滴灌施肥水平对宁夏春玉米产量和水肥利用效率的影响

张富仓，严富来，范兴科，李国栋，刘 翔， 陆军胜，王 英，麻玮青



滴灌施肥水平对宁夏春玉米产量和水肥利用效率的影响

张富仓1，严富来1，范兴科2，李国栋1，刘 翔1， 陆军胜1，王 英1，麻玮青2

（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100）

为探讨不同滴灌施肥水平对春玉米产量及水肥利用效率的影响，应用滴灌施肥技术于2016和2017年在宁夏旱作节水科技园区试验站开展大田春玉米小区试验。以“先玉335”为试验材料，设置4个灌水水平（D75：75%ETc、D90：90%ETc、D105：105%ETc、D120：120%ETc，ETc为玉米需水量）和4个N-P2O5-K2O施肥水平：2016年为60-30-30 kg/hm2（F60）、120-60-60 kg/hm2（F120）、180-90-90 kg/hm2（F180）、240-120-120 kg/hm2（F240），2017年为150-70-70 kg/hm2（F150）、225-110-110 kg/hm2（F225）、300-150-150 kg/hm2（F300）、375-180-180 kg/hm2（F375），以1个充分灌水（120%ETc）无肥为对照（CK），共17个处理。研究不同水肥供应对春玉米株高、茎粗、叶面积指数（leaf area index，LAI）、地上部干物质累积量和产量的影响，并分析其水肥利用效率。2 a试验结果表明：灌水量和施肥量单因素对玉米株高、茎粗、LAI都有显著或极显著的影响，灌水量和施肥量耦合效应对玉米株高有极显著的影响；灌水量和施肥量对玉米成熟期地上部干物质的影响随着2 a施肥梯度的不同而有所差异，在低肥梯度的2016年，灌水量和施肥量对地上部干物质累积有显著的影响，其中D120F180处理籽粒地上部干物质最大，为12 691 kg/hm2，在高肥梯度的2017年，随着灌水量和施肥量的增加，75%ETc和105%ETc处理的地上部干物质累积量有先增加后减小的趋势，D90F300处理下籽粒地上部干物质累积量最大，为14 912 kg/hm2；在低肥梯度的2016年，灌水施肥量对春玉米产量有显著影响，D120F240处理产量最高，为14 400 kg/hm2，而在高肥梯度的2017年，D90F300处理玉米产量最高，为16 884 kg/hm2；2 a试验结果表明灌水量和施肥量对春玉米水分利用效率和肥料偏生产力都有极显著影响。基于春玉米产量和水分利用效率最大值的95%为置信区间优化水肥管理方案，兼顾节水节肥，推荐灌水量在323～446 mm、N-P2O5-K2O施肥量在210-104-104～325-163-163 kg/hm2。该研究结果对宁夏春玉米滴灌施肥管理具有重要指导意义。

灌溉；肥；蒸腾蒸发量；春玉米；产量；水分利用效率；肥料偏生产力

0 引 言

宁夏扬黄灌区是中国重要的粮食生产基地之一，农业用水占当地用水总量的90%左右[1]。随着引黄水量消减及非农业用水量的增加[2]，农业用水短缺逐渐成为制约当地农业可持续发展的因素之一。扬黄灌区农业用水浪费严重，农田灌溉的主要方式是大水漫灌，加之土壤质地偏砂性[3]，农田灌溉渗漏严重，导致灌溉水利用效率较低。同时，过量施肥和施肥方法落后也导致肥料利用率不高，因此，大力发展高效节水灌溉技术，提高农田水肥综合利用效率，对保障该地区农业的可持续发展与农田生态环境的改善具有重要意义。

