密度和品種對(duì)夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

高 繁,胡田田,姚德龍,劉 杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

玉米是世界最重要的糧食作物之一[1]。在過(guò)去12年里，玉米增產(chǎn)占中國(guó)糧食增產(chǎn)量的57%，并從2012年起，玉米成為中國(guó)種植面積最大的糧食作物[2-3]。陜西省關(guān)中平原地區(qū)光熱水土條件豐富，是本省糧食主產(chǎn)區(qū)。其中夏玉米作為該地區(qū)的主要糧食作物，玉米產(chǎn)量占全省玉米總產(chǎn)量的70%，對(duì)全省的糧食生產(chǎn)具有重要影響[4-5]。然而農(nóng)業(yè)部在2015年提出計(jì)劃到2020年，包括陜西部分地區(qū)在內(nèi)的玉米種植區(qū)域?qū)⒄{(diào)減333萬(wàn)hm2以上，2017年調(diào)減66萬(wàn)hm2以上[6]。因此，提高單位面積玉米產(chǎn)量，已成為陜西省以及全國(guó)玉米生產(chǎn)發(fā)展的必由之路。

前人研究認(rèn)為，種植密度是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一，合理增加群體密度是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵措施[7-8]。Duvick[9]研究表明高密度條件下，現(xiàn)代品種產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。王楷等[10]研究表明實(shí)現(xiàn)玉米超高產(chǎn)的最適密度在7.15～14.45×104株·hm-2。李淑華等[11]研究得出世界玉米高產(chǎn)記錄均為高密度群體下實(shí)現(xiàn)的，美國(guó)玉米高產(chǎn)紀(jì)錄田收獲密度為10.9萬(wàn)株·hm-2，而中國(guó)玉米高產(chǎn)記錄田最大密度僅為7.0萬(wàn)株·hm-2。因此，亟待研究?jī)?yōu)化我國(guó)的玉米種植密度。陜西關(guān)中平原地區(qū)，目前推廣種植的雜交玉米品種眾多，但很少考慮到不同品種適宜的種植密度可能存在較大差異。實(shí)際種植密度介于5.0×104～7.0×104株·hm-2之間，種植密度隨意性大，對(duì)該地區(qū)夏玉米產(chǎn)量的提高造成制約[12]。另一方面，玉米屬于高耗水糧食作物，面對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的要求，如何提高玉米生產(chǎn)的水分利用效率也迫在眉睫。因此，本研究針對(duì)關(guān)中平原夏玉米種植現(xiàn)狀，選擇10個(gè)有代表性的夏玉米品種，研究其不同密度下的產(chǎn)量和水分利用，探討品種和種植密度優(yōu)化組合，為關(guān)中平原夏玉米節(jié)水高產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)斗口試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站地處關(guān)中平原中部(108°52′E，34°36′N(xiāo))，海拔 427.4 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和；全年平均溫度 12.9℃，年降水量為 526 mm，夏秋季降水占年降水量的 50%～70%，無(wú)霜期 218 d，日照 2 095 h[13]。供試土壤類(lèi)型為紅油土，土壤容重1.38 g·cm-3。試驗(yàn)前茬作物為油菜，玉米生長(zhǎng)季降雨量如表1所示。

表1 玉米生長(zhǎng)期的降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以種植密度為主處理，玉米品種為副處理。試驗(yàn)品種包括鄭單958(ZD958)、屯玉808(TY808)、先玉335(XY335)、先玉1266(XY1266)、浚單29(JD29)、陜單226(SD226)、陜單609(SD609)、延科288(YK288)、西農(nóng)211(XN211)和華農(nóng)138(HN138)共10個(gè)。密度設(shè)6.75×104、7.5×104和8.25×104株·hm-2共3個(gè)水平(分別簡(jiǎn)稱(chēng)低密度LD，中密度MD，高密度HD)，共30個(gè)處理，重復(fù)3次。小區(qū)面積為2.8 m×10 m，隨機(jī)區(qū)組排列。

