華北平原小農戶夏玉米田間密度損失與原因分析

張天華 李東炎 翟小虎 李靜

(1 河南省濮陽縣柳屯鎮農業服務中心 河南濮陽 457162;2 河南省濮陽縣農業技術推廣中心 河南濮陽 457100;3 河南省濮陽縣農業農村局 河南濮陽 457100)

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

近年來，華北地區雖采用增密技術使得產量提升20%［13］，但多數農戶采用的玉米播種實際密度仍然較低，華北平原玉米的平均密度僅為美國的70%～80%［14］，95% 的農戶沒有采用推薦密度［15］，收獲密度與實際密度之間很可能存在巨大的差距［16］，然而缺乏相關的量化研究。張麗華等［17］指出，密度損失多出現在苗期，然而未對具體的原因進行剖析，也未探尋出解決玉米密度損失問題的對策。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域。本研究通過對該地區的調研，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，為有效縮減實際收獲密度與理論種植密度的差距，構建合理的群體結構，提高夏玉米種植的田間產量提供理論支撐。

本研究基于農戶實際生產，密切跟蹤農戶田間管理措施，對夏玉米各時期長勢狀況精準記錄，利用Boundary line 系統量化分析田塊尺度下玉米密度損失情況，旨在耕地面積持續減少和糧食種植面積擴大潛力有限的形式下，提高耕地利用效率，為夏玉米種植產量的提升提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

1.2 方法

1.2.1 數據來源

本研究對黃廟村53 位農戶（使用F1～F53 表示）夏玉米種植的管理措施及機械使用情況進行定點跟蹤和走訪調查。跟蹤數據包括夏玉米品種、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。測量數據包括理論株距及地塊實際出苗穴數。于2019 年7 月測量夏玉米苗期幼苗數量，理論種植密度測定方法為：選取長勢均勻的地塊，每個地塊3 個重復，每個重復在不缺苗的情況下，測量連續21 株的距離。幼苗實際密度測定方法為：測量4 行5 m 樣方內幼苗的出苗穴數，并挖開未出苗的穴位，若穴內無種子記為無種子，若穴內有種子但未萌發則記為未發芽，若穴內有種子且已萌發則記為未出土。玉米生長期間進行了種子發芽率實驗，將100粒種子置于育苗盤內，給予充足光照及灌溉，一星期后計算種子發芽個數，最終得到玉米種子發芽率在95%以上。

1.2.2 不同密度層次及密度損失途徑確定

將玉米密度分為農戶播種密度、理論測量密度及地塊實際密度3個層次，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

農戶設定密度（Density of farmer setting，DFS）：由農戶預先設定的播種距離決定，是指由農戶設定的機械播種距離與等行距（60 cm）計算出的實際播種密度。

理論測量密度（Density of theoretical measured，DTM）：為理想情況下可以得到幼苗數量。即假設不缺苗的情況下測量得到株距，依據株距、行距計算理論植株密度。由于機械播種存在誤差和損失，一般情況下理論測量密度略高于農戶實際設定密度。

地塊實際密度（Actual density of block，ADB）：為幼苗時地塊內實際幼苗數量。

根據以上3種密度情況，可以將密度損失的途徑分為兩類：機械損失和農學損失。機械損失是指由于播種機自身偏差或機械多年損耗而導致農戶設定值與理論測量值存在差值。農學損失則是由于種子未萌發或生長期管理措施不當致使的幼苗缺失現象，計算公式如下：

證明 對?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Lebesgue測度的性質,有

1.2.3 Boundary line系統應用

本研究應用Boundary line 系統對玉米密度損失率差進行分析。1972年Webb［18］首先提出邊界線的概念，他指出在任何2個有著因果關系的變量中都有1條存在于數據體邊界上的、表示群體中最佳表現的線，稱為邊界線。邊界線可從復雜的多因素中孤立出某個因素，廣泛應用于分析單因素對因變量的限制程度。此前多有文章應用產量差［19-20］對產量限制因子進行解析，并結合Boundary line 系統分析各種產量限制因子對產量的貢獻［21］，卻未能將此方法延伸到其他變量系統中。本文在此基礎上引入損失率差的概念，定義為農戶設定密度與地塊實際密度之間的差異，通過不同因素對損失率差的影響程度，探尋致使玉米密度損失的關鍵限制因子，并進一步利用邊界線系統將致使密度損失的單因素邊界點進行擬合（圖2），進而揭示出密度損失率的最優解，尋找導致玉米密度損失的主導限制因子，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）：農戶田塊中實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）：不同管理因素下農戶密度損失率的預測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）：農戶實際密度損失率與不同管理因素下農戶密度損失率預測值的差值。

