密度和品种对夏玉米产量及水分利用效率的影响

高 繁,胡田田,姚德龙,刘 杰

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

玉米是世界最重要的粮食作物之一[1]。在过去12年里，玉米增产占中国粮食增产量的57%，并从2012年起，玉米成为中国种植面积最大的粮食作物[2-3]。陕西省关中平原地区光热水土条件丰富，是本省粮食主产区。其中夏玉米作为该地区的主要粮食作物，玉米产量占全省玉米总产量的70%，对全省的粮食生产具有重要影响[4-5]。然而农业部在2015年提出计划到2020年，包括陕西部分地区在内的玉米种植区域将调减333万hm2以上，2017年调减66万hm2以上[6]。因此，提高单位面积玉米产量，已成为陕西省以及全国玉米生产发展的必由之路。

前人研究认为，种植密度是影响玉米产量的重要因素之一，合理增加群体密度是获得高产的关键措施[7-8]。Duvick[9]研究表明高密度条件下，现代品种产量优势明显。王楷等[10]研究表明实现玉米超高产的最适密度在7.15～14.45×104株·hm-2。李淑华等[11]研究得出世界玉米高产记录均为高密度群体下实现的，美国玉米高产纪录田收获密度为10.9万株·hm-2，而中国玉米高产记录田最大密度仅为7.0万株·hm-2。因此，亟待研究优化我国的玉米种植密度。陕西关中平原地区，目前推广种植的杂交玉米品种众多，但很少考虑到不同品种适宜的种植密度可能存在较大差异。实际种植密度介于5.0×104～7.0×104株·hm-2之间，种植密度随意性大，对该地区夏玉米产量的提高造成制约[12]。另一方面，玉米属于高耗水粮食作物，面对农业节水的要求，如何提高玉米生产的水分利用效率也迫在眉睫。因此，本研究针对关中平原夏玉米种植现状，选择10个有代表性的夏玉米品种，研究其不同密度下的产量和水分利用，探讨品种和种植密度优化组合，为关中平原夏玉米节水高产提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验在西北农林科技大学斗口试验站进行。试验站地处关中平原中部(108°52′E，34°36′N)，海拔 427.4 m，属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，气候温和；全年平均温度 12.9℃，年降水量为 526 mm，夏秋季降水占年降水量的 50%～70%，无霜期 218 d，日照 2 095 h[13]。供试土壤类型为红油土，土壤容重1.38 g·cm-3。试验前茬作物为油菜，玉米生长季降雨量如表1所示。

表1 玉米生长期的降雨量

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以种植密度为主处理，玉米品种为副处理。试验品种包括郑单958(ZD958)、屯玉808(TY808)、先玉335(XY335)、先玉1266(XY1266)、浚单29(JD29)、陕单226(SD226)、陕单609(SD609)、延科288(YK288)、西农211(XN211)和华农138(HN138)共10个。密度设6.75×104、7.5×104和8.25×104株·hm-2共3个水平(分别简称低密度LD，中密度MD，高密度HD)，共30个处理，重复3次。小区面积为2.8 m×10 m，随机区组排列。

2015年6月21日人工点播玉米。行距均为60 cm，低、中、高密度下株距分别为24.7、22.2、20.2 cm。玉米生长期间于拔节期和抽雄期各灌水50 mm。施肥量N为348 kg·hm-2，P2O5为77 kg·hm-2，其中氮肥为尿素(N≥46.5%)，磷肥为普钙(P2O5≥16%)。磷肥一次性基施，氮肥基施20%，拔节期、抽雄期各追施40%。采用人工除草控制杂草。收获时间为2015年10月15日。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤水分 分别于玉米播种前、收获后，取土测定0～200 cm土层土壤含水率，每20 cm一层，采用烘干法测定土壤含水率。

1.3.2 作物耗水量 作物耗水量计算如下式：

TWC=P+I+ΔW+K

(1)

式中，TWC为作物生长期间的总耗水量(mm)；P为有效降水量(mm)；I为灌溉量(mm)；ΔW为2 m土层作物播前与收获时土壤储水量的差值(mm)；K为地下水补给量(mm)，由于试验区地下水在20 m以下[14]，忽略不计。

1.3.3 夏玉米产量及生物量 玉米成熟后每个处理小区随机收取20株玉米，脱粒称重测定产量。每个小区取6株，带回置烘箱中105℃杀青30min后，75℃烘至恒重，计算不同处理玉米地上部生物量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)由作物经济产量除以作物生长期总耗水量来确定：

