地下水埋深和施氮量對夏玉米灌漿特性及水氮利用效率的影響

白芳芳，喬冬梅，李 平,4，齊學(xué)斌,3，王和洲,5，郭 魏,3，韓 洋，趙宇龍

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險評估實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站，河南 新鄉(xiāng) 453002；5.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南 商丘476000)

華北地區(qū)是我國重要糧食生產(chǎn)基地，夏玉米種植面積占全國的31.4%，產(chǎn)量占全國玉米產(chǎn)量的30.1%[1]。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于片面追求高產(chǎn)，導(dǎo)致過量施肥現(xiàn)象普遍存在[2]，進入農(nóng)田環(huán)境的氮素導(dǎo)致了土壤酸化[3]、地下水硝酸鹽污染[4]、溫室氣體排放加劇[5]等問題，嚴重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，作物生產(chǎn)中減氮管理是提高氮肥利用效率、降低地下水硝酸鹽污染風(fēng)險和農(nóng)田土壤溫室氣體排放的有效措施。地下水埋深對作物產(chǎn)量影響較大[6-7]，同時影響氮素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)換[8]。當?shù)叵滤裆钗挥?.4～1.5 m時，地下水對作物日需水量的貢獻率超過65%[9]。地下水埋深較淺時，作物生育期根系層下界面處具有明顯的雙向水量交換現(xiàn)象，作物騰發(fā)可部分地利用地下水及深層土壤水；而地下水埋深較深時，根系層下界面處土壤水分主要向下遷移。在華北地區(qū)，對應(yīng)雙向水量交換臨界面的地下水埋深一般為4 m[10]，從鹽漬化控制角度看，地下水埋深控制在2.0 m左右為宜[11]。灌漿期是夏玉米生長發(fā)育過程中的重要階段，也是玉米品質(zhì)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期[12]。本研究針對華北地區(qū)2～4 m地下水埋深開展田間小區(qū)試驗，研究地下水埋深和施氮量對玉米灌漿過程和水氮利用效率的影響，這對于保障國家糧食安全和區(qū)域農(nóng)田環(huán)境安全意義重大。

通過不同的農(nóng)藝措施可以提高玉米百粒質(zhì)量進而實現(xiàn)增產(chǎn)。例如覆膜可以提高灌漿速率，延長灌漿時間，顯著增加玉米百粒質(zhì)量和產(chǎn)量[13]。適宜的播期及品種可極顯著影響玉米灌漿速率和成熟期百粒質(zhì)量[14]。深松有利于提高玉米中后期灌漿速率，增加平均灌漿速率和最大灌漿速率，最終增加千粒質(zhì)量，提高夏玉米產(chǎn)量[15]。適宜施氮措施可以延長灌漿持續(xù)期、提高灌漿參數(shù)，促進玉米產(chǎn)量的提高[16]。于寧寧等[17]研究指出，適當降低種植密度，減少化肥用量，能更有效促進夏玉米籽粒的后期灌漿，延長灌漿時間，促進植株干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運，進而提高玉米品質(zhì)和肥料利用率，增加凈收益。方恒等[18]研究認為，施氮對玉米灌漿速率影響較大，適量施氮可提前達到玉米的最大灌漿速率，但施氮量過高則推遲到達最大灌漿速率的時間。當?shù)叵滤裆钶^小時，受強烈的毛管上升作用影響，通過土壤表層直接蒸發(fā)損失水分增加，故地下水補給也隨著增加，因此，隨著地下水埋深增加，作物耗水量減少[19]，農(nóng)業(yè)用水效率與灌溉水利用效率與地下水埋深密切相關(guān)，隨著灌水量的增加，灌溉水利用效率受地下水埋深的影響減小[20]。地下水埋深過淺會限制根系有氧呼吸，進而影響作物正常生長[21]，且易引發(fā)土壤次生鹽漬化[22-23]。因此，在區(qū)域灌水施肥決策時，應(yīng)充分考慮地下水埋深對作物生長及水氮利用效率的影響。隨著施氮量增加，夏玉米籽粒產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮殘留量逐漸增大，水分利用效率呈先增大后減小趨勢，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低。故地下水埋深和施氮量是影響玉米灌漿及水氮利用效率的重要環(huán)境因素，關(guān)于地下水埋深和施氮量單因素對作物生長、產(chǎn)量影響的研究較多，但是關(guān)于地下水埋深和施氮量及二者交互作用對玉米灌漿特性及水氮利用效率的研究鮮有報道。為此，在地中滲透儀觀測場開展田間小區(qū)試驗，研究施氮量和地下水埋深對夏玉米產(chǎn)量、灌漿速率、灌漿參數(shù)及水氮利用效率的影響，并基于Spearman相關(guān)分析，分析產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的相關(guān)關(guān)系，以期提出華北地區(qū)夏玉米綠色、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年6月—2020年10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站大型地中滲透儀觀測場(35°19′N、113°53′E，海拔73.2 m)進行。試驗區(qū)多年平均氣溫14.1℃，無霜期210 d，日照時間2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，7—9月降水量占全年降水量的70%左右。土壤為粉砂壤土，0～20 cm土層土壤體積質(zhì)量為1.42 g·cm-3，有機質(zhì)17.03 g·kg-1，全氮0.44 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，速效鉀0.17 g·kg-1，電導(dǎo)率447.33 μS·cm-1，土壤pH值為9.42。

