張?zhí)烊A 李東炎 翟小虎 李靜

(1 河南省濮陽(yáng)縣柳屯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 河南濮陽(yáng) 457162;2 河南省濮陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 河南濮陽(yáng) 457100;3 河南省濮陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河南濮陽(yáng) 457100)

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，其產(chǎn)量超過(guò)了我國(guó)其他糧食產(chǎn)量總和的1/3，占世界玉米產(chǎn)量的18.6%，華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)玉米產(chǎn)量占我國(guó)玉米產(chǎn)量的33%［1-2］，提高該地區(qū)夏玉米產(chǎn)量對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要意義。種植密度影響玉米對(duì)光熱資源的獲取，是決定夏玉米產(chǎn)量的最主要因素［3-4］，玉米的增密技術(shù)可以使籽粒增產(chǎn)48%～72%［5-7］。北美地區(qū)有試驗(yàn)表明，種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)在8.5%～17%［8］。美國(guó)Francis 創(chuàng)造的高產(chǎn)記錄為27 754.5 kg/hm2，其收獲 密 度 為 108 900 株/hm2［9］； 而 中 國(guó) 創(chuàng) 造 了21 042.9 kg/hm2的夏玉米高產(chǎn)記錄的實(shí)收穗數(shù)僅為98 610 穗/hm2［10］，可見(jiàn)在選用耐密品種的前提下，提高種植密度是中國(guó)玉米高產(chǎn)突破的重要途徑。MENG 等［11］通過(guò)模型模擬表明，僅通過(guò)增加密度可使我國(guó)華北地區(qū)玉米產(chǎn)量提升20%～40%。增加種植密度、提高光溫資源利用效率、依靠群體發(fā)揮增產(chǎn)潛力有助于華北地區(qū)實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)［12］。

近年來(lái)，華北地區(qū)雖采用增密技術(shù)使得產(chǎn)量提升20%［13］，但多數(shù)農(nóng)戶采用的玉米播種實(shí)際密度仍然較低，華北平原玉米的平均密度僅為美國(guó)的70%～80%［14］，95% 的農(nóng)戶沒(méi)有采用推薦密度［15］，收獲密度與實(shí)際密度之間很可能存在巨大的差距［16］，然而缺乏相關(guān)的量化研究。張麗華等［17］指出，密度損失多出現(xiàn)在苗期，然而未對(duì)具體的原因進(jìn)行剖析，也未探尋出解決玉米密度損失問(wèn)題的對(duì)策。欒城縣位于華北平原中部，是華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的典型區(qū)域。本研究通過(guò)對(duì)該地區(qū)的調(diào)研，旨在探索玉米密度損失的原因，量化苗期玉米密度損失率差，為有效縮減實(shí)際收獲密度與理論種植密度的差距，構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，提高夏玉米種植的田間產(chǎn)量提供理論支撐。

本研究基于農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)，密切跟蹤農(nóng)戶田間管理措施，對(duì)夏玉米各時(shí)期長(zhǎng)勢(shì)狀況精準(zhǔn)記錄，利用Boundary line 系統(tǒng)量化分析田塊尺度下玉米密度損失情況，旨在耕地面積持續(xù)減少和糧食種植面積擴(kuò)大潛力有限的形式下，提高耕地利用效率，為夏玉米種植產(chǎn)量的提升提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究對(duì)黃廟村53 位農(nóng)戶（使用F1～F53 表示）夏玉米種植的管理措施及機(jī)械使用情況進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤和走訪調(diào)查。跟蹤數(shù)據(jù)包括夏玉米品種、播期、播量、播種行距及深度、肥料配方及用量、種肥距離、施肥深度、灌水日期等。測(cè)量數(shù)據(jù)包括理論株距及地塊實(shí)際出苗穴數(shù)。于2019 年7 月測(cè)量夏玉米苗期幼苗數(shù)量，理論種植密度測(cè)定方法為：選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的地塊，每個(gè)地塊3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)在不缺苗的情況下，測(cè)量連續(xù)21 株的距離。幼苗實(shí)際密度測(cè)定方法為：測(cè)量4 行5 m 樣方內(nèi)幼苗的出苗穴數(shù)，并挖開(kāi)未出苗的穴位，若穴內(nèi)無(wú)種子記為無(wú)種子，若穴內(nèi)有種子但未萌發(fā)則記為未發(fā)芽，若穴內(nèi)有種子且已萌發(fā)則記為未出土。玉米生長(zhǎng)期間進(jìn)行了種子發(fā)芽率實(shí)驗(yàn)，將100粒種子置于育苗盤(pán)內(nèi)，給予充足光照及灌溉，一星期后計(jì)算種子發(fā)芽個(gè)數(shù)，最終得到玉米種子發(fā)芽率在95%以上。

