Field Crop Res | 增加种植密度如何影响玉米氮素利用效率?:全球整合分析

文摘   科学   2024-05-09 09:00   山东  

期刊:Field Crop Ressearch  1区TOP/IF=5.8

本文亮点

在全球范围内,种植密度的增加提高了玉米产量,并极大地影响了与NUE相关的指标。
较高的种植密度促进了吐丝前植株氮素的积累及其在籽粒中的再动员
高种植密度下氮素利用效率的提高可以解释为根系对氮的有效吸收,尽管根系大小受到很大限制
协调基因型改良,优化氮素和水分管理,以密植提高玉米产量和氮素利用率
在玉米生产中,获得高产和氮素利用效率(NUE)是至关重要的。优化种植密度是提高粮食产量的关键策略。然而,其对NUE的影响尚未得到很好的研究本研究进行了237项研究的2226组观测数据的综合整合分析,以了解品种和氮素管理如何影响玉米氮素积累、分配、转运和其他与氮素利用相关的指标,以应对植物密度的增加。这些研究结果对优化氮肥管理和选育新品种,在提高种植密度的同时实现高产和氮肥利用具有重要意义。

试验设计

数据收集
本研究全面检索了Web of Science 、谷歌学术、中国知网,检索了2022年12月前种植密度增加的田间玉米研究。使用关键词如下:“plant*density*” OR “plant*population*” OR “population*density*” OR “seeding rate*” OR “sowing rate*” AND “maize*” OR “corn*” AND “grain yield*”。文献检索采用优选报告题项的程序进行系统综述和荟集分析(Moher等,2009)。

根据以下标准筛选出版物:(1)研究必须在农田进行,不包括温室、盆栽或密闭室内实验;(2)研究必须在大田种植的玉米中进行,不包括间作;(3)研究必须使用普通商品玉米品种,不包括自交系、青贮玉米和甜玉米;(4)研究的均值、样本量和标准偏差(SD)或标准误差(SE)可以从表格中导出,或从数字中数字化(Getdata Graph Digitizer http://getdata-graph-digitizer.com/),或通过“metagear”R包估计;(5)全文以英文撰写或提供英文摘要。
在每项研究中,最接近当地实践的植物密度被确定为对照(C),较高的植物密度被认为是处理(T)。低于对照的植物密度不包括在内。研究分布如下:东亚(66.9%)、北美(18.1%)、南美洲(4.7%)、非洲(3.1%)、南亚(2.6%)、欧洲(2.5%)、西亚(2.0%)。其中,中国和美国分别占65.5%和15.6%(图2)。这些研究发表于1966—2022年。试验年限包括1年(31.4%)、2年(42.9%)、3年及以上(25.1%)。

图2 整合分析包括了现场实验的全球分布。该数据集涵盖了1966年至2020年21个国家237个实地实验的2226个配对观测数据。该地图是用QGIS 3.20版本创建的(开源地理空间基金会项目,http://qgis.osgeo.org)。全球地图从《自然地球》(http://www.naturalearthdata.com/)网站下载。

其余方法见原文。

主要结果

增加密度对籽粒产量及组成成分的影响

图3 增加种植密度对玉米籽粒产量、收获穗数、粒数和千粒重的影响。GY,粮食产量;HE,每公顷穗数;KN,粒数;KW,千粒重。图2 产量稳定性的加权效应大小。W、WCF和WOA分别表示增温、增温+碳肥和增温+有机改良剂。

增加植株密度对氮素积累、分配和再动员的影响

图4 增加种植密度对单株各生育阶段地上部氮积累的影响(a)每公顷(b);单株吐丝前和吐丝后地上部氮素积累(c);每公顷(d)。V6、V9、V12、V15、R1、R6表示V6、V9、V12、V15、吐丝和生理成熟期植株氮素积累量。PrS即吐丝前氮积累。PoS是指吐丝后氮的积累。

图5 增加种植密度对单株茎、叶、营养组织(包括茎叶)和籽粒氮积累的影响(a);SNacc-R1为吐丝期茎秆氮积累量,LNacc-R1为吐丝期叶片氮积累量,SNacc-R6为生理成熟期茎秆氮积累量,LNacc-R6为生理成熟期叶片氮积累量,VNacc-R6为生理成熟期营养组织氮积累量,GNacc-R6为生理成熟期籽粒氮积累量。

 图6 增加种植密度对茎、叶和籽粒氮浓度的影响。SNcon-R1为吐丝期茎秆氮浓度,LNcon-R1为吐丝期叶片氮浓度,SNcon-R6为生理成熟期茎秆氮浓度,LNcon-R6为生理成熟期叶片氮浓度,GNcon-R6为生理成熟期籽粒氮浓度。

