种植密度和施氮量对小麦-玉米轮作体系下周年产量及氮肥利用率的影响

刘佳敏 汪 洋 褚 旭 齐 欣 王慢慢 赵亚南 叶优良 黄玉芳

（河南农业大学资源与环境学院，450002，河南郑州）

小麦-玉米轮作是我国华北地区大田主要的种植模式，小麦和玉米产量高低不仅关系到农户经济收益，更关乎我国的粮食安全。随着农业产业结构的调整，小麦-玉米轮作作为一种重要的耕作制度，在提高粮食产量和发挥土壤潜力中起到了重要作用。小麦和玉米作为典型禾本科作物，其产量由单位面积穗数、穗粒数和粒重组成，尤以单位面积穗数与产量关系最为密切。生产上提高单位面积穗数的方式主要有施用氮肥和密植[1]。

种植密度对作物个体和群体的影响主要基于营养生长方面横向调节个体和群体的发展。种植密度作为群体发展的基础，决定着作物群体结构，进而影响其对光照、水分和矿质营养等资源的竞争。适宜的密度不仅有利于建立合理的群体结构，实现群体质量高、个体健壮、个体和群体间协调生长，还有利于同化物的产生和积累[2]。

氮肥施用是影响作物产量的另一个关键因素。禾本科作物分蘖前期，施氮可以提高分蘖数，该时期分蘖数显著正相关于成熟期的单位面积穗数[3]。与不施氮相比，合理施氮后产量显著上升，而氮肥过量施用不仅难以继续提升作物产量，甚至出现减产趋势，长期过量施氮则会导致硝态氮在土壤中过度累积，增加水体和大气污染及生态恶化的风险[4]。

建立适宜的群体结构可以获得高产，而群体的发育和产量形成主要受氮肥和密度的影响。研究表明，合理的密度是作物利用光热资源构建良好群体结构及优化群体光合生理指标的基础，适宜的氮肥施用量是适宜密度条件下充分发挥群体优势进行光合生产的营养物质保障，它可以通过影响穗粒数和粒重来影响产量，在作物生产中，二者要高度协调[5-7]。前人研究表明，通过增加密度和减少氮肥施用量，或者在低密度下适当增施氮肥都可以培育合理群体，获得高产[8]。氮肥和密度间具有一定的互补效应，探明作物生长发育中二者的相互作用机制对于深入挖掘作物的产量潜力，提高氮肥利用率具有重要的理论意义。

为追求高群体数量、保障出苗率和减少田间缺苗断垄，在小麦实际生产中农民往往过量播种，且氮肥投入量大[9]。调查表明，黄淮海区域冬小麦生产中氮肥平均用量为253.5kg N/hm2，种植密度平均为214.5kg/hm2，18.0%的农户小麦种植密度甚至达到了300kg/hm2以上，而推荐的氮肥用量范围为180～270kg N/hm2，播量为90～150kg/hm2[10]。玉米生产中农民习惯种植密度平均为60 000株/hm2，而专家推荐种植密度为67 500～75 000株/hm2[11]。因此，本研究旨在为不同的种植密度匹配适宜的氮肥用量，以达到最佳经济效益和氮素利用率，最终实现农户粮食生产的高产高效。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在河南省禹州市康城村（34°27′N，113°34′E），土壤类型为潮褐土，质地为黏壤土，播前耕层（0～30cm）土壤pH值8.2，全氮1.04g/kg，有机质16.3g/kg，速效磷20.0mg/kg，速效钾113.7mg/kg。

1.2 试验设计

于2018年6-9月进行玉米季试验，2018年10月-2019年6月进行小麦季试验，种植模式为小麦-玉米轮作。玉米季2个供试品种为北青340和登海605；2个种植密度：52 500株/hm2（农民习惯）和75 000株/hm2（专家推荐）；3个施氮水平：0、180和360kg N/hm2，分别用N0、N180和N360表示。氮肥施用尿素（含N 46.4%），1/2在五叶期施用，1/2在大喇叭口期追施；磷肥和钾肥分别为过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（K2O 60%），均在播种时一次性基施，施用量均为90kg/hm2。试验分为农民习惯种植密度区和专家推荐种植密度区，共有12个处理，每个处理3次重复，裂区设计，小区面积30m2。

玉米季试验收获后，在相同田块上继续开展小麦季试验。小麦季2个供试品种为矮抗58和百农207；2个种植密度：187.5kg/hm2（农民习惯）和112.5kg/hm2（专家推荐）；3个施氮水平：0、180和360kg N/hm2，分别用N0、N180和N360表示。氮肥施用尿素（含N 46.4%），1/2基施，1/2在拔节期追施；磷肥和钾肥分别为过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（K2O 60%），均在播种时一次性基施，施用量均为90kg/hm2。

