地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对黄土旱塬春玉米氮素吸收、转运及生产效率的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

李婷, 李世清, 占爱, 刘建亮. 地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对黄土旱塬春玉米氮素吸收、转运及生产效率的影响[J]. 中国农业科学, 2018, 51(8): 1504-1517 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.08.008
LI Ting, LI ShiQing, ZHAN Ai, LIU JianLiang. Effects of Film Mulching, Nitrogen Fertilizer, Plant Density and Its Interaction on Nitrogen Accumulation, Translocation and Production Efficiency of Spring Maize on Dryland of Loess Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(8): 1504-1517 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.08.008

0 引言

【研究意义】在中国西北黄土高原,80%以上的农业为雨养农业^[1]。早春低温和干旱是限制该地区作物生产的主要因素,而精耕细作、地膜覆盖、合理施肥及调整播种密度等措施是提高作物产量和资源利用效率的基本途径^[2]。近年来,鉴于地膜覆盖和垄沟栽培技术相结合的全膜双垄沟播技术,在改善耕层土壤水热状况、促进作物生长发育及提高作物产量和水分养分利用效率等方面的突出作用^[3,4],已被广泛用于旱作作物栽培。如何将全膜双垄沟技术与其他栽培措施有机结合,从而最大程度地发挥有限水资源的生产潜力,对构建高产高效旱地农业栽培体系具有重要意义。【前人研究进展】针对地膜覆盖和氮肥互作对作物产量和氮肥效率的影响,贾振业等^[5]研究表明,合理施用化肥和有机肥可显著提高覆膜的增产作用。薛菁芳等^[6]通过连续18年的长期定位试验研究表明,长期地膜覆盖和施肥可显著增加玉米生物产量和籽粒产量。陈小莉等^[2]在分析半干旱区施氮和灌溉条件下覆膜对春玉米产量及氮素平衡的影响时发现,“覆膜+补灌80 mm+施氮90 kg·hm^-2”栽培模式下籽粒产量和氮肥利用率最优。陈迎迎等^[7]研究认为,从春玉米产量、氮素利用角度考虑,黄土旱塬旱作全膜双垄沟覆盖栽培条件下合理施氮量为250 kg·hm^-2。针对地膜覆盖和种植密度互作对作物产量的影响,王晓凌等^[8]研究表明,垄沟覆膜集雨在低密度条件下的单株分蘖数、地上生物产量和产量都最高。陈志君等^[9]研究认为,在偏干旱年份,玉米产量随着种植密度的增加而减小,同种密度下覆膜种植比不覆膜处理高产。岳云等^[10]研究认为,通过控制种植密度可以充分利用全膜双垄沟播技术提供的水肥条件,并防止过度消耗地力,使地块生产能力做到可持续发展。【本研究切入点】目前,对于地膜覆盖与氮肥或种植密度互作对土壤水分、作物产量及水分利用效率研究较多,而对地膜覆盖、氮肥及种植密度三因素互作如何协同提高产量和氮肥利用效率鲜有报道,植株氮素吸收、同化及分配对籽粒产量的形成至关重要,理解不同田间管理实践下籽粒形成过程中植物氮吸收、同化及分配规律对提高籽粒产量和氮肥偏生产力具有重要意义。【拟解决的关键问题】在黄土旱塬地区,本研究以紧凑型春玉米品种先玉335为供试材料,探讨不同覆盖方式、施氮量及种植密度对春玉米氮素吸收分配的影响,旨在进一步优化旱地玉米栽培管理措施,以期为大幅度提高旱地氮肥利用效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2013—2014年在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行。试验站位于陕西省咸阳市长武县洪家镇王东村（北纬35°12′,东经107°40′,海拔1220 m）。该区属温带半湿润大陆性季风气候,近20年（1993—2012年）平均年降水556 mm,其中,73%降水分布于春玉米生长季（5—9月）,平均气温10.1℃,≥10℃积温1398℃,无霜期171 d,属典型的旱作农业区。在2013和2014年的春玉米生长季,降雨量分别为500和431 mm,平均气温分别为19.7和18.7 °C,≥10℃积温分别为1412和1490 °C（图1）。地貌属高原沟壑区,地带性土壤为黑垆土。2013年播前0—20 cm土层土壤基本理化性质如下：pH 8.4、容重1.3 g·cm^-3、有机质13.92 g·kg^-1、全氮0.97 g·kg^-1、速效磷10.95 mg·kg^-1、矿质氮12.93 mg·kg^-1。

