不同覆膜栽培方式下施氮量对春玉米干物质积累及产量形成的影响

The effects of dry matter accumulation and yield formation of spring maize under different film mulching cultivation and nitrogen application rate

摘要

目的 为研究不同栽培方式和施氮量对春玉米干物质积累及产量形成的影响， 方法 设2种栽培方式（全膜双垄沟播R、全膜平作T）和3个氮肥梯度（N₁ 225 kg/hm²、N₂ 275 kg/hm²、N₃ 325 kg/hm²），通过田间试验，研究了不同栽培方式下施氮量对春玉米干物质积累、转运特征及籽粒产量的影响。 结果 R栽培方式增加了玉米干物质积累，提高了茎鞘和叶片干物质转运量，转运率以及对籽粒的贡献率，最终提高籽粒产量。R较T籽粒产量平均高出3.93%（2019）和3.93%（2020）。玉米干物质积累，茎鞘和叶片干物质转运量，转运率以及对籽粒的贡献率随施氮量的增加而升高，N 325较N 225分别显著高出27.20%（2019）和26.83%（2020）。RN 325处理玉米穗数、穗粒数和籽粒产量最高，2019年11.20 t/hm²，2020年11.21 t/hm²。 结论 R栽培方式结合施氮325 kg/hm²可作为陇东旱塬区春玉米适宜栽培方式。

Abstract

Objective The effects of different cultivation and N application on dry matter accumulation and yield formation of spring maize was studied.. Method The effects of N application on dry matter accumulation，transport characteristics and grain yield of spring maize under different cultivation modes were investigated in a field experiment with two mulching modes (Ridge-furrow with fuly plastic film mulching R and Flat planting with fully plastic film mulching T) and three N application rates (N₁ 225 kg/hm²，N₂ 275 kg/hm²，N₃ 325 kg/hm²). Result R cultivation mode increased the dry matter accumulation of maize，improved stem sheath and leaf dry matter translocation，translocation rate and contribution to grain，and ultimately increased the grain yield of maize.The average grain yield of R increased by 3.93% (2019) and 3.93% (2020) compared with T.The dry matter accumulation，stem sheath and leaf dry matter translocation，translocation rate and contribution to grain increased with the increasing of N application，and N325 was significantly higher than N225 by 27.20% (2019) and 26.83% (2020)，respectively.The RN325 treatment had the highest spike numbers，grains per spike and grain yield of maize，the grain yield was 11.20 t/hm² in 2019 and 11.21 t/hm² in 2020. Conclusion The R cultivation mode combined with N application of 325 kg/hm² can be considered as a suitable cultivation method for spring maize on the drought area of the eastern Gansu Province.

Graphical abstract

关键词

栽培方式 / 施氮量 / 春玉米 / 干物质 / 籽粒产量

Key words

cultivation pattern / nitrogen application / spring maize / dry matter / grain yield

玉米（Zea mays L.）作为粮饲兼用作物遍布世界各地，在保障粮饲供应安全方面发挥着重要作用^［1］，不同种植方式、播种密度和施肥量及施肥方式对玉米产量均有很大的影响^［2］，同时玉米又是需肥量较大的作物，合理栽培措施和施肥对其高产也十分重要^［3］。干旱是我国北方地区玉米生产最主要的限制因素，严重影响玉米产量，特别是在我国西北干旱半干旱地区，一般干旱使玉米减产25%左右，大旱年减产30%~35%，严重旱灾年部分地区几乎绝收^［4］。为了抵御干旱，地膜覆盖栽培技术已成为我国西北干旱、半干旱及半湿润易旱地区抗旱减灾，实现农业増产增收的重要途径之一^［5］。而全膜双垄沟播栽培技术，是兼顾高产和可持续发展的旱地集雨栽培技术，不仅能够提高玉米的出苗率，缩短玉米的生育进程，扩大栽培区域^［6］，而且有效提升旱区的玉米生产能力^［7］，明显改善土壤的温湿状况^［8］。