1.2 試驗設(shè)計

供試夏玉米(ZeamaysL.)品種為‘懷玉208’,于2019年6月8日播種，9月24日收獲，全生育期108 d;2020年6月10日播種，9月23日收獲，全生育期105 d，種植密度均為66 699株·hm-2。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置地下水埋深和施氮量2個因素，其中地下水埋深設(shè)3個水平，分別為2 m(GW2)、3 m(GW3)、4 m(GW4)，通過馬氏瓶控制地下水位；施氮量設(shè)2個水平，分別為減氮20%(純氮240 kg·hm-2，N240)、常規(guī)(純氮300 kg·hm-2，N300)，共計6個處理，處理簡稱為N240GW2、N240GW3、N240GW4、N300GW2、N300GW3、N300GW4，每個處理4個重復(fù)，共計24個小區(qū)，小區(qū)面積4.5 m2(1.5 m×3 m)。采用井水灌溉，每次灌溉前取水樣檢測水質(zhì)，灌溉方式為畦灌。試驗用肥為含氮量46%的尿素、含P2O5量為12%的過磷酸鈣、含K2O量為50%硫酸鉀，磷、鉀肥均作為基肥一次性施入土壤，P2O5施入量為150 kg·hm-2，K2O施入量為120 kg·hm-2；夏玉米氮肥以底肥和追肥4∶6的比例施入，底肥于玉米播種時施入，追肥于大喇叭口期撒施；其他田間管理措施與當?shù)卮筇锵嗤?/p>

1.3 測定項目與方法

1.3.1 灌漿速率 玉米吐絲后在每個小區(qū)選取長勢一致的10棵植株進行標記，花后每隔7 d進行1次籽粒取樣。選掛牌標記植株1株，果穗去除基部5環(huán)籽粒后，每行均勻取籽粒置于105℃烘箱殺青30 min，后在75℃條件下烘干至恒質(zhì)量，折算成百粒質(zhì)量后計算出籽粒灌漿速率。

以開花至觀測時的天數(shù)t為自變量，觀測時玉米籽粒百粒質(zhì)量y為因變量，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)擬合玉米籽粒灌漿過程，將實測數(shù)據(jù)代入Logistic方程可求出參數(shù)a、b、c，其中a為最大百粒質(zhì)量，b為初始值、c為灌漿速率參數(shù)。據(jù)此依據(jù)以下各式計算玉米灌漿特征參數(shù)[23]。