2015年6月21日人工點(diǎn)播玉米。行距均為60 cm，低、中、高密度下株距分別為24.7、22.2、20.2 cm。玉米生長(zhǎng)期間于拔節(jié)期和抽雄期各灌水50 mm。施肥量N為348 kg·hm-2，P2O5為77 kg·hm-2，其中氮肥為尿素(N≥46.5%)，磷肥為普鈣(P2O5≥16%)。磷肥一次性基施，氮肥基施20%，拔節(jié)期、抽雄期各追施40%。采用人工除草控制雜草。收獲時(shí)間為2015年10月15日。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤水分 分別于玉米播種前、收獲后，取土測(cè)定0～200 cm土層土壤含水率，每20 cm一層，采用烘干法測(cè)定土壤含水率。

1.3.2 作物耗水量 作物耗水量計(jì)算如下式：

TWC=P+I+ΔW+K

(1)

式中，TWC為作物生長(zhǎng)期間的總耗水量(mm)；P為有效降水量(mm)；I為灌溉量(mm)；ΔW為2 m土層作物播前與收獲時(shí)土壤儲(chǔ)水量的差值(mm)；K為地下水補(bǔ)給量(mm)，由于試驗(yàn)區(qū)地下水在20 m以下[14]，忽略不計(jì)。

1.3.3 夏玉米產(chǎn)量及生物量 玉米成熟后每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)收取20株玉米，脫粒稱(chēng)重測(cè)定產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)取6株，帶回置烘箱中105℃殺青30min后，75℃烘至恒重，計(jì)算不同處理玉米地上部生物量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)由作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量除以作物生長(zhǎng)期總耗水量來(lái)確定：

WUE=Y/TWC

(2)

式中,Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析和多重比較采用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件完成，差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法進(jìn)行，繪圖用OriginPro 9.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種夏玉米生物量對(duì)種植密度的響應(yīng)

由表2可得，不同品種夏玉米隨著種植密度增加群體干物質(zhì)累積量變化不同。屯玉808、先玉335、先玉1266、陜單226和陜單609的生物量隨密度的增加而增加，最高密度較最低密度生物量增幅分別為13%、20%、15%、13%和13%；鄭單958、浚單29和延科288的生物量都隨著密度的增加而先增大后減小，但鄭單958和浚單29均在低密度生物量最低，中密度最高，中密度較低密度生物量增加31%和18%，而延科288在高密度生物量最低，中密度最高，中密度較高密度生物量增加9%；西農(nóng)211和華農(nóng)138的生物量隨著密度的增加而先減少后增加，高密度較中密度高18%和15%。這表明種植密度對(duì)夏玉米的生物量有影響，適當(dāng)增加種植密度能提高夏玉米生物量，但不同品種的夏玉米生物量對(duì)種植密度的響應(yīng)存在差異。

2.2 不同品種夏玉米產(chǎn)量對(duì)種植密度的響應(yīng)

不同品種玉米產(chǎn)量受密度水平的影響見(jiàn)表3。屯玉808、先玉335、先玉1266、陜單609和華農(nóng)138五個(gè)品種產(chǎn)量受不同密度的影響呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)：隨著密度水平的升高，產(chǎn)量增加，高密度較低密度產(chǎn)量增幅依次為15.1%、13.5%、14.7%、17.5%和17.6%。鄭單958、浚單29、陜單226和延科288四個(gè)品種產(chǎn)量隨密度先增后減，中密度較低密度增產(chǎn)分別為17.8%、9.0%、9.7%和5.5%，而高密度較中密度分別減產(chǎn)3.9%、2.4%、1.1%和1.7%。表明種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量有影響，但不同品種產(chǎn)量對(duì)種植密度的響應(yīng)存在差異。適當(dāng)提高種植密度能夠提高玉米產(chǎn)量，但密度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致部分夏玉米品種產(chǎn)量降低。

