不同农艺运筹模式对玉米产量、养分吸收及群体光合特性的影响

1、不同农艺运筹模式对玉米产量、养分吸收及群体光合特性的影响展文洁1,2，刘剑钊2，梁尧2，袁静超2，张洪喜2，刘松涛2，蔡红光2*，任军2收稿日期： 接受日期： 网络出版日期：基金项目：国家重点研发计划（2017YFD0300602）;吉林省农业科技创新工程（CXGC2017ZD001）;吉林省科技厅重点研发项目（20180201077NY）;吉林省人才开发资金项目资助。作者简介： 展文洁（1994-），女，山东济南人，在读硕士，从事养分资源管理研究。E-mail:通讯作者。E-mail: caihongguang1981, renjun557。蔡红光，任军为本文通讯作

2、者。（1.吉林农业大学，长春 130118；2.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部东北植物营养与农业环境重点实验室，长春 130033）摘要：【目的】旨在探讨不同农艺运筹模式对玉米产量及其构成、干物质积累与分配、养分吸收利用效率和光合特性的影响，为实现玉米丰产高效栽培提供理论指导。【方法】以先玉335为试验材料，对种植密度、土壤耕作、肥料施用等农艺措施进行优化组合。设置了农户栽培（CK）、优化管理模式1（Opt-1）、优化管理模式2(Opt-2)、优化管理模式3(Opt-3)等4种农艺运筹模式，比较分析不同农艺运筹模式下玉米的产量及构成因素、干物质积累与分配、养分吸收利用特征及光合特

3、性。【结果】Opt-1、Opt-2、Opt-3处理两年的平均产量分别较对照提高了25.7%、48.9%、44.5%，影响产量的主要构成因素是收获穗数。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理下群体生物量分别比CK处理增加9.5%、37.2%、16.3%。Opt-2处理氮肥用量为300kg/hm2，比Opt-3处理高出33.3%，但其子粒养分积累量与Opt-3处理无显著差异，且其肥料偏生产力与CK处理无显著差异。Opt-3处理下开花期叶面积指数（LAI）较高且花后LAI下降速率减缓，净光合速率和气孔导度分别较CK增加22.0%和5.6%，且与Opt1处理差异显著，生育后期叶片抗衰老能力显著提高，且

4、Opt-3处理种植密度增加到7.0万株/hm2，进一步增强了玉米叶片的光合性能。【结论】通过合理密植、施肥方式和耕作方式的集成优化，可显著增加玉米群体干物质，提高养分积累量，叶片光合性能显著增加，进而大幅度同步提高玉米产量和养分利用效率。关键词：春玉米；产量；光合效率；密度；养分管理；深松Yield and photosynthetic characteristics of spring maize under different agronomic management conditions ZHAN Wen-jie1,2, LIU Jian-zhao2, LIANG Yao2, YUAN

5、Jing-chao2, ZHANG Hong-xi2 , LIU Song-tao2, CAI Hong-guang2*, REN Jun2*(1. Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2. Jilin Academy of Agricultural Sciences, Agricultural resources and Environment Institute, Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northeast Region M

6、OA. Changchun 130033, China)Abstract:【Objectives】To explore the effects of different agronomic operation modes on maize yield and composition, dry matter accumulation and distribution, nutrient absorption and utilization efficiency and photosynthetic characteristics, and to provide theoretical guida

7、nce for high yield and efficient cultivation of maize.【Methods】Using XY335 as test material, the agronomic measures such as planting density, soil tillage and fertilizer application were optimized. Four agricultural operation and funding models were tested: Local agronomic cultivation(CK), Optimize

8、management mode 1 (Opt-1)，Optimize management mode 2 (Opt-2)，Optimize management mode 3 (Opt-3). To compare and analyze the yield and composition factors, dry matter accumulation and distribution, nutrient absorption and utilization characteristics and photosynthetic characteristics of maize under d

