膜下滴灌水肥調控對玉米生長和水肥利用的影響

陳東峰，羅 朋，張富倉，鄒海洋， 郭金金，鄭 靜，聞 磊，張嘉敏

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100； 3.山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

玉米是涵蓋食用、飼料、經濟、能源多種功能的作物，占中國糧食種植面積的1/4[1],在西北地區糧食生產中占有很重要的地位。水和肥是玉米生長必不可缺的兩因素，合理的灌水施肥可以促進作物生長發育，提高作物產量[2]，但實際農作生產中，為了追求糧食高產，普遍存在過量灌水和施肥，不僅造成水、肥浪費，降低水肥利用率，還可使土壤中的無機養分如硝態氮、銨態氮累積并淋溶至地下水，造成農業面源污染[3]。因此，研究合理的水肥調控措施，不僅對提高農田水肥利用效率有重要作用，還對改善農田環境有重要意義。近些年來，水肥互作效應及其對作物生長的影響已被眾多學者所共識，并有大量的研究文獻所報道。研究表明，施氮量在一定的范圍內與小麥千粒重和產量及玉米百粒重和產量呈正相關，且能有效提高作物水分利用效率[4-6]；充分的水、氮供應能顯著提高玉米營養器官的干物質累積，且主要增加葉部位干物質的累積[7,8]；地面灌溉條件下，氮肥和鉀肥耦合對夏玉米葉面積指數有顯著影響，其中灌水作用>施氮作用>施鉀作用，對籽粒、苞葉、穗軸、莖桿、葉等器官均有顯著影響[9]；水氮耦合下的灌溉水分生產效率隨施氮量增加而增加，滴灌條件下灌水和施氮可達到產量和水氮利用效率同步提高的目的[10]；滴灌水氮耦合下分次追肥對大蒜增產效果顯著[11]，肥料100%滴施下的玉米產量和灌溉水利用效率最高[12]。

山西汾河灌區是山西省最大的自流灌區，是山西省主要的糧食產地之一[13]，玉米是該地區主要的糧食作物[14]。近年來，汾河灌區春玉米灌溉定額高達360 mm[15]，春玉米單位面積施氮肥和磷肥(折純量)分別是253 kg·hm-2和105 kg·hm-2，遠遠超過國際上為防止水體污染而設置的225 kg·hm-2的安全上限[16]。近年來，水肥一體化灌溉施肥技術的發展，為作物的高效水肥管理提供技術支撐，但在該地區缺乏滴灌施肥條件下不同水肥供應對玉米生長和水肥利用的影響的研究報道，特別是缺乏玉米在灌溉施肥條件下水分養分管理技術。在山西汾河灌區的氮磷鉀肥配施對春玉米生長、產量和水肥利用效率的影響還鮮有報道。本試驗利用覆膜和滴灌施肥相結合的技術，研究不同灌水施肥調控措施對山西汾河灌區春玉米生長、干物質累積分配、產量和水肥利用效率的影響，為汾河灌區春玉米實施精確的滴灌施肥管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年4-9月在山西省水利水電科學研究院節水高效示范基地(112°33′E，37°44′N)進行。試驗地海拔775.4m，屬溫暖帶大陸性半干旱氣候，四季分明、光熱資源豐富。年均氣溫9.6℃，無霜期170天，年均日照時數2 675.8 h，多年平均降雨量430 mm，年均蒸發量1 812.7 mm。試驗地土壤質地為粘壤土，耕層土壤容重為1.39 g·cm-3，田間體積持水量為34.0%。供試玉米為“先玉335”，試驗肥料采用尿素(N 46.4%)和史丹利復合肥(N-P2O5-K2O 18%-18%-18%)配比使用，采用施肥泵施肥。地膜選用聚乙烯塑料薄膜，厚0.008 mm，寬0.8 m。采用內鑲式圓柱滴頭滴灌帶，內徑8 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量為2 L·h-1，滴灌帶布設在窄行中間。

