水氮耦合及种植密度对绿洲灌区玉米光合作用和干物质积累特征的调控效应

魏廷邦，柴强，王伟民，王军强



水氮耦合及种植密度对绿洲灌区玉米光合作用和干物质积累特征的调控效应

魏廷邦1，柴强2，王伟民1，王军强1

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

【目的】针对土壤水分、氮肥供应不足以及玉米早衰、种植密度不合理等严重制约绿洲灌区玉米的生产问题，通过研究不同水氮配比及种植密度对玉米光合作用、干物质积累特征和产量的影响，以期为该区玉米高产、稳产提供技术支撑。【方法】2016—2017年，于河西绿洲灌区进行大田试验，以先玉335为参试品种，采用裂裂区设计，灌水水平（W1：4 050 m3·hm-2，W2：3 720 m3·hm-2）做主区，施氮水平（不施氮N0：0，低施氮N1：300 kg·hm-2，高施氮N2：450 kg·hm-2）为裂区，种植密度（低密度D1：75 000株/hm2，中密度D2：97 500株/hm2，高密度D3：120 000 株/hm2）为裂裂区，测定光合速率、干物质积累量和产量等指标。【结果】施氮量、种植密度对玉米全生育期净光合速率、干物质最大增长速率及其出现天数、干物质积累量、产量、WUE和氮肥利用率有显著影响。水肥耦合可增强玉米密植条件下的光合作用，提高干物质最大增长速率，提前干物质最大增长速率出现的天数，增大干物质积累量和产量。在减量20%灌水和高施氮水平下，中密度处理的全生育期净光合速率较低密度和高密度分别提高17.31%和11.43%；高密度和中密度处理的干物质最大增长速率及最大增长速率出现天数较低密度处理分别提高21.07%、7.52%和提前6.7 d、4.1 d；高密度处理的干物质积累量较中密度、低密度分别提高4.27%和10.59%，中密度处理的产量、水分利用效率和氮肥利用率较低密度、高密度处理分别提高24.2%、11.4%、29.9%和29.2%、18.4%、13.8%。在减量20%灌水条件下，中密度高施氮处理的全生育期净光合速率、干物质积累量和产量分别较中施氮、不施氮分别提高7.34%、11.63%、14.63%和49.54%、44.53%、69.03%；高密度高施氮处理的干物质最大增长速率及最大增长速率出现天数较中施氮、不施氮分别提高19.07%、54.35%和提前3.9 d、6.8 d；同等密度高施氮处理的氮肥利用率较低施氮处理提高24.5%。综上，减量20%灌水与高施氮耦合主要通过提高密植玉米的光合作用和干物质积累速率，延长干物质积累的持续时间，提高WUE和氮肥利用率，从而对干物质积累量和产量产生调控作用。【结论】在绿洲灌区，采用水肥耦合（生育期减量20%灌水（3 720 m3·hm-2）、施氮量450 kg·hm-2、中密度97 500株/hm2）的最优栽培模式，可为进一步发掘密植条件下玉米高产、高效栽培提供技术指导。

水氮耦合；种植密度；绿洲灌区；光合作用；干物质积累特征

0 引言

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2016年4月至2017年10月，在甘肃省武威市凉州区黄羊镇绿洲农业试验站进行。试验站位于河西走廊东端（37°95′ N，102°63′ E），平均海拨1 506 m，年平均气温约7.2℃，年平均降水量约156 mm，年平均蒸发量约2 400 mm，年降水分布不均，主要集中在5—9月份。试验区以厚层灌漠土为主，容重1.61 g·cm-3，0—30 cm土层全氮0.59 g·kg-1、全磷1.48 g·kg-1、有机质14.67 g·kg-1。玉米为该区主栽作物，种植密度为7.5×104株/hm2，显著低于高产农田水平。2016—2017年度试验区3—9月降水量及日平均温度变化如图1所示。