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图1生育期降雨、日均温和积温
-->Fig. 1Precipitation, mean air temperature and accumulated temperature
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1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计,每个处理重复3次,小区面积30 m²（5 m×6 m）。采用双垄沟种植方式,大垄宽60 cm,高10 cm;小垄宽40 cm,高15 cm,大小垄相接处形成播种沟。试验设覆盖方式、氮肥和密度3个因子。覆盖方式设2个水平：（1）地膜覆盖（FM）,邻近大小垄用带宽120—130 cm的透明塑料薄膜覆盖。膜与膜的对接处位于大垄中央,其上用湿润的表土压实,并每隔2 m压一条土腰带,以防大风揭膜。地膜周年覆盖,于第二年播前移除并重新起垄覆盖。（2）不覆盖（NM）。氮肥设4个水平,2013年分别为0、170、200和230 kgN·hm^-2,依次标记为N0、N170、N200和N230;由于在2013年试验中发现高施氮水平不完全满足高密度处理玉米氮素需求,因此在2014年对高施氮量进行了调整,施氮量分别为0、170、225和280 kgN·hm^-2,依次标记为N0、N170、N225和N280;密度设5.0×10⁴、6.5×10⁴和8.0×10⁴株/hm²3个水平,依次标记为PD1、PD2和PD3。
各小区划分完成后,将施肥量40%的氮肥（含氮量为46%的尿素）、40 kgP·hm^-2（含P₂O₅ 12%）和80 kgK·hm^-2（含K₂O 45%）作为基肥与种肥于播前一次施入。此外,每个小区在拔节期和吐丝期采用人工穴播机在沟内分别追施30%氮肥（含氮量为46%）。各处理均采用统一播种方法。供试玉米品种为先玉335,播种深度为5 cm。2013和2014年播种日期分别是4月23日和4月28日。各小区根据玉米成熟情况逐一收获,2013年收获日期是9月18—23日,2014年收获日期是9月20—26日。玉米生育期间无补充灌溉,农田水分来源仅为天然降雨。

1.3 样品采集和参数计算

玉米生育期以RITCHIE 等^[11]的观测记录方法为标准。植株样品分别于吐丝期（R1）和生理成熟期（R6）2个生育时期采集。每个采样期,在各小区事先确定的取样区连续取3 株,两次采样期至少间隔3 株玉米。采集样品带回室内按器官分开,在105 ℃烘干箱内杀青30 min,然后75 ℃烘干至恒重,称干重后,用粉碎机粉碎植物样品,测定样品含氮量（半微量凯氏定氮法）,氮素吸收量为含氮量与烘干生物量的乘积。成熟期植物样品分为籽粒和秸秆两部分。氮素收获指数：
氮素收获指数（NHI, %）=（成熟期籽粒氮素累积量/成熟期地上部氮素累积量）×100。
玉米吐丝前氮素累积量为吐丝期地上部氮素累积量,玉米吐丝后氮素累积量为成熟期地上部氮素累积量与吐丝期地上部氮素累积量的差值。吐丝期氮素转运按照以下公式计算（Papakosta和Gagianas^[12]）：
氮素转移量（kgN·hm^-2）= 吐丝期地上部氮素累积量–成熟期秸秆氮素累积量;
氮素转移效率（%）=（氮素转移量/吐丝期地上部氮素累积量）×100;
氮素转移贡献率（%）=（氮素转移量/成熟期籽粒氮素累积量）×100。
收获期,在每个小区测产区所划定的8 m²（4 m × 2 m）内进行人工收获,测定玉米产量。籽粒烘干后按照15.5%含水量折算干重后计籽粒产量。
氮肥偏生产力（PFP_N, kg·kg^-1）= 籽粒产量（含水量15.5%）/氮肥施用量。

1.4 统计分析

地膜覆盖、氮肥和密度的主效应以及它们之间两因素和三因素交互作用采用SPSS16.0一般线性模型（GLM）多因素方差分析,样本间差异采用邓肯法多重比较检验（Duncan’s multiple range test）,设置显著性水平为P<0.05。采用SPSS16.0软件进行籽粒产量与施氮量和种植株密度在地膜覆盖和非覆盖条件下的二阶多项式模拟分析,模拟后用Matlab 7.1计算两种覆盖条件下最高产量以及获得最高产量的施氮量和种植密度。

2 结果

2.1 地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对春玉米成熟期氮素累积的影响

方差分析表明,两个生长季,覆盖、氮肥和密度任一单因素以及两两交互效应显著影响玉米成熟期籽粒氮素累积量和秸秆氮素累积量,覆盖×氮肥×密度的交互效应仅在2013年显著影响籽粒氮素累积量（表1）。由表2可看出,两个生长季,与不覆盖处理（NM）相比,地膜覆盖（FM）籽粒平均氮素累积量分别显著增加73%和39%。与N0处理相比,施氮可以显著提高籽粒氮素累积量,但两种覆盖方式下增加的比例各异。从密度水平平均看,在FM条件下,2013年,N170、N200和N230处理籽粒氮素累积量分别提高66%、79%和85%,2014年,N170、N225和N280处理籽粒氮素累积量分别提高214%、281%和321%;而在NM条件下,籽粒氮素累积量随施氮量增加呈现出先增加后减少趋势,其最高值均出现在N170处理。两种覆盖方式下籽粒氮素累积量对种植密度的响应也有所不同。从施氮水平平均看,在FM条件下,增密可以显著提高籽粒氮素累积量,与PD1处理相比,PD2和PD3处理籽粒氮素累积量在2013年分别提高10%和18%,在2014年分别提高8%和14%;而在NM条件下,2013年,籽粒氮素累积量随密度的增加而显著降低,与PD1处理相比,PD2和PD3处理籽粒氮素累积量分别降低9%和17%,2014年,籽粒氮素累积量在3个密度间无显著差异。
Table 1
表1
表1地膜覆盖、氮肥和密度对玉米成熟期氮素积累影响的方差分析
Table 1Analysis of variance significance levels of the effects of mulch practice, N rate and plant density on maize nitrogen accumulation at maturity

