氮肥減施對玉米機收品種產量和生物量分配的影響

張盼盼, 劉京寶, 黃璐, 喬江方, 李川, 張美微

(河南省農業(yè)科學院糧食作物研究所, 鄭州 450002)

玉米是我國三大糧食作物之一，2010年以來，我國玉米平均種植面積和產量分別為0.361億hm2和2.13億t，占全國糧食總種植面積和產量的32.2%和35.4%。在耕地面積有限的情況下，滿足玉米持續(xù)增長需求的唯一途徑是提高單產。改良玉米品種和優(yōu)化栽培技術是提高玉米產量的重要措施[1-3]。

機收是玉米生產發(fā)展的方向，推廣玉米全程機械化操作是節(jié)約成本增加效益的有效手段。機收品種后期脫水快、綜合性狀表現好、產量高，能較快地推進玉米機械籽粒機收技術，解決農村新型經營主體勞動力不足等問題[4]。而目前機收品種較多，在不同生態(tài)條件下的產量差異也較大，針對不同種植區(qū)域選擇相應的機收品種就顯得尤為重要[5]。增施氮肥是提高玉米產量最有效的方法之一，目前氮肥投入過量，氮肥利用率下降，土壤氮素污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康的危害也日趨嚴重[6-7]。因此，選擇適宜品種，推進玉米產區(qū)氮肥減量、提質增效是協(xié)調玉米穩(wěn)產高產、氮肥高效利用和生態(tài)保護的重要途徑[8-9]。

黃淮海地區(qū)是玉米優(yōu)勢產區(qū)之一，占我國玉米種植面積的三分之一。氮肥過量施用給本地區(qū)帶來較多的資源浪費和環(huán)境破壞等問題。因此，研究黃淮海地區(qū)氮肥減施下機收品種產量和生物量的變化，篩選氮肥減施下綠色優(yōu)異機收品種，對我國玉米產業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。為此，本研究在黃淮海地區(qū)的河南省鄲城和陜西省戶縣兩種不同的生態(tài)環(huán)境下，以已經或待審定的機收品種為研究對象，基于正常施氮水平(240 kg N·hm-2)設置不同的減施氮肥處理，比較減氮條件下品種間的產量和生物量分配的差異，分析產量和生物量之間的關系，以期為篩選適宜的機收品種和評價氮肥減施下玉米高產高效優(yōu)質生產提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6—10月分別在黃淮海玉米產區(qū)河南省周口市鄲城縣(N33°40′34″，E115°12′53″)和陜西省戶縣區(qū)域試驗站(N34°6′31″，E108°32′57″)進行，河南鄲城點為砂漿黑土，屬于內陸季風型氣候，年均氣溫為14.6 ℃，年活動積溫4 565 ℃，年平均降水量738 mm，全年光照2 259 h，無霜期223 d。陜西戶縣點為耬土，屬于暖熱帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫為13 ℃，年活動積溫4 689 ℃，年平均降水量879 mm，全年光照1 782 h，無霜期219 d。兩試驗點在玉米播前取基礎土壤樣品，分別采用凱氏定氮法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提火焰光度法、重鉻酸鉀容量法-外加熱法和水土比2.5∶1.0電位法等方法[10]測定土壤中全氮(土壤氮素豐缺指標)、堿解氮(土壤氮素水平供應指標)、速效磷(土壤磷素水平供應指標)、速效鉀(土壤鉀素水平供應指標)、有機質(土壤肥力和碳庫指標)和pH(土壤酸度指標)等項目。檢測結果見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，主因素為施氮量，分別為0(不施氮，N0)、120 kg N·hm-2(較正常施氮量減少1/2，N1)、160 kg N·hm-2(減氮1/3，N2)、200 kg N·hm-2(減氮1/6，N3)和240 kg N·hm-2(正常施氮量，N4)共5個處理；副因素為20個已經或待審定的玉米機收品種，分別是NK916、魯單608(LD608)、鄭單309(ZD309)、鄭單326(ZD326)、鄭單317(ZD317)、德單179(DD179)、登海528(DH528)、隆平381(LP381)、K6961、豐德存玉22(FDCY22)、金海3318(JH3318)、百玉393(BY393)、科玉153(KY153)、澤玉8911(ZY8911)、偉玉178(WY178)、偉科518(WK518)、先達724(XD724)、谷神玉66(GSY66)、豐大668(FD668)、博奧408(BA408)。共100個處理，每個處理重復3次，共300個小區(qū)，每小區(qū)長6 m，寬4.8 m，種植密度為75 000株·hm-2。

表1 試驗點播前土壤基礎化學性質Table 1 Initial chemical characteristics of soil before sowing in two localities

