表示90和10百分位数, 圆圈表示95和5百分位数。

The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively. The box boundaries indicate the 75% and 25% quartiles, the whisker caps indicate 90th and 10th percentiles, and the circles indicate the 95th and 5th percentiles.

表6 产量相关性状与钾素吸收相关参数的相关系数

(续表6)

**相关性在0.01水平上显著(双侧)。*相关性在0.05概率水平上显著(双侧)。

**Correlation is significant at the 0.01 probability level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed).

表7 夏玉米各产量水平下的植株茎秆、叶片和籽粒钾浓度

3 讨论

养分吸收是生物量积累的基础, 也是作物产量形成的基础。生育期内充足的养分供应是夏玉米获得高产的关键。增施肥料已成为获得作物高产的重要措施, 但由于玉米耐肥性强, 近年来玉米化肥超量施用问题日益严重, 化肥投入过高、肥料利用率极低不仅降低了农业生产的经济效益, 还造成严重的资源浪费和环境污染[6,18]。了解玉米的养分需求规律有助于确定生产中资源投入总量, 实现总量控制, 避免养分投入不足或过量, 以充分挖掘产量潜力、实现资源的高效利用。大量研究表明, 作物的养分需求本质上由其生物学特性决定, 但会受到品种、产量水平、肥料用量等因素的影响[19-22]。胡昌浩等[23]在夏玉米产量水平为6.21 t hm–2时, 生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为2.98、1.32和2.58 kg。本试验中, 产量在<7.0 t hm–2(5.84~6.98 t hm–2)范围内, 每生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为(2.15±0.26)、(1.07±0.12)和(2.14±0.30) kg, 这一结果与胡昌浩等[23]报道相比, 单位籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别下降了27.82%、18.99%和17.18%。出现这种差异的原因可能是品种更替过程中对养分吸收和分配不同造成的。而佟屏亚等[24]在紧凑型夏玉米“掖单12”产量水平为10.41 t hm–2的试验结果显示, 生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为1.76、0.67和1.13 kg。而本文中, 产量在10.0~11.0 t hm–2(10.03~10.93 t hm–2)范围内, 每生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为 (1.84±0.21)、(0.92±0.08)和(1.74±0.21) kg。造成差异的原因可能是本试验中该产量水平的现代品种种植密度为75,000株 hm–2左右, 而上述试验种植密度为105,000株 hm–2, 品种特性和田间管理不同影响夏玉米养分需求特征。陈国平等[25]将全国66个试验点资料加权平均得出生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为2.68、1.13和2.36 kg。Liu等[26]对1985—1995年中国玉米产区的研究结果显示, 生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为2.58、0.98和2.77 kg。Xu等[27]收集和分析2001—2010年中国玉米产区田间数据, 采用QUEFTS模型预测在产量达到潜在产量的60%~70%之前平衡营养元素,粮食产量将呈线性增长; 在这线性区间, 每生产100 kg夏玉米籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为2.03、1.01和1.91 kg。在本试验中, 基于黄淮海区域适宜的施肥条件和种植密度, 390个现代夏玉米品种的平均籽粒产量在(8.91±1.23) t hm–2, 生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量的变化范围分别为(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。本研究结果在范围上较21世纪之前的旧品种有所降低, 而与21世纪之后的研究较为一致; 随着年代推进, 品种更替, 现代夏玉米品种的单位籽粒氮素、磷素和钾素需求量是降低的, 在实际生产中应考虑适当降低磷肥、钾肥的施用量。

本研究表明每生产100 kg籽粒氮、磷和钾素需求量随着产量水平升高而降低, 岳善超[28]和Hou等[21]的研究结果也表现出类似的趋势。当前单位籽粒的需氮量和需磷量的下降可能与品种演变和收获指数提高有关[21]。本研究中, 单位籽粒的氮和磷素需求量降低主要是收获指数的增加和氮、磷浓度的下降所致, 尤其是籽粒氮、磷浓度的下降。收获指数与籽粒产量呈显著正相关, 随着产量水平由<7.0 t hm–2增加到>11.0 t hm–2, 收获指数由49.86%增加到57.48%。籽粒氮、磷浓度均与籽粒产量呈显著负相关, 相关系数分别为−0.235和−0.120 (<0.05)。然而与氮、磷不同的是, 单位籽粒的钾素需求量随产量升高而降低的原因主要是茎秆钾浓度的上升和叶片钾浓度的下降。吴良泉等[22]也揭示了相似的规律, 他指出夏玉米籽粒中钾浓度一般维持在3.0 g kg–1, 而秸秆钾浓度由产量<8 t hm–2下的14.0 g kg–1增加到产量>12 t hm–2下的18.1 g kg–1。

养分籽粒生产效率反映作物如何高效利用养分积累生产籽粒产量, 可作为评价品种性能和农艺措施的一种指标, 养分收获指数反映了所吸收养分向籽粒的转移状况。生育后期, 籽粒中分配较多的养分, 有利于满足籽粒充实所需的营养物质, 因而具有较高的养分收获指数[29]。本研究中氮素、磷素、钾素生产效率平均分别为(52.19±6.51)、(104.35±11.77)、(54.10±7.92) kg kg–1, 三者均随着产量水平的提高而提高。氮素、磷素、钾素收获指数平均为(58.35± 4.27)%、(55.36±4.27)%、(16.27±3.11)%, 氮素、磷素收获指数随着产量水平的提高而提高, 钾素收获指数则无明显变化。养分生产效率中磷素最高, 钾素次之, 氮素最低, 而养分收获指数氮素最高, 磷素次之, 钾素最低。说明籽粒中分配了较多的氮素和磷素, 而在更高产条件下由于碳水化合物向籽粒中分配比例的增加导致籽粒中分配的钾素被进一步稀释。

