不同水氮條件下壟膜溝灌玉米的產(chǎn)量及水分利用效應

張立勤 楊思存 崔云玲 王成寶

摘要：為明確灌水和施氮對甘肅河西走廊地區(qū)壟膜溝灌玉米產(chǎn)量的影響，通過裂區(qū)試驗，研究了不同施氮量和灌溉定額下壟膜溝灌玉米的產(chǎn)量及水分利用效果，結果表明，施氮、灌水以及二者之間的交互作用對玉米產(chǎn)量均有重要影響。灌溉定額從3 600 m3/hm2增加到4 500 m3/hm2和在0～300 kg/hm2范圍內(nèi)增施氮肥，玉米穗粒數(shù)、千粒重增加、增產(chǎn)顯著。增加灌水和減少施氮，玉米水分利用效率降低。其中施N 300 kg/hm2、灌水定額為4 500 m3/hm2處理的玉米產(chǎn)量及水分利用效率相對較高，與最高產(chǎn)量處理施N 300 kg/hm2、灌水定額為5 400 m3/hm2相比，僅減產(chǎn)0.17%，減產(chǎn)差異不顯著，且水分利用效率較施N 300 kg/hm2、灌水定額為5 400 m3/hm2處理提高了11.45%，節(jié)水900 m3/hm2。在河西走廊壟膜溝灌栽培條件下，可選擇施N 300 kg/hm2和灌水4 500 m3/hm2為玉米的適宜氮肥用量和灌溉定額。玉米獲得15 000 kg/hm2以上高產(chǎn)的適宜施氮量為180～390 kg/hm2，灌溉定額3 720～5 100 m3/hm2。

關鍵詞：玉米;壟膜溝灌;施氮量;灌溉定額;水氮耦合;水分利用效率

中圖分類號：S513; S275; S147.2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2021）11-0034-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.11.008

Yield and Water Utilization Effects of Corn Cultivated by Raised Bed Plastic Film Mulching and Furrow Irrigation under Different

Water and Nitrogen Conditions

ZHANG Liqin， YANG Sicun， CUI Yunling， WANG Chengbao

（Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Science， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：In order to determine the effects of irrigation and nitrogen application on the yield of corn under ridge film furrow irrigation in Hexi Corridor of Gansu Province， the yield and water use effect of corn under ridge film furrow irrigation under different nitrogen application rate and irrigation quota were studied by split plot test. The results showed that nitrogen application， irrigation and the interaction between water and nitrogen had important effects on corn yield. When the irrigation quota increased from 3 600 m3/hm2 to 4 500 m3/hm2 and the application of nitrogen fertilizer increased in the range of 0～300 kg/hm2， the number of grains per ears of corn and 1000-grain weight also increased， and yield increased significantly. Increasing irrigation quota and reducing nitrogen application，water use efficiency of corn decreased. The yield and water use efficiency of corn treated with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 4 500 m3/hm2 were relatively higher， and the yield reduction was only 0.17% compared with that of the highest yield treated with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 5 400 m3/hm2， with no significant difference in yield reduction. Compared with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 5 400 m3/hm2， WUE increased by 11.45%， water saving 900 m3/hm2. Under the conditions of cultivation of raised bed covered with plastic film and furrow irrigation in the Hexi Corridor， 300 kg/hm2 and 4 500 m3/hm2 can be selected as the suitable nitrogen application rate and irrigation quota for corn. To obtain yield above? ? ? 15 000 kg/hm2 for corn， the suitable nitrogen application and irrigation quota ranges are 180～390 kg/hm2 and? ? 3 720～5 100 m3/hm2 respectively.

Key words：Corn;Raised bed covered with plastic film and furrow irrigation;Amount of nitrogen applied;Irrigation norm;Water coupling with nitrogen;Water use efficiency

