引用本文
路海东, 薛吉全, 郝引川, 张仁和, 高杰. . 播期对雨养旱地春玉米生长发育及水分利用的影响. 作物学报, 2015, 41(12): 1906-1914
LU Hai-Dong, XUE Ji-Quan, HAO Yin-Chuan, ZHANG Ren-He, GAO Jie. . Effects of Sowing Time on Spring Maize ( Zea maysL.) Growth and Water Use Efficiency in Rainfed Dryland . ACTA AGRONOMICA SINICA, 2015, 41(12): 1906-1914  
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播期对雨养旱地春玉米生长发育及水分利用的影响
路海东, 薛吉全*, 郝引川, 张仁和, 高杰
西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌712100
* 通讯作者(Corresponding author): 薛吉全, E-mail: xjq2934@163.com

第一作者联系方式: E-mail: lhd2042@163.com

收稿日期:2015-01-07 接受日期:2015-07-20 网络出版日期:2015-08-28
基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201203031-07), 陕西省科技攻关项目(2013K01-11), 西北农林科技大学基本科研业务专项(Z109011111)和博士科研启动基金项目资助
摘要

为了解决陕西渭北旱塬地区玉米播种期干旱缺水造成出苗不全、不整齐, 导致产量低而不稳的问题, 设置6个不同播期, 研究对春玉米生长发育、干物质生产、产量形成、水分利用及环境因子的影响。结果表明, 随着播期的推迟, 玉米的生育期明显缩短, 营养生长期、营养生长与生殖生长并进期变化范围为2~19 d, 生殖生长阶段则相对稳定, 变化范围仅为-3~5 d。在一定的时间范围内, 不同播期处理间的单株干物质生产没有明显差异, 但由于受播期调整后的土壤含水量变化影响, 适宜播期的玉米花后雌穗干物质积累量、籽粒产量及水分利用效率分别较早播和晚播提高4.0%~23.6%、3.9%~24.5%和6.6%~14.5%。早播影响产量的主要因素是播种期土壤含水量低而造成的出苗差, 实际收获穗数不足; 晚播影响产量的主要因素是生殖生长期后移, 有效积温和日照时数减少造成的花后干物质积累减少、千粒重下降。适期播种可以增加田间实际收获穗数, 促进雌穗花后干物质积累, 提高玉米的水分利用效率。结合该区生态因素, 5月4日以前适墒播种是玉米高产的有效避旱播期。研究结果可为该区春玉米抗逆避旱高产栽培提供有效的技术参考。

关键词: 春玉米; 播期; 干旱; 生长发育; 水分利用效率
Effects of Sowing Time on Spring Maize ( Zea maysL.) Growth and Water Use Efficiency in Rainfed Dryland
LU Hai-Dong, XUE Ji-Quan*, HAO Yin-Chuan, ZHANG Ren-He, GAO Jie
College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
Fund:This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201203031-7) and Shaanxi Science and Technology Key Projects (2013K01-11) and the Basic Scientific Research Business Special Fund of Northwest A&F University (Z109011111) and Doctoral Start-up Funding of Scientific Research
Abstract

To solve the problem of incomplete and irregular maize seedling growth and low and unstable yield in the semiarid region of Weibei Shaanxi province, we designed six sowing dates to study their impact on spring maize growth and development,, dry matter production, grain yield, water use efficiency and environmental factors. The results showed that maize growth period was shortened with postponing sowing time, the vegetative growth stage and the overlapping stage of vegetative and reproductive growth had the variations from 2 to 19 days. But reproductive growth stage was relatively stable, with the change from -3 to 5 days. In a certain range of time, dry matter production per plant in different sowing treatments was not obvious different, however, dry matter accumulation in spikes after flowering, yield and water use efficiency in treatments with appropriate sowing time were 4.0%-23.6%, 3.9%-24.5%, and 6.6%-14.5% higher respectively, than those with early sowing time or delayed sowing time, resulting from the changed soil water content by adjusting the sowing date. Yield was highly correlated with soil moisture content in a certain sowing date, rainfall before flowering, effective accumulated temperature after flowering and sunshine hours after flowering. Thousand grain weight was highly correlated with sunshine hours after flowering. In the treatments with early sowing time, the main factor affecting maize yield was the poor soil moisture content that caused less low effective panicles in unit area and low emergence rate. In the treatment with later sowing time, the main factors affecting yield were the decreased effective accumulated temperature and sunshine hours during the reproductive growth stage, resulting in less dry matter accumulation after flowering and lower thousand grain weight. In the treatment with suitable sowing time, actual harvesting panicles and dry matter accumulation of female ear after flowering increased, and water use efficiency was improved. Considering ecological factors and result in this study, the best suitable maize sowing time should be before May 4th for drought avoidance and maize high yield in this region. The research results provide effective cultivation techniques to avoid drought stress for spring maize in this area.

