玉米是海河平原主要的粮食作物，增加播种密度是玉米增产的主要栽培措施之一，合理增加播种密度、构建良好群体可充分利用光热资源，从而达到增产效果[1-2]。氮肥是玉米获得高产的保障，但施氮过量可造成氮素损失，导致增产效应下降[3]。研究表明，我国玉米的氮素利用效率为26.1%，远低于33%的国际平均水平[4-5]。通过调节氮肥施用量可调控灌浆速率，提高粒质量；通过调节密度可调控快增期、缓增期持续天数来影响粒质量[6]。Wang等[7]研究表明，玉米产量的提高与干物质积累量有关，但密度对干物质向籽粒的转运无显著影响，过量施氮对群体持绿性和产量无调控效应，但张萌[8]研究表明，不同密度和施氮量均显著影响叶面积指数和干物质积累量，氮密互作对叶面积指数和干物质积累量的影响不显著。实际生产中，在适宜播种量和施氮量前提下，可通过氮肥和密度的交互效应来提高玉米产量[9]。研究表明，在一定种植密度下，随施氮量增加，氮肥利用效率一般呈先增后降的趋势，减氮增密可获得较高的氮肥利用效率，与籽粒中氮素分配多少无关[9-11]。由此可见，氮密互作对玉米产量及氮肥利用效率的调控效应研究结论尚不一致，而在海河平原关于氮密互作对夏玉米产量调控效应尚未见报道。为此，本研究通过探讨不同密度下施氮量对京农科728产量及氮肥利用的影响，以期为研究海河平原夏玉米氮肥减量稳产增效栽培技术提供理论支撑。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验于2018年6-10月份在天津市玉米良种场(117°49′E，39°42′N)进行，前茬春小麦秸秆全部还田，0～20 cm土层有机质含量18.6 g/kg、全氮1.088 g/kg、水解性氮77.68 mg/kg、速效磷64.8 mg/kg、速效钾296 mg/kg、pH值8.1、全盐含量3.1 mg /kg。玉米生育期气象数据如图1。
1.2 试验材料与设计
供试材料为京农科728(JNK728)，6月23日播种，10月30日收获。采用两因素随机区组试验设计，因素一为密度(7.5×104株/hm2(D7.5)和9.0×104株/hm2(D9.0))，因素二为施氮量(0(N0)，180 kg/hm2(N180)，240 kg/hm2(N240)，300 kg/hm2(N300)，360 kg/hm2(N360))。播种采用60 cm等行距，小区长7.0 m，宽4.2 m，各小区间设置1 m隔离带，小区重复3次，N肥按照50%-30%-20%分为种肥-拔节肥-大口肥，P2O5120 kg/hm2 全部作种肥，K2O 150 kg/hm2 50%作种肥，50%大口期追施。其他管理条件随大田管理措施进行。
图1 玉米生育期气象数据
Fig.1 Meteorological data during maize growth duration
1.3 测定指标及方法
1.3.1 叶片叶绿素含量(SPAD值) 采用SPAD-502计无损快速测定玉米叶片的SPAD值，可以较好地反映叶片叶绿素含量。每小区选取生长均匀一致的代表性样株60株，分别于拔节期(V6)、大口期(V12)、吐丝期(R1)、吐丝后每10 d和收获期挂牌标记，每小区取挂牌标记的样株30株，测定叶片SPAD值(抽雄前测定最上部展开叶，抽雄后测定穗位叶)。
1.3.2 叶面积指数(Leaf area index，LAI) 分别于V6、V12、R1、吐丝后每20 d和收获期，每小区取挂牌标记的生长一致均匀的样株3株，测定单株所有绿叶长度(l, cm)和最宽处宽度(d，cm)，采用叶面积系数法计算单株叶面积(Leaf area，LA，m2)，LA=∑l×d×0.75/10000，LAI为单位面积的绿叶面积，即LAI=∑LA×7.5(9.0)。
1.3.3 干物质积累(Dry matter，DM) 于V6、V12、R1和收获期，小区取挂牌标记的样株3株，分解为叶片和茎鞘2部分(抽雄后分为茎鞘、叶片、籽粒、穗轴和苞叶5部分)，105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干至恒质量后称质量。
1.3.4 产量及其构成因素 于成熟期，每小区连续收获20穗，纱网袋风干后考种，数取穗行数、行粒数，脱粒后数取千粒质量，折算14%安全含水量的千粒质量，称取收获穗粒质量，用PM8188-A谷物水分测定仪测定籽粒含水量，按照14%安全含水量计算产量。
1.3.5 氮肥利用效率 氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg/kg N)=籽粒产量/施氮量，氮肥农学效率(Agronomic efficiency of nitrogen，ANUE，kg/kg) =(施氮区玉米产量-空白区玉米产量)/施氮量。
