氮肥減量后移對噴灌玉米產量和水氮利用效率的影響

劉 見 ，寧東峰，秦安振，孫 彬，劉戰東， 肖俊夫，丁鵬飛，臧海濤，張寄陽*

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業農村部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉453002； 2.許昌市農田水利技術試驗推廣站，河南 許昌461000；3.中國農業科學院研究生院，北京 100081）

0 引 言

玉米是我國三大糧食作物之一，2018 年我國玉米種植面積0.421 億hm2，占全國糧食播種面積的35.99%[1]。但由于長期不合理灌溉施肥，造成水肥資源浪費嚴重，甚至引發環境污染[2-4]。水肥一體化技術具有節水、增產、減少養分淋失、提高肥料利用率等優點[5-7]，近年來隨著噴灌、滴灌等高效節水灌溉方式的推廣和應用，該技術日益受到重視[8-9]。研究指出，微噴灌水肥一體化能夠顯著促進玉米灌漿期生物量的積累和灌漿速率[10]。邢素麗等研[11]究表明，大尺度微噴灌精準自動施肥在夏玉米季增產顯著，并可節約成本，減少氮、磷養分和灌溉水用量。圓形噴灌機水肥一體化能降低冠層溫度和植株蒸騰作用，延長灌漿持續期，提高冬小麥產量和品質[12-13]。關于玉米減氮追施亦有許多研究報道。在膜下滴灌栽培模式下，玉米拔節期、抽穗期、灌漿期等量追施氮肥50～66 kg/hm2，可顯著提高干物質質量和氮素吸收量，增產效果明顯[14]。通過優化拔節期、大喇叭口期和吐絲期的氮肥追施比例，可有效提高膜下滴灌玉米的干物質積累和產量提高[15]。適當減少玉米生育前期氮素供應，增加生育中后期追氮數量，可有效增加玉米籽粒產量，提高氮肥利用效率，減少氮素損失[16-17]。但目前水肥一體化技術研究多集中于滴灌施肥，噴灌水肥一體化條件下施肥制度對作物生長發育和水氮利用效率的研究相對較少。本試驗在灌水總量一定的條件下，通過設置不同施肥量、追肥分配比例及2 個玉米品種登海3737 和豫單9953，探究噴灌水肥一體化條件下減氮追施對不同玉米品種產量和水氮利用效率的影響，以期為黃淮海平原南部噴灌水肥一體化技術提供一定理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018 年6―9 月在河南省許昌市灌溉試驗站（113°59′E，34°09′N）實施，該地位于淮河流域潁河上游，是由雙洎河和黃河泛濫沖積而成的沖積平原。試驗地海拔79.6 m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，多年平均氣溫14.7 ℃，年日照時間2 183 h，年降雨量698 mm，年蒸發量1 044 mm，地下水埋深大于5 m。試驗田供試土壤為潮土，質地為砂壤土，0～60 cm 土壤平均干體積質量為1.43 g/cm3，田間持水率為25%（質量）。0～20 cm 土壤有機質量20.3 g/kg，全氮量1.28 g/kg，全磷量1.71 g/kg。試驗區玉米生育期降水量314.3 mm。

1.2 試驗設計

設置施肥模式和品種兩因素。施肥模式設置3 個處理，以當地習慣施肥模式為對照（CK），施用量為2 250 kg/hm2復合肥，換算為N、P2O5、K2O 施量分別為315、75、75 kg/hm2，作為底肥1 次性基施。2 個水肥一體化模式，N、P2O5、K2O 統一用量為225、75、75 kg/hm2，其中F1 模式為40%三葉期，60%拔節期；F2 模式為30%三葉期，30%拔節期和40%大喇叭口期追施。供試玉米品種為登海3737（P1）和豫單9953（P2）。完全區組設計，共6 個處理，每個處理重復3 次，小區所在田塊尺寸為46 m×100 m。采用寬窄行種植模式，寬行80 cm，窄行40 cm，株距28 cm，種植密度71 430 株/hm2，6 月5 日播種，9月27 日收獲。灌溉方式為地埋式自動伸縮一體化噴灌。工作時噴灌壓力0.35 MPa，均勻系數85%。每次噴灌施肥時，處理間灌水量均保持一致，CK 以清水代替。6 月13 日灌水30 mm，7 月8 日灌水45 mm，7 月22 日灌水60 mm。水肥一體化肥料選用美世榮大量元素水溶復合肥（N、P2O5、K2O 質量比為2∶1∶2）和尿素（含N 量46.7%）。取水口安裝有小型比例施肥泵，灌溉施肥先按灌水定額噴灑1/4 清水，然后1/2 水肥溶液，最后1/4 清水，灌水量采用智能水表控制。