年份 Year	指标 Item	覆盖 Film mulching	氮肥 N rate	密度 Density	覆盖×氮肥 F×N	覆盖×密度F×D	氮肥×密度N×D	覆盖×氮肥×密度F×N×D
2013	籽粒氮素累积量Grain N accumulation	***	***	*	***	***	**	***
	秸秆氮素累积量 Straw N accumulation	***	***	**	***	***	*	NS
	氮素收获指数 NHI	***	***	NS	**	*	NS	NS
	吐丝前氮素累积量 Pre-silking N accumulation	***	***	***	***	***	***	***
	吐丝后氮素累积量 Post-silking N accumulation	***	***	***	***	***	***	***
	氮素转移量 Translocated N	***	***	***	***	***	***	***
	籽粒产量 Grain yield	***	***	**	***	***	NS	**
	氮肥偏生产力 PFP_N	***	***	*	NS	***	NS	NS
2014	籽粒氮素累积量 Grain N accumulation	***	***	***	***	**	**	NS
	秸秆氮素累积量 Straw N accumulation	***	***	***	***	**	**	NS
	氮素收获指数 NHI	***	**	NS	***	NS	NS	NS
	吐丝前氮素累积量 Pre-silking N accumulation	***	***	***	***	***	***	***
	吐丝后氮素累积量 Post-silking N accumulation	***	***	***	***	**	*	***
	氮素转移量 Translocated N	***	***	***	***	***	***	***
	籽粒产量 Grain yield	***	***	**	***	*	**	NS
	氮肥偏生产力 PFP_N	***	***	***	*	*	*	NS

NS: Not significant; *, **, *** Indicate significant difference at P<0.05, P<0.01 and P<0.001, respectively. The same as belowNS：不显著;*,**,*** 表示处理间差异显著水平分别达到P<0.05、P<0.01和P<0.001。下同

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两个生长季,秸秆氮素累积量与籽粒氮素累积量趋势相同,但秸秆氮浓度和籽粒氮浓度则呈现出不同的趋势。其中,与NM处理相比,FM处理平均秸秆氮浓度在2013和2014年分别降低20%和23%,平均籽粒氮浓度在2014年显著降低12%。
覆盖、氮肥以及两者之间的交互效应显著影响NHI（表1）。两个生长季,FM处理平均NHI较NM处理分别提高12%和3%。两种覆盖方式下NHI对氮肥的响应有所不同。从密度水平平均看,在FM条件下,施氮显著提高NHI,但各施氮处理间无显著差异;在NM条件下,2013年, N170和N200处理NHI显著高于N0和N230处理,2014年,所有氮处理间NHI无显著差异。从施氮平均水平看,除2013年低密度处理外,各密度处理间NHI均无显著差异（表2）。
Table 2
表2
表2不同处理下玉米成熟期籽粒和秸秆氮浓度、氮素累积量以及氮素收获指数
Table 2Maize grain and straw N concentration, N accumulation, and N harvest index (NHI) at maturity under different treatments

处理 Treatments	2013								处理 Treatments	2014
	FM			均值 Mean	NM			均值 Mean		FM			均值 Mean	NM			均值 Mean
	PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean		PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean
籽粒氮浓度 Grain N concentration (%)
N0	1.13	1.14	1.11	1.13c	1.21	1.17	1.04	1.14b	N0	0.92	1	1.06	0.99d	1.15	1.2	1.15	1.17c
N170	1.32	1.35	1.36	1.34b	1.34	1.27	1.34	1.32a	N170	1.28	1.24	1.27	1.26c	1.53	1.46	1.47	1.49b
N200	1.35	1.38	1.4	1.38ab	1.34	1.3	1.31	1.32a	N225	1.34	1.38	1.39	1.37b	1.49	1.48	1.63	1.54a
N230	1.4	1.37	1.46	1.41a	1.35	1.28	1.31	1.31a	N280	1.42	1.52	1.45	1.46a	1.54	1.56	1.59	1.56a
均值 Mean	1.30a	1.31a	1.33a		1.31a	1.25b	1.25b		均值 Mean	1.24b	1.28a	1.29a		1.43b	1.43b	1.46a
秸秆氮浓度 Straw N concentration (%)
N0	0.54	0.52	0.54	0.53d	0.83	0.72	0.75	0.77c	N0	0.33	0.4	0.38	0.37d	0.58	0.56	0.58	0.57d
N170	0.66	0.66	0.64	0.65c	0.83	0.79	0.8	0.81b	N170	0.49	0.49	0.55	0.51c	0.69	0.69	0.73	0.70c
N200	0.68	0.69	0.71	0.69b	0.81	0.81	0.77	0.80b	N225	0.58	0.6	0.58	0.59b	0.71	0.72	0.76	0.73b
N230	0.72	0.7	0.72	0.71a	0.85	0.86	0.92	0.88a	N280	0.65	0.65	0.65	0.65a	0.77	0.71	0.76	0.75a
均值 Mean	0.65a	0.64a	0.65a		0.83a	0.82a	0.83a		均值 Mean	0.51b	0.53a	0.54a		0.69ab	0.67b	0.71a
籽粒氮素累积量 Grain N accumulation (kgN·hm^-2)
N0	81	89	89	86c	53	52	38	48d	N0	37	43	51	43d	44	33	34	37c
N170	133	147	150	143b	102	92	91	95a	N170	129	132	145	135c	112	116	123	117a
N200	139	155	167	154a	96	88	87	90b	N225	152	165	175	164b	112	113	123	116a
N230	145	155	177	159a	93	80	68	80c	N280	169	187	186	181a	99	111	109	106b
均值 Mean	124c	137b	146a		86a	78b	71c		均值 Mean	122c	132b	139a		92a	93a	97a
秸秆氮素累积量 Straw N accumulation (kgN·hm^-2)
N0	40	41	43	41d	36	33	30	33b	N0	16	19	21	19d	24	20	21	22c
N170	61	63	62	62c	60	52	49	54a	N170	46	49	55	50c	47	47	56	50a
N200	64	67	70	67b	56	53	48	53a	N225	58	63	64	62b	58	50	52	52a
N230	67	67	74	70a	56	53	50	53a	N280	67	72	69	69a	44	46	48	46b
均值 Mean	58b	60b	62a		52a	48b	44c		均值 Mean	47b	51a	52a		42a	41a	44a
氮素收获指数 NHI (%)
N0	66.6	68.4	67.5	67.5b	59.3	61.6	59.3	60.0b	N0	69.7	69.4	70.8	70.0b	70.3	70.6	69.6	70.2a
N170	68.6	69.9	70.8	69.8a	62.8	63.7	64.9	63.8a	N170	73.5	73	72.6	73.1a	70.3	71.3	68.9	70.2a
N200	68.4	69.8	70.4	69.5a	63.1	62.3	64.4	63.2a	N225	72.5	72.3	73.3	72.7a	67.4	69.5	70.1	69.0a
N230	68.2	69.8	70.7	69.6a	62.5	60.3	57.6	60.1b	N280	71.5	72.2	72.9	72.2a	69.1	70.8	69.4	69.7a
均值 Mean	68.0b	69.5a	69.8a		61.9a	62.0a	61.5a		均值 Mean	71.8a	71.7a	72.4a		68.9a	70.5a	69.5a

