密度和施氮量互作對全膜雙壟溝播玉米產量、氮素和水分利用效率的影響

張平良，郭天文，劉曉偉，李書田，曾 駿，譚雪蓮，董 博

（1 甘肅省農業科學院旱地農業研究所，蘭州 730070；2 甘肅省農業科學院，蘭州 730070；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

玉米是我國重要的集糧、經、飼于一體優勢的第一大作物，在糧食生產中的地位越來越重要。玉米產量的高低主要取決于品種的遺傳特性、栽培條件和環境條件。在各種栽培措施中，種植密度與氮素營養是影響玉米產量和土壤水分利用的主要因素[1]。氮肥生產會耗費大量的資源和能量，而目前玉米肥料施用量大，利用率不高，不僅造成大量資源和能量的浪費，而且嚴重影響農業生態環境[2-3]。因此，根據品種特性，制定合理的栽培措施，對實現玉米優質、高產、高效至關重要。前人研究認為，增加種植密度可以提高光、溫、水資源的利用效率，依靠群體發揮增產潛力[4]。種植密度越高，玉米個體發育進程推遲，單株產量降低，養分消耗越多，但由于群體數量增多而產量增加[5-6]。然而，在玉米生產過程中，種植密度過大容易造成群體內資源分配不合理，加大了內部個體之間對光、水、肥等競爭壓力，導致單株地上部干物質積累量、抗倒伏能力均呈現降低的趨勢，空稈率提高、禿尖增長，個體產量下降[7-10]。

氮是植物必需的營養元素，也是作物產量形成的最重要養分限制因子[11]。孟戰贏等[12]認為，適量施用氮肥，有利于植株光合生理活性的改善及花后保綠，延長光合與灌漿時間，提高玉米單株生產能力，種植密度的增加也會增加植株群體的需氮量，合理施氮量對提高夏玉米產量和氮肥利用率具有重要意義[13-15]。易鎮邪等[16]認為，增加施氮量，可提高玉米營養器官氮素轉運量及其對籽粒氮的貢獻率。何萍等[17]研究認為，隨著氮肥用量的增加，玉米營養器官的氮素運轉率呈先增加后降低的趨勢，過量氮素運轉則導致葉片早衰及光合能力下降，最終可能影響到正在發育籽粒的碳、氮輸送，不利于產量和氮肥利用率的提高。靳立斌等[18]認為，高密度條件下，隨著施氮量增加，夏玉米氮素轉運效率及貢獻率呈上升趨勢，而氮肥偏生產力、氮肥利用率和氮素農學利用效率均呈下降趨勢。也有人研究認為，隨著施氮量的增加，夏玉米氮肥利用效率呈先增加后降低趨勢[19-21]。近幾年，在甘肅省中東部旱作區大面積推廣應用的玉米全膜雙壟溝播種植技術，采用全地面地膜覆蓋溝壟種植的方式，壟面作為集水區，玉米種植在溝內，具有明顯的增溫、聚水和保墑作用，使玉米等作物增產30%以上[22-23]，2016年在甘肅省推廣種植面積達到了83 萬hm2。目前，關于種植密度和氮肥交互作用對玉米產量、光合特性、根系生長和氮素利用的影響已有較多研究[24-30]，但針對旱地全膜雙壟溝播種植條件下的春玉米產量、氮素和水分利用效率對種植密度和施氮量的響應研究鮮見報道。本試驗以耐密玉米品種為試驗材料，在年均降雨量415 mm的旱作區，研究種植密度和施氮量對全膜雙壟溝播玉米籽粒產量、氮肥及水分利用效率的影響，旨在探明旱地玉米全膜雙壟溝播種植條件下的適宜種植密度和施氮量，為進一步探討旱作區玉米高產高效的栽培技術體系提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖 1 2016、2017年玉米生育期降雨量和氣溫Fig. 1 Precipitation and temperatures during maize growth stages in 2016 and 2017