1.3 測定指標

1）氣象數據。試驗站內安裝有田間氣象站，實時采集降水量、風速、風向、空氣溫度、濕度、日照時間和太陽輻射等氣象數據信息。

2）土壤含水率。在夏玉米拔節期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期、成熟期分別采集0～100 cm 土層土壤（每20 cm 為1 層），采用烘干法測定土壤含水率。

3）植株地上部生物量、葉面積。在玉米苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期，分別取長勢相同具有代表性的植株5 棵，測定各處理的株高、展開葉片的葉長和葉寬。按器官分樣，經105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒質量稱質量，重復3次，準確記錄生物量。

4）產量及構成要素。收獲時，每個小區取2 行各5 米實測產量，3 次重復，并折算成標準含水率14%的產量。考種要素包括穗長、穗粗、禿尖長、穗行數、百粒質量等。

1.4 計算方法與統計分析

單葉葉面積計算式：葉長×葉寬×0.75。葉面積指數計算式為：平均單株葉面積（cm）×測點的株數/測定面積（m2）/10 000；

總耗水量計算式：ET=I+P+K+ΔW-(R+D)，式中：ET 為玉米育期內的總耗水量（mm），包括作物蒸騰和棵間蒸發；I 為灌溉量（mm）；P 為田間有效降水量（mm）；K 為地下水補給量，由于試驗區地下水埋深大于2.5 m，可忽略不計；R 為徑流量，D 為深層滲漏，該地塊地勢平坦，土層深厚，沒有地表水分徑流損失，也未發現水分的深層滲漏損失。ΔW（mm）為播前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量的差值；單位面積土壤貯水量計算式：W（mm）=θmρbh×0.1 式中：θm為土壤絕對質量含水量（%）；ρb為土壤體積質量（g/cm3）；h 為土層厚度（cm）；0.1 為換算系數。

水分利用效率計算式：WUE（kg/m3）=Y/ET×1 000式中：Y 為單位面積籽粒實際產量（kg/m2）；ET 為玉米生育期間耗水量（mm）；1 000 為換算系數。

氮肥偏生產力（PFPY）=籽粒產量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）；生物量氮肥偏生產力（PFPB）=地上部生物量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

采用Logistic 方程對玉米地上部干物質進行擬合，擬合方程為Y=A/（1+Be-Kt），其中，Y 為干物質累積量；A、B、K 為方程參數；t 為某一時期干物質累積天數。當t 趨向于無限大時，Y=A，為理論最大干物質累積量（Ymax）。對Logistic 方程求一階導數得到干物質累積速率方程，對Logistic 方程求二階導數令其為0，得干物質積累最大生長速率出現的時間（Tmax=lnB/K），代入干物質累積速率方程得到最大生長速率（Vmax=AK/4）。對Logistic 方程求三階導數，令其為0，得T1=（lnB-1.317）/K，T2=（lnB+1.317）/K。0～T1 為干物質累積漸增期，T1～T2 為干物質累積快增期，T2 以后為緩增期。ΔT=T2-T1，為干物質累積快增期持續的時間。

采用Excel 2010 進行數據處理和作圖，SPSS 18.0統計軟件進行方差分析，LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 噴灌施肥調控對不同基因型玉米株高的影響

