夏玉米产量与光温生产效率差异分析——以山东省为例

【目的】研究夏玉米各产量层次之间的物质生产及资源利用能力,量化山东省夏玉米籽粒产量与光、温资源利用效率的差异,明确农业生产条件和栽培措施对产量差及效率差的贡献率,探讨产量差、效率差协同缩减的可能性,为缩小夏玉米产量差距、提升资源利用效率提供理论依据。【方法】本试验于2017—2018年在山东省泰安、淄博和烟台3市进行,针对山东夏玉米生产调研出的问题,在同一地块采用综合管理模式,从合理密植、优化肥水、增产增效的角度设计了4种管理模式,模拟超高产水平（SH）、高产高效水平（HH）、农户水平（FP）和基础产量水平（CK）4个产量层次,定量分析不同产量层次之间的产量差及光温资源生产效率差。结合光温生产潜力分析和作物产量性能分析,探究产量差和效率差的影响因素及缩差增效途径。【结果】当前山东省夏玉米光温潜力与超高产水平、超高产水平与高产高效水平、高产高效水平与农户生产水平、农户生产水平与基础产量水平之间的产量差分别为5.85、0.82、1.90、1.35 t·hm ^-2,光能生产效率差分别为1.74、0.15、0.28、0.45 g·MJ ^-1,温度生产效率差分别为1.09、0.10、0.17、0.28 kg·hm ^-2·℃ ^-1;当前不可控因素对产量差和光、温生产效率差的贡献率分别为58.49%和66.09%,可控因素对产量差和光、温生产效率差的贡献率分别为41.51%和33.91%,地域差异因素对产量差、光能生产效率差和温度生产效率差的贡献率分别为1.98%、2.49%和3.24%;产量差与光温资源生产效率差之间有显著相关性;SH和HH处理较FP处理和CK有较高的地上部生物量、生育期平均叶面积指数（MLAI）和冠层光能截获率。 【结论】当前山东省夏玉米农户生产水平与光温潜力水平之间的产量差、光能生产效率差、温度生产效率差分别为8.56 t·hm ^-2、2.17 g·MJ ^-1、1.35 kg·hm ^-2·℃ ^-1,产量与光、温资源利用效率仍有较大的提升空间。玉米籽粒产量差和光、温资源利用效率差显著相关,在现有农户管理措施的基础上,应用高产高效管理模式（种植密度增加1.5×10 ⁴株·hm ^-2,适当增加施肥量,将一次性施肥改为于播种期、大喇叭口期、开花期和乳熟期采用水肥一体化方式分次施肥）能够缩小产量差距1.90 t·hm ^-2,提高光、温资源生产效率14.74%和14.41%,是协同缩差增效的有效技术途径。     

水氮互作对冬小麦光合生理特性和产量的影响

针对黄淮海地区农业生产中存在的水资源供应短缺,肥料利用率低等问题,设计试验研究水氮互作对冬小麦光合生理特性和产量的影响,为黄淮海地区高效利用水氮资源提供理论依据。2015-2017年以石麦15(SM15)为材料,利用水肥渗漏研究池,设计2个供水量水平(500,250 mm);2个施氮量水平(90,180kg/hm~2);2个氮肥类型(无机肥尿素,有机肥牛粪)。结果表明:2年试验内冬小麦旗叶光合生理特性变化规律相似,各处理的冬小麦旗叶光合速率,蒸腾速率,单叶水分利用效率在生育期内均呈现先上升后下降的趋势。水氮互作对小麦旗叶光合速率影响显著,W1(供水量500mm)处理的旗叶光合速率明显高于W2(供水量250mm)处理,施氮肥180kg/hm~2处理的旗叶光合速率明显高于施氮肥90kg/hm~2的处理,与施用无机肥相比,施用有机肥可保证冬小麦生育后期维持较高的旗叶光合速率。2年试验干物质积累量最多、产量最高的处理为W1M1(供水量500mm,施有机氮肥180kg/hm~2)。综合冬小麦光合生理特性,籽粒产量,本试验条件下有机肥增产效果优于无机肥,冬小麦生育期供水量500mm,施有机氮肥180kg/hm~2时冬小麦旗叶光合生理特性较优,获得较高产量。     