實施水、氮科學管理是實現(xiàn)玉米產(chǎn)量提高、協(xié)同資源高效利用的重要途徑[1 ]。高亞軍等[2 ]研究表明，缺水和干旱脅迫會導致玉米減產(chǎn);前人的研究顯示，增加灌水量和增施氮肥均可促使玉米增產(chǎn)，并且水、氮之間存在明顯的交互作用，輕度水分脅迫下適當提高氮肥用量，有利于提高玉米產(chǎn)量，較高的土壤水分可以利用更多的有效氮[3 - 6 ]。楊蕊菊等[7 ]研究指出，水分不足影響氮肥肥效發(fā)揮，水分過多會導致氮素淋溶和作物減產(chǎn)。河西走廊是我國玉米高產(chǎn)區(qū)[8 ]，玉米也是該區(qū)重要的糧食作物，其產(chǎn)量水平對區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收至關重要。為追求高產(chǎn)，當?shù)赜衩咨a(chǎn)中一直沿用高水高肥灌水施肥模式[9 ]，水肥利用效率不高，浪費嚴重，不僅加劇了區(qū)內(nèi)原有的缺水危機，也加大了氮素淋溶風險，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全形成潛在威脅。玉米壟膜溝灌栽培技術是針對河西走廊缺水危機發(fā)展起來的一項節(jié)水效果顯著、應用前景廣闊的創(chuàng)新技術[10 - 11 ]，但與之相關的水肥管理研究較少，加之已有研究成果的異地適用性有限，對其應用的具體指導性不強，生產(chǎn)中水、氮應用主要參照傳統(tǒng)漫灌模式進行，致使技術優(yōu)勢不能發(fā)揮，在很大程度上影響了玉米生產(chǎn)效益。為此，我們研究了不同施氮量和灌水定額對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，旨在確定壟膜溝灌玉米在高產(chǎn)條件下的適宜灌水量和施氮范圍，以期為創(chuàng)建節(jié)水減肥、環(huán)境友好的水氮協(xié)同管理模式提供科學依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗區(qū)概況

試驗于2016年4 — 9月在甘肅省高臺縣黑泉鄉(xiāng)定平村進行。試驗地地理位置為99° 39′ 35″ E、39° 27′ 59″ N，當?shù)睾０? 331 m，多年平均降水量103.2 mm，蒸發(fā)量? ? 1 923.4 mm，無霜期149 d。地下水埋深43 m，年變幅1.0 m左右。試驗于4月20日播種，9月25日收獲，期間降水量42.3 mm，其中≥5mm的有效降水量22.2 mm。試驗地耕層（0～20 cm）土壤含速效氮69.03 mg/kg、速效磷31.40 mg/kg、速效鉀233.50 mg/kg、全鹽0.65 g/kg，pH 8.56。

1.2? ?試驗材料

供試氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（含P2O5 46%），鉀肥為農(nóng)用硫酸鉀（含K2O 51%）。指示玉米品種為武科2號。

1.3? ?試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為施氮量，設4個水平，分別為N1，施N 0 kg/hm2;N2，施N 150 kg/hm2;N3，施N 300 kg/hm2;N4， 施N 450 kg/hm2。副區(qū)為灌溉定額，設3個水平，分別為W1，灌溉定額為3 600 m3/hm2;W2，灌溉定額為4 500 m3/hm2;W3，灌溉定額為5 400 m3/hm2。試驗共設12個處理，試驗小區(qū)順序排列，3次重復，共36個小區(qū)，小區(qū)面積24 m2（4 m×6 m）。小區(qū)之間打地埂寬50 cm。采用壟膜溝灌栽培方式，壟幅 100 cm，壟寬60 cm，溝寬40 cm，壟高20 cm，用幅寬140 cm地膜覆蓋壟面和壟溝。壟面種植2行玉米，行距50 cm，株距24 cm。氮肥30%做底肥，其余40%和30%分別于大喇叭口和抽雄后隨水追施。各處理磷、鉀肥施用量相同，播種前一次性基施P2O5 120 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。玉米全生育期灌水4次，分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄后、灌漿中期進行，各次灌溉定額分別占灌溉定額的20%、30%、30%、20%。用水表控制水量。

1.4? ?測定項目與方法

1.4.1? ?土壤含水量? ?播種前、收獲后及每次灌水前采用烘干法結合中子儀測定0～120 cm土層土壤含水量，其中0～20 cm土層采用烘干法測定，20～120 cm土層用中子儀測定，測定土層依次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm。

1.4.2? ?作物生育期耗水量及水分利用效率

作物生育期耗水量根據(jù)田間水分平衡方程式ET=P+I+G±△W計算，式中ET為玉米生育期耗水量（mm）;P為播種至收獲期有效降水量（mm）;I為生育期灌水量（mm）;G為作物利用地下水量（mm）， 由于試驗地地下水埋深20 m以上，因此取G=0;△W為播種至收獲期0～120 cm土層土壤貯水量的變化（mm），具體按公式△W=（播種前體積含水量-收獲后體積含水量）×1 200 mm計算。

