张喜军 魏廷邦 樊志龙 柴 强

(1甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070； 2 甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006)

我国西北地区耕地面积占全国的19.3%，水资源量仅占全国的10.6%，其中农业用水占82.6%，农业节水压力巨大[1]。 同时，我国氮肥施用量大，利用率仅为30%左右[2-3]，节氮、提高氮肥利用率势在必行。光合作用是作物有机物质积累和产量形成的物质基础，充分利用有限资源提高作物光合能力是保证作物高产的有效途径之一。 大量研究表明，作物的光合作用增强及产量增加主要依赖于土壤水肥的供应能力[4-5]。 在施氮量减少时，通过补充水分能够有效增加玉米的光合势(leaf area duration， LAD)，且在水分一定的条件下，以肥调水，增加施肥量，能够延长叶片的功能期，为作物高产奠定基础[6]。 可见，水肥耦合效应是调控作物生长发育及产量形成的必要手段[7]。然而，现有的水肥管理制度以及与之配套的栽培措施，不能充分挖掘水、氮对作物产量形成的耦合效应，是造成作物水、氮利用效率低的主要原因之一[8-9]。 因此，最大程度地发挥水分与养分的正交互作用，扩大作物光合源从而获得高产，将对水氮资源节约高效利用起到积极的推动作用。

根据区域内的资源禀赋，适宜提高玉米种植密度，是提高单位面积农田产量的有效途径[7]。 研究发现，适度提高玉米种植密度，可以提高资源利用效率，从而获得高产[10-11]。 而叶片是作物主要的光合源器官，种植密度过大会导致玉米早期叶面积指数(leaf area index， LAI)较大、叶片衰老加剧，功能期缩短，最终造成群体产量表现不佳[12]。 由此可见，适宜的种植密度可使玉米群体与个体协调发展，不仅提高了作物光合能力，而且能实现资源高效利用，是作物获得高产的重要保障。 在玉米光合特征的研究方面，前人多应用净光合速率、叶绿素、蒸腾速率、气孔导度等指标量化叶片光和能力的强弱，用LAI 衡量某一特定时期光合源的大小[13-14]，但是这些指标均不能有效表征叶片功能期的长短。 LAD 通过量化作物群体光合生产功能叶的大小和持续时间的长短，较好地表征了群体光合生产的总潜在势能[15]，具有提高群体光合作用时间，改善群体内部通风透光条件等优势。 河西绿洲灌区光资源丰富，但水资源严重缺乏，玉米生产仍然存在水氮施用量不合理的问题[16]。 试区生产实际中施氮量高于540 kg N·hm-2，灌水量平均为5 500 m3·hm-2，高产田产量为1.3～1.5 t·hm-2。 因此，为探索该区玉米在水、氮减量模式下能否支撑玉米在高密度条件下获得高产，本研究以春玉米为研究对象，采用灌水量、施氮量和种植密度三因素试验，通过量化分析春玉米光合势变化、干物质累积特征及产量性状，旨在探究水氮减施条件下，适宜的玉米种植密度，以期为试验区提供较为理想的玉米种植模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2016 年4 月-2017 年10 月在甘肃农业大学武威绿洲农业试验站(37o30′N， 103o5′E)进行，该区属温带干旱区，多年平均蒸发量2 400 mm 以上、降雨156 mm。 2016 年和2017 年玉米生育期内降雨量分别为159、219 mm。 春玉米是当地主栽作物之一。

1.2 试验材料

玉米品种为先玉335，购自武威市金苹果种业公司。2016 年和2017 年播种时间分别为4 月20 日和4 月23日，收获时间分别为9 月20 日和9 月22 日。 氮肥用纯氮46.6%的尿素，磷肥为过磷酸钙(P5O2≥16%)；地膜为宽1.4 m、厚0.01 mm 的聚乙烯农用透明地膜。

1.3 试验设计

试验采用裂-裂区设计，以灌水水平为主区，施氮水平为裂区，种植密度为裂裂区，设2 个灌水水平、2个施氮水平和3 个种植密度，共组成12 个处理，每处理重复3 次，小区长宽为8 m×6 m。

灌水水平，设传统灌水(W1)和生育期减量20%(W2)2 个水平。 玉米全生育期灌水5 次，W1分别于苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期灌水90、75、90、75、75 mm；W2为每生育时期灌水量均减少20%。 采用膜下滴灌，水表精确控制灌溉总量，所有处理的冬储灌量均为120 mm。

施氮水平，设450 kg·hm-2(N1)和300 kg·hm-2(N2)2 个水平。 施肥按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌浆期追肥＝3 ∶6 ∶1分施，追肥时将氮肥加入施肥罐与水同施。

种植密度，设7.5 万株·hm-2(低密度，D1)、9.75万株·hm-2(中密度，D2)和12 万株·hm-2(高密度，D3)3 个种植密度；行距40 cm 不变，以株距调控密度。

1.4 测定项目与计算方法

LAD:玉米苗期至成熟期，每隔约15 d 测定一次，在每小区选取有代表性的玉米5 株，测定每株各叶片的叶长和最大叶宽，计算公式如下:

式中，LAI1、LAI2分别为t1、t2取样时的叶面积指数；

式中，0.75 为校正系数，P 为密度，a 和b 分别为叶片的长和宽，i 为叶片个数。

植株干物重:出苗后，分别在各小区内随机取样，每15 d 取样一次，选取有代表性的玉米5 株，称鲜重后于105℃杀青15～30 min，然后80℃烘干至恒重，计算干物质积累量。

产量:按小区单独收获测定籽粒产量，去除小区四周50 cm 避免边行优势干扰。

根据公式计算收获指数:

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行试验数据整理，采用SPSS 17.0 软件进行主效应、交互作用和显著性检验。 主效应分析结果表明，试区不同年份间气候对各指标均无显著影响。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌玉米生长指标对灌水、施氮和密度的响应

2.1.1 不同密度玉米LAD 在水氮减施条件下的表现 由表1 可知，灌水、施氮和密度对玉米LAD 无显著影响，但灌水、施氮和密度对其具有显著的交互作用(P＝0.029)。 同一施氮水平和密度条件下不同灌水水平之间比较，在生育前期(6 月5 日-7 月5 日)，W2玉米LAD 较W1平均降低11.4%；生育后期(9 月5 日-9 月20 日)，W2D1玉米LAD 较W1D1降低了15.6%，但是在D2、D3密度条件下，W2与W1之间无显著差异。 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 较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中与N1中无显著差异，但在2017 年，D2 较D3 的LAD 增加18.7%。不同密度之间相比较，玉米LAD 随密度的增大而增大，D2玉米全生育期LAD 较D1平均增加14.4%，D3较D2平均增加17.2%，由于灌水、施氮和密度之间交互作用的存在，W2N2中玉米LAD 在D2与D3之间无显著差异。 结果表明，W2N2D2可使玉米在生育后期获得与传统灌水、施氮条件(W1N1)相同水平的LAD，为籽粒的形成提供充足的物质来源。

表1 不同灌水、施氮及密度处理对玉米LAD 的影响Table 1 Effect of different irrigation， nitrogen application and density treatment on LAD of maize/(kg·hm-2)

图1 不同灌水、施氮及种植密度玉米籽粒产量和收获指数的方差分析Fig.1 Variance analysis of maize grain yield and harvest index under different irrigation，nitrogen application and density treatments

2.1.2 水氮减施对不同密度玉米干物质积累量的影响 由表2 可知，灌水、施氮和种植密度对玉米干物质积累的影响显著，且灌水、施氮、种植密度对其具有显著的交互作用(P＝0.011)。 就不同灌水水平而言，N1W2玉米干物质积累量在生长前期(5 月5 日-6 月20 日)和N1W1无显著差异，但在生长中后期(6 月20日-9 月20 日)较N1W1平均降低5.5% ～20.5%；D1N2W2、D2N2W2玉米干物质积累量在生育中期(7 月20 日-8 月5 日)较D1N2W1、D2N2W1分别降低15.7%和7.1%，但在生育后期(8 月20 日-9 月20 日)无显著差异；D3N2W2全生育期玉米干物质积累量较D3N2W2平均降低18.2%。 同一灌水和密度条件不同施氮水平相比较，W1N2玉米全生育期干物质积累较W1N1在D1、D2密度条件下分别降低5.0%、10.6%；在W2N2与W2N1之间玉米全生育期干物质积累量见无显著差异。不同密度处理间比较，在W1中，玉米干物质积累随密度的增大而增加，D2玉米干物质积累较D1平均增加9.7%，D3玉米干物质积累较D2平均增加26.5%；而在W2中，D2与D3玉米干物质积累无显著差异，D2玉米全生育期干物质积累较D1平均提高21.1%。 综上结果表明，灌水量是影响试区玉米干物质积累的主要因素，而在减量20%灌水处理(W2)中，由于3 因素间的交互作用，N2D2可使玉米最终获得与传统灌水、施氮条件(W2N1)同等水平的干物质积累量。

2.2 不同种植密度的玉米产量对水氮减施的响应

如图1 所示，灌水、施氮水平和种植密度对玉米籽粒产量均有显著影响。 灌水、施氮水平和种植密度之间对籽粒产量有显著的交互作用(P＝0.010)，W2N2D2在2016、2017 年均获得最高水平籽粒产量。 不同灌水水平间相比较，2016 年W2D3玉米籽粒产量较W1D3降低了24.8%，而2016 和2017 年W2D2与W1D2之间玉米籽粒产量差异均不显著。 就不同施氮水平而言，2016 年N2玉米籽粒产量较N1在D1、D2、D3密度水平平均分别降低10.7%、 9.8% 和17.6%， 2017 年W1D1N2玉米籽粒产量较W1D1N1降低19.4%。 在同一灌水和施氮条件下，D2与D3之间玉米籽粒产量差异不显著，D2较D1玉米籽粒产量提高了9.0% ～33.7%。 结果表明，减量灌水和减量施氮可使玉米籽粒产量降低，但本试验中W2N2条件下调控种植密度为D2水平可使玉米保持与W1N1相同水平的籽粒产量。 灌水、施氮和种植密度因素对玉米收获指数具有

