劉佳敏 汪 洋 褚 旭 齊 欣 王慢慢 趙亞南 葉優(yōu)良 黃玉芳

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，450002，河南鄭州）

小麥-玉米輪作是我國華北地區(qū)大田主要的種植模式，小麥和玉米產(chǎn)量高低不僅關(guān)系到農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益，更關(guān)乎我國的糧食安全。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，小麥-玉米輪作作為一種重要的耕作制度，在提高糧食產(chǎn)量和發(fā)揮土壤潛力中起到了重要作用。小麥和玉米作為典型禾本科作物，其產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重組成，尤以單位面積穗數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系最為密切。生產(chǎn)上提高單位面積穗數(shù)的方式主要有施用氮肥和密植[1]。

種植密度對作物個(gè)體和群體的影響主要基于營養(yǎng)生長方面橫向調(diào)節(jié)個(gè)體和群體的發(fā)展。種植密度作為群體發(fā)展的基礎(chǔ)，決定著作物群體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其對光照、水分和礦質(zhì)營養(yǎng)等資源的競爭。適宜的密度不僅有利于建立合理的群體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)群體質(zhì)量高、個(gè)體健壯、個(gè)體和群體間協(xié)調(diào)生長，還有利于同化物的產(chǎn)生和積累[2]。

氮肥施用是影響作物產(chǎn)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素。禾本科作物分蘗前期，施氮可以提高分蘗數(shù)，該時(shí)期分蘗數(shù)顯著正相關(guān)于成熟期的單位面積穗數(shù)[3]。與不施氮相比，合理施氮后產(chǎn)量顯著上升，而氮肥過量施用不僅難以繼續(xù)提升作物產(chǎn)量，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)趨勢，長期過量施氮?jiǎng)t會導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤中過度累積，增加水體和大氣污染及生態(tài)惡化的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

建立適宜的群體結(jié)構(gòu)可以獲得高產(chǎn)，而群體的發(fā)育和產(chǎn)量形成主要受氮肥和密度的影響。研究表明，合理的密度是作物利用光熱資源構(gòu)建良好群體結(jié)構(gòu)及優(yōu)化群體光合生理指標(biāo)的基礎(chǔ)，適宜的氮肥施用量是適宜密度條件下充分發(fā)揮群體優(yōu)勢進(jìn)行光合生產(chǎn)的營養(yǎng)物質(zhì)保障，它可以通過影響穗粒數(shù)和粒重來影響產(chǎn)量，在作物生產(chǎn)中，二者要高度協(xié)調(diào)[5-7]。前人研究表明，通過增加密度和減少氮肥施用量，或者在低密度下適當(dāng)增施氮肥都可以培育合理群體，獲得高產(chǎn)[8]。氮肥和密度間具有一定的互補(bǔ)效應(yīng)，探明作物生長發(fā)育中二者的相互作用機(jī)制對于深入挖掘作物的產(chǎn)量潛力，提高氮肥利用率具有重要的理論意義。

為追求高群體數(shù)量、保障出苗率和減少田間缺苗斷壟，在小麥實(shí)際生產(chǎn)中農(nóng)民往往過量播種，且氮肥投入量大[9]。調(diào)查表明，黃淮海區(qū)域冬小麥生產(chǎn)中氮肥平均用量為253.5kg N/hm2，種植密度平均為214.5kg/hm2，18.0%的農(nóng)戶小麥種植密度甚至達(dá)到了300kg/hm2以上，而推薦的氮肥用量范圍為180～270kg N/hm2，播量為90～150kg/hm2[10]。玉米生產(chǎn)中農(nóng)民習(xí)慣種植密度平均為60 000株/hm2，而專家推薦種植密度為67 500～75 000株/hm2[11]。因此，本研究旨在為不同的種植密度匹配適宜的氮肥用量，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益和氮素利用率，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶糧食生產(chǎn)的高產(chǎn)高效。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在河南省禹州市康城村（34°27′N，113°34′E），土壤類型為潮褐土，質(zhì)地為黏壤土，播前耕層（0～30cm）土壤pH值8.2，全氮1.04g/kg，有機(jī)質(zhì)16.3g/kg，速效磷20.0mg/kg，速效鉀113.7mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年6-9月進(jìn)行玉米季試驗(yàn)，2018年10月-2019年6月進(jìn)行小麥季試驗(yàn)，種植模式為小麥-玉米輪作。玉米季2個(gè)供試品種為北青340和登海605；2個(gè)種植密度：52 500株/hm2（農(nóng)民習(xí)慣）和75 000株/hm2（專家推薦）；3個(gè)施氮水平：0、180和360kg N/hm2，分別用N0、N180和N360表示。氮肥施用尿素（含N 46.4%），1/2在五葉期施用，1/2在大喇叭口期追施；磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%），均在播種時(shí)一次性基施，施用量均為90kg/hm2。試驗(yàn)分為農(nóng)民習(xí)慣種植密度區(qū)和專家推薦種植密度區(qū)，共有12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，裂區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積30m2。

