• ISSN 1008-505X
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东北中部春玉米超高产群体养分管理模式的研究与验证

袁静超 刘剑钊 梁尧 张洪喜 刘松涛 蔡红光 任军

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东北中部春玉米超高产群体养分管理模式的研究与验证

    作者简介: 袁静超 E-mail:jingchao_yuan@163.com;
    通讯作者: 蔡红光, E-mail:caihongguang1981@163.com ; 任军, E-mail:renjun557@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFD0300602);国家现代农业产业技术体系(CARS-07-G-6);吉林省科技发展计划项目(20200403167SF)。

Study and demonstration of superhigh yield nutrient managemnt for maize production in the middle area of northeast China

    Corresponding author: CAI Hong-guang, E-mail:caihongguang1981@163.com ;REN Jun, E-mail:renjun557@163.com
  • 摘要:   【目的】  研究如何在肥料总量控制甚至减少的前提下,通过优化养分管理措施、提高种植密度,进一步挖掘东北中部黑土区春玉米的产量和肥料效应潜力,为春玉米超高产条件下养分高效利用提供理论指导。  【方法】  试验于2005—2013年在吉林省农安县靠山镇进行,在大田条件下设置2种模式,分别为普通高产养分管理模式 (HYNM)和超高产养分管理模式 (SHYNM),以先玉335和郑单958为供试材料,系统监测群体产量构成及养分偏生产力,剖析不同产量群体氮、磷、钾养分吸收、分配和转运特征。  【结果】  在东北中部黑土雨养区,超高产养分管理模式 (SHYNM) 下全区测产玉米单产达15017 kg/hm2 (先玉335),其产量构成为收获穗数76154 穗/hm2,穗粒数583,千粒重337.9 g。与普通高产群体相比,超高产群体对氮、钾肥的相对需求比例明显变大。群体氮素和磷素的吸收高峰在6展叶至12展叶阶段和吐丝期至乳熟期,钾素吸收高峰在6展叶至12展叶阶段。通过大区和生产两个阶段田间实证,超高产养分管理技术显著提高了花后养分累积量和对籽粒养分的贡献率,可以实现在15000 kg/hm2产量水平下,氮、磷、钾肥的偏生产力分别达50.2、100.5、100.5 kg/kg。品种间比较,先玉335比郑单958具有更好的产量表现,且植株养分向籽粒的转运效率更高,其籽粒中的氮、磷、钾累积量均高于郑单958。  【结论】  在合理提升密度的基础上,以“减控总肥量、分段供氮、花前重施磷钾”为主要原则的养分管理技术模式,配合化控措施,延缓了玉米生育后期叶片的衰老,保证了后期干物质积累,在显著增加收获穗数的同时,保证千粒重和穗粒数不降低,在生产中稳定实现了14500~15000 kg/hm2产量水平,同时实现了氮磷钾养分的高效利用。
  • 图 1  试验区2005—2013年玉米生育期降雨量

    Figure 1.  Precipitation in the experiment field during maize growth season from 2005 to 2013

    图 2  试验区2005—2013年玉米生育期 ≥ 10℃有效积温

    Figure 2.  Accumulated temperature of ≥ 10℃ in the experiment field during maize growth seasons from 2005 to 2013

    图 3  试验区2005—2013年玉米生育期日照时数

    Figure 3.  Sunshine duration in the experiment field during maize growth seasons from 2005 to 2013

    图 4  不同养分管理模式下玉米干物质累积量与分配 (2007年)

    Figure 4.  Dry matter accumulation and distribution in spring maize at different growth stages under different nutrient management modes in 2017

    图 5  不同养分管理模式下玉米叶面积指数动态

    Figure 5.  The dynamics of leaf area index of maize under different nutrient management modes

    图 6  不同生育时期春玉米氮素累积与分配 (2007年)

    Figure 6.  Nitrogen accumulation and distribution in spring maize at different growth stages in 2007

    图 7  不同管理模式下春玉米生育时期磷素累积与分配 (2007年)

    Figure 7.  Phosphorus accumulation and distribution in spring maize at different growth stages under different nutrient managment modes in 2007

    图 8  不同管理模式下春玉米不同生育时期钾素累积与分配 (2007年)

    Figure 8.  Potassium accumulation and distribution in spring maize at different growth stages underdifferent nutrient managment modes in 2007

    表 1  不同养分管理模式下玉米籽粒产量及其构成 (2005—2009年)

    Table 1.  The grain yield and its components of maize under different nutrient management modes from 2005 to 2009

    年份
    Year
    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    籽粒产量
    Grain yield
    (kg/hm2)
    种植密度
    Planting density
    (plants/hm2)
    收获穗数
    Number of ear harvested
    (ear/hm2)
    穗粒数
    Kernel number per ear
    千粒重
    1000-kernel weight
    (g)
    2005HYNM XY33510508 b6000056380 d590 a325.0 c
    ZD95810196 b6000059240 c530 b324.0 c
    SHYNMXY33512499 a7000064000 a516 b365.1 b
    ZD95812168 a7000062500 b487 c384.7 a
    2006HYNM XY33510860 c6000059370 c571 a332.0 c
    ZD95810478 c6000058995 c521 c327.0 c
    SHYNMXY33512951 a7000066570 a561 b346.3 b
    ZD95812131 b7000065350 b483 d387.7 a
    2007HYNM XY33511350 b6000060412 c546 b330.0 c
    ZD95810987 b6000059735 d475 d368.7 a
    SHYNMXY33514657 a8000078049 a558 a 340.0 bc
    ZD95813941 a8000076047 b513 c350.0 b
    2008HYNM XY33510956 c6000058379 c547 b313.0 c
    ZD95810402 c6000058190 c525 c330.0 b
    SHYNMXY33515017 a8000076154 a583 a337.9 a
    ZD95814047 b8000074532 b542 b325.9 b
    2009HYNM XY33511165 b6000059140 c533 b352.5 a
    ZD95810725 b6000059143 c494 c331.1 c
    SHYNMXY33514798 a8000079500 a547 a340.2 b
    ZD95814192 a8000076800 b532 b 334.1 bc
    平均HYNM XY33510968 b6000058736 b557 a330.5 b
    MeanZD95810558 b6000059061 b509 b 336.2 ab
    SHYNMXY33513984 a7600072855 a553 a 345.9 ab
    ZD95813296 a7600071406 a511 b356.5 a
    变异来源 Sources of variance
    年份 Year (Y)********
    模式 Mode (M)****NS**
    品种 Cultivar (C)********
    Y × M********
    Y × CNS******
    M × CNS****
    Y × M × CNS******
    注(Note):HYNM—普通高产养分管理模式 Conventional high yield nutrient management; SHYNM—超高产养分管理模式 Super high yield nutrient management; XY335—先玉 335; ZD958—郑单 958; 同列数据不同小写字母表示同一年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among different treatments in the same year at the 0.05 level; NS—不显著 Not significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 2  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官氮素转运及其对籽粒氮素累积的贡献 (2007年)

