噴灌條件下水氮用量對玉米氮素吸收轉運的影響

張忠學 劉 明 齊智娟

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

水氮是限制農作物生長的主要因子，增施氮肥以及提高灌水量成為現階段農作物增產的主要方式，然而作物產量以及植株體內氮素累積與施氮量和灌水量并非正相關[1-2]。增施氮肥可以提高農田氮素水平，滿足農作物對于養分的需求，但不合理的氮肥施加會導致氮肥利用率和作物產量的降低，甚至造成環境污染[3-4]。在缺水干旱年份，尤其是在土壤底墑差和生育期雨水少的年份，作物氮吸收和肥料氮利用率較低，氮肥效益差[5]，氮肥的表觀利用率、農學利用率和偏生產力在灌水條件下均顯著高于自然干旱條件，干旱和缺少氮素限制了干物質向籽粒的轉運和分配[6]。

已有研究結果表明，適宜的氮肥運籌方式有利于春玉米養分轉運效率的提高[7]。隨著施氮水平的提高，玉米干物質轉運量、轉運率和干物質籽粒貢獻率總體上呈增加趨勢，但不同器官之間存在明顯差異[8]。葉片和穗葉的干物質轉運量對籽粒的貢獻率高于莖鞘和穗軸，分別達到12.4%～15.3%和5.2%～7.0%[9]，高氮條件下玉米不同器官氮素運轉量及其對籽粒貢獻率的影響大于低氮和不施氮情況[10]。徐明杰等[11]研究指出，施氮250 kg/hm2時籽粒中57.73%的氮素、施氮185 kg/hm2時籽粒中45.15%的氮素來自各器官的轉移，花后積累的氮素是籽粒氮素主要來源，WANG等[12]認為，提高氮素利用效率和氮素再分配效率可以提高籽粒產量。

關于玉米水氮耦合的研究多集中在基于提高產量和水氮利用效率尋求最優的水氮管理模式，而對于各器官干物質和氮素吸收以及轉運的研究僅限于施氮量單一因素。因此，在前人研究基礎上，本文利用15N示蹤技術，研究噴灌玉米水氮耦合條件下對氮肥回收率、干物質和氮素積累、轉運的影響，并將玉米植株中肥料氮和土壤氮加以區分，對各器官肥料氮、土壤氮的吸收轉運作進一步分析，更具體、準確地了解不同氮源在植株各器官內的吸收轉運情況[13]，揭示噴灌玉米水氮耦合條件下花前、花后氮素吸收和轉運規律，以及作物氮、肥料氮、土壤氮之間的關系，以期為東北地區玉米種植提供科學合理的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年4─10月在黑龍江省肇州縣水利科學試驗站進行。試驗站地處45°17′N、125°35′E，屬大陸性溫寒帶氣候。年降雨量在400～500 mm之間，平均蒸發量1 733 mm，有效積溫2 845℃，無霜期138 d，屬于第一積溫帶，試驗土壤為碳酸鹽黑鈣土。土壤容重當土層深度在0～10 cm時為1.18 g/cm3，10～20 cm時為1.22 g/cm3，20～30 cm時為1.22 g/cm3，30～40 cm時為1.21 g/cm3，40～100 cm時為1.01 g/cm3。試驗區土壤田間持水率為31.78%，pH值為6.4。土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量(質量比)分別為28.20、1.41、0.88、19.86、0.13、0.04、0.21 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗設置灌水定額和施氮量2個因素。灌水定額設置3個水平：W1：40 mm，W2：60 mm，W3：80 mm。氮肥施用量設置4個水平：N0：0 kg/hm2，N1：180 kg/hm2，N2：240 kg/hm2，N3:300 kg/hm2，磷肥和鉀肥施用量均為90 kg/hm2。共12個處理，每個處理3次重復，共36個小區。各小區面積104 m2(10.4 m×10 m)。每公頃保苗67 500株，各小區均采用65 cm小壟種植，每小區16條壟，株距23.0 cm。保護區寬度為5 m，保護行寬度為1 m，隔離帶寬度為1.3 m(即2條壟)。于各小區正中心設置微區，微區采用長2.0 m、寬0.6 m、高0.4 m的鐵皮框制成。劃出微區所在位置后，將鐵皮框放到微區所在位置，外圍垂直挖0.35 m，將鐵皮框套入土中，使其周圍與土壤緊貼，鐵皮框上方露出地表5 cm。

