魏淑麗，王志剛*，于曉芳，孫繼穎，賈 琦，屈佳偉，蘇布達，高聚林，張永清

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2 巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)技術推廣中心，內(nèi)蒙古臨河 015000）

我國用占世界7%的耕地消耗了全球35%的化肥，玉米生產(chǎn)的平均氮肥利用率僅為33%，不但造成了大量養(yǎng)分資源的浪費和成本損耗，其環(huán)境效應也不容忽視[1-3]，協(xié)同提高玉米產(chǎn)量和玉米氮肥利用效率 (NUE)，對于玉米節(jié)本增效和環(huán)境安全都具有重要意義。國際上農(nóng)田水平的NUE的定義是單位施氮量所增加的子粒產(chǎn)量，這個概念為評價特定生產(chǎn)系統(tǒng)中玉米吸收、轉化有效氮并形成子粒產(chǎn)量的效率提供了定量化方法[4]。NUE由兩個構成因子組成：1) 氮肥利用率 (NRE)，反映玉米地上部植株吸收肥料氮的能力；2) 氮肥內(nèi)部 (生理) 效率 (NIE)，反映玉米植株吸收單位肥料氮所形成的子粒產(chǎn)量的能力[5-6]，對這兩個組分的評價利于深入理解植株體內(nèi)氮循環(huán) (如氮吸收、同化、轉運和再轉移) 和氮肥利用效率的生理機制與過程。種植密度和施氮量作為生產(chǎn)上最常用的兩大栽培措施，其單個因子對產(chǎn)量和氮效率的影響，前人做了大量研究[7-9]。在一定的環(huán)境條件下，玉米單位面積產(chǎn)量隨密度增加呈單峰曲線變化，在最適密度下獲得最高產(chǎn)量，但在超過最適密度后，玉米個體的作物生長率、氮積累速率、光合物質向籽粒分配率降低，果穗禿尖和單株生產(chǎn)力變異增大，導致玉米產(chǎn)量較最適密度群體明顯降低[10]；適量施氮則可較好協(xié)調(diào)密植群體內(nèi)玉米的形態(tài)生理特性，通過調(diào)控株型、維持光合性能、減少籽粒敗育等保證生育后期相對較高的物質轉化效率，最終獲得較高的群體產(chǎn)量[11]。

密度低和氮肥投入過量是我國玉米主產(chǎn)區(qū)普遍存在的生產(chǎn)問題，增密減氮被認為是提高玉米群體對氮素吸收和利用，進而從系統(tǒng)水平提高NUE的重要途徑[12-13]。但生產(chǎn)上，施氮量和種植密度等主要栽培措施的互作效應，往往使氮肥利用效率難以估計和評價，特別是在特定生態(tài)和土壤肥力條件下，不同供氮水平下如何與密度匹配才能提高玉米群體對氮素的吸收利用效率方面缺乏研究?；诖?，本研究在不同密度和施氮量互作條件下，系統(tǒng)分析了玉米的物質積累分配和氮素吸收利用過程對施氮量和密度互作的響應規(guī)律，旨在揭示氮密互作影響玉米產(chǎn)量和NUE的生理機制，為玉米合理增密減氮栽培調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

2014 年在包頭市薩拉齊 (40°28′N, 110°28′E) 和鄂爾多斯市樹林召 (40°40′N, 110°1′E) 試驗基地同步開展試驗。薩拉齊試驗點前茬為玉米，土質為沙壤土，0—30 cm土層土壤有機質24.5 g/kg 、堿解氮21.2 mg/kg、有效磷26.7 mg/kg、速效鉀120 mg/kg，pH 7.8；生育期內(nèi)總降雨量為417.1 mm，≥10℃活動積溫2896.5℃，太陽輻射總量3450.1 MJ/m2。樹林召試驗點的前茬為玉米，土質為沙土，0—30 cm土層土壤有機質15.6 g/kg、堿解氮20.5 mg/kg、有效磷24.8 mg/kg、速效鉀86.3 mg/kg，pH 7.3; 生育期內(nèi)總降雨量為356.5 mm，≥10℃活動積溫3051.9℃，太陽輻射總量3661.9 MJ/m2。

