种植密度与施氮量对旱地地膜玉米产量、水分利用效率和品质的影响

赵 晖，李尚中，樊廷录，赵 刚，党 翼，王 磊，张建军，王淑英，程万莉，唐小明

(1. 甘肃农业职业技术学院, 甘肃 兰州 730030；2. 甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 甘肃 兰州 730070)

随着我国农业农村经济的不断发展，玉米已不再作为主要的粮食作物，约70%的玉米用作饲料，为了提高玉米的转化能力和降低饲料成本，在保证高产的同时，还要提高玉米的品质[1]。已有研究表明，近年来主推玉米品种的产量得到了大幅度提高，但品质没有得到正向改良[2-4]。因此，通过栽培技术调控玉米品质显得尤为重要。种植密度和施氮量为玉米栽培中最常用的两种调控措施，其单个因子对产量和品质等的影响，前人做了大量研究[5-14]。当前玉米单产提高的部分归因于合理增加种植密度[5-6]，但随着种植密度的增加，加剧了玉米个体对水分、养分和光照等资源的竞争。张鹤宇等[7]研究表明，通过增施氮肥可以缓解玉米增密带来的压力，密度对产量的调控作用大于氮肥[8]。一般研究认为，适量的氮肥可提高玉米蛋白质的含量[9-14]，但施氮对淀粉与脂肪含量的影响没有一致的结论：有些学者研究指出，淀粉和脂肪含量随着施氮量的增加而降低[9]；而有些研究认为，淀粉和脂肪含量随施氮量的增加而增加[10-13]；于宁宁等[14]研究表明，施氮量的增加提高了淀粉含量，降低了脂肪含量。玉米种植密度与籽粒各营养成分含量的关系比较复杂，目前还没有定论[15]。邰书静、乔慧芳等[16-17]研究表明，玉米较高的种植密度不利于籽粒营养品质的提高。王晓梅等[18]研究表明，密度与蛋白质和脂肪含量呈负相关，与淀粉含量呈正相关。可见，通过合理增加密度和施氮的互作效应，使玉米获得高产的同时保持较高的品质性状是当前生产中亟待解决的重要问题。特别是在旱地地膜覆盖条件下，尚缺乏针对不同供氮水平如何与密度匹配才能使玉米产量与品质等方面同步调优的研究。基于此，本研究在不同施氮量和种植密度条件下，系统分析种植密度、氮肥对旱地地膜玉米籽粒产量及其构成因子、水分利用效率和主要品质指标的影响，为旱地地膜玉米优质高产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017―2018年在甘肃省农业科学院镇原试验站(107°29′E ,35°30′N)实施。该地区海拔1 297 m，年平均温度9.3℃，年日照时数2 449.2 h，≥0℃积温3 435℃，≥10℃积温2 722℃，无霜期165 d，属完全依靠自然降雨的西北半湿润偏旱区。该地区多年平均年降水量530 mm，降水主要分布在7―9 月。土壤为黑垆土，0～30 cm土层平均有机质含量14.2 g·kg-1，全氮1.07 g·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，全钾18.0 g·kg-1，碱解氮54.0 mg·kg-1，速效磷6.2 mg·kg-1，速效钾164.5 mg·kg-1，肥力中等。

试验年度降水分析表明(表1)，2017年和2018年度玉米生育期总降雨量分别为447.8 mm和507.8 mm，为同期多年平均降雨量的129.5%和146.8%，但玉米生长旺盛的7、8月降雨量分别为多年同期平均降雨量的53.2%和210.9%、233.5%和72.5%。2017年和2018年玉米播前休闲期降水量(上年度9月中旬-4月中旬)降雨量分别为169.9 mm和206.9 mm，为多年同期平均的106.2%和129.3%。可见，2017年玉米生育期内发生了严重的伏旱，而2018年玉米生育期内降水充沛，未发生干旱胁迫，生育期降水分布不均和年际间降水变率较大是限制该区玉米生产的主要因素。

表1 2017—2018年玉米播前休闲期及生育期降水量/mmTable 1 Precipitation of before sowing fallow and maize growth period in 2017-2018

