綠洲灌區(qū)密植減量施氮玉米的水分利用特征

焦智輝，陳桂平，范虹，張金丹，殷文，李含婷，王琦明，胡發(fā)龍，柴強

綠洲灌區(qū)密植減量施氮玉米的水分利用特征

焦智輝，陳桂平，范虹，張金丹，殷文，李含婷，王琦明，胡發(fā)龍，柴強

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室，蘭州 730070

【目的】針對干旱灌區(qū)水資源有限、玉米生產(chǎn)氮肥投入過高、水分利用效率（WUE）低等問題，探討密植補償減量施氮對玉米水分利用效率負(fù)效應(yīng)的可行性，為建立玉米節(jié)氮、水分高效利用技術(shù)提供理論依據(jù)?！痉椒ā坑?019—2022年在甘肅武威設(shè)置裂區(qū)試驗，主區(qū)設(shè)減量施氮（N1，270 kg·hm-2）和傳統(tǒng)施氮（N2，360 kg·hm-2）兩個水平，裂區(qū)設(shè)傳統(tǒng)密度（M1，78 000株/hm2）、中密度（M2，103 500株/hm2）和高密度（M3，129 000株/hm2）3個水平，N2M1為對照，重點研究施氮、種植密度及兩者互作對玉米耗水特性、水分利用效率的影響?！窘Y(jié)果】試驗?zāi)甓葍?nèi)，減量施氮較傳統(tǒng)施氮處理耗水量降低4.7%，高、中密度較傳統(tǒng)密度處理耗水量分別增大8.4%、4.2%，減量施氮與中密度組合（N1M2）與對照相比耗水量無顯著差異。玉米籽粒產(chǎn)量隨施氮量的減少而降低，中密度較高密度、傳統(tǒng)密度顯著提高了籽粒產(chǎn)量，減量施氮與中密度組合較對照提高了籽粒產(chǎn)量。減量施氮較傳統(tǒng)施氮處理籽粒產(chǎn)量降低了4.6%，中密度較高密度、傳統(tǒng)密度處理籽粒產(chǎn)量分別提高5.6%、8.2%，N1M2較N2M1籽粒產(chǎn)量提高4.3%。減量施氮降低了灌溉水分利用效率（IWUE），但能夠保持與傳統(tǒng)施氮相同的WUE；中密度有利于提高玉米IWUE和WUE，補償減量施氮導(dǎo)致的水分利用效率下降。4年內(nèi)，減量施氮使玉米IWUE降低4.5%，但WUE未顯著下降；中密度較傳統(tǒng)密度、高密度處理的IWUE分別提高8.6%、6.4%，WUE分別提高4.5%、10.1%；中密度對減量施氮IWUE和WUE的補償效應(yīng)分別為4.3%和5.2%?！窘Y(jié)論】在干旱灌區(qū)，玉米全生育期施氮270 kg·hm-2、密度103 500株/hm2較現(xiàn)有水氮管理水平提高了產(chǎn)量和水分利用效率，是適用于該區(qū)域的玉米節(jié)氮、水分高效利用生產(chǎn)技術(shù)。

