地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對黃土旱塬春玉米氮素吸收、轉運及生產效率的影響

李婷，李世清,，占愛，劉建亮

?

地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對黃土旱塬春玉米氮素吸收、轉運及生產效率的影響

李婷1，李世清1,2，占愛2，劉建亮2

（1西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【目的】以緊湊型玉米品種先玉335為供試作物，研究地膜覆蓋、施氮量、種植密度及其互作對春玉米氮素吸收轉運及利用效率的影響，以期為黃土高原半干旱區春玉米高產高效栽培提供理論依據。【方法】2013—2014年春玉米生長季，設置覆蓋方式（覆膜和不覆膜）、施氮量（2013年為0、170、200和230 kgN·hm-2，2014年為0、170、225和280 kgN·hm-2）和種植密度（5.0×104、6.5×104和8.0×104 株/hm2）3個因子，分析不同處理的氮素累積與轉運、產量及氮肥生產效率。【結果】地膜覆蓋顯著增加了玉米吐絲前氮素累積量，促進了吐絲后氮素累積和吐絲前累積氮素的再轉移，從而顯著提高了籽粒氮素累積量和籽粒產量。覆蓋方式與氮肥或密度互作顯著影響春玉米氮素吸收、累積和轉移。地膜覆蓋條件下更多的氮肥（200—230 kgN·hm-2）或更高的密度（6.5×104—8.0×104株/hm2）投入能有效促進吐絲前儲存更多的氮素向籽粒轉運，提高吐絲后期氮同化量及其對籽粒的貢獻率，從而提高了籽粒氮素累積量；而不覆蓋條件下當施氮量超過170 kg N·hm-2或密度超過5.0×104株/hm2時，吐絲后氮同化量及其對籽粒的貢獻顯著減少，從而導致吐絲前氮素儲備的增加未能有效增加籽粒氮素累積。氮肥與密度互作顯著影響氮素累積、吸收和轉移。氮肥偏生產力（PFPN）和氮素收獲指數（NHI）與吐絲前氮素累積量、氮素轉移量、吐絲后氮素累積量及籽粒產量呈正相關，達到了顯著水平。從春玉米氮素累積、轉移及與產量和氮肥偏生產力關系看，全膜雙壟溝播種植技術的合理施氮量為200—230 kgN·hm-2、密度為8.0×104株/hm2，其產量可達13.7—14.6 t·hm-2，PFPN可達64.8—68.7 kg·kg-1。【結論】地膜覆蓋與適宜的施氮量和種植密度相結合的綜合管理實踐，有利于促進灌漿期營養器官儲存氮向籽粒轉移和吐絲后氮同化的協同增加，從而實現高產和高氮肥生產力。

春玉米；地膜覆蓋；施氮；密度；氮素轉運；產量；氮肥生產效率；黃土旱塬

0 引言

【研究意義】在中國西北黃土高原，80%以上的農業為雨養農業[1]。早春低溫和干旱是限制該地區作物生產的主要因素，而精耕細作、地膜覆蓋、合理施肥及調整播種密度等措施是提高作物產量和資源利用效率的基本途徑[2]。近年來，鑒于地膜覆蓋和壟溝栽培技術相結合的全膜雙壟溝播技術，在改善耕層土壤水熱狀況、促進作物生長發育及提高作物產量和水分養分利用效率等方面的突出作用[3-4]，已被廣泛用于旱作作物栽培。如何將全膜雙壟溝技術與其他栽培措施有機結合，從而最大程度地發揮有限水資源的生產潛力，對構建高產高效旱地農業栽培體系具有重要意義。【前人研究進展】針對地膜覆蓋和氮肥互作對作物產量和氮肥效率的影響，賈振業等[5]研究表明，合理施用化肥和有機肥可顯著提高覆膜的增產作用。薛菁芳等[6]通過連續18年的長期定位試驗研究表明，長期地膜覆蓋和施肥可顯著增加玉米生物產量和籽粒產量。陳小莉等[2]在分析半干旱區施氮和灌溉條件下覆膜對春玉米產量及氮素平衡的影響時發現，“覆膜+補灌80 mm+施氮90 kg·hm-2”栽培模式下籽粒產量和氮肥利用率最優。陳迎迎等[7]研究認為，從春玉米產量、氮素利用角度考慮，黃土旱塬旱作全膜雙壟溝覆蓋栽培條件下合理施氮量為250 kg·hm-2。針對地膜覆蓋和種植密度互作對作物產量的影響，王曉凌等[8]研究表明，壟溝覆膜集雨在低密度條件下的單株分蘗數、地上生物產量和產量都最高。陳志君等[9]研究認為，在偏干旱年份，玉米產量隨著種植密度的增加而減小，同種密度下覆膜種植比不覆膜處理高產。岳云等[10]研究認為，通過控制種植密度可以充分利用全膜雙壟溝播技術提供的水肥條件，并防止過度消耗地力，使地塊生產能力做到可持續發展。【本研究切入點】目前，對于地膜覆蓋與氮肥或種植密度互作對土壤水分、作物產量及水分利用效率研究較多，而對地膜覆蓋、氮肥及種植密度三因素互作如何協同提高產量和氮肥利用效率鮮有報道，植株氮素吸收、同化及分配對籽粒產量的形成至關重要，理解不同田間管理實踐下籽粒形成過程中植物氮吸收、同化及分配規律對提高籽粒產量和氮肥偏生產力具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】在黃土旱塬地區，本研究以緊湊型春玉米品種先玉335為供試材料，探討不同覆蓋方式、施氮量及種植密度對春玉米氮素吸收分配的影響，旨在進一步優化旱地玉米栽培管理措施，以期為大幅度提高旱地氮肥利用效率提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2013—2014年在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站進行。試驗站位于陜西省咸陽市長武縣洪家鎮王東村（北緯35°12′，東經107°40′，海拔1220 m）。該區屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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長季（5—9月），平均氣溫10.1℃，≥10℃積溫1398℃，無霜期171 d，屬典型的旱作農業區。在2013和2014年的春玉米生長季，降雨量分別為500和431 mm，平均氣溫分別為19.7和18.7 °C，≥10℃積溫分別為1412和1490 °C（圖1）。地貌屬高原溝壑區，地帶性土壤為黑壚土。2013年播前0—20 cm土層土壤基本理化性質如下：pH 8.4、容重1.3 g·cm-3、有機質13.92 g·kg-1、全氮0.97 g·kg-1、速效磷10.95 mg·kg-1、礦質氮12.93 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，每個處理重復3次，小區面積30 m2（5 m×6 m）。采用雙壟溝種植方式，大壟寬60 cm，高10 cm；小壟寬40 cm，高15 cm，大小壟相接處形成播種溝。試驗設覆蓋方式、氮肥和密度3個因子。覆蓋方式設2個水平：（1）地膜覆蓋（FM），鄰近大小壟用帶寬120—130 cm的透明塑料薄膜覆蓋。膜與膜的對接處位于大壟中央，其上用濕潤的表土壓實，并每隔2 m壓一條土腰帶，以防大風揭膜。地膜周年覆蓋，于第二年播前移除并重新起壟覆蓋。（2）不覆蓋（NM）。氮肥設4個水平，2013年分別為0、170、200和230 kgN·hm-2，依次標記為N0、N170、N200和N230；由于在2013年試驗中發現高施氮水平不完全滿足高密度處理玉米氮素需求，因此在2014年對高施氮量進行了調整，施氮量分別為0、170、225和280 kgN·hm-2，依次標記為N0、N170、N225和N280；密度設5.0×104、6.5×104和8.0×104株/hm2 3個水平，依次標記為PD1、PD2和PD3。