1.2 试验材料

选用密植性品种先玉335为供试材料。2016年4月20日播种，9月22日收获，2017年4月23日播种，9月26日收获。氮肥施用（N 46.6%）尿素，磷肥施用（P2O514%）过磷酸钙，覆膜采用武威市泽瑞嘉农资有限责任公司生产的农用透明地膜（宽140 cm、厚0.08 mm）。

1.3 试验设计

本研究采用裂裂区设计，以灌水水平做主区，施氮水平为裂区，种植密度为裂裂区。设置常规灌水（W1，4 050 m3·hm-2），生育期灌水减量20%（W2，3 720 m3·hm-2）2种灌水水平；设置0（N0，对照）、300 kg·hm-2（N1）和450 kg·hm-2（N2）3种施氮水平；设置低密度（D1，75 000株/hm2），中密度（D2，97 500株/hm2），高密度（D3，120 000株/hm2）3种种植密度。试验共设置18个处理，每个处理3次重复，各小区随机排列，小区面积为40 m2（5 m×8 m）。

玉米覆膜平作，等行距种植，行距40 cm，通过株距来调控种植密度，D1、D2、D3株距分别为33、26、21 cm。氮肥施用尿素（N 46.6%），按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌浆期追肥= 3﹕6﹕1分施，磷肥基施过磷酸钙（P2O514%）225 kg·hm-2，小区间筑埂，以防串水漏肥。W1、W2冬储灌量均为1 200 m3·hm-2，其中常规灌水（W1）生育期灌水量总计4 050 m3·hm-2，按拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期、灌浆期分别灌水900、750、900、750、750 m3·hm-2；生育期灌水减量20%（W2）灌水量总计3 720 m3·hm-2，按拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期、灌浆期分别灌水720、750、900、750、600 m3·hm-2。所有处理均为膜下滴灌，采用精确度为0.001 m3的水表（宁波市佳佳美水表有限公司生产）控制灌水量。

图1 2016—2017年试验区3—9月降水量及日平均温度变化

1.4 测定项目与方法

1.4.1 净光合速率（n） 使用Li-6400型光合测定仪（美国Li-Cor公司生产），玉米拔节以后，在各小区中间位置随机选取3株玉米，每隔15 d，选择晴朗天气，于上午9：00—11：30进行测定，结果取平均值[21]。

1.4.2 干物质积累量 玉米出苗以后，在每小区中间部位每隔15 d随机选取玉米5株（苗期选取10株），分器官称鲜重后，于105℃下杀青15—30 min，80℃下烘干至恒重，计算干物质积累量[25]。

丁主任顿了半响，扶起甲洛洛：张大爷，虽然你拿了营业部的东西，但你也是为了救人，将功赎罪，应该不会被判刑。嘎绒有些疑惑地看着丁主任：主任，我们私了不行吗？报案对谁都没什么好处。西西一下坐直了身子，看看嘎绒，又看看丁主任：如果可以，营业部丢失的东西我们一起赔。梨花赶紧擦干眼泪：我所有的工资都可以抵账。

植株总干物质积累量=成熟期单株总干重×成熟期实收株数

采用Logistic方程y = k/(1+ea – rt)拟合玉米生育期 干物质积累过程，并对Logistic方程求一阶、二阶导数，可得生育期干物质积累速率、各生育阶段干物质积累速率以及积累速率持续天数[25]。

1.4.3 水分利用效率（water use efficiency，WUE） WUE = Y/ET。式中，Y 为作物籽粒产量，ET为作物全生育期内总耗水量[23]。

1.4.4氮肥利用率（nitrogen fertilizer use rate，NUR） NUR（%）＝（施氮区地上部吸氮量-空白区地上部吸氮量）/施氮量×100%。

1.4.5 产量 玉米完全成熟后，收获每小区玉米计产量。另在小区中间部位连续取20株玉米，风干后考种，测定穗行数、行粒数、千粒重等产量性状。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 17.0软件进行数据整理、方差分析、相关分析、回归分析以及拟合回归方程。

