華北平原小農(nóng)戶夏玉米田間密度損失與原因分析

張?zhí)烊A 李東炎 翟小虎 李靜

(1 河南省濮陽縣柳屯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 河南濮陽 457162;2 河南省濮陽縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 河南濮陽 457100;3 河南省濮陽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河南濮陽 457100)

玉米是我國第一大糧食作物，其產(chǎn)量超過了我國其他糧食產(chǎn)量總和的1/3，占世界玉米產(chǎn)量的18.6%，華北平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)玉米產(chǎn)量占我國玉米產(chǎn)量的33%［1-2］，提高該地區(qū)夏玉米產(chǎn)量對我國糧食安全具有重要意義。種植密度影響玉米對光熱資源的獲取，是決定夏玉米產(chǎn)量的最主要因素［3-4］，玉米的增密技術(shù)可以使籽粒增產(chǎn)48%～72%［5-7］。北美地區(qū)有試驗表明，種植密度對玉米產(chǎn)量增長的貢獻在8.5%～17%［8］。美國Francis 創(chuàng)造的高產(chǎn)記錄為27 754.5 kg/hm2，其收獲 密 度 為 108 900 株/hm2［9］； 而 中 國 創(chuàng) 造 了21 042.9 kg/hm2的夏玉米高產(chǎn)記錄的實收穗數(shù)僅為98 610 穗/hm2［10］，可見在選用耐密品種的前提下，提高種植密度是中國玉米高產(chǎn)突破的重要途徑。MENG 等［11］通過模型模擬表明，僅通過增加密度可使我國華北地區(qū)玉米產(chǎn)量提升20%～40%。增加種植密度、提高光溫資源利用效率、依靠群體發(fā)揮增產(chǎn)潛力有助于華北地區(qū)實現(xiàn)玉米高產(chǎn)［12］。

近年來，華北地區(qū)雖采用增密技術(shù)使得產(chǎn)量提升20%［13］，但多數(shù)農(nóng)戶采用的玉米播種實際密度仍然較低，華北平原玉米的平均密度僅為美國的70%～80%［14］，95% 的農(nóng)戶沒有采用推薦密度［15］，收獲密度與實際密度之間很可能存在巨大的差距［16］，然而缺乏相關(guān)的量化研究。張麗華等［17］指出，密度損失多出現(xiàn)在苗期，然而未對具體的原因進行剖析，也未探尋出解決玉米密度損失問題的對策。欒城縣位于華北平原中部，是華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的典型區(qū)域。本研究通過對該地區(qū)的調(diào)研，旨在探索玉米密度損失的原因，量化苗期玉米密度損失率差，為有效縮減實際收獲密度與理論種植密度的差距，構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，提高夏玉米種植的田間產(chǎn)量提供理論支撐。

本研究基于農(nóng)戶實際生產(chǎn)，密切跟蹤農(nóng)戶田間管理措施，對夏玉米各時期長勢狀況精準記錄，利用Boundary line 系統(tǒng)量化分析田塊尺度下玉米密度損失情況，旨在耕地面積持續(xù)減少和糧食種植面積擴大潛力有限的形式下，提高耕地利用效率，為夏玉米種植產(chǎn)量的提升提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究對黃廟村53 位農(nóng)戶（使用F1～F53 表示）夏玉米種植的管理措施及機械使用情況進行定點跟蹤和走訪調(diào)查。跟蹤數(shù)據(jù)包括夏玉米品種、播期、播量、播種行距及深度、肥料配方及用量、種肥距離、施肥深度、灌水日期等。測量數(shù)據(jù)包括理論株距及地塊實際出苗穴數(shù)。于2019 年7 月測量夏玉米苗期幼苗數(shù)量，理論種植密度測定方法為：選取長勢均勻的地塊，每個地塊3 個重復，每個重復在不缺苗的情況下，測量連續(xù)21 株的距離。幼苗實際密度測定方法為：測量4 行5 m 樣方內(nèi)幼苗的出苗穴數(shù)，并挖開未出苗的穴位，若穴內(nèi)無種子記為無種子，若穴內(nèi)有種子但未萌發(fā)則記為未發(fā)芽，若穴內(nèi)有種子且已萌發(fā)則記為未出土。玉米生長期間進行了種子發(fā)芽率實驗，將100粒種子置于育苗盤內(nèi)，給予充足光照及灌溉，一星期后計算種子發(fā)芽個數(shù)，最終得到玉米種子發(fā)芽率在95%以上。