圖1 生育期降雨、日均溫和積溫

各小區劃分完成后，將施肥量40%的氮肥（含氮量為46%的尿素）、40 kgP·hm-2（含P2O5 12%）和80 kgK·hm-2（含K2O 45%）作為基肥與種肥于播前一次施入。此外，每個小區在拔節期和吐絲期采用人工穴播機在溝內分別追施30%氮肥（含氮量為46%）。各處理均采用統一播種方法。供試玉米品種為先玉335，播種深度為5 cm。2013和2014年播種日期分別是4月23日和4月28日。各小區根據玉米成熟情況逐一收獲，2013年收獲日期是9月18—23日，2014年收獲日期是9月20—26日。玉米生育期間無補充灌溉，農田水分來源僅為天然降雨。

1.3 樣品采集和參數計算

玉米生育期以RITCHIE 等[11]的觀測記錄方法為標準。植株樣品分別于吐絲期（R1）和生理成熟期（R6）2個生育時期采集。每個采樣期，在各小區事先確定的取樣區連續取3 株，兩次采樣期至少間隔3 株玉米。采集樣品帶回室內按器官分開，在105 ℃烘干箱內殺青30 min，然后75 ℃烘干至恒重，稱干重后，用粉碎機粉碎植物樣品，測定樣品含氮量（半微量凱氏定氮法），氮素吸收量為含氮量與烘干生物量的乘積。成熟期植物樣品分為籽粒和秸稈兩部分。氮素收獲指數：

氮素收獲指數（NHI, %）=（成熟期籽粒氮素累積量/成熟期地上部氮素累積量）×100。

玉米吐絲前氮素累積量為吐絲期地上部氮素累積量，玉米吐絲后氮素累積量為成熟期地上部氮素累積量與吐絲期地上部氮素累積量的差值。吐絲期氮素轉運按照以下公式計算（Papakosta和Gagianas[12]）：

氮素轉移量（kgN·hm-2）= 吐絲期地上部氮素累積量－成熟期秸稈氮素累積量；

氮素轉移效率（%）=（氮素轉移量/吐絲期地上部氮素累積量）×100；

氮素轉移貢獻率（%）=（氮素轉移量/成熟期籽粒氮素累積量）×100。

收獲期，在每個小區測產區所劃定的8 m2（4 m × 2 m）內進行人工收獲，測定玉米產量。籽粒烘干后按照15.5%含水量折算干重后計籽粒產量。

氮肥偏生產力（PFPN, kg·kg-1）= 籽粒產量（含水量15.5%）/氮肥施用量。

1.4 統計分析

地膜覆蓋、氮肥和密度的主效應以及它們之間兩因素和三因素交互作用采用SPSS16.0一般線性模型（GLM）多因素方差分析，樣本間差異采用鄧肯法多重比較檢驗（Duncan’s multiple range test），設置顯著性水平為P＜0.05。采用SPSS16.0軟件進行籽粒產量與施氮量和種植株密度在地膜覆蓋和非覆蓋條件下的二階多項式模擬分析，模擬后用Matlab 7.1計算兩種覆蓋條件下最高產量以及獲得最高產量的施氮量和種植密度。