2 结果

2.1 不同处理对玉米光合作用的影响

灌水量、施氮量和种植密度对玉米净光合速率影响显著（＜0.05），种植密度与施氮量对玉米净光合速率的互作效应影响显著（＜0.05），但灌水量与种植密度间的互作效应影响不显著（＞0.05）。

通过2年平均净光合速率结果比较（图2），在相同灌水和施氮水平下，中密度处理的净光合速率优于低密度和高密度处理，W1N2D2处理的全生育期净光合速率分别较W1N2D1、W1N2D3提高13.46%和22.06%，W1N1D2处理分别较W1N1D1、W1N1D3处理提高14.47%和15.33%；W2N2D2处理分别较W2N2D1、W2N2D3处理提高17.31%和11.43%，W2N1D2处理分别较W2N1D1、W2N1D3处理提高18.59%和9.91%。

图2 不同处理玉米净光合速率动态

在相同灌水和种植密度下，W1N2D3处理全生育期净光合速率分别较W1N1D3、W1N0D3提高10.75%和55.68%，W1N2D2处理分别较W1N1D2、W1N0D2处理提高17.21%和57.59%，W1N2D1处理分别较W1N1D1、W1N0D1处理提高18.24%和45.76%；W2N2D3处理分别较W2N1D3、W2N0D3处理提高8.52%和47.29%，W2N2D2处理分别较W2N1D2、W2N0D2处理提高7.34%和49.54%。说明在玉米生育期减量20%灌水条件下，增大氮肥用量可显著提高密植玉米生育期叶片的净光合速率，为有机物的积累和转运奠定基础。

2.2 不同处理对玉米群体干物质积累特征的影响

2.2.1 不同处理玉米群体干物质积累动态 施氮量和种植密度对玉米收获期干物质积累量影响显著（＜0.05），种植密度和灌水量间、种植密度和施氮量间、灌水量和施氮量间对玉米收获期干物质积累量互作效应显著（＜0.05），但灌水量、施氮量和种植密度三因素间互作效应不显著（＞0.05）。

收获期2年平均干物质积累量比较（图3），在相同灌水和施氮水平下，高密度处理干物质积累量优于中密度和低密度处理，其中W1N2D3处理干物质积累量较W1N2D2、W1N2D1处理分别提高5.78%和14.11%，W1N1D3处理较W1N1D2、W1N1D1处理分别提高9.34%和14.21%；W2N2D3处理较W2N2D2、W2N2D1处理分别提高4.27%和10.59%，W2N1D3处理较W2N1D2、W2N1D1处理分别提高12.57%和26.81%。

在相同灌水和种植密度下，高施氮处理的干物质积累量优于低施氮和不施氮处理，W1N2D3处理干物质积累量较W1N1D3、W1N0D3处理分别提高2.06%和21.33%，W1N2D2处理较W1N1D2、W1N0D2处理分别提高4.84%和31.55%，W2N2D3处理较W2N0D3处理提高31.23%，W2N2D2处理较W2N1D2、W2N0D2处理分别提高11.63%和44.53%。各处理中，以减量灌水、高氮和中密度处理的玉米干物质积累量最高，说明减量灌水模式下，增大氮肥用量有助于提高密植玉米生育期的干物质积累量，为收获期玉米增产奠定基础。

2.2.2 不同处理玉米群体干物质积累速率变化 2年平均干物质积累速率（图4）表明，不同灌水处理的干物质积累速率在拔节期至开花期差异不显著，在开花期至成熟期，平均干物质积累速率随着施氮量的增加而显著增加，高密度和中密度处理的干物质积累速率与低密度相比较差异显著。

根据玉米干物质积累规律，可将干物质积累过程分为渐增期、快增期和缓增期3个时期。如表1所示，不同灌水处理比较，干物质积累速率在渐增期和快增期持续时间均无显著差异（＞0.05），不同施氮水平间比较，高施氮和中施氮处理的快增期和缓增期平均干物质积累速率差异显著（＜0.05），不同种植密度间比较，高密度和中密度处理的快增期和缓增期干物质积累速率差异显著（＜0.05）。