1.2 試驗設計

以‘鄭單958'為材料，設置氮肥和密度互作試驗，3 個密度分別為 4.5 × 104株/hm2(D4.5)、7.5 × 104株/hm2(D7.5)、10.5 × 104株/hm2(D10.5)；3 個施氮水平分別為純氮 0 (N0)、150 kg/hm2(N150)、300 kg/hm2(N300)，于拔節(jié)期追施，氮肥為尿素。各處理底肥統(tǒng)一，肥料品種為磷酸二銨和硫酸鉀，其中P2O5105 kg/hm2、N 40 kg/hm2、K2O 40 kg/hm2，播種前隨旋耕整地均勻施入0—15 cm土層。每小區(qū)14行，等行距60 cm種植，行長5 m，3次重復，隨機區(qū)組排列。玉米生育期間，于拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期灌水4次，灌水量900 m3/hm2；其他管理同大田生產(chǎn)。

1.3 測定指標及方法

在14葉展期 (V14)、吐絲期 (R1)、灌漿期 (R3)和成熟期 (R6)，將生長整齊一致且具代表性的連續(xù)3株植株樣品帶回實驗室，采用長寬系數(shù)法測定葉面積后，V14、R1、R3時期將樣品分為葉片、莖稈 (含葉鞘、雄穗) 和雌穗 (R1、R3)，成熟期 (R6) 將樣品分為莖稈 (包括葉片、莖鞘、苞葉、穗軸) 和籽粒兩部分，將樣品切成10 cm樣段后裝袋，于烘箱內(nèi)105℃殺青0.5 h后，80℃烘干至恒質量，記錄干質量以計算各生育時期生物量。干樣粉碎后，采用凱氏定氮法測定植株及籽粒全氮含量。

玉米成熟期取樣測定生物量后，取無缺苗斷壟且長勢整齊的兩行實收，待果穗風干后考種 (子粒含水量14%)，逐穗測定穗粒數(shù)后脫粒，測定千粒重和實收區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮肥農(nóng)學效率 (NUE) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量 - 不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量

氮肥利用率 (NRE) = (施氮區(qū)植株氮積累量 - 不施氮區(qū)植株氮積累量)/施氮量

氮肥生理效率 (NPE) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量 - 不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株氮吸收量 - 不施氮區(qū)植株氮吸收量)

采用SPSS17.0中General linear model的Fixed Model進行方差分析，將密度和施氮量作為固定因子，地點和區(qū)組作為隨機因子，用Sigmaplot 12.0作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮量與密度互作對玉米干物質積累的影響

由圖1可見，施氮量與密度互作對玉米吐絲期前群體干物質積累量無顯著影響，但對吐絲后群體干物質積累量特別是成熟期生物量影響顯著。低密度下，N300和N150的生物量顯著高于N0，但N300低于N150，說明過量施氮抑制了低密群體干物質生產(chǎn)；而中高密度下，N300則高于N150。不同密度間，D7.5和D10.5差異不顯著，二者顯著高于D4.5?？傮w來看，從出苗到V14，群體干物質積累速率約為8 g/(m2·d)，吐絲前后 (V14—R3) 約為25 g/(m2·d)；R3 到 R6 為 16.8 g/(m2·d)，吐絲前后是決定玉米群體干物質積累和產(chǎn)量形成的關鍵時期。從V14后的干物質積累速率來看，同一密度下，N150和N300顯著高于N0，但N150和N300間差異不顯著；同一施氮量下，D7.5和D10.5顯著高于D4.5，但D7.5和D10.5間差異不顯著。

2.2 施氮量和密度互作對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表1可見，種植密度和施氮量對單株粒重影響顯著，同一密度下，單株粒重隨著施氮量的增加而增加，N150和N300較N0分別增長了28.9%和29.6%，N150和N300間差異不顯著；施氮量相同時，單株粒重隨種植密度的增加而降低，D7.5、D10.5較D4.5分別降低13.1%和32.7%。穗粒數(shù)和千粒重影響單株產(chǎn)量，種植密度、施氮量及二者的互作效應均對穗粒數(shù)影響顯著。同一種植密度下，穗粒數(shù)隨著施氮量的增加而升高，施氮后穗粒數(shù)較N0提高了18.0%；施氮量相同時，穗粒數(shù)隨著種植密度的增加而降低，D7.5較D4.5降低了6.7%，而D10.5較D4.5降低了20.2%。同一種植密度下，薩拉齊試驗點的千粒重隨著施氮量的增加先增高后降低，而樹林召試驗點則表現(xiàn)為隨施氮量增加而增加，但N150和N300間差異不顯著；施氮量相同時，隨著種植密度的增加，千粒重明顯降低，D7.5、D10.5較D4.5分別降低6.2%和14.8%。

圖 1 兩個試驗點施氮量和密度互作對玉米群體干物質積累的影響Fig. 1 Biomass of maize as affected by different plant densities and N rates in the two experimental sites