2 結果

2.1 地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對春玉米成熟期氮素累積的影響

方差分析表明，兩個生長季，覆蓋、氮肥和密度任一單因素以及兩兩交互效應顯著影響玉米成熟期籽粒氮素累積量和秸稈氮素累積量，覆蓋×氮肥×密度的交互效應僅在2013年顯著影響籽粒氮素累積量（表1）。由表2可看出，兩個生長季，與不覆蓋處理（NM）相比，地膜覆蓋（FM）籽粒平均氮素累積量分別顯著增加73%和39%。與N0處理相比，施氮可以顯著提高籽粒氮素累積量，但兩種覆蓋方式下增加的比例各異。從密度水平平均看，在FM條件下，2013年，N170、N200和N230處理籽粒氮素累積量分別提高66%、79%和85%，2014年，N170、N225和N280處理籽粒氮素累積量分別提高214%、281%和321%；而在NM條件下，籽粒氮素累積量隨施氮量增加呈現出先增加后減少趨勢，其最高值均出現在N170處理。兩種覆蓋方式下籽粒氮素累積量對種植密度的響應也有所不同。從施氮水平平均看，在FM條件下，增密可以顯著提高籽粒氮素累積量，與PD1處理相比，PD2和PD3處理籽粒氮素累積量在2013年分別提高10%和18%，在2014年分別提高8%和14%；而在NM條件下，2013年，籽粒氮素累積量隨密度的增加而顯著降低，與PD1處理相比，PD2和PD3處理籽粒氮素累積量分別降低9%和17%，2014年，籽粒氮素累積量在3個密度間無顯著差異。

兩個生長季，秸稈氮素累積量與籽粒氮素累積量趨勢相同，但秸稈氮濃度和籽粒氮濃度則呈現出不同的趨勢。其中，與NM處理相比，FM處理平均秸稈氮濃度在2013和2014年分別降低20%和23%，平均籽粒氮濃度在2014年顯著降低12%。

覆蓋、氮肥以及兩者之間的交互效應顯著影響NHI（表1）。兩個生長季，FM處理平均NHI較NM處理分別提高12%和3%。兩種覆蓋方式下NHI對氮肥的響應有所不同。從密度水平平均看，在FM條件下，施氮顯著提高NHI，但各施氮處理間無顯著差異；在NM條件下，2013年，N170和N200處理NHI顯著高于N0和N230處理，2014年，所有氮處理間NHI無顯著差異。從施氮平均水平看，除2013年低密度處理外，各密度處理間NHI均無顯著差異（表2）。

2.2 地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對春玉米吐絲前后氮素分配的影響

不同覆蓋方式顯著影響春玉米吐絲前后氮素累積量（表1）。由表3可看出，與NM處理相比，FM處理吐絲前平均氮素累積量在2013和2014年分別提高46%和41%，吐絲后平均氮素累積量在2013和2014年分別提高70%和20%。

覆蓋與氮肥的交互作用顯著影響春玉米吐絲前后氮素累積量（表1）。兩個生長季，吐絲前氮素累積量與吐絲后氮素累積量在兩種覆蓋方式下對氮供應響應不同。從密度水平平均看，吐絲前氮素累積量在兩種覆蓋方式下隨施氮量增加而顯著增加，2013年在N200和N230處理達最大，2014年在N280處理達最大；而吐絲后氮素累積量在FM處理下隨施氮量增加而顯著增加，2013年在N200和N230處理達最大，2014年在N225和N280處理達最大，但在NM處理下兩年均在N170處理達最大（表3）。

覆蓋與密度的交互作用顯著影響春玉米吐絲前后氮素累積量（表1）。從施氮水平平均看，兩種覆蓋方式下吐絲前氮素累積量隨密度增加而增加，低密處理與高密處理差異顯著。吐絲后氮素累積量與吐絲前氮素累積量變化規律不同，其中，FM處理下，2013年PD2和PD3處理顯著高于PD1處理，2014年PD1和PD2處理顯著高于PD3處理；而對NM處理來說，兩年吐絲后氮素累積量最高值均出現在PD1處理（表3）。

氮肥×密度及覆蓋×氮肥×密度交互效應顯著影響春玉米吐絲前后氮素累積量（表1）。兩個生長季，吐絲前氮素累積量在兩種覆蓋方式下均以N0-PD1處理組合最小，以N230-PD3處理組合（2013年）或N280-PD3處理組合（2014年）最大；而對吐絲后氮素累積量而言，FM條件下以N0-PD1和N0-PD3處理組合最小，以N230-PD3處理組合（2013年）或N280-PD2處理組合（2014年）最大，NM條件下以N0-PD3處理組合最小，以N170-PD1處理組合（2013年）或N225-PD1處理組合（2014年）最大（表3）。

表1 地膜覆蓋、氮肥和密度對玉米成熟期氮素積累影響的方差分析

NS：不顯著；*，**，*** 表示處理間差異顯著水平分別達到P<0.05、P<0.01和P<0.001。下同

NS: Not significant; *, **, *** Indicate significant difference at P<0.05, P<0.01 and P<0.001, respectively. The same as below

表2 不同處理下玉米成熟期籽粒和秸稈氮濃度、氮素累積量以及氮素收獲指數

FM：地膜覆蓋處理，NM：無覆蓋處理；N0、N170、N200、N230、N225和N280代表施氮量分別為0、170、200、230、225和280 kgN·hm-2；PD1、PD2和PD3代表種植密度分別為 5.0×104、6.5×104和8.0×104 株/hm2。表中同一列數字后不同字母表示處理間差異達顯著水平（P < 0.05）。下同

FM: film mulching; NM: no film mulching; N0, N170, N200, N230, N225 and N280 represent 0, 170, 200, 230, 225 and 280 kgN·hm-2 applied, 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 below