1.2.2 不同密度層次及密度損失途徑確定

將玉米密度分為農(nóng)戶播種密度、理論測(cè)量密度及地塊實(shí)際密度3個(gè)層次，以更好地確定玉米密度損失途徑（圖1）。

圖1 密度損失途徑確定

農(nóng)戶設(shè)定密度（Density of farmer setting，DFS）：由農(nóng)戶預(yù)先設(shè)定的播種距離決定，是指由農(nóng)戶設(shè)定的機(jī)械播種距離與等行距（60 cm）計(jì)算出的實(shí)際播種密度。

理論測(cè)量密度（Density of theoretical measured，DTM）：為理想情況下可以得到幼苗數(shù)量。即假設(shè)不缺苗的情況下測(cè)量得到株距，依據(jù)株距、行距計(jì)算理論植株密度。由于機(jī)械播種存在誤差和損失，一般情況下理論測(cè)量密度略高于農(nóng)戶實(shí)際設(shè)定密度。

地塊實(shí)際密度（Actual density of block，ADB）：為幼苗時(shí)地塊內(nèi)實(shí)際幼苗數(shù)量。

根據(jù)以上3種密度情況，可以將密度損失的途徑分為兩類：機(jī)械損失和農(nóng)學(xué)損失。機(jī)械損失是指由于播種機(jī)自身偏差或機(jī)械多年損耗而導(dǎo)致農(nóng)戶設(shè)定值與理論測(cè)量值存在差值。農(nóng)學(xué)損失則是由于種子未萌發(fā)或生長(zhǎng)期管理措施不當(dāng)致使的幼苗缺失現(xiàn)象，計(jì)算公式如下：

證明 對(duì)?L2(Γ;η), f(w,s)=(1-Iw(s))f(w∪s), ?Γ, R+。由積分和引理2.2及Γ中誘導(dǎo)Lebesgue測(cè)度的性質(zhì),有

1.2.3 Boundary line系統(tǒng)應(yīng)用

本研究應(yīng)用Boundary line 系統(tǒng)對(duì)玉米密度損失率差進(jìn)行分析。1972年Webb［18］首先提出邊界線的概念，他指出在任何2個(gè)有著因果關(guān)系的變量中都有1條存在于數(shù)據(jù)體邊界上的、表示群體中最佳表現(xiàn)的線，稱為邊界線。邊界線可從復(fù)雜的多因素中孤立出某個(gè)因素，廣泛應(yīng)用于分析單因素對(duì)因變量的限制程度。此前多有文章應(yīng)用產(chǎn)量差［19-20］對(duì)產(chǎn)量限制因子進(jìn)行解析，并結(jié)合Boundary line 系統(tǒng)分析各種產(chǎn)量限制因子對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)［21］，卻未能將此方法延伸到其他變量系統(tǒng)中。本文在此基礎(chǔ)上引入損失率差的概念，定義為農(nóng)戶設(shè)定密度與地塊實(shí)際密度之間的差異，通過(guò)不同因素對(duì)損失率差的影響程度，探尋致使玉米密度損失的關(guān)鍵限制因子，并進(jìn)一步利用邊界線系統(tǒng)將致使密度損失的單因素邊界點(diǎn)進(jìn)行擬合（圖2），進(jìn)而揭示出密度損失率的最優(yōu)解，尋找導(dǎo)致玉米密度損失的主導(dǎo)限制因子，具體概念如下：

圖2 邊界線分析方法示意圖

總損失率差（Total loss rate gap）：農(nóng)戶田塊中實(shí)際與最低的密度損失率的差值，包括可解釋密度損失率差和不可解釋密度損失率差。

可解釋密度損失率差（Explainable loss rate gap）：不同管理因素下農(nóng)戶密度損失率的預(yù)測(cè)值與最低密度損失率的差值。

不可解釋密度損失率差（Unexplainable loss rate gap）：農(nóng)戶實(shí)際密度損失率與不同管理因素下農(nóng)戶密度損失率預(yù)測(cè)值的差值。

