不同密度下施氮量對夏玉米產量和氮肥利用效率的影響

劉 夢，梁 茜，葛均筑，鄭志廣，張 垚，馬志琪，吳錫冬，楊永安，侯海鵬

(1.天津農學院 農學與資源環境學院，天津 300384；2.天津市玉米良種場，天津 301500；3.天津市農業發展服務中心，天津 300061)

玉米是海河平原主要的糧食作物，增加播種密度是玉米增產的主要栽培措施之一，合理增加播種密度、構建良好群體可充分利用光熱資源，從而達到增產效果[1-2]。氮肥是玉米獲得高產的保障，但施氮過量可造成氮素損失，導致增產效應下降[3]。研究表明，我國玉米的氮素利用效率為26.1%，遠低于33%的國際平均水平[4-5]。通過調節氮肥施用量可調控灌漿速率，提高粒質量；通過調節密度可調控快增期、緩增期持續天數來影響粒質量[6]。Wang等[7]研究表明，玉米產量的提高與干物質積累量有關，但密度對干物質向籽粒的轉運無顯著影響，過量施氮對群體持綠性和產量無調控效應，但張萌[8]研究表明，不同密度和施氮量均顯著影響葉面積指數和干物質積累量，氮密互作對葉面積指數和干物質積累量的影響不顯著。實際生產中，在適宜播種量和施氮量前提下，可通過氮肥和密度的交互效應來提高玉米產量[9]。研究表明，在一定種植密度下，隨施氮量增加，氮肥利用效率一般呈先增后降的趨勢，減氮增密可獲得較高的氮肥利用效率，與籽粒中氮素分配多少無關[9-11]。由此可見，氮密互作對玉米產量及氮肥利用效率的調控效應研究結論尚不一致，而在海河平原關于氮密互作對夏玉米產量調控效應尚未見報道。為此，本研究通過探討不同密度下施氮量對京農科728產量及氮肥利用的影響，以期為研究海河平原夏玉米氮肥減量穩產增效栽培技術提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6-10月份在天津市玉米良種場(117°49′E，39°42′N)進行，前茬春小麥秸稈全部還田，0～20 cm土層有機質含量18.6 g/kg、全氮1.088 g/kg、水解性氮77.68 mg/kg、速效磷64.8 mg/kg、速效鉀296 mg/kg、pH值8.1、全鹽含量3.1 mg /kg。玉米生育期氣象數據如圖1。

1.2 試驗材料與設計

供試材料為京農科728(JNK728)，6月23日播種，10月30日收獲。采用兩因素隨機區組試驗設計，因素一為密度(7.5×104株/hm2(D7.5)和9.0×104株/hm2(D9.0))，因素二為施氮量(0(N0)，180 kg/hm2(N180)，240 kg/hm2(N240)，300 kg/hm2(N300)，360 kg/hm2(N360))。播種采用60 cm等行距，小區長7.0 m，寬4.2 m，各小區間設置1 m隔離帶，小區重復3次，N肥按照50%-30%-20%分為種肥-拔節肥-大口肥，P2O5120 kg/hm2全部作種肥，K2O 150 kg/hm250%作種肥，50%大口期追施。其他管理條件隨大田管理措施進行。

圖1 玉米生育期氣象數據Fig.1 Meteorological data during maize growth duration

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉片葉綠素含量(SPAD值) 采用SPAD-502計無損快速測定玉米葉片的SPAD值，可以較好地反映葉片葉綠素含量。每小區選取生長均勻一致的代表性樣株60株，分別于拔節期(V6)、大口期(V12)、吐絲期(R1)、吐絲后每10 d和收獲期掛牌標記，每小區取掛牌標記的樣株30株，測定葉片SPAD值(抽雄前測定最上部展開葉，抽雄后測定穗位葉)。

