節水減氮對甘肅河西灌區青貯玉米生長及水氮利用效率的影響

摘要：針對當前青貯玉米（Zea mays L.）生產中灌溉水資源不足和施氮過量的問題，本研究以河西灌區規模化種植青貯玉米為研究對象，布設4個灌水水平（W1，6 150 m3·hm-2；W2，5 535 m3·hm-2；W3，4 920 m3·hm-2；W4，4 305 m3·hm-2） 和4個施氮水平（N1，311 kg·hm-2；N2，279.9 kg·hm-2；N3，248.8 kg·hm-2；N4，217.7 kg·hm-2）的二因素田間實驗，探究不同節水減氮對青貯玉米生長及水氮利用效率的影響。結果表明：W2處理青貯玉米的總耗水量與W1無顯著差異；W2 N2處理產量與W1 N1處理無顯著差異，但較其它節水減氮處理提高了青貯玉米產量；與W1相比，W2處理的水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）分別提高4.6%，9.1%；與N1相比，N2處理的IWUE、氮肥偏生產力（PFP）分別增加4.2%，17.9%。因此，青貯玉米節水10%減氮10%處理可提高WUE、IWUE和PFP，是適宜于河西灌區青貯玉米水氮高效利用的可行管理措施。

關鍵詞：節水減氮；產量；水分利用效率；氮肥偏生產力

中圖分類號：S548 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2023）08-2545-09

Effects of Water Saving and Nitrogen Reduction on Growth and Water and

Nitrogen Use Efficiency of Silage Maize in Hexi Irrigation Area of

Gansu Province

YAN Li-juan1， TAN Yan2， MA Wei-wei2*， CHANG Hai-gang2，

XIE Ming-jun2， LU Yan-hua2， ZHANG Jian-xi2

（1. College of Agronomy， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China;

2. College of Forestry， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China）

Abstract：Aiming at tackling the problems of insufficient irrigation water resources and excessive nitrogen application in the production of silage maize （Zea mays L.），this study took large-scale planting of silage maize in Hexi Irrigation Area as the research object，and a two-factor field experiment of the four levels of W1，6 150 m3·hm-2;W2，5 535 m3·hm-2;W3，4 920 m3·hm-2;W4，4 305 m3·hm-2 irrigation and four nitrogen levels of N1，311 kg·hm-2;N2，279.9 kg·hm-2;N3，248.8 kg·hm-2;N4，217.7 kg·hm-2 application was conducted to explore the effects of different water saving and nitrogen reduction on silage maize growth and water and nitrogen utilization efficiency. The results showed that there was no significant difference in total water consumption between W2 and W1;there was no significant difference of the yield of silage maize between W2 N2 and W1 N1 treatments，but the maize yield in W2N2 was higher compared with other water saving and nitrogen reducing treatments. Compared with W1 irrigation treatment，the water use efficiency （WUE） and irrigation water use efficiency （IWUE） of W2 irrigation were higher by 4.6% and 9.1%. Compared with N1 application treatment，the IWUE and nitrogen partial productivity （PFP） of N2 application higher by 4.2% and 17.9%，respectively. Therefore，10% of irrigation saving and nitrogen fertilizer reduction rate of silage maize could increase WUE，IWUE and PFP of the crop，which might be a feasible management measure suitable to silage maize for efficient utilization of water and nitrogen in Hexi Irrigation Area.

