覆膜時期和施氮量對隴東旱塬玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的影響

張建軍，黨翼，趙剛，王磊，樊廷錄，李尚中

覆膜時期和施氮量對隴東旱塬玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的影響

張建軍1.2*，黨翼1，趙剛1，王磊1，樊廷錄1.2，李尚中1

1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；2甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，蘭州 730070

【目的】以抗逆性強(qiáng)的緊湊型玉米品種先玉335為供試作物，研究施氮量、覆膜時期及其互作對隴東旱塬玉米生理指標(biāo)、產(chǎn)量性狀及水氮利用效率的影響，以期為隴東旱塬區(qū)玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。【方法】2012年11月至2019年11月，連續(xù)設(shè)置覆膜時期（春季覆膜和秋季覆膜）和施純N量（0、75、150、225、300、375、450 kg·hm-2）兩因子的長期定位裂區(qū)試驗，分析不同處理玉米生理指標(biāo)、產(chǎn)量性狀及水氮利用效率的變化?！窘Y(jié)果】覆膜結(jié)合合理施氮可提高玉米光合速率和葉片葉綠素相對含量（SPAD值），延長葉片持綠期，有效協(xié)調(diào)源庫關(guān)系，增加穗粒數(shù)和百粒重。年份、施氮量及年份與施氮量互作均極顯著影響玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和百粒重，三者均隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢。黃土旱塬玉米產(chǎn)量在施氮量150—450 kg·hm-2范圍內(nèi)均顯著高于75 kg·hm-2的產(chǎn)量，以施氮量300 kg·hm-2最高，為15 142.5kg·hm-2，與施氮量225 kg·hm-2無顯著差異，顯著高于施氮75 kg·hm-2，施氮量進(jìn)一步增加，增產(chǎn)效應(yīng)逐漸降低，甚至減產(chǎn)。降雨年型及關(guān)鍵生育期降雨量與產(chǎn)量變化關(guān)系密切。尤其是7—9月降水量，特別是7月上旬（玉米抽雄—吐絲期）降雨量及降雨年型對隴東旱塬玉米產(chǎn)量影響較大。年份、覆膜時期、施氮量及年份與施氮量互作也極顯著影響水分利用效率，秋覆膜較春覆膜水分利用效率顯著增加8.6%。與施氮300 kg·hm-2相比，施氮225 kg·hm-2氮肥偏生產(chǎn)力、氮素生理利用效率分別提高28.6%、20.1%，平均氮肥利用率從34.8%提高到35.8%，可實現(xiàn)產(chǎn)量和氮素效率的同步提高?！窘Y(jié)論】覆膜結(jié)合施氮150—225 kg·hm-2可作為隴東旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)較理想的高產(chǎn)高效栽培模式，干旱年份秋覆膜的增產(chǎn)效應(yīng)更突出，生產(chǎn)中建議結(jié)合氣象預(yù)測預(yù)報的降雨年型選擇適宜的施氮量和覆膜時期。