    Table 2.  Nitrogen transfer before and after flowering stage and their contribution to grain N as affected by different nutrient management modes in 2007

    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    氮收获指数
    N harvest index
    花前 Before flowering花后 After flowering
    NR (kg/hm2)NRE (%)NRCG (%)NA (kg/hm2)NAC (%)
    HYNMXY3350.83 c36.4 b35.8 b30.3 b86.9 c69.7 c
    ZD9580.81 c41.1 a45.2 a36.0 a76.9 d64.0 d
    SHYNMXY3351.06 a23.6 d16.4 d14.9 d143.1 a 85.1 a
    ZD9580.96 b28.0 c21.6 c20.8 c111.2 b 79.2 b
    变异来源 Sources of variance
    模式 Mode (M)************
    品种 Cultivar (C)NS**********
    M × CNS******NSNS
    注(Note):NR—花前氮素转运量 N remobilization before flowering;NRE—花前氮素转运率 N remobilization efficiency before flowering;NRCG—花前氮素转运对籽粒氮素累积贡献率 Contribution of N accumulation to grain before flowering;NA—花后氮素累积量 N accumulation after flowering;NAC—花后氮素累积对籽粒氮素累积贡献率 Contribution of N accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05); NS—不显著Not significant; **—P < 0.01.
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    表 3  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官磷素转运及其对籽粒磷素累积的贡献 (2007年)

    Table 3.  Phosphorus transfer before and after flowering stage and their contribution to grain P as affected by different nutrient management modes in 2007

    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    磷收获指数
    P harvest index
    花前 Before flowering花后 After flowering
    PR (kg/hm2)PRE (%)PRCG (%)PA (kg/hm2)PAC (%)
    HYNMXY3350.16 a 4.4 c31.8 c16.3 c23.7 b83.7 b
    ZD9580.17 a 2.9 d20.0 d13.2 d20.0 c86.8 a
    SHYNMXY3350.18 a17.6 a63.6 a48.5 a19.6 c51.5 d
    ZD9580.19 a10.1 b45.0 b28.3 b26.3 a71.7 c
    变异来源 Sources of variance
    模式 Mode (M)NS**********
    品种 Cultivar (C)NS**********
    M × CNS**********
    注(Note):PR—花前磷素转运量 P remobilization before flowering;PRE—花前磷素转运率 P remobilization efficiency before flowering;PRCG—花前磷素转运对籽粒磷素累积贡献率 Contribution of P accumulation to grain before flowering;PA—花后磷素累积量 P accumulation after flowering;PAC—花后磷素累积对籽粒磷素累积贡献率 Contribution of P accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05); NS—不显著Not significant; **—P < 0.01.
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    表 4  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官钾素转运及其对籽粒钾素累积的贡献 (2007年)

    Table 4.  Potassium transfer before and after flowering stage and their contribution to grain K as affected by different nutrient management modes in 2007

    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    钾收获指数
    K harvest index
    花前 Before flowering花后 After flowering
    KR (kg/hm2)KRE (%)KRCG (%)KA (kg/hm2)KAC (%)
    HYNMXY3350.42 c18.7 b22.5 a71.7 b13.2 c28.3 b
    ZD9580.46 c13.2 d16.7 c53.5 c17.2 b46.5 a
    SHYNMXY3350.61 b27.9 a18.4 b78.3 a13.8 c21.7 c
    ZD9580.73 a15.4 c 9.4 d53.0 c20.9 a47.0 a
    变异来源 Sources of variance
    模式 Mode (M)************
    品种 Cultivar (C)***********
    M × CNS**********
    注(Note):KR—花前钾素转运量 K remobilization before flowering;KRE—花前钾素转运率 K remobilization efficiency before flowering;KRCG—花前钾素转运对籽粒钾素累积贡献率 Contribution of K accumulation to grain before flowering;KA—花后钾素累积量 K accumulation after flowering;KAC—花后钾素累积对籽粒钾素累积贡献率 Contribution of K accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P< 0.05) ; NS—不显著Not significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 5  不同养分管理模式下玉米籽粒产量及其构成 (2011—2013年)

    Table 5.  Grain yield and yield components of maize under different nutrient management modes from 2011 to 2013

