施氮量对不同种植密度夏玉米产量和氮素吸收利用的影响

张美微,刘京宝,乔江方,李 川,黄 璐,张盼盼,赵 霞,李 萍

(河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002)

玉米是我国的主要粮食作物，提高和稳定玉米产量对于保障我国粮食安全具有重要作用[1]。合理密植作为一项重要的栽培技术，在协调玉米植株个体与群体矛盾、提高产量方面发挥着关键作用，已成为实现玉米增产最经济有效的途径[2-4]，它主要通过增加单位面积的叶面积指数、提高玉米植株光热资源利用效率、依靠群体充分发挥产量潜力达到增产[5]。国内外的玉米高产记录都是在密植条件下实现的，且高密条件下现代品种的产量优势更加明显[6-8]。然而，增加种植密度会引起玉米植株对光照和水肥养分等资源的竞争，导致单株干物质积累量和抗倒伏能力下降；同时，结实率和穗粒质量降低，造成单株产量下降[1,9]。氮素是玉米生长发育不可或缺的重要营养元素，对玉米增产起着关键作用。然而，近年来，玉米生产中存在氮肥过量施用、氮挥发和淋洗损失等严重问题，对生态环境造成潜在威胁[10]。因此，开展夏玉米合理密植群体下氮肥减施的研究对于玉米增产提效十分重要。

黄淮海平原是我国重要的玉米生产区，其当前种植密度为52 500株/hm2，远低于发达国家75 000～90 000株/hm2的密植水平[2]，成为限制玉米增产的主要因素。同时，该区域也存在常年氮肥过量施用、氮肥利用效率低、氮素淋失造成农田水体污染等问题[11]。因此，合理密植和科学施肥对于进一步提高玉米产量和肥料利用效率具有重要作用。学者针对黄淮海平原夏玉米区氮肥施用和密植水平的研究主要集中在农艺性状[9,12]、干物质和产量[10,13]等方面，且大多数为单一因子的研究。鉴于此，针对当前玉米密植和氮肥施用中存在的主要问题，以黄淮海区域主栽玉米品种郑单1002为材料，在漯河市临颍县和驻马店市遂平县2个地点开展种植密度和施氮量互作对夏玉米产量、氮素积累利用和氮肥利用效率等方面的影响研究，明确该品种产量和氮素积累利用对氮密互作效应的响应特征，探讨氮肥减施下夏玉米的合理群体构建，为黄淮海地区夏玉米高产高效生产提供技术支持和理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料和试验地概况

试验以河南省大面积推广种植的夏玉米品种郑单1002为材料，在漯河市临颍县农技中心(北纬33°48′50″，东经113°57′12″)和驻马店市遂平县农业科学试验站(北纬33°0′41″，东经114°3′8″)开展。2个地点均属于温带季风气候，四季分明，夏季雨量充沛，全年无霜期226 d左右。临颍试验点夏玉米播种前0～40 cm土层土壤基础肥力为速效氮含量129.85 mg/kg、速效钾含量86.70 mg/kg、速效磷含量18.40 mg/kg、有机质含量11.50 g/kg；遂平试验点夏玉米播种前0～40 cm土层土壤基础肥力为速效氮含量138.32 mg/kg、速效钾含量82.1 mg/kg、速效磷含量33.30 mg/kg、有机质含量12.50 g/kg。

1.2 试验设计

试验采用两因素随机区组设计，氮肥设置N1(不施氮)、N2(减氮40%，135 kg/hm2)、N3(减氮20%，180 kg/hm2)、N4(正常施氮，225 kg/hm2)4个水平；种植密度设置D1(60 000株/hm2)、D2(67 500株/hm2)、D3(75 000株/hm2)3个水平。各处理磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量均为100 kg/hm2，供试肥料分别为复合肥(N∶P∶K为29∶5∶6)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。小区面积5 m×6 m=30 m2，各处理重复3次。2个地点均于2018年6月12日进行播种，10月5日收获。其他田间管理措施同一般高产田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量 各小区于成熟期选取长势一致的夏玉米植株20株，进行收获、脱粒、晾晒，用水分测定仪测定籽粒含水量后，按照14%含水量折算产量。从收获的玉米果穗中选取有代表性的10穗进行产量性状考察。

1.3.2 氮肥偏生产力 根据收获籽粒产量与氮肥施用量计算，氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity,NPFP,kg/kg)=籽粒产量/施氮量。