Keyword: Spring maize; Sowing time; Drought; Growth and development; Water use efficiency

中国无灌溉条件的旱作耕地约0.67亿公顷, 水资源紧缺已成为中国经济发展和环境建设的制约因素[1]。随着20世纪下半叶的持续增暖, 中国干旱地区和干旱强度都呈现增加的趋势, 干旱问题日益凸显[2]。作为中国农业重要区域的雨养旱作农区, 虽光热资源丰富, 但降雨量少且变幅大, 水分供应有限, 春旱和伏旱严重, 降水与作物需水错位是导致农田生产力低的主要原因[3]。陕西渭北高塬属典型的西北旱作雨养区, 现有耕地逾120万公顷, 约占陕西省总耕地的26%[4], 是陕西省的第二粮仓, 而玉米又是该区的第二大粮食作物, 玉米产量的丰歉, 对陕西的粮食安全有着举足轻重的作用。随着近年来气候变暖趋势和降水格局的变化[5], 春季干旱已成为陕西渭北旱地春玉米生产的主要季节性干旱[6]。春旱常常导致种子不发芽、不出苗和出苗慢[7], 最终造成玉米田间出苗率低、群体不整齐、产量下降。如何缓解春季干旱对玉米播种出苗的不利影响, 进一步提高玉米播种质量和降雨利用效率已成为本区玉米生产技术的迫切需要。

前人关于雨养旱作农田的技术研究多集中于降水高效集蓄[8, 9, 10, 11]、土壤水分保持和土壤水库增容[12, 13, 14]、养分综合调控[15, 16, 17]等方面, 这些研究主要是论述如何保水。在现实生产中, 有些干旱年份的某一阶段, 由于降雨少, 田间蒸发量大, 土壤中往往无水可用, 即使全部保住也不能满足作物需求。这就涉及到一个如何“ 调水” 的问题。乌瑞祥等[18]提出的旱作地膜玉米“ 调水” 理论认为, 在干旱半干旱地区, 水分是主要胁迫因素, 通过播期适当延后, 使生育高峰期接近降水高峰期, 就能有效提高降水利用率。但是关于这一方面的研究较少, 而众多关于播期方面的研究多基于水分满足条件下的光温变化结果[19, 20, 21], 在雨养旱作地区, 如何通过播期调整来实现降水的时空调控, 促进降水与作物需水的有效同步吻合的“ 调水” 研究鲜有报道。

本文探讨不同播期下玉米群体的生长发育性状和水分利用特征, 明确能够减缓玉米播期干旱威胁和提高玉米生长发育期降雨利用效率的适宜播期, 以期为该区玉米生产中实现水分高效利用提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

陕西省长武县西北农林科技大学旱地玉米试验基地(34° 59′ N, 107° 38′ E)海拔1220 m, 年均降水580 mm, 平均温度9.1℃, 无霜期171 d, 地下水位70 m, 无灌溉条件, 土壤类型为黑垆土, 土壤0~20 cm含有机质11.56 g kg-1、速效氮46.66 g kg-1、速效磷16.94 g kg-1、速效钾122.35 g kg-1。基地所在地长武县近55年(1959— 2013)来的气象因子变化如图1, 可以看出, 该区温度与无霜期基本稳定, 但降雨量和日照时数年份间变化较大, 与西北雨养旱区气候变化一致, 这也是造成本区农作物产量变动的主要因素; 图2表明, 该区年降雨主要分布于7月至9月份, 11月至翌年3月(玉米播种前)基本没有降雨, 从4月初开始, 降雨逐渐增加, 玉米播前的春季干旱是该区气候的主要特征。

图1 长武县近55年来的降雨量、温度、日照时数及无霜期Fig. 1 Rainfall, temperature, sunshine hours, and frost free period in past 55 years at Changwu County