Key words：Water saving and N reduction;Silage yield;Water use efficiency;Nitrogen partial factor productivity

水肥利用率低是制約農業增產增收的主要因素［1］。研究表明，我國主要作物的水分利用效率低下，氮肥利用效率僅為28%～41%，遠低于世界平均水平［2］。但另一方面，我國在作物生產過程中，存在“大水大肥”的水肥管理方式，不僅導致作物產量和水氮利用效率低下，而且引起水肥資源浪費及氮素污染等一系列問題［3-4］。在當前農業水資源緊缺背景下，大力發展節水農業，促進農業高產高效，是破解水資源短缺和水分利用效率降低的有效途徑［5］。青貯玉米（Zea mays L.）是需水肥較多的作物，在其生產過程中如何在確保穩產、增產的同時，實現節水、減肥與增效是目前青貯玉米生產過程中亟待解決的問題。

水氮協調供應能使作物更有效地利用土壤水分和養分，提升水肥利用效率，提高作物產量［6］。邢維芹等［7］對楊凌地區玉米水肥空間耦合研究顯示，在灌溉虧缺的條件下，水肥異區交替灌溉可節約一半的水量，但對產量影響較小；同時灌水量越高，水分利用效率越低；Uzun等［8］研究認為氮肥用量能夠顯著改善青貯飼料品質，而劉桂宇等［9］研究表明，施氮量為240 kg·hm-2和360 kg·hm-2時，青貯玉米品質較好；王曄等［10］研究表明，在灌水量2 025 m3·hm-2、施氮量378 kg·hm-2的水氮處理下，青貯玉米的產量和品質較好，而過高的灌水與施氮量并不利于產量提高；馮鵬等［11］在內蒙古赤峰市研究顯示，灌水2 069.96 m3·hm-2與施氮225 kg·hm-2 的組合，不僅顯著提高青貯玉米產量和品質，而且有利于灌溉水利用效率提高。盡管灌水施氮對玉米生長及其水氮利用效率影響的研究已受到極大的關注，但關于節水減氮對甘肅河西灌區青貯玉米生長及水氮利用效率的影響鮮有報道。

甘肅河西灌區光照充足，積溫高，病蟲害較輕，晝夜溫差大，是甘肅省玉米栽培的重要區域，也是全國重要的玉米制種基地。近年來，為響應國家糧改飼戰略，做好農業供給側結構性改革，加快轉變甘肅省玉米產業發展方式［12］，河西灌區大力推廣種植青貯玉米［13］。然而，目前該區青貯玉米生產中仍采用傳統“大水大肥”的生產管理方式，不僅造成了水肥資源的浪費［13-14］，也與河西灌區降水稀少、灌溉水不足等存在矛盾。因此，亟需探索“以氮調水”和“以水促氮”的水肥調控策略來緩解這一矛盾，進而提高青貯玉米水分利用效率（WUE） 和氮肥利用效率，指導當地青貯玉米生產。本研究通過設置不同節水減氮的梯度處理組合，研究節水減氮對青貯玉米生長及水氮利用效率的影響，探討青貯玉米灌水施氮的最優水肥配合效應，確定青貯玉米最佳節水減氮調控方案，為河西灌區青貯玉米高產及水肥的高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年4月17日—2021年9月16日在張掖市民樂縣甘肅華瑞牧場（100°22′～101°13′E，37°56′～38°48′N）進行。試驗地處陸河流域黑河水系，地勢南高北低，平均海拔1 739 m，大陸性溫帶干旱氣候，年溫差大，多年平均氣溫5.1℃，≥ 10℃年積溫3 088℃，日照時間3 000 h，無霜期140 d，年平均降水量不足200 mm，且主要集中于8—10月份。該區青貯玉米生產完全依賴于灌溉，試驗區地下水深大于5 m，地下水無法補給到作物根系分布層，向上補給量可忽略不計，土壤類型為沙壤土，土層40 cm以下為砂粒層，已連續耕作10年以上。試驗地0～40 cm層土壤基本理化性狀如表1，試驗期內降水量和平均氣溫如圖1所示。

