引用本文
陶志强, 陈源泉, 李超, 袁淑芬, 师江涛, 高旺盛, 隋鹏. 华北低平原不同播种期春玉米的产量表现及其与气象因子的通径分析. 作物学报, 2013, 39(9): 1628-1634[TAO Zhi-Qiang, CHEN Yuan-Quan, LI Chao, YUAN Shu-Fen, SHI Jiang-Tao, GAO Wang-Sheng, SUI Peng. Path Analysis between Yield of Spring Maize and Meteorological Factors at Different Sowing Times in North China Low Plain. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(9): 1628-1634]  
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华北低平原不同播种期春玉米的产量表现及其与气象因子的通径分析
陶志强1, 陈源泉1, 李超2, 袁淑芬1, 师江涛2, 高旺盛1,*, 隋鹏1,*
1中国农业大学农学与生物技术学院, 北京100193
2中国农业大学吴桥实验站, 河北沧州061800
*通讯作者(Corresponding authors): 高旺盛, E-mail:wshgao@cau.edu.cn; 隋鹏, E-mail:suipeng@cau.edu.cn
基金:本研究由国家公益性行业科研专项(201103001)和国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD16B15)资助。
摘要

针对华北地区种植春玉米面临的灌浆期高温胁迫问题, 2011—2012年在河北省吴桥县开展了2个春玉米品种(郑单958播种于2011年, 金海5号播种于2012年)的播期试验, 以探讨气象因子与玉米产量间的关系, 为通过调整播种期减轻春玉米灌浆期的高温胁迫提供理论依据。结果初步表明, 不同播种期使春玉米灌浆时期发生变化, 因而灌浆期气象因子特征表现出差异。4月上旬播种与其他播种期处理相比, 春玉米灌浆期光水资源丰富, 降雨量增加5.0~47.4 mm, 日照时数增多41.0~70.0 h、气温日较差大0.2~0.6℃, 但是, 高温胁迫严重(≥33℃天数多达15 d, 日均温高达28.4℃); 5月中旬播种的玉米灌浆期高温胁迫轻(≥33℃天数仅有8 d, 日均温平均26.0℃), 而光水资源相对充足; 4月中旬、4月下旬和5月上旬播种的玉米灌浆期高温胁迫相对严重; 5月下旬播种的玉米灌浆期高温胁迫相对较轻, 但阴雨寡照严重。两年的籽粒产量由高到低的播种期依次是, 4月上旬、5月中旬、5月上旬、4月下旬、4月中旬、5月下旬; 郑单958和金海5号在4月上旬播种的产量分别达9912 kg hm-2和11 046 kg hm-2, 在5月中旬播种的产量分别达9906 kg hm-2和10 852.5 kg hm-2, 其他4个播种期的产量比前两个播种期低6.0%~28.2%。通径分析表明, 4月上旬播种的玉米灌浆期气温日较差大、光照时数长, 对千粒重和穗粒数的直接正效应大, 从而缓解了高温胁迫负效应; 5月中旬播种的玉米产量较高是因为躲避了灌浆期高温胁迫, 但气温日较差和日照时数的正效应比4月上旬播种期的低, 因此比4月上旬播种的产量低; 4月中旬、4月下旬、5月上旬、5月下旬各播种处理的千粒重和穗粒数受高温胁迫或阴雨寡照影响较大, 且气温日较差和光照时数正效应较小, 产量下降明显。

关键词: 华北; 春玉米; 播种期; 产量; 温度; 光照; 降雨
Path Analysis between Yield of Spring Maize and Meteorological Factors at Different Sowing Times in North China Low Plain
TAO Zhi-Qiang1, CHEN Yuan-Quan1, LI Chao2, YUAN Shu-Fen1, SHI Jiang-Tao2, GAO Wang-Sheng1,*, SUI Peng1,*
1College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
2Wuqiao Experimental Station, China Agricultural University, Cangzhou 061800, China
Abstract