1.4 数据处理与分析
采用 Excel 2013 进行数据处理和作图，采用 SPSS 19.0 统计软件进行数据统计及方差分析。
2 结果与分析
2.1 叶绿素含量(SPAD值)
由表1可知，随着生育时期的推进，JNK728叶片SPAD值均呈先升高后降低的趋势，且各生育期JNK728叶片SPAD值均随着施氮量的增加而升高(P<0.01)；除V12时期N360处理和R1+10外，相同施氮量处理同一生育期JNK728叶片SPAD值随着密度的增加呈降低趋势(P<0.05)；密度和施氮量无显著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5处理中除N180在V6和V12时期叶片SPAD值与N0差异不显著(P>0.05)外，其他施氮处理与N0差异均显著(P<0.05)；D9.0处理下，除N180在R1时期叶片SPAD值N0差异不显著(P>0.05)外，其他施氮处理与N0差异均显著(P<0.05)。综合说明，增施氮肥或降低密度均有助于JNK728叶片叶绿素含量的增加，同时增施氮肥可使叶绿素峰值出现的时间推迟。
表1 不同密度下施氮量对JNK728叶片SPAD值的影响
Tab.1 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf SPAD under different plant density
密度Density施氮量NitrogenV6V12R1R1+10R1+20R1+30R1+40R1+50D7.5N046.6±1.5b47.8±2.6b50.1±2.1d45.6±0.3d42.8±0.5d40.9±2.2d36.1±1.8d26.1±2.7dN18048.8±2.1ab49.6±1.8ab53.5±1.0c53.6±0.9c52.7±1.6c51.7±1.6c48.6±0.2c37.0±2.0cN24049.8±1.8a50.8±2.2ab54.3±1.1bc54.7±1.2bc54.1±0.5b53.4±1.2bc49.1±0.4bc39.7±1.7bcN30049.9±0.7a52.1±1.9a55.1±0.8ab55.1±0.7b54.7±0.5b54.6±0.4ab50.5±1.4b45.4±0.7abN36050.3±1.2a53.0±0.7a56.4±0.9a56.6±1.1a56.8±1.4a56.0±0.6a52.9±1.7a48.0±0.9aD9.0N045.0±1.2c47.6±0.8c49.6±1.2c45.1±1.5c41.1±0.7c39.2±0.3d33.6±2.2d24.5±2.5dN18047.2±2.0b48.8±1.0b52.1±1.0bc53.5±0.9b48.3±1.4b47.1±0.6c43.7±2.0c34.2±2.4cN24048.3±0.2b49.2±0.2a53.5±0.4b55.2±1.1a50.8±0.1a49.7±1.6b47.0±2.2b38.1±0.7bN30048.6±0.7ab49.3±0.7a54.5±0.5b55.3±0.3a52.7±0.8a52.1±0.5ab48.9±1.0a39.5±2.5abN36050.7±1.3a53.1±0.7a54.8±0.3a56.8±1.1a54.2±1.6a53.7±0.8a50.9±0.6a40.6±2.2aF 值 F values密度Density(D)5.0∗4.4∗13.0∗∗0.0ns88.9∗∗69.5∗∗25.2∗∗3.3ns施氮量Nitrogen(N)10.5∗∗12.3∗∗54.4∗∗199.0∗∗254.3∗∗219.7∗∗132.8∗∗9.8∗∗D×N0.6ns1.1ns0.6ns0.5ns2.5ns2.2ns1.3ns0.3ns
注： 表中相同密度下同一列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。**表示P<0.01，*表示P<0.05，ns表示P>0.05。表2-3同。
Note: The different small letters at the same column under the same density indicates significant difference among different treatments(P<0.05). **indicates P<0.01, * indicates P<0.05, ns indicates P>0.05. The same as Tab.2-3.
