不同水氮處理對南疆復播玉米生理特性及產量的影響

雷慶元,張 旭，朱 韜,馬 亮

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

【研究意義】玉米作為全球主要三大糧食作物之一，其自身具有能源屬性、保障國家糧食安全屬性[1]。屬于C4作物的玉米又是新疆的主要糧食作物與飼料來源[2]。2019年，新疆地區糧食作物播種面積高達218.36萬hm2，其中玉米播種面積99.72萬hm2位居第三，僅次于棉花和小麥[3]。在農業生產實踐中，主導作物產量的2個主要因素是水分和養分[4]，而氮素是作物生長的營養來源之一，施氮可有效提高籽粒品質與產量[5]。水氮在農業生產中存在明顯的交互作用，有效協調干旱半干旱地區農田系統水肥之間耦合關系是實現作物較高生產效率的關鍵。新疆南疆地區不僅光熱資源豐富而且無霜期較長, 種植經濟作物可充分利用豐富的光熱資源，發展潛力巨大[6]，然而水資源不足嚴重制約當地農業發展，并且不合理施用肥料會限制水分增產效應。當前，滴灌水肥一體化是一種行之有效的現代農業節水節肥技術[7]，具有較高的水肥利用效率和環境污染低的特點[8]。合理的灌溉制度受到人們的高度重視，因此，在干旱半干旱地區水資源短缺的背景下，有效提高南疆地區復播玉米水肥利用率，尋求最優水肥組合，實現復播玉米高產對南疆農業發展具有積極意義?！厩叭搜芯窟M展】已有研究表明，水和氮在一定閾值內的合理配比可表現為顯著的正交互作用[9]， 郭丙玉等[10]在新疆烏蘭烏蘇實驗發現，隨著氮肥投入和灌水量的增加，玉米干物質積累量會相應顯著提高，但是氮肥用量超過435 kg/hm2、灌水量高于9000 m3/hm2時卻會呈現下降趨勢。黃金生等[11]發現玉米產量隨氮肥投入增加會表現出先增后降的規律，吳婕等[12]發現作物產量與干物質累積過程密切相關。此外株高、葉綠素含量(SPAD)、葉面積指數(ILA)等是反應玉米正常生長發育并間接影響最終產量的重要指標[13]。楊永輝等[14]發現，相同灌水量條件下玉米的株高及可見葉片數隨施氮量的增加而提高，產量隨之明顯提高。灌輸頻率和灌溉一定程度上也會對作物的營養生長產生影響，玉米的產量和水分利用效率因灌水頻率的降低表現為先增后減，在灌水頻率為8～10 d時達到峰值[15]，胡建強等[16]在阿勒泰多礫石砂土地區研究發現，灌水定額大于 525 m3/hm2時對玉米生理指標和產量無顯著影響，而低于 450 m3/hm2時生長發育受到抑制。光合作用形成的產物也是農作物正常生長發育和高產獲得的基礎，最終產量受光合產物形成的碳水化合物量的影響[17]，裴磊等[18]研究發現，不同氮肥處理條件下，新疆北部地區復播玉米的葉片凈光合速率和蒸騰速率表現出單峰型的日變化曲線。范虹等[19]發現灌溉定額為490 mm和施氮量為360 kg/hm2的組合可有效提高光合作用,使得前期營養器官形成的干物質主要向籽粒運轉并實現增產。董志等[20]得出免耕配合秸稈覆蓋還田技術可提高灌漿期光合效率和增產的結論。張旭等[21]認為過度灌水和施氮會不利于干旱區冬小麥干物質積累進而影響產量?！颈狙芯壳腥朦c】玉米實現高產需要適宜的灌溉定額與氮肥投入，在既定灌溉制度下，凈光合速率和蒸騰速率是提高光合同化物累積與實現高產的重要因素。干旱區淺埋滴灌條件下，玉米光合特性對產量的形成機制有待深入研究，有關復播玉米合理水氮閾值的研究更是鮮有報道。因此在前人研究基礎上以水氮調控對復播玉米生長發育狀況及光合生理特性為切入點，探究干旱區淺埋滴灌復播玉米合理帶水氮閾值。【擬解決的關鍵問題】立足南疆豐富的光熱資源，開展地下淺埋滴灌水肥一體化試驗，以提高單位土地產量為目標，尋求干旱區復播玉米生長的最佳滴灌水氮施用閾值，開展不同水氮組合下復播玉米生理指標和光合日變化研究，進而探明產量及其構成因素的影響機制，實現農民高產高收，為當地灌溉制度優化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

