盧圓明,王科捷,楊喬喬,王 佳,康建宏
(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750000;2.平羅縣紅果子鎮(zhèn)農(nóng)技站,寧夏 平羅 753400)
【研究意義】玉米是我國產(chǎn)量最高的糧食作物,2021年種植面積約4.332×107hm2,是糧食增產(chǎn)的主力軍,玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)定對(duì)我國的糧食安全起著重要作用[1]。在寧夏,玉米在糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料等方面具有多種用途,寧夏引黃灌區(qū)的玉米產(chǎn)量高,增產(chǎn)潛力大,在種養(yǎng)方面具有重要地位[2]。磷是玉米生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素,磷可以通過酶催化、能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等來控制葉綠素、蛋白質(zhì)、碳水化合物的合成以及光合同化產(chǎn)物的生產(chǎn)及運(yùn)輸[3]。施用磷肥能有效提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率[4]。玉米生長發(fā)育中吸收量最多的元素是氮素,適宜的氮肥可增加玉米的千粒重和穗粒重[5]。然而并非肥料施的越多作物產(chǎn)量就越高,超過一定限度的氮磷肥施入土壤中,不僅會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn),未被作物吸收的養(yǎng)分還會(huì)隨著降雨或灌溉水進(jìn)行下滲污染地下水;部分未被利用的氮素經(jīng)過氨揮發(fā)、硝化進(jìn)入大氣,污染大氣環(huán)境[6]。由于磷素在土壤中運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移能力較弱,施入土壤的磷肥大部分以無效態(tài)殘存,少部分與水溶解被植物吸收[7]。玉米產(chǎn)量隨磷肥施用增加而增加,過量施用磷肥會(huì)造成玉米產(chǎn)量下降?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】肥料隨水分次滴施的有效性、溶解性和移動(dòng)性均高于一次性施入和隨水直接施入[8],可以促進(jìn)作物對(duì)肥料的吸收和肥料利用率[9],磷肥分次施入能夠提高作物穗粒數(shù)和粒重,從而提高產(chǎn)量[10]。對(duì)引黃灌區(qū)玉米種植戶進(jìn)行調(diào)查訪問,當(dāng)?shù)赜衩壮R?guī)施肥量為氮肥、磷肥、鉀肥用量為417、142.50、43.50 kg/hm2。有學(xué)者研究表明,滴灌水肥一體化下農(nóng)民一般施氮水平(228 kg/hm2)下減量30%氮肥不會(huì)顯著影響玉米產(chǎn)量[11]。因此,在寧夏玉米生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行滴灌水肥一體化氮磷配施,是協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)赜衩追€(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑[12]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】銀川平原為寧夏地區(qū)的玉米主產(chǎn)區(qū),土壤為淡灰鈣土,有效氮磷含量低,一般種植措施為過量施用,從而導(dǎo)致肥料利用率低和增加種植成本。在往常施肥習(xí)慣與研究中,前人注重氮肥的施用,而忽視氮磷配施對(duì)玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】在滴灌水肥一體化條件下,明確滴灌條件下氮磷配施量對(duì)玉米產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量及各器官養(yǎng)分積累與分配的影響,確定銀川平原引黃灌區(qū)水肥一體化氮磷配施的最佳施用比例,為當(dāng)?shù)赜衩椎母弋a(chǎn)高效栽培提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)于寧夏農(nóng)林科學(xué)院作物研究所望洪基地進(jìn)行,平均海拔約1110 m;年平均降水量202.20 mm,全年≥10 ℃,積溫3210 ℃,無霜期150~170 d,年均日照2897.50 h。前茬作物均為玉米。土壤類型為淡灰鈣土,播種前測(cè)得耕層0~20 cm土壤2019年平均pH 8.33,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮、速效磷、速效鉀分別為16.42 g/kg、70.66 mg/kg、1.10 g/kg、42.83 mg/kg、173.25 mg/kg。2020年平均pH 8.49,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮、速效磷、速效鉀為17.16 g/kg、76.72 mg/kg、1.16 g/kg、43.80 mg/kg、175.48 mg/kg。
