溝壟集雨種植和氮肥對春玉米生長及產量的影響

劉璐璐，張雪玲，郗洛延，張寧寧，韓 娟，廖允成(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

溝壟集雨種植技術是一種地塊內集水農業技術，主要利用田間起壟、溝壟相間、壟面產流、溝內高效集雨，達到集雨、蓄水保墑、增溫、抑蒸的效果，已成為旱區農業主要節水措施之一[1-2]。該技術在玉米、小麥、馬鈴薯等大宗糧食作物上得到了廣泛應用[3-5]。大量研究表明溝壟集雨種植較傳統平作能夠顯著增加玉米產量，不同降雨量下溝壟集雨種植玉米產量提高了37%～75%[6-7]，不同溝壟比下溝壟集雨種植使春玉米增產10%～27%[8]。

氮素是玉米生長發育的重要影響因素[9]。氮肥缺失或過量均會導致春玉米光合能力下降[10]，進而影響植株干物質積累和玉米產量。目前在溝壟集雨種植春玉米生產中，氮肥運籌主要為基肥一次性施入和基肥加追肥[11]，然而一次性氮肥基施容易造成作物生長前期氮素的浪費，生長后期一定程度上的氮素虧缺，降低氮素利用效率，并帶來一系列的環境問題，而基施加追施模式雖然合理分配氮肥提高氮肥利用率，但卻增加了施肥的勞動強度和成本。與普通氮肥相比，緩釋氮肥肥效釋放周期長，能為作物生長提供長效養分[12]，從時間尺度上提高土壤氮素供應與作物需氮的吻合度[13]，同時具有省工、高產的優勢[14]。Zheng等[15]研究了小麥-玉米輪作體系下施用緩釋肥處理的效果；Si等[16]認為控釋氮肥可以提高或穩定夏玉米產量，減緩氮損失。諸多研究表明，緩釋肥料可以顯著提高作物的產量和氮肥利用率，但是有關溝壟集雨種植條件下施用緩釋肥對春玉米生長和產量的影響還有待進一步研究。

因此，本試驗基于溝壟集雨種植技術，以速效肥為對照，研究緩釋肥對春玉米株高、干物質積累和轉運、光合特性、產量等方面的影響，以明確溝壟集雨種植下省工穩產的氮肥施用模式，為完善溝壟集雨種植技術在旱區農業中的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于西北農林科技大學斗口小麥玉米綜合試驗示范站(108°52′E，34°36′N)，該區屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年太陽總輻射量為494. 70 kJ·cm-2，年均氣溫為12.9 ℃，年均降水量527 mm。2015年玉米生育期降雨量和日平均氣溫如圖1。試驗地土壤為土婁土，pH 8.0，有機質8.43 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，速效磷16.42 mg·kg-1，速效鉀367.06 mg·kg-1，硝態氮16.54 mg·kg-1，銨態氮4.79 mg·kg-1。

圖1 春玉米生育季內降雨量和日平均氣溫

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主區因素為種植方式：傳統平作(C)和溝壟集雨(P)兩種處理，其中溝壟集雨處理溝壟比為1∶1，壟高15 cm，壟上覆膜，膜厚0.008 mm，溝內種植2行玉米。副區因素為肥料處理：尿素[w(N)=46%]全部基施(F1)、尿素[w(N)=46%]基施+追施(3∶2；F2)、緩釋肥[w(N)=28%、w(P)=6%、w(K)=6%]全部基施(F3)，緩釋肥為由史丹利農業集團股份有限公司提供的“史丹利緩釋肥料”。試驗共計6個處理(表1)。所有處理施肥量均為N 225 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2(過磷酸鈣)、K2O 10 kg·hm-2(氧化鉀)，緩釋肥處理不足的磷、鉀肥量分別以過磷酸鈣、氧化鉀補足，磷、鉀肥均于播種前整地過程中全部施入(施深15 cm)。

