西北旱塬区不同株型玉米增密对产量的影响

赵 刚，王淑英，樊廷录，党 翼，王 磊，张建军，李尚中，程万莉

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070)

玉米是我国第一大粮食作物，为国家粮食安全战略发挥着重要作用[1]。玉米产量的提高是优良品种和优化栽培措施共同的结果，不同区域玉米产量构成因素受到降水、气候等因素影响，因此，研究不同降水区域不同株型玉米群体结构具有重要意义。增加植株密度被普遍认为是玉米增产的主要途径之一[2-4]，然而不同玉米株型在不同播种密度对产量影响不同[5]，选择紧凑型玉米品种是获得高产的关键[6-7]，从1950 s玉米密度随着时间的推移逐渐增加[8]，株型决定了作物植株的分布态势，密度增加，植株生长空间压力增大及对养分、水分竞争加剧[9]。黄土旱塬区干旱缺水是限制玉米生产的主要因素，因此，在前人研究的基础上，本研究主要在全膜垄沟栽培下，通过在有限的降水条件下增加密度，改变玉米群体结构，研究不同株型玉米在不同密度下群体结构的变化规律，对黄土旱塬区玉米产业发展具有指导意义。

1 试验设计及方法

1.1 试验地概况

镇原试验站位于甘肃省镇原县上肖乡(35°30′N，107°29′E)，常年平均降水量540 mm，年蒸发量1 500 mm，干燥度1.5，属稳定单向缺水农业区。土壤为黑垆土，耕层土壤有机质含量10.62 g·kg-1，全氮0.94 g·kg-1，碱解氮89 mg·kg-1，速效磷12 mg·kg-1，速效钾231 mg·kg-1，肥力中等。据测定，该地降水量的10%～15%形成径流流失，60%～65%为无效蒸发，仅有25%～30%被作物利用，且60%的降水多集中在7～9月，年平均日照时数为2 300～2 500 h，日照百分率达50%～55%，年辐射量为525～567 kJ·cm-2，≥0℃积温为3 400～3 800℃，≥10℃积温为2 700～3 200℃。

1.2 试验设计

依托国家玉米产业体系兰州综合试验站和农业部西北旱作区作物营养与施肥科学观测实验站，于2011-2014年连续4年进行试验；试验采用裂区设计，主因素设4个播种密度，分别为4.5、6.0、7.5、9.0万株·hm-2；副处理为不同株型的5个玉米品种，其中紧凑型3个，分别为郑单958、先玉335和吉祥1号，平展型2个，为陇单4号和中玉9号；小区为全膜双垄沟栽培，面积为3.3 m×6 m=19.8 m2，每处理重复3次，共计60个小区。播种采用定株距播种，施肥为纯氮225 kg·hm-2，其中氮肥50%施作底肥，50%为拔节期追肥，纯磷120 kg·hm-2一次性基施底肥，其他管理同大田。

1.3 测定项目与方法

灌浆速率：玉米抽雄期选择长势一致且无病害植株开始挂牌标记，自开花后每隔5 d取样一次，每次取3个果穗，带回后105℃杀青10 min， 80℃下烘干，每穗取中部籽粒100粒称重。

干物质：在玉米不同生育期选择小区长势一致植株取样，每次取3株，然后105℃杀青10 min，80℃下烘干至恒重后称重。取地上部分植株样的同时，以茎秆为圆心，以1/2株距为半径，挖取0～30 cm土层根系，带回洗净后杀青烘干称重。

产量：在玉米成熟后，剔除边行，在小区中间连续取25株测产，收获后自然风干，考种后脱粒记产(按14%含水量折合产量)。

土壤水分和玉米水分利用效率(WUE)测定：播种前和收获时分别用土钻法测定每个小区2 m土层(每20 cm为一个层次)的土壤含水率，转化为播前和收获时的土壤贮水量(mm)。生育期降雨量通过MM-950自动气象站获得。试验地在旱塬地带，降雨不产生径流，所以在本研究中地表径流可忽略不计，利用土壤水分平衡方程计算作物耗水量(ET，土壤水分蒸发与作物蒸腾量)。各指标计算公式：

玉米耗水量(ET，mm)=播前2 m土壤贮水量-收获时2 m土壤贮水量+生育期降水量(mm)；

玉米水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)=籽粒产量/生育期耗水量。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米不同播种密度下产量和水分利用效率的变化

