种植密度和滴头间距对民勤春玉米产量及土壤水氮影响

王 洋，伍 娟，黄兴法，李光永

(中国农业大学，北京 100083)

0 引 言

膜下滴灌技术最早使用于以色列，是当今世界上最先进的节水灌溉技术之一，是应用于玉米生产上的一种新型灌溉技术[1]。在甘肃地区，天气干燥、日蒸发强度大，玉米膜下滴灌技术是将覆膜玉米技术与滴灌技术结合，覆膜可以减少株间蒸发，滴灌技术可以节约水资源，避免过多的水分渗漏。已有关于滴头间距研究结果表明，湿润峰交汇时间随滴头间距增大呈指数型增加，湿润体形状随着滴头间距的增大依次从1个近似半球体向近似半药囊形、半花生壳形及2个分离的近似半球体转变[2]。袁昌富等[3]研究表明，滴头间距大于30 cm时，沙土沿滴头连线方向的湿润均匀度减小，而垂直滴头连线方向和交汇区的湿润均匀度基本不随滴头间距而变化，但其交汇区土壤含水量却随滴头间距增大而明显降低。此外，滴头间距增大，可以减少系统投资，但是滴头间距过大可能会影响土壤的水氮分布不均，造成玉米产量降低，因此找到适合玉米的滴头间距对滴灌玉米的产量、经济效益有重要影响。

玉米是我国的主要粮食作物，而玉米种植密度的大小是直接影响玉米产量因素之一[4]。多数研究表明，玉米的种植密度与玉米的品种有直接的关系，并且环境条件也会影响玉米的种植密度。石元亮等[5]通过研究玉米种植密度对土壤水分运移的影响，得出玉米合理的种植密度可以明显提高土壤水利用率，充分发挥水肥促进玉米生长的作用。米尔古丽·吾拉孜别克[6]在赤峰地区进行玉米田间试验，玉米种植密度在67 500～83 250 株/hm2范围内，玉米产量、株高、茎粗及叶面积指数与种植密度呈二次曲线关系。徐厚成[7]研究玉米膜下滴灌适宜的种植模式得出，在内蒙古赤峰地区植株密度对玉米的产量有显著影响，吸水根长与植株密度呈二次曲线关系，茎粗与植株密度呈负相关关系，叶面积指数与密度呈正相关关系。目前，民勤地区玉米膜下滴灌的种植密度多以当地畦灌玉米的种植密度为参考，但是采用玉米膜下滴灌的灌溉方式可适当提高玉米的种植密度，没有充分发挥滴灌灌水方式的优点。因此，在甘肃民勤研究玉米滴灌种植密度，对民勤地区春玉米的增产增收有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4-10月在甘肃省民勤县新地村荣腾牧业进行，地理位置北纬38°37′，东经102°49′。地处甘肃省河西走廊东北部，石羊河流域下游。民勤县属温带大陆性干旱气候区，大陆性沙漠气候特征明显，冬冷夏热、降水稀少、昼夜温差大，年均降水量为127.7 mm，年均蒸发量2 623 mm，地下水埋深18～25 m。试验区表层土壤质地为砂壤土，下层土壤为壤土，0～60 cm土层内平均干容重为1.52 g/cm3，土壤硝态氮量为47.5 mg/kg。

1.2 试验设计

玉米试验对象采用民勤当地品种“先玉335”，采用(40+70 cm)宽窄行种植模式，滴灌带间距110 cm，玉米种植在滴灌带两侧，一管两行。滴灌小区设置长度为60 m，设置滴灌小区宽度5.5 m。使用内镶贴片式滴灌带，滴头流量2.0 L/h，玉米的播种深度为2～4 cm，使用厚度为0.008 mm的地膜覆盖于地面。种植密度方面在全生育期设置3种水平：97 500、105 000、112 500 株/hm2，简记为A1、A2、A3；滴灌带滴头间距方面设置3个处理：滴头间距分别为20、30、40 cm，简记为B1、B2、B3。膜下滴灌试验共计3×3=9个处理，每个处理设置3个重复，具体试验处理设置如表1所示。

表1 滴灌玉米试验处理设置表

1.3 测试及方法

(1)土壤含水量的测定：玉米每次灌水前取灌前土，灌水24 h后取灌后土，采用烘干法测定土壤灌溉前、灌溉后的土壤含水量。每个处理选取代表小区取3个测点，测点位置分别是滴灌带滴头处、距滴灌带水平距离10 cm、距滴灌带水平距离20 cm。每个测点取3层土，分别在土壤深度20、40、60 cm取土。