試驗所用的肥料為尿素(含氮質量分數46%)、磷酸二銨(含氮質量分數18%；含磷質量分數46%)和硫酸鉀(含鉀質量分數58%)，施肥方式為撒施，不覆膜，微區內施用的氮肥為豐度10.22%的15N標記的尿素。各處理的肥料施用量均是經過折算后的氮、磷、鉀元素的施用量，磷肥和鉀肥全部作為基肥施入，氮肥1/2隨底肥施入，剩余1/2在拔節期施入。供試玉米品種為“大龍568”。試驗于2018年5月1日播種，生育期內灌水2次，分別在拔節期、抽雄期灌水，各次灌水定額比例為1∶1，其中拔節期灌水是在施完拔節肥隨后進行灌水，6月30日追肥，撒施尿素，拔節期7月1日灌水，抽雄期7月20日灌水。

噴灌采用5983型搖臂式噴頭(噴灑半徑9.0～14.0 m，流量 0.74～1.02 m3/h)，噴頭安裝在長1.5 m的支管上。灌水時將4個噴頭分別布置在小區四角上，逐一對各小區進行灌水。為防止各小區之間發生水分交換，調節噴頭射程略微小于小區長度。灌溉所用水源為當地地下水，用管道末端的水表控制灌水量。

1.3 觀測內容及方法

1.3.1植株干物質量

苗期、拔節期、灌漿期在小區取樣，吐絲期、成熟期在微區取樣，將植株沿地上部分取下，用農用壓縮噴霧器將植株沖洗干凈，并將植株按不同器官放入干燥箱中，105℃下殺青30 min后，60℃干燥至干質量恒定。將干燥后的樣品放置在干燥箱中冷卻，冷卻后稱量各生育期干物質量。

1.3.2植株同位素

將稱量后的吐絲期和成熟期樣品按不同器官用球磨機磨碎，過80目篩后混勻，采用H2SO4-H2O2溶液消煮，取消煮后的清夜，采用德國SEAL Analytical公司生產的Auto Analyzer-Ⅲ型流動分析儀，測定成熟期植株各器官氮質量分數。

植株同位素測定在東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT型，Thermo Fisher Scientific，美國)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國)聯用的方法測定成熟期玉米各器官以及土壤中的15N豐度。

1.3.3產量

于2018年9月28日進行測產和考種。每個小區隨機選取5點(中心點與對角點)，每點連續選取1株玉米測其單株穗長、穗粗、穗質量、百粒鮮質量及禿尖長[14]。然后將籽粒放入干燥箱并保持(80±2)℃干燥8 h，冷卻后利用電子天平稱其質量，再次放入干燥箱中直至質量恒定，得到玉米百粒干質量。

1.3.4相關指標計算公式

植株氮素累積量計算公式為

NAA=DmNc

(1)

式中Dm——植株干物質量

Nc——植株含氮率

植株氮素來源于肥料氮素的百分比計算公式為

Ndff=(Np-Na)/(Nf-Na)×100%

(2)

式中Np——微區內植株樣品的15N豐度

Na——天然15N豐度標準值(0.366 3%15N)

Nf——15N標記尿素中15N豐度

植株氮素來源于土壤氮素的百分比計算公式為

Ndfs=1-Ndff

(3)

