不同栽培方式下春玉米养分累积与转运特征

王艺霖，张水梅，袁静超，程 松，梁 尧，刘松涛，任 军，蔡红光，刘剑钊*

（1．吉林农业大学资源与环境学院，吉林 长春 130118；2．吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林 长春 130033）

玉米是世界三大粮食作物之一，在世界谷物类作物中，玉米的种植范围和总产量均居第三位［1］。我国具有全球最广的玉米种植面积［2］，是我国第一大作物，粮食增产的主力军［3］。玉米持续高产对于保障国家粮食安全至关重要。在玉米高产高效生产技术方面，前人最初多集中于对增加密度、优化施肥、改良耕作等独立因素的研究，随着生产需求的变化，近年来逐渐过渡到以综合养分管理方式或栽培模式为主的综合性研究。刘正等［4］研究表明，通过增加种植密度，优化氮肥施用量，可以显著增加夏玉米整个生育期干物质和氮、磷、钾养分累积量，从而实现增产、增效的目标。张秀芝等［5］研究表明，在改良耕作方式的基础上适当地深施化肥和有机肥，可有效增加氮、磷、钾养分在植株的累积量，提高氮素在籽粒中的累积比例，从而达到增产增收的目的。袁静超等［6］通过合理增加种植密度、优化化肥用量和施用时期、增施有机肥等措施，实现了春玉米产量和效率的协同提高。靳立斌等［7］研究表明，通过优化氮肥施用量及施肥时期，可以增加氮素利用效率，提高氮素积累量和氮肥偏生产力，实现夏玉米高产高效生产。综上所述，本研究在东北中部雨养区，通过两年田间定位试验，监测综合优化种植密度、肥料施用的情况下，对春玉米群体的产量和氮、磷、钾养分累积规律及转运特征进行研究，以期为当地春玉米高产高效生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012～2013年在吉林省农安县靠山镇（44°47′47″N，125°40′48″E，海拔154 m）进行。该地区属于松嫩平原黑土带玉米连作区。年均降水量425 mm，无霜期平均145 d，年均积温2800 ℃。土壤类型为中层黑土，耕层土壤主要性状为：有机质2.6%、碱解氮141.9 mg/kg、有效磷21.4 mg/kg、速效钾129.0 mg/kg、pH值7.0。试验田为雨养，全年无灌溉。2012、2013年生育时期降水量、≥10℃有效积温和日照时数分别为453.6和450.1 mm、3019.2和3054.7℃、1024.4和1145.3 h（图1）。

图1 玉米生育期降水量及有效积温分布

1.2 试验设计

试验设3种栽培模式，均采用大区种植，面积400 m2，每区重复3次，随机区组排列。具体设计如下：

（1）农户模式（TRA）：均匀垄，垄宽60 cm，清除根茬；播种密度5.0 万株/hm2；氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的施用量分别为225、82.5、67.5 kg/hm2，一次性底肥施入。

（2）优化栽培模式1（OPT-1：均匀垄，垄宽60 cm；拔节期垄沟深松20 cm，根茬还田，施用优质农肥40 m3/hm2；播种密度8.0万株/hm2；氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的施用量分别为330、150、150 kg/hm2；其中30%氮肥和全部磷、钾肥作底肥施入，70%氮肥在拔节期追施，有机肥在灭茬前作底肥施入。

（3）优化栽培模式2（OPT-2）：均匀垄，垄宽60 cm；拔节期垄沟深松20 cm，根茬还田，施用优质农肥40 m3/hm2；播种密度9.0万株/hm2，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的施用量分别为330、150、150 kg/hm2。全部有机肥、30%氮肥和60%磷肥、60%钾肥在灭茬前作底肥深施，5%氮肥和10%磷肥、10%钾肥作种肥施用，45%氮肥于拔节期追施，20%氮肥和30%磷肥、30%钾肥在抽雄期前追施。

供试品种均为利民33（LM33）。试验所用氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为磷酸二铵（18-46-0）、钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。试验于5月上旬播种，10月上旬收获，其他管理方式均同一般大田。

