溝壟集雨下密度和施氮對(duì)黃土高原青貯玉米葉片酶活性及水氮利用的影響

周大梁，石薇，蔣紫薇，魏正業(yè)，梁歡歡，賈倩民

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020）

黃土高原地區(qū)氣候干燥，降水較少，水土流失嚴(yán)重，該地區(qū)70%～80%的降水以徑流和蒸發(fā)形式損失，僅有20%～30%被作物利用［1］。我國(guó)農(nóng)田單位面積氮肥施用量已遠(yuǎn)超世界平均水平，但氮肥當(dāng)季利用率仍低于30%。過量氮肥使用不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放增加［2］、水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇［3］、地下水硝酸鹽超標(biāo)［4］等一系列環(huán)境問題。適宜的耕作方式是提高飼草作物產(chǎn)量和水肥利用效率的有效措施之一。溝壟集雨作為一種集水技術(shù)，其原理是在田間起壟，形成壟溝相間的地形，從而使壟上的降水匯集于溝中，促進(jìn)降水入滲，從而提高降水資源利用率［5］。溝壟集雨種植較平作不覆蓋可明顯降低土壤無(wú)效蒸發(fā)，促進(jìn)玉米（Zea mays）根系生長(zhǎng)，提高其籽粒灌漿速率和凈光合速率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［6-7］。

硝酸還原酶活性對(duì)氮素利用有重要影響，它是參與植物體內(nèi)硝態(tài)氮同化步驟的第一個(gè)酶，其活性越強(qiáng)氮素代謝越旺盛［8］。抗氧化酶（過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶等）在減輕植物逆境傷害、提高光合能力和延緩葉片衰老中發(fā)揮著重要作用［9］。有研究表明，密度增加，硝酸還原酶活性降低，單株穗粒重降低［10］。過高的密度使蔭蔽較嚴(yán)重，導(dǎo)致吐絲期超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性降低，葉片衰老進(jìn)程加快［11］。在溝壟集雨種植下，適宜的種植密度可以延緩玉米根系的衰退，降低倒伏率，提升玉米葉片的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，從而獲得較高的產(chǎn)量和水分利用效率［12-13］。此外，種植密度與玉米的氮吸收高度相關(guān)，同等施氮條件下，增加種植密度可以提高光能利用率，并提高土壤氮同化量［14-16］，從而促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收，增加氮肥的利用效率。但也有研究表明，在高密度條件下，玉米的氮肥利用效率與氮回收效率均高于低密度［17］。除密度外，氮肥也是影響飼草作物產(chǎn)量與水氮利用的重要因素。適當(dāng)增施氮肥可以增強(qiáng)葉片的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性，減少丙二醛累積量，從而提高作物產(chǎn)量［18］。適宜的施氮量可以提升青貯玉米的光合勢(shì)和凈同化率，促進(jìn)地上干物質(zhì)積累，提高飼草產(chǎn)量和水分利用效率［19-20］。有研究表明，隨著施氮量的增加，青貯玉米的水分利用效率提高，而氮肥利用效率卻降低［21］。施氮對(duì)作物氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響存在爭(zhēng)議，有研究認(rèn)為，氮肥農(nóng)學(xué)效率隨著施氮量的增加而提高［22］，但葛均筑等［23］研究表明，當(dāng)施氮量從0 kg·hm-2提高到337.5 kg·hm-2時(shí)，氮肥農(nóng)學(xué)效率降低。此外，施氮對(duì)田間耗水量影響的研究結(jié)果也存在爭(zhēng)議。有研究表明，施氮增加了飼草作物的田間耗水量［24］，但也有研究認(rèn)為，施氮對(duì)田間耗水量無(wú)顯著影響［25］。因此，施氮對(duì)玉米水氮利用效率的影響還需要進(jìn)一步研究。

