東北春玉米滴灌施肥的適宜種植密度和施鉀量研究

孔麗麗，侯云鵬*，尹彩俠，張 磊，趙胤凱，劉志全，徐新朋

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，吉林長(zhǎng)春 130033；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

東北半干旱區(qū)是我國(guó)重要的玉米產(chǎn)區(qū)，占東北玉米種植面積的30%以上[1]。該區(qū)域光熱資源豐富，但受降雨量低(年均降雨量350～450 mm)和季節(jié)分布不均的影響，使該區(qū)域玉米單產(chǎn)顯著低于東北玉米平均單產(chǎn)水平[2]。近年來，滴灌水肥一體化技術(shù)已在東北半干旱區(qū)得到廣泛應(yīng)用[3]。但在滴灌水肥一體化條件下，栽培措施仍沿用傳統(tǒng)方式，未能充分發(fā)揮滴灌水肥一體化增產(chǎn)潛力。在面對(duì)我國(guó)人口壓力、可耕地面積日趨緊張的背景下，如何進(jìn)一步提高該地區(qū)玉米產(chǎn)量，是當(dāng)前東北半干旱區(qū)亟待解決的問題。

玉米高產(chǎn)通常以較高的生物量為前提，而養(yǎng)分吸收是其基礎(chǔ)[4]。種植密度和養(yǎng)分管理是玉米生產(chǎn)中重要的調(diào)控因子。適宜種植密度可使玉米充分利用光熱資源構(gòu)建良好群體結(jié)構(gòu)，為玉米群體提供適宜生物量，使單位面積玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒質(zhì)量得到協(xié)同發(fā)展[5-6]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)。在養(yǎng)分管理中，鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育需要的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，在光合作用、光合產(chǎn)物運(yùn)轉(zhuǎn)、氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)、韌皮部運(yùn)輸、品質(zhì)和抗逆性提高等方面發(fā)揮著重要作用[7]。與此同時(shí)，施鉀可進(jìn)一步提高氮代謝酶活性，如谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)[8-9]，并與磷存在著互促作用[10]。在高產(chǎn)目標(biāo)下，作物需要吸收大量的鉀，鉀需求量與氮素相當(dāng)。然而土壤中的鉀主要以礦物態(tài)形式存在，僅小部分鉀對(duì)作物有效[11]，所以化學(xué)鉀肥成為了作物鉀素的主要來源[12-13]。但在東北地區(qū)普遍存在著玉米種植密度低和鉀肥施用不足等現(xiàn)象，不僅影響了玉米產(chǎn)量，而且導(dǎo)致了土壤鉀素不斷耗竭[14]。因此，有必要優(yōu)化玉米種植密度和適量增施鉀肥，達(dá)到玉米優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo)。目前，有關(guān)不同種植密度和施鉀量對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的研究報(bào)道較多，研究者普遍認(rèn)為，滴灌水肥一體化能保證土壤水分和養(yǎng)分在玉米各生育期充分供應(yīng)，可大幅提高玉米種植密度[15]，且玉米產(chǎn)量與種植密度在一定范圍內(nèi)呈顯著正相關(guān)。然而當(dāng)種植密度過高時(shí)，會(huì)使植株個(gè)體發(fā)育不良，玉米產(chǎn)量降低[16]。而鉀肥用量不足，不僅會(huì)影響作物光合作用、物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)與抗倒伏能力，還會(huì)影響植株對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收，限制作物的增產(chǎn)潛力[11]。但當(dāng)鉀肥過量供應(yīng)時(shí)，作物產(chǎn)量不再提高，反而會(huì)造成鉀素奢侈吸收[17]。因此，種植密度和施鉀量在玉米生長(zhǎng)中只有維持平衡、協(xié)調(diào)的關(guān)系, 才能發(fā)揮對(duì)玉米生長(zhǎng)最佳的互作效應(yīng)，保證玉米正常生長(zhǎng)。前人研究中雖然已有較多關(guān)于養(yǎng)分管理與不同種植密度對(duì)作物產(chǎn)量、光合特性、根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收的影響，但多為氮肥施用與種植密度組合研究。而東北半干旱地區(qū)滴灌水肥一體化條件下，不同鉀肥用量結(jié)合密度變化對(duì)玉米養(yǎng)分吸收、分配與利用的影響研究還鮮見報(bào)道。因此，我們進(jìn)行了為期2年的田間定位試驗(yàn)，在滴灌條件下，通過研究種植密度與鉀肥用量交互作用對(duì)玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、養(yǎng)分吸收利用的影響機(jī)制，明確產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用協(xié)同提高的適宜鉀肥用量和種植密度，以期為東北半干旱地區(qū)春玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2019年在吉林省乾安縣吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院乾安實(shí)驗(yàn)站 (35°28′ N, 104°44′ E)開展，該地海拔2000 m，無霜期140天，年均日照時(shí)數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，多年平均降水425 mm，屬典型的中溫帶半干旱區(qū)。玉米生育期氣象數(shù)據(jù) (平均溫度、降水量) 通過試驗(yàn)點(diǎn)的自動(dòng)氣象站獲取(圖1)。試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤為典型淡黑鈣土，2018年種植前0—20 cm土壤基本養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)含量17.4 g/kg，土壤水解性氮含量98.9 mg/kg，土壤有效磷含量15.0 mg/kg，土壤速效鉀含量109.4 mg/kg，pH 8.06。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)2018—2019年平均溫度與降水量Fig.1 Mean temperature and precipitation at the test site in 2018 to 2019

