• ISSN 1008-505X
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播期和水氮互作对滴灌施肥春玉米生长和水氮利用的影响

孟晓琛 张富仓 刘蓝骄 陆军胜 何平如 肖超

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播期和水氮互作对滴灌施肥春玉米生长和水氮利用的影响

    作者简介: 孟晓琛 E-mail:1037184666@qq.com;
    通讯作者: 张富仓, E-mail:zhangfc@nwsuaf.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发专项(2017YFC0403303);国家自然科学基金项目(51979231);教育部高等学校学科创新引智计划项目(B12007)。

Effects of sowing date and water-nitrogen interaction on the growth and water and nitrogen utilization of spring maize under drip fertigation

    Corresponding author: ZHANG Fu-cang, E-mail:zhangfc@nwsuaf.edu.cn ;
  • 摘要:   【目的】  河西地区石羊河流域的农业生产中水资源短缺,光热资源利用率和水肥利用效率低。通过调整播期协调光热资源与水肥供应,研究提高春玉米生长及水肥利用效率的可能性。  【方法】  大田滴灌试验于2018年在甘肃省中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行。设置3个播种日期,即4月10日 (S1)、4月20日 (S2)、4月30日 (S3);2个灌水量水平,即80% ETc (I80)、100% ETc (I100) (ETc为作物蒸发蒸腾量);4个施氮量水平,即N 0、120、180、240 kg/hm2,分别表示为N0、N120、N180、N240。在玉米生长关键期,测定植株生长状况和水分利用指标,收获期测产。  【结果】  播期对春玉米各生育阶段的持续时间影响显著,生育期天数随着播期的推迟呈缩减趋势,合理播期应避免灌浆期的高温辐射和降雨量过多。除耗水量外,施氮量对其它各指标影响显著。叶面积指数、干物质积累量和产量均随灌水量增加而增加,随施氮量增加而上升,产量随播期的推迟而减少。S1I100N180处理产量最大,为16830 kg/hm2,比S2I100N240处理增产7.35%、节肥14.29%,比S3I100N180处理增产12.55%。水分利用效率随施氮量增大而增加,随灌水量增大而升高。S1I100N180处理水分利用效率为3.1 kg/m3,比S1I80N240处理高12.32%。氮肥偏生产力随施氮量增大而减小,S1I100N180处理氮肥偏生产力为93.5 kg/kg,比S1I100N120处理降低4.9%,但增产42.65%。  【结论】  综合产量和节水节肥因素,在本试验条件下适时早播 (4月10日) 有助于充分发挥水肥资源的潜力。在早播和充分灌水条件下,施用较低的氮肥量 (N 180 kg/hm2) 即可获得最高的产量。
  • 图 1  2018年及多年逐旬平均的玉米生长期温度和降水量变化

    Figure 1.  Ten-day's average temperature and precipitation from April to September in 2018 and many years

    图 2  不同播期和水氮处理对玉米LAI的影响

    Figure 2.  Effects of different sowing dates and water-nitrogen levels on LAI of maize

    图 3  不同水氮水平下不同播期玉米群体干物质积累量随累积积温的变化

    Figure 3.  Dynamic change of dry matter accumulation of maize in different sowing dates with accumulated temperature under different water and nitrogen levels

    图 4  不同水氮处理下不同播期玉米氮肥偏生产力

    Figure 4.  Nitrogen partial factor productivity of maize with different sowing dates under different water and nitrogen treatments

    表 1  不同播期下春玉米进入各生育时期时间

    Table 1.  Starting date of each growing stageaffected by sowing date

    生育时期Growing stage开始日期 Starting date (month-day)
    播种期Sowing date4-104-204-30
    拔节期Jointing stage5-255-296-02
    小喇叭口期10-leaf stage6-076-106-14
    大喇叭口期13-leaf stage6-206-226-26
    抽雄期Tasseling stage7-017-047-08
    吐丝期Spinning stage7-057-087-12
    灌浆期Filling stage7-267-287-31
    乳熟期Milk-ripe stage8-118-138-18
    成熟期Mature stage9-079-119-17
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    表 2  不同播期下各个生育时期的气候条件

    Table 2.  Climatic conditions in each growing period of spring maize affected by sowing date