1.2 試驗設計

設置滴灌灌水和施肥兩因素，灌水以作物蒸發蒸騰量ETc為基礎，施肥以前期調查獲得當地施肥量(N-P2O5-K2O，240-100-100(kg·hm-2))為基礎。兩因素各設置3個水平：即低水(W1:60%ETc)、中水(W2:80%ETc)和高水(W3:100%ETc)；低肥(F1：N-P2O5-K2O，100-50-50(kg·hm-2))、中肥(F2：N-P2O5-K2O，170-75-75(kg·hm-2))、高肥(F3：N-P2O5-K2O，240-100-100(kg·hm-2))，共9個處理，3次重復，共27個小區。作物蒸發蒸騰量ETc=Kc×ETo，ETo為參考作物蒸發蒸騰量，Kc為作物系數，依據2005-2015過去10年氣象數據按Penman Monteith 修正公式計算[17]，然后取均值。Kc前期取0.7(苗期～拔節期)，中期取1.2(吐絲期～灌漿期)，后期取0.6(乳熟期)[18]。試驗小區面積為7 m×5 m=35 m2，寬窄行種植，窄行40 cm，寬行85 cm，株距28 cm，種植密度為59 445株·hm-2，4月23日播種，9月24日收獲。從苗期開始每10天灌水一次，W1、W2和W3總灌水量分別為158.41 mm、211.22 mm和264.02 mm。按玉米的生長特性，于苗期、拔節期、吐絲期和灌漿期進行施肥，且施肥量分別占總施肥量的20%、30%、30%和20%。

1.3 觀測指標及方法

生長指標測定：在玉米苗期(播后25天)、拔節期(播后76天)、吐絲期(播后86天)、灌漿期(播后104天)、乳熟期(播后123天)和成熟期(播后155天)每小區破壞性取3株樣測定株高、葉面積(苗期不破壞性取樣，只用直尺從地面垂直測得植株最高值為株高，無葉面積指數和干物質量，成熟期葉全黃，故也無葉面積)。將植株各器官分開，稱鮮重后放入烘箱，在105℃殺青30min，然后于85℃烘至恒重，測定植株地上部分干重。

產量測定：成熟期每小區選取一行測定玉米穗長、穗粗、禿尖長、單穗籽粒重、千粒重，風干籽粒至14%含水量時測定籽粒產量。

相關指標計算公式[19, 20]：

葉面積(m2)=葉片長×葉片寬×0.75；

葉面積指數(LAI)(m2·m-2)=單株葉面積×單位面積內玉米株數；

干物質分配率(%)=(器官干物質量/地上部干物質量)×100%；

吐絲前營養器官干物質轉運量(kg·hm-2)(DTABS)=吐絲期營養器官干重-收獲期營養器官干重；

吐絲前營養器官干物質轉運率(%)(DTRBS)=(吐絲前營養器官干物質轉運量/吐絲期營養器官干重)×100%；

吐絲前營養器官干物質轉運量對籽粒產量貢獻率(%)(GCRBS)=(吐絲前營養器官干物質轉運量/籽粒干產量)×100%；

吐絲后同化物輸入籽粒量(PIAAS)(kg·hm-2)=籽粒干產量-吐絲前營養器官干物質轉運量；

吐絲后同化量對籽粒貢獻率(%)(GCRAS)=1-吐絲前營養器官干物質轉運量對籽粒產量貢獻率；

灌溉水利用效率(IWUE)(kg·m-3)=籽粒產量(生物產量)/灌水量；

肥料偏生產力(PFP)(kg·kg-1)=籽粒產量(生物產量)/施肥量。

1.4 數據處理

用Excel 2010進行數據整理，SPSS 19.0統計分析軟件處理試驗數據，選取Duncan進行方差分析，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水施肥措施對玉米生長的影響

2.1.1 不同灌水施肥措施對玉米株高的影響 株高能反映玉米的生長發育狀況，圖1為不同灌水施肥措施下玉米株高在全生育期內變化情況。不同處理玉米株高在全生育期內不斷增加，苗期至拔節期株高增長量最大，高水高肥(W3F3)處理增長最多為167.3 cm；拔節至吐絲期株高增長速率最快，平均為7.5 cm·d-1。苗期各處理株高無顯著差異，拔節期各處理株高差異顯著。吐絲至灌漿期各處理株高差不斷減小但仍有顯著差異，拔節之后株高變化趨勢相同即株高與灌水量和施肥量呈正相關關系；F3施肥量下不同灌水量處理對玉米最終株高無顯著影響，說明高施肥水平下灌水量越大，玉米生長發育越早、越快，但最終株高差異不大；收獲時W3F3處理株高最大為281.7cm，W1F1最小為246.05 cm。W3F3、W2F3、和W2F2三處理在吐絲期株高已接近最大值，吐絲后株高增長量小、增長緩慢；其它處理灌漿期株高仍有變動。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different small letters mean significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth stage.The same as below.圖1 不同水肥處理對玉米株高的影響Fig.1 Effects of different water and fertilizer treatmentson maize plant height