減量施氮；密植；土壤含水量；耗水量；水分利用效率

0 引言

【研究意義】氮肥是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，但投入過高會降低籽粒產(chǎn)量與品質(zhì)，影響土壤肥力[1]。生產(chǎn)實踐中，氮肥減施可能降低作物產(chǎn)量，但同時存在減少土壤氮素殘留、降低對生態(tài)環(huán)境的破壞等優(yōu)勢[2-4]。與氮肥減量問題相并，提高作物水分利用效率（WUE）是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的另一重大挑戰(zhàn)[5]。穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、高效用水、減施氮肥是未來作物生產(chǎn)必須同步解決的問題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水、氮是影響作物群體生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，對作物水分利用狀況和產(chǎn)量影響顯著[6]。研究表明，合理運用氮肥，通過以肥促水，能促進(jìn)作物有效耗水增加糧食產(chǎn)量，進(jìn)而提高水分利用效率[7]。但氮肥的不合理應(yīng)用又會加劇作物對土壤水分的消耗，降低土壤含水量，使得土壤水庫失調(diào)，導(dǎo)致農(nóng)田生產(chǎn)力下降[8-9]。深入揭示施氮與土壤含水量、作物耗水量間的相關(guān)關(guān)系，是構(gòu)建水分高效利用和適宜氮肥投入技術(shù)必須解決的科學(xué)問題。而作物密植作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中另一增產(chǎn)的有效途徑被廣泛應(yīng)用[10]。研究發(fā)現(xiàn)，增大種植密度會增加作物群體的耗水量[11]，合理的作物群體結(jié)構(gòu)能提高蒸騰耗水占比，增加籽粒產(chǎn)量實現(xiàn)水分高效利用[12-13]。土壤含水量隨密度的增加而降低，過大增密會提高作物對土壤水分需求，土壤水分承載潛力下降，干燥程度加劇，影響籽粒灌漿進(jìn)而降低水分利用效率[14-15]。可見，良好的土壤水分條件是密植增產(chǎn)的基礎(chǔ)，而氮肥減施具有保持較高土壤含水量優(yōu)勢，同時能降低作物總耗水量。能否集成應(yīng)用減施氮肥與密植技術(shù)，分別發(fā)揮兩種技術(shù)降低耗水和增加產(chǎn)量的優(yōu)勢，實現(xiàn)節(jié)氮與水分利用效率同步提升目標(biāo)，仍需實證研究?！颈狙芯壳腥朦c】河西走廊光熱條件豐富，但資源性缺水是玉米生產(chǎn)的主要限制因素，該區(qū)玉米生產(chǎn)中同時存在氮肥投入量過大等問題，氮肥節(jié)約和水分高效利用理論和技術(shù)亟待深入研究。本試驗在減量施氮條件下研究能否通過增加密度補償水分利用效率與灌溉水分利用效率?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在河西走廊東端甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)試驗基地設(shè)置田間試驗，探討能否通過減量施氮緩解密度增加對土壤水分需求，同時通過增加種植密度補償減量施氮對水分利用效率造成的不利影響，旨在為干旱綠洲灌區(qū)玉米節(jié)氮及高效用水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019—2022年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)“綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地”（37°30′N，103°5′E）進(jìn)行。該區(qū)降雨主要集中在7—9月份，年蒸發(fā)量＞2 000 mm，年日照時數(shù)約2 945 h，年太陽輻射量約5 990 MJ·m-2，屬典型的寒溫帶干旱氣候區(qū)。玉米為當(dāng)?shù)刂髟宰魑?，長期氮肥投入量高。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)，玉米全生育期降雨量分別為167.1、133.0、155.2、212.4 mm，如圖1所示。

圖1 2019—2022年玉米全生育期降雨量

1.2 試驗設(shè)計

本試驗為2018年開始的定位試驗，采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)設(shè)減量（N1，270 kg·hm-2）和傳統(tǒng)（N2，360 kg·hm-2）兩個施氮水平，裂區(qū)設(shè)傳統(tǒng)（M1，78 000株/hm2）、中（M2，103 500 株/hm2）和高（M3，129 000 株/hm2）3個密度水平，對應(yīng)株距分別為32、24和19 cm，行距均為40 cm。共組成6個處理，每處理重復(fù)3次，其中N2M1為當(dāng)?shù)亓?xí)慣施氮和密度處理，作為對照。

采用播前傳統(tǒng)翻耕并覆新膜，玉米秸稈全部移除。玉米灌溉定額405 mm，采用膜下滴灌，于拔節(jié)、大喇叭口、抽雄、開花和灌漿期分別灌水90、75、90、75、75 mm。氮肥基施﹕大喇叭口期追肥﹕灌漿期追肥=3﹕5﹕2分施，磷肥180 kg·hm-2全作基肥?；什捎萌斯ぞ鶆蛉鍪┯诘乇?，旋耕機旋入15 cm的耕作層；追肥時采用穴播槍將肥料施入10 cm深的孔中，其他田間管理與當(dāng)?shù)匾恢?。玉米供試品種為‘先玉 335’，分別于2019年4月20日、2020年4月19日、2021年4月20日、2022年4月19日播種，于2019年9月25日、2020年9月28日、2021年9月27日、2022年9月22日收獲。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤含水量：0—30 cm土層含水量采用烘干法測定，30—60、60—90、90—120 cm用水分中子儀測定[16]，每個土層測3次，3次重復(fù)的平均值作為每個土層的土壤含水量。玉米播種后，每隔15—20 d取樣。

