綠洲灌區(qū)水氮減施密植玉米的光合源動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量表現(xiàn)

張喜軍 魏廷邦 樊志龍 柴 強(qiáng)

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 2 甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006)

我國(guó)西北地區(qū)耕地面積占全國(guó)的19.3%，水資源量?jī)H占全國(guó)的10.6%，其中農(nóng)業(yè)用水占82.6%，農(nóng)業(yè)節(jié)水壓力巨大[1]。 同時(shí)，我國(guó)氮肥施用量大，利用率僅為30%左右[2-3]，節(jié)氮、提高氮肥利用率勢(shì)在必行。光合作用是作物有機(jī)物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，充分利用有限資源提高作物光合能力是保證作物高產(chǎn)的有效途徑之一。 大量研究表明，作物的光合作用增強(qiáng)及產(chǎn)量增加主要依賴于土壤水肥的供應(yīng)能力[4-5]。 在施氮量減少時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充水分能夠有效增加玉米的光合勢(shì)(leaf area duration， LAD)，且在水分一定的條件下，以肥調(diào)水，增加施肥量，能夠延長(zhǎng)葉片的功能期，為作物高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[6]。 可見(jiàn)，水肥耦合效應(yīng)是調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的必要手段[7]。然而，現(xiàn)有的水肥管理制度以及與之配套的栽培措施，不能充分挖掘水、氮對(duì)作物產(chǎn)量形成的耦合效應(yīng)，是造成作物水、氮利用效率低的主要原因之一[8-9]。 因此，最大程度地發(fā)揮水分與養(yǎng)分的正交互作用，擴(kuò)大作物光合源從而獲得高產(chǎn)，將對(duì)水氮資源節(jié)約高效利用起到積極的推動(dòng)作用。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的資源稟賦，適宜提高玉米種植密度，是提高單位面積農(nóng)田產(chǎn)量的有效途徑[7]。 研究發(fā)現(xiàn)，適度提高玉米種植密度，可以提高資源利用效率，從而獲得高產(chǎn)[10-11]。 而葉片是作物主要的光合源器官，種植密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致玉米早期葉面積指數(shù)(leaf area index， LAI)較大、葉片衰老加劇，功能期縮短，最終造成群體產(chǎn)量表現(xiàn)不佳[12]。 由此可見(jiàn)，適宜的種植密度可使玉米群體與個(gè)體協(xié)調(diào)發(fā)展，不僅提高了作物光合能力，而且能實(shí)現(xiàn)資源高效利用，是作物獲得高產(chǎn)的重要保障。 在玉米光合特征的研究方面，前人多應(yīng)用凈光合速率、葉綠素、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)量化葉片光和能力的強(qiáng)弱，用LAI 衡量某一特定時(shí)期光合源的大小[13-14]，但是這些指標(biāo)均不能有效表征葉片功能期的長(zhǎng)短。 LAD 通過(guò)量化作物群體光合生產(chǎn)功能葉的大小和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，較好地表征了群體光合生產(chǎn)的總潛在勢(shì)能[15]，具有提高群體光合作用時(shí)間，改善群體內(nèi)部通風(fēng)透光條件等優(yōu)勢(shì)。 河西綠洲灌區(qū)光資源豐富，但水資源嚴(yán)重缺乏，玉米生產(chǎn)仍然存在水氮施用量不合理的問(wèn)題[16]。 試區(qū)生產(chǎn)實(shí)際中施氮量高于540 kg N·hm-2，灌水量平均為5 500 m3·hm-2，高產(chǎn)田產(chǎn)量為1.3～1.5 t·hm-2。 因此，為探索該區(qū)玉米在水、氮減量模式下能否支撐玉米在高密度條件下獲得高產(chǎn)，本研究以春玉米為研究對(duì)象，采用灌水量、施氮量和種植密度三因素試驗(yàn)，通過(guò)量化分析春玉米光合勢(shì)變化、干物質(zhì)累積特征及產(chǎn)量性狀，旨在探究水氮減施條件下，適宜的玉米種植密度，以期為試驗(yàn)區(qū)提供較為理想的玉米種植模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2016 年4 月-2017 年10 月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(37o30′N， 103o5′E)進(jìn)行，該區(qū)屬溫帶干旱區(qū)，多年平均蒸發(fā)量2 400 mm 以上、降雨156 mm。 2016 年和2017 年玉米生育期內(nèi)降雨量分別為159、219 mm。 春玉米是當(dāng)?shù)刂髟宰魑镏弧?/p>