9、ifferent agronomic management modes.【Result】The results showed that the average yields of Opt-1, Opt-2, Opt-3 were 25.7%, 48.9%, 44.5% higher than the CK. The main factor affecting yield was the number of ears harvested. The total dry weight of Opt-1, Opt-2, Opt-3 were 9.5%, 37.2%, 16.3% higher than

10、 the CK. Opt-2s nitrogen content is 300kg/hm2, 33.3% higher than Opt-3. However, there was no significant difference in grain nutrient accumulation between opt-3 treatment and opt-2 treatment, and there was no significant difference between its fertilizer partial productivity and CK treatment. Under

11、 Opt-3 treatment, leaf area index (LAI) at flowering stage was higher and LAI decline rate after flowering was slowed down. Net photosynthetic rate and stomatal conductance were increased by 22.0% and 5.6% respectively compared with CK. In addition, Opt-3 treatment increased the planting density to

12、7.0 million plants /hm2, which further enhanced the photosynthetic performance of maize leaves. 【Conclusion】Through the integration and optimization of reasonable close planting, fertilization and tillage methods, dry matter of maize population can be significantly increased, nutrient accumulation c

13、an be improved, and photosynthetic performance of leaves can be significantly increased, thereby greatly synchronously improving maize yield and nutrient utilization efficiency.Key words: spring maize; yield; density; nutrient management; subsoiling 玉米在我国粮食作物中占有重要地位，是我国保障粮食安全和满足市场需求的主力军1-3。目前，东北春玉米产

14、区是国内最大的粮食基地 4-5。近年来为了提高玉米产量，氮肥过量施用的现象日益严重，造成肥料利用率降低，并严重危害了农田环境6-7。加之玉米主产区连年耕作导致耕层变浅，土壤板结严重，降低了玉米植株的养分吸收利用8。因此如何实现产量和养分吸收利用的同步提高是一个亟待解决的问题9。前人研究表明，适当增加种植密度可显著提升玉米光能利用效率，同时在一定程度上提高氮肥的利用效率，实现玉米高产10-11。肥料的施用时期及数量对玉米产量和肥料利用效率有显著的影响12。有些研究表明深松较旋耕可以提高玉米叶片花后光合性能和延长高值持续期的作用13-15。但是大量的研究多集中在单一的因子水平上，缺乏综合管理模式下

15、对玉米干物质积累、养分吸收利用效率及光合特性的研究。因此，本试验在前期研究16的基础上，通过两年定位试验，探讨不同农艺运筹模式下对春玉米产量积累、养分吸收利用和光合特性的影响，以期为玉米的高产和养分资源的高效利用提供理论根据。 1 材料与方法1.1 试验地概况 试验起始于2009年，在吉林省公主岭市中国农科院作物所试验田（43°2955N，124°4843E）进行。供试土壤为黑土，0-20cm耕层土壤有机质26.4g/kg，碱解氮244.0mg/kg、速效磷20.7mg/kg、速效钾140.0mg/kg。2012年和 2013年试验区玉米生育时期降雨量分别为644.8mm和

16、591.7mm，有效积温分别为1740和1479(图1)。1.2 试验设计本试验以先玉335为试验材料，在2011年试验设计基础上，进行了部分优化16。每个处理重复4次，小区面积144 m2，随机区组排列。4种模式的其它田间管理方式一致。详见表1。表1 试验设计Table 1 experimental design处理CKOpt-1Opt-2Opt-3播种密度（plant/hm2）50000600007000070000施肥用量（kg/hm2）N:225P2O5:82.5K2O:67.5有机肥：0N:195P2O5:75K2O:67.5有机肥：10000N:300P2O5:120K2

17、O:120有机肥：10000N:225P2O5:90K2O:90有机肥：10000施肥方法N、P、K肥均基施；40%N肥和全部P、K肥基施；60%N肥拔节期追施30%N、65%P、K肥，全部有机肥基施；40%N、20%P、20%K肥拔节期追施；10%N、15%P、15%K肥大喇叭口期追施；20%N抽雄期追施30%N、65%P、K肥，全部有机肥基施；40%N、20%P、20%K肥拔节期追施；10%N、15%P、15%K肥大喇叭口期追施；20%N抽雄期追施1.3 测定项目与方法2012年和2013年分别在成熟期取代表性植株5株，按茎叶、穗轴、子粒分别进行处理。105杀青30min，然后80烘干至恒

