潘胤霖，曹彩云，黨紅凱，鄭春蓮，馬俊永，張俊鵬，李樹寧

（1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安271018；2.河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所，河北衡水053000）

河北低平原是我國重要的糧食生產基地之一，該地區(qū)淡水資源極度匱乏，人均和單位面積水資源量明顯低于全國平均水平［1］。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是該地區(qū)主要種植制度，然而，小麥生育期降雨與需水的吻合度僅0.26左右［2］，灌溉是保證小麥高產的重要前提。由于過量超采深層地下水灌溉，導致區(qū)域地下水位不斷下降，形成全國最大的地下水降落漏斗區(qū)。姜杰等［3］研究表明，即使在冬小麥季減少灌溉仍不能達到地下水資源的采補平衡，從長遠看，應減少冬小麥種植面積。玉米生育期降水較為集中，對灌溉的需求相對較小。隋鵬［4］等研究認為，在黃淮海平原水資源虧缺地區(qū)，以巨大水生態(tài)代價支撐的冬小麥-夏玉米種植模式是不可持續(xù)的，玉米一熟種植制度可作為節(jié)水高效模式。因此，以玉米一熟種植方式替代小麥-玉米一年兩熟制，對充分利用降雨、減少地下水開采具有重要意義。

播期是影響玉米產量的重要因素之一，適宜的播期通過調控作物生長對降水、溫度及光照等資源的利用效率，進而影響玉米光合速率和灌漿特性，是實現(xiàn)玉米高產的必要條件［5］。灌漿期是玉米籽粒形成的關鍵時期［6］，籽粒灌漿速率和灌漿強度決定籽粒庫容，與產量的高低密切相關。張海艷等［7］研究指出，灌漿時間與玉米籽粒質量無顯著相關性，灌漿速率是決定玉米籽粒質量的重要因素。同樣，有研究表明，播期對玉米產量的影響主要通過光溫對灌漿過程的調節(jié)來實現(xiàn)［8］。王若男等［9］研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期低溫加速植株衰老，光合作用減弱，同時會減緩光合物質由葉片向籽粒的轉運效率，從而影響籽粒灌漿，最終造成百粒重和產量降低。本文在以往研究的基礎上，針對河北低平原區(qū)玉米一熟制模式，研究不同播期對玉米籽粒灌漿特性、產量構成和水分利用效率的影響，探索確定玉米適宜播期，以期為該區(qū)玉米高產栽培和節(jié)水技術體系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5-10月在河北省農林科學院旱作節(jié)水農業(yè)試驗站進行，該站地處河北省深州市護駕遲鎮(zhèn)，地理坐標為北緯37°44′，東經115°47′，海拔21 m。該區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年日照時數(shù)為2 509.4 h，平均無霜期為188 d，年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量分別為12.8 ℃、510 mm、1 785 mm。種植制度采用玉米一年一熟制，該地區(qū)土壤類型為黏質壤土，土壤有機質22.3 g/kg，土壤速效氮105.8 mg/kg，速效磷19.7 mg/kg，速效鉀121.3 mg/kg。試驗區(qū)地勢平坦，1 m 土體平均容重1.4 g/cm3，地下水埋深大于5 m。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為“鄭單958”，設置5月05日（T05-05）、5月20日（T05-20）、6月05日（T06-05）和6月20日（T06-20）4 個播期處理，3次重復，共12個小區(qū)，試驗小區(qū)面積為31.5 m2（7.0 m×4.5 m）。人工點播，株距0.24 m，行距0.60 m。收獲期分別為2019年9月10日、9月23日、10月7日、10月25日。所有處理底施復合肥（N、P2O5、K2O 含量分別為20%、8%、12%）750 kg/hm2，僅在播種后灌水1 次，灌水方式為畦灌，灌水定額75 mm，田間管理同當?shù)厣a一致。試驗期間的日均氣溫和降雨量見圖1。由圖可知，2019年試驗期間（5月05日至10月25日）的日均氣溫為23.4 ℃，累積降雨量為311.7 mm，其中70%集中在7-8月。與近30 a 同期值相比，試驗期間日均氣溫升高0.9 ℃，降雨量降低114.2 mm，屬降水較少的年份。