圖1 為不同噴灌施肥調控下，玉米株高隨時間的變化，不同小寫字母表示同一時期不同處理間在0.05水平上差異顯著。由圖1 可知，同一施肥模式下，除播后14 d（苗期）株高無顯著性差異外，其余各個時期均表現出登海3737（P1）大于豫單9953（P2），二者最大值都出現在F2 施肥模式下，分別達到297和283 cm。同一品種下，播后14 d 和28 d（拔節期）CK 處理株高均大于F1 和F2 施肥處理，表明氮肥全部基施促進植株生育前期快速生長，肥效明顯。播后45 d（抽雄期），F1 處理株高最大，且3 種施肥模式之間差異顯著。播后63 d（灌漿期），F2 處理株高最大，F1 處理與CK 無顯著性差異。玉米成熟期，F2 處理株高最大，F1 次之，CK 最小。研究結果表明，在關鍵生育期氮肥后移追施，能有效延緩植株苗期過快生長，促進植株后期生長。

圖1 不同噴灌施肥調控下玉米生育時期株高 Fig.1 Maize height at different growth stages under different sprinkling-fertigation treatments

2.2 噴灌施肥調控對不同基因型玉米葉面積指數的影響

各處理玉米生育期葉面積指數（LAI）消長動態見圖2。

圖2 不同噴灌施肥調控下玉米LAI Fig.2 Effects of different sprinkling-fertigation regulation on leaf area index of maize

由圖2 可知，隨著葉片增大和光合作用增強，各處理LAI 在播種后75 d（吐絲期）左右達到最大值，之后逐漸降低。2 個玉米品種間LAI 變化差異顯著。與登海3737（P1）相比，豫單9953（P2）品種前期LAI 增長快，后期下降快，早熟現象明顯。播種后45 d（大喇叭口期），P1 品種的LAI 較P2 品種增加29.2%，播種后89 d（灌漿期），P1 品種LAI 較P2 品種減少22.9%。P1和P2的LAI最大值均出現在F2施肥模式，分別為5.29 和5.19。同一品種條件下，苗期LAI 基本相同，在播種后75 d，LAI 達到峰值，F2 施肥模式較F1 處理和CK 分別增加3.9%和8.0%，說明在大喇叭口期噴施氮肥能夠提高玉米的LAI。播后108 d（成熟期），F1、F2 處理、CK 較其峰值分別下降67.2%、64.5%和71.6%，表明高氮傳統施肥比減氮后移噴施的LAI 降幅較高。因此，在玉米生長發育中后期，追施氮肥能在一定程度上延緩葉片衰老，維持其較長的生理活性。

2.3 噴灌施肥調控對不同基因型玉米地上部干物質累積的影響

Logistic 方程可以很好地擬合玉米干物質累積過程（R2>0.95，P<0.05），擬合結果見表1。從表1 可以看出，理論最大干物質累積量為254.58～288.45 g/株，快速積累期始于播后38～42 d，結束于播后75～78 d。登海3737 品種（P1）干物質累積量和最大生長速率的均值較豫單9953（P2）品種分別增加2.8%和7.7%，最大生長速率出現的時間無顯著差異。豫單9953 干物質積累快增期持續時間比登海3737 增加5.3 d。豫單9953 的CK 比F2 處理早4 d 進入快速增長期。相同品種下，理論干物質積累最大值和最大生長速率均表現為F2 處理>F1 處理>CK。與CK 相比，F2 施肥模式最大干物質累積和生長速率的均值分別增加9.5%和19.3%。說明氮肥減量并增加噴灌施肥頻次有利于提高玉米干物質累積和增加最大生長速率。P1F2 最大生長速率最高，為5.4 g/d。高氮傳統施肥模式進入快增期時間比追施處理提前3～6 d，結束時間晚2～5 d。雖然傳統高氮施肥干物質持續時間長，但是由于其生長速率低于氮肥追施處理，最終干物質累積量小于追施處理。因此在減少氮肥施用量的情況下，增加施肥頻次和施肥時間后移能夠提高干物質積累速率，增加后期干物質積累量。

