种植密度与氮肥互作对全膜双垄沟播春玉米产量及氮素利用的影响

许 玥，沈洪政，孙维乾，李世磊，马孝义

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

玉米是我国重要的粮食、饲料和工业生产原料，可以保障粮食安全、促进经济发展[1]。合理密植是提高我国玉米生产水平的重要措施，通过调节水、肥、光、温等因子，可以使玉米群体达到高产[2]；此外，合理施用氮肥，补充土壤中的氮素是提高玉米产量的重要途径，但当土壤中供给的氮素大于作物的需求时，会使作物的生长受限，从而降低氮肥利用率[3-5]。因此，合理构建种植密度与氮肥施用量体系，协同促进玉米的高产高效已成为当今作物科学中的重要研究课题之一。

甘肃中部地区，降雨量较少，且降雨与作物需水量存在一定时空偏差，导致了粮食产量低且不稳定[6]。为缓解该地区面临的缺水及气温较低等问题，近年来，玉米种植多采用全膜双垄沟播方式[7]，2016年甘肃省推广面积已达到83 万hm2。此技术体系集合了垄面集流和覆膜抑蒸技术，在增温、蓄水、保墒方面有着显著的效果，可以显著提高玉米水分利用效率，使玉米等农作物产量提高30%以上[8]。然而该技术存在施肥过量、肥料全部基施、种植密度无法满足玉米高产栽培需求等问题。王红丽等[9]研究表明，减施氮肥或施用有机肥对春玉米水氮利用效率有显著影响，水氮利用效率平均提高6.4%～22.17%。此外，不同施肥方式对春玉米产量及氮肥利用效率也存在显著影响，且与降雨年型有关[10]。张令天等[11]研究了陇中干旱区密度对玉米的影响，结果表明，过高或过低的种植密度都不利于玉米生长。种植密度的增加会引起净光合速率、蒸腾速率等生理指标的减小，需在适宜范围内对其进行调控[12]。综上所述，目前的研究多关于种植密度、氮肥对玉米产量、水分利用效率、光合特性和氮素利用的单一研究[13-15]。对于旱地全膜双垄沟播种植模式下，春玉米产量、氮肥利用效率、土壤硝态氮残留等综合考虑的研究尚不多见。

因此，本研究针对甘肃陇中地区春玉米种植存在的密度设置不合理、氮肥施用过量等问题，将春玉米单作体系作为研究对象，探究了全膜双垄沟播种植模式下，不同种植密度与施氮量互作对春玉米产量、氮肥利用、土壤硝态氮残留的影响，以期为陇中地区完善春玉米高产高效栽培体系提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4-10月，在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，35°35′N，104°36′E)进行。该区海拔1 970 m，年均气温6.2 ℃，年辐射5 898 MJ/m2，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，无灌溉，为典型旱地雨养农业。年均降水总量415 mm，6-9月降水量占年降水总量的68%。试验土壤为黄绵土，肥力偏低，耕作层(0～20 cm)土壤容重为1.26 g/cm3，基础养分含量：有机质、全氮为7.78 g/kg、0.75 g/kg，水解氮、速效磷、速效钾为47.39 mg/kg、11.26 mg/kg、163.89 mg/kg，pH 值为8.14。2021年春玉米生育期气象资料如图1所示。

图1 2021年定西试验站春玉米生育期逐日平均气温和降雨量Fig.1 Daily averge temperature and precipitation during the growing season of spring maize at Dingxi experimental station in 2021

1.2 试验设计

供试玉米品种为“先玉335”，供试肥料为：普通尿素（含氮46%）；过磷酸钙（P2O516%）。试验采用裂区设计，设置种植密度和施氮量2 个因子。主区为种植密度（D），设置3个水平，即：D1：3.5 万株/hm2，D2：5.5 万株/hm2，D3：7.5万株/hm2。副区为氮肥施用量（N），设置4 个水平，即N1：0 kg/hm2，N2：180 kg/hm2，N3：225 kg/hm2，N4：270 kg/hm2。各小区磷肥施量为P2O5，90 kg/hm2，不施钾肥。试验共12 个处理，3个重复，小区面积为720 m2（24 m×30 m）。