品种和氮素供应对玉米根系特征及氮素吸收利用的影响

【目的】研究玉米根系特性与氮素吸收利用及其与地上部生物量和产量形成的关系,探明根系形态特征与氮素吸收能力对玉米高产性能的影响,为玉米高产高效生产提供理论依据。【方法】试验于2014—2015年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心(36°18′N,117°12′E)和作物生物学国家重点实验室进行,以京科968(JK968)、郑单958(ZD958)和先玉335(XY335)为试验材料,采用土柱栽培,设置两个氮素水平,施氮量分别为1.5 g/plant(LN)和4.5 g/plant(HN),在抽雄期(VT)和完熟期(R6)进行根系及植株取样,测定根系相关指标(根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积),干物质及氮素积累与分配规律,探究品种和氮素供应对玉米根系特征及氮素吸收利用的影响。【结果】两个氮素水平下JK968单株籽粒产量、生物量、根系各指标和植株氮素积累量、氮转运率、氮素收获指数、氮素利用效率均显著高于XY335和ZD958(P0.05)。JK968单株生物量、籽粒产量、植株氮素积累量较XY335和ZD958在低氮水平下分别增加15.2%、17.7%、9.0%和31.6%、44.1%、31.4%,在高氮水平下分别增加5.4%、12.9%、8.9%和13.5%、26.8%、23.5%;高氮水平下JK968、XY335、ZD958的单株生物量、单株籽粒产量和植株氮素积累量较低氮水平下分别增加15.7%、10.2%、33.9%,26.5%、14.8%、34.0%和34.3%、25.1%、42.5%。抽雄期JK968根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积较XY335和ZD958在低氮水平下分别增加41.8%、9.0%、47.1%、24.0%和63.2%、41.6%、60.4%、105.1%,在高氮水平下分别增加24.3%、6.0%、35.2%、19.7%和40.3%、30.0%、49.3%、78.7%;高氮水平下JK968、XY335、ZD958的根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积较低氮水平下分别增加48.3%、37.3%、36.4%、12.7%,69.1%、41.3%、48.4%、16.7%和72.5%、49.7%、46.5%、29.3%。相关分析表明,吸氮量与根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积呈显著线性正相关,但品种的响应程度不同。在抽雄前,JK968植株吸氮量对根系干重、根系长度、根系表面积、根系体积增长的响应度要高于XY335和ZD958;而抽雄后的响应度则低于XY335和ZD958。【结论】JK968整个生育期的根系各项指标均显著高于XY335和ZD958,且氮素吸收能力强,生物量大,低氮条件下优势更加明显。JK968较发达的根系,保证了植株对氮素的吸收,具有较高的氮素转运效率、贡献率和氮素利用效率,有利于进行物质生产,因而获得更高的籽粒产量。     

控释钾肥对玉米产量、钾肥利用率和土壤速效钾的影响

通过玉米—小麦轮作条件下连续2年的大田定位试验,以钾空白(CK)、普通氯化钾常量(K1)、普通氯化钾高量(K2)为对照处理,研究通过控释氯化钾常量(CRK1)、控释氯化钾高量(CRK2)、氯化钾与控释氯化钾等比掺混常量(BBF1)、氯化钾与控释氯化钾等比掺混高量(BBF2)处理对玉米产量、钾肥利用率和土壤速效钾的影响。结果表明:(1)BBF2玉米-小麦季产量分别为11 697.8kg/hm2和11 921.1kg/hm2,增产和增收效果最好,较K1分别显著增产13.3%和15.7%,较K1分别显著增收16.6%和19.6%;(2)BBF2钾肥农学利用率较K1分别显著提高了49.0%和41.9%,生理利用率较K1分别显著提高了17.6%和34.8%;BBF1钾肥表观利用率最高,玉米—小麦分别为23.73%和35.22%;(3)施用钾肥显著提高了玉米的株高和茎粗;BBF2提高了玉米吐絮后期至成熟期的株高;CRK1、CRK2、BBF1、BBF2均提高了玉米吐絮后期叶片SPAD值。本试验条件下,控释氯化钾与普通氯化钾掺混施用可满足玉米整个生育期的钾素需求,提高玉米产量和钾肥利用率,BBF2处理为玉米最佳钾肥施用方案。     

不同产量水平的玉米自交系农艺性状分析

采用聚类分析、因子分析、通径分析的方法,对我国常用自交系的农艺性状与单株产量间的关系进行分析。研究影响我国玉米自交系单株产量的主要因子,了解不同产量水平下自交系农艺性状间的关系。结果表明,我国常用66份自交系划分为低产型和高产型两类。不同玉米自交系性状间存在很大差异,同一自交系不同性状间也存在差异,同时筛选出具有不同优良性状的自交系。按方差贡献率大小,对玉米自交系单株产量起重要作用的主因子依次为衰老、叶源量、生物学产量、穗生长势等。千粒重对低产自交系起主要决定作用,行粒数是高产自交系的主要决定因素,穗行数是其主要限制因素。改良自交系应注重主因子的效应,低产自交系主攻千粒重,高产自交系主攻行粒数。     

