節(jié)水減氮對(duì)夏玉米干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)

王旭敏，雒文鶴，劉朋召，張琦，王瑞，李軍

節(jié)水減氮對(duì)夏玉米干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)

王旭敏，雒文鶴，劉朋召，張琦，王瑞，李軍

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100

【】針對(duì)當(dāng)前夏玉米生產(chǎn)中灌溉水資源不足和施氮過量的問題，本研究擬通過分析比較節(jié)水減氮模式與常規(guī)水氮模式對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，為開發(fā)夏玉米水肥減量增效的生產(chǎn)模式提供依據(jù)。于2018—2019年在陜西楊凌開展水氮二因素田間試驗(yàn)。灌溉設(shè)常規(guī)灌溉（800 m3·hm-2）、減量灌溉（400 m3·hm-2）和不灌溉（0）3個(gè)處理；施氮設(shè)常規(guī)施氮（300 kg N·hm-2）、減施25%（225 kg N·hm-2）、減施50%（150 kg N·hm-2）、減施75%（75 kg N·hm-2）和不施氮肥（0）5個(gè)處理，分析夏玉米產(chǎn)量、光合特性以及干物質(zhì)（氮素）積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特性。（1）減量灌溉、減氮25%的節(jié)水減氮模式較常規(guī)水氮模式對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著影響。（2）與常規(guī)水氮模式相比，減量灌溉、減氮25%對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)（LAI）無顯著影響，也能加快花前LAI上升速度且花后LAI下降緩慢；顯著提高抽雄期穗位葉凈光合速率10.0%，維持植株花后較高的穗位葉凈光合速率，保證干物質(zhì)生產(chǎn)。（3）減量灌溉和減氮25%較常規(guī)水氮模式對(duì)成熟期干物質(zhì)積累量無顯著影響，但干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率顯著提高6.3%，最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期顯著提前0.8 d。（4）與常規(guī)水氮模式相比，減量灌溉、減氮25%處理花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和花前轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率分別顯著提高36.4%、40.1%和28.6%；花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率分別顯著提高30.3%、22.0%和42.1%?；ê蟾晌镔|(zhì)、氮素積累量以及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率在2種水肥模式下無差異。施氮225 kg·hm-2、灌溉400 m3·hm-2的節(jié)水減氮模式能有效協(xié)調(diào)干物質(zhì)和氮素的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高成熟期籽粒同化物分配比例，實(shí)現(xiàn)關(guān)中平原夏玉米節(jié)水減肥增效的生產(chǎn)目標(biāo)。