每個處理3次重復，共計18個小區，每個小區長9 m，寬7 m，面積63 m2。供試玉米品種為‘鄭單958’，種植行距60 cm，株距25 cm，人工點播(播深5 cm)。試驗玉米于2015年4月18日播種，9月2日收獲，玉米全生育期無灌溉，其他田間管理參照當地一般生產水平。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 玉米株高、葉面積指數、干物質積累量 分別于玉米苗期、拔節期、吐絲期采集每個小區有代表性植株3株測定玉米株高；分別于玉米苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期采集每個小區有代表性植株3株測定葉面積指數(LAI=長×寬×0.75)；分別于玉米苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期、成熟期采集每個小區有代表性植株3株，105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質量，測定植株干物質積累量。

表1 試驗處理

1.3.2 玉米穗位葉光合參數 分別在玉米吐絲期和灌漿期內，于晴朗天氣9:30-12:00，選取每個小區有代表性的3棵植株，采用Li-6400便攜式光合儀測定玉米穗位葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)，每個葉片重復測定3次取平均值。

1.3.3 玉米穗位葉相對葉綠素含量 分別于玉米吐絲期和灌漿期，選取每個小區有代表性的3棵植株，采用SPAD儀測定玉米穗位葉相對葉綠素含量(SPAD值)，每個葉片重復測定3次取平均值。

1.3.4 產量及產量構成因素 成熟期各小區隨機選取2行(邊行除外)玉米收獲測產、考種。

1.3.4 干物質轉運計算公式 吐絲期營養器官干物質轉運率(%)=(吐絲期營養器官干質量-成熟期營養器官干質量)/吐絲期營養器官干質量×100%

吐絲期干物質轉運量對籽粒的貢獻率(%)=(開花期營養器官干質量-成熟期營養器官干質量)/總粒質量×100%

吐絲后干物質輸入籽粒量(t·hm-2)= 收獲期籽粒產量(t·hm-2)-吐絲前營養器官同化物轉運量(t·hm-2)

1.4 數據分析與處理

采用SPSS 23軟件分析試驗數據，LSD法進行顯著性及方差分析，并用SigmaPloit12.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同生育時期春玉米株高變化

溝壟集雨種植較平作顯著提高春玉米株高(圖2)：拔節期，與平作相比，溝壟集雨種植下各施肥處理春玉米株高提高10.22%～14.88%(P<0.05)；吐絲期，溝壟集雨種植下春玉米株高較平作增加3.59%～7.89%(P<0.05)。全生育期內，相同種植方式下，各施肥處理間株高無顯著差異。

圖2 各處理下春玉米株高變化

2.2 不同生育時期春玉米LAI變化

各處理春玉米LAI先增加后降低，吐絲期達到最大值，溝壟集雨種植相較于平作處理顯著增加春玉米LAI值(圖3)。吐絲期，溝壟集雨種植下春玉米LAI較平作增加7.18%～11.39%，其中PF2(4.39)LAI最高，其次為PF3(4.17)，各施肥處理間差異不顯著。灌漿期，與平作相比，溝壟集雨種植下春玉米LAI提高6.31%～11.36%，其中平作下LAI表現為CF3>CF2>CF1；溝壟集雨種植下LAI表現為PF2>PF3>PF1，說明與尿素基施相比，追肥處理和緩釋肥處理更有利于玉米葉片的建成與保持生育后期較高的綠葉面積。

2.3 春玉米干物質積累及轉運特征

隨玉米生育進程的推進，各處理下春玉米地上部干物質積累量逐漸遞增(圖4)。春玉米生長前期，各處理間春玉米干物質積累量無顯著差異。拔節期至成熟期，溝壟集雨種植相較于平作極顯著提高了玉米地上部干物質積累量。吐絲期，溝壟集雨種植下春玉米地上部干物質積累量較平作增加13.95%～17.78%；成熟期，溝壟集雨種植下春玉米地上部干物質積累量較平作增加15.45%～20.23%。相同種植方式下，各施肥處理間干物質積累量在玉米苗期、拔節期呈現F1>F3>F2的規律；大喇叭口期和吐絲期為F3>F1>F2；吐絲期為F3>F2>F1；在玉米灌漿期和成熟期為F2>F3>F1。說明尿素基施處理F1有利于玉米生育前期的干物質積累，而追肥處理F2有利于玉米生育后期的干物質積累，緩釋肥處理F3則在整個玉米生育季內的地上部干物質積累中均有優勢。

