水氮互作對川中丘陵區(qū)玉米水肥利用效率和產(chǎn)量形成的影響

劉 凡，劉斌祥，劉佳媛，杜 霞，孔凡磊，袁繼超

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，四川 成都 611130；2. 農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，四川 成都 611130；3. 作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

玉米是重要的糧食、飼料以及工業(yè)原料作物，用途較廣，需求量大，提高玉米單產(chǎn)有助于滿足市場需求，保障我國糧食安全[1]。水肥是影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要因子[2]，玉米生育期內(nèi)需水量大，各生育時期水分脅迫均會影響玉米生長發(fā)育，導致其產(chǎn)量下降[2]。我國淡水資源總量豐富，但人均占有量僅為世界人均水平的1/4，是缺水和貧水的國家[5]，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行，滴灌是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要技術措施[6]。氮素是構成蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等有機物的核心元素[7]，合理施氮是提高作物產(chǎn)量的重要途徑[8]。研究表明水肥間存在明顯的交互作用[9-10]，水氮互作可顯著增加玉米產(chǎn)量，其中以氮為主效[11]，科學的肥水管理可以發(fā)揮水肥協(xié)同和耦合作用[12]。在水肥一體化模式下，氮肥溶于水直接運送到根部，減少肥料淋失和土壤固定，氮肥利用率可達60%以上，還能減少40%以上水分消耗[13]。

川中丘陵區(qū)屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，季節(jié)性干旱頻發(fā)[14]，作為本區(qū)主要氣象災害[15]，嚴重影響玉米產(chǎn)量。且本區(qū)土壤貧瘠，蓄水保肥能力差，為提高產(chǎn)量，當?shù)剞r(nóng)民在玉米生產(chǎn)上普遍過量施用氮肥[16]，導致肥料利用率低、生產(chǎn)成本高和環(huán)境污染等問題[17]。氮肥減施增效是我國玉米生產(chǎn)發(fā)展的重要方向[18]，前人對本區(qū)玉米的氮肥施用技術作了較多研究[19-20]，對灌溉技術也有部分研究[21]，但鮮有水氮互作方面和水肥一體化方面的研究。本文對此開展探索，以期為本區(qū)玉米水肥一體化高效生產(chǎn)技術的制定提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年4—8月在四川省德陽市中江縣開展。該地海拔625.3 m，屬亞熱帶季風性氣候，無霜期282 d，多年全年平均降水量855.59 mm，2019年全年降水量840.96 mm，試驗期間(4—8月)和多年同期的平均降水量和溫度見圖1。土壤為紫色粘性土，耕層厚約20 cm，播種前土壤的基礎養(yǎng)分含量為堿解氮54.60 mg·kg-1，速效磷5.25 mg·kg-1，速效鉀102.73 mg·kg-1，有機質(zhì)8.71 g·kg-1，pH值6.35，表層土儲水量448 mm。

1.2 試驗材料

四川農(nóng)業(yè)大學選育的大穗高產(chǎn)品種‘正紅507’。

1.3 試驗設計

試驗采取膜下滴灌方式進行灌溉，采用兩因素隨機區(qū)組設計，A因素為氮肥施用量，設減氮25%(純氮180 kg·hm-2，記為N180)和正常氮(純氮240 kg·hm-2，記為N240)兩個水平；B因素為滴灌量：設0(B0)、375(B1)、750(B2) m3·hm-2和1 125(B3) m3·hm-24個水平，以不施氮、不滴灌為對照(CK)，共9個處理，3次重復，27個小區(qū)，小區(qū)面積4.8 m×5.5 m=26.4 m2。3月29日覆膜直播，寬窄行(寬行1.1 m，窄行0.5 m)種植，單株栽培，密度為52 500株·hm-2，氮肥按試驗方案進行，其中40%作基施，拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期分別滴施10%、40%和10%，另一次性基施P2O590 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2；根據(jù)天氣和土壤墑情分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期內(nèi)進行滴灌，B0、B1、B2、B3處理每次滴灌定額分別均為0、93.75、187.5、281.25 m3·hm-2。滴灌采用簡易自制設備，包含三孔出水管(PVC材質(zhì))、不同規(guī)格塑料桶、潛水泵(550 W)及滴灌管(滴頭間距200 mm，滴頭滴水量2 L·h-1)。滴灌前精確稱取氮肥溶解于定量儲水桶中。其他栽管措施同大田生產(chǎn)，保持小區(qū)間一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 葉面積和干物質(zhì)積累 分別于大口期、吐絲期和成熟期，每小區(qū)選取長勢均一、有代表性的植株6株，分為葉、莖鞘、穗(成熟期將穗分為穗軸和籽粒)、其他(果柄、苞葉和雄穗)，放入烘箱中105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，計算干物質(zhì)積累量；按長寬法測定吐絲期葉面積，計算葉面積指數(shù)(LAI)。

