氮肥与密度对夏玉米生理特性、产量及氮肥偏生产力和抗倒性的影响

曹冰 朱紫薇 单娟 姚国旗 朱英华 沈军辉 黄令军 王成雨

摘要：以夏玉米品种隆平206为试验材料，采用裂区设计，设置2个氮肥水平（180、240 kg/hm2）和3个种植密度（每公顷6万株、7.5万株、9万株），研究氮肥与密度对夏玉米生理特性、产量及氮肥偏生产力和抗倒性的影响。结果表明：适当密植（每公顷7.5万株）有利于增加夏玉米产量;在低密度（每公顷6万株）条件下提高氮肥水平可以改善光合作用，有利于干物质的积累，增产显著;中高密度时增氮对光合作用的改善不明显，干物质积累增加也不显著，因此，增产效果不显著。增密降低穗位叶的光合速率，有利于大喇叭口期干物质的积累;散粉期和收获期，增至中密度有利于干物质积累，继续增密干物质积累增加不显著。低氮水平下增密可以有效提升氮肥偏生产力，而氮肥水平过高即使增加密度提升氮肥偏生產力的效果仍然不佳。密度过高降低植株的抗倒能力导致玉米田间倒伏率增加，适当增密不会导致抗倒能力显著减弱并保持较低的倒伏率。在本试验条件下，每公顷氮肥施用量180 kg、种植7.5万株是适合试验地夏玉米高产高效的栽培模式。

关键词：夏玉米;氮肥;密度;光合速率;氮肥偏生产力;抗倒性

中图分类号：S513.01  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0097-06

Abstract In this experiment， the summer maize variety Longping 206 was used as experimental material. The split plot design was set with two nitrogen fertilizer levels （180 and 240 kg/hm2） and three planting densities （60 thousand， 75 thousand and 90 thousand plants per hectare） to study their effects on the physiological characteristics， yield， nitrogen partial factor productivity and lodging resistance of summer maize. The results showed that rational close planting （75 thousand plants per hectare） was beneficial to increase the yield of summer maize. Increasing nitrogen fertilizer rate under low density could improve the photosynthesis and dry matter accumulation， so it increased yield significantly. But the effects of increasing nitrogen fertilizer under medium or high density on photosynthesis and dry matter accumulation were not significant， so the yield did not increase significantly. Increasing density decreased the photosynthetic rate of ear leaves and was beneficial to the dry matter accumulation at large trumpet stage. At powder and harvest stages， increasing density to the intermediate density was beneficial for dry matter accumulation， while continuing to increase the density did not increase the dry matter accumulation significantly. Increasing planting density at low-nitrogen level could effectively improve the partial factor productivity of nitrogen fertilizer， but the effect was not better when the nitrogen fertilizer level was too high. Excessive density decreased the lodging resistance of plants and led to an increase of lodging rate of corn in field. A suitable increase of planting density would not lead to the significant weakness of lodging resistance but could keep lower lodging rate. Therefore， in the test conditions， 180 kg/hm2 nitrogen fertilizer and 75 thousand plants per hectare were suitable for high-yield and high-efficient production of summer maize.

Keywords Summer maize; Nitrogen fertilizer; Planting density; Photosynthetic rate; Nitrogen partial factor productivity; Lodging resistance

氮素是叶绿素的主要成分，而叶绿素含量的高低在很大程度上和光合速率密切相关并决定了光合产物的形成，因而氮肥用量和作物产量密切相关[1-3]。为了提高产量，农民往往过量施肥，导致近30年来我国化肥用量持续增长以及环境恶化[4，5]。尽管化肥施用量不断增加，但粮食产量并未显著增加，因而降低化肥施用量提高肥料利用率成为我国农业生产的必由之路[5]。

密植是作物获得高产的另一项有效措施，许多研究者在玉米等多种作物上报道了密植的增产效应[6-11]。但是，过度增加种植密度可引起作物冠层郁闭、光照不足、基部节间发育不良，进而引起作物倒伏而导致严重减产。因此，合理密植是作物高产不倒的技术措施[2，12，13]。

尽管前人对施肥和种植密度等单项措施在夏玉米产量形成、肥料利用效率和茎秆倒伏机理方面的研究较多[14-16]，但关于氮肥和密度组合技术在上述方面影响的研究较少。本试验通过研究氮肥与密度对夏玉米生理特性、产量及氮肥偏生产力和抗倒性的影响，旨在为夏玉米的安全和可持续生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2018年在安徽省宿州市灰古镇付湖新村进行。供试夏玉米品种为隆平206。采用裂区设计，主区设置2个氮肥水平（纯氮），分别为180 kg/hm2（N1）和240 kg/hm2（N2）;副区设置3个种植密度，分别为每公顷6万株（D1）、7.5万株（D2）和9万株（D3）。共6个处理，随机区组排列，重复3次;小区面积为30 m2，行距0.6 m，行长5 m，共10行区。

