褚旭,李帥,趙亞南,葉優(yōu)良,孫笑梅,黃玉芳*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 河南省農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展工程技術(shù)中心， 鄭州 450002;2.河南省土肥站， 鄭州 450002)

玉米是我國三大糧食作物之一，光合效率高、增產(chǎn)潛力大。合理增加種植密度能夠充分挖掘群體增產(chǎn)潛力，是玉米增產(chǎn)的重要途徑，也是經(jīng)濟有效、易于推廣應(yīng)用的增產(chǎn)措施。當前我國玉米種植中，由于耐肥、抗倒、耐密品種的選育和推廣，以及栽培技術(shù)的提高和化肥用量的不斷增加，玉米種植密度不斷加大，密植成為實現(xiàn)玉米大面積高產(chǎn)的重要措施和發(fā)展趨勢[1]。

在生產(chǎn)實踐中，增加玉米種植密度后，容易產(chǎn)生倒伏、禿尖、空桿等問題，嚴重制約玉米增產(chǎn)[2]。因此，在提高玉米種植密度的同時，通過合理施肥、調(diào)控養(yǎng)分對于防御增密帶來的問題，提高夏玉米產(chǎn)量具有重要作用。一般，玉米產(chǎn)量越高，植株群體對養(yǎng)分的需求也會增加[3-4]，但在我國玉米生產(chǎn)中，過量施氮的現(xiàn)象比較普遍[5]，會加重倒伏和病蟲害的發(fā)生。研究表明，隨氮肥用量的增加，玉米營養(yǎng)器官的氮素運轉(zhuǎn)率呈先增加后降低趨勢，過量氮素運轉(zhuǎn)則導(dǎo)致葉片早衰及光合能力下降，最終影響到正在發(fā)育籽粒的碳、氮輸送，不利于籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的提高[6-8]。關(guān)于玉米氮密互作的研究也表明，在玉米氮肥施用量較高的情況下，增密的同時還應(yīng)適量降低氮肥用量，以提高植株光合效率和干物質(zhì)累積，提高籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率[9-12]。

磷和鉀素是玉米需求量較大的元素，磷、鉀供應(yīng)充足能夠促進根系發(fā)育及物質(zhì)和養(yǎng)分累積，增強玉米抗逆能力；還能促進籽粒發(fā)育、提高籽粒飽滿度，保證玉米具有較高的穗粒數(shù)和粒重[13-14]。因此，在玉米增密措施下保證磷、鉀的吸收利用對于實現(xiàn)增密增產(chǎn)有重要作用，但目前關(guān)于玉米種植密度和施氮量對磷、鉀養(yǎng)分吸收和利用規(guī)律的研究報道較少。本研究通過2年田間試驗，研究不同施氮量下增密種植對夏玉米磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的影響，以期為夏玉米合理密植及養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗在河南省禹州市順店鎮(zhèn)康城村(N 34°26′，E 113°34′)完成，當?shù)貙儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L氣候。土壤類型為潮褐土，質(zhì)地為粘壤，播前耕層土壤pH為8.2，全氮含量為1.04 g·kg-1，有機質(zhì)含量為16.3 g·kg-1，速效鉀含量為113.7 mg·kg-1，速效磷含量為20.0 mg·kg-1，0～30 cm土層無機氮含量為46 kg·hm-2，0～30 cm土壤容重為1.43 g·cm-3。前茬作物為小麥，旋耕滅茬后秸稈全部還田。

