覆膜滴灌下氮肥與種植密度互作對東北春玉米產量、群體養分吸收與轉運的調控效應

侯云鵬，孔麗麗，尹彩俠，李 前，王立春*，徐新朋

（1 農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室/吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，吉林長春 130033；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

我國東北平原有近30%為半干旱農業區，早春低溫和干旱是限制該區域玉米生產的主要因素[1]。近年來，滴灌和地膜覆蓋相結合的栽培技術在改善耕層土壤水熱狀況、促進作物生長發育、提高作物產量和水分養分利用效率等方面發揮了重要作用[2-4]，現已廣泛應用于東北半干旱區玉米栽培中[5]。如何將覆膜滴灌技術與其它栽培措施相結合，進而充分發揮有限水資源的生產潛力，是東北半干旱區覆膜滴灌條件下亟需解決的問題。除品種、氣候、病蟲草害防控與非生物災害消減等產量形成與保護因素外，種植密度和氮素管理是玉米栽培學中最為活躍的兩大因素[6]。合理的種植密度是玉米利用光熱資源構建良好群體結構、優化群體光合生理指標的基礎[7-8]，適宜的氮肥用量是提高玉米物質生產的營養保障[9]，而種植密度與氮肥用量二者協調可提高玉米群體對養分的吸收和利用，進而提高單位施氮量所增加的籽粒產量。因此，明確覆膜滴灌條件下合理的施氮量與種植密度，對東北半干旱區構建高產高效栽培體系具有重要意義。目前，針對氮肥、種植密度以及二者互作對作物群體氮素吸收利用、物質生產特征和氮肥利用效率的影響已有大量研究。這些研究表明，增加種植密度可提高玉米光、溫、水資源的利用效率，通過協調穗數、穗粒數和粒重，依靠群體發揮增產潛力[10]，但密度過大，會引起植株間競爭水、養分、光等限制性資源，使莖稈質量變差，養分吸收量下降，雖然穗數有所增加，但穗粒數和粒重降幅過大，造成減產[11-12]；增施氮肥可顯著增強玉米生育期的光合作用，提高養分吸收與積累速率，有利于營養器官中有機物的合成及花后保綠，延長花后光合與灌漿時間，提高玉米單株生產能力，但當氮肥用量過高時則導致葉片早衰，葉片光合能力和物質生產能力下降，進而影響玉米產量[13-15]；而盛耀輝等[16]研究表明，氮肥與密度間互作效應顯著，在一定范圍內可以相互促進，但當施氮量或種植密度過高時，氮肥與密度互作表現為負效應，對玉米養分吸收利用有抑制作用。可見，在玉米生產中，氮肥、密度二者之間需要高度協調配合，才有利于優化群體結構，提高玉米生育期的光合作用，進一步促進養分吸收與物質生產，使玉米產量和氮肥利用效率協同增加。但是當前關于東北春玉米種植密度和氮肥互作的研究多集中在雨養條件下，且多為氮密互作條件下玉米對氮素吸收利用的報道。而關于東北半干旱區覆膜滴灌條件下，不同施氮水平下如何與密度匹配提高玉米群體氮、磷、鉀養分吸收利用效率方面缺乏研究，由于作物體內氮磷鉀養分通過有機物的形成和轉化相互聯系，不同種植密度和施氮量必將對其產生影響，且地膜覆蓋使玉米生育進程發生改變，其養分吸收利用特性勢必相應改變，滴灌施肥與常規施肥制度理論上存在差異。因此，本研究在覆膜滴灌條件下，分析玉米種植密度和氮肥用量及二者間的互作對群體玉米養分吸收、轉運特征的影響機制，明確產量、養分吸收及氮素利用效率協同提高的最佳施氮量和種植密度，以期為東北半干旱區玉米高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016—2017年在吉林省農業科學院乾安實驗站進行。研究區域年平均氣溫5.6℃，年日照時數2866.6 h，全年積溫2884.5℃，無霜期146天，年平均降雨量425 mm，年平均蒸發量1500 mm以上，屬典型的半干旱區。試驗地種植制度為玉米連作，土壤類型為淡黑鈣土，2016和2017年試驗起始時0—20 cm土壤基礎養分狀況為：有機質17.39 g/kg、水解性氮 102.4 mg/kg、有效磷 35.86 mg/kg、速效鉀109.4 mg/kg、pH 7.86。玉米生育期氣象數據 (平均溫度、最高溫度、最低溫度、降雨量) 通過試驗點的自動氣象站獲取 (圖 1)。