1.3 测定项目与方法

在玉米播种前采集耕层土壤样品，采用常规方法测定土壤养分。2013年在玉米6展叶（V6）、12展叶（V12）、开 花（R1）、灌 浆（R3）、成熟（R6）5个生育时期于每个小区选取有代表性的植株3株，将叶、茎（鞘）、籽粒、穗轴分开，烘干，粉碎，测定各器官氮、磷、钾含量，其中全氮采用凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度法。2012、2013年收获时全区测产，并以玉米籽粒含水量在14%时折算，另取10穗标准穗考种，调查穗粒数和千粒重等产量构成。

1.4 有关指标计算［8-10］

开花期氮（磷、钾）转运量（kg/hm2）=开花期营养器官氮（磷、钾）累积量-成熟期营养器官氮（磷、钾）累积量；

开花期氮（磷、钾）转运效率（%）=［开花期营养器官氮/（磷、钾）累积量-成熟期营养器官氮（磷、钾）累积量］/开花期营养器官氮（磷、钾）累积量×100；

花前氮（磷、钾）转运对籽粒氮（磷、钾）贡献率（%） = ［开花期营养器官氮（磷、钾）累积量-成熟期营养器官氮（磷、钾）累积量］/成熟期籽粒氮（磷、钾）累积量×100；

花后氮（磷、钾）累积量（kg/hm2）=成熟期氮（磷、钾）累积量-开花期氮（磷、钾）累积量；

花后氮（磷、钾）转运对籽粒氮（磷、钾）贡献率（%）=100-花前氮（磷、钾）转运对籽粒氮（磷、钾）贡献率；

偏生产力（kg/kg）=玉米产量/施肥量。

1.5 数据分析与计算方法

采用Excel 2010对数据进行处理和作图，采用SPSS 23.0进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式下籽粒产量及其构成

两年定位试验结果表明，与TRA处理相比，OPT-1和OPT-2处理下产量均显著增加（表1），其中，2012年两个处理比TRA处理分别增加12.8%和24.6%，2013年两个处理较TRA处理分别增加了11.6%和24.2%。在产量构成中，OPT-1和OPT-2处理下两年的收获穗数分别比TRA处理增加65.4%和81.5%，且处理间差异显著，而OPT-1和OPT-2处理下的穗粒数和百粒重较TRA处理明显降低，降幅分别为17.5%、40.0%和16.6%、12.0%，表明收获穗数的增加是产量增加的主要原因。方差分析结果表明，年份和栽培模式对收获穗数、产量和生物量均产生了极显著影响，年份和栽培模式的交互作用对百粒重造成了极显著影响，对收获穗数也产生了显著影响，而栽培模式对于收获穗数、穗粒数、百粒重、产量和生物量均产生了极显著影响，说明合理提升密度可以实现产量的提升。

表1 不同栽培模式下籽粒产量及其构成因素

2.2 不同栽培模式下干物质累积特征

3种栽培模式下植株干物质累积量均随着玉米生育进程而不断增加（图2）。其中，OPT-2处理下的干物质累积在整个生育进程中均显著高于OPT-1处理；在开花期前，OPT-2处理下干物质累积量较OPT-1高21.2%，较TRA处理高62.1%；在开花期后，OPT-2处理下干物质累积量较OPT-1处理高11.4%，较TRA处理高32.2%；至成熟期，OPT-2处理下干物质累积量较OPT-1处理高10%，较TRA处理高24.2%，OPT-2处理显著提高了群体干物质的累积量，是其增产的重要基础。各处理间干物质积累动态从6展叶期至成熟期，随着生育进程的推进，干物质大致呈现由快到慢的积累动态，从6展叶期至开花期干物质积累较快，随后进入缓慢增长期，OPT-2处理在开花期前的干物质积累量显著高于TRA处理，并且干物质积累速率较开花期后的干物质积累速率要高，在开花期后累积量增长有所缓慢，在开花期和成熟期，OPT-1和OPT-2处理间无显著差异。

