高密度种植条件下春玉米氮素的需求规律与适宜施氮量

蔡红光，袁静超，刘剑钊，闫孝贡，张洪喜，梁尧，任军



高密度种植条件下春玉米氮素的需求规律与适宜施氮量

蔡红光，袁静超，刘剑钊，闫孝贡，张洪喜，梁尧，任军

（吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部东北植物营养与农业环境重点实验室/国家玉米工程实验室，长春 130033）

【目的】研究高密度（75 000株/hm2）种植条件下，东北中部春玉米群体氮素需求规律与分配特征，及其对氮肥运筹的响应，以制定高密度群体玉米的氮素管理措施。【方法】试验于2011—2012年在吉林省公主岭市中国农业科学院作物科学研究所试验田进行，以先玉335为供试材料，在大田条件下设置了5个氮肥施用水平（不施氮（N1），70%推荐施氮量（N2），推荐施氮（N3），130%推荐施氮量（N4），高量施氮（N5）），结合高产栽培管理模式，通过两年田间定点试验，系统监测了不同生育时期植株干物质和养分在各器官中的累积与分配特征，并研究了氮肥施用水平对玉米产量、氮素转运效率的影响。【结果】不同氮肥处理间产量、生物量和氮累积量差异显著，且氮肥处理与年际间交互作用显著；玉米籽粒产量随施氮量的增加呈现单峰曲线变化，以N3处理下产量最高，产量差异主要来自穗粒数和千粒重；春玉米干物质累积随生育进程呈现先快后慢的累积动态，合理的氮肥施用可以提高籽粒的累积量和氮素转运效率，是其增产的重要基础，处理间以N3处理籽粒所占总干物质比重最高；N3处理下吐丝后氮素累积比例显著高于其他4个处理，这表明合理的氮肥运筹可能更有助于植株生育后期对氮素的吸收；通过两年定点试验数据拟合，建立了产量与施氮量的一元二次回归方程= -0.17152+ 79.73+ 3940.1（2=0.963）；计算得出最佳经济施肥量为225.1 kg·hm-2。【结论】合理的氮肥运筹显著提升植株干物质向籽粒中转移，并增加吐丝期后植株氮素的吸收和转运能力；在东北中部黑土区中等土壤肥力条件下，基于75 000株/hm2的种植密度，春玉米氮肥施用量可根据品种及肥力特征在225 kg·hm-2左右进行微调。