1.2 試驗設計

試驗以玉米 (Zea mays L.) 為材料，品種為先玉335。試驗采用密度 (D)、氮肥 (N) 兩因素裂區設計，主區為密度處理，設低密度 D1(45000株/hm2)、中密度D2 (60000株/hm2)、高密度D3 (75000株/hm23個水平；副區為氮肥處理，設N0、138、207、276 kg/hm24個水平，分別用N0、N138、N207、N276表示；磷、鉀肥均為P2O590 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。小區面積為27 m2，3次重復。試驗所用氮肥為尿素 (N 4 6%)、磷肥為普通過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為氯化鉀 (K2O 60%)，所有肥料均在于覆膜播前作底肥一次施入。玉米采用全膜雙壟溝播種植方式[31](圖2)，即在播種前整好農田，用起壟器起雙壟，大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高20 cm，溝寬小于3 cm，全地面地膜覆蓋，地膜厚度0.008 mm，在每季播種前全部更換，玉米播種于壟溝中。2016年4月20日播種，10月6日收獲；2017年4月24日播種，10月10日收獲。全生育期不灌溉，除拔草外不進行其他田間管理。

1.3 測定項目與方法

每小區分別于苗期、拔節期、花期、花期 +30天、成熟期取5株長勢均勻一致的植株。苗期和拔節期整株烘干，花期和花期 + 30天分為莖鞘、葉片兩部分，成熟期分為葉片、莖桿、穗軸、籽粒4部分，105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，稱重后磨粉保存待測。成熟期收獲、測產、考種。植株和籽粒全氮含量采用濃H2SO4-H2O2聯合消煮后，用BRAN + LUEBBE公司的AA3連續流動分析儀測定。土壤水分含量測定采用土鉆烘干法，在每個小區玉米播前、收獲期沿玉米種植溝內任意兩株間0—200 cm土層 (每20 cm為一個層次)取樣測定。

圖 2 全膜雙壟溝播種植示意圖Fig. 2 Diagrammatic sketch of whole plastic-film mulching and double-furrow sowing

1.4 相關參數計算[20-21]

植株總干物質積累量 (total dry matter, TDA) = 成熟期單株總干重 × 成熟期實收株數

植株總氮素積累量 = 成熟期植株干重 × 成熟期植株含氮量

氮素收獲指數 = 籽粒含氮量/植株吸氮量

氮肥農學利用率 = (施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量)/施氮量

氮肥利用率 = (施氮區氮素吸收量-無氮區氮素吸收量)/施氮量× 100%

氮肥偏生產力 = 施氮區產量/施氮量

其次，國家審計人員應轉變傳統的思維定勢，在實施審計時，不能就事論事，而是應通過審計發現潛在的風險因素，保持合理的職業謹慎，進行理性的、科學的風險評估與應對，以便將危害國家經濟安全的風險降低到可以接受的程度。

耗水量 (mm) = 播前200 cm土壤貯水量-收獲時200 cm土壤貯水量 + 生育期降水量

作物水分利用效率[kg/(hm2·mm)] = 玉米籽粒產量 (kg/hm2)/耗水量 (mm)

1.5 數據分析

試驗數據采用DPS15.10和Microsoft Excel 2007進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素

從表1可知，玉米在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，種植密度和施氮量對其產量構成因素的影響顯著 (P ＜ 0.05)，而兩者互作效應不顯著。同一種植密度條件下，施氮處理較不施氮處理的行粒數、穗長、百粒重提高。如2016年，在種植密度為60000株/hm2條件下，N138、N207、N276處理玉米百粒重較N0處理分別提高了6.76%、9.01%和12.16%，以N276處理百粒重最高，與N0處理間差異顯著。同一施氮水平下，提高種植密度，穗行數、行粒數、百粒重呈下降趨勢，均表現出低密度 (D1) ＞ 中密度(D2) ＞ 高密度 (D3)；中密度D2和高密度D3的行粒數比低密度D1分別降低了7.81%和34.49%，百粒重分別降低了6.31%和7.01%。