覆膜時期；施氮量；生理指標(biāo)；產(chǎn)量；水分利用效率；氮肥利用率；玉米

0 引言

【研究意義】甘肅黃土旱塬半濕潤易旱區(qū)位于甘肅省東部的慶陽、平?jīng)龅貐^(qū)，因地勢相對平坦和水熱條件較好，是西北旱作玉米主產(chǎn)區(qū)。水資源匱乏和降雨時空錯位、氮肥施用偏多且缺少有效的保水栽培措施是該區(qū)域旱作玉米生產(chǎn)中面臨的主要問題[1]。玉米收獲后到翌年種植一般有長達(dá)5—6個月的休閑期，其間正值北方冬春季節(jié)，多風(fēng)少雨，土壤失墑快，土壤水分不足嚴(yán)重影響玉米生產(chǎn)。雖然旱地季節(jié)性降雨多變不能預(yù)測，但栽培技術(shù)能高效集雨并合理利用[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】光合作用是作物產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)。玉米是C4作物，具有光合效率高的特點[3]。曹玉軍等[4]研究表明，地膜覆蓋能顯著提高春玉米光合勢。王勇等[5]研究認(rèn)為，秋覆膜較春覆膜能有效促進(jìn)玉米生長發(fā)育進(jìn)程，使其植株生長健壯，單株葉面積增加，光合葉面積在全生育期保持較高水平，光能截獲量增加，光能利用效率提高，有利于促進(jìn)光合同化產(chǎn)物的累積。大量研究認(rèn)為，適量增施氮肥可以改善光合能力，提高生育后期葉片光合強(qiáng)度，延長光合葉片持續(xù)期；過量施氮會使作物前期養(yǎng)分過剩而降低光合速率，降低產(chǎn)量和肥料利用率[6-10]。TYAGI等[3]研究認(rèn)為，作物灌漿期間高的葉片葉綠素相對含量（SPAD值）對截獲光能、促進(jìn)光合作用有重要作用，進(jìn)而延長葉片功能期。葛均筑等[11]研究認(rèn)為，地膜覆蓋能提高春玉米光合性能參數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)，并通過產(chǎn)量性能參數(shù)的共效差異補(bǔ)償機(jī)制實現(xiàn)增產(chǎn)。壟作覆膜可通過改變田間微地形，實現(xiàn)集雨并進(jìn)行調(diào)節(jié)和再分配[12]，并協(xié)調(diào)光、熱、水條件，為作物生長營造一個賴以生存的小氣候，有利于促進(jìn)籽粒灌漿而提高產(chǎn)量[13]。張建軍等[14]探討了揭膜時期和施氮量對西北玉米產(chǎn)量的影響。張雷[15]研究發(fā)現(xiàn)，秋季全膜雙壟溝播覆蓋產(chǎn)量較頂凌覆膜、播前覆膜分別增加8.37%和20.66%。Trenton等[16]認(rèn)為合理施氮能提高玉米產(chǎn)量。國內(nèi)外農(nóng)學(xué)家從施氮時期[17]、次數(shù)[18]以及收獲期[19]等方面分析了施氮量對玉米產(chǎn)量的影響。Huang等[20]認(rèn)為在適宜范圍內(nèi)增施氮肥可顯著增加作物產(chǎn)量，超過一定范圍后產(chǎn)量及部分產(chǎn)量構(gòu)成因子呈下降趨勢。氮素是玉米生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素。一些地方為追求高產(chǎn)大量施用化學(xué)肥料，特別是氮（N）肥，施用量高達(dá)3 300 kg·hm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過作物所需[21]。多余的氮素被不斷累積，不僅造成耕地質(zhì)量退化，還通過徑流、滲漏等多種途徑進(jìn)入地表和地下水體，對生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅[22]。世界范圍內(nèi)的玉米氮肥利用率是25%—50%，平均值為33%[23]，中國玉米氮肥利用率＜25%，低于世界平均值，且隨氮肥投入量增加，氮肥利用效率逐漸下降[24]?！颈狙芯壳腥朦c】在“雙減（減肥、減藥）”政策背景下，研究覆膜時期與施氮量及其互作對隴東旱塬區(qū)玉米產(chǎn)量性狀及水氮利用效率的影響，并從生理特性及產(chǎn)量形成角度探討其影響機(jī)制，對化肥減施意義深遠(yuǎn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在隴東旱塬區(qū)以緊湊型玉米品種先玉335為供試材料，探討氮肥投入量、覆膜時期及其互作對玉米生理指標(biāo)、產(chǎn)量及水氮利用效率的影響，旨在明確隴東旱塬區(qū)玉米持續(xù)高產(chǎn)的覆膜時期與適宜施氮量，并從生理指標(biāo)與產(chǎn)量因素角度闡述其影響玉米產(chǎn)量形成機(jī)制，以期為隴東旱塬區(qū)全膜雙壟溝播玉米減氮提質(zhì)增效及可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年11月至2019年11月在甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原縣（35°29′42″N，107°29′36″E）的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北旱作營養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測試驗站進(jìn)行，土壤類型為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。近70年平均降雨量532.5 mm。據(jù)本研究團(tuán)隊測定，該區(qū)域降水量的10%—15%形成徑流流失，60%—65%為無效蒸發(fā)，僅有25%—30%被作物利用，且60%的降水多集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 532 mm，年均氣溫8.3℃，無霜期170 d，海拔1 279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風(fēng)氣候，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 試驗?zāi)攴萁涤炅考敖涤昴晷蛣澐?/h3>

