沟垄集雨种植和氮肥对春玉米生长及产量的影响

刘璐璐，张雪玲，郗洛延，张宁宁，韩 娟，廖允成(西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100)

沟垄集雨种植技术是一种地块内集水农业技术，主要利用田间起垄、沟垄相间、垄面产流、沟内高效集雨，达到集雨、蓄水保墒、增温、抑蒸的效果，已成为旱区农业主要节水措施之一[1-2]。该技术在玉米、小麦、马铃薯等大宗粮食作物上得到了广泛应用[3-5]。大量研究表明沟垄集雨种植较传统平作能够显著增加玉米产量，不同降雨量下沟垄集雨种植玉米产量提高了37%～75%[6-7]，不同沟垄比下沟垄集雨种植使春玉米增产10%～27%[8]。

氮素是玉米生长发育的重要影响因素[9]。氮肥缺失或过量均会导致春玉米光合能力下降[10]，进而影响植株干物质积累和玉米产量。目前在沟垄集雨种植春玉米生产中，氮肥运筹主要为基肥一次性施入和基肥加追肥[11]，然而一次性氮肥基施容易造成作物生长前期氮素的浪费，生长后期一定程度上的氮素亏缺，降低氮素利用效率，并带来一系列的环境问题，而基施加追施模式虽然合理分配氮肥提高氮肥利用率，但却增加了施肥的劳动强度和成本。与普通氮肥相比，缓释氮肥肥效释放周期长，能为作物生长提供长效养分[12]，从时间尺度上提高土壤氮素供应与作物需氮的吻合度[13]，同时具有省工、高产的优势[14]。Zheng等[15]研究了小麦-玉米轮作体系下施用缓释肥处理的效果；Si等[16]认为控释氮肥可以提高或稳定夏玉米产量，减缓氮损失。诸多研究表明，缓释肥料可以显著提高作物的产量和氮肥利用率，但是有关沟垄集雨种植条件下施用缓释肥对春玉米生长和产量的影响还有待进一步研究。

因此，本试验基于沟垄集雨种植技术，以速效肥为对照，研究缓释肥对春玉米株高、干物质积累和转运、光合特性、产量等方面的影响，以明确沟垄集雨种植下省工稳产的氮肥施用模式，为完善沟垄集雨种植技术在旱区农业中的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于西北农林科技大学斗口小麦玉米综合试验示范站(108°52′E，34°36′N)，该区属于温带半湿润大陆性季风气候，全年太阳总辐射量为494. 70 kJ·cm-2，年均气温为12.9 ℃，年均降水量527 mm。2015年玉米生育期降雨量和日平均气温如图1。试验地土壤为土娄土，pH 8.0，有机质8.43 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，速效磷16.42 mg·kg-1，速效钾367.06 mg·kg-1，硝态氮16.54 mg·kg-1，铵态氮4.79 mg·kg-1。

图1 春玉米生育季内降雨量和日平均气温

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区因素为种植方式：传统平作(C)和沟垄集雨(P)两种处理，其中沟垄集雨处理沟垄比为1∶1，垄高15 cm，垄上覆膜，膜厚0.008 mm，沟内种植2行玉米。副区因素为肥料处理：尿素[w(N)=46%]全部基施(F1)、尿素[w(N)=46%]基施+追施(3∶2；F2)、缓释肥[w(N)=28%、w(P)=6%、w(K)=6%]全部基施(F3)，缓释肥为由史丹利农业集团股份有限公司提供的“史丹利缓释肥料”。试验共计6个处理(表1)。所有处理施肥量均为N 225 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2(过磷酸钙)、K2O 10 kg·hm-2(氧化钾)，缓释肥处理不足的磷、钾肥量分别以过磷酸钙、氧化钾补足，磷、钾肥均于播种前整地过程中全部施入(施深15 cm)。