快增期，在相同灌水和施氮水平下，W1N2D3、W1N2D2处理的2年干物质积累速率分别较W1N2D1处理提高14.95%和5.25%，W2N2D3、W2N2D2处理分别较W2N2D1处理提高21.06%和7.52%。在相同灌水和种植密度下，W2N2D3处理较W2N1D3、W2N0D3处理分别提高19.07%和54.35%。缓增期，在相同灌水和施氮水平下，W1N2D3处理的干物质积累速率较W1N2D1处理提高10.69%，但W1N2D3处理与W1N2D2差异不显著，W2N2D3、W2N2D2处理分别较W2N2D1处理提高30.83%和20.53%。在相同灌水和种植密度下，W2N2D3处理较W2N0D3处理提高20.77%。纵观整个玉米干物质积累时期，减量20%灌水与高施氮耦合能够显著增大密植玉米快增期和缓增期的干物质积累速率，可提高并保持生育后期较高的干物质积累速率，为产量的形成奠定基础。

2.2.3 Logistic方程拟合不同处理玉米干物质最大增长速率及其出现的天数 不同处理干物质积累速率Logistic方程及干物质最大增长速率出现的天数计算参考魏廷邦等[25]方法。如表2所示，灌水量、施氮量和种植密度对玉米干物质最大增长速率出现的天数影响显著（＜0.05），灌水量与施氮量、施氮量与种植密度间对玉米干物质最大增长速率的互作效应显著（＜0.05），但灌水量、施氮量和种植密度三因素间的互作效应不显著（＞0.05）。

从2年平均结果看，在相同灌水和施氮水平下，W1N2D3、W1N2D2处理的干物质最大增长速率分别较W1N2D1提高20.42%和5.25%，W1N2D3处理的干物质最大增长速率出现天数较W1N2D1提前3.3 d，W2N2D3、W2N2D2处理的干物质最大增长速率分别较W2N2D1提高21.07%和7.52%，W2N2D3、W2N2D2处理的干物质最大增长速率出现天数分别较W2N2D1提前6.7 d和4.1 d。在相同灌水和种植密度下，W2N2D3处理干物质最大增长速率分别较W2N1D3、W2N0D3提高19.07%和54.35%，W2N2D3处理的干物质最大增长速率出现天数分别较W2N1D3、W2N0D3提前3.9 d和6.8 d。说明减量20%灌水与高施氮耦合能够显著增大中密度处理的干物质积累速率，维持生育后期干物质积累高峰期，增大干物质积累量。

图3 不同处理玉米干物质积累量动态

表1 不同处理玉米干物质积累阶段特征

同一列数字后的不同小写字母表示在0.05 水平上差异显著。下同

Values followed by different letters within a column are significantly different at＜0.05. The same as below

图4 不同处理玉米干物质积累速率动态

表2 不同处理玉米干物质积累速率的Logistic 方程回归分析

NS和*分别表示无显著差异及在0.05水平上差异显著 NS, * indicate non-significant or significant at＜0.05

2.3 水氮耦合条件下不同种植密度玉米的产量、水分利用效率及氮肥利用率的综合表现

如表3所示，施氮量和种植密度对玉米产量、水分利用效率和氮肥利用率影响显著（＜0.05），但灌水水平对产量影响不显著（>0.05）。灌水水平与施氮水平、施氮水平与种植密度对产量、水分利用效率和氮肥利用率互作效应显著（＜0.05），灌水水平、施氮水平和种植密度对产量、水分利用效率和氮肥利用率互作效应显著（＜0.05）。

2年平均产量表明，在相同灌水和施氮水平下，玉米产量随着种植密度的增加表现出先增加后下降的变化趋势。在各处理中，中密度处理的产量显著优于其他处理，W1N2D2处理较W1N2D1处理提高4.52%，但与W1N2D3处理差异不显著；W2N2D2处理较W2N2D1、W2N2D3处理分别提高24.2%和29.2%，W2N1D2处理较W2N1D1、W2N1D3分别提高19.6%和3.2%。W2N2D2处理的水分利用效率较W2N2D1、W2N2D3处理分别提高11.4%、18.4%，W2N2D2处理的氮肥利用率较W2N2D1、W2N2D3处理分别提高29.9%、13.8%。