春玉米；籽粒产量；高密度；施氮量

0 引言

【研究意义】玉米是中国第一大作物，在粮食安全中占有重要的地位，随着国家粮食需求的刚性增加，玉米产量亦需继续提升。在有限的耕地面积上继续提高单产，增加种植密度是主要技术途径之一。在东北春玉米区明确高密度群体对氮素的需求特征及分配规律，提出高密度生产田的适宜氮肥用量，是氮肥管理的重要措施。【前人研究进展】氮是作物产量形成的重要养分限制因子。张福锁等[1]研究表明，目前中国玉米氮肥利用效率仅为26.1%，远低于国际平均水平，且氮肥效率呈下降趋势。为提高玉米氮肥利用效率，多位学者开展研究，赵珊珊等[2]研究表明目前夏玉米最适氮肥用量一般在180—280 kg·hm-2；马国胜等[3]研究表明关中灌区生产田氮肥适宜用量为310—569 kg·hm-2。叶东靖等[4]研究得出，综合产量、氮肥利用率和土壤硝态氮累积情况考虑，东北中部地区玉米合理施氮量应控制在180—240 kg N·hm-2。这些氮肥推荐用量均是在种植密度55 000—65 000株/hm2区间范围得到的。任军等[5]对吉林省东、中、西不同生态区生产田的氮肥适宜用量研究表明，在45 000—55 000株/hm2密度下，春玉米适宜氮肥用量是172.4—199.1 kg·hm-2。未来中国粮食增产主要依靠单产的提高，单产提高的主要技术途径之一是增加种植密度[6]。增加群体种植密度是中国及世界玉米大面积高产的关键措施之一[7-9]。因此，亟需探讨提高种植密度后与之相匹配的氮肥适宜用量。曹胜彪等[10]在黄淮海夏玉米区研究表明，ZD958和DH661在密度90 000株/hm2的高产条件下，适宜氮肥用量在240—360 kg·hm-2。张峰等[11]在内蒙古平原高产示范田的研究表明，90 000株/hm2密度的高产群体适宜氮肥用量为300—450 kg·hm-2。【本研究切入点】在东北春玉米区，一般生产田密度在45 000—55 000株/hm2，中部高肥力地区密度可达到60 000株/hm2[12]。故大多数氮肥用量的研究多集中在此密度区间。但对于高密度生产田的适宜氮肥用量，在东北春玉米区未见有详细报道。【拟解决的关键问题】本研究在75 000株/hm2的种植密度下，通过2年田间定位研究，剖析不同供氮水平下植株氮素需求与分配特征，详细评价高密度生产田对氮肥水平的响应，及作物群体氮素的累积规律与分配特征，以期为制定高密度群体玉米的氮素管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验处理始于2009年，在吉林省公主岭市中国农业科学院作物科学研究所试验田（43°29′55″N，124°48′43″E）进行。试验田为玉米连作区，玉米生育期间平均气温为19.6℃左右，无霜期125—140 d，有效积温2 600—3 000℃，总日照时数1 220 h左右。供试土壤为黑土，0—20 cm耕层土壤主要性状为有机质25.6 g·kg-1、碱解氮242.0 mg·kg-1、速效磷38.5 mg·kg-1、速效钾112.0 mg·kg-1、pH 6.6。试验区2011和2012年玉米生育期内降雨量分别为320.6 mm和519.3 mm（图1）。

1.2 试验设计

试验设5个氮肥处理，分别为不施氮（N1），70%推荐施氮量（N2），推荐施氮（N3），130%推荐施氮量（N4），高量施氮（N5）。每个处理重复4次，随机区组排列，小区面积54 m2。供试品种为先玉335，种植密度75 000株/hm2。5个处理磷、钾用量均为90 kg·hm-2。其中氮肥分4次施用，即底肥、种肥、拔节期（V6）追肥、抽雄期（VT）追肥（其比例为30﹕10﹕40﹕20）；磷、钾肥分3次施用，即底肥、种肥、拔节期（V6）追肥（其比例为65﹕15﹕20），肥料施用量及时期见表1。其中氮肥为尿素（N 46%），磷肥为磷酸二铵（N-P2O5-K2O, 18-46-0），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。2011年于4月25日播种，9月27日收获；2012年于4月26日播种，9月27日收获。其他田间管理方式同一般高产田。

图1 试验区2011—2012年玉米生育期内降雨量分布

1.3 样品采集与分析方法

分别于6叶期（V6）、12叶期（V12）、吐丝期（R1）、灌浆期（R3）、生理成熟期（R6）系统取样。每小区选取有代表性的植株3株，成熟期取5株。在V6至R1期，分茎和叶2部分，在R3和R6期，分茎、叶、籽粒和穗轴4部分，105℃下杀青30 min，70℃烘干至质量恒定，称重。采用凯氏定氮法测定植株全氮含量[13]。成熟期收获小区中间2行，以含水量14%折算小区产量，并选取标准穗10穗考种，测定产量构成。

表1 肥料用量及施用时期

1.4 数据分析与计算方法

营养器官氮素转运量（nitrogen translocation amount）=开花期氮素累积量-成熟期营养器官氮素累积量；

氮素转运效率（nitrogen translocation efficiency）=营养器官氮素转运量/开花期营养器官氮素累积量×100%；

氮素转运对籽粒的贡献率（nitrogen contribution proportion）=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素累积量×100%；

开花后氮素同化量（assimilating amount of nitrogen after anthesis）=成熟期籽粒氮素累积量-营养器官氮素转运量[14]。

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和作图，采用SAS 8.0统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果