可解釋密度損失率差是由某影響因素下自變量值的不同而導(dǎo)致的，為擬合曲線上的模擬值與最低密度損失率的差值。不可解釋密度損失率差是同一自變量下本可以實(shí)現(xiàn)卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的損失率差，是由其他影響因素導(dǎo)致的?？山忉寭p失率差與總損失率差的比值可描述某一因素對(duì)損失率差的貢獻(xiàn)程度，該值越大，則對(duì)損失率的影響程度越大。確定每個(gè)因素作為最大可解釋產(chǎn)量差對(duì)應(yīng)的農(nóng)戶數(shù)量，該數(shù)量占總樣本數(shù)的比例即為密度損失率差限制因素的貢獻(xiàn)率。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行整理和分析，使用Sigmaplot 12.5和Origin 2016進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)戶夏玉米密度損失現(xiàn)狀

2.1.1 農(nóng)戶密度損失概況

根據(jù)密度損失的途徑不同，本研究調(diào)查了農(nóng)戶的設(shè)定密度，測(cè)量了理論情況下機(jī)械作業(yè)應(yīng)達(dá)到的種植密度以及實(shí)際生產(chǎn)中的玉米密度。如圖3所示，農(nóng)戶設(shè)定的平均密度為65 921 株/hm2，理論測(cè)量密度平均值為86 275 株/hm2，地塊實(shí)際密度平均值為57 000 株/hm2。所有理論測(cè)量值均高于農(nóng)戶設(shè)定值，地塊實(shí)際密度低于理論測(cè)量密度和農(nóng)戶設(shè)定密度。農(nóng)戶設(shè)定值與理論測(cè)量值之間的差距為機(jī)械損失問(wèn)題，損失率為34.33%。理論測(cè)量密度與實(shí)際密度之間的差距歸因于農(nóng)學(xué)損失，損失率為23.91%。

圖3 玉米密度損失現(xiàn)狀

2.1.2 農(nóng)戶密度損失類型

對(duì)穴內(nèi)無(wú)苗具體原因的深入探究發(fā)現(xiàn)，所有農(nóng)戶都存在穴內(nèi)無(wú)種子的情況，每位農(nóng)戶無(wú)種子的個(gè)數(shù)3～27 個(gè)，平均值為10 個(gè)，造成穴內(nèi)無(wú)種子的原因是機(jī)械播種問(wèn)題。有66%的農(nóng)戶存在種子未發(fā)芽的情況，未發(fā)芽個(gè)數(shù)在1～5個(gè)，平均值為2個(gè)，超過(guò)半數(shù)的農(nóng)戶只有1 個(gè)未發(fā)芽種子。僅有20%的農(nóng)戶存在種子未出土的情況，91%的農(nóng)戶未出土個(gè)數(shù)1～3 個(gè)（圖4）。說(shuō)明農(nóng)戶密度損失原因可歸結(jié)為兩大類，機(jī)械損失和農(nóng)學(xué)損失，其中機(jī)械播種問(wèn)題是造成密度損失的主要原因。

圖4 不同農(nóng)戶田塊中無(wú)種子、未出土、未發(fā)芽種子個(gè)數(shù)

2.2 農(nóng)戶夏玉米密度損失影響因素

2.2.1 機(jī)械播種對(duì)玉米密度損失的影響

在比較農(nóng)戶的設(shè)定密度與地塊實(shí)際密度時(shí)發(fā)現(xiàn)，有89.7%的農(nóng)戶密度設(shè)定值都高于地塊的實(shí)際密度，僅有6.1%的農(nóng)戶設(shè)定值低于實(shí)際值，另6.1%的農(nóng)戶設(shè)定值與實(shí)際值相同。最大正向偏差為35.2%，負(fù)向偏差為-5.0%，設(shè)定值與實(shí)際值的平均偏差率為13.5%（圖5）。說(shuō)明實(shí)際播種的過(guò)程中造成了部分密度損失，造成損失偏差的主要原因可能為機(jī)械實(shí)際播種率偏低。

圖5 不同農(nóng)戶播種機(jī)設(shè)定值與實(shí)際播種量的偏差率

2.2.2 農(nóng)學(xué)管理措施對(duì)玉米密度損失的影響

施肥管理技術(shù)是保障玉米各個(gè)生育階段養(yǎng)分平衡的重要措施，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保障。如表1和圖6 所示，該地區(qū)農(nóng)戶的氮肥施用量為90～234 kg/hm2，其中41%施氮量為160～175 kg/hm2。通過(guò)Boundary line 分析可知，施氮量與玉米密度損失率呈拋物線變化的關(guān)系。隨著施氮量的增加，玉米密度損失率逐漸降低，當(dāng)?shù)适┯昧繛?13.47 kg/hm2時(shí)，損失率最低，為15.14%；超過(guò)該臨界值時(shí)，損失率又逐漸升高。磷肥施用量的平均值為43 kg/hm2，磷肥施用量對(duì)玉米密度損失率的影響與氮肥相似，即隨著施磷量的增加，損失率呈先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)施磷量為59.81 kg/hm2，達(dá)到最低損失率15.55%；施磷量低于或超過(guò)該值時(shí)，損失率又逐步上升。鉀肥施用量的變化在0～112.5 kg/hm2，51%的農(nóng)戶施鉀量集中在30～60 kg/hm2，鉀肥施用量對(duì)玉米密度損失的影響呈先降低后升高的趨勢(shì)，施用量為43.75 kg/hm2時(shí)，損失率達(dá)到最低值，為19.78%。