1.2 試驗(yàn)材料

玉米品種為先玉335，購(gòu)自武威市金蘋(píng)果種業(yè)公司。2016 年和2017 年播種時(shí)間分別為4 月20 日和4 月23日，收獲時(shí)間分別為9 月20 日和9 月22 日。 氮肥用純氮46.6%的尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣(P5O2≥16%)；地膜為寬1.4 m、厚0.01 mm 的聚乙烯農(nóng)用透明地膜。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂-裂區(qū)設(shè)計(jì)，以灌水水平為主區(qū)，施氮水平為裂區(qū)，種植密度為裂裂區(qū)，設(shè)2 個(gè)灌水水平、2個(gè)施氮水平和3 個(gè)種植密度，共組成12 個(gè)處理，每處理重復(fù)3 次，小區(qū)長(zhǎng)寬為8 m×6 m。

灌水水平，設(shè)傳統(tǒng)灌水(W1)和生育期減量20%(W2)2 個(gè)水平。 玉米全生育期灌水5 次，W1分別于苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期灌水90、75、90、75、75 mm；W2為每生育時(shí)期灌水量均減少20%。 采用膜下滴灌，水表精確控制灌溉總量，所有處理的冬儲(chǔ)灌量均為120 mm。

施氮水平，設(shè)450 kg·hm-2(N1)和300 kg·hm-2(N2)2 個(gè)水平。 施肥按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥＝3 ∶6 ∶1分施，追肥時(shí)將氮肥加入施肥罐與水同施。

種植密度，設(shè)7.5 萬(wàn)株·hm-2(低密度，D1)、9.75萬(wàn)株·hm-2(中密度，D2)和12 萬(wàn)株·hm-2(高密度，D3)3 個(gè)種植密度；行距40 cm 不變，以株距調(diào)控密度。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與計(jì)算方法

LAD:玉米苗期至成熟期，每隔約15 d 測(cè)定一次，在每小區(qū)選取有代表性的玉米5 株，測(cè)定每株各葉片的葉長(zhǎng)和最大葉寬，計(jì)算公式如下:

式中，LAI1、LAI2分別為t1、t2取樣時(shí)的葉面積指數(shù)；

式中，0.75 為校正系數(shù)，P 為密度，a 和b 分別為葉片的長(zhǎng)和寬，i 為葉片個(gè)數(shù)。

植株干物重:出苗后，分別在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取樣，每15 d 取樣一次，選取有代表性的玉米5 株，稱鮮重后于105℃殺青15～30 min，然后80℃烘干至恒重，計(jì)算干物質(zhì)積累量。

產(chǎn)量:按小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)定籽粒產(chǎn)量，去除小區(qū)四周50 cm 避免邊行優(yōu)勢(shì)干擾。

根據(jù)公式計(jì)算收獲指數(shù):

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行主效應(yīng)、交互作用和顯著性檢驗(yàn)。 主效應(yīng)分析結(jié)果表明，試區(qū)不同年份間氣候?qū)Ω髦笜?biāo)均無(wú)顯著影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下滴灌玉米生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)灌水、施氮和密度的響應(yīng)