表3 不同處理下玉米吐絲前后地上部氮素累積量

2.3 地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對春玉米氮素轉運的影響

如表4所示，兩個生長季，FM處理平均氮素轉移量分別為61和62 kg N·hm-2，與NM處理相比顯著提高77%和68%。與N0處理相比，施氮顯著提高春玉米氮素轉移量，但兩種覆蓋方式下增加的比例各異。從密度水平平均看，2013年，N170、N200和N230處理在FM條件下分別提高48%、57%和47%，在NM條件下分別提高39%、93%和78%；2014年，N170、N225和N280處理在FM條件下分別提高104%、101%和170%，在NM條件下分別提高116%、109%和213%。與PD1處理相比，增密顯著提高氮素轉移量，但不同覆蓋方式下增加的比例各異。從氮肥水平平均看，2013年，FM條件下PD3處理顯著提高11%，NM條件下PD2和PD3處理分別提高47%和117%；2014年，PD2和PD3處理在FM條件下分別提高20%和82%，在NM條件下分別提高63%和105%。氮肥與密度互作及地膜覆蓋、氮肥與密度互作顯著影響春玉米氮素轉移量，與低氮低密處理組合相比，高氮高密處理組合呈現出更高的氮素轉移量。

兩個生長季，氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率與氮素轉移量變化趨勢差異顯著（表4）。平均氮素轉移效率在FM處理下分別為50%和56%，比NM處理均顯著提高20%；平均氮素轉移貢獻率在FM處理下分別為46%和51%，與NM處理相比，在2013年略微降低2%，但在2014年顯著提高23%。從密度水平平均看，兩種覆蓋方式下氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率對氮的響應有所不同。FM處理下，隨施氮量增加氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率均呈現略微減少的趨勢，其中，2013年最小值出現在N200和N230處理，2014年最小值出現在N225處理；在NM條件下，兩個生長季，氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率整體上均表現出在不施氮和中高氮處理中顯著高于低氮處理（N170）。從施氮水平平均看，兩種覆蓋方式下氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率對密度的響應也有所不同。FM處理下氮素轉移效率和氮素轉移貢獻率在2013年呈現PD3≈PD1＞PD2，在2014年則呈現PD3＞PD2≈PD1，而NM處理下兩年均呈現PD3＞PD2＞PD1。從氮肥和密度互作角度看，除2013年不覆蓋條件下N230-PD3處理組合外，兩種覆蓋方式下N0-PD3處理組合的氮素轉移貢獻率整體上高于其他處理組合，其在2013年分別高達56.5%和79.5%，2014年分別高達78.9%和87.5%。

表4 不同處理下玉米地上部氮素轉移量、氮素轉移效率以及氮素轉移貢獻率

2.4 地膜覆蓋、氮肥與密度及其互作對春玉米產量和氮肥偏生產力的影響

兩個生長季，FM處理平均籽粒產量分別為11.8和11.4 t·hm-2，與NM處理相比，顯著提高67%和55%（圖2）。從密度水平平均看，與N0處理相比，施氮可顯著提高玉米籽粒產量。其中，FM處理下，籽粒產量隨施氮量增加而增加，但當施氮量在2013年從200 kgN·hm-2增加到230 kgN·hm-2以及在2014年從225 kgN·hm-2增加到280 kgN·hm-2時，籽粒產量增加不顯著；而在NM處理下，當施氮量超過170 kgN·hm-2后未能進一步提高籽粒產量。兩種覆蓋方式下，籽粒產量對密度的響應也有顯著差異。從施氮水平平均看，FM處理籽粒產量隨密度的增加而增加，與PD1處理相比，PD2和PD3處理在2013年分別提高9%和15%，2014年分別提高5%和11%；在NM處理下，與PD1處理相比，2013年PD2和PD3處理分別降低5%和13%，2014年籽粒產量在3個密度間無顯著差異。

氮肥×密度交互效應顯著影響春玉米產量（表1）。根據兩年的春玉米籽粒產量結果，分別建立了2013和2014年籽粒產量（y）與施氮量（x1）、種植密度（x2）二元二次雙曲面效應方程（表5和圖3）。結果表明，FM處理下，籽粒產量隨施氮量和密度的增加而增加，兩個生長季，當施氮量為280 kgN·hm-2、密度為8.0×104株/hm2時產量達到最高，分別為14.3和15.1 t·hm-2；而NM處理下，籽粒產量隨施氮量和密度的增加先增加后降低，兩個生長季，最高產量分別在施氮量為144 kgN·hm-2、密度為5.0×104株/hm2和施氮量為198 kgN·hm-2、密度為8.0×104株/hm2時獲得，分別達9.0 和9.3 t·hm-2。

圖2 不同處理下玉米籽粒產量

表5 玉米產量與施氮量、種植密度在兩種覆蓋方式下的表面回歸分析

地膜覆蓋和施氮均能顯著提高氮肥偏生產力（PFPN，表1和圖4）。其中，FM處理平均PFPN在2013和2014年分別為64.5和61.8 kg·kg-1，與NM處理相比，分別顯著提高62%和54%。從密度水平平均看，兩種覆蓋方式下，PFPN均隨施氮量增加而顯著降低。與N170處理相比，2013年N200和N230處理PFPN在FM處理下分別降低11%和22%，NM處理下分別降低19%和37%，2014年N225和N280處理PFPN在FM處理下分別降低15%和30%，NM處理下分別降低28%和48%。

覆蓋和密度的交互作用顯著影響PFPN（表1）。兩種覆蓋方式下PFPN對密度的響應有所不同。從施氮水平平均看，FM處理下，PFPN隨密度的增加而增加，與PD1處理相比，PD2和PD3處理PFPN在2013年分別提高9%和14%，2014年分別提高5%和11%；NM處理下，2013年，PFPN隨密度增加而顯著降低，PD2和PD3處理較PD1處理分別降低6%和13%，而在2014年，PFPN隨密度增加而升高，PD1與PD3處理間差異顯著（圖4）。