供試氮肥為尿素，按5∶5分基施和大喇叭口期追施兩次施用，磷、鉀肥為過磷酸鈣(12%)和硫酸鉀(52%)，播前一次施用，田間管理措施與當地大田生產一致，每項田間管理措施均在同一天內完成。

1.3 測定項目與方法

1.3.1產量測定 在成熟期，收獲每小區(qū)內中間兩行的所有果穗，風干后脫粒，稱重并同時測定籽粒含水量，折算出籽粒產量(14%含水量)。

1.3.2生物量測定 在每個小區(qū)測產區(qū)以外取3株具有代表性的地上部植株樣品，分為莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒，殺青(105 ℃)后烘干(75 ℃)至恒重，稱重。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010軟件整理，用SPSS 22統(tǒng)計軟件進行方差分析和聚類分析，不同處理間的多重比較采用Duncan新復極差法(P<0.05)。采用組之間的鏈接和歐氏距離平方法對機收品種產量進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 籽粒產量

試驗點、施氮水平和品種對機收品種籽粒產量的影響結果(表2)顯示，各個因素及其兩兩交互作用對籽粒產量的影響均達顯著或極顯著水平，而三者的交互作用未達顯著水平。從表3可以看出，本研究中籽粒產量平均為9.11 t·hm-2，N0處理下產量為8.31 t·hm-2，N2、N3和N4分別較N0提高13.8%、12.7%和17.8%，三者之間差異不顯著，但顯著高于N1處理。各機收品種產量分析結果表明，品種WY178和WK518產量最高，二者無顯著差異，其次是K6961、ZY8911、DD179、DH528、BA408、LD608、LP381、BY393、FD668、XD724和KY153，其他品種的產量較低且之間無顯著差異。具體來說，河南鄲城點，N2、N3和N4處理間差異不明顯，平均為8.97 t·hm-2，較N0處理顯著增加18.0%；品種間產量結果表現為，各施氮處理下均以WY178產量最高，在N0、N1、N2、N3和N4處理下，分別為10.19、10.65、12.27、12.57和13.06 t·hm-2；N0處理下，LD608和DH528的產量較低，分別為5.56 和6.24 t·hm-2，二者之間差異不明顯；N1下，以GSY66的產量最低，為5.77 t·hm-2，而FDCY22在N2、N3和N4處理下的產量均較低，分別為5.76、6.42和7.18 t·hm-2。陜西戶縣點，各施氮處理以N4和N3處理的產量較高，較N0處理分別增加了15.6%和10.8%，為10.43和9.99 t·hm-2，二者無顯著差異。不同施氮處理下，WK518均表現出較高的產量優(yōu)勢，除此以外，LD608在N0、K6961和WY178在N2和DH528在N4處理下的產量也相對較高，平均分別為9.59、10.42、10.33和11.61 t·hm-2；在各個施氮處理下，ZD326和JH3318的產量均較低，二者無顯著差異，兩個品種在N0、N1、N2、N3和N4處理下產量分別為8.24、8.18、8.54、8.54、9.58 t·hm-2和7.81、8.56、8.15、8.21、8.97、8.58 t·hm-2?？偟膩碚f，黃淮海地區(qū)使用WK518和WY178等高產品種，采取減施氮肥1/6～1/3等措施(N2、N3處理)，能夠保證玉米達到高產高效的目的。

表2 不同試驗點、施氮量和品種對籽粒產量影響的方差分析Table 2 Variance analysis of effects of different localities, nitrogen applications and varieties on grain yield

2.2 聚類分析

不同試驗點，各機收品種對不同供氮水平的響應不同。以不施氮(N0)、減氮1/3(N2)和正常氮(N4)3個氮水平為例，對2個試驗點各機收品種的產量進行聚類分析，將20個品種分為低產、中產和高產品種。結果(圖1)顯示，在河南鄲城點，N0條件下，WY178和WK518 表現為高產，N2下WY178為高產，ZD317、FDCY22和XD724為低產，其余品種為中產，N4下WY178表現為高產，ZD309、FDCY22、NK916和KY153為低產，其余品種為中產。在陜西戶縣點，N0下除LP381、JH3318和ZD326表現為低產外，其余品種均表現為中、高產，N2下除ZD326、JH3318、NK916、GDY66和FD668外，其余則均表現為高產，N4下，WK518和DH528 表現為高產，JH3318為低產，其余均屬于中產品種。依據此結果，根據黃淮海地區(qū)的施氮水平，可有針對性的選擇使用WK518、WY178等高產品種，達到玉米高產高效栽植。