施氮量和密度互作對產(chǎn)量有顯著影響。低密條件下，N300和N150間差異不顯著，但二者顯著高于N0；中等密度條件下，施氮處理產(chǎn)量顯著高于N0，但N300產(chǎn)量低于N150；高密條件下，N300則高于N150。不同施氮量下增加密度增產(chǎn)幅度不同，N0下密度由4.5萬株/hm2提高到10.5萬株/hm2，其產(chǎn)量提高了42.6%，而N150和N300下產(chǎn)量增幅則達60%以上。這說明中低密條件下，過量氮肥投入不會提高產(chǎn)量，而依靠高密度增產(chǎn)則需合理增加氮肥投入，以保證群體增大對氮素需求的增加。

2.3 施氮量和密度互作對玉米氮素積累的影響

施氮量和種植密度顯著影響玉米的氮積累 (圖2)。同一密度下，施氮處理的氮積累量顯著高于N0，但N150和N300 間差異不顯著，說明過量施氮并未提高玉米群體對氮素的吸收積累量。同一施氮量下，隨密度增加，群體氮積累量顯著增加，高密度群體(D10.5) 顯著高于中低密度群體 (D7.5和D4.5)。

不同生育階段的氮素積累速率對氮密互作的響應與氮素積累過程呈現(xiàn)相同趨勢。施氮可顯著提高不同生育階段玉米的氮吸收速率。同一密度下，N300和N150的群體氮吸收速率無顯著差異，但顯著高于N0；同一施氮量下，群體氮吸收速率隨密度的增高而逐漸增大，D10.5和D7.5顯著高于D4.5，而二者間無顯著差異。

由圖3可見，施氮量和種植密度顯著影響吐絲期氮積累量與LAI的比值?？傮w上，隨種植密度增加和施氮量減少比值降低。低密 (D4.5)條件下，隨施氮量增加該比值變化范圍在2.0～3.2 g/m2，中高密條件下，該比值在1.6～2.4 g/m2。N0條件下，從D10.5到D4.5該比值變化范圍為1.6～2.6 g/m2；施氮條件下，從D10.5到D4.5該比值在2.0～3.2 g/m2。說明種植密度對LAI的促進作用高于對氮積累的促進作用，而施氮量則主要促進氮積累。

2.4 施氮量與密度互作對氮肥利用效率 (NUE) 及相關參數(shù)的影響

由表2可知，施氮量和密度互作效應對氮素利用率 (NUE)、氮素回收率 (NRE) 和氮素生理效率(NPE) 基本無顯著影響。對于NPE而言，樹林召試驗點在高密和高氮處理下最高，而薩拉齊試驗點在高密和中氮處理下最高；兩點的最高NRE皆出現(xiàn)在高密和中氮條件下。這一方面說明，兩試驗點玉米群體氮積累量差異不大；另一方面也說明，玉米群體NPE的差異可能與兩試驗點土壤供肥能力不同導致產(chǎn)量存在差異有關。

施氮量和種植密度皆顯著影響NUE。總體而言，同一密度下，NUE隨施氮量的增加而降低，而隨密度的增加而提高，但兩試驗點間略有差異。樹林召試驗點，最高NUE出現(xiàn)在中密和中氮條件下，而薩拉齊試驗點則以高密和中氮處理最高。說明在合理的施氮量下，適度增加種植密度可以提高NUE。

表 1 施氮量和密度互作對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 1 Effect of interaction of N rate and plant density on grain yield and yield components of maize

2.5 施氮量和密度互作下玉米碳、氮積累的關系

圖4顯示，從14片葉展期 (V14) 開始，玉米地上部氮積累量與干物質積累呈顯著正相關，施氮處理的氮積累量顯著高于N0處理的，高密處理明顯高于低密處理。干物質積累量高時，植株氮積累量也較高，但干物質積累量較高時，植株氮濃度卻較低。說明玉米群體花前氮積累并不依賴群體氮濃度的高低，而是以花前大量莖葉干物質積累為前提。

作物生長率與氮積累速率的關系也證明了這一點 (圖5)，吐絲前后 (V14—R3) 玉米群體作物生長率高時氮吸收率也較高，說明干物質積累速率驅動著氮吸收速率。不同氮密處理間比較，施氮后的氮吸收速率顯著高于N0，而密度增加也明顯提高其氮素吸收積累速率。