(1)

(2)

Δt=t2-t1

(3)

Wmax=a/2

(4)

Gmax=aWmax/2

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，t1為灌漿漸增期時間拐點(d)；t2為灌漿快速增長結(jié)束期時間拐點(d)，Δt為快速灌漿期持續(xù)時間(d)；Gmean為玉米平均灌漿速率(mg·粒-1·d-1)；Gmax為玉米籽粒最大灌漿速率(mg·粒-1·d-1)；Wmax為玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(mg·粒-1)；Dmax為玉米灌漿速率達到最大的時間(d)；P為玉米灌漿持續(xù)時間(d)。

1.3.2 考種 成熟期每個小區(qū)收獲5株玉米用于考種，考種指標主要有穗長、穗粗、軸粗、禿尖長、百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)。每個小區(qū)單獨收獲測產(chǎn)，用谷物測定儀測定各小區(qū)玉米籽粒含水率，根據(jù)14%的標準含水率進行折算后計算產(chǎn)量，加上考種時所采獲的5株籽粒質(zhì)量，作為小區(qū)最后的實際產(chǎn)量。

1.3.3 水分利用效率 玉米水分利用效率采用式(9)進行計算：

WUE=Y/ET

(9)

式中，WUE為玉米水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為玉米耗水量(mm)，可采用式(10)計算。

ET=I+P+G-D-R±ΔW

(10)

式中，ET為玉米生育期內(nèi)耗水量(mm)；I為灌水量(mm)；P為田間有效降水量(mm)；G為地下水利用量(mm)，由馬氏瓶供水，記錄歷次補水量；D為深層滲漏量(mm)；R為徑流量(mm)。由于本試驗在防雨棚下進行，且每個小區(qū)四周用鋼筋混凝土隔開，故P、R忽略不計；由于每次灌水量較少，約450 m3·hm-2，故不易產(chǎn)生深層滲漏，因此D可忽略不計。ΔW為玉米播種前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量差值(mm)；單位面積土壤貯水量可按式(11)計算：

W=θm×ρb×h×0.1

(11)

式中，θm為土壤質(zhì)量含水率(%)；ρb為土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)；h為土層厚度(cm)，本文按200 cm計算；0.1為換算系數(shù)。

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力

氮肥偏生產(chǎn)力采用式(12)進行計算：

NPP=Y/N

(12)

式中,NPP為氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)；Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；N為施氮量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖；使用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較和差異顯著性檢驗(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；利用Curxpt擬合Logistic方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深和施氮量對夏玉米灌漿特征影響

圖1 各處理玉米百粒質(zhì)量隨開花后時間變化Fig.1 The change of 100-grain weight of summer maize after flowering under different treatments

2.1.1 夏玉米百粒質(zhì)量 圖1顯示了各處理開花后不同時間玉米籽粒百粒質(zhì)量變化。各處理玉米百粒質(zhì)量隨著花后時間進程呈“S”型曲線變化，不同時間各處理之間百粒質(zhì)量差異不一致。開花后7 d，2、4 m地下水埋深條件下N300處理玉米百粒質(zhì)量均高于N240處理；在N300施氮量下，GW2、GW3、GW4處理玉米百粒質(zhì)量差異顯著，表現(xiàn)為GW4>GW2>GW3，這可能是因為GW4處理受地下水補給較少，導(dǎo)致同期其土壤含水率低于GW2和GW3處理，土壤水分脅迫使其早于GW2處理和GW3處理進入生殖生長期；在施氮量N240水平下，GW2、GW3、GW4處理差異均不顯著(P>0.05)。開花后28 d和35 d，各處理之間百粒質(zhì)量差異不顯著，N300GW4的百粒質(zhì)量均最大。開花后53 d即成熟期，各處理百粒質(zhì)量表現(xiàn)為N300GW4(30.67 g)>N300GW3(30.26 g)>N300GW2(29.92 g)>N240GW4(29.71 g)>N240GW2(28.49 g)>N240GW3(28.41 g)；地下水埋深相同時，N300施氮水平玉米百粒質(zhì)量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理百粒質(zhì)量分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高5.00%、6.52%、3.21%；N240水平下，GW4處理的百粒質(zhì)量顯著高于GW2和GW3處理，其中GW2處理與GW3處理差異不顯著；N300水平下，GW4處理的百粒質(zhì)量顯著高于GW2處理，但GW2、GW4處理與GW3處理間差異均不顯著，這可能是因為充足的施氮量彌補了水分不足對玉米灌漿影響，同時GW2玉米處理貪青晚熟，營養(yǎng)物質(zhì)向種子轉(zhuǎn)移不足導(dǎo)致。