1.2 试验材料与试验设计

供试玉米品种为‘先玉335’，地膜为0.01 mm聚乙烯吹塑农用地膜。试验采用随机区组设计, 设种植密度和施氮量(缓释氮肥)2个因素。种植密度设3个水平：4.5×104株·hm-2(D4.5)、6.0×104株·hm-2(D6.0)和7.5×104株·hm-2(D7.5)；施氮量设4个水平(以纯氮计)：0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N150)、300 kg·hm-2(N300)和450 kg·hm-2(N450)。试验处理共12个，各处理3次重复，小区面积为44.0 m2(5.5 m×8 m)。结合整地覆膜，各处理统一基施磷肥(含P2O512%的普通过磷酸钙)937.5 kg·hm-2和氮肥(含N 45%的缓释肥)，氮肥用量按照试验设计施肥水平施用，玉米整个生育期不追肥。试验采用全膜双垄沟种植方式，即起底宽40 cm、高15～20 cm的小垄和起底宽70 cm、高10～15 cm的大垄，两垄中间为播种沟。选用120 cm宽的地膜覆盖，膜与膜之间不留空隙，相接处用土压住地膜。玉米按照宽窄行在垄沟膜内播种，宽行为70 cm，窄行为40 cm，株距为24.2 cm。每穴播2～3粒，播种深度3～5 cm，5叶期时每穴定苗1株，其他栽培管理同大田。两个年度中试验在同一地块同一位置进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶绿素相对含量(SPAD值)测定 每小区选15株有代表性、长势一致的植株进行挂牌标记，采用SPAD-502 便携式叶绿素测定仪(Minolta，日本)，出苗后每隔30 d测定一次各小区玉米最上部全展开叶(抽穗后为穗位叶)的SPAD 值，测定部位为叶片中部无叶脉处。

1.3.2 叶面积指数测定 每小区选5株有代表性、长势一致的植株进行挂牌标记，出苗后每隔30 d测定一次叶面积，叶面积测定方法采用系数法，即单叶面积=叶片中脉长度(cm)×叶片最大宽度(cm)×系数(0.75)，累加得单株总叶面积。叶面积指数=单株叶面积×单位土地面积内株数/单位土地面积。

1.3.3 收获指数测定 收获指数=玉米籽粒产量(kg·hm-2)/地上部干物质量(kg·hm-2)。

1.3.4 土壤水分测定和水分利用效率计算[7-8]玉米播种前和收获时分别用土钻法测定玉米种植小区0～2 m土层(每20 cm为一个层次)的土壤含水量。生育期降水量通过JQR-1人工雨量器测定(潍坊金水华禹信息科技有限公司)。利用土壤水分平衡方程计算每小区作物耗水量。考种、收获和计产按照NY/T 1209-2006[19]执行。

耗水量 (mm)=播前0～2 m土层土壤贮水量-收获时0～2 m土层土壤贮水量+生育期降水量

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米籽粒产量/耗水量

1.3.5 玉米品质测定 测产完毕后，每小区取混合均匀的玉米籽粒1 kg，带回实验室进行品质分析。淀粉含量按照GB/T 25219-2010[20]方法测定，脂肪含量采用GB/T 24902-2010[21]方法测定，蛋白含量采用GB/T 24901-2010[22]方法测定，容重采用GB/T 5498-2013[23]方法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2019进行处理，采用SPSS 16.0进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 种植密度与施氮量对玉米叶片SPAD值的影响