氮素是影响玉米产量和品质的关键营养元素，国内外学者针对全膜双垄沟播种植模式对土壤水盐分布、土壤温度时空变化和作物水分利用效率等的影响已做了大量研究^［9-12］，目前，全膜双垄沟播玉米普遍存在施肥过量、肥料全部基施、有机肥投入不足等问题，而且在地膜覆盖显著改善土壤水热的状况下，玉米前期生长速率加快^［13-14］，后期干旱、脱氮，水氮供需错位影响了玉米生长并降低了氮肥利用率^［15-16］。鉴于此，通过优化种植模式和施氮量，减少化肥用量，进而提高玉米籽粒产量和水肥利用效率，建立半干旱区全膜双垄沟播玉米养分管理模式，是实现该区玉米高产高效种植、环境友好和绿色发展目标的有效途径。通过系统比较陇东旱塬区不同覆膜栽培方式下氮肥梯度对春玉米干物质积累、产量形成、产量构成因子及籽粒产量与其产量构成因素的相关性及关联度分析的影响，探索不同栽培模式以及氮肥梯度下春玉米籽粒产量差异，并探明能否以全膜双垄沟播中氮处理代替平作高氮处理以达到减氮的目的，以期为半干旱区全膜双垄沟播种植模式进一步实现作物高产高效提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018~2019年4~9月在甘肃省庆阳市镇原县（N 35°30'，E 107°29'） 进行，该区地处陇中黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 772.3 m，年均气温8.3 ℃，无霜期155 d，≥10 ℃的有效活动积温2 664 ℃左右，多年年均降雨量500 mm左右。土壤属黄绵土，平均土壤容重为1.23 g/cm³。试验地0~30 cm土层土壤基本理化性状为：全氮0.98 g/kg，碱解氮89.1 mg/kg，速效磷12.8 mg/kg，速效钾233.1 mg/kg，有机质11.4 g/kg，pH 值7.4。

1.2 试验材料与设计

试验以先玉335玉米品种为供试材料，采用完全随机区组试验设计，试验因素为2种栽培方式和3个施氮水平，具体处理如下：垄作施氮225 kg/hm²（RN 225），垄作施氮275 kg/hm²（RN 275），垄作施氮325 kg/hm²（RN 325），平作施氮225 kg/hm²（TN 225），平作施氮275 kg/hm²（TN 75），平作施氮325 kg/hm²（TN 325）。共6各处理，3次重复。氮肥1/3作基肥，1/3大喇叭口期追施，1/3吐丝期追施。氮肥品种为尿素（含N 46%），施磷（P₂O₅）150 kg/hm²，全部基施，磷肥品种为过磷酸钙（含P₂O₅ 16%）。垄作为全膜双垄沟播，大垄宽70 cm，小垄宽40 cm，大、小垄间自然形成播种沟，沟内打孔点播，株距25 cm，种植密度75 000 株/hm²，全膜平作不起垄，打孔点播，其他同垄作。试验小区长6 m，宽5.5 m，小区面积33 m²。小区间间隔50 cm，重复间间隔80 cm，四周设1 m保护行。2019年5 月2日播种，10月3日收获，生育期157 d；2020年5 月5日播种，10月9日收获，生育期160 d。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 干物质测定

分别于苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期，每小区选取标记的相似株10株，取其地上部分，于105 ℃烘箱中杀青30 min，而后将温度降至80 ℃烘干至恒质量，分别称取叶片、茎、苞叶、穗的干物质质量^［17］。

干物质积累速率（g·d^-1） =干物质积累量（g）/干物质积累时间（d）^［17］

采用 Logistic 方程通过回归分析拟合胡麻地上干物质积累动态，计算其最大干物质积累速率及平均积累速率^［18-19］。

Y=\frac{K}{\mathrm{1}+E[(r\times (t_{\mathrm{50}}-t))]}

式中：Y为单位土地面积上春玉米地上部干物质积累量（kg/hm² ），t为玉米出苗后的天数，K为最大地上部干物质积累量（kg/hm² ），r为最初的增长速率（d^-1），t₅₀ 为玉米出苗后最大增长速率出现的天数（d）。当Y=K/2时，增长率达最大值，因此，最大增长率V_max=（r×K）/4出现在t₅₀。