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用不同種植密度和施鉀量的雙因素設(shè)計(jì)，分別為3個(gè)種植密度(60000、75000和 90000株/hm2，分別記作D1、D2和D3)和5個(gè)施鉀(K2O)水平(0、60、90、120和150 kg/hm2，分別記作K0、K1、K2、K3和K4)的完全組合，共計(jì)15個(gè)處理。小區(qū)面積40 m2，重復(fù)3次。各處理氮肥(N)和磷肥(P2O5)用量一致，分別為220和90 kg/hm2。氮肥按20%基肥+30%拔節(jié)肥+20%大喇叭口肥+20%抽雄肥+10%灌漿肥施用，磷肥按40%基肥+60%大喇叭口肥施用，鉀肥按60%基肥+40%大喇叭口肥施用。肥料品種分別為尿素(N 46%)、磷酸一銨(N 12%，P2O561%)和氯化鉀(K2O 60%)。供試玉米品種為富民985，2018和2019年玉米種植日期分別為5月7日和5月3日。采用淺埋滴灌種植，玉米播種后，將滴灌帶鋪設(shè)于寬行中間，每條滴灌帶澆灌2行玉米。各處理兩年玉米生育期灌水定額均為240 mm，其中在玉米播前、苗期和拔節(jié)期分別灌水20 mm，大喇叭口期、吐絲期和灌漿期分別灌水60 mm，共計(jì)6次，各處理單獨(dú)用水表控制同等灌水量。每小區(qū)單配18 L壓差式施肥罐，施肥開始前按各處理所需氮、磷、鉀肥放入施肥罐，充滿水后攪拌至完全溶解。在施肥前先滴清水30 min，然后打開施肥閥施肥，施肥時(shí)間為120 min，施肥后繼續(xù)滴清水30 min。收獲日期分別為9月30日和10月2日。其他田間管理按玉米常規(guī)生產(chǎn)田進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)運(yùn) 于玉米吐絲期(R1)和生理成熟期(PM)采集各處理具有代表性玉米植株5株，帶回室內(nèi)按不同器官(莖、葉、穗軸和籽粒)分開，以105℃殺青30 min，然后以80℃烘干至恒重后粉碎，測(cè)定樣品氮(凱氏定氮法)、磷(釩鉬黃比色法)、鉀(火焰光度計(jì)法)養(yǎng)分含量，并計(jì)算養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率和積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式如下：

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg/hm2)= 吐絲期植株地上部養(yǎng)分積累量－成熟期植株地上部營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分積累量；

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)= 養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量/吐絲期植株地上部養(yǎng)分積累量 × 100；

轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率(%)= 養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量/籽粒養(yǎng)分積累量 × 100；

積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率= 100%－轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率。

