范虹，殷文，胡發(fā)龍，樊志龍，趙財(cái)，于愛忠，何蔚，孫亞麗，王鳳，柴強(qiáng)

綠洲灌區(qū)密植對(duì)氮肥減量玉米產(chǎn)量的補(bǔ)償潛力

范虹，殷文，胡發(fā)龍，樊志龍，趙財(cái)，于愛忠，何蔚，孫亞麗，王鳳，柴強(qiáng)

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070

【目的】針對(duì)綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)氮肥用量過高的問題，探究通過密植補(bǔ)償?shù)蕼p量對(duì)玉米產(chǎn)量負(fù)效應(yīng)的可行性。【方法】2019—2021年，以施氮水平為主區(qū)，設(shè)地方習(xí)慣施氮（N2，360 kg·hm-2）、減量25%施氮（N1，270 kg·hm-2）兩個(gè)水平；以種植密度為副區(qū)，設(shè)傳統(tǒng)（M1，7.8萬株/hm2）、中（M2，10.4萬株/hm2，增密33%）、高（M3，12.9萬株/hm2，增密66%）3個(gè)密度水平，進(jìn)行裂區(qū)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究氮肥減量條件下增密對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響?！窘Y(jié)果】（1）氮肥減量導(dǎo)致玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量分別降低4.0%、4.9%。減氮條件下，中密度可以產(chǎn)生籽粒產(chǎn)量補(bǔ)償效應(yīng)，N1M2較對(duì)照N2M1提高4.1%；高密度處理N1M3生物產(chǎn)量補(bǔ)償效應(yīng)最大，較對(duì)照提高14.2%。（2）通過回歸分析模擬得到：減氮條件下，當(dāng)種植密度提高至8.4萬株/hm2可以與對(duì)照N2M1籽粒產(chǎn)量持平，并在10.6萬株/hm2時(shí)獲得最大產(chǎn)量13 537 kg·hm-2，較對(duì)照提高4.9%。（3）氮肥減量引起穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重分別降低5.0%、3.3%和3.4%；中、高密度分別較傳統(tǒng)密度提高穗數(shù)27.9%、49.7%，降低穗粒數(shù)3.8%、8.4%，降低千粒重5.2%、8.9%。中密度較傳統(tǒng)密度對(duì)收獲指數(shù)無顯著影響，而高密度使收獲指數(shù)降低14.2%。N1M2較對(duì)照N2M1通過穗數(shù)增加補(bǔ)償了減氮引起穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重的下降，從而實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)。（4）氮肥減量降低拔節(jié)期至抽雄吐絲期的玉米生長率7.2%—8.4%；中、高密度較傳統(tǒng)密度提高苗期至大喇叭口期玉米生長率27.3%、60.3%。（5）氮肥減量條件下，N1M2較對(duì)照提高葉、莖和鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量達(dá)9.6%、13.6%和3.7%，提高葉和莖對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率5.3%和9.0%?！窘Y(jié)論】通過合理密植可以補(bǔ)償減氮引起的玉米產(chǎn)量下降，在施氮量270 kg·hm-2的基礎(chǔ)上增密至10.4萬株/hm2，能夠最大化產(chǎn)量補(bǔ)償效應(yīng)，是綠洲灌區(qū)玉米節(jié)氮穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)的可行措施。

玉米密植；氮肥減量；補(bǔ)償潛力；產(chǎn)量；綠洲灌區(qū)

