不同密度下施氮量對夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

劉 夢，梁 茜，葛均筑，鄭志廣，張 垚，馬志琪，吳錫冬，楊永安，侯海鵬

(1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；2.天津市玉米良種場，天津 301500；3.天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300061)

玉米是海河平原主要的糧食作物，增加播種密度是玉米增產(chǎn)的主要栽培措施之一，合理增加播種密度、構(gòu)建良好群體可充分利用光熱資源，從而達(dá)到增產(chǎn)效果[1-2]。氮肥是玉米獲得高產(chǎn)的保障，但施氮過量可造成氮素?fù)p失，導(dǎo)致增產(chǎn)效應(yīng)下降[3]。研究表明，我國玉米的氮素利用效率為26.1%，遠(yuǎn)低于33%的國際平均水平[4-5]。通過調(diào)節(jié)氮肥施用量可調(diào)控灌漿速率，提高粒質(zhì)量；通過調(diào)節(jié)密度可調(diào)控快增期、緩增期持續(xù)天數(shù)來影響粒質(zhì)量[6]。Wang等[7]研究表明，玉米產(chǎn)量的提高與干物質(zhì)積累量有關(guān)，但密度對干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)無顯著影響，過量施氮對群體持綠性和產(chǎn)量無調(diào)控效應(yīng)，但張萌[8]研究表明，不同密度和施氮量均顯著影響葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量，氮密互作對葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量的影響不顯著。實(shí)際生產(chǎn)中，在適宜播種量和施氮量前提下，可通過氮肥和密度的交互效應(yīng)來提高玉米產(chǎn)量[9]。研究表明，在一定種植密度下，隨施氮量增加，氮肥利用效率一般呈先增后降的趨勢，減氮增密可獲得較高的氮肥利用效率，與籽粒中氮素分配多少無關(guān)[9-11]。由此可見，氮密互作對玉米產(chǎn)量及氮肥利用效率的調(diào)控效應(yīng)研究結(jié)論尚不一致，而在海河平原關(guān)于氮密互作對夏玉米產(chǎn)量調(diào)控效應(yīng)尚未見報(bào)道。為此，本研究通過探討不同密度下施氮量對京農(nóng)科728產(chǎn)量及氮肥利用的影響，以期為研究海河平原夏玉米氮肥減量穩(wěn)產(chǎn)增效栽培技術(shù)提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年6-10月份在天津市玉米良種場(117°49′E，39°42′N)進(jìn)行，前茬春小麥秸稈全部還田，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量18.6 g/kg、全氮1.088 g/kg、水解性氮77.68 mg/kg、速效磷64.8 mg/kg、速效鉀296 mg/kg、pH值8.1、全鹽含量3.1 mg /kg。玉米生育期氣象數(shù)據(jù)如圖1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試材料為京農(nóng)科728(JNK728)，6月23日播種，10月30日收獲。采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素一為密度(7.5×104株/hm2(D7.5)和9.0×104株/hm2(D9.0))，因素二為施氮量(0(N0)，180 kg/hm2(N180)，240 kg/hm2(N240)，300 kg/hm2(N300)，360 kg/hm2(N360))。播種采用60 cm等行距，小區(qū)長7.0 m，寬4.2 m，各小區(qū)間設(shè)置1 m隔離帶，小區(qū)重復(fù)3次，N肥按照50%-30%-20%分為種肥-拔節(jié)肥-大口肥，P2O5120 kg/hm2全部作種肥，K2O 150 kg/hm250%作種肥，50%大口期追施。其他管理?xiàng)l件隨大田管理措施進(jìn)行。

圖1 玉米生育期氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data during maize growth duration

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉片葉綠素含量(SPAD值) 采用SPAD-502計(jì)無損快速測定玉米葉片的SPAD值，可以較好地反映葉片葉綠素含量。每小區(qū)選取生長均勻一致的代表性樣株60株，分別于拔節(jié)期(V6)、大口期(V12)、吐絲期(R1)、吐絲后每10 d和收獲期掛牌標(biāo)記，每小區(qū)取掛牌標(biāo)記的樣株30株，測定葉片SPAD值(抽雄前測定最上部展開葉，抽雄后測定穗位葉)。

