張美微,劉京寶,喬江方,李 川,黃 璐,張盼盼,趙 霞,李 萍

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002)

玉米是我國的主要糧食作物，提高和穩(wěn)定玉米產(chǎn)量對于保障我國糧食安全具有重要作用[1]。合理密植作為一項重要的栽培技術(shù)，在協(xié)調(diào)玉米植株個體與群體矛盾、提高產(chǎn)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，已成為實現(xiàn)玉米增產(chǎn)最經(jīng)濟有效的途徑[2-4]，它主要通過增加單位面積的葉面積指數(shù)、提高玉米植株光熱資源利用效率、依靠群體充分發(fā)揮產(chǎn)量潛力達到增產(chǎn)[5]。國內(nèi)外的玉米高產(chǎn)記錄都是在密植條件下實現(xiàn)的，且高密條件下現(xiàn)代品種的產(chǎn)量優(yōu)勢更加明顯[6-8]。然而，增加種植密度會引起玉米植株對光照和水肥養(yǎng)分等資源的競爭，導(dǎo)致單株干物質(zhì)積累量和抗倒伏能力下降；同時，結(jié)實率和穗粒質(zhì)量降低，造成單株產(chǎn)量下降[1,9]。氮素是玉米生長發(fā)育不可或缺的重要營養(yǎng)元素，對玉米增產(chǎn)起著關(guān)鍵作用。然而，近年來，玉米生產(chǎn)中存在氮肥過量施用、氮揮發(fā)和淋洗損失等嚴重問題，對生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅[10]。因此，開展夏玉米合理密植群體下氮肥減施的研究對于玉米增產(chǎn)提效十分重要。

黃淮海平原是我國重要的玉米生產(chǎn)區(qū)，其當(dāng)前種植密度為52 500株/hm2，遠低于發(fā)達國家75 000～90 000株/hm2的密植水平[2]，成為限制玉米增產(chǎn)的主要因素。同時，該區(qū)域也存在常年氮肥過量施用、氮肥利用效率低、氮素淋失造成農(nóng)田水體污染等問題[11]。因此，合理密植和科學(xué)施肥對于進一步提高玉米產(chǎn)量和肥料利用效率具有重要作用。學(xué)者針對黃淮海平原夏玉米區(qū)氮肥施用和密植水平的研究主要集中在農(nóng)藝性狀[9,12]、干物質(zhì)和產(chǎn)量[10,13]等方面，且大多數(shù)為單一因子的研究。鑒于此，針對當(dāng)前玉米密植和氮肥施用中存在的主要問題，以黃淮海區(qū)域主栽玉米品種鄭單1002為材料，在漯河市臨潁縣和駐馬店市遂平縣2個地點開展種植密度和施氮量互作對夏玉米產(chǎn)量、氮素積累利用和氮肥利用效率等方面的影響研究，明確該品種產(chǎn)量和氮素積累利用對氮密互作效應(yīng)的響應(yīng)特征，探討氮肥減施下夏玉米的合理群體構(gòu)建，為黃淮海地區(qū)夏玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料和試驗地概況

試驗以河南省大面積推廣種植的夏玉米品種鄭單1002為材料，在漯河市臨潁縣農(nóng)技中心(北緯33°48′50″，東經(jīng)113°57′12″)和駐馬店市遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站(北緯33°0′41″，東經(jīng)114°3′8″)開展。2個地點均屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季雨量充沛，全年無霜期226 d左右。臨潁試驗點夏玉米播種前0～40 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力為速效氮含量129.85 mg/kg、速效鉀含量86.70 mg/kg、速效磷含量18.40 mg/kg、有機質(zhì)含量11.50 g/kg；遂平試驗點夏玉米播種前0～40 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力為速效氮含量138.32 mg/kg、速效鉀含量82.1 mg/kg、速效磷含量33.30 mg/kg、有機質(zhì)含量12.50 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計，氮肥設(shè)置N1(不施氮)、N2(減氮40%，135 kg/hm2)、N3(減氮20%，180 kg/hm2)、N4(正常施氮，225 kg/hm2)4個水平；種植密度設(shè)置D1(60 000株/hm2)、D2(67 500株/hm2)、D3(75 000株/hm2)3個水平。各處理磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量均為100 kg/hm2，供試肥料分別為復(fù)合肥(N∶P∶K為29∶5∶6)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。小區(qū)面積5 m×6 m=30 m2，各處理重復(fù)3次。2個地點均于2018年6月12日進行播種，10月5日收獲。其他田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 產(chǎn)量 各小區(qū)于成熟期選取長勢一致的夏玉米植株20株，進行收獲、脫粒、晾曬，用水分測定儀測定籽粒含水量后，按照14%含水量折算產(chǎn)量。從收獲的玉米果穗中選取有代表性的10穗進行產(chǎn)量性狀考察。