在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮密度與施氮的互作，以達(dá)到最大生產(chǎn)效率。有研究表明，密度與施氮的交互作用對(duì)籽粒產(chǎn)量、氮肥利用效率存在顯著影響［26］。目前，少有在溝壟集雨條件下通過密度和施氮聯(lián)合調(diào)控青貯玉米產(chǎn)量和水氮吸收利用的研究報(bào)道，其互作效應(yīng)和調(diào)控機(jī)制仍不明確。基于此，本研究在溝壟集雨種植下設(shè)置4 個(gè)種植密度和4 個(gè)施氮水平，探究密度和施氮對(duì)青貯玉米葉片酶活性、飼草產(chǎn)量和水氮利用的影響，探明提高水氮利用效率的適宜種植密度和施氮量以及葉片生理機(jī)制，為黃土高原青貯玉米高產(chǎn)栽培與資源高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅慶陽(yáng)環(huán)縣的蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站（36°17′N、107°31′E，海拔1180 m），該地屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在7、8、9 月。年平均降水量為409 mm，年平均氣溫9.88 ℃。年潛在蒸發(fā)量為1674.9～1993.7 mm，全年無(wú)霜期約165 d，年均日照時(shí)數(shù)約2596 h。2019 和2020 年平均溫度分別為10.0 和10.5 ℃。2019 和2020 年全年降水量分別為505 和434 mm，與40 年平均降水量（409 mm）相比變化均未超過25%，因此兩年均為平水年（圖1）。

圖1 試驗(yàn)站降水量和氣溫Fig.1 Precipitation and temperature at the test station

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

本研究在溝壟集雨種植下進(jìn)行兩年田間試驗(yàn)，采用2 因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為4 個(gè)種植密度，分別是6.0（D1）、7.5（D2）、9.0（D3）和10.5 萬(wàn)株·hm-2（D4）。副區(qū)為施氮水平，分別為施純氮0（N0）、120（N1）、240（N2）和360 kg N·hm-2（N3）。試驗(yàn)共16 個(gè)處理，各處理重復(fù)3 次，共48 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)之間設(shè)置1.2 m 寬的隔離帶。于2019年5 月16 日和2020 年5 月2 日進(jìn)行播種，2019 年9 月15 日和2020 年9 月1 日收獲。溝壟集雨系統(tǒng)的溝和壟寬度均為60 cm，壟高15 cm，壟上覆膜，覆膜寬度為60 cm。施肥處理的氮肥選用尿素，播種前基肥占30%，在青貯玉米6 葉期追肥30%，12 葉期追肥40%。各小區(qū)均施用150 kg·hm-2過磷酸鈣（以P2O5計(jì)）作為底肥。供試青貯玉米品種為隴青貯2 號(hào)，使用點(diǎn)播器進(jìn)行人工點(diǎn)播，各處理的行距均為60 cm，D1、D2、D3和D4處理的株距分別為27.8、22.2、18.5 和15.9 cm。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1葉片酶活性 在吐絲期和灌漿期，各小區(qū)隨機(jī)選取5 株青貯玉米的穗位葉，用于葉片生理指標(biāo)的測(cè)定。硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性的測(cè)定分別采用活體法、高錳酸鉀滴定法和氮藍(lán)四唑法［27］。

1.3.2鮮草和干草產(chǎn)量 在收獲期，每個(gè)小區(qū)選取6 m2植株測(cè)定鮮草產(chǎn)量，從中選取1 m2植株于105 ℃烘箱殺青15 min，之后于65 ℃烘箱烘干24 h 至恒重，測(cè)定干草產(chǎn)量。

1.3.3土壤水分和水分利用效率 在播種前和收獲后，采用烘干法測(cè)定0～200 cm 土層（每20 cm 一層）的土壤質(zhì)量含水量，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，并根據(jù)土層深度、土壤容重和土壤含水量計(jì)算0～200 cm 土壤貯水量［28］。根據(jù)用水量平衡法計(jì)算耗水量［29］，水分利用效率為產(chǎn)量（籽粒產(chǎn)量或干草產(chǎn)量）與耗水量的比值，計(jì)算方法如下：

1.3.4植株氮含量、吸氮量和氮肥利用效率 收獲期將植株根系、葉片、莖稈和果穗分別烘干、稱重，粉碎過篩后用H2SO4-H2O2消煮，采用凱氏定氮儀（Kjeltec 2300，F(xiàn)oss Tecator，瑞典）測(cè)定全氮含量。根據(jù)干物質(zhì)量計(jì)算植株氮吸收量，方法如下：

