種植密度與氮肥互作對全膜雙壟溝播春玉米產量及氮素利用的影響

許 玥，沈洪政，孫維乾，李世磊，馬孝義

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

玉米是我國重要的糧食、飼料和工業生產原料，可以保障糧食安全、促進經濟發展[1]。合理密植是提高我國玉米生產水平的重要措施，通過調節水、肥、光、溫等因子，可以使玉米群體達到高產[2]；此外，合理施用氮肥，補充土壤中的氮素是提高玉米產量的重要途徑，但當土壤中供給的氮素大于作物的需求時，會使作物的生長受限，從而降低氮肥利用率[3-5]。因此，合理構建種植密度與氮肥施用量體系，協同促進玉米的高產高效已成為當今作物科學中的重要研究課題之一。

甘肅中部地區，降雨量較少，且降雨與作物需水量存在一定時空偏差，導致了糧食產量低且不穩定[6]。為緩解該地區面臨的缺水及氣溫較低等問題，近年來，玉米種植多采用全膜雙壟溝播方式[7]，2016年甘肅省推廣面積已達到83 萬hm2。此技術體系集合了壟面集流和覆膜抑蒸技術，在增溫、蓄水、保墑方面有著顯著的效果，可以顯著提高玉米水分利用效率，使玉米等農作物產量提高30%以上[8]。然而該技術存在施肥過量、肥料全部基施、種植密度無法滿足玉米高產栽培需求等問題。王紅麗等[9]研究表明，減施氮肥或施用有機肥對春玉米水氮利用效率有顯著影響，水氮利用效率平均提高6.4%～22.17%。此外，不同施肥方式對春玉米產量及氮肥利用效率也存在顯著影響，且與降雨年型有關[10]。張令天等[11]研究了隴中干旱區密度對玉米的影響，結果表明，過高或過低的種植密度都不利于玉米生長。種植密度的增加會引起凈光合速率、蒸騰速率等生理指標的減小，需在適宜范圍內對其進行調控[12]。綜上所述，目前的研究多關于種植密度、氮肥對玉米產量、水分利用效率、光合特性和氮素利用的單一研究[13-15]。對于旱地全膜雙壟溝播種植模式下，春玉米產量、氮肥利用效率、土壤硝態氮殘留等綜合考慮的研究尚不多見。

因此，本研究針對甘肅隴中地區春玉米種植存在的密度設置不合理、氮肥施用過量等問題，將春玉米單作體系作為研究對象，探究了全膜雙壟溝播種植模式下，不同種植密度與施氮量互作對春玉米產量、氮肥利用、土壤硝態氮殘留的影響，以期為隴中地區完善春玉米高產高效栽培體系提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年4-10月，在甘肅省農業科學院定西試驗站(甘肅省定西市安定區團結鎮唐家堡村，35°35′N，104°36′E)進行。該區海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年輻射5 898 MJ/m2，年日照時數2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，無灌溉，為典型旱地雨養農業。年均降水總量415 mm，6-9月降水量占年降水總量的68%。試驗土壤為黃綿土，肥力偏低，耕作層(0～20 cm)土壤容重為1.26 g/cm3，基礎養分含量：有機質、全氮為7.78 g/kg、0.75 g/kg，水解氮、速效磷、速效鉀為47.39 mg/kg、11.26 mg/kg、163.89 mg/kg，pH 值為8.14。2021年春玉米生育期氣象資料如圖1所示。

圖1 2021年定西試驗站春玉米生育期逐日平均氣溫和降雨量Fig.1 Daily averge temperature and precipitation during the growing season of spring maize at Dingxi experimental station in 2021

1.2 試驗設計

供試玉米品種為“先玉335”，供試肥料為：普通尿素（含氮46%）；過磷酸鈣（P2O516%）。試驗采用裂區設計，設置種植密度和施氮量2 個因子。主區為種植密度（D），設置3個水平，即：D1：3.5 萬株/hm2，D2：5.5 萬株/hm2，D3：7.5萬株/hm2。副區為氮肥施用量（N），設置4 個水平，即N1：0 kg/hm2，N2：180 kg/hm2，N3：225 kg/hm2，N4：270 kg/hm2。各小區磷肥施量為P2O5，90 kg/hm2，不施鉀肥。試驗共12 個處理，3個重復，小區面積為720 m2（24 m×30 m）。