植株中肥料氮素累積量為Ndff與植株氮素累積量的乘積。植株中土壤氮素累積量為Ndfs與植株氮素累積量的乘積。營養器官的物質轉運量為該器官最大干質量與該器官成熟時干質量的乘積。營養器官的物質轉運率為該器官最大干質量與該器官成熟時干質量的差值與該器官最大干質量的比值。營養器官對籽粒貢獻率為該器官最大干質量與該器官成熟時干質量的差值與籽粒干質量的比值[15]。各器官氮素轉運量為開花期各器官氮素累積量與收獲期各器官氮素累積量差值。各器官氮素貢獻率為各器官氮素轉運量與籽粒氮吸收量的比值(%)。肥料回收率為玉米植株肥料氮累積量與施氮量比值(%)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010記錄數據，SPSS 16.0統計分析數據，LSD法進行顯著性檢驗。采用Microsoft Excel 2010和Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合條件下玉米干物質累積與轉運規律

2.1.1水氮耦合條件下玉米干物質量

從圖1可以看出，不同處理玉米生育期內干物質積累動態基本一致，均符合“S”形生長曲線，干物質積累量隨著生育階段的推進呈增加的趨勢，在成熟期干物質積累量達到最大。吐絲期至灌漿期為干物質快速增長階段，整個生育期呈慢—快—慢的生長模式。從整個生育進程來看，自拔節期開始，N0W1處理的干物質累積量均低于其他處理，而N2W2處理的干物質累積量最高。在同一灌水定額下，施氮處理干物質累積量明顯高于N0處理，由大到小依次為N2、N3、N1、N0，其中N3和N2處理的干物質累積量接近。同一施氮水平下，干物質累積量隨灌溉定額變化的增加先增加后減小，由大到小依次為W2、W3、W1。N0條件下不同灌水定額下的干物質累積量差別不大，而所有灌水施氮處理的干物質累積量均高于只灌水不施氮處理，水氮耦合的優勢明顯。

圖1 各生育期干物質累積量Fig.1 Dry matter accumulation at different growth stages

2.1.2水氮耦合條件下玉米各器官干物質轉運量

通過干物質測定發現玉米營養器官的干物質量最大值均出現在吐絲期后，其中吐絲期玉米葉片干物質最大，而穗葉和莖(包含莖+莖鞘)干物質量的最大值出現在灌漿期。由圖2可知，玉米莖的干物質轉運量最高。所有處理的轉運量由大到小依次為莖、葉、穗葉。N2W2處理整株玉米干物質轉運量最大，N0W1處理整株玉米干物質轉運量最小，N2W2整株玉米干物質轉運量是N0W1的2.72倍。莖、葉和穗葉的轉運量隨施氮量的增加先增加后減小，隨著施氮量增加莖、葉和穗葉轉運量均呈現先增后減的趨勢，由大到小依次為N2、N3、 N1、N0。莖、葉、穗葉的干物質轉運量在W2灌水量下最高， W1灌水量下最低，莖在W2水平下總體轉運量較W3、W1分別提高24.29%、50.19%，葉提高23.76%、46.95%，穗葉提高29.06%、55.98%，中等灌水量的優勢明顯。

圖2 玉米不同器官干物質轉運量Fig.2 Transformation of dry matter from different organs of maize

2.1.3水氮耦合條件下干物質轉運率和籽粒貢獻率

由表1可知，不同水氮耦合條件下，各處理整體表現為器官穗葉的干物質轉運率最大。同一灌水定額下施氮處理各個器官的轉運率均高于未施氮處理，3種器官的轉運率均隨施氮量增加先增加后減小，葉由大到小依次為N2、N1、N3、N0，莖、穗葉由大到小依次為N2、N3、N1、N0，同一灌水量條件下，3種器官在N1、N2、N3水平下的轉運率與N0水平時差異顯著(P<0.05)。各器官轉運率隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，由大到小依次為W2、W3、W1，W2水平下N1、N2、N3處理莖、葉的轉運率與W1水平差異顯著(P<0.05)，而各個灌水量下施氮處理穗葉的轉運率無差異。N2W2處理莖、葉和穗葉轉運率最高，N2W2處理葉片轉運率與其他處理差異顯著(P<0.05)，N0W1處理莖和穗葉的轉運率最小，N0W3處理葉的轉運率最小。