夏玉米；節(jié)水灌溉；減量施氮；干物質(zhì)積累；轉(zhuǎn)運(yùn)；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】我國(guó)人均淡水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4且日趨貧乏，由于灌溉用水的浪費(fèi)及非農(nóng)業(yè)用水的不斷增加，農(nóng)業(yè)用水也在不斷下降[1]。生產(chǎn)中農(nóng)民為了追求高產(chǎn)，普遍過量施用氮肥，不僅嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)降低產(chǎn)量，同時(shí)帶來包括土壤酸化、大氣污染、水污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題[2-3]。關(guān)中平原是陜西省主要玉米產(chǎn)區(qū)，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示當(dāng)?shù)馗呤┑r(nóng)戶占64.7%，純氮平均用量為（288±113）kg·hm-2[4]；平均灌溉量為800 m3·hm-2左右，且近34年間地表水灌溉用水量及地下水開采量持續(xù)減少，生產(chǎn)中及時(shí)充分灌溉越來越難以保障[5]。因此，減少水肥投入成為節(jié)約農(nóng)業(yè)水肥資源和綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。【前人研究進(jìn)展】與傳統(tǒng)“大水大肥”生產(chǎn)方式相比，適當(dāng)減少水分和氮素投入，能有效降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅縖6]，提高水肥利用效率，并維持較高玉米產(chǎn)量[2]。玉米產(chǎn)量由植株干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)移特性所決定，提高干物質(zhì)生產(chǎn)能力以及同化物向籽粒的轉(zhuǎn)移能力、協(xié)調(diào)源庫(kù)關(guān)系是提高玉米產(chǎn)量的有效途徑[7-8]。有研究表明適宜施氮量下中度虧水較正常灌水處理顯著提高花前營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)量[9]；范虹等[10]研究表明，與高水灌溉（550 mm）處理相比，減量灌溉60 mm處理玉米葉面積指數(shù)峰值并未顯著降低；減量灌溉配合適宜施氮量能促進(jìn)作物吸收氮素，最終提高玉米產(chǎn)量[11]。與此同時(shí)，董茜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，減氮18%較習(xí)慣施氮量處理玉米花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率分別顯著提高22.7%、18.8%和15.9%，且籽粒平均灌漿速率和最大灌漿速率提高了9.8%和10.8%；另外適當(dāng)減少氮肥投入可以降低花后葉片氮素輸出，延緩葉片衰老，維持較高光合速率，提高源生產(chǎn)能力從而促進(jìn)灌漿[13-14]。戴明宏等[15]研究表明，2年施氮量分別較經(jīng)驗(yàn)施氮量減少42%和71%，玉米生育后期干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量占籽粒重比例平均提高6.1%。【本研究切入點(diǎn)】目前，關(guān)于節(jié)水減氮生產(chǎn)方式對(duì)玉米水肥利用效率、氮素殘留或環(huán)境影響已多有研究報(bào)道，但基于植株源庫(kù)關(guān)系，降低水肥投入措施對(duì)玉米的干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)玉米產(chǎn)量形成影響機(jī)制的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過田間試驗(yàn)比較了不同水氮模式下夏玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)及光合速率的差異，結(jié)合分析不同水氮模式對(duì)玉米干物質(zhì)積累過程及花前、花后物質(zhì)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，進(jìn)一步闡明節(jié)水減氮的作用效果，旨在為關(guān)中平原夏玉米節(jié)水減氮的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2018—2019年6月至10月在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)曹新莊試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（108°07′ E，34°20′ N）進(jìn)行。該地區(qū)年均氣溫12.9℃，年均降水量635.1 mm，無霜期211 d，屬于大陸性季風(fēng)暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，供試土壤為土，前茬作物為小麥，試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分含量見表1。試驗(yàn)期間，2018年夏玉米于6月14日播種，10月1日收獲，全生育期降水335.3 mm，生育前期降水較密集；2019年夏玉米于6月14日播種，9月30日收獲，全生育期降水499.8 mm，生育后期降水較密集（圖1）。

圖1 夏玉米生長(zhǎng)季日降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，灌溉量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，小區(qū)面積91 m2（6.5 m×14 m），3次重復(fù)，共計(jì)45個(gè)小區(qū)。灌溉處理設(shè)置常規(guī)灌溉W2（800 m3·hm-2）、減量灌溉W1（400 m3·hm-2）、無灌溉W0（0）3個(gè)灌溉量水平，2年W2均在拔節(jié)期和抽雄期灌溉，每次灌水400 m3·hm-2，W1只在拔節(jié)期進(jìn)行1次灌溉，以常規(guī)灌溉W2為對(duì)照。氮肥設(shè)置300、225、150、75、0 kg·hm-25個(gè)施氮量，依次為常規(guī)施氮（N300）、減施25%（N225）、減施50%（N150）、減施75%（N75）、全減施（N0），以常規(guī)施氮量N300為對(duì)照，氮肥為尿素。試驗(yàn)地統(tǒng)一施磷肥（P2O5）120 kg·hm-2，因該地區(qū)土壤普遍富鉀，本試驗(yàn)不施鉀肥，氮、磷肥全部基施。供試玉米品種為鄭單958，密度60 000株/hm2。灌溉方式采用噴灌，水表控制灌水量，灌溉前挖好溝渠，其他管理措施同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)測(cè)定 于玉米苗期（VE）、拔節(jié)期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）、成熟期（R6），選擇5株代表性植株測(cè)量葉面積，采用長(zhǎng)寬系數(shù)法計(jì)算葉面積（0.75）。

單葉葉面積=長(zhǎng)×寬×0.75；

葉面積指數(shù)（LAI）=該土地面積上的總綠葉面積/土地面積。

1.3.2 穗位葉凈光合速率測(cè)定 采用Li-6400型便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀，在玉米抽雄和成熟期，選擇晴朗天氣于上午9：30—11：30測(cè)定穗位葉凈光合速率，各小區(qū)測(cè)代表性植株8株。

1.3.3 干物質(zhì)和氮素積累量測(cè)定 在玉米苗期（VE）、拔節(jié)期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）、成熟期（R6），采集植株的地上部分，105℃殺青30 min，85℃烘至恒重，稱取植株干物質(zhì)量；氮素含量采用H2SO4-H2O2消解，半微量凱氏定氮儀測(cè)定。