每个处理3次重复，共计18个小区，每个小区长9 m，宽7 m，面积63 m2。供试玉米品种为‘郑单958’，种植行距60 cm，株距25 cm，人工点播(播深5 cm)。试验玉米于2015年4月18日播种，9月2日收获，玉米全生育期无灌溉，其他田间管理参照当地一般生产水平。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 玉米株高、叶面积指数、干物质积累量 分别于玉米苗期、拔节期、吐丝期采集每个小区有代表性植株3株测定玉米株高；分别于玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期采集每个小区有代表性植株3株测定叶面积指数(LAI=长×宽×0.75)；分别于玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期、成熟期采集每个小区有代表性植株3株，105 ℃杀青，80 ℃烘干至恒质量，测定植株干物质积累量。

表1 试验处理

1.3.2 玉米穗位叶光合参数 分别在玉米吐丝期和灌浆期内，于晴朗天气9:30-12:00，选取每个小区有代表性的3棵植株，采用Li-6400便携式光合仪测定玉米穗位叶光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)，每个叶片重复测定3次取平均值。

1.3.3 玉米穗位叶相对叶绿素含量 分别于玉米吐丝期和灌浆期，选取每个小区有代表性的3棵植株，采用SPAD仪测定玉米穗位叶相对叶绿素含量(SPAD值)，每个叶片重复测定3次取平均值。

1.3.4 产量及产量构成因素 成熟期各小区随机选取2行(边行除外)玉米收获测产、考种。

1.3.4 干物质转运计算公式 吐丝期营养器官干物质转运率(%)=(吐丝期营养器官干质量-成熟期营养器官干质量)/吐丝期营养器官干质量×100%

吐丝期干物质转运量对籽粒的贡献率(%)=(开花期营养器官干质量-成熟期营养器官干质量)/总粒质量×100%

吐丝后干物质输入籽粒量(t·hm-2)= 收获期籽粒产量(t·hm-2)-吐丝前营养器官同化物转运量(t·hm-2)

1.4 数据分析与处理

采用SPSS 23软件分析试验数据，LSD法进行显著性及方差分析，并用SigmaPloit12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同生育时期春玉米株高变化

沟垄集雨种植较平作显著提高春玉米株高(图2)：拔节期，与平作相比，沟垄集雨种植下各施肥处理春玉米株高提高10.22%～14.88%(P<0.05)；吐丝期，沟垄集雨种植下春玉米株高较平作增加3.59%～7.89%(P<0.05)。全生育期内，相同种植方式下，各施肥处理间株高无显著差异。

图2 各处理下春玉米株高变化

2.2 不同生育时期春玉米LAI变化

各处理春玉米LAI先增加后降低，吐丝期达到最大值，沟垄集雨种植相较于平作处理显著增加春玉米LAI值(图3)。吐丝期，沟垄集雨种植下春玉米LAI较平作增加7.18%～11.39%，其中PF2(4.39)LAI最高，其次为PF3(4.17)，各施肥处理间差异不显著。灌浆期，与平作相比，沟垄集雨种植下春玉米LAI提高6.31%～11.36%，其中平作下LAI表现为CF3>CF2>CF1；沟垄集雨种植下LAI表现为PF2>PF3>PF1，说明与尿素基施相比，追肥处理和缓释肥处理更有利于玉米叶片的建成与保持生育后期较高的绿叶面积。

2.3 春玉米干物质积累及转运特征

随玉米生育进程的推进，各处理下春玉米地上部干物质积累量逐渐递增(图4)。春玉米生长前期，各处理间春玉米干物质积累量无显著差异。拔节期至成熟期，沟垄集雨种植相较于平作极显著提高了玉米地上部干物质积累量。吐丝期，沟垄集雨种植下春玉米地上部干物质积累量较平作增加13.95%～17.78%；成熟期，沟垄集雨种植下春玉米地上部干物质积累量较平作增加15.45%～20.23%。相同种植方式下，各施肥处理间干物质积累量在玉米苗期、拔节期呈现F1>F3>F2的规律；大喇叭口期和吐丝期为F3>F1>F2；吐丝期为F3>F2>F1；在玉米灌浆期和成熟期为F2>F3>F1。说明尿素基施处理F1有利于玉米生育前期的干物质积累，而追肥处理F2有利于玉米生育后期的干物质积累，缓释肥处理F3则在整个玉米生育季内的地上部干物质积累中均有优势。