水分利用效率：WUE=Y/ET，式中Y為作物籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），ET為玉米生育期耗水量（mm）[12 - 15 ]。

1.4.3? ?計產(chǎn)和考種? ?收獲前各試驗小區(qū)分別連續(xù)取樣10株進行常規(guī)考種，去除邊壟，分小區(qū)收獲計產(chǎn)。

1.5? ?數(shù)據(jù)處理

用DPS軟件和Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理及相關分析。

2? ?結果與分析

2.1? ?施氮量和灌溉定額對玉米產(chǎn)量及構成因素的影響

2.1.1? ?施氮量對玉米產(chǎn)量的影響? ?從表1可以看出，增施氮肥對玉米產(chǎn)量影響較大，施氮量從N1增大到N3時玉米增產(chǎn)極顯著，在N3水平產(chǎn)量最高，分別比N1水平和N2水平增產(chǎn)35.52%、10.60%;超過N3水平繼續(xù)增施氮肥至N4水平時，玉米產(chǎn)量不再增加，產(chǎn)量呈下降趨勢，但與N3水平之間的差異不顯著。以上結果表明，在一定范圍內(nèi)適度增施氮肥有利于玉米增產(chǎn)，過量施氮對增產(chǎn)不利，反而會增加生產(chǎn)成本，降低種植效益。因此，可選擇N3水平施氮，即300 kg/hm2為壟膜溝灌條件下玉米栽培的氮肥適宜施用量。

2.1.2? ?灌溉定額對玉米產(chǎn)量的影響? ?隨灌溉定額的增加，玉米產(chǎn)量持續(xù)增加（表2），在W3水平下產(chǎn)量最高，但在不同范圍內(nèi)，增加灌溉定額對產(chǎn)量的作用并不相同。當灌溉水平從W1水平增加到W2水平時，玉米產(chǎn)量極顯著增加;當灌溉定額高于W2水平繼續(xù)增加時，盡管玉米產(chǎn)量仍呈增加趨勢，但增產(chǎn)效果不再顯著。表明在玉米生產(chǎn)中并不是灌水越多越好，過量灌溉對提高玉米種植效益意義不大。在壟膜溝灌栽培條件下，玉米的適宜灌溉水平為W2，即灌溉定額為4 500 m3/hm2。

2.1.3? ?不同水氮條件對玉米的產(chǎn)量表現(xiàn)及產(chǎn)量構成因素的影響? ?從表3可以看出，施氮量與灌溉定額之間存在明顯的互作效應，說明施氮、灌溉定額及水氮互作對玉米的產(chǎn)量都有重要影響。在以上因素的共同作用下，處理N3W3產(chǎn)量最高，比其他處理增產(chǎn)0.17%～49.14%，與處理N3W2和N4W3之間的產(chǎn)量差異不顯著，但與其他處理之間的產(chǎn)量差異均達顯著水平;其次為N3W2處理，產(chǎn)量略低于處理N3W3，但兩者差異不顯著，比其他處理增產(chǎn)3.45%～48.89%。

分析水、氮因素對玉米產(chǎn)量構成因素的影響可以看出，適度增施氮肥有利于增加玉米的穗粒數(shù)，在N3水平下穗粒數(shù)最高，分別比N1、N2、N4水平下增加161.2、62.1、20.3粒，繼續(xù)增施氮肥至N4水平時穗粒數(shù)不再增加。在一定的施氮范圍內(nèi)增加灌溉定額，玉米穗粒數(shù)也隨之增加。N3水平下玉米千粒重顯著高于N2水平和N1水平，較N2水平和N1水平分別增加11.7、29.4 g，但與N4水平差異不顯著。在一定的施氮范圍內(nèi)隨灌溉定額增加，玉米千粒重也呈增加趨勢，W3水平下千粒重顯著高于W1水平，但與W2水平之間的差異不顯著。綜上可以看出，N3W3處理之所以玉米折合產(chǎn)量最高，是因為其穗粒數(shù)和千粒重均高于其他處理。產(chǎn)量居第2位、第3位的N3W2處理和N4W3處理，其穗粒數(shù)和千粒重也相對較高，因而表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量水平。