由表2可知，在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，玉米產量受種植密度、氮肥因素的影響均達到顯著水平 (2016年，F = 65.16和95.96；2017年，F = 474.62和528.61)，而且兩者互作效應顯著 (2016年，F = 4.13；2017，F = 20.26)。同一施氮水平下，不同種植密度的平均玉米籽粒產量表現出中密度 (D2) ＞ 低密度(D1) ＞ 高密度 (D3)，且差異達到了顯著水平。如2016年，中密度D2 (60000 株/hm2)的玉米產量比低密度D1 (45000 株/ hm2) 和高密度D3 (75000 株/hm2)處理分別顯著增加了24.86%和34.34%；2017年，中密度D2處理的玉米產量比低密度D1和高密度D3分別顯著增加了26.91%和35.83%，且差異達到了極顯著水平。同一種植密度條件下，施氮處理玉米籽粒產量顯著高于無氮處理，表現出N276 ＞ N207 ＞N138 ＞ N0。以 2016 年為例，N138、N207、N276 處理的玉米產量較N0處理分別顯著提高了35.80%、49.79%和64.25%，其中以N276 處理的玉米產量最高，顯著高于其它處理。在不同種植密度水平下，2016年玉米產量較2017年平均增加35.27%～37.49%；不同施氮水平下，2016年玉米產量較2017年平均增加29.79%～45.46%。在本試驗條件下，相同種植密度和施氮水平下年際間玉米產量差異的主要原因是玉米生育期降雨量所導致，尤其是玉米關鍵生育期的自然降水。從圖1可知，2016年玉米生育期降水212.5 mm，主要集中在5、7、8、9月份，屬于正常平水年；2017年玉米全生育期降水330.2 mm，主要集中在6月份、8月份和9月份，2017年玉米生育期降水量較2016年增加了117.7 mm，但7月份降水僅為15.4 mm，且6月25日至7月25日降雨量僅為4.3 mm，是典型的季節性干旱年份，此時正值全年氣溫最高時段，玉米正處于穗期階段，是水分需求最旺盛階段，玉米受干旱脅迫嚴重，影響其生長，從而導致玉米產量下降。表明，在年均降雨量415 mm的旱作區，玉米全膜雙壟溝播種植條件下，玉米產量受種植密度和施氮量的顯著影響，同時也受生育期降水和季節性干旱脅迫的影響。

表 1 種植密度和施氮量對春玉米產量構成因素的影響Table 1 Effects of plant density and nitrogen application rate on yield components of spring maize

表 2 不同種植密度和施氮量下春玉米產量 (kg/hm2)Table 2 Grain yield of spring maize affected by plant density and nitrogen application rate

2.2 玉米干物質積累特征

隨種植密度的增加，玉米單株干物質積累量減少，群體干物質積累量增加 (表3、表4)。同一施氮水平下，不同種植密度間的平均玉米單株干物質積累量表現為低密度 (D1) ＞ 中密度 (D2) ＞ 高密度(D3)，而對群體干物質積累量的影響則正好相反，且自花后30天至成熟期差異達到了顯著水平。以玉米成熟期為例，中密度D2和高密度D3處理的單株干物質積累量較低密度D1處理分別降低了15.21%和28.77%；而群體干物質積累量分別增加了13.05%和18.71%。成熟期干物質積累的差異主要來自開花期后的干物質積累差異。花后單株干物質積累量隨種植密度的增加而降低；花后群體干物質積累量及其貢獻率隨種植密度的增加呈先增加后降低的趨勢，中密度D2處理花后干物質貢獻率最大。同一種植密度條件下，施氮處理玉米單株和群體干物質積累量均顯著高于無氮處理，表現出N276 ＞ N207 ＞N138 ＞ N0。在玉米成熟期，N276、N207、N138處理的玉米單株干物質量較N0處理分別提高了68.37%、50.55%、23.33%，群體干物質量分別提高了69.42%、51.56%、23.92%，且差異均達到了顯著水平。隨著氮肥施用量的增加，單株和群體花后干物質積累量增加，花后干物質貢獻率呈上升趨勢。施氮量由N 207 kg /hm2增加到276 kg /hm2時，群體和單株花后干物質貢獻率均下降。