表1 不同處理干物質轉運率和籽粒貢獻率Tab.1 Transformation rate and grain contribution rate of dry matter under different treatments %

注：同列不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)，下同。

籽粒貢獻率由大到小依次為莖、葉、穗葉。莖和葉的籽粒貢獻率隨著施氮量提高先增加后減小，與轉運率呈現的規律一致，葉由大到小依次為N2、N1、N3、N0，莖由大到小依次為N2、N3、N1、N0。當灌水量相同時，施氮處理與不施氮處理莖籽粒貢獻率差異顯著(P<0.05)，除W1N3處理外，施氮處理與不施氮處理葉籽粒貢獻率差異顯著(P<0.05)，而N1與N3處理貢獻率相近且無差異。莖、葉籽粒貢獻率隨灌水量的增加先增大后減小，由大到小依次為W2、W3、W1。當灌水量為W2時，N2處理莖、葉的籽粒貢獻率與N1、N3處理差異顯著。施氮量為N1時，莖、葉在不同灌水量條件下的籽粒貢獻率無差異，施氮量為N2時，W2與W1葉的籽粒貢獻率差異顯著(P<0.05)，W2與W3、W1與W3接近，W2與W1、W3莖的籽粒貢獻率差異顯著(P<0.05)，而W1與W3無差異。施氮量為N3時，各灌水水平下葉的籽粒貢獻率接近，莖的籽粒貢獻率W2與W1差異顯著，W1和W3、W2和W3無差異。

2.2 水氮耦合條件下玉米氮素累積與轉運規律

2.2.1水氮耦合條件下玉米氮素累積量

表2為玉米吐絲期和成熟期各器官氮素累積量。吐絲期和成熟期器官莖、葉、籽粒含氮量總體上隨著施氮量的提高呈現先增后減的趨勢，穗葉的氮素累積量隨著施氮量的增加呈現遞增趨勢，但增幅減小，各器官氮素累積量由大到小依次為籽粒、葉、莖、穗葉。吐絲期灌水量相同時，施氮處理與未施氮處理莖、葉的氮素累積量差異顯著(P<0.05)，且各施氮處理之間莖、葉的氮素累積量均有明顯差異(P<0.05)。成熟期，施氮處理莖氮素累積量均高于未施氮處理，相同灌水量條件下N2處理增幅最高，N1和N3處理氮素累積量無明顯差異。成熟期除N2W1處理外，施氮處理和未施氮處理葉的氮素累積量存在明顯差異(P<0.05)，施氮處理中，N2和N3處理葉的氮素累積量接近，均較N1有明顯提高。中等施氮處理籽粒氮素累積量較其他施氮處理優勢明顯。隨著灌水量的變化兩個時期的莖、葉氮素累積量由大到小依次為W2、W3、W1，籽粒的氮素累積量由大到小依次為W3、W2、W1，且W2水平相同施氮處理的莖、葉氮素累積量與W1差異顯著(P<0.05)。同一施氮水平下，W3水平籽粒氮素累積量較W2有所提高，但增幅較小，相同施氮處理之間未表現出差異，而同一灌水水平下，N2、N3處理籽粒氮素累積量較不施氮處理有顯著提高(P<0.05)。兩個時期整株玉米氮素累積量均隨施氮量的升高呈現先增后減的趨勢，吐絲期N2W2處理累積量最高，成熟期N2W3處理最高但與N2W2處理接近，施氮處理W2、W3水平下整株玉米氮素累積量較W1有明顯提高(P<0.05)。

表2 吐絲期、成熟期氮素累積量Tab.2 Accumulation of nitrogen at silking and maturity stage kg/hm2