应用田间试验手段研究水肥耦合对作物生长和水肥利用效率的影响是制定高效灌溉施肥制度的重要途径。特别是随着滴灌水肥一体化技术广泛应用于农业生产中，该技术能提高作物根区水肥分布的均匀度[4]，在保证作物高产的同时，既能节水节肥，又能大幅度地提高作物的水肥利用效率。目前，国内外在应用水肥一体化技术进行作物灌溉施肥方面已开展了诸多研究。已有研究表明，在砂质土壤下玉米滴灌比传统灌溉的水分利用效率更高[5]。邹海洋等[6]研究了甘肃河西地区玉米滴灌施肥水肥耦合效应，认为灌水量90%ETc～100%ETc、施肥量180-90-90（N-P2O5-K2O）kg/hm2是该地区春玉米最佳滴灌施肥策略。孙文涛等[7]在玉米滴灌水肥耦合试验发现，氮磷肥和灌水量及其交互作用对产量的影响都表现为正效应，其交互作用的效应顺序为氮水＞磷水＞氮磷。郭丙玉等[8]的滴灌水肥互作试验表明灌水与施氮均可显著增加玉米产量、穗粒数和穗粒质量，二者有明显的正交互作用，且以氮为主效应。刘洋等[9]认为增加施氮次数能显著增加产量，干物质质量和氮素吸收量随施氮量呈增加趋势，在玉米生育后期表现的更为明显。Sui等[10]评价了在中国东北地区膜下滴灌玉米产量增加的潜力和最佳施氮量，并认为滴灌具有节水和节肥的潜力。以往的研究多数集中在单一的灌水量和施氮量效应或水肥协同条件下的增产效应，通过产量和水分利用效率等来寻求最佳水肥组合。基于宁夏扬黄灌区潜在作物蒸发蒸腾量而确定适宜的春玉米滴灌水肥管理模式报道较少，本文结合当地农业生产实际，以提高春玉米生长、产量、水肥利用效率为目标，研究探索滴灌施肥条件下春玉米节水节肥、高产高效的灌溉施肥制度，为当地滴灌春玉米实施有效的水肥一体化管理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016和2017年4－9月在宁夏回族自治区科技厅旱作节水科技园区试验站进行，该试验站位于吴忠市同心县王团镇（36°50′N，105°60′E），地处中温带半干旱大陆性气候区，多年平均气温8.6 ℃，多年平均日照时数为3 024 h，无霜期120～218 d。多年平均降水量272.6 mm，平均蒸发量2 325 mm。试验区土壤为砂壤土，土壤容重为1.43 g/cm³，田间持水量为20.25%（质量含水量），全氮0.65 g/kg，有机质8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效钾170.00 mg/kg，pH值7.83，地下水埋深40 m以上。试验区2016和2017年玉米生育期（4—9月）内降雨量分别为142和283 mm（图1），试验区玉米播种到收获前20 d左右的有效降雨量分别为100和190 mm。

图1 2016年和2017年春玉米生育期内降雨量和多年平均潜在作物蒸腾蒸发量（ET0）

1.2 试验设计

高聚林等[11]研究表明粮用玉米的适宜N∶P2O5∶K2O比例大致为1.0∶0.5∶1.0。本试验考虑到灌区土壤初始速效钾含量较高，调整N∶P2O5∶K2O的比例为1.0∶0.5∶0.5。试验设滴灌灌水量和施肥量2个因素，以施肥量为主区，灌水量为副区。施肥量设4个水平（N-P2O5-K2O），2016年设置低肥梯度水平，分别为：F60（60-30-30 kg/hm2）、F120（120-60-60 kg/hm2）、F180（180-90-90 kg/hm2）和F240（240-120-120 kg/hm2）。由于2016年产量最高的施肥处理为F240处理，所得实际产量偏低，因此2017年在此基础上提高了施肥水平，调整为高肥梯度水平（N-P2O5-K2O）：F150（150-70-70 kg/hm2）、F225（225-110-110 kg/hm2）、F300（300-150-150 kg/hm2）和F375（375-180-180 kg/hm2）。根据作物需水量（crop transpiration, ETc），设4个灌水量水平：D75（75%ETc）、D90（90%ETc）、D105（105%ETc）、D120（120%ETc）。以充分灌水（D120）且无肥作为对照（CK）。ETc计算如下[12]：