图3 春玉米LAI变化

由表2可知，吐丝期营养器官干物质转运率为13.01%～19.41%，种植方式和施肥处理间存在极显著互作效应。施肥处理F1的转运率在平作和沟垄集雨下均极显著高于F2、F3，尿素基施处理具有更高的吐丝期营养器官干物质转运率。吐丝期干物质转运量对籽粒的贡献率为12.10%～18.38%，在种植方式间无显著差异；施肥处理在沟垄集雨种植和平作下规律均为F1>F2/F3，差异极显著(P<0.01)。相比处理F2和F3，处理F1吐丝期干物质转运量对籽粒的贡献率更高，而较高的花前干物质转运至籽粒量对玉米生长后期维持叶片生长及较高光合是不利的[17]。吐丝后干物质积累量和吐丝后干物质输入籽粒量均表现出沟垄集雨极显著高于平作9.06%～17.20%和15.03%～22.94%(P<0.01)，其中吐丝后干物质输入籽粒量在施肥处理间差异显著：平作下，CF2、CF3较CF1显著提高12.93%、11.36%；沟垄集雨种植下PF3和PF2分别较PF1显著提高5.08%和8.88%。吐丝后干物质同化量对籽粒的贡献率在沟垄集雨种植与平作间无显著差异，施肥处理F2、F3在平作和沟垄集雨种植下显著高于F1 6.76%、6.18%和6.54%、7.26%。可见F2和F3处理相比较F1更有利于吐丝后的干物质积累和转运。

图4 春玉米地上部干物质积累量动态变化

表2 春玉米吐丝期前后地上部干物质转运量和籽粒贡献率

注：数据为“平均值±标准差”，同列内不同字母表示不同处理间在0.05水平上差异显著，表3同。

Note:Data was “mean±standard error”,different letters above the same column indicate significant difference(P<0.05) among different treatments,the same as table 3.

2.4 春玉米Pn、SPAD值、Gs和Tr变化

对玉米Pn分析可知(图5-A)：吐丝期沟垄集雨种植下的净光合速率显著高于平作处理5.88%～10.46%；施肥处理间规律为F3>F2>F1，且以PF3和PF2处理Pn27.0 μmol·m-2·s-1和26.3 μmol·m-2·s-1最高，显著高于其他各处理(P<0.05)。灌浆期各处理的Pn在沟垄集雨种植下高于平作处理16.09%～27.74%(P<0.01)；在施肥处理间则为F2>F3>F1，其中平作下CF2Pn高于CF3，沟垄集雨种植下PF3Pn与PF2无显著差异，可见沟垄集雨种植可以缩小玉米生育后期缓释肥基施与追肥处理间的光合差异。

与吐丝期相比，灌浆期沟垄集雨种植下各处理玉米Pn的降低缓于平作处理，说明沟垄集雨种植更有利于维持玉米生育后期较高的光和水平。平作下，缓释肥处理CF3的Pn降低程度与CF1相近；沟垄集雨种植下，缓释肥处理PF3Pn降低程度则显著小于PF1，与CF2降低幅度接近，可见沟垄集雨种植较平作更有利于缓释肥后期养分供应，以保证植株较高的光合水平。

玉米叶片SPAD值在种植方式和施肥方式间的变化规律与Pn相似(图5-B)。吐丝期SPAD值以PF3处理55.47最高，高于其他各处理3.5%～8.6%。与吐丝期相比，灌浆期沟垄集雨种植下SPAD值较平作降低程度小，且处理PF2和PF3相较于其他各处理始终保持着相对较高的SPAD值。

