水氮互作對(duì)滴灌夏玉米生長(zhǎng)及水分利用效率的影響

蔡 曉，吳祥運(yùn)，王 東，林 祥，張俊鵬*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018）

0 引 言

【研究意義】玉米是世界上種植最廣泛的作物之一，

其產(chǎn)量占作物總產(chǎn)量的37%[1]。中國(guó)是世界上第二大玉米生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的21%，我國(guó)玉米生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展對(duì)世界糧食安全至關(guān)重要[2]。黃淮海平原是我國(guó)夏玉米的重要產(chǎn)區(qū)，種植面積和產(chǎn)量分別占全國(guó)的28%和30%[3]。該區(qū)域夏玉米生長(zhǎng)季雨熱同期，玉米生育期間的降雨量與耗水量基本持平，但由于前茬冬小麥對(duì)土壤蓄水量的消耗以及降雨時(shí)空分布不均衡，導(dǎo)致玉米播種時(shí)及生長(zhǎng)期間時(shí)常遭受干旱脅迫。這種情況下，若要保證夏玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)則必須進(jìn)行灌溉[4-5]。黃淮海平原灌水方式以地面灌溉為主，灌水量往往過(guò)大，水分利用效率較低。氮肥是制約玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，為追求高產(chǎn)，氮肥過(guò)量投入現(xiàn)象普遍存在，氮肥減施增效是玉米栽培領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7]。水分和氮肥之間存在明顯的交互作用，水分不足會(huì)影響氮肥肥效發(fā)揮，水分過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致氮肥淋溶和作物減產(chǎn)[8]；增施氮肥能夠改善水分狀況，緩解因水分不足而減產(chǎn)的不利影響，過(guò)量施氮而加劇水分脅迫，抑制作物生長(zhǎng)[9]。因此，合理的水氮供應(yīng)對(duì)促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育、增加產(chǎn)量及提高水氮利用效率等方面均具有重要意義[10-13]。滴灌水肥一體化是一種調(diào)控土壤水分和養(yǎng)分的有效方法，能夠?qū)崿F(xiàn)小定額供水、水肥同步供給，具有較高的水肥利用率、較小的環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[14]?！狙芯窟M(jìn)展】以往針對(duì)該地區(qū)夏玉米節(jié)水灌溉的研究主要以地面灌溉為主，通常以控制主要根系層土壤水分下限作為灌水依據(jù)，灌水時(shí)多采用定額灌溉或者灌至田間持水率，存在測(cè)墑土層深度大、測(cè)墑次數(shù)頻繁、灌水定額偏大等問(wèn)題[15-16]。淺層（0～20或0～40 cm）土壤含水率與深層土壤含水率（40～100 cm）有較好的相關(guān)性，在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期將淺層土壤補(bǔ)灌至田間持水率取得了較好的節(jié)水增產(chǎn)效果[17-18]。宋兆云等[18]在冬小麥節(jié)水補(bǔ)灌研究中，以麥田0～10、0～20、0～30 和0～40 cm 作為控制土層在關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行補(bǔ)灌儲(chǔ)水，灌水上限為田間持水率，結(jié)果表明，將0～30 cm 土層補(bǔ)灌至田間持水率，可獲得較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。然而，有關(guān)夏玉米的相關(guān)研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。韓祥飛等[19]研究表明，水肥一體化條件下減氮20%仍能獲得與傳統(tǒng)施肥模式（315 kg N/hm2）相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。【切入點(diǎn)】為減少玉米生產(chǎn)過(guò)程中水肥施用量，本研究綜合考慮夏玉米生長(zhǎng)季降雨分布、土壤蓄水狀況及水肥需求特性，采用滴灌及水氮同步供給策略，在夏玉米關(guān)鍵生長(zhǎng)期，設(shè)定不同的測(cè)墑深度和施氮量，依據(jù)測(cè)墑土層含水率進(jìn)行補(bǔ)灌，目標(biāo)含水率為田間持水率?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)2 a 田間試驗(yàn)，研究不同補(bǔ)灌和施氮處理對(duì)滴灌夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用的影響，研究結(jié)果可為制定夏玉米水肥一體化技術(shù)模式提供理論依據(jù)。 cm 土層土壤體積質(zhì)量和田間持水率見(jiàn)表1。2018 年和2019 年試驗(yàn)期間降雨量為502.0、337.4 mm，降雨分布見(jiàn)圖1。