式中ET0是根据FAO-56 Penman Monteith (FPM)计算的试验区2001－2015年玉米生长季潜在作物蒸发蒸腾量（图1），K为玉米的作物系数，根据作物生育阶段而定，苗期取为0.7、拔节-灌浆取1.2、乳熟-成熟取0.6[12]。由于该地区春玉米农业生产中为了控制苗期过快生长，在苗期末期才开始灌水，另外为确保每个灌水处理单次灌水后均不发生深层渗漏，用式（2）计算试验区0～100 cm土壤最大储水量，为286 mm。加上该地区为水库抽水灌区，需采取轮灌工作制度。因此，设计灌水间隔为12 d，遇降雨灌水日期顺延（以人进入作物根区土壤表面行走而不产生凹陷并能进行管理的日期为准）。土壤储水量计算公式为[13]

式中为土壤储水量，mm；θ为第层土壤体积含水率，%；h为第层土壤厚度，cm；为测土壤体积含水率时的层序，每20 cm为一层，共5层。由于2017年春玉米播种后土壤含水率较低，灌了1次缓苗水，每个处理灌了22.48 mm；另外，该年8月份有效降雨量较大，而第7、8和9次灌水时主要考虑随水施肥。但灌水量过少只能把肥料输送至地表，无法将肥料运送至春玉米主要根系活力区[14-15]，不利于根系对肥料的吸收。因此，D75处理灌水量为20 mm左右，其余处理按比例调整。2016年和2017年春玉米生育期内灌水量和灌水日期见表1。

1.3 田间试验

供试春玉米品种为“先玉335”，为当地推广的密植品种。2016年4月10日播种，2016年9月16日收获，共160 d；2017年4月12日播种，2017年9月18日收获，共160 d。玉米采用宽窄行播种（宽行玉米间距为70 cm，窄行玉米间距为40 cm）和一条滴灌带控制2行春玉米种植方式，滴灌带布设在窄行玉米中间。滴灌带滴头间距为30 cm，滴头流量2.5 L/h，滴头工作压力0.1 MPa，玉米株距为20 cm，种植密度为90 900株/hm2。为保证灌水与施肥的均匀性，采用横向供水方式[16]，每小区长为27.5 m，宽为6.6 m，小区面积为181.5 m2，小区随机区组排列，每个处理3次重复。

表1 春玉米滴灌灌水试验方案

注：D75、D90、D105和D120分别表示75%ETc、90%ETc、105%ETc和120%ETc(ETc为作物需水量)，下同。

Note: D75, D90, D105and D120represent 75%ETc, 90%ETc, 105%ETcand 120%ETc, respectively (ETcis crop evapotranspiration), the same as below.

春玉米2 a试验采用水肥一体化的滴灌施肥方式，肥料选用尿素（N-46.4%）、磷酸一铵（N-12%、P2O5-61%）和硫酸钾（K2O-52%）（均为质量分数）。2016年整个生育期施肥7次，分别为苗期1次、拔节期2次、吐丝期2次，灌浆期2次，每次施肥量占总施肥量的比例分别为苗期10%、拔节期30%、吐丝期30%、灌浆期30%；2017年整个生育期共施肥8次，分别为苗期1次、拔节期2次、吐丝期3次，灌浆期2次，每次施肥量占总施肥量的比例分别为苗期10%、拔节期30%、吐丝期35%，灌浆期25%。

1.4 测定项目和方法

1.4.1 植株生长指标测定

在春玉米吐丝期中期测定株高、茎粗和叶面积指数。每个小区选取有代表性的植株5株，用游标卡尺测定茎粗，用卷尺测定株高，所有叶片长度和最大宽度，计算叶面积指数，叶面积指数（leaf area index, LAI）计算公式[17-18]为