1.3.3 干物质积累量 于夏玉米吐丝授粉期、灌浆中期和成熟期选取各小区长势一致、具有代表性的植株3株，每株分茎鞘、叶片和穗部共3个部分，于105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒质量，根据各处理种植密度折算单位面积干物质积累量。

1.3.4 氮素含量及相关指标 用FW100型高速粉碎机对分部位烘干称质量后的植株样品进行粉碎并过0.15 mm筛，混匀后采用四分法取测定植株全氮所用的样品量，按照NY/T 2419—2013采用FOSS全自动凯氏定氮仪(Kjeltec 8400)测定氮素含量，利用测定结果进行氮素积累和转运利用相关方面的计算。

氮素积累量(Nitrogen accumulation,kg/hm2)=干物质积累量×氮素含量；

营养器官氮素转运量(Nitrogen remobilization amount,NRA,kg/hm2)=吐丝期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

氮素转运效率(Nitrogen translocation efficiency,NTE)=营养器官氮素转运量/吐丝期营养器官氮素积累量×100%；

氮素转运对籽粒的贡献率(Nitrogen translocation contribution proportion,NTCP)=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素收获指数(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒氮素积累量/地上部植株氮素总积累量×100%；

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=地上部植株氮素总吸收量/施氮量；

氮肥利用效率(Nitrogen fertilizer use efficiency,NUE,kg/kg)=(施氮处理氮素吸收量-不施氮处理氮素吸收量)/施氮量。

1.4 数据分析

数据使用Excel 2013进行整理后，采用数据分析软件SPSS 20.0进行方差分析和处理间差异性分析(Duncan’s多重比较)，图表绘制使用Excel 2013完成。由于2个地点夏玉米干物质和氮素积累转运方面在各处理间变化趋势一致，结果分析中仅展示了遂平试验点干物质和氮素积累转运数据。

2 结果与分析

2.1 种植密度和氮肥施用量对夏玉米干物质和氮素积累的影响

表1和表2显示，种植密度和施氮量对夏玉米吐丝期和成熟期干物质积累量均有显著影响，密植和增施氮肥均显著提高了2个时期的干物质积累量。与D1处理相比，D2和D3密植条件下吐丝期干物质积累量分别增加5.82%和18.12%，成熟期干物质积累量相应增加7.19%和21.00%；在不同密植条件下，随着施氮量不断增加，吐丝期和成熟期干物质积累量均呈显著增加趋势，与不施氮处理N1相比，各施氮处理吐丝期增加比例为4.02%～37.47%，成熟期增加比例为7.74%～27.30%；当施氮量由N3增加到N4时，成熟期干物质积累量的增加在D1条件下未达显著水平，而在D2和D3条件下均达到显著水平。同时，密植和增施氮肥也显著提高了夏玉米吐丝期和成熟期植株氮素积累量。在D2和D3密植条件下，吐丝期氮素积累量较D1处理分别增加了8.19%和11.60%，成熟期植株氮素积累量较D1处理分别增加了8.93%和18.82%；不同密植条件下，随着施氮量增加，吐丝期和成熟期植株氮素积累量均呈显著增加趋势，增加量分别在12.09%～69.36%和22.09%～39.12%；当施氮量由N2增加到N3时，吐丝期植株氮素积累量在D1和D2条件下差异不显著，而在D3条件下达到显著水平。

表1 种植密度和施氮量对夏玉米干物质和氮素积累影响的方差分析(遂平)Tab.1 ANOVA analysis of effects of planting density and N fertilizer application on dry matter and N accumulation in summer maize(Suiping)

注： ns表示不显著，*表示达到0.05显著水平，**表示达到0.01显著水平，***表示达到0.001显著水平，下同。

Note： ns represents non-significant,* represents significant difference at 0.05 level,**represents significant difference at 0.01 level,***represents significant difference at 0.001 level,the same below.

表2 种植密度和施氮量对夏玉米干物质和氮素积累的影响(遂平)Tab.2 Effect of planting density and N fertilizer application on the accumulation of dry matter and N of summer maize(Suiping)

注：同列数据后不同小写字母表示差异达到0.05显著水平，下同。

Note：Values followed by different letters in a column show significant difference at 0.05 level,the same below.