1.2 試驗材料

供試青貯玉米品種為‘金嶺青貯67號’［蒙草審（2017）：N081］，由金嶺青貯玉米種業有限公司提供。

1.3 試驗設計

參照當地常規灌水量（6 150 m3·hm-2）和推薦施肥量（311 kg·hm-2 N），設節水和減氮 2因素處理，灌水量設W1（6 150 m3·hm-2，常規灌水量）、W2（5 535 m3·hm-2，節水10%）、W3（4 920 m3·hm-2，節水20%）、W4（4 305 m3·hm-2，節水30%） 4個水平；施氮量（以純氮表示） 設N1（311 kg·hm-2，常規施氮量）、設N2（279.9 kg·hm-2，節氮10%）、N3（248.8 kg·hm-2，節氮20%）、N4（217.7 kg·hm-2，節氮30%） 4個水平，共16個處理，3次重復，共48個試驗小區，隨機區組排列。小區25 m×1.6 m，小區間設1 m寬的隔離行，試驗地四周設置 2 m寬保護行。

1.4 種植與田間水肥管理方法

采用全膜雙壟溝播技術，種植密度11.31 萬株·hm-2。灌溉采用膜下滴灌，滴灌帶選用內鑲貼片式，毛管直徑16 mm，壁厚0.2 mm，滴頭間距300 mm，滴頭流量2.2 L·h-1。滴灌帶與青貯玉米種植方向平行，間距為60 cm；各小區均單獨安裝水表和水閥，試驗期間實行“一水一處理”控制。實驗于4月下旬開始，9月上旬結束，采用“水肥一體”方式追施尿素，管理方式同大田。

試驗所用氮肥為尿素（CO（NH2）2，N 46%）。不同生育期，根據經驗施肥方案，各處理均相同的磷肥、鉀肥，磷、鉀肥采用磷酸脲（P2O5，44.06%）和氯化鉀（K2O，57%），與氮肥一起分別在拔節期前（5.9%）、拔節期（64.7%）、抽雄期（29.4%）施入，整個生育期磷酸脲和氯化鉀施入量分別為107 kg·hm-2和146 kg·hm-2。試驗期間具體施氮、灌水情況見圖2。

1.5 指標測定與計算

1.5.1 株高、莖粗和葉面積 收獲期（9月12日）在每個小區內隨機選擇10株植株，測定其株高、莖粗、葉面積。具體測定方法如下：

株高：采用鋼卷尺測量，為地面到青貯玉米穗頂的高度。

莖粗：使用游標卡尺測青貯玉米距地面3 cm處莖桿東西和南北方向的莖寬，使用橢圓面積公式計算莖的橫截面積，并轉換成與莖的厚度值相同橫截面積的圓的直徑為莖粗。

葉面積：用測量尺量測植株葉片的長和寬，葉長為葉基到葉尖，葉寬為葉片最寬處。葉面積＝（長×葉×0.75）［1］。

1.5.2 產量 青貯玉米成熟期干物質量達35%以上時，采用收獲法測定植株的鮮重和干重。具體為，在各小區隨機選取3個寬1.6 m，長1 m樣地，保證各樣地有相同數量植株（12株），進行收獲，稱取地上部分鮮重，換算成公頃鮮重。鮮重測量后的植株用烘箱在105℃殺青半小時，而后 80℃烘干至恒重，再冷卻至常溫稱重，計算每公頃干物質量。

1.5.3 土壤體積水分含量、貯水量 于2021年4月26日—2021年9月12日全生育期每2～3天用TRIME-T3管式土壤水分儀每隔 10 cm測定一次土壤體積含水率，測深 30 cm，遇降雨或灌水后加測，共測定54次。探管埋設在垂直滴灌管 5 cm處。

土壤貯水量（SWS）計算公式如下：

式中，θi為第i層土壤體積含水量（cm3·cm-3），hi為土層厚度（cm） ，10為校正系數。

1.5.4 青貯玉米生長期耗水量 采用水量平衡法［15］估算青貯玉米生長期耗水量ET（mm）：

式中：P為降雨量（mm），I為灌水量（mm），U為地下水補給量（mm），R為徑流量（mm），D為深層滲漏量（mm），ΔW為試驗初期和末期土壤貯水量（SWS）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、D和R均忽略不計。故上式簡化為：

