種植密度和施氮量對不同株高夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響

任佰朝，范霞，董樹亭，劉鵬，趙斌，張吉旺

（作物生物學(xué)國家重點實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018）

種植密度和施氮量對不同株高夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響

任佰朝，范霞，董樹亭，劉鵬，趙斌，張吉旺*

（作物生物學(xué)國家重點實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018）

【目的】本研究旨在探討不同株高夏玉米產(chǎn)量和氮素利用對種植密度和施氮量的響應(yīng)?！痉椒ā恳园捰衩灼贩N登海 661 (DH661)、中稈品種鄭單 958 (ZD958) 和高稈品種魯單 981 (LD981) 為試驗材料，在大田條件下設(shè)置 2 個種植密度 (67500 和 82500 plant/hm2) 和 3 個施氮量 (N 0、180 和 270 kg/hm2)，以不施氮為對照，研究種植密度和施氮量對不同株高夏玉米氮素吸收與利用特性的影響?！窘Y(jié)果】在密度為 82500 plant/hm2條件下，品種 DH661、ZD958 和 LD981 的籽粒產(chǎn)量分別較 67500 plant/hm2分別提高 5.0%、10.2% 和 12.5%；施氮 180 和 270 kg/hm2處理 DH661、ZD958 和 LD981 的籽粒產(chǎn)量差異不顯著。高密度條件下 (82500 plant/hm2)，施氮 270 kg/hm2時DH661 氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮貢獻率較 180 kg/hm2顯著降低，ZD958 和 LD981 變化不顯著；低密度條件下(67500 plant/hm2)，施氮 270 kg/hm2時 DH661 和 ZD958 氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率較 180 kg/hm2顯著提高，LD981 的則顯著降低。DH661 的氮素利用效率較 ZD958 和 LD981 分別提高 7.4% 和 39.1%，LD981 的氮素吸收效率較 ZD958 和 DH661 品種分別提高 18.9% 和 25.0%?！窘Y(jié)論】在低密度 67500 plant/hm2條件下，增施氮肥，矮稈和中稈品種的氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率顯著降低，而高稈品種的則提高。高密度 82500 plant/hm2條件下，增施氮肥，矮稈品種氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率顯著降低，中稈和高稈品種的無顯著變化。