FM: Film mulching; NM: No film mulching; N0, N170, N200, N230, N225 and N280 represent 0, 170, 200, 230, 225 and 280 kgN·hm^-2applied, respectively ; PD1, PD2 and PD3 represent 5.0×10⁴, 6.5×10⁴ and 8.0×10⁴ plants·hm^-2, respectively. Values within a column followed by the same letters do not differ significantly at P < 0.05. The same as belowFM：地膜覆盖处理,NM：无覆盖处理;N0、N170、N200、N230、N225和N280代表施氮量分别为0、170、200、230、225和280 kgN·hm^-2;PD1、PD2和PD3代表种植密度分别为 5.0×10⁴、6.5×10⁴和8.0×10⁴ 株/hm²。表中同一列数字后不同字母表示处理间差异达显著水平（P < 0.05）。下同

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2.2 地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对春玉米吐丝前后氮素分配的影响

不同覆盖方式显著影响春玉米吐丝前后氮素累积量（表1）。由表3可看出,与NM处理相比,FM处理吐丝前平均氮素累积量在2013和2014年分别提高46%和41%,吐丝后平均氮素累积量在2013和2014年分别提高70%和20%。
Table 3
表3
表3不同处理下玉米吐丝前后地上部氮素累积量
Table 3Above-ground N accumulation during the pre- and post- silking period under different treatments

处理 Treatments	2013								处理 Treatments	2014
	FM			均值 Mean	NM			均值 Mean		FM			均值 Mean	NM			均值 Mean
	PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean		PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean
吐丝前 Pre-silking (kgN·hm^-2)
N0	87	76	93	85c	52	55	60	55c	N0	41	49	61	50d	32	35	51	39c
N170	130	123	130	127b	82	79	95	85b	N170	91	106	147	111c	72	82	109	88b
N200	132	128	149	136a	89	96	103	96a	N225	105	125	147	125b	74	91	101	89b
N230	124	134	144	134a	75	92	113	93a	N280	134	143	189	156a	86	107	110	101a
均值 Mean	118b	115b	129a		74c	80b	93a		均值 Mean	93c	103b	136a		66c	79b	93a
吐丝后 Post-silking (kgN·hm^-2)
N0	34	54	39	42c	38	30	8	25d	N0	11	13	11	12c	36	18	4	19c
N170	65	87	83	78b	80	65	46	64a	N170	84	74	53	75b	88	81	70	79a
N200	71	95	88	85ab	63	45	32	47b	N225	105	103	92	100a	93	71	74	79a
N230	88	88	106	94a	74	41	5	40c	N280	102	115	66	94a	57	49	48	52b
均值 Mean	64b	81a	79a		73a	50b	28c		均值 Mean	76a	80a	55b		68a	55b	49b