叶片Gs在吐丝期以PF3处理0.163 mmol·m-2·s-1最高；灌浆期以PF2处理0.126 mmol·m-2·s-1最高(图5-C和5-D)。沟垄集雨种植在吐丝期和灌浆期分别比平作极显著提高叶片Gs19.64%和20.68%(P<0.01)。施肥处理F2、F3在吐丝期和灌浆期分别比F1显著提高叶片Gs5.04%、5.04%和12.87%、8.91%(P<0.05)。Tr在吐丝期和灌浆期均以PF2处理最高，分别为5.6、3.8 mmol·m-2·s-1。在吐丝期和灌浆期沟垄集雨种植分别比平作极显著提高Tr18.70%和12.86%(P<0.01)。施肥处理F2、F3在吐丝期和灌浆期分别比F1显著提高Tr5.30%、3.56%和11.65%、7.05%(P<0.05)。施肥处理F2和F3较F1提高了玉米吐丝期和灌浆期的叶片Gs和Tr。

图5 各处理下春玉米Pn、SPAD值、Gs和Tr

2.5 春玉米产量及产量构成要素

由表3可知，各处理间春玉米穗粒数无显著差异。与平作相比，沟垄集雨种植下F1、F2、F3处理春玉米百粒质量提高9.51%、44.96%、12.34%，产量提高7.43%、8.36%、10.89%。平作下施肥处理F2、F3相比对照F1提高百粒质量3.76%、4.67%，但产量间无显著差异。沟垄集雨种植下施肥处理F2、F3相比对照F1显著提高百粒质量6.08%、7.37%；产量增加了0.80%、2.09%。

3 讨 论

3.1 沟垄集雨种植和氮肥对春玉米生长的影响

良好的植株生长状况是干物质积累与合理分配的保障。多项研究表明，沟垄集雨种植有利于植株生长和干物质积累[18]。植物营养生长的良好与否直接反映在株高上，同时一定范围内，作物的产量随LAI的增大而提高[19]。任小龙等[20]研究表明相同施肥模式下沟垄集雨种植可以显著提高玉米株高6.8%～27.1%，增加玉米叶面积8.5%～73.9%，玉米干物质积累增加12.1%～86.6%。李宗新等[21]对玉米进行生长模拟发现控释肥处理下玉米干物质积累速率增长维持时间长。缓释肥处理下玉米花后10～50 d叶面积指数高于尿素处理，缓释肥处理显著提高玉米生育后期植株Pn[22]。大喇叭口期追肥有利于后期光合产物的形成和积累[23]。付永强等[24]研究表明尿素基施后期生长脱靶，玉米干物质积累量低，尿素追施处理对吐丝后干物质积累增加显著，包膜尿素基施相比普通尿素处理增加吐丝前、后玉米干物质积累，显著提高玉米成熟期干物质积累量5.85%。本试验结果表明沟垄集雨种植下玉米株高、LAI、干物质积累量较平作增加了3.59%～9.38%、5.41%～11.39%、15.45%～20.23%，尿素追施处理有利于玉米生育后期的干物质积累，而缓释肥基施有利于整个玉米生育季内的地上部干物质积累。这是因为沟垄集雨处理对土壤水温环境的改善能够促进玉米生长，追肥与缓释肥基施满足玉米生育后期的氮素需求，有利于玉米干物质积累。

表3 各处理下春玉米产量及产量构成要素

玉米抽雄后干物质生产和转运决定了籽粒干物质的75%～90%[25]，本试验研究结果表明玉米籽粒干质量的81%～87%由吐丝后转运而来，由此可见吐丝后玉米所积累的干物质转运至籽粒的量决定了玉米产量的高低。刘胜尧等[25]研究表明沟垄集雨种植增大了玉米籽粒库容，干物质转运量大，灌浆期籽粒干物质积累速率高出对照17.84%。控释肥处理有利于花后干物质积累且营养器官干物质向籽粒中的转移量大，对籽粒的贡献率比较高[26]。本试验研究表明沟垄集雨种植吐丝后干物质积累量和输入籽粒量均高于平作。追肥处理和缓释肥处理吐丝期干物质转运率显著低于尿素基施，为玉米生育后期的干物质积累转运提供了有利条件。沟垄集雨种植较平作有利于春玉米地上部干物质的转运，在沟垄集雨下吐丝后缓释肥处理和追肥处理较高的干物质积累量和输入籽粒量，是其产量增加的前提。