18、重，分别称重。计算单株玉米器官干物质重量。植株氮磷钾等养分含量分别用FOSS公司的KjelteeTM8400全自动凯氏定氮仪、钒钼黄比色法、火焰光度法测定钾测定17。每个小区收获中间4行果穗，装入尼龙网袋，晒干脱粒称重，随机选取30个测定穗行数、行粒数、百粒重等。于2013年分别在拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）和成熟期（R6）选择有代表性的植株，每处理10株，测定叶片的长宽值。在花后20天和花后30天采用美国LICOR公司生产的LI-6400光合测定仪（开放式气路），测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）等光合参数，每个小区连续测定8-10株，取其平均

19、值。图1玉米生育时期间降雨量及有效积温（2012-2013年）Fig.1 rainfall and accumulated temperature during the growth period单叶叶面积=长×宽×0.75。叶面积指数=（单株叶面积×单位土地叶面积内的株数）/单位土地面积。偏生产力（kg/kg）=施肥区产量/施肥量。2 结果与分析2.1 不同农艺运筹模式下的玉米产量及其构成 CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3处理两年的平均产量分别为9520、10943、12966、12582kg/hm2，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理分别比CK处理

20、产量高出14.9%、36.2%、32.2%，且处理间差异显著。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理两年的平均生物量分别比CK处理高出4.3%、30.7%、10.8%（表2）。收获穗数的显著增加是产量增加的主要构成因素。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理两年的收获穗数平均值分别比CK处理增加22.7%、47.2%、43.9%，且处理间差异显著。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理的穗粒数和百粒重较CK明显降低，降幅分别为5.9%、18.7%、15.5%和1.2%、10.0%、11.7%。表2 不同农艺运筹模式下产量及其构成因素Table 2 yield and its component

21、s under different agricultural management modes年份year处理Treatment总生物量 Biomass(kg/hm2)产量Grain yield(kg·hm-2)收获穗数Ear number（ear/hm2）穗粒数Grain number百粒重100-grain weight（g）2012CK20790c9560d46500d604a37.2bOpt-122093b10818c56667c574b37.6aOpt-228018a13050a65208b499d34.3cOpt-323440ab12729ab64375b505d34.8

22、c2013CK20539c9480d46875d609a38.9aOpt-121014b11068c57917c568b37.6bOpt-225980a12882a72292a487e34.2cOpt-322334ab12435b70000ab520c32.4d注（Note）:同列数据后不同字母表示同一年份处理间差异达5%显著水平。下同。Different letters after the data in the same column indicate that the difference between treatments in the same year reaches a sig

23、nificant level of 5%. As follows.2.2 不同农艺运筹模式下玉米养分积累从秸秆、子粒N、P、K养分积累量来看，两年均表现为Opt-1、Opt-2、Opt-3处理高于CK处理，且Opt-1、Opt-2、Opt-3处理的吸氮量两年平均值较CK处理分别增加了14.5%、49.2%、30.5%，其中Opt-2和Opt-3处理最高，且两处理间无显著差异（图2、图3、图4）。主要原因是Opt-2和Opt-3处理在拔节期深松，且氮肥分四次施入，磷钾肥均分三次施入，加之2012年和2013年的生育时期内雨水较充足，进一步促进了植株对养分的吸收。Opt-2和Opt-3处理秸秆氮素