显著的交互作用(P＝0.014)，各处理中，W2N2D2玉米收获指数最高，分别在2016 和2017 年达到0.40 和0.44。

表3 不同灌水施氮及种植密度下籽粒产量与光合势相关性分析Table 3 Correlation analysis between grain yield and yield performance index under different irrigation，nitrogen application and density

图2 不同灌水、施氮及密度玉米穗粒数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对玉米主要产量性状的影响

由图2 可知，灌水和施氮对玉米穗粒数和千粒重均无显著影响，但密度对玉米穗粒数和千粒重影响显著，灌水、施氮、密度之间交互作用不显著(P＝0.269)。 玉米穗粒数随种植密度的增加呈降低趋势，D2平均与D1差异不显著，而D3较D1玉米穗粒数平均降低了5.9%～26.1%。 玉米千粒重也随种植密度的增加呈降低趋势，D2与D1千粒重差异不显著，D3较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 与玉米产量的相关性分析

由表3 可知，玉米籽粒产量与LAD 之间，在2016年玉米全生育期内呈极显著正相关，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)呈显著正相关，在生育后期(8 月20 日-9月20 日)达到极显著正相关。 表明生育后期LAD 的大小对玉米籽粒产量的影响较大。

3 讨论

3.1 水氮减施条件下密植对玉米光合源的保持作用

充足的光合源是作物获得高产的基础[17]。 本研究结果表明，W2N2条件下玉米生育中期LAD 较W1N1有所降低，但生育后期D2、D3密度条件下玉米LAD 与W1N1无显著差异。 这与张珂珂等[6]的研究基本一致，即减氮补水处理在灌浆期明显改善了群体的光照环境，其孕穗期LAI 最高，灌浆期LAI 下降速率最慢，延长了叶片的功能期，LAD 平均提高9.7%。 在本研究中作物的产量与LAD 呈显著正相关，而W2N2D2在抽雄-灌浆期具有较高的LAD，这与王永宏等[18]研究结果相同，在一定程度上适当减氮控水是产量提高的原因。 本试验中，W1N1玉米LAD 随种植密度的增加呈增大趋势，而W2N2玉米LAD 在D3较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较为合理的LAD。

3.2 水氮减施条件下密植对玉米产量的影响

干物质积累速率是玉米产量的主要限制因子，较高的干物质积累是作物获得高产的必要保证[19]。 种植密度对玉米干物质积累的效应是由于种植密度的变化影响了玉米植株个体对营养、水分、光照的吸收与利用，导致单株物质积累速率下降、干物质积累量减少[20]。 所以，增强单株玉米干物质的生产能力是提高玉米籽粒产量的根本途径。 本研究结果显示，各种植密度下单株干物质积累量随种植密度的增加而减少，生育前期各处理差异不显著，生育中期差异逐步扩大，至生育后期后差异达最大值，这与马晓君等[21]研究的干物质积累量随生育期推进呈“S”型曲线，即“慢—快—慢”的积累动态结果基本一致。 干物质积累速率是玉米产量的主要限制因子，增加干物质生产是高产的基本途径[22]；而花后较高的群体干物质积累量，有利于提高干物质对子粒的贡献率，从而获得高产[23]。

3.3 水氮减施条件下密植对玉米产量性状的影响

本研究发现3 个种植密度与籽粒产量关系呈“抛物线”型，即密度过高或过低均导致减产，这与刘伟等[24]的研究一致。 密度主要通过影响玉米穗粒数来影响单株产量[19]，也可通过提高玉米的LAD 和LAI[6]，进一步增加有机物的同化能力，最终获得高产[25]。 密植可有效提高玉米单位面积穗数，而随种植密度的增加穗粒数和千粒重呈下降趋势[26]。 任何提高产量构成的因素都是提高产量的重要途径[8]。 本研究结果表明，在W2中，在D2密度水平上继续增密，玉米穗粒数和千粒重均不再增加，这与冯尚宗等[27]的研究结果一致。 玉米产量是由有效穗数、穗粒数和千粒重组成的，通过增加种植密度增加有效穗数是提高产量的有效途径[15]。 但是，种植密度过度增加必然会引起植株个体间的竞争加剧，导致产量下降[23，28]。

4 结论

W2N2施氮条件下，9.75 万株·hm-2密度水平(D2)可使玉米在中后生育期内保持较为充足的光合源，获得较强的LAD，为中后生育期内取得较高干物质积累量及产量奠定基础；同时通过优化玉米种植密度，调控穗粒数、千粒重，进而提高玉米籽粒产量和收获指数，与低密度D1相比，D2增产12.4%，中密度、高密度间差异不显著。 因此，在水、氮分别减施20%、30%的条件下，9.75 万株·hm-2密植水平可使玉米生育后期仍能保持充足的光合源，为籽粒形成提供物质保障，最终实现高产，达到干旱绿洲灌区节水、节肥资源高效农业生产的目的。