在常规灌水和相同密度下，高施氮处理的产量优于低施氮和不施氮处理，W1N2D3处理较W1N1D3、W1N0D3处理分别提高2.34%和45.1%，W1N2D2处理较W1N1D2、W1N0D2分别提高6.88%和45.45%；在减量20%灌水和相同密度下，W2N2D2处理产量显著高于其他处理，分别较W2N1D2、W2N0D2提高14.63%和69.03%，W2N2D1处理较W2N1D1、W2N0D1处理分别提高10.39%和40.27%。W2N2D2处理的水分利用效率较分别较W2N1D2、W2N0D2处理提高4.3%、43.9%，W2N2D2处理的氮肥利用率较W2N1D2处理提高24.5%。由此说明，合理的氮肥用量与生育期减量灌水耦合有助于玉米根系对水、肥等营养物质的吸收和利用，促进中密度下玉米的生长和发育，显著提高密植玉米的水分利用效率和氮肥利用率，最终实现增产。

2.4 水氮耦合条件下不同密度玉米主要指标间的相关性分析

在玉米密植条件下，水肥耦合通过直接调控玉米生育期内的光合速率和干物质积累速率，从而优化玉米的干物质积累量、水分利用效率，最终通过各指标的综合效应来影响产量。光合速率、干物质积累量、干物质积累最大增长速率和水分利用效率（WUE）与籽粒产量之间的相关关系如表4所示。

籽粒产量与光合速率（0.855**）、干物质积累最大增长速率（0.669**）和水分利用效率（0.898**）呈极显著正相关，与干物质积累量（0.178*）呈显著正相关。说明水氮耦合通过调控密植玉米生育期的光合作用和干物质积累最大增长速率，直接影响密植玉米的干物质积累量和水分利用效率，促进光合产物的积累，为生育后期光合产物向籽粒中转移及粒重的增加奠定基础。

光合速率与干物质积累最大增长速率（0.647**）、水分利用效率（0.919**）均呈现极显著正相关，说明水氮耦合通过影响密植玉米生育期的光合作用，直接调控玉米生育期的干物质积累速率，从而提高密植玉米的水分利用效率和产量。

3 讨论

3.1 水氮耦合及种植密度与玉米光合特性、干物质积累特征的关系

研究表明，光合作用是农作物生物产量形成的物质基础，其功能效率的高低直接影响籽粒产量的高低[27]。在作物的各生育时期，通过膜下滴灌、水肥一体化、交替灌溉、增施氮肥以及增加种植密度等一系列农艺措施优化作物的光合特性和干物质积累过程是获得高产的重要方式之一[28-29]。灌水量、施氮量和种植密度对作物光合产物的影响是多方面的。曹倩等[30]、张银锁等[31]研究发现，水分胁迫下作物的光合速率及干物质积累量显著降低，但及时增加灌溉量能够显著提高夏玉米的光合速率、产量及WUE。魏廷邦等[25]研究发现，在灌水量和施氮总量不变的情况下，玉米拔节期氮肥后移20%（拔节肥10%+花粒肥30%）可延长拔节期至灌浆期玉米干物质积累持续期，利于提高产量和收获指数。马国胜等[19]研究发现，种植密度能够显著影响玉米生育期内叶片的光合速率和干物质积累速率，在低密度条件下，干物质积累速率随种植密度的增加而显著增大，但当种植密度增大到一定峰值后，干物质积累增长速度呈下降趋势。本研究结果表明，通过玉米关键生育时期减量20%灌水与高施氮耦合能够显著增大密植玉米光合作用、干物质最大增长速率和干物质积累量。在生育期减量20%灌水和高施氮条件下，中密度处理的全生育期净光合速率较低密度和高密度处理分别提高17.31%和11.43%，高密度和中密度处理的干物质最大增长速率较低密度处理分别提高21.07%和7.52%，高密度处理的干物质积累量较中密度、低密度处理分别提高4.27%和10.59%，且光合速率（0.855**）与籽粒产量呈显著正相关关系。在正常生长条件下，生育期限量供水对玉米光合特性和干物质积累特征的影响大于施用氮肥的作用，但通过种植密度的改变能够调控玉米各生育时期的光合作用和干物质积累特征，恰当比例的水肥互作能够显著促进密植玉米生育期地上部分的生长，利于光合产物的积累，为生育后期增加粒重奠定基础。

