不同施氮水平下增密对玉米产量及抗倒伏性状的影响

刘佳敏 汪洋 牛金璨 张志如 刘志彬 朱秋会 叶优良 黄玉芳

摘要：本文旨在探究不同施氮水平下增密对玉米产量及抗倒伏性状的影响，为制定大田玉米的种植密度和施氮量提供理论依据。试验结合两种玉米品种、两种密度、三种施氮水平，分析比较不同处理对玉米产量、抗倒伏性状及经济效益的影响。结果表明，本试验条件下品种之间相比，‘北青340’在产量、茎粗及抗折力方面均处于较高水平，故‘北青340’在产量和抗倒伏方面都要强于‘登海605’。干物质量出现差异后，各生育阶段干物质均表现为N180>N360>N0；株高、穗位高不能单独作为判断倒伏性能的标准，基部节间茎秆抗折力的提高可以降低作物长高带来的倒伏风险。增密提高了经济效益，同时也增加了倒伏风险；相同密度条件下，抗倒伏性状在N180水平下表现最好，不施或者过量施肥反而会提高玉米的倒伏风险。

关键词：玉米；倒伏；氮肥；种植密度；产量

中图分类号：S513文献标志码：A论文编号：cjas20191200296

Effects of Densification on Corn Yield and Lodging Resistance Under Different Nitrogen Levels Liu Jiamin， Wang Yang， Niu Jincan， Zhang Zhiru， Liu Zhibin， Zhu Qiuhui， Ye Youliang， Huang Yufang

（Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， Henan， China）

Abstract： The paper aims at exploring the effect of density increasing on corn yield and lodging resistance under different nitrogen application levels， so as to provide a basis for establishing planting density and nitrogen application amount of corn in field. With two corn varieties， two densities and three nitrogen levels， we studied the effects of different treatments on yield， lodging resistance and economic benefits. The results showed that the yield， stem diameter and bending resistance of‘Beiqing 340’were higher than those of‘Denghai 605’. Under the condition of high density， the yield of‘Denghai 605’was significantly reduced by applying excessive nitrogen fertilizer. The dry matter of each growth stage was N180> N360 > N0； plant height and ear height could not be used as the standard for judging lodging performance alone， and the improvement of basal internode stem bending resistance could reduce the lodging risk that increased with the crop growth. To increase the planting density would raise the economic benefits as well as the lodging risk. Under the same density， the lodging resistance was the best at N180 level， no or excessive fertilization would both increase the lodging risk.

Keywords： Maize； Lodging； Nitrogen Fertilizer； Planting Density； Yield 0引言

在中國玉米的种植面积仅次于水稻和小麦，位于杂粮之首。近些年玉米平均产量为5578 kg/hm2[1]，是我国产量最高的粮食作物，在粮食生产中具有重要地位。玉米种植的品种、密度以及施氮量都是玉米生长发育的限制因子，对玉米高产高效调控具有重要意义[2]。

种植密度通过影响水、肥、气、热等环境因子而对玉米的生长发育产生影响[3]，密度会对玉米的茎秆性状、根系发育、株高、穗位高、空秆率等各方面造成影响[4-5]。过高的种植密度会导致玉米茎秆柔弱，根系发育不良，易产生倒伏[6]，倒伏率每增加1%，玉米产量大约减少108 kg/hm2[7]，难以达到玉米高产的目的。当种植密度过低时，单株玉米的穗重会达到较高水平，但单位面积的穗数较少，成为限制玉米高产的主要因素。因此合适的种植密度可以调节作物对水、肥、气、热的吸收与利用，达到增产的效果。

氮素是玉米生长过程中所必需的营养元素，对玉米的生长代谢和增产有重要作用[8]，是农业生产上施用量最多的肥料，易镇邪等[9]研究表明：增施氮肥可以提高玉米营养器官的氮素运转率、干物质积累量，并且增加施氮量提高玉米营养器官氮素转运量及其对籽粒氮的贡献率。但当施肥量超过一定范围时会使玉米的产量降低，同时氮肥的过量使用造成肥料的利用率降低[10]（有前人指出，我国玉米的氮素利用效率仅仅是26.1%，远低于国际平均水平33%[11]）、肥料大量流失、环境严重污染，加剧了环境问题[12-13]。因此合理施用氮肥对玉米高产高效和环境保护具有重要意义。