1.3.2 氮肥偏生產(chǎn)力 根據(jù)收獲籽粒產(chǎn)量與氮肥施用量計算，氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen partial factor productivity,NPFP,kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.3.3 干物質(zhì)積累量 于夏玉米吐絲授粉期、灌漿中期和成熟期選取各小區(qū)長勢一致、具有代表性的植株3株，每株分莖鞘、葉片和穗部共3個部分，于105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，根據(jù)各處理種植密度折算單位面積干物質(zhì)積累量。

1.3.4 氮素含量及相關(guān)指標 用FW100型高速粉碎機對分部位烘干稱質(zhì)量后的植株樣品進行粉碎并過0.15 mm篩，混勻后采用四分法取測定植株全氮所用的樣品量，按照NY/T 2419—2013采用FOSS全自動凱氏定氮儀(Kjeltec 8400)測定氮素含量，利用測定結(jié)果進行氮素積累和轉(zhuǎn)運利用相關(guān)方面的計算。

氮素積累量(Nitrogen accumulation,kg/hm2)=干物質(zhì)積累量×氮素含量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量(Nitrogen remobilization amount,NRA,kg/hm2)=吐絲期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

氮素轉(zhuǎn)運效率(Nitrogen translocation efficiency,NTE)=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/吐絲期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；

氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率(Nitrogen translocation contribution proportion,NTCP)=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素收獲指數(shù)(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒氮素積累量/地上部植株氮素總積累量×100%；

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=地上部植株氮素總吸收量/施氮量；

氮肥利用效率(Nitrogen fertilizer use efficiency,NUE,kg/kg)=(施氮處理氮素吸收量-不施氮處理氮素吸收量)/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2013進行整理后，采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 20.0進行方差分析和處理間差異性分析(Duncan’s多重比較)，圖表繪制使用Excel 2013完成。由于2個地點夏玉米干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運方面在各處理間變化趨勢一致，結(jié)果分析中僅展示了遂平試驗點干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度和氮肥施用量對夏玉米干物質(zhì)和氮素積累的影響

表1和表2顯示，種植密度和施氮量對夏玉米吐絲期和成熟期干物質(zhì)積累量均有顯著影響，密植和增施氮肥均顯著提高了2個時期的干物質(zhì)積累量。與D1處理相比，D2和D3密植條件下吐絲期干物質(zhì)積累量分別增加5.82%和18.12%，成熟期干物質(zhì)積累量相應(yīng)增加7.19%和21.00%；在不同密植條件下，隨著施氮量不斷增加，吐絲期和成熟期干物質(zhì)積累量均呈顯著增加趨勢，與不施氮處理N1相比，各施氮處理吐絲期增加比例為4.02%～37.47%，成熟期增加比例為7.74%～27.30%；當(dāng)施氮量由N3增加到N4時，成熟期干物質(zhì)積累量的增加在D1條件下未達顯著水平，而在D2和D3條件下均達到顯著水平。同時，密植和增施氮肥也顯著提高了夏玉米吐絲期和成熟期植株氮素積累量。在D2和D3密植條件下，吐絲期氮素積累量較D1處理分別增加了8.19%和11.60%，成熟期植株氮素積累量較D1處理分別增加了8.93%和18.82%；不同密植條件下，隨著施氮量增加，吐絲期和成熟期植株氮素積累量均呈顯著增加趨勢，增加量分別在12.09%～69.36%和22.09%～39.12%；當(dāng)施氮量由N2增加到N3時，吐絲期植株氮素積累量在D1和D2條件下差異不顯著，而在D3條件下達到顯著水平。