图2 不同栽培模式下春玉米干物质累积动态

2.3 不同栽培模式下氮、磷、钾养分吸收累积特征

与干物质累积规律相似，从6展叶期至成熟期，各处理下植株氮素累积量逐渐增加（图3），累积速率在开花期达到最大。在开花期前，氮素累积较快，并且氮素累积速率显著高于开花期后的氮素累积速率，OPT-2处理在开花期前的氮素累积量明显高于OPT-1和TRA处理，但OPT-2处理下氮素吸收速率与OPT-1处理无显著差异。至成熟期，OPT-2和OPT-1处理氮素累积量显著高于TRA处理，并随着生育进程差距逐渐增大，OPT-2处理下整株氮素积累量较OPT-1处理增加了12.8%，较TRA增加了39.2%。从分配比例来看，在成熟期氮素分配比例以籽粒最大，各处理间籽粒氮素分配比例为OPT-2＞OPT-1＞TRA，在成熟期OPT-2和OPT-1处理籽粒的氮素分配比例分别为67.2%和64.4%，表明OPT-2和OPT-1处理成熟期籽粒中氮素积累量占全株氮积累量的比例较大。

图3 不同栽培模式下春玉米不同生育时期氮素累积动态与分配比例

OPT-2和OPT-1处理在6展叶期至成熟期的磷素累积量无显著差异，但随着生育进程的推进各处理下磷素累积量差距逐渐增大，并在开花期达到最大（图4）。OPT-2处理在开花期前的磷素累积量显著高于OPT-1和TRA处理，3个处理下磷素累积速率均高于开花期后磷素累积速率。OPT-2和OPT-1处理通过保持较高的磷素积累速率，从而提高植株开花后的磷素积累量，进而增加了籽粒养分累积。在成熟期，OPT-2处理下整株全磷积累量较OPT-1处理增加10.4%，较TRA处理增加26.1%，且各处理间差异显著。从分配比例来看，在成熟期OPT-2和OPT-1处理籽粒的磷素分配比例分别为73.4%和69.3%，与TRA处理相比，OPT-2和OPT-1处理开花期至成熟期磷素积累量占整个植株磷素积累总量比重的提高幅度达显著水平。

图4 不同栽培模式下春玉米不同生育时期磷素累积动态与分配比例

钾素累积量在整个生育期内呈现逐渐上升的趋势（图5），3个处理下的累积速率在12展叶期至开花期累积速率较快，而至灌浆期后累积速率变慢。OPT-2和OPT-1处理随着生育进程的推进，各处理下钾素累积量差距逐渐增大，并在开花期达到最大。OPT-2处理下钾素累积量始终高于OPT-1处理，至成熟期，其钾素累积量较OPT-1处理高12.8%，较TRA处理高27.5%，且差异显著。从分配比例来看，在成熟期钾素分配比例籽粒和穗轴占比较大，在成熟期OPT-2和OPT-1处理籽粒和穗轴的钾素分配比例分别为59.0%和58.7%、61.6%和63.0%。

图5 不同栽培模式下春玉米不同生育时期钾素累积动态与分配比例

2.4 不同栽培模式下养分转运及分配

从表2可知，在开花期前，OPT-1处理下的氮素转运量、转运率以及贡献率较OPT-2处理分别提高了2.4%、18.2%、7.4%，但处理间差异不显著，较TRA提高了55.1%、25.2%、17.0%；在开花期后，OPT-2处理下氮素累积量及贡献率比OPT-1处理分别提高了8.6%和3.9%，但处理间差异不显著，TRA处理的氮素累积对籽粒氮素累积贡献率比OPT-2处理提高了4.2%，比OPT-1处理提高了8.3%。

表2 不同栽培模式对春玉米开花期前后营养器官氮素转运及其对籽粒氮素累积的贡献

由表3可知，在开花期前，OPT-2处理下磷素转运量、转运率以及贡献率比OPT-1处理分别提高了47.6%、18.0%、30.4%，且处理间差异不显著，转运率较TRA提高了74.6%；在开花期后，OPT-1处理磷素累积量及贡献率比OPT-2处理分别提高了8.8%和23.5%，处理间差异显著，TRA处理下磷素累积量及贡献率比OPT-2处理提高了24.4%和62.2%。

表3 不同栽培模式对春玉米开花期前后营养器官磷素转运及其对籽粒磷素累积的贡献

由表4可知，在开花期前，OPT-2处理下钾素转运量、贡献率比OPT-1处理分别提高了8.7%、2.8%，较TRA提高了26.7%、3.2%；在开花期后，OPT-2处理下钾素累积量比OPT-1和TRA处理分别提高了9.0%、36.7%，OPT-1处理的钾素累积对籽粒钾素累积贡献率比OPT-2处理高70.3%，且差异显著。