2.1.1 不同密度玉米LAD 在水氮減施條件下的表現(xiàn) 由表1 可知，灌水、施氮和密度對(duì)玉米LAD 無(wú)顯著影響，但灌水、施氮和密度對(duì)其具有顯著的交互作用(P＝0.029)。 同一施氮水平和密度條件下不同灌水水平之間比較，在生育前期(6 月5 日-7 月5 日)，W2玉米LAD 較W1平均降低11.4%；生育后期(9 月5 日-9 月20 日)，W2D1玉米LAD 較W1D1降低了15.6%，但是在D2、D3密度條件下，W2與W1之間無(wú)顯著差異。 就不同施氮水平而言，在生育中期(7 月5日-8 月20 日)，在D2、D3玉米N2的LAD 較N1平均降低5.6%；但是在生育后期(8 月20 日-9 月20 日)，在2016 年，D2、D3玉米的LAD 在N2中與N1中無(wú)顯著差異，但在2017 年，D2 較D3 的LAD 增加18.7%。不同密度之間相比較，玉米LAD 隨密度的增大而增大，D2玉米全生育期LAD 較D1平均增加14.4%，D3較D2平均增加17.2%，由于灌水、施氮和密度之間交互作用的存在，W2N2中玉米LAD 在D2與D3之間無(wú)顯著差異。 結(jié)果表明，W2N2D2可使玉米在生育后期獲得與傳統(tǒng)灌水、施氮條件(W1N1)相同水平的LAD，為籽粒的形成提供充足的物質(zhì)來(lái)源。

表1 不同灌水、施氮及密度處理對(duì)玉米LAD 的影響Table 1 Effect of different irrigation， nitrogen application and density treatment on LAD of maize/(kg·hm-2)

圖1 不同灌水、施氮及種植密度玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)的方差分析Fig.1 Variance analysis of maize grain yield and harvest index under different irrigation，nitrogen application and density treatments

2.1.2 水氮減施對(duì)不同密度玉米干物質(zhì)積累量的影響 由表2 可知，灌水、施氮和種植密度對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響顯著，且灌水、施氮、種植密度對(duì)其具有顯著的交互作用(P＝0.011)。 就不同灌水水平而言，N1W2玉米干物質(zhì)積累量在生長(zhǎng)前期(5 月5 日-6 月20 日)和N1W1無(wú)顯著差異，但在生長(zhǎng)中后期(6 月20日-9 月20 日)較N1W1平均降低5.5% ～20.5%；D1N2W2、D2N2W2玉米干物質(zhì)積累量在生育中期(7 月20 日-8 月5 日)較D1N2W1、D2N2W1分別降低15.7%和7.1%，但在生育后期(8 月20 日-9 月20 日)無(wú)顯著差異；D3N2W2全生育期玉米干物質(zhì)積累量較D3N2W2平均降低18.2%。 同一灌水和密度條件不同施氮水平相比較，W1N2玉米全生育期干物質(zhì)積累較W1N1在D1、D2密度條件下分別降低5.0%、10.6%；在W2N2與W2N1之間玉米全生育期干物質(zhì)積累量見(jiàn)無(wú)顯著差異。不同密度處理間比較，在W1中，玉米干物質(zhì)積累隨密度的增大而增加，D2玉米干物質(zhì)積累較D1平均增加9.7%，D3玉米干物質(zhì)積累較D2平均增加26.5%；而在W2中，D2與D3玉米干物質(zhì)積累無(wú)顯著差異，D2玉米全生育期干物質(zhì)積累較D1平均提高21.1%。 綜上結(jié)果表明，灌水量是影響試區(qū)玉米干物質(zhì)積累的主要因素，而在減量20%灌水處理(W2)中，由于3 因素間的交互作用，N2D2可使玉米最終獲得與傳統(tǒng)灌水、施氮條件(W2N1)同等水平的干物質(zhì)積累量。

2.2 不同種植密度的玉米產(chǎn)量對(duì)水氮減施的響應(yīng)

