水氮互作對滴灌夏玉米生長及水分利用效率的影響

蔡 曉，吳祥運，王 東，林 祥，張俊鵬*

（1.山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018； 2.山東農業大學 農學院，山東 泰安 271018）

0 引 言

【研究意義】玉米是世界上種植最廣泛的作物之一，

其產量占作物總產量的37%[1]。中國是世界上第二大玉米生產國，產量占世界總產量的21%，我國玉米生產的穩定發展對世界糧食安全至關重要[2]。黃淮海平原是我國夏玉米的重要產區，種植面積和產量分別占全國的28%和30%[3]。該區域夏玉米生長季雨熱同期，玉米生育期間的降雨量與耗水量基本持平，但由于前茬冬小麥對土壤蓄水量的消耗以及降雨時空分布不均衡，導致玉米播種時及生長期間時常遭受干旱脅迫。這種情況下，若要保證夏玉米穩產高產則必須進行灌溉[4-5]。黃淮海平原灌水方式以地面灌溉為主，灌水量往往過大，水分利用效率較低。氮肥是制約玉米產量的關鍵因子，為追求高產，氮肥過量投入現象普遍存在，氮肥減施增效是玉米栽培領域的研究熱點[6-7]。水分和氮肥之間存在明顯的交互作用，水分不足會影響氮肥肥效發揮，水分過多則會導致氮肥淋溶和作物減產[8]；增施氮肥能夠改善水分狀況，緩解因水分不足而減產的不利影響，過量施氮而加劇水分脅迫，抑制作物生長[9]。因此，合理的水氮供應對促進玉米植株生長發育、增加產量及提高水氮利用效率等方面均具有重要意義[10-13]。滴灌水肥一體化是一種調控土壤水分和養分的有效方法，能夠實現小定額供水、水肥同步供給，具有較高的水肥利用率、較小的環境污染等優點[14]。【研究進展】以往針對該地區夏玉米節水灌溉的研究主要以地面灌溉為主，通常以控制主要根系層土壤水分下限作為灌水依據，灌水時多采用定額灌溉或者灌至田間持水率，存在測墑土層深度大、測墑次數頻繁、灌水定額偏大等問題[15-16]。淺層（0～20或0～40 cm）土壤含水率與深層土壤含水率（40～100 cm）有較好的相關性，在作物生長關鍵期將淺層土壤補灌至田間持水率取得了較好的節水增產效果[17-18]。宋兆云等[18]在冬小麥節水補灌研究中，以麥田0～10、0～20、0～30 和0～40 cm 作為控制土層在關鍵時期進行補灌儲水，灌水上限為田間持水率，結果表明，將0～30 cm 土層補灌至田間持水率，可獲得較高的籽粒產量和水分利用效率。然而，有關夏玉米的相關研究尚鮮見報道。韓祥飛等[19]研究表明，水肥一體化條件下減氮20%仍能獲得與傳統施肥模式（315 kg N/hm2）相當的產量。【切入點】為減少玉米生產過程中水肥施用量，本研究綜合考慮夏玉米生長季降雨分布、土壤蓄水狀況及水肥需求特性，采用滴灌及水氮同步供給策略，在夏玉米關鍵生長期，設定不同的測墑深度和施氮量，依據測墑土層含水率進行補灌，目標含水率為田間持水率。【擬解決的關鍵問題】通過2 a 田間試驗，研究不同補灌和施氮處理對滴灌夏玉米生長、產量和水分利用的影響，研究結果可為制定夏玉米水肥一體化技術模式提供理論依據。 cm 土層土壤體積質量和田間持水率見表1。2018 年和2019 年試驗期間降雨量為502.0、337.4 mm，降雨分布見圖1。

表1 0～100 cm 土層物理特性 Table1 Physical properties of 0～100 cm soil layer

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018 年和2019 年的6—9 月在山東省泰安市道朗鎮玄莊村（36°12′N，116°54′E）進行。該區屬溫帶季風氣候，年均氣溫為13.3 ℃，年均降水量616 mm，地下水埋深大于5 m。試驗地土壤類型為壤土，0～20 cm 土層堿解氮量為71.80 mg/kg，速效鉀量為140.21 mg/kg，速效磷量為46.08 mg/kg。試驗地0～100

1.2 試驗設計

采用裂區試驗，主因素為補灌處理，2018 年設置3 個灌水水平，測墑土層深度分別為0～20（W20）、0～30（W30）和0～40（W40）cm。2019 年在此基礎上增設0～10（W10）cm 測墑土層；測墑位置為滴灌帶下方，補灌時期均為播種時及拔節期和灌漿期開始時，目標含水率為田間持水率。副因素為施氮處理，2018年設置3 個施氮量水平，分別為180（N180）、240（N240）和300（N300）kg/hm2，2019 年增設120（N120）kg/hm2處理；施氮時期與灌水一致，播種時氮肥底施，拔節和抽雄時氮肥隨水施入。施氮比例為基氮、拔節氮、抽雄氮質量比為1∶1∶1，氮肥類型為尿素（N-46%）。磷肥和鉀肥類型分別為重過磷酸鈣（P2O5-46%）和氯化鉀（K2O-60%），用量均為120 kg/hm2（P2O5和K2O），全部底施。