2.3 氮素利用效率

由表5可知，玉米在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，隨著種植密度的增加，總氮素積累量、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率呈先增加后降低趨勢，氮素收獲指數呈降低趨勢。中密度D2處理的總氮素積累量、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率分別比低密度D1和高密度D3處理增加22.08%和9.31%、26.01%和33.93%、35.55%和39.79%、41.07%和41.63%，且差異均達到了顯著水平。中密度D2和高密度D3處理的氮素收獲指數比低密度D1分別顯著降低了10.20%和21.42%。同一密度水平下，增施適量氮肥可以顯著提高總氮素積累量，顯著影響氮肥利用率，進一步增加施氮量，氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率均呈下降趨勢。以N207處理氮肥利用率最大，平均達到28.6%，較N276和N138處理分別提高4.23%和27.37%。種植密度為低密度D1和高密度D3時，增施適量氮肥可以顯著提高總氮素積累量和氮肥利用效率。密度為中密度D2時，施氮量為N 207 kg/hm2時，總氮素積累量和氮肥利用率最高，分別為221 kg/hm2和38.9%。

表 3 不同種植密度和施氮量下春玉米不同生育期單株干物質積累量(g/plant)Table 3 Dry matter accumulation of spring maize affected by plant density and nitrogen rate

表 4 種植密度和施氮量對春玉米群體干物質積累的影響 (kg/hm2)Table 4 Effects of plant density and nitrogen application rate on dry matter accumulation of spring maize

2.4 玉米耗水量及水分利用效率

由表6可知，在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，玉米耗水量受種植密度、氮肥因素的影響均達到顯著水平 (2016年，F = 16.55和46.71；2017年，F = 81.07和164.45)。同一施氮水平下，不同種植密度間的平均玉米耗水量表現出中密度 (D2) 高于低密度 (D1) 和高密度 (D3)。同一種植密度條件下，玉米耗水量隨施氮量的增加而增加，施氮處理玉米耗水量顯著高于無氮處理，表現出N276 ＞ N207 ＞ N138 ＞N0，且差異達到了顯著水平。2016年，中密度D2處理的玉米耗水量比低密度D1增加了5.79%，與高密度D3處理之間差異不顯著；N138、N207、N276處理的玉米耗水量較N0處理分別顯著增加了6.73%、8.81%和15.04%，N276處理較N207和N138 又顯著增加了5.74%、7.77%，而N207和N138處理間差異不顯著；氮肥和密度之間的互作效應不顯著 (F =1.16)。2017年，中密度D2處理的玉米耗水量比低密度D1和高密度D3分別顯著增加了14.82%和

14.67%；N138、N207、N276處理的玉米耗水量較N0處理分別顯著增加了28.09%、31.94% 和37.04%，N276處理較N207和N138增加了3.88%和6.99%；氮肥和密度之間的互作效應顯著 (F = 9.18)。

表 5 種植密度和施氮量對春玉米氮素利用效率的影響Table 5 Effects of plant density and nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of spring maize

表 6 種植密度和施氮量對春玉米耗水量的影響(mm)Table 6 Effects of plant density and nitrogen application rate on water consumption of spring maize

從表7可以看出，玉米水分利用效率受種植密度、施氮量的影響均達到了顯著水平。不同種植密度間的平均玉米水分利用效率表現出中密度 (D2) ＞低密度 (D1) ＞ 高密度 (D3)，且差異達到了極顯著水平。同一種植密度條件下，施氮處理玉米水分利用效率極顯著高于無氮處理，以N207和N276處理最為明顯；隨著施氮量增加，玉米水分利用效率顯著提高，當施氮量增加到207 kg/hm2時，繼續增加施氮量水分利用效率無明顯變化，且呈降低趨勢。2016年，中密度D2處理的玉米水分利用效率比低密度D1和高密度D3處理分別提高了18.09%和32.98%；N138、N207、N276處理的玉米水分利用效率較N0分別提高了 20.28%、30.17%、35.03%，N207、N276處理較N138顯著提高了8.22%、12.27%，N207與N276處理間差異不顯著；氮肥和密度之間的互作效應不顯著 (F = 2.18)。2017年，中密度D2處理的玉米水分利用效率比低密度D1和高密度D3處理分別提高了9.87%和17.81%；N138、N207、N276處理的玉米水分利用效率較N0分別提高了9.31%、20.01%、16.98%，N207、N276處理較N138提高了9.77%、7.02%，且差異達到了顯著水平；氮肥和密度之間的互作效應顯著 (F = 27.30)。在不同種植密度水平下，2016年玉米水分利用效率較2017年平均提高了27.60%～43.92%；不同施氮水平下，2016年玉米水分利用效率較2017年平均提高了24.74%～43.91%。結果表明，玉米水分利用效率受產量變化的影響，玉米產量提高引起了水分利用效率的協同提高。