不同品种玉米群体变化差异较大，结果如表1所示，4 年结果裂区分析显示，品种和密度、产量和水分利用效率的影响均达到极显著水平，密度与品种互作效应也达到了极显著水平；说明品种和密度之间搭配可以提高产量和水分利用效率。

不同品种产量，先玉335>中玉9号>吉祥1号>郑单958>陇单4号，紧凑型品种先玉335平均产量为12 940.5 kg·hm-2，较稀植大穗品种陇单4号增产10.41%；不同密度，7.5万株·hm-2>9.0万株·hm-2>6.0万株·hm-2>4.5万株·hm-2，产量分别为13 275.0、12 780.0、12 181.5、10 806.0 kg·hm-2，密度增加1.5万株·hm-2，产量平均增加1 234.5 kg·hm-2，密度达到7.5万株·hm-2时，再增加密度产量开始下降，说明在陇东旱塬区播种适宜密度为7.5万株·hm-2左右。

表1 玉米不同品种不同密度产量和水分利用效率方差分析Table 1 Analysis of variance of different variety under different densities

表2 不同品种玉米在不同密度下产量、水分利用效率Table 2 Yield and WUE of different maize variety under different densities

注：同一列不同字母表示同一指标不同处理之间的差异性显著(P<0.05)。下同。

Note: The different letters in the same column indicate the significant difference atP<0.05. The same below.

同一品种不同密度产量差异显著(表2)，郑单958在9.0万株·hm-2时产量最高，其余4个品种产量均在7.5万株·hm-2时最高，平展型品种陇单4号在6.0、7.5万株·hm-2时产量差异不显著，其他3个品种均显著增产。不同年型来看，最低密度受年际间其它因素影响较大，随着密度的增加影响逐渐减小，其中先玉335在7.5、9.0万株·hm-2时，受年际间其它因素影响较大；说明不同品种之间可以通过适当增加密度，减小干旱对玉米产量的影响。

不同品种不同播种密度耗水量在390.4～431.5 mm，变异系数为2.98%，差异不显著(表2)，年际之间同一处理变异系数为9.93%～16.71%，说明不同品种在不同播种密度下耗水基本一致，稀植主要棵间蒸发损失较大，密植主要为植株蒸腾；年际之间变异系数较大，不同降水年型对玉米耗水量影响显著。

不同品种间水分利用效率由高到低依次是：吉祥1号、先玉335、中玉9号、郑单958和陇单4号；不同密度下水分利用效率由高到低依次为7.5、9.0、6.0万株·hm-2和4.5万株·hm-2，4个密度之间差异均达到了显著水平；密度从4.5～7.5万株·hm-2，每公顷增加1.5万株，平均水分利用效率增加3.3 kg·mm-1·hm-2，达到9.0万株·hm-2时，开始下降。

郑单958在9.0万株·hm-2时水分利用效率最高，其他4个品种均在7.5万株·hm-2时最高，但均与9.0万株·hm-2差异不显著，密度增加到一定程度，水分利用效率不再增加。

2.2 不同密度下不同玉米品种农艺性状分析

同一品种不同密度各农艺性状之间分析结果见表3，随着密度增加株高差异不显著，穗位高和秃顶长各品种均随着密度增加逐渐增加，穗长、穗粒数和百粒重随着密度增加呈减小趋势，但陇单4号、郑单958和先玉335穗长不同密度之间差异不显著。先玉335株高受密度的影响较小，整齐度较高；平展型品种陇单4号、中玉9号穗粒数和百粒重变幅大于3个紧凑型品种，平均增加39.0%和37.1%，说明密度增加紧凑型品种较平展型产量构成因素更稳定。

不同年际间，秃顶长、穗粒数和穗位高变幅分别为0.21～5.28 cm、356.2～691.7粒·穗-1、78.0～130.5 cm，平均变异系数分别为43.51%、12.00%和11.77%；年际间株高、穗长和百粒重变异系数分别为6.18%、5.72%和6.10%。在不同年际间，先玉335株高和穗位高变幅分别为254.4～341.7 cm、78.0～149.7 cm，高于其他品种；中玉9号穗长变幅为16.8～26.2 cm；郑单958秃顶长、穗粒数和百粒重变幅分别为0.58～2.60 cm、368.0～651.8粒·穗-1、27.1～39.7 g，产量主要构成因素穗粒数和百粒重变幅明显高于其他品种，说明郑单958的产量构成因素受年际间影响较大。

表3 不同密度下玉米不同品种农艺性状Table 3 Agronomic characters of different maize varieties under different densities