In order to study high temperature stress problem of spring maize at grain filling stage in North China Plain, an experiment was conducted using two varieties (Zhengdan 958 and Jinhai 5) sown in six sowing times in Wuqiao County, Hebei Province. We investigated the relationship between meteorological factors and maize yield, hoping to find the evitable sowing time to avoid high temperature stress at grain filling stage. Preliminary results showed that meteorological factors during grain filling stage were different when the sowing time was different. Compared with other sowing time, the treatment with sowing time of early April had more than 5.0-47.4 mm of rainfall, more than 41.0-70.0 h of sunshine, and 0.2-0.6°C of diurnal temperature , but the most serious high temperature stress ( ≥33°C days and mean daily temperature up to 15 d and 28.4°C respectively). Compared with other sowing time, the treatment with sowing time of mid May had weak high temperature stress (≥33°C days and mean daily temperature up to 8 d and 26.0°C respectively), but more rainfall, sunshine hours and diurnal temperature range, that of Mid April, late April and early May had more serious high temperature stress. The sowing treatment of late May had weaker high temperature stress, but more rainfall, less sunshine hours and diurnal temperature range. The order of grain yield for different sowing times from high to low was early April, mid May, early May, late April, mid April, late May. Yield of Zhengdan 958 and Jinhai 5 was up to 9912.0 kg ha-1 and 11 046.0 kg ha-1 in early April respectively, 9906.0 kg ha-1 and 10 852.5 kg ha-1 in mid May respectively. Yield of the other four sowing times was 6.0%-28.2% lower than that of early April and mid May. The result of path analysis showed that the yield of spring maize sown in early April was the highest, due to its higher diurnal temperature range and sunshine hours, resulting in the greater direct positive effects on 1000-grain weight and grain number per ear than those of other sowing treatments from flowering to maturity, and relieving the negative effect of high temperature stress. The yield of spring maize sown in mid May was higher than that of other sowing treatments (except sown in early April), because of avoiding high temperature stress, increasing 1000-grain weight and grain number per ear, while its lower diurnal temperature range and sunshine hours led to lower yield compared with that sown in early April. High temperature stress or cloud and drizzle had higher negative effect on 1000-grain weight and grain number per ear, and diurnal temperature range and sunshine hours had lower positive effect on yield in other sowing date (mid April, late April, early May, and late May).

Keyword: North China; Spring maize; Sowing time; Yield; Temperature; Sunshine; Rainfall

高温是影响玉米产量的重要因子之一[1,2], 玉米灌浆期受高温胁迫会减少穗粒数并降低粒重[3,4]。华北平原是我国粮食主产区, 也是我国水资源紧缺地区。传统的冬小麦复种夏玉米一年两熟制, 尤其是冬小麦消耗大量的农业用水[5], 导致该区的粮食生产用水供需矛盾突出。因此, 寻求新的节水型种植制度替代麦玉两熟的高耗水种植制度, 成为研究解决该区水资源危机的农业技术途径之一。有研究认为, 春玉米生长期和华北平原降水的时间分布和空间分布耦合度最好, 生产潜力优于夏玉米[6,7], 并且春玉米比夏玉米平均增产1600 kg hm-2 [8]。然而, 受灌浆期高温胁迫的制约[9,10], 该区春玉米现实产量与理论产量差异极大。据报道, 玉米大田生产中, 灌浆期遇到≥33℃的高温能够减少穗粒数并且抑制灌浆, 降低产量[11,12,13]。根据中国农业大学吴桥实验站气象资料统计, 该地区≥33℃高温天发生于6月至8月, 2008—2012年年均23 d, 而传统播种期(4月25日前后)的春玉米灌浆期必然与高温期相遇。当前, 华北地区春玉米适宜播种期的研究虽有报道[8,10], 但是播种期设置间隔较大(15~30 d), 并且针对播种期所产生的春玉米关键生育期气象因子变化及其与玉米产量结构因子的相关关系更是鲜有报道, 春玉米适宜播种期的详细研究不足; 另外, 目前的研究关于气象因子与产量之间关系的分析较多, 灌浆期气象因子与千粒重和穗粒数的相关分析鲜见报道, 而灌浆期是形成千粒重和穗粒数的关键时期。因此, 通过调整播种期, 躲避春玉米灌浆期高温胁迫是值得研究的技术途径之一。本研究基于田间试验, 研究气象因子对不同播种期春玉米产量及其构成因素的影响, 为探索华北地区春玉米高产的技术提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验时间和地点

