张元红，王 瑞，徐宗贵，李 军

不同降水年型下旱地玉米产量性状对种植密度和品种的响应

张元红，王 瑞，徐宗贵，李 军※

（西北农林科技大学农学院，杨凌 712100）

旱地玉米生产受降水分布影响，产量在不同降水年型之间波动较大。为探究种植密度和品种对不同降水年型旱地玉米产量性状的影响，设置4个密度（52 500、67 500、82 500和97 500株/hm2）处理，以豫玉22、郑单958和先玉335为供试品种，于2013—2018年连续定位测定收获期产量性状。结果表明，旱地玉米穗长和穗粗随种植密度增加而下降，秃尖长则呈上升趋势。不同降水年型，穗长、穗粗差异显著（<0.05），总体表现为丰水年≥平水年>干旱年，秃尖长则呈相反变化趋势。降水年型显著影响旱地玉米产量，平水年和丰水年显著高于干旱年（<0.05），且平水年和丰水年产量稳定性更高。种植密度显著影响玉米产量性状，单位面积穗数与种植密度呈显著正相关关系（<0.05），而穗粒数和千粒质量与密度呈显著负相关（<0.05）。种植密度和品种类型对产量的影响达到显著水平（<0.05），但不同品种产量对密度的响应不同，豫玉22适宜种植密度为52 500～67 500株/hm2，郑单958和先玉335适宜密度范围为67 500～82 500 株/hm2，且郑单958和先玉335产量稳定性更高。相关性分析表明，在干旱年，无论在任何密度条件下，单位面积穗数和穗粒数是影响产量的最主要因素；在平水年和丰水年，低密度（52 500株/hm2）条件下单位面积穗数是影响产量的主要因素，而在高密度（97 500株/hm2）条件下，百粒质量是影响产量的主要因素。综上所述，从产量效益的角度考虑，较高种植密度（67 500～82 500株/hm2）结合耐密品种（郑单958和先玉335）是适宜于旱地玉米的最佳种植模式。该研究结果可为旱地有限降水的高效利用和玉米高产稳产提供理论依据。

旱地；产量；密度；降水年型；春玉米；产量性状

0 引 言

提高种植密度是实现玉米增产的重要措施之一，种植密度对群体结构[1-2]、光合生理特性[3-4]、源库关系[5-6]、资源利用效率[7-8]、产量及其性状[9-11]等有重要影响。产量的形成与产量性状有密切关系，各产量性状之间相互影响、共同作用，只有各因素间相互协调才能保证高产稳产。前人研究表明，单位面积穗数随种植密度的增大而增加[12-13]，穗粒数和千粒质量则呈下降趋势[14-15]，籽粒产量与密度呈抛物线关系[16-18]。陈国平等[19]对中国超高产田产量性状的研究发现，提高单位面积产量主要依靠增加密度（穗数），同时增加或稳定穗粒质量。王楷等[20]对玉米产量与产量性状分析表明，不同产量阶段玉米产量性状与产量的相关性均不同，即在不同产量阶段，产量性状对产量的贡献不同。

黄土高原是中国重要的粮食生产基地，随着全球气候的变化，该地区对中国粮食安全的贡献日益重要[21]。该区玉米种植密度一般仅为4.50～5.50 万株/hm2，单产仅为5.50～6.50 t/hm2，种植密度和单产水平普遍较低，通过增加种植密度提高产量具有一定的潜力。但是旱地玉米生长受降雨的影响较大，产量在不同年份之间波动剧烈。Wang等[22]对黄土高原不同降水年型下春玉米产量及其构成因素的研究发现，干旱年型春玉米穗粒数较平水年和丰水年分别降低13.2%和19.0%，丰水年与平水年玉米产量及百粒质量也显著高于干旱年。因此，筛选适宜旱地水分条件的种植密度和品种类型不仅有利于提高对有限降水的利用，且能有效提高旱地生产力水平。而目前对旱地品种与种植密度的研究以短期试验为主，由于黄土高原降水年季间波动大，降水分布差异大，因此短期试验并不能获得较为可靠的结果。本研究通过不同种植密度和品种连续6年定位试验，研究不同降水年型下旱地春玉米产量性状对种植密度和品种的响应，探索旱作农田适宜的玉米品种类型与种植密度，以期为促进旱地有限降水的高效利用和玉米高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013—2018年在渭北旱塬东部陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱农试验站（35°20′N，110°06′E）进行，试验区属典型半湿润易旱区，海拔877 m，近15年平均降水量498 mm，年平均气温11.5 ℃，平均蒸发量1 833 mm，≥10 ℃积温3 800 ℃·d，全年无霜期190 d。