氮肥農(nóng)學(xué)效率（nitrogen agronomic efficiency，AEN）和氮肥利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）參照張宏等［30］的方法計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 18.0 進(jìn)行方差分析，不同處理之間多重比較采用圖基法（Tukey’s method），顯著性水平設(shè)為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度和施氮對(duì)青貯玉米葉片酶活性的影響

2.1.1硝酸還原酶活性 兩年種植密度對(duì)吐絲期和灌漿期的硝酸還原酶（NR）活性影響極顯著（表1），施氮水平對(duì)2019 年吐絲期的NR 活性影響不顯著，而對(duì)兩年灌漿期的NR 活性影響極顯著。兩年密度與施氮的交互作用對(duì)NR 活性無(wú)顯著影響。兩年同一密度下各施氮處理的吐絲期硝酸還原酶活性差異不顯著。平均值表明，2020 年N3處理的吐絲期NR 活性顯著高于N0，而在2019 年無(wú)顯著差異。兩年同一施氮下各密度處理的吐絲期NR 活性無(wú)顯著差異。平均值表明，D4處理的吐絲期NR 活性顯著低于D1和D2；2020 年N2、N3處理的灌漿期NR活性顯著高于N0。同一施氮下，2019 年D3、D4處理的灌漿期NR 活性顯著低于D1，2020 年D4處理的灌漿期NR 活性顯著低于D1處理。平均值顯示，隨密度的增加灌漿期NR 活性顯著降低。

表1 不同處理下青貯玉米的硝酸還原酶活性Table 1 Nitrate reductase activity of silage maize under different treatments（μg NO2·g-1 FW·h-1）

2.1.2超氧化物歧化酶活性 兩年種植密度和施氮水平對(duì)吐絲期和灌漿期超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響均達(dá)到顯著或極顯著水平，而交互作用對(duì)其無(wú)顯著影響（表2）。兩年同一密度下，各施氮處理的吐絲期和灌漿期的SOD 活性無(wú)顯著差異。平均值顯示，吐絲期SOD 活性2019 年僅N3處理顯著高于N0，2020 年N2、N3處理顯著高于N0。兩年同一施氮處理下D3處理與其他處理的吐絲期SOD 活性差異不顯著。平均值顯示，D1處理的吐絲期SOD 活性顯著高于D3和D4。同一施氮條件下，2019 年D3處理的灌漿期SOD 活性顯著低于D1，2020 年D4顯著低于D1，兩年D3與D4差異不顯著。平均值顯示，兩年N2、N3處理的灌漿期SOD 活性顯著高于N0；D1密度的灌漿期SOD 活性顯著高于其他密度。

表2 不同處理下青貯玉米的超氧化物歧化酶活性Table 2 Superoxide dismutase activity of silage maize under different treatments（U·g-1 FW·min-1）

2.1.3過氧化氫酶活性 兩年種植密度和施氮水平對(duì)吐絲期和灌漿期過氧化氫酶（CAT）活性影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表3）。兩年同一密度下，各施氮處理的吐絲期CAT 活性無(wú)顯著差異。平均值表明，N2、N3處理的吐絲期CAT 活性顯著高于N0。2020 年除N2外，其他施氮水平下D3、D4處理的吐絲期CAT 活性顯著低于D1。平均值顯示，隨密度的增加吐絲期CAT 活性顯著降低。兩年N0處理下D1處理的灌漿期CAT 活性顯著高于D3。平均值顯示，D1處理的灌漿期CAT 活性顯著高于其他處理；N2、N3處理的灌漿期CAT 活性顯著高于N1和N0。

表3 不同處理下青貯玉米的過氧化氫酶活性Table 3 Catalase activity of silage maize under different treatments（U·g-1 FW·min-1）

2.2 密度和施氮對(duì)青貯玉米鮮草和干草產(chǎn)量的影響

2.2.1鮮草產(chǎn)量 兩年種植密度和施氮水平對(duì)鮮草產(chǎn)量影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表4）。兩年在同一施氮水平下，D3和D4處理的鮮草產(chǎn)量顯著高于Dl，而D3與D4無(wú)顯著差異。平均值顯示，兩年D2、D3、D4處理的鮮草產(chǎn)量顯著高于D1，2019 年較D1分別提高20.29%、43.62%和53.76%，2020 年分別提高27.53%、41.92%和45.59%。兩年在所有處理中，D4-N3處理獲得了最高的鮮草產(chǎn)量，但與D3-N2差異不顯著。兩年在D1密度下各施氮處理的鮮草產(chǎn)量無(wú)顯著差異，在D2、D3、D4密度下N2處理顯著高于N0，而與N3無(wú)顯著差異。平均值表明，N1、N2、N3處理的鮮草產(chǎn)量顯著高于N0，2019 年較N0分別增加11.29%、26.07%和27.33%，2020 年分別增加15.09%、33.12%和33.26%。