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覆盖与氮肥的交互作用显著影响春玉米吐丝前后氮素累积量（表1）。两个生长季,吐丝前氮素累积量与吐丝后氮素累积量在两种覆盖方式下对氮供应响应不同。从密度水平平均看,吐丝前氮素累积量在两种覆盖方式下随施氮量增加而显著增加,2013年在N200和N230处理达最大,2014年在N280处理达最大;而吐丝后氮素累积量在FM处理下随施氮量增加而显著增加,2013年在N200和N230处理达最大,2014年在N225和N280处理达最大,但在NM处理下两年均在N170处理达最大（表3）。
覆盖与密度的交互作用显著影响春玉米吐丝前后氮素累积量（表1）。从施氮水平平均看,两种覆盖方式下吐丝前氮素累积量随密度增加而增加,低密处理与高密处理差异显著。吐丝后氮素累积量与吐丝前氮素累积量变化规律不同,其中,FM处理下,2013年PD2和PD3处理显著高于PD1处理,2014年PD1和PD2处理显著高于PD3处理;而对NM处理来说,两年吐丝后氮素累积量最高值均出现在PD1处理（表3）。
氮肥×密度及覆盖×氮肥×密度交互效应显著影响春玉米吐丝前后氮素累积量（表1）。两个生长季,吐丝前氮素累积量在两种覆盖方式下均以N0-PD1处理组合最小,以N230-PD3处理组合（2013年）或N280-PD3处理组合（2014年）最大;而对吐丝后氮素累积量而言,FM条件下以N0-PD1和N0-PD3处理组合最小,以N230-PD3处理组合（2013年）或N280-PD2处理组合（2014年）最大,NM条件下以N0-PD3处理组合最小,以N170-PD1处理组合（2013年）或N225-PD1处理组合（2014年）最大（表3）。

2.3 地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对春玉米氮素转运的影响

如表4所示,两个生长季,FM处理平均氮素转移量分别为61和62 kg N·hm^-2,与NM处理相比显著提高77%和68%。与N0处理相比,施氮显著提高春玉米氮素转移量,但两种覆盖方式下增加的比例各异。从密度水平平均看,2013年,N170、N200和N230处理在FM条件下分别提高48%、57%和47%,在NM条件下分别提高39%、93%和78%;2014年,N170、N225和N280处理在FM条件下分别提高104%、101%和170%,在NM条件下分别提高116%、109%和213%。与PD1处理相比,增密显著提高氮素转移量,但不同覆盖方式下增加的比例各异。从氮肥水平平均看,2013年,FM条件下PD3处理显著提高11%,NM条件下PD2和PD3处理分别提高47%和117%;2014年,PD2和PD3处理在FM条件下分别提高20%和82%,在NM条件下分别提高63%和105%。氮肥与密度互作及地膜覆盖、氮肥与密度互作显著影响春玉米氮素转移量,与低氮低密处理组合相比,高氮高密处理组合呈现出更高的氮素转移量。
Table 4
表4
表4不同处理下玉米地上部氮素转移量、氮素转移效率以及氮素转移贡献率
Table 4Translocated N, N-translocation efficiency and N-contribution rate under different treatments

处理 Treatments	2013								处理 Treatments	2014
	FM			均值 Mean	NM			均值 Mean		FM			均值 Mean	NM			均值 Mean
	PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean		PD1	PD2	PD3	均值 Mean	PD1	PD2	PD3	均值 Mean
氮素转移量 Translocated N (kgN·hm^-2)
N0	47	35	50	44b	16	22	30	23d	N0	25	30	40	32c	8	15	30	18c
N170	69	60	68	65a	22	27	46	31c	N170	45	58	93	65b	25	36	53	38b
N200	68	61	78	69a	33	43	55	44a	N225	47	62	83	64b	20	42	49	37b
N230	57	67	71	65a	19	39	63	40b	N280	67	71	120	86a	42	61	61	55a
均值 Mean	60b	56b	67a		22c	33b	48a		均值 Mean	46c	55b	84a		24c	38b	48a
氮素转移效率 N-translocation efficiency (%)
N0	53.4	46.2	54	51.2a	29.9	40.4	50.2	40.2b	N0	61.4	61.2	65.3	62.6a	25.4	42.9	57.9	42.1b
N170	52.9	48.8	52.1	51.3a	26.3	33.7	47.9	36.0c	N170	49	54.3	62.7	55.3b	34.3	43.1	48.9	42.1b
N200	51.5	47.4	52.7	50.5ab	36.7	44.6	53.4	44.9a	N225	45	49.3	56.4	50.3c	26.4	45.7	48.3	40.1b
N230	45.8	50	49.1	48.3b	25.3	42.4	55.6	41.1b	N280	49.8	49.8	63.3	54.3b	48.6	57.3	55.9	53.9a
均值 Mean	50.9a	48.1b	52.0a		29.5c	40.3b	51.8a		均值 Mean	51.3b	53.6b	62.0a		33.7c	47.3b	52.7a
氮素转移贡献率 N-contribution rate (%)
N0	57.7	39.6	56.5	51.3a	29.4	42.5	79.5	50.5ab	N0	61.1	70.4	78.9	72.9a	17.4	45.2	87.5	50.0a
N170	51.5	40.9	44.9	45.8b	21.2	29.3	49.9	33.4c	N170	34.7	43.8	63.6	47.4b	22.1	30.6	43.3	32.0b
N200	49.1	39	47	45.0bc	34.1	49	63.2	48.8b	N225	31	37.4	47.4	38.6c	17.4	37	39.9	31.5b
N230	39.4	43.2	40	40.9c	20.4	48.7	92.2	53.8a	N280	39.8	38.2	64.5	47.5b	42.3	55.6	56.6	51.5a
均值 Mean	49.4a	40.7b	47.1a		26.3c	42.4b	71.2a		均值 Mean	43.7b	47.5b	63.6a		25.1c	42.1b	56.8a