试验点土壤为砂姜黑土，0～20 cm土壤养分含量分别为： 有机质10.53 g/kg、全氮0.88 g/kg、碱解氮110.75 mg/kg、速效磷 68.78 mg/kg、速效钾 125.00 mg/kg。供试肥料品种为尿素，氮肥用量的1/2作基肥，剩余1/2作追肥在大喇叭口期施用。其它管理措施同当地大田管理水平。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 光合速率 于玉米散粉后20天，采用美国产LI-6800光合测定仪于上午8∶ 30进行测定，每处理随机选取5株，分别测定穗位叶光合速率，并取其平均值[17]。

1.2.2 干物质积累 于大喇叭口期、散粉期和生理成熟期每小区取植株样品3株，放入烘箱105℃下杀青0.5 h，样品冷却至室温，然后再将样品在70℃下烘干至恒重并称量每处理的样品重[18]。

1.2.3 抗倒性能和倒伏率 于散粉期调查每处理玉米的株高、穗位高，并用游标卡尺测定基部第三节间茎粗，同时用YYD-1植物茎秆强度测定仪（浙江托普云农科技股份有限公司生产）测定基部第三节间抗折力[19]。

于成熟期收获前调查玉米田间倒伏株数，并计算倒伏率。

1.2.4 产量 夏玉米生理成熟后，调查小区实际穗数和空秆率，每小区连续收取30株玉米的果穗，进行考种，测定穗行数、行粒数和千粒重。所有处理的籽粒烘干至13%安全含水量并称重，并折算成公顷产量[20]。

1.2.5 氮肥偏生产力 氮肥偏生产力（PFPN）指投入的单位肥料氮所生产的作物经济产量[5]。计算公式如下：

PFPN=Y/F 。

式中，Y为施用氮肥后所获得的作物经济产量;F代表该地块化肥的投入量。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel进行数据处理与作图，采用SPSS软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥与密度对夏玉米光合速率的影响

由图1可知，在同一氮肥水平下，随种植密度增加，夏玉米穗位叶光合速率显著降低。在低密度条件（D1）下，提高氮肥水平可显著提高穗位叶光合速率;但在中高密度（D2、D3）条件下，提高氮肥水平，穗位叶光合速率增加不显著。说明，在密度较低时，氮肥提升穗位叶光合速率的效果明显，但当密度增加到一定水平（超过D2）时，增加氮肥改善穗位叶光合速率的作用不明显。

2.2 氮肥与密度对夏玉米干物质积累的影响

由图2可知，大喇叭口期，同一氮肥水平条件下，增加种植密度有利于增加干物质积累量;当种植密度保持不变情况下，只有D1的两个处理增加氮肥可以显著提高干物质积累量，而D2和D3两个种植密度的不同氮肥处理干物质积累量增加不显著。散粉期和收获期，同一氮肥水平条件下，种植密度由D1增加到D2水平干物质积累量顯著提高，但进一步增加种植密度干物质积累量提高不显著;种植密度相同时，增加氮肥水平而导致干物质积累量的变化同大喇叭口期一致。

2.3 氮肥与密度对夏玉米产量的影响

由表1可知，当密度相同时，提高氮肥水平对空秆率影响不显著。在同一氮肥水平下，密度由D1（每公顷6万株）增加到D2水平（每公顷7.5万株），夏玉米的空秆率增加不显著;但当密度由D2增加到D3水平（每公顷9万株）时，夏玉米的空秆率显著增加，说明密度过高空秆率显著增加。无论氮肥水平还是种植密度的增加，穗行数均变化不显著，说明穗行数受氮肥水平和种植密度影响较小，穗行数主要由品种的遗传特性决定。在N1水平下，密度由D1增加到D2水平或由D2增加到D3水平，行粒数下降不显著，但D3水平显著低于D1水平;在N2水平下，行粒数表现为随种植密度的增加显著下降。千粒重在同一氮肥水平下表现为随种植密度的增加显著下降，但在密度相同的条件下，氮肥水平对千粒重影响不显著，说明种植密度对千粒重的调控作用大于氮肥用量。在同一氮肥水平条件下，夏玉米种植密度由D1增加到D2水平产量显著提高，但由D2增加到D3水平产量提高不显著;低密度（D1）条件下，提高氮肥水平产量显著增加，但中高密度（D2、D3）条件下，增加氮肥水平产量提高不显著，说明密度过高（D3）不能带来产量的增加，N1水平下虽然氮肥用量较小但可以通过增加种植密度至D2水平获得高产。