1.3.2 鉀素利用率 鉀素利用率包括鉀素吸收利用率(REK)、農(nóng)學(xué)利用率(AEK)和偏生產(chǎn)力(PFPK)，其計(jì)算公式如下：

鉀素吸收利用率(REK，%)=(施鉀區(qū)植株鉀積累量－不施鉀區(qū)植株鉀積累量)/施鉀量×100；

鉀素農(nóng)學(xué)利用率(AEK，kg/kg)=(施鉀區(qū)玉米產(chǎn)量－不施鉀區(qū)玉米產(chǎn)量)/施鉀量；

鉀素偏生產(chǎn)力 (PFPK，kg/kg)= 施鉀區(qū)籽粒產(chǎn)量/施鉀量。

1.3.3 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素與效益計(jì)算 于玉米成熟期選擇每小區(qū)中間4行，測(cè)定穗數(shù)，并在自然風(fēng)干后(籽粒水分≤20%)，人工脫粒，用 PM-8188 谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水量，并折算成 14% 標(biāo)準(zhǔn)含水量，按測(cè)產(chǎn)面積折算成單位面積產(chǎn)量。與此同時(shí)，選擇10個(gè)代表性果穗，測(cè)定穗粒數(shù)和千粒重。

凈收入(元/hm2)=玉米產(chǎn)量×玉米價(jià)格－生產(chǎn)投入成本(包括種子、肥料、農(nóng)藥、滴灌設(shè)備和種植收獲人工成本)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2016 整理匯總數(shù)據(jù)，密度與鉀肥的主效應(yīng)及兩因素間交互作用應(yīng)用 SPSS 19.0 軟件一般線性模型(GLM)多因素方差分析，處理間差異采用 Duncan多重比較檢驗(yàn)，P＜0.05為差異顯著。用Sigma Plot 14.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素及效益分析

2.1.1 玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素 種植密度和施鉀量對(duì)玉米產(chǎn)量均具有顯著影響，且兩因素間的交互效應(yīng)達(dá)顯著水平(表1)。就種植密度而言，兩年玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為D2＞D3＞D1，與D1和D3處理相比，D2處理下各施鉀處理兩年的平均玉米產(chǎn)量增幅分別為8.1%和5.3%，差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。就鉀肥用量而言，不同種植密度下施鉀處理玉米產(chǎn)量均顯著高于K0處理(P＜0.05)，并隨施鉀量的增加產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)。其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量增幅不再顯著(P＞0.05)；而在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量增幅不再顯著 (P＞0.05)。

表1 不同種植密度和施鉀量下玉米產(chǎn)量與構(gòu)成因素Table 1 Maize yield and its components under different plant densities and potassium application rates

就產(chǎn)量構(gòu)成而言，種植密度對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重影響顯著，施鉀量對(duì)穗粒數(shù)和千粒重影響顯著，而對(duì)穗數(shù)影響不顯著。種植密度和施鉀量對(duì)玉米穗粒數(shù)和千粒重表現(xiàn)出顯著的交互效應(yīng)。就種植密度而言，玉米穗數(shù)隨種植密度的增加呈增加趨勢(shì)，而穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為隨種植密度的增加呈降低趨勢(shì)。在相同密度下，施鉀顯著增加了玉米穗粒數(shù)和千粒重(P＜0.05)，并隨施鉀量的提高兩指標(biāo)整體呈增加趨勢(shì)；其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，穗粒數(shù)和千粒重增幅不再顯著(P＞0.05)；在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，穗粒數(shù)和千粒重增幅不再顯著(P＞0.05)。而在同一密度下不同施鉀處理間玉米穗數(shù)差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

密度對(duì)玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均具有顯著影響(圖2)，其中對(duì)穗數(shù)影響最大，而對(duì)穗粒數(shù)和千粒重具有負(fù)效應(yīng)。施鉀對(duì)玉米穗粒數(shù)和千粒重影響顯著，對(duì)玉米穗數(shù)影響不顯著，其中對(duì)穗粒數(shù)影響最大。而穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均對(duì)產(chǎn)量影響顯著，其中穗數(shù)影響最大，后依次為穗粒數(shù)和千粒重。

圖2 不同處理對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素路徑分析Fig.2 Path analysis of yield and its components under different treatments