圖3 春玉米LAI變化

由表2可知，吐絲期營養器官干物質轉運率為13.01%～19.41%，種植方式和施肥處理間存在極顯著互作效應。施肥處理F1的轉運率在平作和溝壟集雨下均極顯著高于F2、F3，尿素基施處理具有更高的吐絲期營養器官干物質轉運率。吐絲期干物質轉運量對籽粒的貢獻率為12.10%～18.38%，在種植方式間無顯著差異；施肥處理在溝壟集雨種植和平作下規律均為F1>F2/F3，差異極顯著(P<0.01)。相比處理F2和F3，處理F1吐絲期干物質轉運量對籽粒的貢獻率更高，而較高的花前干物質轉運至籽粒量對玉米生長后期維持葉片生長及較高光合是不利的[17]。吐絲后干物質積累量和吐絲后干物質輸入籽粒量均表現出溝壟集雨極顯著高于平作9.06%～17.20%和15.03%～22.94%(P<0.01)，其中吐絲后干物質輸入籽粒量在施肥處理間差異顯著：平作下，CF2、CF3較CF1顯著提高12.93%、11.36%；溝壟集雨種植下PF3和PF2分別較PF1顯著提高5.08%和8.88%。吐絲后干物質同化量對籽粒的貢獻率在溝壟集雨種植與平作間無顯著差異，施肥處理F2、F3在平作和溝壟集雨種植下顯著高于F1 6.76%、6.18%和6.54%、7.26%。可見F2和F3處理相比較F1更有利于吐絲后的干物質積累和轉運。

圖4 春玉米地上部干物質積累量動態變化

表2 春玉米吐絲期前后地上部干物質轉運量和籽粒貢獻率

注：數據為“平均值±標準差”，同列內不同字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著，表3同。

Note:Data was “mean±standard error”,different letters above the same column indicate significant difference(P<0.05) among different treatments,the same as table 3.

2.4 春玉米Pn、SPAD值、Gs和Tr變化

對玉米Pn分析可知(圖5-A)：吐絲期溝壟集雨種植下的凈光合速率顯著高于平作處理5.88%～10.46%；施肥處理間規律為F3>F2>F1，且以PF3和PF2處理Pn27.0 μmol·m-2·s-1和26.3 μmol·m-2·s-1最高，顯著高于其他各處理(P<0.05)。灌漿期各處理的Pn在溝壟集雨種植下高于平作處理16.09%～27.74%(P<0.01)；在施肥處理間則為F2>F3>F1，其中平作下CF2Pn高于CF3，溝壟集雨種植下PF3Pn與PF2無顯著差異，可見溝壟集雨種植可以縮小玉米生育后期緩釋肥基施與追肥處理間的光合差異。

與吐絲期相比，灌漿期溝壟集雨種植下各處理玉米Pn的降低緩于平作處理，說明溝壟集雨種植更有利于維持玉米生育后期較高的光和水平。平作下，緩釋肥處理CF3的Pn降低程度與CF1相近；溝壟集雨種植下，緩釋肥處理PF3Pn降低程度則顯著小于PF1，與CF2降低幅度接近，可見溝壟集雨種植較平作更有利于緩釋肥后期養分供應，以保證植株較高的光合水平。

玉米葉片SPAD值在種植方式和施肥方式間的變化規律與Pn相似(圖5-B)。吐絲期SPAD值以PF3處理55.47最高，高于其他各處理3.5%～8.6%。與吐絲期相比，灌漿期溝壟集雨種植下SPAD值較平作降低程度小，且處理PF2和PF3相較于其他各處理始終保持著相對較高的SPAD值。

