冀东地区晚播春玉米氮素积累、分配与转运特性

裴世娟 张 萌 李向岭 王 健 杨 敏 马洪静 韩金玲,3,*

(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 河北省昌黎县农业农村局，河北 昌黎 066600；3 河北省作物逆境生物学重点实验室， 河北 秦皇岛 066000)

玉米是我国重要的粮食作物，据国家统计年鉴数据，自2011年开始，玉米的播种面积和产量已跃居三大粮食作物之首[1]，玉米高产稳产对我国的粮食安全具有重要意义。春玉米适期早播能够延长生育期，提高产量[2-3]。但近60年我国地表温度呈明显增加趋势，华北及东北地区增温幅度最大[4]。同时东北玉米产区降水呈减少趋势，且辽宁地区降水减少速度最快[5]。近些年研究表明，华北和东北地区春玉米早播并未提高产量，而适期晚播可使春玉米的需水规律和自然降水的耦合度更高[6-7]，且能避开灌浆期高温[8]，在提高产量的同时能够提高水分利用效率，节约用水[9-10]。河北科技师范学院燕山山麓平原小麦、玉米丰产与资源高效利用课题组4年的播期试验表明冀东地区春玉米播期推迟至5月底，产量最高且稳定[11]。因此，晚播是当前气候条件下冀东地区春玉米高产稳产的重要措施。

播期通过影响作物各生育时期内的活动积温、降水量、日照时数以及日较差等气象因子，间接影响土壤环境[12]。土壤pH值、有机质、全氮、速效钾、交换性K+、Na+、Mg2+等含量与温度指标呈正相关关系[13]。土壤微生物群落结构和生理活性随土壤水分的变化而变化[14]。综上所述，播期通过影响气象因子和土壤环境，进而显著影响作物的生长发育[15-17]及植株对氮、磷、钾养分的吸收和积累[18-19]。有研究发现春玉米各生育阶段植株氮、磷、钾养分含量的变化与其生育阶段内相对积温和相对日照时数之间呈显著负相关[12]，大跨度设置播期时(间隔2个月)，早播处理的玉米植株养分吸收量最多[19]。虽然前人对春玉米播期氮素积累和转运有少量研究，但研究尚不深入，晚播春玉米氮素积累、分配与转运特性的系统研究未见报道。

本研究以前期筛选出的2个春玉米品种为材料，设置常规播期(5月1日)和晚播(经过4年播期试验确定的最佳播期，5月30日)两个处理，进行2年的试验，通过对春玉米植株氮素积累量和氮素在各器官的分配比例做动态分析，明确晚播春玉米氮素积累和分配特性；并从氮素在各器官积累量变化角度分析，揭示氮素在各器官的转运特性，以期为晚播春玉米合理施氮和玉米专用控释肥生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验于2017—2018年在河北科技师范学院试验基地(39°75′N，118°94′E)进行。该试验点处于温带大陆性季风气候区，年均气温11.2℃，≥10℃积温多年平均值为4 132.7℃[20]，无霜期180 d左右，近10年平均降雨量为634.96 mm。前茬作物为春玉米，试验地土壤类型为褐土，质地为中壤土。土壤有机质含量19.08 g·kg-1，全氮含量1.68 g·kg-1，碱解氮含量102.35 mg·kg-1，速效磷含量23.59 mg·kg-1，速效钾含量74.10 mg·kg-1。

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

1.2 试验设计

设置5月1日(常规播期)和5月30日(晚播)两个播期，分别用CD和LD表示。试验采用裂区设计，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，机械开沟，人工点播，足墒播种。播前整地时一次性撒施玉米专用控释肥(氮磷钾配比为26-10-12)600 kg·hm-2，田间管理同当地生产田。由于常规播期处理的大喇叭口期到抽雄期处在6月下旬至7月上旬，此时冀东地区仍处于少雨时期，因此，常规播期处理在大喇叭口到抽雄期灌水600 m3·hm-2， 晚播处理玉米生长期间无灌水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 玉米生育进程与气象数据 调查并记录播种期、六展叶期、十二展叶期、抽雄期和成熟期等物候期，日均温和降雨量等气象数据由秦皇岛市气象局提供。