田间试验于2011年和2012年在中国农业大学吴桥实验站(37°41′02″N, 116°37′23″E)进行。该站地处华北平原黑龙港流域中部, 试验地土壤是粉壤 土[14], 0~20 cm土层的基础养分情况为, 有机质14.5 g kg-1、全氮0.98 g kg-1、碱解氮65.2 mg kg-1、速效钾124.9 mg kg-1、有效磷(Olsen-P) 15.3 mg kg-1。近十年的年均降雨量和年均气温分别是544 mm和13.1℃。

1.2 试验材料与方法

2011年选用玉米( Zea maysL.)品种郑单958, 设置6个播种期, 分别是4月2日、4月12日、4月22日、5月2日、5月12日、5月22日。为了筛选籽粒产量较高的品种, 2011年开展了4月22日播种的2个玉米品种(郑单958和金海5号)比较试验, 结果表明, 金海5号产量、千粒重、穗粒数较高。因此, 2012年选用玉米品种金海5号, 设置6个播种期, 分别是4月5日、4月15日、4月25日、5月5日、5月15日、5月25日, 随机区组设计, 3次重复。播种期4月2日和4月5日的处理, 为防止气温过低影响正常出苗, 播种后用地膜覆盖。各个播种期处理的小区面积20 m2(4 m × 5 m), 种植密度为67 500株 hm-2, 宽(80 cm)窄(40 cm)行种植, 株距30 cm。总施氮量300 kg N hm-2, 分别于播前、拔节和大喇叭口期耧施, 比例为2∶1∶2; 播前一次性施入磷(P2O5) 90 kg hm-2, 钾(K2O) 45 kg hm-2, 磷肥和钾肥分别采用磷二铵和硫酸钾。因两年降水均较充足, 各处理分别于播前1周和拔节后各灌水75 mm, 播种期5月22日和5月25日的处理只在播前1周灌水75 mm。

玉米完熟时收获(苞叶枯黄, 乳线消失, 黑层形成)。每个小区取中间6 m2 (2 m × 3 m)田间测产, 测定株数、双穗株数、空秆株数并计算穗数, 按大小比例取10个果穗测定穗粒数, 晒干脱粒后测千粒重并折算产量。

气象数据从吴桥试验站的HL10型电子气象站(台湾Jauntering公司)获得, 包括不同播种期2个品种灌浆期(开花期至成熟期)的日均温、≥33℃天数、气温日较差、降雨量、日照时数。

经试验验证, 郑单958和金海5号是热敏感性相似的品种。将两个品种种在育苗盘中, 于三叶期置35℃/28℃ (昼/夜)光温培养箱中, 保持相对湿度75%、光周期14 h、光合有效辐射400 μmol m-2 s-1, 1周后观察发现2个品种苗长势和绿叶程度相似。

1.3 统计分析

采用SPSS13.0进行方差分析和通径分析。方差分析采用单因素方差分析(One-Way ANOVA), 各组均数的多重比较(Post Hoc Multiple Comparisons)选择Duncan’s multiple range tests ( P<0.05)。通径分析使用SPSS线性回归实现[15], 运用程序“Analyze— Regression—Linear”获得通径系数(线性回归方程的标准系数Standardized Coefficients)和相关系数, 任一自变量对因变量的间接通径系数=相关系数×通径系数。分别将郑单958和金海5号的千粒重、穗粒数设为因变量 Y1、 Y2和 Y3、 Y4; 分别将郑单958和金海5号灌浆期的日均温、≥33℃天数、气温日较差、降雨量、日照时数设为自变量 X1、 X2、 X3、 X4、 X5和 X6、 X7、 X8、 X9、 X10。