2.1.2 夏玉米灌漿速率 圖2為各處理開花后不同時間玉米灌漿速率。由圖2可知，各處理玉米籽粒灌漿速率變化趨勢均呈“拋物線”型，說明灌漿速率呈“慢-快-慢”的變化趨勢。花后不同時間，各處理玉米灌漿速率差異不一致。花后7～14 d，相同地下水埋深下，N240處理玉米的灌漿速率均大于N300處理，雖然N240處理晚于N300處理進入灌漿期，但減氮并未降低玉米灌漿速率，反而提高了灌漿前期的玉米灌漿速率；N240GW2處理玉米灌漿速率除與N240GW4處理差異不顯著外，均顯著高于其他處理，說明充足的水分供應(yīng)提高了N240GW2處理的灌漿速率。花后21～28 d，各處理之間灌漿速率無顯著差異，除N240GW4、N300GW2處理外，其他處理玉米灌漿速率均達到最大值，各處理灌漿速率表現(xiàn)為N240GW3(0.98 g·d-1·100grain-1)>N300GW3(0.95 g·d-1·100grain-1)>N300GW4(0.91 g·d-1·100grain-1)>N240GW4(0.89 g·d-1·100grain-1)>N240GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)=N300GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)。N240GW4、N300GW2處理的灌漿速率均在花后28～35 d達到最大值，均為0.92 g·d-1·100粒-1。花后42～53 d，N300GW3處理玉米的灌漿速率最大，分別比N240GW3、N300GW2、N300GW4處理顯著提高37.5%、33.0%、38.2%；N240施氮水平下各處理之間的灌漿速率差異不顯著，說明此時期N240施氮水平下，地下水埋深對玉米灌漿后期灌漿速率影響不大。

2.1.3 夏玉米籽粒灌漿參數(shù) 由表1可知，Logistic方程能很好地擬合各處理玉米籽粒灌漿過程(R2=0.9936～0.9986)。在N240施氮水平下，玉米的灌漿漸增期時間拐點(t1)表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而增加，即地下水埋深越小，玉米越先進入灌漿漸增期；而在N300施氮水平下，GW4處理最先進入灌漿漸增期，GW3處理進入灌漿漸增期的時間最晚。玉米的灌漿快速增長期時間拐點(t2)在不同施氮水平下隨地下水埋深變化不一致；在N240施氮水平下，GW3處理的玉米先進入灌漿快速增長期，GW4處理進入灌漿快速增長期的時間最晚；而在N300施氮水平下，GW4處理最先進入灌漿快速增長期，GW3處理進入灌漿快速增長期的時間最晚。在N300施氮水平下，玉米的快速灌漿持續(xù)時間隨地下水埋深的增加而增加；在N240施氮水平下，GW3處理玉米的快速灌漿持續(xù)時間最短，GW2處理玉米的快速灌漿持續(xù)時間最長。在N240施氮水平下，玉米平均灌漿速率隨地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，GW3處理玉米的平均灌漿速率最小，GW4處理玉米的平均灌漿速率最大。在N240施氮水平下，玉米籽粒最大灌漿速率隨地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，玉米籽粒最大灌漿速率隨地下水埋深的增加而降低。玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量整體上隨地下水埋深的增加而增加，其中在N240施氮水平下，GW3處理的玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量最小。在N240施氮水平下，玉米灌漿速率達到最大的時間均隨地下水埋深的升高而升高；在N300施氮水平下，GW3處理玉米灌漿速率達到最大的時間最長，GW4處理玉米灌漿速率達到最大的時間最短。在N300施氮水平下，GW3處理的玉米灌漿持續(xù)時間最長為66.630 d，而在N240施氮水平下，GW4處理的玉米灌漿持續(xù)時間最長為65.951 d。玉米的灌漿參數(shù)隨地下水埋深和施氮量未表現(xiàn)出明顯趨勢。