    播种时期
    Sowing date
    (month-day)
    生育时期
    Growing period
    持续天数
    Lasting days
    有效积温
    AAT
    (℃)
    累积积温
    AT
    (℃)
    日均温
    MDT
    (℃)
    日温差
    DNTD
    (℃)
    光能辐射量
    Solar radiation
    (W/m2)
    降雨量
    Precipitation
    (mm)
    4-10播种~拔节期S–J 45277737.314.4813.9421231.6
    拔节~小喇叭口期J–10L 13120249.6718.8116.592590.0
    小喇叭口~大喇叭口期
    10L–13L
    13146276.0821.0916.552771.6
    大喇叭口~抽雄期13L–T 11140249.8622.7112.6919811.8
    抽雄~吐丝期T–S 4 4584.9221.2314.102180.2
    吐丝~灌浆期S–F 21264473.9122.6815.6823023.2
    灌浆~乳熟期F–MR 16225384.5524.0312.4721865.4
    乳熟~蜡熟期MR–M 27255524.8619.2710.5015049.8
    合计Total1501472 2981.15164.30112.521762 183.6
    4-20播种~拔节期S–J 39282681.9716.0014.8122713.0
    拔节~小喇叭口期J–10L 12114234.4119.2216.872700.0
    小喇叭口~大喇叭口期
    10L–13L
    12147266.6522.2216.182711.6
    大喇叭口~抽雄期13L–T 12145265.2722.1111.8518212.0
    抽雄~吐丝期T–S 4 4181.2620.3110.101511.0
    吐丝~灌浆期S–F 20264464.2223.3316.6225322.2
    灌浆~乳熟期F–MR 16222381.8223.8612.4121065.8
    乳熟~蜡熟期MR–M 29259548.7518.6511.1215451.4
    合计Total1441474 2924.35165.70109.961718 167
    4-30播种~拔节期S–J 33278617.7717.4815.732424.6
    拔节~小喇叭口期J–10L 12118237.9319.5317.272730.0
    小喇叭口~大喇叭口期
    10L–13L
    12144263.7821.9813.382297.0
    大喇叭口~抽雄期13L–T 12142261.5321.7911.681747.6
    抽雄~吐丝期T–S 4 4988.5522.1418.052580.4
    吐丝~灌浆期S–F 19259448.9423.7515.9025121.8
    灌浆~乳熟期F–MR 18229409.0222.7211.6319666.0
    乳熟~蜡熟期MR–M 30240539.5217.5111.0914557.8
    合计Total1401459 2867.04166.90114.731768 165.2
    注(Note):AAT—有效积温 Available accumulated temperature; AT—累积积温 Accumulated temperature; MDT—日均温 Mean daily temperature; DNTD—日温差 Day-night temperature difference; S–J, Sowing–jointing stage; J–10L, Jointing–10 leaf stage; 10L–13L, 10 leaf–13 leaf stage; 13L–T, 13 leaf–tasseling stage; T–S, Tasseling–spinning stage; S–F, Spinning–filling stage; F–MR, Filling–milk ripening stage; MR–M, Milk ripening–mature stage.
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    表 3  不同播期和水氮处理下玉米产量及产量构成因素

    Table 3.  Yield and yield components of maize with different sowing dates under different water and nitrogen treatments

    播种期 (month-day)
    Sowing date
    处理
    Treatment
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    穗粒数
    Grain number per ear
    单穗籽粒重 (g)
    Grain weight per ear
    百粒重 (g)
    100-seed weight
    收获指数
    Harvest index
    4-10I80N05681.56 g248.84 f84.75 g34.06 c0.20 f
    I80N12010543.32 f411.01 e155.78 f37.91 b0.49 d
    I80N18012166.83 d450.32 d174.61 d38.79 b0.41 e
    I80N24013786.50 c490.94 c200.15 c40.78 a0.53 c
    I100N05419.02 h223.19 g78.40 h35.13 c0.21 f
    I100N12011798.69 e445.92 d169.52 e38.02 b0.52 c
    I100N18016830.29 a610.88 a238.25 a39.02 b0.69 a
    I100N24016368.26 b544.38 b227.84 b41.87 a0.56 b
    4-20I80N05342.11 g228.36 g75.88 g33.23 c0.26 g
    I80N12010747.11 e398.59 e152.66 e38.30 b0.53 c
    I80N18012101.64 c415.07 d171.90 c41.43 a0.47 e
    I80N24010345.54 f343.85 f146.95 f42.75 a0.36 f
    I100N04621.24 h227.55 g65.64 h28.85 d0.27 g
    I100N12011875.62 d432.47 c168.69 d39.02 b0.62 a
    I100N18014193.18 b481.00 b201.61 b41.93 a0.54 b
    I100N24015678.47 a532.02 a222.71 a41.86 a0.51 d
    4-30I80N04437.77 f232.11 d63.54 f27.38 f0.21 g
    I80N1207371.94 d332.51 c105.55 d31.75 e0.35 e
    I80N18010489.26 c420.88 b150.19 c35.69 d0.38 d
    I80N24014615.07 b557.29 a209.27 b37.56 b0.51 b
    I100N06883.19 e321.80 c98.56 e30.63 e0.31 f
    I100N12010573.19 c421.59 b151.39 c35.93 cd0.37 d
    I100N18014954.20 a542.62 a214.12 a39.48 a0.45 c
    I100N24014500.91 b559.54 a207.63 b37.12 bc0.53 a
    显著性分析 Significance analysis
    灌水 Irrigation (I)**********
    施氮Nitrogen (N)**********
    播期 Sowing date (S)**********
    I × N**********
    I × S**********
    N × S**********
    I × N × S**********
    注(Note):数据后不同小写字母表示同一播期不同水氮处理间差异显著 (P < 0.05) Different small letters indicate significant difference among treatments under the same sowing date (P < 0.05);**—P < 0.01.
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    表 4  播期对不同春玉米水氮处理下耗水及水分利用效率的影响

    Table 4.  Effects of sowing date on water use efficiency of spring maize under different water and nitrogen treatments