2018年于新疆維吾爾自治區阿克蘇紅旗坡農場新疆農業大學特色林果基地開展本實驗(80°14′E，41°16′N，H 1133 m)。本試驗基地處于塔里木盆地北緣，屬于典型溫帶大陸性氣候，太陽總輻射量多年平均544.115～590.156 kJ/cm2，年日照時長多年平均2855～2967 h，無霜期205～219 d，平均多年降水量為42.4～94.4 mm，多年平均氣溫為11.2 ℃，年有效積溫為3950 ℃，試驗區域地下水埋深在10 m 以上，開展實驗所用土壤質地為壤土，其土壤性質詳見表1。

表1 試驗土壤性質及初始養分

1.2 實驗設計

2018年6月25日播種，10月13日收獲，供試品種為新玉9號。行間距采用(0.40+0.40+0.80)m的寬窄行方式布置，株距 0.25 m，田間種植密度為75 000 株/hm2，試驗在無底測坑中進行，測坑長×寬×高 = 3.00 m×2.20 m×2.00 m。復播玉米種植前一季作物為冬小麥，行間距0.20 m，滴灌帶布置間距0.80 m，在地下約0.05 m處淺埋鋪設，1管4行，在前茬冬小麥收割后在麥茬間適當位置等距點播復播玉米，前茬作物所用滴灌帶保留，小麥收割時留茬為0.15 m高度，滴灌帶1管2行玉米。麥茬、復播玉米以及滴灌帶的布置如圖1所示。

圖1 冬小麥麥茬、復播玉米、滴灌帶布設模式

復播玉米共設3個灌水水平和4個氮肥施用梯度，拔節期開始定周期灌水。本實驗共有12個處理(表2)，每個處理3次重復。3個灌水梯度分別為80%ETC(W1)、100%ETC(W2)、120%ETC(W3)，8月底灌水停止；施氮水平分別為：不施氮(N0)，施純氮168.0 kg/hm2(N1)，施純氮306.5 kg/hm2(N2)，施純氮444.5 kg/hm2(N3)。水分虧缺條件下，過量施氮阻礙玉米干物質積累[22]，因此本試驗不設低水高肥處理，即W1N3。其他處理完全組合[22]。依照阿克蘇(W1)地區栽培模式，設傳統種植方式(水氮情況)為對照組(CK)，即全生育期共灌3次水，每次 1125 m3/hm2，拔節期時灌第1次水，而后每15 d漫灌1次，并撒施純氮306.5 kg/hm2。所有處理在播后滴灌出苗水，灌水量900 m3/hm2，以保證復播玉米能全苗。播后將基肥隨水施入土壤：純磷195.0 kg/hm2，純鉀60.0 kg/hm2，純氮67.5 kg/hm2。追肥分別在復播玉米拔節期、喇叭口期和吐絲期按2∶2∶1的比例隨水滴施(表2)。復播玉米病蟲害防治、中耕等田間管理措施均參照當地高產田。復播玉米生育期內每次滴灌灌水量根據前一個灌水周期內的作物實際耗水量確定，其計算公式為：

表2 復播玉米水、氮試驗方案

ETC=KC×ET0

式中，ETC為玉米需水量，每次灌水的ETC根據前1個周期的ET0來計算，ET0根據試驗地氣象站測得的氣象數據，經由FAO Penman-Monteith公式[23]計算得出，復播玉米KC值由FAO-56推薦的復播玉米單作物系數KC表和文獻[24]，設定拔節期期—吐絲期Kc為0.99，吐絲期—灌漿期Kc為1.02。2018年復播玉米全生育期ET0和降雨量見圖2。