表3 不同处理玉米的产量、水分利用效率及氮肥利用率

表4 水氮耦合条件下不同密度玉米主要指标间的相关分析

**表示在0.01水平上差异显著** indicates significant at＜0.01

本研究还发现，在减量20%灌水条件下，中密度高施氮处理的玉米全生育期净光合速率较中施氮、不施氮处理分别提高7.34%和49.54%，高密度高施氮处理的干物质最大增长速率及其出现天数分别较中施氮、不施氮处理提高19.07%、54.35%和提前3.9 d和6.8 d，中密度高施氮处理的干物质积累量较中施氮、不施氮处理分别提高11.63%和44.53%。说明生育期减量20%灌水与高施氮水平的组合为最优水肥耦合模式，生育期适量减少灌水量的条件下，增施氮肥可显著提高密植玉米生育后期叶片的光合能力，保持生育后期较高的干物质积累速率，增大干物质积累量和玉米产量，对提高密植作物的抗旱性及产量具有积极意义。水氮配施可显著提高密植玉米的光合生理活性，其主要原因是水分对生育期叶片的生理活性具有重要影响，适量增加灌水使得玉米生育前期穗位叶的光合速率、蒸腾速率显著增大，可有效延缓穗位叶叶绿素值降低的幅度，水分供应不足时，及时追施氮肥可显著增大叶片的SPAD值和气孔导度，增强生育期的净光合速率，显著促进光合产物积累和转移[32-33]。另有学者研究认为，适量增施氮肥可显著改善定量灌水条件下叶片中叶肉细胞的生理活性，有利于增加叶片中RuBP羧化酶活性，提高水分亏缺条件下叶片抗氧化酶和保护酶系的活性与含量[34]，减缓叶片中SPAD值的降低幅度，延长生育后期叶片光合生理功能的持续期[35]，协调根系与水、肥间的关系，提高其对干旱环境的适应能力，增大生育期干物质积累速率，使得籽粒“库”对有机物质的竞争能力增强，提高成熟期干物质积累量和粒重[36-37]。

3.2 水氮耦合及种植密度对玉米产量、水分利用效率及氮肥利用率的影响

作物的产量除了主要受到遗传因子的影响外，还受到生态环境、栽培措施、气候条件和种植密度等方面的影响。长期以来，相关领域的研究大多侧重对密度、灌水量或施肥量单个因子对玉米产量的影响，而对关于水氮耦合效应对玉米生长特性及产量性能的调控作用研究较少。在众多农艺措施中，灌水、施肥和种植密度对农作物产量和品质的影响最为突出，在恰当的水肥耦合模式下，通过增加种植密度是提高农作物光合生理特性、干物质积累特征、产量及水肥利用效率的关键措施之一[38]。研究表明，在常规灌水和定量施肥条件下，增大玉米种植密度可显著增加单位面积的有效穗数，但随着密度的增加，穗粒数和千粒重呈先增加后减小的趋势[39-40]，当种植密度为8.25万株/hm2时获得最高产量[41]。不同的水氮配施比例对玉米籽粒产量的调控存在互补效应，玉米关键生育时期供水量的不足一定程度上会导致产量和WUE的降低，及时追施氮肥可补偿因水分亏缺导致的产量降低。在一定施氮范围内，施氮量与产量呈显著正相关，合理施氮可促进玉米生育后期营养器官中有机物的合成及防止叶片早衰，保证碳氮代谢的顺利进行，提高作物的WUE和氮肥利用率，有利于作物增产[42-43]。有学者研究发现，氮肥施用过量时会导致有机物水解，叶片光合能力降低，植株倒伏严重，产量及氮肥利用率显著降低；当氮肥施用量较少时，仅补充灌水，增产潜力无法充分发挥；当灌水量严重不足时，增施氮肥小麦收获期产量和WUE急剧下降；当水分轻度亏缺时，及时施肥有利于增大群体叶面积指数，提高水分利用效率和氮肥利用率；当水氮合理配施时，小麦干物质积累量显著增加，增产效果显著[44-45]。另有研究表明，施肥时期对玉米生育期植株干物质生产影响较大，在定量灌水条件下，追施拔节肥可促进生育前期干物质积累，追施穗肥可提高玉米生育后期干物质积累速率和籽粒灌浆速率，利于光合产物向籽粒中转移，提高粒重[46]。