2.2.2干草產(chǎn)量 兩年種植密度和施氮水平對(duì)干草產(chǎn)量影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表4）。兩年在同一施氮水平下，D3和D4處理的干草產(chǎn)量顯著高于Dl，而D3與D4無(wú)顯著差異。平均值顯示，兩年D2、D3、D4處理的干草產(chǎn)量顯著高于D1，2019 年較D1分別提高17.00%、41.59%和50.69%，2020 年分別提高26.45%、43.42%和47.09%。兩年在所有處理中，D4-N3處理獲得了最高的干草產(chǎn)量，但與D3-N2差異不顯著。兩年在D1密度下各施氮處理的干草產(chǎn)量無(wú)顯著差異，在D2、D3、D4密度下N2處理顯著高于N0，而與N3無(wú)顯著差異。平均值表明，N1、N2、N3處理的干草產(chǎn)量顯著高于N0，2019 年較N0分別增加12.07%、27.88%和28.92%，2020 年分別增加16.26%、34.78%和34.78%。

表4 不同處理下青貯玉米的鮮草和干草產(chǎn)量Table 4 Fresh and hay grass yield of silage maize under different treatments（t·hm-2）

2.3 密度和施氮對(duì)青貯玉米水分利用的影響

2.3.1土壤貯水量和蒸散量 兩年施氮水平對(duì)收獲期土壤貯水量影響極顯著，而種植密度和交互作用對(duì)播前和收獲期土壤貯水量無(wú)顯著影響，兩年種植密度、施氮水平及交互作用對(duì)土壤蒸散量無(wú)顯著影響（表5）。2019 和2020 年各處理的播前和收獲期土壤貯水量以及土壤蒸散量無(wú)顯著差異。平均值顯示，2020 年N3處理的播前貯水量顯著低于N0和N1，兩年N3處理的收獲期貯水量顯著低于N0和N1。

表5 不同處理下的土壤貯水量和蒸散量Table 5 Soil water storage and evapotranspiration under different treatments（mm）

2.3.2降水利用效率 兩年種植密度和施氮水平對(duì)降水利用效率（PUE）影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表6）。兩年除D1外，其余密度下N2、N3的PUE 顯著高于N0（表6）。平均值顯示，N1、N2、N3處理的PUE 顯著高于N0，2019 年 較N0分 別 增 加 了12.07%、28.02% 和28.93%，2020 年較N0分 別 增 加 了16.44%、34.89% 和34.89%。兩年在同一施氮水平下，D3、D4處理的PUE 顯著高于D1，而D3與D4差異不顯著。平均值顯示，D2、D3、D4處 理的PUE 顯 著 高 于D1，2019 年較D1分別提高16.79%、41.48% 和50.37%，2020 年分 別 提高26.48%、43.50%和46.57%。

2.3.3水分利用效率 兩年種植密度和施氮水平對(duì)籽粒產(chǎn)量水分利用效率（WUEG）和生物量水分利用效率（WUEB）影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表6）。兩年除D1外，其余密度下N2、N3處理WUEG顯著高于N0。平均值表明，2019 年N1、N2、N3的WUEG較N0分別顯著提高了11.89%、23.78%和21.62%，2020 年分別顯著提高16.57%、37.57%和35.91%。兩年在同一施氮條件下，D3的WUEG顯著高于D1。平均值表明，2019 年D2、D3、D4處理的WUEG較D1分別顯著提高14.04%、35.39%和25.84%，2020 年分別顯著提高22.70%、33.51%和22.70%。兩年在D3、D4密度下N2、N3的WUEB顯著高于N0。平均值表明，2019 年N1、N2、N3的WUEB較N0分別顯著提高11.60%、21.55%和20.44%，2020 年分別顯著提高16.11%、36.11%和35.28%。兩年在同一施氮條件下，D3、D4的WUEB顯著高于D1。平均值顯示，2019 年D2、D3、D4的WUEB較D1分別顯著提高16.87%、42.33%和44.79%，2020 年分別顯著提高24.64%、42.32%和41.74%。