1.2 降水年型划分

对本试验数据分析发现，旱地玉米产量效应与全生育期总降水量并不同步。根据陈国平等[19, 23]研究发现，拔节-灌浆期是玉米需水关键期，也是对水分缺乏最敏感的时期，因此本文根据不同试验年份春玉米拔节-灌浆期降水量来划分降水年型。降水年型划分采用干旱系数法[24]（Drought Index，DI），DI计算公式为

DI = (-)/（1）

式中为试验年份玉米全生育期降水量，mm；为多年平均降水量，mm；为多年降水量的均方差，mm。DI>0.35为丰水年；-0.35≤DI≤0.35为平水年；DI<-0.35为干旱年[24]。试验区6月中旬到8月中旬与该区域内春玉米拔节-灌浆期基本吻合，根据多年（2004—2018年）6月中旬到8月中旬降水量，求得拔节-灌浆期多年平均降水为168.4 mm，标准差为66.3 mm。根据春玉米关键生育时期降水量，2017和2018年为干旱年，2014和2015年平水年，2013和2016年为丰水年（表1）。

表1 2013—2018年降水及降水年型划分

1.3 试验设计

试验采用二因素裂区设计，种植密度为主处理，品种类型为副处理。以当地农民习惯种植密度（52 500株/hm2）为对照，设置4个种植密度，分别为D1（52 500株/hm2）、D2（67 500株/hm2）、D3（82 500株/hm2）和D4（97 500 株 /hm2），行距均为50 cm。3个供试玉米品种分别为豫玉22 （C1）、郑单958 （C2）和先玉335 （C3）。小区面积为45.5 m2（13.0 m×3.5 m），3次重复，共36 个小区。4月下旬播种，9月中旬收获。施肥量为N：225 kg/hm2，P2O5：120 kg/hm2，K2O：90 kg/hm2，其中所施氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。不同密度处理采用人工点播方式播种，一穴两粒，苗期进行间定苗。

1.4 测定项目及方法

收获期每小区选取未采样的9.0 m2进行考种，计算单位面积穗数、穗粒数和百粒质量，并调查秃尖长、穗长和穗粗等产量性状。果穗秃尖长和穗长用直尺测量，穗粗用游标卡尺测量。

1.5 数据处理

数据输入和处理计算采用Microsoft Excel 2016、Origin 2015作图，数据统计分析使用SPASS 20.0软件进行方差分析（ANOVA）和多重比较。

2 结果与分析

2.1 种植密度和品种对不同降水年型玉米产量性状的影响

2.1.1 不同降水年型产量性状变化

降水年型对不同密度处理产量性状的影响如图1和表2所示，降水年型、种植密度和品种对产量性状具有显著影响（0.05）。不同降水年型下单位面积穗数随密度增大而增加，不同品种差异较大。单位面积穗数在D2、D3和D4密度处理较D1在干旱年分别增加17.8%、26.3%和38.5%；在平水年分别增加21.6%、48.7%和68.9%；在丰水年分别增加26.3%、52.9%和74.6%。

不同品种穗粒数随降水年型和种植密度的变化如图 1。穗粒数随种植密度增加而降低，在不同降水年型，穗粒数差异较显著（0.05）（表2），干旱年型显著小于平水年和丰水年。穗粒数在D2、D3和D4密度处理较D1在干旱年分别降低9.7%、18.2%和25.1%；在平水年分别降低5.3%、18.1%和27.7%；在丰水年分别降低5.8%、17.4%和25.7%。

表2 种植密度、品种和降水年型对产量性状的影响

注：* 在0.05 水平显著；** 在0.01 水平显著；*** 在0.001 水平显著；ns，不显著。下同。

Note: * Significant at0.05; ** Significant at0.01; *** Significant at0.001; ns, no significance. Same below.

