春玉米农艺性状及养分积累动态对水溶肥管理的响应

王 欣，马俊祥，滕泽宇，王 柏，陈智文，张 清

（吉林师范大学吉林省高校新型肥料工程研究中心，吉林四平 136000）

0 引言

2020年国内玉米的种植面积约为4126.4万hm2，占全国粮食播种面积的35.33%[1]。玉米是重要的食用和饲料作物，保证其稳产和高产是国内粮食安全的重要任务[2]。吉林省西部半干旱农业区是东北重要的玉米种植区[3]，该区域具有较好的光热资源，生产潜力大。但长期不合理灌溉施肥，造成水肥资源浪费严重，甚至引发环境污染[4-6]。水肥一体化技术具有节水、增产、减少养分淋失、提高肥料利用率等优点[7-9]，已成为吉林省西部半干旱地区农业主要推广技术之一。探明滴灌条件下不同生育期肥料运筹对春玉米农艺性状、产量以及养分积累动态的影响，实现节肥增产，对于保障吉林省乃至国家粮食安全和农业可持续发展具有重要的现实意义。国内农田水肥耦合研究最早开始于20世纪80年代。大量研究结果显示，合理的覆膜灌溉技术与施肥方法相结合，可以促进玉米生长发育，提高玉米产量。刘洋等[10]在东北黑土区开展的玉米膜下滴灌试验结果表明，玉米的生长发育和产量受施氮次数影响。徐泰森等[11]采用水肥一体化模式对覆膜玉米水氮耦合效应进行研究，发现合理范围内的灌水和施氮对玉米产量和农艺性状均有显著影响。胡蜀东等[12]进行了水肥一体化对玉米的生物性状与水肥利用效率分析试验，认为覆膜滴灌、不同的肥料运筹会导致生育期内玉米植株的农艺性状以及产量的差异性。杜军等[13]发现水肥一体化有利于夏玉米的均衡生长，增加夏玉米产量。单株玉米产量是一个受多基因控制的数量性状，各项农艺性状之间会相互作用进而对玉米产量造成不同程度的影响[14]。本研究以‘迪卡159’为研究对象，对不同施肥处理与产量进行回归分析，对产量与农艺性状进行相关性和通径分析，探讨不同施肥处理与春玉米产量之间的相关关系，分析影响春玉米产量的主要因素，以及各因素对产量的贡献和影响产量的途径，旨在为吉林省西部半干旱区春玉米生产合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在吉林省乾安县赞字乡父字村(44°87′N，123°99′E)，属于温带半干旱半湿润季风气候，土壤类型为淡黑钙土，质地为沙壤，2019年播前耕层(0～20 cm)土壤pH 7.82，全氮含量1.26 g/kg，有机质含量17.41 g/kg，有效磷含量14.89 mg/kg，速效钾含量112.39 mg/kg。

1.2 试验设计

于2019年5—10月玉米生长季开展试验。选用‘迪卡159’作为供试玉米品种。设3个处理水平（表1）。每个小区面积180 m2，不同处理采用随机区组排列，3个重复，共9个小区。试验所用的肥料为尿素(N 46%)、磷酸二铵(P2O546%、N 18%)和氯化钾(K2O 60%)。各处理的施肥量为纯氮200 kg/hm2、纯磷80 kg/hm2、纯钾90 kg/hm2，种植密度7.5×104株/hm2。试验各处理均采用秸秆还田大垄双行覆膜栽培模式，覆膜前在土壤表面喷施除草剂进行封闭防草。滴灌带沿玉米行向铺设于两垄之间，每条滴灌带控制2行玉米，每个小区配独立施肥罐，施肥开始前按各处理所需氮、磷、钾肥分别加入各小区的施肥罐中。玉米收获日期为10月5日，其他田间管理措施同常规。

表1 春玉米试验施肥方式 kg/hm2

1.3 样品采集与测定

在春玉米不同生育期，即出苗28、52、63、78、95、120天进行田间观测和样品采集。选取具有代表性的玉米植株3株（苗期为30株），取地上部植株样品，分段切碎装入袋中，于105℃杀青，在80℃下烘干至恒重，测定植株干物质及养分含量。植株全氮、全磷、全钾均采用AA3连续流动分析仪测定。成熟期收获每个小区中间2行玉米，按14%水分计产。同时，调查穗粗、穗长、穗行数、行粒数、百粒重等产量构成因素。

