春玉米干物质积累和产量对播期调控下水热变化的响应

裴世娟 李瑞盈 张 萌 武晋涛 钟婷玮 胡君霞 裴广芬 韩金玲,4,*

(1 河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北 秦皇岛 066000；2 秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛 066000；3 河北省滦州市农业农村局，河北 唐山 063700；4 河北省作物逆境生物学重点实验室 河北 秦皇岛 066000)

气温和降雨是影响作物生长发育的主要生态因子。有研究发现，夜间平均温度较高有利于加快玉米的生长速度，提高产量[1]；而干旱会导致玉米干物质积累量、收获指数和粒重降低[2]。Liu等[3]研究发现雨养条件下日最高气温升高1～3℃，春玉米产量可增加2%～54%；降雨量减少10%～30%，产量可下降70%。播期是影响热量和降水资源与作物对二者需求之间匹配度的重要栽培措施，进而影响作物产量和其对资源的利用效率[4]。研究表明，春玉米适期早播能够延长生育期，增加玉米整个生育期的有效积温[5]，延长干物质积累的持续时间[6]，提高干物质积累速率[7]，增加干物质积累量[5]。产量和干物质积累量呈显著正相关，干物质积累越多产量越高[8]。受气候类型和品种类型影响，不同区域适宜播期不同，而且并非播期越早产量越高。美国低纬度“玉米带”的热量资源较高纬度地区充足，低纬度地区可选用晚熟品种，提早播种[9]。在我国，黔西北地区4月24日至5月1日播种即可认为晚播，会造成生育期内的积温不足，影响产量[10]；在辽宁锦州4月10日至20日播种即为早播，5月20日后播种为晚播，晚播玉米在生育前期温度高，生育期缩短，灌浆期温度低，不利于获得高产[11]；而在华北地区，春玉米播期推迟至5月下旬，降雨量较多且温度较高有利于植株干物质积累，春玉米在吐丝前后受到高温胁迫影响的程度最轻，并且灌浆中后期的气温条件适宜，有效穗粒数和粒重高于其他播种期，产量显著提高[12-13]。

冀东地区是河北省春玉米主产区，陈艳等[14]从气象角度分析发现，该区域首场透雨到来时间为5月下旬末的保证率为84%，且认为冀东地区确定春玉米的适宜播种期时，温度条件不是限制因子，适宜播种期的早晚要根据首场透雨出现的早晚确定，一般年份可推迟到5月中旬后透雨出现进行播种较为适宜。关于冀东地区不同播期下春玉米生育期间水热资源与春玉米对温度和水分需求匹配度，以及春玉米对不同播期下水热资源响应的研究尚鲜见报道。基于此，本研究在分析冀东地区春玉米生长季常年的水热状况基础上，以2个春玉米品种为材料，进行了4年的水热资源和春玉米干物质积累、产量及水分利用率研究，以期为实现冀东地区春玉米节水丰产和确定适宜播期，提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验在河北科技师范学院试验基地(39°75′N，118°94′E)进行，该地位于河北省东部。河北东部(38°55′～40°28′N，117°31′～119°19′E)属温带大陆性季风气候区，年均温11.2℃，≥10℃积温多年平均值为4 132.7℃[15]，无霜期180～190 d，近十年平均降雨量为634.96 mm。由于热量资源限制，在冀东地区春玉米-冬小麦-夏玉米两年三熟制面积较大。近十年气候资料统计结果(图1，气象数据来源于秦皇岛市气象局和唐山市气象局)显示，春季温度和降雨量同时增加，但4月中旬至5月下旬降雨量增加较少，旬降雨量不足15 mm；6月份降雨量明显增多，7月下旬日均温和降雨量均达最高，之后温度和降雨量同步减少。

试验地土壤类型为褐土，质地为中壤土。土壤含有机质19.08 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，碱解氮102.35 mg·kg-1，速效磷23.59 mg·kg-1，速效钾74.10 mg·kg-1。