1.2 試驗設(shè)計

于2015—2016年6—10月玉米季開展試驗，選用稀植型品種‘偉科702’(WK702)和耐密型品種‘中單909’(ZD909)作為供試玉米品種。共設(shè)3個供氮水平，分別為對照(不施氮，N0)、低氮(180 kg·hm-2，N180)、高氮(360 kg·hm-2，N360)，每個施氮量下設(shè)4個種植密度，分別為4.5×104(D45)、6.0×104(D60)、7.5×104(D75)、9.0×104(D90)株·hm-2，合計N0-D45、N0-D60、N0-D75、N0-D90、N180-D45、N180-D60、N180-D75、N180-D90、N360-D45、N360-D60、N360-D75和N360-D90共12個處理。小區(qū)面積5 m×6 m，合計30 m2，不同品種間密度和施氮量采用隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)，共72小區(qū)。試驗所用氮肥為尿素(含N 46.4%)，1/2在五葉期施用，1/2在玉米大喇叭口期追施；所用磷肥、鉀肥為過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)，用量90 kg·hm-2，全部基施。2015—2016年度玉米生長季均于6月11日播種，播種時行距均為0.6 m，株距根據(jù)密度換算獲得，采用人工擺播的形式播種，在玉米三葉期進行間苗定苗，均于9月20日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1樣品采集 播種后5 d出苗，分別在玉米拔節(jié)期(出苗后20 d)、大喇叭口期(出苗后35 d)、抽雄期(出苗后50 d)、灌漿期(出苗后70 d)、成熟期(出苗后100 d)，選取具有代表性玉米，取地上部植株樣品，分段切碎后裝入袋中，在105 ℃下殺青，在80 ℃下烘干至恒重，用菁海YP502N天平(上海菁海儀器有限公司)稱其干物質(zhì)重。

1.3.2植株養(yǎng)分測定 將各生育期的植株樣品烘干后磨碎。稱取植株樣品，用H2SO4-H2O2法[15]消煮，定容消煮后過濾得到待測液，采用釩鉬黃比色法[15]測定磷，用火焰光度計法[15]測定鉀。磷、鉀的收獲指數(shù)(harvest index, HI)、偏生產(chǎn)力(partial factor productivity, PFP)、吸收效率(uptake efficiency, UPE)和利用效率(utilization efficiency, UTE)的計算公式[16]如下。

磷、鉀收獲指數(shù)=籽粒磷、鉀素積累量/植株磷、鉀素積累量

磷、鉀肥偏生產(chǎn)力=施肥處理玉米產(chǎn)量/磷、鉀肥用量

磷、鉀素吸收效率=植株磷、鉀素累積量/施磷、鉀量

磷、鉀素利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株磷、鉀素累積量

1.3.3產(chǎn)量及構(gòu)成因素 玉米收獲期每個小區(qū)連續(xù)收獲40株，計產(chǎn)。同時從中選出長勢均勻、具有代表性的10個玉米穗，按常規(guī)法進行室內(nèi)考種分析，調(diào)查每穗行數(shù)、列數(shù)，并得到每穗粒數(shù)，全部脫粒后，每個小區(qū)200粒，3次重復(fù)，稱重計算千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0統(tǒng)計軟件完成，處理間差異顯著性檢驗采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量和種植密度對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表1可知，相同施氮量下，隨種植密度增加，兩個品種玉米產(chǎn)量均先增加，達到一定密度后，產(chǎn)量不再增加或者顯著下降。高氮處理(N360)下，偉科702品種的D75密度處理的產(chǎn)量最高，D90的產(chǎn)量較D75兩年平均下降11.47%；2015年中單909的D75和D90處理產(chǎn)量無顯著差異，2016年D75顯著低于D90。低氮(N180)處理下，偉科702品種的D75和D90產(chǎn)量兩年均無顯著差異，二者均顯著高于D60；而中單909的D60、D75和D90處理2015年產(chǎn)量均無顯著差異，2016年D75顯著高于D90和D60。可見，與高氮相比，低氮沒有導(dǎo)致減產(chǎn)。2015年，偉科702在D90密度下，低氮處理的產(chǎn)量顯著高于高氮處理，其他密度下差異不顯著；中單909在各密度下，低氮和高氮處理的產(chǎn)量差異均不顯著。2016年，兩個品種在D75和D90密度下，低氮處理產(chǎn)量均顯著高于高氮處理。在密度D45、D60、D75、D90處理下，兩年兩個品種低氮處理的產(chǎn)量相對高氮處理平均增產(chǎn)0.49%、0.73%、5.38%、7.81%。品種之間也存在差異，D90條件下，偉科702低氮處理兩年平均增產(chǎn)17.28%，而中單909無顯著增產(chǎn)。