2.1 产量、生物量和吸氮量的方差分析

方差分析结果表明（表2），不同氮肥处理间产量、生物量和氮累积量之间的差异均达到了极显著水平，产量和生物量在年际间未达到显著水平，但氮累积量在年际间达到了显著水平；对于产量、生物量和吸氮量3项指标来说，氮肥处理和年际间的交互作用均达到了显著或极显著水平，而重复之间均未达到显著水平。这表明，三者间的差异主要来自氮肥处理，但年份间的气候因子差异对三者间的变异也造成了影响，尤其是对于氮累积量。

2.2 施氮水平对春玉米产量的影响

由表3可以看出，两年的试验结果趋势基本一致。玉米籽粒产量随着施氮量的增加而增加，当施氮量达N3水平时，产量呈下降趋势。以N3处理为对照，不施氮处理（N1）减产达63.0%—78.6%，N2处理减产2.4%—3.2%，N5处理减产7.9%，减产均达显著水平。施用氮肥，玉米空秆率显著降低，当施氮量达N5水平时，空秆率增加，与不施氮处理差异不显著。穗粒数、千粒重随着施氮量的增加而提高，当施氮量达N5水平时，千粒重降低，施氮与不施氮处理间差异显著。

表2 处理间产量、生物量和吸氮量的方差分析

*和**分别表示0.05和0.01显著水平

*and** indicate significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

2.3 春玉米单株干物质累积与分配

由图2可以看出，各处理单株干物质积累动态从V6时期至R6时期，随着生长时间大致呈快-慢的积累动态，且曲线变化趋势基本一致。V6至R3期干物质积累较快，随后进入缓慢增长期。2011年，单株干物质积累在V12至R1时期增长缓慢，这是由于7月下旬降雨量较小，出现短期干旱，导致玉米植株生长缓慢。

表3 产量及其构成因子

同一试验年度同列数据后不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。下同

Values followed by different letters in column are significant among treatments at the 5% level. The same as below

由表4可以看出，随着玉米生育进程的推进，玉米各器官干物质量逐渐增加，营养器官所占比例逐渐降低，生殖器官所占比例逐渐增大。V12时期，叶片、茎秆分别占地上部干物质总量的52.0%—60.8%和39.2%—48.0%；R1时期，叶片、茎秆分别占地上部干物质总量的27.4%—34.6%和65.4%—72.6%；R3时期，叶、茎干物质比重有所下降，但仍占很大的比例，生殖器官仅占总干物质重的18.4%—39.5%；随着玉米籽粒的形成，生殖器官所占干物质比例迅速增加，到成熟期，玉米生殖器官所占比例达39.9%—60.4%，其中籽粒所占总干物质的比例为33.5%—54%。

处理间比较，V12时期，施氮处理茎、叶干物质重显著高于不施氮处理，且N3、N4处理叶片干物质重显著高于N2、N5处理，秸秆干物质重在各施氮处理间差异不明显；R1、R3时期，施氮处理茎、叶干物质重显著高于不施氮处理，但各施氮处理间差异不显著；R6时期，干物质在不同器官中的积累量和分配比例依次为籽粒＞茎秆＞叶片＞穗轴（N1处理茎秆＞籽粒），其中在籽粒的分配比例占33.5%—54.0%。5个处理相比，N3处理分配到各器官干物质积累量均最高，与N1、N2处理达差异显著，且籽粒干物质重显著高于N5处理。N3处理单株籽粒重分别比N2、N4、N5处理增加38.6 g、21.5 g、43.2 g。N3处理提高了干物质向籽粒中的积累量与分配比例，是其增产的重要基础。

V6：6叶期；V12：12叶期；R1：吐丝期；R3：灌浆期；R6：生理成熟期。下同

表4 不同生育时期春玉米植株各器官干物质累积与分配

2.4 春玉米单株氮素累积与分配

由图3可以看出，各处理春玉米地上部氮素积累动态与干物质积累动态大致趋势一致。不施氮处理单株玉米整个生育期氮素的积累比较平稳，施氮处理单株玉米氮素积累比较迅速，2012年的积累量呈直线上升，后期氮素积累稍有减缓。2011年，V6至V12期施氮处理的氮素积累迅速增加，V12至R1时期氮素积累比较平缓，R1至R3时期迅速增加，这与2011年单株玉米干物质积累的动态趋势一致，随后氮素积累增加缓慢。这可能与2011年玉米生育后期较长时间未见降雨，影响植株养分吸收有关。