2.1.2 經(jīng)濟(jì)效益 種植密度對(duì)總收入、種子支出和凈收入具有顯著影響，而施鉀量對(duì)總收入、肥料支出和凈收入影響顯著，兩因素對(duì)總收入和凈收入的交互效應(yīng)達(dá)到了顯著水平(表2)。就種植密度而言，雖然提高種植密度顯著增加了種子支出，但兩年凈收入均表現(xiàn)為D2＞D3＞D1，與D1和D3處理相比，D2處理下各施鉀處理兩年平均凈收入增幅分別為10.3%和9.4%，差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。就鉀肥用量而言，不同種植密度下施鉀處理凈收入均顯著高于K0處理(P＜0.05)，并隨著施鉀量的增加凈收入整體呈增加趨勢(shì)。其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，凈收入增幅不再顯著(P＞0.05)；而在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，凈收入增幅不再顯著(P＞0.05)。

表2 不同種植密度和施鉀量下玉米生產(chǎn)效益(yuan/hm2)Table 2 Benefit of maize production as affected by plant density and potassium application rate

2.2 氮、磷、鉀積累特征

2.2.1 氮、磷、鉀積累量 種植密度和施鉀量對(duì)玉米吐絲期(R1)和生理成熟期(PM)氮、磷、鉀積累量均具有顯著影響，且兩因素間的交互效應(yīng)均達(dá)到了顯著水平(圖3)。不同種植密度間，各處理同期玉米氮、磷、鉀積累量均表現(xiàn)為D2＞D3＞D1。與D1和D3相比，D2處理兩年吐絲期氮、磷、鉀平均積累量分別提高6.0%、11.1%、6.4%和2.9%、5.5%、3.4%；成熟期氮、磷、鉀平均積累量分別提高4.6%、11.1%、6.5%和3.2%、4.6%、3.7%；其中D2與D1處理差異達(dá)顯著水平(P＜0.05)。就鉀肥用量而言，各種植密度下施鉀處理吐絲期和成熟期玉米氮、磷、鉀積累量均顯著高于K0處理(P＜0.05)，并隨施鉀量的增加氮、磷、鉀積累量整體呈增加趨勢(shì)，其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，玉米吐絲期和成熟期氮、磷、鉀積累量增幅不再顯著(P＞0.05)；在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，玉米吐絲期和成熟期氮、磷、鉀積累量增幅不再顯著(P＞0.05)。說明適宜的鉀肥用量可有效提高玉米養(yǎng)分吸收，而鉀肥過量供應(yīng)不會(huì)使玉米養(yǎng)分積累量進(jìn)一步提高。

圖3 不同種植密度和施鉀量下玉米氮、磷、鉀積累量Fig.3 Accumulation of N, P and K under different plant densities and potassium application rates

2.2.2 玉米吐絲前后地上部氮磷鉀分配比例 由圖4可知，就種植密度而言，不同種植密度間玉米吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量占植株氮、磷、鉀總量比例均無顯著性差異(P＞0.05)。而不同種植密度下施鉀處理玉米吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量占植株氮、磷、鉀總量的比例均高于K0處理，并隨施鉀量的增加占比整體呈增加趨勢(shì)；其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，玉米吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量占植株氮、磷、鉀總量比例增幅不再顯著(P＞0.05)；在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，玉米吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量占植株氮、磷、鉀總量比例增幅不再顯著(P＞0.05)。

圖4 不同種植密度和施鉀量下玉米吐絲前后地上部氮磷鉀積累量占整株氮磷鉀積累量的比例Fig.4 Proportions of above-ground N, P and K accumulation in the whole plant before and after silking stage of maize under different plant densities and potassium application rates