    年份
    Year
    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    籽粒产量
    Grain yield
    (kg/hm2)
    种植密度
    Planting density
    (plants/hm2)
    收获穗数
    Number of ear Harvested
    (ears/hm2)
    穗粒数
    Kernel number per ear
    千粒重
    1000-kernel weight
    (g)
    2011HYNM XY33510407 b6000054423 b546 a318.7 b
    SHYNMXY33514227 a8000074039 a533 a363.1 a
    2012HYNM XY33510768 b6000058269 b529 b341.9 a
    SHYNMXY33514465 a8000078974 a557 a 329.2 ab
    2013HYNM XY33510602 b6000058462 b531 a357.0 b
    SHYNMXY33515067 a8000080000 a526 a370.2 a
    注(Note):品种为先玉 335 The cultivar was XY335; 同列数据后不同小写字母代表同一年两个模式间差异显著 Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference between the two modes in the same year (P < 0.05).
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    表 6  不同养分管理模式下春玉米氮、磷、钾肥偏生产力 (kg/kg)

    Table 6.  Partial factor productivities of N, P, and K under different nutrient management modes

    试验阶段
    Experimental period
    养分管理模式
    Nutrient management mode
    品种
    Cultivar
    NP2O5K2O
    平均值
    Mean
    区间
    Interval
    变异系数
    CV (%)
    平均值
    Mean
    区间
    Interval
    变异系数
    CV (%)
    平均值
    Mean
    区间
    Interval
    变异系数
    CV (%)
    2005—2009HYNM XY33554.8 a52.5~56.82.60137.1 a 131.4~141.92.6091.4 a87.6~94.62.60
    ZD95852.8 a51.0~54.92.59132.0 b 127.5~137.32.6088.0 a85.0~91.62.60
    SHYNMXY33542.4 b37.9~45.57.4793.2 c 83.3~100.17.5073.6 b65.8~79.07.50
    ZD95840.3 b36.8~43.07.0788.6 c80.9~96.67.1070.0 b63.8~74.77.10
    2011—2013HYNM XY33553.0 a53.0~53.81.37132.4 a 132.4~134.61.3788.3 a88.3~89.71.37
    SHYNMXY335 48.6 ab48.2~53.02.3597.2 c 96.4~100.42.3597.2 a 96.4~100.42.35
    注(Note):同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05) .
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-06
  • 录用日期:  2020-06-17
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

东北中部春玉米超高产群体养分管理模式的研究与验证

  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFD0300602);国家现代农业产业技术体系(CARS-07-G-6);吉林省科技发展计划项目(20200403167SF)。
  • 摘要:   【目的】  研究如何在肥料总量控制甚至减少的前提下,通过优化养分管理措施、提高种植密度,进一步挖掘东北中部黑土区春玉米的产量和肥料效应潜力,为春玉米超高产条件下养分高效利用提供理论指导。  【方法】  试验于2005—2013年在吉林省农安县靠山镇进行,在大田条件下设置2种模式,分别为普通高产养分管理模式 (HYNM)和超高产养分管理模式 (SHYNM),以先玉335和郑单958为供试材料,系统监测群体产量构成及养分偏生产力,剖析不同产量群体氮、磷、钾养分吸收、分配和转运特征。  【结果】  在东北中部黑土雨养区,超高产养分管理模式 (SHYNM) 下全区测产玉米单产达15017 kg/hm2 (先玉335),其产量构成为收获穗数76154 穗/hm2,穗粒数583,千粒重337.9 g。与普通高产群体相比,超高产群体对氮、钾肥的相对需求比例明显变大。群体氮素和磷素的吸收高峰在6展叶至12展叶阶段和吐丝期至乳熟期,钾素吸收高峰在6展叶至12展叶阶段。通过大区和生产两个阶段田间实证,超高产养分管理技术显著提高了花后养分累积量和对籽粒养分的贡献率,可以实现在15000 kg/hm2产量水平下,氮、磷、钾肥的偏生产力分别达50.2、100.5、100.5 kg/kg。品种间比较,先玉335比郑单958具有更好的产量表现,且植株养分向籽粒的转运效率更高,其籽粒中的氮、磷、钾累积量均高于郑单958。  【结论】  在合理提升密度的基础上,以“减控总肥量、分段供氮、花前重施磷钾”为主要原则的养分管理技术模式,配合化控措施,延缓了玉米生育后期叶片的衰老,保证了后期干物质积累,在显著增加收获穗数的同时,保证千粒重和穗粒数不降低,在生产中稳定实现了14500~15000 kg/hm2产量水平,同时实现了氮磷钾养分的高效利用。

    English Abstract

    • 玉米是我国主要粮食作物,是重要的饲料和工业原料[1]。东北是我国重要的粮食生产基地,玉米产量占全国产量的40%以上,目前,我国农业正向绿色发展转型,作为国家粮食安全的压舱石,东北春玉米区如何同步实现粮食增产、化肥减施、资源效率提升,特别是以较少的养分投入,获得较高的粮食产量,更具现实意义。国家自2004年开始组织实施“粮食丰产科技工程”,围绕玉米高产栽培开展科技攻关。刘志全等[2]系统总结了1990—1996年间吉林省玉米产量 > 12000 kg/hm2的高产田产量构成。在此基础上,王立春等[3]提出了东北中部春玉米12000 kg/hm2高产稳产栽培技术途径,并大面积推广应用,为春玉米丰产高效技术提供了理论支撑。陈国平等[4]将玉米单产超过15 000 kg/hm2 (吨粮田) 定义为超高产水平,自2006年开始,边少锋等[5]在东北东部桦甸金沙连续4年实现吨粮田创建,王志刚等[6]在内蒙平原灌区连续4年实现52点次小面积玉米超吨粮,但在东北中部黑土区一直无吨粮田出现,至2011年,陈延玲等[7]报道了在梨树县的玉米吨粮田记录。在超高产群体养分累积方面,仅杨恒山等[8]在内蒙平原灌区以金山27为供试品种进行过研究,指出超高产群体更应重视后期养分管理。王宜伦等[9-11]在超高产夏玉米区研究表明,氮和钾为超高产夏玉米的主要限制因子,吐丝后施肥以保证养分持续供应对夏玉米超高产至关重要。前期春玉米超高产研究中,重点围绕群体产量构成[12]、光合效率[13]、源库关系[14]等领域开展。在东北黑土区,关于超高产群体养分累积与转运、养分高效利用等方面的研究尚未见详细报道。本研究基于2005—2013年东北中部黑土区超高产田定位试验,通过剖析春玉米超高产群体产量构成,养分吸收、分配与转运特征,籽粒氮、磷、钾需求规律,为超高产条件下的化肥减施及养分高效利用提供技术支撑。