基于我国农业转型升级、提质增效和化肥零增长的战略, 黄淮海夏玉米生产更应重视高产、高效的协同, 本文在适宜的施肥条件和种植密度条件下探究了养分需求规律, 为现代玉米品种精准养分管理提供了基础数据参考, 但在实际生产中应根据当地生产情况结合品种产量潜力和肥料特点综合考虑以确定适宜的养分用量, 实现绿色可持续发展。

4 结论

当前黄淮海区域现代玉米品种籽粒产量为(8.91±1.23) t hm–2, 生产100 kg籽粒的N、P2O5和K2O需求量的变化范围分别为(1.95±0.24)、(0.97±0.11)和(1.89±0.28) kg。氮磷钾需求量随产量的提高而增加, 但每生产100 kg籽粒的氮素、磷素和钾素需求量随着产量的升高而下降。

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附表1 供试玉米品种

Supplementary table 1 Hybrid summer maize in the experiment

(续附表1)

(续附表1)

Regulation of grain yield and nutrient absorption of modern summer maize varieties in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region

CHENG Yi1, LIU Peng1,*, LIU Yu-Wen2, PANG Shang-Shui3, DONG Shu-Ting1, ZHANG Ji-Wang1, ZHAO Bin1, and REN Bai-Zhao1

1State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China;2Agricultural Bureau of Shanghe County, Jinan 251600, Shandong, China;3Jinan New Oasis Agriculture Development Co. LTD, Jinan 251600, Shandong, China

In order to investigate the grain yield and nutrient absorption of modern summer maize varieties in the Yellow-Huaihe- Haihe Rivers region, with the aim at proposing the theoretical basis for rational application of fertilizer, and high yield and high efficiency production, the experiment was conducted in 2016 at National Demonstration Center for New Crop Varieties in Shanghe, Jinan and the State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University in Tai’an. Plants were sampled at maturity stage, and the grain yield, yield components, and mineral element uptake and utilization of plants were analyzed. Exploring analyses and normality tests showed that yield per plant, biomass per plant, 1000-kernel weight and grain yield were all conformed to normal distribution, with N (167.0, 22.722), N (285.0, 33.472), N (318.0, 35.752), and N (10.9, 1.502), ranging from 141.55 to 246.99 g plant–1, from 197.68 to 389.92 g plant–1, from 226.58 to 413.76 g 1000 kernel–1, and from 5.84 to 13.41 t hm–2, respectively. The average N requirement per 100 kg grain was 1.95 kg and declined with increasing grain yield. When the yield increased from < 7.0 t hm–2to 8.0−9.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain decreased from 2.15 to 1.96 kg due to increasing harvest index and decreasing grain N concentration. When the yield increased from 8.0−9.0 t hm–2to 9.0−11.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain decreased from 1.96 to 1.84 kg due to decreasing grain N concentration. When the yield was more than 11.0 t hm–2, the N requirement per 100 kg grain tended to be stable. The average P requirement per 100 kg grain was 0.97 kg, which was negatively correlated with grain yield, and declined from 1.07 to 0.92 kg when the yield increased from < 7.0 t hm–2to > 11.0 t hm–2due to increasing harvest index and declining grain P concentrations. The average K requirement per 100 kg grain was 1.89 kg, which was negatively correlated with grain yield, showing a decrease from 2.14 to 1.74 kg when the yield increased from < 7.0 t hm–2to > 11.0 t hm–2, which was attributed to the increase of the harvest index and stem potassium concentrations, and the decline in leaf potassium concentrations. The grain yield of main maize varieties currently grown in the Yellow- Huaihe-Haihe Rivers region was (8.91±1.23) t hm–2, with the N, P2O5, and K2O requirement per 100 kg grain of (1.95±0.24), (0.97±0.11), and (1.89±0.28) kg, respectively. The N, P, and K requirement for plant growth increased with increasing grain yield, while the average N, P2O5and K2O requirement for producing 100 kg grain declined with increasing grain yield.

the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region; maize; yield; grain yield; nutrient uptake

本研究由山东省现代农业产业技术体系项目(SDAIT02-08), 国家重点研发计划项目(2016YFD0300106), 国家自然科学基金项目(31771713, 31371576)和山东省农业重大应用技术创新课题资助。

This study was supported by the Shandong Province Key Agricultural Project for Application Technology Innovation (SDAIT02-08), the National Basic Research Program of China (2016YFD0300106), the National Natural Science Foundation of China (31771713, 31371576), and the Agricultural Major Applied Technological Innovation in Shandong Province.

刘鹏, E-mail: liupengsdau@126.com, Tel: 0538-8241485

E-mail: chengyi722@126.com

2019-01-24;

2019-05-12;

2019-06-03.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190603.0847.002.html

10.3724/SP.J.1006.2019.93004