水氮耦合對(duì)制種玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

張永玲，肖 讓，卜一帆，孔維康，冉志為，喬愛霞，劉彥龍

（河西學(xué)院土木工程學(xué)院，河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅 張掖 734000）

0 引言

玉米是我國(guó)主要糧食作物，甘肅省中西部的河西走廊屬于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)建設(shè)開發(fā)區(qū)，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，土壤肥沃、耕地集中、光照充足、氣候干燥、降水量偏低、晝夜溫差較大、地勢(shì)較為平坦及具備機(jī)械化耕作條件，近年來(lái)已成為全國(guó)最大的制種玉米主產(chǎn)區(qū)之一[1]。但跟蹤調(diào)查結(jié)果顯示，由于缺乏科學(xué)的水肥利用參數(shù)，灌溉技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中仍然參照傳統(tǒng)漫灌模式進(jìn)行灌水和施肥，盲目灌溉和過(guò)量施肥現(xiàn)象普遍，作物水肥利用效率較低[2]。國(guó)內(nèi)在制種玉米水肥利用及水或肥某一單一變量對(duì)制種玉米的影響方面已開展了較多研究，但在針對(duì)水氮交互組合模式下的制種玉米產(chǎn)量及利用效率的研究相對(duì)較少，本試驗(yàn)研究不同水氮耦合條件對(duì)制種玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，為建立制種玉米水肥一體化高效灌水施氮方案和水氮資源合理利用提供理論依據(jù)[3-11]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021 年4?9 月在甘肅省張掖市甘州區(qū)園藝場(chǎng)進(jìn)行，地理位置北緯38°32′42"，東經(jīng)100°47′36"，海拔1 474 m，全年日照時(shí)數(shù)3 085 h，無(wú)霜期138～179 d，年平均溫度7.1 °C，年平均降雨量128.7 mm。在整地前對(duì)試驗(yàn)田塊0～30 cm 耕層土壤取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，試驗(yàn)田土壤初始理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil in test site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為水分和施氮量?jī)蓚€(gè)因素的大田試驗(yàn)。將制種玉米生育期按其生長(zhǎng)特點(diǎn)分為5 個(gè)階段：苗期、拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期。土壤水分設(shè)3 個(gè)梯度：W1低水灌溉（土壤含水量為田間持水量的50%～60%）、W2中水灌溉（土壤含水量為田間持水量的60%～70%）和W3高水灌溉（土壤含水量為田間持水量的70%～80%）。施氮量設(shè)3 個(gè)水平：N1低氮（340 kg/hm2）、N2中氮（450 kg/hm2）和N3高氮（560 kg/hm2）。尿素為供試氮肥肥料，磷肥和鉀肥各處理保持同水平，當(dāng)?shù)刂品N玉米的氮肥施用量450 kg/hm2。試驗(yàn)共10 個(gè)處理，3 組重復(fù)，共30 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積36 m2（9 m×4 m），采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，行距50 cm、株距25 cm。灌水方法為膜下滴灌（一膜一管兩行），整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)土壤濕度控制的土層深度為100 cm，水分控制上、下限范圍與區(qū)域?qū)嶋H較為吻合，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 水氮耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Water and nitrogen coupling test design

1.3 農(nóng)藝措施

供試作物為制種玉米，父本∶母本=1∶6（行比），60 cm×40 cm 寬窄行種植模式。各處理中耕、化控措施相同。

1.4 觀測(cè)指標(biāo)及方法

1.4.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

從播種之后的第15 天開始，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5 株無(wú)病害、長(zhǎng)勢(shì)差異較小的玉米植株，隨后將15 d 作為一個(gè)梯度進(jìn)行取樣，取樣之后將其帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。去除植株的根部，其株高用量程為300 cm 的卷尺來(lái)測(cè)定，測(cè)量從莖部的最底端開始直至玉米生長(zhǎng)點(diǎn)的最大距離，記錄5 組數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值即為該試驗(yàn)小區(qū)玉米的平均株高。用0.01 mm 游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)定植株的莖稈直徑，測(cè)定部分選取該株玉米莖稈的上、中、下3 個(gè)高度的莖稈直徑，計(jì)算平均值即為該試驗(yàn)小區(qū)玉米的莖稈直徑。

1.4.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

待玉米成熟后按小區(qū)單獨(dú)收獲，曬干、脫粒并計(jì)產(chǎn)，各處理的實(shí)際產(chǎn)量以3 個(gè)重復(fù)小區(qū)產(chǎn)量的平均值獲得。各小區(qū)隨機(jī)取20 株進(jìn)行室內(nèi)考種，測(cè)定穗徑、穗長(zhǎng)、無(wú)效穗長(zhǎng)、穗行數(shù)和行粒數(shù)等指標(biāo)。穗長(zhǎng)用精度0.1 cm 的刻度尺進(jìn)行測(cè)量；穗粗、禿尖用0.01 mm游標(biāo)卡尺測(cè)量，其中穗徑測(cè)取穗部上、中、下3 個(gè)位置果穗直徑，計(jì)算平均值即為穗徑；穗行數(shù)、穗行數(shù)采用計(jì)數(shù)法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株在不同水氮耦合情況下各小區(qū)產(chǎn)量