1.4 数据统计与分析

利用Microsoft Excel 2010进行基础数据的计算、整理，采用SPSS 21.0进行单因素方差分析(ANOVA)、相关性分析、回归分析和通径分析，处理间差异显著性分析采用Duncan检验法。

2 结果与分析

2.1 春玉米产量与农艺性状的相关性及通径分析

2.1.1 相关性分析 相关系数只表明两性状间的相关程度，并不能揭示各性状究竟对产量作用如何，只有进一步通径分析才能理清各农艺性状对产量所起的真正作用。根据试验相关数据，求得春玉米各农艺性状间的相关系数（表2），春玉米产量(Y)与穗粗(X1)、行粒数(X4)呈显著正相关关系(P＜0.05)，相关系数分别为0.780、0.782。春玉米产量(Y)与各农艺性状的相关关系由大到小依次为行粒数(X4)＞穗粗(X1)＞穗行数(X3)＞穗长(X2)＞百粒重(X5)。穗长(X2)与行粒数(X4)呈显著正相关(P＜0.05)，相关系数0.700；穗长(X2)与百粒重(X5)、行粒数(X4)与百粒重(X5)都呈极显著正相关(P＜0.01)，相关系数分别为0.893和0.668。

表2 春玉米农艺性状和产量的相关性分析

如表3所示，对春玉米产量(Y)进行正态性检验，其显著水平P=0.295＞0.05，服从正态分布，可进行多元回归分析。以产量(Y)为因变量，穗粗(X1)、穗长(X2)、穗行数(X3)、行粒数(X4)、百粒重(X5)为自变量，通过逐步回归分析（表4），建立自变量与因变量的最优多元回归方程，如式(1)。方程筛选了2个对产量(Y)有显著效应的自变量，分别为穗行数(X3)和行粒数(X4)，穗行数(X3)每增加1行，产量(Y)增加855.646 kg/hm2；每增加1行的行粒数(X4)，产量(Y)增加465.886 kg/hm2。决定系数R2=0.863，表明穗行数和行粒数对产量的总影响达到86.3%以上。

表3 春玉米产量的正态性检验

表4 春玉米产量与农艺性状的相关性及逐步回归分析

2.1.2 通径分析 在相关分析和多元回归的基础上，求得各农艺性状与产量的直接和间接通径系数如表5。在本试验条件下，各农艺性状对产量(Y)的直接通径系数由大到小依次为行粒数(X4)＞穗行数(X3)＞穗长(X2)＞穗粗(X1)＞百粒重(X5)。

表5 春玉米产量与农艺性状的通径分析

（1）行粒数对产量的影响。行粒数与产量呈显著正相关(r=0.782*)，且其对产量的直接效应最大(P=0.660)。行粒数通过穗长(P=0.126)和穗粗(P=0.041)有一定的正向间接效应，通过穗行数(P=-0.006)和百粒重(P=-0.039)有一定的负向间接效应，但负间接效应远小于行粒数对产量的直接作用。表明行粒数是本试验较为理想的增产因素，这与谭静等[15]的研究结果一致。

（2）穗行数对产量的影响。穗行数与产量呈正相关(r=0.493)，直接通径系数为正值(P=0.506)。因此，穗行数也是本试验产量提高的有利因素。然而，穗行数通过穗长、行粒数所起的间接作用均为负值，且通过穗长的间接作用为较大负值(P=-0.074)，说明穗行数对产量的最终总效应在很大程度上受到穗长的调节。

（3）穗长对产量的影响。穗长与产量的相关系数和直接通径系数均为正值(r=0.406、P=0.180)。穗长通过穗行数、百粒重的间接作用均为较小的负值，通过穗粗、行粒数的间接作用均为正值，特别是通过行粒数的间接作用为较大正值(P=0.462)，说明穗长对产量的提高有益。这与杨金慧等[16]的研究结果一致。

（4）穗粗对产量的影响。穗粗对产量的直接通径系数较小(P=0.067)，通过行粒数(P=0.401)有较大的正向间接效应，通过百粒重(P=-0.009)有较小的间接负效应，虽然穗粗对产量的总体效应值r=0.780，但其他性状间接正效应略大于负效应。所以，穗粗对本试验产量的增产效果较小。