試驗?zāi)攴菁吧诮涤炅咳绫?所示。試驗?zāi)昃涤炅?55.7 mm，生育期平均降雨量398.8 mm。7月份是隴東旱塬玉米抽雄—揚(yáng)花期，此時期降雨量多寡直接影響玉米產(chǎn)量形成。從7月各旬降雨量來看（圖1），2013年和2018年7月上旬、中旬、下旬降雨量均高于近70年對應(yīng)的旬平均降雨量，分別增加105.5%、160.3%、143.2%和219.6%、198.4%、3.4%；2014、2015、2017、2019年7月上旬、中旬、下旬降雨量均低于近70年對應(yīng)旬平均降雨量，分別降低66.2%、100%、93.1%；100%、3.5%、65.0%；42.0%、15.7%、60.8%；74.1.0%、99.1%、20.6%；2016年除7月中旬降雨量較近70年對應(yīng)的旬平均降雨量增加165.1%外，上旬和下旬降雨量均較近70年對應(yīng)的旬平均降雨量減少94.8%和60.6%。依據(jù)試驗?zāi)杲涤炅考?月份上、中、下旬降雨量與近70年年平均降雨量及7月份上、中、下旬降雨量劃分降雨年型：2014年和2015年為平水年，2016年為干旱年，2013、2017、2018和2019年為豐水年。

表1 試驗?zāi)昙吧诮涤炅颗c降雨年型劃分

近70年的年平均降雨量532.5 mm，2013—2019年生育期平均降雨量398.8 mm，按試驗?zāi)昶骄涤炅縼韯澐纸涤昴晷?，增減10%以內(nèi)為“平水年”，減少10%以上為“干旱年”，增加10%以上為“豐水年”

The average annual rainfall in recent 70 years is 532.5 mm, and the average annual rainfall in 2013-2019 growth periods is 398.8 mm. According to the average annual rainfall in the experiment, the rainfall year type is divided into “normal year” with an increase or decrease of 10%, “dry year” with a decrease of more than 10%, and “wet year” with an increase of more than 10%

圖1 試驗?zāi)?月旬降雨量

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為覆膜時期，副處理為氮肥用量。主處理設(shè)秋季地膜覆蓋（休閑期覆膜，一般在10月下旬至11月上旬土壤封凍前）和春季地膜覆蓋（播前覆膜）2種；每個副處理設(shè)6個施氮量和1個不施氮處理，分別為施純N 75 kg·hm-2（T1）、150 kg·hm-2（T2）、225 kg·hm-2（T3）、300 kg·hm-2（T4）、375 kg·hm-2（T5）、450 kg·hm-2（T6）和CK（不施氮肥、覆膜）。小區(qū)面積16.5 m2（3.3 m×5 m），3次重復(fù)，全膜雙壟溝播種植（圖2），地膜為普通黑色聚乙烯膜，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm，供試玉米品種先玉335為耐密植、抗逆性好的豐產(chǎn)品種，密度7.5萬株/hm2。尿素（N 46 %）總用量的50%作基肥，50%作追肥于拔節(jié)期用追肥槍人工穴施；覆膜前施過磷酸鈣（P2O516%）937.5 kg·hm-2，其他田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.4 測定與計算指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤重量含水量、土壤貯水量及耗水量

（1）土壤重量含水量。采用土鉆人工分層取土，烘干稱重法測定。分別在播種和收獲期由地表向下依次取0—200 cm土層水分，每20 cm作為一個取樣層，先稱濕土重，之后在105℃恒溫下烘干12 h后稱干土重，每個處理重復(fù)3次。

1：大壟；2：小壟；3：玉米

土壤重量含水量（%）=（濕土重量-烘干土重量）/烘干土重量×100。

（2）土壤貯水量。運用土壤重量含水量計算土壤貯水量（），計算公式如下：

土壤貯水量（，mm）=×××10。

第二次，金枝成功了，那個婆子領(lǐng)她走，一些攪擾的街道，發(fā)出濁氣的街道，她們走過。金枝好像才明白，這里不是鄉(xiāng)間了，這里只是生疏、隔膜、無情感。一路除了飯館門前的雞、魚和香味，其余她都沒有看見似的，都沒有聽聞似的。

式中，為該土層的土壤容重（g·cm-3），為土層厚度（cm），為土壤重量含水量（%），10為單位換算系數(shù)。

（3）耗水量（ET，mm）=﹢Δ。

式中，為降水量（mm），通過MM-950自動氣象站記錄儀（美國）獲得；為徑流量（mm），為地下水補(bǔ)給量（mm），為深層滲漏量（mm），Δ為生育時期末土壤貯水量與生育時期初土壤貯水量之差（mm）。研究區(qū)域地下水埋深80 m以下，其上移補(bǔ)給可忽略不計；同時試驗田地勢平坦，土壤疏松多孔，無地表徑流產(chǎn)生，所以、、可忽略不計。因此，公式可簡化為ET=Δ。