0 引言

【研究意義】目前我國氮肥消費(fèi)量超過作物最高產(chǎn)量需求量，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮盈余量已經(jīng)非常可觀[1-2]。過量施用氮肥不僅不能進(jìn)一步提高產(chǎn)量，反而導(dǎo)致氮肥利用率低下[1]、土壤氮素淋失[3]、溫室氣體排放[4]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本偏高等問題。而化學(xué)氮肥投入的減少超過一定閾值，則會(huì)引起產(chǎn)量下降[5-6]。如何在減少氮肥使用量的前提下獲得高產(chǎn)是我國作物生產(chǎn)面臨的重大課題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)無機(jī)肥配施[7]、綠肥復(fù)種[5]、秸稈還田[6]、合理密植[8]等農(nóng)藝管理措施均可起到化學(xué)氮減少和穩(wěn)產(chǎn)作用。然而有機(jī)肥施用量大、成本高，農(nóng)戶接受度較低[5]；綠肥復(fù)種技術(shù)需要較高水熱資源，適用于短生育期作物如麥后復(fù)種綠肥[5]；秸稈還田導(dǎo)致病蟲害風(fēng)險(xiǎn)加大，操作時(shí)容易過量還田影響下茬作物出苗[9]。基于農(nóng)田氮盈余普遍現(xiàn)狀[2]，從投入成本、操作難度、節(jié)氮潛力等方面綜合考慮，密植技術(shù)便于實(shí)施，增產(chǎn)效果明顯[8,10]，有望通過增大作物密度補(bǔ)償減氮導(dǎo)致的產(chǎn)量下降[11-12]。研究表明，氮肥與密度互作影響作物籽粒產(chǎn)量，減氮增密可促進(jìn)水稻群體分蘗數(shù)和主要生育期干物質(zhì)量，穩(wěn)定產(chǎn)量[13]；減氮密植可增加苦蕎單株粒數(shù)和產(chǎn)量[14]；氮密互作促進(jìn)小麥產(chǎn)量三要素協(xié)調(diào)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[15]。玉米現(xiàn)已成為我國及全球第一大糧食作物[16]，2022年，我國玉米總產(chǎn)量達(dá)到27 720.3萬噸，單產(chǎn)6 436.1 kg·hm-2[17]，在保障糧食安全方面具有重要戰(zhàn)略地位。玉米需氮量大，單位播種面積的氮肥用量達(dá)到了258.7 kg·hm-2[11]，而氮肥利用率僅有26.1%[18]，在減氮條件下如何穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)是學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，我國平均玉米種植密度約為6萬株/hm2，而美國玉米平均種植密度已經(jīng)超過8萬株/hm2[12]，我國密植技術(shù)還有較大增長潛力。從我國各生態(tài)區(qū)開展的玉米增密試驗(yàn)來看，玉米密度增加1.5萬株/hm2可實(shí)現(xiàn)在“增密不增氮”的前提下提高產(chǎn)量[12]。鑒于玉米施肥量高、密植潛力未完全發(fā)揮的現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)玉米生產(chǎn)中，減氮密植理論和技術(shù)的研究亟待深入?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】河西綠洲灌區(qū)光資源豐富，是典型的春玉米高產(chǎn)地區(qū)，適宜發(fā)展玉米密植技術(shù)，但當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶氮肥施用量普遍偏高。因此設(shè)計(jì)玉米減氮增密試驗(yàn)，探索通過增密補(bǔ)償減氮導(dǎo)致的減產(chǎn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探討減量施氮對(duì)產(chǎn)量的作用；探索通過增加密度補(bǔ)償減氮負(fù)效應(yīng)的可行性；通過分析產(chǎn)量構(gòu)成及光合產(chǎn)物的累積和分配特征，揭示施氮和密度協(xié)同影響玉米產(chǎn)量的基本機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于2019—2021年在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于甘肅河西走廊東端，屬溫帶干旱區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)超過2 900 h，光資源豐富，年均氣溫約7.3℃，≥0℃和≥10℃年積溫分別為3 513℃和2 985℃，玉米是該區(qū)主栽作物之一。3年試驗(yàn)區(qū)玉米生育期降雨量和氣溫見表1。

表1 2019—2021年試驗(yàn)區(qū)降雨量和氣溫

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為施氮水平，副區(qū)為種植密度，施氮量設(shè)：減量25%施氮（N1）270 kg·hm-2、地方習(xí)慣施氮（N2）360 kg·hm-2；種植密度設(shè)傳統(tǒng)（M1）、中（M2）、高（M3）3個(gè)水平，分別為7.8、10.4和12.9萬株/hm2，共6個(gè)處理，每處理重復(fù)3次（表2）。其中N2M1為地方傳統(tǒng)水平，即本試驗(yàn)對(duì)照。

表2 試驗(yàn)處理及代碼

分別于2019、2020和2021年的4月19日、4月20日播種，9月25日、9月28日、9月27日收獲。玉米品種為先玉335。玉米種植采用全膜覆蓋、膜下滴灌，灌溉定額405 mm，于拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、開花期和灌漿期分別灌水90、75、90、75、75 mm。氮肥以基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌漿期追肥＝3﹕5﹕2分施；純磷180 kg·hm-2，全作基肥一次性施入。其他管理措施同地方習(xí)慣水平。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：在每個(gè)小區(qū)未取樣的區(qū)域量取1.4 m×5 m測(cè)定單位面積穗數(shù)，人工收割脫粒計(jì)產(chǎn)，按13%籽粒含水量折合成公頃產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)選取10株考種，測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重。