圖1 夏玉米生育期間降雨分布 Fig. 1 Rainfall distribution during summer maize season

1.3 田間試驗

供試玉米品種為“登海618”，2018 年和2019 年播種日期均為6 月13 日，收獲日期分別為9 月26 日和9 月25 日。小區面積為96 m2（20 m×4.8 m）。采用干播濕出方式等行距播種，行距60 cm，株距25 cm。灌水方式為滴灌，滴灌帶鋪設在2 行玉米中間，滴灌帶類型為內鑲貼片式，管徑16 mm，滴頭間距20 cm，額定流量2.2 L/h。2 a 試驗具體灌水情況如表2 所示。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤含水率

采用取土烘干法測定，分別于夏玉米播種時以及拔節期、抽雄期、灌漿期開始時和收獲時測定土壤含水率，播種和收獲時取土深度為0～200 cm，其余時期為0～100 cm，其中0～40 cm 土層每10 cm 分為1 層，40 cm 以下土層每20 cm 土層為1 層。1.4.2 夏玉米LAI

表2 試驗設計 Table 2 Experimental design

分別在苗期（SS）、拔節期（JS）、抽雄期（TS）、灌漿期（FS）和成熟期（MS）采集每個小區內3 棵代表性植株，用直尺測定葉片長度和寬度。其中，LAI計算式[20]為：

式中：n為第j株玉米的總葉片數；m為測定株數；ρ種為夏玉米種植密度。

1.4.3 地上部干質量

玉米成熟期于每個小區取代表性植株3 株，分莖、葉和穗烘干稱質量并計算單株地上部干質量。

1.4.4 產量構成

玉米成熟期在每個小區連續取15 穗玉米，調查穗行數和行粒數，風干后脫粒，稱取粒質量，計算玉米產量。

1.4.5 耗水量

作物生育期階段耗水量采用水量平衡法計算，即：

式中：ETC為時段內作物耗水量（mm）；W1、W2分別為時段開始、結束時0～200 cm 土層土壤儲水量

（mm）；P為時段內降水量（mm）；I為時段內灌水量（mm）；Gr為時段內地下水對作物根系補給量（mm）；R為時段內地表徑流量（mm）；F為時段內深層滲漏量（mm）。試驗區地勢平坦且有田埂，無地表徑流損失；地下水位埋深在5 m 以下，忽略地下水補給；深層滲漏量F采用Ertek 等[21]提出的方法計算。

1.4.6 水分利用效率

水分利用效率計算式：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；ET為作物耗水量（m3/hm2）；Y為玉米籽粒產量（kg/hm2）。

1.5 數據分析

采用Excel 2010 和DPS 統計分析軟件進行數據處理和分析，采用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同水氮組合對夏玉米LAI 的影響

圖2 和表3 為各處理夏玉米LAI的變化特征。可以看出，LAI隨灌水量和施氮量增加而增大。2018 年灌水量僅對玉米苗期LAI產生極顯著影響，施氮量對玉米全生育期LAI都有極顯著影響，而水氮互作在全生育期均未產生顯著影響；2019 年灌水量和施氮量對玉米全生育期LAI均產生極顯著影響，而水氮互作僅在苗期對LAI產生顯著影響。2018 年，3 種水分條件下，除W20條件下拔節期、W30和W40條件下抽雄期外，其余生長階段各灌水條件下的N180與N300處理間LAI的差異均達顯著水平；然而，除W30水平下拔節期、W40水平下苗期和成熟期外，N240與N300處理間LAI的差異均不顯著。2019 年，4 種灌水條件下，除W10和W20條件下灌漿期外，N120處理的LAI顯著低于N300處理；N180與N300處理間的LAI在W10水分條件下拔節期和成熟期、W20水平下苗期及拔節期和成熟期、W30條件下各生長階段、W40水平下抽雄期及灌漿期和成熟期均具有顯著差異；W10～W40水分條件下（W10和W20水平下拔節期除外），N240與N300處理的LAI差異均不顯著。由此可見，不同水分條件下適當提高夏玉米施氮量均可促進葉面積的生長，但施氮量達到一定程度后，LAI趨于平穩。

圖2 2018 年和2019 年夏玉米LAI 變化過程 Fig. 2 LAI changes of summer maize in 2018 and 2019

表3 不同水氮組合對夏玉米LAI 的F 值檢驗 Table 3 F value test of different water and nitrogen combinations on LAI of summer maize