2.6 施氮量和密度互作對收獲指數(shù) (HI) 和氮收獲指數(shù) (NHI) 的影響

由圖6可知，同一種植密度下，HI隨施氮量的增加顯著增加，N0處理下，隨種植密度的增加，HI差異不顯著；N150處理下，D4.5與D7.5差異顯著，D7.5與D10.5差異不顯著；N300條件下，各密度間HI變化不顯著。NHI在密度和施氮量間差異均不顯著。

圖 2 施氮量和密度互作對玉米群體氮積累的影響Fig. 2 Nitrogen uptake of maize as affected by different plant densities and N rates

圖 3 施氮量和密度互作下玉米吐絲期地上部氮積累量與葉面積指數(shù) (LAI) 的比例Fig. 3 Ratio of total aboveground N uptake to LAI at the silking stage of maize as affected by N rate and plant density

3 討論

3.1 施氮量和密度互作對玉米產(chǎn)量及NUE的影響

干物質是形成產(chǎn)量的物質基礎。Wang等[14]研究表明，不同栽培管理模式下玉米產(chǎn)量的提高主要與生物產(chǎn)量提高有關，而HI在不同產(chǎn)量水平群體間無顯著差異；過量施氮既沒有提高群體持綠性也沒有提高產(chǎn)量。本研究表明，中低密條件下，過量氮肥投入既沒有提高生物產(chǎn)量也沒有提高籽粒產(chǎn)量，而高密度群體則需合理增加氮肥投入，以保證群體增大對氮素需求的增加。增密是實現(xiàn)玉米增產(chǎn)的重要途徑，但超過最適密度后，玉米個體的作物生長率、氮積累速率、光合物質向籽粒分配率降低，果穗禿尖和單株生產(chǎn)力變異增大，導致玉米產(chǎn)量較最適密度群體明顯降低[10]；適量施氮則可較好協(xié)調(diào)密植群體內(nèi)玉米的形態(tài)生理特性，通過調(diào)控株型優(yōu)化群體光分布、維持穗位層葉片光合性能等保證生育后期的物質轉化效率，最終獲得較高的群體產(chǎn)量[11]。申麗霞等[15]研究表明，在中、高密度下，適量施氮可減少頂部子粒敗育，使禿尖縮短、癟粒數(shù)減少、增加穗粒數(shù)，并使玉米葉片維持較高的光合性能，為籽粒形成提供充足的光合碳量，促進營養(yǎng)體碳氮向子粒運轉，增加產(chǎn)量；同時促進植株吸收的氮素高效地向籽粒中分配，提高氮肥的利用效率。

表 2 施氮量與密度互作對玉米氮素利用效率的影響Table 2 Nitrogen efficiency of maize as affected by nitrogen rate and plant density

圖 4 14葉展期 (V14) 玉米群體氮積累量、氮濃度與生物量的關系Fig. 4 Relationship of plant nitrogen accumulation and concentration with biomass of maize at the V14 stage

圖 5 吐絲前后 (V14—R3) 玉米群體氮吸收速率與作物生長率的關系Fig. 5 Relationship of nitrogen uptake rate and crop growth rate of maize at the V14-R3 stage

圖 6 施氮量與密度互作下收獲指數(shù)及氮收獲指數(shù)的比較Fig. 6 Grain harvest index and N harvest index under different plant densities and N rates

研究[16-17]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，在一定施氮量下，NUE隨種植密度增加而增加，這是增密減氮的理論依據(jù)之一。Moll等和Ma等研究指出[5,18]，高氮條件下想要獲得較高的NUE，NRE更加重要，低氮條件下，NPE對NUE起到更加重要的作用。本研究表明，N150下NPE隨密度增加的增益更大，而N300下NRE隨密度增加更占優(yōu)勢，說明在高氮條件下NRE發(fā)揮主導作用，低氮下NPE發(fā)揮主要作用，這與前人的研究結果基本一致。從密度和施氮量對NUE的影響程度來看，增加種植密度明顯提高生物產(chǎn)量和氮積累，但增加施氮量則對群體生物量和氮積累提高不明顯，因此種植密度主要通過影響NRE影響NUE；密植條件下，個體生產(chǎn)能力特別是庫容降低是制約產(chǎn)量和NUE的重要限制因子[14]，從本研究結果來看，適量施氮則明顯改善個體庫容，同時通過增強群體花后物質生產(chǎn)能力，在氮積累總量沒有顯著提高的情況下，實現(xiàn)單位氮素籽粒生產(chǎn)效率的提升，即主要通過影響產(chǎn)量，進而實現(xiàn)NPE和NUE的協(xié)同提高。但過量施氮 (N300) 后，群體的NRE和NPE皆明顯低于中等施氮 (N150)，這可能與過量施氮限制根系生長和氮素外運有關[19]。從本研究結果來看，較高產(chǎn)量和NUE出現(xiàn)在中、高密和中等施氮條件下，說明適度增密通過生物量的增加促進了NRE的提高，適度施氮通過對個體庫容降低的補償促進了NPE的提高，這是增密減氮提高NUE的重要原因。