1.5.5 水分利用效率、灌溉水分利用效率 水分利用效率（WUE，kg·hm-2·mm-1）和灌溉水分利用效率（IWUE，kg·hm-2·mm-1）的計算：

式中，Y為青貯玉米產量（kg·hm-2）；I為玉米全生育期內的灌水量（mm）。

1.5.6 氮肥偏生產力 青貯玉米氮肥偏生產力的計算：

氮肥偏生產力（PFP）單位kg·kg-1，施氮區干（鮮）物質產量（Yd）單位為kg·hm-2，總施氮量（N）單位為kg·hm-2。

1.6 數據分析

用Microsoft Excel 2010 和SPSS 23.0對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 節水減氮處理對青貯玉米全生育期土壤體積含水率的影響

節水及節水減氮互作對0～30 cm土層平均體積含水率有顯著性影響（表2）。節水10%處理（W2）下0～30 cm土層體積含水率較常規灌水（W1）、節水20%（W3）、節水30%（W4）處理提高了7.6%，6.2%，15.8%。N1水平下，各灌水處理0～30 cm土層體積含水率差異不顯著；N2水平下，W1和W2體積含水率顯著高于W4，與W3無顯著差異；N3水平下，W2體積含水率顯著高于W4（Plt;0.05），其他各灌水處理無顯著差異；在N4水平下，W2體積含水率最高。

2.2 節水減氮處理對青貯玉米生長指標及產量的影響

節水、減氮及其互作對株高、葉面積的影響顯著（Plt;0.05），且二者互作對莖粗的影響顯著（Plt;0.05） （表3）。W1條件下N2處理株高顯著高于N1、N2（Plt;0.05），但與N3差異不顯著；W2條件下N2株高顯著高于其他各減氮水平（Plt;0.05）；W3條件下各減氮水平間株高均無顯著差異；W4條件下N1處理株高顯著高于N2（Plt;0.05）。W2條件下，N2處理葉面積較N4提高；W2條件下，N2處理葉面積較N1提高；W3、W4條件下，各施氮水平下葉面積無顯著差異。W1、W3、W4條件下各施氮處理間莖粗無顯著差異，但W2條件下N2處理莖粗較N1提高。青貯玉米鮮重和干重受節水、減氮及其互作影響極顯著（Plt;0.01）（表3）。青貯玉米鮮重為67.56～86.8 t·hm-2、干重為20.51～28.63 t·hm-2，其中W2 N2處理鮮重和干重均為最高，而W4 N4最低。統計分析顯示，W2 N2的鮮重、干重與W1 N2差異不顯著，但顯著高于其它處理（Plt;0.01）。

2.3 節水減氮處理對青貯玉米耗水量的影響

圖3表明，各處理的耗水量總體隨節水量增加而趨于減少。統計分析顯示，除W2 N4外，W1、W2的耗水量均顯著高于W3和W4（Plt;0.05）。而在W1、W3和W4條件下，各減氮處理耗水量均無顯著差異；而在W2節水條件下，減氮30%（N4）顯著低于其他減氮處理（Plt;0.05）；在同一減氮水平，耗水量隨節水量增加逐漸減少，其中節水10%（W2）與正常灌水差異不顯著，但均顯著高于W3和W4（Plt;0.05）。

2.4 節水減氮處理對青貯玉米水分利用效率和氮肥偏生產力的影響

節水減氮對青貯玉米WUE和IWUE有明顯影響（表4）。不同節水減氮處理的WUE為40.10～72.22 kg·hm-2·mm-1，IWUE為36.91～52.91 kg·hm-2·mm-1。各節水處理對青貯玉米WUE和IWUE影響規律基本一致，總體表現為W3和W4高于W1和W2。減小灌水量和增加施氮量時，W4 N1的WUE和IWUE均增大，分別為72.22 kg·hm-2·mm-1和52.91 kg·hm-2·mm-1；增大灌水量和降低施氮量時，WUE呈先增后減趨勢。