不同降水年型百粒质量随密度增大而降低（图1）。百粒质量在D2、D3和D4处理下较D1在干旱年分别降低5.0%、8.8%和13.2%；在平水年分别降低4.8%、10.9%和18.7%；在丰水年分别降低6.0%、11.7%和19.5%。

2.1.2 不同降水年型产量变化

不同降水年型产量随种植密度的变化如图2和表2所示，种植密度、品种和降水年型对籽粒产量的影响达到显著水平（0.05），但不同品种在不同降水年型对密度的响应不同。在干旱年，豫玉22在D1密度时产量达到最大值；郑单958和先玉335在D2密度达到最大值。在平水年，豫玉22和郑单958最高产量出现在D2密度处理下，先玉335在D3密度下。在丰水年，豫玉22产量在D2密度时达到最大值；而郑单958与先玉335最高产量出现在D3密度处理下。在相同密度处理下，郑单958和先玉335产量高于豫玉22，表明郑单958与先玉335耐密性较好，产量潜力较大，在高密度时仍有较高产量。产量稳定性分析也表明（表3），干旱年型下产量变异系数显著大于平水年和丰水年。不同品种间产量稳定性也存在差异，郑单958和先玉335较豫玉22分别增加19.1%和18.0%。

2.2 种植密度和品种对不同降水年型玉米穗部性状的影响

不同品种穗部性状对种植密度和降水年型的响应如图3和表2所示。种植密度、品种和降水年型对玉米穗部性状有显著影响（0.05）。果穗长和果穗粗随种植密度增加而减小。在不同降水年型，果穗长差异显著，总体表现为丰水年≥平水年>干旱年。穗长在D2、D3和D4处理下较D1在干旱年分别降低4.5%、5.1%和12.7%；在平水年分别降低6.3%、12.8%和18.9%；在丰水年分别降低8.1%、9.0%和13.8%。

果穗粗随种植密度增加而减小，不同降水年型差异显著（0.05）。果穗粗在D2、D3和D4处理下较D1在干旱年分别降低3.2%、4.9%和9.1%；在平水年分别降低3.7%、5.9%和8.8%；在丰水年分别降低3.7%、5.1%和8.9%。

表3 不同降水年型下产量稳定性分析

果穗秃尖长随种植密度增加而增大，在不同降水年型，秃尖长差异较显著，总体表现为干旱年>平水年≥丰水年。果穗秃尖长在D2、D3和D4处理下较D1在干旱年分别增加13.1%、21.3%和35.5%；在平水年分别增加14.8%、28.8%和51.6%；在丰水年分别增加17.5%、29.4%和45.8%。

2.3 不同降水年型产量对产量性状的响应

2.3.1 产量对单位面积穗数的响应

图4结果表明，不同降水年型旱地玉米单位面积穗数与产量呈二次曲线关系。豫玉22、郑单958和先玉335单位面积穗数在干旱年为4.67万、5.98万和5.96万穗/hm2时产量达到最大值；在平水年为6.70万、7.23万和7.39 万穗/hm2时产量达到最大值；在丰水年为6.99万、7.60万和7.89万穗/hm2时产量达到最大值。

种植密度对单位面积穗数的调节作用较大，单位面积穗数随种植密度的增大呈直线增加（图5）。豫玉22、郑单958和先玉335种植密度每增加1.5万株/hm2，单位面积穗数在干旱年分别增加0.89 万、0.84万和0.94万穗/hm2；在平水年分别增加1.31万、1.35万和1.39万穗/hm2；在丰水年分别增加1.33万、1.39 万和1.44万穗/hm2。由拟合方程的斜率可见，不同降水年型下单位面积穗数相差较大，且平水年和丰水年单位面积穗数随密度增大而增加的幅度大于干旱年。在同一降水年型，不同品种单位面积穗数对密度增加的响应也不相同，郑单958与先玉335单位面积穗数随密度增加的幅度较大，而豫玉22较低。