选择耐密抗倒伏的玉米品种是玉米高产的重要措施之一。在生产中，人们通过增加密度和施氮量来提高产量，但随着种植密度和施氮量的增加，玉米抗倒伏性能显著降低，倒伏率显著提高。玉米倒伏问题随着农业生产力的发展和玉米产量水平上升导致的矛盾越来越突出，很大程度上制约着玉米的生产。增加种植密度可显著提高产量，但是随着种植密度的提高，玉米茎秆形态性状发生改变，比如株高上升，穗位上升即重心上移；细胞结构也发生变化，如表皮细胞体积变大、延长，导致细胞壁变薄，从而削弱机械组织的强度及韧性。这些变化最终导致茎秆的抗倒能力下降[14-15]。张丽琼[16]研究发现密植导致的抗倒伏能力的下降可以通过降低施氮量来补偿，低氮高密种植可以提高产量同时提高小麦抗倒伏能力。这一点也值得在玉米上参考借鉴，加以研究。张倩等[17]的研究试验结果显示一定施氮范围内，施氮量与倒伏率的相关系数为-0.88。其原因可能是适量的增施氮肥增加单个维管束面积，降低维管束密度，提高玉米表皮厚度，增加玉米含氮量，提高茎秆质量，是茎秆抗折强度增加，从而降低倒伏率。

本研究选择不同耐密型玉米品种，结合不同种植密度和施氮水平，研究了不同玉米品种干物质积累、氮素利用效率和抗倒伏性状的差异形成。深入研究玉米倒伏规律和抗倒性机制，以期在保证不倒伏的前提下，选用适合的密度和氮肥达到产量最大化，同时为选育抗倒伏新品种提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2018年6—9月在河南省禹州市顺店镇康城村（113°34′E， 34°26′N）进行，当地属于暖温带半湿润型季风气候，玉米生育期内日均气温和降雨量分别为26.4℃、314.3 mm，仅靠降雨无法满足玉米生长，本试验分别于7月中旬和8月中旬进行了浇灌。试验田块土壤类型为潮土，质地为粘壤，播前耕层（0～30 cm）土壤pH 8.2、有机质含量为16.3 g/kg，全氮为1.04 g/kg、速效磷为20.0 mg/kg，速效钾为113.7 mg/kg，土壤容重为1.43 g/cm3。前茬作物为小麦，秸秆全部还田。

1.2试验设计

本研究以适宜密度为52500～67500株/hm2的普通品种‘登海605’和适宜密度为67500～75000株/hm2的耐密品种‘北青340’为供试材料，试验设置两个不同密度：52500、75000株/hm（2分别用LD、HD表示），3个不同的氮水平：0、180、360 kg N/hm2（分别用N0、N180、N360表示）。氮肥为尿素（含N 46%），1/2在五叶期施，1/2在大喇叭口期追施。磷肥为过磷酸钙（含P2O5 12%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），磷、钾肥用量均为90 kg/hm2，均作基肥一次性施用。试验共有12个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积30 m2。试验于6月7日进行人工玉米摆播，不同种植密度播种时行距均为0.6 m，株距则依据密度换算获得（分别为32 cm和22 cm），9月25日收获。田间管理与当地保持一致，3～5叶期进行化学除草，拔节期防治病虫害。

1.3测定项目及方法

1.3.1土壤的理化性状玉米播种前取0～30 cm的耕层土壤，测定土壤基础理化性状。用电位法测定土壤pH（水土比2.5：1）；用重铬酸钾容量法测定有机质；用凯氏定氮法测定土壤全氮；用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷；用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾。

1.3.2植株样的采集与测定成熟期选取各处理中间4行人工连续收获40株玉米，晒干后脱粒称重，籽粒含水量均以国家商品粮贮藏标准含水量13%折算。

于灌浆期各小区选择有代表性的玉米5株，选取第3节间，采用植物茎秆强度测定仪（YYD-1B）测定植株抗折力。

于拔节期（播种后30天）、大喇叭口期（播种后45天）、抽雄期（播种后60天）、灌浆期（播种后75天）、成熟期（播种后105天）选取具有代表性的玉米3株，采集地上部植株样，分为茎、叶、穗（成熟期分为籽粒和穗轴）三部分，105℃杀青30 min后，于70℃烘干至恒重后计重，植株样品粉碎后过1 mm筛备用待测养分。采用H2SO4-H2O2法消煮，定容后過滤得到待测液，用AA3流动注射分析仪测定植株全氮含量。相关公式见公式（1）～（4）。