2 结果与分析
2.1 不同播种期春玉米的生长发育进程

不同播种期处理春玉米灌浆期的气象因子存在差异, 但2011年和2012年灌浆期气象因子在不同播种期处理间的表现相似(表1和表2), 具体表现为, 播种期4月上旬处理的玉米灌浆期光温水资源丰富, 播种期5月中旬处理的玉米灌浆期高温天数少、光水资源丰富, 播种期4月中旬、4月下旬和5月上旬处理的玉米灌浆期高温天数多且阴雨寡照, 播种期5月下旬处理的玉米灌浆期阴雨寡照。对2年各个播种期处理的春玉米灌浆期气象因子作平均值比较, 结果表明, 播种期4月上旬与播种期4月中旬、4月下旬、5月上旬、5月中旬、5月下旬相比, ≥33℃天数分别多0 d、3.5 d、5 d、6.5 d、8 d; 日均温分别高0.2℃、0.6℃、0.8℃、0.9℃、1.7℃; 气温日较差分别大0.2℃、0.2℃、0.3℃、0.5℃、0.6℃; 降雨量分别多14.9 mm、36.7 mm、30.5 mm、47.4 mm、5.0 mm、日照时数分别多41.0 h、66.5 h、69.5 h、45.0 h、70.0 h。从以上数据可以看出, 播种期5月中旬与4月中旬、4月下旬、5月上旬、5月下旬相比, ≥33℃天数少、日均温低、降雨量多、日照时数多; 而播种期4月中旬、4月下旬和5月上旬分别与播种期5月中旬相比, ≥33℃天数多、日均温高、降雨量多、日照时数少; 播种期5月下旬与播种期5月中旬相比, ≥33℃天数少、日均温低、气温日较差小, 降雨量大、日照时数少。

表1 不同处理春玉米的生长发育进程Table 1 Spring maize growth process of different treatments (month/day)
表2 不同播种期春玉米灌浆期气象因子的变化Table 2 Meteorological factors changes at different sowing time of spring maize from flowering to maturity
2.2 不同播种期对产量及产量结构三要素的 影响

春玉米各播种期产量的高低序依次是, 4月上旬、5月中旬、5月上旬、4月下旬、4月中旬、5月下旬。造成该产量结果的原因是各播种期春玉米的千粒重和穗粒数的差异(表3)。2011年郑单958播种期4月2日的产量分别比播种期4月12日、4月22日、5月2日、5月12日、5月22日高20.9%、13.5%、8.1%、3.1%、28.2%; 穗数分别多0.7%、1.0%、0.7%、0.5%、1.0%; 千粒重分别高7.8%、5.2%、3.0%、0.7%、10.6%; 穗粒数分别高12.1%、7.9%、4.8%、2.3%、15.9%。2012年金海5号播种期4月5日的产量分别比播种期4月15日、4月25日、5月5日、5月15日、5月25日高17.7%、9.9%、6.0%、2.9%、23.4%; 穗数分别多0.7%、1.2%、1.0%、0.5%、1.2%; 千粒重分别高10.3%、5.8%、3.2%、1.5%、15.2%; 穗粒数分别高6.5%、3.9%、2.6%、1.4%、7.1%。

2.3 千粒重和穗粒数与气象因子的通径分析

郑单958的千粒重和穗粒数与灌浆期气象因子的通径分析结果表明(图1-A, B; 表4), 限制千粒重和穗粒数的主要气象因子是高温(≥33℃天数和日均温), 其次是阴雨寡照。≥33℃天数对千粒重和穗粒数起直接负效应(-2.956和-3.262), 而≥33℃天数与日均温(0.946)相关性较高, 并且日均温通过≥33℃天数对千粒重和穗粒数起间接负效应(-2.456和-3.086), 说明灌浆期存在高温胁迫限制千粒重和穗粒数。降雨量对千粒重和穗粒数起一定程度的直接负效应(-0.685和-0.088), 降雨量与日照时数相关性(0.908)较高, 而日照时数通过降雨量对千粒重和穗粒数起一定程度的间接负效应(-0.622和-0.080), 但是日照时数对千粒重和穗粒数的直接正效应(1.500和1.247)更大, 结合表2和本研究的灌浆期气象资料记载来看, 灌浆期存在阴雨寡照气候生态条件, 说明降雨量对千粒重和穗粒数的负效应以及日照时数通过降雨量对千粒重和穗粒数的负效应是在降雨量较多而日照时数较少的气象生态条件下发生的。气温日较差对千粒重和穗粒数起一定程度的直接正效应(0.406和1.244), 并且与≥33℃天数和日均温的相关性较高(0.946和0.897), 而≥33℃天数和日均温通过气温日较差对千粒重和穗粒数起间接正效应, 说明虽然高温胁迫降低千粒重和穗粒数, 但高温又有利于形成较大气温日较差, 对千粒重和穗粒数起一定的间接正效应。