K=\frac{\mathrm{2}{N}_{\mathrm{1}}{N}_{\mathrm{2}}{N}_{\mathrm{3}}-N_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}(N_{\mathrm{1}}+N_{\mathrm{3}})}{N_{\mathrm{1}}{N}_{\mathrm{3}}-N_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}

式中：N₁、N₂、N₃分别表示在实测数据的始点（t₁）、中点（t₂）、终点（t₃）测定时间对应的干物质积累量。

r=\frac{\left[\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{K}{N_{\mathrm{1}}}+\mathrm{1}\right)-\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{K}{N_{\mathrm{2}}}+\mathrm{1}\right)\right]}{t_{\mathrm{2}}-t_{\mathrm{1}}}

a=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{K}{N_{\mathrm{1}}}-\mathrm{1}\right)+r\times t_{\mathrm{1}}

1.3.2 籽粒产量测定^［20］

产量及产量构成因素：成熟期每个小区随机取20株进行考种，测定穗粒数、百粒质量。按小区统计有效穗数，脱粒称质量，用谷物水分仪测定含水量，然后换算成标准含水量（14%）下的单位面积产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 24.0软件对数据进行统计分析。采用一般线性模型单变量法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。利用Excel 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米干物质积累动态的影响

由表1可知，年际间玉米地上干物质积累无显著差异，栽培方式（CP）、施氮量（N）以及CP×N的互作效应显著影响出苗后90~150 d干物质积累量。由图1可知，同一栽培方式下玉米干物质积累量随施氮量的增加而升高，同一氮肥梯度下垄作（R）高于平作（T）。

出苗后60 d，同一施氮水平下垄作和平作处理间无显著差异，同一栽培方式下，干物质积累量随施氮量的增加而升高，N 325较N 225高出18.80% （2019）和18.32% （2020） （P<0.05）。出苗后90 d，RN 325处理干物质积累量最高，2019年为17 760.63 kg/hm²，2020年为18 002.67 kg/hm²；TN 225最低，2019年为14 262.87 kg/hm²，2020年为14 213.99 kg/hm²。出苗后120 d，干物质积累表现为RN 325>TN 325>RN 275>TN 275>RN 225>TN 225，RN 325较TN 225显著高出24.01% （2019）和21.21% （2020）。出苗后150 d，2个生长季均表现出RN 325处理干物质积累最高，2019年较TN 225高出11.32% （P<0.05），2020年较TN 225高出8.87% （P<0.05）。从玉米整个生育期来看，增施氮肥能够提高不同栽培方式下玉米拔节期之后地上干物质积累，促进了吐丝期至灌浆期地上干物质的积累，成熟期R栽培方式下氮水平（N 275）与T栽培方式高氮水平（N 325）保持了接近的干物质积累。

2.2 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米干物质积累特征的影响

由表2可见，不同覆膜栽培方式和氮肥运筹处理下玉米地上干物质积累量（Y）依据出苗后天数（t）的动态过程均可用Logistic 方程Y=K/［1+exp^（a-r´t）］加以回归描述决定系数（R²≥0.994）。覆膜栽培方式和施氮量对玉米干物质积累最大增长速率（V_max）、平均增长速率（V_mean）影响较大，在同一覆膜栽培方式下，V_max和V_mean均随施氮量的增加而升高，同一施氮水平下，2019年N 225处理下R栽培方式V_max较T栽培方式降低0.93%，其余处理均表现出R栽培方式下V_max和V_mean均高于T栽培方式。年际间不同处理下V_max变化趋势一致，RN 325处理V_max最大，与TN 325处理间无显著差异，较其它处理平均高出4.33%~10.73%（2019）和1.62%~7.41%（2020），不同栽培方式下N 225处理V_max最低。年际间低氮（N 225）处理下V_mean最小，较中氮、高氮处理平均显著降低5.83%、9.94%（2019）和9.03%、7.14%（2020）中高氮处理间V_mean无显著差异。