玉米總生物量＝成熟期單株總干重×成熟期實(shí)收株數(shù)。

干物質(zhì)積累量：從玉米苗期開始，在每小區(qū)每隔15 d隨機(jī)選取玉米5株（苗期選取10株），于105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重，計(jì)算干物質(zhì)積累量，用來計(jì)算作物生長率（CGR）；吐絲期至完熟期分為葉片、莖稈、鞘、穗4個(gè)部分，用來計(jì)算玉米營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（DTA）、轉(zhuǎn)運(yùn)率（DTR）、營養(yǎng)器官對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率（GCR）[19]。

玉米群體生長率（CGR）：CGR＝（W2-W1）/（T2-T1）。W1和W2分別為T1和T2時(shí)干物質(zhì)積累量。

營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（DTA，kg）＝該器官最大干重-該器官成熟時(shí)干重。

營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率（DTR，%）＝[（該器官最大干重-該器官成熟時(shí)干重）/該器官最大干重]×100%。

營養(yǎng)器官對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率（GCR，%）＝[（該器官大干重-該器官成熟時(shí)干重）/籽粒干重]×100%。

收獲指數(shù)（HI）＝籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量。

補(bǔ)償效應(yīng)（CE）＝（減氮密植處理-對(duì)照）/對(duì)照×100%，CE≥0時(shí)說明存在補(bǔ)償效應(yīng)，增密可以替代減氮達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)，CE＜0時(shí)說明增密難以補(bǔ)償減氮導(dǎo)致的減產(chǎn)[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019整理匯總，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（Duncan’s multiple range tests＜0.05）主效應(yīng)與互作效應(yīng)分析、通徑分析以及回歸分析。

2 結(jié)果

2.1 密植對(duì)減氮玉米籽粒與生物產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)

2.1.1 密植對(duì)減量施氮玉米籽粒產(chǎn)量和生物量的影響 氮肥減量降低了玉米籽粒產(chǎn)量，適宜增密可提高籽粒產(chǎn)量，氮密互作顯著（表3）。N1較N2降低產(chǎn)量4.0%。3年各密度處理下M2處理產(chǎn)量均最高，M3次之，M1產(chǎn)量最低，M2、M3較M1籽粒產(chǎn)量分別提高8.3%、3.1%。3年數(shù)據(jù)顯示各處理中N2M2產(chǎn)量均為最高，較對(duì)照N2M1提高7.8%。減氮條件下，中密處理N1M2較對(duì)照籽粒產(chǎn)量提高4.1%；高密處理N1M3與對(duì)照籽粒產(chǎn)量無顯著差異。從年度來看，2019和2020年籽粒產(chǎn)量為13 300和13 547 kg·hm-2，較2021年（12 777 kg·hm-2）分別提高4.1%和6.0%。

電氣工程自動(dòng)化技術(shù)在我國工業(yè)生產(chǎn)中起著很重要的作用，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。但從目前發(fā)展來看，在工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)化的程度仍然落后于發(fā)達(dá)國家。我國現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)往往只能完成自己獨(dú)立的幾項(xiàng)工作，而且這幾項(xiàng)技術(shù)還需要通過多個(gè)設(shè)備共同協(xié)作才能完成。在整個(gè)電氣自動(dòng)化的過程中，不同環(huán)節(jié)之間的“交流”很少，這樣就不能形成一個(gè)完整的自動(dòng)化鏈，影響了整個(gè)大系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)程[4]。

表3 氮肥減量下不同密度玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素

同列不同小寫字母表示每個(gè)年度不同處理間差異顯著（＜0.05）。**表示在＜0.01水平上顯著相關(guān)，*表示在＜0.05水平上顯著相關(guān)，NS表示不顯著。下同

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments in each year at＜0.05. ** indicates significant effect at＜0.01 level; * indicates significant effect at＜0.05 level; NS indicates non-significant difference. The same as below

氮肥減量降低了玉米生物產(chǎn)量，而增密提高了生物產(chǎn)量，氮密無互作效應(yīng)（表3）。氮肥減量后生物產(chǎn)量隨之降低，N1較N2降低4.9%。玉米生物產(chǎn)量隨著種植密度的增加而增加，M2、M3較M1提高10.4%、19.9%。N2M3生物產(chǎn)量最高，較對(duì)照N2M1生物產(chǎn)量提高18.6%。減氮條件下，通過增密同樣可以提高生物產(chǎn)量，N1M2和N1M3較對(duì)照分別提高4.3%和14.2%。年際間分析顯示2019和2020年生物產(chǎn)量較2021年分別提高6.7%和2.3%。