2.1.2 不同灌水施肥措施對玉米葉面積指數(LAI)的影響 葉面積指數(LAI)反映作物群體的葉面積大小、植株光合和蒸騰蒸發作用的強弱。如表1，全生育期內LAI均表現為：拔節至吐絲期迅速增大，吐絲至乳熟期基本穩定并有緩慢減小的趨勢。拔節期同一灌水量下LAI隨施肥量的增加而增加，W3F3和W1F1處理差異顯著。吐絲期LAI值是整個生育期內最大的(W1F3處理和W1F1處理除外)，灌水量越大，LAI值越大。灌漿期同一灌水量下LAI差異顯著，施肥量對LAI的影響達到極顯著水平(P<0.01)，說明在該試驗條件下灌漿期施肥能顯著影響LAI。

2.2 不同灌水施肥措施對玉米地上部分干物質累積、分配和轉運的影響

2.2.1 不同灌水施肥措施對玉米干物質累積的影響 玉米地上部分干物質的累積直接關系著籽粒產量，如圖2 所示，拔節期干物重在W2處理下獲得最大值且隨施肥量增加而增加，W1處理下拔節期施肥過多對干物質累積有抑制作用，吐絲期高水高肥處理(W3F3)干物質累積量明顯高于其它處理。全生育期內干物質不斷累積增加，至成熟期達到最大，且隨灌水量和施肥量的增加而增大；W3F3處理單株干物質累積量最大，值為23.41 t·hm-2，W1F1處理干物質累積量最小，值為17.58 t·hm-2，其它處理干物質總累積量無顯著差異。

圖2 不同水肥處理對玉米干物質累積的影響Fig.2 Effects of different water and fertilizer treaments onmaize dry matter accumulation

灌水 Irrigation施肥Fertilization拔節期 Jointing stage吐絲期Spinning stage灌漿期Filling stage乳熟期 Milk-ripe stageF11.25b3.36e3.00d3.42aW1F21.49b3.75bc3.32c3.12abcF32.29ab3.61cde3.83a2.79cF11.66ab3.85abc3.48bc3.20abW2F21.73ab3.90abc3.70ab3.38abF32.31ab4.01ab3.60abc3.04bcF11.71ab3.63cde3.40bc3.01bcW3F22.07ab3.73bcd3.34c3.25abcF32.57a4.11a3.84a3.09abcF值 F value灌水 Irrigation0.074.90?3.601.08施肥 Fertilizer5.78?8.33??17.11??4.97?灌水×施肥Irrigation×Fertilizer1.075.96?5.06?3.32

注：同列不同字母表示(P<0.05)顯著差異；*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference; *mean significant difference, while **mean much significant difference, the same as below.

2.2.2 不同灌水施肥措施對玉米地上部分干物質分配的影響 玉米全生育期內各器官干物重不斷變化，除籽粒外其余器官干物重呈先增大后減小的趨勢，莖、葉、穗軸、苞葉干重分別在灌漿、乳熟、乳熟、灌漿期達到最大。研究不同生育期各器官干物質分配情況可以調控和優化干物質分配比例從而優化籽粒產量。如圖3和圖4所示，隨生育期推進莖、葉、穗軸和苞葉占比例不斷減小，灌漿前不同灌水和施肥處理對莖分配比無顯著影響，乳熟和成熟期高水(W3)和高肥(F3)處理莖分配比例最小；不同灌水處理對吐絲和灌漿期葉分配比例影響差異顯著，且中水處理下分配比例最大。

圖3 不同灌水處理對玉米各器官干物質分配的影響Fig.3 Effects of different water treatments on maize drymatter partitioning of various organs

圖4 不同施肥處理對玉米各器官干物質分配的影響Fig.4 Effects of different fertilizer treatments on maize drymatter partitioning of various organs

不同灌水和施肥處理對灌漿、乳熟和成熟期籽粒分配比例影響顯著(灌水對灌漿期籽粒分配比例除外)；成熟期高水(W3)處理比低水(W1)處理分配比例高4%，且差異顯著(P<0.05)，高肥(F3)和中肥(F2)處理比低肥(F1)處理分配比例高4.64%和2.21%，均達到顯著差異(P<0.05)。因此，適當的增加灌水和施肥量能提高籽粒分配比，降低其它器官分配比，從而提高產量。