1.2 试验设计

根据本地通常播种时间(4月初, 1周左右播种完毕), 从4月10日开始, 每6 d播种1次, 设置A (4月10日)、B (4月16日)、C (4月22日)、D (4月28日)、E (5月4日)、F (5月10日) 6个播期处理。试验供试品种为陕单609, 播种密度60 000株 hm-2, 采取随机区组设计, 4次重复。小区行长6 m, 行距60 cm, 共24小区(5行区), 小区面积为6.0 m× 3.0 m=18.0 m2。分别于2012年9月28日和2013年9月27日收获。

依照当地习惯的播种方式, 施肥量为纯氮255 kg hm-2、纯磷120 kg hm-2。磷肥(过磷酸钙, 五氧化二磷含量为17%)为底肥, 氮肥(尿素, 氮含量为46%)分期施用(底肥40%、追肥60%), 种植与管理方式同当地普通大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 观测并记载

在玉米播种、出苗、拔节、大口、吐丝、成熟等主要生育时期对应的准确日期, 用烘干法测定[22]不同处理小区0~200 cm土层的含水量, 每20 cm取1个样。产量水平上的水分利用效率是单位耗水量的产量。粮食作物水分利用效率定义为作物产量Y (kg hm-2)与农田耗水量ET (mm)的比值, 即WUE = Y/ET, 根据农田水量平衡原理, ET = W播前 - W收获 + I + P + G, 故WUE = Y/(W播前 - W收获 + I + P + G), 式中W播前为播种前土壤贮水量, mm; W收获为收获时土壤贮水量, mm; I为生育期灌水量, mm; P为生育期降水量, mm; G为作物利用地下水量, mm。试验地无灌溉条件, 因此I=0。研究区地下水埋深70 m, 因此G=0。

于玉米拔节、大喇叭口、吐丝、吐丝25 d和成熟期, 从每处理取玉米5株, 分茎、叶、鞘、雄穗、雌穗, 于105℃烘干至质量恒重。参照杨国虎等[23]的方法计算茎鞘物质输出量, 并计算地上营养器官的物质转运率和对籽粒的贡献率。

营养器官的物质转运率(%)=(器官最大干质量-器官成熟时干质量)/器官最大干质量× 100%;

营养器官对籽粒贡献率(%)=(器官最大干质量-器官成熟时干质量)/籽粒干质量× 100%。

1.3.2 农艺性状调查

成熟期调查小区实有株数、空秆率、鲜穗重、单株干重和病害情况, 收获时调查小区果穗产量, 同时选取20个具代表性的果穗进行室内考种, 调查穗长、穗粗、穗行数、行粒数等穗部形状。根据20穗折干率计算小区籽粒产量, 并折算成标准产量。

图2 陕西省长武县2012年和2013年的月降雨量Fig. 2 Rainfall per month of Changwu of Shaanxi province in 2012 and 2013

1.3.3 气象资料获取

2012年和2013年的每日降雨量、日照时数、最低温度和最高温度等基本气象资料由试验基地自动气象站记录获得, 历年气象资料由长武县气象站提供, 该气象站海拔高度与试验基地相同, 距试验基地1.5 km。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2003录入和整理相关数据, 用DPS 3.01进行数据统计分析, 采用LSD法进行多重比较(P< 0.05)。

2 结果与分析
2.1 播期对玉米生育期的影响

随着播期的推迟, 玉米的生育期呈现显著缩短的趋势(表1), 由最早播种的160 d和158 d缩短为最晚播种的140 d和138 d, 生育期缩短了20 d。而就玉米的不同发育阶段来看, 生育期随播期推迟而缩短主要表现在营养生长期和营养生长与生殖生长并进期, 变化范围为4~19 d, 而生殖生长阶段则相对稳定, 变化范围仅为-3~5 d。

表1 不同播期处理玉米的生育期 Table 1 Maize growth period in different treatments (d)
2.2 播期对玉米单株干物质积累量与分配的影响

2.2.1 干物质积累

玉米单株干物质积累量随生育进程的发展呈Logistic曲线变化(图3), 不同处理比较, 从大口期开始单株干物质积累量随着播期的不同出现明显差异, 播期越晚单株干物质积累量越小。尤其在成熟期, 处理A、处理B、处理C和处理D间的单株干物质积累量显著高于处理E和处理F。可见, 5月4日以前播种对玉米单株干物质积累影响不大, 5月4日以后播种, 玉米的单株干物质积累量明显下降。