表1 0～100 cm 土層物理特性 Table1 Physical properties of 0～100 cm soil layer

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018 年和2019 年的6—9 月在山東省泰安市道朗鎮(zhèn)玄莊村（36°12′N，116°54′E）進(jìn)行。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為13.3 ℃，年均降水量616 mm，地下水埋深大于5 m。試驗(yàn)地土壤類型為壤土，0～20 cm 土層堿解氮量為71.80 mg/kg，速效鉀量為140.21 mg/kg，速效磷量為46.08 mg/kg。試驗(yàn)地0～100

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)試驗(yàn)，主因素為補(bǔ)灌處理，2018 年設(shè)置3 個(gè)灌水水平，測(cè)墑土層深度分別為0～20（W20）、0～30（W30）和0～40（W40）cm。2019 年在此基礎(chǔ)上增設(shè)0～10（W10）cm 測(cè)墑土層；測(cè)墑位置為滴灌帶下方，補(bǔ)灌時(shí)期均為播種時(shí)及拔節(jié)期和灌漿期開始時(shí)，目標(biāo)含水率為田間持水率。副因素為施氮處理，2018年設(shè)置3 個(gè)施氮量水平，分別為180（N180）、240（N240）和300（N300）kg/hm2，2019 年增設(shè)120（N120）kg/hm2處理；施氮時(shí)期與灌水一致，播種時(shí)氮肥底施，拔節(jié)和抽雄時(shí)氮肥隨水施入。施氮比例為基氮、拔節(jié)氮、抽雄氮質(zhì)量比為1∶1∶1，氮肥類型為尿素（N-46%）。磷肥和鉀肥類型分別為重過(guò)磷酸鈣（P2O5-46%）和氯化鉀（K2O-60%），用量均為120 kg/hm2（P2O5和K2O），全部底施。

圖1 夏玉米生育期間降雨分布 Fig. 1 Rainfall distribution during summer maize season

1.3 田間試驗(yàn)

供試玉米品種為“登海618”，2018 年和2019 年播種日期均為6 月13 日，收獲日期分別為9 月26 日和9 月25 日。小區(qū)面積為96 m2（20 m×4.8 m）。采用干播濕出方式等行距播種，行距60 cm，株距25 cm。灌水方式為滴灌，滴灌帶鋪設(shè)在2 行玉米中間，滴灌帶類型為內(nèi)鑲貼片式，管徑16 mm，滴頭間距20 cm，額定流量2.2 L/h。2 a 試驗(yàn)具體灌水情況如表2 所示。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤含水率

采用取土烘干法測(cè)定，分別于夏玉米播種時(shí)以及拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期開始時(shí)和收獲時(shí)測(cè)定土壤含水率，播種和收獲時(shí)取土深度為0～200 cm，其余時(shí)期為0～100 cm，其中0～40 cm 土層每10 cm 分為1 層，40 cm 以下土層每20 cm 土層為1 層。1.4.2 夏玉米LAI

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 2 Experimental design

分別在苗期（SS）、拔節(jié)期（JS）、抽雄期（TS）、灌漿期（FS）和成熟期（MS）采集每個(gè)小區(qū)內(nèi)3 棵代表性植株，用直尺測(cè)定葉片長(zhǎng)度和寬度。其中，LAI計(jì)算式[20]為：

式中：n為第j株玉米的總?cè)~片數(shù)；m為測(cè)定株數(shù)；ρ種為夏玉米種植密度。

1.4.3 地上部干質(zhì)量

玉米成熟期于每個(gè)小區(qū)取代表性植株3 株，分莖、葉和穗烘干稱質(zhì)量并計(jì)算單株地上部干質(zhì)量。

1.4.4 產(chǎn)量構(gòu)成

玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)連續(xù)取15 穗玉米，調(diào)查穗行數(shù)和行粒數(shù)，風(fēng)干后脫粒，稱取粒質(zhì)量，計(jì)算玉米產(chǎn)量。

1.4.5 耗水量

作物生育期階段耗水量采用水量平衡法計(jì)算，即：

式中：ETC為時(shí)段內(nèi)作物耗水量（mm）；W1、W2分別為時(shí)段開始、結(jié)束時(shí)0～200 cm 土層土壤儲(chǔ)水量

（mm）；P為時(shí)段內(nèi)降水量（mm）；I為時(shí)段內(nèi)灌水量（mm）；Gr為時(shí)段內(nèi)地下水對(duì)作物根系補(bǔ)給量（mm）；R為時(shí)段內(nèi)地表徑流量（mm）；F為時(shí)段內(nèi)深層滲漏量（mm）。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦且有田埂，無(wú)地表徑流損失；地下水位埋深在5 m 以下，忽略地下水補(bǔ)給；深層滲漏量F采用Ertek 等[21]提出的方法計(jì)算。