2.2 叶面积指数(LAI)
由表2可知，随着生育时期的推进，JNK728的LAI均呈先升高后降低的趋势且均于R1时期达到最大值，各生育期JNK728的LAI均随着施氮量的增加而升高(P<0.01)；相同施氮量处理同一生育期JNK728叶面积指数随着密度的增加呈升高趋势(P<0.05)；密度和施氮量无显著交互作用(P>0.05)。其中，D7.5处理中除N180、N240、N300在V6时期LAI与N0差异不显著(P>0.05)外，其他施氮处理与N0差异均显著(P<0.05)；D9.0处理中除施氮量N180在V6时期LAI与N0差异不显著(P>0.05)外，其他施氮处理与N0差异均显著(P<0.05)。综合说明，增施氮肥和增加密度均有助于JNK728叶面积指数的增加。
2.3 干物质积累量(DM)
由图2可知，JNK728的收获期DM随施氮量增加呈增加趋势(F=58.6，P<0.01)，随着密度的增加呈逐渐降低的趋势(F=32.2，P<0.01)，但是施氮量与密度处理对DM的互作效应未达显著水平(F=0.69，P>0.05)，其中D7.5处理N180仅在R1期DM与N0差异显著(P<0.05)，N240、N300、N360各时期DM与N0差异均显著(P<0.05)；D9.0处理中除N180和N240在V6期及N180在R1期与N0差异不显著(P>0.05)外，其他施氮处理DM与N0差异均显著(P<0.05)。综合说明，增施氮肥有利于干物质量的增加，但密度效应导致单株干物质积累量降低。
表2 不同密度下施氮量对JNK728叶面积指数的影响
Tab.2 Effects of nitrogen application on JNK728 leaf area index under different plant density
密度Density施氮量NitrogenV6V12R1R1+20R1+40D7.5N00.86±0.09b2.45±0.13d3.85±0.10d2.92±0.28d1.99±0.16eN1800.84±0.08b2.74±0.08c4.09±0.04c3.30±0.08c3.01±0.14cN2400.88±0.06b2.95±0.05b4.37±0.16b3.74±0.13b3.36±0.23acN3000.95±0.10ab3.13±0.15b4.67±0.07a3.97±0.10ab3.51±0.36abN3601.04±0.08a3.49±0.13a4.82±0.11a4.20±0.16a3.80±0.14aD9.0N00.99±0.05c2.81±0.13d4.23±0.15d3.26±0.13d2.21±0.09eN1801.08±0.01bc3.43±0.15c4.69±0.06c3.87±0.10c3.11±0.16dN2401.12±0.04b3.54±0.06c4.95±0.18b4.16±0.14b3.49±0.08cN3001.17±0.01b3.83±0.18b5.11±0.04ab4.32±0.01ab3.70±0.05bN3601.33±0.11a4.32±0.36a5.30±0.19a4.52±0.19a3.97±0.22aF 值 F values密度Density(D)68.0∗∗182.3∗∗138.3∗∗56.8∗∗6.8∗施氮量Nitrogen(N)11.6∗∗81.2∗∗73.7∗∗72.2∗∗98.7∗∗D×N0.9ns2.9ns1.1ns0.7ns0.1ns
图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。表3-4同。 The different small letters indicates significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Tab.3-4.