由圖1可知,2019年和2020年玉米生育期的溫度都是先升高后降低,滿足玉米生長發(fā)育所需的積溫。溫度降雨表現(xiàn)為下降—上升—下降趨勢(shì),降雨量兩年內(nèi)均在7、8月較高,2019年全生育期降雨量范圍在199.6~201.4 mm,2020年全生育期降雨量范圍在201.0~205.3 mm。
圖1 2019年和2020年玉米生育期降雨及溫度Fig.1 Rainfall and temperature during the growing season of maize in 2019 and 2020
供試玉米品種為自治區(qū)審定品種銀玉274,為寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所新選育的雜交種,具有抗旱、耐密、倒伏率低、脫水快的特點(diǎn)。試驗(yàn)肥料:尿素(N≥46.4%)由中國石油天然氣股份有限公司生產(chǎn),磷酸一銨 (P2O5≥61%、N≥12%)由四川龍蟒磷化工有限公司生產(chǎn),新境界牌硫酸鉀(K2O≥52%),均為水溶性肥料。
本試驗(yàn)以氮、磷為試驗(yàn)因子(處理中氮、磷、鉀肥用字母N、P、K替代),采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。經(jīng)調(diào)查研究,當(dāng)?shù)赜衩壮R?guī)氮、磷、鉀施用量為417、142.50、43.50 kg/hm2,按照當(dāng)?shù)爻R?guī)用量設(shè)為100%, 氮、磷肥常規(guī)施用量70%為291.90、99.75 kg/hm2。130%氮、磷肥施用量為542.10、185.25 kg/hm2。按比例設(shè)置6個(gè)氮、磷配施處理,T1 (N 0、P 0),T2 (N 100%、P 70%),T3 (N 100%、P 100%),T4 (N 70%、P 100%)、T5 (N 130%、P100%)、T6 (N 130%、P 130%)。每個(gè)處理重復(fù)3次,每小區(qū)長10 m,寬4.4 m,小區(qū)面積44 m2;每區(qū)組間設(shè)置1 m寬的走道,四周設(shè)保護(hù)行。玉米種植規(guī)格為寬窄行種植,寬行70 cm,窄行40 cm,平均行距55 cm,玉米株距18 cm,種植密度90 000株/hm2。鉀肥施用量均為43.50 kg/hm2。按當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣隨滴灌(常規(guī)灌水量3300 m3/hm2)施入,滴灌帶鋪設(shè)在窄行。試驗(yàn)不施基肥,各處理全生育期氮、磷、鉀肥均隨水滴施,于苗期施肥1次、拔節(jié)期施肥3次、抽雄期施肥1次、灌漿期施肥3次,每次施入量均一致,為全生育期施用量的1/8。
1.5.1 干物質(zhì)積累測(cè)定 在玉米出苗后隔20 d取樣1次直至收獲,取樣時(shí)隨機(jī)挑選長勢(shì)均勻的玉米全株3株,在試驗(yàn)室按照莖+鞘、葉片、穗部(籽粒+穗軸+苞葉)三部分裝袋放入烘箱于105 ℃殺青30 min后再80 ℃烘干至恒重,稱其干重。
1.5.2 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 堿解氮采用堿解擴(kuò)散-標(biāo)準(zhǔn)酸滴定法測(cè)定,有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[13]。
1.5.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 各小區(qū)測(cè)產(chǎn)面積為24 m2,計(jì)算各測(cè)產(chǎn)區(qū)供測(cè)植株有效穗數(shù)、穗粒重、百粒重。人工脫粒后測(cè)鮮粒重和含水率,并折算成含水量為14%的產(chǎn)量。
1.5.4 干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)模擬 以出苗后天數(shù)(t)為自變量,出苗后40 d取玉米全株3株測(cè)干物質(zhì)重作為因變量(w),用Logistic方程w=ae-exp(b-ct)對(duì)干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬分析,通過Curve Expert 1.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到 Logistic方程參數(shù)a、b、c(a為終極生長量;b為初值參數(shù);c為生長速率參數(shù))。干物質(zhì)積累高峰Tmax(干物質(zhì)積累量達(dá)到50%時(shí)所需的時(shí)間)=(lnb)/c;干物質(zhì)積累速率最大時(shí)的生長量Wmax=a/2;最大干物質(zhì)積累速率Gmax=(cWmax)/2;達(dá)到活躍生長期時(shí)的天數(shù)P(大約完成總積累量的90%)=2×(3/c)。