式中为叶片数；l为单叶片长度，cm；b为单叶片最大宽度，cm；为单株占地面积，cm2。

1.4.2 地上部干物质累积量与产量的测定

在春玉米成熟时期取样，每个小区选取有代表性的植株5株，从茎基部与地上部分离，去除表面污垢后各器官分离，放入烘箱在105 ℃杀青0.5 h，75 ℃下烘至恒质量，采用电子天平称量并计算单株地上部干物质量，最后换算成群体生物量（kg/hm2）。

在玉米收获后进行产量及其构成要素测定，选取小区中间相邻2条滴灌带控制的4行玉米，连续取10株，风干后测定穗长、穗粗、行粒数和秃尖长，脱粒测定总质量及其百粒质量，最终折算成含水率为14%的籽粒产量[9]。

1.4.3 水分利用效率、灌溉水利用效率及肥料偏生产力

水分利用效率（water use efficiency, WUE）计算公式[19]为

灌溉水利用效率的计算公式[21]为

IWUE=/（7）

式中IWUE为灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency），kg/m3。

肥料偏生产力的计算公式[22]为

式中PFP为肥料偏生产力（partial factor productivity of fertilizer），kg/kg；F为所施N、P2O5、K2O的总量，kg/hm2。

用Microsoft Excel 2013进行数据处理；用SPSS 18.0统计分析软件对试验数据进行方差分析；用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对春玉米生长的影响

表2为2 a试验不同水肥处理对春玉米株高、茎粗和LAI的影响。结果表明，灌水量对株高和LAI的单因素影响极显著（<0.01），对茎粗的单因素影响显著（<0.05）；施肥量对三者的影响均极显著（<0.01）；两者的交互作用只对株高有极显著性影响（<0.01），对茎粗和LAI的影响均不显著（＞0.05）。由表2可知，D75、D90和D105灌水水平下，2016年F180处理株高显著高于F120处理（<0.05），2017年F150处理显著低于F225处理（<0.05）；D120灌水水平下，2016年与F120处理相比，F60处理有显著性降低（<0.05），2017年F225处理显著低于F375处理（<0.05）。比较2 a试验各处理茎粗之间的差异性可知，2016年试验同一施肥水平中，除D120F60处理茎粗值显著高于D90F60和D105F60处理（<0.05），其余处理均无显著性差异（＞0.05）；2017年试验同一施肥水平中，除D105F300处理茎粗值显著低于D120F300处理（<0.05），其余处理均无显著性差异（＞0.05）。

表2 2016和2017年水肥处理对春玉米株高、茎粗和叶面积指数的影响

注：同列不同字母表示显著性差异（＜0.05），*表示达到显著水平（＜0.05），**表示达到极显著水平（＜0.01），CK为充分灌水（120%ETc）无肥处理，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference (＜0.05), * means significant(＜0.05), **means much significant(＜0.01), CK was the fully irrigated (120%ETc) without fertilizer application, the same as below.

LAI是反应作物群落叶面积变化的重要参数，和一定范围的光合作用、蒸腾作用和生物量的形成等密切相关，对作物高产有着重大的生产意义[23-24]。由表2可知，D75灌水水平下，2016年F180处理的LAI显著高于F120处理（<0.05），2017年F150处理显著低于F225处理（<0.05）；D90灌水水平下，2016年F180和F240处理显著高于F120处理（<0.05），2017年F225处理显著低于F300处理（<0.05）；D105灌水水平下，2016年F180和F240处理显著高于F120处理（<0.05），2017年F225处理显著高于F150处理（<0.05），且显著低于F375处理（<0.05）；D120灌水水平下，2016年F60处理比F120处理有显著性降低（<0.05），2017年F225处理显著高于F150处理（<0.05）。