2.3 氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)特征

種植密度對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量具有顯著影響，而對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率和積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率影響不顯著；施鉀量對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率和積累養(yǎng)分貢獻(xiàn)率均影響顯著，對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率影響不顯著；而兩因素對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量的交互作用達(dá)顯著水平(表3、表4、表5)。不同種植密度間，玉米氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量均表現(xiàn)為D2＞D3＞D1。與D1和D3相比，D2處理兩年平均氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高9.3%、9.8%、12.9%和4.3%、4.2%和7.4%，差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。從鉀肥用量來看，不同種植密度下施鉀處理氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量均顯著高于K0處理(P＜0.05)，并隨施鉀量的增加轉(zhuǎn)運(yùn)量整體呈增加趨勢(shì)；其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，玉米氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量增幅不再顯著(P＞0.05)；在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，玉米氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量增幅不再顯著(P＞0.05)。氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率隨施鉀量增加整體呈降低趨勢(shì)，而氮、磷、鉀積累貢獻(xiàn)率則隨施鉀量的增加整體呈增加趨勢(shì)，其中在D1密度下，當(dāng)施鉀量≥90 kg/hm2時(shí)，氮、磷、鉀積累貢獻(xiàn)率增幅不再顯著，而在D2和D3密度下，當(dāng)施鉀量≥120 kg/hm2時(shí)，氮、磷、鉀積累貢獻(xiàn)率增幅不再顯著(P＞0.05)。

表3 不同種植密度和施鉀量下玉米氮素轉(zhuǎn)運(yùn)Table 3 Nitrogen translocation of maize under different plant densities and potassium application rates

表4 不同種植密度和施鉀量下玉米磷素轉(zhuǎn)運(yùn)Table 4 Phosphorus translocation of maize under different plant densities and potassium application rates

表5 不同種植密度和施鉀量下玉米鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)Table 5 Potassium translocation of maize under different plant densities and potassium application rates

2.4 鉀素利用率

種植密度和施鉀量對(duì)鉀素吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均具有顯著影響，且兩因素的交互作用達(dá)到了顯著水平(圖5)。不同種植密度間，玉米鉀素吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為D2＞D3＞D1。與D1和D3相比，D2處理鉀素吸收利用率分別提高8.6和2.6個(gè)百分點(diǎn)；鉀素農(nóng)學(xué)利用率分別提高8.4和6.2 kg/kg；鉀素偏生產(chǎn)力分別提高8.4和6.2 kg/kg，差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。從鉀肥用量來看，不同種植密度下施鉀處理鉀素吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均隨施鉀量的增加呈下降趨勢(shì)。

2.5 不同種植密度和施鉀量下玉米不同生育時(shí)期養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量和養(yǎng)分積累總量的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果(表6)顯示，苗期至吐絲期和吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量與產(chǎn)量及氮、磷、鉀積累總量均呈極顯著正相關(guān)(r=0.636～0.971)。其中吐絲期至成熟期氮、磷、鉀積累量與產(chǎn)量(r=0.701～0.728)及氮 (r=0.915～0.946)、磷 (r=0.869～0.971)、鉀(r=0.854～0.945)積累總量的相關(guān)性均高于苗期至吐絲期氮、磷、鉀積累量與產(chǎn)量(r=0.636～0.683)及氮 (r=0.859～0.894)、磷 (r=0.834～0.929)、鉀(r=0.826～0.884)積累總量的相關(guān)性。

3 討論

3.1 種植密度和施鉀量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

合理密植通過增加群體數(shù)量，改善冠層結(jié)構(gòu)，利用群體優(yōu)勢(shì)提高光能、水分和養(yǎng)分利用效率[18-20]，是作物獲得高產(chǎn)的重要栽培措施之一。對(duì)于玉米而言，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重決定著玉米產(chǎn)量的高低，各產(chǎn)量性能指標(biāo)間的協(xié)調(diào)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同施鉀量下，隨種植密度的增加，玉米個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)加劇，會(huì)降低單株玉米穗粒數(shù)與千粒重；當(dāng)種植密度增加至75000 株/hm2水平時(shí)，由于群體增產(chǎn)效應(yīng)大于單株降低產(chǎn)量效應(yīng)，使其產(chǎn)量最高(表1)。但當(dāng)種植密度過高(90000 株/hm2)時(shí)，玉米個(gè)體生存空間急劇降低，水、肥、光等資源競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇[23]，光合物質(zhì)向籽粒分配比例降低，使玉米穗粒數(shù)和千粒重下降，對(duì)產(chǎn)量的影響程度遠(yuǎn)大于單位面積穗數(shù)的增加，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量顯著下降。可見協(xié)調(diào)個(gè)體與群體的生長(zhǎng)矛盾，在提高群體數(shù)量的同時(shí)，保持較高的單株生產(chǎn)能力是密植玉米獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。與此同時(shí)，肥料運(yùn)籌也是調(diào)控玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵栽培措施之一。本研究中，密度由60000 株/hm2增加至75000 株/hm2時(shí)，其獲得較高玉米產(chǎn)量所需的施鉀量也由90 kg/hm2增加到了120 kg/hm2?？赡艿臋C(jī)理是適宜增加種植密度后，需通過適當(dāng)增加施鉀量，促進(jìn)光合產(chǎn)物的生產(chǎn)與運(yùn)輸[24]，使庫(kù)容(穗粒數(shù))和充實(shí)度(粒重)增加[25]，提高玉米產(chǎn)量。此外，雖然增加種植密度和鉀肥用量會(huì)使生產(chǎn)成本有所提高，但顯著提高了玉米產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了收益增加。