葉片Gs在吐絲期以PF3處理0.163 mmol·m-2·s-1最高；灌漿期以PF2處理0.126 mmol·m-2·s-1最高(圖5-C和5-D)。溝壟集雨種植在吐絲期和灌漿期分別比平作極顯著提高葉片Gs19.64%和20.68%(P<0.01)。施肥處理F2、F3在吐絲期和灌漿期分別比F1顯著提高葉片Gs5.04%、5.04%和12.87%、8.91%(P<0.05)。Tr在吐絲期和灌漿期均以PF2處理最高，分別為5.6、3.8 mmol·m-2·s-1。在吐絲期和灌漿期溝壟集雨種植分別比平作極顯著提高Tr18.70%和12.86%(P<0.01)。施肥處理F2、F3在吐絲期和灌漿期分別比F1顯著提高Tr5.30%、3.56%和11.65%、7.05%(P<0.05)。施肥處理F2和F3較F1提高了玉米吐絲期和灌漿期的葉片Gs和Tr。

圖5 各處理下春玉米Pn、SPAD值、Gs和Tr

2.5 春玉米產量及產量構成要素

由表3可知，各處理間春玉米穗粒數無顯著差異。與平作相比，溝壟集雨種植下F1、F2、F3處理春玉米百粒質量提高9.51%、44.96%、12.34%，產量提高7.43%、8.36%、10.89%。平作下施肥處理F2、F3相比對照F1提高百粒質量3.76%、4.67%，但產量間無顯著差異。溝壟集雨種植下施肥處理F2、F3相比對照F1顯著提高百粒質量6.08%、7.37%；產量增加了0.80%、2.09%。

3 討 論

3.1 溝壟集雨種植和氮肥對春玉米生長的影響

良好的植株生長狀況是干物質積累與合理分配的保障。多項研究表明，溝壟集雨種植有利于植株生長和干物質積累[18]。植物營養生長的良好與否直接反映在株高上，同時一定范圍內，作物的產量隨LAI的增大而提高[19]。任小龍等[20]研究表明相同施肥模式下溝壟集雨種植可以顯著提高玉米株高6.8%～27.1%，增加玉米葉面積8.5%～73.9%，玉米干物質積累增加12.1%～86.6%。李宗新等[21]對玉米進行生長模擬發現控釋肥處理下玉米干物質積累速率增長維持時間長。緩釋肥處理下玉米花后10～50 d葉面積指數高于尿素處理，緩釋肥處理顯著提高玉米生育后期植株Pn[22]。大喇叭口期追肥有利于后期光合產物的形成和積累[23]。付永強等[24]研究表明尿素基施后期生長脫靶，玉米干物質積累量低，尿素追施處理對吐絲后干物質積累增加顯著，包膜尿素基施相比普通尿素處理增加吐絲前、后玉米干物質積累，顯著提高玉米成熟期干物質積累量5.85%。本試驗結果表明溝壟集雨種植下玉米株高、LAI、干物質積累量較平作增加了3.59%～9.38%、5.41%～11.39%、15.45%～20.23%，尿素追施處理有利于玉米生育后期的干物質積累，而緩釋肥基施有利于整個玉米生育季內的地上部干物質積累。這是因為溝壟集雨處理對土壤水溫環境的改善能夠促進玉米生長，追肥與緩釋肥基施滿足玉米生育后期的氮素需求，有利于玉米干物質積累。

表3 各處理下春玉米產量及產量構成要素

玉米抽雄后干物質生產和轉運決定了籽粒干物質的75%～90%[25]，本試驗研究結果表明玉米籽粒干質量的81%～87%由吐絲后轉運而來，由此可見吐絲后玉米所積累的干物質轉運至籽粒的量決定了玉米產量的高低。劉勝堯等[25]研究表明溝壟集雨種植增大了玉米籽粒庫容，干物質轉運量大，灌漿期籽粒干物質積累速率高出對照17.84%?？蒯尫侍幚碛欣诨ê蟾晌镔|積累且營養器官干物質向籽粒中的轉移量大，對籽粒的貢獻率比較高[26]。本試驗研究表明溝壟集雨種植吐絲后干物質積累量和輸入籽粒量均高于平作。追肥處理和緩釋肥處理吐絲期干物質轉運率顯著低于尿素基施，為玉米生育后期的干物質積累轉運提供了有利條件。溝壟集雨種植較平作有利于春玉米地上部干物質的轉運，在溝壟集雨下吐絲后緩釋肥處理和追肥處理較高的干物質積累量和輸入籽粒量，是其產量增加的前提。