总体看来，施肥能明显地促进春玉米株高和LAI的增长。2 a试验中，D75与D90灌水水平下，株高随施肥量的增加呈现先增加后趋于稳定，而在D105与D120灌水水平下，株高随施肥量的增加而增加，并且增加速率在慢慢减小。相同灌水处理下，2017年的株高、茎粗和LAI指数普遍高于2016年，这可能是因为2016年降雨量和施肥量较小，不能有效地满足该地区春玉米的生长。2 a试验LAI最大值分别为5.40（2016年）和5.82（2017年），相对应的处理分别为D120F240处理和D120F375处理，与同一施肥水平下的LAI无显著性差异，但显著高于2016年F120处理（D120F120处理除外）和2017年F150处理（<0.05）。试验结果表明适当提高春玉米的施肥量，能明显地增加LAI和株高，但当施肥量达到一定程度后，株高和LAI将趋于平稳。

2.2 不同水肥处理对春玉米地上部干物质累积的影响

地上部干物质量可以反映作物生长情况，往往很大程度上能影响产量的多少[25]。由图2可知，与CK处理相比，施肥能明显地提高春玉米地上部干物质累积量。2016年D105F240处理下的地上部干物质累积量值最大，达到26 513 kg/hm2，与D75F240和D90F180处理相比分别提高了16.74%和16.88%（<0.05），与D120F180和D120F240处理无显著差异（>0.05）；2017年D90F375处理下的地上部干物质累积量值最大，达到31 165 kg/hm2，与D75F300、D105F300、和D120F225处理相比分别提高了7.63%、7.92%和14.65%（<0.05）。

注：不同字母表示同一灌水水平下，不同施肥处理间地上部干物质累积总量差异显著（<0.05）。

Note: Different letters indicate total aboveground biomass among fertilization treatments is significantly different under the same irrigation level (<0.05).

图2 2016年和2017年不同水肥处理对春玉米地上部干物质累积量的影响

Fig.2 Effects of different water and fertilizer treatments on aboveground biomass of spring maize in year of 2016 and 2017

总体看来，2016年成熟期地上部干物质量整体呈现出F180、F240处理高于F60、F120处理，但2017年随着施肥量的增加，地上部干物质量呈现出先增加后减小的趋势（D90F375和D120F375处理除外）。春玉米成熟期地上部干物质累积量主要集中在籽粒中，2016年D120F180处理下的籽粒地上部干物质量最大，为12 691 kg/hm2，占地上部干物质总累积量的比例为48.35%，与D120F240和D105F240处理无显著性差异（＞0.05）；2017年D90F300处理下的籽粒干物质量最大，为14 912 kg/hm2，占地上部干物质总累积量的比例为51.61%，相比于D90F375处理下的籽粒干物质量增加了14.99%（<0.05），与所占地上部干物质累积量的比例平均增长了10.00%（<0.05）。说明株高偏高虽然增大了营养器官的干物质累积量，却影响到了籽粒干物质的积累，使得籽粒所占总干物质的比例减小，降低作物产量。因此，合理的水肥供应对提高作物产量尤为重要。

2.3 不同水肥处理对春玉米产量及产量构成要素的影响

由表3可知，施肥能显著地提高玉米籽粒的产量，不同的灌水量和施肥量对玉米籽粒的产量及其产量构成要素有不同程度的影响。2 a试验结果表明，灌水量对产量及其构成要素的影响低于施肥量的影响。施肥量对产量及其产量构成要素均有极显著影响（<0.01），灌水量对行粒数和产量有极显著影响（<0.01），水肥的交互作用对产量构成要素有极显著影响（2016年灌水量和施肥量交互作用对穗粗的影响除外）（<0.01），对产量有显著影响（<0.05）。

总体看来，在2016年低肥梯度水平和相同灌水水平条件下，春玉米籽粒产量随施肥量的增加而增加，而当2017年相应的增加施肥量后，籽粒的产量随施肥量增加先增加后减小。以D90和D105灌水水平为例，2016年，在相同灌水水平条件下，F240处理的产量虽然与F180处理无显著差异（＞0.05），但显著高于其他处理（<0.05），而在2017年相同灌水条件下，F300处理籽粒产量显著高于其他处理（<0.05）。另外，2016年，D105F180处理在产量方面有着明显的优势，该处理在N-P2O5-K2O施肥量减少60-30-30 kg/hm2，灌水量减少82 mm的情况下，仍与最高产量D120F240处理产量（14 400 kg/hm2）无显著差异（＞0.05）。但2017年相应增加施肥量后，D90F300处理产量最高，为16 884 kg/hm2，并显著高于其他处理（<0.05），比D75F300、D105F300和D120F300处理分别提高了11.00%、7.32%和13.85%（<0.05）。