2.2 不同水氮組合對夏玉米地上部干質量的影響

圖3 為2018 年和2019 年不同水氮組下對夏玉米成熟期地上部干質量（圖中不同字母表示不同處理間地上部干質量差異顯著（P<0.05））。由圖3可以看出，夏玉米成熟期地上部干質量隨灌水量和施氮量增加而增大。2018 年，僅施氮量對地上部干物質量具有極顯著影響，2019 年灌水量和施氮量均對地上部干物質量產生極顯著影響，而2 個試驗年度水氮互作均未對其產生顯著影響。2018 年，W40N300處理的地上部干物質量最大，與W20N180處理、W20N240處理、W30N180處理和W40N180處理相比分別提高13.94%、8.94%、15.00%和10.75%，達顯著水平。2019 年W40N240處理的地上部干物質量最大，與W30N240處理、W30N300處理、W40N180處理和W40N300處理間無顯著差異，但與其余處理間的差異達顯著水平。總體來看，2018 年，3 種水分條件下地上部干質量呈現出N300處理與N240處理差異不明顯但顯著高于N180處理的趨勢。2019 年，隨著灌水量的增加，N180處理、N240處理與N300處理間地上部干質量的差異呈逐漸減小的趨勢，各灌水條件下的N120處理均顯著低于N300處理。

不同水氮處理下玉米穗質量的變化規律與地上部干物質量基本一致。2018 年和2019 年，穗質量值最大的處理分別是W40N300處理和W40N240處理，占地上部干物質量的比例依次是61.52%和62.76%。穗質量占地上部干物質量的比例隨施氮量和灌水量增加而減小，說明合理的水肥供應對增加作物生殖器官所占比例、提高產量尤為重要。

圖3 2018 年和2019 年不同水氮組合下夏玉米成熟期地上部干質量 Fig. 3 Aboveground biomass of summer maize in 2018 and 2019 under different water and nitrogen combinations

2.3 不同水氮處理對夏玉米產量構成的影響

水氮因子對產量的影響如表4 所示。由表4 可知，施氮水平對夏玉米產量構成要素及籽粒產量的影響效應大于灌水水平和水氮互作。2018 年，水分處理僅對穗粒數產生顯著影響，施氮處理對穗粒數、百粒質量和籽粒產量均影響顯著，二者的交互作用對三者影響均不顯著。9 個處理中，穗粒數和籽粒產量最大的均為W40N300處理，百粒質量最大的為W30N300處理。同一灌水條件下，產量隨施氮量的增加而增大，但差異均不顯著；同一施氮水平下，產量隨灌水量增加而增大，彼此間均未達顯著水平。除W20N180處理外，其余處理的籽粒產量與W40N300處理相比均無顯著差異。2019 年，灌水量對百粒質量和籽粒產量產生極顯著影響，施氮量對三者均具有極顯著影響，水氮互作僅對百粒質量影響顯著。16 個處理中，穗粒數、百粒質量和籽粒產量最大的處理分別為W40N240、W30N300處理和W30N300處理。4 個水分條件下，N240處理和N300處理間夏玉米的籽粒產量無顯著差異，而N120處理和N300處理間差異達顯著水平；W30處理灌水條件下，N180處理與N300處理間產量的差異達顯著水平，其余水分處理下二者間的差異不顯著。與W40N300處理夏玉米產量相比，W10水分條件下所有施氮處理以及W20處理、W30處理和W40條件下N120處理顯著降低，其余處理無顯著差異。

2.4 不同水氮處理對夏玉米耗水量和WUE 的影響

表5 為不同水氮組合下夏玉米耗水量和WUE。由表5 可知，耗水量隨著灌水量和施氮量的增加呈遞增趨勢，二者對耗水量具有極顯著的影響。2018 年，W20處理和W30條件下各處理耗水量的均值較W40條件下各處理分別減少13.10%和2.25%；N180和N240水平下各處理耗水量均值較N300下各處理分別降低5.15%和2.72%。2019 年，W10、W20和W30條件下各處理耗水量均值較W40處理分別減少22.94%、12.19%和6.62%，N120、N180和N240水平下各處理耗水量均值較N300處理依次降低4.97%、5.60%、1.32%。可見，灌水量對耗水量的影響效應大于施氮量。WUE隨灌水量增加呈降低的趨勢。2018 年，不同處理WUE具體表現為：W20和W30條件下各處理的WUE均值較W40分別提高11.05%和1.74%。9 個水氮交互處理中，W20N240處理的WUE最高，其次是W20N180處理，二者與其他處理間的差異達顯著水平。2019 年，WUE具體表現為：W10、W20和W30條件下各處理的WUE均值較W40分別提高17.94%、9.11%、7.21%，其中W10N180處理的WUE最高。W10、W20和W40條件下，WUE隨施氮量的增加先增大再減小，N180處理或N240處理取得最大值；W30條件下，WUE隨施氮量增加呈增大趨勢。