1.3.4 干物質(zhì)積累過程相關(guān)計(jì)算 以播種后天數(shù)（t）為自變量，地上部干重為因變量（y），可用Logistic方程y=a/(1+be-kt)對(duì)干物質(zhì)積累過程進(jìn)行模擬[16]。干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率vmax= -bk/4，干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)的時(shí)間tmax=-lnb/a。

1.3.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定 在玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5 m各3行，共9 m2，統(tǒng)計(jì)穗數(shù)，另取20株玉米，風(fēng)干后于室內(nèi)考種，測(cè)定穗粒數(shù)，利用烘箱烘干籽粒測(cè)量其含水量，并折算為14%含水量的產(chǎn)量和百粒重。

1.3.6 干物質(zhì)、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)

按照Cox等[17]的方法，計(jì)算開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒干物質(zhì)和氮素積累貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式如下：

花前干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量（kg·hm-2）=開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量；

花前干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率（%）=（開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量）／開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量×100；

花前營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻(xiàn)率（%）=（開花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量）／籽粒干物質(zhì)或氮素積累量×100；

花后干物質(zhì)或氮素積累量（kg·hm-2）=成熟期干物質(zhì)或氮素積累量-開花期干物質(zhì)或氮素積累量；

花后干物質(zhì)或氮素積累對(duì)籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻(xiàn)率（%）=100-花前積累干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻(xiàn)率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010分析處理數(shù)據(jù)、Origin 2018作圖，使用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析（ANOVA）、相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)分析）和多重比較（Duncan法）。

2 結(jié)果

2.1 灌溉、施氮及其互作對(duì)夏玉米各指標(biāo)的方差分析

2年試驗(yàn)結(jié)果方差分析表明（表2），灌溉、施氮以及二因素互作對(duì)測(cè)量各指標(biāo)都有顯著或極顯著影響。施氮對(duì)葉面積指數(shù)、穗位葉凈光合速率、抽雄期干物質(zhì)積累量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)、百粒重的影響大于灌溉；而灌溉對(duì)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、產(chǎn)量、穗數(shù)以及穗粒數(shù)的影響較施氮更顯著；灌溉、施氮各單因素對(duì)測(cè)量各指標(biāo)的影響較灌溉施氮互作更顯著。

2.2 夏玉米葉面積指數(shù)(LAI)變化

在不同灌溉處理下，2年夏玉米葉面積指數(shù)（LAI）均隨生育期推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)（圖2），與W2相比，W0玉米2年平均LAI顯著降低19.5%，W1平均LAI有所降低，但差異不顯著。W0較W2顯著降低苗期到拔節(jié)期LAI的增長(zhǎng)速度，W1苗期到拔節(jié)期LAI的增長(zhǎng)速度與W2無顯著差異，同時(shí)延緩花后LAI下降速度，有利于提高花前干物質(zhì)積累。在同一灌溉量下，不同施氮量下LAI從抽雄期開始出現(xiàn)差異。與N300相比，N0、N75、N150的2年平均LAI分別顯著降低31.3%、19.4%和10.4%，N225 LAI未顯著降低，且LAI花后降幅與N300無差異。各水氮組合中，W1N225與W2N300處理對(duì)夏玉米LAI的影響無顯著差異，LAI發(fā)展動(dòng)態(tài)合理。

2.3 夏玉米穗位葉凈光合速率變化

不同水氮模式下抽雄期夏玉米穗位葉凈光合速率差異顯著（圖3）。W0較W2光合速率顯著降低7.7%，W1較W2光合速率提高4.0%。W0條件下，N0—N150較N300條件下2年平均光合速率顯著降低6.1%—15.1%，N225差異不顯著；W1和W2條件下，N225光合速率與N300差異不顯著，但較N0—N150分別顯著提高5.8%—29.8%、7.5%—36.5%。與常規(guī)施氮量相比，N150、N225條件下2年平均抽雄期光合速率差異不顯著，N0、N75分別顯著降低17.6%、6.0%。在各水氮組合處理中，抽雄期穗位葉凈光合速率2年平均以W1N225處理最高，較W2N300處理顯著提高10.0%。抽雄至成熟期，各處理穗位葉光合速率均顯著下降，W1條件下成熟期部分施氮量的穗位葉仍保持相對(duì)較高光合速率，與W2無差異。成熟期以W2N300處理穗位葉光合速率最高，但與W1N225處理無顯著差異；成熟期W2N0處理光合速率最低。說明減量灌溉下減氮25%夏玉米穗位葉在抽雄期—成熟期也能保持較高的光合速率，促進(jìn)干物質(zhì)積累。