2.3 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米花前、花后干物质积累量及积累速率的影响

由表3可知，年际间花前、花后干物质积累量以及干物质积累速率存在差异，花前2019年干物质积累量、积累速率低于2020年，而花后高于2020年。栽培方式对花前、花后干物质积累量、积累率无显著影响。同一栽培方式下，花前干物质积累量随施氮量的增加而增加，花后随施氮量的增加显著升高后下降（2020年平作处理除外）。2019年花前RN 325处理干物质积累量、积累率最高，较TN 225分别显著高出24.52%、11.86%；2020年TN 325最高，较TN 225分别显著高出27.52%、21.26%。花后TN 275 （2019）和RN 275 （2020）处理获得较高的干物质积累量，较RN 325分别高出14.89%和15.69%；2019年TN 275干物质积累速率最大，2020年TN 225最大。由此可见，玉米花前、花后干物质积累量主要受氮含量的影响，花前高氮（N 325）有利于干物质积累，而花后中氮（N 275）有利于干物质积累，这是由于高氮（N 325）处理下玉米贪青晚熟，呼吸消耗高于光合积累，致使干物质积累下降。

2.4 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米干物质转运的影响

由表4可知，年际间叶片转运率、茎鞘和叶片对籽粒的贡献率存在显著差异，2020年较2019年分别显著高出8.55%、5.07%和12.66%。栽培方式仅影响茎鞘、叶片转运量以及对籽粒的贡献率，对转运率无显著影响。同一栽培方式下茎鞘和叶片转运量、转运率以及对籽粒贡献率随施氮量的增加而升高。栽培方式和施氮量间的互作效应仅影响转运量和转运率。RN 325处理茎鞘、叶片转运量，转运率以及对籽粒的贡献率均最大，显著高于TN 225处理，茎鞘转运量较TN 225高出46.09%（2019）和40.40%（2020），叶片转运量较TN 225高出46.09%和107.56%；茎鞘和叶片转运率较TN 225分别高出46.09%、%（2019）和46.09%、%（2020）；对籽粒的贡献率较TN225高出46.09%（2019）和40.40%（2020），叶片转运量较TN 225高出46.09%（2019）和107.56%（2020）。综上所述，不同栽培方式及氮肥运筹对玉米干物质转运和对籽粒贡献率的影响表现为R栽培方式高于T栽培方式，茎鞘转运量、转运率以及对籽粒贡献率均随施氮量的增加而升高，N 325处理下茎鞘、叶片对籽粒的贡献率均最大。

2.5 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米产量形成的影响

2.5.1 产量及产量构成因子

由表5可知，栽培方式仅影响玉米穗粒数，施氮量显著影响穗数、穗粒数和产量，CT×N显著影响穗数、穗粒数和产量。2个生长季垄作方式（R）下玉米平均穗粒数571.38粒/穗，平作方式（R）下550.28粒/穗；同一施氮水平下R>T，同一栽培方式下穗数、穗粒数和产量表现为N 325>N 275>N 225。RN 325穗数和穗粒数较T 225分别高出8.19%、7.55%（2019）和11.47%、12.92%（2020，P<0.05），籽粒产量较T 225分别高出21.31%（2019）和32.98%（2020，P<0.05）。TN 325与RN 275处理下单位面积穗数、穗粒数和产量之间无显著差异，表明平作处理下高氮（N 325）的增产效应与垄作处理下中氮（N 27）的增产效应接近，这是因为全膜双垄沟播能够更好地利用少量的降雨，进而改善土壤水分状况，利用有限的降水生产更多的光合产物，籽粒产量的增加更多地依赖于水氮耦合效应，获得较高的产量，而平作对有限降雨的利用效率低于垄作，籽粒产量的增加更多地依赖于增施氮肥，由此可见，就产量而言，可以考虑通过双垄沟播中氮来替代平作高氮处理，以达到减量施肥的效果。