2.3.2 产量对穗粒数的响应

不同降水年型下穗粒数与产量呈抛物线关系（图6），即产量随穗粒数增加先上升后下降。豫玉22、郑单958和先玉335穗粒数在干旱年为400、388和397粒时产量达到最大值；在平水年为481、490和513粒时产量达到最大值；在丰水年为506、495和503粒时产量达到最大值。

穗粒数受单位面积穗数（种植密度）的影响较大，不同降水年型穗粒数随单位面积穗数增加呈直线下降趋势（图7）。豫玉22、郑单958和先玉335单位面积穗数每增加1.5万穗/hm2，单穗粒数在干旱年分别下降102、71和71粒；在平水年分别下降66、66和69粒；在丰水年分别下降57、47和59粒。

2.3.3 产量对百粒质量的响应

不同降水年型产量随百粒质量的变化趋势如图8所示，不同品种在种植密度增加过程中，产量对百粒质量的响应不同。豫玉22、郑单958和先玉335百粒质量在干旱年为32、25和24 g时产量达到最大值；在平水年为28、26和25 g时产量达到最大值；在丰水年为27、26和26 g 时产量达到最大值。

在试验密度范围内，百粒质量对种植密度（单位面积穗数）的响应关系见图9。豫玉22、郑单958和先玉335单位面积穗数每增加1.5万穗/hm2，百粒质量在干旱年分别下降3.2、2.7和2.7 g；在平水年分别下降2.9、2.2和1.6 g；在丰水年分别下降2.7、2.2和1.5 g。

2.4 不同降水年型产量与产量性状的关系

不同降水年型产量与产量性状的相关关系如表3所示。在干旱年，不同品种产量在各密度处理下与单位面积穗数和穗粒数均呈显著正相关关系（0.05）。在平水年，豫玉22在D1、D2密度处理下单位面积穗数与产量呈显著正相关（0.05），D4密度处理时产量与穗粒数和百粒质量呈现显著正相关关系（0.05），且产量与百粒质量关系更密切；郑单958在D1密度下单位面积穗数和百粒质量对产量的影响达到显著水平（0.05），且穗粒数对产量的影响更大，D2密度时单位面积穗数与产量呈显著正相关关系（0.05），D4密度时百粒质量是影响产量的主要因素，相关系数达到0.96（0.05）；先玉335在D1密度时单位面积穗数与百粒质量对产量的影响达显著水平（0.05）。在丰水年，豫玉22在D1密度处理时单位面积穗数与产量呈显著正相关（0.05），D2密度时穗粒数和百粒质量是影响产量的最主要因素，且产量与穗粒数关系更密切，D3密度处理下穗粒数对产量的影响达到显著水平（0.05）；郑单958和先玉335在低密度处理时（D1），单位面积穗数是影响产量的主要因素。整体来说，不同降水年型和密度处理主要影响旱地玉米单位面积穗数，从而影响旱地产量。同一降水年型，在D1密度处理时，单位面积穗数是影响产量的主要因素；在D2、D3密度处理时，穗粒数和百粒质量对产量影响较大；在D4密度时产量受百粒质量的影响较大。

表3 产量与产量性状的相关系数

3 讨 论

3.1 不同降水年型春玉米产量性状对种植密度和品种的响应

前人研究表明，单位面积穗数与种植密度呈显著正相关（0.05），而穗粒数和千粒质量与种植密度呈显著负相关（0.05）[11-12]。本试验结果表明，D1密度时不同降水年型单位面积穗数差异不显著（0.05），D2、D3、D4密度时丰水年与平水年单位面积穗数显著大于干旱年（0.05）。Wang等[22]对黄土高原连续10年春玉米定位试验研究表明，在不同降水年型下穗粒数差异显著（0.05）。本研究也发现不同降水年型下穗粒数随种植密度增大而降低，且不同降水年型之间差异显著（0.05）。籽粒百粒质量随密度加而降低，且丰水年百粒质量随密度增加而降低的幅度小于其他年型。降水是影响旱地玉米产量的最主要因素，在干旱年，春玉米在关键生育时期（拔节-灌浆期）干旱少雨，影响春玉米开花授粉、干物质积累和籽粒灌浆速率等[1-6]，因此单位面积穗数和穗粒数显著降低（0.05），且这种效应在高密度处理下更加明显。陈传永等[15]研究表明，玉米干物质增加是平均叶面积指数、平均光合速率共同作用的结果，但由于在种植密度增加过程中物质转化效率降低，引起籽粒百粒质量下降，致使籽粒库容降低，导致产量增加缓慢或负增长，而这种影响在干旱年型尤为严峻，由于春玉米关键生育时期水分的亏缺。在同一降水年型下，不同品种产量性状对密度的响应不同，豫玉22单位面积穗数随密度增大而增加的幅度小于郑单958和先玉335，但豫玉22穗粒数与百粒质量随密度增大而下降的趋势大于郑单958和先玉335，这主要是由于品种特性不同所致[3-6]。