    处理
    Treatment
    耗水量Water consumption (mm)水分利用效率Water use efficiency (kg/m3)
    4-104-204-30平均Average4-104-204-30平均Average
    I80N0463.20418.78427.58436.521.23 g1.28 f1.04 h1.18
    I80N120415.26450.03423.88429.722.54 e2.39 c1.74 f2.22
    I80N180536.03387.36388.02437.142.27 f3.12 a2.70 d2.70
    I80N240499.87506.81455.57487.422.76 c2.04 d3.21 c2.67
    I100N0502.81534.92488.39508.701.08 h0.86 g1.41 g1.12
    I100N120435.05614.43485.17511.552.71 d1.93 e2.18 e2.27
    I100N180542.98553.75406.20500.983.10 b2.56 b3.68 b3.11
    I100N240520.56507.33358.19462.033.14 a3.09 a4.05 a3.43
    平均Average489.47496.68429.13471.762.352.162.502.34
    注(Note):数据后不同小写字母表示同一播期不同水氮处理间差异显著 (P < 0.05) Different small letters indicate significant difference among treatments under the same sowing date (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-24
  • 网络出版日期:  2020-11-16
  • 刊出日期:  2020-10-25

播期和水氮互作对滴灌施肥春玉米生长和水氮利用的影响

    作者简介:孟晓琛 E-mail:1037184666@qq.com
    通讯作者: 张富仓, zhangfc@nwsuaf.edu.cn
  • 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室/西北农林科技大学旱区节水农业研究院,陕西杨凌 712100
  • 基金项目: 国家重点研发专项(2017YFC0403303);国家自然科学基金项目(51979231);教育部高等学校学科创新引智计划项目(B12007)。
  • 摘要:   【目的】  河西地区石羊河流域的农业生产中水资源短缺,光热资源利用率和水肥利用效率低。通过调整播期协调光热资源与水肥供应,研究提高春玉米生长及水肥利用效率的可能性。  【方法】  大田滴灌试验于2018年在甘肃省中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行。设置3个播种日期,即4月10日 (S1)、4月20日 (S2)、4月30日 (S3);2个灌水量水平,即80% ETc (I80)、100% ETc (I100) (ETc为作物蒸发蒸腾量);4个施氮量水平,即N 0、120、180、240 kg/hm2,分别表示为N0、N120、N180、N240。在玉米生长关键期,测定植株生长状况和水分利用指标,收获期测产。  【结果】  播期对春玉米各生育阶段的持续时间影响显著,生育期天数随着播期的推迟呈缩减趋势,合理播期应避免灌浆期的高温辐射和降雨量过多。除耗水量外,施氮量对其它各指标影响显著。叶面积指数、干物质积累量和产量均随灌水量增加而增加,随施氮量增加而上升,产量随播期的推迟而减少。S1I100N180处理产量最大,为16830 kg/hm2,比S2I100N240处理增产7.35%、节肥14.29%,比S3I100N180处理增产12.55%。水分利用效率随施氮量增大而增加,随灌水量增大而升高。S1I100N180处理水分利用效率为3.1 kg/m3,比S1I80N240处理高12.32%。氮肥偏生产力随施氮量增大而减小,S1I100N180处理氮肥偏生产力为93.5 kg/kg,比S1I100N120处理降低4.9%,但增产42.65%。  【结论】  综合产量和节水节肥因素,在本试验条件下适时早播 (4月10日) 有助于充分发挥水肥资源的潜力。在早播和充分灌水条件下,施用较低的氮肥量 (N 180 kg/hm2) 即可获得最高的产量。

    English Abstract

    • 我国玉米总产量一直居世界首位,玉米的增产潜力大、效益高,是可食用、饲用及具工业用途的重要谷类作物[1]。近年来,由于全球气候变暖,合理选择适宜播种日期以避免河西地区石羊河流域丰富光热资源的浪费;由于水资源短缺,过量灌水施肥造成水肥利用效率低和环境污染等问题。因此,研究合理的播期水肥调控措施并综合考虑光温水热等生态因子是提高作物产量、水肥利用率的关键措施,对实现该地区玉米节水节肥高效生产和改善农田生态环境等具有重要理论与实际意义。

      近年来,就水氮互作效应对作物的生长、产量和水氮利用影响的研究较多。研究表明,新疆地区玉米干物质积累量和产量在同一灌溉水平下随施氮量的增加而增加,在同一施氮量下随灌溉量的增加而增加[2]。青贮玉米产量随施氮量的增加而提高,水分利用效率随灌溉量的增加而减少,但氮肥利用效率随灌溉量的增加呈增加的趋势[3]。60%作物蒸发蒸腾量和N-P2O5-K2O 168-84-210 kg/hm2处理的株高、茎粗和叶绿素含量优势较为明显,有利于陕北温室马铃薯植株的增长,产量增加明显且各品质指标较高[4]。水氮互作对呼伦贝尔地区大豆产量影响较大,1400 m3/hm2灌水定额和95 kg/hm2施氮量 (尿素,N 46.4%) 处理增产59.2%,大豆氮肥利用效率随施氮量的升高逐渐降低,增加灌水量会促进植株对氮素的吸收利用[5]。光温水热和土壤等生态因子综合作用即播期对玉米生长发育和产量产生影响[6-11]。油葵干旱年适当早播可提高产量[12]。播期、氮肥和水分均与小麦的干物质积累和氮素的转运及吸收密切相关[13-16]。多数学者仅限于密度、品种或播期对玉米生长和产量的影响研究[17-21],对玉米播期和水肥耦合并结合生态因子对玉米生长和产量影响的相关研究甚少。针对河西地区石羊河流域的特定气候和土壤环境条件,研究在滴灌施肥与覆膜相结合的技术条件下,不同播种日期和不同水肥供应对春玉米生长、干物质积累、产量和水氮利用效率的影响,定量分析生态因子对玉米不同生育阶段的影响,为当地春玉米高产优质生产提供参考。