土壤貯水量：SWS=ρ×h×ω×10。式中，ρ為土壤容重（g·cm-3），h為土層深度（cm），ω為土壤質(zhì)量含水量（g·g-1）。

階段耗水量：ETi=Pi+Ii+SWSt2-SWSt1。式中，Pi、Ii分別為t1至t2時間段的降雨量（mm）和灌溉量（mm），SWSt1、SWSt2為t1與t2時期的土壤貯水量（mm）。由于本試驗灌溉量較少，地下水深埋在30 m以下，不易補給，故滲漏量和地下水忽略不計[15]。

籽粒產(chǎn)量（Y）：玉米完全成熟后，每小區(qū)取長5 m、寬為4行玉米的面積進(jìn)行籽粒產(chǎn)量測定，脫粒后按14%含水量計算。

水分利用效率：WUE=Y/ET。

灌溉水利用效率：IWUE=Y/I。式中，I為總灌溉定額（mm）。

增密對減氮的補償效應(yīng)：CE=（減氮密植處理-傳統(tǒng)處理）/傳統(tǒng)處理。若CE＞0，說明密植能夠補償減量施氮的負(fù)效應(yīng)；若CE＜0，說明密植不能補償減量施氮的負(fù)效應(yīng)。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)，繪制表格，Origin 2018作圖，SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析（Duncan法）。

2 結(jié)果

2.1 不同施氮水平與種植密度下的玉米耗水特征

2.1.1 玉米全生育期土壤含水量動態(tài) 減量施氮可提高全生育期0—120 cm土層土壤含水量，而增加密度降低了土壤含水量，二者互作效應(yīng)顯著（圖2）。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)，不同處理全生育期N1較N2平均高8.6%，M3較M2、M1平均降低2.8%、5.1%。減量施氮顯著提高了拔節(jié)期之后的土壤含水量，拔節(jié)期至大喇叭口期、大喇叭口期至開花期、開花期至灌漿期、灌漿期至成熟期，N1較N2土壤含水量平均提高8.0%—9.4%。高密度顯著降低了拔節(jié)期之后的土壤含水量，M3較M1各生育階段平均降低4.8%—8.1%，M2、M1差異不顯著。N1M2較N2M1全生育期土壤含水量平均高4.5%。以上結(jié)果表明，統(tǒng)籌施氮和密度兩大因素，可為玉米生長創(chuàng)造適宜的土壤含水量；減量施氮結(jié)合中密度較對照具有更高的保持土壤含水量的優(yōu)勢。

圖2 不同施氮水平及種植密度下玉米0—120 cm土層平均土壤含水量動態(tài)

2.1.2 玉米播前與收后土壤貯水量 減量施氮可保持玉米收后較高的土壤貯水量，隨密度增加收后土壤貯水量顯著下降，二者互作效應(yīng)顯著；二者及二者互作對播前土壤貯水量影響不顯著（表1）。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)，減量施氮較傳統(tǒng)施氮收后貯水量高9.5%—11.4%。傳統(tǒng)密度較高密度和中密度收后貯水量分別提高17.2%—26.3%和7.4%—12.7%，中密度較高密度提高8.7%—12.8%。就二者互作來看，傳統(tǒng)施氮結(jié)合高密度收后土壤貯水量最低，較N1M2與N2M1均降低24.6%，N1M2、N2M1差異不顯著。與傳統(tǒng)施氮相比，氮肥減量的保水優(yōu)勢可補償中密度玉米生長對水分的需求，但不足以支撐高密度玉米。

N1、N2代表減量施氮、傳統(tǒng)施氮；M1、M2、M3代表傳統(tǒng)密度、中密度、高密度。NS、**、*分別表示無顯著差異、0.01及0.05水平上差異顯著；數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年度中所有處理在0.05概率水平下差異顯著。下同

N1and N2represent reduced nitrogen application and traditional nitrogen application; M1, M2, M3represent traditional density, medium density, high density. NS, ** and * mean non-significant, significant at＜0.01, significant at＜0.05, respectively. Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. The same as below