玉米季于2018年6月7日播种，在三叶期进行田间定苗，2018年9月25日收获。小麦季于2018年10月15日播种，2019年6月1日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性状 于玉米播种前采集0～30cm耕层土壤，测定土壤理化性质。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含量；用凯氏定氮法测定土壤全氮含量；用0.5mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量；用1mol/L醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。

1.3.2 植株样品采集与测定 在玉米季，于拔节期（播种后30d）、大喇叭口期（播种后45d）、抽雄期（播种后60d）、灌浆期（播种后75d）和成熟期（播种后105d）在各小区连续采集代表性的5株玉米，在105℃下杀青30min后，在70℃下烘至恒重，称重。收获期在各小区采集30株玉米，用小型谷物脱粒机进行脱粒，风干后称重计产。

在小麦季，于苗期（播种后75d）、越冬期（播种后134d）、返青期（播种后156d）、拔节期（播种后175d）、开花期（播种后191d）、灌浆期（播种后205d）和成熟期（播种后226d）连续选取具代表性的10株小麦，105℃杀青30min后，70℃烘干至恒重，称重。收获期在各小区收割5m2样方，用小型谷物脱粒机进行脱粒，风干后称重计产。

植株样品粉碎后过1mm筛，用于测定养分含量。用H2SO4-H2O2消煮，定容后过滤得到待测液，用凯氏定氮法测定植株全氮含量。

1.3.3 数据分析 采用 Microsoft Excel、DPS 数据处理系统和Origin软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 种植密度对不同施氮水平下作物产量及其构成因子的影响

在小麦试验中，相比农民习惯种植密度，专家推荐处理下矮抗58和百农207分别增产10.0%、15.7%（图1）。相同播量下，品种矮抗58产量在N0处理下均显著低于施氮处理N180和N360，而产量在N180和N360处理间没有明显差异。专家推荐种植密度下，百农207产量在N180水平下达到最高，继续增施氮肥至360kg N/hm2，产量略下降；农民习惯种植密度下，百农207产量在不同施氮水平下基本一致。相比农民习惯种植密度，专家推荐处理下玉米品种北青340和登海605产量分别提高22.7%和17.8%（图1）。相同种植密度条件下，两个玉米品种籽粒产量都在N180水平下达到最高，均显著高于N0处理；继续增施氮肥至360kg N/hm2，品种北青340籽粒产量略下降，但未达显著水平，登海605籽粒产量则显著降低，与不施氮处理的产量相近。

图1 种植密度对不同施氮量下不同品种小麦和玉米产量的影响Fig.1 Effects of planting density and nitrogen application rate on the yields of different varieties of wheat and maize

由表1可知，在农民习惯种植密度条件下，矮抗58在不同施氮水平下穗数差异显著；在专家推荐种植密度下，矮抗58的穗数在N0处理下均显著低于施氮处理N180和N360。不同种植密度间矮抗58的穗粒数没有显著差异。专家推荐种植密度下，百农207穗数在N180水平下达到最高，继续增施氮肥至360kg N/hm2，穗数略微下降；农民习惯种植密度下，百农207的产量在施氮处理下基本一致。在农民习惯种植密度条件下，玉米品种北青340在不同施氮处理下穗粒数差异不显著，粒重在N180处理下达到最大；在专家推荐种植密度下，北青340的穗粒数和粒重均在N180处理下达到最高，继续增施氮肥至360kg N/hm2，穗粒数和穗数均略下降。

表1 种植密度对不同施氮量下不同品种小麦和玉米产量构成因子的影响Table 1 Effects of planting density and nitrogen application rate on yield components of different wheat and maize varieties

2.2 种植密度对不同施氮水平下作物干物质累积的影响

小麦干物质量随生育期的生长而增长（图2）。不同种植密度条件下，矮抗58成熟期干物质量在N180处理条件下均最大；在农民习惯种植条件下，于越冬期始矮抗58在N0处理下的干物质低于施氮处理。在专家推荐条件下，百农207成熟期干物质量表现为N360＞N180＞N0，同时，于开花期开始百农207在N0处理下的干物质量显著低于施氮处理。

图2 种植密度对不同施氮量下不同品种小麦干物质的影响Fig.2 Effects of planting density and nitrogen application rate on dry matter amounts of different wheat varieties

玉米干物质量随生育期生长表现为拔节至灌浆阶段快速上升，灌浆至成熟阶段干物质缓慢上升（图3）。增加种植密度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。两个玉米品种成熟期干物质均表现为N180＞N360＞N0。农民习惯种植条件下，于抽雄期始北青340在N0处理下的干物质量显著低于施氮处理；专家推荐种植条件下，施氮处理间的干物质量在大喇叭口期已经呈现显著差异。与北青340不同，不同氮水平间登海605干物质量在灌浆期表现出明显差异。