圖2 各處理玉米灌漿速率隨開花后時間變化Fig.2 The change of grain filling rate of summer maize after flowering under different treatments

表1 各處理玉米籽粒灌漿特征參數(shù)Table 1 Characters of summer maize grain filling parameters under different treatments

表2為各處理玉米產(chǎn)量、百粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的Spearman相關(guān)分析結(jié)果。由表2可知，玉米產(chǎn)量與最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、百粒質(zhì)量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.943；與快速增長期時間拐點(t2)、玉米平均灌漿速率(Gmean)、玉米籽粒最大灌漿速率(Gmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)相關(guān)系數(shù)較高，但均不顯著。玉米籽粒百粒質(zhì)量與玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1.000，這主要是因為玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量是玉米籽粒百粒質(zhì)量的1/2；玉米籽粒百粒質(zhì)量、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、籽粒最大灌漿速率(Gmax)與玉米平均灌漿速率(Gmean)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.886、0.886、0.829，因此玉米平均灌漿速率對玉米成熟期百粒質(zhì)量有重要影響，應(yīng)從考慮如何提高玉米平均灌漿速率來提高玉米百粒質(zhì)量，進而達到豐產(chǎn)目的。玉米的灌漿漸增期時間拐點(t1)、灌漿速率達到最大的時間(Dmax)、籽粒最大灌漿速率(Gmax)與玉米快速增長期時間拐點(t2)顯著正相關(guān)，表明玉米的灌漿漸增期時間拐點(t1)越大，玉米快速灌漿結(jié)束的越晚，同時灌漿速率達到最大的時間(Dmax)越長，玉米籽粒最大灌漿速率(Gmax)越大。在N240施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量與玉米快速增長期時間拐點(t2)、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)相關(guān)系數(shù)最高；在N300施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量與快速灌漿期持續(xù)時間(Δt)、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)相關(guān)系數(shù)最高；因此N300施氮量下，地下水埋深主要是通過影響玉米快速灌漿期持續(xù)時間(Δt)來影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通過影響最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)來影響玉米百粒質(zhì)量形成。地下水埋深相同時，N300與N240施氮水平玉米百粒質(zhì)量增加量與玉米快速增長期時間拐點(t2)、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達到最大的時間(Dmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)的相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.957、0.842、0.845，因此，增加施氮量主要是通過增大玉米玉米快速增長期時間拐點(t2)、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達到最大的時間(Dmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)來增加玉米百粒質(zhì)量。

表2 各處理玉米產(chǎn)量、百粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的Spearman相關(guān)分析Table 2 Spearman correlation analysis of summer maize yield,100-grain weight and grain filling parameters under different treatments