1.3.2 葉面積指數(Leaf area index，LAI) 分別于V6、V12、R1、吐絲后每20 d和收獲期，每小區取掛牌標記的生長一致均勻的樣株3株，測定單株所有綠葉長度(l, cm)和最寬處寬度(d，cm)，采用葉面積系數法計算單株葉面積(Leaf area，LA，m2)，LA=∑l×d×0.75/10000，LAI為單位面積的綠葉面積，即LAI=∑LA×7.5(9.0)。

1.3.3 干物質積累(Dry matter，DM) 于V6、V12、R1和收獲期，小區取掛牌標記的樣株3株，分解為葉片和莖鞘2部分(抽雄后分為莖鞘、葉片、籽粒、穗軸和苞葉5部分)，105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒質量后稱質量。

1.3.4 產量及其構成因素 于成熟期，每小區連續收獲20穗，紗網袋風干后考種，數取穗行數、行粒數，脫粒后數取千粒質量，折算14%安全含水量的千粒質量，稱取收獲穗粒質量，用PM8188-A谷物水分測定儀測定籽粒含水量，按照14%安全含水量計算產量。

1.3.5 氮肥利用效率 氮肥偏生產力(Nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg/kg N)=籽粒產量/施氮量，氮肥農學效率(Agronomic efficiency of nitrogen，ANUE，kg/kg) =(施氮區玉米產量-空白區玉米產量)/施氮量。

1.4 數據處理與分析

采用 Excel 2013 進行數據處理和作圖，采用 SPSS 19.0 統計軟件進行數據統計及方差分析。

2 結果與分析

2.1 葉綠素含量(SPAD值)

由表1可知，隨著生育時期的推進，JNK728葉片SPAD值均呈先升高后降低的趨勢，且各生育期JNK728葉片SPAD值均隨著施氮量的增加而升高(P<0.01)；除V12時期N360處理和R1+10外，相同施氮量處理同一生育期JNK728葉片SPAD值隨著密度的增加呈降低趨勢(P<0.05)；密度和施氮量無顯著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5處理中除N180在V6和V12時期葉片SPAD值與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理下，除N180在R1時期葉片SPAD值N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥或降低密度均有助于JNK728葉片葉綠素含量的增加，同時增施氮肥可使葉綠素峰值出現的時間推遲。

表1 不同密度下施氮量對JNK728葉片SPAD值的影響Tab.1 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf SPAD under different plant density

注： 表中相同密度下同一列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。**表示P<0.01，*表示P<0.05，ns表示P>0.05。表2-3同。

Note: The different small letters at the same column under the same density indicates significant difference among different treatments(P<0.05).**indicatesP<0.01,*indicatesP<0.05, ns indicatesP>0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 葉面積指數(LAI)

由表2可知，隨著生育時期的推進，JNK728的LAI均呈先升高后降低的趨勢且均于R1時期達到最大值，各生育期JNK728的LAI均隨著施氮量的增加而升高(P<0.01)；相同施氮量處理同一生育期JNK728葉面積指數隨著密度的增加呈升高趨勢(P<0.05)；密度和施氮量無顯著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5處理中除N180、N240、N300在V6時期LAI與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理中除施氮量N180在V6時期LAI與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥和增加密度均有助于JNK728葉面積指數的增加。

2.3 干物質積累量(DM)

由圖2可知，JNK728的收獲期DM隨施氮量增加呈增加趨勢(F=58.6，P<0.01)，隨著密度的增加呈逐漸降低的趨勢(F=32.2，P<0.01)，但是施氮量與密度處理對DM的互作效應未達顯著水平(F=0.69，P>0.05)，其中D7.5處理N180僅在R1期DM與N0差異顯著(P<0.05)，N240、N300、N360各時期DM與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理中除N180和N240在V6期及N180在R1期與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理DM與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥有利于干物質量的增加，但密度效應導致單株干物質積累量降低。

表2 不同密度下施氮量對JNK728葉面積指數的影響Tab.2 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf area index under different plant density

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表3-4同。 The different small letters indicates significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Tab.3-4.