此外，种植密度和施氮量的互作效应仅对吐丝期干物质积累量存在显著影响，而对成熟期干物质积累量和植株氮素积累量无显著影响。各处理中D3N4获得较高的干物质积累量和氮素积累量；密植在一定程度上增加了干物质和氮素积累量在不同氮素水平下的差异显著性。

氮素收获指数仅受施氮量的显著影响，而种植密度以及种植密度×施氮量互作未对其产生显著影响。氮素收获指数随施氮量增加呈下降趋势，但显著性差异仅存在N1与N4处理之间。D1、D2、D3条件下，N4处理氮素收获指数较N1处理分别降低6.60%、10.93%、5.70%；不同种植密度下氮素收获指数相近，分别为64.55%(D1)、65.12%(D2)、64.50%(D3)。

2.2 种植密度和氮肥施用量对夏玉米氮素转运和利用的影响

从表3可以看出，种植密度显著影响氮素转运效率、氮素转运对籽粒的贡献率、氮素吸收效率和氮肥利用效率，而对营养器官氮素转运量的影响不显著；施氮量对氮素转运和利用各参数均有显著影响；而两者互作仅对氮素吸收效率的影响达到显著水平。

表3 种植密度和施氮量对夏玉米氮素转运和利用影响的方差分析(遂平)Tab.3 ANOVA analysis of effects of planting density and N fertilizer application on the translocation and utilization of N in summer maize(Suiping)

由表4可见，在氮素转运方面，密植提高了营养器官氮素转运量，与低种植密度(D1)相比，D2和D3密度处理分别增加了8.93%和3.13%，降低了氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率。随着施氮量的增加，营养器官氮素转运量均显著增加，而氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率则呈先下降后升高的趋势。

在氮素利用方面，D2和D3密植处理显著提高了氮肥利用效率和氮素吸收效率，其中，D2处理分别较D1处理提高18.23%和9.20%，D3处理分别较D1处理提高23.44%和18.96%。增加施氮量显著降低氮素吸收效率和氮肥利用效率；D1和D2种植条件下，不同施氮量下氮肥利用效率差异未达显著水平，而高密植D3条件下N3和N4处理氮肥利用效率较N2处理分别显著降低了16.10%和11.48%；随施氮量增加，氮素吸收效率降幅达到21.47%～34.54%，且不同氮肥处理间差异显著，各种植密度条件下表现一致。

表4 种植密度和施氮量对夏玉米氮素转运和利用的影响(遂平)Tab.4 Effect of planting density and N fertilizer application on the translocation and utilization of N in summer maize(Suiping)

2.3 种植密度和氮肥施用量对夏玉米产量和氮肥偏生产力的影响

由图1可以看出，种植密度和施氮量对遂平和临颍试验点夏玉米产量均有显著影响。产量总体上随种植密度增加而显著增加，D2和D3种植密度平均分别较D1增加了13.18%和12.72%(遂平)、5.18%和14.15%(临颍)；不同密植条件下，增施氮肥也显著提高夏玉米产量，且均以N4处理最高，在D1、D2和D3种植密度下分别较N1处理增加了38.15%、15.21%和20.32%(遂平)，13.65%、15.64%和34.76%(临颍)。此外，两地点均在D3N4条件下获得最高产量，遂平试验点D3N4与D2N3、D2N4、D3N3差异未达到显著水平，临颍试验点D3N4则与其他处理间差异均达显著水平。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同Different lowercase letters indicated significant at 0.05 level.The same below图1 遂平和临颍试验点种植密度和施氮量对夏玉米产量的影响Fig.1 Effects of planting density and N fertilizer application on maize yield at Suiping and Linying sites

同时，氮肥偏生产力也受种植密度和氮肥施用量的影响(图2)。不同种植密度以及氮肥施用量间夏玉米氮肥偏生产力存在显著差异。在密植条件D2和D3下，不同氮肥处理平均氮肥偏生产力分别较D1增加了10.91%和9.32%(遂平)、6.65%和17.33%(临颍)；且在临颍试验点，密植对于提高氮肥偏生产力的效应更显著。但氮肥偏生产力随施氮量增加而显著下降，不同种植密度条件下表现一致，与低施氮量N2相比，各种植密度平均氮肥偏生产力以D2N4下降幅度最大，达到36.80%(遂平)和37.69%(临颍)；在遂平和临颍试验点，各处理中分别以D2N2和D3N2条件下氮肥偏生产力最大。

图2 遂平和临颍试验点种植密度和施氮量对夏玉米氮肥偏生产力的影响Fig.2 Effects of planting density and N fertilizer application on nitrogen partial factor productivity of maize at Suiping and Linying sites