2.4 夏玉米干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)變化

夏玉米苗期至拔節(jié)期（0—40 d）各處理干物質(zhì)積累量差異不顯著（圖4），拔節(jié)后不同施氮量間開始出現(xiàn)差異，整個(gè)生育時(shí)期干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)呈“S”型。灌溉顯著提高了夏玉米干物質(zhì)積累量，W0條件下成熟期2年平均干物質(zhì)積累量較W2顯著降低21.1%，W1干物質(zhì)積累量與W2無顯著差異。在同一灌溉條件下，各施氮量的干物質(zhì)積累量在開花期以后表現(xiàn)出明顯差異，N225與N300干物質(zhì)積累量差異不顯著，N0—N150干物質(zhì)積累量分別顯著降低22.0%、10.3%和8.9%。在各水氮組合處理中，W2N225較W2N300處理干物質(zhì)積累量顯著提高5.4%，W1N225與W2N300處理干物質(zhì)積累量差異不顯著。

表2 灌溉、施氮對(duì)夏玉米生理指標(biāo)、干物質(zhì)（氮素）轉(zhuǎn)運(yùn)、產(chǎn)量及構(gòu)成因素的方差分析

VT：抽雄期；R6：成熟期；DMR：花前轉(zhuǎn)運(yùn)量；DMRE：花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率；DMRCG：花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率；DMA：花后干物質(zhì)積累量；DMAC：花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率；NR：花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量；NRE：花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率；NRCG：花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮素積累貢獻(xiàn)率；NA：花后氮素積累量；NAC：氮素積累對(duì)籽粒氮素積累貢獻(xiàn)率。表中數(shù)值代表值，NS 表示無顯著性差異，*表示0.05水平顯著，**表示0.01水平顯著，***表示0.001 水平顯著。下同

VT: Tasseling stage; R6: Maturation stage; DMR: Dry matter remobilization pre-anthesis; DMRE: Dry matter remobilization efficiency pre-anthesis; DMRCG: Contribution of dry matter remobilization to grain pre-anthesis; DMA: Dry matter accumulation post anthesis; DMAC: Contribution of dry matter accumulation to grain post anthesis; NR: N remobilization pre-anthesis; NRE: N remobilization efficiency pre-anthesis; NRCG: Contribution of N remobilization to grain N pre-anthesis; NA: N accumulation post anthesis; NAC: Contribution of N accumulation to grain N post anthesis. The values in the table represent the values of, NS means non-significant, * means significant at 0.05 level, ** means significant at 0.01 level, and *** means significant at 0.001 level. the same as below

干物質(zhì)積累速率是衡量作物干物質(zhì)積累快慢的指標(biāo)，灌溉與施氮顯著影響玉米最大干物質(zhì)增長(zhǎng)速率及播種后出現(xiàn)日期。W1干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率較W0、W2分別顯著提高6.1%和26.8%；最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期較W0顯著提前4.5 d，較W2差異不顯著。在同一灌溉量處理下，干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，與N300相比，N225處理干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率顯著提高5.1%，最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期無顯著差異。各水氮組合處理中，以W1N225處理顯著優(yōu)于其他處理，最大增長(zhǎng)速率顯著提高6.3%—75.4%；最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期提前0.8—7.9 d。即減量灌溉配合減氮25%能有效增大夏玉米干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率，提前玉米干物質(zhì)積累高峰期，維持玉米開花后較長(zhǎng)時(shí)期的干物質(zhì)積累天數(shù)，提高干物質(zhì)積累量。

VE：苗期；V6：拔節(jié)期；VT：抽雄期：R3：乳熟期；R5：蠟熟期：R6：成熟期。圖中NS 表示無顯著性差異，*表示0.05水平顯著，**表示0.01水平顯著

不同小寫字母表示同一灌溉處理下不同施氮量間在0.05 水平上顯著差異。下同 Different lowercase letters indicate that the difference between different nitrogen application rates under the same irrigation treatment is significant at 0.05 level. The same as below

圖中灰色區(qū)域表示最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)及持續(xù)日期 The gray area indicates the occurrence and duration of the maximum growth rate of dry matter

