华北平原小农户夏玉米田间密度损失与原因分析

张天华 李东炎 翟小虎 李静

(1 河南省濮阳县柳屯镇农业服务中心 河南濮阳 457162;2 河南省濮阳县农业技术推广中心 河南濮阳 457100;3 河南省濮阳县农业农村局 河南濮阳 457100)

玉米是我国第一大粮食作物，其产量超过了我国其他粮食产量总和的1/3，占世界玉米产量的18.6%，华北平原是我国重要的粮食产区，该地区玉米产量占我国玉米产量的33%［1-2］，提高该地区夏玉米产量对我国粮食安全具有重要意义。种植密度影响玉米对光热资源的获取，是决定夏玉米产量的最主要因素［3-4］，玉米的增密技术可以使籽粒增产48%～72%［5-7］。北美地区有试验表明，种植密度对玉米产量增长的贡献在8.5%～17%［8］。美国Francis 创造的高产记录为27 754.5 kg/hm2，其收获 密 度 为 108 900 株/hm2［9］； 而 中 国 创 造 了21 042.9 kg/hm2的夏玉米高产记录的实收穗数仅为98 610 穗/hm2［10］，可见在选用耐密品种的前提下，提高种植密度是中国玉米高产突破的重要途径。MENG 等［11］通过模型模拟表明，仅通过增加密度可使我国华北地区玉米产量提升20%～40%。增加种植密度、提高光温资源利用效率、依靠群体发挥增产潜力有助于华北地区实现玉米高产［12］。

近年来，华北地区虽采用增密技术使得产量提升20%［13］，但多数农户采用的玉米播种实际密度仍然较低，华北平原玉米的平均密度仅为美国的70%～80%［14］，95% 的农户没有采用推荐密度［15］，收获密度与实际密度之间很可能存在巨大的差距［16］，然而缺乏相关的量化研究。张丽华等［17］指出，密度损失多出现在苗期，然而未对具体的原因进行剖析，也未探寻出解决玉米密度损失问题的对策。栾城县位于华北平原中部，是华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系的典型区域。本研究通过对该地区的调研，旨在探索玉米密度损失的原因，量化苗期玉米密度损失率差，为有效缩减实际收获密度与理论种植密度的差距，构建合理的群体结构，提高夏玉米种植的田间产量提供理论支撑。

本研究基于农户实际生产，密切跟踪农户田间管理措施，对夏玉米各时期长势状况精准记录，利用Boundary line 系统量化分析田块尺度下玉米密度损失情况，旨在耕地面积持续减少和粮食种植面积扩大潜力有限的形式下，提高耕地利用效率，为夏玉米种植产量的提升提供新途径。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

1.2 方法

1.2.1 数据来源

本研究对黄庙村53 位农户（使用F1～F53 表示）夏玉米种植的管理措施及机械使用情况进行定点跟踪和走访调查。跟踪数据包括夏玉米品种、播期、播量、播种行距及深度、肥料配方及用量、种肥距离、施肥深度、灌水日期等。测量数据包括理论株距及地块实际出苗穴数。于2019 年7 月测量夏玉米苗期幼苗数量，理论种植密度测定方法为：选取长势均匀的地块，每个地块3 个重复，每个重复在不缺苗的情况下，测量连续21 株的距离。幼苗实际密度测定方法为：测量4 行5 m 样方内幼苗的出苗穴数，并挖开未出苗的穴位，若穴内无种子记为无种子，若穴内有种子但未萌发则记为未发芽，若穴内有种子且已萌发则记为未出土。玉米生长期间进行了种子发芽率实验，将100粒种子置于育苗盘内，给予充足光照及灌溉，一星期后计算种子发芽个数，最终得到玉米种子发芽率在95%以上。

1.2.2 不同密度层次及密度损失途径确定

将玉米密度分为农户播种密度、理论测量密度及地块实际密度3个层次，以更好地确定玉米密度损失途径（图1）。

图1 密度损失途径确定

农户设定密度（Density of farmer setting，DFS）：由农户预先设定的播种距离决定，是指由农户设定的机械播种距离与等行距（60 cm）计算出的实际播种密度。