1.3.2 葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI) 分別于V6、V12、R1、吐絲后每20 d和收獲期，每小區(qū)取掛牌標(biāo)記的生長一致均勻的樣株3株，測定單株所有綠葉長度(l, cm)和最寬處寬度(d，cm)，采用葉面積系數(shù)法計(jì)算單株葉面積(Leaf area，LA，m2)，LA=∑l×d×0.75/10000，LAI為單位面積的綠葉面積，即LAI=∑LA×7.5(9.0)。

1.3.3 干物質(zhì)積累(Dry matter，DM) 于V6、V12、R1和收獲期，小區(qū)取掛牌標(biāo)記的樣株3株，分解為葉片和莖鞘2部分(抽雄后分為莖鞘、葉片、籽粒、穗軸和苞葉5部分)，105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于成熟期，每小區(qū)連續(xù)收獲20穗，紗網(wǎng)袋風(fēng)干后考種，數(shù)取穗行數(shù)、行粒數(shù)，脫粒后數(shù)取千粒質(zhì)量，折算14%安全含水量的千粒質(zhì)量，稱取收獲穗粒質(zhì)量，用PM8188-A谷物水分測定儀測定籽粒含水量，按照14%安全含水量計(jì)算產(chǎn)量。

1.3.5 氮肥利用效率 氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg/kg N)=籽粒產(chǎn)量/施氮量，氮肥農(nóng)學(xué)效率(Agronomic efficiency of nitrogen，ANUE，kg/kg) =(施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-空白區(qū)玉米產(chǎn)量)/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用 SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素含量(SPAD值)

由表1可知，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，JNK728葉片SPAD值均呈先升高后降低的趨勢，且各生育期JNK728葉片SPAD值均隨著施氮量的增加而升高(P<0.01)；除V12時(shí)期N360處理和R1+10外，相同施氮量處理同一生育期JNK728葉片SPAD值隨著密度的增加呈降低趨勢(P<0.05)；密度和施氮量無顯著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5處理中除N180在V6和V12時(shí)期葉片SPAD值與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理下，除N180在R1時(shí)期葉片SPAD值N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥或降低密度均有助于JNK728葉片葉綠素含量的增加，同時(shí)增施氮肥可使葉綠素峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲。

表1 不同密度下施氮量對JNK728葉片SPAD值的影響Tab.1 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf SPAD under different plant density

注： 表中相同密度下同一列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。**表示P<0.01，*表示P<0.05，ns表示P>0.05。表2-3同。

Note: The different small letters at the same column under the same density indicates significant difference among different treatments(P<0.05).**indicatesP<0.01,*indicatesP<0.05, ns indicatesP>0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 葉面積指數(shù)(LAI)

由表2可知，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，JNK728的LAI均呈先升高后降低的趨勢且均于R1時(shí)期達(dá)到最大值，各生育期JNK728的LAI均隨著施氮量的增加而升高(P<0.01)；相同施氮量處理同一生育期JNK728葉面積指數(shù)隨著密度的增加呈升高趨勢(P<0.05)；密度和施氮量無顯著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5處理中除N180、N240、N300在V6時(shí)期LAI與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理中除施氮量N180在V6時(shí)期LAI與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥和增加密度均有助于JNK728葉面積指數(shù)的增加。

2.3 干物質(zhì)積累量(DM)

由圖2可知，JNK728的收獲期DM隨施氮量增加呈增加趨勢(F=58.6，P<0.01)，隨著密度的增加呈逐漸降低的趨勢(F=32.2，P<0.01)，但是施氮量與密度處理對DM的互作效應(yīng)未達(dá)顯著水平(F=0.69，P>0.05)，其中D7.5處理N180僅在R1期DM與N0差異顯著(P<0.05)，N240、N300、N360各時(shí)期DM與N0差異均顯著(P<0.05)；D9.0處理中除N180和N240在V6期及N180在R1期與N0差異不顯著(P>0.05)外，其他施氮處理DM與N0差異均顯著(P<0.05)。綜合說明，增施氮肥有利于干物質(zhì)量的增加，但密度效應(yīng)導(dǎo)致單株干物質(zhì)積累量降低。

表2 不同密度下施氮量對JNK728葉面積指數(shù)的影響Tab.2 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf area index under different plant density

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表3-4同。 The different small letters indicates significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Tab.3-4.