2.2 地下水埋深和施氮量對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表3可知，施氮量、地下水埋深及二者交互作用極顯著影響玉米產(chǎn)量。其中N300GW4處理玉米的產(chǎn)量最高，N240GW3處理的產(chǎn)量最低，N300GW4處理玉米產(chǎn)量顯著高于N240GW2、N240GW3和N300GW2處理，但與其他處理之間差異不顯著。同時，地下水埋深相同時，N300施氮水平玉米產(chǎn)量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理產(chǎn)量分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高0.35%、14.08%、2.60%；其中N300GW3處理顯著高于N240GW3處理。當?shù)叵滤裆钕嗤瑫r，N300施氮水平玉米的穗長顯著大于N240施氮水平；在2個施氮水平下，均表現(xiàn)為GW3處理的穗長最短，其中N240GW2、N240GW4處理玉米的穗長顯著大于N240GW3處理，N300施氮水平下玉米穗長差異不顯著。相同施氮量下，玉米穗粗均隨地下水埋深的增加而增加，其中N240GW4處理顯著高于N240GW2處理和N240GW3處理；在N300施氮水平下，各處理之間玉米穗粗無顯著差異。地下水埋深、施氮量及二者交互作用對玉米禿尖長均無顯著影響，各處理玉米禿尖長差異不顯著，不同施氮水平下玉米禿尖長隨地下水埋深變化趨勢不一致，N240施氮水平下，玉米禿尖長隨地下水埋深的增加而降低；N300施氮水平下，玉米禿尖長在GW4處理下最大，GW3處理下最小。地下水埋深和施氮量顯著影響玉米百粒質(zhì)量，但二者交互作用對其影響不顯著。施氮量對玉米的穗行數(shù)有顯著影響，但是地下水埋深及二者交互作用對玉米穗行數(shù)均無顯著影響。其中，N300GW4處理顯著高于N240GW3處理，其余各處理之間無顯著差異。施氮量極顯著影響玉米的行粒數(shù)，但是地下水埋深及二者交互作用對玉米行粒數(shù)均無顯著影響。地下水埋深相同時，N300施氮水平玉米行粒數(shù)均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理行粒數(shù)分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深顯著高7.14%、11.08%、5.25%；施氮量極顯著影響玉米的穗粒數(shù)，地下水埋深顯著影響玉米的穗粒數(shù)，但二者交互作用對玉米穗粒數(shù)無顯著影響；地下水埋深相同時，N300施氮水平玉米穗粒數(shù)均顯著高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理穗粒數(shù)分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高15.01%、30.99%、12.54%；在N300和N240施氮水平下，穗粒數(shù)均表現(xiàn)為在GW4處理下最高。各處理玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素的Spearman相關(guān)分析(表4)進一步表明，穗長、穗粗、百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)極顯著影響玉米產(chǎn)量，相關(guān)系數(shù)分別為0.547、0.535、0.730、0.614、0.544、0.816。因此，地下水埋深和施氮量對玉米產(chǎn)量影響主要是通過對產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響體現(xiàn)出來的。

表3 各處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Table 3 Summer maize yield and yield components under different treatments

表4 各處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Spearman相關(guān)分析Table 4 Spearman correlation analysis of summer maize yield and yield components under different treatments

2.3 地下水埋深和施氮量對夏玉米水氮利用效率的影響

由表5可知，地下水埋深和施氮量極顯著影響玉米地下水利用量和總耗水量，但二者交互作用均不顯著；地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%；隨著地下水埋深增加，地下水利用量逐漸降低，2個施氮量條件下，不同地下水埋深處理之間地下水利用量均差異顯著；在GW2、GW3處理下，N300施氮水平處理地下水利用量均顯著高于N240施氮水平；GW4處理下，N300施氮水平與N240施氮水平無顯著差異。ΔW為播前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量差值，地下水埋深和施氮量及二者交互作用均極顯著影響玉米ΔW。地下水埋深相同時，N300施氮水平處理ΔW均顯著高于N240施氮水平處理。地下水埋深相同時，N300施氮水平處理總耗水量分別顯著高于N240施氮水平。施氮量、地下水埋深及二者交互作用均極顯著影響玉米氮肥偏生產(chǎn)力；其中N240施氮水平GW2、GW3、GW4處理玉米氮肥偏生產(chǎn)力分別比N300施氮水平玉米顯著高24.57%、9.57%、21.83%；N300施氮量下，不同地下水埋深處理之間無顯著差異；N240施氮水平下，GW2、GW4處理均顯著高于GW3處理，N240GW4處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高。施氮量極顯著影響玉米WUE，地下水埋深及二者交互作用對玉米WUE影響不顯著。其中，N300施氮水平下不同地下水埋深處理之間玉米WUE無顯著差異；N240施氮水平下，GW4處理顯著高于GW3處理，其他處理之間差異不顯著。綜上可知，N240GW4處理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均最高，故N240GW4處理是本研究推薦的農(nóng)業(yè)綠色高產(chǎn)生產(chǎn)模式。