2.4 不同水肥处理对春玉米WUE、IWUE及PFP的影响

由表4可知，灌水量是造成耗水量（ET）差异的主要原因，并且与ET正相关。由于2017年降雨量大于2016年，造成2017年ET普遍高于2016年。2 a试验表明灌水对ET有显著影响（<0.05），但随着灌水量的增加，各施肥处理间的ET无显著影响（＞0.05）。

由表4可知，2016年D75灌水水平下，F180处理的WUE显著高于F120和F240处理（<0.05），D90灌水水平下，F240处理的WUE显著高于F180处理（<0.05），D105、D120灌水水平下，F180处理的WUE显著高于F120处理（<0.05），与F240处理无显著差异（＞0.05）；2017年相同灌水水平下，F300处理均显著高于F225处理和F375处理（D105和D120灌水水平下，F300处理的WUE与F375处理无显著差异）。总体看来，灌水量和施肥量单因素或交互作用对WUE和IWUE均有显著性影响（<0.05），在2016年低肥梯度水平和相同灌水水平条件下，WUE和IWUE均随施肥量增加而增加（D75和D90灌水处理WUE除外），而当2017年相应的增加施肥量后，WUE随施肥量的增加先增加后减小。

肥料偏生产力（PFP）是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的指标。在相同的灌水水平中，PFP与肥料的施用量成反比。总体看来，灌水量和施肥量单因素或交互作用对PFP均有极显著影响（<0.01）。2016年D120F240与D105F180产量无显著差异（＞0.05），但PFP却显著低于D105F180处理（<0.05）；2017年产量最高处理（D90F300）相对应的PFP为28.14 kg/kg，与D75F225和D105F225处理无显著性差异（＞0.05）。2016年D105F180处理的PFP值与D75F240、D90F240、D105F240和D120F240处理相比，分别提高了57.28%、46.02%、31.89%和27.77%（<0.05）；2017年D90F300处理的PFP值与D75F300、D105F300和D120F300处理相比，分别提高了11.00%、7.32%和13.88%（<0.05）。

表3 2016和2017年不同水肥处理对春玉米产量及产量构成要素的影响

表4 2016和2017年不同水肥处理对水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）及肥料偏生产力（PFP）的影响

2.5 基于春玉米产量和WUE的水肥管理方案优化

考虑2 a施肥水平和灌水量的不同，因此将2 a试验结果进行综合分析：分别以春玉米产量、WUE和PFP为因变量，以灌水量和施肥量为自变量，基于最小二乘法，运用Mathematica 9.0对数据进行回归分析，结果如表5所示。当产量达到最大值时，灌水量为446 mm，施肥量（N-P2O5-K2O）为325-163-163 kg/hm2；当WUE达到最大值时，灌水量为349 mm，施肥量（N-P2O5-K2O）为297-149-149 kg/hm2；当PFP达到最大值时，灌水量为541 mm，施肥量（N-P2O5-K2O）为60-30-30 kg/hm2；可见，相同的灌水施肥条件下，很难同时满足产量、WUE和PFP均达到最大值。进一步分析考虑将三者最大值95%、90%、85%和80%的置信区间为可接受性对三者同时进行优化处理发现，随着置信区间的增加，产量和WUE所重叠的阴影区域也逐渐增加，由于PFP与产量和WUE变化规律相反，使得PFP最大值95%、90%、85%和80%的置信区间与产量和WUE的置信区间均无重叠区域，若继续增大优化区间，优化结果会大大减小产量和WUE，不符合现实高产与节水目标，故单独考虑产量与WUE的优化，计算当产量和WUE分别达到最大值的95%置信区间内时所需要的灌水量和施肥量，结果如图3所示，当灌水量在323～460 mm，施肥量（N-P2O5-K2O）在210-104-104～412-205-205 kg/hm2时，产量和WUE均能同时达到最大值的95%以上。然而灌水量在446～460 mm，施肥量（N-P2O5-K2O）在325-163-163～412-205-205 kg/hm2时，产量和WUE虽然能同时达到最大值的95%以上，但产量呈下降趋势。以最大产量和最大WUE的95%为置信区间，兼顾节水节肥的目标，选择优化区间为：灌水量在323～446 mm，施肥量(N-P2O5-K2O)在210-104-104～325-163-163 kg/hm2。此时，PFP（22.81～33.74 kg/kg），约为PFP最大值的30%。