      • 试验设在吉林省农安县靠山镇 (44°47′47″N,125°40′48″E,海拔154 m),始于2005年。该地区属于松嫩平原黑土带玉米连作区。年均降雨量为425 mm,无霜期平均145 天,年均积温2800℃。土壤类型为中层黑土,0—30 cm耕层土壤主要性状为:有机质2.5%、速效氮115 mg/kg、速效磷22.0 mg/kg、速效钾138 mg/kg、pH值 7.4。试验田为雨养,全年无灌溉。2005—2013年生育时期降雨量、≥ 10℃有效积温和日照时数分别见图1图2图3

        图  1  试验区2005—2013年玉米生育期降雨量

        Figure 1.  Precipitation in the experiment field during maize growth season from 2005 to 2013

        图  2  试验区2005—2013年玉米生育期 ≥ 10℃有效积温

        Figure 2.  Accumulated temperature of ≥ 10℃ in the experiment field during maize growth seasons from 2005 to 2013

        图  3  试验区2005—2013年玉米生育期日照时数

        Figure 3.  Sunshine duration in the experiment field during maize growth seasons from 2005 to 2013

      • 本试验分为两个阶段,第一阶段 (2005—2009年) 为田间大区试验,第二阶段 (2010—2013年) 为田间大面积验证。

      • 两因素裂区设计,主区设两种养分管理模式,裂区为品种,大区种植,面积400 m2,每区重复3次,随机区组排列。

        普通高产养分管理 (HYNM):当地生产中推广的普通高产养分管理模式。均匀垄,垄宽60 cm;拔节期垄沟深松20 cm,根茬还田;播种密度6.0万株/hm2;氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 的施用量分别为200、80、120 kg/hm2;其中30%氮肥和全部磷、钾肥做底肥施入,70%氮肥在拔节期追施。

        超高产养分管理 (SHYNM):均匀垄,垄宽60 cm;拔节期垄沟深松20 cm,根茬还田,施用有机肥 (牛粪) 40 m3/hm2;2005—2006年播种密度7.0万株/hm2,2007—2009年播种密度8.0万株/hm2,同时在2007年增加化控措施 (在7~9展叶时喷施玉黄金下控上促,大喇叭口期喷施状丰灵防止倒伏);氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 的施用量分别为330、150、190 kg/hm2;配施硫 (S 35)、镁 (Mg 25)、锌 (Zn 15)、硼 (B 7.5)、锰 (Mn 7.5) 中微复混肥料90 kg/hm2。全部有机肥、中微复混肥、30%氮肥和60%磷钾肥在灭茬前作底肥深施,5%氮肥和10%磷钾肥作种肥施用,45%氮肥于拔节期追施,20%氮和30%磷钾在抽雄前垄侧追施。

        供试品种分别为郑单958 (ZD958) 和先玉335 (XY335)。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%),有机肥 (牛粪) 中全氮、全磷、全钾的含量分别为20.3、5.3、9.7 g/kg。试验于5月上旬播种、10月上旬收获。

      • 每个处理试验区面积扩大至1000 m2,超高产养分管理 (SHYNM) 处理的氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 的施用量分别下调至300、150、150 kg/hm2,30%氮肥和60%磷钾肥在灭茬前作底肥深施,5%氮肥和10%磷钾肥作种肥施用,45%氮肥于拔节期追施,20%氮和30%磷钾在抽雄前垄侧追施。供试品种为先玉335 (XY335),其他同2005—2009年试验设计。所有施肥、播种及田间管理均采用机械作业,方式均同一般大田。

      • 在玉米播种前采集0—30 cm耕层土壤样品,采用重铬酸钾—外加热法测定土壤有机质含量,碱解扩散法测定土壤速效氮含量,NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定速效磷含量,NH4OAc浸提—火焰光度法测速效钾含量[15],电位测定法测定土壤pH。2007—2008年在玉米拔节 (V6)、大喇叭口 (V12)、开花 (R1)、灌浆 (R3)、成熟 (R6) 5个生育时期,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N、P、K含量,其中全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,全钾含量采用火焰光度计法[15]测定。同时在田间每小区选取代表性植株20株,测定叶长、叶宽,并计算叶面积指数。以2007年植株养分数据为主进行分析。

        2005—2009年收获时全区测产,并以标准含水率 (14%) 折算,另取20穗标准穗考种,调查穗粒数和千粒重等产量构成,2010—2013年同为1000 m2实收测产。

      • 叶面积指数[16](LAI) = (单株叶片长 × 宽 × 0.75)/种植面积

        开花期氮(磷、钾)转运量[17](kg/hm2) = 开花期植株体内氮(磷、钾)累积量-成熟期植株体内氮 (磷、钾) 累积量

        开花期氮(磷、钾)转运效率[17] (%) = [开花期植株体内氮(磷、钾)累积量-成熟期植株体内氮(磷、钾)累积量]/开花期植株体内氮 (磷、钾) 累积量 × 100

        花前氮(磷、钾)转运对籽粒氮(磷、钾)贡献率[17](%) = [开花期植株体内氮(磷、钾)累积量-成熟期植株体内氮(磷、钾)累积量]/开花期籽粒氮(磷、钾)累积量 × 100