圖3 兩種覆蓋方式下施氮量和種植密度對玉米籽粒產量的表面回歸圖

圖4 不同處理下玉米氮肥偏生產力

相關分析表明，兩個生長季，收獲期地上部總氮素累積量、NHI和PFPN與籽粒和秸稈氮素累積量、吐絲前后氮素累積量、氮素轉移量以及籽粒產量呈顯著正相關；NHI和PFPN與秸稈氮濃度呈顯著負相關（表6）。

表6 不同處理下玉米氮素累積與轉運與地上部總氮素累積量、氮素收獲指數及氮肥偏生產力相關分析

3 討論

籽粒氮素累積是由吐絲前累積的氮素再轉移（主要是由于葉衰老）和吐絲后氮素累積（持綠）共同作用的結果，而氮素轉移量取決于吐絲前可用氮素量和氮素轉移效率[13]。玉米中45%—65%的籽粒氮是由吐絲前秸稈中原先儲存的氮素提供，其余35%—55%的籽粒氮來源于吐絲后氮素累積[14]。在干旱地區，水缺乏不僅會直接抑制作物生長，還會通過減少植株氮素吸收、轉移和運輸進一步限制作物生長[15]。旱地補充灌溉或減少土壤水分蒸發不僅能加快肥料氮向根系的遷移和累積，有利于植株吸收氮素，而且促進氮素向籽粒的轉移，改變氮素在籽粒中的分配比例，從而增加了籽粒氮素累積和籽粒產量[16]。李華等[17]認為，地膜覆蓋能顯著促進前期小麥生長，吐絲前氮素累積量和氮素轉移量顯著高于常規栽培，但吐絲后氮素累積量在后期干旱條件下與常規栽培無顯著差異。本試驗結果表明，與NM處理相比，FM處理不僅顯著增加了吐絲前氮素累積量和氮素轉移效率，有利于更多的氮素轉移，而且顯著增加了吐絲后氮素累積量，說明在本試驗條件下，氮素轉移量和吐絲后氮素累積量的協同增加是覆膜玉米籽粒氮素累積增加的根本原因，這與前人[18-20]在本地區的研究結果相一致。本研究表明，在2013和2014生長季，FM處理的平均籽粒產量分別提高67%和55%，平均籽粒氮素累積量分別提高73%和39%，但平均籽粒氮濃度在2013年無顯著變化，而在2014年明顯下降12%。這與李強等[18]和何剛等[21]的研究結果相類似，究其原因可能是籽粒產量的大幅增加對籽粒氮濃度有明顯的稀釋效應，使得籽粒氮素累積量的增加相比于產量的增加無顯著差異或出現滯后現象。

水肥運籌與氮素的吸收、轉移及分配有著緊密聯系且存在顯著交互作用。充足土壤水分條件是保證旱地氮肥肥效充分發揮作用的重要因子，對氮肥在土壤中的轉化、遷移、作物吸收以及在體內的代謝均有顯著影響[16, 22-23]。現代高產玉米雜交種需在密植條件下才能發揮其增產潛力[24]。有報道認為[25]，為了有效利用生長資源，在干旱條件下生長的玉米雜交種的最佳種植密度遠低于在水分充足條件下生長的情況。本研究表明，覆蓋與氮肥或密度互作均顯著影響春玉米氮素吸收和轉移。FM條件下更高的氮肥（200—230 kgN·hm-2）或密度（6.5×104—8.0×104 株/hm2）投入能有效促進吐絲前儲存更多的氮素向籽粒轉運、提高吐絲后期氮同化量及其對籽粒的貢獻率，從而提高了籽粒氮素累積量；而在NM條件下當施氮量超過170 kgN·hm-2或密度超過5.0×104株/hm2時，吐絲后氮同化量及其對籽粒的貢獻顯著降低，從而導致吐絲前氮素儲備的增加未能有效增加籽粒氮素累積。說明兩種覆蓋方式下氮肥和密度對籽粒氮素累積量響應的差異主要是由其對吐絲后氮素累積響應的差異造成的，究其原因可能與兩種覆蓋方式下不同的水分狀況緊密相關。在黃土旱塬地區，由于降雨分布不均和高溫輻射導致干旱是限制作物生長的主要因素，而FM不僅能夠提高降雨利用率，而且能夠調節不同生育時期耗水比例，前期減少土壤無效蒸發，在后期增加根層儲水量[4, 26-27]，更多的有效水能夠支持更高的氮肥和密度條件下后期干物質的形成和累積，為后期籽粒灌漿和養分轉移創造了良好的基礎物質條件，有利于后期植株氮素吸收和轉移[16-17]。

本研究表明，兩個生長季，氮肥和密度互作顯著影響氮素累積和轉移。兩種覆蓋方式下不施氮、高密處理組合的氮素轉移貢獻率（56.5%—87.5%）整體上高于其他處理組合，這與BOOMSMA等[24]的研究結果相類似，認為玉米品種的高密耐受性與適宜的施氮量緊密相關，與高氮低密環境相比，不施氮高密環境導致吐絲前期的源活動和植株生長受限，引起葉片早衰，尤其在花后遭遇逆境的時候會促使更多的氮素向籽粒轉移以維持穗需求。環境條件對氮素累積和轉移影響不同，當吐絲后期遭遇逆境的時候，吐絲前儲存氮素的轉移對籽粒的貢獻會更大，其大小介于51%—91%[17]。此外，本研究還發現，2013年NM條件下高氮、高密處理組合的氮素轉移效率高達92.2%，這可能與當年吐絲后期降雨影響有關。2013生長季的總降雨比2014生長季高10%，但兩個生長季的降雨分布不同。2013年前期降雨量和降雨次數略多于2014年，但2013年7月22日發生的大暴雨（121 mm，吐絲階段）引起植株倒伏，導致一定程度上的葉面積損失，并且除在灌漿中期有一次大降雨外，后期降雨量和降雨次數均明顯少于2014年。這可能是2013年NM條件下高氮、高密處理組合吐絲后氮同化及其對籽粒氮素累積貢獻較少，從而導致其氮素轉移貢獻率較高的原因。可見，降雨量和分配情況對旱地春玉米吐絲后氮素累積和轉移影響較大，尤其在2013年不覆蓋條件下吐絲后氮素累積量隨密度增加顯著降低，從而導致增密顯著降低了籽粒產量和籽粒氮素累積量。