试验材料为前期筛选出的适宜于本地区种植的高产耐密品种京农科728和MC812(由课题合作单位玉田县集强农民专业合作社提供)。

注：图中横坐标的a、b、c分别代表每个月的上旬、中旬和下旬。Note:a,b and c represent the first,second and third ten days every month in the figure,respectively.图1 冀东地区春玉米生长季常年旬日均温和降雨量Fig.1 The 10-day-mean temperature and rain capacity in the spring maize growing season in Eastern Hebei province

1.2 试验设计

试验于2017―2020年进行，设4个播期，分别为5月1日(B1)、5月10日(B2)、5月20日(B3)、5月30日(B4)，采用二因素裂区设计，品种为主区，播期为副区，3次重复。小区面积50 m2，行长17 m，行距0.58 m，株距0.2 m。播前灌水600 m3·hm-2，播前整地时一次性撒施600 kg·hm-2玉米专用控释肥(N-P2O5-K2O:26-10-12)，机器开沟，人工点播。2018―2020年第一、第二播期在大喇叭口至抽雄期灌溉一次，灌水量600 m3·hm-2，除此之外，其他时期和其他处理的整个生育期间均无灌溉。田间管理同常规生产田。2017至2019年对植株干物质积累量、土壤含水量、产量及构成因素进行测定，2020年仅对产量和产量构成因素进行测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株样品采集及干物质积累量测定 分别于3叶期、6叶期、12叶期、抽雄期、灌浆前期(抽雄后13 d)、灌浆中期(抽雄后26 d)、灌浆后期(抽雄后39 d)和生理成熟期进行取样，每小区选取5株有代表性的玉米植株，于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重进行称重。

1.3.2 土壤样品采集及其含水量测定 分别于播种期、出苗期、6叶期、12叶期、抽雄吐丝期、生理成熟期，在每小区选择3个采样点，用土钻采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土样，用铝盒封装带回室内称重，然后于135℃烘干后称重，计算土壤含水量。

1.3.3 产量及产量构成因素测定 玉米成熟后每小区取中间15米双行，计数株数、双穗株数、空杆株数、总果穗数，每行连续取10个果穗考种，测定穗长、穗粗、轴粗、秃尖长、穗粒数、出籽率、千粒重等，收获全部15米双行的果穗，晾干，脱粒，计算产量。

1.4 数据分析

1.4.1 玉米干物质随时间生长模型 具体参数参照肖强等[16]的方法进行计算和模拟，春玉米干物质积累参数表述及计算方法见表1。

表1 干物质积累参数表述及计算方法Table 1 Expression and calculating method of dry matter accumulation parameters

1.4.2 耗水量及水分利用效率 根据公式计算耗水量和水分利用效率：

耗水量=降水量+灌水量+100 cm深土壤水变化量

水分利用效率=产量/全生育期耗水量

1.4.3 统计分析 采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和作图，DPS 7.05软件进行方差分析。由于3年(2017年—2019年)的各指标数据变化趋势基本一致，因此干物质积累量(表2)、穗部性状(表4)、耗水量(表8)的数据为3年试验数据的平均值；产量和产量构成因素(表5、6)及不同时段天气状况天数(图2)列出了4年的全部数据；表3数据由表2数据衍生而来，表7数据由表5、6各性状4年数据平均值衍生而来，图3数据为表6和表8数据的相应平均值衍生而来。

2 结果与分析

2.1 不同播期下春玉米干物质积累动态分析

2.1.1 干物质积累动态 由表2可知，2个春玉米品种随着生育进程的不断推进，植株的干物质积累量逐渐增加，在成熟期达到最高(除京农科728的第二播期和第三播期由于茎腐病严重导致其在成熟期干物质下降)。苗期至灌浆前期，各生育时期春玉米植株干物质积累量随播期的延迟总体呈降低的趋势，在灌浆前期，第四播期的植株干物质累量开始超过第三播期，至成熟期第四播期的植株干物质积累量超越了前3个播期。这可能由于在春玉米生育前期和中期，随播期的推迟温度升高，植株生长发育较快，干物质积累量相对较少，至灌浆期，前3个播期的植株处于高温高湿环境，且茎腐病发生严重，致使干物质积累较慢，甚至出现下降，而第四播期处于温湿适宜的环境条件下，且该播期此生育时期的持续时间明显延长。