2.4 噴灌施肥調控對不同基因型玉米籽粒產量及構成要素的影響

表2 為不同噴灌施肥調控下玉米產量及構成要素。由表2 可知，品種對構成要素及產量的影響均達到極顯著水平（P<0.01）。登海3737（P1）的穗長、百粒質量和產量的均值較豫單9953（P2）分別增加22.2%、18.1%和8.4%。P1 品種在穗粗、穗行數及禿尖長等方面具有優勢，均值分別比P2 品種增加3.0%、34.2%、-68.5%。施肥模式對產量的影響達到顯著水平，F1 和F2 處理比CK 分別增加5.5%和10.2%，其中F2處理較F1 處理增加4.5%。P1F2 處理穗長最長，達21.8 cm，P2F2 處理穗粗最大，為4.3 cm。噴灌水肥一體化較傳統施肥玉米產量平均提高7.8%，其中百粒質量提高2.9%。P1 品種平均產量為11 319 kg/hm2，較P2 增產8.4%，其中穗長、百粒質量對產量貢獻較大，分別提高22.5%和18.2%。相同品種下，F1 和F2 處理百粒質量大于CK，禿尖長小于CK，說明噴灌施肥可以增加百粒質量和降低禿尖長，協調玉米產量構成要素，為高產奠定基礎。P1F2 處理產量最高，為12 003 kg/hm2，表明噴灌水肥一體化具有明顯增產效果。

表1 噴灌施肥調控下玉米處理干物質累積特征參數 Table 1 Dry matter accumulation characteristic parameters under different sprinkling-fertigation treatments

表2 噴灌施肥調控下玉米產量及構成要素 Table 2 Grain yield and yield components under sprinkling-fertigation treatments

2.5 噴灌施肥調控對不同基因型玉米耗水量和水氮利用效率的影響

從表3 可以看出，品種對耗水量（ET）和籽粒氮肥偏生產力（PFPY）影響極顯著。登海3737（P1）ET 和PFPY的均值較豫單9953（P2），分別增加6.5%和8.6%。P2F2 處理ET 最小，為340 mm。CK 的ET顯著大于F1 和F2 處理，說明在該水分條件下，施用氮肥量越高，ET 值越大。同一施氮量下，F2 施肥模式比F1 處理耗水量少，說明氮肥后移可降低作物耗水量。WUE、PFPY和PFPB均表現出F2 處理>F1 處理>CK 的規律，其中F2 模式下各指標均值比CK 分別提高31.4%、54.3%和54.1%，表明水肥一體化噴灌以及后移噴施可顯著提高水氮利用效率。同一品種下，不同施肥處理WUE 差異顯著，P1 和P2 最大值分別達到3.28 kg/m3和3.17 kg/m3，比對應CK 增加33.8%和28.9%。F1 和F2 施肥模式的PFPY之間沒有顯著性差異，CK 與F1、F2 處理差異顯著。生物量氮肥偏生產力PFPB介于56.4～89.8 kg/kg 之間，F1和F2 施肥模式的PFPB明顯大于CK。

表3 不同噴灌施肥調控下玉米耗水量和水氮利用效率 Table 3 Evapotranspiration and water and nitrogen use efficiency under sprinkling-fertigation treatments

3 討 論

研究表明玉米株高變化規律均表現為前期快速增長、拔節期后緩慢增長、灌漿后期基本穩定[18]。隨施氮水平的增加，株高總體呈“先增后降”的趨勢，并在氮肥施用量為225～240 kg/hm2時達到最大值[19-20]。本研究也表現出相同的規律，同時發現在關鍵生育期氮肥后移追施，能有效延緩植株苗期過快生長，促進植株后期生長。葉面積是植物截獲光能的物質載體，葉面積指數（LAI）是反映植株群體光合能力強弱的重要指標。王增麗等[21]研究表明，LAI 呈先增大后降低的趨勢，峰值出現在播后87 d 左右。向友珍等[22]認為玉米LAI 在抽雄期最大。本研究發現，登海3737 和豫單9953 的LAI 都在播后75 d 左右達到最大值，但是二者LAI 變化快慢差異顯著，豫單9953 增長和下降趨勢明顯大于登海3737。高素玲等[23]指出，與傳統一次性基施相比，氮肥減量后移可增加苗后75 d 葉綠素量和光合速率。本研究表明，高氮傳統施肥LAI 比減氮后移噴施降幅較高，減氮后移噴施模式可維持夏玉米莖和葉片中較高氮素積累，促進生育后期對氮素的吸收利用，延緩葉片過早衰老，保持其較長生理活性。