玉米采用全膜双垄沟播，在播种前整地，用起垄机起两垄，大垄宽70 cm，高10 cm，小垄宽40 cm，高15 cm，沟宽度不超过3 cm，全部地膜覆盖，地膜厚度0.008 mm，玉米播种于垄沟中。春玉米在4月21日进行播种，通过点播器进行人工点播，在覆膜播前所有肥料一次施入。玉米收获的时间为10月7日。玉米为雨养，生育期不灌溉，其他田间管理参照当地农田玉米管理措施。

1.3 测定项目与方法

玉米各生育期，在小区选取具有代表性的3株玉米，用卷尺测量株高。卷尺测量叶片的最长和最宽处后再乘以形状系数0.75，得到单株叶面积。收获时采用人工收获，各小区均取10 株玉米放在对应的网兜中，在自然条件下晾晒风干，经脱粒机脱粒后称其重量，得到10 株玉米的产量，每公顷的产量由密度等要素换算所得。人工测量行数、行粒数、穗长、百粒重等指标。

成熟期植株样品经杀青、烘干、粉碎、过筛后用浓硫酸消煮，再用连续流动分析仪测定春玉米植株体内各组织器官的全氮含量。土壤样品于成熟期采集，在各个小区利用土钻采集0～100 cm 的土壤风干，研磨后过1 mm 筛，测定土壤硝态氮的含量。硝态氮累积量计算公式[16]如下：

式中：M表示土壤中的硝态氮积累量，kg/hm2；C表示土壤中的硝态氮含量，mg/kg；H表示土层深度，cm；Y表示土壤容重，g/cm3。

氮素利用效率相关指标计算[17]：

氮肥利用效率（NUE，%）=（施氮区氮素吸收量-无氮区氮素吸收量）/施氮量×100%

氮肥农学利用率（NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量）/施氮量×100%

氮肥偏生产力（NPFP，kg/kg）=籽粒产量/施氮量×100%

氮素收获指数（NHI）=籽粒氮素吸收量/植株氮素吸收量

1.4 数据统计分析

采用Excel 进行数据分析和处理，SPSS 23.0软件进行显著性检验，Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 密度与氮肥互作对春玉米生长的影响

各处理春玉米株高随时间的变化规律基本一致，均符合“S”形增长曲线（图2）。整体来看，苗期春玉米株高基本无差异，稳定在25 cm 左右。玉米苗期生长较慢，拔节期后进入迅速生长阶段，开花期到灌浆期株高增长较少，灌浆期到成熟期基本保持不变。种植密度能够显著提高玉米的株高，在高密度下（D3）春玉米平均株高最大，在相同的种植密度下，玉米株高随施氮量的增大呈现出先增后减的趋势，不同处理间株高最大差异可达55.8 cm，而在氮肥施量超过225 kg/hm2时，株高没有显著增加，甚至被抑制。D2N3 处理最终株高达到261.1 cm，与低密度低氮处理相比优势显著，与高密度高氮的处理相比也相当接近，体现出了最佳的密度与氮肥互相作用效果。

图2 不同种植密度和施氮条件下春玉米株高随时间变化规律Fig.2 Plant heights of spring maize at different growth stages under different planting density and nitrogen levels

叶面积指数是衡量玉米群体结构的一个重要指标，适宜的叶面积指数是获得高产的前提。从图3可看出，叶面积指数（LAI）在整个生育期内变化趋势呈单峰状，开花期达到最大，灌浆期后叶片慢慢枯黄，叶面积指数随之下降。整体来看，种植密度的增加能够显著提高玉米各时期的LAI，D2和D3时，玉米充分发挥群体优势，光合能力增强，D2 较D1 在拔节期、开花期、灌浆期和成熟期平均分别高出59.7%，56.1%，64.6%和54.7%。同密度模式下，施氮处理的LAI比不施氮处理显著增大，总体呈现出N225＞N180＞N270＞N0的趋势。