2.5.2 玉米籽粒产量与其产量构成因素的相关性及关联度分析

为探明不同产量构成因子对玉米籽粒产量的影响程度，由不同产量构成因子与其籽粒产量的相关性分析可知，不同覆膜栽培和氮肥运筹方式下玉米籽粒产量与其穗数、穗粒数、百粒质量呈极显著正相关（表6），说明可通过优化覆膜栽培和氮肥运筹方式协调同步提高玉米单位面积穗数、穗粒数及百粒质量的正效应来提高玉米籽粒产量。由玉米不同产量构成因子与其籽粒产量的关联度分析可知，覆膜栽培和氮肥运筹方式影响玉米籽粒产量的主导因素为穗数，其次为穗粒数，最后为粒质量，说明通过优化覆膜栽培和氮肥运筹方式影响玉米穗数来调控群体大小，进而协调穗粒数与粒质量，通过三者相互协调发展可实现增产。

3 讨论

3.1 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对春玉米干物质积累特征的影响

干物质是作物光合作用的产物，其积累是作物产量形成的基础^［11］。作物产量形成很大程度上取决于不同器官光合同化物积累、分配与转运关系的协调^［3］，因此，促进作物地上部干物质积累，协调转运分配对作物产量的增加具有直接或间接的作用^［21］。有研究表明，玉米干物质积累水平决定最终籽粒产量的高低^［22］，而促进干物质向籽粒转运和分配是高产的关键之一^［23］。地膜覆盖能够通过更好地利用很少的降雨来改善表土土壤水分条件，进而获得较高的生物产量^［24］，全膜双垄沟播较常规平播作物干物质积累能够提高20~180%^［25］。全膜覆盖集雨栽培能显著促进玉米干物质积累，尤其是全膜双垄垄播优势更为明显^［26］，与传统种植模式相比，垄沟地膜覆盖可显著提高玉米干物质积累10.70%^［27］。本研究中，玉米收获时垄作（R）干物质积累较平作（T）高出2.50%（2019）和3.03%（2020）。玉米对氮肥较为敏感且不同生育期对氮肥需求量不同，因此合理的氮肥运筹处理不仅有利于玉米良好生长发育，同时还能增加玉米氮素吸收率和提高肥料利用率，从而达到玉米增产目的^［28］。作物干物质积累量随着施氮量增加呈现上升趋势^［29］，当达到一定阈值后，干物质积累量不再增加，甚至出现下降趋势^［30］。本研究中，玉米干物质积累量随施氮量的增加而升高，施氮325 kg/hm²干物质积累最大，收获时RN 275与TN 325处理间干物质积累量无显著差异，也就是说平作高氮处理下玉米干物质积累量与垄作中氮处理干物质积累量接近，这表明玉米通过高施氮量增加的生物量完全可以通过垄作栽培模式来满足，若只考虑获得高的地上部生物量，完全可以用RN 275处理来代替TN 325处理。

Logistic模型能够很好地模拟作物生育期的生理生态发育和生长过程^［31］，干物质积累量的多少取决于输入量、速率和时间3个因素，协调好三者之间的关系有利于干物质的积累，为作物的高产奠定基础^［32］，已有研究认为干物质积累速率是影响产量的最主要因素，而干物质积累与氮肥施用量关系密切^［33-34］。本研究中，RN 325处理下干物质最大增长速率最高，这可能是因为全膜双垄沟播改善了土壤水热状况，延长光合时间，增加了干物质快速积累时期的速率，并缩短营养生长时期干物质积累的时间，更早的进入生殖生长，进而促进产量的提升^［33］。