(2)土壤硝态氮的测定：抽穗期玉米生理活动增强，对硝态氮的需求最大，土壤中硝态氮含量变化幅度最大，因此在玉米抽穗期取灌水前、后土壤，每个处理的测点位置及取土方法与测定土壤含水量的取土位置相同。使用AA3型连续流动分析仪测量土壤中的硝态氮含量。

(3)玉米株高、茎粗的测定：抽穗期玉米生理活动旺盛，株高、茎粗达到玉米全生育期的最大值，因此测取抽穗期玉米的株高及茎粗。株高：测量玉米底端到顶端最长叶的长度；茎粗：测定玉米底端第一节茎的周长，除以3.14，算得茎直径。

(4)玉米田间耗水量：作物需水量由水量平衡公式计算确定，计算式为：

(1)

式中：ET1-2为阶段蒸发蒸腾量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数；ri为第i层土壤干容重，g/cm3；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1为第i层土壤在时段始的质量含水率，%；Wi2为第i层土壤在时段末的质量含水率，%；I为时段内的灌水量，mm；P为时段内有效降雨量，mm；K为时段内地下水补给量，mm，本试验地区可忽略不计；C为时段内的排水量，无地表排水，取C=0。

(5)玉米产量的测定：在玉米成熟期各处理每个小区取10 m长、4行宽的玉米进行考种，计算求得平均产量值即为该处理的产量值。

采用Excel 2013、Surfer 15作图，SPSS 18.0对数据进行处理、方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤体积含水率

本试验在甘肃民勤县进行的大田试验，春玉米灌浆期7月14日-8月6日，该时期基本无降雨，土壤含水量不受降雨的影响，同时地下水位较深，可以不考虑地下水补给。因此，灌水是影响土壤含水量增大的主要因素。图1是各处理7月29日灌水前后0～60 cm土壤含水量的变化图。试验地实测土壤平均田间持水率为25.1%，根据民勤地区春玉米的试验研究，春玉米抽穗期灌溉土壤含水量下限为田间持水率的80%，即根据土壤含水量是否达到灌水下限来确定灌水时间，灌水到土壤田间持水率。从图1可看出，灌水前后种植密度处理土壤含水量大小为A2>A3>A1，A2处理(种植密度105 000 株/hm2)土壤含水量最大，而A1处理(种植密度97 500 株/hm2)最小，但种植密度处理各土层变化趋势基本相同，说明种植密度对土壤含水率变化影响较小。滴头间距处理的土壤含水率大小为B3>B2>B1，即滴头间距40 cm处理土壤含水率最大，滴头间距20 cm处理的土壤含水率最小；此外，滴头间距越大，40～60 cm的土壤含水量变化梯度越大，说明在一定范围内，土壤的含水量随着滴头间距增大而增大，且分布于40～60 cm的水量越多。比较各处理可以看出，A2B3处理灌水前后的土壤含水率处于最高水平，而A1B1处理的土壤含水率最低，灌水前、后的土壤含水率处理A2B3比A1B1分别大19.5%、13.3%。种植密度105 000 株/hm2和滴头间距40 cm组合处理，土壤含水率处于较高水平，有利于春玉米的生长。

图1 不同处理灌水前后土壤体积含水率变化注：图例中Q代表灌水前，H代表灌水后，黑色虚线为田间持水率。

根据不同处理灌水前后土壤体积含水率变化图，处理A2B3的土壤含水率处于较高水平，因此选取A2B3处理作玉米全生育期土层20、40、60 cm的土壤含水率变化图，如图2所示。图2中三层土壤的平均田间持水率为26.5%，当土壤含水率降低到灌溉含水量下限时，需要灌水提高土壤含水率到田间持水率。从图2中得出，膜下滴灌玉米全生育期灌水9次，土层20 cm的土壤含水率始终处于最低水平，土层40、60 cm的土壤含水率较高，而土层60 cm的土壤含水率最大，与图1中土壤含水率随深度趋势变化相同。土层20、40、60 cm的平均土壤含水率分别为18.1%、22.6%、24.2%，土层60 cm比土层20、40 cm的土壤含水率分别大33.5%、7.0%。

2.2 不同处理玉米株高和茎粗变化

在西北旱区，环境条件对于玉米的株高和茎粗有重要影响。因此株高、茎粗是研究玉米耐旱性和倒伏性的重要生理指标[18]。表2为不同处理玉米各生育期株高(cm)和茎粗(cm)的数据分析表。