表6 不同處理下的降水利用效率和水分利用效率Table 6 Precipitation use efficiency and water use efficiency under different treatments（kg·hm-2·mm-1）

2.4 密度和施氮對(duì)青貯玉米氮肥利用的影響

2.4.1氮含量和吸收量 兩年種植密度和施氮水平對(duì)氮含量和氮吸收量影響顯著或極顯著，而交互作用影響不顯著（表7）。兩年在同一密度下，N2、N3處理的氮含量顯著高于N0。平均值顯示，2019 年N1、N2、N3處理的氮含量較N0分別顯著提高10.89%、26.73%和26.73%，2020 年分別顯著提高13.40%、20.62%和20.65%。僅2019年在N1水平下D1處理的氮含量顯著高于D4，2020 年同一施氮水平下各密度處理的氮含量差異不顯著。平均值表明，兩年D4處理的氮含量顯著低于D1。兩年在D2、D3、D4密度下，N2、N3處理的氮吸收量顯著高于N0。平均值表明，N1、N2、N3處理的氮吸收量顯著高于N0，2019 年較N0分別顯著提高24.14%、62.12%和63.62%，2020 年分別顯著提高31.06%、62.84%和62.97%。2020 年在N2、N3水平下，D3、D4的氮吸收量顯著高于D1。平均值顯示，2019 年D2、D3、D4處理的氮吸收量較D1分別提高12.01%、31.50%和34.75%，2020 年分別顯著提高22.25%、37.67%和37.05%。

表7 不同處理下青貯玉米的氮含量和吸收量Table 7 Nitrogen content and absorption of silage maize under different treatments

2.4.2氮肥農(nóng)學(xué)效率 兩年種植密度和施氮水平對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN）影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表8）。2019 年D2密度下，N2的AEN 顯著高于N3，而在其余密度下各施氮水平無(wú)顯著差異。2020 年在D3、D4密 度 下，N1、N2的AEN 顯 著 高 于N3。平 均 值 表 明，2019 年N1、N2處 理 的AEN 較N3分 別 顯 著 提 高25.51%、44.58%，2020 年分別顯著提高40.26%、49.81%。兩年在同一施氮水平下，D3、D4處理的AEN 顯著高于D1，而D3、D4間無(wú)顯著差異。2019 年D2、D3、D4的AEN 較D1分別顯著提高66.53%、136.28%和145.11%，2020 年分別顯著提高39.86%、95.05%和104.79%。

2.4.3氮肥利用效率 兩年種植密度和施氮水平對(duì)氮肥利用效率（NUE）影響極顯著，而交互作用影響不顯著（表8）。2019 年同一密度下各施氮水平的NUE 差異并不顯著，2020 年僅在D3密度下N2的NUE 顯著高于N3。平均值表明，2019 年N1、N2的NUE 較N3提高15.63%和46.88%，2020 年分別顯著提高48.15%、48.15%。兩年在N2水 平 下，D3、D4處 理 的NUE 顯 著 高 于D1。平 均 值 顯 示，2019 年D2、D3、D4處 理 的NUE 較D1顯 著 提 高54.17%、100.00%、87.50%，2020 年分別顯著提高30.28%、68.00%、72.00%。

表8 不同處理下青貯玉米的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用效率Table 8 Nitrogen agronomic efficiency and nitrogen use efficiency of silage maize under different treatments（kg·kg-1）