表1 種植密度和施氮量對夏玉米干物質(zhì)和氮素積累影響的方差分析(遂平)Tab.1 ANOVA analysis of effects of planting density and N fertilizer application on dry matter and N accumulation in summer maize(Suiping)

注： ns表示不顯著，*表示達到0.05顯著水平，**表示達到0.01顯著水平，***表示達到0.001顯著水平，下同。

Note： ns represents non-significant,* represents significant difference at 0.05 level,**represents significant difference at 0.01 level,***represents significant difference at 0.001 level,the same below.

表2 種植密度和施氮量對夏玉米干物質(zhì)和氮素積累的影響(遂平)Tab.2 Effect of planting density and N fertilizer application on the accumulation of dry matter and N of summer maize(Suiping)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達到0.05顯著水平，下同。

Note：Values followed by different letters in a column show significant difference at 0.05 level,the same below.

此外，種植密度和施氮量的互作效應(yīng)僅對吐絲期干物質(zhì)積累量存在顯著影響，而對成熟期干物質(zhì)積累量和植株氮素積累量無顯著影響。各處理中D3N4獲得較高的干物質(zhì)積累量和氮素積累量；密植在一定程度上增加了干物質(zhì)和氮素積累量在不同氮素水平下的差異顯著性。

氮素收獲指數(shù)僅受施氮量的顯著影響，而種植密度以及種植密度×施氮量互作未對其產(chǎn)生顯著影響。氮素收獲指數(shù)隨施氮量增加呈下降趨勢，但顯著性差異僅存在N1與N4處理之間。D1、D2、D3條件下，N4處理氮素收獲指數(shù)較N1處理分別降低6.60%、10.93%、5.70%；不同種植密度下氮素收獲指數(shù)相近，分別為64.55%(D1)、65.12%(D2)、64.50%(D3)。

2.2 種植密度和氮肥施用量對夏玉米氮素轉(zhuǎn)運和利用的影響

從表3可以看出，種植密度顯著影響氮素轉(zhuǎn)運效率、氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率、氮素吸收效率和氮肥利用效率，而對營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量的影響不顯著；施氮量對氮素轉(zhuǎn)運和利用各參數(shù)均有顯著影響；而兩者互作僅對氮素吸收效率的影響達到顯著水平。

表3 種植密度和施氮量對夏玉米氮素轉(zhuǎn)運和利用影響的方差分析(遂平)Tab.3 ANOVA analysis of effects of planting density and N fertilizer application on the translocation and utilization of N in summer maize(Suiping)

由表4可見，在氮素轉(zhuǎn)運方面，密植提高了營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量，與低種植密度(D1)相比，D2和D3密度處理分別增加了8.93%和3.13%，降低了氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率。隨著施氮量的增加，營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量均顯著增加，而氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率則呈先下降后升高的趨勢。

在氮素利用方面，D2和D3密植處理顯著提高了氮肥利用效率和氮素吸收效率，其中，D2處理分別較D1處理提高18.23%和9.20%，D3處理分別較D1處理提高23.44%和18.96%。增加施氮量顯著降低氮素吸收效率和氮肥利用效率；D1和D2種植條件下，不同施氮量下氮肥利用效率差異未達顯著水平，而高密植D3條件下N3和N4處理氮肥利用效率較N2處理分別顯著降低了16.10%和11.48%；隨施氮量增加，氮素吸收效率降幅達到21.47%～34.54%，且不同氮肥處理間差異顯著，各種植密度條件下表現(xiàn)一致。