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現卻沒有實現的損失率差，是由其他影響因素導致的。可解釋損失率差與總損失率差的比值可描述某一因素對損失率差的貢獻程度，該值越大，則對損失率的影響程度越大。確定每個因素作為最大可解釋產量差對應的農戶數量，該數量占總樣本數的比例即為密度損失率差限制因素的貢獻率。

1.2.4 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2010 進行整理和分析，使用Sigmaplot 12.5和Origin 2016進行作圖。

2 結果與分析

2.1 農戶夏玉米密度損失現狀

2.1.1 農戶密度損失概況

根據密度損失的途徑不同，本研究調查了農戶的設定密度，測量了理論情況下機械作業應達到的種植密度以及實際生產中的玉米密度。如圖3所示，農戶設定的平均密度為65 921 株/hm2，理論測量密度平均值為86 275 株/hm2，地塊實際密度平均值為57 000 株/hm2。所有理論測量值均高于農戶設定值，地塊實際密度低于理論測量密度和農戶設定密度。農戶設定值與理論測量值之間的差距為機械損失問題，損失率為34.33%。理論測量密度與實際密度之間的差距歸因于農學損失，損失率為23.91%。

圖3 玉米密度損失現狀

2.1.2 農戶密度損失類型

對穴內無苗具體原因的深入探究發現，所有農戶都存在穴內無種子的情況，每位農戶無種子的個數3～27 個，平均值為10 個，造成穴內無種子的原因是機械播種問題。有66%的農戶存在種子未發芽的情況，未發芽個數在1～5個，平均值為2個，超過半數的農戶只有1 個未發芽種子。僅有20%的農戶存在種子未出土的情況，91%的農戶未出土個數1～3 個（圖4）。說明農戶密度損失原因可歸結為兩大類，機械損失和農學損失，其中機械播種問題是造成密度損失的主要原因。

圖4 不同農戶田塊中無種子、未出土、未發芽種子個數

2.2 農戶夏玉米密度損失影響因素

2.2.1 機械播種對玉米密度損失的影響

在比較農戶的設定密度與地塊實際密度時發現，有89.7%的農戶密度設定值都高于地塊的實際密度，僅有6.1%的農戶設定值低于實際值，另6.1%的農戶設定值與實際值相同。最大正向偏差為35.2%，負向偏差為-5.0%，設定值與實際值的平均偏差率為13.5%（圖5）。說明實際播種的過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械實際播種率偏低。

圖5 不同農戶播種機設定值與實際播種量的偏差率

2.2.2 農學管理措施對玉米密度損失的影響

施肥管理技術是保障玉米各個生育階段養分平衡的重要措施，是作物高產穩產的保障。如表1和圖6 所示，該地區農戶的氮肥施用量為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系。隨著施氮量的增加，玉米密度損失率逐漸降低，當氮肥施用量為113.47 kg/hm2時，損失率最低，為15.14%；超過該臨界值時，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。當施磷量為59.81 kg/hm2，達到最低損失率15.55%；施磷量低于或超過該值時，損失率又逐步上升。鉀肥施用量的變化在0～112.5 kg/hm2，51%的農戶施鉀量集中在30～60 kg/hm2，鉀肥施用量對玉米密度損失的影響呈先降低后升高的趨勢，施用量為43.75 kg/hm2時，損失率達到最低值，為19.78%。

表1 不同管理措施與農學損失率的擬合效果

圖6 不同管理措施對農學損失率的影響

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分遷移效率，在農戶實際生產中的可操作性和可管理性都較強。超過55%的農戶將種肥的水平距離設置在25～30 cm。通過Boundary line 分析發現，種肥水平距離對玉米損失的影響呈先降低后升高的趨勢。肥料與種子的距離為9.5 cm 時，玉米密度損失率最小，為17.52%。農戶施肥的平均深度為6.47 cm，48.7%的農戶施肥深度為4 和5 cm。施肥深度與損失率也呈先降低后升高的趨勢變化。施肥深度在4 cm 時，玉米密度的損失率最低，為15.67%。