1.4.6 水分利用效率

水分利用效率計(jì)算式：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；ET為作物耗水量（m3/hm2）；Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和DPS 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮組合對(duì)夏玉米LAI 的影響

圖2 和表3 為各處理夏玉米LAI的變化特征?？梢钥闯觯琇AI隨灌水量和施氮量增加而增大。2018 年灌水量?jī)H對(duì)玉米苗期LAI產(chǎn)生極顯著影響，施氮量對(duì)玉米全生育期LAI都有極顯著影響，而水氮互作在全生育期均未產(chǎn)生顯著影響；2019 年灌水量和施氮量對(duì)玉米全生育期LAI均產(chǎn)生極顯著影響，而水氮互作僅在苗期對(duì)LAI產(chǎn)生顯著影響。2018 年，3 種水分條件下，除W20條件下拔節(jié)期、W30和W40條件下抽雄期外，其余生長(zhǎng)階段各灌水條件下的N180與N300處理間LAI的差異均達(dá)顯著水平；然而，除W30水平下拔節(jié)期、W40水平下苗期和成熟期外，N240與N300處理間LAI的差異均不顯著。2019 年，4 種灌水條件下，除W10和W20條件下灌漿期外，N120處理的LAI顯著低于N300處理；N180與N300處理間的LAI在W10水分條件下拔節(jié)期和成熟期、W20水平下苗期及拔節(jié)期和成熟期、W30條件下各生長(zhǎng)階段、W40水平下抽雄期及灌漿期和成熟期均具有顯著差異；W10～W40水分條件下（W10和W20水平下拔節(jié)期除外），N240與N300處理的LAI差異均不顯著。由此可見(jiàn)，不同水分條件下適當(dāng)提高夏玉米施氮量均可促進(jìn)葉面積的生長(zhǎng)，但施氮量達(dá)到一定程度后，LAI趨于平穩(wěn)。

圖2 2018 年和2019 年夏玉米LAI 變化過(guò)程 Fig. 2 LAI changes of summer maize in 2018 and 2019

表3 不同水氮組合對(duì)夏玉米LAI 的F 值檢驗(yàn) Table 3 F value test of different water and nitrogen combinations on LAI of summer maize

2.2 不同水氮組合對(duì)夏玉米地上部干質(zhì)量的影響

圖3 為2018 年和2019 年不同水氮組下對(duì)夏玉米成熟期地上部干質(zhì)量（圖中不同字母表示不同處理間地上部干質(zhì)量差異顯著（P<0.05））。由圖3可以看出，夏玉米成熟期地上部干質(zhì)量隨灌水量和施氮量增加而增大。2018 年，僅施氮量對(duì)地上部干物質(zhì)量具有極顯著影響，2019 年灌水量和施氮量均對(duì)地上部干物質(zhì)量產(chǎn)生極顯著影響，而2 個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓人プ骶磳?duì)其產(chǎn)生顯著影響。2018 年，W40N300處理的地上部干物質(zhì)量最大，與W20N180處理、W20N240處理、W30N180處理和W40N180處理相比分別提高13.94%、8.94%、15.00%和10.75%，達(dá)顯著水平。2019 年W40N240處理的地上部干物質(zhì)量最大，與W30N240處理、W30N300處理、W40N180處理和W40N300處理間無(wú)顯著差異，但與其余處理間的差異達(dá)顯著水平?？傮w來(lái)看，2018 年，3 種水分條件下地上部干質(zhì)量呈現(xiàn)出N300處理與N240處理差異不明顯但顯著高于N180處理的趨勢(shì)。2019 年，隨著灌水量的增加，N180處理、N240處理與N300處理間地上部干質(zhì)量的差異呈逐漸減小的趨勢(shì)，各灌水條件下的N120處理均顯著低于N300處理。

不同水氮處理下玉米穗質(zhì)量的變化規(guī)律與地上部干物質(zhì)量基本一致。2018 年和2019 年，穗質(zhì)量值最大的處理分別是W40N300處理和W40N240處理，占地上部干物質(zhì)量的比例依次是61.52%和62.76%。穗質(zhì)量占地上部干物質(zhì)量的比例隨施氮量和灌水量增加而減小，說(shuō)明合理的水肥供應(yīng)對(duì)增加作物生殖器官所占比例、提高產(chǎn)量尤為重要。

圖3 2018 年和2019 年不同水氮組合下夏玉米成熟期地上部干質(zhì)量 Fig. 3 Aboveground biomass of summer maize in 2018 and 2019 under different water and nitrogen combinations