（5）百粒重对产量的影响。百粒重对产量是负直接作用(P=-0.058)，间接通径系数为正效应的性状有穗粗(P=0.010)、穗长(P=0.161)、行粒数(P=0.441)；为负效应的性状有穗行数(P=-0.303)，正负效应相互抵消。刘世敏等[17]的研究发现，百粒重对产量的直接通径系数也为负值。因此，在兼顾其他农艺性状的情况下,较高的百粒重有利于高产。

综上，玉米性状间的相互作用是复杂的，既相辅相成也相互制约。某一性状的加强，常伴随着一些性状作用的加强和另一些性状作用的削弱。所以为了提高产量，应该抓住某个主要性状的选择，同时兼顾其他性状不至于削弱。本试验条件下，无论是哪种施肥方式，对‘迪卡159’春玉米产量起主要作用的2个农艺性状是行粒数和穗行数，尤其是行粒数。

2.2 春玉米农艺性状与产量对不同施肥方式的响应

追施水溶肥对春玉米农艺性状有不同的影响（表6）。从穗粗、穗长、穗行数、行粒数看，追施水溶肥的各处理均优于对照。其中，处理1的穗粗较处理2和CK分别增加了0.01、0.09 cm；穗长较处理2和CK分别增加了0.28、0.29 cm；百粒重较CK和处理2分别增加0.20、0.48 g。行粒数以处理1最高，较CK和处理2分别增加0.8、0.1粒；而处理2与处理1的穗行数相同。说明处理1的施肥方式有利于春玉米穗粗、穗长、穗行数、行粒数和百粒重的增加。结合通径分析结果，行粒数、穗行数、穗长和百粒重都会使春玉米增产，而行粒数是其中的主要因素，处理1比处理2增产1.2%。由此可知，施用氮、磷、钾肥均能增加玉米产量，但在水溶肥用量相同的基础上，追施4次氮磷钾肥比追施4次氮磷肥+3次钾肥更有利于提高春玉米产量。

表6 春玉米农艺性状与产量对不同施肥方式的响应

2.3 春玉米地上部氮、磷、钾养分积累动态及分配

2.3.1 各生育期不同施肥方式氮、磷、钾积累动态 不同施肥方式下玉米植株地上部氮、磷、钾养分积累动态变化见图1。春玉米植株地上部养分积累量总是随着生育时期呈逐渐增加的趋势，并在出苗120天时达最高值。整个生育时期，2个施肥处理地上部氮、磷、钾养分积累总量均显著高于不施肥处理(P＜0.05)。说明分次追施水溶肥可以增加春玉米植株地上部养分积累量。出苗28～63天处理2的磷、钾积累总量均高于处理1，氮积累总量小于处理1，但均无显著性差异(P＜0.05)。出苗63～120天，处理1的氮、磷、钾积累总量均高于处理2，尤其是钾素积累量有明显差异(P＜0.05)，表明在处理2的施肥基础上，将钾肥继续追施更能促进春玉米生育后期氮、磷、钾养分的吸收与利用。

图1 各生育期不同施肥处理春玉米地上部氮、磷、钾积累

2.3.2 各生育期不同施肥方式氮、磷、钾分配比例 图2表明，氮、磷、钾养分积累分配比例在不同生育阶段表现存在差异，出苗28～52、52～63、63～78、78～95、95～120天各生育期不同处理氮积累量平均值占全生育期氮积累量的比例分别为40.84%、12.57%、23.59%、13.64%、9.36%；不同处理各生育期磷积累量平均值占全生育期磷积累量比例的28.37%、16.30%、20.65%、20.21%、14.48%；不同处理各生育期钾积累量平均值占全生育期钾积累量比例的44.56%、15.45%、15.49%、13.21%、11.29%。不同施肥方式对各生育时期玉米氮、磷、钾积累分配比例具有明显的影响，处理1出苗63天前氮、磷、钾积累分配比例均低于处理2，出苗63天后处理1氮、磷、钾积累比例均高于处理2。表明氮、磷肥用量与施肥方式相同的基础上，追施4次钾肥利于玉米出苗63天后地上部氮、磷、钾养分积累分配。