如圖1 所示，灌水、施氮水平和種植密度對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量均有顯著影響。 灌水、施氮水平和種植密度之間對(duì)籽粒產(chǎn)量有顯著的交互作用(P＝0.010)，W2N2D2在2016、2017 年均獲得最高水平籽粒產(chǎn)量。 不同灌水水平間相比較，2016 年W2D3玉米籽粒產(chǎn)量較W1D3降低了24.8%，而2016 和2017 年W2D2與W1D2之間玉米籽粒產(chǎn)量差異均不顯著。 就不同施氮水平而言，2016 年N2玉米籽粒產(chǎn)量較N1在D1、D2、D3密度水平平均分別降低10.7%、 9.8% 和17.6%， 2017 年W1D1N2玉米籽粒產(chǎn)量較W1D1N1降低19.4%。 在同一灌水和施氮條件下，D2與D3之間玉米籽粒產(chǎn)量差異不顯著，D2較D1玉米籽粒產(chǎn)量提高了9.0% ～33.7%。 結(jié)果表明，減量灌水和減量施氮可使玉米籽粒產(chǎn)量降低，但本試驗(yàn)中W2N2條件下調(diào)控種植密度為D2水平可使玉米保持與W1N1相同水平的籽粒產(chǎn)量。 灌水、施氮和種植密度因素對(duì)玉米收獲指數(shù)具有

顯著的交互作用(P＝0.014)，各處理中，W2N2D2玉米收獲指數(shù)最高，分別在2016 和2017 年達(dá)到0.40 和0.44。

表3 不同灌水施氮及種植密度下籽粒產(chǎn)量與光合勢(shì)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between grain yield and yield performance index under different irrigation，nitrogen application and density

圖2 不同灌水、施氮及密度玉米穗粒數(shù)和千粒重的方差分析Fig.2 Variance analysis of number of kernel number per ear and 1000-kernel weight of maize under different irrigation， nitrogen application and density

2.3 不同灌水施氮及密度水平對(duì)玉米主要產(chǎn)量性狀的影響

由圖2 可知，灌水和施氮對(duì)玉米穗粒數(shù)和千粒重均無(wú)顯著影響，但密度對(duì)玉米穗粒數(shù)和千粒重影響顯著，灌水、施氮、密度之間交互作用不顯著(P＝0.269)。 玉米穗粒數(shù)隨種植密度的增加呈降低趨勢(shì)，D2平均與D1差異不顯著，而D3較D1玉米穗粒數(shù)平均降低了5.9%～26.1%。 玉米千粒重也隨種植密度的增加呈降低趨勢(shì)，D2與D1千粒重差異不顯著，D3較D1玉米千粒重平均降低了9.2%～12.3%。

2.4 不同灌水施氮及密度水平下LAP 與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性分析

由表3 可知，玉米籽粒產(chǎn)量與LAD 之間，在2016年玉米全生育期內(nèi)呈極顯著正相關(guān)，而在2017 年玉米生育前期(6 月5 日-7 月5 日)和生育中期(7 月5 日-8 月20 日)呈顯著正相關(guān)，在生育后期(8 月20 日-9月20 日)達(dá)到極顯著正相關(guān)。 表明生育后期LAD 的大小對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響較大。

3 討論

3.1 水氮減施條件下密植對(duì)玉米光合源的保持作用

充足的光合源是作物獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)[17]。 本研究結(jié)果表明，W2N2條件下玉米生育中期LAD 較W1N1有所降低，但生育后期D2、D3密度條件下玉米LAD 與W1N1無(wú)顯著差異。 這與張珂珂等[6]的研究基本一致，即減氮補(bǔ)水處理在灌漿期明顯改善了群體的光照環(huán)境，其孕穗期LAI 最高，灌漿期LAI 下降速率最慢，延長(zhǎng)了葉片的功能期，LAD 平均提高9.7%。 在本研究中作物的產(chǎn)量與LAD 呈顯著正相關(guān)，而W2N2D2在抽雄-灌漿期具有較高的LAD，這與王永宏等[18]研究結(jié)果相同，在一定程度上適當(dāng)減氮控水是產(chǎn)量提高的原因。 本試驗(yàn)中，W1N1玉米LAD 隨種植密度的增加呈增大趨勢(shì)，而W2N2玉米LAD 在D3較D2未增加。因此，W2N2中，中密度(D2)水平可使玉米在全生育期保持較為合理的LAD。