探究各处理株高变化规律：种植密度处理株高大小为A3>A2>A1，在本实验种植密度范围内，玉米株高随着种植密度增加而增大。滴头间距处理株高大小为B3>B2>B1，说明玉米株高随着滴头间距增大而增大。种植密度对于拔节期、成熟期玉米株高有显著影响，而对抽穗期、灌浆期玉米株高无显著影响，原因可能是玉米抽穗期、灌浆期有雄花，而玉米拔节期没有雄花，成熟期玉米雄花凋萎。滴头间距对抽穗期、灌浆期春玉米株高分别有极显著、显著影响，原因可能是抽穗期为玉米需水、肥敏感期，而灌浆期是玉米形成产量关键期[19]，滴头间距处理对土壤水氮分布有重要影响，选择合适滴头间距能为玉米提供良好的生长环境。

探究分析各处理茎粗变化规律：在一定种植密度范围内，玉米茎粗随着种植密度增大呈现先增大后减小的趋势，滴头间距处理玉米茎粗无明显变化规律。种植密度对玉米拔节期茎粗有显著影响，而对其他玉米生育期无显著影响。滴头间距对玉米各生育期茎粗无显著影响。

图2 处理A2B3玉米全生育期土壤体积含水率变化

表2 不同处理玉米株高和茎粗cm

注：*表示在P0.05水平下差异显著，**表示在P0.01水平下差异显著。a、b表示种植密度处理对株高、茎粗的统计显著性，A、B表示滴头间距处理对株高、茎粗的统计显著性。

2.3 不同处理硝态氮分布变化

探究各处理施肥前后土壤硝态氮的分布规律，选取7月29日施肥前后的硝态氮变化量，分析水平方向(与滴头距离)0～20 cm和垂直方向0～60 cm硝态氮含量变化。种植密度与滴头间距对硝态氮分布的影响如图3所示。

比较图3(d)、(e)、(f)可得，相同滴头间距条件下，不同种植密度处理的土壤中硝态氮分布基本相同。图3(b)中A2B1硝态氮变化量在距离滴灌带10 cm位置含量最大，原因可能是10 cm处地势低洼，造成灌溉水在此处积聚，土壤硝态氮含量较大。

探究滴头间距对土壤硝态氮的分布规律：比较滴头间距处理B1、B2、B3，水平方向20 cm处硝态氮变化量B1>B2>B3，滴头间距20 cm处理硝态氮运移最远，滴头间距40 cm处理硝态氮运移的最近。对比滴头间距处理B1、B2、B3，垂直方向深度60 cm处硝态氮变化量B3>B2>B1，滴头间距40 cm处理硝态氮垂直运移最深，滴头间距20 cm处理硝态氮垂直运移最浅。说明滴头间距40 cm处理在相同的灌水定额下，灌水时间最长，养分随水分垂直下渗量最多。

土壤硝态氮含量随土层深度和水平距离增大而递减，水平方向递减率随距离增大而减小，垂直方向递减率随土层深度增大而减小。随滴头间距增大，滴头周围湿润半径减小，硝态氮随水分在土壤中的径向运移距离减小，竖向运移量增大。

2.4 玉米田间耗水量和产量

通过各处理的玉米产量构成因素分析、耗水量，分析得出影响玉米产量的主要因素。表3为不同玉米处理产量构成因素、产量、生育期耗水量及水分利用效率。从表3得出：种植密度对玉米的秃尖长、穗粒数、百粒重有显著性影响，但对玉米产量没有显著影响。种植密度A2处理玉米秃尖最长,玉米百粒重随玉米种植密度增大呈现先增大后减小的趋势，说明种植密度增大到一定程度后，种植密度继续增大会影响玉米的灌浆而使玉米粒重降低，与侯月等[20]的研究得出结论基本一致。种植密度处理产量大小为：A2>A3>A1，处理A2产量相对最大，为14 585.8 kg/hm2。全生育期耗水量大小为：A1>A2>A3。

滴头间距对玉米的百粒重、生育期耗水量及水分利用效率有显著影响，对玉米的产量有极显著影响。随着滴头间距增大，玉米的百粒重、生育期耗水量及水分利用效率都逐渐增大。滴头间距处理玉米全生育期耗水量B1>B3>B2，处理B1的耗水量大，但玉米产量最低，相应的水分利用效率最小；滴头间距B3的玉米产量最高，其玉米全生育期耗水量处于中间水平，但水分利用效率最大。滴头间距处理产量大小为：B3>B2>B1，处理B3的产量最大，达15 986.5 kg/hm2。