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两个生长季,氮素转移效率和氮素转移贡献率与氮素转移量变化趋势差异显著（表4）。平均氮素转移效率在FM处理下分别为50%和56%,比NM处理均显著提高20%;平均氮素转移贡献率在FM处理下分别为46%和51%,与NM处理相比,在2013年略微降低2%,但在2014年显著提高23%。从密度水平平均看,两种覆盖方式下氮素转移效率和氮素转移贡献率对氮的响应有所不同。FM处理下,随施氮量增加氮素转移效率和氮素转移贡献率均呈现略微减少的趋势,其中,2013年最小值出现在N200和N230处理,2014年最小值出现在N225处理;在NM条件下,两个生长季,氮素转移效率和氮素转移贡献率整体上均表现出在不施氮和中高氮处理中显著高于低氮处理（N170）。从施氮水平平均看,两种覆盖方式下氮素转移效率和氮素转移贡献率对密度的响应也有所不同。FM处理下氮素转移效率和氮素转移贡献率在2013年呈现PD3≈PD1>PD2,在2014年则呈现PD3>PD2≈PD1,而NM处理下两年均呈现PD3>PD2>PD1。从氮肥和密度互作角度看,除2013年不覆盖条件下N230-PD3处理组合外,两种覆盖方式下N0-PD3处理组合的氮素转移贡献率整体上高于其他处理组合,其在2013年分别高达56.5%和79.5%,2014年分别高达78.9%和87.5%。

2.4 地膜覆盖、氮肥与密度及其互作对春玉米产量和氮肥偏生产力的影响

两个生长季,FM处理平均籽粒产量分别为11.8和11.4 t·hm^-2,与NM处理相比,显著提高67%和55%（图2）。从密度水平平均看,与N0处理相比,施氮可显著提高玉米籽粒产量。其中,FM处理下,籽粒产量随施氮量增加而增加,但当施氮量在2013年从200 kgN·hm^-2增加到230 kgN·hm^-2以及在2014年从225 kgN·hm^-2增加到280 kgN·hm^-2时,籽粒产量增加不显著;而在NM处理下,当施氮量超过170 kgN·hm^-2后未能进一步提高籽粒产量。两种覆盖方式下,籽粒产量对密度的响应也有显著差异。从施氮水平平均看,FM处理籽粒产量随密度的增加而增加,与PD1处理相比,PD2和PD3处理在2013年分别提高9%和15%,2014年分别提高5%和11%;在NM处理下,与PD1处理相比,2013年PD2和PD3处理分别降低5%和13%,2014年籽粒产量在3个密度间无显著差异。

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图2不同处理下玉米籽粒产量
-->Fig. 2Maize grain yield under different treatments
-->

氮肥×密度交互效应显著影响春玉米产量（表1）。根据两年的春玉米籽粒产量结果,分别建立了2013和2014年籽粒产量（Y）与施氮量（x₁）、种植密度（x₂）二元二次双曲面效应方程（表5和图3）。结果表明,FM处理下,籽粒产量随施氮量和密度的增加而增加,两个生长季,当施氮量为280 kgN·hm^-2、密度为8.0×10⁴株/hm²时产量达到最高,分别为14.3和15.1 t·hm^-2;而NM处理下,籽粒产量随施氮量和密度的增加先增加后降低,两个生长季,最高产量分别在施氮量为144 kgN·hm^-2、密度为5.0×10⁴株/hm²和施氮量为198 kgN·hm^-2、密度为8.0×10⁴株/hm²时获得,分别达9.0 和9.3 t·hm^-2。
Table 5
表5
表5玉米产量与施氮量、种植密度在两种覆盖方式下的表面回归分析
Table 5Regression analysis for response variable of maize yield with N rates and plant densities under two mulching practices

年份 Year	覆盖方式 Mulching model	回归平衡 Regression equation	决定系数 R²	最大值 Maximum (t·hm^-2)	施氮量 N rate (kgN·hm^-2)	种植密度 Plant density (×10⁴株/hm²)
2013	FM	Y=2.9+0.02x₁+1.60E-04x₂-4.61E-05x₁²-1.00E-09x₂²+1.36E-07x₁x₂	0.994^***	14.3	280	8.0
	NM	Y=3.8+0.06x₁+6.15E-05x₂-1.85E-04x₁²-6.67E-10x₂²-7.65E-08x₁x₂	0.973^***	9.0	144	5.0
2014	FM	Y=3.7+0.06x₁+5.75E-06x₂-9.64E-05x₁²+2.22E-10x₂²+5.15E-08x₁x₂	0.999^***	15.1	280	8.0
	NM	Y=5.2+0.05x₁-2.36E-05x₂-1.52E-04x₁²+6.35E-24x₂²+1.79E-07x₁x₂	0.978^***	9.3	198	8.0

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图3两种覆盖方式下施氮量和种植密度对玉米籽粒产量的表面回归图
-->Fig. 3Response surfaces showing the effect of N rates and plant densities on grain yield (t·hm^-2) when maize was grown under two mulching practices
-->

地膜覆盖和施氮均能显著提高氮肥偏生产力（PFP_N,表1和图4）。其中,FM处理平均PFP_N在2013和2014年分别为64.5和61.8 kg·kg^-1,与NM处理相比,分别显著提高62%和54%。从密度水平平均看,两种覆盖方式下,PFP_N均随施氮量增加而显著降低。与N170处理相比,2013年N200和N230处理PFP_N在FM处理下分别降低11%和22%,NM处理下分别降低19%和37%,2014年N225和N280处理PFP_N在FM处理下分别降低15%和30%,NM处理下分别降低28%和48%。

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图4不同处理下玉米氮肥偏生产力
-->Fig. 4Maize nitrogen partial factor productivity under different treatments
-->