玉米季試驗(yàn)收獲后，在相同田塊上繼續(xù)開展小麥季試驗(yàn)。小麥季2個(gè)供試品種為矮抗58和百農(nóng)207；2個(gè)種植密度：187.5kg/hm2（農(nóng)民習(xí)慣）和112.5kg/hm2（專家推薦）；3個(gè)施氮水平：0、180和360kg N/hm2，分別用N0、N180和N360表示。氮肥施用尿素（含N 46.4%），1/2基施，1/2在拔節(jié)期追施；磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%），均在播種時(shí)一次性基施，施用量均為90kg/hm2。

玉米季于2018年6月7日播種，在三葉期進(jìn)行田間定苗，2018年9月25日收獲。小麥季于2018年10月15日播種，2019年6月1日收獲。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤理化性狀 于玉米播種前采集0～30cm耕層土壤，測定土壤理化性質(zhì)。用電位法測定土壤pH（水土比2.5∶1）；用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)含量；用凱氏定氮法測定土壤全氮含量；用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量；用1mol/L醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

1.3.2 植株樣品采集與測定 在玉米季，于拔節(jié)期（播種后30d）、大喇叭口期（播種后45d）、抽雄期（播種后60d）、灌漿期（播種后75d）和成熟期（播種后105d）在各小區(qū)連續(xù)采集代表性的5株玉米，在105℃下殺青30min后，在70℃下烘至恒重，稱重。收獲期在各小區(qū)采集30株玉米，用小型谷物脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，風(fēng)干后稱重計(jì)產(chǎn)。

在小麥季，于苗期（播種后75d）、越冬期（播種后134d）、返青期（播種后156d）、拔節(jié)期（播種后175d）、開花期（播種后191d）、灌漿期（播種后205d）和成熟期（播種后226d）連續(xù)選取具代表性的10株小麥，105℃殺青30min后，70℃烘干至恒重，稱重。收獲期在各小區(qū)收割5m2樣方，用小型谷物脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，風(fēng)干后稱重計(jì)產(chǎn)。

植株樣品粉碎后過1mm篩，用于測定養(yǎng)分含量。用H2SO4-H2O2消煮，定容后過濾得到待測液，用凱氏定氮法測定植株全氮含量。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 采用 Microsoft Excel、DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度對不同施氮水平下作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

在小麥試驗(yàn)中，相比農(nóng)民習(xí)慣種植密度，專家推薦處理下矮抗58和百農(nóng)207分別增產(chǎn)10.0%、15.7%（圖1）。相同播量下，品種矮抗58產(chǎn)量在N0處理下均顯著低于施氮處理N180和N360，而產(chǎn)量在N180和N360處理間沒有明顯差異。專家推薦種植密度下，百農(nóng)207產(chǎn)量在N180水平下達(dá)到最高，繼續(xù)增施氮肥至360kg N/hm2，產(chǎn)量略下降；農(nóng)民習(xí)慣種植密度下，百農(nóng)207產(chǎn)量在不同施氮水平下基本一致。相比農(nóng)民習(xí)慣種植密度，專家推薦處理下玉米品種北青340和登海605產(chǎn)量分別提高22.7%和17.8%（圖1）。相同種植密度條件下，兩個(gè)玉米品種籽粒產(chǎn)量都在N180水平下達(dá)到最高，均顯著高于N0處理；繼續(xù)增施氮肥至360kg N/hm2，品種北青340籽粒產(chǎn)量略下降，但未達(dá)顯著水平，登海605籽粒產(chǎn)量則顯著降低，與不施氮處理的產(chǎn)量相近。

圖1 種植密度對不同施氮量下不同品種小麥和玉米產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of planting density and nitrogen application rate on the yields of different varieties of wheat and maize