1.3.2 干物质量 分别于三叶期、六展叶期、十二展叶期、抽雄期、抽雄后13 d、抽雄后26 d、抽雄后39 d和生理成熟期进行取样，每次每小区选取5株有代表性的植株，按器官(茎鞘、叶片、苞叶、籽粒、穗轴、雄穗)分开，于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重并称重。

1.3.3 产量 玉米生理成熟期，每处理取有代表性样点3个，每个样点连续取5 m双行，收获全部果穗，晾干、脱粒、称重，计算产量。

1.3.4 地上部植株氮素含量 参照乔亚科[21]的方法测定植株氮素含量，即将烘干称重后的各器官用粉碎机粉碎，过0.5 mm筛。采用H2SO4-H2O2进行消煮，用FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪(福斯分析仪器公司，瑞典)测定其全氮含量。

1.3.5 氮素积累、分配、运转及利用 相关计算公式如下：

植株氮素积累量(kg·hm-2)=各时期植株干物质积累量×氮素含量；

氮素阶段积累量(kg·hm-2)=阶段起止期氮素积累量差值；

阶段积累百分率=阶段积累量/总积累量×100%；

平均日吸收量(kg·hm-2·d-1)=阶段吸收量/阶段持续天数；

各器官氮素积累量(g·株-1)=各器官干物质积累量×氮素含量；

各器官氮素分配率=各器官氮素积累量/整株氮素积累量×100%；

氮素转运量(kg·hm-2)=最大氮素积累量-成熟期氮素积累量；

氮素转运率=氮素转运量/最大氮素积累量×100%；

氮素转运对籽粒贡献率=氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株地上部氮素吸收量；

氮素生产效率(kg·kg-1)=籽粒产量/植株地上部氮素吸收量；

百公斤籽粒氮素吸收量(kg)=植株地上部氮素积累量×100/产量；

氮素偏生产力(kg·kg-1)=产量/氮素施用量。

1.3.6 玉米干物质和氮素积累模型 具体参数参照肖强等[22]的方法进行计算和模拟，春玉米干物质和氮素积累参数表述及计算方法见表1。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理和作图，DPS 7.05软件进行方差分析。由于本研究中2年的各指标数据变化趋势基本一致，因此采用2年数据的平均值进行分析。

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

2 结果与分析

2.1 晚播春玉米生育时期及所处水热状况

与常规播期相比，春玉米晚播后各生育时期延迟，生育进程基本晚一个生育时期(表2)。各生育时期所处水热状况差异较大，尤其十二展叶期至抽雄期降雨量相差51.65～64.16 mm，常规播期春玉米在十二展叶期至抽雄期需进行灌溉。

表2 两种播期下春玉米生育时期及所处水热状况Table 2 Growth stage and hydrothermal condition with two sowing dates

2.2 晚播春玉米干物质积累特性

2.2.1 干物质积累动态 由图1可知，春玉米干物质积累呈慢-快-慢的“S”型增长曲线，在干物质积累较快的六展叶期至抽雄后26 d，晚播春玉米干物质积累量少于常规播期，但抽雄26 d之后，常规播期干物质积累出现拐点，积累量增加缓慢，而晚播春玉米仍保持较快的干物质积累速率，成熟期以晚播春玉米干物质积累量较多。

注：L3、L6、L12、TS、TS13、TS26、TS39和MS分别表示三叶期、六展叶期、十二展叶期、抽雄期、抽雄后13 d、抽雄后26 d、抽雄后39 d、成熟期。下同。Note: L3, L6, L12, TS, TS13, TS26, TS39 and MS express from three leaf stage, six completely unrolled leaf stage, twelve completely unrolled leaf stage, tasseling stage, the thirteenth day after tasseling, the twenty-sixth day after tasseling, the thirty-ninth day after tasseling, and maturity stage, respectively. The same as following.图1 两播期下春玉米干物质积累动态Fig.1 Dynamics of dry matter accumulation of spring maize with two sowing dates

2.2.2 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0.989 4～0.997 1之间，表明各处理的拟合效果较好。

