水氮耦合及種植密度對(duì)壟膜溝灌制種玉米產(chǎn)量和種子活力的調(diào)控效應(yīng)

連彩云，馬忠明

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州730070）

0 引 言

長(zhǎng)期以來，西北內(nèi)陸河區(qū)過度墾荒和對(duì)水資源的無序開發(fā)導(dǎo)致水土資源和生態(tài)環(huán)境惡化，但日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，是我國(guó)高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品集中的優(yōu)勢(shì)區(qū)域，是全國(guó)最大的玉米雜交制種基地，該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“非灌不殖”，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的90%以上，水資源匱乏是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵限制因素，應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)是有效提高水資源利用率的重要途徑。壟膜溝灌具有增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥和增溫效益，是本區(qū)廣泛應(yīng)用的節(jié)水模式之一。然而通過調(diào)查顯示，灌水和施肥嚴(yán)重過量和不合理的問題長(zhǎng)期存在在制種玉米生產(chǎn)過程中，作物水肥利用率不高，一定程度上限制了制種玉米種子產(chǎn)量和質(zhì)量的提升。水分和營(yíng)養(yǎng)是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)主要脅迫因子，水肥供應(yīng)協(xié)調(diào)對(duì)提高作物產(chǎn)量及利用價(jià)值具有重要的意義。大量研究表明，作物產(chǎn)量的形成與土壤水分、養(yǎng)分的協(xié)調(diào)供應(yīng)密切相關(guān)[1-4]。另一方面，在節(jié)水條件下種植密度的改變可有效改善作物對(duì)水、肥資源的利用狀況，依靠群體發(fā)揮增產(chǎn)潛力[5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就水肥耦合或種植密度對(duì)作物的影響開展了較多的研究[6-10]，但這些研究缺少針對(duì)水肥耦合與種植密度三者的交互作用對(duì)作物的影響進(jìn)行研究，尤其對(duì)節(jié)水條件下這三因素對(duì)制種玉米種子活力的組合影響鮮為報(bào)道。因此，本研究以制種玉米為研究對(duì)象，對(duì)壟膜溝灌條件下水、氮、種植密度3個(gè)因素對(duì)制種玉米產(chǎn)量和種子活力的影響進(jìn)行研究，以期探索到壟膜溝灌條件下提高制種玉米產(chǎn)量及種子活力的最佳的水氮密度耦合模式，為壟膜溝灌制種玉米水肥高效利用、提高玉米產(chǎn)量和種子活力等提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016-2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于100°26′E，38°56′N，平均海拔1 570 m，多年平均降水量129 mm，蒸發(fā)量2 048 mm，年平均日照時(shí)數(shù)3 085 h，年均氣溫7 ℃，≥0 ℃積溫3 388 ℃，≥10 ℃積溫1 963.4～4 032.3 ℃，光熱資源豐富。其氣候特征和農(nóng)作制度具有典型的西北內(nèi)陸河灌溉區(qū)的特征。試驗(yàn)區(qū)土壤速效氮為128.8 mg/kg，速效磷為19.3 mg/kg，速效鉀為148.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)為18.1 g/kg，pH值為8.6。圖1所示為試驗(yàn)周期內(nèi)氣象狀況。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2016年和2017年日平均氣溫與旬降雨量Fig.1 Dekad precipitation and average temperature in 2016 and 2017

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為“先玉335”，供試肥料為氮肥為尿素（純N 46%），磷肥為磷酸二銨（P2O546%，純N18%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3 因素3 水平的正交試驗(yàn)方法（表1），共9 個(gè)處理，小區(qū)面積48 m2（6 m×8 m），每個(gè)處理3 次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表（L9(34)）Tab.1 Orthogonal test design table（L9(34)）

全部磷肥、20%氮肥基施，其余10%、30%和40%氮肥分別于拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期追施。制種玉米采用等行距起壟覆膜種植，壟面上種植2 行母本，1 行父本，母本行距50 cm，父本種在兩行母本中間，株距50 cm，種植方式為滿天星。全生育期灌水4 次，灌水定額分別占灌溉量的20%、30%、30%和20%，于拔節(jié)期，大喇叭口期，抽雄后，灌漿期進(jìn)行灌溉。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 土壤樣品的采集

在母本播種前、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿中期、成熟期用烘干法測(cè)定0～100 cm土壤水分。

1.4.2 種子活力參數(shù)測(cè)定

每個(gè)處理選取無破損風(fēng)干種子200 粒，用1.0%次氯酸鈉消毒，用去離子水沖洗至無味，在培養(yǎng)皿中放入經(jīng)121 ℃下滅菌后的發(fā)芽紙，每個(gè)培養(yǎng)皿中放入50 粒經(jīng)處理過的種子，然后放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。逐日統(tǒng)計(jì)正常發(fā)芽的種子數(shù)，7 d后將幼苗取出，稱量單株幼苗鮮重，計(jì)算發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)。3 d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，7 d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。