圖1 玉米生育期氣象條件Fig. 1 Meteorological condition during maize growth period

1.2 試驗設計

本試驗采用種植密度 (D)、氮肥用量 (N) 兩因素隨機區組設計，主區為密度處理，設 6.0 × 104、7.5 ×104和 9.0 × 104株/hm23 個水平，依次標記為 D1、D2和D3；副區為氮肥處理，設N 0、140、210、280 和 350 kg/hm25 個水平，依次標記為 N0、N140、N210、N280和N350，共計15個處理。各處理磷肥 (P2O5) 和鉀肥 (K2O) 用量一致，分別為 90 和100 kg/hm2。氮肥按20%基肥、30%拔節肥、20%大喇叭口肥、20%抽雄肥、10%灌漿肥施用；磷肥按40%基肥、60%大喇叭口肥施用；鉀肥按60%基肥、40%大喇叭口肥施用。供試玉米品種為農華101，小區面積60 m2，重復3次，2016和2017年玉米種植日期分別為5月7日和5月3日。收獲日期分別為9月30日和10月2日。采用覆膜滴灌種植，玉米播種后，鋪設滴灌帶與覆蓋地膜。滴灌帶鋪設于寬行中間，每條滴灌帶澆灌2行玉米。不同處理兩年玉米生育期灌水定額均為240 mm，其中在玉米播前、苗期和拔節期分別灌水20 mm，大喇叭口期、開花期和灌漿期分別灌水60 mm，共計6次，各處理單獨用水表控制同等灌水量。供試的氮肥為尿素 (N 46%)，磷肥以重過磷酸鈣 (P2O546%) 和液體磷酸 (P2O585%) 作為兩種磷源，鉀肥為氯化鉀 (K2O 60%)。每小區單配 18 L 壓差式施肥罐，施肥開始前按各處理所需氮、磷、鉀肥加入施肥罐，充滿水后攪拌至完全溶解。在施肥前先滴清水30 min，然后打開施肥閥施肥，施肥時間為120 min，施肥后繼續滴清水30 min。其他田間管理按玉米常規生產田進行。

1.3 樣品采集與測定

分別于玉米苗期 (V3)、拔節期 (V6)、大喇叭口期 (V12)、開花期 (VT)、灌漿期 (R2) 和成熟期 (PM)采集不同處理具有代表性玉米植株5株，分解為莖稈和籽粒兩部分。105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重后進行稱重并粉碎，采用硫酸–雙氧水消煮，凱氏法測定全氮含量。

玉米成熟期，在每小區收取中間2行，測定每小區的穗數，收獲后在晾曬場自然風干，當籽粒水分 ≤ 20%時，人工脫粒，用PM-8188谷物水分測定儀測定籽粒含水量，以14%標準含水量計算產量，并按測產面積折算成單位面積產量。收獲時選擇10個代表性果穗，測定穗粒數和百粒重。

1.4 參數計算與統計分析

收獲指數 = 籽粒產量/地上部生物量；

植株養分積累量 (kg/hm2) = 各時期干物質量 × 氮(磷、鉀) 素含量 (%)；

養分轉運量 (kg/hm2) = 開花期植株地上部養分積累量－成熟期植株地上部營養器官養分積累量；

轉運率 (%) = 養分轉運量/開花期地上部養分積累量 × 100；

轉運養分對籽粒貢獻率 (%) = 花前營養器官養分轉運量/籽粒養分積累量 × 100；

積累養分對籽粒貢獻率 = 100% － 花前營養器官養分轉運量/籽粒養分積累量 × 100%；

氮素吸收利用效率 (NRE，%) = (施氮區植株地上部氮積累量－不施氮區植株地上部氮積累量) /施氮量 × 100

氮素農學利用率 (NAE，kg/kg) = (施氮區玉米產量－不施氮區玉米產量) /施氮量；

氮肥偏生產力 (NPFP，kg/kg) = 施氮區籽粒產量/施氮量

試驗數據采用Excel進行處理，用SAS 9.0軟件進行兩因素 (種植密度和施氮量) 方差分析，處理間多重比較采用LSD-test法；用SigmaPlot 14.0軟件繪圖。

本研究中2016和2017年各指標變化規律一致，因此數據采用2年數據的平均值進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度和施氮水平處理產量及其構成

由表1可知，種植密度和施肥處理均對玉米產量影響顯著，且兩因素表現出顯著的交互作用。在同一密度下，玉米產量隨著施氮水平的增加呈先增后降趨勢，其中在D1和D2密度下，以N210處理玉米產量最高；在D3密度中，以N280處理玉米產量最高。施氮水平相同時，以D2密度下玉米產量最高，后依次為D3和D1密度處理。其中D2處理玉米平均產量較D1和D3處理分別提高了12.7%和3.8%，并與 D1 處理差異達顯著水平 (P＜ 0.05)。

