風沙土膜下滴灌氮肥運籌對玉米生長、干物質和產量的影響

顧桂棟，竇超銀，孟維忠，佟 威，陳 偉，胡 倩

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州225009；2.遼寧省水利水電科學研究院，沈陽110003）

0 引言

膜下滴灌技術是將滴灌技術與覆膜種植相結合的一種先進新型節水灌溉技術， 既發揮了滴灌能均勻、定時、定量、局部浸潤作物根系的優點，又利用了覆膜能增溫保墑的效果，進而達到增產增收、高效節水、節肥保肥等目的[1,2]。隨著膜下滴灌技術在遼西北風沙土地區的推廣應用，緩解了玉米生育前期氣溫低、蒸發大、生育后期干旱、降雨分配不均的問題，但遼西北風沙土土質瘠薄，漏水漏肥嚴重[3]，大部分農戶為了玉米高產，還是采用傳統施肥方式，即以基肥為主，集中追肥為輔，在膜下滴灌“少量多次”的灌溉制度下，造成了肥料利用率低、土壤無機氮殘留多、養分淋溶損失嚴重等問題[4,5]。因此，進一步優化膜下滴灌技術的氮肥運籌方式，為配合膜下滴灌灌溉制度、提高氮肥利用率和玉米增產具有重要意義。

普遍認為，對于玉米提高肥料利用率的關鍵在于同步作物的養分需求與土壤、肥料的養分供應， 即合理的基肥和玉米生育期追肥用量和比例的采用[6]。研究表明，氮肥后移技術能起到養分供應和作物吸收同步的作用，從而提高玉米產量和肥料利用率[7,8]，在國外，玉米和小麥播種前甚至不施基肥，只有非常瘠薄的砂質土壤才推薦當季施氮量的1/3 作為基肥[9]；張鵬飛等[10]試驗結果表明，松嫩平原大壟雙行膜下滴灌追肥120 kg/hm2，拔節期肥、大喇叭口期肥、吐絲期肥分配比例3∶5∶2 時，能大幅度提高玉米產量，王進斌等[11]等研究出隴中旱農區，玉米全覆膜溝灌下僅在拔節期追肥時，有利于玉米光合作用和得到高產的玉米籽粒飼料，邰書靜[12]等研究表明，在總氮為225 kg/hm2的條件下，基肥、拔節肥、穗肥為0∶10∶0 和0∶5∶5 處理吐絲后期能保持較高的葉面積系數。綜上所述，前人關于氮肥運籌的研究還是以集中追肥為主，而對水肥一體化“少量多次”的灌溉制度下的氮肥運籌研究較少。因此，本試驗結合遼西北風沙土的土壤條件與前人試驗，在大壟雙行膜下滴灌種植模式下，采用推薦施氮量300 kg/hm2[13]的1/3 作為基肥、2/3 作為追肥，通過設置不同關鍵生育時期施氮比例組合，研究不同氮肥運籌方式對玉米生長、干物質質量和產量的影響，以確定玉米生育期內的最佳氮肥配比，從而為遼西北風沙土膜下滴灌水肥一體化條件下實現精確的氮肥管理提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于遼寧省彰武縣北甸子村（E122°23′，N42°50′）地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風氣候區，其主要特征是干燥、風沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年內分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸發量1 781 mm；年平均氣溫6.1 ℃，平均風速3.7～4.2 m/s，最大瞬時風速達24.0 m/s，沙塵暴天氣10～15 d；植物生長期145～150 d，無霜期154 d。試驗區土壤主要為風沙土，干體積質量為1.69 g/cm3，田間持水率為12%，飽和含水率為16.9%。土壤機械組成以細沙為主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有機質質量分數為6.6%。