2.1.2 玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素 施氮及增密對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著影響，但互作效應(yīng)不顯著（表3）。氮肥減量后穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重平均減少5.0%、3.3%和3.4%。穗數(shù)隨密度增加而增大，M2、M3較M1分別提高27.9%、49.7%；穗粒數(shù)隨著密度增大而減小，M2、M3較M1分別減小3.8%、8.4%；千粒重隨密度增大呈降低趨勢(shì)，M2、M3較M1分別減小5.2%、8.9%。減氮中密處理N1M2較對(duì)照穗數(shù)提高20.5%，穗粒數(shù)降低7.4%，千粒重降低9.1%。年度間比較顯示穗數(shù)3年趨勢(shì)一致，穗粒數(shù)2019和2021年較2020年分別增加6.5%和8.1%，千粒重分別增加5.5%和14.4%。

2.1.3 密植對(duì)減氮下玉米籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng) 減氮條件下，增加玉米密度可以彌補(bǔ)減氮造成的籽粒產(chǎn)量下降，甚至在適宜的密度下有所提高（圖1-a）。減氮中密處理N1M2較對(duì)照N2M1在2019表現(xiàn)為籽粒產(chǎn)量無顯著差異，在2020和2021年補(bǔ)償效應(yīng)分別為8.9%和3.3%，3年平均補(bǔ)償效應(yīng)為4.1%。減氮高密處理N1M3處理較對(duì)照補(bǔ)償效應(yīng)在2020年為正效應(yīng)5.2%，2019和2021年為負(fù)效應(yīng)-6.0%、-3.2%。說明合理增密可以彌補(bǔ)減氮引起的產(chǎn)量損失，甚至提高產(chǎn)量，但密度過大時(shí)產(chǎn)量不穩(wěn)定，甚至有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

生物產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)同樣存在（圖1-b），N1M2較對(duì)照補(bǔ)償效應(yīng)在3年間分別為4.4%、6.8%和1.6%，平均為4.3%；N1M3處理較對(duì)照補(bǔ)償效應(yīng)達(dá)到9.0%、19.0%和15.1%，平均為14.4%。

圖1 氮肥減量下種植密度對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)

2.1.4 減量施氮下種植密度對(duì)籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量的閾值模擬 對(duì)兩種施氮水平下籽粒產(chǎn)量與種植密度進(jìn)行回歸分析，兩者為一元二次函數(shù)關(guān)系（圖2）。在N2下，擬合方程為=-124.82+2657.6-115.0（2=0.916），其極值點(diǎn)為（10.7，14033），即在10.7萬株/hm2處達(dá)到最大產(chǎn)量14 033 kg·hm-2，較對(duì)照3年平均產(chǎn)量提高7.8%。在N1水平下，擬合方程為= -137.62+2924.5-2001.4（2=0.961），其極值點(diǎn)為（10.6，13537），即在10.6萬株/hm2時(shí)達(dá)到最大產(chǎn)量13 537 kg·hm-2，較對(duì)照高4.9%。在N1水平下，將種植密度提高到8.4萬株/hm2，產(chǎn)量即可達(dá)到與對(duì)照持平。

在兩種施氮水平下，生物產(chǎn)量與密度的關(guān)系均符合一元線性關(guān)系（2=0.967，2=0.956），密度越大，生物產(chǎn)量越大。減氮N1較地方習(xí)慣施氮N2平均降低5.0%。說明本試驗(yàn)設(shè)置的密度還未達(dá)到生物產(chǎn)量的密度臨界值，生物產(chǎn)量的密度臨界值遠(yuǎn)高于籽粒產(chǎn)量。在N1水平下增密至9.1萬株/hm2時(shí)可達(dá)到對(duì)照的生物產(chǎn)量水平。

圖2 氮肥減量下種植密度對(duì)籽粒產(chǎn)量及生物產(chǎn)量的影響

2.2 減氮下密植對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成的調(diào)控效應(yīng)

在本試驗(yàn)設(shè)置下，玉米籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與穗粒數(shù)及千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4）。直接通徑系數(shù)表明產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量的直接作用，其中穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重直接通徑系數(shù)分別為0.311、-0.040、-0.440，說明穗數(shù)對(duì)產(chǎn)量有顯著正效益，穗粒數(shù)對(duì)產(chǎn)量直接作用很小，而千粒重對(duì)產(chǎn)量具有顯著負(fù)效益。間接通徑系數(shù)說明穗數(shù)通過千粒重對(duì)籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生正面貢獻(xiàn)（0.342）；穗粒數(shù)間接地通過負(fù)面影響千粒重（-0.336）和穗數(shù)（-0.259），從而對(duì)產(chǎn)量起到負(fù)效應(yīng)；千粒重通過影響穗數(shù)（-0.242）影響產(chǎn)量。結(jié)合本試驗(yàn)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素及通徑分析可知，增加穗數(shù)是提高產(chǎn)量的首要因素，而減氮引起的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重下降可以通過密植得以補(bǔ)償，試驗(yàn)結(jié)果表明本區(qū)域玉米種植密度還未到閾值，因此充分挖掘玉米密植潛力，是增產(chǎn)的重要途徑。