图2 不同密度下施氮量对JNK728单株干物质积累的影响
Fig.2 The effect of nitrogen application on dry matter accumulation of JNK728 under different plant density
2.4 产量及产量构成因素
由图3可知， JNK728籽粒产量随着施氮量的增加呈增加趋势(F=23.5，P<0.01)，随着密度增加亦呈增加趋势(F=79.2，P<0.01)，施氮量与密度之间互作效应达极显著水平(F=5.86，P<0.01)。其中，D7.5处理中除施氮量180 kg/hm2与N0差异不显著外(P>0.05),其他施氮量处理均与N0差异显著(P<0.05)，当施氮量增至300 kg/hm2时，产量达到9.5 ×103 kg/hm2；D9.0处理中施氮处理均与N0差异显著(P<0.05)。当施氮量在180～300 kg/hm2时，产量徘徊在10.2×103～10.8×103 kg/hm2，处理间差异不显著(P>0.05)。当施氮量360 kg/hm2时，产量达到12.4 ×103 kg/hm2，显著高于其他各施氮处理(P<0.05)。
图3 不同密度下施氮量对JNK728产量的影响
Fig.3 The effects of nitrogen application on yield of JNK728 under different plant density
由表3可看出，D7.5比D9.0处理具有较多的行粒数和穗粒数(P<0.05)，而穗行数和千粒质量无差异(P>0.05)；增施氮肥JNK728的穗行数(P<0.01)、穗粒数(P<0.01)和千粒质量显著提高(P<0.05)；施氮量和密度互作仅对行粒数影响达显著水平(P<0.05)。其中，D7.5处理施氮量240～360 kg/hm2时穗行数和千粒质量较N0显著增加(P<0.05)，且处理间差异均不显著(P>0.05)。D9.0处理各施氮量的穗行数和千粒质量与N0差异均不显著(P>0.05)，而穗粒数则均显著高于N0(P<0.05)，但处理间无显著差异(P>0.05)。当施氮量360 kg/hm2时，行粒数显著多于0～240 kg/hm2处理(P<0.05)。
表3 不同密度下施氮量对JNK728产量构成要素的影响
Tab.3 Effects of nitrogen application on JNK728 yield components of JNK728 under different plant density
密度Density施氮量Nitrogen穗数/(×104/hm2)Ear number穗行数Line number行粒数Line grain number穗粒数Ear grain number千粒质量/g1000-grain weightD7.5N07.512.6±0.2b26.3±0.9a333.9±14.2a343.8±15.0cN1807.512.8±0.2b27.5±1.7a352.2±16.6a353.5±3.9bcN2407.513.2±0.1a25.4±1.6a336.4±22.3a376.3±16.3abN3007.513.5±0.3a26.8±1.2a362.4±10.6a371.9±8.1abN3607.513.6±0.3a26.0±0.9a352.5±14.4a394.6±14.0aD9.0N09.013.2±0.0a22.5±1.3b296.1±17.2b357.6±12.2aN1809.013.2±0.4a24.8±1.8b326.7±16.4a359.6±21.6aN2409.013.5±0.5a25.9±0.4b350.0±12.1a353.8±7.8aN3009.013.3±0.3a26.0±1.6ab346.2±20.0a372.1±25.5aN3609.013.4±0.4a26.5±1.4a355.0±8.1a376.3±23.4aF 值 F values密度Density(D)3.115ns7.158∗4.893∗0.493ns施氮量Nitrogen(N)5.432∗∗2.19ns6.207∗∗4.195∗D×N2.538ns3.19∗2.621ns1.401ns
2.5 氮肥偏生产力(PFPN)和氮肥农学利用效率(ANUE)
