不同灌水和施氮水平對河西春玉米水氮利用效率和經濟效益的影響

閔 迪，王增紅，李援農，張 舵

(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)

玉米作為全球最重要的谷物之一，其產量的高低對人類糧食的供應至關重要。河西走廊是我國重要的玉米生產基地，氣候異常、降雨不確定和分布不均造成的干旱是導致該地區糧食產量不穩定的主要因素[1-2]。長期面臨的水資源緊缺使農業用水矛盾日益突出[3]。同時，不合理的灌溉模式和灌水量與當地偏砂壤的土壤質地造成農田滲漏嚴重[4-5]，導致水分利用效率較低。此外，該地區還存在過量施肥與施肥方式落后等問題[6]，在河西地區純氮施用量高達525～600 kg·hm-2[6-7]，遠遠超出作物對養分的需求，造成農田生態系統中氮素盈余[8]，肥料利用效率低下，并導致一系列的環境問題[9]。因此，發展節水灌溉技術，探究合理的水肥管理模式，提高農田水肥利用效率，對于保障該地區糧食安全，緩解水資源短缺，改善農田生態環境，確保區域農業的可持續發展具有重要意義[10]。

滴灌水肥一體化技術能有效提高作物根區水肥分布的均勻度[11]，維持作物高產的同時能有效降低水肥投入，從而提高水肥利用效率[12]。在砂質土壤玉米生產區采用滴灌比傳統灌溉的水分利用效率更高[13]，覆膜可以減少土壤蒸發，提高土壤溫度，改善耕層土壤環境[14-15]，從而促進植株生長[16]。目前，關于灌水量和施氮量耦合處理對大田玉米生長特性[17]、產量[18-19]、土壤水分養分[20-21]、作物水肥利用效率[22-23]的研究成果很豐富，但膜下滴灌條件下，水氮耦合對河西走廊大田玉米水氮利用效率和灌溉經濟效益的研究成果較少。因此，本文通過設置不同灌水和施氮水平組合處理，研究春玉米地上干物質量、氮素累積量、籽粒產量及水氮利用效率對水氮組合的響應，評價各處理下的經濟效益，從而確定適宜的供水供氮水平，為河西地區春玉米節水、節肥和增效的生產模式提供一定理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2018年4月—2018年9月在甘肅省武威市涼州區石羊河流域實驗站進行。該區海拔1 581 m，多年平均降水量164 mm(主要集中在7、8、9月份)，多年平均水面蒸發量2 000 mm，為典型的內陸荒漠氣候區，2018年玉米生育期(2018年4月23日—2018年9月22日)共計降雨193 mm(如圖1)。光熱資源充足，全年日照時數大于3 000 h，年平均氣溫為8℃，無霜期大于150 d[24]，多年平均風速為1.3 m·s-1。土壤質地為輕砂壤土，有機質含量為43.65 g·kg-1。田間農家肥(主要為羊糞)含量為18 t·hm-2。地表1 m深度內土層土壤容重為1.4 g·cm-3，平均田間持水量為30%(體積含水量)，地下水埋深達 25～30 m。站內設有普通氣象站，按照國家氣象局的《地面氣象觀測規范》進行氣溫、濕度、降水、日照、水面蒸發、風速、氣壓和地溫的觀測，并設有自動氣象站記錄氣溫、相對濕度、太陽輻射和風速。試驗玉米品種為先玉335號。

1.2 試驗設計

試驗采用膜下滴灌的方式進行灌溉，試驗設置3個灌溉水平，分別為充分灌溉(FI)，輕度虧缺灌溉(DI1)，重度虧缺灌溉(DI2)。灌水量采用灌水上限控制，分別為95%θf(土壤田間持水量)，80%θf，65%θf。灌水前采用取土烘干稱重測定土壤含水率，灌水量=(灌水上限-土壤含水率)×土壤容重×計劃濕潤層深度×濕潤比，為保證出苗，播前各處理采用畦灌冬儲灌溉。施肥采用4個施氮水平，分別為0、70、140、210 kg·hm-2(尿素，含氮量46%，以純N計)，各記為N0、N70、N140和N210，氮肥在拔節期用施肥罐隨滴灌分2次施加。試驗共12個處理，每個處理重復3次，各個小區均為南北走向，小區面積36 m2(8 m×4.5 m)。玉米采用寬窄行播種(寬行60 cm，窄行40 cm)和一條滴灌帶控制2行春玉米種植方式，株距20 cm，種植密度為100 000株·hm-2，滴灌帶滴頭間距30 cm，滴頭流量2.5 L·h-1，工作壓力0.1 MPa。春玉米生育期內灌水量和灌水日期如表1。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 春玉米地上部干物質量 春玉米成熟后，在每個小區選取5株有代表性的植株，齊地剪斷，去除表面污垢后將各器官分離，于烘箱105℃殺青0.5 h，然后于75℃烘干至恒重后，用電子天平(量程100 g，精度0.01 g)稱干重并記錄，最后乘以種植密度換算成群體生物量(t·hm-2)。