表1 不同管理措施與農(nóng)學(xué)損失率的擬合效果

圖6 不同管理措施對(duì)農(nóng)學(xué)損失率的影響

肥料與種子的水平距離以及施肥深度在一定程度上決定了養(yǎng)分遷移效率，在農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)中的可操作性和可管理性都較強(qiáng)。超過(guò)55%的農(nóng)戶將種肥的水平距離設(shè)置在25～30 cm。通過(guò)Boundary line 分析發(fā)現(xiàn)，種肥水平距離對(duì)玉米損失的影響呈先降低后升高的趨勢(shì)。肥料與種子的距離為9.5 cm 時(shí)，玉米密度損失率最小，為17.52%。農(nóng)戶施肥的平均深度為6.47 cm，48.7%的農(nóng)戶施肥深度為4 和5 cm。施肥深度與損失率也呈先降低后升高的趨勢(shì)變化。施肥深度在4 cm 時(shí)，玉米密度的損失率最低，為15.67%。

本研究調(diào)查了農(nóng)戶播種后的第一次灌水情況。有34.48%的農(nóng)戶在播種當(dāng)天灌溉蒙頭水；27.58%的農(nóng)戶在播種的次日灌溉蒙頭水；農(nóng)戶灌溉蒙頭水最晚不超過(guò)10 天。通過(guò)Boundary line 分析發(fā)現(xiàn)，蒙頭水灌溉時(shí)間越晚，損失率越高，在播種當(dāng)天灌溉可達(dá)最低損失率15.6%。

2.2.3 農(nóng)學(xué)管理措施中造成玉米密度損失的主導(dǎo)性因素

為了比較各管理因素對(duì)玉米密度損失的影響程度，對(duì)所有因素進(jìn)行了主導(dǎo)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響玉米密度損失主導(dǎo)性因素主要為氮肥施用量，占各管理因素的36.67%，其次為蒙頭水，占各管理因素的26.67%。施磷量和種肥水平距離均占主導(dǎo)因素的13.33%，施肥深度和施鉀量對(duì)玉米密度損失的影響最低，分別占6.67%和3.33%。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 機(jī)械對(duì)玉米密度損失的影響

玉米精密播種技術(shù)是省時(shí)、省種、高產(chǎn)的先進(jìn)玉米生產(chǎn)技術(shù)，其優(yōu)越性已被廣大農(nóng)戶認(rèn)可。對(duì)機(jī)械播種結(jié)果研究表明，農(nóng)戶設(shè)定密度集中在66 700 株/hm2，這與當(dāng)?shù)匦∞r(nóng)戶的播種習(xí)慣有關(guān)。所調(diào)查的所有農(nóng)戶種植方式均為等行距播種，而不采用寬窄行、寬行雙株等方式。主要是因?yàn)橛衩椎牟シN機(jī)有3 個(gè)耬，耬與耬之間的距離為60 cm，農(nóng)民不愿意隨意改動(dòng)［22］。且在南石碑村的種植習(xí)慣中，株距通常設(shè)置在24～27 cm，這個(gè)種植密度水平偏少。此外，播種機(jī)質(zhì)量問(wèn)題對(duì)實(shí)際播種影響的誤差較大。有研究表明，播種機(jī)標(biāo)定的株距與生產(chǎn)中實(shí)際株距相差非常懸殊［23］，且排種器的排種和投種性能影響株距的一致性和均勻性［24］，這是造成機(jī)械對(duì)玉米密度損失影響的主要原因，因此與理論測(cè)量密度有一定的差距。由設(shè)定值與實(shí)際值的比較發(fā)現(xiàn)，播種機(jī)存在播量偏低的問(wèn)題，這可能是由于機(jī)械自身老化、動(dòng)力與機(jī)具性能不配套等導(dǎo)致機(jī)械設(shè)置值與實(shí)際操作值不符［25］。