表3 不同播种期处理的产量表现及主要农艺性状Table 3 Yield performance and main agronomic traits of spring maize at different sowing time

金海5号的千粒重和穗粒数与灌浆期气象因子的通径分析结果表明(图1-C, D; 表4), 限制千粒重和穗粒数的主要气象因子是高温(≥33℃天数和日均温), 其次是阴雨寡照。日均温对千粒重和穗粒数起直接负效应(-16.332和-17.760), 而日均温与≥33℃天数相关性较高(0.906), 并且≥33℃天数通过日均温对千粒重和穗粒数起间接负效应(-14.797和-16.091), 说明灌浆期存在高温胁迫限制千粒重和穗粒数。降雨量和日照时数对千粒重起一定程度直接负效应(-6.856和-2.163), 并且降雨量与日照时数负相关, 结合表2来看, 2012年比2011年播种期的降雨量增多, 而日照时数减小, 2011年分析结果表明阴雨寡照对千粒重和穗粒数的负效应, 而2012年表现的更为突出, 因而2012年的日照时数对千粒重和穗粒数也产生了直接负效应。气温日较差对千粒重和穗粒数起一定程度的直接正效应(2.059和2.244), 且气温日较差与≥33℃天数和日均温正相关, 说明虽然高温胁迫降低千粒重和穗粒数, 但高温又有利于形成较大气温日较差对千粒重和穗粒数起间接正效应。

图1 郑单958的千粒重(A)、穗粒数(B)和金海5号的千粒重(C)、穗粒数(D)与气象因子通径图 Y1 、Y2和 Y3 、Y4分别表示为郑单958和金海5号的千粒重、穗粒数; X1 、X2 、X3 、X4 、X5和 X6 、X7 、X8 、X9 、X10分别表示为郑单958和金海5号灌浆期的日均温、≥33℃天数、气温日较差、降雨量、日照时数。Fig. 1 Path diagram among 1000-grain weight (A), grain number per ear (B) of Zhengdan 958, 1000-grain weight (C), grain number per ear (D) of Jinhai 5 and meteorological factors Y1, Y2 and Y3, Y4 indicate 1000-grain weight, grain number per ear of Zhengdan 958 and Jinhai 5 respectively; X1, X2, X3, X4, X5and X6, X7, X8, X9, X10indicate mean daily temperature, ≥33℃ days, diurnal temperature range, rainfall, sunshine hours of Zhengdan 958 and Jinhai 5 during grain filling stage respectively.

表4 不同播种期春玉米的千粒重、穗粒数与气象因子的间接通径系数Table 4 Indirect path coefficient among meteorological factors and 1000-grain weight, grain number per ear of spring maize during grain filling stage in diffenent sowing time treatments

结合不同播种期春玉米灌浆期气象因子的变化(表2)分析, 2个耐热性相似的品种两年的试验结果一致, 即4月上旬播种期的春玉米灌浆期≥33℃天数、日均温、气温日较差、降雨量、日照时数比其他播种期的各项值高, 并且该播种期的春玉米产量、千粒重、穗粒数最高; 通径分析表明, 高温和阴雨寡照是限制千粒重和穗粒数的直接作用因子; 但较大的气温日较差和日照时数表现出较大的直接正效应, 保证了较高的千粒重和穗粒数。播种期5月中旬与4月中旬、4月下旬和5月上旬的春玉米灌浆期气象条件相比, ≥33℃天数较少、日均温较低、降雨量较多、日照时数较多; 可知, 5月中旬春玉米千粒重和穗粒数较高的原因是, 能够躲避灌浆期高温胁迫和阴雨寡照, 而4月中旬、4月下旬和5月上旬播种期的春玉米千粒重和穗粒数较低的原因是受高温胁迫和阴雨寡照。5月下旬播种期的春玉米灌浆期≥33℃天数、日均温、气温日较差比其他播种期的各项值低, 并且降雨量大、日照时数少, 可知, 5月下旬播种期的春玉米千粒重和穗粒数受高温胁迫的同时, 阴雨寡照影响也较大, 而气温日较差的正效应较低, 导致该播种期的千粒重和穗粒数比其他播种期低。