        花后氮(磷、钾)转运对籽粒氮(磷、钾)贡献率[17](%) = 100−花前氮(磷、钾)转运对籽粒氮(磷、钾)贡献率

        氮(磷、钾)收获指数[17] = 籽粒氮(磷、钾)累积量/成熟期植株体内氮(磷、钾)累积量

        偏生产力[18](kg/kg) = 玉米产量/施肥量

      • 采用Microsoft Excel 2007 软件对数据进行处理和作图,采用SAS 8.0统计软件进行方差分析和多重比较。

      • 2005—2009年,每年SHYNM处理的收获穗数均显著高于HYNM处理,穗粒数和千粒重变化规律性不明显,超高产养分管理产量贡献主要来自于收获穗数 (表1)。综合5年数据,SHYNM处理产量较HYNM处理产量高17.5%~36.1%,在2005和2006年平均增幅18.3%,2007—2009年平均增幅32.2%。SHYNM处理2007年种植密度增加至8.0万株/hm2,XY335和ZD958两个品种的产量、收获穗数较HYNM处理显著增加。且从2005年起SHYNM处理增施有机肥后,产量逐年增加,在本研究中获得最高产量的2008年,生育期降雨量达563.7 mm,产量实现15017 kg/hm2,2009年产量水平稳定在14000 kg/hm2以上,可见,合理密植可以实现产量潜力的进一步提升,合理的养分管理是实现超高产田可持续的重要保证。

        表 1  不同养分管理模式下玉米籽粒产量及其构成 (2005—2009年)

        Table 1.  The grain yield and its components of maize under different nutrient management modes from 2005 to 2009

        年份
        Year
        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        籽粒产量
        Grain yield
        (kg/hm2)
        种植密度
        Planting density
        (plants/hm2)
        收获穗数
        Number of ear harvested
        (ear/hm2)
        穗粒数
        Kernel number per ear
        千粒重
        1000-kernel weight
        (g)
        2005HYNM XY33510508 b6000056380 d590 a325.0 c
        ZD95810196 b6000059240 c530 b324.0 c
        SHYNMXY33512499 a7000064000 a516 b365.1 b
        ZD95812168 a7000062500 b487 c384.7 a
        2006HYNM XY33510860 c6000059370 c571 a332.0 c
        ZD95810478 c6000058995 c521 c327.0 c
        SHYNMXY33512951 a7000066570 a561 b346.3 b
        ZD95812131 b7000065350 b483 d387.7 a
        2007HYNM XY33511350 b6000060412 c546 b330.0 c
        ZD95810987 b6000059735 d475 d368.7 a
        SHYNMXY33514657 a8000078049 a558 a 340.0 bc
        ZD95813941 a8000076047 b513 c350.0 b
        2008HYNM XY33510956 c6000058379 c547 b313.0 c
        ZD95810402 c6000058190 c525 c330.0 b
        SHYNMXY33515017 a8000076154 a583 a337.9 a
        ZD95814047 b8000074532 b542 b325.9 b
        2009HYNM XY33511165 b6000059140 c533 b352.5 a
        ZD95810725 b6000059143 c494 c331.1 c
        SHYNMXY33514798 a8000079500 a547 a340.2 b
        ZD95814192 a8000076800 b532 b 334.1 bc
        平均HYNM XY33510968 b6000058736 b557 a330.5 b
        MeanZD95810558 b6000059061 b509 b 336.2 ab
        SHYNMXY33513984 a7600072855 a553 a 345.9 ab
        ZD95813296 a7600071406 a511 b356.5 a
        变异来源 Sources of variance
        年份 Year (Y)********
        模式 Mode (M)****NS**
        品种 Cultivar (C)********
        Y × M********
        Y × CNS******
        M × CNS****
        Y × M × CNS******
        注(Note):HYNM—普通高产养分管理模式 Conventional high yield nutrient management; SHYNM—超高产养分管理模式 Super high yield nutrient management; XY335—先玉 335; ZD958—郑单 958; 同列数据不同小写字母表示同一年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among different treatments in the same year at the 0.05 level; NS—不显著 Not significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 不同养分管理模式下XY335和ZD958的干物质累积量,均表现为随着生育期的不断推进而逐渐上升趋势 (图4)。SHYNM处理下的干物质累积在整个生育进程中均显著高于HYNM处理,至成熟期,SHYNM处理下的干物质累积量较HYNM处理平均高19.9%。在玉米生育前期叶片干物质累积量所占比例高于茎秆,生育后期反之 (图4),HYNM处理下吐丝前后干物质累积比例分别为24.9%和75.1%,SHYNM处理下吐丝前后干物质累积比例分别为38.4%和61.6%。

        图  4  不同养分管理模式下玉米干物质累积量与分配 (2007年)

        Figure 4.  Dry matter accumulation and distribution in spring maize at different growth stages under different nutrient management modes in 2017

      • 不同养分管理模式下XY335和ZD958的叶面积指数 (LAI) 均呈单峰曲线变化 (图5),表现为随着生育期的不断推进先逐渐上升,在吐丝期达到极值,随后逐渐下降。2008年雨水充沛,未发生叶斑病,因而至成熟期叶片仍保持较高效的光合作用。在HYNM处理下两个品种间叶面积指数差异不显著,SHYNM处理下ZD958全生育期叶面积指数大于XY335,且ZD958当年产量突破14000 kg/hm2,XY335叶面积指数也高于2007年同时期,产量突破15000 kg/hm2。综合来看,在12展叶至乳熟期这一阶段SHYNM处理下XY335和ZD958的叶面积指数显著高于HYNM处理 (P < 0.05),表明在玉米养分需求旺盛期,密度对群体叶面积的影响占主导地位,生育后期叶面积指数迅速下降,衰老较快。

        图  5  不同养分管理模式下玉米叶面积指数动态

        Figure 5.  The dynamics of leaf area index of maize under different nutrient management modes