图3 不同种植密度和施氮条件下春玉米叶面积指数随时间变化规律Fig.3 Leaf area index of spring maize at different growth stages under different planting density and nitrogen levels

2.2 密度与氮肥互作对春玉米产量及其构成因素的影响

施氮量相同时，随着种植密度增加，玉米籽粒产量呈先增加后降低的趋势（见表1），与D2 相比，D1 和D3 水平平均产量分别降低24.0%和14.2%。在相同的种植密度下，施氮肥处理的产量明显高于不施氮肥的处理，表现出N225＞N180＞N270＞N0，与N225 相比，N0，N180 和N270 水平平均产量分别降低25.7%，6.2%和10.0%，这表明适当增加种植密度和施肥量能明显促进春玉米的增产，过度增施氮肥反而会使产量降低。本研究最高产量出现在中等密度中等氮肥处理D2N3，即D2=5.5 万株/hm2，N3=225 kg/hm2，产量为10 203 kg/hm2。同一施氮水平下，随着种植密度的增大，穗行数、行粒数、穗长、百粒重均有显著下降的趋势，以百粒重为例，D2、D3的百粒重均比D1 低，D2的百粒重比D1 降低了3.5%，D3 的百粒重比D1降低了9.1%。同一种植密度下，施氮肥与不施氮肥处理相比，行粒数、穗长和百粒重都有明显的增加，如在5.5万株/hm2的条件下，N180、N225、N270处理比N0处理的百粒重增加4.1%、8.9%、1.1%，N225 处理增幅最大，百粒重最高。

表1 种植密度和施氮量对春玉米产量及构成因素的影响Tab.1 Effects of planting density and nitrogen application rate on yield and its components of spring maize

2.3 密度与氮肥互作对春玉米氮素吸收利用的影响

由表2可知，所有氮肥水平下，随着密度的增加，总氮素积累量、氮肥利用效率（NUE）、氮肥农学利用率（NAE）、氮肥偏生产力（NPFP）、氮素收获指数（NHI）呈现先升高后降低的趋势，在D2 时达到最大。D2 处理比D1 和D3 处理平均NUE、NAE、NPFP、NHI分别增加47.1%和39.0%、32.3%和16.1%、28.5%和18.8%、5.5%和4.8%。

表2 不同种植密度与施氮量对春玉米氮素吸收利用的影响Tab.2 Effects of different planting density and nitrogen application rate on nitrogen uptake and utilization of spring maize

同一密度水平下，适当增加氮肥施用量能明显提高总氮素积累量，进一步增加施氮量。氮肥利用效率（NUE）、氮肥农学利用率（NAE）、氮肥偏生产力（NPFP）和氮收获指数（NHI）则有降低的趋势，NUE、NAE和NHI在N225 时达到最大，NPFP在N180 时达到最大，N225 处理比N180 和N270 处理平均NUE、NAE、NHI分别增加10.6%和86.3%、3.9%和129.3%、6.3%和0.9%。N180 处理比N225 和N270 处理平均NPFP分别增加16.8%和62.3%。总氮素积累量和氮肥利用效率在密度为D2、氮肥施量为N225 时达到最大，分别为225.9 kg/hm2和37.5%。因此种植密度5.5 万株/hm2，施氮量225 kg/hm2是比较适宜的密度和施氮量，可以获得较高的氮肥利用效率。

2.4 密度与氮肥互作对土壤硝态氮分布和累积的影响

图4结果显示，玉米成熟期时，各处理土壤NO3--N 分布曲线呈波浪状。随着土层深度的增加，土壤中硝态氮含量有明显下降趋势，各处理土壤NO3--N 的积累多集中在0～40 cm土层中，峰值出现在0～20 cm 土层，其均值为12.4～32.7 mg/kg。