圖2 復播玉米全生育期參考作物蒸發蒸騰量和降雨量變化趨勢

1.3 測定項目和方法

(1)氣象數據的測定：運用HOBO ware氣象站觀測太陽輻射、降雨量、溫度、濕度、風速、大氣壓等氣象因素，架設高度距地面2 m，間隔30 min測定記錄1次。

(2)株高：各生育期采用直尺測定株高(cm)，每處理取10株測定后取平均值。

(3)葉面積指數：用直尺量取復播玉米葉片長、寬，經驗系數法算取玉米葉面積，經驗系數取0.75，葉面積計算公式：葉面積=葉長×葉寬×0.75[25]。葉面積指數(ILA)計算公式：ILA= 玉米的葉面積/玉米的占地面積。

(4)干物質量的測定：分別于復播玉米拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期,對每個處理取地上部分植株3株，將采集玉米植株分為葉、莖、穗三部分，在105 ℃殺青,80 ℃烘至恒重后進行稱重。

(5)葉綠素含量(SPAD)：采用SONY公司生產的SPAD-502葉綠素選取完全展開的真葉進行測定。

(6)葉片光合—蒸騰日變化測定：采用美國PP Systems公司生產的CIRAS-3便攜式光合儀觀測光合速率(A)、蒸騰速率(E)。挑選晴朗的天氣在復播玉米灌漿期測定光合日變化。各處理選擇3株穗位葉生長狀況良好、葉面積大小適中的葉片進行觀測并取平均值。觀測時間為8:00—20:00，每2 h觀測1次。

(7)產量測定：每處理選擇1 m2進行測產，從所獲果穗中分析平均穗粒數、百粒重、穗長、每平米重量，并根據各處理的每平米玉米產量換算成每公頃產量。

1.4 數據處理

采用Origin 2017和Excel 2010繪制圖表，SPSS 20.0軟件進行數據方差分析，多重比較采用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對復播玉米株高的影響

如圖3所示，各水氮處理下株高增長全生育期表現出先快慢的趨勢。在同一水分梯度下，株高隨氮肥施用量的提高表現為先增后減規律(N3水平時下降)，說明在一定范圍內施用氮肥促進玉米株高增長過多則抑制；而在同一施氮量條件下，株高表現出隨灌水量的提高而增加。6葉期時不同處理間株高無顯著差異，且均低于75 cm，說明復播玉米苗期對水肥需求較少；12葉期至吐絲期株高增長速率最快，以W2N2、W3N2處理株高優于其他處理，較W2N0、W3N0分別提高21.72%、22.36%，說明該生育期是復播玉米生長的關鍵時期，根莖葉生長旺盛且雌雄穗開始分化生長，需注重作物水分供給。灌漿期株高增長緩慢甚至有下降趨勢，植株高度達到峰值，最高處理為W2N2(273.27 cm)，其次為W3N3(265.49 cm)，比CK處理分別提高12.5%、9.29%，說明此時復播玉米生長以玉米籽粒生殖生長為主，各處理間株高差異顯著。

圖3 不同水氮處理對復播玉米株高的影響

2.2 不同水氮處理對復播玉米葉面積指數的影響

由圖4可知，不同水氮處理對復播玉米的ILA大小影響顯著。復播玉米ILA隨著生育期不斷推進而增大，進入12葉期后葉面積更是增長迅速，于抽雄吐絲期達到峰值隨后各處理呈現不同程度下降，整體呈現出先增后減的單峰型變化趨勢。6葉期至12葉期葉面積指數增長最快，說明該時期是葉片生長的關鍵性時期，應注重水肥管理以滿足葉片正常生長，為后期作物干物質累積奠定基礎。抽雄吐絲期復播玉米ILA達到峰值，最大值是W2N2處理為4.85，其次為W3N2，為4.68。在W2和W3水平下，施氮量在N2水平時利于玉米葉片生長。抽雄吐絲期后ILA開始下降，因為去雄后植株下部分葉片逐步干枯凋零，有效葉面積持續減小，并且干物質開始向籽粒轉移主要進行生殖生長，因此葉面積指數隨之降低。但W2、W3水平下降趨勢較小，維持較長時間的光合作用，說明較高水分供應會在一定程度上延緩葉片枯萎，利于作物干物質積累。除W2N3外，其余處理表現出在水分一定的條件下，N3水平下葉面積指數出現不同程度的下降，說明葉面積指數隨氮肥水平的提高先增加后減小，而在氮肥水平一致的條件下隨水分水平的提高而增加，因此N2氮肥用量和中高水平的灌水量是獲得較高葉面積指數的適宜水氮梯度。