不同水氮耦合顯著影響玉米的產(chǎn)量，同一灌溉條件下，隨施氮量的增加，玉米產(chǎn)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明適量增加氮肥施用量，可使玉米產(chǎn)量顯著提高，結(jié)果如表3 所示。

表3 玉米產(chǎn)量結(jié)果Tab.3 Corn yield results

對(duì)表3 結(jié)果分析可知，W3N2處理玉米產(chǎn)量最高，達(dá)0.66 kg/m2；其次是W3N3、W2N3和W1N3，分別為0.62、0.60 和0.58 kg/m2；W1N1處理玉米產(chǎn)量最低，僅為0.52 kg/m2。與CK 處理相比，W3N2、W3N3、W2N3和W1N3分別增產(chǎn)16.10%、10.37%、5.74% 和2.14%，其中W3N2處理增產(chǎn)差異顯著（P<0.05）；W1N1、W3N1、W2N1、W1N2和W2N2分別降低7.90%、6.92%、5.04%、3.76%和1.06%，W1N1、W3N1、W2N1產(chǎn)量降低顯著，W2N2處理產(chǎn)量降低幅度最小。

從灌溉水平來(lái)看，同一施氮水平，不同的灌溉水分顯著影響玉米產(chǎn)量。隨灌溉水分含量的增加，玉米產(chǎn)量顯著增長(zhǎng)，由高到低表現(xiàn)為W3>W2>W1；從施氮水平來(lái)看，同一灌溉水平，隨施氮量的增加，玉米產(chǎn)量顯著增長(zhǎng)，由高到低表現(xiàn)為N3>N2>N1。

2.2 不同處理玉米經(jīng)濟(jì)性狀

玉米果穗經(jīng)濟(jì)性狀如表4 所示。不同水氮耦合下株高最高為W2N3處理，達(dá)122.0 cm；其次為W2N2與W3N2，均為119.6 cm；最后為W3N3處理，為119.3 cm。與CK 處理相比，W1N1、W2N1和W3N1處理株高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，W1N1處理降低程度顯著，達(dá)7.45%，其次為W2N1處理，降低5.27%；除上述3 個(gè)處理之外，其他處理均有所提高，W2N3處理增加最為顯著，達(dá)到10.91%，差異性顯著（P<0.05）。

表4 玉米果穗經(jīng)濟(jì)性狀Tab.4 Economic characters of corn ears

不同水氮耦合下玉米莖粗最大為W1N3處理，為2.38 cm，其次為W3N2、W3N3和W2N3處理，分別達(dá)到2.26、2.23 和2.22 cm；W2N1處理莖粗最小，僅為2.12 cm。與CK 處 理 相 比，W1N3、W3N2、W3N3和W2N3處理莖粗分別增加8.57%、3.36%、1.85%和1.17%；W2N1、W3N1、W1N1、W2N2和W1N2分別降低3.20%、2.85%、1.83%、1.43% 和1.41%，無(wú)差異顯著（P>0.05）。

不同水氮耦合下玉米穗長(zhǎng)表現(xiàn)為W2N3>W3N3>W1N3>W3N2>W2N2>CK>W3N1>W2N1>W1N1，其 中W2N3處理穗長(zhǎng)達(dá)到15.53 cm，W1N1處理穗長(zhǎng)僅為12.30 cm。與CK 處理相比，W1N1、W2N1處理穗長(zhǎng)降低分別為14.29%、7.67%。

不同水氮耦合下玉米穗徑最大為W3N2處理，達(dá)4.32 cm，W1N1處理最小，僅3.63 cm。與CK 處理相比，除W1N1、W2N1處理外，穗徑均表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中W3N2處理增幅最大，達(dá)9.09%，其次為W2N3、W1N2、W1N3、W3N3和W2N2，分別增長(zhǎng)7.83%、7.83%、7.49%、6.01%和6.01%；W1N1、W2N處理分別降低8.45%、3.90%，無(wú)差異顯著（P>0.05）。

不同水氮耦合下玉米穗禿尖的表現(xiàn)形式也不相同，W2N1處理禿尖最長(zhǎng)，達(dá)2.38 cm，其次是W1N1、W3N1，達(dá)到2.22、1.98 cm。與CK 處理相比，W3N2、W2N3和W3N3處理的禿尖表現(xiàn)出縮短趨勢(shì)，其他處理均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中W2N1處理禿尖漲幅達(dá)145.87%，其次為W1N1、W3N1，分別增加129.34%、104.55%，差異顯著（P<0.05）；W3N2處理禿尖降低27.69%，差異顯著（P<0.05），有利于玉米籽粒產(chǎn)量提高。