2.4 產量及產量構成因素

由圖3可知， JNK728籽粒產量隨著施氮量的增加呈增加趨勢(F=23.5，P<0.01)，隨著密度增加亦呈增加趨勢(F=79.2，P<0.01)，施氮量與密度之間互作效應達極顯著水平(F=5.86，P<0.01)。其中，D7.5處理中除施氮量180 kg/hm2與N0差異不顯著外(P>0.05),其他施氮量處理均與N0差異顯著(P<0.05)，當施氮量增至300 kg/hm2時，產量達到9.5 ×103kg/hm2；D9.0處理中施氮處理均與N0差異顯著(P<0.05)。當施氮量在180～300 kg/hm2時，產量徘徊在10.2×103～10.8×103kg/hm2，處理間差異不顯著(P>0.05)。當施氮量360 kg/hm2時，產量達到12.4 ×103kg/hm2，顯著高于其他各施氮處理(P<0.05)。

圖3 不同密度下施氮量對JNK728產量的影響Fig.3 The effects of nitrogen application on yield of JNK728 under different plant density

由表3可看出，D7.5比D9.0處理具有較多的行粒數和穗粒數(P<0.05)，而穗行數和千粒質量無差異(P>0.05)；增施氮肥JNK728的穗行數(P<0.01)、穗粒數(P<0.01)和千粒質量顯著提高(P<0.05)；施氮量和密度互作僅對行粒數影響達顯著水平(P<0.05)。其中，D7.5處理施氮量240～360 kg/hm2時穗行數和千粒質量較N0顯著增加(P<0.05)，且處理間差異均不顯著(P>0.05)。D9.0處理各施氮量的穗行數和千粒質量與N0差異均不顯著(P>0.05)，而穗粒數則均顯著高于N0(P<0.05)，但處理間無顯著差異(P>0.05)。當施氮量360 kg/hm2時，行粒數顯著多于0～240 kg/hm2處理(P<0.05)。

表3 不同密度下施氮量對JNK728產量構成要素的影響Tab.3 Effects of nitrogen application on JNK728 yield components of JNK728 under different plant density

2.5 氮肥偏生產力(PFPN)和氮肥農學利用效率(ANUE)

由圖4可知，與N180相比，施氮量增加JNK728氮肥偏生產力(PFPN)降低31.2%,56.0%,72.3%(F=434.9，P<0.01)，隨著密度的增加而增加(F=162.4，P<0.01)，施氮量與密度處理對PFPN的互作效應達顯著水平(F=4.31，P<0.05)。與N180相比，JNK728氮肥農學利用效率(ANUE)在N240處理時降低9.2%,N300～N360處理分別提高12.5%和52.6%,并隨著密度的增加而增加(F=73.3，P<0.01)，施氮量與密度處理對ANUE的互作效應亦達顯著水平(F=6.83，P<0.01)。其中，與N180相比，D7.5處理中PFPN在N240、N300和N360分別降低28.8%(P<0.05)，53.9%(P<0.05)和82.3%(P<0.05)，ANUE分別提高59.0%(P<0.05)，116.5%(P<0.05)和103.2%(P<0.05)；D9.0處理PFPN分別降低33.3%(P<0.05)，57.8%(P<0.05)和64.5%(P<0.05)，ANUE分別變化了-24.9%(P<0.05)，-11.6%(P>0.05)和40.4%(P<0.05)。與D7.5相比，N180、N240、N300和N360的PFPN在D9.0分別提高15.8%，11.8%，13.0%和28.3%， ANUE在D9.0分別提高339.1%(P<0.05)，106.2%(P<0.05)，78.0%(P<0.05)和201.7%(P<0.05)。

圖4 不同密度下施氮量對JNK728氮肥偏生產力(A)和氮肥農學利用效率(B)的影響Fig.4 The effects of nitrogen application on nitrogen partial factor productivity(PFPN, A) and agronomic efficiency of nitrogen(ANUE, B) of JNK728 under different plant density