減氮影響了青貯玉米的氮肥偏生產力（PFP）（表4），青貯玉米鮮重和干重的PFP均隨減氮量的增加而增加，分別為221.91～369.92和72.99～110.92 kg·kg-1。W1和W2節水條件下，N4的PFP（鮮重和干重）均顯著高于其他處理（Plt;0.05），但與N2差異不顯著，在W3和W4節水條件下，N3和N4的PFP（鮮重和干重）均顯著高于N1和N2（Plt;0.05）；灌水量增加和施氮量減小時，PFP均增大。

相同節氮量條件下，與W1相比，W2、W3和W4處理的WUE分別增加了4.6%，17.7%和28.0%，而IWUE分別增加了9.1%，15.6%和27.0%；而PFP分別降低了2.9%，7.7%和11.4%（鮮重分別降低3.9%，12.3%和10.8%）。相同節水條件下，與N1相比，N2，N3和N4處理WUE分別降低3.1%，11.0%和1.0%；N2的IWUE增加4.2%，N3和N4處理的IWUE卻分別降低4.2%和5.2%；PFP分別增加17.9%，19.9%和36.2%（鮮重分別增加低19.1%，27.7%和39.0%）。節水處理一定程度上增加了WUE和IWUE，卻降低PFP；減氮處理與其相反，但在減氮10%（N2）時能夠增加IWUE。

2.5 水氮投入對青貯玉米產量、水分利用效率和氮肥偏生產力的影響

以水氮投入量為自變量，以產量（干重）、水分利用效率（WUE）和氮肥偏生產力（PFP）為因變量，進行回歸分析。結果表明，水氮投入對各因變量均影響明顯，其中對WUE和PFP影響達到顯著水平（Plt;0.05），決定系數均在 0.50 以上（表5）。

3 討論

3.1 節水減氮對青貯玉米耗水量的影響

水氮協調供應不僅可以改善農田土壤水肥環境，減少水分無效損耗，而且還利于作物生長發育和產量形成［11，16］。本研究結果表明，河西灌區青貯玉米種植中隨著灌水量的減少總耗水量明顯降低，節水灌溉處理（W3、W4）較常規灌溉（W1）可降低總耗水量，常規灌溉與節水10%處理（W2）間總耗水量無顯著差異。產生該結果的最直接原因是灌水量的減少［17-18］，從水量平衡角度來看，節水灌溉下玉米收獲后土壤貯水量的增加也可能導致耗水量的減少［19］。本研究中，玉米生育期土壤體積含水率，盡管在常規施氮水平下各灌水處理間無顯著差異；但在節氮10%、20%、30%水平，節水10%處理體積含水率著高于其他灌水，這就意味著節水10%青貯玉米土壤貯水量增加，導致耗水量減少。

從田間耗水角度來看，土壤蒸發與植株蒸騰的大小決定耗水量的高低［20-21］。隨灌水量的減少，表層土壤含水量也相應減小，蒸發量降低［22-23］；隨灌水量的降低作物蒸騰用水量也降低［24，25］；兩者的共同作用將引起耗水量的降低。研究表明，棵間蒸發強度與作物葉面積指數之間具有良好的指數函數關系［22］。本研究結果就顯示，在W1、W2和W3條件下，減氮10%（N2）均顯著提高了玉米的葉面積；W4條件下，常規施氮（N1）的葉面積相對較高，意味著在W1、W2和W3條件下，減氮10%以及而W4條件下常規施氮處理可能通過葉面積的提高降低了土壤蒸發；W2 N2鮮重和干重均顯著高于各節水減氮處理，說明W2 N2處理下需要消耗了更多的水分用于植株蒸騰，W2 N2與W1 N1處理間耗水量無顯著差異，進一步證明了這一推測。