1.2.2 不同密度層次及密度損失途徑確定

將玉米密度分為農(nóng)戶播種密度、理論測量密度及地塊實際密度3個層次，以更好地確定玉米密度損失途徑（圖1）。

圖1 密度損失途徑確定

農(nóng)戶設(shè)定密度（Density of farmer setting，DFS）：由農(nóng)戶預先設(shè)定的播種距離決定，是指由農(nóng)戶設(shè)定的機械播種距離與等行距（60 cm）計算出的實際播種密度。

理論測量密度（Density of theoretical measured，DTM）：為理想情況下可以得到幼苗數(shù)量。即假設(shè)不缺苗的情況下測量得到株距，依據(jù)株距、行距計算理論植株密度。由于機械播種存在誤差和損失，一般情況下理論測量密度略高于農(nóng)戶實際設(shè)定密度。

地塊實際密度（Actual density of block，ADB）：為幼苗時地塊內(nèi)實際幼苗數(shù)量。

根據(jù)以上3種密度情況，可以將密度損失的途徑分為兩類：機械損失和農(nóng)學損失。機械損失是指由于播種機自身偏差或機械多年損耗而導致農(nóng)戶設(shè)定值與理論測量值存在差值。農(nóng)學損失則是由于種子未萌發(fā)或生長期管理措施不當致使的幼苗缺失現(xiàn)象，計算公式如下：

證明 對?L2(Γ;η), f(w,s)=(1-Iw(s))f(w∪s), ?Γ, R+。由積分和引理2.2及Γ中誘導Lebesgue測度的性質(zhì),有

1.2.3 Boundary line系統(tǒng)應(yīng)用

本研究應(yīng)用Boundary line 系統(tǒng)對玉米密度損失率差進行分析。1972年Webb［18］首先提出邊界線的概念，他指出在任何2個有著因果關(guān)系的變量中都有1條存在于數(shù)據(jù)體邊界上的、表示群體中最佳表現(xiàn)的線，稱為邊界線。邊界線可從復雜的多因素中孤立出某個因素，廣泛應(yīng)用于分析單因素對因變量的限制程度。此前多有文章應(yīng)用產(chǎn)量差［19-20］對產(chǎn)量限制因子進行解析，并結(jié)合Boundary line 系統(tǒng)分析各種產(chǎn)量限制因子對產(chǎn)量的貢獻［21］，卻未能將此方法延伸到其他變量系統(tǒng)中。本文在此基礎(chǔ)上引入損失率差的概念，定義為農(nóng)戶設(shè)定密度與地塊實際密度之間的差異，通過不同因素對損失率差的影響程度，探尋致使玉米密度損失的關(guān)鍵限制因子，并進一步利用邊界線系統(tǒng)將致使密度損失的單因素邊界點進行擬合（圖2），進而揭示出密度損失率的最優(yōu)解，尋找導致玉米密度損失的主導限制因子，具體概念如下：

圖2 邊界線分析方法示意圖

總損失率差（Total loss rate gap）：農(nóng)戶田塊中實際與最低的密度損失率的差值，包括可解釋密度損失率差和不可解釋密度損失率差。

可解釋密度損失率差（Explainable loss rate gap）：不同管理因素下農(nóng)戶密度損失率的預測值與最低密度損失率的差值。

不可解釋密度損失率差（Unexplainable loss rate gap）：農(nóng)戶實際密度損失率與不同管理因素下農(nóng)戶密度損失率預測值的差值。