玉米采用全膜雙壟溝播，在播種前整地，用起壟機起兩壟，大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，溝寬度不超過3 cm，全部地膜覆蓋，地膜厚度0.008 mm，玉米播種于壟溝中。春玉米在4月21日進行播種，通過點播器進行人工點播，在覆膜播前所有肥料一次施入。玉米收獲的時間為10月7日。玉米為雨養，生育期不灌溉，其他田間管理參照當地農田玉米管理措施。

1.3 測定項目與方法

玉米各生育期，在小區選取具有代表性的3株玉米，用卷尺測量株高。卷尺測量葉片的最長和最寬處后再乘以形狀系數0.75，得到單株葉面積。收獲時采用人工收獲，各小區均取10 株玉米放在對應的網兜中，在自然條件下晾曬風干，經脫粒機脫粒后稱其重量，得到10 株玉米的產量，每公頃的產量由密度等要素換算所得。人工測量行數、行粒數、穗長、百粒重等指標。

成熟期植株樣品經殺青、烘干、粉碎、過篩后用濃硫酸消煮，再用連續流動分析儀測定春玉米植株體內各組織器官的全氮含量。土壤樣品于成熟期采集，在各個小區利用土鉆采集0～100 cm 的土壤風干，研磨后過1 mm 篩，測定土壤硝態氮的含量。硝態氮累積量計算公式[16]如下：

式中：M表示土壤中的硝態氮積累量，kg/hm2；C表示土壤中的硝態氮含量，mg/kg；H表示土層深度，cm；Y表示土壤容重，g/cm3。

氮素利用效率相關指標計算[17]：

氮肥利用效率（NUE，%）=（施氮區氮素吸收量-無氮區氮素吸收量）/施氮量×100%

氮肥農學利用率（NAE，kg/kg）=（施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量）/施氮量×100%

氮肥偏生產力（NPFP，kg/kg）=籽粒產量/施氮量×100%

氮素收獲指數（NHI）=籽粒氮素吸收量/植株氮素吸收量

1.4 數據統計分析

采用Excel 進行數據分析和處理，SPSS 23.0軟件進行顯著性檢驗，Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 密度與氮肥互作對春玉米生長的影響

各處理春玉米株高隨時間的變化規律基本一致，均符合“S”形增長曲線（圖2）。整體來看，苗期春玉米株高基本無差異，穩定在25 cm 左右。玉米苗期生長較慢，拔節期后進入迅速生長階段，開花期到灌漿期株高增長較少，灌漿期到成熟期基本保持不變。種植密度能夠顯著提高玉米的株高，在高密度下（D3）春玉米平均株高最大，在相同的種植密度下，玉米株高隨施氮量的增大呈現出先增后減的趨勢，不同處理間株高最大差異可達55.8 cm，而在氮肥施量超過225 kg/hm2時，株高沒有顯著增加，甚至被抑制。D2N3 處理最終株高達到261.1 cm，與低密度低氮處理相比優勢顯著，與高密度高氮的處理相比也相當接近，體現出了最佳的密度與氮肥互相作用效果。

圖2 不同種植密度和施氮條件下春玉米株高隨時間變化規律Fig.2 Plant heights of spring maize at different growth stages under different planting density and nitrogen levels

葉面積指數是衡量玉米群體結構的一個重要指標，適宜的葉面積指數是獲得高產的前提。從圖3可看出，葉面積指數（LAI）在整個生育期內變化趨勢呈單峰狀，開花期達到最大，灌漿期后葉片慢慢枯黃，葉面積指數隨之下降。整體來看，種植密度的增加能夠顯著提高玉米各時期的LAI，D2和D3時，玉米充分發揮群體優勢，光合能力增強，D2 較D1 在拔節期、開花期、灌漿期和成熟期平均分別高出59.7%，56.1%，64.6%和54.7%。同密度模式下，施氮處理的LAI比不施氮處理顯著增大，總體呈現出N225＞N180＞N270＞N0的趨勢。