2.3 不同播种密度下玉米不同品种干物质分配

干物质积累是玉米光合作用的结果，2013和2014年不同生育期干物质积累量平均值如图1所示。苗期各品种干物质量为17.5～27.4 g·株-1，其中平展型陇单4号干物质积累量最大，拔节期干物质量为77.4～93.2 g·株-1，先玉335平均干物质量为93.2 g·株-1，苗期～拔节期营养生长迅速，干物质迅速积累，其中陇单4号干物质量为77.4 g·株-1，低于其他品种，较先玉335减少16.0%。吐丝期至成熟期，不同品种干物质均随密度增加而减小，平展型玉米品种陇单4号4个密度平均干物质量在灌浆期和成熟期高于其他4个品种，其中灌溉期较其他4个品种高8.8%～32.5%，成熟期高2.7%～14.6%；成熟期先玉335、郑单958、吉祥1号在6.0、7.5万株·hm-2密度下单株干物质积累量差异不显著，中玉9号差异显著，说明耐密品种密度增加1.5万株·hm-2时，单株干物质差异不大，但相应单位面积干物质积累总量明显增加。

2.4 不同播种密度不同株型玉米根冠比变化

玉米根系生长情况直接关系到玉米的营养吸收和植株的稳定性。如图2所示，不同株型玉米品种在拔节和抽雄期根冠比达到最大，到灌浆期～成熟期迅速减小；密度之间差异均呈现从低密度到高密度根冠比逐渐减小，各个生育期变化规律相同。不同品种来看，平展型品种陇单4号、中玉9号随着密度的增加，根冠比变化幅度较小，不同生育期平均变异系数分别为14.6%和15.5%；紧凑型品种先玉335、吉祥1号变幅较大，平均变异系数分别为24.0%和20.0%。

玉米不同生育期不同密度之间根冠比差异较大，全生育期在密度为4.5万株·hm-2根冠比最高，随着密度增加逐渐降低，其中灌浆期和成熟期先玉335和吉祥1号7.5万株·hm-2和9.0万株·hm-2两个密度下基本一致；说明在增密的同时，玉米根系生长空间减小，限制了根系生长，根系吸收和运送养分的能力降低，地上部分也受到限制，耐密品种密度增加对根系生长影响较小。合理的根冠比例有利于玉米构建群体结构，达到高产目标，也有利于后期抵抗大风强降雨天气引起的玉米倒伏。

图1 不同品种不同生育期玉米干物质随密度变化趋势Fig. 1 The change of dry matter of maize variety with density at different growth stages

图2 不同播种密度下不同玉米品种在不同生育期根冠比变化规律Fig. 2 The change of root-shoot ratio of maize variety with density at different growth stages

2.5 不同播种密度下玉米不同品种灌浆参数变化

不同品种不同密度下灌浆进程拟合方程如表4所示，相关系数在0.99以上，整体来看，不论是紧凑型还是平展型玉米，最大灌浆速率出现的天数高密度较低密度早1～5 d，最大灌浆速率高0.01～0.18 g·d-1；其中平展型玉米品种中玉9号和陇单4号平均最大灌浆速率为1.36 g·d-1，紧凑型吉祥1号、先玉335和郑单958平均为1.18 g·d-1；紧凑型玉米最大灌浆速率出现的天数较平展型玉米品种早2.1 d。说明紧凑型玉米品种灌浆进程较平展型快，但最大灌浆速率较慢。

不同品种不同密度灌浆参数如表5所示，紧凑型玉米品种平均灌浆速率为0.53 g·d-1，较平展型玉米品种低0.03 g·d-1，灌浆持续期(T)紧凑型玉米比平展型玉米长1 d；密度为4.5、6.0万株·hm-2的低密度灌浆持续期为60.9～79.2 d，较7.5、9.0万株·hm-2高密度长4.5～14.7 d，平均灌浆速率低密度为0.54 g·d-1，高密度为0.53 g·d-1，两者相差不大；低密度紧凑型和平展型玉米品种较高密度紧凑和平展型平均灌浆速率差异不大，但是灌浆持续期分别延长8.5 d和9.6 d。同一密度下，紧凑型玉米与平展型玉米灌浆速率基本一致，但是灌浆持续期长1d左右；随着密度增加，灌浆持续期逐渐降低，同一品种低密度与高密度灌浆速率一致，但是灌浆持续期长，在灌浆期一致的情况下，灌浆持续期长的玉米容易达到高产。