3.2 沟垄集雨种植和氮肥对春玉米光合的影响

光合作用产物决定玉米干物质积累量的90%～95%[27]，可见光合作用对玉米生产的重要性。张玉等[28]研究结果显示沟垄集雨处理较平作显著增加小麦各生育时期的SPAD(42%～64%)和光和速率(22%～67%)；苏旺等[29]研究表明糜子各生育时期的Pn和Gs在沟垄集雨种植下均显著提高；李尚中等[30]研究表明垄盖膜际种植较平作提高了玉米功能叶光能转化效率；任小龙等[20]、韩娟等[31]在模拟降雨下研究发现沟垄集雨种植显著增加玉米Pn、Gs和SPAD；李永平等[32]研究表明沟垄集雨种植方式下玉米Pn、Tr和SPAD较平作增加10%、16%和17%。氮肥施用会显著改善光系统间协调性[33-34]。控释尿素相比常规尿素有利于玉米生长后期叶片光合能力表现在增加叶片Gs，提高叶片SPAD等[33]；赵斌等[26]研究发现控释肥处理花后的光合速率始终较高；刘朝巍等[35]研究不同施氮方式对玉米光合特性的影响发现在开花期和灌浆期追肥处理和缓释肥处理的Gs、Tr及Pn较高。本研究结果显示玉米吐丝期和灌浆期，沟垄集雨种植下各处理穗位叶的SPAD值、Gs及光和强度均高于平作下各处理，尿素基施的Pn均低于同等种植条件下的追肥处理与缓释肥处理，与前人研究结果一致。水肥条件是影响光合作用的重要因素[36-37]，玉米生育后期根系吸收氮素受限，植株衰老加快[38]，沟垄集雨种植良好的水分供应为玉米光合创造有利条件，沟垄集雨种植下缓释肥和尿素追施处理于玉米生育后期较好的氮肥供应有效地抑制植株衰老过程，为玉米保持较高光合的能力提供保障。

黄智鸿等[39]对高产玉米品种的研究发现玉米籽粒产量主要源于玉米后期光合产物的积累，玉米生育后期较高的LAI和SPAD是玉米高光和功能的象征，沟垄集雨种植和追肥、缓释肥处理结合改善田间水肥条件，可以维持玉米后期较高的SPAD、Gs和Tr，从而提高了玉米生育后期的光合能力。

3.3 沟垄集雨种植和氮肥对春玉米产量的影响

作物产量在一定程度上与植株LAI呈正相关[19]，并与各生育时期的Pn呈极显著相关[40]，玉米籽粒形成更与其合理的干物质转运特征密不可分。本试验结果表明沟垄集雨种植下玉米株高、LAI、Pn及干物质积累量均显著高于平作，百粒质量及产量分别较平作提高了9.51%～12.34%、7.43%～10.89%；尿素追施及缓释肥基施相较于尿素基施更有利于玉米保持较高的光合水平和较高的干物质积累及转运量，为玉米籽粒形成奠定了物质基础，相较于尿素基施提高了玉米百粒质量。李宗新等[21]研究表明施用控释肥显著提高夏玉米穗粒数和千粒质量达3.6%和8.4%，比尿素基施增产4.3%，沟垄集雨种植通过增加玉米穗粒数和千粒质量而增加产量[41]，与本研究结果一致。沟垄集雨种植下尿素追施或缓释肥基施保持了春玉米较高的光合水平，是作物稳产的生理保障。

4 结 论

沟垄集雨种植下氮肥追施或缓释肥基施结合，能够有效抑制玉米生育后期植株衰老进程，保证玉米籽粒形成期较高的光和水平，促进玉米植株干物质积累并合理协调库源平衡，构建良好的干物质转运特征，取得较尿素基施更好的产量效果。基于缓释肥减少劳力、稳定产量的优势，缓释肥基施的肥料管理模式在沟垄集雨种植下值得推广应用。

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