2.1.3 玉米耗水量 減量施氮降低開花期之前玉米耗水量（表2）。播種期至拔節(jié)期，N1較N24年平均降低12.7%；拔節(jié)期至大喇叭口期，N1較N2階段耗水量降低6.9%。除大喇叭口期至開花期差異不顯著外，增加密度提高了其他生育時期玉米耗水量。播種期至拔節(jié)期，M2、M3較M1耗水量分別提高8.4%、12.1%；拔節(jié)期至大喇叭口期，M2、M3較M1分別提高4.1%、7.5%；開花期至灌漿期，M3較M2、M1耗水量分別提高7.3%、9.4%；灌漿期至成熟期，M3較M2、M1耗水量提高5.0%、10.7%，M2較M1提高5.4%。說明減量施氮主要降低了拔節(jié)期玉米耗水，而增加密度對玉米耗水的影響主要集中在拔節(jié)期與灌漿期。

減量施氮降低了玉米總耗水量，增加密度提高了總耗水量，二者互作效應(yīng)顯著（表1）。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)，減量施氮較傳統(tǒng)施氮總耗水量降低4.4%—5.1%。高密度較傳統(tǒng)密度與中密度總耗水量分別高6.6%—10.5%和3.5%—5.1%，中密度較低密度高3.2%—5.1%。就二者互作來看，傳統(tǒng)施氮結(jié)合高密度玉米全生育期耗水量最高，較N1M2與N2M1分別提高10.0%、9.1%，N1M2、N2M1差異不顯著。說明減量施氮通過降低拔節(jié)期玉米耗水降低密植玉米全生育期耗水量，使得減量施氮結(jié)合中密度較傳統(tǒng)處理并沒有提高玉米總耗水量。

2.2 增密對減氮玉米籽粒產(chǎn)量的影響

減量施氮降低玉米籽粒產(chǎn)量，而增加種植密度提高了玉米籽粒產(chǎn)量，二者互作效應(yīng)不顯著（圖3）。4個試驗?zāi)甓?，減量施氮較傳統(tǒng)施氮籽粒產(chǎn)量降低3.8%—5.8%。中密度較傳統(tǒng)密度與高密度籽粒產(chǎn)量分別提高5.4%—12.5%和2.1%—7.5%，高密度較低密度除2020年提高10.2%外，其他3年差異不顯著。中密度能夠補償減量施氮對籽粒產(chǎn)量造成的負(fù)效應(yīng)，而高密度無法補償，4年平均補償效應(yīng)為4.3%。說明中密度下玉米具有較高的增產(chǎn)潛力，且增產(chǎn)潛力能夠補償減量施氮對玉米籽粒產(chǎn)量造成的負(fù)效應(yīng)。

2.3 增密對減氮玉米水分利用效率的影響

2.3.1 水分利用效率（WUE） 減量施氮對玉米WUE影響不顯著，種植密度及二者互作對其影響顯著（圖4）。2019年M1、M2較M3處理WUE分別提高10.9%、11.3%；2020年M2較M1、M3處理分別提高9.0%、6.5%；2021年M1、M2較M3處理分別提高9.7%、12.0%；2022年M2較M1、M3處理WUE分別提高6.4%、11.1%，M1較M3提高4.4%，總的來看，種植密度對WUE的影響表現(xiàn)為M2＞M1＞M3，M2較M1、M3平均高4.5%、10.1%，M1較M3提高5.4%。就二者互作來看，中密度結(jié)合減量施氮具有最高的WUE，較中密度傳統(tǒng)施氮4年平均提高2.4%。中密度能夠補償減量施氮對WUE造成的負(fù)效應(yīng)，而高密度無法補償。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)中密度平均補償效應(yīng)為5.2%，即減量施氮結(jié)合中密度處理較傳統(tǒng)處理進(jìn)一步提高了水分利用效率。

圖3 不同施氮水平及種植密度下玉米的籽粒產(chǎn)量

圖4 不同施氮水平及種植密度下玉米的水分利用效率和灌溉水分利用效率

2.3.2 灌溉水分利用效率（IWUE） 減量施氮降低了IWUE，而增加種植密度提高了IWUE，二者互作效應(yīng)不顯著（圖4）。4個試驗?zāi)甓葍?nèi)，傳統(tǒng)密度下，N1較N2處理IWUE降低3.3%—8.8%，中密度下降低2.7%—7.6%，高密度下降低3.7%—7.1%。傳統(tǒng)施氮下，M2較M1、M3處理IWUE 4年分別提高2.5%—11.1%與0.8%—8.2%，M3較M1提高2.8%—10.1%。減量施氮下，M2較M1、M34年分別提高3.3%—14.1%與3.5%—6.7%，除2019、2020年M3較M1高2.1%、10.2%外，其他兩年差異不顯著。中密度能夠補償減量施氮對IWUE造成的負(fù)效應(yīng)，補償效應(yīng)為4.3%，說明減量施氮結(jié)合中密度處理更有利于增加玉米單位灌溉水生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量。