表4 不同栽培模式对春玉米开花期前后营养器官钾素转运及其对籽粒钾素累积的贡献

综上所述，栽培模式影响玉米花前氮、磷、钾素转运量和转运率，花前氮、磷、钾素转运对籽粒氮、磷、钾素累积的贡献率，同时也显著影响花后氮、磷、钾素累积量以及氮、磷、钾素累积对籽粒氮、磷、钾素累积的贡献率。OPT-2和OPT-1处理是通过提高花后植株氮、钾积累来增加籽粒养分积累量，OPT-2和OPT-1处理下的氮、磷、钾素累积对籽粒氮、磷、钾素累积贡献率显著低于TRA处理，表明TRA处理主要通过增加花后植株体内氮、磷、钾养分转运来提高籽粒养分积累量。

2.5 不同栽培模式下氮、磷、钾肥偏生产力

由表5可知，在2012和2013年，3种栽培模式下氮、磷、钾肥偏生产力均以OPT-1处理最低，与OPT-1处理相比，OPT-2和TRA处理下氮、磷、钾肥偏生产力显著提高，OPT-2处理比OPT-1处理两年的氮、磷、钾肥偏生产力平均增加了10.8%，TRA处理比OPT-1处理两年的氮、磷、钾肥偏生产力分别增加了30.7%、61.8%和98.1%，且均达显著水平。与TRA处理相比，OPT-2和OPT-1处理均未提升玉米的氮、磷、钾肥偏生产力，因为OPT-1和OPT-2处理下肥料用量较高，存在养分报酬递减的情况，导致其养分综合利用效率没有提高。

3 讨论

本研究通过设置3种不同栽培管理方式，研究了其对玉米产量构成、养分累积与转运特征的影响。研究表明，当密度从5.0万株/hm2增加到9.0万株/hm2时，结合优化施肥管理，产量可增加24.4%。这表明增加密度是增加产量的重要方式［11-12］。王宏庭等［13］研究表明，在施肥量相同的条件下，密度由4.5万株/hm2增加至6.0万株/hm2，产量增加19.7%，表明适当增加密度可以实现增产。在玉米产量构成因子方面，本研究OPT-1与OPT-2处理下产量和收获穗数均显著高于TRA处理，OPT-1和OPT-2处理下收获穗数分别比TRA处理增加65.4%和81.5%，这与郭晓红等［14］和殷文等［15］的研究基本一致。魏廷邦等［16］研究表明，对籽粒产量影响最大的是有效穗数，可以通过增加玉米有效穗数来实现增产。

郑利芳等［17］和周琦等［18］研究表明，优化施肥量和施肥时期也可以提高玉米产量。当氮肥施用量在合适的范围内时，可以保证玉米稳产，提高氮肥利用率和经济效益［19］。施磷量不影响各器官间生物量和磷的分配，随着施磷量的增加地上部的生物量增加，在最适施磷量时，玉米产量增加［20］。适宜的种植密度和施肥方法可以提高干物质积累量，促进氮、磷、钾吸收，提高籽粒氮、磷、钾的含量和氮、磷、钾的利用效率，从而提高玉米产量［21］。植株养分累积量均随着生育进程的推进而差距增大［22］，本研究在开花期达到最大，而且在开花期之前积累速率较快，之后积累速率有所下降。侯云鹏等［23］研究表明，相对于一次性施氮，氮肥后移可显著提高氮、磷、钾的养分转运量、转运率和籽粒养分增加量。本研究中，钾肥的偏生产力和钾素吸收效率均大于或显著大于氮、磷肥的偏生产力和吸收效率，这与张光岩等［24］的研究结果一致。OPT-1和OPT-2处理与TRA处理相比均未提升玉米的氮、磷、钾肥偏生产力，主要是由于OPT-2处理增加了化肥用量后，养分综合利用效率随之下降，增加的氮素向籽粒的转移比例减少［25］。

4 结论

在东北中部地区中等土壤肥力条件下，将种植密度增加至9.0万株/hm2，优化氮、磷、钾肥运筹方式，调增氮肥在拔节期的施用比例，可显著提高玉米生育期内干物质的积累量和累积速率，增加玉米在成熟期氮、磷、钾的累积量，提升转运效率，进而实现玉米增产20%以上的目标。