从氮素在玉米整个生育期的分配可以看出（表5），随着生育进程，叶片中的氮素分配比例逐渐降低。V12期，叶片的氮素含量占总吸氮量的68.1%—73.0%，茎秆中的氮素含量占总吸氮量的27.0%—31.9%；R1时期，叶片中氮素含量占总吸氮量的比例有所下降，茎秆中氮素积累量占总吸氮量的比例有所增加，分别为58.2%—68.3%和31.7%—41.8%；R3时期，叶、茎中氮素积累比重均明显下降，生殖器官氮素积累占氮素积累总量的31.8%—46.8%；随着玉米籽粒的形成，生殖器官氮素积累比例迅速增加，到成熟期，玉米生殖器官所占比例达59.7%—78.8%，其中籽粒氮素积累所占总积累量的比例为52.8%—75.8%，以N3处理籽粒中氮素积累比例最高。R6时期，N3处理分配到穗轴、秸秆及叶片中的氮素均显著低于N4、N5处理，但籽粒中氮素积累与两处理差异不显著。

图3 不同氮水平下玉米地上部氮素累积动态

2.5 干物质及养分转运效率

2.5.1 春玉米吐丝期前后干物质及氮素分配比例 从图4可以看出，2011年吐丝期前干物质累积比例在46.6%—57.3%，平均为50%，吐丝前后干物质分配比例处理间无显著差异。2012年吐丝前干物质累积比例平均为46.3%，低于吐丝后干物质累积，其差异主要来自与不施氮处理，且均差异显著；施氮处理吐丝后干物质分配比例较不施氮处理高12.0%—18.7%（2012年），这表明增施氮肥后可以显著提高植株后期干物质的生产能力。

方柱上小写字母分别表示吐丝前和吐丝后不同氮水平间差异达5%显著水平。下同

表5 不同生育时期春玉米植株各器官氮素累积与分配

植株吐丝前后养分积累所占比例与干物质累积比例有所不同（图5），氮素大部分是在吐丝期前吸收积累的，2011年和2012年两年吐丝前植株氮素累积比例均超过70%；处理间均以N3处理吐丝后氮素累积比例较高，这说明合理的氮肥运筹可能更有助于植株生育后期氮素的吸收。

2.5.2 不同氮水平下春玉米养分转运效率 从不同氮水平下植株氮素转运可以看出（表6），2011年植株氮素转运量、转运速率、转运贡献率随着施氮量的增加而增加，花后同化量随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。这是因为2011年玉米生育期降雨量较少，尤其是在吐丝后期，降雨量仅为64.6 mm，灌浆期的干旱对作物氮素的吸收造成了严重的迟滞效应。2012年，随着施氮量的增加，单株玉米氮素转运量、花后同化量、转运效率及转运贡献率均呈先增加后降低的趋势，以N3处理下的转运量、花后同化量和转运效率最高，且处理间差异显著，这表明，合理的氮肥运筹模式会更有效地提升植株氮素的吸收利用能力，促进吐丝后期植株养分的转运效率和物质合成能力。

图5 春玉米吐丝期前后整株氮素分配比例

表6 不同氮水平下植株氮素转运特征

2.6 籽粒产量对氮肥的响应特征

将2011和2012年不同氮肥处理下的产量与施氮量进行拟合，可建立一元二次回归方程（图6），计算得出最高产量条件下氮肥用量为232.4 kg·hm-2，对应的产量为13 206.7 kg·hm-2；若采用最佳经济施肥量，则在产量基本不降低（为最高产量的99%）的情况下，氮肥用量为225.1 kg·hm-2，可节约氮肥用量3.2%。