3 討論

3.1 施氮和密植對玉米耗水量的影響

作物耗水受蒸騰量與蒸發(fā)量共同影響，提高作物蒸騰，降低無效蒸發(fā)對于年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量的干旱綠洲灌區(qū)具有重要意義[17]。作物生長發(fā)育依賴于土壤水分，土壤含水量的高低又受到土壤理化性狀的影響。本研究中減量施氮較傳統(tǒng)施氮提高土壤含水量，可能原因是適當(dāng)?shù)蕼p量減緩了土壤酸化，促進(jìn)作物根系及土壤微生物生長，降低土壤容重，提高了土壤截留與保水能力[18]。同時氮肥減量有利土壤團聚體的形成，土壤團聚體內(nèi)部的持水孔隙在保水的同時，還可保存隨水進(jìn)入團聚體的水溶性養(yǎng)分，進(jìn)一步起到保水保肥的作用[19]。蒸騰耗水是作物耗水的主要形式，而氮肥減量降低了氣孔導(dǎo)度，胞間CO2濃度增大，蒸騰耗水減少[20]，總耗水量下降。另有研究認(rèn)為[21]，減量施氮降低了開花期之后的根冠比，減少蒸發(fā)量降低總耗水量。

密植是作物增產(chǎn)的有效途徑，但離不開土壤水分的大量消耗。生育前期植株矮小，土壤蒸發(fā)量大，其中苗期蒸發(fā)量占蒸散量的比例高達(dá)50%[22]，而增加單位面積株數(shù)可有效減少地表蒸發(fā)。研究表明[12-13,16]，當(dāng)密度達(dá)到某個閾值時，棵間蒸發(fā)量并不隨密度的增加而降低，影響玉米耗水的關(guān)鍵因素為蒸騰強度。本研究中高密度較低、中密度顯著提高了玉米全生育期耗水量，主要原因是高密度加劇了個體之間光、熱、水、肥的競爭，氣孔導(dǎo)度下降，雖單株蒸騰速率下降，但在密度的加持下，玉米群體仍然具有較大的蒸騰量[20,23-24]。拔節(jié)期與灌漿期是玉米營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)鍵時期，增加種植密度提高了拔節(jié)期和灌漿期玉米耗水[12]，為玉米生長提供水分基礎(chǔ)，這與本研究結(jié)果相似。氮肥減施截留的土壤水分能為增密玉米吸收利用[21]，使得減氮中密度處理較傳統(tǒng)處理并沒有提高耗水量，但高密度下耗水量顯著增加，說明截留土壤水分并不能滿足高密度玉米群體對水分的需求，進(jìn)而加劇了土壤水分威脅。

3.2 減氮和增密對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

氮素作為作物生長必須營養(yǎng)元素，通過促進(jìn)干物質(zhì)累積與分配影響糧食產(chǎn)量[10]。本研究中，減量施氮顯著降低了籽粒產(chǎn)量。水氮運籌是影響玉米籽粒產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施，水分不足影響?zhàn)B分吸收，養(yǎng)分虧缺減緩作物生長，甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)[6,25]。本研究中減量施氮降低了2021年與2022年玉米籽粒產(chǎn)量，可能原因是玉米開花期至灌漿期降雨量減少造成的，關(guān)鍵生育期低降雨投入強化了水氮耦合效應(yīng)[26]，減緩了灌漿期玉米同化產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)量下降。構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)是玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵[5]。增加種植密度會使單株產(chǎn)量下降，但拔節(jié)期至灌漿中期群體葉面積指數(shù)的提高，以及灌漿期葉綠素含量與凈光合速率的增強，能顯著提高群體產(chǎn)量，彌補了單株生產(chǎn)力的不足[27]。但密度超過某個閾值后，葉片相互遮擋，透光能力減弱，單株玉米光合生產(chǎn)能力下降導(dǎo)致籽粒灌漿不完全，穗粒數(shù)與千粒重顯著下降，導(dǎo)致玉米群體產(chǎn)量下降[25]。