玉米出苗后30 d，种植密度、施氮量及其互作对玉米SPAD值无显著影响，但对拔节(出苗60 d)后SPAD值特别是抽雄(出苗90 d)后的SPAD值有显著影响。由图1可知，2017伏旱年，在低(D4.5)、中(D6.0)和高(D7.5)密度下，SPAD值随着生育进程的推进先增加后降低。不同氮肥处理间平均SPAD值均表现为N450>N300>N150>N0，N450平均SPAD值为53.5，较N300、N150和N0分别提高1.8%、3.9%和21.6%。2018丰水年，低密度下SPAD值随着生育进程的推进而增加，N450处理下SPAD值为57.5，较N300、N150和N0分别提高2.4%、3.0%和12.1%；中密度下，N450、N300和N150处理SPAD值随着生育进程的推进而增加，N0处理SPAD值随着生育进程的推进呈现低-高-低的变化趋势，N450处理下SPAD值最高，平均为57.5，较N300、N150和N0分别提高2.8%、4.5%和15.4%；高密度下，N450和N300处理SPAD值随着生育进程的推进而增加，N150和N0处理SPAD值随着生育进程的推进呈现先增加后降低趋势，N450处理平均SPAD值最高，达54.8，较N300、N150和N0分别提高3.5%、8.0%和22.1%。不管干旱还是丰水年，同样氮肥处理下，SPAD值均表现为D4.5>D6.0>D7.5，D4.5平均SPAD值为54.4，较D6.0和D7.5增加4.9%和10.5%。可见，种植密度的增加可显著降低玉米的SPAD值，但通过合理增施氮肥，可缓解增密带来的SPAD值的下降。

2.2 种植密度与施氮量对玉米叶面积指数的影响

由图2可知，玉米叶面积指数随着生育进程的推进表现为低—高—低的变化趋势。2017伏旱年，低密度种植下，玉米出苗90 d前，不同氮肥处理间叶面积指数差异未达显著水平，出苗后120 d，氮肥处理间差异达显著水平，N450处理为1.64，较N300、N150和N0分别增加8.0%、12.5%和18.2%；中、高密度条件下，玉米出苗后30 d，种植密度、氮肥及其互作对玉米叶面积指数无显著影响，但对拔节(出苗60d)后叶面积指数的影响达显著水平，平均叶面积指数均在N300处理下最大，显著高于N0，但与N450和N150差异不显著。中密度下N300叶面积指数平均为2.61，比N0提高20.3%，高密度下N300叶面积指数平均为2.68，较N0提高41.1%。经过严重伏旱后，高密度施氮处理叶面积指数迅速降低，出苗后120d未施氮处理(N0)叶面积指数最大，平均为1.48，比N450、N300和N150分别提高1038.5%、348.5%和378.5%。2018丰水年，低密度种植下于出苗60d以前，中、高密度种植下于出苗后30d以前，种植密度、氮肥及其互作对玉米叶面积指数无显著影响，其余生育阶段处理间的叶面积指数差异达显著水平。不同密度下，叶面积指数均表现为N450>N300>N150>N0，低密度种植N450平均叶面积指数为2.29，较N300、N150和N0分别增加2.8%、4.0%和22.5 %，中密度种植N450平均叶面积指数为2.72，较N300、N150和N0分别增加2.3%、6.3%和23.1 %，高密度种植N450平均叶面积指数为3.20，较N300、N150和N0分别增加0.9%、4.9%和46.0 %。无论干旱年还是丰水年，在施氮(N450、N300和N150)处理下，玉米生育期平均叶面积指数均表现为D7.5>D6.0>D4.5，D7.5平均叶面积指数为2.90，较D6.0和D4.5分别增加14.3%和35.1%。在不施氮(N0)条件下，玉米生育期平均叶面积指数均表现为D6.0>D7.5>D4.5，D6.0平均叶面积指数为2.19，较D7.5和D4.5分别增加6.8%和15.9%。可见，通过合理增加种植密度和施氮量，可显著提高玉米群体叶面积指数，延缓叶片衰老，为干物质积累提供了保障。