可解釋密度損失率差是由某影響因素下自變量值的不同而導致的，為擬合曲線上的模擬值與最低密度損失率的差值。不可解釋密度損失率差是同一自變量下本可以實現(xiàn)卻沒有實現(xiàn)的損失率差，是由其他影響因素導致的?？山忉寭p失率差與總損失率差的比值可描述某一因素對損失率差的貢獻程度，該值越大，則對損失率的影響程度越大。確定每個因素作為最大可解釋產(chǎn)量差對應(yīng)的農(nóng)戶數(shù)量，該數(shù)量占總樣本數(shù)的比例即為密度損失率差限制因素的貢獻率。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 進行整理和分析，使用Sigmaplot 12.5和Origin 2016進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)戶夏玉米密度損失現(xiàn)狀

2.1.1 農(nóng)戶密度損失概況

根據(jù)密度損失的途徑不同，本研究調(diào)查了農(nóng)戶的設(shè)定密度，測量了理論情況下機械作業(yè)應(yīng)達到的種植密度以及實際生產(chǎn)中的玉米密度。如圖3所示，農(nóng)戶設(shè)定的平均密度為65 921 株/hm2，理論測量密度平均值為86 275 株/hm2，地塊實際密度平均值為57 000 株/hm2。所有理論測量值均高于農(nóng)戶設(shè)定值，地塊實際密度低于理論測量密度和農(nóng)戶設(shè)定密度。農(nóng)戶設(shè)定值與理論測量值之間的差距為機械損失問題，損失率為34.33%。理論測量密度與實際密度之間的差距歸因于農(nóng)學損失，損失率為23.91%。

圖3 玉米密度損失現(xiàn)狀

2.1.2 農(nóng)戶密度損失類型

對穴內(nèi)無苗具體原因的深入探究發(fā)現(xiàn)，所有農(nóng)戶都存在穴內(nèi)無種子的情況，每位農(nóng)戶無種子的個數(shù)3～27 個，平均值為10 個，造成穴內(nèi)無種子的原因是機械播種問題。有66%的農(nóng)戶存在種子未發(fā)芽的情況，未發(fā)芽個數(shù)在1～5個，平均值為2個，超過半數(shù)的農(nóng)戶只有1 個未發(fā)芽種子。僅有20%的農(nóng)戶存在種子未出土的情況，91%的農(nóng)戶未出土個數(shù)1～3 個（圖4）。說明農(nóng)戶密度損失原因可歸結(jié)為兩大類，機械損失和農(nóng)學損失，其中機械播種問題是造成密度損失的主要原因。

圖4 不同農(nóng)戶田塊中無種子、未出土、未發(fā)芽種子個數(shù)

2.2 農(nóng)戶夏玉米密度損失影響因素

2.2.1 機械播種對玉米密度損失的影響

在比較農(nóng)戶的設(shè)定密度與地塊實際密度時發(fā)現(xiàn)，有89.7%的農(nóng)戶密度設(shè)定值都高于地塊的實際密度，僅有6.1%的農(nóng)戶設(shè)定值低于實際值，另6.1%的農(nóng)戶設(shè)定值與實際值相同。最大正向偏差為35.2%，負向偏差為-5.0%，設(shè)定值與實際值的平均偏差率為13.5%（圖5）。說明實際播種的過程中造成了部分密度損失，造成損失偏差的主要原因可能為機械實際播種率偏低。

圖5 不同農(nóng)戶播種機設(shè)定值與實際播種量的偏差率

2.2.2 農(nóng)學管理措施對玉米密度損失的影響

施肥管理技術(shù)是保障玉米各個生育階段養(yǎng)分平衡的重要措施，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保障。如表1和圖6 所示，該地區(qū)農(nóng)戶的氮肥施用量為90～234 kg/hm2，其中41%施氮量為160～175 kg/hm2。通過Boundary line 分析可知，施氮量與玉米密度損失率呈拋物線變化的關(guān)系。隨著施氮量的增加，玉米密度損失率逐漸降低，當?shù)适┯昧繛?13.47 kg/hm2時，損失率最低，為15.14%；超過該臨界值時，損失率又逐漸升高。磷肥施用量的平均值為43 kg/hm2，磷肥施用量對玉米密度損失率的影響與氮肥相似，即隨著施磷量的增加，損失率呈先降低后升高的趨勢。當施磷量為59.81 kg/hm2，達到最低損失率15.55%；施磷量低于或超過該值時，損失率又逐步上升。鉀肥施用量的變化在0～112.5 kg/hm2，51%的農(nóng)戶施鉀量集中在30～60 kg/hm2，鉀肥施用量對玉米密度損失的影響呈先降低后升高的趨勢，施用量為43.75 kg/hm2時，損失率達到最低值，為19.78%。