2.2.2水氮耦合條件下玉米氮素轉運量

由表3可知，氮素轉運量由大到小依次為葉、莖、穗葉，占籽粒氮素累積量的18.29%～44.29%。隨著施氮量的增加，莖、葉、整株玉米的轉運量呈現先增后減的趨勢，由大到小依次為N2、N3、N1、N0，穗葉氮素轉運量呈現增加的趨勢。除N1W3處理器官莖外，施氮處理莖、葉以及整株玉米的轉運量明顯高于未施氮處理(P<0.05)，穗葉的轉運量無差異。灌水量相同時，各施氮處理之間葉轉運量存在明顯差異、相同灌水量莖在N0、N1、N2水平下的轉運量差異顯著(P<0.05)。隨著灌水量的不同，器官轉運量的規律也不同，莖由大到小依次為W2、W1、W3，但不同施氮水平下W1和W3處理莖的轉運量無差異，穗葉隨灌水量提升呈遞增趨勢，玉米植株及葉的轉運量由大到小依次為W2、W3、W1。施氮處理相同施氮量條件下，不同灌水水平玉米植株的轉運量均呈現顯著差異(P<0.05)；W2水平葉的氮素轉運量與W1差異顯著(P<0.05)，而W1與W3無差異；3種灌水處理中，只有施氮量N2時，W2與W1、W3莖的氮素轉運量均表現出差異(P<0.05)。

不同灌水處理在不施加氮肥條件下各處理整株玉米的氮素轉運量接近，增施氮肥后，W2水平下的轉運量較W1和W3均有提高，施氮量為N0時，N0W2較N0W1、N0W3提高20.98%和0.82%，施加氮肥后轉運量增幅提高到8.58%～41.33%。N2W2處理莖、葉和整株玉米的轉運量均最高，整株玉米氮素轉運量較N2W3、N3W2和N3W3處理分別提高了9.53%、12.02%、31.72%，佐證了水氮耦合效應較單獨提升灌水量和施氮量有助于植株氮素的轉運。

表3 不同處理各器官氮轉運量Tab.3 Transformation of nitrogen in different organs under different treatments kg/hm2

2.2.3水氮耦合條件下玉米各器官氮素籽粒貢獻率

圖3為玉米各器官氮素籽粒貢獻率。從圖中可以看出，同一處理不同器官氮素籽粒貢獻率由大到小依次為葉、莖、穗葉，莖、葉、穗葉及整株玉米的氮素籽粒貢獻率在6.50%～18.86%、10.57%～23.56%、1.22%～3.87%及18.29%～44.29%之間。同一灌水水平下，莖、葉氮素籽粒貢獻率隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，貢獻率最大值均出現在中等施氮水平，與氮素轉運量的規律類似，葉由大到小依次為N2、N3、N1、N0，莖由大到小依次為N2、 N1、N3、 N0。各處理之間穗葉的氮素籽粒貢獻率相差不大，同一灌水量下，N3處理的氮素籽粒貢獻率最大，N0處理最小。相同施氮量的前提下，莖、葉轉運率隨灌水量的增加先增加后減小，同一施氮水平下，灌水量W2時的氮素轉運率最大。N2W2處理整株玉米氮素籽粒貢獻率與N3W2接近，較N2W1、N3W1、N2W3、N3W3處理提升42.33%、10.12%、19.76%、22.35%，水氮耦合效應對玉米莖、葉以及整株玉米的氮素籽粒貢獻率的提高更為明顯。