图6 玉米籽粒产量对氮肥用量的反应曲线（2011—2012）

3 讨论

3.1 高密度种植条件下氮肥对春玉米氮素吸收的影响

合理施氮和密植是目前提高玉米产量的主要栽培措施，研究表明，氮肥与密度处理间交互作用显著[3,10,15]。其中，密度对产量的影响远大于氮肥[3]。在合理增加密度的条件下进行氮肥调控是提高玉米产量的有效措施。曹胜彪等[10]在黄淮海夏玉米区研究表明，高密度条件下通过增施氮肥显著提高了籽粒的千粒重和穗粒数，进而提高籽粒产量，这与本研究结果相似。

先玉335是东北春玉米区代表性品种之一，边少锋等[16]研究表明，先玉335在春玉米区达到“吨粮田”的适宜密度是85 000—90 000株/hm2。目前生产上和常规种植试验中多以55 000—60 000株/hm2为供试密度开展氮肥适宜用量及植株营养特性方面的研究[4, 17-19]。Chen等[17]在吉林中部地区通过多年多点试验结果表明，采用高产栽培方式（240 kg N·hm-2，85 kg P2O5·hm-2，90 kg K2O·hm-2），在60 000株/hm2的密度条件下，先玉335的产量平均在10.7 t·hm-2左右，单株籽粒氮吸收量为2.33 g。本研究中在75 000株/hm2的种植密度条件下，先玉335的产量平均在12.3 t·hm-2左右（施氮后），这表明增加种植密度后可以显著提升玉米产量。但单株籽粒氮吸收量在1.68—2.75 g，平均2.29 g，这是由于增加密度后，植株籽粒氮浓度会因“稀释效应”而下降，但同时群体干物质量增加，氮累积量提高。

3.2 高密度种植条件下适宜施氮量的可持续性与影响因素

Duvick[20]研究表明未来玉米的产量增益主要依靠密度的增加。李丛峰等[9]研究也表明当代玉米产量的突破主要依靠增加密度获得。基于此，本研究在前期玉米丰产栽培研究工作的基础上[21]，结合吉林省中部地区生产实际，以75 000株/hm2的种植密度为基准，开展氮肥运筹试验。通过方程拟合计算得出在产量基本不降低的情况下，最佳经济施肥量为225 kg·hm-2。这与郑伟等[19]和叶东靖等[4]在60 000株/hm2种植密度条件下的研究结果相近。究其原因，可能是由于本研究中土壤基础肥力较高（碱解氮242 mg·kg-1），从而在部分程度上减弱了植株对化肥氮的需求。2013年春季N3处理下0—20 cm土壤有机质为25.6 mg·kg-1，碱解氮含量为159.6 mg·kg-1，含量有所下降，但仍保持在中高等肥力水平。美国中部爱荷华州、伊利诺伊州、印第安纳州等玉米主产区种植密度平均在70 000—80 000株/hm2，产量保持在12 t·hm-2左右，但其氮肥用量一直保持在180—200 kg·hm-2（数据引自USDA. United States Department of Agriculture）。这一方面是由于美国玉米品种籽粒氮浓度较低，Chen等[15]和Ciampitti等[22]在印第安纳州的研究结果表明其种植品种的籽粒含氮量一般在1.19—1.21 g，显著低于本研究中先玉335籽粒含氮量；另一方面是由于其以秸秆还田为核心的土壤培肥体系，使土壤肥力维持在较高水平（有机质含量＞40.0 g·kg-1），从而保障玉米高密度群体的可持续生产。

植株花后氮的转运与同化也是影响籽粒产量的重要因素，合理的氮肥运筹可以提高植株开花后期氮素转运能力，进而提高氮素利用效率[14, 19]。研究表明，年际间的气候差异对氮肥处理影响较大[23-24]，尤其对作物氮素累积与转运（表2），降雨量等气候因子是影响作物生长及养分吸收的关键因子[23, 25]。本研究中，2011年降雨量较小，仅为320.6 mm，且以吐丝期之前为主，造成了作物对氮素的吸收延滞。2012年降雨在整个玉米生长季的分布较为正常，氮处理间干物质及氮素累积与分配的差异较为明显，在N3处理下，干物质向籽粒中的累积和分配比例显著提高，氮素转运量及其对籽粒的贡献也明显提升。这表明通过合理的氮肥运筹，能更有效利用氮素，保证吐丝后植株仍具有较强的氮素吸收和转运能力[26]，这是其增产的重要基础。