表1 不同種植密度和施氮水平處理玉米產量及其構成Table 1 Maize yield and its components under different plant densities and nitrogen application rates

產量構成中，種植密度對實收穗數、穗粒數和百粒重影響顯著，對收獲指數無顯著影響，施肥處理對穗粒數和百粒重影響顯著，對實收穗數和收獲指數無顯著影響，而兩因素僅對玉米穗粒數表現出顯著的交互效應。在同一密度下，穗粒數和百粒重隨施氮水平的增加呈先增后降趨勢，其中在D1和D2密度下，以N210處理玉米穗粒數和百粒重最高；D3密度下，以N280處理玉米穗粒數和百粒重最高。施氮水平相同時，玉米實收穗數隨種植密度的增加而增加；玉米穗粒數和百粒重均以D1處理最高，后依次為D2和D3處理。

2.2 不同種植密度和施氮水平處理玉米養分積累動態與分配比例

2.2.1 不同種植密度和施氮水平處理玉米氮、磷、鉀積累動態 隨生育時期的推進，植株氮、磷、鉀積累量均呈逐漸增加趨勢 (圖2)。在不同施氮處理中，植株氮、磷、鉀積累量在玉米拔節期至開花期隨施氮水平的增加而增加，以N350處理最高；灌漿期至成熟期氮、磷、鉀積累量則表現為隨施氮水平的增加先增后降，其中在D1和D2密度下，以N210處理玉米氮、磷、鉀積累量最高；在D3密度下，以N280處理最高。說明過量施氮有利于生育前期氮、磷、鉀養分積累，而適宜的氮肥用量可使玉米生育中后期保持較高的氮、磷、鉀積累速率，提高開花期至成熟期氮、磷、鉀積累量。施氮水平相同時，苗期不同密度下氮、磷、鉀積累量無明顯差異，拔節期至成熟期以D2處理氮、磷、鉀積累量最高，后依次為D3和D1處理。

圖2 不同種植密度和施氮水平處理玉米不同生育階段氮、磷、鉀養分積累Fig. 2 Accumulation of N, P and K at different growth stages of maize under different plant densities and nitrogen application rates

2.2.2 不同種植密度和施氮水平處理玉米氮、磷、鉀分配比例 不同種植密度和施氮水平下玉米開花前后氮、磷、鉀養分積累占植株氮、磷、鉀積累總量比例 (圖3) 表明，在同一密度下，隨著施氮水平的增加，開花期至成熟期氮、磷、鉀分配比例呈先增后降趨勢。在D1和D2密度下，以N210處理開花期至成熟期氮、磷、鉀分配比例最高，D3密度下以N280處理氮、磷、鉀分配比例最高。施氮水平相同時，不同種植密度處理間開花期至成熟期氮、磷、鉀分配比例無顯著性差異 (P＞ 0.05)。

圖3 不同種植密度與施氮水平下玉米開花前后地上部氮磷鉀積累量占整株氮磷鉀積累量的比例Fig. 3 Proportions of above-ground N, P and K accumulation in the whole plant around flowering stage of maize under different plant densities and nitrogen rates

2.3 玉米開花前后地上部氮、磷、鉀積累量與產量間的相關性分析

對玉米開花前 (苗期—開花期) 和開花后 (開花期—成熟期) 地上部氮、磷、鉀積累量與產量進行相關性分析 (圖4)，結果表明，玉米花前和花后氮、磷、鉀積累量與產量均呈顯著正相關，但開花后氮、磷、鉀積累量線性方程的相關系數 (r= 0.9224、0.8137、0.7689) 均高于花前 (r= 0.8852、0.6250、0.7207)，說明玉米開花后群體氮、磷、鉀積累量的提高與產量更為密切相關。

圖4 玉米開花前后氮、磷、鉀積累量與產量間的相關性Fig. 4 The correlations between yield and N, P and K accumulation around flowering stage of maize