图3 各处理土壤硝态氮剖面分布 注：图中具体数值含义为7月29日施肥前后土壤硝态氮含量变化，单位mg/kg。坐标原点为滴头位置，横坐标为距滴头水平距离，0～20 cm；纵坐标为土壤垂直方向的深度，0～60 cm。土壤硝态氮变化量越大图中颜色越深。

3 讨 论

不同玉米种植密度处理之间的土壤含水量存在差异，种植密度A1处理，0～60 cm土壤含水量处于较低水平，出现该现象主要有3种原因：①“先玉335”玉米本身的遗传特性、甘肃干热天气环境等因素造成的；②“先玉335”种植密度小，植株叶面并不能完全覆盖地表，株间蒸发量大；③田间小气候更适于杂草的生长，杂草消耗了部分水分。A2种植密度处理，在3种玉米密度处理中土壤含水量处于最大值，土壤水分状况良好，更适合玉米的生长。滴头间距处理的0～60 cm土壤含水量随深度增大逐渐减小。在相同玉米种植密度下，滴头间距越大，深层土壤含水量越大。处理B1沿水平方向土壤含水量大于B2、B3，深度方向土壤含水量小于B2、B3；处理B3水平方向含水量最小，垂直方向含水量最大。说明滴头间距越大，土壤湿润半径越小，深层土壤含水量越大。处理B1比B2、B3玉米的全生育期耗水量分别大3.0%、1.2%，分析原因为：滴头间距20 cm处理灌水后，分布于表层土壤水量较多，玉米株间地面蒸发较多。

表3 不同处理玉米产量、耗水量及水分利用效率

注：*表示在P0.05水平下差异显著，**表示在P0.01水平下差异显著。a、b表示种植密度处理对各个因素的统计显著性，A、B表示滴头间距处理对各因素的统计显著性。

玉米的株高、茎粗、穂位高及叶片等的差异主要由品系自身特性决定[21]，本试验玉米的种植密度处理对于玉米茎粗生理指标的影响并不显著。一定范围内玉米茎粗随着玉米种植密度增大呈现先增大后减小的趋势[11]，与本试研究结果差异较大，原因可能是“先玉335”品种遗传特性造成的。玉米株距对土壤中硝态氮、全氮分布等影响较小[22]，本试验通过改变玉米的株距而该改变玉米的种植密度，与本试验玉米种植密度对于土壤硝态氮分布影响较小的结论相同。文献中滴头流量越小，玉米的最长根越长，根系呈窄深式分布[23]。本试验研究发现滴头间距大，土壤硝态氮分布呈窄深式分布；滴头间距小，土壤硝态氮分布呈宽浅式分布。滴头间距40 cm硝态氮分布与根系分布形状区域基本相同，能为玉米生长提供更好的水氮环境。不同滴头间距为作物生长提供的土壤水氮环境有所差异，进而影响作物的耗水规律。

玉米种植密度对玉米产量没有显著影响，分析原因是：A2处理的玉米粒重较另外两个密度处理最大，但处理A2的单株玉米穗粒数是最少的，两种产量构成因素造成种植密度处理对产量无显著影响，种植密度通过影响玉米的穗粒数和粒重而影响玉米的产量。滴头间距处理B3的玉米籽粒最重，但滴头间距对单个玉米粒数基本没有影响，从而滴头间距对玉米产量有显著影响，滴头间距通过影响玉米的粒重而影响产量。玉米种植密度和滴头间距对玉米的产量影响程度不同，滴头间距对玉米产量的影响占主要地位。

4 结 语

(1)种植密度对玉米产量没有显著性差异，但玉米产量随着密度增加呈先增大后减小的趋势，“先玉335”最佳种植密度在105 000 株/hm2左右。

(2)滴头间距对土壤水氮分布影响显著，滴头间距通过影响土壤中水氮分布，进而影响玉米产量，玉米产量随着滴头间距增大而增大。

(3)处理A2B3在各处理中产量最高，达15 986.5 kg/hm2，且水分利用效率最大，为3.52 kg/m3。所以A2B3为最优组合，种植密度105 000 株/hm2和滴头间距40 cm可作为民勤地区春玉米膜下滴灌的技术参数。