      • 试验于2018年在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行,该站位于甘肃省武威市凉州区 (37°50'49″N、102°51'01″E),海拔高度1581 m,为大陆性温带干旱气候。该地区年平均气温8℃,年均日照时数3000 h以上,年均降水量160 mm,年均水面蒸发量2000 mm以上,日照充足,热量丰富,风大沙多,春季最大风速38 m/s,多为西北风。土壤为灰钙质轻砂土,土壤容重为1.58 g/cm3,田间持水量为16.78% (体积含水率)。灌溉水源为矿化度0.71 g/L的地下水,地下水埋深大于40 m以上。

      • 试验设置播种日期、灌水量和施氮量3因素。播种日期设:2018年4月10日 (S1)、2018月4月20日 (S2) 和2018月4月30日 (S3)。灌水量设:80% ETc (ETc为作物蒸发蒸腾量,I80) 和100% ETc (I100)。施N量设4个水平:0、120、180和240 kg/hm2,即N0、N120、N180、N240。共24个处理,每个处理均施P2O5和K2O 90 kg/hm2,重复3次。

        试验小区长为6 m,宽为4 m,面积为24 m2,周围布置保护区。采用一膜一管宽窄行和1条滴灌带控制2行植株种植方式,窄行间距为40 cm,宽行间距为80 cm,滴灌带处于窄行中间。滴灌带滴头间距20 cm,滴头流量2 L/h,滴头工作压力0.2 MPa。玉米株距20 cm,种植密度为80000株/hm2

        供试春玉米品种为强盛51号,全生育期140天左右。滴灌施肥的肥料为尿素 (N 46.4%)、磷酸二氢钾 (P2O5 52%、K2O 34%) 和硫酸钾 (K2O 52%)。磷肥、钾肥作为基肥一次性施入。整个生育期共施肥4次,按苗期20%、小喇叭口期30%、抽雄期30%和灌浆期20%分配[22]。滴灌施肥系统主要由水泵、比例施肥泵、输配水管道系统和滴灌带等组成。

        ETc为玉米需水量 (mm/d),计算公式如下:

        ${{\rm{ET}}_c} = {{\rm{ET}}_0} \times {K_c}$

        式 (1) 中:Kc为玉米作物系数,苗期为0.7,拔节~灌浆期为1.2,乳熟~成熟期为0.6[23];ET0为参考作物蒸发蒸腾量 (mm/d),按照1990年FAO-56推荐使用的Penman-Monteith公式计算。同一播种时期下各处理灌水日期相同,灌水间隔为10天,遇到降水灌水日期顺延[22]。I80处理下,S1、S2和S3总灌水量分别为368.5、350.4和327.8 mm;I100处理下,S1、S2和S3总灌水量分别为460.6、438.0和409.8 mm。

      • 观测春玉米在不同播期下出苗期、拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期、乳熟期和成熟期等。

        气象因子测定:2018年春玉米生育期内各气象因子由试验站内自动气象站测定。

        第i天的累积积温:

        $\begin{aligned} {T = \sum {\left[ {\left( {{T_{{\rm{max}}}} + {T_{{\rm{min}}}}} \right)/2} \right]} } \end{aligned}$

        生育期内有效积温 (GDD):

        ${\rm{GDD}} = \sum {\left[ {\left( {{T_{{\rm{max}}}}{\rm{ + }}{T_{{\rm{min}}}}} \right)/2 - {T_{base}}} \right]} $

        式中:${T_{\max }}$${T_{\min }}$为第i天的最高和最低气温,通常${T_{base}} < {T_{\min }} < {T_{\max }} < {T_{ut}}$${T_{base}}$为生理基础温度10℃,${T_{ut}}$为生理上限温度35℃,若${T_{\min }} < {T_{base}}$,则${T_{\min }} = {T_{base}} = $10℃;若${T_{\max }} > {T_{ut}}$,则${T_{\max }} = {T_{ut}} = {\rm{35}}$[24]

        生长指标测定:在玉米苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期、乳熟期和成熟期每小区破坏性选取具有代表性的3株样株测定株高、叶面积 (苗期不破坏性取样,未测定叶面积指数和干物质量,成熟期叶全黄,故也未测定叶面积)。将植株各器官分开,称鲜重后放入烘箱,在105℃杀青30 min,然后于85℃烘至恒重,测定植株地上部分干重。

        春玉米产量及生物量:在收获期,选取小区中间相邻两条滴灌带控制的两行玉米,人工脱粒,风干后测定标准含水量 (14%) 时的产量,求得3个重复的均值得出实际产量。测定穗粒数、百粒重和收获指数等指标。

        作物耗水量测定:采用农田土壤水量平衡方程式进行耗水量计算。灌水量采用水表进行计量。由于试验田地下水埋深在40 m以下,可视地下水补给量为0,降水入渗深度不超过1 m,可视深层渗漏为0。作物生长所需水分主要由灌溉水和降雨供应。因此,水量平衡方程可简化为:

        ${\rm{ET}} = {\rm{P}} + {\rm{I}} - \Delta W$

        式 (4) 中:ET—作物耗水量 (mm);P—降雨量 (mm);I—灌水量 (mm);$\Delta W$—试验初期和试验末期土壤水分的变化量 (mm)。

        氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区籽粒产量/施氮量

        水分利用效率 (kg/m3) = 产量/作物耗水量

      • 用Microsoft Excel 2013进行数据处理;用SPSS 18.0对试验数据进行方差分析和显著性检验,采用Origin 9.0软件进行制图分析。

      • 图1可知,2018年4—9月降水量为218.4 mm,比该地多年平均降水量多67.5 mm。同时降水分布很不均匀,4月、5月降水量很少,降水主要集中在7月、8月,达161 mm,占生育期降水的73.7%,8月上旬和8月下旬降水量分别达65.4和64.8 mm。与多年平均气温相比,2018年气温在5—7月偏高,在4月、9月偏低。说明2018年玉米生长季属于温度偏高、雨水偏多的年型。

        图  1  2018年及多年逐旬平均的玉米生长期温度和降水量变化

        Figure 1.  Ten-day's average temperature and precipitation from April to September in 2018 and many years

      • 表1可知,不同的播种时期对春玉米各生育时期有着显著影响。4月10、20、30日播种的春玉米全生育时期分别是150、144、140天。由此可知,播期推迟,全生育期缩短。与4月10日播种相比,播期为4月20日和30日的玉米,播种至拔节期分别缩短了6和12天,拔节至小喇叭口期都缩短了1天,小喇叭口至大喇叭口期都缩短了1天,大喇叭口至抽雄期都延长了1天,吐丝至灌浆期分别缩短了1和2天,灌浆至成熟期分别延长了2和5天。随着播期推迟,大喇叭口至吐丝期和乳熟至成熟期持续时间基本不变,其它生育时期均缩短,其中播种至拔节期缩短的幅度最大,缩幅达到13.3%和26.7%。

        表 1  不同播期下春玉米进入各生育时期时间

        Table 1.  Starting date of each growing stageaffected by sowing date

        生育时期Growing stage开始日期 Starting date (month-day)
        播种期Sowing date4-104-204-30
        拔节期Jointing stage5-255-296-02
        小喇叭口期10-leaf stage6-076-106-14
        大喇叭口期13-leaf stage6-206-226-26
        抽雄期Tasseling stage7-017-047-08
        吐丝期Spinning stage7-057-087-12
        灌浆期Filling stage7-267-287-31
        乳熟期Milk-ripe stage8-118-138-18
        成熟期Mature stage9-079-119-17

        表2可知,由于播种时间的不同,玉米各生育时期的气象条件也随之变化,从而影响玉米的生长发育。随着播期由4月10日推迟到4月30日,抽雄至吐丝期的有效积温变化幅度在14%左右,其它时期的变化幅度都较小;日均温在播种至拔节期变化较大,均上升1.5℃左右,其它时期变化幅度都较小;日温差在抽雄至吐丝期变化较大,S2处理比S1处理下降4℃,S3处理比S2处理上升7.95℃,其它时期变化都较小;光能辐射量在抽雄至吐丝期变化较大,S2处理比S1处理下降67 W/m2,S3处理比S2处理上升107 W/m2,其它时期变化幅度较小;降雨量在早期和后期变化较大,其中播种至拔节期S2处理比S1处理下降18.6 mm,S3处理比S2处理下降8.4 mm,乳熟至成熟期S2处理比S1处理上升1.6 mm,S3处理比S2处理上升6.4 mm,其它生育时期变化较小。

        表 2  不同播期下各个生育时期的气候条件

        Table 2.  Climatic conditions in each growing period of spring maize affected by sowing date

        播种时期
        Sowing date
        (month-day)
        生育时期
        Growing period
        持续天数
        Lasting days
        有效积温
        AAT
        (℃)
        累积积温
        AT
        (℃)
        日均温
        MDT
        (℃)
        日温差
        DNTD
        (℃)
        光能辐射量
        Solar radiation
        (W/m2)
        降雨量
        Precipitation
        (mm)
        4-10播种~拔节期S–J 45277737.314.4813.9421231.6
        拔节~小喇叭口期J–10L 13120249.6718.8116.592590.0
        小喇叭口~大喇叭口期
        10L–13L
        13146276.0821.0916.552771.6
        大喇叭口~抽雄期13L–T 11140249.8622.7112.6919811.8
        抽雄~吐丝期T–S 4 4584.9221.2314.102180.2
        吐丝~灌浆期S–F 21264473.9122.6815.6823023.2
        灌浆~乳熟期F–MR 16225384.5524.0312.4721865.4
        乳熟~蜡熟期MR–M 27255524.8619.2710.5015049.8
        合计Total1501472 2981.15164.30112.521762 183.6
        4-20播种~拔节期S–J 39282681.9716.0014.8122713.0
        拔节~小喇叭口期J–10L 12114234.4119.2216.872700.0
        小喇叭口~大喇叭口期
        10L–13L
        12147266.6522.2216.182711.6
        大喇叭口~抽雄期13L–T 12145265.2722.1111.8518212.0
        抽雄~吐丝期T–S 4 4181.2620.3110.101511.0
        吐丝~灌浆期S–F 20264464.2223.3316.6225322.2
        灌浆~乳熟期F–MR 16222381.8223.8612.4121065.8
        乳熟~蜡熟期MR–M 29259548.7518.6511.1215451.4
        合计Total1441474 2924.35165.70109.961718 167
        4-30播种~拔节期S–J 33278617.7717.4815.732424.6
        拔节~小喇叭口期J–10L 12118237.9319.5317.272730.0
        小喇叭口~大喇叭口期
        10L–13L
        12144263.7821.9813.382297.0
        大喇叭口~抽雄期13L–T 12142261.5321.7911.681747.6
        抽雄~吐丝期T–S 4 4988.5522.1418.052580.4
        吐丝~灌浆期S–F 19259448.9423.7515.9025121.8
        灌浆~乳熟期F–MR 18229409.0222.7211.6319666.0
        乳熟~蜡熟期MR–M 30240539.5217.5111.0914557.8
        合计Total1401459 2867.04166.90114.731768 165.2
        注(Note):AAT—有效积温 Available accumulated temperature; AT—累积积温 Accumulated temperature; MDT—日均温 Mean daily temperature; DNTD—日温差 Day-night temperature difference; S–J, Sowing–jointing stage; J–10L, Jointing–10 leaf stage; 10L–13L, 10 leaf–13 leaf stage; 13L–T, 13 leaf–tasseling stage; T–S, Tasseling–spinning stage; S–F, Spinning–filling stage; F–MR, Filling–milk ripening stage; MR–M, Milk ripening–mature stage.
      • 在农作物的种植密度大致相同时,春玉米的叶面积指数在一定程度上代表着作物的叶面积大小、植株光合和蒸发蒸腾作用的强弱情况。如图2所示,在全生育期内LAI的整体趋势是:在600℃ (有效积温,下同) 左右生长速度最快,950℃至1200℃左右趋于稳定且之后有所下降。在600℃之前,各处理发育期LAI的差异都很小。在有效积温达到600℃时,S1各处理的LAI在2.92~3.64;S2各处理的LAI在2.47~3.19;S3各处理的LAI在2.82~3.19。600℃至730℃左右的LAI在同一灌水施肥措施下,播种时间越晚,其增长速度越快。从730℃开始,各播期LAI差异性显著 (P < 0.05)。在730℃的同一施肥措施和播种时期下,灌水量越大,LAI值越大。从950℃至1200℃左右的整体趋势来看LAI值较为稳定,说明干物质积累程度较大。