3.2 水氮減施條件下密植對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

干物質(zhì)積累速率是玉米產(chǎn)量的主要限制因子，較高的干物質(zhì)積累是作物獲得高產(chǎn)的必要保證[19]。 種植密度對(duì)玉米干物質(zhì)積累的效應(yīng)是由于種植密度的變化影響了玉米植株個(gè)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)、水分、光照的吸收與利用，導(dǎo)致單株物質(zhì)積累速率下降、干物質(zhì)積累量減少[20]。 所以，增強(qiáng)單株玉米干物質(zhì)的生產(chǎn)能力是提高玉米籽粒產(chǎn)量的根本途徑。 本研究結(jié)果顯示，各種植密度下單株干物質(zhì)積累量隨種植密度的增加而減少，生育前期各處理差異不顯著，生育中期差異逐步擴(kuò)大，至生育后期后差異達(dá)最大值，這與馬曉君等[21]研究的干物質(zhì)積累量隨生育期推進(jìn)呈“S”型曲線，即“慢—快—慢”的積累動(dòng)態(tài)結(jié)果基本一致。 干物質(zhì)積累速率是玉米產(chǎn)量的主要限制因子，增加干物質(zhì)生產(chǎn)是高產(chǎn)的基本途徑[22]；而花后較高的群體干物質(zhì)積累量，有利于提高干物質(zhì)對(duì)子粒的貢獻(xiàn)率，從而獲得高產(chǎn)[23]。

3.3 水氮減施條件下密植對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響

本研究發(fā)現(xiàn)3 個(gè)種植密度與籽粒產(chǎn)量關(guān)系呈“拋物線”型，即密度過(guò)高或過(guò)低均導(dǎo)致減產(chǎn)，這與劉偉等[24]的研究一致。 密度主要通過(guò)影響玉米穗粒數(shù)來(lái)影響單株產(chǎn)量[19]，也可通過(guò)提高玉米的LAD 和LAI[6]，進(jìn)一步增加有機(jī)物的同化能力，最終獲得高產(chǎn)[25]。 密植可有效提高玉米單位面積穗數(shù)，而隨種植密度的增加穗粒數(shù)和千粒重呈下降趨勢(shì)[26]。 任何提高產(chǎn)量構(gòu)成的因素都是提高產(chǎn)量的重要途徑[8]。 本研究結(jié)果表明，在W2中，在D2密度水平上繼續(xù)增密，玉米穗粒數(shù)和千粒重均不再增加，這與馮尚宗等[27]的研究結(jié)果一致。 玉米產(chǎn)量是由有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重組成的，通過(guò)增加種植密度增加有效穗數(shù)是提高產(chǎn)量的有效途徑[15]。 但是，種植密度過(guò)度增加必然會(huì)引起植株個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)加劇，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[23，28]。

4 結(jié)論

W2N2施氮條件下，9.75 萬(wàn)株·hm-2密度水平(D2)可使玉米在中后生育期內(nèi)保持較為充足的光合源，獲得較強(qiáng)的LAD，為中后生育期內(nèi)取得較高干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)；同時(shí)通過(guò)優(yōu)化玉米種植密度，調(diào)控穗粒數(shù)、千粒重，進(jìn)而提高玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，與低密度D1相比，D2增產(chǎn)12.4%，中密度、高密度間差異不顯著。 因此，在水、氮分別減施20%、30%的條件下，9.75 萬(wàn)株·hm-2密植水平可使玉米生育后期仍能保持充足的光合源，為籽粒形成提供物質(zhì)保障，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，達(dá)到干旱綠洲灌區(qū)節(jié)水、節(jié)肥資源高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。