2.5 相關(guān)性分析

2.5.1密度與產(chǎn)量及水氮利用效率的關(guān)系 干草產(chǎn)量、WUEB和NUE 與種植密度的關(guān)系均為多項(xiàng)式線性回歸方程（圖2）。兩年干草產(chǎn)量隨種植密度的增加緩慢增高，WUEB和NUE 隨施氮量的增加呈先增高后降低的趨勢(shì)。2019 和2020 年在最優(yōu)種植密度（14.96 和10.04 萬(wàn)株·hm-2）下獲得的最高干草產(chǎn)量分別為37.32 和21.78 t·hm-2。大田實(shí)測(cè)值顯示，2019 和2020 年9.0 萬(wàn)株·hm-2種植密度處理的平均干草產(chǎn)量分別為23.66 和21.47 t·hm-2。這表明2019 年如果將種植密度從9.0 萬(wàn)株·hm-2提高至最優(yōu)種植密度可以明顯提高干草產(chǎn)量，而2020 年效果不明顯。2019 和2020 年在最優(yōu)種植密度（11.53 和9.95 萬(wàn)株·hm-2）下獲得的最高WUEB分別為48.25 和49.41 kg·hm-2·mm-1。大田實(shí)測(cè)值顯示，2019 和2020 年9.0 萬(wàn)株·hm-2種植密度處理的平均WUEB分別為46.40和49.10 kg·hm-2·mm-1。這表明如果將種植密度從9.0 萬(wàn)株·hm-2提高至最優(yōu)種植密度不能明顯提高WUEB。2019 和2020 年在最優(yōu)種植密度（9.58 和10.88 萬(wàn)株·hm-2）下獲得的最高NUE 分別為0.47 和0.43 kg·kg-1。大田實(shí)測(cè)值顯示，2019 和2020 年9.0 萬(wàn)株·hm-2種植密度處理的平均NUE 分別為0.48 和0.42 kg·kg-1。這表明如果將種植密度從9.0 萬(wàn)株·hm-2提高至最優(yōu)種植密度并不能提高NUE。

圖2 密度與產(chǎn)量及水氮利用效率回歸分析Fig.2 Regression analysis of planting density on yield and water and nitrogen use efficiency

2.5.2施氮量與產(chǎn)量及水氮利用效率的關(guān)系 干草產(chǎn)量、WUEB和NUE 與施氮量的關(guān)系均為多項(xiàng)式線性回歸方程（圖3）。兩年干草產(chǎn)量和WUEB隨施氮量的增加緩慢增高，NUE 隨施氮量的增加呈先增高后降低的趨勢(shì)。2019 和2020 年在最優(yōu)施氮量（400.61 和331.76 kg·hm-2）下獲得的最高干草產(chǎn)量分別為23.60 和21.36 t·hm-2。大田實(shí)測(cè)值顯示，2019 和2020 年240 kg·hm-2施氮處理的平均干草產(chǎn)量分別為23.21 和21.47 t·hm-2。這表明如果將施氮量從240 kg·hm-2提高至最優(yōu)施氮量并不能提高干草產(chǎn)量。2019 和2020 年在最優(yōu)施氮量（313.75 和380.50 kg·hm-2）下獲得的最高WUEB分別為43.90 和50.02 kg·hm-2·mm-1。大田實(shí)測(cè)顯示，2019 和2020 年240 kg·hm-2施氮處理的平均WUEB分別為44.0 和49.0 kg·hm-2·mm-1。這表明如果將施氮量從240 kg·hm-2提高至最優(yōu)施氮量并不能明顯提高WUEB。2019 和2020 年在最優(yōu)施氮量（222.22 和180.00 kg·hm-2）下獲得的最高NUE 分別為0.45 和0.42 kg·kg-1。大田實(shí)測(cè)值顯示，2019 和2020 年240 kg·hm-2施氮處理的平均NUE 分別為0.47 和0.40 kg·kg-1。這表明如果將施氮量從240 kg·hm-2降低至最優(yōu)施氮量并不能明顯提高NUE。

圖3 施氮量與產(chǎn)量及水氮利用效率回歸分析Fig.3 Regression analysis of nitrogen application rate on yield and water and nitrogen use efficiency