表 7 種植密度和施氮量對春玉米水分利用效率的影響[kg/(mm·hm2)]Table 7 Effects of plant density and nitrogen application rate on water use efficiency of spring maize

3 討論

3.1 種植密度和施氮量對旱地全膜雙壟溝播玉米產量的影響

前人對種植密度或施氮量對玉米產量的影響做了大量研究，但是關于旱地全膜雙壟溝播種植條件下玉米產量對種植密度、施氮量的響應研究鮮見報道。前人研究表明，玉米產量隨密度的增加呈先增加后降低的趨勢[32]，增加種植密度可顯著提高玉米產量[33]。陳傳永等[28]認為，提高種植密度是獲得玉米高產的重要途徑，增加種植密度可以顯著提高籽粒產量，但單株穗粒數顯著降低，千粒重呈下降趨勢。本研究表明，在年均降雨量415 mm的旱作區，玉米在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，提高種植密度，穗行數、行粒數、百粒重呈下降趨勢，這與前人研究結果基本一致。玉米籽粒產量隨種植密度的增加呈先增加后降低趨勢，以種植密度為60000 株/hm2適宜。玉米產量是由單位面積穗數、穗粒數和百粒重組成的，通過增加種植密度增加穗數是提高產量的有效途徑。但是，種植密度的增加必然會引起植株個體間的競爭加劇，單株產量顯著下降，當單株效應對總產量的影響超過了群體效應時將會導致群體總產量下降。因此，在年均降雨量415 mm的旱作區，增密會影響春玉米產量及其產量構成因素的潛力發揮，當單株效應與群體效應之間不平衡時會影響產量變化，結合當地氣候降水特征，合理密植才是增產的有效途徑。

氮肥是通過對單位面積穗數、穗粒數、千粒重的綜合影響，而最終影響產量。前人研究指出[34]，氮素缺乏會顯著影響穗粒數。在一定的施肥范圍內，穗粒數會隨著氮肥用量的增加而增加，但當氮肥施用過量時，增施氮肥對穗粒數作用不顯著。申麗霞等[35]認為，隨著施氮量的增加，玉米產量呈先上升后下降的趨勢，適量施氮可以促進玉米果穗頂部籽粒發育，增加穗粒數，提高產量。本研究表明，施氮處理玉米籽粒產量顯著高于無氮處理，增施氮肥可以顯著提高籽粒產量，產量構成因素穗行數、行粒數、穗長、百粒重呈增加趨勢。在中密度 (60000株/hm2) 下施氮處理玉米產量顯著高于低密度 (45000株/hm2) 和高密度 (75000 株/hm2)。施氮量為207～276 kg/hm2可以認為是本試驗條件下的適宜施氮量。因此，氮肥可以通過影響玉米穗行數、行粒數及百粒重等構成因素調控籽粒產量，在合理種植密度條件下，氮肥是調控籽粒產量的重要因子。另外，在本試驗條件下，通過兩年的產量結果看，在旱地全膜雙壟溝播種植條件下，玉米產量不僅受種植密度和施氮量的顯著影響，同時也受季節性干旱脅迫的影響，玉米關鍵生育期降水不足將會嚴重影響產量。