圖4 不同水氮處理對復播玉米葉面積指數(ILA)的影響

2.3 不同水氮處理對復播玉米葉綠素含量的影響

葉綠素是作物進行光合作用時把光能轉換為化學能量的重要元素，其含量高低可有效反映葉片光合性能，是作物光合性能的重要生理指標。由圖5可知，隨生育期的推進復播玉米葉綠素含量呈現出先增后降的單峰曲線變化。6葉期至12葉期間SPAD增長速率最快，平均增長速率高達89.7%，增速居各生育期之首。抽雄吐絲期各處理SPAD含量均達到峰值，從高到低排序為：W2N2>W3N3>W3N2>W2N3>W1N2>W3N1>CK>W2N1>W1N1>W3N0>W2N0>W1N0。W2N2處理含量最高為62.07，比W2N0處理提高51.01%。其次是W3N3處理SPAD為59.8，比W3N0提高39.88%，且各不施肥處理SPAD含量貫穿全生育期均顯著低于各施肥處理，說明氮肥施用能有效提高復播玉米葉綠素含量。SPAD最低處理是W1N0為39.2，到灌漿期時該處理下降幅度達18.75,說明不施肥不僅不利于SPAD含量累積，而且有效SPAD持續時間短，不利于光合產物累積。相較于CK處理，W2N2、W3N3分別提高20.75%、16.34%，可知適宜的水氮施用可有效提高復播玉米SPAD。灌漿期至成熟期，各處理呈現不同程度的下降趨勢。

圖5 不同水氮處理對復播玉米葉綠素含量的影響

2.4 不同水氮處理下光合速率和蒸騰速率的日變化

凈光合速率(A)和蒸騰速率(E)是衡量玉米光合性能的重要指標[26]。抽雄吐絲期過后，葉片光合作用產物是玉米產量獲得的關鍵來源并決定產量的多寡[27]。不同水氮處理下，復播玉米凈光合速率(A)和蒸騰速率(E)在灌漿期觀測時段內均表現出先增后減的單峰日變化特征(圖6)。各處理下A在14:00均達到峰值，W2N2處理下獲得最大凈光合速率[38.43 μmol/(m2·s)]，其次是W3N3處理[37.25 μmol/(m2·s)]，比CK分別提高24.38%、20.55%，說明合理施用水肥可顯著提高復播玉米凈光合速率。在W1、W2、W3灌水條件下，N2較N3、N1、N0的凈光合速率變化幅度分別為12.21%、20.16%、38.38%，1.69%、10.58%、31.57%和3.46%、27.97%，N1較N0分別提高15.16%、18.98%、23.69%，說明在相同的灌水量條件下，復播玉米全生育期N2水平(306.5 kg/hm2)的氮肥用量可保持相對高的凈光合速率，而氮肥用量過高(N3)反而不利于較高的凈光合速率的獲得。蒸騰速率蒸騰速率表現出與凈光合速率相同的單峰變化趨勢，14:00各處理蒸騰速率達到峰值，最大蒸騰速率是W2N2處理[11.09 mmol/(m2·s)],其次為W3N3處理[10.34 mmol/(m2·s)]，分別比CK處理提高60.79%、49.89%，表明合理水氮配比施用可有效提高復播玉米蒸騰速率，促進玉米光合作用的進行。綜上比較發現在玉米W2N2條件下,可有效獲得較高的凈光合速率和蒸騰速率，可以有提高有機物質的有效累積和轉運。