图2 各生育期不同施肥处理春玉米地上部氮、磷、钾积累分配比例

3 讨论与结论

王激清等[18]研究发现，水肥一体化管理可以显著改善春玉米的行粒数、穗粗、穗行数、穗长等产量构成因子。谭和平等[19]对玉米产量效应因子进行通径分析表明，行数、行粒数和百粒重是影响玉米产量的正效应因子。杨金慧等[20]关于玉米杂交种的研究指出，行粒数、百粒重和穗行数是籽粒产量的直接构成因子,其他2个因子不变时，任何一个因子增加都可以提高籽粒产量。Jayaraman等[21]的研究也表明，行粒数对玉米增产有重要作用。本试验研究也有类似结果，春玉米产量(Y)与各农艺性状的相关关系由大到小依次为行粒数(X4)＞穗粗(X1)＞穗行数(X3)＞穗长(X2)＞百粒重(X5)。产量与穗行数和行粒数的最优回归方程为Y＝-14878.79+465.886X4+855.646X3(R2=0.863，F=18.92)。表明穗行数越多，行粒数越多，产量越大；R2=0.863说明穗行数和行粒数对春玉米产量的总影响达到86.3%以上。通径分析表明，穗行数和行粒数是影响春玉米产量最主要的2个农艺性状，尤其是行粒数。

行粒数与穗行数是衡量春玉米生长发育状况的重要标准，同时也是反映其生产能力的重要指标。本试验研究表明，不同的水溶肥管理方式对春玉米的农艺性状有不同的影响。春玉米在施肥处理下穗粗、穗长、穗行数和行粒数的平均值分别为4.50 cm、17.91 cm、15.93行、29.97粒，均高于不施肥处理；此外，在水溶肥用量相同的基础上，追施4次氮、磷、钾肥的处理1更有利于春玉米穗粗、穗长、穗行数、行粒数和百粒重的增加。侯云鹏等[16-17]研究表明，合理的氮、磷、钾养分配比和分次后移，能使玉米的穗粒数和百粒重增加。穗粒数又与行粒数、穗行数有关，也就是说分期施肥能够增加玉米的行粒数和穗行数。这与本研究的结果相似。

各生育期春玉米的养分积累是其生物量积累的基础，有研究表明玉米地上部氮、磷、钾养分积累与产量均存在显著或极显著正相关[22]。郑伟等[23]研究了吉林省高、低肥力条件下不同氮肥用量对春玉米产量及氮素吸收利用的影响，发现玉米地上部氮素吸收与产量间存在极显著正相关。本研究结果显示，氮、磷、钾都追施4次的处理1，不仅能够持续增加玉米地上部氮、磷、钾养分积累量，还可以促进出苗63天后氮、磷、钾养分的吸收与利用。可见，合理的氮磷钾养分配比以及分次追施水溶肥的措施更有利于玉米产量形成。姜涛等[24]证实了决定玉米产量的关键时期是大喇叭口期到籽粒建成期的养分积累与吸收。赵营等[25]研究也表明，拔节期至大喇叭口期和抽雄期至灌浆期的养分积累量对玉米产量的影响至关重要。从养分积累分配比例来看，与施肥处理1相比，处理2只提高了玉米出苗63天前氮、磷、钾积累量所占整个生育期积累量的比例，处理1则提高了出苗63天后春玉米的氮、磷、钾的积累比例。显然，氮、磷、钾肥都追4次的施肥方式不仅能保证春玉米生育前期的养分供应，还能为生育后期供应较充足的氮、磷、钾养分。

本研究利用通径分析等方法探究了吉林省西部半干旱区覆膜滴灌条件下，不同肥料运筹、春玉米农艺性状、产量之间的关系，寻找促进春玉米增产的水溶肥施用模式，为吉林西部半干旱区春玉米生产中合理施肥提供依据。本研究仅为当年气象条件同一玉米品种不同施肥处理的结果，不同年份气象条件差异对试验结果的影响，不同追肥量对春玉米氮、磷、钾在各器官间的分配、累积以及分配过程对肥料运筹的响应关系，还需后续进一步的研究扩充。

综上所述，本研究条件下，将氮、磷、钾肥分4次后移可增加春玉米行粒数和穗行数，促进出苗63天后养分的积累与吸收，从而提高玉米产量。因此，在总施肥量相同的情况下，氮肥、磷肥和钾肥分次追施的施用方式是吉林省西部半干旱区覆膜滴灌条件下春玉米生产的最佳水溶肥施用模式。