图4 种植密度与氮肥互作对春玉米收获期0～100 cm土层硝态氮分布的影响Fig.4 Effects of planting density and nitrogen fertilizer interaction on nitrate distribution in 0～100 cm soil layer of spring maize at harvest time

增密可以降低表层NO3--N 累积，呈现出D1＞D2＞D3 的趋势。3 个不同密度处理，土壤硝态氮均主要集中在0～40 cm 土层，整体表现为N270＞N225＞N180＞N0。N0、N180、N225处理下0～40 cm 土层中硝态氮含量较N270 分别降低了25.6%～62.6%、14.9%～27.8%和7.1%～15.5%，各处理40～100 cm 土层NO3--N含量分布在6.0～24.0 mg/kg。

由图5知，氮肥施用后土壤中硝态氮含量明显增加，在0～40 cm 土层中，各种植密度下的春玉米成熟期硝态氮累积量总体表现为N270＞N225＞N180＞N0。在N270 处理下的0～40 cm土层中，D1、D2、D3的硝态氮积累量分别占0～100 cm土层的54.1%、55.8%和55.1%，与N0处理相比高出了7.2%、3.5%和4.7%。同等施肥条件下，0～100 cm 土层的硝态氮累积量随种植密度的增加而降低，D2、D3 处理较D1 处理分别降低18.3%和27.7%。在同一密度水平下，随着氮肥施量的增加，0～100 cm 土层的土壤硝态氮累积量呈上升趋势，N180、N225 和N270 分别较N0 增加了80.1%、107.2%和156.6%。总体而言，0～100 cm 土层的硝态氮累积量在D1N4处理时最大，其值可达279.9 kg/hm2，在D3N1处理最小。可见，低密种植和高氮肥用量都会使土壤中积累大量的硝态氮。

图5 种植密度与氮肥互作对0～100 cm土层硝态氮累积量的影响Fig.5 Interaction of planting density and nitrogen fertilizer on nitrate accumulation in 0～100 cm soil layer

3 讨 论

株高、叶面积指数是玉米的重要生长指标，株高过高或过低都会降低植株对光能的利用程度[18]，而叶面积指数可以反映出玉米的光合生产能力，影响作物冠层结构性能[19]。宋金鑫等[20]研究表明，适当的施用氮肥对玉米株高有优化作用，但过度施用氮肥可能会抑制植株的株高、叶面积指数。本试验研究表明，种植密度的提高会显著增加玉米的株高和叶面积，株高、叶面积随着施氮量的增加先增大后减小，在N225 处理下表现良好。株高在D2N3 处理时表现良好，与高密度高氮的株高数值接近，体现出了最佳的密度与氮肥互相作用效果。高密度模式（D3）与中等密度模式（D2）相比较，各处理的LAI尽管有一定优势，但是高密度会引起植株个体之间的竞争，生长中后期的遮荫条件使得中下部叶层的叶片早衰，群体光合能力下降[21]。

增加种植密度可以使玉米的籽粒产量得到明显的提高，但是单株穗粒数和百粒重有显著的下降趋势。合理的氮肥施用有利于穗顶部籽粒发育，增加穗粒数，从而提高产量。施用过量的氮肥则对库强度不利，进而导致籽粒重量降低造成减产[22,23]。本研究中，对于旱地全膜双垄沟播春玉米，随着种植密度的增大，籽粒产量呈现先增后减的趋势，在D2（5.5万株/hm2）达到最大，穗行数、行粒数、穗长、百粒重则呈下降趋势。此外，氮肥能够显著提高玉米的穗部性状（穗行数、行粒数、穗长、百粒重）。随着施氮水平的提高，产量呈现出先增后减的趋势，施氮量为225 kg/hm2时达产量达到最大，原因是当氮肥过量后，玉米的碳、氮代谢受到影响，引起有效粒数的降低，最终造成穗粒数下降[24]。这表明盲目增施施氮并未使玉米产量线性增加，相反会使产量有一定程度下降，同时也会造成氮素的浪费和环境的污染。