理论测量密度（Density of theoretical measured，DTM）：为理想情况下可以得到幼苗数量。即假设不缺苗的情况下测量得到株距，依据株距、行距计算理论植株密度。由于机械播种存在误差和损失，一般情况下理论测量密度略高于农户实际设定密度。

地块实际密度（Actual density of block，ADB）：为幼苗时地块内实际幼苗数量。

根据以上3种密度情况，可以将密度损失的途径分为两类：机械损失和农学损失。机械损失是指由于播种机自身偏差或机械多年损耗而导致农户设定值与理论测量值存在差值。农学损失则是由于种子未萌发或生长期管理措施不当致使的幼苗缺失现象，计算公式如下：

证明 对∀L2(Γ;η), f(w,s)=(1-Iw(s))f(w∪s), ∀Γ, R+。由积分和引理2.2及Γ中诱导Lebesgue测度的性质,有

1.2.3 Boundary line系统应用

本研究应用Boundary line 系统对玉米密度损失率差进行分析。1972年Webb［18］首先提出边界线的概念，他指出在任何2个有着因果关系的变量中都有1条存在于数据体边界上的、表示群体中最佳表现的线，称为边界线。边界线可从复杂的多因素中孤立出某个因素，广泛应用于分析单因素对因变量的限制程度。此前多有文章应用产量差［19-20］对产量限制因子进行解析，并结合Boundary line 系统分析各种产量限制因子对产量的贡献［21］，却未能将此方法延伸到其他变量系统中。本文在此基础上引入损失率差的概念，定义为农户设定密度与地块实际密度之间的差异，通过不同因素对损失率差的影响程度，探寻致使玉米密度损失的关键限制因子，并进一步利用边界线系统将致使密度损失的单因素边界点进行拟合（图2），进而揭示出密度损失率的最优解，寻找导致玉米密度损失的主导限制因子，具体概念如下：

图2 边界线分析方法示意图

总损失率差（Total loss rate gap）：农户田块中实际与最低的密度损失率的差值，包括可解释密度损失率差和不可解释密度损失率差。

可解释密度损失率差（Explainable loss rate gap）：不同管理因素下农户密度损失率的预测值与最低密度损失率的差值。

不可解释密度损失率差（Unexplainable loss rate gap）：农户实际密度损失率与不同管理因素下农户密度损失率预测值的差值。

可解释密度损失率差是由某影响因素下自变量值的不同而导致的，为拟合曲线上的模拟值与最低密度损失率的差值。不可解释密度损失率差是同一自变量下本可以实现却没有实现的损失率差，是由其他影响因素导致的。可解释损失率差与总损失率差的比值可描述某一因素对损失率差的贡献程度，该值越大，则对损失率的影响程度越大。确定每个因素作为最大可解释产量差对应的农户数量，该数量占总样本数的比例即为密度损失率差限制因素的贡献率。

1.2.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010 进行整理和分析，使用Sigmaplot 12.5和Origin 2016进行作图。

2 结果与分析

2.1 农户夏玉米密度损失现状

2.1.1 农户密度损失概况

根据密度损失的途径不同，本研究调查了农户的设定密度，测量了理论情况下机械作业应达到的种植密度以及实际生产中的玉米密度。如图3所示，农户设定的平均密度为65 921 株/hm2，理论测量密度平均值为86 275 株/hm2，地块实际密度平均值为57 000 株/hm2。所有理论测量值均高于农户设定值，地块实际密度低于理论测量密度和农户设定密度。农户设定值与理论测量值之间的差距为机械损失问题，损失率为34.33%。理论测量密度与实际密度之间的差距归因于农学损失，损失率为23.91%。

图3 玉米密度损失现状

2.1.2 农户密度损失类型

对穴内无苗具体原因的深入探究发现，所有农户都存在穴内无种子的情况，每位农户无种子的个数3～27 个，平均值为10 个，造成穴内无种子的原因是机械播种问题。有66%的农户存在种子未发芽的情况，未发芽个数在1～5个，平均值为2个，超过半数的农户只有1 个未发芽种子。仅有20%的农户存在种子未出土的情况，91%的农户未出土个数1～3 个（图4）。说明农户密度损失原因可归结为两大类，机械损失和农学损失，其中机械播种问题是造成密度损失的主要原因。