圖3 不同種植密度和施氮條件下春玉米葉面積指數隨時間變化規律Fig.3 Leaf area index of spring maize at different growth stages under different planting density and nitrogen levels

2.2 密度與氮肥互作對春玉米產量及其構成因素的影響

施氮量相同時，隨著種植密度增加，玉米籽粒產量呈先增加后降低的趨勢（見表1），與D2 相比，D1 和D3 水平平均產量分別降低24.0%和14.2%。在相同的種植密度下，施氮肥處理的產量明顯高于不施氮肥的處理，表現出N225＞N180＞N270＞N0，與N225 相比，N0，N180 和N270 水平平均產量分別降低25.7%，6.2%和10.0%，這表明適當增加種植密度和施肥量能明顯促進春玉米的增產，過度增施氮肥反而會使產量降低。本研究最高產量出現在中等密度中等氮肥處理D2N3，即D2=5.5 萬株/hm2，N3=225 kg/hm2，產量為10 203 kg/hm2。同一施氮水平下，隨著種植密度的增大，穗行數、行粒數、穗長、百粒重均有顯著下降的趨勢，以百粒重為例，D2、D3的百粒重均比D1 低，D2的百粒重比D1 降低了3.5%，D3 的百粒重比D1降低了9.1%。同一種植密度下，施氮肥與不施氮肥處理相比，行粒數、穗長和百粒重都有明顯的增加，如在5.5萬株/hm2的條件下，N180、N225、N270處理比N0處理的百粒重增加4.1%、8.9%、1.1%，N225 處理增幅最大，百粒重最高。

表1 種植密度和施氮量對春玉米產量及構成因素的影響Tab.1 Effects of planting density and nitrogen application rate on yield and its components of spring maize

2.3 密度與氮肥互作對春玉米氮素吸收利用的影響

由表2可知，所有氮肥水平下，隨著密度的增加，總氮素積累量、氮肥利用效率（NUE）、氮肥農學利用率（NAE）、氮肥偏生產力（NPFP）、氮素收獲指數（NHI）呈現先升高后降低的趨勢，在D2 時達到最大。D2 處理比D1 和D3 處理平均NUE、NAE、NPFP、NHI分別增加47.1%和39.0%、32.3%和16.1%、28.5%和18.8%、5.5%和4.8%。

表2 不同種植密度與施氮量對春玉米氮素吸收利用的影響Tab.2 Effects of different planting density and nitrogen application rate on nitrogen uptake and utilization of spring maize

同一密度水平下，適當增加氮肥施用量能明顯提高總氮素積累量，進一步增加施氮量。氮肥利用效率（NUE）、氮肥農學利用率（NAE）、氮肥偏生產力（NPFP）和氮收獲指數（NHI）則有降低的趨勢，NUE、NAE和NHI在N225 時達到最大，NPFP在N180 時達到最大，N225 處理比N180 和N270 處理平均NUE、NAE、NHI分別增加10.6%和86.3%、3.9%和129.3%、6.3%和0.9%。N180 處理比N225 和N270 處理平均NPFP分別增加16.8%和62.3%。總氮素積累量和氮肥利用效率在密度為D2、氮肥施量為N225 時達到最大，分別為225.9 kg/hm2和37.5%。因此種植密度5.5 萬株/hm2，施氮量225 kg/hm2是比較適宜的密度和施氮量，可以獲得較高的氮肥利用效率。

2.4 密度與氮肥互作對土壤硝態氮分布和累積的影響

圖4結果顯示，玉米成熟期時，各處理土壤NO3--N 分布曲線呈波浪狀。隨著土層深度的增加，土壤中硝態氮含量有明顯下降趨勢，各處理土壤NO3--N 的積累多集中在0～40 cm土層中，峰值出現在0～20 cm 土層，其均值為12.4～32.7 mg/kg。

