施钾量对夏玉米氮、磷、钾吸收利用和籽粒产量的影响

宋 杰 王少祥 李 亮 黄金苓 赵 斌 张吉旺 任佰朝 刘 鹏,*

施钾量对夏玉米氮、磷、钾吸收利用和籽粒产量的影响

宋 杰1王少祥2李 亮2黄金苓2赵 斌1张吉旺1任佰朝1刘 鹏1,*

1山东农业大学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东平县农业农村局, 山东泰安 271500

于2019—2020年在山东省泰安市东平农科所以登海605 (DH605)为试验材料进行大田试验, 在统一氮、磷肥用量(N 225 kg hm–2、P2O5110 kg hm–2)的条件下, 设置5个K2O施用量, 分别为0 kg hm–2(K0)、150 kg hm–2(K1)、225 kg hm–2(K2)、300 kg hm–2(K3)和375 kg hm–2(K4), 研究连续多年秸秆还田条件下施钾量对夏玉米籽粒产量、养分吸收转运及利用的影响。结果表明, 施钾显著提高了夏玉米籽粒产量, 2年均在225 kg K2O hm–2时增幅最高, 2019年和2020年籽粒产量分别增加13.64%和15.27%; 施钾显著提高了叶面积指数、生物量及干物质向穗部转运的强度, 促进植株对氮、磷、钾的吸收, 提高玉米氮、磷、钾积累量及花后氮、磷积累比例, 但当施钾量>225 kg hm–2时增效降低。玉米养分转运量随施钾量的增加也呈现出先升后降的趋势, 在施钾300 kg hm–2时养分转运量及其对籽粒的贡献率最高。施钾也提高了夏玉米养分利用效率。225 kg K2O hm–2时玉米养分收获指数, 氮、磷、钾肥表观利用率和钾肥农学利用率都维持在较高水平, 施钾量超过300 kg hm–2后肥料利用效率则明显下降。适量施钾可促进夏玉米地上部生长, 显著提高植株生物量和夏玉米氮、磷、钾素吸收效率与积累量, 并优化花后养分积累与分配, 提高养分转运对籽粒产量形成的贡献率, 进而提高了夏玉米产量与养分利用率。综合考虑玉米产量、养分积累与转运及肥料利用等因素, 本试验条件下以施钾量为225 kg hm–2较为适宜。

施钾量; 夏玉米; 养分吸收利用; 籽粒产量

玉米作为我国第一大粮食作物, 其高产、稳产对保证我国粮食安全具有重要作用[1]。玉米产量潜力较高, 但由于其对外部生长因子的高度敏感性, 会导致每年的玉米产量发生波动, 导致玉米年产量不稳定, 造成这种现象的主要原因之一是土壤肥力不足和施肥不平衡[2-4]。据调查北方玉米种植区养分投入总量平均为512 kg hm–2, 而纯钾投入量仅为68 kg hm–2, 钾肥投入量偏低[3]。1980—2015年全国农田钾素总盈亏平衡量平均为17万吨K2O, 黄淮海平原平均仅为4万吨K2O, 低于全国平均水平, 且黄淮海平原的单位面积钾素盈亏平衡量至2015年仍处于亏缺状态[4]。土壤缺钾, 直接阻碍玉米根系和茎叶的正常发育, 进而影响水分和养分的吸收利用、光合产物的合成与运输[5-10]。在水分及氮、磷肥供应充足的条件下增施钾肥能促进玉米叶片生长, 提高光合性能, 增加玉米群体干物质积累量并促进钾素吸收, 提高钾素由营养器官向籽粒的转运量, 有利于玉米增产[11-17]。在黄淮海夏玉米区, 登海661在施钾184 kg hm–2时达到最高产量10.52 t hm–2, 郑单958在施钾201 kg hm–2时达到最高产量9.30 t hm–2 [6]。然而过量施用钾肥并不会使玉米产量进一步提高, 反而会造成钾肥资源浪费[9-11,18]。当施钾量超过作物正常发育所需时, 会导致玉米营养生长时期养分代谢过旺, 光合性能降低, 不利于吐丝后养分积累, 并由此导致产量降低[6,18]。施钾量不足不仅影响作物对钾的吸收, 而且因养分投入不平衡, 最小养分限制了其他养分尤其是氮、磷的吸收, 养分元素间的拮抗作用以及由此导致养分的淋失, 降低了肥料利用效率[19-20]。目前, 关于施钾对玉米生产的影响多为秸秆大面积还田以前进行的研究。秸秆还田对土壤物理性状有显著的正向影响[21-22]。秸秆还田可以破坏犁底层, 增加耕层厚度, 不仅能有效降低土壤容重, 还可以增加土壤孔隙度, 显著改善土壤结构。连续多年的秸秆还田可以使土壤性质不断改善, 使包括钾肥在内的肥料资源得到更有效的利用[21]。在有关钾肥的研究中, 多年秸秆还田后的报道较少。因此探明黄淮海夏玉米区多年秸秆还田后不同施钾量下玉米氮、磷、钾吸收利用的差异及其对籽粒产量的影响, 对指导玉米合理施肥十分必要。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在山东省泰安市东平农科所(35°90'N, 116°36'E)进行, 试验田地处山东半岛中部, 属温带大陆性季风气候, 种植制度为冬小麦/夏玉米一年两熟。试验田已经连续6年将小麦和玉米秸秆粉碎后还田。2012—2018年, 在小麦、玉米收获后将全部秸秆粉碎, 均匀撒施到地表, 并立即翻埋。小麦秸秆还田量年均为5000 kg hm–2, 玉米秸秆还田量年均为6200 kg hm–2。播前土壤耕层养分含量为: 速效氮24.16 mg kg–1、有效磷33.41 mg kg–1、速效钾51.57 mg kg–1、pH 6.87、有机质13.21 g kg–1。样品分析在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。