本研究发现，在生育期减量20%灌水和高施氮条件下，中密度处理的2年平均产量较低密度、高密度处理分别提高24.2%和29.2%，中密度处理的水分利用效率较低密度、高密度分别提高11.4%、18.4%，中密度处理的氮肥利用率较低密度、高密度分别提高29.9%、13.8%；在中密度条件下，高施氮处理的产量较低施氮、不施氮处理分别提高14.63%和69.03%，高施氮处理的水分利用效率分别较低施氮、不施氮分别提高4.3%、43.9%，高施氮处理的氮肥利用率较低施氮提高24.5%。结果说明，水氮协调供应可同步提高密植玉米水氮需求与供给之间的时空吻合度，在中密度水平下，采用生育期减量20%灌水与高施氮的最优耦合模式能够显著提高玉米的WUE和氮肥利用率，获得高产。但种植密度较大时，水氮耦合对密植玉米产量的作用机理不显著，其主要原因是种植密度过大，导致个体植株对光、水、肥的竞争加剧，严重影响群体冠层的透光率和群体结构，使得玉米生育后期穗位叶净光合速率、叶绿素含量大幅度下降，同时过量的水肥供给，使得玉米营养生长过快，导致茎秆细长而软弱，生育后期遇到风雨天气容易发生根倒、茎倒、茎折断等倒伏情况，易造成严重减产。因此，在生育期减量20%灌水条件下，通过高施氮与中密度处理的最优组合模式，能够改善玉米群体植株内的生理和生态特性，同步协调提高玉米密植条件下的光合速率和干物质积累速率，改善密植玉米生长对土壤有效水分和养分的需求，解决传统灌溉模式下玉米生长后期遇到雨水易倒伏的难题，为提高玉米稳产性奠定基础。

4 结论

生育期减量20%灌水与高施氮耦合可显著增大密植玉米生育期的净光合速率，提高干物质最大增长速率，提前干物质最大增长速率出现的天数，提高水分利用效率和氮肥利用率，优化干物质积累特征，最终实现玉米高产。因此，在河西绿洲灌区，采用生育期减量20%灌水（3 720 m3·hm-2）、施氮量450 kg·hm-2、中密度97 500株/hm2组合的最优栽培模式，可为发掘该区密植条件下玉米高产、高效栽培提供技术指导。

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effects of coupling of irrigation and nitrogen application as well as planting density on photosynthesis and dry matter accumulation characteristics of maize in oasis irrigated areas

WEI Tingbang1, CHAI Qiang2, Wang WeiMin1, wang JunQiang1

(1Academy of Agri-engineering and Technology, wuwei 733006, Gansu;2Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070)