      • SHYNM处理吐丝期后氮素累积量比例较HYNM处理高43.2%~52.4%,但无显著差异 (图6)。SHYNM处理吐丝期后氮素吸收速率高于HYNM处理。SHYNM处理下植株氮素累积规律与干物质累积量相似,从6展叶开始至成熟期SHYNM处理下的氮素累积量显著高于HYNM处理。两种养分管理模式下,6展叶期玉米氮素吸收量较小,为成熟期的1.5%~6.9%,至吐丝期时,氮素累积量占成熟期的50.2%~54.2%,吐丝期后累积量占到45.8%~49.8%,吐丝期前后氮素累积量比例大体呈1∶1,其中HYNM处理下吐丝期前后氮素累积比例分别为54.0%和46.0%,SHYNM处理下吐丝期前后氮素累积比例分别为52.0%和48.0%,吐丝期后氮素累积量略高于吐丝前。

        图  6  不同生育时期春玉米氮素累积与分配 (2007年)

        Figure 6.  Nitrogen accumulation and distribution in spring maize at different growth stages in 2007

        两种养分管理模式下,6展叶期玉米磷素累积量较少,约占总累积量的0.8%~3.9%,至吐丝期时,磷素累积量达36.7%~58.6%,吐丝期后累积量为54.1%。HYNM处理吐丝前磷素累积量平均为39.5%,SHYNM处理吐丝期前磷素累积量平均为52.2%,吐丝期前磷素累积量比例显著高于吐丝期后。两种模式间比较,SHYNM处理下磷素累积量显著高于HYNM处理,至成熟期,较HYNM处理平均高32.8%。在相同养分管理模式下,两个品种XY335和ZD958无显著差异 (图7)。

        图  7  不同管理模式下春玉米生育时期磷素累积与分配 (2007年)

        Figure 7.  Phosphorus accumulation and distribution in spring maize at different growth stages under different nutrient managment modes in 2007

        两种养分管理模式下,春玉米钾素吸收随着生育进程延伸呈不断增加趋势,吸收高峰出现在乳熟期,至成熟期略有衰减,SHYNM处理体现尤为明显 (图8)。其中,6展叶期玉米钾素累积量较少,约占成熟期累积量的3.0% ~ 6.9%,至吐丝期时,钾素累积量已达到成熟期的82.1% ~ 91.6%,这说明在吐丝期前,植株就已经将大部分的钾素吸收至体内。SHYNM处理下钾素累积量在整个生育进程中,均显著高于HYNM处理,至成熟期,其钾素累积量较HYNM处理高35.6%,SHYNM处理吐丝期前钾素累积比例为71.0%,HYNM处理为65.6%。品种间比较,在HYNM处理下,XY335和ZD958无显著性差异;在SHYNM处理下,XY335和ZD958的差异主要表现在吐丝期之后,至成熟期,ZD958钾素累积量较XY335高11.6%,且差异显著 (P < 0.05)。

        图  8  不同管理模式下春玉米不同生育时期钾素累积与分配 (2007年)

        Figure 8.  Potassium accumulation and distribution in spring maize at different growth stages underdifferent nutrient managment modes in 2007

      • 表2表4可知,养分管理模式和品种均极显著影响玉米花前氮、磷、钾素转运量和转运率,氮、磷、钾素转运对籽粒氮磷、钾素累积贡献率;也极显著影响花后氮、磷、钾素累积量以及氮、磷、钾素累积对籽粒氮、磷、钾素累积贡献率 (P < 0.01);养分管理模式和品种间的交互作用极显著影响花前氮、磷、钾素转运量和转运率,及氮、磷、钾素转运对籽粒氮磷、钾素累积贡献率,也极显著影响花后磷、钾素累积量以及花后磷、钾素累积对籽粒磷、钾素累积贡献率 (P < 0.01)。养分管理模式极显著影响氮、钾收获指数 (P < 0.01),品种显著影响钾收获指数 (P < 0.05),但养分管理模式和品种间的交互作用对氮、磷、钾收获指数的影响均不显著。

        表 2  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官氮素转运及其对籽粒氮素累积的贡献 (2007年)

        Table 2.  Nitrogen transfer before and after flowering stage and their contribution to grain N as affected by different nutrient management modes in 2007

        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        氮收获指数
        N harvest index
        花前 Before flowering花后 After flowering
        NR (kg/hm2)NRE (%)NRCG (%)NA (kg/hm2)NAC (%)
        HYNMXY3350.83 c36.4 b35.8 b30.3 b86.9 c69.7 c
        ZD9580.81 c41.1 a45.2 a36.0 a76.9 d64.0 d
        SHYNMXY3351.06 a23.6 d16.4 d14.9 d143.1 a 85.1 a
        ZD9580.96 b28.0 c21.6 c20.8 c111.2 b 79.2 b
        变异来源 Sources of variance
        模式 Mode (M)************
        品种 Cultivar (C)NS**********
        M × CNS******NSNS
        注(Note):NR—花前氮素转运量 N remobilization before flowering;NRE—花前氮素转运率 N remobilization efficiency before flowering;NRCG—花前氮素转运对籽粒氮素累积贡献率 Contribution of N accumulation to grain before flowering;NA—花后氮素累积量 N accumulation after flowering;NAC—花后氮素累积对籽粒氮素累积贡献率 Contribution of N accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05); NS—不显著Not significant; **—P < 0.01.