1.2 试验设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶面积指数 于拔节期(V6)在田间选择具有代表性的植株10株挂牌标记, 在拔节期(V6)、小喇叭口期(V9)、大喇叭口期(V12)、抽雄期(Vt)、灌浆期(R2)和乳熟期(R3)定株测量标记植株各叶片的叶长和最大叶宽, 在灌浆期(R2)、乳熟期(R3)仅测量叶片绿叶面积的最大长度和宽度。单株叶面积=∑完全展开叶的叶长×叶宽×0.75＋∑未完全展开叶的叶长×叶宽×0.5; 叶面积指数(leaf area index, LAI)=(单株叶面积×单位面积株数)/占地面积。

1.3.2 植株养分含量测定 于小喇叭口期(V9)、大喇叭口期(V12)、抽雄期(Vt)、灌浆期(R2)、乳熟期(R3)和完熟期(R6)在各小区中部取5株长势均匀一致的植株。将植株按照叶片(含苞叶)、茎秆(含雄穗、叶鞘、穗轴和地下茎)、籽粒分开。105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重后称重, 将样品粉碎用于测定养分含量。样品经浓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。

1.3.3 相关指标计算

营养器官干物质转运量(t hm–2)=灌浆期营养器官干物质积累量(t hm–2)−完熟期营养器官干物质积累量(t hm–2);

干物质转运率(%)=营养器官干物质转运量(t hm–2)/灌浆期营养器官干物质积累量(t hm–2)×100;

干物质转运贡献率(%)=营养器官干物质转运量(t hm–2)/完熟期籽粒干物质积累量(t hm–2)×100;

植株氮(磷、钾)积累量(kg hm–2)=单株干重(kg plant–1)×田间种植密度(plant hm–2)×单株含氮(磷、钾)量(%);

开到自己家的停车位，冯一余发现车位被占了，起先还以为自己开错了位子，摇下车窗玻璃朝外看了看，没错，和自己的车牌号对应的那个停车位，确实被别的车给占了。

氮(磷、钾)吸收效率(kg kg–1)=完熟期地上部氮(磷、钾)吸收量(kg hm–2)/肥料中纯氮(磷、钾)量(kg hm–2);

营养器官养分转运量(kg hm–2)=灌浆期营养器官养分积累量(kg hm–2)−完熟期营养器官养分积累量(kg hm–2);

养分转运率(%)＝营养器官养分转运量(kg hm–2)/灌浆期营养器官养分积累量(kg hm–2)×100;

养分转运贡献率(%)＝营养器官养分转运量(kg hm–2)/完熟期籽粒养分积累量(kg hm–2)×100;

氮(磷、钾)收获指数(%)=籽粒中氮(磷、钾)积累量(kg hm–2)/植株地上部氮(磷、钾)积累量(kg hm–2)× 100;