由图4可知，与N180相比，施氮量增加JNK728氮肥偏生产力(PFPN)降低31.2%,56.0%,72.3%(F=434.9，P<0.01)，随着密度的增加而增加(F=162.4，P<0.01)，施氮量与密度处理对PFPN的互作效应达显著水平(F=4.31，P<0.05)。与N180相比，JNK728氮肥农学利用效率(ANUE)在N240处理时降低9.2%,N300～N360处理分别提高12.5%和52.6%,并随着密度的增加而增加(F=73.3，P<0.01)，施氮量与密度处理对ANUE的互作效应亦达显著水平(F=6.83，P<0.01)。其中，与N180相比，D7.5处理中PFPN在N240、N300和N360分别降低28.8%(P<0.05)，53.9%(P<0.05)和82.3%(P<0.05)，ANUE分别提高59.0%(P<0.05)，116.5%(P<0.05)和103.2%(P<0.05)；D9.0处理PFPN分别降低33.3%(P<0.05)，57.8%(P<0.05)和64.5%(P<0.05)，ANUE分别变化了-24.9%(P<0.05)，-11.6%(P>0.05)和40.4%(P<0.05)。与D7.5相比，N180、N240、N300和N360的PFPN在D9.0分别提高15.8%，11.8%，13.0%和28.3%， ANUE在D9.0分别提高339.1%(P<0.05)，106.2%(P<0.05)，78.0%(P<0.05)和201.7%(P<0.05)。
图4 不同密度下施氮量对JNK728氮肥偏生产力(A)和氮肥农学利用效率(B)的影响
Fig.4 The effects of nitrogen application on nitrogen partial factor productivity(PFPN, A) and agronomic efficiency of nitrogen(ANUE, B) of JNK728 under different plant density
3 讨论
玉米叶片叶绿素含量反映叶片光合能力的强弱，SPAD-502仪能快速无损检测叶片的相对叶绿素含量(SPAD值)，间接反映叶片光合功能，较高的SPAD值和叶面积指数可以提高作物光能截获和利用[12]。适量施氮可维持密植玉米上部叶片光合性能，获得高产[13]，玉米叶面积指数随密度和施氮量增加而提高[14]，施氮量显著提高单株和群体干物质积累量，密度增加单株干物质积累量减小，群体干物质量增加[15-16]。本研究表明，施氮量增加至300 kg/hm2显著提高JNK728叶片SPAD值，吐丝后表现更为显著。增加密度显著降低吐丝后穗位叶SPAD值，花后20～30 d表现最为显著。密度增加显著提高相同施氮水平下V12-R1+20时期的叶面积指数；增施氮肥后高氮(N300和N360)处理的叶面积指数显著高于低氮(N180)处理，中氮水平与N180和N300处理间差异不显著。施氮量增加显著提高干物质积累，增加密度后个体干物质积累量降低，但群体干物质量显著提高。
已有研究表明，增加密度和增施氮肥均显著增加玉米产量[17]，但当施氮量超过300 kg/hm2时产量不再增加[13]。玉米超过适宜密度后穗粒质量减少[18]。申丽霞等[19]研究表明，中、高密度下适量施氮可减少顶部籽粒败育，增加穗粒数。本研究结果表明，低密度下(D7.5)施氮量超过N240后JNK728的穗行数和千粒质量显著提高；高密度下(D9.0)N360处理行粒数显著高于N180和N240。增加密度对JNK728穗部性状无显著影响，说明JNK728具有更强的增加播种密度后个体对群体增加的耐受能力。JNK728产量随密度和施氮量的增加而显著增加，在低密度(D7.5)条件下，当施氮量增至300 kg/hm2时产量即可达到9.5×103 kg/hm2，而高密度条件下中低施氮量(N180-N300)产量在10.5×103 kg/hm2波动，当施氮量增至360 kg/hm2时,产量达到12.4×103kg/hm2，因此,需要进一步探明高密度条件下的最佳施氮量。氮密互作显著影响夏玉米的穗部性状，JNK728产量与穗数、穗行数和穗粗相关性达显著或极显著水平的相关关系，密度越高、穗数越多或穗行数越多、产量越高。
施氮量增加导致氮肥利用效率呈先增后降的趋势[9-10]，氮密互作通过影响氮积累和干物质积累量调控氮肥利用效率[11]，增施氮肥和增加密度显著促进氮素积累对干物质积累的响应强度[16]。随着施氮量的增加，玉米氮素积累量增加，但氮肥利用效率逐渐降低[20]。本研究表明，随施氮量增加，氮肥偏生产力显著降低，与已有的研究结论一致。但在高密度条件下的氮肥偏生产力显著高于低密度，说明增加密度后显著提高了氮肥的利用效率。本研究中施氮量增加氮肥的农学利用效率增加，与一些研究结论不一致，分析原因可能是本研究是第1年种植，基础土壤地力较高，即便是无氮小区产量也高于8×103 kg/hm2，且在低密度下施氮量300 kg/hm2时氮肥农学利用效率最高，因此，要探明施氮量和密度对JNK728氮肥农学利用效率的调控效应，需要进行多年的连续试验。
总之，在本试验条件下，海河平原夏玉米在中密度(7.5×104株/hm2)时，施氮量宜低于300 kg/hm2，可以实现9.5×103 kg/hm2的产量水平。选择耐密抗倒伏品种，增加密度至9.0×104株/hm2，施氮量应在300～360 kg/hm2为宜，可以达到12.0×103 kg/hm2的产量水平。
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