圖4 種植密度與氮肥互作對春玉米收獲期0～100 cm土層硝態氮分布的影響Fig.4 Effects of planting density and nitrogen fertilizer interaction on nitrate distribution in 0～100 cm soil layer of spring maize at harvest time

增密可以降低表層NO3--N 累積，呈現出D1＞D2＞D3 的趨勢。3 個不同密度處理，土壤硝態氮均主要集中在0～40 cm 土層，整體表現為N270＞N225＞N180＞N0。N0、N180、N225處理下0～40 cm 土層中硝態氮含量較N270 分別降低了25.6%～62.6%、14.9%～27.8%和7.1%～15.5%，各處理40～100 cm 土層NO3--N含量分布在6.0～24.0 mg/kg。

由圖5知，氮肥施用后土壤中硝態氮含量明顯增加，在0～40 cm 土層中，各種植密度下的春玉米成熟期硝態氮累積量總體表現為N270＞N225＞N180＞N0。在N270 處理下的0～40 cm土層中，D1、D2、D3的硝態氮積累量分別占0～100 cm土層的54.1%、55.8%和55.1%，與N0處理相比高出了7.2%、3.5%和4.7%。同等施肥條件下，0～100 cm 土層的硝態氮累積量隨種植密度的增加而降低，D2、D3 處理較D1 處理分別降低18.3%和27.7%。在同一密度水平下，隨著氮肥施量的增加，0～100 cm 土層的土壤硝態氮累積量呈上升趨勢，N180、N225 和N270 分別較N0 增加了80.1%、107.2%和156.6%。總體而言，0～100 cm 土層的硝態氮累積量在D1N4處理時最大，其值可達279.9 kg/hm2，在D3N1處理最小。可見，低密種植和高氮肥用量都會使土壤中積累大量的硝態氮。

圖5 種植密度與氮肥互作對0～100 cm土層硝態氮累積量的影響Fig.5 Interaction of planting density and nitrogen fertilizer on nitrate accumulation in 0～100 cm soil layer

3 討 論

株高、葉面積指數是玉米的重要生長指標，株高過高或過低都會降低植株對光能的利用程度[18]，而葉面積指數可以反映出玉米的光合生產能力，影響作物冠層結構性能[19]。宋金鑫等[20]研究表明，適當的施用氮肥對玉米株高有優化作用，但過度施用氮肥可能會抑制植株的株高、葉面積指數。本試驗研究表明，種植密度的提高會顯著增加玉米的株高和葉面積，株高、葉面積隨著施氮量的增加先增大后減小，在N225 處理下表現良好。株高在D2N3 處理時表現良好，與高密度高氮的株高數值接近，體現出了最佳的密度與氮肥互相作用效果。高密度模式（D3）與中等密度模式（D2）相比較，各處理的LAI盡管有一定優勢，但是高密度會引起植株個體之間的競爭，生長中后期的遮蔭條件使得中下部葉層的葉片早衰，群體光合能力下降[21]。

增加種植密度可以使玉米的籽粒產量得到明顯的提高，但是單株穗粒數和百粒重有顯著的下降趨勢。合理的氮肥施用有利于穗頂部籽粒發育，增加穗粒數，從而提高產量。施用過量的氮肥則對庫強度不利，進而導致籽粒重量降低造成減產[22,23]。本研究中，對于旱地全膜雙壟溝播春玉米，隨著種植密度的增大，籽粒產量呈現先增后減的趨勢，在D2（5.5萬株/hm2）達到最大，穗行數、行粒數、穗長、百粒重則呈下降趨勢。此外，氮肥能夠顯著提高玉米的穗部性狀（穗行數、行粒數、穗長、百粒重）。隨著施氮水平的提高，產量呈現出先增后減的趨勢，施氮量為225 kg/hm2時達產量達到最大，原因是當氮肥過量后，玉米的碳、氮代謝受到影響，引起有效粒數的降低，最終造成穗粒數下降[24]。這表明盲目增施施氮并未使玉米產量線性增加，相反會使產量有一定程度下降，同時也會造成氮素的浪費和環境的污染。