NHI作為重要的農學指標，表征了氮素從營養結構向生殖結構轉移的程度[28]。本研究中，兩個生長季FM處理的平均NHI為70.5%，高于CIAMPITTI等[29]在玉米上的研究結果（平均64%），這可能是由于FM處理下較高的庫強（籽粒產量的增加）驅動了氮素分配和轉運[19]。PFPN反映了作物利用土壤自身氮庫和外源投入氮素實現經濟產出的能力[30]。實現高PFPN是當前農業生產的主要目的之一[31]。兩個生長季，FM處理的平均PFPN為63 kg·kg-1，高于CHEN等[32]在我國高產玉米創建田塊的57 kg·kg-1。本研究中，通過相關分析發現NHI和PFPN與吐絲前后氮素累積量、氮素轉移量及籽粒產量呈正相關，且達到了顯著水平。這與前人研究結果一致，即促進灌漿期營養器官儲存氮向籽粒的轉移、提高吐絲后氮同化能夠協同實現高產和高氮肥生產力[19]。兩個生長季，FM條件下結合施氮量280 kgN·hm-2、密度 8.0×104 株/hm2時獲得潛在最大的籽粒產量，分別為14.3和15.1 t·hm-2。然而，最高PFPN并不一定與最高產量相對應[21]。本研究中，兩個生長季，FM條件下隨施氮量增加PFPN分別降低11%—22%和15%—30%，產量則分別增加5%—6%和12%—15%。另外，本研究僅從地上部氮素吸收轉運和產量角度探討最佳栽培模式，尚未考慮地膜覆蓋、氮肥與密度三因素互作對氮素平衡的影響，有待進一步研究。

4 結論

全膜雙壟溝播技術與適宜的氮肥和種植密度相結合有利于促進灌漿期營養器官儲存氮向籽粒的轉移和吐絲后氮同化的協同增加，從而提高籽粒氮素累積，實現旱作春玉米的高產和高氮肥生產力。從春玉米氮素累積、轉移及與產量和氮肥偏生產力關系看，覆膜條件下適宜施氮量為200—230 kgN·hm-2、種植密度為8.0×104株/hm2，其產量可達13.7—14.6 t·hm-2，PFPN可達64.8—68.7 kg·kg-1。

[1] TURNER N C, LI F M, XIONG Y C, SIDDIQUE K H M. Agricultural ecosystem management in dry areas: challenges and solutions. Plant and Soil, 2011, 347: 1-6.

[2] 陳小莉, 李世清, 王瑞軍, 任小龍, 李生秀. 半干旱區施氮和灌溉條件下覆膜對春玉米產量及氮素平衡的影響. 植物營養與肥料學報, 2007, 13(4): 652-658.

CHEN X L, LI S Q, WANG R J, REN X L, LI S X. Effect of film mulching on yield and nitrogen balance of spring maize under different nitrogen and irrigation treatments in semi-arid region. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(4): 652-658. (in Chinese)

[3] ZHOU L M, LI F M, JIN S L, SONG Y J. How two ridges and the furrow mulched with plastic film affect soil water, soil temperature and yield of maize on the semiarid Loess Plateau of China. Field Crops Research, 2009, 113: 41-47.

[4] GAN Y, SIDDIQUE K H M, TUENER N C, LI X G, NIU J Y, YANG C, LIU L P, CHAI Q. Chapter Seven-Ridge-Furrow mulching systems-An innovative technique for boosting crop productivity in semiarid rain-fed environments. Advance Agronomy, 2013, 118: 429-476.

[5] 賈振業, 張勝, 劉顯志, 李柏年, 高炳德. 覆膜施肥及其交互作用對旱地春玉米增產效應的研究. 華北農學報, 2001, 16(專輯): 1-6.

JIA Z Y, ZHANG S, LIU X Z, LI B N, GAO B D. Studies on the increasing-yield effects of spring maize on dry land by film-covered- fertilizer and its interactive effects. Acta Agriculturae Boreali-sinica, 2001, 16(album): 1-6. (in Chinese)

[6] 薛菁芳, 汪景寬, 李雙異, 祝鳳春, 陳書強. 長期地膜覆蓋和施肥條件下玉米生物產量及其構成的變化研究. 玉米科學, 2006, 14(5): 66-70.

XUE J F, WANG J K, LI S Y, ZHU F C, CHEN S Q. Studies on changes of corn biomass yield and its components under the condition of long-term plastic film-mulching and fertilization. Journal of Maize Sciences, 2006, 14(5): 66-70. (in Chinese)

[7] 陳迎迎, 沈玉芳, 白翔斌, 岳善超, 李世清. 全膜雙壟溝覆蓋條件下不同施氮量對春玉米氮素吸收利用及分配的影響. 西北植物學報, 2013, 33(11): 2278-2285.

CHEN Y Y, SHEN Y F, BAI X B, YUE S Q, LI S Q. Effect of different nitrogen rates on nitrogen absorption and allocation of spring maize in double ridges mulched with plastic film. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2013, 33(11): 2278-2285. (in Chinese)

[8] 王曉凌, 董普輝. 密度對壟溝覆膜集雨冬小麥產量的影響. 水土保持研究, 2011, 18(2): 223-226.