        图  2  不同播期和水氮处理对玉米LAI的影响

        Figure 2.  Effects of different sowing dates and water-nitrogen levels on LAI of maize

      • 干物质积累量即光合产物量构成生物产量的95%,是作物生长发育的重要指标[25]。如图3所示,3个播期下不同水氮处理的群体干物质累积量呈“慢—快—慢”的S型曲线变化趋势。可以看出,在累积积温达到1352℃~1460℃之前,春玉米处于拔节期至抽雄吐丝期,群体干物质累积量增长缓慢;在累积积温达到2210℃~2318℃之后,春玉米处于乳熟至成熟期,群体干物质累积量增幅较小;其间,春玉米处于抽雄吐丝期至乳熟期,群体干物质累积量增长迅速。群体干物质积累在不同播期且灌水水平80% ETc处理下,以N180处理最大;在不同播期且灌水水平100% ETc处理下,以N240处理群体干物质累积最大;N0处理均为群体干物质最小累积量。说明相同灌水条件下,群体干物质累积量随施氮量的增加而增加。

        图  3  不同水氮水平下不同播期玉米群体干物质积累量随累积积温的变化

        Figure 3.  Dynamic change of dry matter accumulation of maize in different sowing dates with accumulated temperature under different water and nitrogen levels

      • 表3可以看出,播期、灌水量和施氮量对春玉米的产量及产量构成因素影响极显著。在播种期为4月10日的I100N180处理产量最高,播种期为4月30日的I80N0处理产量最低,分别为16830和4438 kg/hm2。播种期为4月10日I100N180处理与I100N120、I100N240、I80N180、I80N240处理相比,分别增产了42.65%、2.82%、38.33%、22.08%,I100N180处理与I100N240处理差异显著,说明在高水中肥 (I100N180) 情况下继续增加施肥量产量显著降低。4月20日的播种日期下,I100N240处理与I100N180、I80N240、I80N180处理相比,分别增产了10.46%、51.55%、29.56%。I100N180处理比I100N240处理少施肥16.67%,4月20日播种,在高水中肥 (I100N180) 情况下继续增加施肥量对产量的提升效果显著。4月30日的播种日期下,I100N180与I100N240、I80N240、I80N180处理相比,分别增产3.13%、2.32%、42.57%。I100N180与I100N240、I80N240处理产量差异显著。在相同灌水施肥处理条件下,播种的日期越早,产量越高,S1I100N180比S3I100N180处理增产12.55%,比S2I100N240处理增产7.35%、节肥14.29%。穗粒数与产量结果一致。单穗籽粒重在灌水量相同时,随着施氮量的增大而增大;在施氮量一定时,随着灌水量的增大而增大。单穂籽粒重在4月10日播种的I100N180处理下达到最大值,为238.25 g/穗。百粒重与施肥量呈正相关关系,在4月20日播种的I80N240处理达到最大值,为42.75g;在4月30日播种的I80N0处理最小,为27.38 g。因此,适时早播可以提高玉米的穗粒数和百粒重,进而提高产量。4月20日播种的I100N120处理较I100N180处理及I80N120处理较I80N180处理收获指数分别提高了14.81%和12.77%。

        表 3  不同播期和水氮处理下玉米产量及产量构成因素

        Table 3.  Yield and yield components of maize with different sowing dates under different water and nitrogen treatments