2.3 地上部生物量

河南鄲城點氮肥減施對機收品種地上部生物量分配的影響結果(圖2A～E)顯示，各機收品種的地上部生物量平均為18.12 t·hm-2，莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒平均分別占19.0%、12.2%、6.9%、6.1%、8.8%和47.0%。統(tǒng)計分析表明，N4下XD724的地上部生物量最高，為26.07 t·hm-2。隨施氮量增加，地上部生物量呈先增后降趨勢，在N2處理下達最高為19.12 t·hm-2，各機收品種平均生物量以WY178和WK518最高，分別為21.93和21.40 t·hm-2，二者之間差異不明顯，NK916和LP381最低，分別為15.25和16.16 t·hm-2，兩品種間無顯著差異。除以上品種外，GSY66在N2處理下、XD724在N3和N4下地上部生物量也相對較大，而LD608在N0和N4以及ZD317在N2和N3下生物量相對較低。不同施氮處理下各機收品種生物量的差異主要來源于籽粒和莖，N2處理下籽粒和莖重均達最高，平均分別為9.17和3.71 t·hm-2，N2處理下莖重占地上部生物量比例最高，N4下籽粒所占比例為最高，分別為18.1%和54.0%。不同品種以WK518和WY178籽粒、XD724莖重為最高，平均分別為10.60、10.49和5.12 t·hm-2。

陜西戶縣點氮肥減施對機收品種地上部生物量分配的影響(圖2F～J)顯示，各機收品種的地上部生物量平均為19.64 t·hm-2，莖、葉、鞘、苞葉、穗軸和籽粒平均分別占19.9%、11.6%、6.2%、5.1%、7.8%和49.4%。統(tǒng)計分析表明，N4下WK518的地上部生物量最高，為25.18 t·hm-2。施氮處理對地上部生物量的影響未達顯著水平，各品種地上部生物量以WK518最高為22.18 t·hm-2，以JH3318和LP381最低，分別為16.66和16.99 t·hm-2，二者之間差異不明顯。除這4個品種外，ZY8911在N0、KY153和ZD317在N1、XD724在N2和ZD309在N4下生物量也相對較高，而NK916在N0、DH5286在N2以及FD668和ZD326在N3下生物量相對較低。施氮處理對莖、葉、鞘、苞葉和穗軸的重量影響不顯著，各品種表現為WK518籽粒和XD724莖重為最高，分別為10.61和5.84 t·hm-2。

表3 不同試驗點和施氮量對機收品種籽粒產量的影響Table 3 Effects of different localities and nitrogen applications on the grain yield of different mechanized harvesting maize varieties (t·hm-2)

圖1 不同機收品種的產量聚類分析樹狀圖Fig.1 Dendrogram of grain yield of different mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南鄲城；B: N2-河南鄲城；C: N4-河南鄲城；D: N0-陜西戶縣；E: N2-陜西戶縣；F: N4-陜西戶縣A: N0 in Dancheng, Henan; B: N2 in Dancheng, Henan; C: N4 in Dancheng, Henan; D: N0 in Huxian, Shaanxi; E: N2 in Huxian, Shaanxi; F: N4 in Huxian, Shaanxi.

圖2 不同處理機收品種各器官的生物量Fig.2 Dry matter content of different organs of 12 mechanized harvesting maize varietiesA: N0-河南鄲城；B: N1-河南鄲城；C: N2-河南鄲城；D: N3-河南鄲城；E: N4-河南鄲城; F: N0-陜西戶縣；G: N1-陜西戶縣；H: N2-陜西戶縣；I: N3-陜西戶縣；J: N4-陜西戶縣。A: N0 in Dancheng, Henan; B: N1 in Dancheng, Henan; C: N2 in Dancheng, Henan; D: N3 in Dancheng, Henan; E: N4 in Dancheng, Henan; F: N0 in Huxian, Shaanxi; G: N1 in Huxian, Shaanxi; H: N2 in Huxian, Shaanxi; I: N3 in Huxian, Shaanxi; J: N4 in Huxian, Shaanxi.

2.4 相關性分析

對施氮量、莖重、葉重、鞘重、苞葉重、穗軸重、產量和總生物量進行相關性分析，結果(表4)表明，施氮量和產量、地上部總生物量顯著正相關，除產量和鞘重、苞葉重、穗軸重的相關性不顯著外，莖重、葉重、鞘重、苞葉重、穗軸重、產量和總生物量之間正相關性達顯著水平，P值最大為0.781?？偵锪亢彤a量的回歸分析結果(圖3)表明，二者的關系表現為y=0.368 1x+2.163 1，其中，R2為0.470 3，P<0.01，表明生物量和產量之間存在顯著的回歸關系，可用收獲期機收品種的生物量估測產量數值。

表4 施氮量和各器官生物量間的相關性分析Table 4 Correlation analysis between nitrogen application and dry matter contents of different organs