圖1 玉米生長期間降雨量和日均溫度的變化Fig.1 Changes of rainfall and daily mean temperature during maize growing period

1.3 觀測項目及方法

1.3.1 玉米株高和葉面積指數(shù)

吐絲期每個小區(qū)采集3 棵代表性植株，用直尺測定植株株高及全部葉片的長度和寬度，采用下式計算葉面積指數(shù)（LAI）：

式中：k為葉片數(shù)；lj為單葉片長度，cm；bj為單葉片最大寬度，cm；f為單株玉米的占地面積，cm2。

1.3.2 凈光合速率

在玉米授粉開始時以及第15 d和第30 d，采用CI-340型便攜式光合儀（美國，CID）于上午9∶00-11∶00 測定穗位葉的凈光合速率（Pn），每個處理3次重復。

1.3.3 玉米籽粒灌漿特性

玉米吐絲期，選擇生長一致的植株掛牌標記，自開花授粉日起，每隔5 d 取玉米果穗中部籽粒100 粒，每次取3 個果穗，80 ℃烘干至恒重后稱重。

采用Logistic方程對玉米籽粒增重過程進行模擬：

Y=K/(1+ea-bt)

式中：Y單粒重，g；t為授粉后天數(shù)，d；K為理論最大粒重，g；a、b均為回歸參數(shù)。

對Logistic 方程求二階導數(shù)，并令其值為0，得到灌漿最大速率出現(xiàn)的時間t0= ln(ea)/b，帶入一階導數(shù)的方程得到最大灌漿速率Vmax=Kb/4；籽粒增重模型曲線的兩個拐點T1、T2將籽粒灌漿進程分成漸增期、速增期和緩增期，計算公式為T1，2=平均灌漿速率V=最大粒重/生長天數(shù)。

1.3.4 產量構成

收獲時，統(tǒng)計各小區(qū)有效穗數(shù)，在每個小區(qū)中間行連續(xù)取40 穗，風干后測定穗行數(shù)和行粒數(shù)，脫粒后稱重并測定百粒質量，折算籽粒產量。

1.3.5 玉米耗水量與水分利用效率

玉米生育期間耗水量根據水量平衡方程計算：

式中：ET為玉米生育期耗水量，mm；I為生育期內灌水量，mm；P為生育期內有效降雨量，mm；G為地下水，補給量，mm；R為地表徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔS為生育期內土壤貯水變化量，mm。

試驗地地勢平坦，且小區(qū)間有畦埂，地下水位在5 m 以下，故地表徑流量和地下水補給量可忽略不計。ΔS采用試驗初始和試驗結束時0～200 cm 土層土壤含水率計算，由于土壤水分測定土層深度較大，且玉米生育期間未出現(xiàn)強度較大的降雨，無深層滲漏量產生。

水分利用效率（WUE）采用下式計算：

式中：WUE為水分利用效率，kg/m2；Y為玉米籽粒產量，kg/hm2；ET為玉米生育期總耗水量，m3/hm2。

1.4 數(shù)據處理與分析

采用Excel 2010和DPS數(shù)據處理系統(tǒng)進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析，采用LSD法進行多重比較，顯著水平為0.05。

2 結果與分析與方法

2.1 播期對玉米株高、葉面積指數(shù)的影響

圖2 顯示了不同播期處理玉米吐絲時的株高和葉面積指數(shù)，可以看出，玉米株高和葉面積指數(shù)隨著播期的推遲均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，株高和葉面積指數(shù)最大的處理均為T06-05。與T05-05、T05-20、T06-20 處理相比，T06-05 處理的株高分別增加25.3%、9.6%、4.8%；葉面積指數(shù)依次增加27.6%、9.9%、5.3%。其中，T05-05、T05-20 處理的株高和葉面積指數(shù)與T06-05間差異達顯著水平。

