水氮耦合及种植密度对垄膜沟灌制种玉米产量和种子活力的调控效应

连彩云，马忠明

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州730070；2.甘肃省农业科学院，兰州730070）

0 引 言

长期以来，西北内陆河区过度垦荒和对水资源的无序开发导致水土资源和生态环境恶化，但日照时间长，昼夜温差大，是我国高品质农产品集中的优势区域，是全国最大的玉米杂交制种基地，该区农业生产“非灌不殖”，农业用水占总用水量的90%以上，水资源匮乏是该区农业生产的关键限制因素，应用节水新技术是有效提高水资源利用率的重要途径。垄膜沟灌具有增产、节水、节肥和增温效益，是本区广泛应用的节水模式之一。然而通过调查显示，灌水和施肥严重过量和不合理的问题长期存在在制种玉米生产过程中，作物水肥利用率不高，一定程度上限制了制种玉米种子产量和质量的提升。水分和营养是影响农业生产的两个主要胁迫因子，水肥供应协调对提高作物产量及利用价值具有重要的意义。大量研究表明，作物产量的形成与土壤水分、养分的协调供应密切相关[1-4]。另一方面，在节水条件下种植密度的改变可有效改善作物对水、肥资源的利用状况，依靠群体发挥增产潜力[5]。目前，国内外学者就水肥耦合或种植密度对作物的影响开展了较多的研究[6-10]，但这些研究缺少针对水肥耦合与种植密度三者的交互作用对作物的影响进行研究，尤其对节水条件下这三因素对制种玉米种子活力的组合影响鲜为报道。因此，本研究以制种玉米为研究对象，对垄膜沟灌条件下水、氮、种植密度3个因素对制种玉米产量和种子活力的影响进行研究，以期探索到垄膜沟灌条件下提高制种玉米产量及种子活力的最佳的水氮密度耦合模式，为垄膜沟灌制种玉米水肥高效利用、提高玉米产量和种子活力等提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016-2017年在甘肃省农业科学院张掖节水试验站进行。试验站位于100°26′E，38°56′N，平均海拔1 570 m，多年平均降水量129 mm，蒸发量2 048 mm，年平均日照时数3 085 h，年均气温7 ℃，≥0 ℃积温3 388 ℃，≥10 ℃积温1 963.4～4 032.3 ℃，光热资源丰富。其气候特征和农作制度具有典型的西北内陆河灌溉区的特征。试验区土壤速效氮为128.8 mg/kg，速效磷为19.3 mg/kg，速效钾为148.0 mg/kg，有机质为18.1 g/kg，pH值为8.6。图1所示为试验周期内气象状况。

图1 试验区2016年和2017年日平均气温与旬降雨量Fig.1 Dekad precipitation and average temperature in 2016 and 2017

1.2 试验材料

供试玉米品种为“先玉335”，供试肥料为氮肥为尿素（纯N 46%），磷肥为磷酸二铵（P2O546%，纯N18%）。

1.3 试验设计

试验采用3 因素3 水平的正交试验方法（表1），共9 个处理，小区面积48 m2（6 m×8 m），每个处理3 次重复。试验设计如表1所示。

表1 正交试验设计表（L9(34)）Tab.1 Orthogonal test design table（L9(34)）

全部磷肥、20%氮肥基施，其余10%、30%和40%氮肥分别于拔节期、大喇叭口期和吐丝期追施。制种玉米采用等行距起垄覆膜种植，垄面上种植2 行母本，1 行父本，母本行距50 cm，父本种在两行母本中间，株距50 cm，种植方式为满天星。全生育期灌水4 次，灌水定额分别占灌溉量的20%、30%、30%和20%，于拔节期，大喇叭口期，抽雄后，灌浆期进行灌溉。

1.4 样品采集与指标测定

1.4.1 土壤样品的采集

在母本播种前、拔节期、大喇叭口期、灌浆中期、成熟期用烘干法测定0～100 cm土壤水分。

1.4.2 种子活力参数测定

每个处理选取无破损风干种子200 粒，用1.0%次氯酸钠消毒，用去离子水冲洗至无味，在培养皿中放入经121 ℃下灭菌后的发芽纸，每个培养皿中放入50 粒经处理过的种子，然后放入25 ℃恒温培养箱中。逐日统计正常发芽的种子数，7 d后将幼苗取出，称量单株幼苗鲜重，计算发芽指数及活力指数。3 d后统计发芽势，7 d后统计发芽率。