表2 播期对春玉米各生育时期干物质积累量的影响Table 2 Effect of sowing date on shoot dry matter accumulation of spring maize in different growing stages /(kg·hm-2)

2.1.2 干物质动态积累的Logistic方程拟合 春玉米干物质积累量与出苗后天数进行Logistic模型拟合的各参数如表3所示，各处理的决定系数R2在0.983 3至0.997 7之间，表明各处理的拟合效果较好。

由表3可知，2个春玉米品种均以第一、第四播期的干物质积累过程持续时间(T)最长，第二播期的最短；第一、第四播期的干物质积累参数比较，两品种均表现出第一播期的渐增期持续时间(T1)较长，而其快增期持续时间(T2)较短。这与第一播期早期温度低，后期温度高有关，而第四播期所处环境与此相反。从植株干物质积累速率来看，植株平均干物质积累速率(-Ⅴ)以第二播期较高，第三播期最低，这可能由于8月初(第二播期处于乳熟期)强降雨后高温，使得第二播期植株快速衰亡所致；两品种植株干物质最大积累速率(Vm)的极值出现在不同播期，京农科728的最大值出现在第一播期，最小值出现在第二播期，而MC812的最大值出现在第二播期，最小值出现在第四播期。两品种渐增期干物质积累速率(V1)均以第四播期最快，京农科728第一播期最慢，MC812第三播期最慢；京农科728快增期干物质积累速率(V2)以第一播期最快，MC812以第二播期最快；两品种缓增期干物质积累速率(V3)均以第二播期最快。这些均与不同播期处理在各生育时期所处温湿环境及持续时间有关。早播处理早期温度低，干物质积累慢，晚播处理早期植株所处温度相对较高，植株生长发育较快；后期第二播期的植株突然衰亡，其干物质积累速率仍然处于相对较快时期，因此出现缓增期其干物质积累速率较快的现象。

表3 不同播期下春玉米干物质积累的Logistic拟合方程比较Table 3 Comparison of fitting Logistic equation of spring maize dry matter accumulation with different sowing dates

2.2 不同播期下春玉米产量及产量性状比较

2.2.1 不同播期下春玉米穗部性状 由表4可知，玉米果穗的穗粗、轴粗、穗行数和出籽率在不同播期间无显著差异；穗长和行粒数的值以第三播期最小；秃尖长以第四播期最短，且与其他处理差异达显著水平。

表4 不同播期下春玉米穗部性状Table 4 Ear characters of spring maize with different sowing date

2.2.2 不同播期下春玉米产量构成因素 由表5可知，播期对春玉米有效穗数影响不大，对穗粒数和千粒重影响显著，不同年际间穗粒数和千粒重受播期影响不同。2018年春玉米穗粒数随播期的延迟而增加，千粒重则呈降低趋势；其他3个年份，春玉米穗粒数总体随着播期的延迟先降低后增加，基本以第二播期的千粒重最低，第四播期最高。这与灌浆期温度和湿度以及光照时间有关，同时也与气候影响下的籽粒灌浆速率和持续时间有关。

2.2.3 不同播期下春玉米产量 对4年的产量数据进行分析可知(表6)，除2018年以第二、第三播期的产量较高外，其他年份两品种均以第四播期的产量最高，4年的平均产量也以第四播期最高，其次为第二播期，第三播期产量最低，第四播期的4年平均产量与其他3个播期间差异达显著水平。由表5可知，2018年春玉米穗粒数和千粒重受播期影响的规律与其他3个年份相反；另外结合图2可知，试验地4年气温差异不大，但与其他3个年份比较，2018年7月24日至8月16日晴天相对较多，8月17日至9月20日阴天相对较多。这表明灌浆期天气状况对春玉米穗粒数和千粒重影响较大，进而影响产量。

表5 不同播期下春玉米产量构成因素Table 5 Yield components of spring maize with different sowing date