3.2 不同覆膜栽培方式下氮肥运筹对玉米籽粒产量的影响

有研究表明，玉米各器官干物质转运量及其对籽粒贡献率均随着氮水平的增加而增加^［30］，籽粒产量在很大程度上依赖花后的光合生产能力，生育后期的光合生产物对籽粒的贡献率高达78%~84%^［35］。中晚熟和中早熟玉米品种花前花后均具有明显的干物质积累优势，尤其是花后干物质积累优势更为明显^［22］。本研究中，花前干物质积累高于花后，这与钱春荣等^［22］在玉米上的研究结果不一致，除与玉米品种本身有关外，与试验区域气候资源有关，因为在热量资源限制型地区，花后干物质积累对产量的贡献率更大^［17］。作物源库关系协调程度可以通过茎鞘物质输出率来反映，在一定程度上，茎鞘物质输出率的高低可以表明库容和源之间的关系^［36］。本研究中，茎鞘、叶片物质输出均为正值，且茎鞘高于叶片，这与前人研究结果一致^［37-38］。有研究表明，春玉米各器官向籽粒转移的干物质量占籽粒产量的百分率应控制在20%以下，超过20%会导致叶片早衰^［39］。本试验中，施氮325 kg/hm²时茎鞘干物质转运对产量的贡献率平均为15.99%，叶片平均为6.71%，茎鞘和叶片转化率均低于20%，表明施氮施氮325 kg/hm²并未造成玉米叶片早衰，是比较符合试区玉米的氮肥用量。

全膜双垄沟播玉米具有较高的产量和经济收益优势，主要是因为全膜双垄沟播对穗长、穗行数和行粒数有一定促进作用^［40］。卜玉山等^［41］研究发现，地膜覆盖能够增产，主要是因为增加了单位面积穗数。本研究表明，全膜双垄沟播较平作显著增加了玉米单位面积穗数穗粒数，TN 325与RN 275处理下单位面积穗数、穗粒数和产量之间无显著差异，这可能是因为全膜双垄沟播更有利于改善土壤水热条件，沟垄交错充分利用有限的降雨，籽粒产量的增加更多地依赖于水氮耦合效应，而平作对有限降雨的利用低于垄作，籽粒产量的增加更多地依赖于增施氮肥，导致全膜平作（T）水平下高氮（N 325）处理籽粒产量，穗数和穗粒数与全膜双垄沟播（R）中氮（N275）处理无显著差异。当然，关于不同覆膜栽培方式以及施氮量对春玉米农田水热状况的影响还需进一步深入研究。有研究表明，花后光合产物是籽粒产量的主要来源，玉米吐丝期至成熟期群体干物质积累量与籽粒产量呈线性正相关^［42］。由此可见，在获得较高的生物量的基础上提高玉米生育期内干物质积累能力，促进光合同化产物向籽粒转移，最终获得高产^{［35，43］}。本研究中，成熟期干物质积累量与玉米籽粒产量呈显著正相关，2个生长季相关系数分别为R²=0.732 1和R²=0.801 2，表明玉米的籽粒产量与干物质积累总量具有较大的依存度，增加地上部分干物质积累量，能够提高玉米籽粒产量。

4 结论

本研究结果表明，全膜双垄沟播施氮275~325 kg/hm²可显著提高玉米地上部干物质积累量，且维持相对较高的地上部干物质积累速率，提高了玉米茎鞘、叶片的干物质转运量和转运率，增加了玉米穗数和穗粒数，最终表现为增产。全膜平作（T）高氮（N 325）处理玉米穗数、穗粒数以及籽粒产量与全膜双垄沟播（R）中氮（N 275）处理无显著差异，表明在陇东旱塬区玉米生产中可利用垄作施氮275 kg/hm²替代平作施氮325 kg/hm²来达到氮肥减量的目的。

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基金资助

甘肃省民生科技专项：脱贫攻坚专题(2019-0306-NCC-0135)