WANG X L, DONG P H. The influence of population density of winter wheat of plastic film mulching on ridge for rainwater- harvesting on yield. Research of soil and water conservation, 2011, 18(2): 223-226. (in Chinese)

[9] 陳志君, 孫仕軍, 張旭東, 劉蕊, 遲道才. 東北雨養區覆膜和種植密度對玉米田間土壤水分和根系生長的影響. 水土保持學報, 2017, 31(1): 225-235.

CHEN Z J, SUN S J, ZHANG X D, LIU R, CHI D C. Effects of planting density and film mulching on soil moisture and root growth of maize field in rain-fed region of north-eastern China. Journal of soil and water conservation, 2017, 31(1): 225-235. (in Chinese)

[10] 岳云, 朱永永, 趙貴賓, 熊春蓉, 趙小文, 邊彩燕, 羅磊. “一膜兩年用”不同播種密度對馬鈴薯生長及產量的影響. 西北農業學報, 2017, 26(3): 384-389.

YUE Y, ZHU Y Y, ZHAO G B, XIONG C R, ZHAO X W, BIAN C Y, LUO L. Effect of different planting densities on potato growth and yield in two-year plastic film mulching. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalia Sinica, 2017, 26(3): 384-389. (in Chinese)

[11] RITCHIE S W, HANWAY J J, BENSON G O. How a maize plant develops. Special Report No.48. Iowa State University, Cooperative Extension Service, Ames, IA, 1992, http://maize. agron. iastate. Edu/maize grows.

[12] PAPAKOSTA D K, GAGIANAS A A. Nitrogen and dry matter accumulation, remobilization and losses for Mediterranean wheat during grain filling. Agronomy Journal, 1991, 83, 864-870.

[13] CIAMPITT I A, TONY J V. Physiological perspectives of changes over time in maize yield dependency on nitrogen uptake and associated nitrogen efficiencies: A review. Field Crops Research, 2012, 133: 48-67.

[14] GALLAIS A, COQUE M, QUILLERE I, PRIOUL J L, HIREL B. Modelling postsilking nitrogen fluxes in maize (Zea mays) using 15N-labelling field experiments. New Phytologist, 2006, 172(4): 696-707.

[15] GONZALEZ D V, DURAND J L, GASTAL F. Water deficit and nitrogen nutrition of crops. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2010, 30: 529-544.

[16] 徐洪敏, 朱琳, 劉毅, 陳新平, 李世清. 黃土旱塬幾種農田水分管理模式下春玉米氮素吸收及分配的差異. 中國農業科學, 2010, 43(14): 2905-2912.

XU H M, ZHU L, LIU Y, CHEN X P, LI S Q. Nitrogen absorption and allocation of spring maize on dryland of Loess Plateau in different farmland water management patterns. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(14): 2905-2912. (in Chinese)

[17] 李華, 王朝輝, 李生秀. 地表覆蓋和施氮對冬小麥干物質和氮素積累與轉移的影響. 植物營養與肥料學報, 2008 (6): 1027-1034.

LI H, WANG Z H, LI S X. Effect of soil surface mulching and N rate on dry matter and nitrogen accumulation and translocation of winter wheat. Plant Nitrition and Fertilizer Science, 2008(6): 1027-1034. (in Chinese)

[18] 李強, 王朝輝, 李富翠, 戴健, 李孟華, 何剛, 曹群虎, 段長林, 魚昌為. 氮肥管理與地膜覆蓋對旱地冬小麥產量和氮素利用效率的影響. 作物學報, 2014, 40(1): 93-100.

LI Q, WANG Z H, LI F C, DAI J, LI M H, HE G, CAO Q H, DUAN C L, YU C W. Effects of nitrogen fertilizer management on yield and nitrogen use effciency in winter wheat growing on dryland with plastic film mulching. Acta Agronomica Sinica, 2014: 40(1): 93-100. (in Chinese)

[19] LIU J L, ZHAN A, CHEN H, LUO S S, BU L D, CHEN X P, LI S Q. Response of nitrogen use efficiency and soil nitrate dynamics to soil mulching in dryland maize (Zea mays L.) field. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2015, 101: 271-283.

[20] 朱琳, 李世清. 地表覆蓋對玉米籽粒氮素積累和干物質轉移“源-庫”過程的影響. 中國農業科學, 2017, 50(13): 2528-2537.

ZHU L, LI S Q. Effect of soil surface mulching on the maize source-sink relationship of nitrogen accumulation and dry matter transfer. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(13): 2528-2537. (in Chinese)

[21] 何剛, 王朝輝, 李富翠, 戴健, 李強, 薛澄, 曹寒冰, 王森, 劉慧, 羅來超, 黃明. 地表覆蓋對旱地小麥氮磷鉀需求及生理效率的影響. 中國農業科學, 2016, 49(9): 1657-1671.

HE G, WANG Z H, LI F C, DAI J, LI Q, XUE C, CAO H B, WANG S, LIU H, LUO LC, HUANG M. Nitrogen, phosphorus and potassium requirement and their physiological efficiency for winter wheat affected by soil surface managements in dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(9): 1657-1671. (in Chinese)

[22] KIM K I, CLAY D E, CARLSON C G, CLAY S A, TROOIEN T. Do synergistic relationships between nitrogen and water influence the ability of corn to use nitrogen derived from fertilizer and soil. Agronomy Journal, 2008(100): 551-556.

[23] 呂麗華, 董志強, 張經廷, 張麗華, 梁雙波, 賈秀領, 姚海坡. 水氮對冬小麥-夏玉米產量及氮利用效應研究. 中國農業科學, 2014, 47(19): 3839-3849.