合理密植是作物充分利用光熱資源[7]，實現(xiàn)群體增產(chǎn)優(yōu)勢的基礎(chǔ)，進(jìn)而補償水氮減量的負(fù)效應(yīng)。研究表明[10]，增密30%可通過提高單位面積穗數(shù)補償減量施氮對穗粒數(shù)與千粒重造成的負(fù)效應(yīng)，繼續(xù)增大密度補償效應(yīng)為負(fù)。另有研究認(rèn)為[14]，氮肥減施25%并不影響千粒重，同時適當(dāng)增加種植密度提高單位面積穗數(shù)可補償穗粒數(shù)的下降，使群體籽粒產(chǎn)量達(dá)到最大。本研究中，中密度可通過提高穗數(shù)補償減量施氮對籽粒產(chǎn)量造成的負(fù)效應(yīng)，主要原因是中密度下具有最優(yōu)的葉面積指數(shù)與光照環(huán)境[28]，同時減量施氮保留的土壤水分能被玉米吸收[18-19]，有效耗水占比增加，玉米群體光合速率達(dá)到最佳，單株生產(chǎn)力的提高，很大程度上彌補了穗粒數(shù)與千粒重的降低[10]，使得減氮結(jié)合中密度處理籽粒產(chǎn)量不降反升。但高密度下氮肥減施25%會使玉米生長受限，干物質(zhì)累積與分配受阻，同時光環(huán)境封閉，光合能力顯著下降[25]，穗數(shù)提升并不能補償穗粒數(shù)與千粒重的下降。

3.3 減氮和增密對玉米水分利用效率的影響

光合產(chǎn)物和耗水量是影響水分利用效率的兩個主要因素[29]。氮肥減量能降低PSI和PSII的電子傳遞能力[30-31]，減緩玉米營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，同時降低了玉米耗水量，導(dǎo)致水分利用效率差異不顯著，這與張建軍等[32]研究一致。張建軍等還認(rèn)為繼續(xù)減少施氮量，水分利用效率隨籽粒產(chǎn)量的下降顯著降低。增加種植密度可提高玉米葉綠素相對含量與凈光合速率影響籽粒產(chǎn)量[28]，進(jìn)而提高水分利用效率。群體耗水中蒸騰量占比較棵間蒸發(fā)量大，在開花期至灌漿期，增加種植密度能提高玉米蒸騰速率，增加有效耗水，促進(jìn)光合產(chǎn)物的形成，同時該時期群體郁閉性強，地表蒸發(fā)下降，提高產(chǎn)量、降低耗水進(jìn)而提高水分利用效率[12,15,27]。

增密減氮研究認(rèn)為，氮肥減施降低了總耗水量，密度通過提高玉米群體光能利用率，增加光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)而提高水分利用效率[13,33]。本研究減量施氮結(jié)合中密度較傳統(tǒng)處理提高了水分利用效率，可能原因是中密度下玉米群體結(jié)構(gòu)對光、熱等自然資源利用更加充分[25,28]，同時種間競爭提高了減量施氮下玉米對土壤水分、氮素的吸收利用，進(jìn)而補償水分利用效率。另外，氮肥減施能將部分下滲水分截留、保存在淺層土壤中[18-19]，被作物吸收利用，增加蒸騰耗水占比。而高密度結(jié)合減量施氮處理打破了個體與群體間的協(xié)調(diào)關(guān)系，并沒有提高水分利用效率，主要原因有，第一，氮肥減施并不能滿足高密度下玉米群體對氮素的需求，導(dǎo)致營養(yǎng)生長和生殖生長期干物質(zhì)累積受阻[10,14]，同時高密度玉米降低了PSII過程中的熱耗散，光保護能力下降，加速葉片衰老影響籽粒灌漿[31]，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。第二，高密度下玉米個體之間水肥競爭加劇，玉米群體需水量增大，導(dǎo)致全生育期耗水量增加[13,25]。因此，減量施氮結(jié)合中密度處理可有效提高單位耗水量的籽粒產(chǎn)量，具有較優(yōu)的水分生產(chǎn)力優(yōu)勢。