24、积累量分别占整株25.9%和24.6%，秸秆磷素积累量分别占整株15.2%和14.5%，秸秆钾素积累量分别占整株80.5%和79.8%，说明Opt-2处理养分积累量高，但吸收的养分多集中于茎叶中，转化到子粒中的效率相对较低。在CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3处理中同一植株内秸秆与子粒氮积累量的两年平均比例分别为1.0：3.1、1.0：2.61.0：2.8、1.0：3.1，磷积累量的平均值比例分别为1.0：6.6、1.0：5.6，1.0：5.8、1.0：5.9，钾积累量的平均值比例分别为3.3：1.0、4.4：1.0、4.1：1.0、4.6：1.0。结果表明，CK处理与Opt-3处理平均

25、比例相似，Opt-1、Opt-2处理中子粒氮积累量相对降低。由秸秆与子粒磷积累量的平均比例来看，与CK处理相比，其他三个处理中的子粒钾积累量均下降，Opt-3处理下降最少。由秸秆与子粒钾积累量的平均比例来看，不同处理间秸秆中的钾积累量呈上升趋势，其中CK处理中秸秆钾积累量最低。 图2 不同农艺运筹模式下各器官氮积累量Fig. 2 N accumulation in various organs under different agronomic management modes注(Note)：柱上不同字母表示同一年份不同处理间间差异显著(p<0.05)。下同。Different lett

26、ers above bars mean significant differences among treatments in the same year at the 5% level.As follows 图3 不同农艺运筹模式下各器官磷积累量Fig. 3 P Accumulation in various organs under different agronomic management modes 图4 不同农艺运筹模式下各器官钾积累量Fig. 4 K accumulation in various organs under different agronomic manageme

27、nt modes2.3 不同农艺运筹模式下养分偏生产力与CK处理相比较，Opt-1、Opt-3处理的玉米氮肥和磷肥偏生产力均有显著提高，Opt-1、Opt-3处理平均两年的氮肥和磷肥偏生产力分别比CK处理增加33.1%-37.5%和22.1%-31.0%，均达显著水平（表3）。表明Opt-1、Opt-3处理有利于养分综合利用效率的提高。而Opt-2处理的氮肥、磷肥和钾肥偏生产力与CK相比持平或略有下降，可见Opt-2处理肥料用量过多，导致其养分综合利用效率没有提高甚至下降。表3 不同农艺运筹模式下玉米氮、磷、钾肥偏生产力Table 3 Partial productivity of N, P

28、and K in maize under different agronomic management modes年份Year处理Treatment氮肥偏生产力Partial factor productivity of N磷肥偏生产力Partial factor productivity of P钾肥偏生产力Partial factor productivity of K2012CK42.3c115.4c141.0aOpt-155.5a144.2a131.1cOpt-243.5bc108.8c108.7dOpt-353.9a134.8ab134.8ab2013CK39.4c107.3c131

29、.2bOpt-156.8a147.6a134.2abOpt-241.9bc104.9c104.8cOpt-354.8a137.1b137.1a2.5 不同农艺运筹模式对玉米群体光合特性的影响2.5.1 不同农艺运筹模式下叶面积指数（LAI）叶片是玉米进行光合作用的主要器官，是截获光能的物质载体。由图6可知，不同农艺运筹模式下的春玉米LAI均在吐丝期达最大值。从V6到V12，Opt-1、Opt-2处理的LAI最高；从V12到RT，Opt-2、Opt-3处理的LAI升高最快；从VT到R6，Opt-2处理的LAI维持在5.0以上，Opt-3处理的LAI维持在4.7以上，说明Opt-2、Opt-3处理

30、开花期LAI较高且花后LAI下降速率减缓。可见，通过对种植密度、施肥和耕作方式的优化，可以进一步提高生育后期叶片抗衰老能力，有利于产量和养分积累的协调提高。图6 不同农艺运筹模式对玉米叶面积指数（LAI）的影响Fig. 6 Impacts on maize Index of leaf area under different agronomic management modes2.5.2 不同农艺运筹模式下玉米群体光合特征光合作用的强弱对玉米生长发育及产量有着至关重要的影响，提高玉米吐丝后群体光合速率可明显提高产量。由表4可知，净光合速率、气孔导度及蒸腾速率在不同农艺运筹模式下存在显著差异。在