由表1可知，在農(nóng)民習(xí)慣種植密度條件下，矮抗58在不同施氮水平下穗數(shù)差異顯著；在專家推薦種植密度下，矮抗58的穗數(shù)在N0處理下均顯著低于施氮處理N180和N360。不同種植密度間矮抗58的穗粒數(shù)沒有顯著差異。專家推薦種植密度下，百農(nóng)207穗數(shù)在N180水平下達(dá)到最高，繼續(xù)增施氮肥至360kg N/hm2，穗數(shù)略微下降；農(nóng)民習(xí)慣種植密度下，百農(nóng)207的產(chǎn)量在施氮處理下基本一致。在農(nóng)民習(xí)慣種植密度條件下，玉米品種北青340在不同施氮處理下穗粒數(shù)差異不顯著，粒重在N180處理下達(dá)到最大；在專家推薦種植密度下，北青340的穗粒數(shù)和粒重均在N180處理下達(dá)到最高，繼續(xù)增施氮肥至360kg N/hm2，穗粒數(shù)和穗數(shù)均略下降。

表1 種植密度對不同施氮量下不同品種小麥和玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Table 1 Effects of planting density and nitrogen application rate on yield components of different wheat and maize varieties

2.2 種植密度對不同施氮水平下作物干物質(zhì)累積的影響

小麥干物質(zhì)量隨生育期的生長而增長（圖2）。不同種植密度條件下，矮抗58成熟期干物質(zhì)量在N180處理?xiàng)l件下均最大；在農(nóng)民習(xí)慣種植條件下，于越冬期始矮抗58在N0處理下的干物質(zhì)低于施氮處理。在專家推薦條件下，百農(nóng)207成熟期干物質(zhì)量表現(xiàn)為N360＞N180＞N0，同時(shí)，于開花期開始百農(nóng)207在N0處理下的干物質(zhì)量顯著低于施氮處理。

圖2 種植密度對不同施氮量下不同品種小麥干物質(zhì)的影響Fig.2 Effects of planting density and nitrogen application rate on dry matter amounts of different wheat varieties

玉米干物質(zhì)量隨生育期生長表現(xiàn)為拔節(jié)至灌漿階段快速上升，灌漿至成熟階段干物質(zhì)緩慢上升（圖3）。增加種植密度提高了各生育期玉米的干物質(zhì)量，同一品種于灌漿期密度間干物質(zhì)量差異達(dá)最高。兩個(gè)玉米品種成熟期干物質(zhì)均表現(xiàn)為N180＞N360＞N0。農(nóng)民習(xí)慣種植條件下，于抽雄期始北青340在N0處理下的干物質(zhì)量顯著低于施氮處理；專家推薦種植條件下，施氮處理間的干物質(zhì)量在大喇叭口期已經(jīng)呈現(xiàn)顯著差異。與北青340不同，不同氮水平間登海605干物質(zhì)量在灌漿期表現(xiàn)出明顯差異。

圖3 種植密度對不同施氮量下不同品種玉米干物質(zhì)量的影響Fig.3 Effects of planting density and nitrogen application rate on dry matter amounts of different maize varieties

2.3 種植密度對不同施氮水平下作物氮素利用效率的影響

由表2可知，周年下氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥生產(chǎn)力效率在相同種植條件下均隨著施氮量的增加而降低。氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力可以反映氮肥吸收對作物產(chǎn)量的影響。不同種植密度條件下，小麥品種矮抗58與玉米品種北青340的周年氮肥農(nóng)學(xué)利用效率與氮肥回收利用率在相同施氮水平時(shí)差異不顯著，周年氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著。不同種植密度條件下，小麥品種百農(nóng)207與玉米品種登海605的周年氮肥農(nóng)學(xué)利用效率在N180水平下差異顯著，周年氮肥偏生產(chǎn)力與氮肥回收利用率在N180水平下差異不顯著。

表2 種植密度對不同施氮量下不同品種小麥和玉米氮素利用效率的影響Table 2 Effects of planting density and nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of different wheat and maize varieties

2.4 種植密度對不同施氮水平下經(jīng)濟(jì)效益的影響

由于養(yǎng)分管理的不同導(dǎo)致不同處理間產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)效益不同（表3）。整體來看，兩種作物在相同氮水平下，專家推薦種植密度條件下的產(chǎn)值與經(jīng)濟(jì)效益高于農(nóng)民習(xí)慣種植密度條件。通過增施肥料或者提高種植密度來提高產(chǎn)值的同時(shí)也提高了肥料和種子的成本。扣除成本后，兩種作物經(jīng)濟(jì)收益均在專家推薦種植密度條件下N180水平處理時(shí)最高。