表6 不同播期下春玉米产量比较Table 6 Comparison of spring maize yield with different sowing date /(kg·hm-2)

图2 不同年际间不同时段各状况天气天数Fig.2 The number of days each the weather regime on the different time in different year

2.2.4 产量与产量构成因素的相关性分析 由表7可知，春玉米产量与千粒重之间呈极显著正相关，与其他2个产量构成因素相关性不显著。虽然播期对穗粒数也有显著影响(P<0.05)，但其与产量的相关性较小。说明千粒重是影响该区域春玉米产量的主要因素。

表7 产量与产量构成因素的相关性分析Table 7 Relativity between yield and yield components

2.3 不同播期下春玉米水分利用效率的比较

2.3.1 播期对春玉米耗水量的影响 由表8可知，不同阶段春玉米耗水量不同，各处理的阶段耗水量最大值出现在抽雄期至成熟期，此阶段耗水量占总耗水量的55.92%～61.42%。除抽雄期至成熟期阶段外，播期对各阶段耗水量均有较大影响，播种至6叶期阶段，晚播处理耗水量较高，6叶期至12叶期阶段，早播处理的耗水量较高，12叶期至抽雄期阶段，第一播期和第四播期的耗水量较高。两品种全生育期耗水量均以第三播期最低，京农科728第三播期的全生育期耗水量与第一播期差异显著，与其他播期差异未达显著水平，MC812的全生育期耗水量在各播期间差异不显著。这与不同播期同一生育时期的春玉米所处的环境条件和持续时间不同有关。

表8 不同播期下春玉米阶段耗水量和全生育期耗水量Table 8 Stage water consumption and total water consumption of spring maize with different sowing date /mm

2.3.2 播期对春玉米水分利用效率的影响 由图3可知，随着播期的推迟，水分利用效率逐渐升高，各处理间差异达显著水平(除京农科728第二播期外)。虽然第一播期的产量仅次于第四播期，但由于其生长期间气候干旱，耗水量大，因此其水分利用效率最低；第三播期的产量最低，但全生育期耗水量最少，因此，第三播期的水分利用效率仅次于第四播期。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments.图3 播期对春玉米水分利用效率的影响Fig.3 Effect of sowing date on water use efficiency of spring maize

3 讨论

3.1 适宜播期可以协调水热资源，增强与春玉米生长需求的匹配度

热量和水分是农业生态系统的生存因子，调节着作物的生长和发育。在冀东地区春玉米生长季热量和水分随着时间的变化而变化，4月中旬至7月上旬降雨量相对较少，气候干旱。此时水分是影响本区域春玉米生长的主要因素，通过播期调整尽可能避开季节性干旱，可使玉米各生育时期处于有利的气象条件下[17]。本试验中第一、第二播期的大喇叭口期至抽雄期处于干旱时期，而第三、四播期分别在7月上旬和中旬进入大喇叭口期，可避开干旱天气。随着时间的推移，温度升高，降雨量增加，该区域7月下旬温度最高，降雨量最大，其次为8月上旬。开花期降雨过多所带来的低温寡照影响玉米的授粉受精与结实[18]，从本研究结果来看，第三播期的开花期正好在高温高湿季节，因此其穗粒数最低。玉米灌浆期最适宜日均温为22～24℃[19]，本研究中前3个播期的日均温均在30℃以上，第四播期的玉米灌浆期处在8月至9月，降雨量逐渐减少，气温逐渐降低，气温日较差增大，有利于玉米籽粒灌浆，导致该播期春玉米在成熟期的干物质量高于前3个播期处理，且其千粒重最高，进一步验证了第四播期(5月30日)播种的春玉米关键生育阶段所处的温湿环境优于前3个播期。综上所述，本区域春玉米播期推迟至5月30日，可以协调水热资源，增强水热资源与春玉米生长需求的匹配度。