覆盖和密度的交互作用显著影响PFP_N（表1）。两种覆盖方式下PFP_N对密度的响应有所不同。从施氮水平平均看,FM处理下,PFP_N随密度的增加而增加,与PD1处理相比,PD2和PD3处理PFP_N在2013年分别提高9%和14%,2014年分别提高5%和11%;NM处理下,2013年,PFP_N随密度增加而显著降低,PD2和PD3处理较PD1处理分别降低6%和13%,而在2014年,PFP_N随密度增加而升高,PD1与PD3处理间差异显著（图4）。
相关分析表明,两个生长季,收获期地上部总氮素累积量、NHI和PFP_N与籽粒和秸秆氮素累积量、吐丝前后氮素累积量、氮素转移量以及籽粒产量呈显著正相关;NHI和PFP_N与秸秆氮浓度呈显著负相关（表6）。
Table 6
表6
表6不同处理下玉米氮素累积与转运与地上部总氮素累积量、氮素收获指数及氮肥偏生产力相关分析
Table 6Correlations analysis among N accumulation and translocation and total N accumulation, nitrogen harvest index (NHI) and nitrogen partial factor productivity (PFP_N) under varied practices

年份 Years	参数 Parameters	地上部总氮素累积量 Total N accumulation	氮素收获指数 NHI	氮肥偏生产力 PFP_N
2013	籽粒氮浓度 Grain N concentration	0.768**	0.432**	0.361**
	秸秆氮浓度 Straw N concentration	-0.224	-0.662**	-0.911**
	籽粒氮素累积量 Grain N accumulation	0.995**	0.844**	0.856**
	秸秆氮素累积量 Straw N accumulation	0.950**	0.602**	0.717**
	吐丝前氮素累积量 Pre-silking N accumulation	0.477**	0.701**	0.677**
	吐丝后氮素累积量 Post-silking N accumulation	0.896**	0.733**	0.738**
	氮素转移量 Translocated N	0.737**	0.663**	0.560**
	籽粒产量 Grain yield	0.636**	0.782**	0.891**
2014	籽粒氮浓度 Grain N concentration	0.649**	-0.008	-0.850**
	秸秆氮浓度 Straw N concentration	0.445**	-0.273*	-0.859**
	籽粒氮素累积量 Grain N accumulation	0.998**	0.501**	0.503**
	秸秆氮素累积量 Straw N accumulation	0.985**	0.321**	0.289*
	吐丝前氮素累积量 Pre-silking N accumulation	0.915**	0.482**	0.345*
	吐丝后氮素累积量 Post-silking N accumulation	0.871**	0.333**	0.304*
	氮素转移量 Translocated N	0.752**	0.528**	0.324*
	籽粒产量 Grain yield	0.348**	0.415**	0.706**