1.4数据处理及分析

数据进行方差分析（ANOVA），不同处理之间数据多重比较采用Duncan新复极差法检验（P<0.05）。采用Data Processing System（DPS数据处理系统）、Origin Pro （2016）软件处理数据和绘图。

2结果与分析

2.1不同施氮水平下增密对玉米产量构成因素及产量的影响

由表1可知，两个玉米品种的产量在增密后均增加，对于‘北青340’百粒重与穗粒数在不同密度下无显著差异，对于‘登海605’在不同密度下百粒重无显著差异，但是穗粒数低密高于高密差异显著。在同为低密处理下，随着施氮量的增加品种‘北青340’的百粒重和产量呈先增后减的趋势且百粒重差异显著，产量差异不显著；穗粒数呈递增的趋势差异不显著。而对于‘登海605’随着施氮量的增加百粒重、穗粒数和产量均呈现先增后减的趋势，百粒重差异显著，而穗粒数和产量差异不显著。在同为高密度处理时，‘北青 340’随着施氮量的增加百粒重、穗粒数、产量都呈先增后减的趋势且差异均不显著。‘登海605’随着施氮量的增加百粒重、穗粒数和产量均呈先增后减的趋势，但百粒重和产量差异显著而穗粒数差异不显著。说明投入过高的施氮量反而会使玉米的减产。

2.2不同施氮水平下增密对玉米干物质积累的影响

玉米干物质量随生育期生长表现为拔节-灌浆阶段快速上升，灌浆-成熟阶段干物质缓慢上升（图2）。增加播种量提高了各生育期玉米的干物质量，同一品种于灌浆期密度间干物质量差异达最高。两个品种，成熟期干物质均表现为N180>N360>N0。低密种植条件下，于抽雄期始‘北青340’在N0处理下的干物质显著低于施氮处理；高密种植条件下，施氮处理间的干物质量差异在大喇叭口期已经呈现显著差异。与‘北青340’不同，‘登海605’氮水平间干物质差异在灌浆期表现出明显差异。

2.3不同施氮水平下增密對玉米氮素利用效率的影响

氮肥农学利用率、氮肥偏生产力反映了氮肥吸收对作物产量的影响，二者呈现趋势相近。同一品种，施氮降低了玉米氮肥农学利用率、氮肥偏生产力。N180水平下，增加种植密度可以提升其氮肥农学利用和氮肥偏生产力。氮素收获指数表征了氮素在植株体内被生殖器官吸收利用的能力，随施氮量增加，玉米氮素收获指数降低，更多的氮素滞留在秸秆中难以转运至籽粒，提高密度则进一步降低了作物的氮素收获指数。

2.4不同施氮水平下增密对玉米经济效益的影响

由于养分管理的不同导致不同处理间产值和经济效益不同（表3）。两个品种均在高种植密度条件下N180水平时产值达到最大，且‘北青340’最大产值要高于‘登海605’。通过增施肥料或者播种量提高产值的同时也提高了肥料和种子的成本。扣除成本后，玉米最高经济收益处理和最大产值处理一致，均发生在高密条件下N180水平。‘北青340’的平均经济效益相比‘登海605’提升了22.4%；增密后，‘北青340’、‘登海605’的经济效益分别提升了39.0%、39.0%

2.5不同施氮水平下增密对玉米抗倒伏性能的影响

‘北青340’平均株高相比‘登海605’增长9.8%，这是由遗传因素决定的（表4）。低氮条件下，‘北青340’在株高上随施氮量提高而上升；高密条件下，‘北青340’株高不受施氮量影响。‘登海605’在低密条件下受氮肥用量影响较小，高密条件下施氮则显著提高了株高。基部第四节茎粗在不同处理间均表现为N180> N360>N0，相同氮水平下品种‘北青340’的茎粗随密度增加而降低。茎粗直接影响了茎秆的抗折力，处理间抗折力变异系数为29.7%，远高于茎粗变异系数11.7%，说明茎粗的细微变化对提升抗折拉力非常有效。