2.4 不同種植密度和施氮水平處理玉米氮、磷、鉀轉運

由表2可知，種植密度對養分轉運量影響顯著，對養分轉運率、轉運養分對籽粒貢獻率和積累養分對籽粒貢獻率無顯著影響；施肥處理對養分轉運量、轉運養分對籽粒貢獻率和積累養分對籽粒貢獻率影響顯著，對氮磷鉀轉運率無顯著影響，而兩因素僅對氮磷鉀轉運量表現出顯著的交互效應。在同一密度下，與不施氮肥處理 (N0) 相比，施氮顯著提高了氮、磷、鉀轉運量 (P＜ 0.05)，并隨施氮水平的增加呈先增后降趨勢，其中在D1和D2密度下以N210處理玉米氮、磷、鉀轉運量最高，D3密度下以N280處理最高。轉運養分對籽粒貢獻率隨施氮水平的增加呈先降后升趨勢，而積累養分對籽粒貢獻率則隨施氮水平的增加先增后降，其中在D1和D2密度下最高值出現在N210處理，D3密度下最高值出現在N280處理。相同施氮水平時，以D2處理玉米氮、磷、鉀轉運量最高，后依次為D3和D1處理，其中D2處理平均氮、磷、鉀轉運量較D1和D3處理分別提高22.5%、13.6%、19.3%和16.7%、2.6%、12.1%，與D1處理差異達顯著水平 (P＜0.05)。此外，不同施氮水平和密度下氮磷鉀轉運量、轉運率、轉運養分對籽粒貢獻率和積累養分對籽粒貢獻率無論增加或減少，均具有明顯的一致性。

2.5 不同種植密度和施氮水平處理氮素利用效率

種植密度和施肥處理均對氮素吸收利用率、農學利用率和偏生產力影響顯著，且兩因素間表現出顯著的交互作用 (圖5)。總體而言，在相同密度下，氮素吸收利用率、農學利用率和偏生產力均隨施氮水平的增加呈下降趨勢，相同施氮量時，以D2處理玉米平均氮素吸收利用率、農學利用率和偏生產力最高，后依次為D3和D1處理。其中D2處理氮素吸收利用率、農學利用率和偏生產力均值較D1和D3處理分別高出8.9%、15.7%、12.8%和16.9%、16.7%、5.0%。

圖5 不同種植密度與施氮水平處理氮素利用效率Fig. 5 Nitrogen use efficiency under different plant densities and nitrogen application levels

3 討論

對于禾谷類作物而言，產量構成因素之間的協調發展是實現高產的基礎[15]。張仁和等[17]指出，增加穗粒數和穗密度擴大庫容是提高玉米產量的重要途徑，而適宜的種植密度有利于玉米單位面積穗數、穗粒數和粒重的協調發展[18]。同時適量施氮則可較好協調密植群體內玉米的形態生理特性，通過調控株型、維持光合性能、減少籽粒敗育等保證生育后期相對較高的物質轉化效率，最終獲得較高的群體產量[19]。本研究中，提高玉米種植密度可顯著增加單位面積的有效穗數，但隨著密度的增加，穗粒數和百粒重呈下降趨勢，當種植密度為75000株/hm2時獲得最高產量。而在同一密度下，通過增施氮肥可以增加玉米穗粒數和百粒重，但當氮肥過量施用，玉米穗粒數和百粒重呈下降趨勢。說明增密主要是通過截獲更多的太陽輻射，使得群體生產力較高而增產[20]，但超過適宜密度后，會引起玉米群體養分競爭加劇，影響葉片的光合生產能力，個體生長率、光合物質向籽粒分配率降低，使穗粒數和粒重的下降程度大于單位面積穗數的增加，最終導致玉米產量較最適密度群體有所降低[21]；而適宜的氮肥用量可提高植株體內活性氧清除酶的合成量[15]，使葉片光合性能維持在較高水平，為籽粒形成提供充足的光合碳量，促進光合產物向籽粒的運轉，使庫容 (穗粒數)和充實度 (粒重) 增加，進而增加玉米產量。另外，相關研究表明覆膜滴灌模式可較傳統灌溉提高種植密度[22]，而本研究在覆膜滴灌條件下確定的適宜密度也高于前人在該區域常規模式下確定的適宜密度[23]，究其原因，主要是由于覆膜增加了土壤溫度，促進玉米根系生長，改善根系在土壤中的分布和增加根系活性[24]，同時滴灌施肥根據作物根系特征及需水規律精確調控土壤水分和養分，進一步促進了作物根系的生長，使作物處于最佳的生長狀態，達到最優根冠比[25]，抗倒伏能力增強，進而提高玉米種植密度。