圖6 不同水氮下處理復播玉米光合速率和蒸騰速率日變化

2.5 不同水氮處理對復播玉米干物質累積變化的影響

如表3所示，不同水氮處理下，復播玉米干物質累積量影響顯著(P<0.05)，全生育期地上部分干物質累積量隨灌水和施氮的投入量的提高而增大。6葉期各處理干物質累積量差異不顯著。吐絲期至灌漿期干物質累積速率位居全生育期之首。在100%ET0灌水條件下，隨著施氮水平從N0增加至N2水平時干物質累積量提高了36.83%，而繼續增加施肥量至N3水平時干物質含量卻出現下降現象，說明過量氮肥投入反而不利于復播玉米干物質累積。各處理干物質累積量的大小順序為W2N2>W3N3>W3N2>W2N3>W1N2>W3N1>CK>W2N1>W1N1>W3N0>W2N0>W1N0,W2N2處理與其他處理差異顯著(P<0.05),而且N2、N3施肥水平與W2、W3灌水量下玉米干物質累積量整體干物質累積量均高于30 t/hm2。成熟期最終干物質累積量以W2N2處理最高，其次是W3N3處理，分別為39.78、37.73 t/hm2，較各自不施肥處理分別提高36.83 %、27.85%。

表3 不同水氮處理對復播玉米干物質累積變化影響

2.6 不同水氮處理對復播玉米產量及其構成因素的影響

由表4可知，不同水氮處理下，W2N2產量最高為12 914.30 t/hm2，較不施肥處理W2N0提高39.35%。其次為W3N2，比W3N0提高28.07%。W2N2處理產量比CK顯著高產13.7%。在W2水分條件下，當氮肥投入由N1提升到N2水平時，產量由11 438.70 t/hm2增加至12 914.30 t/hm2，繼續增加肥料用量至N3水平時，產量卻下降至12 070.46 t/hm2，說明適量施肥可有效提高復播玉米產量，而超過閾值使用氮肥則會影響玉米生長發育且不利于增產。在W1～W3(80%ETC～100%ETC)、施氮量N0～N3(0～444.5 kg/hm2)范圍時，穗長、百粒重和每穗粒數隨氮肥投入的增加表現出先增加后減小的趨勢，與產量變化規律一致。當氮肥施用量相同時，產量隨灌水量的增加也表現出先增加后降低的規律，LSD 法分析表明，W3N3與W3N2無顯著差異(P>0.05)，說明水分增產效果會隨著灌水量投入的提高而減弱。LSD分析后結果可知，灌水量和施氮對產量及其構成要素的影響差異顯著，因此灌水和氮肥施用量是該地區復播玉米增產增效的主要限制因素。

表4 不同水氮處理對復播玉米產量及其構成的影響

3 討 論

玉米的生長發育與田間水分與養分關聯緊密，水分和養分是影響作物產量形成的關鍵因子[28]。研究表明，一定范圍內水肥之間存在耦合效應[29-31]，而水和肥料之間存在的耦合效應同樣是干旱地區水肥管理措施的理論依據[32]。本研究得出相似結論，灌水量與施氮量在一定閾值內對復播玉米產量的提高起到明顯的促進作用過多則抑制，二者之間存在交互作用，產量及構成要素伴隨著灌水量和氮肥施用量的提高而明顯增加。陳東峰等[33]認為水肥交互對產量無顯著影響，與本研究結果不一致，這可能與該課題實驗后期降雨較多有關。孫云云等[34]研究發現灌水量為 350～575 mm，施氮量低于 300 kg/hm2時，水氮互作呈現出顯著正交互作用，明顯提升玉米的株高和葉面積以及最終產量。本研究也發現過低的灌水定額會影響氮肥效應的發揮，當灌水量為W2、W3水平時，較利于復播玉米株高、葉面積生長以及干物質累積，其分別比各自無肥處理(N0)有較顯著提高。張富倉等[35]發現水肥耦合對玉米株高有極顯著的影響。

ILA是作物光合、蒸騰作用的關鍵因素，對作物的較高產量獲得有重要的影響[36]，蔡曉等[37]研究表明，ILA與灌水和氮肥施用量的增加呈現出相同趨勢，本實驗也得出一致的結論。但向友珍等[38]研究發現，玉米葉面積指數呈現先增加后減小的趨勢，全生育期ILA最大值出現在抽雄期，這與本研究結論不完全一致，本實驗研究表明：各處理的ILA峰值在灌漿期出現，ILA峰值出現的時期不同原因，是由于涌泉細流溝灌單次灌水量大，灌后土壤濕潤層深度較大，促進了拔節期玉米葉片和植株體的生長。