图7 增加种植密度对营养组织(茎叶)氮素转运效率、氮素转运对籽粒氮素的贡献、肥料氮素回收效率、氮素利用效率、氮素收获指数、百公斤籽粒需氮量的影响。NRemE表示营养组织的N转运效率;NRemC表示氮素转运对籽粒氮素的贡献;REferN是指肥料氮回收率;NUtE为氮素利用效率;NHI表示N收获指数;GNreq是指100公斤谷物的需氮量。

增加植株密度对氮效率指标的影响

图8 增加植物密度对LAI的影响。V6、V9、V12、R1、R3、R5、R6平均在V6、V9、V12、吐丝、milk, dent和生理成熟期的叶面积指数。

增加植株密度对根系生长的影响

图9 提高植株密度对吐丝期根冠比(a)、单株根系生物量(b)、每公顷根系生物量(c)、单株根长、比根长、节根数、地上根数的影响(d)。R/S-V6、R/S-V9、R/S-V12、R/S-V15、R/S-R1、R/S-R3、R/S-R6分别表示V6、V9、V12、V15、吐丝期、灌浆期、生理成熟期的根冠比。RB-V6、RB-V9、RB-V12、RB-V15、RB-R1、RB-R3、RB-R6在V6、V9、V12、V15、吐丝、灌浆和生理成熟期的平均根系生物量。RL-R1、SRL-R1、NR-R1和AR-R1分别为吐丝期单株根长、比根长、节根数和气生根数的平均值。

农田氮素管理的效果

图10 氮肥用量、施氮次数、施氮量、品种和增加种植密度对籽粒产量的交互作用。

图11 在吐丝前(a)、吐丝后(b)和生理成熟期(c),施氮量、施氮次数、品种和增加植株密度对单株地上部氮素积累的交互作用;吐丝前(d)、吐丝后(e)、生理成熟期(f)每公顷地上部氮素积累量。PrS-N指吐丝前氮素积累量。PoS-N表示吐丝后N积累。PNacc-R6表示生理成熟期植株氮素积累。

图12 施氮量、施氮次数、品种和增加种植密度对单株茎秆氮积累量(a)、叶片氮积累量(b)和籽粒氮积累量(c)的交互作用;生理成熟期每公顷茎秆氮积累量(d)、叶片氮积累量(e)、籽粒氮积累量(f)。生理成熟阶段,SNacc-R6、LNacc-R6和GNacc-R6的茎秆氮积累量、叶片氮积累量和籽粒氮积累量分别为。

图13 施氮量、施氮次数、品种和增加植株密度对生理成熟期籽粒氮浓度的交互作用。GNcon-R6表示生理成熟期籽粒氮浓度。

图14 施氮量、施氮次数、施氮量、品种和增加植株密度对营养组织氮素转运效率(a)、氮素转运对籽粒氮素的贡献(b)、肥料氮素恢复效率(c)、氮素收获指数(d)、100公斤籽粒需用氮量(e)和氮素利用效率(f)的交互作用。NRemE即营养组织氮素转运效率;NRemC表示氮素转运对籽粒氮素的贡献;REferN是指肥料氮回收率;NUtE为氮素利用效率;NHI表示N收获指数;GNreq是指100公斤谷物的需氮量。

图15 在V9 (a)、吐丝(d)、灌浆(c)、silking(d)、生理成熟期(e),施氮次数、施肥、品种和增加植株密度对叶面积指数的交互作用。LAI-V9、LAI-R1、LAI-R3、LAI-R5和LAI-R6在V9、吐丝、灌浆、凹痕和生理成熟期的平均绿叶面积指数。

图16 V6 (a)、V9 (b)、V12 (c)、吐丝(d)、灌浆(e)期施氮次数、施肥、品种和增加单株密度对根系质量的交互效应;在V6 (f)、V9 (g)、V12 (h)、吐丝(i)、灌浆(j)阶段每公顷根质量。RB-V6、RB-V9、RB-V12、RB-R1、RB-R3分别表示V6、V9、V12、吐丝期和灌浆期的根系生物量。

主要结论

本研究强调了优化种植密度作为促进玉米产量和调节氮利用效率的战略方法的至关重要性。增加种植密度有利于提高预吐丝群体氮素积累及其在籽粒中的转运。即使根的大小受到很大的限制,吐丝前氮素积累的增加也归因于根对氮素的有效吸收。高种植密度改变了植株内氮素分配动态。本研究首次探索在高种植密度条件下,通过基因型改良、优化氮率和水分管理策略来提高粮食产量和氮素利用效率的潜力。合理提高施氮水平并采用拆分施氮方式,有利于提高吐丝前吸氮和氮的高效回收。此外,施肥不仅提高了吐丝后氮素的吸收,而且促进了吐丝前氮素的转运效率。

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