表4 氮肥減量和不同種植密度下玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量因素的相關(guān)系數(shù)和通徑系數(shù)

**表示在＜0.01水平上顯著相關(guān) **Correlation is significant at＜0.01 level

2.3 減氮下密植玉米干物質(zhì)積累和分配的響應(yīng)

玉米各時(shí)期群體生長率在年際間無顯著差異，施氮和密度對(duì)其影響顯著，氮密存在互作

2.3.2 地上部干物質(zhì)分配特性 隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，玉米葉、莖、鞘干物質(zhì)分配比率逐漸降低，而穗部逐漸增大，即干物質(zhì)分配呈前期擴(kuò)源后期增庫的變化規(guī)律（圖4）。氮肥減量對(duì)各時(shí)期玉米穗部干物質(zhì)分配無顯著影響，而增密使其降低，氮肥減量和密植存在互作。吐絲期，M2較M1對(duì)玉米穗部干物質(zhì)分配無顯著影響，而M3處理較M1降低3.9%；減氮條件下N1M2較對(duì)照無顯著差異，但N1M3較N2M1降低4.9%。灌漿期至蠟熟期，M2和M3處理較M1分別降低玉米穗部干物質(zhì)分配2.6%—3.6%和5.2%—7.0%；減氮條件下N1M2較對(duì)照無顯著差異，但高密度N1M3較N2M1降低3.4%—4.2%。完熟期，M2較M1對(duì)玉米穗部干物質(zhì)分配無顯著影響，M3較M1降低玉米穗部干物質(zhì)分配7.7%；減氮條件下N1M2較對(duì)照無顯著差異，但高密度N1M3較N2M1降低6.5%。說明合理增密有助于保持玉米穗部干物質(zhì)分配比率，而密度過高會(huì)降低穗部干物質(zhì)分配，因此合理的密度是獲得較高玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵栽培措施。

2.3.3 玉米不同器官干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)特征 氮肥減量顯著降低玉米葉、莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量，而增密使其顯著增加，氮密互作存在于葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（表5）。N1較N2玉米葉和莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量分別降低3.2%和3.4%。M2較M1提高了葉、莖轉(zhuǎn)運(yùn)量，增幅為11.0%、12.8%；M3較M1提高葉、莖轉(zhuǎn)運(yùn)量達(dá)11.6%、5.8%。N1M2較對(duì)照提高葉、莖和鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量達(dá)9.6%、13.6%和3.7%；而N1M3較對(duì)照降低鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量6.4%，對(duì)葉、莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量無顯著影響。

氮肥減量對(duì)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率無顯著影響，增密對(duì)莖、鞘轉(zhuǎn)運(yùn)率及葉、鞘籽粒貢獻(xiàn)率有顯著影響。M2較M1對(duì)葉、莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率影響不顯著，降低鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率9.9%；M3較M1顯著降低葉、莖、鞘轉(zhuǎn)運(yùn)率達(dá)9.5%、16.6%和18.3%。N1M2較對(duì)照分別提高葉和莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率6.6%和7.5%；而N1M3較對(duì)照降低葉、干、鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率分別達(dá)11.1%、16.0%和18.1%。說明減氮條件下，適量增密有助于提高營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率，但較高的密度會(huì)導(dǎo)致干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)下降。

氮肥減量對(duì)玉米葉、莖、鞘對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率無顯著影響，增密對(duì)葉、莖和鞘貢獻(xiàn)率有顯著影響。M2較M1顯著提高玉米葉、莖對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率2.6%和4.1%，但降低了鞘的貢獻(xiàn)率6.5%；M3較M1顯著提高葉、莖籽粒貢獻(xiàn)率達(dá)6.2%和2.6%，但降低了鞘的貢獻(xiàn)率4.4%。N1M2較對(duì)照提高葉和莖對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率5.3%和9.0%；而N1M3較對(duì)照處理對(duì)葉、莖對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率影響不顯著，并降低鞘對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率5.1%。說明氮肥減量條件下，合理增密可以提高營養(yǎng)器官干物質(zhì)對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