圖2 播期對玉米株高和葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effect of sowing date on plant height and leaf area index of maize

2.2 播期對玉米凈光合速率的影響

由圖3可見，開花授粉時以及第15 d和第30 d，凈光合速率均隨著播期的推遲呈現(xiàn)先增后降的趨勢，凈光合速率最大的處理均為T06-05。與T05-05、T05-20、T06-20 處理相比，開花授粉時凈光合速率分別增加63.7%、17.7%、30.7%，授粉第15 d 凈光合速率依次增加17.4%、3.2%、14.0%，授粉第30 d 凈光合速率分別增加23.9%、1.4%、13.2%。其中開花授粉時至第30 d，T05-05和T06-05處理的凈光合速率差異達顯著水平。

圖3 播期對玉米凈光合速率Pn的影響Fig.3 Effect of sowing date on net photosynthetic rate Pn of maize

2.3 播期對玉米籽粒灌漿進程的影響

圖4給出了不同處理玉米籽粒增長進程，可以看出，不同播期處理下玉米粒重隨著授粉后天數(shù)的增加呈現(xiàn)了較為一致的變化規(guī)律，即授粉后10 d，粒重增長速率較小，10～40 d進入快速增長期，40～60 d 增長速率減緩，粒重趨于穩(wěn)定，粒重最大和最小處理分別是T06-05和T05-05。

圖4 播期對玉米授粉后籽粒增重進程的影響Fig.4 Effect of sowing date on seed growth process of maize after pollination

Logistic 生長模型可以對不同播期處理玉米籽粒增長過程進行較好的模擬，模擬結果見表1?？梢钥闯觯魈幚頂M合方程的決定系數(shù)R2介于0.992 8～0.995 9，說明模擬結果較好。依據模擬結果，平均灌漿速率Vt最大的處理為T06-05，T05-05、T05-20 和T06-20 處理間的差異較小；最大灌漿速率Vmax隨播期推遲不斷增大，而籽粒速增期持續(xù)天數(shù)ΔT隨播期推遲呈現(xiàn)減少的趨勢?？梢钥闯?，T06-05 處理下Vt高于其余處理，Vmax和ΔT較高，有利于籽粒庫容的增加。

表1 不同播期處理下玉米籽粒灌漿擬合方程與灌漿參數(shù)Tab.1 Grain filling fitting equation and Grain filling parameters of maize under sowing date treatment

2.4 播期對玉米產量和水分利用效率的影響

表2列出了不同播期處理玉米的產量構成要素及耗水量和水分利用效率?？梢钥闯?，處理間有效穗數(shù)差異不顯著；隨著玉米播期的推遲，百粒重先增大后減小，最大和最小的處理分別為T06-05 和T05-05，二者間差異達顯著水平；穗粒數(shù)隨玉米播期的推遲逐漸增大，T06-05 和T06-20 處理間差異不顯著，但二者顯著大于T05-05 和T05-20。由此促使處理間籽粒產量大小順序為T06-05>T06-20>T05-20>T05-05，與T05-05、T05-20、T06-20相比，T06-05處理籽粒產量依次提高73.9%、19.7%、13.8%，差異達顯著水平。

表2 播期處理對玉米產量和水分利用效率的影響Tab.2 Effects of sowing date treatment on Maize yield and water use efficiency

隨著播期的推遲，玉米生育期耗水量逐漸降低，水分利用效率先增大后減小，T06-05 處理的水分利用效率最大。與T06-05 處理相比，T05-05、T05-20、T06-20 處理的水分利用效率分別降低45.7%、17.2%、5.7%，其中，T05-05 和T05-20 與T06-05處理間的差異達顯著水平。