表3還表明，在品種與密度組合的30個(gè)處理中，高密度屯玉808產(chǎn)量最高，高密度華農(nóng)138和先玉1266產(chǎn)量次之，三者間無(wú)顯著差異。中密度西農(nóng)211產(chǎn)量最低，相較高密度屯玉808產(chǎn)量少22.7%，差異顯著。鄭單958作為目前種植面積最大的品種，低密度產(chǎn)量與中密度西農(nóng)211產(chǎn)量無(wú)顯著差異，且中密度產(chǎn)量與高密度屯玉808產(chǎn)量無(wú)顯著差異，表明該品種達(dá)到適宜密度時(shí)能夠取得高產(chǎn)。浚單29平均產(chǎn)量較高，僅次于屯玉808和先玉1266(表3)，而且產(chǎn)量隨密度變化幅度小，表明該品種對(duì)種植密度適應(yīng)力較強(qiáng)，在不同的密度水平下都能保持較高和較穩(wěn)的產(chǎn)量水平。因此可見(jiàn)，在試驗(yàn)地區(qū)，以8.25×104株·hm-2密度水平種植屯玉808、華農(nóng)138、先玉1266和陜單609，以7.5×104株·hm-2密度種植鄭單958和浚單29可獲得高產(chǎn)。

表2 不同品種與種植密度下夏玉米生物量

注：30個(gè)處理的數(shù)據(jù)標(biāo)以不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平下差異顯著，下同。

Note: Values followed by different letters are significantly difference at the 0.05 probability level within 30 treatments,the same below.

表3 不同品種與種植密度下夏玉米的產(chǎn)量

2.3 不同品種夏玉米耗水量對(duì)種植密度的響應(yīng)

由表4可得：不同品種夏玉米隨著種植密度增加耗水量變化存在較大差異。鄭單958、先玉335、浚單29和陜單609耗水量隨密度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì):鄭單958和浚單29的耗水量均在低密度最低，中密度最高，最高耗水量較最低分別增加5%和14%。而先玉335和陜單609的耗水量均在高密度最低，中密度最高，分別增加9%和7%。屯玉808和陜單226耗水量隨密度的增加逐漸減少:高密度耗水量比低密度分別降低13%和1%。延科288、西農(nóng)211和華農(nóng)138耗水量隨密度增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)：延科288和西農(nóng)211的耗水量均在中密度最低，高密度最高，分別增加10%和4%；而華農(nóng)138的耗水量在中密度最低，低密度最高，耗水量增加4%。先玉1266耗水量隨密度增加耗水量逐漸增加，高密度耗水量比低密度高5%。由此可得，不同品種的夏玉米耗水量對(duì)種植密度的響應(yīng)存在差異。

2.4 不同品種夏玉米水分利用效率對(duì)種植密度響應(yīng)

由表5可得，屯玉808、先玉335、陜單609和華農(nóng)138的水分利用效率隨密度的增大而增大，高密度比低密度增加32.8%、20.8%、24.7%和19.1%；鄭單958、陜單226和延科288的水分利用效率隨密度的增大先增加后減小，中密度較低密度增加11.9%、9.5%和11.6%；先玉1266、浚單29和西農(nóng)211的水分利用效率隨密度的增大先減小后增加，水分利用效率最高值比最低值增加8.5%、4.5%和6.6%。表明密度變化會(huì)影響夏玉米水分利用效率，但不同品種夏玉米水分利用效率對(duì)種植密度的響應(yīng)存在差異。

由表5還可得出，高密度屯玉808的水分利用效率最高，高密度陜單609和鄭單958次之，三者無(wú)顯著差異；低密度先玉335的水分利用效率最低，中密度的西農(nóng)211和先玉335略有增大，但三者無(wú)顯著差異；高密度屯玉808的水分利用效率較低密度先玉335高43.1%，差異顯著。綜上所述，在本試驗(yàn)條件下以8.25×104株·hm-2密度水平種植屯玉808、陜單609、華農(nóng)138和先玉1266，以7.5×104株·hm-2密度種植鄭單958水分利用效率最高。