2.2? ?不同水氮條件對玉米水分利用的影響

隨施氮量增加，玉米水分利用效率呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢（表4）。施氮量從N1水平增大到N3水平時，水分利用效率顯著增加，在N3水平下達最大值，分別比N2水平、N1水平增加7.43%、31.17%。繼續(xù)增施氮肥達N4水平時，水分對玉米產(chǎn)量的貢獻力下降，水分利用效率不再增加，反呈下降趨勢。增加灌溉定額盡管可促進玉米增產(chǎn)，但與此同時耗水量也顯著增大，加之水分對產(chǎn)量的促進作用有限，因此水分利用效率下降。在水氮因素的共同作用下，N3W2處理的水分利用效率雖然低于N4W1處理、N3W1處理和N2W1處理等低灌溉定額處理，與N4W1處理差異顯著，但與N3W1處理和N2W1處理之間的差異均不顯著，且高于其他處理，水分利用效率比其他處理提高3.25%～59.55%。

2.3? ?壟膜溝灌玉米水氮耦合效應方程及協(xié)同管理模式

對玉米折合產(chǎn)量、施氮量和灌溉定額等數(shù)據(jù)通過公式xi=（Ai-K）/R（式中：xi 為中心標準化的數(shù)據(jù)，Ai為實際的指標值或觀測值，K為中位數(shù)，R為極差）進行中心標準化處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行回歸分析，結果表明，施氮量、灌溉定額和折合產(chǎn)量之間可通過回歸方程Y=0.70 813X1+0.18 686X2- 1.21 912X12-0.20 426X22+0.35 062X1X2+0.13 312進行擬合（P=0.00 237，R2=0.86 563），其中Y為玉米折合產(chǎn)量，X1為施氮量，X2為灌溉定額。由于方程P值<0.01，表明擬合效果極其顯著。對以上回歸方程進行尋優(yōu)，結果表明，施氮量為407.85 kg/hm2，灌溉定額為5 951.1 m3/hm2時，玉米產(chǎn)量可達16 551.0 kg/hm2。由玉米產(chǎn)量的水氮交互效應（圖1）可以看出，施氮量為180～390 kg/hm2、灌溉定額在3 720～5 100 m3/hm2變化時，壟膜溝灌玉米可獲得15 000 kg/hm2以上的高產(chǎn)，盡管在390 kg/hm2基礎上繼續(xù)增施氮肥、或在5 100 m3/hm2的基礎上提高灌溉定額，也可獲得15 000 kg/hm2以上的產(chǎn)量，但若氮肥超過300 kg/hm2再繼續(xù)增加時，玉米產(chǎn)量呈下降趨勢，與此同時，生產(chǎn)成本增加。灌溉定額高于4 500 m3/hm2再繼續(xù)增加時，增產(chǎn)效果不再顯著。綜上所述，壟膜溝灌玉米適宜的施氮量為180～390 kg/hm2、灌溉定額為3 720～5 100 m3/hm2，在適宜的施氮量和灌溉定額條件下，玉米可獲得15 000 kg/hm2以上的高產(chǎn)，水肥利用效果也相對優(yōu)化。

3? ?結論與討論

在甘肅河西走廊地區(qū)采用裂區(qū)試驗方法，研究了不同施氮量和灌溉定額對壟膜溝灌玉米的產(chǎn)量及水分利用效果的影響。結果表明，施氮和灌水以及二者之間的互作效應對壟膜溝灌玉米產(chǎn)量均有重要影響。在0～300 kg/hm2范圍內(nèi)增施氮肥，有利于增加玉米穗粒數(shù)和千粒重，提高產(chǎn)量和水分利用效率。增加灌溉定額，玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均呈增加趨勢，當灌溉定額從3 600 m3/hm2增加到4 500 m3/hm2時玉米顯著增產(chǎn)，但灌溉定額高于4 500 m3/hm2再繼續(xù)增加時增產(chǎn)效果不再顯著。并且隨著灌溉定額的增加，水分對產(chǎn)量的貢獻力下降，玉米水分利用效率降低。對不同處理玉米產(chǎn)量及水氮利用效果綜合比較分析可以看出，施N 300 kg/hm2、灌溉定額為4 500 m3/hm2的處理與最高產(chǎn)量處理施N 300 kg/hm2、灌溉定額為5 400 m3/hm2相比，雖減產(chǎn)0.17%，但差異不顯著，且水分利用效率較施N 300 kg/hm2、灌溉定額為5 400 m3/hm2處理提高了11.45%，節(jié)水900 m3/hm2;比其他處理增產(chǎn)3.45%～48.89%。施氮量、灌溉定額和玉米產(chǎn)量之間可通過回歸方程Y=0.70 813X1+ 0.18 686X2-1.21 912X12-0.20 426X22+0.35 062