        播种期 (month-day)
        Sowing date
        处理
        Treatment
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        穗粒数
        Grain number per ear
        单穗籽粒重 (g)
        Grain weight per ear
        百粒重 (g)
        100-seed weight
        收获指数
        Harvest index
        4-10I80N05681.56 g248.84 f84.75 g34.06 c0.20 f
        I80N12010543.32 f411.01 e155.78 f37.91 b0.49 d
        I80N18012166.83 d450.32 d174.61 d38.79 b0.41 e
        I80N24013786.50 c490.94 c200.15 c40.78 a0.53 c
        I100N05419.02 h223.19 g78.40 h35.13 c0.21 f
        I100N12011798.69 e445.92 d169.52 e38.02 b0.52 c
        I100N18016830.29 a610.88 a238.25 a39.02 b0.69 a
        I100N24016368.26 b544.38 b227.84 b41.87 a0.56 b
        4-20I80N05342.11 g228.36 g75.88 g33.23 c0.26 g
        I80N12010747.11 e398.59 e152.66 e38.30 b0.53 c
        I80N18012101.64 c415.07 d171.90 c41.43 a0.47 e
        I80N24010345.54 f343.85 f146.95 f42.75 a0.36 f
        I100N04621.24 h227.55 g65.64 h28.85 d0.27 g
        I100N12011875.62 d432.47 c168.69 d39.02 b0.62 a
        I100N18014193.18 b481.00 b201.61 b41.93 a0.54 b
        I100N24015678.47 a532.02 a222.71 a41.86 a0.51 d
        4-30I80N04437.77 f232.11 d63.54 f27.38 f0.21 g
        I80N1207371.94 d332.51 c105.55 d31.75 e0.35 e
        I80N18010489.26 c420.88 b150.19 c35.69 d0.38 d
        I80N24014615.07 b557.29 a209.27 b37.56 b0.51 b
        I100N06883.19 e321.80 c98.56 e30.63 e0.31 f
        I100N12010573.19 c421.59 b151.39 c35.93 cd0.37 d
        I100N18014954.20 a542.62 a214.12 a39.48 a0.45 c
        I100N24014500.91 b559.54 a207.63 b37.12 bc0.53 a
        显著性分析 Significance analysis
        灌水 Irrigation (I)**********
        施氮Nitrogen (N)**********
        播期 Sowing date (S)**********
        I × N**********
        I × S**********
        N × S**********
        I × N × S**********
        注(Note):数据后不同小写字母表示同一播期不同水氮处理间差异显著 (P < 0.05) Different small letters indicate significant difference among treatments under the same sowing date (P < 0.05);**—P < 0.01.
      • 表4表明,各处理下春玉米耗水量范围为358.2~614.4 mm,水分利用效率 (WUE) 为0.86~4.05 kg/m3。播期对春玉米耗水量的影响没有显著差异,不同水氮处理间的耗水量也不存在显著差异。这主要与玉米生长阶段的灌水量和降水量有着较大关系,4月10日、4月20日和4月30日不同播期下的降水量分别为213.4、194.8和186.4 mm。在同一灌水量条件下,WUE随施氮量减少而减少;同一施氮量处理下,WUE随灌水量的减少而呈减少趋势;WUE随着播期的推迟呈现先降后升趋势;相同播期,随灌水增加WUE增大,S1I100N180比S1I80N240处理高12.32%。氮肥偏生产力 (NFP) 是反映土壤氮素养分水平的基础指标,还是确定氮肥施用量的重要依据[26]图4表明,I80N240处理的氮肥偏生产力最低,平均为53.82 kg/kg,I100N120处理最高,平均为95.13 kg/kg。在同一灌水量下,NFP随着施肥量的增加而减小,S1I100N180处理NFP为93.5 kg/kg,比S1I100N120处理降低4.9%,施肥量与NFP呈负相关关系,即N120 > N180 > N240;相同施肥量下,随灌水量增加NFP增大,即I100 > I80。灌水量为80% ETc情况下,N120处理较N240、N180处理NFP分别提高了47.94%和23.67%;灌水量为100% ETc的情况下,N120处理较N240、N180处理NFP分别提高了47.15%和11.73%。灌水量和施肥量两因素对NFP影响达显著水平。

        表 4  播期对不同春玉米水氮处理下耗水及水分利用效率的影响

        Table 4.  Effects of sowing date on water use efficiency of spring maize under different water and nitrogen treatments

        处理
        Treatment
        耗水量Water consumption (mm)水分利用效率Water use efficiency (kg/m3)
        4-104-204-30平均Average4-104-204-30平均Average
        I80N0463.20418.78427.58436.521.23 g1.28 f1.04 h1.18
        I80N120415.26450.03423.88429.722.54 e2.39 c1.74 f2.22
        I80N180536.03387.36388.02437.142.27 f3.12 a2.70 d2.70
        I80N240499.87506.81455.57487.422.76 c2.04 d3.21 c2.67
        I100N0502.81534.92488.39508.701.08 h0.86 g1.41 g1.12
        I100N120435.05614.43485.17511.552.71 d1.93 e2.18 e2.27
        I100N180542.98553.75406.20500.983.10 b2.56 b3.68 b3.11
        I100N240520.56507.33358.19462.033.14 a3.09 a4.05 a3.43
        平均Average489.47496.68429.13471.762.352.162.502.34
        注(Note):数据后不同小写字母表示同一播期不同水氮处理间差异显著 (P < 0.05) Different small letters indicate significant difference among treatments under the same sowing date (P < 0.05).