1.5.5 植株養(yǎng)分測(cè)定 成熟期各小區(qū)取3株代表性植株,分為籽粒、葉片、莖、雄穗+穗軸,烘干后粉碎過篩,用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮法測(cè)定含氮量[13]。植株全鉀含量采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計(jì)法測(cè)定。土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮,鉬銻抗比色法測(cè)定[14]。
1.5.6 相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算 參照隋鵬祥等[15]的方法,測(cè)定和計(jì)算下列指標(biāo)。
花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累貢獻(xiàn)率=(開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量)/籽粒干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量×100%
花后干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量(g/株)=成熟期干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量-開花期干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累量
花后干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累對(duì)子粒干物質(zhì)營養(yǎng)元素積累貢獻(xiàn)率=100%-花前積累干物質(zhì)器官營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)或器官營養(yǎng)
氮、磷肥料偏生產(chǎn)力(kg/kg) = 施氮、磷肥后作物產(chǎn)量/施氮、磷肥量[16]
氮肥利用率(%)=(施氮區(qū)植株地上部磷素累積量-不施氮區(qū)植株地上部磷素累積量)/氮肥施用量×100%[17]
磷肥利用率(%)=(施磷區(qū)植株地上部磷素累積量-不施磷區(qū)植株地上部磷素累積量)/磷肥施用量×100%[17]
采用 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理;使用Origin 2021作圖;使用SPSS 23.0軟件和Curve Expert 1.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
由圖2可知,在出苗后40 d時(shí),各處理間干物質(zhì)無顯著差異。出苗后60~100 d時(shí),由于處于玉米抽雄至籽粒形成期,各處理干物質(zhì)積累速率加快,此階段,T4處理干物質(zhì)積累速率顯著高于其它處理(P<0.05)。出苗后100~140 d時(shí),籽粒灌漿逐漸飽滿,各部位向籽粒轉(zhuǎn)移積累速率開始減慢,干物質(zhì)積累量開始減緩。2019年T4處理此階段減緩速率較快,可能由于2019年8月降雨增多,施肥時(shí)土壤含水量較高,肥料難以隨水下滲,造成后期肥料供應(yīng)不充足。2020年8月降水相對(duì)較少,施肥時(shí)土壤含水量較低,肥料隨水下滲較快。T4處理在出苗后140 d干物質(zhì)積累量顯著高于其它處理,較其它處理干物質(zhì)積累量增加6.28%~22.90%,T4處理可提高玉米干物質(zhì)積累量。
圖中同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。The representation of no same lowercase letters after the same column of data in the figure is significantly different (P<0.05).圖2 2019年和2020年不同氮磷配施量對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響Fig.2 Effects of different nitrogen and phosphorus compounding amounts on maize dry matter accumulation in 2019 and 2020
由表1可知,葉片和莖鞘干物質(zhì)積累量在出苗后100 d內(nèi)累計(jì)增長,出苗100 d后穗部干物質(zhì)各器官干物質(zhì)積累量持續(xù)增長,葉片和莖鞘由于向籽粒轉(zhuǎn)移開始降低。在出苗100 d時(shí)T4處理葉片、莖鞘、穗部干物質(zhì)積累量顯著高于其它處理(P<0.05)。在出苗140 d時(shí),葉片、莖鞘、穗部干物質(zhì)積累量T4處理顯著高于其它處理,葉片、莖鞘、穗部干物質(zhì)積累量較常規(guī)配施量可平均提高20.32%、28.98%、10.27%。綜上而言,T4處理氮磷配施比例可顯著提高玉米各器官干物質(zhì)積累量。
表1 玉米各器官干物質(zhì)積累量Table 1 Accumulation of dry matter in various organs of maize (kg/hm2)