3 討論

3.1 密度與施氮對(duì)青貯玉米葉片酶活性的影響

李洪岐等［10］報(bào)道，適宜的密度可顯著提高NR 活性，李利利［31］研究表明，SOD 和CAT 活性隨密度增加逐漸減小。在本研究中，種植密度對(duì)玉米吐絲期和灌漿期的葉片酶活性有顯著影響，隨著密度的增加，3 種酶活性明顯下降。大量研究表明，種植密度增加導(dǎo)致個(gè)體間對(duì)光照的競(jìng)爭(zhēng)加劇，不利于植物光合作用，從而加速葉片衰老，導(dǎo)致抗氧化酶（SOD、CAT）活性降低［32-33］。同時(shí)，密度過高會(huì)影響植株生長(zhǎng)，導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)吸收減少，限制了NR 活性［34］。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在同一種植密度下，灌漿期的葉片酶活性低于吐絲期，說(shuō)明葉片酶活性與生長(zhǎng)時(shí)期有關(guān)，這和韓晨光等［35］的研究結(jié)果一致。氮肥在作物生長(zhǎng)方面起調(diào)節(jié)作用，缺氮會(huì)降低作物凈光合作用，加速葉片衰老。給作物施加氮肥對(duì)SOD 和CAT 活性有顯著的正效應(yīng)［36］。本研究中，葉片酶活性隨著施氮量的增加顯著升高。這是由于施氮能夠提高土壤有效氮含量和土壤供氮能力，從而提升葉片抗氧化酶（SOD、CAT）活性［37］。有研究表明，施氮可顯著提升玉米葉片的NR 活性［38］。本試驗(yàn)顯示，施氮顯著提升了灌漿期玉米NR 活性。這是因?yàn)槭┑嵘擞衩兹~片中的氮含量，從而提高NR 活性［39-40］。

3.2 密度和施氮對(duì)青貯玉米產(chǎn)量的影響

增加種植密度是玉米增產(chǎn)的主要栽培方式，種植密度對(duì)植物光合作用和干物質(zhì)積累存在顯著影響［41］。提高種植密度可以提高玉米產(chǎn)量，但過高的密度對(duì)玉米產(chǎn)量存在不利影響［35］。本研究結(jié)果顯示，隨著種植密度的提高，鮮草與干草產(chǎn)量均有上升，且D3和D4處理的鮮草與干草產(chǎn)量顯著高于D1和D2，但密度從D3增加到D4時(shí)并未顯著提升干草產(chǎn)量。這可能是由于過高的密度造成植株遮蔽度增加，田間通風(fēng)透光不良，影響玉米后期籽粒灌漿，進(jìn)而導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低［42］。施氮能夠提高玉米葉片葉綠素含量和凈光合速率，延長(zhǎng)葉片光合持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)移，從而提高產(chǎn)量［43］。本研究中，施氮處理較不施氮顯著提高了飼草產(chǎn)量，但N3處理與N2無(wú)顯著差異。這可能是施氮量過高影響根系營(yíng)養(yǎng)吸收和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而降低單株生產(chǎn)力［44］。

3.3 密度和施氮對(duì)青貯玉米水分利用的影響

有研究表明，土壤貯水量隨種植密度的增加而減少［45］。王巧梅等［46］報(bào)道，土壤蒸散量隨種植密度增加而顯著提升。本試驗(yàn)中，隨密度增加，收獲期貯水量逐漸減小。這是由于密度增大，導(dǎo)致植物群體需水量增加，從而降低土壤貯水量［46］。此外，密度對(duì)土壤蒸散量無(wú)顯著影響。因?yàn)橥寥勒羯⒘坑赏寥勒舭l(fā)和植物蒸騰組成，雖然種植密度增加會(huì)提高植株的蒸騰耗水，但高密度種植提高了葉面積指數(shù)，增加了地表蓋度，從而降低土壤蒸發(fā)［47-48］，最終導(dǎo)致密度對(duì)土壤蒸散量無(wú)顯著影響。張平良等［49］研究發(fā)現(xiàn)，隨著種植密度增加，WUEG呈先升高后降低的趨勢(shì)。本研究與其相似，D3、D4處理WUEG和WUEB顯著高于D1和D2。這可能是由于在高密度下植物蓋度較高，減少了土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，同時(shí)提高了產(chǎn)量，從而使水分利用效率增加。