2.2.3 不同灌水施肥措施對玉米營養器官干物質轉運及對產量貢獻的影響 如表2所示，吐絲前營養器官干物質轉運量在370.35～1766.11(kg·hm-2)之間，中水(W2)灌水水平下不同施肥處理營養器官干物質轉運量有顯著差異，相同灌水水平下高肥(F3)施肥量下轉運量最大。與轉運量變化趨勢相同，只有中水(W2)灌水水平下轉運率差異顯著，在各灌水水平下中肥(F2)施肥量下轉運率均最低，其對籽粒貢獻率亦是最低。與吐絲前干物質轉運量規律相反，吐絲后干物質轉運輸入籽粒量中肥(F2)施肥量下最大，對籽粒產量貢獻率亦是中肥(F2)施肥量下最大，且中水(W2)灌水水平下不同施肥處理吐絲后干物質轉運輸入籽粒量差異顯著。

2.3 不同灌水施肥措施對玉米產量及構成要素的影響

表3為不同灌水施肥措施對玉米產量及其構成要素的影響，由表3可知，，在W2F3處理穗長最大，W1F3處理穗粗最大，W3F3處理最小，穗粗隨灌水量的增大而減小，不同處理間無顯著差異。

表2 不同處理吐絲后營養器官干物質再分配量和吐絲后累積量

單穗籽粒重在同一灌水水平下隨施肥量增加而增大，同一施肥水平下隨灌水量的增加而增加，在W3F2處理取得最大值，為246.85 g·株-1。同灌水量下(W2灌水量除外)千粒重與施肥量呈正相關關系，W1F1處理值最小為334.81 g，W2F2值最大為384.47 g。產量分別在W3F3處理和W1F1處理獲得最大和最小值，分別為12 474.34 kg·hm-2和9 015.87 kg·hm-2，但W3F2與W3F3處理產量較為接近，說明高水中肥(W3F2)情況下繼續增加施肥量對產量提升效果不明顯。W2F2、W3F2、W3F3與W1F1處理相比，產量分別增高31.52%、38.35%、38.36%，W3F3與W2F2相比增產5.2%,但W2F2比W3F3少灌水25%、少施肥37.5%，所以W2F2在減產不顯著下節水節肥更明顯。

表3 不同水肥處理對玉米產量及構成要素的影響

2.4 不同灌水施肥措施對玉米灌溉水利用效率和肥料偏生產力的影響

由表4可以看出，籽粒產量和生物量的灌溉水利用效率(IWUE)均是W1F3處理最高，分別為7.13 kg·m-3和12.77 kg·m-3,W3F1處理最低，分別為4.49 kg·m-3和7.4 kg·m-3。可見，隨灌水量增加，IWUE表現出“W1>W2>W3”的規律，W1處理下籽粒產量的IWUE均值分別比W2、W3處理增加24.23%、41.64%,生物產量的IWUE同比分別增加26.67%、47.21%；相同灌水量下隨施肥量增加IWUE從大到小依次為F3、F2、F1(籽粒IWUE中W3F3除外)，說明增加施肥量能提高IWUE。偏肥料生產力(PFP)均是W1F3處理最低，分別為25.67 kg·kg-1和45.96 kg·kg-1，W3F1處理最高，分別為59.22 kg·kg-1和97.72 kg·kg-1。同一灌水量下PFP與施肥量呈負相關關系，即F1>F2>F3,說明增加施肥量會減小PFP；相同施肥量下PFP隨灌水量增加而增加，F1處理的籽粒產量PFP分別比F2、F3高38.98%、88.98%，生物產量PFP分別高43.43%、88.37%，灌水和施肥對兩種指標影響均達顯著水平。