表1 不同施氮量和種植密度處理的玉米產(chǎn)量和構(gòu)成因素Table 1 Maize yield and its yield components of different N application rate and planting density treatments

從產(chǎn)量構(gòu)成來看，穗數(shù)隨著種植密度增加而增加。2015年中單909在D90時隨著施氮量增加而顯著下降，其他條件下低氮處理和高氮處理對穗數(shù)的影響不大。種植密度顯著影響穗粒數(shù)，隨密度增加穗粒數(shù)呈下降趨勢。低密條件下低氮處理的穗粒數(shù)低于高氮處理，而高密條件下低氮處理可增加穗粒數(shù)。其中，偉科702在D45和D60處理下，2015年低氮與高氮處理穗粒數(shù)差異不顯著，2016年低氮顯著低于高氮處理；在D75和D90密度下，低氮處理兩年的穗粒數(shù)均顯著高于高氮處理。兩個品種間的穗粒數(shù)也存在差異，偉科702在高密條件下低氮處理的穗粒數(shù)增加幅度大于中單909，在D75和D95密度下，偉科702低氮處理分別增加了6.77%和14.10%，中單909增加不顯著。千粒重也隨密度增加而下降，低氮處理和高氮處理差異不明顯。

2.2 施氮量和種植密度對玉米磷素吸收利用的影響

2.2.1施氮量和種植密度對玉米磷素累積量的影響 由表2可知，玉米生育期內(nèi)磷素的累積呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，在大喇叭口期以前累積速率較慢，各處理之間的差距較小，在大喇叭口期之后磷素累積量迅速增加，且與不施氮處理相比差異顯著。偉科702的磷素累積量隨密度升高先增加后降低，在相同施氮量下，灌漿期和成熟期的磷累積量D90處理在兩年均顯著低于D75和D60。中單909在不施氮時，磷累積量隨密度增加逐漸增加；隨著施氮量增加，D90的磷素累積逐漸開始低于D75。在相同密度下，低氮處理的磷素累積總體高于高氮處理；在成熟期兩年4個密度的磷素累積增加了6.08%～31.35%，平均增加15.30%。

表2 不同施氮量和種植密度處理玉米不同生育期的磷素累積Table 2 P accumulation of maize under different growth period in different N application rate and planting density treatments (kg·hm-2)

2.2.2施氮量和種植密度對玉米磷利用效率的影響 由表3可見，玉米籽粒和莖稈的磷吸收隨密度增加呈先增加后降低的趨勢，在D75達到最大；不同品種間，偉科702在D90的降低幅度大于中單909；且低氮處理的籽粒和莖稈磷吸收較高氮處理均不同程度降低。從磷收獲指數(shù)來看，隨著密度的增加磷素收獲指數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，且施氮有利于促進磷素收獲指數(shù)的增高。如在2015年，偉科702在低氮和高氮時較不施氮處理顯著提高了0.35～1.59和0.71～2.79個百分點，中單909分別提高了0.63～1.86和0.34～2.80個百分點。在D45和D60密度下，低氮處理的磷收獲指數(shù)低于高氮處理，而增密后低氮處理的磷收獲指數(shù)相對提高。磷肥偏生產(chǎn)力隨密度增加而增加，但達到D90后出現(xiàn)下降情況，偉科702下降情況明顯，且幅度較大。施氮顯著提高磷肥偏生產(chǎn)力，在D45和D60密度下低氮與高氮處理差異較小，在D75和D90密度下低氮處理提高了磷肥偏生產(chǎn)力，且偉科702提高幅度大于中單909。密度對磷吸收效率的影響與偏生產(chǎn)力一致，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在密度達到D75時最大，但低氮條件下中單909的磷吸收效率隨密度增加而持續(xù)增加，高氮條件下偉科702的吸收效率下降幅度高于中單909；低氮處理的磷吸收效率顯著高于高氮處理。隨著密度的增加，偉科702磷素的利用效率呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢，且在D75密度下最小，D90處理磷肥利用效率高于其他處理，這可能與較低的氮素吸收有關(guān)；中單909則隨著密度增加磷素利用效率逐漸降低。施氮降低了玉米的磷素利用效率，兩年兩個品種的趨勢相同，低氮處理的利用效率低于高氮處理。