（4）水分利用效率（WUE，kg·hm-2·mm-1）=/ET。

式中，為含水量14%時玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定 成熟時每小區(qū)按整行逐株取40株。其中，30株脫粒后，采用日本PM-8188-A谷物水分測定儀測定籽粒含水量，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量14%的單位面積（公頃）產(chǎn)量；10株調(diào)查穗行數(shù)、行粒數(shù)，計算穗粒數(shù)，并測定百粒重（含水量14%）。

1.4.3生理指標(biāo)測定

（1）光合速率（n）測定。采用Li-6400光合測定儀，選擇晴朗無陰雨的上午（10：00—12：00）測定凈光合速率。測定時期為玉米抽雄期和灌漿期，測定部位為穗位葉中部上表面，3次重復(fù)。

（2）葉綠素相對含量（SPAD值）測定。玉米拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期，選擇晴朗無陰雨的上午（10：00—12：00），用SPAD分析儀（SPAD-5200）測定玉米功能葉SPAD值，每小區(qū)重復(fù)25次，取其平均值作為一個測定值。

氮素生理利用效率（physiological utilization efficiency of nitrogen，NPE，kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/植株地上部分氮素積累量；

氮素偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor productivity，PFPN，kg·kg-1）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮肥利用率（nitrogen use efficiency，NUE，%）=（施氮處理地上部總吸氮量-不施氮處理地上部總吸氮量）/施氮量×100。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并作圖，SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗采用LSD法。

2 結(jié)果

2.1 不同處理玉米生理指標(biāo)的變化

表2表明，施氮量、施氮量與覆膜時期互作對葉片葉綠素相對含量（SPAD值）影響極顯著。不同覆膜時期各生育時期隨施氮量增加，SPAD值呈先增加后降低趨勢，以施氮400 kg·hm-2葉片SPAD值最高，但與施氮225 kg·hm-2無顯著差異。當(dāng)施氮量低于150 kg·hm-2，隨生育時期推進(jìn)，SPAD值呈逐漸降低趨勢，施氮量高于150 kg·hm-2，隨生育時期推進(jìn)，SPAD呈先增加后降低趨勢。與CK相比，施氮顯著提高了葉片SPAD值，且CK隨生育時期推進(jìn)，SPAD值呈一直降低趨勢。

施氮量對光合速率影響顯著，不同覆膜時期隨施氮量增加，各生育時期光合速率呈先增加后降低趨勢，以施氮400 kg·hm-2光合速率最高，與施氮225 kg·hm-2無顯著差異，且不同覆膜時期隨生育時期推進(jìn)，光合速率呈降低趨勢。與CK相比，施氮顯著提高了葉片光合速率，且CK隨生育時期推進(jìn)，光合速率呈一直降低趨勢。

表2 不同處理玉米生理指標(biāo)變化（2019）

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。下同

Values within the same column followed by different small letters indicated significant difference at 5% level under different treatment. The same as below

2.2 不同處理玉米產(chǎn)量性狀及水分利用效率的變化

連續(xù)7年玉米產(chǎn)量性狀及水分利用效率方差分析表明（表3），年份、施氮量及年份與施氮量互作對玉米產(chǎn)量、百粒重和穗粒數(shù)均存在極顯著影響（＜0.01）；年份、覆膜時期、施氮量及年份與施氮量互作對水分利用效率影響也極顯著（＜0.01）。

秋覆膜玉米平均產(chǎn)量略高于春覆膜，不同年份產(chǎn)量高低與當(dāng)年降雨量及玉米關(guān)鍵生育期（7月份是隴東旱塬玉米抽雄—揚(yáng)花期）降雨量密切相關(guān)。同樣是豐水年的2013、2017、2018和2019年玉米產(chǎn)量變化較大，7月上、中、下旬降雨量分配相對均勻的2013年和2018年顯著高于2017年和2019年，產(chǎn)量增幅25.8%—41.7%；雖然2014年和2015年同為平水年，但2014年7月上旬降雨量為12.3 mm，2015年本旬未降雨，因而2014年較2015年增產(chǎn)7.6%。表明7月上旬降雨量對隴東旱塬玉米產(chǎn)量影響較大。

隨施氮量增加，不同覆膜時期玉米產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢。以施氮量300 kg·hm-2產(chǎn)量最高，為15 142.5 kg·hm-2，顯著高于CK和施氮75 kg·hm-2處理，分別增加90.8%和30.8%；與施氮225 kg·hm-2產(chǎn)量無顯著差異。當(dāng)施氮量從150 kg·hm-2增至450 kg·hm-2，產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)。表明適宜的施氮量有利于提高旱地玉米產(chǎn)量，施氮過多可能會抑制玉米生長發(fā)育，反而降低產(chǎn)量。產(chǎn)量構(gòu)成中百粒重和穗粒數(shù)均表現(xiàn)為隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢。施氮150—300 kg·hm-2，百粒重和穗粒數(shù)無顯著差異，顯著高于施氮75 kg·hm-2和CK，增幅分別為7.5%—13.6%、7.1%—11.8%和17.4%—24.1%、35.6%—41.6%。