3.2 施氮量和密度互作下碳、氮積累的關系

施氮量和密度互作顯著影響玉米群體碳氮積累。增密可顯著提高群體碳氮積累總量、產(chǎn)量和NUE，這與增密后群體生產(chǎn)力增益大于單株生產(chǎn)力損失有關[16]。雖然過量施氮 (N300) 保持了與N150相當?shù)妮^高水平的碳氮積累總量，但其單株生產(chǎn)能力特別是籽粒庫容并沒有提高甚至降低，致使其產(chǎn)量沒有明顯提高而NUE則明顯降低，這與過量氮素供應抑制吐絲前后碳氮向果穗轉運有關[12,19]。Echarte等[20]指出，玉米吐絲前后的植株生長速率是影響穗粒數(shù)的核心因素，這一時期的作物生長速率的高低直接通過影響干物質向籽粒的分配影響籽粒的建成，對于玉米產(chǎn)量的形成至關重要。本研究結果表明，吐絲前后的V14至R3階段，玉米群體的作物生長率和氮吸收速率顯著正相關，說明這一階段的氮素高效吸收積累對于滿足子粒建成對氮素的大量需求也同等重要，但此時期的氮素積累和分配如何影響籽粒建成中的氮代謝進而影響庫容建成則值得深入探究。

玉米產(chǎn)量提高的重要原因之一是其花后物質積累量的增加[21]，但也有研究指出花前充分的干物質和氮素積累是產(chǎn)量形成特別是庫容形成以及花后氮素高效轉運利用的前提[14]。但氮密互作對不同生育階段碳氮積累影響的研究缺乏。本研究表明，施氮后的玉米氮吸收速率顯著高于N0，而密度增加也明顯提高其氮素吸收積累速率；施氮和增密下，玉米群體花前氮積累具有明顯優(yōu)勢，但其植株氮濃度并不高，說明其花前氮的充分積累，主要受花前莖葉干物質積累驅動。而從花后來看，雌穗氮積累量則主要受雌穗干物質積累驅動，而與莖葉生物量和氮積累量相關性不大，原因是花后的物質分配以雌穗為中心，而莖葉則以外運為主?？梢?，氮密互作主要通過影響花前花后物質生產(chǎn)，間接影響氮素積累過程，進而影響產(chǎn)量和NUE。

從物質分配的角度來看，干物質和氮素向籽粒中的分配比例也是影響產(chǎn)量和NUE的重要因素。Ciampitti等[22]研究表明，種植密度對HI影響不顯著，產(chǎn)量與生物量積累緊密相關，而與收獲指數(shù)相關性較弱；在相同密度條件下，增加施氮量則能提高HI，但不同氮密互作條件下對NHI的影響則并不一致，本研究結果表明，同一密度下，HI隨施氮量的增加而增加，中等施氮條件下，HI隨著密度而增加，而氮密互作對NHI影響不顯著，這與Ciampitti等的研究結果基本一致。說明籽粒中的氮素分配比例與NUE高低關系不大，NUE主要與籽粒中的干物質分配比例有關。

4 結論

1) 施氮量和密度互作通過影響干物質積累量和氮積累影響氮肥利用效率。過量施氮雖然具有較高的碳氮積累總量，但其較低的單株生產(chǎn)能力限制了其產(chǎn)量提高，中等施氮 (N150) 和高密 (D10.5) 條件下，產(chǎn)量和NUE最高，說明減氮增密是協(xié)同提高玉米產(chǎn)量和NUE的重要途徑。

2) 施氮和增密明顯促進玉米氮素積累對干物質積累的響應強度，其氮素積累優(yōu)勢主要受V14至R3階段干物質積累的驅動。從生育階段來看，施氮和增密條件下，其花前氮積累優(yōu)勢是以花前莖葉干物質積累量增加為前提，其花后氮積累優(yōu)勢則主要取決于雌穗干物質積累。

3) 減氮增密獲得較高的氮肥利用率，與籽粒中氮素分配多少無關，而主要取決于籽粒中干物質分配的多少。