表3 不同施氮量和種植密度處理的玉米磷利用效率Table 3 P utilization efficiency of maize in different N application rate and planting density treatments

2.3 施氮量和種植密度對玉米鉀素吸收利用的影響

2.3.1施氮量和種植密度對玉米鉀素累積量的影響 由表4可知，玉米生育期內(nèi)鉀素的累積與磷素的規(guī)律相同，在整個生育期內(nèi)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，在大喇叭口期之后累積速率較快，各處理間的差異較大，2016年鉀累積量整體高于2015年。偉科702的鉀累積隨著密度上升先增加后降低，D75達到最高；但在高氮處理下2015年D90低于D45。中單909也表現(xiàn)出相同的趨勢，但在D75增密到D90的過程中偉科702的鉀素累積量下降了19.62%，而中單909降低幅度遠小于偉科702。在相同密度條件下，施氮處理的鉀素累積量均要顯著高于不施氮處理，而低氮處理的鉀素累積量均高于高氮處理，成熟期兩個玉米品種兩年4個密度下的鉀素累積增加了8.99%～49.02%，平均增加17.91%。

表4 不同施氮量和種植密度處理玉米不同生育期的鉀素累積Table 4 K accumulation of maize under different growth period in different N application rate and planting density treatments (kg·hm-2)

2.3.2施氮量和種植密度對玉米鉀利用效率的影響 由表5可知，偉科702籽粒和莖稈以及中單909的莖稈鉀累積均隨密度呈先增加后降低趨勢，但中單909的籽粒鉀累積卻呈逐漸增加的趨勢；不同施氮量條件下，低氮處理比高氮處理的籽粒和莖稈鉀吸收量降低。從鉀收獲指數(shù)來看，偉科702兩年低氮處理及2015年不施氮處理，均隨著密度增加呈上升趨勢，但D75均低于D60；偉科702其他施氮處理下以及中單909相同施氮處理下則表現(xiàn)為隨密度增加而下降，到D95后又增加。在相同密度下，施氮處理的鉀收獲指數(shù)均高于不施氮；除了2016年偉科702在D90條件下低氮處理高于高氮處理，其他條件下低氮處理均低于高氮處理，下降幅度為0.80%～15.02%，平均下降8.06%。鉀肥偏生產(chǎn)力隨密度增加而增加，但達到D90后會出現(xiàn)下降情況，偉科702下降幅度相對高于中單909。在D75和D95密度下，低氮處理提高了磷肥偏生產(chǎn)力，偉科702提高幅度大于中單909；在D45和D60密度下，低氮與高氮處理差異相對較小。鉀吸收效率隨密度變化總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在密度D75時鉀吸收效率最大，到D90后降低。在低氮條件下中單909的磷吸收效率隨密度增加而一直增加，高氮條件下中單909在D90時鉀吸收效率相對D75的下降幅度高于偉科702。相同密度時，低氮處理的磷吸收效率顯著高于高氮處理，二者均顯著高于不施氮處理?？傮w上，中單909的鉀素利用效率相對高于偉科702，且隨密度增加呈現(xiàn)下降趨勢，偉科702低氮處理及2015年高氮處理D90的鉀利用效率最高，其他條件下也隨密度增加有下降的趨勢。相同密度下，不施氮時鉀利用效率最高，其次為高氮處理，低氮處理降低了鉀利用效率。