4 結(jié)論

減施氮肥可以補償玉米密度增大導(dǎo)致的土壤含水量下降，為玉米創(chuàng)造了適宜的土壤水分條件。隨密度的增加玉米總耗水量顯著增加，氮肥減施通過降低拔節(jié)期玉米耗水降低增密玉米總耗水量。減量施氮對水分利用效率影響不顯著，但降低了籽粒產(chǎn)量與灌溉水分利用效率。中密度可補償減施氮肥對籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水分利用效率造成的負(fù)效應(yīng)，中密度下各施氮處理對水分利用效率影響不顯著。在綠洲灌區(qū)，玉米生產(chǎn)施氮270 kg·hm-2、密度103 500株/hm2，可保持與地方傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)相同的耗水量，同時提高產(chǎn)量與水分利用效率，是適用于該區(qū)節(jié)氮及水分高效利用的生產(chǎn)技術(shù)。

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Water Use Characteristics of Increased Plant Density and Reduced Nitrogen Application maize in Oasis Irrigated Area

JIAO ZhiHui, Chen GuiPing, FAN Hong, ZHANG JinDan, YIN Wen, LI HanTing, WANG QiMing, HU FaLong, CHAI Qiang

College of Agronomy, Gansu Agricultural University/State Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070

【Objective】In arid irrigation area, the problem of limited water resources, high nitrogen fertilizer input, and low water use efficiency (WUE) in maize production is serious, it’s necessary to investigate the viability of dense planting to compensate for the negative impact of reduced nitrogen application on the water use efficiency of maize, so as to provide academic foundation for the maize production with reduced nitrogen but high water use efficiency.【Method】From 2019 to 2022, a split-plot experiment was carried out in Wuwei, Gansu Province. Two levels of nitrogen application rate, including reduced nitrogen application (N1, 270 kg·hm-2) and traditional nitrogen application (N2, 360 kg·hm-2) were set in the main plot. Three planting densities, including traditional density (M1, 78 000 plants/hm2), medium density (M2, 103 500 plants/hm2), and high density (M3, 129 000 plants/hm2) were set in the split-plot,N2M1was set as the control.the effects of nitrogen application, plant density and their interaction on water consumption characteristics and water use efficiency of maize were mainly studied.【Result】In the trial year, the water consumption of reduced nitrogen application was 4.7% lower than that of traditional nitrogen application. The water consumption of the combination of reduced nitrogen application and medium density (N1M2) was not significantly different from that of the control. The water consumption of high and medium density treatments increased by 8.4% and 4.2% respectively compared with that of traditional density treatment. The grain yield of maize decreased with the reduction of nitrogen application. Medium density could increase grain yield compared with high density and traditional density. The combination of reduced nitrogen application and medium density increased the grain yield compared with the control. In the test year, the grain yield of the reduced nitrogen application treatment was 4.6% lower than that of traditional nitrogen application treatment, the grain yield of the medium density treatment was increased by 5.6% and 8.2% respectively compared with high density treatment and traditional density, and the grain yield of N1M2was 4.3% higher than that of N2M1. Reducing nitrogen application reduced IWUE, but maintained the same WUE as traditional nitrogen application; Medium density was beneficial to improve WUE and IWUE, and could compensate for the WUE decrease caused by reduced nitrogen application. In the four study years, the IWUE decreased by 4.5% due to reduced nitrogen application, and there was no significant difference in WUE between the two nitrogen application levels; Compared with the traditional and high density treatments, the IWUE of the medium density treatment increased by 8.6% and 6.4%, respectively, and the WUE increased by 4.5% and 10.1%, respectively; The compensation effects of medium density on the IWUE and WUE were 4.3% and 5.2%, respectively.【Conclusion】In arid irrigation area, applying nitrogen of 270 kg·hm-2and density of 103 500 plants/hm2during the whole growth period of maize can increase the yield and water use efficiency compared with the existing water and nitrogen management measures, which is a production technology for nitrogen saving and water efficient utilization of maize in this area.

nitrogen reduction; high planting density; soil water content; water consumption; water use efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.16.004

2022-12-20；

2023-03-01

國家自然科學(xué)基金（U21A20218，32101857）、甘肅省教育廳“雙一流”科研重點項目（GSSYLXM-02）、甘肅省重點人才項目（204197083016）、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年人才項目（Gaufx-03Y10）

焦智輝，E-mail：jzh05055525@163.com。通信作者柴強，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩，岳梅）