3 结论与讨论

选用耐密品种进行合理密植是玉米增产的重要途径[14]。前人研究显示，玉米产量随着种植密度的增加而增加，但是种植过密会导致抗倒伏能力下降，空秆率和秃尖长增加，株高和穗位高增大等不利影响[9,15]。氮肥对促进玉米顶部籽粒发育、提高穗粒质量以及增强茎秆抗倒伏能力等方面均有显著影响[16-17]，且氮肥和种植密度存在显著的互作效应[1]。因此，合理密植与适宜氮肥施用互作可以充分发挥品种的产量潜力，获得高产。本研究结果表明，夏玉米产量随着种植密度和施氮量的增加而显著提高；两试验点均在D3N4条件下获得最高产量，但两试验点不同处理间差异显著性不同,其中，遂平试验点D3N4处理与D2N3、D2N4、D3N3间差异不显著，而临颍试验点D3N4处理与其他各处理间的差异均达显著水平。这与两试验点土壤基础肥力和生态环境条件有关，遂平试验点0～40 cm土壤速效氮和有机质含量分别较临颍试验点高6.12%和8.03%。因此，实现夏玉米合理群体构建与氮肥优化施用的正向互作必须充分考虑生态条件因素[18]。此外，本研究结果显示，氮肥偏生产力也受种植密度和施氮量的显著影响，密植可以使氮肥偏生产力显著提高6.65%～17.33%；但随着施氮量增加，氮肥偏生产力显著下降；遂平和临颍试验点分别在D2N2和D3N2条件下获得最大氮肥偏生产力。综合产量和氮肥偏生产力可以看出，两试验点夏玉米在67 500株/hm2(D2)密植条件下，氮肥减施20%即180 kg/hm2可获得较高产量兼具较高的氮肥偏生产力；而在高密植75 000株/hm2(D3)条件下，则根据土壤基础肥力适宜采取正常水平(225 kg/hm2)到减施20%(180 kg/hm2)的施氮量范围。

干物质和氮素积累是夏玉米产量形成的物质基础，在一定范围内两者与产量呈正相关关系[10,19]。群体干物质和氮素积累量随着种植密度的增加而增加，但过密种植会造成氮素含量和单株干物质积累量下降，进而限制群体干物质积累量的大幅增加[20]。在一定密植条件下增加氮肥施用可以提高夏玉米氮素含量和单株干物质量，进而促进单株氮素积累[21]。本研究结果也表明，密植和增施氮肥均显著提高了夏玉米吐丝期和成熟期干物质积累量和氮素积累量；且在密植条件下(D2和D3)，成熟期干物质积累量在N3和N4处理间差异显著。而该试验点(遂平)产量在密植条件下，N3和N4氮肥水平间无显著差异，说明密植以及高水平氮肥对干物质积累的促进作用远大于产量。这与收获指数低、转移到籽粒中的干物质比例少有关[10]。本研究结果中不同种植密度下的氮素收获指数为64.55%(D1)、65.12%(D2)和64.50%(D3)，几乎相同，其并未随种植密度增加而提高，也进一步说明了密植和施氮量对玉米源库关系影响的复杂性。

氮素是玉米营养器官中限制产量提高的重要因子，有效的营养物质转运有利于创造协调的源库关系，为玉米增产奠定基础[21]。夏玉米营养器官氮素转运量及其向籽粒中的转运效率直接影响到其对氮素的吸收利用[1]。前人研究结果显示，夏玉米营养器官氮素转运量、氮素转运效率及其对籽粒的贡献率随着种植密度和氮肥水平的提高而增加[22-23]。本研究结果显示，密植提高了营养器官氮素转运量，而降低了氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率；随着施氮量的增加，营养器官氮素转运量均显著增加，而氮素转运效率和氮素转运对籽粒的贡献率则呈先下降后升高的趋势。这与前人的研究结果存在差异，主要是由于本研究采用的不同密植水平间增密幅度(7 500株/hm2)远低于前人的增密幅度(15 000株/hm2)，且密植条件下营养器官氮素积累量的增幅小于植株氮素积累量以及籽粒氮素积累量的增幅。此外，种植密度和施氮量也显著影响夏玉米的氮素吸收效率和氮肥利用效率，且两者对氮素吸收效率的影响存在显著的互作效应。与D1种植条件相比，D2和D3密植条件下夏玉米氮肥利用效率分别显著提高了18.23%和23.44%，氮素吸收效率分别提高了9.20%和18.96%。高密植条件下(D3)，夏玉米氮肥利用效率随施氮量增加而显著下降，这与前人研究结论相似[20,24]；而施氮量对夏玉米氮素吸收效率的影响在不同密植条件下均达到显著水平。这说明适宜密植是提高夏玉米氮素吸收效率和氮肥利用效率的有效措施；在合理密植条件下适量减少施氮量更有利于夏玉米对氮素的吸收利用。