4 结论

在75 000株/hm2的种植密度下，东北中部地区春玉米干物质累积随生育进程呈现先快后慢的累积动态，合理的氮肥运筹有助于干物质向籽粒中转移；同时，可增加植株吐丝后期氮素的吸收和转运效率，进而实现作物增产。基于产量和施氮量的回归方程，计算得出东北中部地区春玉米氮肥施用量为225 kg·hm-2。综合考虑土壤肥力及气候条件，可认为在东北中部黑土区中高肥力农田，75 000株/hm2的种植密度下氮肥施用量可以225 kg·hm-2为基准或根据品种特性进行微调。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Optimal Nitrogen Application Rate and Nitrogen Requirement Characteristics in Spring Maize under High Planting Density Condition

CAI HongGuang, YUAN JingChao, LIU JianZhao, YAN XiaoGong, ZHANG HongXi, LIANG Yao, REN Jun

(Institute of Agricultural Resource and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northeast Region, Ministry of Agriculture/State Engineering Laboratory of Maize, Changchun 130033)

【Objective】This research aims to evaluate requirement characteristics of spring maize and the response to nitrogen application rate at the middle region of Northeast, so as to make reasonable nitrogen management of spring maize with high planting density (75 000 plant/hm2). 【Method】The field experiment was conducted in 2011-2012 at the station of Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences in Gongzhuling of Jilin province. The hybrid “Xianyu335” was used as research materials. Five nitrogen application rates (No nitrogen N1, 70% optimized nitrogen N2, optimized nitrogen N3, 130% optimized nitrogen N4, high nitrogen N5) were set under the field conditions with the high grain yield management. The characteristics of accumulation and distribution of biomass and nitrogen in different organs of plants were monitored during the growth period. And the influence of grain yield and nitrogen translocation efficiency was studied in different nitrogen application rates. 【Result】There was a significant difference in grain yield, biomass, and nitrogen accumulation among the nitrogen application rates. The interaction between nitrogen application rates and years was also significant. The grain yield showed an odd peak curve with the nitrogen application rates and the highest grain yield was obtained in N3 treatment. The kernel numbers and 1000-kernel weight were the main contribution. The nitrogen accumulation in grain and nitrogen translocation efficiency were improved under reasonable nitrogen application condition, which was the important basis for the high grain yield. The percentage of grain within biomass was the highest in N3 treatment, and the percentage of nitrogen accumulation after silking stage was higher than that of other treatments. These results indicated that reasonable nitrogen management probably helped to the nitrogen uptake after silking stage. The quadratic equation between grain yield and nitrogen application rate was developed on the basis of two years field experiments, and the equation is=-0.17152+ 79.73+3940.1,2=0.963. The optimum economy fertilizing quantity was 225.1 kg·hm-2. 【Conclusion】The translocation of biomass to grain was improved under reasonable nitrogen application condition, which also help to improve nitrogen uptake and translocation efficiency. Based on the moderate fertility black soil and the 75 000 plant/hm2planting density for spring maize in the middle region of Northeast, the nitrogen application rate can be adjusted to around 225 kg·hm-2according to the soil fertility and hybrids.

spring maize; grain yield; high planting density; nitrogen application rate

2016-08-01；

2017-02-20

国家科技支撑计划（2013BAD07B02）、吉林省玉米产业技术体系专项、吉林省科技发展计划重点项目（LFGC14218，LFGC14306）、吉林省农业科技创新工程（CXGC2017ZD001）

任军，E-mail：renjun557@163.com

联系方式：蔡红光，E-mail：caihongguang1981@163.com。