表5 不同施氮量和種植密度處理的玉米鉀利用效率Table 5 P utilization efficiency of maize in different K application rate and planting density treatments

3 討論

3.1 種植密度對玉米產(chǎn)量的影響

本研究表明，一定程度上增加種植密度能夠提高玉米產(chǎn)量，密度對產(chǎn)量的影響主要通過提高穗數(shù)來實現(xiàn)，但密度過高又導(dǎo)致穗粒數(shù)和千粒重下降，進而產(chǎn)量下降，這與之前研究結(jié)果[17-18]一致。這是因為增密導(dǎo)致的穗數(shù)增加幅度高于穗粒數(shù)和千粒重下降的幅度，因而產(chǎn)量升高。但密度過高，穗粒數(shù)和千粒重下降的負效應(yīng)會超過穗數(shù)增加的正效應(yīng)，進而產(chǎn)量降低。作物要獲得高產(chǎn)需要協(xié)調(diào)穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重之間的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)增密主要通過提高玉米單位面積穗數(shù)，發(fā)揮群體優(yōu)勢，進而提高產(chǎn)量。但另一方面，增密導(dǎo)致單穗粒數(shù)和千粒重持續(xù)下降，所以協(xié)調(diào)好群體和個體之間的關(guān)系，是通過密植獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵[18]。本研究條件下，兩個品種的最佳種植密度均為7.5×104株·hm-2，與曹冰等[19]研究結(jié)果一致，但也低于魏淑麗等[20]的研究結(jié)果，可能的原因為魏淑麗等研究的內(nèi)蒙古地區(qū)光照資源明顯優(yōu)于本試驗所處地區(qū)，所以種植密度的選擇一定要根據(jù)當?shù)氐臍夂蛸Y源進行。王鍇等[21]研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)玉米高產(chǎn)的種植密度實際上比較寬泛，不同玉米種植區(qū)內(nèi)玉米最高產(chǎn)量的密度與氣候、土壤、產(chǎn)量水平等都有關(guān)系。本試驗在增密條件下玉米產(chǎn)量可以達到12 t·hm-2，在河南省玉米產(chǎn)量中達到較高水平，但要通過增密實現(xiàn)產(chǎn)量進一步提升，則需要改善光熱資源、土壤肥力、灌溉條件等其他限制條件[22-23]。另外，不同耐密型品種對增密的反應(yīng)存在差異，耐密品種比較穩(wěn)定，而非耐密品種比較敏感，偉科702在密度為9.0×104株·hm-2時比在7.5×104株·hm-2時產(chǎn)量下降幅度很大，而中單909變化不大。兩年試驗中，2016年雨水較多，高密和低密均有倒伏情況；2015年均無倒伏。雖然倒伏會對產(chǎn)量有影響，但兩年試驗表明，密度過高對產(chǎn)量的影響主要通過產(chǎn)量構(gòu)成。從合理的密度范圍上來看，偉科702在6.0×104～7.5×104株·hm-2為適宜的密度范圍，而中單909為7.5×104～9.0×104株·hm-2。