WUE=Y/TWC

(2)

式中,Y为作物产量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

试验数据的方差分析和多重比较采用DPS统计分析软件完成，差异显著性检验采用Duncan法进行，绘图用OriginPro 9.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同品种夏玉米生物量对种植密度的响应

由表2可得，不同品种夏玉米随着种植密度增加群体干物质累积量变化不同。屯玉808、先玉335、先玉1266、陕单226和陕单609的生物量随密度的增加而增加，最高密度较最低密度生物量增幅分别为13%、20%、15%、13%和13%；郑单958、浚单29和延科288的生物量都随着密度的增加而先增大后减小，但郑单958和浚单29均在低密度生物量最低，中密度最高，中密度较低密度生物量增加31%和18%，而延科288在高密度生物量最低，中密度最高，中密度较高密度生物量增加9%；西农211和华农138的生物量随着密度的增加而先减少后增加，高密度较中密度高18%和15%。这表明种植密度对夏玉米的生物量有影响，适当增加种植密度能提高夏玉米生物量，但不同品种的夏玉米生物量对种植密度的响应存在差异。

2.2 不同品种夏玉米产量对种植密度的响应

不同品种玉米产量受密度水平的影响见表3。屯玉808、先玉335、先玉1266、陕单609和华农138五个品种产量受不同密度的影响呈现出相同的变化趋势：随着密度水平的升高，产量增加，高密度较低密度产量增幅依次为15.1%、13.5%、14.7%、17.5%和17.6%。郑单958、浚单29、陕单226和延科288四个品种产量随密度先增后减，中密度较低密度增产分别为17.8%、9.0%、9.7%和5.5%，而高密度较中密度分别减产3.9%、2.4%、1.1%和1.7%。表明种植密度对玉米产量有影响，但不同品种产量对种植密度的响应存在差异。适当提高种植密度能够提高玉米产量，但密度过高也会导致部分夏玉米品种产量降低。

表3还表明，在品种与密度组合的30个处理中，高密度屯玉808产量最高，高密度华农138和先玉1266产量次之，三者间无显著差异。中密度西农211产量最低，相较高密度屯玉808产量少22.7%，差异显著。郑单958作为目前种植面积最大的品种，低密度产量与中密度西农211产量无显著差异，且中密度产量与高密度屯玉808产量无显著差异，表明该品种达到适宜密度时能够取得高产。浚单29平均产量较高，仅次于屯玉808和先玉1266(表3)，而且产量随密度变化幅度小，表明该品种对种植密度适应力较强，在不同的密度水平下都能保持较高和较稳的产量水平。因此可见，在试验地区，以8.25×104株·hm-2密度水平种植屯玉808、华农138、先玉1266和陕单609，以7.5×104株·hm-2密度种植郑单958和浚单29可获得高产。

表2 不同品种与种植密度下夏玉米生物量

注：30个处理的数据标以不同小写字母表示在0.05水平下差异显著，下同。

Note: Values followed by different letters are significantly difference at the 0.05 probability level within 30 treatments,the same below.

表3 不同品种与种植密度下夏玉米的产量

2.3 不同品种夏玉米耗水量对种植密度的响应

由表4可得：不同品种夏玉米随着种植密度增加耗水量变化存在较大差异。郑单958、先玉335、浚单29和陕单609耗水量随密度的增加呈现先增加后减少的趋势:郑单958和浚单29的耗水量均在低密度最低，中密度最高，最高耗水量较最低分别增加5%和14%。而先玉335和陕单609的耗水量均在高密度最低，中密度最高，分别增加9%和7%。屯玉808和陕单226耗水量随密度的增加逐渐减少:高密度耗水量比低密度分别降低13%和1%。延科288、西农211和华农138耗水量随密度增加呈现先减小后增加的趋势：延科288和西农211的耗水量均在中密度最低，高密度最高，分别增加10%和4%；而华农138的耗水量在中密度最低，低密度最高，耗水量增加4%。先玉1266耗水量随密度增加耗水量逐渐增加，高密度耗水量比低密度高5%。由此可得，不同品种的夏玉米耗水量对种植密度的响应存在差异。