2.3 不同水氮處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

水氮因子對(duì)產(chǎn)量的影響如表4 所示。由表4 可知，施氮水平對(duì)夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素及籽粒產(chǎn)量的影響效應(yīng)大于灌水水平和水氮互作。2018 年，水分處理僅對(duì)穗粒數(shù)產(chǎn)生顯著影響，施氮處理對(duì)穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量均影響顯著，二者的交互作用對(duì)三者影響均不顯著。9 個(gè)處理中，穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量最大的均為W40N300處理，百粒質(zhì)量最大的為W30N300處理。同一灌水條件下，產(chǎn)量隨施氮量的增加而增大，但差異均不顯著；同一施氮水平下，產(chǎn)量隨灌水量增加而增大，彼此間均未達(dá)顯著水平。除W20N180處理外，其余處理的籽粒產(chǎn)量與W40N300處理相比均無(wú)顯著差異。2019 年，灌水量對(duì)百粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生極顯著影響，施氮量對(duì)三者均具有極顯著影響，水氮互作僅對(duì)百粒質(zhì)量影響顯著。16 個(gè)處理中，穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量最大的處理分別為W40N240、W30N300處理和W30N300處理。4 個(gè)水分條件下，N240處理和N300處理間夏玉米的籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，而N120處理和N300處理間差異達(dá)顯著水平；W30處理灌水條件下，N180處理與N300處理間產(chǎn)量的差異達(dá)顯著水平，其余水分處理下二者間的差異不顯著。與W40N300處理夏玉米產(chǎn)量相比，W10水分條件下所有施氮處理以及W20處理、W30處理和W40條件下N120處理顯著降低，其余處理無(wú)顯著差異。

2.4 不同水氮處理對(duì)夏玉米耗水量和WUE 的影響

表5 為不同水氮組合下夏玉米耗水量和WUE。由表5 可知，耗水量隨著灌水量和施氮量的增加呈遞增趨勢(shì)，二者對(duì)耗水量具有極顯著的影響。2018 年，W20處理和W30條件下各處理耗水量的均值較W40條件下各處理分別減少13.10%和2.25%；N180和N240水平下各處理耗水量均值較N300下各處理分別降低5.15%和2.72%。2019 年，W10、W20和W30條件下各處理耗水量均值較W40處理分別減少22.94%、12.19%和6.62%，N120、N180和N240水平下各處理耗水量均值較N300處理依次降低4.97%、5.60%、1.32%?？梢?jiàn)，灌水量對(duì)耗水量的影響效應(yīng)大于施氮量。WUE隨灌水量增加呈降低的趨勢(shì)。2018 年，不同處理WUE具體表現(xiàn)為：W20和W30條件下各處理的WUE均值較W40分別提高11.05%和1.74%。9 個(gè)水氮交互處理中，W20N240處理的WUE最高，其次是W20N180處理，二者與其他處理間的差異達(dá)顯著水平。2019 年，WUE具體表現(xiàn)為：W10、W20和W30條件下各處理的WUE均值較W40分別提高17.94%、9.11%、7.21%，其中W10N180處理的WUE最高。W10、W20和W40條件下，WUE隨施氮量的增加先增大再減小，N180處理或N240處理取得最大值；W30條件下，WUE隨施氮量增加呈增大趨勢(shì)。

表4 不同水氮組合下夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成 Table 4 Yield components of summer maize under different water and nitrogen combinations

3 討 論

LAI是影響植株光合作用和蒸騰作用的重要因子，對(duì)作物高產(chǎn)意義重大。以往研究表明，增加灌水和施氮量可以促進(jìn)葉面積增長(zhǎng)[22]。張鵬等[23]研究指出，灌水、施氮和水氮互作在各生育期對(duì)LAI均產(chǎn)生顯著影響。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，水氮交互對(duì)夏玉米LAI的影響不顯著。2018 年，水分處理對(duì)LAI的影響在苗期后開始不顯著，原因是2018 年夏玉米生長(zhǎng)中后期降雨量大，導(dǎo)致灌水效應(yīng)減弱；而氮肥處理一直對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。2019 年，水、氮因素均對(duì)LAI產(chǎn)生極顯著影響，原因可能是玉米生長(zhǎng)期間降雨量相對(duì)較小。地上部干物質(zhì)量與產(chǎn)量的高低密切相關(guān)[24]。LAI和成熟期地上部干物質(zhì)量均呈現(xiàn)出隨水氮投入量增加而增大的趨勢(shì)，但達(dá)到一定程度后無(wú)明顯增加。水氮對(duì)LAI和干物質(zhì)積累的影響效應(yīng)符合報(bào)酬遞減規(guī)律，張富倉(cāng)等[22]和馮亞陽(yáng)等[25]在滴灌試驗(yàn)中得出與之相似的結(jié)論。