1.5 指標(biāo)計(jì)算公式

式中：I為該時(shí)段內(nèi)的灌溉量；P為該時(shí)段內(nèi)的降水量；ΔSW為土壤含水量變化量，用土壤水分計(jì)算。因土地平整，地下水位在200 m 以下，所以忽略表面徑流量、側(cè)向滲漏量和土壤滲漏量。

水分利用效率(WUE)：

式中：Y為作物籽粒產(chǎn)量，kg；ET為作物生育期耗水量，mm。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)制種玉米產(chǎn)量及水分利用效率影響

由表2可知，種植密度和水肥互作對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率影響顯著，同一水肥處理下產(chǎn)量隨種植密度的增加而增加，適當(dāng)提高種植密度能提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率，種植密度是影響產(chǎn)量的主要因子。隨種植密度增加，不同水肥處理下產(chǎn)量的變化趨勢(shì)和幅度存在顯著差異，不論在低灌溉量、中灌溉量和高灌溉量下，高密度產(chǎn)量和水分利用效率均顯著高于低密度處理。W2N3D16 處理下產(chǎn)量（10 697.78 kg/hm2）顯著高于其他處理，差異達(dá)顯著水平，較其他處理分別高26.53%、 39.89%、 49.63%、 21.07%、 26.69%、 40.00%、7.15%、54.72%；水分利用效率高1.49～8.67個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 不同處理對(duì)制種玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

通過直接分析各因素水平互作對(duì)平均產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重可知（表3），當(dāng)灌溉量為W2時(shí)，產(chǎn)量最高，分別比W1、W3 增產(chǎn)14%、15%；當(dāng)施氮量為N2 時(shí)，產(chǎn)量較N1、N3 分別高0.5%、5.3%；當(dāng)密度為D16 時(shí)，較其他兩處理產(chǎn)量分別高28.8%、29.7%。這是由于種植密度的增加而使群體產(chǎn)量增加。又因?yàn)閴拍瞎喔淖兞颂镩g的微地形，使土壤曲表面積增大，增加了通風(fēng)透光，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好的環(huán)境。因此，由直接分析結(jié)果可知，最佳因素水平組合為W2N2D16，即當(dāng)灌溉量為4 800 m3/hm2，施氮量為240 kg/hm2，種植密度為12.5 萬株/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最高水平。

表3 不同處理下產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Tab.3 Effects of different treatments on yield and yield component

2.3 極差分析

由直觀分析和極差大小可以看出（表4 和表5），3 種因素及其因素水平對(duì)制種玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響是不同的：灌溉量因素中，W2 水平效果較好，出現(xiàn)了較好的拐點(diǎn)，灌溉量較低或灌溉量增大，產(chǎn)量都會(huì)有所下降，這可能是因?yàn)楣喔攘窟^大，會(huì)使植株增長(zhǎng)過快，而影響了個(gè)體的穗粒重及穗粒數(shù)的生長(zhǎng)，群體內(nèi)的雙穗率降低，致使子粒產(chǎn)量出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；從施氮量看，N2 水平效果較好，但三者相差不大；從種植密度看，高密度產(chǎn)量明顯高于低密度處理，這是由于種植密度的增加而使群體產(chǎn)量增加。

表4 不同處理對(duì)產(chǎn)量的顯著性檢驗(yàn)Tab.4 Significance testing of different treatments on yield

表5 各因素水平下產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重平均值Table 5 Average yield，grain number per ear and 1000-grain weight under various factors

在灌溉量因素中，發(fā)芽率、活力指數(shù)在W2水平下效果最佳，發(fā)芽率比低灌量和高灌溉量分別高2.22 和0.27 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高8.62%和41.52%；在施氮量因素中，在中施氮下表現(xiàn)最好，發(fā)芽率比低灌量和高灌溉量分別高3.61 和2.88 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高13.50%和19.60%；隨著種植密度的增加，發(fā)芽率、種子的活力在逐漸增加，高密度下種子活力略高于其他處理。這可能是由于壟膜溝灌種植增加了田間的通風(fēng)透光，從而增加種子活力，由此可見，種子活力在W2N2D16處理下是最強(qiáng)的。

由表4 和表6 還可看出，3 種因素中，最主要的兩個(gè)影響因素分別是種植密度和水分，其p＜0.05，達(dá)到了顯著水平，而施氮量對(duì)產(chǎn)量的影響相對(duì)較小，其p＞0.05?？梢缘贸龇N植密度在6.66～12.50 萬株/hm2的范圍內(nèi)，壟膜溝灌制種玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重影響因素次序均為D＞W(wǎng)＞N(主→次)。

表6 穗粒數(shù)和千粒重極差分析結(jié)果Tab.6 Range analysis on grain number per ear and 1000-grain weight

綜合以上分析，可以初步確定壟膜溝灌制種玉米種植最佳的因素水平為W2N2D16，即灌溉量設(shè)為4 800 m3/hm2（W2），氮肥施用量240 kg/hm2(N2)，種植密度為12.50 萬株/hm2(D16)。