3.2 不同種植密度和施鉀量對(duì)玉米養(yǎng)分吸收、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

種植密度和鉀肥用量作為玉米生產(chǎn)的主要調(diào)控措施，對(duì)玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收積累與分配具有顯著影響。相關(guān)研究指出，作物生育后期葉片光合作用與產(chǎn)量有密切關(guān)系，粒重形成中的碳大部分(74.8%～92.8%)來源于該階段葉片的光合作用[26]。其生育后期養(yǎng)分積累與作物產(chǎn)量密切相關(guān)[27-28]。本研究結(jié)果也表明，玉米產(chǎn)量與玉米吐絲后養(yǎng)分積累的相關(guān)性高于吐絲前(表6)。但李朝蘇等[29]指出，雖然作物生育后期物質(zhì)積累對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率高于花前，但生育前期干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。對(duì)玉米而言，拔節(jié)至吐絲階段是玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要時(shí)期，該階段養(yǎng)分積累直接影響穗分化質(zhì)量。因此，提高玉米前期養(yǎng)分積累總量和生育后期養(yǎng)分積累比例，對(duì)提高玉米產(chǎn)量至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明，隨著種植密度的增加，玉米地上部氮、磷、鉀積累量呈先增加后降低趨勢(shì)(圖3)，種植密度為60000 株/hm2時(shí)，盡管群體透光條件好，但由于群體積累養(yǎng)分相對(duì)較少，導(dǎo)致群體養(yǎng)分積累量低于75000 株/hm2密度水平，而當(dāng)群體密度增加至90000株/hm2時(shí)，則導(dǎo)致群體過大，遮蔽嚴(yán)重，冠層內(nèi)光照條件不充足，影響光合作用，導(dǎo)致氮、磷、鉀積累量下降。而種植密度由60000 株/hm2增加至75000株/hm2，同時(shí)將鉀肥由90 kg/hm2增加至120 kg/hm2時(shí)，可顯著提高D2處理(75000 株/hm2)氮、磷、鉀積累量?？梢?，適宜的鉀肥用量，是作物利用適宜種植密度充分發(fā)揮群體優(yōu)勢(shì)進(jìn)行光合作用而生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保障。此外，施用鉀肥還可提高玉米吐絲后氮、磷、鉀養(yǎng)分所占比例(圖4)，可能的機(jī)理是施鉀可增加作物葉綠素、可溶性蛋白含量，提高超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性，并降低過氧化物酶(POD)活性、膜脂過氧化作用，延緩葉片衰老[30-31]，進(jìn)而增加玉米生育后期營(yíng)養(yǎng)體氮、磷、鉀素積累總量。

表6 玉米不同生育時(shí)期養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量和養(yǎng)分積累總量的關(guān)系Table 6 The correlation of nutrient absorption with yield and total nutrient accumulation at different growth stages of maize