表3 不同處理玉米產(chǎn)量性狀及水分利用效率的變化

*和**分別表示在＜0.05和＜0.01水平差異顯著；ns表示不顯著

* and ** indicated significance at＜0.05 and＜0.01; ns indicated no significance

不同覆膜時期水分利用效率隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢。施氮150—450 kg·hm-2水分利用效率無顯著差異，顯著高于施氮75 kg·hm-2，增幅16.1%—22.0%，以施氮300 kg·hm-2最高，為30.8 kg·hm-2·mm-1，與施氮225 kg·hm-2無顯著差異。

因此，根據(jù)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成變化、水分利用效率、減氮增產(chǎn)效應(yīng)綜合評價，認(rèn)為隴東旱塬覆膜玉米適宜施氮量閾值范圍為150—225 kg·hm-2。

2.3 不同處理玉米氮肥利用率變化

表4顯示，施氮量對氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率影響極顯著（＜0.0001），但不同年份變化趨勢有所不同。2018年各覆膜時期氮肥利用率均隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，以施氮300 kg·hm-2最高，秋、春覆膜分別為35.5%和34.4%。施氮225—375 kg·hm-2氮肥利用率無顯著差異，顯著高于75—150 kg·hm-2和450 kg·hm-2。氮肥偏生產(chǎn)力為春覆膜高于秋覆膜，增加6.0%，各覆膜時期氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加呈顯著降低趨勢。氮素生理利用效率覆膜時期以秋覆膜高于春覆膜，相同覆膜時期氮素生理利用效率整體上隨施氮量增加呈降低趨勢，秋、春覆膜均以施氮150 kg·hm-2最高，為118.5 kg·kg-1和124.6 kg·kg-1，與施氮75 kg·hm-2和225 kg·hm-2無顯著差異，與施氮300—450 kg·hm-2存在顯著差異，增幅分別為7.6%—47.4%和3.6%—48.7%。

2019年施氮量與覆膜時期互作對氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率均存在顯著影響。不同覆膜時期氮肥利用率均隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，均以施氮225 kg·hm-2最高，分別為36.3%和35.2%，顯著高于施氮75—150 kg·hm-2和375—450 kg·hm-2，增幅分別為2.8%—77.1%和2.6%—82.4%。氮肥偏生產(chǎn)力秋覆膜高于春覆膜，顯著增加9.3%，且隨施氮量增加呈逐漸降低趨勢。氮素生理效率以秋覆膜顯著高于春覆膜，增加15.0%，氮素生理效率整體上隨施氮量增加呈降低趨勢，秋覆膜施氮75—150 kg·hm-2無顯著差異，顯著高于其他施氮處理，春覆膜施氮75—225 kg·hm-2也無顯著差異，顯著高于其他施氮處理。

表4 不同處理玉米氮肥利用率變化

NUE：氮肥利用率Nitrogen use efficiency；NPFP：氮肥偏生產(chǎn)力Nitrogen partial factor productivity；NPE：氮素生理利用效率Physiological utilization efficiency of nitrogen

3 討論

3.1 覆膜時期和施氮量對旱地玉米生理特性的影響

光合作用是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其功能效率的高低直接影響籽粒產(chǎn)量的高低。保持葉片綠色，可延緩葉片衰老和延長葉片的光合作用時間，從而提高群體光合效率[25]。大量研究認(rèn)為，氮肥虧缺易造成SPAD值降低，導(dǎo)致光能截獲量和光能利用率下降；氮肥過量會加速生育后期葉片衰老，使光合功能期縮短，產(chǎn)量降低[7-8, 26-28]。本研究結(jié)果顯示，施氮量及施氮量與覆膜時期互作極顯著影響葉片葉綠素相對含量（SPAD值），不同覆膜時期各生育期隨施氮量增加，SPAD值呈先升后降趨勢，且CK的SPAD值一直呈降低趨勢。表明優(yōu)化施氮可以提高作物的SPAD值，為提高光合效率奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，本研究還認(rèn)為，與CK相比，增施氮肥能顯著提高玉米葉片光合速率，主要原因是氮素是限制玉米光合作用的關(guān)鍵因子，增施氮肥提高了土壤肥力，使玉米光合作用顯著增強(qiáng)、光合速率提高。但光合速率并非一直隨施氮量增加而增加。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量低于300 kg·hm-2，增加施氮量光合速率呈增加趨勢，施氮量超過300 kg·hm-2對提高光合速率不明顯，甚至降低，且施氮225— 450 kg·hm-2光合速率無顯著差異。表明優(yōu)化氮肥施用量可以提高玉米植株光合性能。本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米從拔節(jié)期進(jìn)入灌漿期，光合速率呈減少趨勢，秋、春覆膜各施氮處理降幅分別為6.6%—32.4%和7.7%—41.2%，可能的原因是隴東旱塬區(qū)玉米生育后期降水相對充足且地溫較高，與長期地膜覆蓋增溫作用疊加，促進(jìn)作物旺盛生長而過度消耗地力，引起玉米生育后期脫水、脫肥，根系及植株的衰老所致[29]。