圖3 籽粒產量和總生物量的回歸分析Fig.3 Regression analysis of grain yield and dry matter content

3 討論

3.1 氮肥減施對機收品種產量的影響

不同的生態(tài)條件對玉米機收品種的產量影響不同。研究發(fā)現(表3)，河南鄲城點的產量平均為8.52 t·hm-2，而陜西戶縣點的玉米產量平均高達9.71 t·hm-2，這種差異主要與試驗地的土壤地力高低有關(表1)。減少氮肥施用量、提高氮肥效率是降低玉米種植成本，提高玉米競爭力的重要措施[11-12]。段然等[13]連續(xù)兩年開展玉米油菜田間輪作試驗后發(fā)現，與常規(guī)施肥處理相比，減氮15%和減氮30%時對洞庭湖旱地玉米和油菜產量均無顯著影響。董強等[14]連續(xù)3年研究了不同減氮模式對黃土高原南部的春玉米產量的影響，結果表明，與傳統(tǒng)施氮模式相比，減氮20%模式下的玉米產量均未有顯著變化。李恩堯等[15]發(fā)現，與常規(guī)施肥量相比，減少20%處理對坡地紅壤的玉米產量無顯著影響，而在減施量達30%時產量顯著下降。本研究結果也顯示，與正常施氮量相比，河南鄲城點氮肥減施1/3處理(N2)和陜西戶縣點氮肥減施1/6處理(N3)下機收玉米品種的產量無顯著下降，持續(xù)減氮后產量顯著下降(表3)。這表明與傳統(tǒng)習慣性施肥相比，合理減少施氮量，玉米產量未有明顯變化，這可能由于減施氮肥的土壤中仍然能夠維持玉米生長中對氮素的吸收，保證玉米植株對氮素的利用，減少了氮素的損失，進而達到減氮不減產的目標[16-17]。然而，本研究僅為一年試驗，連續(xù)多年的持續(xù)性減氮1/6～1/3情況下，本地區(qū)夏玉米是否依然保持高產，仍需進一步研究。

由于機收品種對氣候環(huán)境及施氮水平的適應力不同，其高產優(yōu)勢發(fā)揮程度也存在差異[18-21]，本研究中對2個試驗點的20個機收品種按照施氮水平進行聚類分析(圖1)，發(fā)現在河南鄲城點，WY178在各個施氮水平下均屬于高產品種，因此在此點可以優(yōu)先種植WY178，發(fā)揮其高產性好和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。在陜西戶縣點，大多品種均能表現出高產優(yōu)勢，在氮肥減施情況下，可以選用WK518、WY178和K6961等品種，以達到高產的目的。

3.2 玉米產量和生物量的關系

玉米生產是群體的生產，干物質積累是玉米產量的物質基礎，增加干物質積累量對實現玉米高產具有重大意義[22]。隨著生育期的推進，植株生物量的增加呈先快后慢的趨勢[23]，其變化還受品種、施肥、灌水、種植密度和間套作方式等因素的影響[24-28]。本研究中，在河南鄲城點，隨著施氮量的增加，地上部生物量呈先增后降趨勢，這表明在施氮量為160 kg N·hm-2時，即可滿足植株對氮素吸收和利用的需求，持續(xù)增氮則無顯著變化，這與陶靜靜等[29]的研究結果一致。研究還發(fā)現，對高產機收品種如WY178來說，隨施氮量的增加，生物量在莖和葉中所占的比例呈先增后減趨勢，在正常氮水平下減至較低水平，生物量在籽粒中的分配則達較高水平(圖2)，這表明高產品種能夠根據生長條件協(xié)調配置營養(yǎng)器官和生殖器官中資源的積累和分配，降低營養(yǎng)器官對光合產物的消耗比例，提高光合產物向籽粒的轉移和累積，實現對有限資源的高效利用，進而獲得高產。本研究僅研究了玉米成熟期生物量在各個器官的分配，其花前花后干物質積累量對地上部生物量的貢獻以及營養(yǎng)器官和生殖器官對光合產物的競爭機制仍有待深入探索。

對于玉米生物量和產量的關系，前人研究結果表明，在營養(yǎng)生長和生殖生長階段玉米總生物量和產量是光合有效輻射、輻射截獲率以及輻射利用率的函數[25]，玉米籽粒產量與吐絲期和成熟期根系和地上部生物量及成熟期的根冠比呈顯著相關[30-31]。綜合試驗中所有因素，本研究(表4和圖4)也發(fā)現，成熟期玉米植株地上部生物量和籽粒產量存在顯著的正相關，回歸方程也達顯著水平，這對于進一步深入研究產量形成機制和推求玉米產量生產函數提供了一定的參考依據。