1.3.2 春玉米地上部氮素累積量 將烘干后的各器官干物質粉碎、過篩，用濃H2SO4-H2O2消煮法消煮植物樣品，然后用全自動凱氏定氮儀測定消解液中全氮含量。

圖1 2018年玉米生育期內降雨情況Fig.1 Rainfall during maize growing season in 2018

表1 春玉米滴灌灌水試驗方案

各器官氮素累積量(kg·hm-2)=各器官全氮含量(mg·kg-1)×器官干物質量(g·株-1)×種植密度(株·hm-2)×10-4；

地上部氮素累積量(kg·hm-2)=各器官氮素累積量之和。

1.3.3 籽粒產量 成熟期苞葉完全變白后，選取小區中間相鄰2條滴灌帶控制的2行玉米，連續取10株，將所有穗掰下，風干后脫粒測定總質量、穗粒數及其百粒質量，最終折算成含水率為14%的籽粒產量[25]。

1.3.4 春玉米耗水量和水氮利用效率 在播種前、每次灌水前和收獲后測定0～100 cm土壤的含水率，用土鉆在距離玉米植株5～10 cm處取土，每個小區3個測點，沿豎向每隔20 cm取1個土樣，放入鋁盒，在烘箱中烘干后測定土壤含水率。

播前和收后的土壤貯水量(mm)=土壤干容重(g·cm-3)×土層厚度(cm)×土壤含水率(%)×10；

春玉米耗水量采用水量平衡法計算，公式為

ET=Pr+U+I-D-R-ΔW

式中，ET為作物耗水量(mm)；Pr為有效降雨量(mm)；U為地下水補給量(mm)；I為灌水量(mm)；R為徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)；ΔW為播種時和收獲后土壤貯水量之差(mm)。由于試驗區地下水埋藏較深，地勢平坦且降雨量較小，且滴灌濕潤深度較淺，U、R和D均忽略不計。

春玉米水分利用效率：

WUE=Y/ET

式中,Y為籽粒產量(kg·hm-2)。

氮肥偏生產力(nitrogen partial factor productivity，NPFP)的計算公式如下：

NPFP=Y/N

式中，N為投入的氮肥總量(kg·hm-2)。

收獲指數(harvest index，HI):

HI(%)=籽粒產量/地上部干物質累積量

氮收獲指數(nitrogen harvest index，NHI)：

NHI(%)=籽粒吸氮量/植株吸氮量

1.4 數據處理與分析

使用Excel 2010軟件對試驗數據初步整理，用SPSS 20.0對各指標進行方差分析與多重比較，方差分析采用ANOVA，多重比較采用Duncan(D)方法；采用OriginPro 8.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水與施氮量對地上部干物質量的影響

圖2為灌水與施氮量對春玉米地上部干物質量的影響試驗結果。

由圖2分析知，灌水和施氮量對春玉米地上部干物質量存在顯著影響。在相同灌溉水平下，春玉米地上部干物質量在0～210 kg·hm-2的施氮范圍內隨施氮量的增加而增加。隨著水分虧缺的加劇，地上部生物量呈下降趨勢。DI2灌溉水平下，春玉米地上部干物質量的變化范圍為32 640.3～39 053.0 kg·hm-2，干物質量隨施氮量的增加增長緩慢；DI1灌溉水平下的變化范圍為34 947.7～43 082.3 kg·hm-2，施氮量從N70增加到N140，地上部干物質量顯著增加，而由N140增加至N210，地上部干物質量差異不顯著；在FI灌溉水平下的變化范圍是34 199.7～44 326.7 kg·hm-2。與DI2處理相比，DI1和FI處理的地上部干物質量分別高出9.2%和6.6%。