        表 3  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官磷素转运及其对籽粒磷素累积的贡献 (2007年)

        Table 3.  Phosphorus transfer before and after flowering stage and their contribution to grain P as affected by different nutrient management modes in 2007

        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        磷收获指数
        P harvest index
        花前 Before flowering花后 After flowering
        PR (kg/hm2)PRE (%)PRCG (%)PA (kg/hm2)PAC (%)
        HYNMXY3350.16 a 4.4 c31.8 c16.3 c23.7 b83.7 b
        ZD9580.17 a 2.9 d20.0 d13.2 d20.0 c86.8 a
        SHYNMXY3350.18 a17.6 a63.6 a48.5 a19.6 c51.5 d
        ZD9580.19 a10.1 b45.0 b28.3 b26.3 a71.7 c
        变异来源 Sources of variance
        模式 Mode (M)NS**********
        品种 Cultivar (C)NS**********
        M × CNS**********
        注(Note):PR—花前磷素转运量 P remobilization before flowering;PRE—花前磷素转运率 P remobilization efficiency before flowering;PRCG—花前磷素转运对籽粒磷素累积贡献率 Contribution of P accumulation to grain before flowering;PA—花后磷素累积量 P accumulation after flowering;PAC—花后磷素累积对籽粒磷素累积贡献率 Contribution of P accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05); NS—不显著Not significant; **—P < 0.01.

        表 4  不同养分管理模式对春玉米开花前后营养器官钾素转运及其对籽粒钾素累积的贡献 (2007年)

        Table 4.  Potassium transfer before and after flowering stage and their contribution to grain K as affected by different nutrient management modes in 2007

        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        钾收获指数
        K harvest index
        花前 Before flowering花后 After flowering
        KR (kg/hm2)KRE (%)KRCG (%)KA (kg/hm2)KAC (%)
        HYNMXY3350.42 c18.7 b22.5 a71.7 b13.2 c28.3 b
        ZD9580.46 c13.2 d16.7 c53.5 c17.2 b46.5 a
        SHYNMXY3350.61 b27.9 a18.4 b78.3 a13.8 c21.7 c
        ZD9580.73 a15.4 c 9.4 d53.0 c20.9 a47.0 a
        变异来源 Sources of variance
        模式 Mode (M)************
        品种 Cultivar (C)***********
        M × CNS**********
        注(Note):KR—花前钾素转运量 K remobilization before flowering;KRE—花前钾素转运率 K remobilization efficiency before flowering;KRCG—花前钾素转运对籽粒钾素累积贡献率 Contribution of K accumulation to grain before flowering;KA—花后钾素累积量 K accumulation after flowering;KAC—花后钾素累积对籽粒钾素累积贡献率 Contribution of K accumulation to grain after flowering. 同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P< 0.05) ; NS—不显著Not significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.

        两种养分管理模式下,SHYNM处理的氮收获指数比HYNM处理高23.2%,在春玉米花前,HYNM处理的氮素转运量、转运率以及贡献率比SHYNM处理分别提高了50.2%、113.2%、85.7%;花后,SHYNM处理的氮累积量及贡献率比HYNM处理分别提高了55.3%和22.9%。两个品种间比较,XY335的氮收获指数较ZD958高6.8%,在春玉米花前,ZD958的氮素转运量、转运率以及贡献率比XY335分别提高了15.2%、28.0%、25.7%;花后,XY335的氮累积量及贡献率比ZD958分别提高了22.3%和8.1%。

        无论是养分管理模式还是品种间磷收获指数均无显著差异。两种养分管理模式下,在春玉米花前,SHYNM处理的磷素转运量、转运率以及贡献率比HYNM处理分别提高了279.5%、109.7%和160.3%;花后,SHYNM处理的磷累积量比HYNM处理提高了5.0%,HYNM处理的磷贡献率比SHYNM处理提高了38.4%。两个品种间比较,在春玉米花前,XY335的磷素转运量、转运率以及贡献率比ZD958分别提高了40.9%、31.9%、36.0%;花后,ZD958的磷累积量及贡献率比XY335分别提高了6.9%和17.2%。

        两种养分管理模式下,SHYNM处理的钾收获指数比HYNM处理高52.3%,在春玉米花前,SHYNM处理的钾素转运量比HYNM处理提高了35.7%,HYNM处理的钾素转运率比SHYNM处理提高了41.0%;花后,SHYNM处理的钾累积量比HYNM处理提高了14.1%,HYNM处理的钾贡献率比SHYNM处理提高了8.9%。两个品种间比较,ZD958的钾收获指数比XY335高15.5%,在春玉米花前,XY335的钾素转运量、转运率以及贡献率比ZD958分别提高了38.6%、36.2%、29.0%;花后,ZD958的钾累积量及贡献率比XY335分别提高了41.1%和87.0%。

      • 2010年将氮、钾肥用量分别下调9.1%和21.1%,种植面积扩大至1000 m2,全程机械化作业,综合2011—2013年数据,SHYNM处理下产量较HYNM处理产量增加36.5% (表5)。其产量的贡献亦是来自收获穗数 (表1),增幅接近36.0%。并在2013年实现了1000 m2全区测产玉米单产超过15000 kg/hm2的超高产水平。

        表 5  不同养分管理模式下玉米籽粒产量及其构成 (2011—2013年)

        Table 5.  Grain yield and yield components of maize under different nutrient management modes from 2011 to 2013

        年份
        Year
        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        籽粒产量
        Grain yield
        (kg/hm2)
        种植密度
        Planting density
        (plants/hm2)
        收获穗数
        Number of ear Harvested
        (ears/hm2)
        穗粒数
        Kernel number per ear
        千粒重
        1000-kernel weight
        (g)
        2011HYNM XY33510407 b6000054423 b546 a318.7 b
        SHYNMXY33514227 a8000074039 a533 a363.1 a
        2012HYNM XY33510768 b6000058269 b529 b341.9 a
        SHYNMXY33514465 a8000078974 a557 a 329.2 ab
        2013HYNM XY33510602 b6000058462 b531 a357.0 b
        SHYNMXY33515067 a8000080000 a526 a370.2 a
        注(Note):品种为先玉 335 The cultivar was XY335; 同列数据后不同小写字母代表同一年两个模式间差异显著 Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference between the two modes in the same year (P < 0.05).
      • 2005—2009年,与SHYNM处理相比较,HYNM处理下氮、磷、钾肥偏生产力显著提高,分别增加了30.2%、47.9%和24.9% (表6)。品种间比较,两种养分管理模式下,XY335比ZD958的氮、磷、钾肥偏生产力分别增加了4.4%、4.4%和4.5% (5年结果均值)。与第一阶段 (田间大区试验) 相比,第二阶段 (田间大面积验证) SHYNM处理由于肥料用量进一步下调,氮、磷、钾偏生产力均有所上升,分别为50.2、100.5、100.5 kg/kg。