3.2 種植密度對玉米磷、鉀吸收利用的影響

種植密度對玉米磷、鉀吸收利用的影響，與對產(chǎn)量的影響趨勢一致，磷、鉀吸收量隨密度增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且存在與施氮水平和品種的交互作用。在不施氮時，偉科702在高密度下(9.0×104株·hm-2)磷素累積要高于低密條件(4.5×104株·hm-2)，但施氮360 kg·hm-2時，高密度下磷素累積量則低于低密度。中單909表現(xiàn)出相似趨勢，但相對穩(wěn)定，變化幅度較小，在不施氮時9.0×104株·hm-2處理高于其他處理，施氮360 kg·hm-2時則低于7.5×104株·hm-2處理。種植密度主要通過影響干物質(zhì)累積和養(yǎng)分濃度，進而影響磷、鉀的吸收，玉米的干物質(zhì)和磷、鉀濃度均隨著密度增加呈先增加后降低的趨勢。從利用率來看，磷、鉀偏生產(chǎn)力和吸收效率隨密度提高也呈先增加后降低趨勢，收獲指數(shù)和利用效率呈下降趨勢，表明合理密植可以提高磷、鉀的吸收效率，而轉(zhuǎn)運效率和整體利用率會有所下降。這可能是因為增密能夠發(fā)揮群體效應(yīng)，維持良好的根系吸收能力，或通過提高群體籽粒庫容，加強庫調(diào)節(jié)能力，從而保證植株對磷、鉀的吸收[24-25]，而在個體水平上，增密導(dǎo)致轉(zhuǎn)運能力下降，收獲指數(shù)降低；而且隨著密度提高，磷、鉀吸收量增加幅度高于增產(chǎn)幅度，因此單位養(yǎng)分形成的籽粒產(chǎn)量也逐漸下降，即利用效率下降。

3.3 氮密互作對玉米產(chǎn)量和磷、鉀吸收利用的影響

本研究位于高肥力地塊，研究結(jié)果表明，低氮(180 kg·hm-2)相對于高氮(360 kg·hm-2)不會造成減產(chǎn)，相反可以提高玉米產(chǎn)量，且種植密度越高，低氮處理的增產(chǎn)幅度越大，表明在種植密度較高時應(yīng)控制氮肥用量，尤其對于密度比較敏感的品種。相對于中單909，偉科702在高密度時低氮處理的增產(chǎn)幅度較大，在密度較高時應(yīng)避免過量施肥。低氮對穗數(shù)和千粒重的影響不大，對產(chǎn)量的影響主要通過穗粒數(shù)的變化，而決定玉米穗粒數(shù)的關(guān)鍵時期在拔節(jié)期到抽雄期，養(yǎng)分累積量也在這一時期增加迅速。過多的氮素供應(yīng)，會導(dǎo)致葉片光合能力下降，從而影響物質(zhì)和養(yǎng)分的吸收、同化和轉(zhuǎn)運[7]，且相同密度下減少氮肥投入提高了該時期植株對養(yǎng)分的吸收，在生育后期促進養(yǎng)分向籽粒的有效轉(zhuǎn)運，進而提高穗粒數(shù)及產(chǎn)量水平。這與楊夢雅等[26]的研究結(jié)果一致，其研究表明植株磷素吸收變化隨施氮水平呈拋物線型趨勢。盡管低氮水平可以提高吸收效率，但單位養(yǎng)分形成的籽粒產(chǎn)量降低，即利用效率降低，且在低密度條件下低氮處理的磷收獲指數(shù)降低，但高密度下提高了轉(zhuǎn)運效率，表明養(yǎng)分吸收后向籽粒的轉(zhuǎn)運能力提高。與磷有所差異，低氮處理降低了鉀收獲指數(shù)，可能是因為玉米對鉀的需求量較高，而且成熟期鉀主要在秸稈中，盡管鉀轉(zhuǎn)移至籽粒的比例較低，但在提高吸收量的情況下，低氮處理鉀的轉(zhuǎn)移量可以滿足籽粒灌漿對鉀素的需求。偏生產(chǎn)力反映了單位施肥量下的籽粒產(chǎn)量，受土壤肥力、施肥量和產(chǎn)量的綜合影響，是實際生產(chǎn)中的實用指標，低氮提高了磷、鉀偏生產(chǎn)力，表明通過減少氮肥投入提高了磷、鉀肥利用率。黃淮海地區(qū)玉米種植密度約為6.2×104株·hm-2，施肥量仍然比較高[1,5]，因此通過適度增密減氮，可以實現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。