3.2 溝壟集雨種植和氮肥對春玉米光合的影響

光合作用產物決定玉米干物質積累量的90%～95%[27]，可見光合作用對玉米生產的重要性。張玉等[28]研究結果顯示溝壟集雨處理較平作顯著增加小麥各生育時期的SPAD(42%～64%)和光和速率(22%～67%)；蘇旺等[29]研究表明糜子各生育時期的Pn和Gs在溝壟集雨種植下均顯著提高；李尚中等[30]研究表明壟蓋膜際種植較平作提高了玉米功能葉光能轉化效率；任小龍等[20]、韓娟等[31]在模擬降雨下研究發現溝壟集雨種植顯著增加玉米Pn、Gs和SPAD；李永平等[32]研究表明溝壟集雨種植方式下玉米Pn、Tr和SPAD較平作增加10%、16%和17%。氮肥施用會顯著改善光系統間協調性[33-34]。控釋尿素相比常規尿素有利于玉米生長后期葉片光合能力表現在增加葉片Gs，提高葉片SPAD等[33]；趙斌等[26]研究發現控釋肥處理花后的光合速率始終較高；劉朝巍等[35]研究不同施氮方式對玉米光合特性的影響發現在開花期和灌漿期追肥處理和緩釋肥處理的Gs、Tr及Pn較高。本研究結果顯示玉米吐絲期和灌漿期，溝壟集雨種植下各處理穗位葉的SPAD值、Gs及光和強度均高于平作下各處理，尿素基施的Pn均低于同等種植條件下的追肥處理與緩釋肥處理，與前人研究結果一致。水肥條件是影響光合作用的重要因素[36-37]，玉米生育后期根系吸收氮素受限，植株衰老加快[38]，溝壟集雨種植良好的水分供應為玉米光合創造有利條件，溝壟集雨種植下緩釋肥和尿素追施處理于玉米生育后期較好的氮肥供應有效地抑制植株衰老過程，為玉米保持較高光合的能力提供保障。

黃智鴻等[39]對高產玉米品種的研究發現玉米籽粒產量主要源于玉米后期光合產物的積累，玉米生育后期較高的LAI和SPAD是玉米高光和功能的象征，溝壟集雨種植和追肥、緩釋肥處理結合改善田間水肥條件，可以維持玉米后期較高的SPAD、Gs和Tr，從而提高了玉米生育后期的光合能力。

3.3 溝壟集雨種植和氮肥對春玉米產量的影響

作物產量在一定程度上與植株LAI呈正相關[19]，并與各生育時期的Pn呈極顯著相關[40]，玉米籽粒形成更與其合理的干物質轉運特征密不可分。本試驗結果表明溝壟集雨種植下玉米株高、LAI、Pn及干物質積累量均顯著高于平作，百粒質量及產量分別較平作提高了9.51%～12.34%、7.43%～10.89%；尿素追施及緩釋肥基施相較于尿素基施更有利于玉米保持較高的光合水平和較高的干物質積累及轉運量，為玉米籽粒形成奠定了物質基礎，相較于尿素基施提高了玉米百粒質量。李宗新等[21]研究表明施用控釋肥顯著提高夏玉米穗粒數和千粒質量達3.6%和8.4%，比尿素基施增產4.3%，溝壟集雨種植通過增加玉米穗粒數和千粒質量而增加產量[41]，與本研究結果一致。溝壟集雨種植下尿素追施或緩釋肥基施保持了春玉米較高的光合水平，是作物穩產的生理保障。

4 結 論

溝壟集雨種植下氮肥追施或緩釋肥基施結合，能夠有效抑制玉米生育后期植株衰老進程，保證玉米籽粒形成期較高的光和水平，促進玉米植株干物質積累并合理協調庫源平衡，構建良好的干物質轉運特征，取得較尿素基施更好的產量效果?；诰忈尫蕼p少勞力、穩定產量的優勢，緩釋肥基施的肥料管理模式在溝壟集雨種植下值得推廣應用。

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