1.5 指标计算公式

式中：I为该时段内的灌溉量；P为该时段内的降水量；ΔSW为土壤含水量变化量，用土壤水分计算。因土地平整，地下水位在200 m 以下，所以忽略表面径流量、侧向渗漏量和土壤渗漏量。

水分利用效率(WUE)：

式中：Y为作物籽粒产量，kg；ET为作物生育期耗水量，mm。

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2007和SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对制种玉米产量及水分利用效率影响

由表2可知，种植密度和水肥互作对产量和水分利用效率影响显著，同一水肥处理下产量随种植密度的增加而增加，适当提高种植密度能提高玉米产量和水分利用效率，种植密度是影响产量的主要因子。随种植密度增加，不同水肥处理下产量的变化趋势和幅度存在显著差异，不论在低灌溉量、中灌溉量和高灌溉量下，高密度产量和水分利用效率均显著高于低密度处理。W2N3D16 处理下产量（10 697.78 kg/hm2）显著高于其他处理，差异达显著水平，较其他处理分别高26.53%、 39.89%、 49.63%、 21.07%、 26.69%、 40.00%、7.15%、54.72%；水分利用效率高1.49～8.67个百分点。

2.2 不同处理对制种玉米产量构成因素的影响

通过直接分析各因素水平互作对平均产量、穗粒数和千粒重可知（表3），当灌溉量为W2时，产量最高，分别比W1、W3 增产14%、15%；当施氮量为N2 时，产量较N1、N3 分别高0.5%、5.3%；当密度为D16 时，较其他两处理产量分别高28.8%、29.7%。这是由于种植密度的增加而使群体产量增加。又因为垄膜沟灌改变了田间的微地形，使土壤曲表面积增大，增加了通风透光，为作物的生长发育创造良好的环境。因此，由直接分析结果可知，最佳因素水平组合为W2N2D16，即当灌溉量为4 800 m3/hm2，施氮量为240 kg/hm2，种植密度为12.5 万株/hm2时，产量达最高水平。

表3 不同处理下产量及产量构成因素Tab.3 Effects of different treatments on yield and yield component

2.3 极差分析

由直观分析和极差大小可以看出（表4 和表5），3 种因素及其因素水平对制种玉米产量及产量构成因素的影响是不同的：灌溉量因素中，W2 水平效果较好，出现了较好的拐点，灌溉量较低或灌溉量增大，产量都会有所下降，这可能是因为灌溉量过大，会使植株增长过快，而影响了个体的穗粒重及穗粒数的生长，群体内的双穗率降低，致使子粒产量出现降低的现象；从施氮量看，N2 水平效果较好，但三者相差不大；从种植密度看，高密度产量明显高于低密度处理，这是由于种植密度的增加而使群体产量增加。

表4 不同处理对产量的显著性检验Tab.4 Significance testing of different treatments on yield

表5 各因素水平下产量、穗粒数和千粒重平均值Table 5 Average yield，grain number per ear and 1000-grain weight under various factors

在灌溉量因素中，发芽率、活力指数在W2水平下效果最佳，发芽率比低灌量和高灌溉量分别高2.22 和0.27 个百分点，活力指数高8.62%和41.52%；在施氮量因素中，在中施氮下表现最好，发芽率比低灌量和高灌溉量分别高3.61 和2.88 个百分点，活力指数高13.50%和19.60%；随着种植密度的增加，发芽率、种子的活力在逐渐增加，高密度下种子活力略高于其他处理。这可能是由于垄膜沟灌种植增加了田间的通风透光，从而增加种子活力，由此可见，种子活力在W2N2D16处理下是最强的。

由表4 和表6 还可看出，3 种因素中，最主要的两个影响因素分别是种植密度和水分，其p＜0.05，达到了显著水平，而施氮量对产量的影响相对较小，其p＞0.05。可以得出种植密度在6.66～12.50 万株/hm2的范围内，垄膜沟灌制种玉米产量、穗粒数和千粒重影响因素次序均为D＞W＞N(主→次)。

表6 穗粒数和千粒重极差分析结果Tab.6 Range analysis on grain number per ear and 1000-grain weight