1.2 試驗設計

試驗于2020年5-10月進行，玉米供試的品種為“京科968”，氮肥為尿素（含氮46.4%）。根據玉米生長劃分為苗期、拔節期、穗期、灌漿期、完熟期等5個生育期。灌水量由冠層水面蒸發量（ET0）和作物系數（Kc）相結合推算而出，當灌水周期內發生降雨時，從計算灌水量中減去降雨量，具體利用公式W=α Ki(Ek,5-Pk,5)計算，式中Ek，5為第k個5日冠層水面累計蒸發量，逐日實測；Pk，5為第k個5日累計降雨量，逐日實測；Kci為第i個生育期作物系數，苗期、拔節期、穗期、灌漿期和完熟期分別取0.45，0.55，1.2，1，0.7，參見文獻[14]；α為需水系數，以推薦需水系數α=0.8 為參考[15]。推薦施肥量（純氮）300 kg/hm2為參考[13]，以不同時期氮肥配比為試驗因素，其中，常規施肥（F1：基肥、拔節肥質量比為1∶2），兼顧拔節和粒肥（F2：基肥、拔節肥、粒肥質量比為1∶1∶1），均勻施肥（F3：基肥、苗期肥、拔節肥、穗肥、粒肥質量比為2∶1∶1∶1∶1），重拔節肥（F4：基肥、拔節肥、穗肥、粒肥質量比為2∶2∶1∶1），攻粒肥（F5：基肥、拔節肥、穗肥、粒肥質量比為2∶1∶1∶2），基肥在起壟-播種-覆土-覆膜-施肥一體機春播時施入，苗期肥、拔節肥、穗肥、粒肥均隨水施入。試驗設計共5 個處理：F1、F2、F3、F4、F5 處理，每個處理3 個重復，共15 個小區，小區隨機布置。玉米采用大壟雙行種植，壟距1.2 m，寬行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，種植密度為5.56 萬株/hm2。單個小區內有5 壟，壟長5 m，小區面積30 m2。小區采用重力滴灌，灌溉前計算灌溉水量，注入桶中；施肥前將小區追肥所需尿素溶解，溶液倒入桶中，以水肥一體化形式灌溉施肥。

1.3 田間管理

播種前種子進行晾曬處理，各處理均在春播前翻地，平整土地，施農家肥（雞糞）1.5 t/hm2，5月11日起壟鋪設滴灌帶，覆膜播種。5～6葉期定苗，拔節期中耕除草，噴施農藥甲胺磷1次，防治蟲害。8月21日后玉米進入成熟期，由于多次降雨，停止灌溉，9月26日收獲。

1.4 測定指標和方法

（1）降雨、蒸發和灌水量的測定。降雨利用試驗站小型氣象站監測；在試驗區從南到北在冠層上方放置20 cm 蒸發皿測量冠層水面蒸發，每天08∶00 測量1 次；灌溉水量通過水表觀測。

（2）生長指標的測定。在各生育期階段各試驗小區隨機選取3株玉米，測量株高、莖粗、單株全部展開葉的葉面積和葉綠素含量（SPAD值）。其中株高用卷尺測量；莖粗用游標卡尺測量；單株葉面積用卷尺測量，利用長寬系數法計算，單株葉面積等于各單葉面積之和；葉面積指數（LAI值）用葉面積和與單位土地面積折算求得；SPAD值用SPAD-502 葉綠素儀測定。

（3）地上部分干物質量測定。在各生育期階段各試驗小區隨機選取3株玉米，采集地上生物部分，去除表面污垢后按莖、葉片、苞葉、穗軸、籽粒5 部分分離，放入烘箱105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒定質量，采用電子天平稱量。

（4）考種、產量及水分利用效率的測算。收獲時在各小區隨機取樣3 株玉米進行考種（穗長、穗粗、禿尖長、穗行數、行粒數、穗粒數和百粒質量等），并計算產量。水分利用效率公式為：

其中，玉米生育期階段耗水量采用水量平衡計算，公式為：

式中：WUE 為水分利用效率，kg/m3，Y為產量kg/hm2，ET作物耗水量，mm，Pr為有效降雨量，mm，U為地下水補給量，mm，I為灌水總量，mm，D為深層滲漏量，mm，R為徑流量，mm，△W為試驗初期和試驗末期土壤水分的變化量，mm。由于試驗區地下水埋藏較深，地勢平坦且滴灌濕潤深度較淺，U、R和D均可忽略不計。

1.5 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2019 整理試驗數據；采用SPSS 24.0統計分析軟件對試驗數據進行顯著性分析；采用Origin 2017繪圖軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 降雨量、蒸發量、灌水量和施肥量

2020年玉米生育期內降雨和蒸發量如圖1所示。從圖1可以看出，玉米生育期內累計蒸發量906.3 mm，累計降雨量433.5 mm。玉米生育期內降雨35 次，有效降雨25 次，占降雨次數的71.43%；降雨相對集中在7月下旬到9月上旬，期間降雨22 次，累計降雨305.1 mm，占全生育期降雨量的70.38%；單次最大降雨量發生在8月3日，日降雨量55.3 mm。6月下旬到7月中旬，即拔節期和穗期，累計蒸發196.7 mm，占全生育期蒸發量的21.7%，日均蒸發量達到6.6 mm，此期間無雨期長達23 d。受年內降雨和蒸發影響，玉米生長前期灌溉頻繁，進入雨季后，尤其灌漿期后，灌溉減少，在玉米生育期內灌水10 次，累計灌溉水量為159.4 mm，見表1。F1～F5 處理玉米生育期內分別施肥2 次、6 次、8 次、8 次和6 次，具體施肥日期和施肥量見表2。