两个玉米品种的最大穗位高均在高密N0处理上表现最大。茎粗系数、穗位高系数是决定玉米抗倒伏能力的关键参数，茎粗系数越大，穗位高系数越低则表明抗倒伏性能越佳。综合来看，两个品种均在低密条件下施氮达180 kg/hm2时抗倒伏性能最好，而高密条件下不施氮处理的抗倒伏性能最差。相比‘登海605’，‘北青340’茎粗系数提高3.3%，而穗位高系数下降了9.7%。重心高度由穗位高和棒重有关，重心高度越大则倒伏风险越大。‘北青340’重心高度在低密条件下随施氮量增加而上升，这与其在高密度条件下的表现是相反的；‘登海605’在低密、高密条件下重心高度均表现出随施氮量增加而降低。

抗倒性状与籽粒产量间相关性分析显示产量与株高、茎粗、抗折力密切相关，这三项指标是产量提升的关键，并且株高与茎粗、抗折力间呈显著正相关关系，与穗位高系数呈显著负相关，说明一定范围内提升株高，可以改善作物抗倒性同时提升产量。抗折力是反映茎秆拉伸强度的重要指标，它与株高、茎粗、茎粗系数、重心高度呈显著正相关关系，与穗位高系数呈显著负相关，说明株高、重心高度上升带来的倒伏风险，可以通过茎秆抗折力的改良进行弥补，从而保证作物高产且具高抗倒性能。

3讨论

3.1种植密度、施氮量对不同玉米品种干物质量及产量因子的影响

玉米生产是一个种群过程[18]，增加一定的种植密度则玉米群体的干物质积累量和产量会相应地有所增加[19-20]，而增施一定量的氮肥能促进玉米的生长，从而获得更高的干物质积累量和产量。在本试验中，施氮量和密度的相互作用能有效提高玉米干物质积累和玉米的产量，其中高密度情况下玉米的干物质、氮素积累以及玉米产量都高于低密度，与尤艳华[21]等研究一致。而在同一密度水平下，玉米的干物质积累量总体呈现先增加后减少的趋势，即N180>N360>N0。产量随着施氮量的增加也呈先增后减的趋势[22]，说明施氮量过高时反而会抑制玉米的生长，不利于玉米增产，这与曹胜彪[23]等人的研究结果一致。另外两品种的氮肥农学利用效率和偏生产力随密度的增加而有所提高，但随着施氮量的增加而降低，因此增密减氮能有效提高玉米氮肥农学利用率和偏生产力，这与魏淑丽[24]等人的研究结果一致。

曹玉军[25]等人认为玉米的百粒重、穗粒数、穗数都是影响玉米产量的重要因素。对于耐密品种，高密度处理下的玉米百粒重和穗粒数均低于低密度处理，百粒重差异较显著，这与蔡红光[26]等研究一致，而穗粒数差异不显著；对于不耐密品种，高密度处理下的玉米百粒重低于低密度，差异不显著，而穗粒数则是低密度高于高密度，并且差异显著，说明密度对耐密品种的影响主要表现在百粒重。

3.2种植密度、施氮量对不同玉米品种抗倒伏性状的影响

增密、增施氮肥可以带来更多的经济效益，但同时也增加了玉米倒伏的风险[27]。两个品种均在高种植密度条件下N180水平时产值达到最大，且‘北青340’最大产值要高于‘登海605’。‘北青340’的平均经济效益相比‘登海605’提升了22.4%；增密后，‘北青340’、‘登海605’的经济效益分别提升了39.0%、39.0%。玉米茎秆的抗折力和重心高度对玉米的倒伏性能有直接影响[28]，重心高度越低茎秆的抗折力越大玉米的抗倒伏性能越强[29-30]。‘北青340’玉米的重心高度在低密条件下随施氮量的增加而增大，在高密条件下随施氮量的增加而降低，而‘登海605’在高密、低密条件下重心高度均随施氮量的增加而降低；两种玉米品种的茎秆抗折力在施氮处理下低密显著高于高密，并随施氮量的增加而降低。综合来看，两个品种均在低密条件下施氮量为180 kg/hm2时抗倒伏性能最好，而高密条件下不施氮处理的抗倒伏性能最差。

4结论

品种之间相比，‘北青340’在产量、茎粗及抗折力方面均处于较高水平，故‘北青340’在产量和抗倒伏方面都要强于‘登海605’。籽粒产量及抗倒伏性状与株高、茎粗、抗折力紧密相关，同时株高与茎粗、抗折力间呈显著正相关关系，与穗位高系数呈显著负相关，说明一定范围内提升株高，可以改善作物抗倒性同时提升产量；相同密度条件下，抗倒伏性状在N180水平下表现最好，不施或者过量的氮肥投入反而存在较高的倒伏风险。

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