不同基因型玉米籽粒类胡萝卜素与花色苷色素积累规律

以黄色(特爆2号)、红色(西星赤糯1号)、紫色(紫糯香)和黑色(西星黑糯1号) 4种颜色的玉米为材料,通过徒手切片以及分光光度法,研究了玉米籽粒色素的组成、分布和积累规律。结果显示,西星赤糯1号玉米籽粒色素主要由花色苷和类胡萝卜素构成,花色苷主要存在于果种皮中,类胡萝卜素主要存在于胚与胚乳中;特爆2号玉米籽粒色素主要由类胡萝卜素构成,分布于胚与胚乳中;紫糯香及西星黑糯1号玉米籽粒色素主要由花色苷构成,主要存在于糊粉层中。除西星赤糯1号的花色苷积累首先出现于胚上方的花柱遗迹附近外,其余品种色素均首先在籽粒顶端出现,随后向四周延伸。玉米籽粒色素(除紫糯香)吸收峰随时间的变化先升高后降低。灌浆前期玉米果穗色素含量上部>中部 >下部,到灌浆后期,中部色素含量大于其他两部分色素含量。     

玉米自交系的保绿性鉴定及其遗传多样性的SSR分析

通过对我国30份常用玉米自交系叶片的保绿性鉴定表明,大部分自交系保绿性一般或较差,筛选出4份保绿性较强的玉米自交系沈3195、沈137、齐319和178。采用40对玉米的SSR引物对30份玉米常用自交系种质进行遗传多样性分析,将30份自交系划分为6个类群,其中,4份保绿性自交系分布在旅大红骨和PB种质群,可用于改良类群内其他材料的保绿性;保绿型自交系沈137、齐319、178来自PB种质,可用来组建保绿群体。     

玉米不同粒位子粒容重与子粒物理性状的相关分析

以普通型品种农大108、郑单958和高淀粉型品种费玉3号、郑单18为试验材料,研究玉米不同粒位子粒容重与子粒物理性状指标间的相关关系。结果表明,高淀粉型玉米的容重高于普通型玉米,不同粒位玉米子粒容重表现为下部子粒上部子粒中部子粒。相关分析结果表明,玉米子粒容重与比重呈极显著正相关,与单粒重呈显著正相关,与粒长、粒长/粒宽、单粒体积以及盛装效率呈正相关,但相关系数未达到显著水平。容重与漂浮率和子粒水分含量均呈显著负相关,玉米上部、中部和下部子粒水分含量平均每下降一个百分点,子粒容重平均上升5.10、5.41和5.63 g/L。     

甜高粱分蘖去留与糖产量及氮素利用的比较分析

大田条件下采用人工去除分蘖的方法,研究了两种种植密度下甜高粱高产品种分蘖特性对糖产量及其干物质生产和氮素吸收利用特性的影响。结果表明, 常规种植密度(每公顷75 000株)下,保留分蘖较单茎秆植株对主茎和分蘖茎含糖量影响较小;在较低种植密度(每公顷37 500株)下,保留分蘖植株主茎含糖量明显下降,分蘖茎含糖量与单茎秆植株接近。在不同种植密度条件下,保留分蘖植株较单茎秆植株开花前和开花后茎秆、叶片和穗各器官干物质积累量均显著增加,保留分蘖显著提高了总生物量,达21.9%和81.6%,总糖产量分别增加了17.1%和63.8%。保留分蘖植株开花后氮素向茎秆分配比高,同时,保留分蘖植株叶片氮积累及分配比例明显提高,叶片干重占植株总干重比例显著增加,单位氮素糖生产效率下降,但未达显著水平。常规密度和较低密度下分蘖茎糖产量的补偿效应分别可达20%和62%以上,说明常规种植密度下保留分蘖利于增加甜高粱糖产量,并能够达到简化栽培管理和降低经济人力投入的目的。     

1970-2000年代玉米单交种的遗传产量增益分析方法的比较

以田间试验为基础, 对直接种植法的不同方法进行分析, 以期找到适合我国的评估方法, 为遗传产量增益的研究提供理论支持。以1970s–2000s期间大面积推广的杂交种为材料, 分别于2005–2006年(试验1)以及2007–2008年(试验2)在新疆农业科学院和北京顺义试验基地进行。每个试验设置3种密度。依据1970年代单交种在3.0万株 hm^-2密度下的产量与2000年代的单交种在6.0万株 hm^-2密度下的年均单位面积的产量差异, 计算得到1970s–2000s期间我国玉米遗传产量年增益速率为94.7 kg hm^-2。在7.5万株 hm^-2密度下, 2000年代单交种较1970年代单交种的产量增值是遗传因素作用的结果。1970年代单交种在1.5万株hm^-2密度下的产量与2000年代单交种在7.5万株 hm^-2密度下的产量差值是育种与栽培共同作用的结果。由二者的比值得到育种对总产量增益的贡献率为52.9%。Duvick的直接种植法适用于我国评估遗传产量增益速率, Tollnaar的试验设置方法适用于评估我国玉米遗传贡献率。