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3 讨论

籽粒氮素累积是由吐丝前累积的氮素再转移（主要是由于叶衰老）和吐丝后氮素累积（持绿）共同作用的结果,而氮素转移量取决于吐丝前可用氮素量和氮素转移效率^[13]。玉米中45%—65%的籽粒氮是由吐丝前秸秆中原先储存的氮素提供,其余35%—55%的籽粒氮来源于吐丝后氮素累积^[14]。在干旱地区,水缺乏不仅会直接抑制作物生长,还会通过减少植株氮素吸收、转移和运输进一步限制作物生长^[15]。旱地补充灌溉或减少土壤水分蒸发不仅能加快肥料氮向根系的迁移和累积,有利于植株吸收氮素,而且促进氮素向籽粒的转移,改变氮素在籽粒中的分配比例,从而增加了籽粒氮素累积和籽粒产量^[16]。李华等^[17]认为,地膜覆盖能显著促进前期小麦生长,吐丝前氮素累积量和氮素转移量显著高于常规栽培,但吐丝后氮素累积量在后期干旱条件下与常规栽培无显著差异。本试验结果表明,与NM处理相比,FM处理不仅显著增加了吐丝前氮素累积量和氮素转移效率,有利于更多的氮素转移,而且显著增加了吐丝后氮素累积量,说明在本试验条件下,氮素转移量和吐丝后氮素累积量的协同增加是覆膜玉米籽粒氮素累积增加的根本原因,这与前人^[18,19,20]在本地区的研究结果相一致。本研究表明,在2013和2014生长季,FM处理的平均籽粒产量分别提高67%和55%,平均籽粒氮素累积量分别提高73%和39%,但平均籽粒氮浓度在2013年无显著变化,而在2014年明显下降12%。这与李强等^[18]和何刚等^[21]的研究结果相类似,究其原因可能是籽粒产量的大幅增加对籽粒氮浓度有明显的稀释效应,使得籽粒氮素累积量的增加相比于产量的增加无显著差异或出现滞后现象。
水肥运筹与氮素的吸收、转移及分配有着紧密联系且存在显著交互作用。充足土壤水分条件是保证旱地氮肥肥效充分发挥作用的重要因子,对氮肥在土壤中的转化、迁移、作物吸收以及在体内的代谢均有显著影响^{[16, 22-23]}。现代高产玉米杂交种需在密植条件下才能发挥其增产潜力^[24]。有报道认为^[25],为了有效利用生长资源,在干旱条件下生长的玉米杂交种的最佳种植密度远低于在水分充足条件下生长的情况。本研究表明,覆盖与氮肥或密度互作均显著影响春玉米氮素吸收和转移。FM条件下更高的氮肥（200—230 kgN·hm^-2）或密度（6.5×10⁴—8.0×10⁴ 株/hm²）投入能有效促进吐丝前储存更多的氮素向籽粒转运、提高吐丝后期氮同化量及其对籽粒的贡献率,从而提高了籽粒氮素累积量;而在NM条件下当施氮量超过170 kgN·hm^-2或密度超过5.0×10⁴株/hm²时,吐丝后氮同化量及其对籽粒的贡献显著降低,从而导致吐丝前氮素储备的增加未能有效增加籽粒氮素累积。说明两种覆盖方式下氮肥和密度对籽粒氮素累积量响应的差异主要是由其对吐丝后氮素累积响应的差异造成的,究其原因可能与两种覆盖方式下不同的水分状况紧密相关。在黄土旱塬地区,由于降雨分布不均和高温辐射导致干旱是限制作物生长的主要因素,而FM不仅能够提高降雨利用率,而且能够调节不同生育时期耗水比例,前期减少土壤无效蒸发,在后期增加根层储水量^{[4, 26-27]},更多的有效水能够支持更高的氮肥和密度条件下后期干物质的形成和累积,为后期籽粒灌浆和养分转移创造了良好的基础物质条件,有利于后期植株氮素吸收和转移^[16,17]。
本研究表明,两个生长季,氮肥和密度互作显著影响氮素累积和转移。两种覆盖方式下不施氮、高密处理组合的氮素转移贡献率（56.5%—87.5%）整体上高于其他处理组合,这与BOOMSMA等^[24]的研究结果相类似,认为玉米品种的高密耐受性与适宜的施氮量紧密相关,与高氮低密环境相比,不施氮高密环境导致吐丝前期的源活动和植株生长受限,引起叶片早衰,尤其在花后遭遇逆境的时候会促使更多的氮素向籽粒转移以维持穗需求。环境条件对氮素累积和转移影响不同,当吐丝后期遭遇逆境的时候,吐丝前储存氮素的转移对籽粒的贡献会更大,其大小介于51%—91%^[17]。此外,本研究还发现,2013年NM条件下高氮、高密处理组合的氮素转移效率高达92.2%,这可能与当年吐丝后期降雨影响有关。2013生长季的总降雨比2014生长季高10%,但两个生长季的降雨分布不同。2013年前期降雨量和降雨次数略多于2014年,但2013年7月22日发生的大暴雨（121 mm,吐丝阶段）引起植株倒伏,导致一定程度上的叶面积损失,并且除在灌浆中期有一次大降雨外,后期降雨量和降雨次数均明显少于2014年。这可能是2013年NM条件下高氮、高密处理组合吐丝后氮同化及其对籽粒氮素累积贡献较少,从而导致其氮素转移贡献率较高的原因。可见,降雨量和分配情况对旱地春玉米吐丝后氮素累积和转移影响较大,尤其在2013年不覆盖条件下吐丝后氮素累积量随密度增加显著降低,从而导致增密显著降低了籽粒产量和籽粒氮素累积量。
NHI作为重要的农学指标,表征了氮素从营养结构向生殖结构转移的程度^[28]。本研究中,两个生长季FM处理的平均NHI为70.5%,高于CIAMPITTI等^[29]在玉米上的研究结果（平均64%）,这可能是由于FM处理下较高的库强（籽粒产量的增加）驱动了氮素分配和转运^[19]。PFP_N反映了作物利用土壤自身氮库和外源投入氮素实现经济产出的能力^[30]。实现高PFP_N是当前农业生产的主要目的之一^[31]。两个生长季,FM处理的平均PFP_N为63 kg·kg^-1,高于CHEN等^[32]在我国高产玉米创建田块的57 kg·kg^-1。本研究中,通过相关分析发现NHI和PFP_N与吐丝前后氮素累积量、氮素转移量及籽粒产量呈正相关,且达到了显著水平。这与前人研究结果一致,即促进灌浆期营养器官储存氮向籽粒的转移、提高吐丝后氮同化能够协同实现高产和高氮肥生产力^[19]。两个生长季,FM条件下结合施氮量280 kgN·hm^-2、密度 8.0×10⁴ 株/hm²时获得潜在最大的籽粒产量,分别为14.3和15.1 t·hm^-2。然而,最高PFP_N并不一定与最高产量相对应^[21]。本研究中,两个生长季,FM条件下随施氮量增加PFP_N分别降低11%—22%和15%—30%,产量则分别增加5%—6%和12%—15%。另外,本研究仅从地上部氮素吸收转运和产量角度探讨最佳栽培模式,尚未考虑地膜覆盖、氮肥与密度三因素互作对氮素平衡的影响,有待进一步研究。

4 结论

全膜双垄沟播技术与适宜的氮肥和种植密度相结合有利于促进灌浆期营养器官储存氮向籽粒的转移和吐丝后氮同化的协同增加,从而提高籽粒氮素累积,实现旱作春玉米的高产和高氮肥生产力。从春玉米氮素累积、转移及与产量和氮肥偏生产力关系看,覆膜条件下适宜施氮量为200—230 kgN·hm^-2、种植密度为8.0×10⁴株/hm²,其产量可达13.7—14.6 t·hm^-2,PFP_N可达64.8—68.7 kg·kg^-1。
The authors have declared that no competing interests exist.