續(xù)表1 Continuedtable 1
使用Logistic方程模擬,由表2可知,T4處理較其它處理顯著提高成熟生長量和玉米干物質(zhì)最大積累速率。T1、T2處理干物質(zhì)最大積累速率顯著低于其它處理,氮、磷肥不足會(huì)降低干物質(zhì)最大積累速率。T4處理達(dá)到最大積累速率天數(shù),顯著高于其它處理,說明T4處理氮磷配施可以延緩玉米干物質(zhì)積累衰減。干物質(zhì)積累速率最大時(shí)的生長量表現(xiàn)為T4>T3>T5>T6>T2>T1,T4處理的活躍累計(jì)天數(shù)顯著高于其它處理,T4處理可以顯著提高干物質(zhì)積累時(shí)的活躍天數(shù)。
表2 不同氮磷配施對(duì)玉米總干物質(zhì)積累參數(shù)的影響Table 2 Effects of different nitrogen and phosphorus mixed applications on dry matter accumulation parameters
由表3可知,T4處理較其它處理相比,可顯著提高玉米葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率。與常規(guī)施肥T3處理相比,葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量可提高4.47%~14.80%,干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率提高4.90%~28.20%,對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率可提高7.60%~12.50%。T4處理對(duì)莖部的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率也有顯著促進(jìn)作用。T4處理莖和葉的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率顯著高于其它處理。與氮、磷肥常規(guī)施用處理T3相比,T4處理莖+葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和籽粒貢獻(xiàn)率提高4.60%~8.60%、7.80%~11.10%,T1、T2、T5、T6處理顯著低于T3處理對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量。
表3 不同氮磷配施對(duì)玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及貢獻(xiàn)率的影響Table 3 Effects of different nitrogen and phosphorus on dry matter movement of various organs and their contribution
由表4可知,同施磷條件下,玉米磷素積累量隨著施氮量增加呈先增加后減少趨勢(shì)。同施氮條件下,植株氮含量隨著施磷量增加先增加后減少。磷肥施用量一致,氮肥增施可提高磷肥偏生產(chǎn)力。T4處理氮磷配施下植株氮、磷元素吸收量顯著高于其它處理吸收量,說明合理配施有助于植株對(duì)氮、磷元素的吸收。在兩年間,T4處理平均氮肥利用率、磷肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、磷肥偏生產(chǎn)力較T3處理顯著提高52.23%、18.92%、57.07%、9.95%。氮與磷可互相促進(jìn),T4處理配施下為最優(yōu)配比,可顯著提高玉米磷素積累量、玉米氮素積累量、氮磷肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。
表4 不同氮磷配施對(duì)玉米植株養(yǎng)分及養(yǎng)分利用率的影響Table 4 Effects of different nitrogen and phosphorus combinations on plant nutrients and soil availability nutrients
由表5可知,T4處理與常規(guī)施肥量下氮磷配施T3處理有效穗數(shù)無顯著差異,較T1、T2、T5、T6處理有效穗數(shù)顯著提高,說明T4處理氮磷肥配施可提高玉米成穗率。T4處理穗粒數(shù)顯著高于其它處理,T4較T3處理相比,穗粒數(shù)增多2.20%~4.50%。T1處理顯著低于其它處理百粒重,T4處理對(duì)玉米百粒重較其它處理有顯著提高作用。T4處理產(chǎn)量顯著高于其它處理,與T3處理相比,產(chǎn)量提高8.34%~9.95%。說明,與引黃灌區(qū)常規(guī)氮磷肥施用相比,通過滴灌水肥一體化氮291.90 kg/hm2、磷肥142.50 kg/hm2配施可顯著提高玉米有效穗數(shù)、穗粒數(shù),從而提高玉米產(chǎn)量,產(chǎn)量最高為21 916.39 kg/hm2。
表5 不同氮磷混施對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 5 Effects of different levels of different factors on maize yield and its components