氮(磷、钾)肥表观利用率(%)=[施钾区植株地上部氮(磷、钾)积累量(kg hm–2)−不施钾区植株地上部氮(磷、钾)积累量(kg hm–2)]/施肥量(kg hm–2)×100;

钾肥农学利用率(kg kg–1)=[施钾区籽粒产量(kg hm–2)−不施钾区籽粒产量(kg hm–2)]/施肥量(kg hm–2)。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016进行数据预处理, 采用DPS18.10软件进行统计方差分析。利用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 施钾量对夏玉米产量的影响

施钾显著提高玉米籽粒产量(<0.05, 表1), 2019年增产幅度为7.32%～13.64%; 2020年增幅为8.48%～15.27%, 2年内均以K2处理籽粒产量最高。在不同施钾处理中, 2019年K2处理显著高于K1、K3、K4处理, 但K1、K3、K4处理间差异不显著; 2020年K1、K2处理显著高于K3、K4处理, 但K1与K2处理之间、K3与K4处理之间均无显著性差异。施钾提高了玉米的单位面积穗粒数和千粒重。施钾后穗粒数与千粒重呈现先升高后降低的趋势, 均以K2处理最高。除2019年K0处理穗粒数与K1、K3、K4处理差异不显著外, 2年内施钾处理的穗粒数和千粒重均显著高于K0处理(<0.05)。

2.2 施钾量对夏玉米叶面积指数的影响

玉米叶面积指数在2019年和2020年生育期内均呈单峰曲线变化趋势, 在Vt期达到最大值(图1)。各生育时期叶面积指数的变化趋势基本一致, 均以K2处理最高, K0处理最低。2019年Vt期, 与K0处理相比, K1、K2、K3、K4处理分别提高26.95%、29.81%、26.80%、20.28%; 2020年分别提高23.42%、24.29%、21.28%、12.90%, 各处理间差异显著(<0.01)。可见在0～225 kg hm–2范围内施钾可显著提高叶面积, 施用量继续增加则增效降低。

2.3 施钾量对夏玉米干物质积累的影响

自Vt期后, 各处理干物质积累量表现出明显的差异, 随施钾量的增加先升高后降低, 至R6期均表现为K0处理最低, K2处理最高(图2)。2019年R6期, K1、K2、K3、K4处理干物质积累量分别较K0处理增加25.28%、45.01%、34.59%、20.01%; 2020年分别增加28.14%、30.65%、20.47%、15.08%, 各处理间差异显著(<0.01)。2019年R2～R6期各处理干物质积累量占最终干物质积累量的比例分别为62.55%、70.53%、70.03%、68.43%、65.32%; 2020年分别为61.89%、66.47%、65.20%、63.12%、64.28%, 可见施钾提高了夏玉米花后干物质积累比例。

表1 施钾量对夏玉米产量及产量构成因素的影响

同年同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied, K1: 150 kg hm–2K2O applied, K2: 225 kg hm–2K2O applied, K3: 300 kg hm–2K2O applied, K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

图1 不同处理夏玉米叶面积指数变化

V6: 拔节期; V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌浆期; R3: 乳熟期。*和**分别表示在0.05和0.01水平上处理之间差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied; V6: elongation stage; V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; Vt: tassel stage; R2: filing stage; R3: milking stage. * and ** indicate significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 施钾量对夏玉米干物质转运的影响

施钾显著提高干物质向穗部转运的强度, 但不同处理间各器官表现不同(<0.05, 表2)。2019年, 各处理总干物质转运量在0.39～1.71 t hm–2之间, 2020年在0.76～2.48t hm–2之间。2019年, 玉米叶片转运量、转运率及贡献率均以K2处理最高, K1处理次之, K1、K2处理均显著高于K0处理; 在2020年则以K3处理最高, K2、K3、K4处理间无显著性差异但显著高于K1、K0处理。2019年, 玉米茎秆干物质转运量、转运率及贡献率规律一致, 均表现为K3>K2>K4>K1>K0, K3与K2处理间无显著差异但显著高于K0、K1、K4处理; 2020年表现为K3>K4>K2>K1>K0, K3处理干物质处理转运量、转运率及贡献率均显著高于其他处理,仅转运率与K4处理无显著差异。玉米总干物质转运量、转运率及贡献率均随施钾量的增加先升高后降低, 2019年以K2处理最高, 2020年以K3处理最高, 2年内各施钾处理均显著高于K0处理。