2.4 不同品种夏玉米水分利用效率对种植密度响应

由表5可得，屯玉808、先玉335、陕单609和华农138的水分利用效率随密度的增大而增大，高密度比低密度增加32.8%、20.8%、24.7%和19.1%；郑单958、陕单226和延科288的水分利用效率随密度的增大先增加后减小，中密度较低密度增加11.9%、9.5%和11.6%；先玉1266、浚单29和西农211的水分利用效率随密度的增大先减小后增加，水分利用效率最高值比最低值增加8.5%、4.5%和6.6%。表明密度变化会影响夏玉米水分利用效率，但不同品种夏玉米水分利用效率对种植密度的响应存在差异。

由表5还可得出，高密度屯玉808的水分利用效率最高，高密度陕单609和郑单958次之，三者无显著差异；低密度先玉335的水分利用效率最低，中密度的西农211和先玉335略有增大，但三者无显著差异；高密度屯玉808的水分利用效率较低密度先玉335高43.1%，差异显著。综上所述，在本试验条件下以8.25×104株·hm-2密度水平种植屯玉808、陕单609、华农138和先玉1266，以7.5×104株·hm-2密度种植郑单958水分利用效率最高。

表4 不同品种与种植密度下夏玉米的耗水量

表5 不同品种与种植密度下夏玉米水分利用效率

3 讨 论

3.1 品种与种植密度对夏玉米产量的影响

作物生产是一个种群过程，要实现高产取决于群体生产水平的提高，而提高密度能够增加玉米群体数量从而提高玉米产量[15-17]。本研究表明，密度因素对夏玉米产量有显著影响，玉米产量会先随着种植密度增加而提高,在最适密度时达到最高产量，然后产量会逐渐降低。这与薛珠政和Echarte等人研究结果相似[18-21]。可能原因在于光合作用是玉米干物质形成的基础，高效光合是获取高产的核心[22]。提高种植密度能显著增加群体的叶面积，有效增大光能截获率，群体的干物质积累量也随之增加，实现玉米群体产量提高。但是随着种植密度增加，地面透光率逐渐降低，减少下部叶片所获光照，从而降低了单株玉米整体的光合作用，导致单株生产效应下降，当单株生产效应对总产量的影响超过群体生产效应时，则群体产量下降[23-24]。

研究还表明不同品种的最适密度存在差异。在试验密度下，屯玉808、陕单609、先玉335和先玉1266的产量和生物量均随密度增大而增加，郑单958、浚单29和延科288的产量和生物量均随密度增加而先增加后减少，陕单226的生物量随密度增大而增加，产量则是先增大后减小。原因可能是玉米籽粒产量是由生育期内干物质及养分的积累、分配和转运特性所决定[25-27]，种植密度对干物质累积及转运有显著影响。而品种基因型的差异会使夏玉米耐密性产生区别，因此不同品种夏玉米产量和生物量对密度的响应存在差异。在本试验条件下，屯玉808、先玉335、先玉1266、陕单609和华农138的最适密度大于8.25×104株·hm-2，郑单958、浚单29、陕单226和延科288的最适密度在7.5×104株·hm-2。

3.2 品种与种植密度对夏玉米水分利用的影响

有研究表明，随密度的增加，玉米的耗水量逐渐增加[28-29]。但本试验中十个供试品种耗水量未完全呈现单调递增的规律，可能与密度的影响比较复杂有关：高密度群体会消耗更多的土壤水分，但也会提高玉米群体冠层结构，减少棵间蒸发，而不同品种玉米群体冠层结构变化也存在差异，因此最终表现为不同品种夏玉米耗水量对种植密度的响应存在差异[30-31]。供试品种在不同密度下的水分利用效率不同，除浚单29外，郑单958、屯玉808、先玉335、先玉1266、陕单226、陕单609、延科288、西农211和华农138九个试验品种的水分利用效率对密度的响应与产量一致，产量高的品种其水分利用效率也高。可能原因是种植密度的增加提高了群体冠层结构，冠层高效利用了光照所增加的水分蒸腾，将其更多的转化为产量，使得产量和水分利用效率均有所提高[32]。因此选择耐密型高产品种能够有效提高水分利用效率。

4 结 论

在关中平原，适当提高种植密度能够显著提高玉米产量及水分利用效率。产量越高的品种水分利用效率越高，因此选用耐密型高产品种是玉米实现节水高产的有效途径。在本试验条件下，以8.25×104株·hm-2密度水平种植屯玉808、华农138、先玉1266和陕单609，以7.5×104株·hm-2密度种植郑单958可同时获得产量和水分利用效率最高。