由表3可知，与常规播期相比，晚播京农科728干物质积累的渐增期持续时间(T1)缩短8 d，其他两时期持续时间在播期间差异不大；晚播MC812干物质积累的渐增期和缓增期持续时间(T1和T3)均缩短，分别缩短4和8 d，而快增期持续时间(T2)延长4 d，因此，晚播后两品种干物质积累的总持续时间(T)均缩短8 d，到达最大干物质积累速率的时间(Tm)提前。晚播使得京农科728各干物质积累速率参数均增高，增幅为11.11%～32.93%，渐增期干物质积累速率(V1)增高最多；晚播后，MC812的平均干物质积累速率(-V)、渐增期和缓增期干物质积累速率(V1和V3)均增高，增幅为10.8%～19.25%，而最大干物质积累速率(Vm)和快增期干物质积累速率(V2)分别降低4.39%和4.14%。受干物质积累时间和积累速率的综合影响，除晚播MC812的缓增期干物质积累量(Y3)少于常规播期外，其他阶段干物质积累量均以晚播处理的较高。这说明春玉米晚播后，由于气温升高和降水量增加，使春玉米植株生长进程和速率加快，提早进入快增期，且能维持甚至延长快增期持续时间，使春玉米干物质积累量增加。播期对京农科728干物质积累参数的影响大于MC812。

2.3 晚播春玉米氮素积累特性

2.3.1 氮素积累动态 氮素积累动态(图2)与干物质类似，常规播期的京农科728在抽雄后13 d植株氮素积累明显减慢，而晚播处理仍保持快速积累态势，成熟期以晚播京农科728植株氮素积累量较多；MC812对晚播的反应与京农科728类似，常规播期处理在抽雄后26 d氮素积累出现明显减慢趋势。以上结果表明晚播春玉米在生育后期仍保持较快的氮素积累态势。

表3 两种播期下春玉米干物质积累的Logistic拟合方程Table 3 Fitting Logistic equation of spring maize dry matter accumulation with two sowing dates

图2 两播期下春玉米氮素积累动态Fig.2 Dynamics of N accumulation of spring maize with two sowing dates

2.3.2 氮素动态积累的Logistic方程拟合 春玉米氮素积累量与出苗后天数进行Logistic模型拟合的各参数如表4所示，各处理的决定系数R2在0.979 1～0.992 9之间，表明各处理的拟合效果较好。

由表4可知，晚播后，京农科728和MC812氮素积累持续时间均缩短8 d，这主要由氮素积累的渐增期和缓增期持续时间缩短所致，两品种氮素积累的渐增期持续时间均缩短5 d，缓增期持续时间分别缩短17和7 d，而快增期持续时间分别延长14和4 d，即晚播使春玉米氮素积累提早进入快增期，且延长快增期持续时间，尤其京农科728快增期持续时间延长率达43.75%。晚播促进两品种氮素平均积累速率、渐增期和缓增期积累速率提高，而最大积累速率和快增期积累速率降低。受氮素积累持续时间和积累速率的综合影响，除晚播MC812缓增期氮素积累量略少于常规播期外，其他阶段氮素积累量均以晚播处理的较高。

表4 两种播期下春玉米植株氮素积累的Logistic拟合方程Table 4 Fitting Logistic equation of spring maize N accumulation with two sowing dates

2.4 晚播春玉米植株氮素阶段吸收特性

由表5可知，两品种氮素阶段吸收量和吸收百分率均出现2个峰值，第1个峰值在六展叶期至十二展叶期，第2个峰值出现在抽雄至成熟阶段，且第2峰值高于第1峰值，其阶段吸收百分率达31.95%～45.44%。氮素平均日吸收量最大值出现在六展叶期至十二展叶期和十二展叶期至抽雄期，即以十二展叶为中心的时期。