表1 不同管理措施與農(nóng)學損失率的擬合效果

圖6 不同管理措施對農(nóng)學損失率的影響

肥料與種子的水平距離以及施肥深度在一定程度上決定了養(yǎng)分遷移效率，在農(nóng)戶實際生產(chǎn)中的可操作性和可管理性都較強。超過55%的農(nóng)戶將種肥的水平距離設(shè)置在25～30 cm。通過Boundary line 分析發(fā)現(xiàn)，種肥水平距離對玉米損失的影響呈先降低后升高的趨勢。肥料與種子的距離為9.5 cm 時，玉米密度損失率最小，為17.52%。農(nóng)戶施肥的平均深度為6.47 cm，48.7%的農(nóng)戶施肥深度為4 和5 cm。施肥深度與損失率也呈先降低后升高的趨勢變化。施肥深度在4 cm 時，玉米密度的損失率最低，為15.67%。

本研究調(diào)查了農(nóng)戶播種后的第一次灌水情況。有34.48%的農(nóng)戶在播種當天灌溉蒙頭水；27.58%的農(nóng)戶在播種的次日灌溉蒙頭水；農(nóng)戶灌溉蒙頭水最晚不超過10 天。通過Boundary line 分析發(fā)現(xiàn)，蒙頭水灌溉時間越晚，損失率越高，在播種當天灌溉可達最低損失率15.6%。

2.2.3 農(nóng)學管理措施中造成玉米密度損失的主導性因素

為了比較各管理因素對玉米密度損失的影響程度，對所有因素進行了主導性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響玉米密度損失主導性因素主要為氮肥施用量，占各管理因素的36.67%，其次為蒙頭水，占各管理因素的26.67%。施磷量和種肥水平距離均占主導因素的13.33%，施肥深度和施鉀量對玉米密度損失的影響最低，分別占6.67%和3.33%。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 機械對玉米密度損失的影響

玉米精密播種技術(shù)是省時、省種、高產(chǎn)的先進玉米生產(chǎn)技術(shù)，其優(yōu)越性已被廣大農(nóng)戶認可。對機械播種結(jié)果研究表明，農(nóng)戶設(shè)定密度集中在66 700 株/hm2，這與當?shù)匦∞r(nóng)戶的播種習慣有關(guān)。所調(diào)查的所有農(nóng)戶種植方式均為等行距播種，而不采用寬窄行、寬行雙株等方式。主要是因為玉米的播種機有3 個耬，耬與耬之間的距離為60 cm，農(nóng)民不愿意隨意改動［22］。且在南石碑村的種植習慣中，株距通常設(shè)置在24～27 cm，這個種植密度水平偏少。此外，播種機質(zhì)量問題對實際播種影響的誤差較大。有研究表明，播種機標定的株距與生產(chǎn)中實際株距相差非常懸殊［23］，且排種器的排種和投種性能影響株距的一致性和均勻性［24］，這是造成機械對玉米密度損失影響的主要原因，因此與理論測量密度有一定的差距。由設(shè)定值與實際值的比較發(fā)現(xiàn)，播種機存在播量偏低的問題，這可能是由于機械自身老化、動力與機具性能不配套等導致機械設(shè)置值與實際操作值不符［25］。