不同株高夏玉米；種植密度；施氮量；氮素效率

增 加 種 植 密 度 是 玉 米 高 產(chǎn) 的 關(guān) 鍵 措 施 之 一[1-2]。種植密度增加也會增加植株群體的需氮量[3-5]，合理施用氮對提高夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用率具有重要意義。研究表明，株高與產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系[6-7]，理想的玉米株高一般認(rèn)為 240～280 cm[8]。提高種植密度會加劇玉米單株對光溫肥水等資源的爭奪，過高的密度會導(dǎo)致玉米植株莖稈細弱，根系伸展受到抑制，容易倒伏，倒伏率每增加1%，大約減產(chǎn) 108 kg/hm2[9]。施氮量對玉米營養(yǎng)器官氮素的運轉(zhuǎn)和籽粒貢獻報道較多，但結(jié)論不一致。丁民偉等[14]認(rèn)為，氮素轉(zhuǎn)運對籽粒氮的貢獻率在不施氮時較高。有的研究發(fā)現(xiàn)，增加施氮量提高玉米營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量及其對籽粒氮的 貢獻率[10]；有的研究發(fā)現(xiàn)，增加施氮雖提高玉米營養(yǎng)體氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率但對籽粒氮的貢獻率則保持在 50.8%～62.9%[11]。何萍等[12]認(rèn)為，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，最終可能影響到正在發(fā)育籽粒的碳、氮輸送，不利于產(chǎn)量和氮肥利用率的提高[13]；隨施氮量增加，夏玉米氮肥利用和氮素利用效率呈先增加后降低趨勢[14-17]；夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力隨著種植密度增加呈先增加后降低趨勢；高密度條件下，隨施氮量增加，夏玉米氮素轉(zhuǎn)運效率及貢獻率呈上升趨勢，而氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用率和氮素農(nóng)學(xué)利用效率呈下降趨勢[18]。前人對不同株高類型夏玉米同化物積累轉(zhuǎn)運與分配特性進行了報道，隨著株高的增加，夏玉米花后干物質(zhì)積累量顯著降低，上部葉片光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移率相對提高，中、下部葉片轉(zhuǎn)移率有所下降[19]。但沒有比較不同株高類型夏玉米氮素吸收與利用特性，也缺乏氮密互作對不同株高類型夏玉米氮素吸收與利用特性的影響研究。本試驗選用不同株高類型夏玉米品種為試驗材料，分別為高稈玉米品種魯單 981 (LD981)、中稈品種鄭單 958 (ZD958)、矮稈品種登海 661 (DH661)。LD981于 2009 年獲國家科技進步二等獎；鄭單 958 于 2007年獲國家科技進步一等獎，且為全國種植面積最大的品種；登海 661 于 2005 實現(xiàn)畝產(chǎn) 1402.86 公斤，打破世界夏玉米高產(chǎn)記錄，且為近幾年山東省玉米高產(chǎn)創(chuàng)建主要品種。在前期研究[19]的基礎(chǔ)上，選擇 2個種植密度，分別為 67500 (低密度) 和 82500 株/hm2(高密度)；3 個施氮量，分別為 0、180 和 270 kg/hm2，連續(xù) 2 年研究了種植密度和施氮量對不同株高類型夏玉米籽粒產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收效率和氮素利用效率的影響，旨在探討不同株高類型夏玉米氮素吸收利用特性，為夏玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)中氮肥科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗于 2013～2014 年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場進行。試驗地土壤類型為壤土，0—20 cm 土層土壤有機質(zhì)含量 1.03%、全氮 0.80 g/kg、堿解氮 92.46 mg/kg、速效磷 52 mg/kg、速效鉀 108 mg/kg。選用高稈玉米品種魯單 981 (LD981)、中稈鄭單 958 (ZD958) 和矮稈登海 661 (DH661) 為試驗材料。試驗設(shè)置 2 個種植密度，分別為 67500 (低密度) 和 82500 株/hm2(高密度)；3 個施氮量，分別為 0、180 和 270 kg/hm2，共18 個處理，每個處理重復(fù) 3 次，等行距種植，行距60 cm，隨機排列。施用氮肥為尿素，分別在拔節(jié)期和大喇叭口期按照 4∶6 的比例施入。各處理基施磷肥 (P2O5) 120 kg/hm2和鉀肥 (K2O) 240 kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。6 月 16 日播種，按高產(chǎn)田水平進行田間管理。

1.2 測定項目與方法

在開花和成熟期分別取 5 株長勢均勻一致的植株，開花期植株分為葉片和莖鞘兩部分，成熟期植株分別葉片、莖鞘、穗軸和籽粒 4 部分，105℃ 殺青30 min，75℃ 烘干至恒重，稱重后粉碎保存待測。成熟期各處理選取 15 株長勢一致植株，測定其株高和穗位高；每個小區(qū)收獲玉米 3 行，連續(xù) 30 個果穗考種，測產(chǎn)。植株和籽粒全氮含量采用濃 H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮后，用 BRAN + LUEBBE 公司的 AA3 連續(xù)流動分析儀測定。

1.3 相關(guān)參數(shù)計算

植株總氮積累量 (total nitrogen accumulation amount，TNAA，kg/hm2) = 成熟期單株干重 × 密度 × 成熟期單株含氮量 (%)[15]

氮素收獲指數(shù) (nitrogen harvest index，NHI) = 籽粒吸氮量/植株吸氮量 × 100%[16]

氮肥農(nóng)學(xué)利用率 (nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-無氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量[16]

氮素利用效率 (nitrogen use efficiency，NUE，kg/kg) = 籽粒產(chǎn)量/地上部氮積累量[15]

氮素轉(zhuǎn)運效率 (nitrogen translocation efficiency，NTE) = 營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量 × 100%[15]

氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率 (nitrogen contribution proportion，NCP) = 營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量 × 100%[15]

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SigmaPlot10.0 進行數(shù)據(jù)處理、作圖，采用SPSS 16.0 進行方差分析和 Duncan’S 新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