3.2 節水減氮對青貯玉米產量的影響

青貯玉米生長除受品種、氣候條件影響之外，土壤水分和養分含量也是影響青貯玉米生長及產量形成的關鍵因素［26-27］。本研究中，W2 N2處理青貯玉米鮮重和干重均為最高，而W4 N4最低。W2 N2鮮重和干重與W1 N1差異不顯著，而顯著高于其它節水減氮處理。表明節水10%、減氮10%（W2N2）沒有降低青貯玉米產量，而且相對于其他節水減氮處理而言對玉米生長具有一定促進作用。

青貯玉米株高、莖粗以及葉面積大小對生物產量具有較為重要的決定作用［28-29］，本研究表明，青貯玉米株高和莖粗均與鮮重、干重產量呈顯著的線性正相關。節水10%條件下，N2株高顯著高于其他各減氮水平，且在W1、W2和W3條件下，減氮10%均顯著提高了青貯玉米莖粗，因此W2 N2處理產量最高。灌水量及施氮量互作條件下，節水較多，多施氮有助于植株生長，而節水較少時，適量減氮有利于植株生長，節水減氮W2 N2最有利于提高成熟期植株特征參數。

3.3 節水減氮對青貯玉米水分及氮素利用效率的影響

水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）反映作物對水分的吸收和利用過程［16，26-27］。本研究中，節水處理能一定程度的增加WUE和IWUE。其產生的原因可能有兩方面：一是節水處理降低了耗水量（圖3）從而提高了水分利用效率；二是灌水量的減少使灌溉水偏生產力提高（表4）。就節氮處理對青貯玉米水分利用效率的影響來看，減氮處理通過降低青貯玉米產量（表3）使WUE、IWUE降低，這與受娜等［26］在隴東旱塬區青貯玉米研究結果一致，可能由于在施氮量較低時，青貯玉米增產效果，但耗水量增加明顯，由此造成水分利用效率降低。

氮肥偏生產力（PFP）反映當地土壤基礎養分和氮肥施用量的綜合效應［16，27］，水氮互作對青貯玉米氮肥偏生產力具有調控作用。本研究結果表明，節水處理通過降低玉米產量使氮肥偏生產力降低，施氮量的降低可提高氮肥偏生產力（表3）。在W1和W2節水條件下，N2處理由于較高的產量，其氮肥偏生產力與N4相當，而在W3和W4節水條件下，N2處理氮肥偏生產力較其他減氮處理顯著降低。另外，本研究中水氮投入對水分利用效率和氮肥偏生產力影響的決定系數均在0.50 以上，說明水氮互作通過影響青貯玉米產量從而影響青貯玉米水分利用效率及氮肥偏生產力［27-28］。

綜合節水及減氮處理對青貯玉米水分及氮素利用效率的影響來看，W2 N2處理能夠同時提高水氮利用效率，是適宜于甘肅河西灌區青貯玉米水氮高效利用的可行管理措施。

4 結論

與常規水氮模式相比，節水10%減氮10%對青貯玉米總耗水量無顯著影響，但增加了水分利用效率、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產力；同時增加了青貯玉米的植株株高、莖粗和葉面積。此外，所有節水減氮處理中，節水10%減氮10%處理的鮮重、干重最高，分別達到86.80和28.63 t·hm-2。因此，在試驗所在甘肅省河西灌區，節水10%減氮10%的水氮管理模式，既能獲得較高產量，又能提高水氮利用效率，是較為適宜的節水減氮管理模式。

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（責任編輯 彭露茜）

收稿日期：2023-02-06；修回日期：2023-03-31

基金項目：甘肅省教育廳產業支撐項目（2021CYZC-15，2022CYZC-41），甘肅省財政專項（GSCZZ-20160909）資助

作者簡介：閆麗娟（1974-），女，漢族，甘肅民勤人，博士，副教授，主要從事農業生態研究，E-mail：yanlj@gsau.edu.cn；*通信作者Author for correspondence，E-mail：maww@gsau.edu.cn