3.2 覆膜時期和施氮量對旱地玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

科學(xué)精量施氮是目前作物營養(yǎng)研究的熱點。玉米是需氮量較高的作物之一，對氮肥的反映比較敏感，增施氮肥能顯著增加籽粒產(chǎn)量[30]。諸多研究均表明，在農(nóng)民習(xí)慣施氮基礎(chǔ)上合理減少施氮量對玉米氮素需求無影響，仍可保證玉米穩(wěn)產(chǎn)，實現(xiàn)減氮增效[31]，雖然適量增施氮肥可提高作物產(chǎn)量，但過量施氮并未表現(xiàn)出增產(chǎn)效果，反而會使產(chǎn)量下降[32]。羅上軻等[33]認(rèn)為寬膜覆蓋春玉米產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，施氮量240 kg·hm2時產(chǎn)量最高。陳迎迎等[34]認(rèn)為黃土旱塬全膜雙壟溝播覆蓋栽培的合理施氮量為250 kg·hm-2。王勇等[35]在隴東黃土旱塬研究表明，平面秋覆膜較春季播前覆膜玉米產(chǎn)量增加16.1%，并提出適宜的施氮量為180 kg·hm-2。地膜覆蓋的增溫保墑作用，通過促進(jìn)作物生長發(fā)育實現(xiàn)增產(chǎn)[36]。本試驗條件下，施氮極顯著影響玉米產(chǎn)量，以施氮300 kg·hm2產(chǎn)量最高，顯著高于施氮150 kg·hm2，增產(chǎn)9.1%，與施氮225 kg·hm2產(chǎn)量無顯著差異。施氮量75—300 kg·hm2范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，施氮量大于300 kg·hm2，增產(chǎn)幅度變小甚至減產(chǎn)。表明在隴東黃土旱塬全膜雙壟溝播種植條件下，適宜施氮量閾值范圍是150—225 kg·hm2，上述研究結(jié)果與羅上軻等[33]和陳迎迎等[34]的研究結(jié)果類似，原因可能是覆膜通過改變土壤水熱效應(yīng)[37]及與NO3--N在玉米整個生育期出現(xiàn)表聚現(xiàn)象有關(guān)[38]；也可能是覆膜壟作改善了土壤水熱條件促進(jìn)玉米根系對養(yǎng)分吸收，使植株在節(jié)肥條件下達(dá)到增產(chǎn)增效。另外，本研究還認(rèn)為，覆膜時期對產(chǎn)量無顯著影響，可能原因：一是7年研究期間豐水年與平水年和干旱年交替出現(xiàn)（表1），豐水年集蓄的雨水可為平水和干旱年利用，實現(xiàn)秋雨春用、頭年蓄水翌年用，使干旱年和平水年玉米生長仍處于良好的土壤供水環(huán)境，縮小或消除了春、秋覆膜集保水效果差異，減輕了干旱脅迫而增產(chǎn)，因而產(chǎn)量無顯著差異。二是干旱年份秋覆膜對玉米播前表層土壤水分提高幅度顯著高于春覆膜，促使玉米主要耗水階段拔節(jié)前生長較春覆膜旺盛，進(jìn)而使有限的土壤水分部分形成無效蒸發(fā)損失，導(dǎo)致平水年和豐水年播前含水量和耗水量無明顯差異，縮小了水分的增產(chǎn)作用而使最終產(chǎn)量與春覆膜無明顯差異[37,39]。事實上，隴東旱塬60%以上降雨發(fā)生在玉米生育后期的7—9月，特別是本研究執(zhí)行年度平水年和豐水年占到了試驗?zāi)攴莸?5%以上，充沛降水集蓄在土壤，平均了年際間土壤水分和土壤供水能力的差異，減輕了干旱缺水脅迫，減少了年際間玉米長勢差異，因而春秋覆膜增產(chǎn)效應(yīng)逐漸接近。因此，在實際生產(chǎn)中，可采用覆膜種植及依據(jù)氣象預(yù)測預(yù)報的降水年型來選擇適宜的覆膜時期及施氮量，節(jié)本的同時減輕過量施氮對環(huán)境的影響。