2.3 种植密度与施氮量对玉米产量及其构成因子和水分利用效率的影响

由表2可知，2017年和2018年种植密度和氮肥及其互作效应对玉米产量、百粒重、穗粒数和水分利用效率均有显著影响。不同施氮量下增加密度增产幅度不同，2017伏旱年，N0条件下低密度(D4.5)和中密度(D6.0)产量差异不显著，显著高于高密度(D7.5)处理，D7.5较D4.5减产15.8%；N150、N300和N450处理下， D7.5处理产量均达最高，分别为10 683.8、11 660.8 kg·hm-2和10 956.8 kg·hm-2，较D4.5依次增产18.9%、30.8%和21.5%，但D7.5与D6.0产量差异未达显著水平。2018年丰水年份，D7.5产量显著高于D4.5，D7.5条件下，N0、N150、N300和N450处理下产量分别为11 379.0、16 844.0、17 425.0、17 516.0 kg·hm-2，较相应的D4.5处理依次增产13.2%、37.8%、42.7%和42.9%。低密度条件下，2017伏旱年N0、N150、N300和N450各处理间产量差异不显著，2018丰水年N150、N300和N450之间产量差异不显著，但显著高于N0；中密度和高密度条件下，2个年份产量均表现为N150、N300和N450之间差异不显著，而均显著高于N0。水分利用效率的变化规律与产量一致。产量构成因子分析表明，施氮量相同时，百粒重和穗粒数随着密度的增加显著降低，2个年份D7.5和D6.0处理平均百粒重为30.0 g和32.3 g，较D4.5降低13.3%和7.0%；平均穗粒数为552.1和593.5粒，较D4.5降低19.5%和11.1%。不同降雨年型，百粒重和穗粒数变化在不同施氮处理间表现出一定的差异，低密度条件下，2017年伏旱年，百粒重随着氮肥的增加呈减小趋势，但差异未达显著水平，2018丰水年，百粒重随着施氮的增加呈增加趋势；中密度和高密度条件下，2个年份百粒重随着施氮量的增加呈显著增加趋势。在低、中、高3个密度条件下，2017年穗粒数随着施氮量的增加先增高后降低，2018年穗粒数随着施氮量的增加而增加。可见，不管干旱还是丰水年份，施氮量为150～450 kg·hm-2条件下，增加种植密度是获得群体高产和水分高效利用的关键措施，适宜的施氮水平可以消减增密带来的穗粒数和百粒重下降对产量和水分利用效率造成的负面影响。但过量的氮肥(高于150 kg·hm-2施氮量)投入并没有显著提高玉米产量和水分利用效率，因此依靠高密度增产和提高水分利用效率需合理增加氮肥投入。

表2 种植密度与施氮量对玉米产量和水分利用效率的影响Table 2 Effect of planting density and nitrogen fertilizer rate on yield and water use efficiency

2.4 种植密度与施氮量对玉米收获指数的影响

由图3可知，不同施氮量和种植密度与施氮量互作对收获指数(HI)的影响不显著，密度对HI影响达显著水平。2017年伏旱年，同一施氮条件下，HI随着密度的增加而减小，N0、N150、N300和N450下，高密度处理(D7.5)的HI分别为0.46、0.47、0.45和0.50，较低密度处理(D4.5)降低12.3%、9.4%、16.1%和4.9%。2018丰水年，HI随着密度的增加而增加，N0、N150、N300和N450下，高密处理(D7.5)的HI分别为0.58、0.55、0.56 和0.55，较低密度处理(D4.5)增加12.1%、10.0%、10.5%和6.6%。可见，在干旱条件下增密种植，加剧了植株间的水分竞争，影响籽粒灌浆，进而影响收获指数。增施氮肥并未有效地提高收获指数，施氮增产与生物量积累紧密相关，而与收获指数相关性较弱。