2.5 施钾量对夏玉米养分积累量的影响

随着生育进程的推进, 玉米氮、磷积累量呈现逐渐增加的态势, 而钾素积累量则呈现先增加后减少的趋势(表3)。K0处理钾素积累量在R2期达到最大值, K1、K2、K3、K4处理则在R3期达到最大钾素积累量。施钾提高了各时期夏玉米氮、磷、钾积累量。至R6期玉米氮、磷、钾积累量表现为, 随施钾量的增加先升高后下降的趋势, 均以K0处理最低, K2处理最高, 且施钾处理均显著高于K0处理(<0.05)。2019年施钾后夏玉米R6期氮、磷、钾积累量分别增加45.37～102.10 kg hm–2、18.36～29.40 kg hm–2、40.93～69.07 kg hm–2; 2020年氮、磷、钾积累量增幅分别为40.81～105.10 kg hm–2、27.07～40.73 kg hm–2、46.73～92.80 kg hm–2。2019年各处理花后氮素积累百分率分别为28.79%、29.23%、41.45%、24.06%、43.38%, 2020年分别为26.99%、42.25%、50.29%、39.86%、41.74%; 2019年花后磷素积累百分率分别为39.80%、49.71%、45.30%、43.49%、49.38%, 2020年分别为48.28%、60.28%、56.77%、52.03%、54.99%。可见施钾提高了夏玉米花后氮、磷积累比例, 而在生育后期, 由于钾素存在流失、淋洗的情况, 因此并未提高花后钾素积累比例。

2.6 施钾量对夏玉米养分吸收效率的影响

施钾显著提高了玉米氮、磷、钾吸收效率(<0.05, 表4)。植株氮、磷吸收效率在2019年和2020年均随施钾量的增加先升高后降低, 以K2处理显著高于其他处理。2019年, K1、K2、K3、K4处理氮素吸收效率较K0处理分别提高35.09%、78.95%、49.12%、38.59%; 2020年分别提高25.00%、88.46%、57.69%、40.38%。2019年磷素吸收效率分别提高41.27%、41.27%、33.33%、14.29%; 2020年分别提高37.50%、58.93%、46.43%、23.21%。各施钾处理中钾素吸收效率随施钾量的增加逐渐降低, 2年内均以K1处理显著高于各处理(<0.05)。

2.7 施钾量对夏玉米养分转运的影响

施钾显著提高了夏玉米氮、磷、钾转运量, 随施钾量的增加呈先增高后降低的趋势, 均以K3处理显著高于其他处理(<0.05, 表5)。2019年, 与K0处理相比, 施钾使夏玉米氮、磷、钾素转运量分别提高242.89%～320.74%、46.95%～89.31%、14.83%～ 66.27%; 2020年分别提高198.26%～261.73%、39.13%～126.05%、48.94%～84.16%。施钾对玉米氮、磷转运率影响较大, 2年内各施钾处理均显著高于K0处理, 对钾素转运率影响较小, 除2020年K2处理显著低外, 其余处理间均无显著差异。籽粒氮、磷、钾积累量随钾肥的施入而增加, 在施钾量达到225 kg hm–2后降低, 2年内趋势一致。尽管K2处理籽粒氮、磷、钾积累量最高, 但其营养器官对籽粒的贡献率却并未显著高于其他处理。玉米养分转运贡献率与转运量变化规律一致, 氮、磷、钾均以K3处理最高, 2年试验趋势一致。

图2 不同处理夏玉米群体干物质积累量变化

V6: 拔节期; V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌浆期; R3: 乳熟期; R6: 完熟期。*和**分别表示在0.05和0.01水平上处理之间差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. V6: elongation stage; V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; Vt: tassel stage; R2: filling stage; R3: milking stage; R6: maturing stage. * and ** indicate significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively.