        图  4  不同水氮处理下不同播期玉米氮肥偏生产力

        Figure 4.  Nitrogen partial factor productivity of maize with different sowing dates under different water and nitrogen treatments

      • 本研究结果表明,播期、灌水量和施氮量对滴灌施肥条件下春玉米的生长、产量、水分利用效率和氮肥偏生产力都有显著影响。本试验中,随着播期的推迟,各生育期天数均呈缩减趋势,生育期天数减少主要发生在播种期到拔节期这一阶段,而其它时期的长短变化不大,早播比中播和晚播相比,主要增加了累积积温,从而显著增加了春玉米的干物质量和产量。马国胜等[27]研究表明关中灌区夏播条件下,在6月13日—7月22日,播期与玉米籽粒产量、群体干物质积累 (DMA) 呈负相关。李向岭等[28]在河北廊坊的研究表明,在5月3日—6月22日播期之间,玉米群体干物质积累和产量表现为早播 > 中播 > 晚播,且群体干物质积累与相对积温可以用Richards方程拟合。这些与本试验的研究结果一致。研究表明,玉米播种过晚会导致灌浆期缩短,灌浆不充分,干物质积累不充足,玉米成熟度下降[29]。本试验结果表明,不同灌水和施氮条件下,相对于早播,中播和晚播春玉米灌浆期有所缩短,特别是乳熟期和蜡熟期推迟较多,加之后期温度降低,降水量增加,显著影响了春玉米的单穗籽粒重和产量。

        本试验研究表明,灌水量和施氮量对不同播期下春玉米的生长指标有着显著的影响。叶面积指数大小影响着光合效率,一般在吐丝期叶面积指数最大[30]。而在本研究中,叶面积指数在灌浆期最大。不同水氮供应条件下灌浆期叶面积指数表现为晚播 > 早播 > 中播,且随着灌水量和施氮量的增加而增加,但干物质积累表现为早播 > 中播 > 晚播,不同处理对灌浆期至成熟期玉米籽粒干物质分配比影响显著,籽粒干物质占比随播期提前而增大,且随灌水施氮水平的增加而增大,成熟期早播处理比中播和晚播干物质籽粒分配比例分别提高了2.53%和3.46%。播期和水氮互作对春玉米的产量及水肥利用有着显著的影响。有研究认为,在灌水量相同的条件下,在一定范围内增加施氮量可使作物的产量和氮素的吸收增加,但继续提高施氮量,产量呈现降低趋势[31];葡萄的产量随水肥供给的增加呈现先增大后降低趋势[32]。本试验也有相似的结论,春玉米产量随灌水量增加而增加,随施氮量增加而先增大后减小。达到一定阈值后,继续增加施氮量会使产量显著降低。介于对节肥的考虑,选择施肥处理N180更合理。胡达家[33]认为,早播的玉米前期处于低温和降雨不多的环境下,可以促进根系的深扎,加强营养的吸收而获得高产。陈国平等[34]认为,北方的玉米适当的早播会延长生育期,使籽粒灌浆期处于较为优越的光热条件下,会显著增加产量。本试验与其结论一致,在相同的水氮措施下,早播产量高,这可能是因为早播植株生育期的有效积温高。

        有研究表明,早播较晚播的小麦会提高产量和水分利用效率[35],随播期推迟WUE呈显著增加趋势[36]。本试验结论WUE呈现S3 > S1 > S2趋势,可能是因为中播耗水量最多的原因。施肥在旱地可以提高水分利用效率[37],与本试验结论一致,水分利用效率在同一灌水水平下随施氮量的增加而呈增加趋势。在一定范围内增加灌水量可使水分利用效率增大,继续增大灌水量反而会减少WUE[38],本试验结论与其不一致,增大灌水量会增大WUE,可能是因为灌水水平设置的处理较少。对于氮肥偏生产力而言,本研究与Di Paolo等[39]和周罕觅等[26]结论一致,相同施肥量处理下,增加灌水量会增大氮肥偏生产力;同一灌水量下,NFP随施肥量的增加而减少。虽然低肥可以获得更高的氮肥利用效率,但是低肥的产量低,所以选择高水中肥处理可以在提高氮肥利用效率的同时获得更高的产量,更为有效的节省氮肥施用量。前人研究发现,石羊河流域灌溉春玉米普遍在4月中旬到下旬播种[40],90%~100% ETc灌水量和N–P2O5–K2O 180–90–90 kg/hm2施肥量组合更有利于春玉米的产量和水肥利用效率[22]。本试验结果显示,综合各处理下的产量和水肥利用,适时早播 (4月上旬)、100% ETc灌水量和180 kg/hm2施氮量不仅能维持春玉米的生长特性,还能获得较高产量,但是本试验播期和水氮互作对干物质积累等影响不显著,可能是由于灌水处理设置太少,可再增加灌水处理进一步研究。

      • 依据石羊河流域绿洲试验区多年的气候特征,选择适时早播 (4月10日),春玉米可以在高辐射气候前进入灌浆期,显著增加了干物质积累量以及干物质向籽粒的分配占比,从而显著提高了春玉米的产量。春玉米叶面积指数、干物质积累量和产量均随灌水量增加而增加,随施氮量增加而上升,氮肥偏生产力随灌水量的增加而增加,随施氮量的增加而减小。综合产量和节水节肥等因素,适时早播 (4月10日)、100% ETc灌水量和N 180 kg/hm2是基于本试验条件下较适宜的春玉米播种日期和灌溉施肥组合。

    参考文献 (40)

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