玉米穗部干物質(zhì)在年際和施氮水平上無顯著差異，密度對(duì)其影響顯著，氮密存在互作

2.3.4 收獲指數(shù) 減氮對(duì)收獲指數(shù)影響不顯著，密植顯著減小玉米收獲指數(shù)，減氮和密植無互作（圖5）。與M1相比，M3處理收獲指數(shù)降低14.2%，而M2較M1無差異。N1M1處理收獲指數(shù)最大，N1M3處理最小，減氮條件下，中密度處理N1M2較對(duì)照收獲指數(shù)無顯著差異，高密度處理N1M3較對(duì)照降低13.7%。說明減氮條件下，在適宜的密度范圍內(nèi)增密對(duì)玉米收獲指數(shù)影響較小，但密度過高導(dǎo)致收獲指數(shù)顯著下降，玉米群體生物量的增加幅度超過收獲指數(shù)降低的幅度時(shí)最有利于增產(chǎn)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生物量和收獲指數(shù)的關(guān)系是高產(chǎn)的前提。3年中2021年收獲指數(shù)最小，2019、2020年較2021年分別提高13.9%、17.9%。

3 討論

3.1 施氮量及種植密度與作物產(chǎn)量的關(guān)系

合理施氮對(duì)保證作物籽粒產(chǎn)量起到重要作用，作物缺氮時(shí)光合能力下降，生長受阻；氮肥過量使作物貪青晚熟，營養(yǎng)器官生長過旺，氮不足和氮過量都會(huì)造成產(chǎn)量下降[2,21]。本研究中，減氮25%引起籽粒產(chǎn)量下降，與前人研究結(jié)果一致[22]。在減量施氮條件下通過增密至10.4萬株/hm2獲得籽粒產(chǎn)量補(bǔ)償效應(yīng)，減氮中密處理N1M2較對(duì)照N2M1可以保持產(chǎn)量穩(wěn)定，在水稻、苦蕎和小麥中獲得了相似的結(jié)果[13-15]。但密度進(jìn)一步增加至12.9萬株/hm2時(shí)，玉米籽粒產(chǎn)量反而下降。說明資源不足以支持過大的群體，個(gè)體獲得的資源量減少，群體數(shù)目的增加無法補(bǔ)償個(gè)體生產(chǎn)性能的降低，群體產(chǎn)量就表現(xiàn)為下降[23]。補(bǔ)償效應(yīng)年際結(jié)果的差異與氣候條件有關(guān)，2020年7、8月（玉米抽雄—灌漿初期）降雨量大于2019、2021年，為玉米生長提供良好的水分條件，因此補(bǔ)償效應(yīng)最大，2019及2021年在中密度下產(chǎn)生了補(bǔ)償效應(yīng)，在高密度下產(chǎn)量下降，可能是由于關(guān)鍵生育期水分條件的限制。

表5 不同處理玉米各器官干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率

有研究表明群體籽粒產(chǎn)量與作物種植密度呈拋物線關(guān)系，在密度臨界值內(nèi)，產(chǎn)量隨密度增加而增加，增長速度先快后慢，到達(dá)密度臨界值后，隨之下降[13-14]。也有研究表明密度和籽粒產(chǎn)量直接符合Steinhart和Hart方程關(guān)系[24]。本研究中，籽粒產(chǎn)量與密度符合一元二次曲線關(guān)系，在傳統(tǒng)施氮和減量施氮下玉米密度臨界值分別為10.7和10.6萬株/hm2時(shí)，籽粒產(chǎn)量達(dá)到最大值。與對(duì)照比較，在減量施氮條件下，將玉米種植密度增至8.4萬株/hm2可達(dá)到對(duì)照產(chǎn)量水平，說明“以密替氮”具有可行性。而玉米種植密度過大時(shí)，則會(huì)引起中下部葉片光環(huán)境惡化，透光率降低，光合速率下降，下部葉片早衰嚴(yán)重，光合同化物難以向根部轉(zhuǎn)移，根系生長受阻，對(duì)氮素吸收能力減弱，影響地上部的氮素供給，降低產(chǎn)量[25]。

玉米收獲指數(shù)受到年際、施氮和密度的影響顯著，氮密無互作

3.2 施氮量及種植密度對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成因素的調(diào)控

減氮及增密對(duì)產(chǎn)量的影響體現(xiàn)在產(chǎn)量構(gòu)成因素上。研究表明，一定范圍內(nèi)合理施氮可以提高玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，超過最適范圍則產(chǎn)生負(fù)作用，而玉米田間供氮不足造成減產(chǎn)的最主要的原因是穗發(fā)育不良，穗粒數(shù)下降[21,24]。本研究中，減量施氮較地方習(xí)慣施氮降低了穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，與前人研究一致[21-22]。玉米幼穗及籽粒發(fā)育對(duì)氮素缺乏非常敏感，缺氮引起結(jié)實(shí)率下降，尤其是穗頂部籽粒的敗育；氮素供應(yīng)不足還對(duì)雌穗發(fā)育及抽絲產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)作用，導(dǎo)致空桿率增加[26-27]。缺氮對(duì)籽粒發(fā)育的作用很可能是通過影響籽粒內(nèi)部氨基酸的合成轉(zhuǎn)化而引起籽粒敗育[27]。