表3 施钾量对夏玉米养分积累量的影响

V9: 小喇叭口期; V12: 大喇叭口期; Vt: 抽雄期; R2: 灌浆期; R3: 乳熟期; R6: 完熟期。同年同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. V9: 9 leaves stage; V12: 12 leaves stage; VT: tassel stage; R2: filling stage; R3: milking stage; R6: maturing stage. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

表4 施钾量对夏玉米植株养分吸收效率的影响

(续表4)

同年同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

表5 施钾量对夏玉米养分转运的影响

同年同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

2.8 施钾量对夏玉米肥料利用效率的影响

施钾显著提高了夏玉米的肥料利用效率(<0.05, 表6)。氮收获指数在2019年和2020年内均以K1处理最高, 除2020年与K4处理无显著差异外, 均显著高于其他处理。2年内磷收获指数均在K3处理下达到最高值, 但K3处理与K2、K4处理间差异不显著。2019年, 钾收获指数以K3处理最高, 与K1处理无显著差异但显著高于K0、K2、K4处理; 2020年则以K1处理最高, 显著高于K3、K4处理但与K0、K2处理无显著差异。随施钾量的增加, 氮、磷、钾素表观利用率呈现先增后降的趋势, 均以K2处理显著高于各处理, 仅2020年K2与K3处理的磷素表观利用率无显著差异。钾肥农学利用率随钾肥的施入不断降低, 以K1处理最高, 但K1、K2处理间无显著性差异(<0.05)。因此施钾可以提高夏玉米肥料利用效率, 当施钾量在225 kg hm–2时养分收获指数、肥料表观利用率和钾肥农学利用率均维持在较高水平, 而施钾过量, 尤其是超过300 kg hm–2后则会降低玉米对肥料的利用效率。

表6 施钾量对夏玉米养分利用效率的影响

同年同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

K0: 0 kg hm–2K2O applied; K1: 150 kg hm–2K2O applied; K2: 225 kg hm–2K2O applied; K3: 300 kg hm–2K2O applied; K4: 375 kg hm–2K2O applied. Different lowercase letters with same column in the same year indicate significant difference between different treatments at the 0.05 probability level.

3 讨论

前人关于施钾增产的效应进行了大量研究, 李波等[6]在黄淮海地区秸秆不还田条件下测得施钾最高可使两品种夏玉米增产6.36%～7.58%, 谢佳贵等[15]对春玉米进行的试验中表明在秸秆不还田条件下施钾使籽粒产量增加9.6%, 而在秸秆还田后, 施钾最高可使籽粒产量增加13.8%。本试验中, 连续6年秸秆还田后施钾显著提高了夏玉米籽粒产量。与不施钾相比, 2019年施钾使夏玉米籽粒产量提高7.32%～13.64%, 2020年增幅为8.48%～15.27%, 较前人在秸秆不还田条件下得到的产量增幅有所提高。2年内籽粒产量均在施钾225 kg hm–2时最高, 但施钾量与产量之间并不是完全呈正比关系。当施钾量超过225 kg hm–2后, 产量增幅降低, 这与前人研究结果一致[6,18]。相关研究表明, 施钾可以显著提高玉米的生物学产量[9,14-15]。本试验中玉米干物质积累量随施钾量的增加先增加后减少, 施钾量在225 kg hm–2时最高。施钾还提高了玉米花后干物质积累比例及花后干物质向穗部转运的强度。玉米的干物质积累主要来源于叶片[18]。钾在玉米体内呈离子状态, 多集中在植株最活跃的部分, 叶片钾浓度增加, 可以减少叶肉细胞对CO2的阻抗, 提高植株对CO2的同化能力促进光合作用[23]。充足的钾肥有利于叶面积的快速扩展, 提高叶片光合速率[24-25]。本试验中施钾显著提高了玉米养分含量, 增大玉米叶面积, 从而提高玉米干物质积累。且充足的钾肥可以延缓叶片衰老, 延长光合功能期[5], 这是施钾使玉米花后干物质积累比例提高的重要原因。但钾肥并非越多越好。钾肥过量会导致叶片叶绿素含量降低, 叶片光合性能下降, 影响作物对养分的吸收, 阻碍植株的正常生长[26], 而且施钾量过高会增加土壤中交换性K+含量, 可能会影响土壤中K+/(Ca2++Mg2+)的正常比值, 造成植株吸钾过多, 使植株对K+、Ca2+、Mg2+的吸收比例失调, 影响作物籽粒发育, 最终导致干物质积累和产量的下降[27]。