1.4.2 氮素積累、分配與利用 將吐絲期和成熟期各器官烘干樣粉碎后過60目篩，稱取0.2 g用H2SO4-H2O2消煮后，用凱氏定氮法測全氮含量。計算如下氮積累與利用效率指標：

植株氮積累總量(kg·hm-2)=∑各器官氮積累量=∑各器官干物質(zhì)積累量×含氮量(率)

氮肥農(nóng)學利用率(kg·kg-1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施氮處理產(chǎn)量/施氮量

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率(kg·kg-1)=成熟期植株干物質(zhì)積累量/植株氮素積累總量

氮肥表觀利用率(%)=(施氮處理氮素積累量-對照處理氮素積累量)/施氮量×100

1.4.3 水分利用效率 分別于播前、吐絲期、灌漿期、成熟期用土鉆取0～10、10～20、20～30 cm土層土樣，用鋁盒稱重烘干法測定土壤質(zhì)量含水量；播前和成熟期用環(huán)刀法測各土層土壤容重，計算水分利用效率。

土壤質(zhì)量含水量(%)=[(濕土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量]×100

土壤容重(g·cm-3)=(環(huán)刀內(nèi)濕土重×100)/[環(huán)刀容積×(100+土壤含水量)]

土壤耗水量(mm)=灌水量+降雨量+地下水補給量-徑流量-深層滲漏量-土壤水分變化量。

由于地表未形成積水，徑流量和深層滲漏量可忽略不計;由于本實驗區(qū)域地下水埋藏較深，地下水補給量也可忽略不計。

某層土壤貯水量(mm)=某層土壤容重×該土層厚度×該層土壤含水量×10

耕層土壤(0～30 cm土層)貯水量(mm)=∑各層土壤貯水量

土壤水分變化量(mm)=成熟期耕層土壤貯水量-播種前耕層土壤貯水量

籽粒水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米籽粒產(chǎn)量/土壤耗水量

生物量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米生物產(chǎn)量/土壤耗水量

1.4.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成 收獲前統(tǒng)計小區(qū)有效穗數(shù)，并選取代表性植株20株考種，考察穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重、平均果穗重等，然后分各小區(qū)實收計產(chǎn)。

1.4.5 數(shù)據(jù)處理 運用Microsoft Excel 2013與SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對玉米葉面積指數(shù)的影響

滴灌量和施氮量均顯著影響吐絲期葉面積指數(shù)(LAI)，二者間還存在顯著互作效應(圖2)。滴灌量和施氮量的增加均使玉米吐絲期葉面積指數(shù)升高。減氮處理(N180B0)和正常氮處理(N240B0)較CK(N0B0)處理分別增加10.70%、28.88%。不同灌溉處理水平下，B3處理葉面積指數(shù)均最高，與其他處理差異顯著，較B0處理分別增加20.17%(減氮25%)和11.61%(正常氮)。在減氮條件下，增加滴灌量更有利于提高葉面積指數(shù)。N180B3處理的葉面積指數(shù)顯著高于N240B0，充足的灌水促進玉米葉面積的生長，彌補了施氮不足的影響，說明灌水和施氮之間存在協(xié)同作用。