两品种氮素阶段吸收特性对晚播的响应出现差异，晚播京农科728在氮素阶段吸收量和阶段积累量出现峰值的两个阶段，其氮素阶段吸收量和平均日吸收量均高于常规播期；MC812以十二展叶期为分界点，此期之前阶段吸收量、阶段吸收百分率以常规播期较高，之后以晚播处理较高，而平均日吸收量在抽雄期之前以晚播较高，抽雄期之后常规插期较高。抽雄期之前播期对两春玉米氮素阶段吸收的影响基本不显著，在氮素阶段吸收量最高的抽雄至成熟阶段，两品种的各阶段吸收参数基本以晚播的最高，播期间差异显著，此阶段晚播京农科728和MC812的阶段吸收量比常规播期分别提高72.56%(54.16 kg·hm-2) 和18.39%(18.46 kg·hm-2)，阶段吸收百分率均达45%以上。说明晚播显著促进抽雄后植株对氮素的吸收。

2.5 晚播春玉米氮素分配比例

由图3可知，两品种在抽雄后13 d之前叶片是氮素分配中心，之后随着籽粒的生长发育，氮素的分配中心转移至籽粒，至成熟期籽粒氮素分配比例达66.53%～77.41%。播期间比较，晚播春玉米植株茎鞘氮素分配率较高，相应叶片的氮素分配率降低；从籽粒氮素分配率来看，抽雄后13 d时晚播春玉米籽粒氮素分配率较高，但抽雄后26 d时常规播期的籽粒氮素分配率较高，之后晚播处理增加得较快，至成熟期以晚播春玉米籽粒氮素分配率较高。与常规播期相比，成熟期晚播京农科728和MC812籽粒氮素分配比例分别提高10.98和16.36个百分点。成熟期氮素在各器官的分配比例表现为常规播期中籽粒>叶片>茎鞘>苞叶>穗轴>雄穗，晚播处理则为籽粒>茎鞘>叶片>穗轴>苞叶>雄穗。

表5 两种播期下春玉米氮素阶段吸收量、吸收百分率及日吸收量Table 5 Nitrogen absorption,absorption percentage and average daily absorption in growth stage of spring maize with two sowing dates

注：A：京农科728； B：MC812。Note: A: Jingnongke 728. B: MC812.图3 两种播期下春玉米氮素分配比例Fig.3 N distribution proportion of spring maize with two sowing dates

2.6 晚播春玉米氮素转运特性

由表6可知，两品种在氮素转运方面对晚播表现出不同的反应。京农科728的茎鞘、雄穗、苞叶、穗轴和整株的转运量、转运率、转运贡献率均以常规播期的较多，而叶片则基本相反，除茎鞘转运量、叶片转运贡献率、苞叶转运量和转运率、整株转运率外，其他指标在播期间出现显著差异。MC812的茎鞘、叶片和整株的转运量、转运率、转运贡献率均以晚播的较多，雄穗和穗轴的转运量、转运率、转运贡献率均以常规播期的较多，除叶片转运贡献率、雄穗转运率、苞叶转运量、苞叶和整株转运贡献率外，其他指标在播期间出现显著差异。

2.7 晚播春玉米的氮素利用特性

由表7可知，与常规播期相比，春玉米晚播后的产量、氮素收获指数和氮素偏生产力均显著提高。两品种的氮素生产效率和百公斤籽粒氮素吸收量对播期的响应出现差异，京农科728的氮素生产效率以常规播期的较高，MC812则与其相反，播期间均差异显著。而播期间百公斤籽粒氮素吸收量差异不显著。

3 讨论

何萍等[23]研究表明，玉米植株氮、磷、钾积累动态与干物质积累动态基本同步。本研究发现春玉米植株氮素与干物质积累趋势大致相似，均呈S型曲线，遵循Logistic方程，但积累动态并不同步。春玉米播种后33～39 d(六展叶期)进入氮素积累快增期，在播种后的55～60 d(抽雄期前后)达到氮素最大积累速率，而播种后45～55 d(十二展叶期)进入干物质积累快增期，播种后68～76 d(抽雄后13～26 d)达到干物质最大积累速率；两品种快增期持续时间相当，大都在42～46 d之间，因此氮素积累的快增期处于六展叶期至抽雄后13 d，而干物质积累的快增期则在十二展叶期至抽雄后26 d，即氮素积累拐点的出现先于干物质，这与黄志浩[24]的研究结果一致。

表6 两播期下春玉米氮素转运及其对籽粒的贡献率Table 6 Translation of nitrogen and contribution rate to grain of spring maize with two sowing dates