2.4 氮肥与密度对夏玉米氮肥偏生产力的影响

由图3可知，在N1水平下，种植密度由D1增加到D2氮肥偏生产力显著提高，但种植密度由D2增加到D3时氮肥偏生产力提高不显著;在N2水平下，增加种植密度氮肥偏生产力提高不显著。在同一种植密度下，增加氮肥用量均使氮肥偏生产力显著下降。说明低氮水平下增加种植密度可以有效提升氮肥偏生产力，而氮肥水平过高即使增加密度提升氮肥偏生产力的效果仍然不佳。

2.5 氮肥与密度对夏玉米抗倒伏性的影响

由表2可知，提高氮肥水平和增加种植密度，夏玉米株高、穗位高有增加的趋势，但各处理间差异均未达到显著水平，说明株高、穗位高受其遗传特性决定。在同一氮肥水平条件下，种植密度由D1增加到D2水平时基部第三节间茎粗和抗折力降低不显著，但当密度由D2增加到D3水平时基部第三节间茎粗和抗折力显著降低。在同一种植密度下，增加氮肥水平有提高茎粗和抗折力的趋势，但3个种植密度下上述两项指标均未达到显著水平。倒伏率的变化呈现出同茎粗和抗折力相反的变化趋势。说明密度过高降低了植株的抗倒能力，导致玉米田间倒伏率增加，适当增加种植密度不会导致抗倒能力显著减弱并保持较低的倒伏率。

3 讨论与结论

增施氮肥和提高种植密度是增加玉米产量的两项重要栽培技术措施，这已被很多学者所证明[20-26]。本试验表明，增加氮肥水平在低密度条件（每公顷6万株）下可以显著增产，当每公顷密度超过7.5万株时增施氮肥的效果不显著，同时进一步增加密度带来的增产效应不显著。王楷等[26]研究表明，当每公顷密度达到10.5万株时玉米单产最高，这与本试验结论相差悬殊，可能的原因是本试验开展的地点为黄淮海地区，该区主要种植夏玉米，且该区光照资源明显低于王楷等开展试验的中国西北地区，因而对于种植密度的选择一定要根据当地的气候资源进行。尽管有学者表明玉米获得最高产量的氮肥施用量至少要达到300 kg/hm2，但本试验表明，通过把每公顷种植密度由6万株增加至7.5万株，在较低氮肥水平下（180 kg/hm2）N1D2处理获得高产（与最高产量处理差异不显著），这与周培禄等[27]报道的施氮200 kg/hm2可获得最高产量所用的施氮量差别不大。可见，通过适当增密把氮肥水平由240 kg/hm2降至180 kg/hm2获得高产是完全可能的。

本研究表明，增密降低穗位叶的光合速率，随着密度的增加，穗位叶光合作用降幅增大;尽管低密度下增氮可以改善光合作用，提高光合速率，但这是以消耗过量的氮素资源为代价的，因而，我们关注的重点是通过适当增加密度提高群体的光合性能来促进作物的物质生产。中高密度时增氮对光合作用的改善不明显，这可能是当每公顷密度超过7.5万株田间过于郁闭、群体内光照不足所致，这也是每公顷密度超过7.5万株增加氮肥用量干物质积累增加不显著的可能原因。

国际上常用来表征氮肥利用效率的参数主要有4个，分别为氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率[5，28-30]。氮肥偏生产力因无需种植空白区，易为农民所掌握，也是国际农学界常用来衡量氮肥利用效率的指标，比较适合我国目前土壤和环境养分供应量大、化肥增产效益下降的现实。本研究表明，低氮水平下适当增加种植密度可以有效提升氮肥偏生产力，而氮肥水平过高即使增加密度提升氮肥偏生产力的效果仍然不佳，其中原因在于高氮水平下增加种植密度产量提高的幅度相对较小。

密植常会带来倒伏问题，原因在于密植可引起作物冠层郁闭、光照不足、基部节间发育不良，作物抗倒性减弱[2，12，13]。尽管有学者研究表明，玉米获得高产每公顷密度可以大于9万株，但本试验表明，每公顷密度为9万株（N1D3和N2D3）的两个处理均出现大面积倒伏，原因在于当每公顷密度由6万株增加到7.5万株，茎粗、抗折力等与抗倒性能有关的指标并未变劣，但当每公顷密度由7.5万株增加到9万株时，这些抗倒指标大幅弱化。因而，在本试验所在地区，每公顷密度7.5万株倒伏风险相对较低，高于此密度会大大增加倒伏风险。在本试验条件下，氮肥施用量180 kg/hm2同时每公顷增密至7.5万株是适合试验地区夏玉米高产高效的栽培模式。

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