3 討論

玉米葉片葉綠素含量反映葉片光合能力的強弱，SPAD-502儀能快速無損檢測葉片的相對葉綠素含量(SPAD值)，間接反映葉片光合功能，較高的SPAD值和葉面積指數可以提高作物光能截獲和利用[12]。適量施氮可維持密植玉米上部葉片光合性能，獲得高產[13]，玉米葉面積指數隨密度和施氮量增加而提高[14]，施氮量顯著提高單株和群體干物質積累量，密度增加單株干物質積累量減小，群體干物質量增加[15-16]。本研究表明，施氮量增加至300 kg/hm2顯著提高JNK728葉片SPAD值，吐絲后表現更為顯著。增加密度顯著降低吐絲后穗位葉SPAD值，花后20～30 d表現最為顯著。密度增加顯著提高相同施氮水平下V12-R1+20時期的葉面積指數；增施氮肥后高氮(N300和N360)處理的葉面積指數顯著高于低氮(N180)處理，中氮水平與N180和N300處理間差異不顯著。施氮量增加顯著提高干物質積累，增加密度后個體干物質積累量降低，但群體干物質量顯著提高。

已有研究表明，增加密度和增施氮肥均顯著增加玉米產量[17]，但當施氮量超過300 kg/hm2時產量不再增加[13]。玉米超過適宜密度后穗粒質量減少[18]。申麗霞等[19]研究表明，中、高密度下適量施氮可減少頂部籽粒敗育，增加穗粒數。本研究結果表明，低密度下(D7.5)施氮量超過N240后JNK728的穗行數和千粒質量顯著提高；高密度下(D9.0)N360處理行粒數顯著高于N180和N240。增加密度對JNK728穗部性狀無顯著影響，說明JNK728具有更強的增加播種密度后個體對群體增加的耐受能力。JNK728產量隨密度和施氮量的增加而顯著增加，在低密度(D7.5)條件下，當施氮量增至300 kg/hm2時產量即可達到9.5×103kg/hm2，而高密度條件下中低施氮量(N180-N300)產量在10.5×103kg/hm2波動，當施氮量增至360 kg/hm2時,產量達到12.4×103kg/hm2，因此,需要進一步探明高密度條件下的最佳施氮量。氮密互作顯著影響夏玉米的穗部性狀，JNK728產量與穗數、穗行數和穗粗相關性達顯著或極顯著水平的相關關系，密度越高、穗數越多或穗行數越多、產量越高。

施氮量增加導致氮肥利用效率呈先增后降的趨勢[9-10]，氮密互作通過影響氮積累和干物質積累量調控氮肥利用效率[11]，增施氮肥和增加密度顯著促進氮素積累對干物質積累的響應強度[16]。隨著施氮量的增加，玉米氮素積累量增加，但氮肥利用效率逐漸降低[20]。本研究表明，隨施氮量增加，氮肥偏生產力顯著降低，與已有的研究結論一致。但在高密度條件下的氮肥偏生產力顯著高于低密度，說明增加密度后顯著提高了氮肥的利用效率。本研究中施氮量增加氮肥的農學利用效率增加，與一些研究結論不一致，分析原因可能是本研究是第1年種植，基礎土壤地力較高，即便是無氮小區產量也高于8×103kg/hm2，且在低密度下施氮量300 kg/hm2時氮肥農學利用效率最高，因此，要探明施氮量和密度對JNK728氮肥農學利用效率的調控效應，需要進行多年的連續試驗。

總之，在本試驗條件下，海河平原夏玉米在中密度(7.5×104株/hm2)時，施氮量宜低于300 kg/hm2，可以實現9.5×103kg/hm2的產量水平。選擇耐密抗倒伏品種，增加密度至9.0×104株/hm2，施氮量應在300～360 kg/hm2為宜，可以達到12.0×103kg/hm2的產量水平。