籽粒養(yǎng)分累積是由吐絲前累積的氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和吐絲后養(yǎng)分累積(持綠)共同作用的結(jié)果[32]。較高的籽粒養(yǎng)分積累量需要吐絲前營(yíng)養(yǎng)體的轉(zhuǎn)運(yùn)和吐絲后養(yǎng)分積累的協(xié)同提高。而兩部分營(yíng)養(yǎng)源對(duì)籽粒養(yǎng)分貢獻(xiàn)率受不同品種特性、生態(tài)環(huán)境及栽培措施的影響顯著[15,25-26]。本研究中，增加密度和施鉀量均提高了氮、磷、鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量，盡管不同施鉀處理間氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)率差異未達(dá)顯著水平(表3、表4、表5)，但絕對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)量上差異達(dá)顯著水平，其中以75000 株/hm2和施鉀量120 kg/hm2條件下氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量較高。說明適度提高群體數(shù)量和鉀肥用量可促進(jìn)玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段養(yǎng)分的吸收，并使源器官中儲(chǔ)存更多的養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，施鉀提高了玉米吐絲后積累養(yǎng)分對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，并在一定范圍內(nèi)隨施鉀量的增加該貢獻(xiàn)率呈顯著增加趨勢(shì)。其主要原因?yàn)檫m宜的鉀肥用量可提高玉米生育后期光合速率，促進(jìn)玉米生育后期營(yíng)養(yǎng)器官中有機(jī)物的合成，利于光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸與分配，提高玉米籽粒養(yǎng)分含量[33-34]。

3.3 不同種植密度和施鉀量對(duì)玉米鉀素利用率的影響

肥料利用效率反映了作物-土壤-肥料三者間關(guān)系的動(dòng)態(tài)參數(shù)，由作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收總量和肥料投入量共同決定[35]。優(yōu)化協(xié)調(diào)肥料與種植密度的互作關(guān)系，是提高玉米產(chǎn)量和鉀素利用效率的有效途徑。程前等[36]研究表明，適宜增密可提高玉米產(chǎn)量和肥料利用效率。但也有較多的研究表明，隨著肥料用量的增加，作物肥料利用效率呈顯著下降趨勢(shì)。往往作物獲得最高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的施肥量，其利用效率并非最高[17,25,37]。本研究結(jié)果表明，玉米鉀素利用率隨種植密度的增加呈先增后降趨勢(shì)，其中以75000 株/hm2密度下鉀素利用率最高(圖5)。說明適宜的群體結(jié)構(gòu)可增加玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分積累量，進(jìn)而提高了肥料利用效率。在75000 株/hm2密度下，雖然K3 (K2O 120 kg/hm2)處理鉀肥吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力均低于K1 (K2O 60 kg/hm2)和K2 (K2O 90 kg/hm2)處理，但可獲得較高的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量，而與K4 (K2O 150 kg/hm2)處理相比，玉米產(chǎn)量差異不顯著(P＞0.05)，鉀素利用率顯著提高?？梢姷褪┾浟侩m然可獲得較高的鉀素利用率，但是以犧牲玉米產(chǎn)量和嚴(yán)重耗竭土壤鉀素為代價(jià)的；而過量施鉀不僅不會(huì)顯著提高玉米產(chǎn)量，同時(shí)鉀素利用率顯著降低。因此，適當(dāng)增加種植密度并結(jié)合適宜施鉀量能夠保證玉米生育期養(yǎng)分供給，促進(jìn)玉米養(yǎng)分吸收，增加籽粒產(chǎn)量，提高鉀素利用率，實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效目標(biāo)。

圖5 不同種植密度和施鉀量下玉米鉀素利用率Fig.5 Potassium utilization efficiency of maize under different plant densities and potassium application rates

4 結(jié)論

種植密度和施鉀量對(duì)玉米養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和利用有顯著的交互作用。適度增加種植密度和施鉀量可以顯著提高玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量，兩者互作可充分發(fā)揮群體增產(chǎn)潛力，實(shí)現(xiàn)鉀肥供應(yīng)與玉米鉀素需求之間的平衡。通過調(diào)控種植密度和施鉀量，優(yōu)化玉米最適單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是提高玉米產(chǎn)量和收益的重要途徑。在東北半干旱區(qū)滴灌水肥一體化條件下，玉米種植密度從常規(guī)的60000 株/hm2增加到75000 株/hm2，施鉀量從常規(guī)的90 kg/hm2增加至120 kg/hm2，可實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效。