播種機(jī)質(zhì)量差導(dǎo)致的種子丟失是造成密度損失的主要原因，這與Zhao 等［26］的研究結(jié)果一致。穴內(nèi)無(wú)苗的主要原因?yàn)闊o(wú)種子，而非農(nóng)學(xué)原因造成的損失。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米的粗縮病、低出苗率及黑瘤病是導(dǎo)致播種后玉米密度降低的3大主要原因［27］。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，玉米種子的發(fā)芽率應(yīng)達(dá)92%以上方可上市［28］。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該品種種子發(fā)芽率達(dá)95%以上，且隆平206 的種子活力與發(fā)芽勢(shì)都較強(qiáng)［29］，因此種子質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致密度損失可以忽略，機(jī)械播種后無(wú)法定苗保苗是主要問(wèn)題。

3.1.2 農(nóng)學(xué)管理措施對(duì)玉米密度損失的影響

通過(guò)Boundary line 對(duì)各管理因素的分析表明，隨著化學(xué)肥料投入的增加，玉米密度損失出現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。原因是，施用化學(xué)肥料有利于根層數(shù)、根條數(shù)和根長(zhǎng)度的積累［30］，使根系活力明顯增加［31］，促進(jìn)養(yǎng)分吸收和種子萌發(fā)［32］。而施氮量過(guò)多，氮肥會(huì)在土壤中分解釋放出氨氣從而危害植株，由于種肥通常會(huì)采用淺施的方式，高氮肥的施用會(huì)導(dǎo)致高濃度的養(yǎng)分集中在幼苗根系，土壤滲透壓升高，致使玉米根系失水，影響整株幼苗的生長(zhǎng)，導(dǎo)致種苗發(fā)育不良甚至死苗［33-34］。在該研究中，農(nóng)戶對(duì)于氮肥的施用量較為集中，并且施氮量仍然偏多，該地區(qū)氮肥施用量在150～180 kg/hm2時(shí)玉米密度損失率最小。

肥料的不同施用位置影響著肥料養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化［35］。通過(guò)Boundary line 分析表明，種肥距離在20.42 cm 時(shí)，密度損失率最低，這與Owusu-Gyimah［36］等得出的結(jié)論相吻合。然而王賀等［37］研究發(fā)現(xiàn)，磷肥施用方位（側(cè)方和下方）對(duì)夏玉米苗期生長(zhǎng)無(wú)明顯影響，說(shuō)明施肥距離對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響與土壤特性、氣候條件、環(huán)境變化、管理因素等均有關(guān)系。施肥深度管理有利于調(diào)節(jié)養(yǎng)分供應(yīng)以及根系結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在對(duì)農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥深度計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，深度在9.5 cm 時(shí)，密度損失率最低。俞洪燕等［38］的研究指出，氮肥深施在土層厚度為7～9 cm 時(shí)的效果最好，這與本文的結(jié)果相近。而楊云馬等［39］發(fā)現(xiàn)，磷肥集中施在24 cm 時(shí)產(chǎn)量最高，這是因?yàn)橛衩撞煌龝r(shí)期地上部磷素累積量與磷肥施用位置有密切關(guān)系，磷肥淺施有利于玉米幼苗對(duì)磷素的吸收和利用。土壤底墑和苗期灌溉量顯著影響玉米苗期出苗率，因此蒙頭水灌溉時(shí)間越晚，出苗損失越大，而當(dāng)天灌溉蒙頭水有利于降低密度損失。施鉀量對(duì)玉米密度損失的影響較小，可能是由于鉀元素不是該地區(qū)主要的限制因子［40］。

3.2 結(jié)論

玉米密度損失主要原因?yàn)闄C(jī)械損失和農(nóng)學(xué)損失，其中機(jī)械損失占34.33%，農(nóng)學(xué)損失占23.91%。機(jī)械損失主要為播種機(jī)質(zhì)量差造成的種子丟失，以及機(jī)械排種的一致性和均勻性較差。農(nóng)學(xué)管理的主導(dǎo)性因素為施氮量，其次為蒙頭水以及施磷量和種肥水平距離；施鉀量和施肥深度對(duì)密度損失的影響不大。當(dāng)?shù)厥┑吭?50～180 kg/hm2，播種當(dāng)天灌溉蒙頭水，控制肥料和種子的水平距離和肥料深度，玉米密度損失最小。因此，小農(nóng)戶生產(chǎn)需要引進(jìn)精量播種設(shè)備，結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)情況進(jìn)行機(jī)械校正。通過(guò)田間管理方式的優(yōu)化、農(nóng)戶技術(shù)認(rèn)知水平進(jìn)一步提升，以及維護(hù)增強(qiáng)播種機(jī)質(zhì)量，可以有效減少玉米密度損失，進(jìn)一步提高該地區(qū)夏玉米種植潛力。