表4 不同品種與種植密度下夏玉米的耗水量

表5 不同品種與種植密度下夏玉米水分利用效率

3 討 論

3.1 品種與種植密度對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

作物生產(chǎn)是一個(gè)種群過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)取決于群體生產(chǎn)水平的提高，而提高密度能夠增加玉米群體數(shù)量從而提高玉米產(chǎn)量[15-17]。本研究表明，密度因素對(duì)夏玉米產(chǎn)量有顯著影響，玉米產(chǎn)量會(huì)先隨著種植密度增加而提高,在最適密度時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量，然后產(chǎn)量會(huì)逐漸降低。這與薛珠政和Echarte等人研究結(jié)果相似[18-21]。可能原因在于光合作用是玉米干物質(zhì)形成的基礎(chǔ)，高效光合是獲取高產(chǎn)的核心[22]。提高種植密度能顯著增加群體的葉面積，有效增大光能截獲率，群體的干物質(zhì)積累量也隨之增加，實(shí)現(xiàn)玉米群體產(chǎn)量提高。但是隨著種植密度增加，地面透光率逐漸降低，減少下部葉片所獲光照，從而降低了單株玉米整體的光合作用，導(dǎo)致單株生產(chǎn)效應(yīng)下降，當(dāng)單株生產(chǎn)效應(yīng)對(duì)總產(chǎn)量的影響超過(guò)群體生產(chǎn)效應(yīng)時(shí)，則群體產(chǎn)量下降[23-24]。

研究還表明不同品種的最適密度存在差異。在試驗(yàn)密度下，屯玉808、陜單609、先玉335和先玉1266的產(chǎn)量和生物量均隨密度增大而增加，鄭單958、浚單29和延科288的產(chǎn)量和生物量均隨密度增加而先增加后減少，陜單226的生物量隨密度增大而增加，產(chǎn)量則是先增大后減小。原因可能是玉米籽粒產(chǎn)量是由生育期內(nèi)干物質(zhì)及養(yǎng)分的積累、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)特性所決定[25-27]，種植密度對(duì)干物質(zhì)累積及轉(zhuǎn)運(yùn)有顯著影響。而品種基因型的差異會(huì)使夏玉米耐密性產(chǎn)生區(qū)別，因此不同品種夏玉米產(chǎn)量和生物量對(duì)密度的響應(yīng)存在差異。在本試驗(yàn)條件下，屯玉808、先玉335、先玉1266、陜單609和華農(nóng)138的最適密度大于8.25×104株·hm-2，鄭單958、浚單29、陜單226和延科288的最適密度在7.5×104株·hm-2。

3.2 品種與種植密度對(duì)夏玉米水分利用的影響

有研究表明，隨密度的增加，玉米的耗水量逐漸增加[28-29]。但本試驗(yàn)中十個(gè)供試品種耗水量未完全呈現(xiàn)單調(diào)遞增的規(guī)律，可能與密度的影響比較復(fù)雜有關(guān)：高密度群體會(huì)消耗更多的土壤水分，但也會(huì)提高玉米群體冠層結(jié)構(gòu)，減少棵間蒸發(fā)，而不同品種玉米群體冠層結(jié)構(gòu)變化也存在差異，因此最終表現(xiàn)為不同品種夏玉米耗水量對(duì)種植密度的響應(yīng)存在差異[30-31]。供試品種在不同密度下的水分利用效率不同，除浚單29外，鄭單958、屯玉808、先玉335、先玉1266、陜單226、陜單609、延科288、西農(nóng)211和華農(nóng)138九個(gè)試驗(yàn)品種的水分利用效率對(duì)密度的響應(yīng)與產(chǎn)量一致，產(chǎn)量高的品種其水分利用效率也高。可能原因是種植密度的增加提高了群體冠層結(jié)構(gòu)，冠層高效利用了光照所增加的水分蒸騰，將其更多的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量，使得產(chǎn)量和水分利用效率均有所提高[32]。因此選擇耐密型高產(chǎn)品種能夠有效提高水分利用效率。

4 結(jié) 論

在關(guān)中平原，適當(dāng)提高種植密度能夠顯著提高玉米產(chǎn)量及水分利用效率。產(chǎn)量越高的品種水分利用效率越高，因此選用耐密型高產(chǎn)品種是玉米實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)的有效途徑。在本試驗(yàn)條件下，以8.25×104株·hm-2密度水平種植屯玉808、華農(nóng)138、先玉1266和陜單609，以7.5×104株·hm-2密度種植鄭單958可同時(shí)獲得產(chǎn)量和水分利用效率最高。