3 討 論

玉米經濟產量60%以上來自開花至成熟期的光合代謝產物，生育后期的光合作用直接影響到籽粒產量［10-11］。玉米葉面積指數(shù)反映光合面積的大小，對光合作用和產量的形成具有重要影響［12］。本研究中，隨著播期的推遲，玉米吐絲期的株高和葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最大處理均為T06-05。究其原因是T06-05 處理自播種至吐絲階段的累計降雨量和日平均溫度均高于其他處理，促使其植株長勢較優(yōu)。授粉后30 d，T06-05 和T05-20 處理的Pn較高，這可能是由于2 個處理在該階段的氣溫和土壤濕度較為適宜所致。

籽粒的灌漿特性是影響粒重的重要因素。王榮煥等［13］研究表明，播期通過調節(jié)光熱資源對籽粒灌漿過程產生重要影響。宋立泉［14］和王春乙［15］指出，玉米獲得高產的灌漿期最適日平均溫度為22～24 ℃，當日平均溫度低于16 ℃時，灌漿過程基本停止。本研究表明，玉米灌漿期Vt隨著播期推遲呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，T06-05 處理最大，T05-05 處理最小。這是由于T05-05、T05-20、T06-05、T06-20 處理灌漿期的日平均溫度分別為25.3、24.2、22.8、19.8 ℃，T05-05、T05-20 處理灌漿期日平均溫度高于最適灌漿溫度，而T06-20 處理低于最適灌漿溫度，T06-05處理灌漿期日平均溫度在最適范圍內，促使其平均灌漿速率最大、粒重最高。

播期處理通過影響玉米株高、葉面積指數(shù)、光合速率和灌漿過程，必然會對產量造成影響。本研究中，隨著播期的推遲，玉米產量先增大后減小，T06-05 處理最高，T05-05 處理最低。究其原因是早播處理（T05-05）雨熱不同期，導致玉米灌漿速率小，粒重低、穗粒數(shù)少，進而使得產量顯著降低；T06-05 處理雨熱同期，玉米灌漿期降雨和氣溫較為適宜，促使其灌漿速率最高，粒重大、粒數(shù)多，籽粒產量顯著高于其他處理；T05-20 處理灌漿期氣溫偏高、而T06-20 處理灌漿中后期氣溫偏低，導致灌漿速率和粒重低于T06-05處理，產量亦有所降低。

水分利用效率是作物產量和耗水量共同作用的結果，反映作物節(jié)水效益狀況［16］。在水資源緊缺地區(qū)，減少作物無效耗水，提高水分利用效率尤為重要［17］。本研究表明，隨著播期的推遲，玉米生育期耗水量逐漸降低，水分利用效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，T06-05 處理的水分利用效率最高，這與孫宏勇等［18］得出的適當推遲播期有利于水分利用效率提高的結論一致。由此可見，在水資源匱乏的河北低平原區(qū)，早播和過于晚播均不利于玉米高產，適當晚播（T06-05）可充分利用雨熱資源，促使玉米產量增加和水分利用效率提高。本研究結果是在試驗區(qū)降雨較少年份得出的，其在不同降雨年型的適用性有待進一步驗證。

4 結 論

玉米吐絲期的株高和葉面積指數(shù)隨著播期推遲呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，二者最大的處理均為T06-05。開花授粉后30 d，T06-05 處理的光合速率最大，過早和過晚播種均會降低玉米灌漿期光合速率。

Logistic 曲線能較好地實現(xiàn)不同播期處理玉米籽粒灌漿過程模擬，T06-05 處理的平均灌漿速率最大，有利于粒重增加和產量的形成。T06-05 處理的籽粒產量顯著高于T05-05、T05-20、T06-20 處理，增產率分別為73.9%、19.7%、13.8%。處理間玉米耗水量差異不大，水分利用效率隨播期延遲先增大后減小，T06-05處理的水分利用效率最高。

綜上，在僅灌溉出苗水條件下推薦研究區(qū)玉米一熟制種植模式的適宜播期為6月5日。 □