2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

由圖3可知， JNK728籽粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈增加趨勢(F=23.5，P<0.01)，隨著密度增加亦呈增加趨勢(F=79.2，P<0.01)，施氮量與密度之間互作效應(yīng)達(dá)極顯著水平(F=5.86，P<0.01)。其中，D7.5處理中除施氮量180 kg/hm2與N0差異不顯著外(P>0.05),其他施氮量處理均與N0差異顯著(P<0.05)，當(dāng)施氮量增至300 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到9.5 ×103kg/hm2；D9.0處理中施氮處理均與N0差異顯著(P<0.05)。當(dāng)施氮量在180～300 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量徘徊在10.2×103～10.8×103kg/hm2，處理間差異不顯著(P>0.05)。當(dāng)施氮量360 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到12.4 ×103kg/hm2，顯著高于其他各施氮處理(P<0.05)。

圖3 不同密度下施氮量對JNK728產(chǎn)量的影響Fig.3 The effects of nitrogen application on yield of JNK728 under different plant density

由表3可看出，D7.5比D9.0處理具有較多的行粒數(shù)和穗粒數(shù)(P<0.05)，而穗行數(shù)和千粒質(zhì)量無差異(P>0.05)；增施氮肥JNK728的穗行數(shù)(P<0.01)、穗粒數(shù)(P<0.01)和千粒質(zhì)量顯著提高(P<0.05)；施氮量和密度互作僅對行粒數(shù)影響達(dá)顯著水平(P<0.05)。其中，D7.5處理施氮量240～360 kg/hm2時(shí)穗行數(shù)和千粒質(zhì)量較N0顯著增加(P<0.05)，且處理間差異均不顯著(P>0.05)。D9.0處理各施氮量的穗行數(shù)和千粒質(zhì)量與N0差異均不顯著(P>0.05)，而穗粒數(shù)則均顯著高于N0(P<0.05)，但處理間無顯著差異(P>0.05)。當(dāng)施氮量360 kg/hm2時(shí)，行粒數(shù)顯著多于0～240 kg/hm2處理(P<0.05)。

表3 不同密度下施氮量對JNK728產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Tab.3 Effects of nitrogen application on JNK728 yield components of JNK728 under different plant density

2.5 氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(ANUE)

由圖4可知，與N180相比，施氮量增加JNK728氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)降低31.2%,56.0%,72.3%(F=434.9，P<0.01)，隨著密度的增加而增加(F=162.4，P<0.01)，施氮量與密度處理對PFPN的互作效應(yīng)達(dá)顯著水平(F=4.31，P<0.05)。與N180相比，JNK728氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(ANUE)在N240處理時(shí)降低9.2%,N300～N360處理分別提高12.5%和52.6%,并隨著密度的增加而增加(F=73.3，P<0.01)，施氮量與密度處理對ANUE的互作效應(yīng)亦達(dá)顯著水平(F=6.83，P<0.01)。其中，與N180相比，D7.5處理中PFPN在N240、N300和N360分別降低28.8%(P<0.05)，53.9%(P<0.05)和82.3%(P<0.05)，ANUE分別提高59.0%(P<0.05)，116.5%(P<0.05)和103.2%(P<0.05)；D9.0處理PFPN分別降低33.3%(P<0.05)，57.8%(P<0.05)和64.5%(P<0.05)，ANUE分別變化了-24.9%(P<0.05)，-11.6%(P>0.05)和40.4%(P<0.05)。與D7.5相比，N180、N240、N300和N360的PFPN在D9.0分別提高15.8%，11.8%，13.0%和28.3%， ANUE在D9.0分別提高339.1%(P<0.05)，106.2%(P<0.05)，78.0%(P<0.05)和201.7%(P<0.05)。

圖4 不同密度下施氮量對JNK728氮肥偏生產(chǎn)力(A)和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(B)的影響Fig.4 The effects of nitrogen application on nitrogen partial factor productivity(PFPN, A) and agronomic efficiency of nitrogen(ANUE, B) of JNK728 under different plant density