2.2 水氮互作對玉米干物質(zhì)積累的影響

滴灌和施氮對玉米大口期、吐絲期和成熟期單株干物質(zhì)積累量的影響均達到極顯著水平，在成熟期水氮的互作效應達到極顯著水平(表1)。玉米各生育時期的干物質(zhì)積累量均隨施氮量和滴灌量的增加而增加，在本試驗范圍內(nèi)，氮肥對干物質(zhì)積累的促進作用大于灌溉，吐絲期和成熟期，N240B0和N180B0的干物質(zhì)積累量分別較CK處理增加42.1%和11.2%、48.9%和14.1%；滴灌量對干物質(zhì)積累量的影響程度在不同氮肥水平間存在一定差異，N240條件下大口期、吐絲期和成熟期4個滴灌處理間干物質(zhì)積累量的變異系數(shù)分別為0.096、0.064和0.046，而N180條件下相應的變異系數(shù)則分別為0.120、0.116和0.106，減氮條件下滴灌對干物質(zhì)積累量的影響明顯大于正常氮，尤其是吐絲期和成熟期表現(xiàn)更為突出。

表1 水氮互作對玉米單株干物質(zhì)積累的影響/g

2.3 水氮互作對玉米不同時期氮素積累的影響

由圖3可知，施氮和滴灌能顯著影響各時期玉米的氮素積累量，主要生育時期的氮素積累量均隨施氮量和滴灌量的增加而增加，其中氮肥水平的影響程度大于滴灌量，而滴灌量的影響在不同氮肥水平下有一定差異。以吐絲期為例，減氮25%條件下B1、B2和B3處理分別較B0處理上升7.16%、15.01%、29.95%，差異顯著，而正常氮條件下則分別提高12.45%、13.85%和21.70%，僅B3與B0處理間差異較顯著。說明在減氮條件下，滴灌對玉米氮素積累的促進作用更顯著。

2.4 水氮互作對玉米氮素吸收利用的影響

滴灌和施氮對玉米氮肥吸收利用均有顯著影響，二者互作對氮肥表觀利用率也有極顯著影響(表2)。減氮可在一定程度上提高氮肥的農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率，但在本試驗條件下則降低了氮肥的表觀利用率。滴灌量增加，氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力逐漸增加(減氮條件下)或先增后降(正常氮條件下)，但處理間差異大多不顯著；氮肥表觀利用率隨滴灌量的增加而提高，而氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率則隨滴灌量增加呈降低趨勢，處理間差異顯著，尤其是氮肥表觀利用率。表明合理灌溉有利于發(fā)揮以水促肥的作用，提高氮肥利用率，實現(xiàn)氮肥減施增效。

表2 水氮互作對玉米氮素吸收利用的影響

2.5 水氮互作對玉米水分利用率的影響

由表3可知，施氮和滴灌對水分利用有顯著影響，且二者之間還存在一定的互作效應。施氮和滴灌處理因促進了玉米生長，相應地增加了玉米生育期間的耗水量。滴灌在減氮條件下有提高生物量水分利用效率的趨勢，但在正常氮條件下則有降低生物量水分利用效率的趨勢；籽粒水分利用效率則均隨滴灌量的增加而降低；籽粒水分利用效率和生物量水分利用效率均隨施氮量增加而提高，減氮和正常氮處理籽粒水分利用效率較CK處理分別提高23.71%和30.10%，生物量水分利用效率分別提高14.47%和31.83%，表明施用氮肥也可在一定程度上促進玉米對水分的利用。

表3 水氮互作對水分利用效率的影響

2.6 水氮互作對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構成的影響

滴灌和施氮對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響達顯著或極顯著水平(表4)。施氮量和滴灌量增加，玉米籽粒產(chǎn)量隨之提高，其中施氮的效應大于滴灌。正常氮和減氮處理的產(chǎn)量分別較不施氮處理(CK)提高48.0%和35.6%，雖然正常氮處理較減氮處理增產(chǎn)7.7%，但差異未達顯著水平；在減氮條件下玉米產(chǎn)量隨灌溉量的增加而提高，而在正常氮條件下則先升后降，以B2處理產(chǎn)量最高，表明過量的肥水并不利于高產(chǎn)；N180B3和N180B2處理的產(chǎn)量與N240B0處理無顯著差異，表明適量滴灌可以彌補減氮造成的產(chǎn)量損失，因此水氮耦合是減氮的有效措施。施氮和滴灌主要是通過影響玉米生長，改善穗性狀(增加穗長和穗粗，減少禿尖)，增加穗粒數(shù)和百粒重而提高玉米產(chǎn)量，在本試驗條件下，穗粒數(shù)每增加1粒，產(chǎn)量提高29.11 kg·hm-2，百粒重每增加1 g，產(chǎn)量提高794.16 kg·hm-2(Y1=29.112X1-8119.8,R1=0.929；Y1=794.16X2-18887,R2=0.898，產(chǎn)量Y1，穗粒數(shù)X1，百粒重X2)。