圖1 玉米生育期內降雨蒸發量Fig.1 Rainfall and evaporation during the growth period of maize

表1 玉米生育期內灌水日期與累計灌溉水量 mmTab.1 Irrigation date and accumulated irrigation water quantity in maize growth period

表2 玉米生育期內施肥日期與施肥量 kg/hm2Tab.2 Date and amount of fertilizer application in maize growth period

2.2 不同氮肥運籌對玉米生長的影響

2.2.1 株 高

不同氮肥運籌處理的株高變化趨勢如圖2所示。從圖2 可以看出，各處理玉米株高苗期增長緩慢，拔節期快速增長，灌漿后基本穩定。不同處理之間，拔節期F1和F4處理株高較大；拔節期后，F3 處理株高始終最大，穗期F3 處理株高顯著大于F1和F5處理，分別高出10.0%和9.4%；灌漿期和完熟期F3處理的株高與其他處理并未達到顯著水平。

圖2 不同氮肥運籌玉米株高變化趨勢Fig.2 Variation trend of maize plant height under different nitrogen application

2.2.2 莖 粗

不同氮肥運籌處理的莖粗變化趨勢如圖3所示。由圖3 可知，各處理玉米莖粗呈現先增大后逐漸減小的變化趨勢，F1、F2、F3和F5處理峰值在拔節期，F4處理峰值在穗期。不同處理之間，F1、F3 和F5 處理莖粗在拔節期較大；拔節期后，F3處理莖粗始終最小，F4 處理莖粗始終最大，其中，穗期F4 處理的莖粗分別比F1、F2 和F3 處理大6.5%、6.7%和9.4%，灌漿期和完熟F4 處理的莖粗比F3 處理分別大3.4%和3.6%；灌漿期～完熟各處理莖粗分別減少4.4%、3.1%、3.8%、3.6%和

圖3 不同氮肥運籌玉米莖粗變化趨勢Fig.3 Variation trend of maize stem diameter under different

1.8%。

2.2.3 葉面積指數（LAI）

圖4 為各氮肥運籌處理玉米葉面積指數（LAI）的變化。從圖4 可以看出，各處理玉米LAI變化與株高類似，且均在灌漿期達到峰值。不同處理之間，苗期后，F3處理LAI始終大于其他處理，且在灌漿期達到峰值3.71；拔節期F3處理的LAI與F1 處理存在顯著差異，比F1 處理大21.8%，雖然拔節期后各處理方差分析未達到顯著水平，但LAI均值仍有較大差異，穗期、灌漿期LAI均值從大到小依次為F3、F2、F4、F1 和F5；灌漿期～完熟各處理LAI分別減少11.2%、3.4%、6.3%、4.0%和2.4%。

圖4 不同氮肥運籌玉米的葉面積指數變化Fig.4 Changes of leaf area index of maize under different nitrogen application

2.2.4 葉片葉綠素含量（SPAD值）

圖5 為不同氮肥運籌處理玉米葉綠素含量的變化。由圖5可見，各處理玉米SPAD值范圍在46.6～54.8之間，總體呈現先增大后逐漸減小的變化趨勢，F1、F3 和F5 處理在穗期達到峰值，但F2 和F4 處理SPAD值在拔節期后逐步減小。不同處理之間，苗期施肥處理后，F1 處理SPAD值始終最大，峰值為54.8，其中，拔節期F1 處理SPAD值分別比F2、F3、F4 和F5處理大7.4%、9.6%、7.2%和10.9%，穗期和灌漿期F1 處理SPAD值分別比F2和F4處理大11.4%、8.1%和15.2%、12.7%；不同處理之間在不同生育期差異也較大，F2 和F4 處理在拔節期SPAD值高于F3和F5處理，但在穗期和完熟期SPAD值小于F3 和F5 處理；灌漿期～完熟各處理SPAD值分別減少4.5%、1.4%、2.3%、2.2%和3.0%。

圖5 不同氮肥運籌玉米的葉綠素含量變化Fig.5 Changes of chlorophyll content in maize under different nitrogen application