不同降水年型产量随密度的增加呈先上升后降低趋势，但不同品种在不同降水年型下达到最高产量的密度不同。在干旱年，豫玉22在D1密度处理时达到最高产量，郑单958和先玉335在D2密度处理时达到最高产量；在平水年，不同品种最高产量出现在D2密度处理；在丰水年，豫玉22在D2密度处理时产量达到最大值，而郑单958与先玉335最高产量出现在D3密度处理（82 500 株/hm2）。因此，综合产量与产量构成因素对密度的响应规律，分析不同品种耐密性发现，在旱地农业区，先玉335耐密性最好、郑单958次之，豫玉22最差，其中豫玉22适宜种植密度为52 500～67 500株/hm2，郑单958和先玉335的适宜密度范围为67 500～82 500 株 /hm2。降水年型主要通过影响旱地玉米产量性状而影响春玉米产量，丰水年和平水年产量显著高于干旱年，Ren等[25]模拟黄土高原不同种植密度对产量的影响也得到相似结果。

3.2 不同降水年型玉米穗部性状对种植密度的响应

前人研究表明，玉米穗长、穗粗随种植密度增加呈降低趋势，秃尖长度则呈上升趋势[12]。在不同降水年型下，玉米穗长差异较显著，总体表现为丰水年≥平水年>干旱年。通过分析也发现，不同品种穗粗在干旱年型显著小于平水年和丰水年（0.05），且干旱年穗粗随密度增大而下降的幅度也大于平水年与丰水年。在不同降水年型下，不同品种秃尖长也表现出差异，总体趋势为干旱年>平水年≥丰水年，且在高密度时秃尖长随密度增大而增加的幅度显著大于其他处理（0.05）。这主要是因为随着密度的增加，春玉米群体内部竞争加剧，单株个体能够利用的降水资源减少，而这种竞争在干旱年型表现的更为激烈[25-26]。由于品种特性不同，不同品种穗长、穗粗和秃尖长对密度的响应不同，在同一降水年型下，豫玉22穗长、穗粗随种植密度增加而减小的幅度大于郑单958和先玉335；而秃尖长增加的幅度大于郑单958和先玉335，这主要是不同品种耐密性不同所致[3-6]。

3.3 春玉米产量与产量性状的关系

关于产量构成因素对产量的影响，前人已经做了大量研究，陈传永等[15]研究发现穗粒数是影响产量的最主要因素，但也有研究认为百粒质量是决定产量的主要因素，穗数和穗粒数受密度影响较小[27]。本试验对不同降水年型下产量与产量性状间的相关性分析表明，在干旱年型，无论在任何种植密度和品种条件下，单位面积穗数和穗粒数是影响旱地玉米产量的最主要因素；在平水年和丰水年，在低密度处理下（D1），单位面积穗数是影响玉米产量的关键因素；在高密度处理下（D4），百粒质量是影响旱地玉米产量的主要因素。