表5 各處理夏玉米水氮利用效率Table 5 Water use efficiency and nitrogen use efficiency of summer maize under different treatments

3討 論

3.1 施氮量和地下水埋深對玉米百粒質(zhì)量及灌漿參數(shù)影響

施氮量、灌水量、肥料類型、覆膜、種植密度等是影響玉米灌漿過程的重要因素[16,24-26]。孫仕軍等[27]研究表明，在地下水埋深1～4 m范圍內(nèi)，玉米百粒質(zhì)量呈先降低后增加趨勢，地下水埋深為2.5～3 m時，玉米百粒質(zhì)量最低，地下水埋深1 m時，玉米百粒質(zhì)量最大。本研究表明，施氮量和地下水埋深均極顯著影響玉米百粒質(zhì)量，但二者交互作用不顯著；地下水埋深相同時，施氮量越高，玉米百粒質(zhì)量越大，這與孫仕軍等[27]研究相符。在N300施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量隨地下水埋深增加而增加，這與佘映軍等[28]研究相符，這可能是因為隨著地下水埋深增加，包氣帶厚度增加，土壤中養(yǎng)分離子向下遷移路徑變長，養(yǎng)分在根區(qū)積累，有利于玉米灌漿，故地下水埋深較大處理百粒質(zhì)量較高；在N240施氮水平下，3 m地下水埋深處理玉米的百粒質(zhì)量最小，這與孫仕軍等[27]研究相似，這主要是因為受包氣帶中土壤養(yǎng)分離子向下運移和地下水向上補給雙重作用影響，一是因為N240施氮量下3 m地下水埋深處理作物根區(qū)養(yǎng)分離子的積累量比4 m地下水埋深處理少，二是因為地下水向上補給量沒有2 m地下水埋深處理大，故3 m地下水埋深處理玉米百粒質(zhì)量最低。較高的平均灌漿速率是獲得高百粒質(zhì)量的關(guān)鍵，增加施氮量可提高玉米籽粒的最大灌漿速率、灌漿速率最大時的生長量，增加灌漿期的持續(xù)時間，促進籽粒干物質(zhì)的積累[17,29]。本研究表明，增加施氮量主要是通過增大玉米灌漿持續(xù)時間(P)、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達到最大的時間(Dmax)來增加玉米百粒質(zhì)量，這與于寧寧等[17]研究一致；但當施氮量不同時，受地下水埋深和施氮量交互作用影響，玉米的灌漿漸增期時間拐點(t1)、快速增長期時間拐點(t2)、快速灌漿期持續(xù)時間(Δt)隨地下水埋深變化趨勢不一致。胡雨欣等[29]研究表明，灌溉提高了玉米花后百粒干質(zhì)量、灌漿速率最大時的生長量(Wmax)和灌漿活躍期(P)，進而提高了玉米產(chǎn)量和百粒質(zhì)量。本研究得出，常規(guī)施氮量下，地下水埋深主要是通過影響玉米快速灌漿持續(xù)時間來影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通過影響最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時間(P)來影響玉米百粒質(zhì)量形成。關(guān)于地下水埋深對玉米灌漿參數(shù)的影響尚未有人研究，本研究豐富了地下水埋深對玉米灌漿特性影響理論。