【Objective】 In oasis irrigation agricultural region, some problems has caused serious influenced of maize production, such as soil available water and nitrogen hunger, premature senescence and unreasonable planting density. To provide technical support for high and stable maize yield, the effects of different ratio of application irrigation and nitrogen and planting density on photosynthesis, dry matter accumulation characteristics and maize yield were studied. 【Method】 Photosynthetic ability, dry matter accumulation characteristics and yield were determined under two-years field experiment, which was carried out in Hexi Oasis irrigation region of Gansu province from 2016 to 2017. In this research, the cultivar “Xianyu335” was applied as research material. A split-split plot design was used as this experiment, with two irrigation application amount treatments (namely 4 050 m3·hm-2(W1) and 3 720 m3·hm-2(W2)) as the main plot, three nitrogen application amount treatments (namely 0 (N0), 300 kg·hm-2(N1) and 450 kg·hm-2(N2)) as the split plot, and three plant densities (namely 7.5×104plant/hm2(D1), 9.75×104plant/hm2(D2) and 1.2×105plant/hm2(D3)) as the split-split plot. 【Result】Nitrogen fertilizer application and planting density had significant influence on photosynthetic rate, maximum dry matter accumulation rate, emergence days of maximum dry matter accumulation rate, dry matter accumulation amount, grain yield, water use efficiency and nitrogen fertilizer use rate in growth stages of maize. The coupling of irrigation and nitrogen fertilizer management increased photosynthesis, the highest dry matter accumulation rate and advanced the days of emergence of the highest dry matter accumulation rate, and enhanced dry matter accumulation amount and grain yield in growth stages of maize. Under the reduced 20% irrigation and the level of higher nitrogen application in growth stages of maize, compared with the low planting density and high planting density treatments, the photosynthetic rate under the medium planting density treatment was increased by 17.31% and 11.43%,respectively. While, compared with the low planting density treatment, the maximum dry matter accumulation rate and days of emergence of the highest dry matter accumulation rate under the treatment with the high planting density and medium planting density was increased by 21.07% and 7.52%, respectively, and advanced by 6.7, 4.1 days, respectively, meanwhile, the dry matter accumulation of the high planting density treatment was increased by 4.27% and 10.59%, respectively; compared with the low planting density treatment and the high planting density treatment, the grain yield, water use efficiency and nitrogen fertilizer use rate of maize with the medium planting density treatment was increased by 24.2%, 11.4%, 29.9% and 29.2%, 18.4%, 13.8%, respectively. Under the reduced 20% irrigation and same planting density treatment in growth stages of maize, compared with medium nitrogen application treatment and no nitrogen application treatment, the photosynthetic rate, the dry matter accumulation and grain yield of maize under the treatment with high nitrogen application treatment was increased by 7.34%, 11.63%, 14.63% and 49.54%, 44.53%, 69.03%, under the medium planting density treatment,respectively; compared with medium nitrogen application treatment and no nitrogen application treatment, the maximum dry matter accumulation rate and days of emergence of the highest dry matter accumulation rate of maize with the high nitrogen application treatment was increased by 19.07% and 54.35% and advanced by 3.9 and 6.8 days under the high planting density treatment, respectively.Compared with no nitrogen application treatment, nitrogen fertilizer use rate of maize with the high nitrogen application treatment was increased by 24.50%. The facts showed that the coupling of reduced 20% irrigation and high nitrogen application had regulated dry matter accumulation, grain yield with the improvement of photosynthesis, dry matter accumulation rate, water use efficiency, nitrogen fertilizer use rate and extending the duration of dry matter accumulation. 【Conclusion】 The treatment with application coupling of irrigation and nitrogen (i.e. reduced 20% irrigation amount during growth 3 720 m3·hm-2(W2) and N application with 450 kg·hm-2at growth stage and medium density of 9.75×104plant/hm2at growth stage of maize) could be considered as the best feasible cultivation pattern management, which could provide technical guidance for further exploring high yield and efficient cultivation of close planting maize in Oasis irrigation region.

coupling of irrigation and nitrogen application; planting density; oasis irrigation region; photosynthesis; dry matter accumulation characteristics

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.03.004

2018-07-05；

2018-12-28

国家公益性行业（农业）科研专项（201503125-3）、国家科技支撑计划子课题（2015BAD22B04-03）、国家自然科学基金（3156020171，41867013）

魏廷邦，E-mail：weitingbang@163.com。通信作者柴强，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）