圖3 玉米不同器官氮素籽粒貢獻率Fig.3 Contribution rate of nitrogen in different organs of maize

2.3 水氮耦合條件下玉米肥料氮和土壤氮的累積與轉運

2.3.1水氮耦合條件下玉米肥料氮累積量

表4為吐絲期和成熟期玉米各器官肥料氮累積量，總體上，吐絲期、成熟期莖、葉的肥料氮累積量隨著施氮量的增加呈現先增后減的趨勢，穗葉氮素累積量隨著施氮量的增加而增加，吐絲期、成熟期灌水量相同時，中等施氮量下莖、葉肥料氮累積量最高。相同施氮量條件下，隨著灌水量變化吐絲期和成熟期莖、葉肥料氮累積量由大到小依次為W2、W3、W1。吐絲期，中等施氮條件下W2、W3處理莖肥料氮累積量與W1處理差異顯著(P<0.05)。施氮量相同時，吐絲期葉肥料氮累積量隨著隨著灌水量不同呈現顯著差異(P<0.05)。成熟期，同一施氮量莖肥料氮累積量未表現出差異。當施氮量為180 kg/hm2和240 kg/hm2時，葉在W2、W3水平下的肥料氮累積量與W1水平下的累積量差異顯著(P<0.05)。吐絲期葉的肥料氮累積量最高，穗葉最小，成熟期籽粒的肥料氮累積量最高。吐絲期，灌水量相同時N2條件下莖、葉的肥料氮累積量最高，莖在N2和N3水平下的累積量無差異，而N2與N1差異顯著(P<0.05)；灌水量相同時各施氮水平下的葉肥料氮累積量差異顯著(P<0.05)，至成熟期后這種差異性消失，但莖、葉15N的累積量仍以N2水平下最高。

表4 吐絲期、成熟期肥料氮累積量Tab.4 Accumulation of 15N at silking and maturity stage kg/hm2

2.3.2水氮耦合條件下玉米肥料氮和土壤氮轉運量

表5為吐絲期至成熟期玉米各器官15N轉運量和土壤氮轉運量。由表5可知，參與轉運的氮素中土壤氮轉運量大于肥料氮轉運量。玉米各器官15N轉運量和土壤氮轉運量由大到小均依次為葉、莖、穗葉，N2W2處理莖、葉兩種來源氮素的轉運量最高，N1W1處理3種器官轉運量均最低。穗葉中肥料氮轉運量隨施氮量增加而減小，而土壤氮轉運量隨著施氮量的增加呈遞增趨勢，且高水高氮處理土壤氮轉運量較低水低氮處理增加明顯。相同灌水量的前提下，N3較N2處理間莖15N轉運量有所降低，但差異不大，而土壤氮轉運量卻出現差異(P<0.05)； N1和N2水平下葉中肥料氮和土壤氮轉運量均呈顯著差異(P<0.05)。莖、葉肥料氮轉運量隨灌水量的增大先增大后減小，由大到小依次為W2、W3、W1，而莖中土壤氮轉運量由大到小依次為W2、W1、W3。N2W2處理各器官在向籽粒轉運較高肥料氮的同時，也能保證較高的土壤氮轉運量，說明適宜的水氮配比可以促進營養器官中肥料氮和土壤氮向籽粒轉移。

表5 吐絲期至成熟期不同器官肥料氮、土壤氮轉運量Tab.5 Transportation of fertilizer nitrogen and soil nitrogen in different organs from silking stage to maturity stage kg/hm2

圖4 不同器官肥料氮和土壤氮轉運量占比Fig.4 Transportation of fertilizer and soil share of fertilizer in different organs

圖4為不同處理器官莖、葉、穗葉和植株氮素轉運量中肥料氮和土壤氮的占比，即氮素籽粒貢獻率中肥料氮和土壤氮分別占的比例。從圖中可以看出，參與轉運的氮素中土壤氮的比例高于肥料氮的比例，參與轉運的氮素中莖、葉、穗葉分別有24.71%～42.44%、25.80%～42.04%、23.39%～41.83%來自肥料，整株玉米植株中參與轉運的氮素有22.43%～39.45%來自肥料，說明參與轉運的氮素主要來自于土壤，同一灌水水平下中、高施氮處理肥料氮所占比例較低施氮處理均有提高。隨著施氮量增加，莖轉運量中肥料氮比例呈遞增的趨勢，葉、穗葉的比例由大到小依次為N2、N3、N1，說明施氮可以提高肥料氮對籽粒氮素貢獻率。各個施氮水平下莖、葉、穗葉肥料氮對籽粒貢獻率均表現為中等灌水量時最大，高灌水量次之，低灌水量時最小。葉、穗葉、植株肥料氮籽粒貢獻率最大的處理為N2W2，莖最大的處理為N3W2，而N1W1處理各個器官肥料氮籽粒貢獻率均最低。