3.2 施氮量和地下水埋深對玉米產(chǎn)量及水氮利用效率影響

水分和氮肥對小麥產(chǎn)量形成有重要影響，合理的水氮運籌可減少水的深層滲漏和氮淋失。在根系吸力和土壤水勢共同作用下，包氣帶水分與地下水雙向交換臨界埋深一般為4 m[10]，故地下水埋深4 m內(nèi)，地下水埋深對作物灌溉水利用效率和作物生長有重要影響。施氮量對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素均有影響，玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后減少趨勢，適宜的施氮量有益于調(diào)控作物營養(yǎng)生長與生殖生長，防止貪青晚熟，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[30-31]。本研究表明，施氮量對產(chǎn)量影響極顯著，除了禿尖長，施氮量顯著或極顯著影響產(chǎn)量構(gòu)成要素。這與付江鵬等[30]研究相符。孫仕軍等[32]研究表明，玉米產(chǎn)量隨地下水埋深的增加而減小，且當?shù)叵滤裆顬? m時玉米產(chǎn)量最低，導(dǎo)致產(chǎn)量差異的產(chǎn)量構(gòu)成要素是穗粒數(shù)。劉戰(zhàn)東等[33]研究表明，地下水埋深影響穗長、禿尖長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及經(jīng)濟產(chǎn)量。本研究表明，N240施氮水平下，地下水埋深為3 m時玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力最低，這與孫仕軍等[32]研究一致，這主要是受包氣帶土壤養(yǎng)分離和鹽分子雙向運移及地下水向上補給共同作用的結(jié)果；百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)是玉米產(chǎn)量構(gòu)成關(guān)鍵要素，這與楊飛等[34]研究結(jié)果相符；百粒質(zhì)量與玉米產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，這與劉戰(zhàn)東等[33]研究結(jié)果相符。本研究中，在N300施氮水平下，玉米的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力隨地下水埋深的增加而增加，這主要是因為地下水埋深大的處理中土壤養(yǎng)分離子向下運移路徑較長，且受水分影響，向下運移較慢，在作物根區(qū)集聚較多；同時2～4 m地下水埋深范圍內(nèi)，地下水埋深對土壤養(yǎng)分離子影響大于對土壤水分影響。提高作物水氮利用效率是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展必然需求，控水、減氮是提高作物水氮利用效率的直接有效方式。本研究中，N240施氮水平氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于N300施氮水平，這主要是因為氮肥報酬遞減效應(yīng)[35]，即隨著施氮量的增加，每單位純氮投入帶來的產(chǎn)量增加量(報酬)會逐步降低。受包氣帶毛細上升水補給影響，地下水埋深極顯著影響作物地下水利用量，2～4 m地下水埋深范圍內(nèi)，地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%。不同施氮量下，地下水埋深對作物水氮利用效率影響不一致，這可能是因為玉米生長影響因素較多，土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分離子含量、土壤水-熱-鹽、玉米本身的光合性能及其元素吸收轉(zhuǎn)化能力差異有關(guān)，有待在后續(xù)研究中厘清此機理。

4 結(jié) 論

1)Logistic方程能夠很好地擬合各處理玉米籽粒灌漿過程；增加施氮量主要是通過增大玉米快速增長期時間拐點、玉米最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量、灌漿速率達到最大的時間、玉米灌漿持續(xù)時間來增加玉米百粒質(zhì)量；N300施氮量下，地下水埋深主要通過影響玉米快速灌漿持續(xù)時間進而影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要通過影響最大灌漿速率時籽粒質(zhì)量、玉米灌漿持續(xù)時間進而影響玉米百粒質(zhì)量形成。

2)N240GW4處理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均較高，故N240GW4處理是華北地區(qū)玉米推薦的農(nóng)業(yè)綠色高產(chǎn)生產(chǎn)模式。