春玉米產(chǎn)量易受生育期內(nèi)干物質(zhì)積累和分配的影響,產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素是莖、葉、鞘中的干物質(zhì)積累向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)量是否充足。作物光合作用的最高表現(xiàn)形式是其產(chǎn)生的干物質(zhì)積累量,作物產(chǎn)量與其干物質(zhì)積累量有著密切關(guān)系,干物質(zhì)積累量會(huì)直接或間接影響作物產(chǎn)量[18]。玉米籽粒的形成一部分來源于花前營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),大部分來自花后干物質(zhì)積累。其轉(zhuǎn)運(yùn)量受多方面影響,例如環(huán)境、品種及栽培措施等[19]。張佳寶等[20]認(rèn)為氮肥的增施對(duì)玉米花前干物質(zhì)積累量、開花后貯藏和轉(zhuǎn)運(yùn)量有著促進(jìn)作用。張磊等[21]研究表明當(dāng)?shù)实氖┯贸^范圍,物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率都呈下降趨勢(shì)。本研究表明在銀川平原,施氮水平在0~291.90 kg/hm2范圍內(nèi)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率都會(huì)隨著施氮水平的提高而提高,超過此范圍則會(huì)下降,此結(jié)論與兩位學(xué)者[20-21]研究結(jié)論一致。熊偉仡等[22]研究表明施氮量高于180 kg/hm2時(shí),干物質(zhì)積累量無顯著增加,本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮肥施用量超過291.10 kg/hm2時(shí),干物質(zhì)積累量開始降低,造成此原因可能是本試驗(yàn)在銀川平原進(jìn)行,該地土壤養(yǎng)分含量較少,因此施肥量較高。
單純施用一種元素肥料不能保證作物生長及產(chǎn)量,只有土壤中氮、碳、磷、鉀等有機(jī)質(zhì)比例適當(dāng)時(shí),作物才能正常生長[23]。滴灌水肥一體化可根據(jù)作物水肥需求規(guī)律進(jìn)行適時(shí)供給,提高水肥利用效率[24]。有學(xué)者認(rèn)為氮磷配施可促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收,氮肥利用率提高4.50%~27.73%[25]。合理的氮磷配施還可以提高土壤中堿解氮和有效磷含量,但用量過高會(huì)造成一定負(fù)作用[26],本實(shí)驗(yàn)在引黃灌區(qū)滴灌水肥一體化下氮291.90 kg/hm2、磷142.5 kg/hm2配施與當(dāng)?shù)爻R?guī)灌溉施肥量相比,可顯著提高氮肥利用率,對(duì)玉米氮、磷元素的吸收利用有促進(jìn)作用,超過此配施量,則開始降低。出現(xiàn)此結(jié)果可能由于滴灌水肥一體化是肥料與水混勻完全施入,這樣會(huì)減少肥料的揮發(fā)和流失,從而提高水肥利用率。若按照漫灌施肥量在此條件下施用,會(huì)造成施肥過量,不利于土壤微生物分解和植株吸收利用。
玉米的高產(chǎn)離不開充足的氮肥供應(yīng)[27],卻忽視了各種肥料配比及過多施肥反而會(huì)抑制植株的生長[28],合理的氮磷配施對(duì)玉米的營養(yǎng)器官貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)起到十分重要的作用[29],也有助于春玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收和生物量的積累[30],這可能受氮磷元素的交互作用影響。引黃灌區(qū)滴灌水肥一體化下氮291.90 kg/hm2、磷142.50 kg/hm2配施可顯著提高玉米體內(nèi)氮、磷元素的積累量,還可提升作物干物質(zhì)最大積累速率及活躍天數(shù),使干物質(zhì)積累量顯著高于其它處理干物質(zhì)積累量,促進(jìn)玉米各器官干物質(zhì)對(duì)籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)及轉(zhuǎn)運(yùn)率的提高,使籽粒灌漿充足,百粒重、有效穗、穗粒重、產(chǎn)量顯著高于其它處理,產(chǎn)量最高為21 916.39 kg/hm2。
T4處理較其它配施處理相比可顯著提高春玉米花前與花后干物質(zhì)積累量,并可以提高干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、作物氮、磷元素的及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率,從而增加產(chǎn)量。在引黃灌區(qū)滴灌水肥一體化施氮291.90 kg/hm2、磷142.50 kg/hm2配施為最佳配施比例,若在此區(qū)域內(nèi)不同栽培地進(jìn)行氮磷肥最優(yōu)配施,還應(yīng)根據(jù)土壤養(yǎng)分、氣候條件和品種對(duì)施用量進(jìn)行調(diào)整。