钾与氮、磷营养之间存在着一定的互作效应。相比于全肥料状态, 缺乏任何一种养分均会降低作物对氮、磷、钾素的吸收效率, 施氮钾肥、磷钾肥均比不施肥显著提高植株对养分的吸收和积累[28-29]。施钾后可提高作物的养分含量, 并提高作物对氮、磷肥的利用效率[30]。养分吸收效率是表征植株对环境中养分吸收能力的重要指标, 在本试验中, 玉米氮、磷吸收效率随施钾量的增加先升高后降低, 施钾量为225 kg hm–2时最高, 钾素吸收效率则随施钾量的增加逐渐降低。养分积累是作物物质生产的基础。在生育后期, 养分积累的多少在很大程度上决定了籽粒产量的高低[31-34]。本试验中, 植株氮、磷积累量随生育期的推进不断增加, 钾素积累量则呈现先升高后降低的趋势, 这是因为钾的流动性较强, 生育后期能以外渗的方式从植株叶片流失。K0处理钾素积累量在灌浆期就已达到最大值, 而各施钾处理在乳熟期达到最大值, 说明不施钾肥使钾素转移、流失提前。2年内玉米氮、磷、钾积累量均随施钾量的增加先升高后降低, 以K2处理最高。籽粒灌浆开始后的养分积累是玉米籽粒养分的重要来源[34-35]。在本试验中施钾显著提高夏玉米花后氮、磷积累比例, 与花后干物质积累比例变化趋势一致, 均随施钾量的增加先升高后降低, 以K2处理最高。综上所述, 适量施钾使夏玉米有较高的氮、磷、钾素积累优势, 对花后氮、磷积累影响较花前更大, 花后养分吸收促进玉米花后干物质积累, 为夏玉米产量提高奠定基础。

籽粒养分积累是花后养分积累和花前养分再转运共同作用的结果[36-37]。玉米对钾素的吸收主要集中在生育前期, 灌浆期以后吸收逐渐减少, 因此营养器官养分转运是籽粒中钾素的主要来源, 适宜的钾肥用量有利于提高养分由营养体向籽粒的转运量、转运效率及籽粒养分比例[25,35,37-38]。本研究表明, 施钾不但提高夏玉米生殖生长阶段对氮、磷、钾的吸收积累, 还促进了此阶段营养器官氮、磷、钾素的养分转运。施钾显著提高了玉米营养器官氮、磷转运率, 进而提高营养体的养分转移量。2019年, 施钾使夏玉米氮、磷、钾素转运量分别提高242.89%～ 320.74%、46.95%～89.31%、14.83%～66.27%; 2020年分别提高198.26%～261.73%、39.13%～126.05%、48.94%～84.16%, 2年内均在K3处理下最高, 说明施钾促进玉米花前储存更多的养分向籽粒转运, 对氮素转运影响最大。施钾增加玉米养分转运量的同时, 提高了养分转运对籽粒养分的贡献率。夏玉米钾素转运贡献率最高, 高达66.35%～81.85%, 氮、磷转运贡献率分别在12.52%～40.52%、28.37%～42.17%之间(2020年)。玉米营养器官氮、磷、钾素转运贡献率均随施钾量的增加先升高后降低, 在K3处理下达到最高值。养分转运贡献率的提高表明植株花前营养体生长更旺盛, 但过高的养分转运贡献率会导致营养体养分代谢过旺, 引起叶片衰老进程加快、光合能力下降, 限制产量提高[39]。因而本研究中K3处理虽养分转运贡献率最高, 但产量却低于K2处理。

施钾在促进产量提高的同时, 显著提高了玉米氮、磷、钾肥的肥料利用效率。适量施钾可以提高肥料利用率, 但随着施钾量增加, 肥料利用率呈下降趋势[40]。本研究结果表明, 施钾提高了夏玉米的肥料收获指数, 植株氮、磷、钾肥表观利用率随钾肥的施入先增大后降低, 其中施钾量为225 kg hm–2时肥料表观利用率最高。说明适量施钾通过促进群体养分积累提高了肥料利用效率。在黄淮海平原, 李波等[6]研究结果表明在秸秆不还田条件下, 施钾0～360 kg hm–2范围内, 玉米钾肥农学利用率变化在-0.15～4.18 kg kg–1之间; 姚培清等[9]试验表明施钾0～300 kg hm–2范围内, 经小麦秸秆一年还田后玉米钾肥农学利用率为2.19～5.54kg kg–1。本试验中钾肥农学利用率则随肥料的施入不断降低, 但K1、K2处理间无显著性差异, 在施钾0～375 kg hm–2范围内, 2019年钾肥农学利用率变化在2.46～11.01 kg kg–1之间, 2020年变化范围为1.46～11.63 kg kg–1, 相较前人有明显提高。综上所述, 施钾不足与过量都会导致夏玉米产量降低, 同时肥料利用效率也降低, 而施钾量在225 kg hm–2时可提高玉米对肥料的利用效率,获得较高产量。同时, 多年秸秆还田可提高玉米对钾肥的利用效率, 使施钾对玉米产量的增效提高。