表4 水氮互作對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構成的影響

3 討論與結論

施用氮肥和灌溉均可促進玉米生長發(fā)育，提高產(chǎn)量[8, 22]，但過量的氮肥和灌水不僅浪費資源，也不利于玉米高產(chǎn)[23-24]，因此施氮和灌水都要適宜，但適宜的氮肥水平和灌水量因生態(tài)區(qū)域而異。李玉斌等[25]在甘肅張掖綠洲灌區(qū)玉米的研究認為，該地區(qū)膜下滴灌最佳灌水量為2 700 m3·hm-2、最佳施氮量為200 kg·hm-2；尚文彬等[26]得出，黑龍江西部地區(qū)膜下滴灌方式下灌水量400 m3·hm-2、施氮量250 kg·hm-2最佳。雖然川中丘陵區(qū)玉米生育期間的總降水豐富(圖1)，但分布不均，常發(fā)生季節(jié)性干旱，如本試驗玉米播后30 d內(nèi)的降水僅為16.80 mm，吐絲期(6月10日)至吐絲后10 d降水僅12.1 mm，只占常年同期的24.50%，嚴重影響玉米的生長發(fā)育。因此配以適當?shù)喂?，促進玉米生長(葉面積和干物質(zhì)積累)，從而提高玉米產(chǎn)量，但提高的幅度和變化的趨勢在不同氮肥水平間存在一定差異。在正常氮水平下，玉米產(chǎn)量隨滴灌量的增加而先增后降，在減氮25%條件下則隨灌水量的增加而提高。本文回歸分析表明，玉米籽粒產(chǎn)量(Y1)與氮肥水平(X3)和滴灌量(X4)存在極顯著正相關關系，回歸方程Y1=6981.8+14.469X3+1.036X4-0.0032X3X4(R32=0.9694**)，每增加1 kg純氮或滴灌1 m3水，大約可分別提高14.46 kg·hm-2或1.04 kg·hm-2籽粒產(chǎn)量，且水氮具有一定的替代互補作用。

水氮互作能促進玉米[25]、小麥[27]、水稻[28]等作物對氮素的吸收利用。研究表明，施氮和滴灌在一定的范圍內(nèi)表現(xiàn)出正交互作用，氮肥用量超過一定范圍會產(chǎn)生抑制作用[11, 29]。施氮過量會降低氮肥利用率，浪費資源且?guī)憝h(huán)境負擔[17]，氮肥利用率的提高可以通過減少施氮量來實現(xiàn)。水分是影響氮素吸收和轉運的重要因子，滴灌可以促進氮素的吸收和轉運[30]。本試驗表明，滴灌能提高氮肥的吸收利用率，但滴灌量超出一定的范圍也會對氮素的吸收利用產(chǎn)生抑制作用，尤其在正常氮條件下，氮肥利用率隨滴灌量的增加而先增后降。本試驗減氮條件下，氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥表觀利用率均隨滴灌量增加，處理間差異不顯著，但加上氮肥減施的促進，N180B3處理氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率顯著高于N240B0處理，且N180B3處理的產(chǎn)量與N240B0處理無顯著差異，表明在減氮條件下配以適量滴灌能夠顯著提高氮肥利用率，并且能夠保證玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定。

適當施氮或滴灌能增加玉米葉面積指數(shù)、干物質(zhì)和氮素積累量，改善穗部性狀，從而提高籽粒產(chǎn)量，但過量滴灌也會造成減產(chǎn)，尤其是在正常氮條件下時表現(xiàn)更為明顯。在減氮條件下適量滴灌有利于提高氮肥吸收利用率，充分發(fā)揮水氮協(xié)同和耦合效應，彌補減氮帶來的產(chǎn)量損失。本試驗條件下的水氮最佳組合為施氮180 kg·hm-2(在傳統(tǒng)施氮水平上減氮25%)、滴灌750～1 125 m3·hm-2。