表 1 表明，品種、密度和施氮量 3 個因素對不同株高夏玉米的籽粒產(chǎn)量影響顯著，密度和施氮量對產(chǎn)量的互作效應(yīng)顯著，但密度、施氮量和品種的交互作用對其影響不顯著，籽粒產(chǎn)量變化總趨勢是增施氮肥有利于產(chǎn)量增加，高密度種植條件下的產(chǎn)量較低密度顯著增加。低密度條件下，DH661 的 N270處理產(chǎn)量較 N0 和 N180 分別提高 16.1% 和 0.6%，ZD958 分別提高 17.6% 和 5.2%，LD981 分別提高15% 和 0.2%；高密度條件下，DH661 的 N270 處理產(chǎn)量較 N0 和 N180 分別提高 18.1% 和 2.6%，ZD958分別提高 11.0% 和 3.4%，LD981 分別提高 21.3% 和6.6%。同一施肥水平下，夏玉米產(chǎn)量在高密度種植條件下高于低密度種植條件。在 N0 條件下，DH661、ZD958 和 LD981 的產(chǎn)量在高密度較低密度分別提高4.4%、13.9% 和 10.45%，N180 條件下分別提高4.2%、9.3% 和 9.6%，N270 條件下分別提高 6.2%、7.4% 和 16.6%。此外，品種、密度和施氮量 3 個因素對籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響顯著，密氮互作效應(yīng)顯著，但三者之間的交互作用差異不顯著。同一種植密度條件下，施氮處理較不施氮處理的千粒重和穗粒數(shù)提高。同一施氮水平下，隨著種植密度的增加不同株高夏玉米的穗粒數(shù)和千粒重降低 (表 1)。

2.2 氮素積累和轉(zhuǎn)運特性

隨著施氮量的增加，3 品種的氮素積累量均顯著體提高，中高稈品種的氮積累量大于矮稈品種的。低密度下，DH661 的 N180 和 N270 處理的群體氮素積累量較不施氮處理分別增加了 7.8% 和 20.0%，ZD958 分別增加了 10.1% 和 34.2%，LD981 分別增加了 8.7% 和 15.6%；高密度下，DH661 的 N180 和N270 處理氮素積累量較 N0 處理分別增加了 6.6% 和19.9%，ZD958 分別增加了 9.0% 和 20.9%，LD981分別增加了 10.5% 和 17.1%。此外，中稈品種的氮素收獲指數(shù)、氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率高于矮稈品種的。3 個品種相比較，ZD958 的氮素收獲指數(shù)、氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率均最大，分別比 DH661 高 6.82%、31.41% 和33.95%，比 LD981 高 2.86%、19.60% 和 28.22%。高密度下，ZD958 的氮素收獲指數(shù)、氮素轉(zhuǎn)運效率、氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率較低密度分別提高 3.00%、13.90% 和 16.60%，LD981 分別提高 5.67%、31.55%和 26.27%，而 DH661 分別降低了 0.75%、15.25% 和22.76%。同時，3 品種的氮素轉(zhuǎn)運效率、氮素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率因施氮量增加而顯著降低 (圖 1)。

2.3 氮素利用效率

由表 2 可知，品種、密度和施氮量對夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力影響極顯著，而它們之間的互作效應(yīng)影響不顯著。品種和密度對氮肥農(nóng)學(xué)利用率影響極顯著，施氮量對其影響不顯著；品種與密度、密度與施氮量之間的互作對氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響極顯著，其他因素間的互作影響不顯著。隨著株高的增加，氮素吸收效率逐漸增加，而氮素利用效率逐漸降低。DH661氮素利用效率平均為 46.2 kg/kg，較 ZD958 和 LD981分別高 7.4% 和 39.1%，LD981 的氮素吸收效率為1.54 kg/kg，較 ZD958 和 DH661 分別高 18.8% 和25.0%。高密度下，DH661、ZD958 和 LD981 的氮素利用效率分別提高了 19.3%、4.6%、2.2%。施氮 270 kg/hm2條件下，DH661 的氮素利用效率和氮素吸收效率較施氮 180 kg/hm2分別降低了 6.2% 和 24.5%，ZD958 分別降低了 2.8% 和 27.1%，LD981 分別降低了 1.1%、29.0%。施氮 270 kg/hm2條件下，LD981的氮肥農(nóng)學(xué)利用率較施氮 180 kg/hm2條件下降低了 15.9%，DH661 和 ZD958 分別提高了 4.7% 和4.8% (表 2)。