4 结论

本研究表明, 合理施用钾肥有效促进了夏玉米对氮、磷、钾的吸收, 有利于叶面积的扩展和干物质积累量的提高, 增加花前营养器官贮存的干物质和氮、磷、钾素向籽粒的再转运, 提高转运量、转运率、转运贡献率和植株对氮、磷、钾肥的吸收利用效率。综合考虑玉米籽粒产量、养分吸收利用特性等因素, 在黄淮海夏播玉米区连续多年秸秆还田条件下, 夏玉米推荐的施钾量应该在225 kg hm–2左右。

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Effects of potassium application rate on NPK uptake and utilization and grain yield in summer maize (L.)

SONG Jie1, WANG Shao-Xiang2, LI Liang2, HUANG Jin-Ling2, ZHAO Bin1, ZHANG Ji-Wang1, REN Bai-Zhao1, and LIU Peng1,*

1State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agriculture, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China;2Dongping County Agricultural and Rural Bureau, Tai’an, 271500, Shandong, China

Field experiments were conducted at Dongping Agricultural Science Institute, Tai’an city, Shandong province from 2019 to 2020, using Denghai 605 (DH605) as the experimental material. To study the effects of K application on summer maize grain yield, nutrient uptake and transportation, and utilization under continuous multi-year straw return conditions, five K2O application rates of 0 kg hm–2(K0), 150 kg hm–2(K1), 225 kg hm–2(K2), 300 kg hm–2(K3), and 375 kg hm–2(K4) were set under uniform N and P fertilizer rates (N 225 kg hm–2and P2O5110 kg hm–2). The results showed that K application significantly increased grain yield with the highest increase at 225 kg hm–2in both years, 13.64% and 15.27% in 2019 and 2020, respectively. K application significantly increased maize leaf area index, biomass and the intensity of dry matter transfer to the ears, promoted plant uptake of N, P and K, and increased maize N, P and K accumulation and the proportion of N and P accumulation after flowering, but the efficiency gain decreased when the K application was less than 225 kg hm–2. With the increase of K application, the nutrient transport of maize increased and then decreased, with the highest amount of nutrient translocation and the contribution rate of nutrient translocation at 300 kg hm–2.The nutrient harvest index, apparent utilization efficiency of N, P, and K, and agronomic utilization efficiency of K remained at a high level when K application rate was at 225 kg hm–2, and the fertilizer utilization efficiency decreased significantly when K application rate exceeded 300 kg hm–2. The appropriate amount of K application promoted the shoot growth of summer maize, increased biomass accumulation, significantly improved the uptake efficiency and plant N, P, and K accumulation of summer maize, optimized post-flowering nutrient accumulation and distribution, and improved the contribution of nutrient translocation to the formation of grain yield, thus improving the grain yield and nutrient utilization of summer maize. Considering the factors of grain yield, nutrient accumulation and transport, and fertilizer utilization, the K application rate of 225 kg hm–2was suitable for this experiment.

potassium application; summer maize; nutrient uptake and utilization; grain yield

10.3724/SP.J.1006.2023.13067

本研究由山东省重点研发计划项目(LJNY202103)和山东省玉米产业技术体系项目(SDAIT-02-08)资助。

This study was supported by the Shandong Province Key Research and Development Project (LJNY202103) and the Shandong Provincial Maize Industry Technology System Project (SDAIT-02-08).

刘鹏, E-mail: liup@sdau.edu.cn

E-mail: 1253500871@qq.com

2021-11-22;

2022-02-25;

2022-03-24.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220323.1716.002.html

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