2.2.5 地上干物質質量

圖6 和圖7 為不同生育期階段玉米各器官的干物質積累量及其占比。由圖6可見，各處理玉米干物質累積量隨著生育期的推進而不斷增加，拔節期～穗期以營養生長為主，F1～F5 處理干物質分別增加62.4%、58.5%、46.5%、69.0%和96.0%，穗期～灌漿期為生殖生長，干物質增幅較大、增幅近70%。不同處理之間，拔節期干物質質量F3 處理最大，分別比F1、F2、F4 和F5 處理大13.3%、10.6%、16.6%和35.3%，且差異達到顯著水平；穗期干物質總量差異較小，差異不足5 g；灌漿期F3 處理干物質質量最大，均值達到303.5 g，各處理從大到小依次為F3、F1、F4、F5、F2，但差異未達到顯著水平。

圖6 不同氮肥運籌對地上部干物質質量的影響Fig.6 Effects of different nitrogen application strategies on shoot dry matter quality

由圖7可知，在干物質分配方面，隨著玉米生長，各處理莖、葉干物質質量所占比在逐漸減少，苞葉、穗軸和籽粒干物質質量所占比在持續增加。不同處理之間，拔節期莖、葉干重占地上部分干物質的45%～47%和53%～55%，差異較??；穗期F2 處理穗軸占地上干物質比重為14%，低于其他處理；灌漿期各處理籽粒占比從大到小依次為F3、F4、F5、F1和F2。

圖7 不同氮肥運籌干物質所占百分比圖Fig.7 Percentage of dry matter weight in different nitrogen application strategies

2.3 玉米產量構成、產量和水分利用效率（WUE）

表3為不同氮肥運籌處理對玉米產量構成及水分利用效率的影響。由表3 可知，各施氮方案穗重、穗長、穗粗、禿尖長、穗行數、穗行粒數和總穗粒數等指標無明顯差異。不同處理之間，F3 處理穗重最重，均值達382.9 g，比F1、F2、F4和F5 處理分別重了2、6.5、7.7 和15.3 g；玉米穗長在20～22 cm，變幅不大；玉米穗粗在49～51 mm，從大到小依次為F3、F1、F5、F4、F2；F5 處理禿尖長最短，均值僅為0.8 cm；穗行粒數、穗行數和總穗粒數分別為15～17行、36～40粒和572～650 粒；百粒質量從大到小依次為F1、F4、F5、F3、F2，F2處理顯著低于F1 處理，較F1 處理輕了6.9 g，較F4、F5、F3處理分別輕了5.8、3.9、3.2 g。由表3 還可知，各氮肥運籌處理產量和WUE的差距不大，產量在11.9 ～12.3 t/hm2，WUE在2.09～2.16 kg/m3，各處理無顯著差異。產量和WUE從大到小依次為F3、F1、F4 、F2、F5，F3 處理產量和WUE分別為12.3 t/hm2和2.16 kg/m3。

表3 不同氮肥運籌對玉米產量及產量構成性狀的影響Tab.3 Effects of different nitrogen application on Yield and yield components of maize

3 討論

玉米對氮肥較為敏感且不同生育期對氮肥需求量不同，因此合理的氮肥運籌處理不僅有利于玉米良好生長發育，同時還能增加玉米氮素吸收率和提高肥料利用率，從而達到玉米增產目的[16]。前人研究表明，玉米生育前期由于植株葉片較少，根系不發達，吸收氮肥能力差，氮肥吸收量不到10%，相反，玉米生育中后期玉米根系發育完全吸收水分能力強，對氮肥的吸收能力明顯提高，植株葉片茂盛光合作用強，生理功能完全，氮素向籽粒分配能力強[17]，因此大量研究者開展了氮肥后移試驗，試驗也證明氮肥后移能顯著提高肥料利用效率和增加玉米產量[18,19]，但施氮后移側重于不同關鍵生育期對玉米也有不同的影響。侯云鵬[20]等研究表明，氮肥后移注重拔節期和抽雄期兩個時期，可在滿足玉米營養生長對氮素需求的前提下，提高玉米生殖生長階段對養分的供應，使玉米雌穗增大和粒數的增加，玉米灌漿充分，從而獲得較高的產量；李二珍[21]等認為在施氮后移在大喇叭口期追肥有利于春玉米獲得較高產量；張建軍[22]等研究說明在拔節期追肥能延緩玉米生育后期葉綠素含量相對含量的下降，增加了生育后期光合產物的生產量和轉運量，優化產量構成。