X1X2 + 0.13 312進行擬合（P = 0.00 237，R2= 0.86 563，其中Y為產(chǎn)量，X1為施氮量，X2為灌水定額）且擬合效果極其顯著，對以上方程尋優(yōu)得出，壟膜溝灌條件下，玉米獲得15 000 kg/hm2以上高產(chǎn)的適宜施氮范圍為180～390 kg/hm2，適宜的灌溉定額范圍為? ?3 720～5 100 m3/hm2。

干旱缺水嚴重，水分供需矛盾突出一直是制約河西走廊農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵因素。土壤氮素是影響該區(qū)玉米生長的主要養(yǎng)分因? ? ?子[9 ]。進行水、肥耦合研究，是實現(xiàn)節(jié)水減肥、發(fā)展高效、生態(tài)農(nóng)業(yè)的基礎。圍繞水、氮因素對玉米產(chǎn)量的作用效果，國內(nèi)外已開展大量研究，但受環(huán)境條件、栽培模式、灌水技術等諸多因素的影響，玉米產(chǎn)量對水氮耦合的響應也不盡相同。郭丙玉等[1 ]研究表明，灌水和施氮均可顯著增加玉米產(chǎn)量，在0～435 kg/hm2范圍內(nèi)，灌溉水分生產(chǎn)率隨施氮量升高而增加，隨灌水量增加而明顯下降。任中生等[16 ]研究認為，在施氮區(qū)間為0～262.5 kg/hm2時，玉米水分利用效率隨施氮量的增加而升高。而本試驗結果表明，在一定范圍內(nèi)增施氮肥和增加灌水，玉米增產(chǎn)顯著，當施氮量高于300 kg/hm2、灌溉定額超過4 500 m3/hm2繼續(xù)增施氮肥和增加灌水，玉米增產(chǎn)效果不明顯。在0～300 kg/hm2范圍內(nèi)增施氮肥，玉米水分利用效率提高，主要是由于增產(chǎn)所致，增加灌水，盡管也有利于玉米增產(chǎn)，但耗水量也隨之增大，水分對產(chǎn)量的貢獻力下降，玉米水分利用下降。以上結果與石多琴[17 ]試驗結果相一致。尚文彬等[18 ]研究提出，黑龍江西部地區(qū)膜下滴灌玉米的最佳灌水量為400 m3/hm2，施氮量為250 kg/hm2。張鵬等[9 ]研究顯示，武威地區(qū)冬灌后春玉米在苗期不灌水，施氮量為180 kg/hm2時既可保持豐產(chǎn)，也能提高水分利用效率。劉小剛等[6 ]研究指出，石羊河流域武威綠洲漫灌春玉米水氮耦合模式為施氮量300 kg/hm2、灌水量340 mm，該模式既可節(jié)水增產(chǎn)，又可發(fā)揮氮肥最佳效應。李成等[19 ]研究提出適宜河套地區(qū)推廣的壟膜溝灌春玉米水肥模式為灌水300 mm、施磷酸二銨300 kg/hm2、施尿素150 kg/hm2。試驗結果表明，河西走廊壟膜溝灌栽培玉米的適宜施氮量為300 kg/hm2、灌溉定額為4 500 m3/hm2，獲得15 000 kg/hm2以上高產(chǎn)的適宜施氮量為180～390 kg/hm2，適宜的灌溉定額為3 720～5 100 m3/hm2。試驗僅研究了灌水和施氮量變化對玉米產(chǎn)量的作用效果，沒有考慮磷素、鉀素變化的影響，以及氮肥運籌和灌水分配對玉米生長的具體響應，相關研究仍有待下一步深入。

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[19] 李? ?成，馮? ?浩，董勤各.? 灌溉施肥對河套灌區(qū)壟膜溝灌春玉米土壤水熱運移的影響[J].? 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2019，37（2）：44-51.

（本文責編：鄭立龍）

收稿日期：2021 - 09 - 11

基金項目：世界銀行貸款可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)項目（GS00Z13002）。

作者簡介：張立勤（1970 — ），男，甘肅張掖人，研究員，主要從事作物栽培和水肥資源高效利用研究工作。Email：lqzhang1993@163.com。