图3 种植密度对不同施氮量下不同品种玉米干物质量的影响Fig.3 Effects of planting density and nitrogen application rate on dry matter amounts of different maize varieties

2.3 种植密度对不同施氮水平下作物氮素利用效率的影响

由表2可知，周年下氮肥农学利用效率和氮肥生产力效率在相同种植条件下均随着施氮量的增加而降低。氮肥农学利用率和氮肥偏生产力可以反映氮肥吸收对作物产量的影响。不同种植密度条件下，小麦品种矮抗58与玉米品种北青340的周年氮肥农学利用效率与氮肥回收利用率在相同施氮水平时差异不显著，周年氮肥偏生产力差异显著。不同种植密度条件下，小麦品种百农207与玉米品种登海605的周年氮肥农学利用效率在N180水平下差异显著，周年氮肥偏生产力与氮肥回收利用率在N180水平下差异不显著。

表2 种植密度对不同施氮量下不同品种小麦和玉米氮素利用效率的影响Table 2 Effects of planting density and nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of different wheat and maize varieties

2.4 种植密度对不同施氮水平下经济效益的影响

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）。整体来看，两种作物在相同氮水平下，专家推荐种植密度条件下的产值与经济效益高于农民习惯种植密度条件。通过增施肥料或者提高种植密度来提高产值的同时也提高了肥料和种子的成本。扣除成本后，两种作物经济收益均在专家推荐种植密度条件下N180水平处理时最高。

表3 种植密度对不同施氮量下不同作物经济效益的影响Table 3 Effects of planting density and nitrogen application rate on economic benefits of different crops 万元/hm2 ×104 yuan/hm2

3 讨论

农民习惯与专家推荐的种植密度存在明显差异。小麦上，与专家推荐种植密度相比，农民习惯种植密度要多播种75kg/hm2，增加了成本，不利于经济效益的增加。玉米上，与专家推荐种植密度相比，农民习惯种植密度少播种22 500株/hm2，忽略了作物群体内光、温、水和肥等资源的合理安排，不利于产量的提升。本试验通过匹配不同的种植密度和氮肥用量发现，小麦和玉米经济效益均在专家推荐种植密度下施氮水平为180kg N/hm2时达到最高，分别为2.59万元/hm2和2.39万元/hm2，与农民习惯种植密度相比，小麦和玉米经济效益分别提高了25.7%和44.0%。

适宜的群体结构和施氮量是小麦和玉米获得高产的重要栽培措施。黄波等[12]研究认为，施氮量和密度对籽粒产量有显著的互作效应，增加施氮量可促进穗部发育，增加穗粒数，但粒重显著降低，相反种植密度的增加虽然降低了穗粒数和粒重，却增加了穗数，壮大群体数量，弥补了个体的不足[13-14]。李玮等[15]认为，在淮北砂姜黑土区秸秆全量还田下适宜的氮肥量为202.5～243.0kg/hm2。赵竹等[16]研究表明，2.4×106株/hm2为淮北地区小麦适宜的种植密度。本试验中，不同种植密度与氮肥施用量组合对产量均有影响。小麦品种百农207在专家推荐种植密度N180水平下穗数最高，达到35.22×104/hm2，同时产量达到最高，为8 703.35kg/hm2，继续增施氮肥至360kg N/hm2，产量略下降。王帅等[17]研究表明，随施氮量增加，玉米产量呈先上升后下降的趋势，适量施氮可以促进玉米果穗顶部籽粒发育，增加穗粒数，提高产量；而施氮不足或过量，则产量降低。孟战赢等[18]研究表明，玉米产量随密度的增加呈先增加后降低的趋势。王宜伦等[19]认为增加种植密度可显著提高玉米产量。本试验中，在一定范围内增加种植密度和施氮量可以提高作物的产量，改善其产量构成因素，玉米的最适种植密度为75 000株/hm2，最适施氮量为180kg N/hm2。

本研究表明，氮肥农学利用率与偏生产力均随施氮量的增加而降低。

4 结论

与农民习惯种植密度相比，专家推荐种植密度改善了氮素利用效率，提高了作物产量与经济效益，专家推荐处理下小麦产量提高了10.0%～15.7%，经济效益提高了0.23万～0.61万元/hm2，玉米产量提高了17.8%～22.7%，经济效益提高了0.45万～0.73万元/hm2。小麦在112.5kg/hm2的专家推荐种植密度条件下，施氮量180kg N/hm2时，氮肥对产量的贡献最合理，经济效益达到最高。玉米季试验中，专家推荐种植密度75 000株/hm2与施氮量为180kg N/hm2组合时，通过构建高产群体，提高群体对小气候与环境资源的利用率，使产量得到很大的提升，经济效益达到最大，为2.39万元/hm2。