2.5 夏玉米干物質(zhì)分配與轉(zhuǎn)運(yùn)

成熟期玉米干物質(zhì)主要分配在籽粒中（圖5）。各灌水間籽粒干物質(zhì)積累比例無顯著差異。籽粒干物質(zhì)積累比例隨施氮量的提高呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，N225籽粒積累量比例較N300顯著提高5.1%。各水氮間以W1N225處理籽粒干物質(zhì)積累比例最高，較W2N300處理顯著提高6.5%。

灌溉和施氮以及二者互作均顯著影響夏玉米花前花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程（＜0.05）（表3）。灌溉顯著增加夏玉米花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、花前轉(zhuǎn)運(yùn)率、花前轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率和花后干物質(zhì)積累量。W1夏玉米花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率2年平均較W2分別顯著提高27.3%、34.7%和26.2%。在同一灌溉條件下，花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。N225較N300花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及對(duì)籽粒干物質(zhì)積累的貢獻(xiàn)率分別顯著提高27.1%、21%和17.1%，N150較N300分別顯著提高83.5%、65.5%和73.2%。花后干物質(zhì)積累量隨施氮量增加而增加，以N225、N300較高。不同水氮組合處理間比較，W1N225處理花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率較W2N300處理分別提高36.4%、40.1%和28.6%，W1N300處理下花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率最大。即減量灌溉和施氮處理能有效提高花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率以及轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，增大成熟期籽粒干物質(zhì)分配。

圖5 不同節(jié)水減氮模式下夏玉米成熟期干物質(zhì)分配

表3 不同節(jié)水減氮模式下夏玉米開花前后營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒干物積累的影響

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一灌溉條件下不同施氮量間在0.05水平上差異顯著。下同

Different letters after the same column of data indicate that the difference between different nitrogen application rates under the same irrigation treatment is significant at 0.05. The same as below

2.6 夏玉米氮素分配與轉(zhuǎn)運(yùn)

如圖6所示，夏玉米成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量占整株氮素積累量的比例降低。與W2相比，W1成熟期籽粒氮素積累量無顯著差異，W0顯著降低19.5%。籽粒中氮素分配比例隨施氮量增加先升高后降低，N150、N225籽粒氮素分配比例分別較N300顯著提高4.8%和6.1%。各組合中W1N225與W2N300處理籽粒氮素積累無顯著差異。

圖6 不同節(jié)水減氮模式下夏玉米成熟期氮素分配

灌水和施氮以及二者互作均顯著提高夏玉米花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮素積累貢獻(xiàn)率、花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及積累對(duì)籽粒干物質(zhì)積累貢獻(xiàn)率（＜0.05）（表4）。W1較W2顯著提高夏玉米氮素花前轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)率，2年平均分別提高10.2%、12.0%和11.3%，花后氮素積累量和氮素積累貢獻(xiàn)率以W2較高。氮肥減施處理顯著提高夏玉米花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)率，N225較N300花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)各指標(biāo)分別顯著提高15.4%、6.9%和14.2%，N150較N300分別顯著提高18.1%、13.7%和20.0%。花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)以高施氮量N300最高。各水氮組合處理間，W1N150較W2N300處理花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率、花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮素積累貢獻(xiàn)率分別顯著提高37.1%、28.4%和45.3%，W1N225較W2N300處理花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)各指標(biāo)分別顯著提高30.3%、22.0%、42.1%。

2.7 夏玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

2年試驗(yàn)結(jié)果均表明，灌水量和施氮量及二者互作對(duì)玉米產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平（表5）。與W2相比，W0主要通過影響穗粒數(shù)和百粒重顯著降低產(chǎn)量17.3%，W1對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著影響。即不灌溉有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，而減量灌溉能保持產(chǎn)量。同一灌溉量條件下，玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素均隨施氮量增加顯著提高。W1條件下，2年平均穗數(shù)、穗粒數(shù)均隨施氮量的增加而升高，N150、N225和N300穗數(shù)、穗粒數(shù)無顯著差異；百粒重隨施氮量的增加先升高后降低，N150與N300對(duì)百粒重的影響無顯著差異，N225較其他施氮量百粒重顯著提高3.7%—15.2%；產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，N225與N3002年平均產(chǎn)量無顯著差異，且分別顯著高于N0—N150的5.4%—44.9%、5.4%—44.5%。在各水氮組合中，2年平均產(chǎn)量以W1N225處理下最高，但與常規(guī)水氮模式W2N300處理差異不顯著。