表4 種植密度和施氮量對夏玉米氮素轉(zhuǎn)運和利用的影響(遂平)Tab.4 Effect of planting density and N fertilizer application on the translocation and utilization of N in summer maize(Suiping)

2.3 種植密度和氮肥施用量對夏玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由圖1可以看出，種植密度和施氮量對遂平和臨潁試驗點夏玉米產(chǎn)量均有顯著影響。產(chǎn)量總體上隨種植密度增加而顯著增加，D2和D3種植密度平均分別較D1增加了13.18%和12.72%(遂平)、5.18%和14.15%(臨潁)；不同密植條件下，增施氮肥也顯著提高夏玉米產(chǎn)量，且均以N4處理最高，在D1、D2和D3種植密度下分別較N1處理增加了38.15%、15.21%和20.32%(遂平)，13.65%、15.64%和34.76%(臨潁)。此外，兩地點均在D3N4條件下獲得最高產(chǎn)量，遂平試驗點D3N4與D2N3、D2N4、D3N3差異未達到顯著水平，臨潁試驗點D3N4則與其他處理間差異均達顯著水平。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同Different lowercase letters indicated significant at 0.05 level.The same below圖1 遂平和臨潁試驗點種植密度和施氮量對夏玉米產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of planting density and N fertilizer application on maize yield at Suiping and Linying sites

同時，氮肥偏生產(chǎn)力也受種植密度和氮肥施用量的影響(圖2)。不同種植密度以及氮肥施用量間夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力存在顯著差異。在密植條件D2和D3下，不同氮肥處理平均氮肥偏生產(chǎn)力分別較D1增加了10.91%和9.32%(遂平)、6.65%和17.33%(臨潁)；且在臨潁試驗點，密植對于提高氮肥偏生產(chǎn)力的效應(yīng)更顯著。但氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加而顯著下降，不同種植密度條件下表現(xiàn)一致，與低施氮量N2相比，各種植密度平均氮肥偏生產(chǎn)力以D2N4下降幅度最大，達到36.80%(遂平)和37.69%(臨潁)；在遂平和臨潁試驗點，各處理中分別以D2N2和D3N2條件下氮肥偏生產(chǎn)力最大。

圖2 遂平和臨潁試驗點種植密度和施氮量對夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力的影響Fig.2 Effects of planting density and N fertilizer application on nitrogen partial factor productivity of maize at Suiping and Linying sites

3 結(jié)論與討論

選用耐密品種進行合理密植是玉米增產(chǎn)的重要途徑[14]。前人研究顯示，玉米產(chǎn)量隨著種植密度的增加而增加，但是種植過密會導(dǎo)致抗倒伏能力下降，空稈率和禿尖長增加，株高和穗位高增大等不利影響[9,15]。氮肥對促進玉米頂部籽粒發(fā)育、提高穗粒質(zhì)量以及增強莖稈抗倒伏能力等方面均有顯著影響[16-17]，且氮肥和種植密度存在顯著的互作效應(yīng)[1]。因此，合理密植與適宜氮肥施用互作可以充分發(fā)揮品種的產(chǎn)量潛力，獲得高產(chǎn)。本研究結(jié)果表明，夏玉米產(chǎn)量隨著種植密度和施氮量的增加而顯著提高；兩試驗點均在D3N4條件下獲得最高產(chǎn)量，但兩試驗點不同處理間差異顯著性不同,其中，遂平試驗點D3N4處理與D2N3、D2N4、D3N3間差異不顯著，而臨潁試驗點D3N4處理與其他各處理間的差異均達顯著水平。這與兩試驗點土壤基礎(chǔ)肥力和生態(tài)環(huán)境條件有關(guān)，遂平試驗點0～40 cm土壤速效氮和有機質(zhì)含量分別較臨潁試驗點高6.12%和8.03%。因此，實現(xiàn)夏玉米合理群體構(gòu)建與氮肥優(yōu)化施用的正向互作必須充分考慮生態(tài)條件因素[18]。此外，本研究結(jié)果顯示，氮肥偏生產(chǎn)力也受種植密度和施氮量的顯著影響，密植可以使氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高6.65%～17.33%；但隨著施氮量增加，氮肥偏生產(chǎn)力顯著下降；遂平和臨潁試驗點分別在D2N2和D3N2條件下獲得最大氮肥偏生產(chǎn)力。綜合產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力可以看出，兩試驗點夏玉米在67 500株/hm2(D2)密植條件下，氮肥減施20%即180 kg/hm2可獲得較高產(chǎn)量兼具較高的氮肥偏生產(chǎn)力；而在高密植75 000株/hm2(D3)條件下，則根據(jù)土壤基礎(chǔ)肥力適宜采取正常水平(225 kg/hm2)到減施20%(180 kg/hm2)的施氮量范圍。