图3 不同播期处理的玉米单株干物质积累量 图中不同小写字母代表0.05水平差异显著性。Fig. 3 Dry matter accumulation per plant in different treatments Dry matter per plant with different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.2.2 干物质分配

从表2可以看出, 随着播期的推迟, 玉米植株茎、叶和雄穗中的干物质转移量、转移率和对籽粒的贡献率总体呈下降趋势。雌穗中的花后干物质积累量和总积累量不同播期处理之间差异明显, 2年均表现为处理B、处理C和处理D的较高, 较最早播种(4月10日)提高4.0%~4.3%, 较最晚播种(5月10日)提高21.1%~ 23.6%。可见, 早播有利于提高茎、叶和雄穗等器官的干物质运转量、运转率和对籽粒的贡献率, 但是就玉米雌穗的花后干物质积累量来看, 4月16日到4月28日播种的较高, 其对玉米雌穗总干物质积累量的提高起主要作用。

表2 不同播期玉米各器官干物质转移量、转移率及对籽粒的贡献率 Table 2 Transfer amount and transfer rate of dry matter and contribution rate to ear in different organs in different sowing treatment
2.3 播期对产量、水分利用效率及产量构成的影响

2.3.1 产量

不同播期处理间产量差异显著(表3), 2年的变化趋势基本一致。均表现为4月16日至28日的3个播种处理(处理B、处理C和处理D)产量较高, 而处理A、处理E和处理F产量明显较低, 尤其是5月10日播种的产量(处理F)显著低于其他处理。播期处理B、处理C和处理D的产量较早播(处理A)和晚播(处理F)分别增产3.9%~8.7%和20.2%~24.5%。可见, 早播不一定产量就高, 而过晚播种产量则明显下降。

表3 不同处理的玉米产量和生育期耗水量及水分利用效率 Table 3 Yield and water consumption of growth period and water use efficiency in different treatments

2.3.2 水分利用效率

不同播期处理的玉米生育期耗水量和水分利用效率差异显著(表3)。生育期耗水量随着播期的推迟明显减少, 这主要是由于播期推迟后玉米生育期缩短造成的。水分利用效率2012年4月16日至5月4日播种处理(处理B、处理C、处理D和处理E)的明显较高, 较早播(处理A)和晚播(处理F)分别提高7.3%~ 12.8%和8.4%~14.5%。2013年4月16日至28日播种处理(处理C、处理D和处理E)的明显较高, 较早播(处理A)和晚播(处理F)分别提高6.9%~13.1%和6.6%~12.7%。可见, 选择适当的播种时期可以明显提高玉米的水分利用效率。

2.3.3 产量构成因素 不同播期处理对玉米产量构成三要素的影响显著(表4)。千粒重随播期的推迟呈下降趋势, 尤其是5月4日以后播种(处理E和处理F)的显著低于其他处理(处理A、处理B和处理C); 穗粒数5月4日以前播种的处理(处理A、处理B、处理C和处理D)间无明显差异, 5月4日以后播种(处理F)的显著下降; 单位面积穗数4月16日以前播种(处理A)的显著较低, 4月16日以后播种(处理B、处理C、处理D、处理E和处理F)的无显著差异, 在同一差异水平。可见, 推迟播种时, 千粒重和穗粒数是影响产量的主要因素, 尤其是时间越迟, 千粒重和穗粒数越显著下降; 而早播影响产量的主要因素是单位面积穗数, 在保证单位面积穗数情况下, 实行早播是必要的。

表4 不同播期处理的产量构成 Table 4 Yield component in different sowing treatments

2.4 不同播期处理土壤水分变化

从图4可以看出, 播种时间改变后, 由于受年内自然降雨时空分布的影响(图2), 不同播期处理间玉米播种、拔节、大口、吐丝和成熟等各生育时期0~60 cm土壤平均含水率明显不同。处理A和处理B的土壤含水率显著低于处理C、处理D、处理E和处理F, 拔节期处理A明显高于其他处理。可见, 对于雨养旱作春玉米, 通过播期调整可以改变玉米不同生长发育阶段的土壤水分含量, 由于玉米不同发育阶段对水分的需求敏感度不同(如拔节期一般要求适当干旱有利于根系生长等), 从而可以实现玉米对水分时空利用的不同, 选择适宜播期则可以提高玉米的水分利用效率。