表7 晚播对春玉米氮素利用的影响Table 7 Effect of late-sown on nitrogenous utilization efficiency of spring maize

植物吸收的氮素主要来源于土壤有机氮的矿化和氮肥的施用[25]，在一定温度范围内(5～35℃)，土壤有机氮矿化速率[26-27]和缓释肥释氮速率[28-29]随温度的升高而提高。土壤相对含水量大于60%时，土壤净氨化速率、净硝化速率和氮素净矿化速率以及缓释肥释氮速率随含水量的增加而降低[29-31]。冀东地区晚播春玉米生育前期所处环境的温度高于常规播期[11]，降水量少，促进土壤有机氮矿化和缓释肥对氮的释放，使土壤有效氮含量显著增加[32]。本研究表明，冀东地区晚播春玉米氮素积累渐增期(播种-六展叶期)的速率升高，此时氮素平均日吸收量也显著高于常规播期；而晚播春玉米氮素积累快增期(六展叶期-抽雄后13 d)的速率则略低于常规播期；晚播春玉米氮素积累缓增期(抽雄后13 d-成熟期)的速率显著高于常规播期，其相应阶段的氮素阶段吸收量、阶段吸收百分率和平均日吸收量也显著高于常规播期，与土壤氮矿化和缓释肥释氮规律相吻合。这可能与冀东地区晚播春玉米灌浆期处于温度适宜、降雨量减少的季节，而常规播期春玉米灌浆期处于高温高湿季节[11]有关。本研究还表明，晚播可以使春玉米氮素积累快增期持续时间延长，增加氮素积累量，这可能与晚播春玉米灌浆期处于温光水较佳环境条件，玉米植株旺盛生命力保持时间较长有关。

本研究表明冀东地区春玉米氮素阶段积累量有两个峰值，分别是六展叶期至十二展叶期和抽雄期至成熟期，最大值出现在后者，抽雄后氮素积累量占总积累量的31.95%～45.44%，这与王宜伦等[33]的研究结果一致。氮素平均日吸收量有一个峰值，出现在12展叶期(大喇叭口期)前后。因此，冀东地区生产中既要重视穗期氮肥充足，又要保证花粒期氮素的充分供给，才能获得玉米高产。本研究表明该区域春玉米晚播增加了抽雄至成熟期氮素阶段积累量、阶段吸收百分率和平均日吸收量，可见，生产中春玉米晚播，应采取后期追施氮肥或基施肥效较长的缓释肥等措施保证土壤有效氮的充足供应，促进其增产。

前人研究表明玉米在生殖生长期之前氮素积累中心为叶片，之后随着生殖器官的生长发育，氮素积累中心转移至籽粒，且成熟期籽粒氮素积累量占氮素总积累量的66%以上[33]，本研究结果与其一致。本研究表明，晚播增加春玉米茎鞘中氮素分配比例，同时促使MC812茎鞘向籽粒转运氮素的转运量、转运率以及对籽粒的贡献率增加，促使两春玉米品种叶片向籽粒转运氮素的转运量、转运率以及对籽粒的贡献率显著增加，成熟期晚播春玉米籽粒氮素分配比例增加10.98～16.36个百分点。可见，春玉米晚播降低了叶片氮素水平，生产中应注意后期有效氮的充足供应以保持叶片活力，维持叶片光合能力，促进籽粒灌浆，进而达到增产效果。

4 结论

冀东地区春玉米晚播可促进植株对氮素的吸收，尤其显著促进抽雄期至成熟期春玉米植株对氮素的吸收，使此阶段氮素积累量占总积累量的45%以上。晚播提高了春玉米茎鞘中氮素分配比例，降低了叶片的分配比例，同时促进了叶片向籽粒转运氮素，提高了春玉米籽粒氮素分配比例。生产中应注意对晚播春玉米增加氮肥施用量，且在春玉米生长后期追施氮肥或基施肥效较长的缓释肥以保证土壤有效氮的充足供应，保持叶片活力，维持叶片光合能力，促进其籽粒灌浆，提高粒重，从而实现增产的目的。