表4 不同水氮組合下夏玉米產量構成 Table 4 Yield components of summer maize under different water and nitrogen combinations

3 討 論

LAI是影響植株光合作用和蒸騰作用的重要因子，對作物高產意義重大。以往研究表明，增加灌水和施氮量可以促進葉面積增長[22]。張鵬等[23]研究指出，灌水、施氮和水氮互作在各生育期對LAI均產生顯著影響。然而，本研究發現，水氮交互對夏玉米LAI的影響不顯著。2018 年，水分處理對LAI的影響在苗期后開始不顯著，原因是2018 年夏玉米生長中后期降雨量大，導致灌水效應減弱；而氮肥處理一直對其產生明顯影響。2019 年，水、氮因素均對LAI產生極顯著影響，原因可能是玉米生長期間降雨量相對較小。地上部干物質量與產量的高低密切相關[24]。LAI和成熟期地上部干物質量均呈現出隨水氮投入量增加而增大的趨勢，但達到一定程度后無明顯增加。水氮對LAI和干物質積累的影響效應符合報酬遞減規律，張富倉等[22]和馮亞陽等[25]在滴灌試驗中得出與之相似的結論。

夏玉米籽粒產量有隨灌水量和施氮量增加而增大的趨勢，這與李廣浩等[26]結論相似。寧東峰等[27]研究發現，灌水、氮肥及其交互作用對玉米產量均具有顯著影響，本研究發現施氮處理對產量影響顯著，受降雨量影響，2018 年灌水對產量影響不顯著，2019年灌水對產量影響顯著，2 a 水氮互作對產量影響均不顯著。與高水高氮處理的籽粒產量相比，W20N240處理（2018 年）和W20N180處理（2019 年）沒有顯著降低。2 個試驗季適宜施氮量不同的原因是2018年夏玉米生長期間降雨強度大、降雨量多，致使土壤水分產生了深層滲漏，不可避免的會導致氮素淋溶損失，導致2018 年的適宜施氮量高于2019 年。本研究結果表明滴灌水肥一體化模式下減氮20%～40%仍能獲得與傳統施氮量（300 kg/hm2）相當的產量，這與韓祥飛等[19]研究結論相似。

謝英荷等[28]研究表明，灌水和施氮均會促進玉米耗水量的增加。本研究結果與之相似，耗水量隨灌水量和施氮量的增加而增大，水、氮單因素均對耗水量產生極顯著影響。邵國慶等[29]研究表明，相同水分條件下，增加施氮量可顯著提高WUE。Alkaisi等[30]研究指出，水氮因素均對WUE產生顯著影響。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，W10、W20處理和W40處理下WUE呈先增大后減小趨勢，W30處理下WUE呈增大趨勢。究其原因是灌水處理和水氮互作會影響作物生長發育和產量性狀，進而改變耗水特性和WUE。

W20N240處理（2018 年）和W20N180處理（2019年）的產量與高水高氮處理相比無顯著差異，但灌水量減少46.71%～53.35%，施氮量降低20%～40%，耗水量減小17.39%～18.16%，WUE提高14.40%～16.39%；與傳統地面灌溉和施肥技術相比，水、氮施用量亦明顯降低。綜合考慮夏玉米產量、耗水量、WUE以及灌水量和施氮量，W20N240處理和W20N180處理可推薦為滴灌方式下適宜的水氮組合。

表5 不同水氮組合對夏玉米耗水量和WUE 的影響 Table 5 Effect of different water and nitrogen combinations on evapotranspiration and WUE of summer maize

4 結 論

1）滴灌條件下增加灌水量和施氮量可以促進夏玉米葉面積指數增長和地上部干物質量累積，灌水量和施氮量增加到一定程度后，LAI和地上部干質量趨于平穩。

2）灌水處理對夏玉米產量及構成要素的影響效應低于施氮處理，但對耗水量和WUE的影響高于施氮處理。水氮互作對產量及構成要素影響不明顯，但對耗水量和WUE具有顯著影響。

3）與高水高氮處理相比，W20N240處理（2018年）和W20N180處理（2019 年）處理產量無顯著差異，但灌水量顯著下降，WUE顯著提高。在保證產量的前提下，綜合考慮節水減氮效應，建議試驗區滴灌條件下水氮施用方案為：目標濕潤土層0～20 cm，施氮量180～240 kg/hm2，補灌/施氮時期均為播種時及拔節期和抽雄期開始時，補灌的目標含水率為田間持水率，施氮比例為1∶1∶1，其中，播種N 底施，拔節N 和抽雄N 隨水施入。