图4 不同农户田块中无种子、未出土、未发芽种子个数

2.2 农户夏玉米密度损失影响因素

2.2.1 机械播种对玉米密度损失的影响

在比较农户的设定密度与地块实际密度时发现，有89.7%的农户密度设定值都高于地块的实际密度，仅有6.1%的农户设定值低于实际值，另6.1%的农户设定值与实际值相同。最大正向偏差为35.2%，负向偏差为-5.0%，设定值与实际值的平均偏差率为13.5%（图5）。说明实际播种的过程中造成了部分密度损失，造成损失偏差的主要原因可能为机械实际播种率偏低。

图5 不同农户播种机设定值与实际播种量的偏差率

2.2.2 农学管理措施对玉米密度损失的影响

施肥管理技术是保障玉米各个生育阶段养分平衡的重要措施，是作物高产稳产的保障。如表1和图6 所示，该地区农户的氮肥施用量为90～234 kg/hm2，其中41%施氮量为160～175 kg/hm2。通过Boundary line 分析可知，施氮量与玉米密度损失率呈抛物线变化的关系。随着施氮量的增加，玉米密度损失率逐渐降低，当氮肥施用量为113.47 kg/hm2时，损失率最低，为15.14%；超过该临界值时，损失率又逐渐升高。磷肥施用量的平均值为43 kg/hm2，磷肥施用量对玉米密度损失率的影响与氮肥相似，即随着施磷量的增加，损失率呈先降低后升高的趋势。当施磷量为59.81 kg/hm2，达到最低损失率15.55%；施磷量低于或超过该值时，损失率又逐步上升。钾肥施用量的变化在0～112.5 kg/hm2，51%的农户施钾量集中在30～60 kg/hm2，钾肥施用量对玉米密度损失的影响呈先降低后升高的趋势，施用量为43.75 kg/hm2时，损失率达到最低值，为19.78%。

表1 不同管理措施与农学损失率的拟合效果

图6 不同管理措施对农学损失率的影响

肥料与种子的水平距离以及施肥深度在一定程度上决定了养分迁移效率，在农户实际生产中的可操作性和可管理性都较强。超过55%的农户将种肥的水平距离设置在25～30 cm。通过Boundary line 分析发现，种肥水平距离对玉米损失的影响呈先降低后升高的趋势。肥料与种子的距离为9.5 cm 时，玉米密度损失率最小，为17.52%。农户施肥的平均深度为6.47 cm，48.7%的农户施肥深度为4 和5 cm。施肥深度与损失率也呈先降低后升高的趋势变化。施肥深度在4 cm 时，玉米密度的损失率最低，为15.67%。

本研究调查了农户播种后的第一次灌水情况。有34.48%的农户在播种当天灌溉蒙头水；27.58%的农户在播种的次日灌溉蒙头水；农户灌溉蒙头水最晚不超过10 天。通过Boundary line 分析发现，蒙头水灌溉时间越晚，损失率越高，在播种当天灌溉可达最低损失率15.6%。

2.2.3 农学管理措施中造成玉米密度损失的主导性因素

为了比较各管理因素对玉米密度损失的影响程度，对所有因素进行了主导性分析，结果发现，影响玉米密度损失主导性因素主要为氮肥施用量，占各管理因素的36.67%，其次为蒙头水，占各管理因素的26.67%。施磷量和种肥水平距离均占主导因素的13.33%，施肥深度和施钾量对玉米密度损失的影响最低，分别占6.67%和3.33%。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 机械对玉米密度损失的影响