表1 種植密度和施氮量對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of plant density and nitrogen rate on grain yield and yield components of summer maize

3 討論

3.1 密氮互作對不同株高夏玉米產(chǎn)量的影響

圖1 種植密度和施氮量對不同株高玉米氮素積累和轉(zhuǎn)運的影響Fig. 1 Effects of plant density and nitrogen supply on nitrogen accumulation and translocation of summer maize

夏玉米株高與群體冠層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對玉米產(chǎn)量具有顯著影響。株高具有基因型差異，也受環(huán)境條件制約。品種的耐密性、密度大小以及水肥條件都會影響株高的變化，史振聲等[20]將不同品種株高的變化歸納為 3 種情況:一是株高隨著密度的增加而升高，二是隨密度增加而升高，但上升到一定高度不再繼續(xù)升高；三是并不因密度的增大而發(fā)生較大變化，第一種多屬于稀植型品種，后兩種多屬于密植型品種，具有較大的增密增產(chǎn)潛力。袁繼超等[21]認(rèn) 為 株 高 會 隨 著 密 度 的 增 加 呈 先 上 升 后 下 降 趨勢。本研究表明，種植密度和施氮量對株高和穗位高的影響不顯著 (圖 2、圖 3)。玉米產(chǎn)量是由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重組成的，通過增加種植密度增加穗數(shù)是提高產(chǎn)量的有效途徑。但是，種植密度增加必然會引起植株個體間的競爭加劇，單株產(chǎn)量顯著下降，當(dāng)單株效應(yīng)對總產(chǎn)量的影響超過了群體效應(yīng)時導(dǎo)致群體總產(chǎn)量下降[22-23]。前人研究認(rèn)為，隨著種植密度增加，穗粒數(shù)、千粒重和單穗籽粒干重均顯著降低，其中穗粒數(shù)受環(huán)境條件的影響波動較大[24-25]，千粒重具有較高的遺傳性，密度間差異不顯著[26]。本研究表明，密度由 67500 增至 82500 plant/hm2，3 個品種穗粒數(shù)顯著降低，降幅 4.0%～12.9%，千粒重略有降低，降幅 0.3%～4.9%，但因為穗數(shù)的顯著提高，高密度下籽粒產(chǎn)量較低密度顯著提高，其中高稈品種增產(chǎn) 12.5%，中稈品種增產(chǎn) 10.2%，矮稈品種增產(chǎn) 5.0%，此外，施氮有助于千粒重和穗粒數(shù)的提高，從而有利于高密度下夏玉米產(chǎn)量的提高。

表2 種植密度和施氮量對夏玉米氮素利用的影響Table 2 Effects of plant density and nitrogen supply on nitrogen utilization efficiency of summer maize

3.2 密氮互作對不同株高夏玉米氮素利用效率的影響

趙 營 等[27]認(rèn) 為 ， 玉 米 氮 轉(zhuǎn) 運 效 率 在30%～50%之間，隨著施氮量的增加而降低；籽粒中 37.2%～57.3% 的氮是來源于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運比例隨施氮量增加而降低；丁民偉等[14]認(rèn)為玉米的氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮貢獻率在不施氮時最大，隨著施氮量的增加，玉米轉(zhuǎn)運氮貢獻率表現(xiàn)出先上升而后下降的趨勢即當(dāng)施氮量超過 150 kg/hm2時，轉(zhuǎn)運氮貢獻率隨施氮量的增加顯著下降。本研究表明，低密度條件下，增加施氮量后顯著降低了矮稈和中稈品種的氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率，但提高了高稈品種的氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率；高密度條件下，矮稈品種氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮貢獻率因施氮量增加而顯著降低，但中稈和高稈品種變化不顯著。本試驗條件下，3 個品種氮肥偏生產(chǎn)力和氮素利用效率高密度較低密度顯著提高；不同種植密度條件下增加施氮量，3 個品種的氮肥偏生產(chǎn)力和氮素利用效率均顯著降低，這與我們前期研究結(jié)果基本一致[18,28]。隨株高增加，氮素吸收能力逐漸增強，而氮素利用能力逐漸降低，其生理生態(tài)機制值得進一步研究和探討。