适宜的种植密度可以显著提高玉米产量和氮素利用效率，随施氮水平的提高，氮素利用效率下降[25,26]。隋阳辉等[27]研究发现，适当增密减氮是促进玉米增产的有效措施，氮肥偏生产力（NPFP）和氮收获指数（NHI）的最高值均在密度为6.75 万株/hm2处理下获得。唐文雪等[14]在黄土高原半干旱地区，采用全膜双垄沟播技术对春玉米进行了2 a 定位试验研究，研究发现，随着施氮量的增加，玉米对氮肥的吸收利用率呈现出先增后减趋势。本研究中，种植密度增加，NUE、NAE、NPFP、NHI呈先增加后降低趋势，密度为5.5 万株/hm2时氮肥利用率最大。同时，NUE、NAE、NPFP、NHI随着氮肥施量的增加先升高后降低，NUE、NAE、NHI在施氮量为225 kg/hm2处理最高，NPFP在施氮量为180 kg/hm2处理最高。这与曹胜彪等[25]的研究结果一致。种植密度与氮肥互作对作物的氮积累和干物质积累过程有明显影响，并以此调控氮肥利用效率[28]。因此在玉米生产中，二者要高度协调。

调控种植密度和施氮量既要考虑植株的氮素累积和氮肥利用，同时也要考虑对土壤环境所产生的影响。硝态氮淋失是旱地氮素损失的主要方式，会对地下水造成严重污染，治理难度大[29]。在干旱半干旱雨养农业区，氮素主要积累在0～100 cm 土层，尽管作物对氮素的吸收利用能在一定程度上缓解土壤硝态氮向深层迁移、淋洗，但在氮素含量大于作物需求时，仍然会造成土壤硝态氮的积累[30-32]。这表明仅靠减施氮肥并不能完全抑制氮素的深层淋洗和残留，甚至在某些情况下还会导致产量下降。因此，在玉米生产过程中，如何将氮肥施用量与种植密度等栽培措施相结合，以提高玉米对氮素的吸收能力，是减少氮素损失的关键所在。本研究结果表明，高密度处理的土壤硝态氮收获时的含量比中、低密度处理低，且土壤硝态氮随生育期的推进有向下淋溶趋势。同时，加大氮肥施量后，土壤中硝态氮含量也随之升高，适当提高种植密度和减少氮肥用量可明显减少各土层的硝态氮残留。

4 结 论

（1）适当增加种植密度和施氮量可以显著提高春玉米的株高、LAI，成熟期株高以D2N3 处理最大，为261.1 cm。株高、LAI在中等密度和高密度下表现良好，各密度处理下春玉米的株高、LAI均表现为N225＞N180＞N270＞N0。

（2）春玉米籽粒产量随种植密度和施氮量的增加表现出先增加后降低趋势。产量在D2N3 处理下达到最大值，此外，高密度（D3）和无氮（N0）处理下穗部发育不良，穗长较短，穗行数、行粒数较少，百粒重较低。

（3）密度为D2，施氮量为N3 时，总氮素积累量、NUE、NAE、NPFP、NHI整体表现最佳，表明种植密度和施氮量分别为5.5 万株/hm2、225 kg/hm2时春玉米能获得较高的氮肥利用效率。

（4）随着种植密度的增加，土壤硝态氮含量降低。随着施氮量的增加，土壤硝态氮含量增加。适当降低氮肥用量和增加种植密度可显著降低收获时0～100 cm 各土层的硝态氮残留量。

综上，种植密度为5.5 万株/hm2，施氮量为225 kg/hm2时，春玉米各生长指标良好，既能达到高产，又可以提高春玉米对氮素的吸收利用效率，同时降低硝态氮向更深层次土层淋溶的可能性，可实现玉米的高产、高效栽培。