前人研究表明，種植密度與穗數(shù)則為線性相關(guān)，其與穗粒數(shù)和千粒重呈顯著負(fù)相關(guān)[28-30]，與本研究結(jié)果一致。在合理的玉米密度范圍內(nèi)，密植通過增加穗數(shù)提高籽粒產(chǎn)量，但密度過高會(huì)抑制幼穗分化，減少小花總數(shù)和受精小花數(shù)量，增加敗育小花和未受精小花數(shù)量，引起穗實(shí)率下降從而導(dǎo)致減產(chǎn)[28-29]。這種高密度下雌穗的發(fā)育不良現(xiàn)象與冠層穗位部透光率下降顯著相關(guān)[29]，并且密植和遮蔭還顯著減小穗長和穗粗，從而影響穗粒數(shù)和千粒重[30]。此外，玉米種植密度過高時(shí)，雌穗穗軸木質(zhì)部結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)管數(shù)目和導(dǎo)管直徑顯著降低，限制了對(duì)水分及礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[28]。根據(jù)本研究玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素和通徑分析可知，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的首要因素是提高穗數(shù)，當(dāng)種植密度為10.4萬株/hm2時(shí)，穗數(shù)的增加可以彌補(bǔ)減氮引起的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的下降，而密度進(jìn)一步增加時(shí)，即使穗數(shù)增加，仍然不足以補(bǔ)償穗粒數(shù)和千粒重的下降，從而導(dǎo)致產(chǎn)量無法繼續(xù)提高。因此合理挖掘玉米密植潛力，是實(shí)現(xiàn)本區(qū)域節(jié)氮增產(chǎn)的有效途徑。

3.3 施氮量及種植密度對(duì)作物干物質(zhì)積累及分配的影響

眾多研究認(rèn)為，作物產(chǎn)量實(shí)質(zhì)上是通過光合作用直接或間接形成的，并取決于光合產(chǎn)物的積累與分配[19,29]。保證灌漿前期的作物生長率是獲得玉米高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理施氮對(duì)作物生長率有促進(jìn)作用[21]。一定范圍內(nèi)密度與平均作物生長率等群體生理指標(biāo)為正相關(guān)[8]。本研究減氮和增密分別降低和提高了玉米生長率，增密對(duì)苗期至大喇叭口期的玉米生長率提升明顯，但高密度下生育后期的玉米生長速率下降幅度較大。原因可能是高密度群體冠層下部葉片早衰，光合碳向根系的轉(zhuǎn)運(yùn)量降低，根系早衰、吸收性能下降，導(dǎo)致玉米群體生育后期生長狀況惡化[25]。

本研究顯示，密度較減氮對(duì)玉米干物質(zhì)分配影響更大，在減氮條件下，提高種植密度至10.4萬株/hm2較對(duì)照并未降低玉米穗部干物質(zhì)分配比率，但高密度時(shí)較對(duì)照降低6.5%，說明合理范圍內(nèi)增密有助于保持玉米穗部干物質(zhì)分配比率。同時(shí)，減氮條件下，合理增密有助于提高葉、莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，從而優(yōu)化干物質(zhì)分配及轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，表明庫容大，資源生產(chǎn)能力強(qiáng)；而高密度顯著降低各營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率和對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，從而無法進(jìn)一步提高產(chǎn)量，一是因?yàn)楦呙芏认鹿趯尤~片早衰[25]，后期群體生長率下降，進(jìn)而影響產(chǎn)量；二是可能由于植株養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)激烈，減氮條件下玉米高密度栽培導(dǎo)致“源庫”關(guān)系不協(xié)調(diào)，穗發(fā)育不良[21,26]，“源”向籽?！皫臁鞭D(zhuǎn)移光合產(chǎn)物較少[31]。

收獲指數(shù)在一定密度范圍內(nèi)較穩(wěn)定，在超過密度閾值后，收獲指數(shù)迅速下降[23]，本研究顯示中密度較傳統(tǒng)密度降低幅度較小，而高密度下收獲指數(shù)降低幅度最大，與前人研究結(jié)果一致。密度過大引起的群體環(huán)境惡化、灌漿過程受阻、個(gè)體養(yǎng)分缺少、“源”“庫”關(guān)系不協(xié)調(diào)，造成花后光合同化物減少，籽粒庫容縮小，妨礙光合產(chǎn)物從葉片向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)[8,25]?，F(xiàn)階段玉米收獲指數(shù)已經(jīng)較高，而產(chǎn)量潛力的增加主要是生物產(chǎn)量增加的結(jié)果[24]。本研究中減氮條件下中密度處理N1M2達(dá)到生物產(chǎn)量與收獲指數(shù)的最優(yōu)組合。