氮、磷、鉀養分積累是作物物質生產的基礎，與作物產量密切相關。齊文增等[26]研究表明，籽粒產量的高低很大程度上取決于玉米生育后期養分積累與光合能力，姜濤[27]的研究也證實了提高玉米開花至成熟期養分積累是提高玉米產量的關鍵。但也有研究指出，雖然花前物質積累對玉米籽粒產量的貢獻率低于花后，但玉米拔節至開花階段是穗分化的重要時期，很大程度上影響穗分化質量，尤其是對單位面積粒數的貢獻更大[28]。可見在花前建立一個高效群體結構，對增加作物抗逆能力，提高玉米花后物質生產至關重要。本研究結果表明，增施氮肥可提高玉米開花期至成熟期氮、磷、鉀積累量和玉米花后氮、磷、鉀養分所占比例，并隨施氮水平的增加呈先增后降趨勢，而增密僅提高了玉米地上部氮、磷、鉀總積累量，對玉米開花期至成熟期氮、磷、鉀養分分配比例影響不顯著。說明適宜的氮肥用量使玉米在營養體建成期間獲得高效的群體結構，同時可提高玉米花后植株光合生理活性及花后保綠，促進玉米養分吸收能力[29]，而氮肥過量施用則導致玉米生育前期生長過旺，生育后期葉片早衰及光合能力下降，最終使成熟期養分積累量下降[30]。而在不同種植密度條件下玉米地上部養分積累量隨種植密度的增加先增后降，這與增密后群體生產力增益大于單株生產力損失有關。

當玉米進入灌漿期，植株吸收的養分主要供給穗部，同時營養體中的養分也大量向穗部轉運，但這兩部分營養源對籽粒養分貢獻率在不同品種特性、生態環境及栽培措施條件下存在很大差異[12,17,19,21,26]。較高的產量需要葉片保持持久的光合活性，而這依賴于花后養分積累和轉運的平衡[31]；同時，養分累積、轉運和物質生產相互聯系。因此，提高花前營養體養分轉運量和花后養分積累均有利于提高玉米產量[32]。本研究結果表明，氮肥與密度互作均顯著影響春玉米養分向籽粒的轉運量，并隨種植密度和施氮水平的增加先增后降，其中以D2和N210條件下氮、磷、鉀轉運量最高。說明適宜的氮肥用量或群體結構均可促進玉米花前儲存更多的養分向籽粒轉運[33]。本研究還發現，施氮降低玉米轉運養分對籽粒貢獻率的同時，提高了玉米花后積累養分對籽粒貢獻率，并隨施氮水平的增加先增后降。說明氮肥供應不足會促使營養體中養分加速運出，而氮肥供應過量則會導致營養體氮素代謝過旺，兩者均會提高營養體花前儲藏養分對籽粒養分貢獻率，而花前儲藏養分貢獻率過高則會引起葉片衰老進程加快、光合能力下降[34]，進而限制產量的提高。

養分利用率是衡量施肥合理性的指標之一，相關研究表明，適宜的群體結構可提高氮肥利用效率，但隨著氮肥用量增加，氮素利用效率呈下降趨勢[35]。往往作物獲得最高產量和經濟效益的施肥量，其肥料利用效率并不是最高[12,17]。本研究結果也表明，隨著種植密度的增加，玉米氮肥利用效率呈先升高后降低的趨勢，其中種植密度為75000株/hm2時氮素利用效率最高。說明適宜的群體結構通過增加養分積累而促進了肥料利用效率的提高。在相同密度下，與N140處理相比，N210處理的氮素吸收利用率、農學利用率和偏生產力均有所下降，而產量卻顯著提高，主要原因是N210處理氮素投入量遠高于N140處理；而與N280和N350處理相比，N210處理氮肥利用效率和產量均有所提高。可見，施氮不足雖然可使氮肥利用效率維持在較高水平，但其代價是嚴重損耗土壤肥力；而過量施氮不僅無法增加產量，同時氮肥利用效率也顯著降低，收益下降，還會影響玉米品質[36]，對環境也會造成嚴重的破壞[37]。因此，合理的種植密度與適當控制氮肥用量，可促進玉米氮素的吸收利用，增加籽粒產量，提高氮肥利用率，進而實現玉米高產高效和環境友好的目標。

4 結論

在東北半干旱區玉米覆膜滴灌模式下，當種植密度達到75000株/hm2，施氮量達到210 kg/hm2時，玉米產量最高，植株對氮、磷、鉀的總積累量和轉運量均達到最高值，并且氮素利用效率也維持在較高水平。當超過該密度和施氮量時，會導致產量降低以及氮肥利用率顯著下降；而密度過低或施氮不足則會降低玉米產量。因此，密度為75000株/hm2、施氮量210 kg/hm2可作為東北半干旱區覆膜滴灌下高產、節氮的最優栽培模式。