4 結(jié)論

圖2 種植密度和施氮量對夏玉米株高的影響Fig. 2 Effects of plant density and nitrogen rate on plant height of summer maize

圖3 種植密度和施氮量對夏玉米穗位高度的影響Fig. 3 Effects of plant density and nitrogen rate on ear position of summer maize

本研究條件下，增加施氮量和種植密度有利于不同株高夏玉米產(chǎn)量的提高，但不同株高玉米的氮素利用有所差異。低密度 67500 plant/hm2條件下，增施氮肥后矮稈和中稈品種的氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率顯著降低，而高稈品種的顯著提高。高密度 82500 plant/hm2條件下，增施氮肥后矮稈品種氮素轉(zhuǎn)運效率和氮素轉(zhuǎn)運貢獻率顯著降低，中稈和高稈品種的無顯著變化。

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Effect of plant density and nitrogen rate on yield, nitrogen uptake and use efficiency of summer maize hybrids with different plant height

REN Bai-zhao, FAN Xia, DONG Shu-ting, LIU Peng, ZHAO Bin, ZHANG Ji-wang*
( State Key Laboratory of Crop Biology/Agronomy College of Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China )

【Objectives】This study is to investigate grain yield, nitrogen uptake and use efficiency of summer maize with different plant height in response to plant density and nitrogen rate.【Methods】Three hybrids： highstalk (Ludan981, LD981), medium-stalk (Zhengdan958, ZD958) and short-stalk (Denghai661, DH661) were used as experimental materials in a field experiment. Two plant densities of 67500 and 82500 plants/hm2, and three nitrogen rate of 0, 180 and 270 kg/hm2were designed for each hybrid. The yield, N contents and accumulation were investigated; the N translocation rate and their contribution to yield were calculated.【Results】The grain yields of three hybrids DH661, ZD958 and LD981 in density of 82500 plants/hm2were 5.0%, 10.2% and 12.5% higher than those in density of 67500 plants/hm2, but the differences between N treatment of 180 and 270 kg/hm2were not significant under the two densities. When the density was 82500 plants/hm2, the nitrogen translocation efficiency (NTE) and nitrogen contribution proportion (NCP) of DH661 in N 270 kg/hm2were significantly lower than those in N 180 kg/hm2, those of hybrids of ZD958 and LD981 were not varied obviously. When the density was 67500 plants/hm2, the NTE and NCP of DH661 and ZD958 in N 270 kg/hm2were higher than those in N 180kg/hm2, but those of LD981 were opposite. Nitrogen use efficiency (NUE) of DH661 was 7.4% and 39.1% higher than those of ZD958 and LD981 respectively, and nitrogen uptake efficiency (NUPE) of LD981 was 18.9% and 25.0% higher than those of ZD958 and DH661, respectively.【Conclusions】Under density of 67500 plant/hm2, high nitrogen fertilizer input will decrease the nitrogen translocation efficiency and nitrogen contribution of medium and short stalk hybrids but increase those of high stalk hybrid. Under high density of 82500 plant/hm2, high N fertilizer rate will significantly decrease the two items of short hybrid, but not decrease those of medium and high stalk hybrids.

summer maize with different plant height; plant density; nitrogen rate; nitrogen use efficiency

2016-03-30 接受日期：2016-08-30

國家自然科學(xué)基金項目（31271662）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目（CARS-02-20）；山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目; 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973 項目）課題（2015CB150404）資助。

任佰朝（1987—），男，山東日照人，博士研究生，主要從事玉米栽培生理生態(tài)方面的研究。E-mail:renbaizhao@sina.com

* 通信作者 Tel:0538-8241485；E-mail:jwzhang@sdau.edu.cn