夏玉米籽粒產(chǎn)量有隨灌水量和施氮量增加而增大的趨勢(shì)，這與李廣浩等[26]結(jié)論相似。寧東峰等[27]研究發(fā)現(xiàn)，灌水、氮肥及其交互作用對(duì)玉米產(chǎn)量均具有顯著影響，本研究發(fā)現(xiàn)施氮處理對(duì)產(chǎn)量影響顯著，受降雨量影響，2018 年灌水對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，2019年灌水對(duì)產(chǎn)量影響顯著，2 a 水氮互作對(duì)產(chǎn)量影響均不顯著。與高水高氮處理的籽粒產(chǎn)量相比，W20N240處理（2018 年）和W20N180處理（2019 年）沒(méi)有顯著降低。2 個(gè)試驗(yàn)季適宜施氮量不同的原因是2018年夏玉米生長(zhǎng)期間降雨強(qiáng)度大、降雨量多，致使土壤水分產(chǎn)生了深層滲漏，不可避免的會(huì)導(dǎo)致氮素淋溶損失，導(dǎo)致2018 年的適宜施氮量高于2019 年。本研究結(jié)果表明滴灌水肥一體化模式下減氮20%～40%仍能獲得與傳統(tǒng)施氮量（300 kg/hm2）相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，這與韓祥飛等[19]研究結(jié)論相似。

謝英荷等[28]研究表明，灌水和施氮均會(huì)促進(jìn)玉米耗水量的增加。本研究結(jié)果與之相似，耗水量隨灌水量和施氮量的增加而增大，水、氮單因素均對(duì)耗水量產(chǎn)生極顯著影響。邵國(guó)慶等[29]研究表明，相同水分條件下，增加施氮量可顯著提高WUE。Alkaisi等[30]研究指出，水氮因素均對(duì)WUE產(chǎn)生顯著影響。本研究結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，W10、W20處理和W40處理下WUE呈先增大后減小趨勢(shì)，W30處理下WUE呈增大趨勢(shì)。究其原因是灌水處理和水氮互作會(huì)影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量性狀，進(jìn)而改變耗水特性和WUE。

W20N240處理（2018 年）和W20N180處理（2019年）的產(chǎn)量與高水高氮處理相比無(wú)顯著差異，但灌水量減少46.71%～53.35%，施氮量降低20%～40%，耗水量減小17.39%～18.16%，WUE提高14.40%～16.39%；與傳統(tǒng)地面灌溉和施肥技術(shù)相比，水、氮施用量亦明顯降低。綜合考慮夏玉米產(chǎn)量、耗水量、WUE以及灌水量和施氮量，W20N240處理和W20N180處理可推薦為滴灌方式下適宜的水氮組合。

表5 不同水氮組合對(duì)夏玉米耗水量和WUE 的影響 Table 5 Effect of different water and nitrogen combinations on evapotranspiration and WUE of summer maize

4 結(jié) 論

1）滴灌條件下增加灌水量和施氮量可以促進(jìn)夏玉米葉面積指數(shù)增長(zhǎng)和地上部干物質(zhì)量累積，灌水量和施氮量增加到一定程度后，LAI和地上部干質(zhì)量趨于平穩(wěn)。

2）灌水處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響效應(yīng)低于施氮處理，但對(duì)耗水量和WUE的影響高于施氮處理。水氮互作對(duì)產(chǎn)量及構(gòu)成要素影響不明顯，但對(duì)耗水量和WUE具有顯著影響。

3）與高水高氮處理相比，W20N240處理（2018年）和W20N180處理（2019 年）處理產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但灌水量顯著下降，WUE顯著提高。在保證產(chǎn)量的前提下，綜合考慮節(jié)水減氮效應(yīng)，建議試驗(yàn)區(qū)滴灌條件下水氮施用方案為：目標(biāo)濕潤(rùn)土層0～20 cm，施氮量180～240 kg/hm2，補(bǔ)灌/施氮時(shí)期均為播種時(shí)及拔節(jié)期和抽雄期開始時(shí)，補(bǔ)灌的目標(biāo)含水率為田間持水率，施氮比例為1∶1∶1，其中，播種N 底施，拔節(jié)N 和抽雄N 隨水施入。