3 討 論

在作物生長(zhǎng)過程中水分和養(yǎng)分是兩個(gè)最主要的影響因子，相互制約，相互影響。灌水與施氮及兩者之間的交互效應(yīng)對(duì)玉米的產(chǎn)量與水分利用效率（WUE）均有顯著影響[12]。馮嚴(yán)明[13]在對(duì)產(chǎn)量與水肥因素相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，適量增加施氮量對(duì)增加夏玉米產(chǎn)量有促進(jìn)作用，但過高的施肥量會(huì)對(duì)夏玉米產(chǎn)量有抑制作用。Han[14]研究發(fā)現(xiàn)受到水氮交互效應(yīng)的影響，膜下滴灌玉米產(chǎn)量隨著水氮投入的提高先增大而后減小。說明適宜的水肥耦合模式對(duì)于提高作物產(chǎn)量及水肥利用率具有重要的意義。

在適宜的水肥配比下，種植密度是作物增產(chǎn)的重要途徑之一，它可有效改善作物對(duì)水、肥資源的利用狀況[15,16]。魏廷邦[17]研究結(jié)果表明水肥耦合可增強(qiáng)適宜種植密度下玉米的干物質(zhì)積累速率，提高WUE和氮肥利用率，從而提高玉米產(chǎn)量。張平良[18]對(duì)全膜雙壟溝播玉米的研究也表明，合理增加種植密度、增施氮肥可提高玉米全膜雙壟溝播種植玉米穗粒數(shù)、百粒重，從而可獲得較高的玉米籽粒產(chǎn)量，進(jìn)而可引起氮肥吸收利用率和水分利用效率的協(xié)同提高。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用壟膜溝灌種植方式很好地協(xié)調(diào)了農(nóng)田水肥關(guān)系，當(dāng)灌溉量為W2 （4 800 m3/hm2），產(chǎn)量分別比W1、W3 增產(chǎn)14%、15%；當(dāng)施氮量為N2（240 kg/hm2）時(shí)，產(chǎn)量較N1、N3 分別高0.5%、5.3%；當(dāng)種植密度為D16（12.5 萬株/hm2）時(shí)，較其他兩處理產(chǎn)量分別高28.8%、29.7%。

生產(chǎn)高活力種子必須以優(yōu)化的水肥供應(yīng)為前提。劉嘯笑[19]研究了不同土壤含水量對(duì)“先玉335”玉米種子活力的影響，表明土壤含水量高不利于玉米種子的生長(zhǎng)萌發(fā)，種子活力達(dá)最大時(shí)的土壤質(zhì)量含水率為25%。徐關(guān)印等[20]研究表明，隨著密度的增加，種子的活力在逐漸降低，在低密度下種子活力最高，但產(chǎn)量最低，在高密度下產(chǎn)量最高，而種子活力最低，中密度是保證制種玉米產(chǎn)量和種子活力最優(yōu)的適宜種植密度。以上研究結(jié)果與本試驗(yàn)研究結(jié)果不完全一致，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，灌溉定額W2（4 800 m3/hm2）的處理發(fā)芽率比W1、W3 分別提高2.22 和0.27 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高8.62%和41.52%；施氮量N2（240 kg/hm2）發(fā)芽率較N1、N3 分別高3.61 和2.88 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高13.50%和19.60%；隨著種植密度的增加，發(fā)芽率、種子的活力在逐漸增加，高密度下種子活力略高于其他處理。

4 結(jié) 論

（1）水氮互作及密度對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率影響顯著，密度是影響產(chǎn)量的主要因子，不同水肥處理下高密度產(chǎn)量和水分利用效率均顯著高于低密度處理。W2N3D16 處理下產(chǎn)量（10 697.78 kg/hm2）顯著高于其他處理，差異達(dá)顯著水平，較其他處理高7.15%～54.72%；水分利用效率高1.49～8.67 個(gè)百分點(diǎn)。

（2）灌溉定額、施氮量和種植密度對(duì)制種玉米的產(chǎn)量、WUE和種子活力有顯著影響。灌溉定額W2（4 800 m3/hm2）的處理產(chǎn)量比W1、W3分別增產(chǎn)14%、15%，發(fā)芽率分別提高2.22 和0.27 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高8.62%和41.52%；施氮量N2（240 kg/hm2）產(chǎn)量較N1、N3 分別高0.5%、5.3%，發(fā)芽率分別高3.61 和2.88 個(gè)百分點(diǎn)，活力指數(shù)高13.50%和19.60%；種植密度D16（12.5 萬株/hm2） 產(chǎn)量較其他兩處理分別高28.8%、29.7%。

總之，增加種植密度是提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一，合理灌溉量和施肥量可以提高壟膜溝灌制種玉米種子活力，提高玉米對(duì)水分和養(yǎng)分的利用率，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。本試驗(yàn)條件下，提高產(chǎn)量和種子活力的最適宜水肥耦合及種植密度為：灌溉定額為4 800 m3/hm2，施氮量（N）240 kg/hm2，種植密度(D)為12.5 萬株/hm2。