2.3.3水氮耦合條件下玉米的氮肥利用率

由圖5所示，氮肥回收率在21.27%～44.64%之間，N2W2處理的氮肥回收率最高，N3W1處理的氮肥回收率最低，氮肥回收率隨著施氮量的增加先增后減，同一灌水水平下，高施氮量處理氮肥回收率最低，造成氮肥的大量損失。氮肥回收率隨灌水量的提高也呈先增后減的趨勢，中等灌水水平下氮肥回收率最高，而W3水平下氮肥回收率較W1也有一定程度的提高，說明提高灌水量可以促進玉米對氮肥的吸收，而適宜的水氮組合能有效提高氮肥的回收率，同時避免了盲目灌水施肥所造成的浪費。

圖5 氮肥回收率Fig.5 Nitrogen recovery rate

3 討論

干物質累積是產量形成的基礎，而玉米干物質積累對不同水肥條件具有高度的響應效應[16-17]。進入拔節期后，玉米將由營養生長期進入營養生長和生殖生長并進期，不同器官干物質積累量分布隨生長中心而變化，抽雄吐絲后籽粒干物質積累量迅速增加[18]。本試驗研究發現，拔節期后各時期灌水量相同時均為N2水平下的干物質累積量最高，說明拔節期后水氮耦合效應優勢開始出現，這可能是因為拔節期灌水和追施氮肥后，增加了葉片單位面積葉綠素的相對含量(SPAD值)，葉片的光合作用強度進一步提高，適宜的施氮灌水處理光合產物累積量優勢明顯。N0條件下不同灌水定額下的干物質累積量差別不大，同時N3處理的干物質累積量低于N2，說明在W1、W2、W3灌水水平下，施氮量N3為過量施氮，并不有利于干物質積累。

玉米籽粒干物質主要來源于營養器官所累積的干物質向籽粒的轉運和吐絲后光合產物累積，在適當范圍內促進營養器官干物質的轉移是提高玉米籽粒干物質量的途徑之一[19]。本試驗中不同處理各器官籽粒貢獻率為11%～34%，說明籽粒干物質中有66%～89%來源于吐絲期后的同化產物，且后者為籽粒干物質的主要來源，這與錢春榮等[20]的研究結果相近。本試驗中，施氮處理干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率均高于未施氮處理，N2處理轉運率和籽粒貢獻率又高于其他施氮處理。結合不同施氮量下玉米干物質累積特征，說明施加氮肥不僅可以促進玉米植株干物質的累積，還能促進干物質由營養器官向生殖器官轉移，而施氮量240 kg/hm2時，不僅能促進營養生長階段玉米在莖、葉等營養器官中積累更多的干物質，并以此作為“源”，在生殖生長階段更多的向籽粒轉移，為籽粒形成提供物質基礎。3種器官干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率隨灌水量變化的規律相同，W2水平下干物質轉運量和籽粒貢獻率較W1、W3均有提升。這說明適宜的施氮量可以促進植株干物質的積累和轉移、施氮條件下適宜的灌水量可以促進植株干物質的轉運，而且合理的水氮配比對玉米干物質累積量、轉運量和籽粒貢獻率的提升具有明顯的促進作用。