玉米產(chǎn)量決定于庫容量的大小，是由穗粒數(shù)和百粒重共同決定的。優(yōu)化協(xié)調(diào)產(chǎn)量性能參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)量性能參數(shù)間的相互超補(bǔ)償作用，充分發(fā)揮產(chǎn)量性能參數(shù)的共效差異補(bǔ)償機(jī)制是形成高產(chǎn)的重要途徑之一[11]。作物產(chǎn)量的形成對氮素需求具有一定范圍[40]。本試驗條件下，年份、覆膜時期、施氮量及年份與施氮量互作對穗粒數(shù)和百粒重均存在極顯著影響，且百粒重和穗粒數(shù)均隨施氮量增加呈先增后降趨勢，施氮150—300 kg·hm-2，百粒重和穗粒數(shù)顯著高于75 kg·hm-2，增幅為7.5%—13.6%。

3.3 覆膜時期和施氮量對旱地玉米水分利用效率的影響

水分利用效率是作物對土壤水分利用高低的重要衡量指標(biāo)。研究表明，覆膜時期的差異對土壤含水量影響很大，與不覆膜相比，秋覆膜對春玉米播前表層水分提高幅度顯著高于春覆膜，但隨土層深度加深，各處理間差異逐漸變小[39]。覆膜時間越早，水分利用效率越高（秋覆膜＞頂凌覆膜＞春覆膜）[41]。地膜覆蓋結(jié)合合理施肥技術(shù)可以培肥地力，提高土壤水分保蓄能力和植株對土壤水分的利用效率，有效減少干旱對玉米產(chǎn)量造成的損失，從而提高了旱地玉米水分利用效率[42]。本研究認(rèn)為：年份、覆膜時期、施氮量及施氮量與年份互作對水分利用效率影響極顯著，秋覆膜較春覆膜水分利用效率顯著提高8.6%。降雨年型以干旱年水分利用效率高于豐水年和平水年，說明降雨年型及關(guān)鍵生育時期降雨量對隴東旱塬玉米水分利用效率存在明顯影響。不同覆膜時期施氮量均顯著影響水分利用效率，水分利用效率隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，以施氮300 kg·hm2最高，為30.8 kg·hm-2·mm-1，顯著高于施氮75 kg·hm2和CK，分別提高22.2%和68.3%。

3.4 覆膜時期和施氮量對旱地玉米氮肥利用效率的影響

李偉等[43]認(rèn)為過量施氮造成氮肥利用效率降低。趙士誠等[44]對夏玉米研究表明，施氮量從168 kg·hm-2增加至240 kg·hm-2，氮肥利用率從31.5%降低至24.7%，氮肥偏生產(chǎn)力降低28.1%。吳永成等[45]認(rèn)為黃土高原旱地玉米氮肥利用效率低下的主要原因是根系分布淺，氮素淋洗下滲嚴(yán)重形成的。本研究結(jié)果顯示：施氮量對氮肥利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率均存在極顯著影響，年際間氮肥利用率隨施氮量增加呈先增后降變化趨勢，當(dāng)施氮量低于300 kg·hm-2，氮肥利用率隨施氮量增加呈增加趨勢，施氮量超過300 kg·hm-2，氮肥利用率隨施氮量增加呈降低趨勢。原因可能是覆膜后土壤水熱互作正效應(yīng)增強(qiáng)[37]，促使玉米根系生長、下扎和深層分布，汲取氮素能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了氮肥的利用效率；也可能與年際間玉米產(chǎn)量差異有關(guān)。而關(guān)于覆膜時期與施氮量如何改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，及覆膜時期與施氮量對玉米根系的影響有待于進(jìn)一步研究。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同覆膜時期氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率均隨施氮量增加呈逐漸降低趨勢，施氮量從300 kg·hm-2降低至225 kg·hm-2，玉米產(chǎn)量減少3.0%，氮肥利用效率平均降低1.5%，氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率分別提高28.6%和20.1%。