Lü L H, DONG Z Q, ZHANG J T, ZHANG L H, LIANG S B, JIA X L, YAO H P. Effect of water and nitrogen on yield and nitrogen utilization of winter wheat and summer maize. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(19): 3839-3849. (in Chinese)

[24] BOOMSMA C R, SANTINI J B, TOLLENAAR M, VYN T J. Maize morphophysiological responses to intense crowding and low nitrogen availability: An Analysis and Review. Agronomy Journal, 2009, 101: 1426-1452.

[25] TOKATLIDIS I S, HAS V, MELIDIS V, HASB I, MYLONASA I, EVGENIDISC G, COPANDEAN A, NINOUC E, FASOULAD V A. Maize hybrids less dependent on high plant densities improve resource-use efficiency in rainfed and irrigated conditions. Field Crops Research, 2011, 120: 345-351.

[26] 李儒, 崔榮美, 賈志寬, 韓清芳, 路文濤, 侯賢清. 不同溝壟覆蓋方式對冬小麥土壤水分及水分利用效率的影響. 中國農業科學, 2011, 44(16): 3312-3322.

LI R, CUI R M, JIA Z K, HAN Q F, LU W T, HOU X Q. Effects of different furrow-ridge mulching ways on soil moisture and water use efficiency of winter wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(16): 3312-3322. (in Chinese)

[27] 楊長剛, 柴守璽, 常磊, 楊德龍. 不同覆膜方式對旱作冬小麥耗水特性及籽粒產量的影響. 中國農業科學, 2015, 48(4): 661-671.

YANG C G, CHAI S X, CHANG L, YANG D L. Effects of plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of winter wheat in arid region of northwest China. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(4): 661-671. (in Chinese)

[28] CIAMPITT I A, TONY J V. A comprehensive study of plant density consequences on nitrogen uptake dynamics of maize plants from vegetative to reproductive stages. Field Crops Research, 2011, 121: 2-18.

[29] CIAMPITT I A, TONY J V. Grain Nitrogen Source Changes over Time in Maize: A Review. Crop Science, 2013, 53(2): 366-376.

[30] CASSMAN K G, PENG S, OLK D C, LADHA J K, REICHARDT W, DOBERMANN, SINGH U. Opportunities for increased nitrogen-use efficiency from improved resource management in irrigated rice systems. Field Crops Research, 1998, 56: 7-39.

[31] ZHANG F S. CUI Z L, FAN M S, ZHANG W F, CHEN X P, JIANG R F. Integrated soil-crop system management: reducing environmental risk while increasing crop productivity and improving nutrient use efficiency in China. Jounal of Environmental Quality, 2011, 40(4): 1051-1057.

[32] CHEN X P, CUI Z L, VITOUSEK P M, CASSMAN K G, MATSON P A, BAI J S, MENG Q F, HOU P, YUE S C, ROMHELD V, ZHANG F S. Integrated soil-crop system management for food security. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108: 6399-6404.

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

LI Ting1, LI ShiQing1,2, ZHAN Ai2, LIU JianLiang2

(1College of Resources and Environmental Science, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi;2State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】A field study was to investigate the effects of film mulching, nitrogen fertilizer and plant density on nitrogen accumulation, translocation and production efficiency of spring maize. This research could provide theoretical basis for optimizing high yield and high efficiency cultivation of dryland maize in semi-arid regions.【Method】Treatments included two planting methods (mulching and non-mulching), four nitrogen rates (0, 170, 200 and 230 kgN·hm-2 in 2013 and 0, 170, 225 and 280 kgN·hm-2 in 2014), and three plant densities (5.0×104, 6.5×104 and 8.0×104 plants·hm-2) during 2013 and 2014 growing seasons. The nitrogen accumulation, translocation, grain yield and nitrogen partial factor productivity (PFPN) of different treatments were analyzed.【Result】Film mulching significantly increased N accumulation pre-silking, promoted N accumulation post-silking and N translocation during vegetative stage, and thus significantly increased grain N accumulation and yield. Mulching models×N fertilizer and Mulching models×plant density significantly affected N uptake, accumulation and translocation in spring maize. Under the film mulching, more N fertilizer amounts (200-230 kgN·hm-2) or plant density (6.5×104-8.0×104 plants·hm-2) improved N translocation during vegetative stage, N assimilation post-silking and its contribution to grain, so it significantly increased grain N accumulation. However, under non-mulching, above amount of 170 kgN·hm-2 or plant density of 5.0×104 plants·hm-2 decreased N accumulation post-silking and its contribution to grain, which failed to increase grain N accumulation. N fertilizer×plant density had a significant effect on the N uptake, accumulation and translocation. PFPN and N harvest index (NHI) were positively related to N accumulation pre- and post- silking, translocated N and grain yield, which reached at a significant level. Comprehensive considering grain yield and PFPN, the N application of 200-230 kgN·hm-2 and plant density of 8.0×104 plants·hm-2 with film mulching system could achieve high yield of 13.7-14.6 t·hm-2 and high PFPN of 64.8-68.7 kg·kg-1 in spring maize on the Loess Plateau in northwest China.【Conclusion】The integrated management practice with film mulching, optimal nitrogen rate and plant density could promote the synergistic increase of N accumulation post-silking and N translocation from vegetative organs during grain filling, which was the fundamental reason for increasing grain yield and N fertilizer production efficiency.

spring maize; film mulching; nitrogen rate; plant density; nitrogen translocation; yield; nitrogen production efficiency; Loess Plateau

（責任編輯 李云霞）

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.08.008

2017-11-20；

2018-03-05

國家重點研究發展計劃（2017YFD0201807）、國家自然科學基金（41601310，41601308）、黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室自然科學基金（A314021402-1713，A314021402-1606）

李婷，liting6314238@126.com。

李世清，sqli@ms.iswc.ac.cn