4 結(jié)論

在河西綠洲灌區(qū)，氮肥減量造成玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒重及群體生長率下降，適量增密可以提高玉米生物產(chǎn)量、穗數(shù)、群體生長率，促進(jìn)營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，從而補(bǔ)償減氮引起的產(chǎn)量下降。因此，綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)中，氮肥減量25%結(jié)合種植密度增加33%（270 kg·hm-2，10.4萬株/hm2），可作為該區(qū)玉米優(yōu)化施氮及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的可行措施。

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Compensation Potential of Dense Planting on Nitrogen Reduction in Maize Yield in Oasis Irrigation Area

FAN Hong, YIN Wen, HU FaLong, FAN ZhiLong, ZHAO Cai, YU AiZhong, HE Wei, SUN YaLi, WANG Feng, CHAI Qiang

College of Agronomy, Gansu Agricultural University/State Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070

【Objective】To address the issue of excessive nitrogen fertilizer use for maize production in an oasis irrigation area, this study investigated the compensation effect for nitrogen fertilizer reduction through dense planting on maize yield.【Method】From 2019 to 2021, a two-factor split-plot experiment was carried out to explore the effect of different maize densities on yield and yield components under nitrogen reduction conditions. The main plot was two nitrogen application rate, including 25% reduction (N1, 270 kg·hm-2) and local habitual nitrogen application (N2, 360 kg·hm-2), and sub-plot was three planting densities of maize, including traditional (M1, 78 000 plants/hm2), medium (M2, 104 000 plants/hm2, 33% increase), and high planting density (M3, 129 000 plants/hm2, 66% increase).【Result】(1) The grain yield and biomass of maize under N1decreased by 4.0% and 4.9% than that under N2respectively due to nitrogen reduction, which could be compensated by dense planting. The grain yield of N1M2was increased by 4.1% compared with that of the control treatment (N2M1), while the biomass of treatment of high density and nitrogen reduction (N1M3) had the largest compensation effect, which was increased by 14.2% compared with that under the control. (2) According to the regression analysis, at the N1level, the density of 84 000 plants/hm2could get the equal grain yield of the control treatment, and reached the maximum grain yield of 13 537 kg·hm-2at 106 000 plants/hm2, achieving a 4.9% increase in grain yield. (3) Compared with N2, N1reduced maize ear number, kernel number per ear, and 1 000-kernel weight by 5.0%, 3.3%, and 3.4%, respectively, but had no significant effect on the harvest index. M2and M3increased the maize ear number by 27.9% and 49.7%, reduced kernel number per ear by 3.8% and 8.4%, respectively, and decreased 1 000-kernel weight by 5.2% and 8.9%, respectively. M2had no significant effect on the harvest index, while M3significantly reduced the harvest index by 14.2%. Therefore, compared with N2M1, N1M2compensated for the decrease in ear number, kernel number per ear, and 1 000-kernel caused by nitrogen reduction through the increase of ear number. (4) N1decreased the maize growth rate from the jointing stage to the tasseling and silking stage by 7.2%-8.4%, while M2and M3significantly increased the maize growth rate by 27.3% and 60.3% compared with traditional density from the seedling stage to the trumpet stage. (5) Compared with N2M1, N1M2increased maize leaf,stem, and sheath dry matter transportation amount (DTA) by 9.6%, 13.6%, and 3.7%, respectively, and the contribution rate of vegetative organs to grain (GCR) by 5.3% and 9.0%, respectively.【Conclusion】In the oasis irrigation area, the maize grain yield decrease caused by nitrogen reduction could be compensated by reasonably dense planting. Increasing the density to 104 000 plants/hm2based on 25% nitrogen reduction could maximize the yield compensation effect, which was a feasible measure to save nitrogen for a stable and high yield of maize.

maize dense planting; nitrogen fertilizer reduction; compensation potential; grain yield; oasis irrigation area

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.09.007

2023-11-15；

2024-02-01

國家自然科學(xué)基金（U21A20218，32101857）、甘肅省自然科學(xué)基金（23JRRA1429）、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年人才項(xiàng)目（Gaufx-03Y10）

范虹，E-mail：fanh@gsau.edu.cn。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李秋雨）