4 結(jié)論

覆膜結(jié)合科學(xué)精量施氮可增加玉米葉片光合速率和SPAD值，增加穗粒數(shù)和百粒重。施氮量極顯著影響產(chǎn)量，施氮75—300 kg·hm2范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，超過300 kg·hm2，產(chǎn)量呈降低趨勢，甚至減產(chǎn)。氮肥利用率表現(xiàn)為與產(chǎn)量變化相同的趨勢，而氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用效率均隨施氮量增加呈逐漸降低趨勢，即適當(dāng)降低施氮量可實現(xiàn)產(chǎn)量和氮素效率的協(xié)同提高。年際間產(chǎn)量變化與降雨年型及玉米生育后期7—9月份的降雨量密切相關(guān)，尤其是7月上旬降雨量及降雨年型對玉米產(chǎn)量影響較大。因此，綜合考慮生理指標(biāo)、產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素、水氮效率及減氮增產(chǎn)效應(yīng)，認(rèn)為覆膜結(jié)合施氮150—225 kg·hm-2為隴東旱塬最佳栽培模式。建議生產(chǎn)中結(jié)合氣象預(yù)測預(yù)報的降雨年型選擇適宜施氮量及覆膜時期。

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Influences of Mulching Periods and Nitrogen Application Rates on Maize Yield as well as Water and Nitrogen Use Efficiencies in Loess Plateau of Eastern Gansu Province

ZHANG JianJun1, 2*, DANG Yi1, ZHAO Gang1, WANG Lei1, FAN TingLu1, 2, LI ShangZhong1

1Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2Key Laboratory of Efficiency Water Utilization of Dryland Farming of Gansu Province, Lanzhou 730070

【Objective】To optimize the agricultural practice in supporting high production and high efficiency of spring maize cultivation in dryland region of eastern Gansu province, the effects of film mulching periods and nitrogen (N) application rates on maize physiology, yield, and water use efficiency (WUE) and N use efficiency (NUE) were investigated in this study.【Method】Using a compact maize variety (xianyu 335) with high stress resistance as tested crop, a two-factorial experiment with split-plot design was established from 2012 to 2019, which consisted of two treatments of mulching period (spring and autumn mulching) and seven rates of N application (0, 75, 150, 225, 300, 375, 450 kg N·hm-2), and the physiological characteristics, yield variables, and water and N use efficiencies of maize plants under different treatments were measured annually. 【Result】Film mulching and moderate rates of N addition increased the photosynthetic rate and the relative content of leaf chlorophyll (SPAD value), extended the green duration of leaves, efficiently balanced the source-sink relationship, and improved the grain number per spike and 100-grain weight. The yield, grain number per spike and 100-grain weight of maize were significantly affected by years, N application rate and their interactions, and all these variables showed similar trends of inverted U-shaped curves with the increasing of N application rates. Maize yields under the treatments with N addition of 150-450 kg N·hm-2were significantly higher than that of 75 kg N·hm-2, with a peak (15 142.5 kg·hm-2) occurring under the treatment with N addition of 300 kg N·hm-2. The yields did not differ significantly between treatments with N addition of 225 kg and 300 kg N·hm-2, whereas maize yield would not increase or even decline when N inputs were beyond the rate of 300 kg N·hm-2. Maize yield was highly dependent on the annual rainfall pattern and the amounts of precipitation in key growth periods, of which the rainfall amount from July to September, especially in early July (tasseling-silking stage of maize), as well as the type of rainfall year type were especially important in determining maize yield. Furthermore, experimental year, film mulching period, nitrogen application rate and the interaction between experimental year and nitrogen application rate also significantly affected WUE. WUE under autumn film mulching was 8.6% higher than that under spring film mulching. The N partial factor productivity and NUE under treatment of 225 kg N·hm-2were increased by 28.6% and 20.1% than that under 300 kg N·hm-2, respectively. Moreover, the average NUE was increased from 34.8% under treatment of 300 kg N·hm-2to 35.8% under 225 kg N·hm-2. In other words, 225 kg N·hm-2could realize the simultaneous increases in maize yield and N use efficiency.【Conclusion】These results suggested that film mulching and nitrogen application of 150-225 kg·hm-2could be used as efficient models for maize cultivation, especially with autumn film mulching in the dry years. Farmers should choose the appropriate mulching practice and N appliction rates according to the weather forecast in annual rainfall types.

mulching period; nitrogen amount; physiological index; yield; water use efficiency; nitrogen use efficiency;

2021-04-09；

2021-07-05

國家自然科學(xué)基金（41561067,31860131）、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院列重點研發(fā)計劃（2019GAAS28）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS02-55）

張建軍，E-mail：hnszhjj@163.com

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）