2.5 种植密度与施氮量对玉米品质的影响

由表3可知，2个试验年份，D4.5和D6.0密度条件下，容重随着氮肥的增加呈先增加后降低趋势，2017年N150处理达到最高，2018年N300处理达到最高，在D7.5密度条件下，容重随着施氮量的增加而增加，N450平均容重为741.1 g·L-1，较N0提高15.5 g·L-1。在干旱(2017年)条件下，容重随着密度的增加显著降低，D7.5容重为730.9 g·L-1，较D4.5减小10.7 g·L-1；丰水年(2018)，N0处理容重随着密度的增加而减小，N150和N300处理容重随着密度的增加呈先增加后减小趋势，N450处理容重随着密度的增加而增加，但密度对容重影响未达显著水平。随着施氮量的增加蛋白质含量呈显著增加趋势，N450处理平均蛋白质含量为10.11%，较N0提高29.3%。随着密度的增加蛋白质含量显著降低，D7.5平均蛋白质含量为8.82%，比D4.5降低10.9%。氮肥和密度互作对蛋白质含量影响不显著。随着施氮量的增加脂肪含量呈减小趋势，N450处理平均脂肪含量为3.55%，较N0降低2.9%。D7.5处理平均脂肪含量为3.66%，比D4.5增加3.1%。但氮肥、密度及其互作对脂肪含量影响不显著。淀粉含量随着施氮量的增加呈减小趋势，N450平均淀粉含量为73.0%，比N0降低0.6%，差异不显著。随着密度的增加淀粉含量大致呈增加趋势，D7.5平均淀粉含量为73.6%，比D4.5增加1.3%，差异不显著，氮肥与密度互作对淀粉含量影响不显著。可见，增密有利于淀粉和脂肪的积累，但不可避免的减少蛋白质含量，容重也有降低风险；增加施氮量提高了玉米的蛋白质和容重，但不利于脂肪和淀粉的积累。种植密度为7.5×104株·hm-2和施氮量(纯氮)150 kg·hm-2组合处理下，玉米籽粒容重和蛋白质含量分别达到饲用玉米一级标准(GB/T 17980-2008)≥710 g·L-1和≥8.0%的要求；种植密度不变，施氮量增至300 kg·hm-2，玉米籽粒蛋白质和脂肪含量分别达到食用玉米三级标准(NY/T 519-2002)≥9.0%和≥3.0%的要求。

表3 种植密度与施氮量对玉米主要品质参数的影响Table 3 Effect of planting density and nitrogen fertilizer rate on maize quality traits

3 讨 论

3.1 种植密度与施氮量对玉米主要群体质量指标的影响

实现玉米高产不仅靠群体数量，更重要的靠群体的质量。玉米群体质量指标是指群体结构中与产量具有密切联系的性状指标，高产栽培的核心是让玉米群体沿着高质量的动态轨迹发展[24]。SPAD值能间接反映叶片光合性能，较高的SPAD值和叶面积指数可以提高作物的光能截获和利用能力[25]，研究表明，施氮量增加显著提高了SPAD值，而增密降低了SPAD值[25-28]，与本研究结论基本一致。合理增施氮肥和增密均能有效提高玉米叶面积指数[25-26,29]，本研究表明，在水分正常的条件下，合理施氮肥和增密显著提高了玉米的叶面积指数，但发生严重伏旱(2017年)后，低、中密度施氮处理的叶面积指数显著高于未施氮处理，而高密度施氮处理叶面积指数迅速降低，显著低于未施氮处理。从产量构成因子来看，玉米增加种植密度和氮肥主要是通过调控穗粒数和粒重进而影响玉米产量[7-8]，张学林[9]、宋尚有[13]等研究表明，随施氮量增加，玉米穗粒数和百粒重均表现为增加趋势，而随着种植密度的增加公顷穗数增加，穗粒数和百粒重则呈下降趋势[5，15，30]。本研究表明，随着密度的增加百粒重和穗粒数显著降低，但不同降雨年型间百粒重和穗粒数变化在不同施氮处理间表现出一定的差异：低密度条件下，2017年伏旱年百粒重随着氮肥的增加呈减小趋势，而2018丰水年百粒重随着施氮的增加呈增加趋势；中密度和高密度条件下，2个年份百粒重随着施氮的增加呈显著增加趋势。2017年穗粒数随着施氮量的增加先增高后降低，2018年穗粒数随着施氮量的增加而增加。从物质分配的角度来看，干物质向籽粒中的分配比例也是影响产量的重要因素。肖万欣等[28]研究表明，紧凑型玉米在高密条件下(6.0～7.5万株·hm-2)具有较高且差异不显著的收获指数，张宾等[30]研究表明，随着栽培密度的增加收获指数降低，魏淑丽等[31]研究指出，适宜施氮和增密可显著提高收获指数。本研究表明，不同施氮量对收获指数的影响不显著。密度对收获指数的影响因降雨年型而异，2017年伏旱年，随着密度的增加收获指数减小，2018丰水年，收获指数随着密度的增加而增加，可能与在干旱条件下增密种植加剧了植株间水分竞争，影响籽粒灌浆有关。可见，旱地玉米种植应该以水定密、以密定氮，通过水、肥、密度的互作，提高玉米群体质量，增强玉米抗逆能力。