4 结 论

旱地玉米生产受降水量的影响较大，降水年型对产量性状的影响达到显著水平（0.05），干旱年型显著低于平水年与丰水年，且平水年和丰水年产量稳定性更高。产量随种植密度增加呈先上升后下降趋势，单位面积穗数与种植密度呈显著正相关（0.05），而穗粒数和千粒重与种植密度呈显著负相关（0.05）。品种类型对产量的影响达到显著水平（<0.05），但不同品种产量对密度的响应不同，豫玉22适宜种植密度为52 500～67 500株/hm2，郑单958和先玉335适宜密度范围为67 500～82 500株/hm2，且郑单958和先玉335产量稳定性更高。相关性分析表明，在干旱年，无论在任何密度条件下，单位面积穗数和穗粒数是影响产量的最主要因素；在平水年与丰水年，低密度（D1）条件下单位面积穗数是影响产量的主要因素，而高密度（D4）条件下，春玉米籽粒百粒质量是影响产量的主要因素。综上所述，在渭北旱塬旱作玉米种植系统，以耐密品种郑单958或先玉335结合密度67 500～82 500株/hm2产量效益和稳定性最好，是适宜于该地区旱作农田长期可持续发展的种植模式。

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Responses of yield traits to planting density and cultivar of spring maize in drylands under different rainfall types

Zhang Yuanhong, Wang Rui, Xu Zonggui, Li Jun※

(712100,)

A maize yield can depend greatly on the rainfall types in dryland agriculture. This study aims to investigate the effects of planting density on the yield traits of spring maize under different rainfall types in dryland. A successive field experiment was also carried out for the planting density of spring maize from different cultivars in the dryland farming experimental station of Northwest A&F University in Heyang County, Shaanxi Province of China from 2013 to 2018. Taking the Yuyu22, Zhengdan958, and Xianyu335 as the experimental cultivars, four planting densities were set (D1: 52 500, D2: 67 500, D3: 82 500, and D4: 97 500 plant/hm2) to determine the yield traits at the harvest stage in each growing season. The results showed that the ear length and ear diameter of maize decreased with the increase of planting density, whereas, the length of tip back was on the rise. There were significant differences in the ear length and ear diameter among different rainfall types (<0.05), where the overall performance was also ranked in the order of the wet year≥normal year > dry year, but the order of the length of tip back was the dry year > normal year≥wet year. The rainfall types posed significant effects on the yield traits, further to determine the grain yield of maize in dryland, indicating that the yield in the normal and wet years was significantly higher than that in the dry years (<0.05), whereas, the yield stability was also higher in the normal and wet years than that of dry years. Furthermore, there were significant positive correlations of planting density on the ear number per square (<0.05), whereas, the kernel number per ear and 100-seed weight presented a negative correlation with the planting density (<0.05). The planting density and cultivar posed a significant influence on the grain yield, but the cultivars greatly varied in response to the planting density (<0.05). Specifically, the suitable planting density of Yuyu22 was 52 500-67 500 plant//hm2, and Zhengdan958 and Xianyu335 were 67 500-82 500 plant/hm2. Moreover, the latter presented a more stable yield. The correlation analysis showed that the ears number per square and the number of the kernels per ear were the most important factors affecting the yield of spring maize in the dry years. In the normal and wet years, the ear number per square was the main factor under a low planting density (D1), whereas, the 100-seed weight of spring maize served as the main factor under a high planting density (D4). A relatively higher planting density with 67500-82 500 plant/hm2combined with the density-tolerance cultivar (Zhengdan958 and Xianyu335) can be widely expected to improve the grain yield and yield stability of dryland maize. The finding can provide for the optimal planting pattern in sustainable dryland agriculture.

dryland; yield; density; rainfall type; spring maize; yield traits

张元红，王瑞，徐宗贵，等. 不同降水年型下旱地玉米产量性状对种植密度和品种的响应[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：136-144.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.015 http://www.tcsae.org

Zhang Yuanhong, Wang Rui, Xu Zonggui, et al. Responses of yield traits to planting density and cultivar of spring maize in drylands under different rainfall types[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 136-144. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.015 http://www.tcsae.org

2021-03-30

2021-11-02

国家科技支撑计划项目（2015BAD22B02）；国家“863”计划项目（2013AA102902）；国家自然基金项目（31801300）

张元红，博士生，研究方向为高效农作制度。Email：yuanhongzhang@nwsuaf.edu.cn

李军，教授，博士生导师，研究方向为高效农作制度和数字农作技术。Email：junli@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.015

S359.1

A

1002-6819(2021)-22-0136-09