3.2 适宜播期促进春玉米干物质积累

不同播期会使春玉米各生育时期所处的温光水等环境条件不同，进而影响春玉米的物候期、生育期、光合性能[20]、干物质积累[21]。本研究中，早播处理生育前期气温较低，降雨量较少，因此，苗期持续时间较长，干物质积累较慢，干物质积累量少。这与赵先丽等[22]的研究结果一致。12叶期是玉米生长发育的关键时期，也是对水分需求的关键期，降水增加有利于植株干物质积累[18]，但早播春玉米该时期易受干旱威胁，虽然可以通过补灌减小影响，但增加了成本。冀东地区东临渤海湾，7月下旬至8月上旬受台风影响所致的强风暴雨天气发生频率较高，高温暴雨加速了第一、第二播期的春玉米早衰或青枯，且该播期春玉米茎腐病严重，干物质积累量出现下降的现象。这与胡吉帮等[23]关于高温会导致灌浆成熟期缩短，不利于玉米干物质积累的结论一致。从全生育期植株干物质积累来说，京农科728在第四播期平均干物质积累速率最高，积累持续时间最长，其干物质积累量最多，MC812的平均干物质积累速率以第二播期最高，但积累持续时间以第四播期最长，产量以第四播期最高，这与肖强等[16]研究结论相符。关于第一、第二播期春玉米在强降雨后出现早衰和青枯的机理有待进一步研究。

3.3 适宜播期可协调产量构成因素，提高产量

气象条件是产量差异的主要来源，生育期间和吐丝后较长的光照时数有利于玉米籽粒产量的形成，促进籽粒灌浆[24]，协调产量构成因素，增加产量[25-26]，而较多的降水不利于产量增加，有减产趋势[27]。在本研究条件下，在第一、第二播期的春玉米开花吐丝期温光条件适宜，穗粒数较多，但灌浆期多云或阴雨天气相对较多，导致其千粒重下降，而第三、第四播期春玉米的开花吐丝期处于多云或阴雨天气相对较多阶段，因此二者穗粒数显著低于第一、第二播期(2018年除外)，第四播期春玉米灌浆期处于温、光、湿相对最佳时期，千粒重明显最高。肖尧等[28]发现播期对产量的影响主要依赖于千粒重的变化。本研究通过产量及产量构成因素之间的相关性分析得出，千粒重与产量之间呈极显著正相关，其他产量构成因素与产量之间相关性不显著，这也与霍中洋等[29]的研究结果相同。

3.4 适宜播期提高春玉米水分利用效率

适宜播期可以协调玉米光热水资源，提高产量，进而提高水分利用效率[30]，刘明等[31]研究认为推迟播期后总耗水量增加，但增加幅度小于产量的增幅，因此，水分利用效率略高于早播春玉米。本研究发现，随着播期推迟，总耗水量先降低再增加，第三播期耗水量最低，第四播期的耗水量增加。从4年的平均产量来看，前3个播期间产量差异较小，耗水量减少的幅度大于产量变化幅度，使得春玉米水分利用效率随着播期的推迟而提高，而第四播期的春玉米产量显著高于第三播期，总耗水量与第三播期差异不显著，因此，其水分利用效率显著高于第三播期，这与刘明等[31]的研究结果不同，但与路海东等[32]的研究结果类似，这可能与试验所处的环境条件不同有关。可见，延迟播种，提高产量是提高冀东地区春玉米水分利用效率的主要途径。

4 结论

综合4年的播期试验，冀东地区5月30日播种的春玉米生长需求与水热资源的匹配度最高，避开了前期干旱及中后期的高温和强降雨，尤其在籽粒灌浆期适宜的温、光、水资源，使粒重显著提高，实现了稳产高产，提高了水分利用效率，并节约了水资源。5月1日播期的春玉米由于前期受干旱胁迫、后期受强降雨影响，产量不稳，且需要补灌，增加成本。5月10日和5月20日播期的春玉米前期受干旱胁迫，后期受强降雨影响，易早衰或青枯，产量较低。因此，冀东地区春玉米适宜播期为5月30日左右。另外，千粒重是影响冀东地区春玉米产量的主要因素，选择品种时可以选择大粒型品种以提高产量。