        表 6  不同养分管理模式下春玉米氮、磷、钾肥偏生产力 (kg/kg)

        Table 6.  Partial factor productivities of N, P, and K under different nutrient management modes

        试验阶段
        Experimental period
        养分管理模式
        Nutrient management mode
        品种
        Cultivar
        NP2O5K2O
        平均值
        Mean
        区间
        Interval
        变异系数
        CV (%)
        平均值
        Mean
        区间
        Interval
        变异系数
        CV (%)
        平均值
        Mean
        区间
        Interval
        变异系数
        CV (%)
        2005—2009HYNM XY33554.8 a52.5~56.82.60137.1 a 131.4~141.92.6091.4 a87.6~94.62.60
        ZD95852.8 a51.0~54.92.59132.0 b 127.5~137.32.6088.0 a85.0~91.62.60
        SHYNMXY33542.4 b37.9~45.57.4793.2 c 83.3~100.17.5073.6 b65.8~79.07.50
        ZD95840.3 b36.8~43.07.0788.6 c80.9~96.67.1070.0 b63.8~74.77.10
        2011—2013HYNM XY33553.0 a53.0~53.81.37132.4 a 132.4~134.61.3788.3 a88.3~89.71.37
        SHYNMXY335 48.6 ab48.2~53.02.3597.2 c 96.4~100.42.3597.2 a 96.4~100.42.35
        注(Note):同列数据不同小写字母表示不同处理间差异显著 Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments (P < 0.05) .
      • 在东北中部雨养区,除选择优良品种及提高种植密度外,合理的肥料运筹是实现玉米超高产的重要保证。本研究中,15 t超高产群体产量构成为收获穗数74000~80000万穗/hm2、穗粒数526~570、千粒重329~370 g、穗粒重182~195 g。此群体100 kg籽粒N∶P2O5∶K2O约为 1.84∶0.34∶1.23,与普通高产群体 (1.59∶0.32∶0.86) 相比,其对氮、钾肥的相对需求比例明显变大,磷肥需求变化较小。此外,超高产群体氮素和磷素累积的两个吸收高峰均在6展叶至12展叶阶段和吐丝期至乳熟期阶段;钾素吸收高峰仅在6展叶至12展叶阶段[19-20],这说明超高产群体吸收氮、磷主要集中在拔节和灌浆后,而大部分的钾素在玉米初期就已固定在茎叶中,与养分的分配比例规律一致。与普通高产模式相比,超高产养分管理模式 (SHYNM) 在开花后仍有较高的养分积累,这是由于部分氮肥后移,使花前花后氮素累积量大致为1∶1,提高了花后养分累积量和对籽粒养分的贡献率 [21],玉米产量和氮素利用率均显著提高。

      • 陈国平等 [4]总结了我国高产田 (> 15000 kg/hm2) 平均施有机肥46410 kg/hm2,N 485.3 kg/hm2、P2O5 243.0 kg/hm2、K2O 169.5 kg/hm2,其中夏玉米区吨粮田氮磷钾用量N 544 kg/hm2、P2O5 489 kg/hm2、K2O 577 kg/hm2[22];西北春玉米吨粮田施有机肥75000 kg/hm2、N 838.5 kg/hm2、P2O5 450 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2[23];内蒙平原灌区氮磷钾用量分别为N 520.5 kg/hm2、P2O5 213.0 kg/hm2、K2O 193.0 kg/hm2[6]。本研究中,2005—2009年间施有机肥28200 kg/hm2、N 330.0 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 190 kg/hm2,其中氮、磷用量分别较全国平均水平低47.1%和62.0%,与美国高产田的氮肥用量大体相一致 (将有机肥养分折算后)[24]。同时,与普通高产养分管理模式 (HYNM) 相比,超高产养分管理模式 (SHYNM) 以“减控总肥量,分段供氮,花前重施磷钾”为原则,通过调整肥料的施用时期,在抽雄期追施磷钾肥,弥补了因当地降雨等气象条件不足对群体构建造成的损失。且其肥料偏生产力尚有进一步优化的空间。在本研究大田试验验证阶段通过氮肥减施10%,钾肥减施27%,并配以全程机械化作业。在产量15000 kg/hm2水平下,氮、磷、钾肥的偏生产力分别达50.2、100.5、100.5 kg/kg,远高于目前国内同类产量水平下的肥料偏生产力[25],同时,氮肥用量接近Chen等[26]研究中吨粮田产量水平下拟合的最经济用量。这表明,以该技术模式为核心,配以优良品种及合适的种植密度,可以在东北中部黑土区实现玉米超高产同时实现肥料的高效利用。

      • 在东北中部黑土区,超高产养分管理模式 (SHYNM) 与普通高产养分管理模式 (HYNM) 相比,增加了种植密度,优化了氮磷钾比例和施用方法,加强了氮肥后期 (拔节期后抽雄期前) 的施用比例,磷钾肥均在吐丝前施入。在不增加氮肥总量的基础上,超高产养分管理模式 (SHYNM) 在成熟期实现了更高的叶面积指数和更高的干物质积累量,氮、磷、钾肥料偏生产力分别达到50.2、100.5、100.5 kg/kg。产量的增加主要是通过收获穗数的增加,并同步保证穗粒数和千粒重不下降。

    参考文献 (26)

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