本研究調查了農戶播種后的第一次灌水情況。有34.48%的農戶在播種當天灌溉蒙頭水；27.58%的農戶在播種的次日灌溉蒙頭水；農戶灌溉蒙頭水最晚不超過10 天。通過Boundary line 分析發現，蒙頭水灌溉時間越晚，損失率越高，在播種當天灌溉可達最低損失率15.6%。

2.2.3 農學管理措施中造成玉米密度損失的主導性因素

為了比較各管理因素對玉米密度損失的影響程度，對所有因素進行了主導性分析，結果發現，影響玉米密度損失主導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因素的13.33%，施肥深度和施鉀量對玉米密度損失的影響最低，分別占6.67%和3.33%。

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 機械對玉米密度損失的影響

玉米精密播種技術是省時、省種、高產的先進玉米生產技術，其優越性已被廣大農戶認可。對機械播種結果研究表明，農戶設定密度集中在66 700 株/hm2，這與當地小農戶的播種習慣有關。所調查的所有農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。主要是因為玉米的播種機有3 個耬，耬與耬之間的距離為60 cm，農民不愿意隨意改動［22］。且在南石碑村的種植習慣中，株距通常設置在24～27 cm，這個種植密度水平偏少。此外，播種機質量問題對實際播種影響的誤差較大。有研究表明，播種機標定的株距與生產中實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］，這是造成機械對玉米密度損失影響的主要原因，因此與理論測量密度有一定的差距。由設定值與實際值的比較發現，播種機存在播量偏低的問題，這可能是由于機械自身老化、動力與機具性能不配套等導致機械設置值與實際操作值不符［25］。

播種機質量差導致的種子丟失是造成密度損失的主要原因，這與Zhao 等［26］的研究結果一致。穴內無苗的主要原因為無種子，而非農學原因造成的損失。前人研究發現，玉米的粗縮病、低出苗率及黑瘤病是導致播種后玉米密度降低的3大主要原因［27］。按照國家標準，玉米種子的發芽率應達92%以上方可上市［28］。實驗測得該品種種子發芽率達95%以上，且隆平206 的種子活力與發芽勢都較強［29］，因此種子質量問題導致密度損失可以忽略，機械播種后無法定苗保苗是主要問題。

3.1.2 農學管理措施對玉米密度損失的影響

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

肥料的不同施用位置影響著肥料養分在土壤中的運移和轉化［35］。通過Boundary line 分析表明，種肥距離在20.42 cm 時，密度損失率最低，這與Owusu-Gyimah［36］等得出的結論相吻合。然而王賀等［37］研究發現，磷肥施用方位（側方和下方）對夏玉米苗期生長無明顯影響，說明施肥距離對玉米生長的影響與土壤特性、氣候條件、環境變化、管理因素等均有關系。施肥深度管理有利于調節養分供應以及根系結構的調控，在對農戶傳統施肥深度計算后發現，深度在9.5 cm 時，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 時的效果最好，這與本文的結果相近。而楊云馬等［39］發現，磷肥集中施在24 cm 時產量最高，這是因為玉米不同生育時期地上部磷素累積量與磷肥施用位置有密切關系，磷肥淺施有利于玉米幼苗對磷素的吸收和利用。土壤底墑和苗期灌溉量顯著影響玉米苗期出苗率，因此蒙頭水灌溉時間越晚，出苗損失越大，而當天灌溉蒙頭水有利于降低密度損失。施鉀量對玉米密度損失的影響較小，可能是由于鉀元素不是該地區主要的限制因子［40］。

3.2 結論

玉米密度損失主要原因為機械損失和農學損失，其中機械損失占34.33%，農學損失占23.91%。機械損失主要為播種機質量差造成的種子丟失，以及機械排種的一致性和均勻性較差。農學管理的主導性因素為施氮量，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密度損失的影響不大。當地施氮量在150～180 kg/hm2，播種當天灌溉蒙頭水，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，小農戶生產需要引進精量播種設備，結合當地生產情況進行機械校正。通過田間管理方式的優化、農戶技術認知水平進一步提升，以及維護增強播種機質量，可以有效減少玉米密度損失，進一步提高該地區夏玉米種植潛力。