在同一灌溉處理下，2018和2019年玉米產(chǎn)量與施氮量均呈二次曲線關(guān)系（圖7）。2018年W0下施氮量181 kg·hm-2時(shí)最高產(chǎn)量可達(dá)8 256 kg·hm-2，W1下施氮量195 kg·hm-2時(shí)獲最高產(chǎn)量達(dá)9 733 kg·hm-2，W2下施氮量287 kg·hm-2時(shí)最高產(chǎn)量可達(dá)9 967 kg·hm-2；2019年W0下施氮量209 kg·hm-2時(shí)最高產(chǎn)量可達(dá)8 217 kg·hm-2，W1下施氮量221 kg·hm-2時(shí)最高產(chǎn)量可達(dá)9 932 kg·hm-2，W2下施氮量249 kg·hm-2時(shí)最高產(chǎn)量可達(dá)9 940 kg·hm-2。灌溉增產(chǎn)效果明顯，但增加灌水量增產(chǎn)效果并不明顯，說明生產(chǎn)上適量減少灌溉也能滿足夏玉米生長(zhǎng)需求。

表4 不同節(jié)水減氮模式下夏玉米開花前后營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)

圖7 相同灌水條件下施氮量與夏玉米產(chǎn)量的關(guān)系

表5 節(jié)水減氮處理對(duì)2018—2019年玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

3.1 節(jié)水減氮對(duì)玉米光合速率及干物質(zhì)積累的調(diào)控效應(yīng)

干物質(zhì)積累影響作物產(chǎn)量水平，水氮管理措施通過玉米干物質(zhì)積累特性，顯著影響干物質(zhì)積累過程[18-19]。前人研究表明，減量灌溉和減氮25%能顯著提升玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量[20]。本研究中拔節(jié)期灌溉400 m3·hm-2（減水50%）與施氮225 kg·hm-2（減氮25%）處理下玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量與常規(guī)水氮模式無顯著差異。這可能是因?yàn)殛P(guān)中平原夏季降雨多集中在玉米生長(zhǎng)后期，拔節(jié)期少量灌溉平衡了水分的時(shí)間分布，能夠滿足玉米拔節(jié)到抽雄期的水分需求，保證植株干物質(zhì)的積累；而常規(guī)灌溉下會(huì)造成氮素淋失，需要更高施氮量才能滿足玉米生長(zhǎng)。除此之外，玉米生長(zhǎng)后期冠層密集減少土壤水分散失，相對(duì)弱化灌溉對(duì)后期生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累的影響[21]。光合作用是影響干物質(zhì)生產(chǎn)和積累的主要因素，干物質(zhì)的積累速率和持續(xù)時(shí)間取決于光合強(qiáng)度和光合作用持續(xù)時(shí)間。研究表明，在相同灌水情況下，地上部干物質(zhì)積累速率隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，適宜水氮條件有利于增加葉片中葉綠素相關(guān)酶含量，改善光合特性使得夏玉米生育后期仍可保持較高的干物質(zhì)積累速率[22-24]。本研究中減量灌溉、減氮25%的節(jié)水減氮模式下玉米花前葉面積指數(shù)增長(zhǎng)較快，花后仍然保持較高的葉面積指數(shù)和光合速率；且較常規(guī)水氮模式玉米干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率顯著提高6.3%，最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期提前0.8 d，能有效增加高強(qiáng)度光合作用時(shí)間，延長(zhǎng)較高干物質(zhì)積累速率的時(shí)間，從而維持生育期內(nèi)干物質(zhì)持續(xù)積累。

3.2 節(jié)水減氮對(duì)干物質(zhì)、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)分配的調(diào)控效應(yīng)