图4 不同处理0~60 cm土层土壤各时期含水率Fig. 4 Soil moisture of 0-60 cm soil layer in different growth stages of different treatments

2.5 不同播期处理的产量构成与环境因子的相关性分析

表5表明, 产量与播种时土壤含水率、吐丝前降雨量、吐丝后有效积温和吐丝后日照时数均显著正相关(P< 0.05); 千粒重与吐丝后日照时数呈显著正相关(P< 0.05); 单位面积穗数与播种期土壤含水率呈显著正相关(P< 0.05)。穗粒数与各环境因子间无显著相关。

表5 玉米产量及构成因素与环境因子相关系数 Table 5 Correlation coefficients between maize yield factors and environmental factors
3 讨论

玉米生长发育对气温的反应十分敏感, 较高温度条件下生长发育快, 全生育期缩短。一般认为, 气温和光照是影响生育时期长短的主要生态因子[24]。本研究结果表明, 随着播期的推迟, 雨养旱地春玉米的生育期显著缩短, 这可能主要是由于播期推迟后气温升高的原因; 就玉米不同生育阶段的变化来看, 这种现象主要表现在营养生长期和营养生长与生殖生长并进期, 生殖生长阶段则相对稳定。这说明不同播期造成的温度影响主要表现在玉米生长前期, 而对玉米后期生长的影响不大。

李向岭等[19]、张宁等[20]、马国胜等[21]研究认为, 夏玉米提早播种干物质积累量和产量均增加。本试验研究结果表明, 随着播期的推迟玉米单株干物质积累量呈下降趋势, 茎、叶和雄穗等器官的干物质运转量、运转率和对籽粒的贡献率下降, 这与前人研究结果基本一致。但雌穗中的花后干物质积累量、总积累量和产量的变化与前人研究结果不同, 2年均表现为处理B、处理C和处理D的较高, 过早和过晚播种均较低。造成这种结果的原因可能是研究环境的不同, 大多数学者针对播期的研究多集中于灌区或降雨较多的生态环境地区, 光热资源是影响作物生长的主要因素[19, 20, 21, 25], 而本研究是针对雨养旱地, 水分是玉米生长的主要影响因素。早播时, 由于受土壤水分等因素影响, 玉米田间的单位面积穗数明显下降, 产量降低; 而调整播期可以改变玉米不同生育时期的土壤含水量, 适期播种实现了土壤持水与玉米阶段需水的有效吻合, 提高了玉米产量和水分利用效率。东先旺等[26]研究认为, 夜间温度过低、温差过大不利于玉米干物质的积累。Vega等[28]指出, 灌浆期低温可造成玉米花后干物质积累量减少, 粒重降低。本研究结果表明, 5月4日以后播种(处理E和处理F)的玉米千粒重和穗粒数明显下降, 产量显著降低, 且玉米水分利用效率明显低于其他处理。这正是由于过晚播种后, 玉米的生育期缩短, 生殖生长期推迟, 且受本区域后期夜间温度显著下降及日照时数减少的影响, 玉米的灌浆速率降低, 干物质积累量减少, 从而造成千粒重显著下降, 产量降低。

播期对玉米的影响是生长发育期间光、热、水和土壤等生态因子综合作用的结果[19, 20, 21, 24, 25, 26, 27]。本研究结果表明, 在不同播期处理下, 雨养旱地春玉米产量与播种时土壤含水率、吐丝前降雨量、吐丝后有效积温和吐丝后日照时数呈显著正相关; 千粒重与吐丝后日照时数呈显著正相关; 单位面积穗数与播种期土壤含水率呈显著正相关。因此, 在一定的时间范围内, 以土壤墒情确定播期可以在不显著影响玉米后期籽粒灌浆的情况下, 通过提高玉米成苗率增加田间有效穗数, 促进雌穗花后干物质积累, 提高玉米产量和水分利用效率。综合考虑该区生态环境因素, 在既能保证玉米的群体有效穗数, 更能保证玉米吐丝后的有效积温和日照时数的条件下, 确定适宜播期是该区玉米高产和水分高效利用的关键。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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