31、花后20天和花后30天，其玉米群体的净光合速率和气孔导度均表现为Opt-2>Opt-3>Opt-1>CK，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理两个时期的平均净光合速率分别比CK处理增加15.%、27.7%和22.0%，气孔导度分别比CK处理增加5.5%、39.9%、5.6%，且Opt-2处理的蒸腾速率高于其它处理。可见种植密度、施肥方式和耕作方式的集成优化可以提高净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，有利于增强春玉米叶片的光合性能。表4不同农艺运筹模式下玉米群体光合特征Table 3 Photosynthetic characteristics of maize populati

32、on under different agronomic management modes时期Stage处理Treatment净光合速率PnNetphotosynthetic rate气孔导度GsStomatal conductance蒸腾速率TrTranspiration rate(mol·(m-2·s-1) (mol·(m-2·s-1) (mmol·(m-2·s-1)花后20天CK23.8b0.24b4.46bOpt-126.4ab0.25b5.06bOpt-229.8a0.35a5.75aOpt-328.3a0.24b4.75b

33、花后30天CK17.6b0.17b3.21bOpt-121.4a0.17b3.59bOpt-223.0a0.21a4.13aOpt-322.2a0.19ab4.23a3 讨论3.1 不同农艺运筹模式对玉米产量构成因素的影响 本研究结果表明，通过种植密度、施肥方式和耕作方式的集成优化可以使玉米产量较农户模式提高25.7%-48.9%。任百朝等18研究表明通过增加种植密度可以有效增加收获穗数，进而提高产量，本研究中，产量的提升也主要来自群体穗数的增加；同时，Opt1、Opt2和Opt3处理下的穗粒数和百粒重降低，但群体穗数增加的效应显著大于单株效应的降低19，即通过增密实现玉米高产。3.2 不同农

34、艺运筹模式对玉米养分积累的影响 本研究中，将CK处理中的“一炮轰”施肥方式改成肥料基施和不同生育时期的追施更有利于玉米地上部的养分吸收，这与我们前期研究结果一致16。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理秸秆中N、P、K积累量两年平均值分别比CK处理增加29.2%-57.6%、11.2%-52.4%、44.0%-69.5%。子粒中N、P、K积累量两年平均值分别比CK处理增加9.7%-46.6%、2.1%-30. 8%、6.0%-24.5%。Opt-2处理与Opt-1和Opt-3处理相比，其氮肥用量分别增加53.9%和33.3%，处理间养分积累量差异明显，但是子粒养分积累量并无显著差异，这表明O

35、pt-2处理下植株养分多集中于子粒，存在奢侈吸收现象21。且其处理下氮肥和磷肥偏生产力与CK处理无显著差异，即Opt-2处理肥料施用量过高。综合分析，在本试验条件下，氮肥用量为225kg/hm2时的养分综合利用效率最高。3.3 不同农艺运筹模式对玉米光合特性的影响 前人研究表明，深松与旋耕相比，前者可以进一步加强施氮对玉米叶片光合性能的促进作用20。合理的种植密度可以延长叶片功能期，提高生育后期叶片抗衰老能力，进而实现高产21。本试验中，通过对种植密度、施肥方式和深松的集成优化，开花期LAI明显升高，花后LAI下降速率减缓，进一步提高了玉米产量，延长了叶片持绿期及有效光合时间，有利于玉米吐丝后

36、群体光合速率的提升，进而增加养分吸收，实现高产22。4 结论 通过增加密度、养分调控、土壤深松为核心的集成优化可以显著提升玉米群体叶面积指数、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，进而促进群体养分吸收，实现产量与效率的协同提升。本研究中，Opt-3处理中的优化效果最佳，可实现产量与肥料偏生产力的同步提高。参考文献1董树亭,张吉旺.建立玉米现代产业技术体系,加快玉米生产发展J.玉米科学,2008(04):18-20+25.Dong S t, zhang J w. establishment of modern maize industrial technology system and acceler

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