表3 種植密度對不同施氮量下不同作物經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 3 Effects of planting density and nitrogen application rate on economic benefits of different crops 萬元/hm2 ×104 yuan/hm2

3 討論

農(nóng)民習(xí)慣與專家推薦的種植密度存在明顯差異。小麥上，與專家推薦種植密度相比，農(nóng)民習(xí)慣種植密度要多播種75kg/hm2，增加了成本，不利于經(jīng)濟(jì)效益的增加。玉米上，與專家推薦種植密度相比，農(nóng)民習(xí)慣種植密度少播種22 500株/hm2，忽略了作物群體內(nèi)光、溫、水和肥等資源的合理安排，不利于產(chǎn)量的提升。本試驗(yàn)通過匹配不同的種植密度和氮肥用量發(fā)現(xiàn)，小麥和玉米經(jīng)濟(jì)效益均在專家推薦種植密度下施氮水平為180kg N/hm2時(shí)達(dá)到最高，分別為2.59萬元/hm2和2.39萬元/hm2，與農(nóng)民習(xí)慣種植密度相比，小麥和玉米經(jīng)濟(jì)效益分別提高了25.7%和44.0%。

適宜的群體結(jié)構(gòu)和施氮量是小麥和玉米獲得高產(chǎn)的重要栽培措施。黃波等[12]研究認(rèn)為，施氮量和密度對籽粒產(chǎn)量有顯著的互作效應(yīng)，增加施氮量可促進(jìn)穗部發(fā)育，增加穗粒數(shù)，但粒重顯著降低，相反種植密度的增加雖然降低了穗粒數(shù)和粒重，卻增加了穗數(shù)，壯大群體數(shù)量，彌補(bǔ)了個(gè)體的不足[13-14]。李瑋等[15]認(rèn)為，在淮北砂姜黑土區(qū)秸稈全量還田下適宜的氮肥量為202.5～243.0kg/hm2。趙竹等[16]研究表明，2.4×106株/hm2為淮北地區(qū)小麥適宜的種植密度。本試驗(yàn)中，不同種植密度與氮肥施用量組合對產(chǎn)量均有影響。小麥品種百農(nóng)207在專家推薦種植密度N180水平下穗數(shù)最高，達(dá)到35.22×104/hm2，同時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高，為8 703.35kg/hm2，繼續(xù)增施氮肥至360kg N/hm2，產(chǎn)量略下降。王帥等[17]研究表明，隨施氮量增加，玉米產(chǎn)量呈先上升后下降的趨勢，適量施氮可以促進(jìn)玉米果穗頂部籽粒發(fā)育，增加穗粒數(shù)，提高產(chǎn)量；而施氮不足或過量，則產(chǎn)量降低。孟戰(zhàn)贏等[18]研究表明，玉米產(chǎn)量隨密度的增加呈先增加后降低的趨勢。王宜倫等[19]認(rèn)為增加種植密度可顯著提高玉米產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，在一定范圍內(nèi)增加種植密度和施氮量可以提高作物的產(chǎn)量，改善其產(chǎn)量構(gòu)成因素，玉米的最適種植密度為75 000株/hm2，最適施氮量為180kg N/hm2。

本研究表明，氮肥農(nóng)學(xué)利用率與偏生產(chǎn)力均隨施氮量的增加而降低。

4 結(jié)論

與農(nóng)民習(xí)慣種植密度相比，專家推薦種植密度改善了氮素利用效率，提高了作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益，專家推薦處理下小麥產(chǎn)量提高了10.0%～15.7%，經(jīng)濟(jì)效益提高了0.23萬～0.61萬元/hm2，玉米產(chǎn)量提高了17.8%～22.7%，經(jīng)濟(jì)效益提高了0.45萬～0.73萬元/hm2。小麥在112.5kg/hm2的專家推薦種植密度條件下，施氮量180kg N/hm2時(shí)，氮肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最合理，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最高。玉米季試驗(yàn)中，專家推薦種植密度75 000株/hm2與施氮量為180kg N/hm2組合時(shí)，通過構(gòu)建高產(chǎn)群體，提高群體對小氣候與環(huán)境資源的利用率，使產(chǎn)量得到很大的提升，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大，為2.39萬元/hm2。