3.2 种植密度与施氮量对玉米产量和水分利用效率的影响

提高作物产量和水分利用效率是旱作农业研究的主要目标[32]。玉米产量除受品种和生态环境条件影响外，与种植密度和施氮量也有很大的关系。大量研究表明，产量随着种植密度和施氮量的增加呈二次抛物线变化关系，即产量先随种植密度和施氮量的增加而提高，当密度和施氮量增加到一定限度时，由于玉米个体与群体协调关系发生变化，超过了玉米群体自动调节能力，产量又随密度和施氮量的增加而下降[8-15,25-26,31]。密度和氮肥之间存在明显的互作效应，通过增施氮肥，可以消减玉米增密带来的个体之间对水分、养分和光照等资源的竞争[7-8]。有关种植密度和施氮量对旱地玉米水分利用效率影响的报道不多，张平良等[33]研究表明，适当增密和增施氮肥均能提高玉米水分利用效率。本研究表明，在不施氮肥条件下，干旱年(2017)增密并未显著提高玉米产量和水分利用效率，而丰水年(2018)增密显著提高了产量和水分利用效率。低密条件下，干旱年(2017)施氮未显著提高玉米产量和水分利用效率，而丰水年(2018)施氮显著提高了玉米产量和水分利用效率。不管干旱还是丰水年份，施氮量为150～450 kg·hm-2条件下，玉米增密播种均能显著提高玉米产量和水分利用效率，但同一密度下，过量(高于150 kg·hm-2施氮量)的氮肥投入并没有显著提高玉米产量和水分利用效率。可见，旱作区玉米产量和水分利用效率的提高受自然降水、种植密度和施氮量等多种因素的共同制约，依靠增密增产和提高水分利用效率需合理增加氮肥投入，以保证群体增大对氮素需求的增加。

3.3 种植密度与施氮量对玉米籽粒品质的影响

玉米籽粒中，部分营养品质成分主要受到遗传基因的控制，难于因施用氮肥而改变，但大多数营养品质成分既受到遗传基因的控制，又受到施用氮肥的影响[10]。大量的研究表明，适量施氮可显著提高玉米籽粒蛋白质含量[9-14]。但氮肥对玉米籽粒淀粉与脂肪含量的影响研究结论不尽一致，于宁宁等[14]研究表明，施氮量的增加提高了玉米籽粒总淀粉含量，而降低了粗脂肪含量。张学林等[9]研究表明，淀粉含量随着施氮量的增加而降低，而脂肪含量在年际间表现出相反的变化趋势。有些研究认为，淀粉和脂肪含量随施氮量的增加均表现为增加趋势，当氮肥用量达到一定数量之后，则不随氮肥用量的增大而增加，甚至有所降低[10-13]。玉米种植密度与籽粒各营养成分含量的关系比较复杂，目前还没有较为一致的结论[15]，有些研究表明，较高的种植密度不利于玉米籽粒营养品质的提高[16-17]。王晓梅等[18]研究认为，随着栽培密度的增加玉米蛋白质、脂肪含量减少，淀粉含量增加。本研究表明，增加施氮提高了玉米的蛋白质含量和容重，但不利于脂肪和淀粉的积累；增密有利于淀粉和脂肪的积累，但不可避免地降低了蛋白质含量，容重也有降低风险。可见，种植密度和施氮量对玉米容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量的调控比较复杂，在生产实际中，应根据生产目标选择适宜调控途径。

4 结 论

旱作区玉米产量、水分利用效率和主要品质指标等受自然降水、种植密度、施氮量及其互作效应等多种因素的共同制约，在生产实际中，应根据当地降水量和玉米具体生产目标，以水定密、以密定氮、以氮控质，通过水、氮、密度互作提高玉米群体质量，使玉米产量、水分利用效率和主要品质协同提升。在本试验实施区域(年降水量500 mm左右)，种植密度为7.5×104株·hm-2和施氮量(纯氮)150～300 kg·hm-2组合下，可使玉米产量、水分利用效率和品质同步提高。