播種機質(zhì)量差導致的種子丟失是造成密度損失的主要原因，這與Zhao 等［26］的研究結(jié)果一致。穴內(nèi)無苗的主要原因為無種子，而非農(nóng)學原因造成的損失。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米的粗縮病、低出苗率及黑瘤病是導致播種后玉米密度降低的3大主要原因［27］。按照國家標準，玉米種子的發(fā)芽率應(yīng)達92%以上方可上市［28］。實驗測得該品種種子發(fā)芽率達95%以上，且隆平206 的種子活力與發(fā)芽勢都較強［29］，因此種子質(zhì)量問題導致密度損失可以忽略，機械播種后無法定苗保苗是主要問題。

3.1.2 農(nóng)學管理措施對玉米密度損失的影響

通過Boundary line 對各管理因素的分析表明，隨著化學肥料投入的增加，玉米密度損失出現(xiàn)先減少后增加的趨勢。原因是，施用化學肥料有利于根層數(shù)、根條數(shù)和根長度的積累［30］，使根系活力明顯增加［31］，促進養(yǎng)分吸收和種子萌發(fā)［32］。而施氮量過多，氮肥會在土壤中分解釋放出氨氣從而危害植株，由于種肥通常會采用淺施的方式，高氮肥的施用會導致高濃度的養(yǎng)分集中在幼苗根系，土壤滲透壓升高，致使玉米根系失水，影響整株幼苗的生長，導致種苗發(fā)育不良甚至死苗［33-34］。在該研究中，農(nóng)戶對于氮肥的施用量較為集中，并且施氮量仍然偏多，該地區(qū)氮肥施用量在150～180 kg/hm2時玉米密度損失率最小。

肥料的不同施用位置影響著肥料養(yǎng)分在土壤中的運移和轉(zhuǎn)化［35］。通過Boundary line 分析表明，種肥距離在20.42 cm 時，密度損失率最低，這與Owusu-Gyimah［36］等得出的結(jié)論相吻合。然而王賀等［37］研究發(fā)現(xiàn)，磷肥施用方位（側(cè)方和下方）對夏玉米苗期生長無明顯影響，說明施肥距離對玉米生長的影響與土壤特性、氣候條件、環(huán)境變化、管理因素等均有關(guān)系。施肥深度管理有利于調(diào)節(jié)養(yǎng)分供應(yīng)以及根系結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在對農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥深度計算后發(fā)現(xiàn)，深度在9.5 cm 時，密度損失率最低。俞洪燕等［38］的研究指出，氮肥深施在土層厚度為7～9 cm 時的效果最好，這與本文的結(jié)果相近。而楊云馬等［39］發(fā)現(xiàn)，磷肥集中施在24 cm 時產(chǎn)量最高，這是因為玉米不同生育時期地上部磷素累積量與磷肥施用位置有密切關(guān)系，磷肥淺施有利于玉米幼苗對磷素的吸收和利用。土壤底墑和苗期灌溉量顯著影響玉米苗期出苗率，因此蒙頭水灌溉時間越晚，出苗損失越大，而當天灌溉蒙頭水有利于降低密度損失。施鉀量對玉米密度損失的影響較小，可能是由于鉀元素不是該地區(qū)主要的限制因子［40］。

3.2 結(jié)論

玉米密度損失主要原因為機械損失和農(nóng)學損失，其中機械損失占34.33%，農(nóng)學損失占23.91%。機械損失主要為播種機質(zhì)量差造成的種子丟失，以及機械排種的一致性和均勻性較差。農(nóng)學管理的主導性因素為施氮量，其次為蒙頭水以及施磷量和種肥水平距離；施鉀量和施肥深度對密度損失的影響不大。當?shù)厥┑吭?50～180 kg/hm2，播種當天灌溉蒙頭水，控制肥料和種子的水平距離和肥料深度，玉米密度損失最小。因此，小農(nóng)戶生產(chǎn)需要引進精量播種設(shè)備，結(jié)合當?shù)厣a(chǎn)情況進行機械校正。通過田間管理方式的優(yōu)化、農(nóng)戶技術(shù)認知水平進一步提升，以及維護增強播種機質(zhì)量，可以有效減少玉米密度損失，進一步提高該地區(qū)夏玉米種植潛力。