3 结论与讨论

玉米是C4植物，属于高光效作物，90%的干物质通过光合作用得到[10]，玉米产量形成是一个群体过程[6]，产量的提高是生物量和收获指数提高的共同结果[13-14]，不同生态区域不同株型玉米品种对密度的适应性不同，玉米株型是由遗传特性决定的，因此播种密度是影响玉米产量的关键因素。产量和密度在一定范围内呈正相关[11]，但是密度的增加会导致个体生长受阻，个体生产力下降[12]，因此合理密植使群体和个体效益最大化是取得高产的主要途径。本研究认为，不同株型玉米产量均随着密度的增加呈现先增加后降低趋势，紧凑型品种在7.5万株·hm-2时产量最高，而平展型品种在密度6.0万株·hm-2和7.5万株·hm-2时产量差异不显著，根据拟合一元二次方程可得，紧凑型玉米品种(y=-0.000 04x2+0.425 7x-176.64，R2=0.999 9**)最佳播种密度为7.98万株·hm-2，最高产量为14 331.9 kg·hm-2；平展型(y=-0.00003x2+0.282 9x-149.53，R2=0.999 9**)为7.07万株·hm-2，最高产量为12 246.0 kg·hm-2，在栽培条件和生长环境一致的情况下，紧凑型品种较平展型播种密度增加0.91万株·hm-2，增产2 085.9 kg·hm-2。出现这种情况的主要原因为紧凑型玉米品种叶夹角小，在合理密植时群体结构发生变化，提高了光能利用率，有利于干物质积累和转运。因此在黄土旱塬区要选择紧凑型玉米品种。

表4 不同密度下玉米不同品种灌浆速率的拟合方程Table 4 The different variety maize fitting equation of filling rate under different densities

表5 不同密度下玉米不同品种灌浆参数的变化Table 5 The different variety maize filling parameters under different densities

农艺性状中株高、穗位高和果穗性状与产量关系密切[15-17]，叶夹角、株高、茎粗等均会随着密度的增加发生变化[18]，耐密品种主要是结构紧凑，仍能使冠层有较大的光能截获能力，株高、穗位高降低，有利于抗倒伏能力的提高[19]，本研究得出不同株型玉米品种均随着密度增加株高基本不变，而穗位高逐渐增加，穗部性状均呈减小趋势，单株干物质积累随着密度增加明显减小，然而，单位面积上干物质积累量平展型和紧凑型株型差异较大，平展型玉米品种密度为6.0万株·hm-2时干物质积累量为32 310 kg·hm-2，紧凑型在7.5万株·hm-2时为29 226 kg·hm-2，无论紧凑型带是平展型品种干物质积累量和产量均在7.5万株·hm-2达到最高，紧凑型玉米品种干物质的积累和运转效率高于平展型，提高了收获指数。

玉米群体结构发生变化，会导致叶面积指数、干物质积累、光合速率[20-21]等一系列变化，直接改变了田间的微气候[22]。密度增加影响了玉米冠层和根系分布空间，对光合产物积累和水肥的吸收有一定影响，因此，合理的根冠比例有利于玉米“源-库-汇”分配。本研究发现，不同株型玉米种植密度增加根冠比呈减小趋势，低密度下根系发达，有利于水分和养分的吸收，抗倒伏能力增强，但是根系的生长牺牲了地上干物质的积累，从而降低产量；高密度根冠比降低，主要因为生长空间减小，地下根系生长受到限制。因此，合理的种植密度优化了根系与冠层生长比例，使干物质积累与水分养分吸收效益最大化。

玉米籽粒灌浆期是干物质向经济产量转化的过程，是一个复杂的生理代谢过程，籽粒灌浆速率高低以及灌浆持续时间长短，决定最终玉米产量[23-24]，籽粒灌浆受品种特性、环境因素、栽培因子的影响较大[25-26]。本研究结果表明，平展型较紧凑型玉米品种最大灌浆速率高0.18 g·d-1，平均灌浆速率高0.03 g·d-1，灌浆持续期相差不大；密度对灌浆速率影响不大，低密度较高密度快0.01 g·d-1，但灌浆持续期延长5～15 d，密度增加，叶片相互遮荫明显，进行光合作用的叶片面积减小，缩短了灌浆时间，百粒重减小。

在西北旱塬区特定气候条件下，选择不同株型玉米品种和播种密度，对该区玉米产量有很大影响，通过本文研究得出，适当增加播种密度，虽然改变了穗部形状、根冠比、干物质积累量和灌浆参数，但是优化了群体结构布局，增加了玉米单产；选择紧凑型玉米品种较平展型播种密度增加9000株·hm-2左右，产量显著增加。