3 討論

玉米葉片葉綠素含量反映葉片光合能力的強(qiáng)弱，SPAD-502儀能快速無損檢測葉片的相對葉綠素含量(SPAD值)，間接反映葉片光合功能，較高的SPAD值和葉面積指數(shù)可以提高作物光能截獲和利用[12]。適量施氮可維持密植玉米上部葉片光合性能，獲得高產(chǎn)[13]，玉米葉面積指數(shù)隨密度和施氮量增加而提高[14]，施氮量顯著提高單株和群體干物質(zhì)積累量，密度增加單株干物質(zhì)積累量減小，群體干物質(zhì)量增加[15-16]。本研究表明，施氮量增加至300 kg/hm2顯著提高JNK728葉片SPAD值，吐絲后表現(xiàn)更為顯著。增加密度顯著降低吐絲后穗位葉SPAD值，花后20～30 d表現(xiàn)最為顯著。密度增加顯著提高相同施氮水平下V12-R1+20時(shí)期的葉面積指數(shù)；增施氮肥后高氮(N300和N360)處理的葉面積指數(shù)顯著高于低氮(N180)處理，中氮水平與N180和N300處理間差異不顯著。施氮量增加顯著提高干物質(zhì)積累，增加密度后個體干物質(zhì)積累量降低，但群體干物質(zhì)量顯著提高。

已有研究表明，增加密度和增施氮肥均顯著增加玉米產(chǎn)量[17]，但當(dāng)施氮量超過300 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量不再增加[13]。玉米超過適宜密度后穗粒質(zhì)量減少[18]。申麗霞等[19]研究表明，中、高密度下適量施氮可減少頂部籽粒敗育，增加穗粒數(shù)。本研究結(jié)果表明，低密度下(D7.5)施氮量超過N240后JNK728的穗行數(shù)和千粒質(zhì)量顯著提高；高密度下(D9.0)N360處理行粒數(shù)顯著高于N180和N240。增加密度對JNK728穗部性狀無顯著影響，說明JNK728具有更強(qiáng)的增加播種密度后個體對群體增加的耐受能力。JNK728產(chǎn)量隨密度和施氮量的增加而顯著增加，在低密度(D7.5)條件下，當(dāng)施氮量增至300 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量即可達(dá)到9.5×103kg/hm2，而高密度條件下中低施氮量(N180-N300)產(chǎn)量在10.5×103kg/hm2波動，當(dāng)施氮量增至360 kg/hm2時(shí),產(chǎn)量達(dá)到12.4×103kg/hm2，因此,需要進(jìn)一步探明高密度條件下的最佳施氮量。氮密互作顯著影響夏玉米的穗部性狀，JNK728產(chǎn)量與穗數(shù)、穗行數(shù)和穗粗相關(guān)性達(dá)顯著或極顯著水平的相關(guān)關(guān)系，密度越高、穗數(shù)越多或穗行數(shù)越多、產(chǎn)量越高。

施氮量增加導(dǎo)致氮肥利用效率呈先增后降的趨勢[9-10]，氮密互作通過影響氮積累和干物質(zhì)積累量調(diào)控氮肥利用效率[11]，增施氮肥和增加密度顯著促進(jìn)氮素積累對干物質(zhì)積累的響應(yīng)強(qiáng)度[16]。隨著施氮量的增加，玉米氮素積累量增加，但氮肥利用效率逐漸降低[20]。本研究表明，隨施氮量增加，氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低，與已有的研究結(jié)論一致。但在高密度條件下的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于低密度，說明增加密度后顯著提高了氮肥的利用效率。本研究中施氮量增加氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率增加，與一些研究結(jié)論不一致，分析原因可能是本研究是第1年種植，基礎(chǔ)土壤地力較高，即便是無氮小區(qū)產(chǎn)量也高于8×103kg/hm2，且在低密度下施氮量300 kg/hm2時(shí)氮肥農(nóng)學(xué)利用效率最高，因此，要探明施氮量和密度對JNK728氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的調(diào)控效應(yīng)，需要進(jìn)行多年的連續(xù)試驗(yàn)。

總之，在本試驗(yàn)條件下，海河平原夏玉米在中密度(7.5×104株/hm2)時(shí)，施氮量宜低于300 kg/hm2，可以實(shí)現(xiàn)9.5×103kg/hm2的產(chǎn)量水平。選擇耐密抗倒伏品種，增加密度至9.0×104株/hm2，施氮量應(yīng)在300～360 kg/hm2為宜，可以達(dá)到12.0×103kg/hm2的產(chǎn)量水平。