干物質(zhì)和氮素積累是夏玉米產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)兩者與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系[10,19]。群體干物質(zhì)和氮素積累量隨著種植密度的增加而增加，但過密種植會造成氮素含量和單株干物質(zhì)積累量下降，進而限制群體干物質(zhì)積累量的大幅增加[20]。在一定密植條件下增加氮肥施用可以提高夏玉米氮素含量和單株干物質(zhì)量，進而促進單株氮素積累[21]。本研究結(jié)果也表明，密植和增施氮肥均顯著提高了夏玉米吐絲期和成熟期干物質(zhì)積累量和氮素積累量；且在密植條件下(D2和D3)，成熟期干物質(zhì)積累量在N3和N4處理間差異顯著。而該試驗點(遂平)產(chǎn)量在密植條件下，N3和N4氮肥水平間無顯著差異，說明密植以及高水平氮肥對干物質(zhì)積累的促進作用遠大于產(chǎn)量。這與收獲指數(shù)低、轉(zhuǎn)移到籽粒中的干物質(zhì)比例少有關(guān)[10]。本研究結(jié)果中不同種植密度下的氮素收獲指數(shù)為64.55%(D1)、65.12%(D2)和64.50%(D3)，幾乎相同，其并未隨種植密度增加而提高，也進一步說明了密植和施氮量對玉米源庫關(guān)系影響的復(fù)雜性。

氮素是玉米營養(yǎng)器官中限制產(chǎn)量提高的重要因子，有效的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運有利于創(chuàng)造協(xié)調(diào)的源庫關(guān)系，為玉米增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[21]。夏玉米營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量及其向籽粒中的轉(zhuǎn)運效率直接影響到其對氮素的吸收利用[1]。前人研究結(jié)果顯示，夏玉米營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量、氮素轉(zhuǎn)運效率及其對籽粒的貢獻率隨著種植密度和氮肥水平的提高而增加[22-23]。本研究結(jié)果顯示，密植提高了營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量，而降低了氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率；隨著施氮量的增加，營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量均顯著增加，而氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率則呈先下降后升高的趨勢。這與前人的研究結(jié)果存在差異，主要是由于本研究采用的不同密植水平間增密幅度(7 500株/hm2)遠低于前人的增密幅度(15 000株/hm2)，且密植條件下營養(yǎng)器官氮素積累量的增幅小于植株氮素積累量以及籽粒氮素積累量的增幅。此外，種植密度和施氮量也顯著影響夏玉米的氮素吸收效率和氮肥利用效率，且兩者對氮素吸收效率的影響存在顯著的互作效應(yīng)。與D1種植條件相比，D2和D3密植條件下夏玉米氮肥利用效率分別顯著提高了18.23%和23.44%，氮素吸收效率分別提高了9.20%和18.96%。高密植條件下(D3)，夏玉米氮肥利用效率隨施氮量增加而顯著下降，這與前人研究結(jié)論相似[20,24]；而施氮量對夏玉米氮素吸收效率的影響在不同密植條件下均達到顯著水平。這說明適宜密植是提高夏玉米氮素吸收效率和氮肥利用效率的有效措施；在合理密植條件下適量減少施氮量更有利于夏玉米對氮素的吸收利用。