有研究表明，隨著施氮量的增加，收獲期土壤貯水量逐漸降低［50-51］。本研究結(jié)果與其相似，收獲期貯水量隨著施氮量的增加明顯下降。有研究報(bào)道，隨著施氮量的增加，土壤蒸散量隨之升高［49］。本試驗(yàn)中土壤蒸散量雖然隨著施氮量的增加而升高，但各施氮處理無(wú)顯著差異。施氮量對(duì)降水利用效率存在顯著影響，降水利用效率隨著施氮量的增加而增高［52］。在本試驗(yàn)中，玉米的降水利用效率在一定范圍內(nèi)隨施氮量的增加而顯著提升。研究表明，玉米的水分利用效率隨著施氮量的增加而增高［53］。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮條件下飼草作物的WUEG和WUEB均顯著高于不施氮處理，但N2處理與N3無(wú)顯著差異。這是由于施氮顯著提高了籽粒產(chǎn)量和干草產(chǎn)量，而土壤蒸散量無(wú)顯著增加，因而使WUEG和WUEB提升。

3.4 密度和施氮對(duì)青貯玉米氮肥利用的影響

有研究表明，隨著種植密度的增加，青貯玉米的蛋白質(zhì)含量降低［54］。本試驗(yàn)結(jié)果與其相似，D1密度下的玉米植株氮含量顯著高于D4。然而，Cuomo 等［55］研究發(fā)現(xiàn)，種植密度對(duì)植株氮含量無(wú)顯著影響。這種差異可能是由于玉米品種、種植地區(qū)的不同所產(chǎn)生。Raymond 等［56］研究發(fā)現(xiàn)，籽粒以及植物組織的氮吸收量隨密度的增加先升高后降低，但也有研究指出，氮吸收量隨密度的增加而提高［57］。本研究表明，種植密度對(duì)氮吸收量有顯著影響，D3和D4處理的氮吸收量顯著高于D1。有研究報(bào)道，NUE 隨著密度的增加而升高［58］，本研究結(jié)果與其類似，D3和D4處理的NUE 顯著高于D1和D2。這是因?yàn)樵谑┑讲蛔兊臈l件下，種植密度增加，氮吸收量明顯提高，從而使NUE 增高［35］。有研究證明，在施氮水平相同的條件下，玉米的AEN 隨密度的增加而提高［59］。本研究結(jié)果與其相似，D3和D4處理的AEN 顯著高于D1和D2，而D3與D4無(wú)顯著差異。

有研究表明，隨著施氮量的增加，植株氮吸收量增加［26］。施加氮肥可顯著提高玉米植株地上部分氮含量［60］。本研究結(jié)果與以上相似，N2和N3處理的氮吸收量顯著高于N1和N0。有相關(guān)研究表明，玉米植株地上部分的氮吸收量通常隨著土壤中氮含量的增加而增高［61］，施氮提高了土壤中可供植物利用的氮素，從而提升植株氮含量和吸收量［62］。張平良等［49］報(bào)告稱，在施氮量為207 kg·hm-2時(shí)玉米的NUE 最高。Yang 等［63］指出，過量氮肥施用會(huì)降低NUE。本研究結(jié)果與其相似，植株的NUE 隨施氮量的增加呈先增高后降低的趨勢(shì)。Zhang 等［64］研究發(fā)現(xiàn)，施氮量與AEN 呈二次曲線關(guān)系。本研究結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，AEN 先增加后降低。這是因?yàn)槭┑窟^高造成氮流失加劇，導(dǎo)致AEN 和NUE 降低。

4 結(jié)論

進(jìn)行兩年田間試驗(yàn)表明，密度與施氮對(duì)飼草產(chǎn)量、水分利用效率與氮肥利用效率均存在顯著影響，但二者不存在交互作用。隨著種植密度的增加，飼草產(chǎn)量逐漸提高。高密度下降水利用效率、籽粒產(chǎn)量及生物量水分利用效率顯著高于低密度。雖然高密度下的植株氮含量低于低密度，但高密度下的氮吸收量、氮肥利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著高于低密度。隨著施氮量的提升，飼草產(chǎn)量逐漸提高。適中施氮處理的降水利用效率與水分利用效率、氮含量、氮吸收量以及灌漿期葉片酶活性顯著高于不施氮，且適中氮肥處理下得到了最高的氮肥利用效率與氮肥農(nóng)學(xué)效率。綜上得出，高密度結(jié)合適中施氮處理下的水、氮利用效率最高，同時(shí)也獲得了較高的飼草產(chǎn)量，是一種適宜黃土高原地區(qū)青貯玉米栽培的措施。