作物籽粒中干物質(zhì)積累主要來源于花后形成同化物和花前營(yíng)養(yǎng)器官貯存同化物向籽粒的轉(zhuǎn)移與分配[25-26]，生產(chǎn)中在保證花后物質(zhì)積累的同時(shí)，通過管理措施提升花前干物質(zhì)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)是提升產(chǎn)量的重要途徑。張仁和等[27]研究表明，吐絲期適度干旱顯著增加莖鞘貯存碳庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)，提高花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量（率）；土壤干濕交替刺激根系活性，增強(qiáng)根系對(duì)土壤水分的吸收能力[21]。本研究減量灌溉處理能顯著提升花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。玉米營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)旺盛導(dǎo)致源庫(kù)比增大，降低了光合產(chǎn)物的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)速率[28]，而減氮25%—50%有效協(xié)調(diào)植株的源庫(kù)關(guān)系，在保持較高花后干物質(zhì)積累及貢獻(xiàn)率的同時(shí)顯著提升了花前干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究發(fā)現(xiàn)施氮量150—225 kg·hm-2范圍內(nèi)干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)表現(xiàn)較優(yōu)，更加精細(xì)的施氮量需在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)是玉米籽粒中氮素的重要來源，適宜土壤水分條件下，減少供氮可以增加營(yíng)養(yǎng)器官氮素再轉(zhuǎn)運(yùn)；超過一定范圍的水氮供應(yīng)，不但對(duì)養(yǎng)分累積與再轉(zhuǎn)運(yùn)無明顯增強(qiáng)效應(yīng)，還造成資源的浪費(fèi)[29]。與常規(guī)水氮模式相比，本研究中節(jié)水減氮模式顯著提升籽粒的氮素積累水平，提高花前營(yíng)養(yǎng)器官中氮素向籽粒的分配。其中減量灌溉下減氮50%的水氮模式玉米花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率最高，但研究表明營(yíng)養(yǎng)體過量的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)易引起葉片早衰及光合能力下降，營(yíng)養(yǎng)體氮代謝加強(qiáng)導(dǎo)致運(yùn)往籽粒氮素減少，不利于產(chǎn)量提高[11]。而本研究中減量灌溉、減氮25%的水氮模式有效協(xié)調(diào)了花前和花后氮素在植株中的分配，在滿足較高轉(zhuǎn)運(yùn)量的同時(shí)，也保證生育后期玉米葉片能夠進(jìn)行正常的光合作用，保障玉米在生殖生長(zhǎng)階段仍保持較強(qiáng)的同化能力，從而提升籽粒中的氮素水平。

3.3 節(jié)水減氮對(duì)產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)

生產(chǎn)中水氮投入不合理，不僅導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，還引發(fā)環(huán)境問題。已有研究表明，適當(dāng)減少水氮投入不會(huì)造成顯著減產(chǎn)。半干旱地區(qū)灌水量減少73%配合施氮量248.1 kg·hm-2，玉米產(chǎn)量下降幅度小于15.26%，且水分利用效率較高[30]；華北麥玉輪作體系下，較常規(guī)施氮，連續(xù)3年減氮25%至40%不影響玉米產(chǎn)量[2]；謝英荷等[31]研究表明，與習(xí)慣灌水和施氮量相比，減水300 m3·hm-2、減氮60 kg·hm-2處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著影響。本研究中減量灌溉、減氮25%的節(jié)水減氮模式與常規(guī)水氮模式下產(chǎn)量及其構(gòu)成要素?zé)o顯著差異，與前人研究結(jié)果相似。與常規(guī)灌溉相比，減量灌溉處理對(duì)玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重均未造成顯著影響，一方面是作物生長(zhǎng)期間適度干旱有利于促進(jìn)根系下扎并增強(qiáng)對(duì)水分的吸收，能更加充分利用水分合理生長(zhǎng)[32]；另一方面在于適度低水處理有利于葉片生長(zhǎng)和葉綠素積累，協(xié)調(diào)光合產(chǎn)物[33]。本研究中減量灌溉及時(shí)滿足玉米對(duì)拔節(jié)到抽雄期的水分需求，既不會(huì)造成水分過低又保證了玉米全生育期植株合理生長(zhǎng)；而常規(guī)灌溉結(jié)合生育后期較為密集的降雨使玉米全生育期土壤水分含量長(zhǎng)期處于較高水平，植株葉綠素積累受限，導(dǎo)致光合產(chǎn)物分配不協(xié)調(diào)，從而不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移[33-34]。充足的氮素營(yíng)養(yǎng)滿足了作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求，本研究發(fā)現(xiàn)與不施氮相比，施氮養(yǎng)分充足促使玉米形成雙穗，顯著提高了穗數(shù)，同時(shí)顯著提高其他產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)而提高產(chǎn)量。但減氮25%與常規(guī)施氮處理相比夏玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均無顯著差異。減氮25%處理玉米生長(zhǎng)階段光合特性，干物質(zhì)和氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)情況良好，顯著提高玉米百粒重從而維持了產(chǎn)量。即適量減施氮肥并不會(huì)顯著降低產(chǎn)量，而常規(guī)施氮處理作物對(duì)氮肥的吸收存在奢侈吸收，不再對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量形成產(chǎn)生更多的貢獻(xiàn)[35]。