玉米精密播种技术是省时、省种、高产的先进玉米生产技术，其优越性已被广大农户认可。对机械播种结果研究表明，农户设定密度集中在66 700 株/hm2，这与当地小农户的播种习惯有关。所调查的所有农户种植方式均为等行距播种，而不采用宽窄行、宽行双株等方式。主要是因为玉米的播种机有3 个耧，耧与耧之间的距离为60 cm，农民不愿意随意改动［22］。且在南石碑村的种植习惯中，株距通常设置在24～27 cm，这个种植密度水平偏少。此外，播种机质量问题对实际播种影响的误差较大。有研究表明，播种机标定的株距与生产中实际株距相差非常悬殊［23］，且排种器的排种和投种性能影响株距的一致性和均匀性［24］，这是造成机械对玉米密度损失影响的主要原因，因此与理论测量密度有一定的差距。由设定值与实际值的比较发现，播种机存在播量偏低的问题，这可能是由于机械自身老化、动力与机具性能不配套等导致机械设置值与实际操作值不符［25］。

播种机质量差导致的种子丢失是造成密度损失的主要原因，这与Zhao 等［26］的研究结果一致。穴内无苗的主要原因为无种子，而非农学原因造成的损失。前人研究发现，玉米的粗缩病、低出苗率及黑瘤病是导致播种后玉米密度降低的3大主要原因［27］。按照国家标准，玉米种子的发芽率应达92%以上方可上市［28］。实验测得该品种种子发芽率达95%以上，且隆平206 的种子活力与发芽势都较强［29］，因此种子质量问题导致密度损失可以忽略，机械播种后无法定苗保苗是主要问题。

3.1.2 农学管理措施对玉米密度损失的影响

通过Boundary line 对各管理因素的分析表明，随着化学肥料投入的增加，玉米密度损失出现先减少后增加的趋势。原因是，施用化学肥料有利于根层数、根条数和根长度的积累［30］，使根系活力明显增加［31］，促进养分吸收和种子萌发［32］。而施氮量过多，氮肥会在土壤中分解释放出氨气从而危害植株，由于种肥通常会采用浅施的方式，高氮肥的施用会导致高浓度的养分集中在幼苗根系，土壤渗透压升高，致使玉米根系失水，影响整株幼苗的生长，导致种苗发育不良甚至死苗［33-34］。在该研究中，农户对于氮肥的施用量较为集中，并且施氮量仍然偏多，该地区氮肥施用量在150～180 kg/hm2时玉米密度损失率最小。

肥料的不同施用位置影响着肥料养分在土壤中的运移和转化［35］。通过Boundary line 分析表明，种肥距离在20.42 cm 时，密度损失率最低，这与Owusu-Gyimah［36］等得出的结论相吻合。然而王贺等［37］研究发现，磷肥施用方位（侧方和下方）对夏玉米苗期生长无明显影响，说明施肥距离对玉米生长的影响与土壤特性、气候条件、环境变化、管理因素等均有关系。施肥深度管理有利于调节养分供应以及根系结构的调控，在对农户传统施肥深度计算后发现，深度在9.5 cm 时，密度损失率最低。俞洪燕等［38］的研究指出，氮肥深施在土层厚度为7～9 cm 时的效果最好，这与本文的结果相近。而杨云马等［39］发现，磷肥集中施在24 cm 时产量最高，这是因为玉米不同生育时期地上部磷素累积量与磷肥施用位置有密切关系，磷肥浅施有利于玉米幼苗对磷素的吸收和利用。土壤底墒和苗期灌溉量显著影响玉米苗期出苗率，因此蒙头水灌溉时间越晚，出苗损失越大，而当天灌溉蒙头水有利于降低密度损失。施钾量对玉米密度损失的影响较小，可能是由于钾元素不是该地区主要的限制因子［40］。

3.2 结论

玉米密度损失主要原因为机械损失和农学损失，其中机械损失占34.33%，农学损失占23.91%。机械损失主要为播种机质量差造成的种子丢失，以及机械排种的一致性和均匀性较差。农学管理的主导性因素为施氮量，其次为蒙头水以及施磷量和种肥水平距离；施钾量和施肥深度对密度损失的影响不大。当地施氮量在150～180 kg/hm2，播种当天灌溉蒙头水，控制肥料和种子的水平距离和肥料深度，玉米密度损失最小。因此，小农户生产需要引进精量播种设备，结合当地生产情况进行机械校正。通过田间管理方式的优化、农户技术认知水平进一步提升，以及维护增强播种机质量，可以有效减少玉米密度损失，进一步提高该地区夏玉米种植潜力。