在膜下滴灌“少量多次”的灌溉制度下，本試驗結果發現，F1 施肥處理集中于拔節期，玉米在拔節期的株高、莖粗和葉綠素含量較其他處理高，但拔節期后玉米生長呈現劣勢，莖粗、葉面積指數和葉綠素含量在灌漿期～完熟減少量最多，這可能是由于該處理拔節期施肥量大，為玉米前期提供了充足的氮素，玉米長勢較好，但拔節期后期隨著灌水次數的增加，前期沒有被玉米吸收的氮肥在水的作用下逐漸被運移至土壤深層而無法被根系吸收，導致玉米生育后期缺肥，減弱了玉米葉片抗衰老的能力，雖然該處理玉米后期衰老較快，但F1 處理產量還是較高，這可能是由于該處理在生育期內葉綠素含量一直保持優勢有關；F2 施肥處理兼顧拔節期與灌漿期，全生育期玉米長勢一般，穗期的穗軸干物質質量占比最小，產量與水分利用效率最低，這是由于穗期是玉米穗軸發育的關鍵期，缺氮影響了該處理穗軸的正常發育，雖然該處理灌漿期施氮肥，一定程度上能維持玉米葉綠素含量，但穗期缺氮對穗軸的影響導致干物質向籽粒分配量存在上限，最終導致產量與水分利用效率不高；F3 施肥處理為均勻施肥，玉米全生育期長勢較好，葉面積指數最高，干物質質量分配合理，產量與水分利用效率最高，由此說明均勻施肥條件下，肥隨水少量多次的運到玉米根系層，減少了氮素淋溶損失，不僅能滿足玉米生育前期營養生長對氮素的需求，也保證生育后期玉米的生殖生長，但該氮肥處理莖粗最小，這可能與該處理與其他處理相比在拔節期單次施肥量小，在滴灌高頻灌溉條件下氮肥濃度低有關；F4 施肥處理側重于拔節期，玉米獲得了較為粗壯的莖稈，從施氮量來看，F4 處理在拔節期和穗期高于F2、F3、F5 處理，低于F1 處理，但拔節期后F4處理莖粗最大，由此可見莖粗對拔節期和穗期施氮量較為敏感且存在閾值，F4處理產量低于F1和F3處理，比較其施肥處理不難發現苗期和拔節前期施肥量較F1和F3少，導致該處理拔節期后葉綠素含量偏低，影響了產量；F5 施肥處理施氮側重于灌漿期，玉米前期株高和葉面積指數不高，雖然后期莖稈和葉片減少量最小，干物質質量轉運至穗軸和籽粒較多，但產量與水分利用效率不高，這可能是由于該處理苗期、拔節前期施氮量小，玉米由于前期缺氮而植株矮小，葉片較少，光合作用低，導致該處理模式下產量與水分利用效率不高。綜上所述，苗期到拔節前期和穗期是該試驗條件下玉米獲得高產的關鍵施肥期，灌漿期施肥能延緩玉米的衰老，但對產量的影響較小。

4 結論

試驗通過膜下滴灌少量多次灌溉條件下氮肥運籌的研究，可以得到以下結論：

（1）生育期內施肥集中于拔節期，玉米莖稈、葉片前期長勢較好，后期容易脫肥而提前衰老，但前期良好的營養生長為玉米后期獲得較高產量提供一定優勢；施肥兼顧拔節和灌漿期，穗期不施肥導致玉米生殖生長關鍵期缺肥而使穗軸發育不良，嚴重影響產量與水分利用效率；均勻施肥為玉米各生育期提供氮素，有利于玉米生長，玉米干物質分配合理，產量和水分利用效率高；施肥側重于拔節期，玉米獲得了粗壯的莖稈，但苗期缺肥，一定程度上會影響產量和水分利用效率；施肥側重于灌漿期，玉米株高、葉片前期生長不良，導致葉面積指數不高，雖然后期抵抗衰老能力較強，但是產量與水分利用效率低。由此可見，在遼西北風沙土地區，在保證玉米苗期到拔節前期氮素供應的前提下，增加穗肥，可以提高玉米產量和水肥利用效率。

（2）綜合考慮玉米生長、干物質、產量和水分利用效率，在遼西北風沙土地區施氮肥300 kg/hm2條件下，推薦均勻施肥處理（基肥、苗期肥、拔節肥、穗肥、粒肥質量比為2∶1∶1∶1∶1）為玉米最佳氮肥運籌。