光合作用產物是作物最終產量獲得的重要來源，其功能效率對作物果實形成以及最終產量有重要影響[39]，而光合速率和蒸騰速率是影響作物光合特性的重要指標[40]。Yan等[41]證明較高的光合能力、較長的光合持續時間、合適的ILA以及較高的葉綠素含量是獲得高產玉米品種的重要因素，可用于提高玉米產量。研究發現，灌水量和施氮量對玉米凈光合速率和蒸騰速率的互作效應明顯且日變化規律大體一致[42]。本實驗得出相似結論，合理施用水肥可顯著提高復播玉米光合速率，W2N2和W3N3處理凈光合速率分別比CK提高了24.38%、20.55%。 隨著施氮量和和種植密度的增加,玉米SPAD值、干物質積累量呈現出不斷增加的規律[43]，石多琴等[44]發現復播玉米凈光合速率和蒸騰速率對水分和氮肥的施用量響應規律基本相同。這也與本實驗研究結論相似，蒸騰速率蒸騰速率與光合速率呈現出相同的單峰變化規律，14:00各處理蒸騰速率達到峰值。W2N2處理SPAD含量最高為62.07，相較于其不施肥處理提高了51.01%，綜合分析表明W2N2處理光合特性優于其他處理利于光合產物累積。

薛亮等[45]在玉米田間進行實驗發現：補充灌溉和一定量的氮肥投入對均有利于產量提高，與本實驗結果相似。通過在12葉期、抽雄吐絲期和灌漿期分別追肥后發現，在相同水分條件下，穗長、百粒重和每穗粒數隨氮肥投入的增加表現出先增加后減小的趨勢；而隨著施氮量的增加產量表現出先增加后降低的趨勢(N3下降)。Pandey 等[46]指出水和氮協同對產量高低產生影響，水和氮的耦合存在閾值，當不超過閾值時，水和氮的增加施用皆可增產；但是施氮肥高于閾值產量提高卻不明顯。本研究也得到相同結果，W3N3處理下產量并非最高，說明超出閾值范圍，增施氮肥不能起到增產作用。

4 結 論

(1)隨著灌水量與施氮量的提高，復播玉米株高、ILA及SPAD隨之顯著提高并高于CK，6葉期至抽雄吐絲期是南疆復播玉米進行營養器官生長的主要時期，100%ETC(W2)灌水量和306.5 kg/hm2(N2)施氮水平下有利于促進植株生長。

(2)復播玉米凈光合速率和蒸騰速率在觀測時段內均表現出先增后減的單峰日變化特征。在相同的灌水量條件下，復播玉米全生育期N2水平(306.5 kg/hm2)的施氮量可使玉米保持較高的凈光合速率，過高(N3)則抑制。蒸騰速率蒸騰速率表現出與凈光合速率相同的單峰變化趨勢。W2N2處理下獲得最大凈光合速率為38.43 μmol/(m2·s)，最大蒸騰速率為11.09 mmol/(m2·s)。100%ETC和306.50 kg/hm2灌水和施氮可有效增加玉米葉片的凈光合速率和蒸騰速率,進而為后期干物質的累積和轉運夯實基礎。

(3)不同水氮處理組合對南疆復播玉米干物質累積量影響顯著(P<0.05)，全生育期復播玉米地上部分干物質累積量伴隨水和氮肥的投入提高而增加。成熟期最終干物質累積量以W2N2處理最高為39.78 t/hm2。

(4)不同水氮處理下，W2N2產量達到最高，為12 914.30 t/hm2，比CK顯著增產13.7%。適量施肥可有效提高復播玉米產量，而超過閾值則不利于增產。穗長、百粒重和每穗粒數隨氮肥投入的增加表現出先增加后減小的趨勢，與產量變化規律一致。當氮肥施用量相同時，產量隨灌水量的增加也表現出先增加后降低的規律。灌水量和施氮對產量及其構成要素有顯著影響，因此灌水和氮肥施用是影響南疆地區復播玉米高產增收的關鍵因素。