適宜的種植密度可以顯著提高玉米產量和氮素利用效率，隨施氮水平的提高，氮素利用效率下降[25,26]。隋陽輝等[27]研究發現，適當增密減氮是促進玉米增產的有效措施，氮肥偏生產力（NPFP）和氮收獲指數（NHI）的最高值均在密度為6.75 萬株/hm2處理下獲得。唐文雪等[14]在黃土高原半干旱地區，采用全膜雙壟溝播技術對春玉米進行了2 a 定位試驗研究，研究發現，隨著施氮量的增加，玉米對氮肥的吸收利用率呈現出先增后減趨勢。本研究中，種植密度增加，NUE、NAE、NPFP、NHI呈先增加后降低趨勢，密度為5.5 萬株/hm2時氮肥利用率最大。同時，NUE、NAE、NPFP、NHI隨著氮肥施量的增加先升高后降低，NUE、NAE、NHI在施氮量為225 kg/hm2處理最高，NPFP在施氮量為180 kg/hm2處理最高。這與曹勝彪等[25]的研究結果一致。種植密度與氮肥互作對作物的氮積累和干物質積累過程有明顯影響，并以此調控氮肥利用效率[28]。因此在玉米生產中，二者要高度協調。

調控種植密度和施氮量既要考慮植株的氮素累積和氮肥利用，同時也要考慮對土壤環境所產生的影響。硝態氮淋失是旱地氮素損失的主要方式，會對地下水造成嚴重污染，治理難度大[29]。在干旱半干旱雨養農業區，氮素主要積累在0～100 cm 土層，盡管作物對氮素的吸收利用能在一定程度上緩解土壤硝態氮向深層遷移、淋洗，但在氮素含量大于作物需求時，仍然會造成土壤硝態氮的積累[30-32]。這表明僅靠減施氮肥并不能完全抑制氮素的深層淋洗和殘留，甚至在某些情況下還會導致產量下降。因此，在玉米生產過程中，如何將氮肥施用量與種植密度等栽培措施相結合，以提高玉米對氮素的吸收能力，是減少氮素損失的關鍵所在。本研究結果表明，高密度處理的土壤硝態氮收獲時的含量比中、低密度處理低，且土壤硝態氮隨生育期的推進有向下淋溶趨勢。同時，加大氮肥施量后，土壤中硝態氮含量也隨之升高，適當提高種植密度和減少氮肥用量可明顯減少各土層的硝態氮殘留。

4 結 論

（1）適當增加種植密度和施氮量可以顯著提高春玉米的株高、LAI，成熟期株高以D2N3 處理最大，為261.1 cm。株高、LAI在中等密度和高密度下表現良好，各密度處理下春玉米的株高、LAI均表現為N225＞N180＞N270＞N0。

（2）春玉米籽粒產量隨種植密度和施氮量的增加表現出先增加后降低趨勢。產量在D2N3 處理下達到最大值，此外，高密度（D3）和無氮（N0）處理下穗部發育不良，穗長較短，穗行數、行粒數較少，百粒重較低。

（3）密度為D2，施氮量為N3 時，總氮素積累量、NUE、NAE、NPFP、NHI整體表現最佳，表明種植密度和施氮量分別為5.5 萬株/hm2、225 kg/hm2時春玉米能獲得較高的氮肥利用效率。

（4）隨著種植密度的增加，土壤硝態氮含量降低。隨著施氮量的增加，土壤硝態氮含量增加。適當降低氮肥用量和增加種植密度可顯著降低收獲時0～100 cm 各土層的硝態氮殘留量。

綜上，種植密度為5.5 萬株/hm2，施氮量為225 kg/hm2時，春玉米各生長指標良好，既能達到高產，又可以提高春玉米對氮素的吸收利用效率，同時降低硝態氮向更深層次土層淋溶的可能性，可實現玉米的高產、高效栽培。