玉米籽粒中氮素來源于抽雄前期營養器官氮素的轉移和根系對氮的直接吸收[11]。本試驗研究結果表明，在生育前期，玉米氮素累積以葉和莖為主，葉氮素累積量明顯高于莖和穗葉，生育后期以籽粒氮素累積為主，籽粒氮素累積量有18.91%～44.29%來源于營養器官的轉運。整株玉米的氮素累積量、轉運量和籽粒貢獻率均以W2處理最大，且不同灌水處理籽粒氮素累積量差異顯著，同時灌水量60 mm、施氮量240 kg/hm2時，植株和籽粒氮素累積量、植株氮素轉運量和籽粒貢獻率均達到最優，較施氮180、300 kg/hm2時均有提高，這是因為在適宜的水肥用量和水肥配比條件下，在生育前期玉米營養器官中積累了大量的氮素，在滿足較高氮素轉運量的同時，也保證了生育后期玉米葉片能夠進行正常的光合作用，保障了玉米在生殖生長階段仍保持較強的同化能力。王振華等[21]對水氮耦合條件下油葵氮素吸收的研究也表明，中水中氮灌溉施肥條件下的各器官氮素累積，葉片莖稈氮素轉運量均達到最佳，在一定范圍內增施氮肥和灌水量可以促進各器官氮素的累積以及葉片和莖稈氮素向花盤的轉運。戰秀梅等[22]的研究也指出，適宜的氮、磷、鉀用量及其配比，能有效提高植株體內氮素營養的再利用程度，同時促進了籽粒的發育，滿足了其對養分的需求，且使得氮素營養能夠較多地分配到籽粒中，也有利于產量的提升。

王俊忠等[23]的研究指出，在高產田當施氮量超過300 kg/hm2時，玉米籽粒和葉片中肥料氮累積量有所下降，而莖和根中15N隨施氮量的增加而增加。本試驗的研究結果顯示，成熟期15N標記的肥料氮累積量在53.32～105.12 kg/hm2之間。不同施氮、灌水條件下莖、葉、籽粒以及植株的肥料氮累積量變化趨勢與植株含氮量的變化趨勢一致，隨著施氮量或灌水量的增加呈現先增后減的趨勢，且中等灌水中等施氮處理的肥料氮累積量最高。這可能是因為玉米品種的不同導致的試驗結果不同。王俊忠等[23]還指出，各個器官15N積累量由大到小依次為籽粒、葉片、莖、葉鞘、穗軸，這與本試驗的研究結果一致。本試驗利用同位素示蹤技術，在不同水氮耦合條件下，在探究玉米氮素吸收利用規律的同時，分析了植株氮、肥料氮、土壤氮之間的轉運規律。結果表明，中等灌水中等施氮處理植株氮轉運量、肥料氮轉運量和土壤氮轉運量均達到最大值。N2W2處理肥料氮累積量、氮肥回收率、干物質籽粒貢獻率和氮素籽粒貢獻率均最高。結合以上分析，適宜的水氮組合可以促進玉米干物質積累與轉運以及玉米對肥料氮和土壤氮素的吸收利用。

4 結論

(1)不同水氮耦合模式下玉米干物質量、不同器官干物質轉運量、轉運率以及莖和葉的干物質籽粒貢獻率均隨施氮量和灌水量的增加呈先增后減的趨勢。各器官干物質轉運量和干物質籽粒貢獻率由大到小依次為莖、葉、穗葉，穗葉的干物質轉運率最高，N2W2處理干物質轉運量最高，干物質籽粒貢獻率達到34%。

(2)整株植株和莖、葉的氮素累積量、轉運量和氮素籽粒貢獻率隨灌水量和施氮量的增加先增加后減小，而籽粒氮素累積量隨灌水量由大到小依次為W3、W2、W1。施氮240 kg/hm2、灌水60 mm時，植株氮素累積量、轉運量和氮素籽粒貢獻率均最高。

(3)成熟期葉和籽粒的肥料氮累積量隨著施氮量和灌水量的增加呈先增后減的趨勢，莖的肥料氮累積量隨灌水量的增加而增加。參與轉運的肥料氮的轉運量占氮素轉運量的22.43%～39.45%，土壤氮轉運量占氮素轉運量的61.55%～77.57%，N2W2處理肥料氮累積量以及參與轉運的肥料氮和土壤氮均達到最高水平。

(4)氮肥回收率在21.27%～44.64%之間，獲得較高氮肥回收率的施氮量由大到小依次為N2、N1、N3，灌水量由大到小依次為W2、W3、W1。