3.2 種植密度和施氮量對旱地全膜雙壟溝播玉米干物質積累的影響

玉米產量決定于干物質積累，增加群體干物質積累量是提高玉米產量的基礎。增加種植密度可以顯著提高群體干物質積累量，但是高密度條件下，單株干物質積累量下降過大，是制約群體干物質積累量大幅度增加的重要原因[36]。李廣浩等[37]研究認為，增加種植密度，夏玉米單株干物質積累量呈降低趨勢，群體干物質積累量呈增加趨勢，單株干物質積累量和單株花后干物質積累量顯著降低。本研究表明，隨著種植密度的增加，玉米單株干物質積累量減少，群體干物質積累量增加，且在開花期至成熟期差異達到了顯著水平。花后單株干物質積累量隨種植密度的增加而降低；花后群體干物質積累量及其貢獻率隨種植密度的增加呈現先增加后降低的趨勢，種植密度為60000 株/hm2時花后干物質貢獻率最大。施氮處理玉米單株和群體干物質積累量均顯著高于無氮處理。隨著氮肥施用量增加，單株和群體花后干物質積累量增加，花后干物質貢獻率呈上升趨勢。施氮量由N 207 kg/hm2增加到N 276 kg/hm2時，群體和單株花后干物質貢獻率下降。

3.3 種植密度和施氮量對旱地全膜雙壟溝播玉米氮素利用效率的影響

前人關于種植密度和施氮量對玉米氮素利用效率的影響研究較多，而關于旱地玉米全膜雙壟溝播種植條件下的研究鮮見報道。曹勝彪等[33]研究認為，適宜的種植密度既可增加玉米產量，又可提高氮素利用效率，但隨著施氮量增加，氮素利用率降低。趙洪祥等[38]認為，高密度有利于玉米植株氮量積累，氮肥比例高的處理玉米生育后期的氮素吸收速率提高。本研究表明，隨著種植密度的增加，總氮素積累量、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率呈先增加后降低趨勢，氮素收獲指數呈降低趨勢。中密度 (60000株/hm2) 氮肥利用率最高，顯著高于低密度 (45000 株/hm2)和高密度 (75000 株/hm2)。隨著施氮量的增加，總氮素積累量呈增加趨勢，氮肥偏生產力呈下降趨勢，氮肥利用效率呈先升高后降低趨勢，以施氮量為207 kg/hm2氮肥利用效率最大。因此，本試驗條件下，合理種植密度與適宜施氮量可以顯著提高氮肥利用率，以種植密度為60000株/hm2和施氮量為207 kg/hm2可獲得較高的氮肥利用效率。

3.4 種植密度和施氮量對旱地全膜雙壟溝播玉米水分利用效率的影響

徐振峰等[39]研究認為，隨著施肥量的增加，全膜雙壟溝播玉米水分利用效率呈先升后降低的趨勢，高密度和高施氮水平具有較高的水分利用效率。劉泉汝等[40]研究認為，在秸稈覆蓋條件下，適宜種植密度能夠顯著提高夏玉米的水分利用效率。本研究表明，玉米耗水量、水分利用效率受密度、施氮量的影響均達到了顯著水平。隨著種植密度的增加，玉米耗水量和水分利用效率呈先升高后降低的趨勢，種植密度為60000 株/hm2的玉米耗水量、水分利用效率最高。隨著施氮量的增加，玉米耗水量、水分利用效率呈增加趨勢，施氮處理顯著高于無氮處理。施氮量為207～276 kg/hm2的玉米水分利用效率較高。因此，本試驗條件下，合理的種植密度與適宜施氮量不僅增加了玉米產量，而且提高了水分利用效率，玉米產量提高引起了水分利用效率的協同提高。

4 結論

在年均降雨量為415 mm的旱作區，玉米全膜雙壟溝播種植下，合理增加種植密度，通過增施氮肥調節植株個體與群體之間的矛盾，增加單株和群體干物質積累量，提高穗粒數、百粒重，從而可獲得較高的玉米籽粒產量、氮肥利用率和水分利用效率。玉米產量提高可引起氮肥吸收利用率和水分利用效率的協同提高。綜合考慮種植密度和施氮量對玉米籽粒產量、氮肥利用率和水分利用效率等因素的影響，玉米旱地全膜雙壟溝播栽培模式下，密度為60000 株/hm2、施氮量為207 kg/hm2較為適宜。