施氮量相同條件下，灌溉水平對地上部生物量的影響存在顯著差異。施氮量不超過140 kg·hm-2時，DI1處理下的春玉米地上部干物質量顯著大于

注：數據為各處理的平均值±標準差，不同字母代表不同灌溉處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Data points are mean and standard deviation for different irrigation and fertilizer treatments, different letters indicate significant difference among different irrigation treatments (P<0.05). The same below.圖2 不同灌水與施氮量對春玉米地上部干物質量的影響Fig.2 Effect of different irrigation and N application levelson aboveground dry matter of spring maize

FI和DI2處理，且DI1>FI>DI2；施氮量為210 kg·hm-2時，FI處理的地上部干物質量顯著大于DI1和DI2，且FI>DI1>DI2。與不施氮(N0)相比，N70處理下春玉米的地上部干物質量增幅達3.7%～7.5%(P<0.05)，N140下增加14.9%～22.0%(P<0.05)，N210下增加19.6%～29.6%(P<0.05)。

2.2 不同灌水與施氮量對春玉米氮素累積量的影響

不同灌水和施氮量對春玉米氮素累積量的影響如圖3。在相同灌溉水平下，春玉米氮素累積量在0～210 kg·hm-2的施氮范圍內隨施氮量的增加顯著增加(P<0.05)。DI2處理下，氮素累積吸收量的范圍是326.66～407.89 kg·hm-2，N70和N140處理之間的差異不顯著；DI1處理下為344.82～448.67 kg·hm-2；而FI處理下為338.32～466.91 kg·hm-2，N0和N70處理之間的差異不顯著。分析可知，FI處理下的氮素累積吸收量變化幅度大于DI1和DI2處理。與DI2相比，DI1和FI處理的氮素累積量分別提高8.0%和5.4%。

在相同施氮水平下，施氮量不超過140 kg·hm-2時，DI1處理下的氮素累積吸收量顯著大于DI2和FI處理；而施氮量為210 kg·hm-2時，FI處理下的氮素累積量顯著大于DI1和DI2處理。與不施氮(N0)相比，N70下春玉米氮素累積吸收量增加0.6%～9.5%(P<0.05)，N140下的增幅為12.6%～18.2%(P<0.05)，而N210下增加24.9%～38.0%(P<0.05)。

2.3 不同灌水與施氮量對春玉米籽粒產量的影響

同一灌溉水平下，施氮對春玉米有顯著的增產效應(表2)。重度虧缺灌溉條件下，籽粒產量隨施氮量的增加而顯著增加；輕度虧缺灌溉條件下，N140和N210處理之間無顯著差異，說明過量施氮肥會阻礙籽粒產量的累積；充分灌溉條件下，施氮量對籽粒產量的累積有正效應。

圖3 不同灌水與施氮量對春玉米氮素累積量的影響Fig.3 Effect of different irrigation and N application levelson N accumulation of spring maize

與不施氮(N0)相比，N70下的籽粒產量增幅為2.9%～9.6%(P<0.05)，N140處理下的增產幅度為12.1%～15.9%(P<0.05)，而N210處理下增加12.2%～21.8%(P<0.05)。施氮量不超過140 kg·hm-2時，DI1處理下的籽粒產量顯著大于DI2和FI處理；施氮量為210 kg·hm-2時，DI1和FI處理的籽粒產量無顯著差異，并顯著大于DI2處理。總的看來，DI1灌溉水平的籽粒產量比FI和DI2平均高出5.5%和8.3%。

灌水與施氮水平對春玉米的穗粒數、百粒重有顯著影響。各處理的穗粒數與百粒重的整體變化趨勢與籽粒產量大致相同，與不施氮(N0)相比，處理N70、N140、N210的穗粒數和百粒重分別增加了1.3%、2.6%、4.7%和4.2%、10.9%、12.1%。說明施氮肥可以促進春玉米的生長，增加春玉米的穗粒數，使得其籽粒飽滿，進而提高春玉米的產量。

表2 不同灌水與施氮量對春玉米籽粒產量的影響

2.4 不同灌水與施氮量對春玉米耗水量和水氮利用效率的影響

不同灌水和施氮量對春玉米耗水量的影響顯著(如表3)。在同一灌溉水平下，春玉米耗水量隨施氮量的增加而增加。與不施氮(N0)相比，FI、DI1和DI2下各施氮處理的耗水量分別增加1.7%～50.8%、10.8%～38.7%和19.2%～31.0%(P<0.05)。在相同施氮量下，春玉米耗水量隨灌溉水平的提高而增加。與DI2相比，DI1和FI下的耗水量增幅分別為23.9%～53.4%和72.9%～102.7%(P<0.05)。