4 結(jié)論

與常規(guī)水氮模式相比，減量灌溉50%、減氮25%的節(jié)水減氮模式對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)以及光合性能無顯著影響，保證了花后光合產(chǎn)物的積累及向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)；提前了干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)日期，延長(zhǎng)了干物質(zhì)積累時(shí)間；同時(shí)提高了花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，協(xié)調(diào)成熟期物質(zhì)分配，最終提高玉米產(chǎn)量。因此，施氮225 kg·hm-2、灌溉400 m3·hm-2，既能獲得較高產(chǎn)量又能節(jié)約水肥資源，可以作為關(guān)中平原夏玉米發(fā)展節(jié)水減氮生產(chǎn)模式的參考指標(biāo)。

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Regulation Effects of Water Saving and Nitrogen Reduction on Dry Matter and Nitrogen Accumulation, Transportation and Yield of Summer Maize

WANG XuMin, LUO WenHe, LIU PengZhao, ZHANG Qi, WANG Rui, LI Jun

College of Agronomy, Northwest A&F University/Key Laboratory of Crop Physiecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture,Yangling 712100, Shaanxi

【】In order to solve the problems of irrigation water resources scarcity and excessive nitrogen input in current summer maize cropping system, this study analyzed the regulating effects of maize growth and yield response between water-saving, nitrogen reduction mode and conventional water-nitrogen mode, so as to provide a theoretical basis for determining water-saving and nitrogen-reduction cultivation measures of summer maize. 【】 A differentirrigation and nitrogen application field trial of summer maize was conducted in Yangling, Shaanxi province in 2018-2019. Three irrigation treatments were conventional irrigation (800 m3·hm-2), reduced irrigation (400 m3·hm-2) and no irrigation (0); and five nitrogen treatments were as follows: conventional nitrogen application (300 kg N·hm-2), reduced 25% (225 kg N·hm-2), reduced 50% (150 kg N·hm-2), reduced 75% (75 kg N·hm-2) and no N fertilizer(0), respectively. The study investigated the effects of water saving and nitrogen reduction on maize yield, photosynthetic characteristics, dry matter (nitrogen) accumulation and its transport characteristics.【】(1) Compared with conventional water-nitrogen mode (conventional irrigation and 300 kg N·hm-2), the water-saving and nitrogen reduction mode (reduced irrigation and 225 kg N·hm-2) had no significant effect on maize yield and its components. (2) Compared with conventional water-nitrogen mode, the reduced irrigation and 225 kg N·hm-2treatment had no impact on maize leaf area index (LAI), its LAI increased obviously before anthesis and decreased slowly after anthesis than that under other treatments. The net photosynthetic rate of ear leaf significantly increased by 10.0% at tasseling stage, and kept a higher net photosynthetic rate till the post anthesis period, this promoted the dry matter accumulation. (3) Reduced irrigation and 225 kg N·hm-2had no remarkable influence on dry matter accumulation, but the maximum growth rate of dry matter accumulation was significantly increased by 6.3%, and occurred 0.8 days earlier. (4) The dry matter remobilization, remobilization efficiency and contribution of remobilization to grain efficiency in pre-anthesis of reduced irrigation and 225 kg N·hm-2treatment increased significantly by 36.4%, 40.1% and 28.6%, respectively. The nitrogen remobilization, remobilization efficiency and contribution of nitrogen remobilization to grain efficiency pre-anthesis increased significantly by 30.3%, 22.0% and 42.1%, respectively. However, there was no difference in dry matter (nitrogen) accumulation and contribution efficiency to grain under the two type water and nitrogen modes. 【】 Comprehensively, the water-saving and nitrogen reduction mode (400 m3·hm-2irrigation amount and 225 kg N·hm-2) could effectively coordinate dry matter (nitrogen) accumulation and its transportation, and increased the distribution ratio of dry matter and nitrogen in maize grain, which could achieve the production goal of water saving and nitrogen reduction of summer maize in Guanzhong plain.

summer maize; water-saving irrigation; reduced nitrogen application; dry matter accumulation; transportation; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.004

2020-10-07；

2021-01-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD22B02）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31801300）

王旭敏，E-mail：minr.w@nwsuaf.edu.cn。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）