3 討 論

合理的水肥調控措施可以達到以水調肥，以肥促水的目的；不合理的水肥措施將抑制作物生長，降低作物的水分和養分利用效率。有研究表明，施磷能增加玉米葉面積指數并促進玉米莖和葉的干物質累積[21]；膜下滴灌條件下，增加灌水或施肥量都可以促進西瓜的生長并提高光合速率、增加西瓜產量[22]。這與本研究結論一致。王連君等[23]在膜下滴灌水肥耦合對塑料大棚葡萄生長發育影響的研究中得出，灌水和施肥量都存在一個閾值，達到閾值后，繼續增大灌水和施肥量，會對生長有抑制作用，本研究表明隨灌水和施肥量的增加玉米株高持續增加，并沒有受到抑制，其原因可能是本研究水肥量設置還不夠大，再加上降雨和灌水的淋溶，使土壤中的養分含量還在作物能夠吸收利用的范圍內，所以水肥施入量越高，玉米生長發育越好。向友珍等[24]認為葉面積指數隨生育期呈先增大后減小的趨勢，在抽雄期葉面積指數最大，這與本研究結果不完全相同，本研究也表明葉面積指數隨生育期推進先增加后減小，但多數處理葉面積指數在吐絲期最大。葉面積指數對施肥量更為敏感，可能是因為葉片生長需要更多氮素供應的原故。在F2施肥水平下，W2處理整個生育期葉面積指數之和大于W1和W3處理，原因可能是在F2施肥水平下，W1處理存在水分脅迫抑制了作物根系生長，從而減少了養分吸收量，而W3處理下灌水量過高造成了土壤根區養分淋失。

表4 不同水肥處理對玉米IWUE和PFP的影響

高水處理有利于玉米干物質的累積[16]，隨著玉米生育期的推進，灌漿后穗部干物質分配明顯加快，除穗部所占分配比例增高外其它器官干物質所占比例逐漸降低，表現為前期擴源后期增庫[19]；生育前期光合作用同化物用于擴源，后期光合作用同化物則充庫，兩者都是籽粒產量的重要來源[25]，后者對籽粒產量的貢獻率在78%～84%之間，合理的氮肥管理可以促進后期干物質向籽粒的轉運，從而協調“源”和“庫”的關系，達到“源”和“庫”的平衡[26]。本研究表明，春玉米地上部分干物質的累計量表現為W3>W2>W1和F3>F2>F1，吐絲期以前莖和葉所占比例最大，灌漿以后籽粒干重占比例增加，乳熟期增量最大，至成熟期所占比例超過50%，W3處理和F3處理籽粒占比例最大；吐絲后同化物干物質轉運對籽粒產量貢獻率在81.56%～96.45%，該結果比前人結果偏高，可能是土壤肥力分布不均勻、灌水施肥過程中管道漏水、堵塞、降雨分布不均和氣象等因素共同作用的結果。

偏肥料生產力(PFP)是反映當地土壤基礎養分水平和化肥施用量綜合效應的指標[27]，產量、灌溉水利用效率是評價一種水肥管理措施對作物調控結果的重要指標[28]，有學者研究認為滴灌施肥下各因素與產量均呈正相關關系[29]，油菜產量在一定范圍內隨施氮量的增加而增加[30]；在同等灌水條件下，施肥可提高灌溉水利用效率[31]；王秀康[32]認為水肥交互作用對番茄產量影響顯著，王丹等[33]認為水氮交互對小麥產量影響顯著；宋明丹[34]研究認為水氮交互對冬小麥夏玉米產量無顯著影響。本研究結果認為水肥交互作用對產量的影響不顯著，這可能與后期降雨較多有關，但灌水和施肥單因素對產量和IWUE影響顯著，且與產量正相關；IWUE隨施肥量增加增高，PFP隨灌水量增加增高，低水低肥雖獲得最高水分利用效率，但產量較低，中水中肥在不減產的前提下兼顧水肥高效利用，更利于實際生產。

4 結 論

1)除產量構成要素外，施肥單因素對其它各指標影響顯著，水肥交互作用對產量和灌溉水利用效率無顯著影響。

2)W3F3處理株高、葉面積指數最大，干物質量也最大，為23.41 t·hm-2；高水(W3)和高肥(F3)處理籽粒分配比例最高，且與其它處理差異顯著(P<0.05)；W2F2處理吐絲后同化量對籽粒貢獻率最大，為96.45%。

3)灌溉水利用效率隨灌水量增加而降低，隨施肥量增加升高，肥料偏生產力變化趨勢與此不同；W3F3處理產量最大為12 474.34 kg·hm-2，W2F2處理比W3F3處理產量低5.2%，但節水528 m3·hm-2，節肥120 kg·hm-2；W2F2處理產量灌溉水利用效率為5.61 kg·m-3，產量偏肥料生產力為37.05 kg·kg-1；綜合高產、高效和節水節肥等因素，80%ETc灌水量和N-P2O5-K2O 170-75-75 kg·hm-2施肥量可作為山西汾河灌區最優的灌溉施肥模式。