由表3分析知，不同灌水和施氮處理對春玉米水分利用效率影響顯著(P<0.05)。不同處理的水分利用效率在3.16～5.63 kg·m-3，水分利用效率最大的處理是DI2灌溉水平下的N70。相同施氮水平下，DI2處理的水分利用效率最高，變化范圍為4.92～5.63 kg·m-3，比DI1和FI處理分別高出22.8%～38.5%和39.1%～56.5%。綜上，同一施氮水平下，水分利用效率隨灌溉水平的提高而降低。相同灌溉水平下，春玉米的水分利用效率隨施氮量的增加呈先增后減的變化趨勢。在N70處理下的水分利用效率最高，比N0、N140和N210分別高出0.0%～6.0%、13.5%～23.3%和14.4%～31.2%。

不同灌水和施氮量對春玉米氮肥偏生產率的影響顯著(P<0.05)。在相同灌溉水平下，氮肥偏生產率隨施氮量的增加顯著減小，所有處理中以DI1×N70處理的氮肥偏生產率最高，為276.63 kg·kg-1，與FI、DI2的N70處理差異顯著，后兩者之間的差異不顯著；N140處理下氮肥偏生產率有相同變化規律；N210處理下的氮肥偏生產率無顯著差異。

不同灌水和施氮水平對氮收獲指數和玉米收獲指數有顯著影響。不同水氮處理的氮收獲指數在63.8%～73.3%，在相同灌溉水平下，N70處理下的氮收獲指數最高。春玉米收獲指數在52.4%～59.6%，DI1和FI條件下，春玉米的收獲指數隨施氮量的增加而減小，DI2條件下，N70處理的春玉米收獲指數最高。

2.5 不同灌水與施氮量對春玉米經濟效益的影響

表4為不同處理下春玉米的經濟效益分析。

DI1×N140處理下凈效益最大，凈收益為25 390元·hm-2。在FI和DI2下，春玉米的凈收益隨施氮量的增加而逐漸增加。在FI條件下，N210處理的平均凈收益為24 846元·hm-2，比N140、N70和N0處理下分別高出2 528元、6 112元和6 921元；在DI2條件下，N210處理的平均凈收益為22 567元·hm-2，比N140、N70和N0處理下分別高出576元、2 555元和5 727元。在DI1條件下，N140處理下獲得的凈收益最大，平均為25 390元·hm-2，比N210、N70和N0處理下分別高出418元、2 666元和4 186元。3種灌溉水平條件的凈收益相比，DI1處理的平均凈收益最大，其均值比FI和DI2處理分別提高12.5%和15.8%。

施氮量相同時，N210處理下的凈效益隨灌水量的增加呈先增后減趨勢，而在N140、N70和N0處理下，凈效益在隨灌水量的增加先增后減。4個施氮水平下的凈效益相比，N210處理的凈效益最大，平均凈效益為24 128元·hm-2，N140、N70和N0處理的平均凈效益分別為23 233元·hm-2、20 490元·hm-2和18 656元·hm-2。與不施氮(N0)相比，N70、N140和N210處理的凈效益分別提高9.8%、24.5%和29.3%(平均)。

3 討 論

3.1 春玉米地上部干物質量、氮素累積量和籽粒產量

本研究表明，作物的高產是建立在高生物量的基礎之上，春玉米地上部干物質量、氮素累積量和籽粒產量對灌水和施氮量的響應呈單峰曲線變化，這與高磊等[26]和王宜倫等[27]的研究結果相同。水分脅迫會顯著影響植物生長，但是增加氮肥施用量可以減少水分脅迫的危害。施氮促進玉米的植株生長和根系發育，從而更好地適應水分脅迫[28]。于亞軍等[29]認為，水分脅迫會使施氮的增產效應減小，而水分充足施氮的增產效應顯著增加。在FI和DI2處理下，地上部干物質量隨著施氮量的增加而顯著增加，與馮亞陽等[30]研究結果一致；而在DI1處理下，當施氮量從140 kg·hm-2升至210 kg·hm-2時，地上部干物質量不再顯著提高，這說明在一定的灌溉水平下，過量施氮不會顯著增加春玉米地上部干物質量，這與索東讓等[31]、Bu等[32]和谷曉博等[33-34]的研究結果一致。當施氮量為0～14 kg·hm-2時，DI1處理下的地上部干物質量和籽粒產量顯著高于FI和DI2處理，說明適度的水分虧缺有利于干物質量和籽粒產量的增加[35]；而在施氮量為210 kg·hm-2時，地上部干物質量FI>DI1>DI2(P<0.05)，而籽粒產量、氮素累積量FI≈DI1>DI2，主要原因可能是供水供氮促進玉米的干物質累積，進而提高玉米籽粒產量，但是超過一定范圍會使作物“徒長”，于增產無益。FI×N210處理下的地上部干物質量、籽粒產量、氮素累積量均比其他處理高，這表明水分的增產效應隨施氮量的增加而增大，氮肥的增產效應隨水分增加而增大，但這種增產效應不是無限制的[30,36]。與不施氮相比，施氮處理增加了穗粒數和百粒重，這與郭丙玉等[37]的研究結果相同。與Qi等[38]和Fang等[39]的研究相比，本研究中不施氮處理的地上部干物質量、氮素累積量和籽粒產量處于較高水平，與施氮處理的差異不大，主要原因可能是播種前田間堆積了大量農家肥，導致土壤肥力偏高，減小了施肥的增產效應。