综合以上分析，可以初步确定垄膜沟灌制种玉米种植最佳的因素水平为W2N2D16，即灌溉量设为4 800 m3/hm2（W2），氮肥施用量240 kg/hm2(N2)，种植密度为12.50 万株/hm2(D16)。

3 讨 论

在作物生长过程中水分和养分是两个最主要的影响因子，相互制约，相互影响。灌水与施氮及两者之间的交互效应对玉米的产量与水分利用效率（WUE）均有显著影响[12]。冯严明[13]在对产量与水肥因素相关性分析中发现，适量增加施氮量对增加夏玉米产量有促进作用，但过高的施肥量会对夏玉米产量有抑制作用。Han[14]研究发现受到水氮交互效应的影响，膜下滴灌玉米产量随着水氮投入的提高先增大而后减小。说明适宜的水肥耦合模式对于提高作物产量及水肥利用率具有重要的意义。

在适宜的水肥配比下，种植密度是作物增产的重要途径之一，它可有效改善作物对水、肥资源的利用状况[15,16]。魏廷邦[17]研究结果表明水肥耦合可增强适宜种植密度下玉米的干物质积累速率，提高WUE和氮肥利用率，从而提高玉米产量。张平良[18]对全膜双垄沟播玉米的研究也表明，合理增加种植密度、增施氮肥可提高玉米全膜双垄沟播种植玉米穗粒数、百粒重，从而可获得较高的玉米籽粒产量，进而可引起氮肥吸收利用率和水分利用效率的协同提高。本试验研究结果表明，采用垄膜沟灌种植方式很好地协调了农田水肥关系，当灌溉量为W2 （4 800 m3/hm2），产量分别比W1、W3 增产14%、15%；当施氮量为N2（240 kg/hm2）时，产量较N1、N3 分别高0.5%、5.3%；当种植密度为D16（12.5 万株/hm2）时，较其他两处理产量分别高28.8%、29.7%。

生产高活力种子必须以优化的水肥供应为前提。刘啸笑[19]研究了不同土壤含水量对“先玉335”玉米种子活力的影响，表明土壤含水量高不利于玉米种子的生长萌发，种子活力达最大时的土壤质量含水率为25%。徐关印等[20]研究表明，随着密度的增加，种子的活力在逐渐降低，在低密度下种子活力最高，但产量最低，在高密度下产量最高，而种子活力最低，中密度是保证制种玉米产量和种子活力最优的适宜种植密度。以上研究结果与本试验研究结果不完全一致，本试验研究结果表明，灌溉定额W2（4 800 m3/hm2）的处理发芽率比W1、W3 分别提高2.22 和0.27 个百分点，活力指数高8.62%和41.52%；施氮量N2（240 kg/hm2）发芽率较N1、N3 分别高3.61 和2.88 个百分点，活力指数高13.50%和19.60%；随着种植密度的增加，发芽率、种子的活力在逐渐增加，高密度下种子活力略高于其他处理。

4 结 论

（1）水氮互作及密度对产量和水分利用效率影响显著，密度是影响产量的主要因子，不同水肥处理下高密度产量和水分利用效率均显著高于低密度处理。W2N3D16 处理下产量（10 697.78 kg/hm2）显著高于其他处理，差异达显著水平，较其他处理高7.15%～54.72%；水分利用效率高1.49～8.67 个百分点。

（2）灌溉定额、施氮量和种植密度对制种玉米的产量、WUE和种子活力有显著影响。灌溉定额W2（4 800 m3/hm2）的处理产量比W1、W3分别增产14%、15%，发芽率分别提高2.22 和0.27 个百分点，活力指数高8.62%和41.52%；施氮量N2（240 kg/hm2）产量较N1、N3 分别高0.5%、5.3%，发芽率分别高3.61 和2.88 个百分点，活力指数高13.50%和19.60%；种植密度D16（12.5 万株/hm2） 产量较其他两处理分别高28.8%、29.7%。

总之，增加种植密度是提高作物产量的重要途径之一，合理灌溉量和施肥量可以提高垄膜沟灌制种玉米种子活力，提高玉米对水分和养分的利用率，进而提高玉米产量。本试验条件下，提高产量和种子活力的最适宜水肥耦合及种植密度为：灌溉定额为4 800 m3/hm2，施氮量（N）240 kg/hm2，种植密度(D)为12.5 万株/hm2。