不同水氮耦合處理下穗行數(shù)的表現(xiàn)形式不一，W2N3>W3N3>W1N3>W3N2>W2N2>CK>W1N2>W3N1>W2N1>W1N1。與CK 處理相比，W2N3、W3N3、W1N3、W3N2和W2N2分別提高8.22%、7.32%、4.81%、0.70%和0.56%，無(wú)差異顯著（P>0.05）；W1N1、W2N1、W3N1和W1N2分別降低14.29%、7.67%、5.92%和0.49%。

不同水氮耦合下行粒數(shù)表現(xiàn)也不同，其中，W3N2處理行粒數(shù)最大，達(dá)22.00，其次為W2N3、W3N3，分別是21.70、20.00，W1N1處理最小，僅為15.40。與CK處理相比，W1N1、W2N1、W3N1、W2N2、W1N3和W1N2處理均表現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別降低21.43%、10.71%、7.14%、2.04%、1.02% 和0.51%；W3N2、W2N3和W3N3分別增長(zhǎng)12.24%、10.71%和2.04%。

3 討論

相較于常規(guī)的農(nóng)田類灌溉，膜下滴灌更能使作物得到相對(duì)高的產(chǎn)量且對(duì)水資源能夠充分利用，這種灌溉種植技術(shù)綜合了滴灌技術(shù)與地膜栽培技術(shù)，屬于可控的灌溉方式，種植時(shí)可根據(jù)作物的生長(zhǎng)周期合理地控制水量，有效采用管道輸水，通過(guò)滴灌全面滲透到玉米根系，從而避免水分過(guò)度蒸發(fā)和流失[12]。本試驗(yàn)處理結(jié)果表明，一膜一管的膜下滴灌方式大幅度提高了水資源利用效率，減少了地面的蒸發(fā)量，作物依然能夠吸收維系在土壤根系層中的主要養(yǎng)分。增強(qiáng)氮肥的吸收效果，在節(jié)約水資源，提高灌溉效率的同時(shí)，顯著增長(zhǎng)玉米產(chǎn)量。

不同水氮耦合往往直接影響玉米的產(chǎn)量，適宜的水氮配比不僅可以使產(chǎn)量最大化，而且能大幅提高水氮的利用效率[13-16]。馬建琴等[17]、張賽等[18]通過(guò)水肥耦合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施肥量和灌水量及其交互作用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響都表現(xiàn)為正效應(yīng)。本試驗(yàn)設(shè)置不同水平的水氮耦合處理，通過(guò)不同水分和氮肥使用量的耦合，顯著影響玉米的產(chǎn)量、生長(zhǎng)狀況。W3N2處理的小區(qū)玉米產(chǎn)量、株高、莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)效果最好，說(shuō)明不同的水氮耦合作用下，高水+中氮耦合對(duì)玉米的生長(zhǎng)效果最好，對(duì)玉米生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用，從而得出較為合理的水氮配比和最佳灌水施氮方案。

研究表明，隨著施氮水平的增加，玉米中氮素積累量呈現(xiàn)單峰曲線變化[19-21]。本試驗(yàn)中，中氮高水且施氮量保持在450 kg/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量最高，在施氮量為340 kg/hm2的W1N1處理下，玉米產(chǎn)量最低，這可能是由于在低氮水平下，氮素缺乏，不能滿足植株生長(zhǎng)需求，導(dǎo)致氮素累積量過(guò)低，而在高氮水平下，葉片生長(zhǎng)比較旺盛，冠層內(nèi)透光率較低，這將直接導(dǎo)致葉片提前衰老，從而阻礙了氮素的積累，致使玉米產(chǎn)量下降[22]。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)研究了在膜下滴灌條件下，不同水氮耦合對(duì)制種玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響。

（1）經(jīng)產(chǎn)量測(cè)定和室內(nèi)考種分析得出，不同水氮耦合下制種玉米果穗長(zhǎng)度、果穗直徑、行粒數(shù)和穗粒數(shù)表現(xiàn)各不相同，灌水量和施氮量均可使制種玉米產(chǎn)量增加，施加一定量的氮肥可減少水分對(duì)制種玉米脅迫的危害，相反，過(guò)量施氮對(duì)制種玉米產(chǎn)量增幅會(huì)產(chǎn)生逆效果。

（2）水分和氮素是影響制種玉米生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收、籽粒產(chǎn)量的重要因素，在作物生育前期葉片、莖作為營(yíng)養(yǎng)器官，生物量大量積累，所以不同生育周期的水氮交互作用對(duì)制種玉米株高和葉面積影響均表現(xiàn)為極顯著性差異，這與前人研究的水氮互作對(duì)玉米的生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響為前期大于后期的結(jié)果類似，可能因?yàn)樯捌跔I(yíng)養(yǎng)器官為生長(zhǎng)中心，光合產(chǎn)物大部分分配給葉片和莖，滿足其生長(zhǎng)需要，但在生育后期同化物的分配產(chǎn)生了變化。

（3）綜合比較不同水氮耦合情況下各區(qū)域產(chǎn)量情況及玉米經(jīng)濟(jì)形狀，建議選擇中氮高水且施氮量為450 kg/hm2的W3N2處理作為膜下滴灌制種玉米的灌水施氮方案，該處理所得效果最佳。