表3 不同灌水與施氮量對春玉米耗水量和水分利用效率的影響

表4 不同灌水與施氮量對春玉米經濟效益的影響

3.2 耗水量和水氮利用效率

本研究表明，灌水與施氮水平對春玉米的耗水量、水分利用效率、偏氮肥生產力、氮收獲指數和收獲指數均有顯著影響。灌水和施氮水平越高，春玉米耗水量和籽粒產量越大，但水分利用效率最高的處理是DI2×N70，產量最大時的耗水量遠高于WUE最大時的耗水量，這與李文惠等[40]和劉戰東等[41]的研究結果相同。可見水分和氮素作為影響玉米產量的2個重要因素，只有采取最佳組合才能夠更好地提高玉米產量并達到節水的目的。同一灌溉水平下，增施氮肥可提高春玉米水分利用效率，但施氮量不宜超過70 kg·hm-2，否則將導致水分利用效率降低[42]，原因可能是適量施氮通過提高春玉米籽粒產量從而提高了水分利用效率[43]；大量施氮導致水分利用效率降低，可能是因為大量施氮促進水分的消耗，增大了作物的耗水量，從而導致水分利用效率低下[44-45]。吳立峰等[46]指出，施肥量和灌水量對棉花的肥料偏生產力有著極顯著的交互作用。氮素對籽粒產量有重要作用，Yang等[47]和Xue等[48]的研究發現，氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而下降，本研究結果與之相同。

3.3 經濟效益分析

前人研究表明，適度的施氮和灌水均能增加作物產量，以此達到較高的經濟效益。在本研究中，在充分灌溉條件下，增大施氮量可以有效增加春玉米的凈收益；在輕度虧缺和重度虧缺灌溉條件下，N140處理獲得的凈收益最高，說明充分灌溉條件下增施氮肥有利于提高春玉米的經濟產量，而調虧灌溉條件下減少氮肥用量更有利于增加春玉米的經濟產量，這與姜小鳳等[49]和王秀波等[50]對小麥的研究結果相符。在所有處理中，FI×N210處理的籽粒產量最高，但獲得凈收益最高的是DI1×N140處理，主要是因為前者為獲得高產投入了過量的水和氮，導致成本過高，增產效果卻不顯著。相比較FI×N210處理，DI1×N140處理不但獲得高收益，而且節水節肥(節水189.71 mm，節約氮肥70 kg·hm-2)，緩解水資源緊缺的局面，改善因濫用氮肥導致的環境問題。

4 結 論

本文研究滴灌條件下不同水氮供應對河西春玉米生長、產量及水氮利用效率的影響，結果表明：

1)灌水和施氮均可使春玉米產量增加，在水分脅迫條件下，施氮可以減少水分脅迫的危害，但過量施氮肥對春玉米不再有顯著的增產效果，適度的水分虧缺和適宜的施氮量可以保證春玉米增產，DI1灌溉水平比FI和DI2平均增產5.5%和8.3%。

2)增施氮肥可提高春玉米水分利用效率，但施氮水平不宜超過70 kg·hm-2，否則將導致水分利用效率降低；氮肥偏生產力隨施氮量的增加呈明顯降低趨勢，N70、N140和N210處理的氮肥偏生產力分別為262.59、141.52 kg·kg-1和97.31 kg·kg-1。

3)綜合考慮產量、經濟效益和環境因素，在中國河西地區春玉米最適宜的水氮組合為DI1×N140，產量為23.68 t·hm-2，凈效益為25 390元·hm-2。