3 讨论

花后高温、阴雨寡照严重影响山东春播(4月25日和5月25日)的玉米产量[9]。李绍长等[10]报道, 山东泰安春玉米播种期4月10日与5月10日相比, 灌浆期日均温高, 粒重低, 而日照时数对粒重起直接正效应(通径系数为0.559)。刘淑云等[16]的山东泰安和新疆石河子春玉米播种期试验表明, 新疆地区的玉米籽粒产量高于山东, 日照时数和气温日较差是新疆玉米高产最重要的影响因子, 气温日较差与粒重呈显著正相关; 产量和气象因子通径分析结果表明, 花后日均积温、光照、降水对产量起直接负效应(-0.649、-0.865、-0.837), 而花后日均光照对产量起直接正效应(1.935)。刘明等[17]探讨河北省吴桥地区播种期4月24日和5月15日的春玉米穗粒数与气象因子的相关性, 结果表明, 播种期4月24日的春玉米开花期降雨过多导致低温寡照影响玉米授粉受精与结实, 减少穗粒数限制产量。本研究结果表明, 灌浆期高温胁迫(日均温和≥33℃天数)和阴雨寡照是限制春玉米千粒重和穗粒数的直接气候生态因子; 4月上旬播种的春玉米产量在各播种期处理中最高, 原因是, 灌浆期虽然存在高温胁迫, 但较高的气温日较差和较多的日照时数起了较大的直接正效应, 有利于形成较高的千粒重和穗粒数, 缓解高温胁迫; 5月中旬播种的春玉米比4月中旬至5月下旬的产量高, 原因是, 灌浆期高温少, 虽然降雨较多, 但日照时数也较多, 受高温和阴雨寡照胁迫轻, 千粒重和穗粒数较大, 但气温日较差和日照时数比4月上旬小, 对千粒重和穗粒数正效应较小, 导致产量比4月上旬低; 4月中旬、4月下旬、5月上旬和5月下旬播种的春玉米灌浆期受高温胁迫和阴雨寡照直接负效应影响较大, 授粉结实和灌浆期降雨多、阴天多、光照少、日均温高、≥33℃天数多、但气温日较差较小, 气候生态因子对千粒重和穗粒数的直接负效应大, 而直接正效应小, 是这3个播种期产量较低的主要原因。

由于本研究2年的试验选用的品种不同, 且年际间的气象因子变化较大, 如何通过播种期调整利用华北地区气候资源优势, 提高春玉米抗耐气象因子负效应的能力, 或者躲避不利气象因子的影响, 进而提高春玉米生产力, 还有待进一步研究。

4 结论

华北春玉米灌浆期高温胁迫和阴雨寡照是限制产量的主要气候生态因子。选择适宜的播种期能够抗耐躲避高温和阴雨寡照逆境, 提高华北地区春玉米生产力。华北地区春玉米的适宜播种期是4月上旬, 其灌浆期能够躲避阴雨寡照, 并通过较大的气温日较差和较多的日照时数对千粒重和穗粒数起较大的直接正效应, 缓解高温的直接负效应(抗耐高温), 提高春玉米产量; 较适宜的播种期是5月中旬, 春玉米灌浆期能够躲避高温胁迫, 并且受阴雨寡照影响较轻, 产量比4月上旬的播种期产量低(原因是气温日较差和日照时数的正效应小)。春玉米不适宜的播种期是4月中旬、4月下旬、5月上旬和5月下旬, 其灌浆期高温胁迫和阴雨寡照对千粒重和穗粒数的负影响较大, 限制产量。

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