干物質積累是籽粒產量形成的物質基礎，獲得高產的基本途徑就是增加干物質積累量，并使之盡可能多地分配到籽粒當中[24]。魏廷邦等[25]研究發現，在灌水量和施氮總量不變的情況下，玉米拔節期氮肥后移可延長拔節期至灌漿期玉米干物質積累持續期，增大玉米干物質最大增長速率和平均增長速率，提前干物質最大增長速度出現的天數。本研究表明，相對于氮肥一次性基施，分次追施氮肥玉米最大干物質累積和生長速率顯著增加，但是干物質最大增長速率出現的天數沒有提前。王宜倫等[26]研究指出夏玉米吐絲后氮素吸收積累量占總積累量的40.3%～47.8%，傳統施肥容易引發玉米抽雄至灌漿期氮肥虧缺，氮肥后移保證了夏玉米生育后期對氮素的需求，延長玉米生育期內干物質積累的持續期，從而加速光合產物向籽粒中轉移[27]。

產量構成要素之間的協調發展是保證作物高產的重要途徑。減量優化施肥可顯著提高小麥和玉米有效穗數、穗粒數和千粒質量，從而優化調控作物產量[25,28]。水肥一體化下氮肥減量后移可較好發揮水氮耦合協同效應[29-30]，快速有效滿足作物氮素需求，加強了源端同化物持續供應能力，提高了生育后期葉片氮素量和光合性能[31]，使光合同化物最優分配到各器官，從而獲得高產。本研究發現氮肥減量后移水肥一體化模式（F1 和F2）增加了玉米百粒質量和降低了禿尖長，F1 和F2 施肥模式下玉米產量比CK 分別增加5.5%和10.2%。F2 模式（30%三葉期，30%拔節期，40%大喇叭口期）更有利于產量形成。本研究還發現，同一施肥模式，不同品種之間產量和構成要素差異極顯著。登海3737 的產量較高，穗長、百粒質量較大；豫單9953 在穗粗、禿尖長和行數等方面具有優勢，收獲時枯干成熟且籽粒含水率低，易于大面積機械粒收[32]。

Rudnick 等[33]研究認為，在玉米生殖生長期，氮肥施用量對耗水量影響顯著。王海瑞等[34]研究發現，相同水分處理下，玉米耗水量隨肥力的增加而增加。本研究表明，減氮后移減少了作物耗水量，使有限水資源得到充分利用。氮肥適度減量平衡了土壤氮養分供應和作物氮養分需求之間的關系，降低作物生長冗余，減少作物無效蒸騰。施肥后移則彌補了抽雄期至灌漿期氮素虧缺，延緩葉片衰老，促進植株對土壤水分的吸收和利用。Zhang 等[35]指出，在最高施氮水平上減氮40%，冬小麥的產量和WUE 并沒有顯著降低。本研究發現，總施氮量為225 kg/hm2，F2 施肥模式比F1 的產量和WUE 更高。本次研究只是對2 種基因型玉米耗水量進行了計算和分析，在適宜節水型品種選育方面，還需增加品種數量和監測指標[36]。

4 結 論

1）增加施肥頻次和施肥時間后移可提高玉米LAI和延緩葉片衰老，增加玉米干物質累積量以及最大生長速率。

2）噴灌水肥一體化，肥料減量分次追施可降低作物耗水量，提高玉米產量和百粒質量，降低禿尖長，并可有效提高WUE、PFPY和PFPB。

3）氮肥分施比例為30%三葉期，30%拔節期，40%大喇叭口期。該施肥模式可作為黃淮海平原南部井灌區推薦的施肥模式。