表5 水肥供应与春玉米产量、水分利用效率和肥料偏生产力的回归关系

注：和分别代表灌水量和N-P2O5-K2O施肥量。

Note:andrepresent amount of irrigation water and N-P2O5-K2O fertilizer application rate, respectively.

注：图中圆的散点代表2 a实测值，阴影区域分别代表产量、WUE最大值95%的置信区间和肥料偏生产力最大值80%的置信区间。

3 讨 论

3.1 不同水肥供应对春玉米生长、地上部总干物质量和产量的影响

土壤水分是土壤养分释放的基础，施肥能提高作物的水分利用效率，适宜的水肥供应对作物的生长和增产具有显著的正耦合效应[26-27]，但肥料供应过多会使作物“徒长”，对产量形成不利[28-29]。本研究发现2016年75%ETc～105%ETc和2017年75%ETc～90%ETc灌水水平下，株高随施肥量的增加呈先增加后趋于平稳，而在2016年120%ETc和2017年105%ETc灌水水平下，株高随施肥量增加先增加后减小；2 a试验相同施肥处理下，除2016年D120F60处理茎粗值显著高于D90F60和D105F300处理和2017年D105F300处理茎粗值显著低于D120F300处理，其余处理均无显著性差异。相同灌水处理下，2017年的株高、茎粗、LAI指数和地上部干物质累积量普遍高于2016年，这可能是因为2016年降雨量和施肥梯度较小，不能有效地满足该地区春玉米的生长。2 a试验2016年D120F240处理和2017年D120F375处理LAI值最大，并显著高于2016年F120处理（D120F120处理除外）和2017年F150处理，说明LAI和株高并不是随施肥量的增加而线性增加的。2016年试验中，D105F180处理的籽粒产量与D120F240处理无显著性差异（＞0.05），但显著高于D90F240处理（<0.05），2017年试验中，D90F300处理的籽粒产量显著高于其他处理（<0.05）。这与邹海洋等[6]得出的膜下滴灌条件下90%ETc～100%ETc灌水水平、180-90-90(N-P2O5-K2O) kg/hm2施肥水平下产量最高，郭金金等[30]180 kg/hm2施氮量下玉米的株高、茎粗、LAI值最大的结论不尽相同，这可能与试验土壤质地，灌水量或施肥量、试验材料品种和种植密度不同有关。本研究中，90%ETc灌水水平和300-150-150（N-P2O5-K2O）施肥水平下的产量最高，但株高、LAI和地上部干物质累积量却没有取得最大值，2017年试验中D120F375处理的株高值取得最大，D90F375处理的地上部干物质累积量取得最大，均显著高于D90F300处理（<0.05），但D90F300处理下籽粒干物质累积量占地上部干物质总累积量的比例相比于D90F375处理下的籽粒干物质量增加了14.99%（<0.05），与所占地上部干物质累积量的比例平均增加了10.00%（<0.05），表明增加水肥供应虽然会增加春玉米的株高和LAI，但若水肥供应过多同样会减小籽粒干物质量，降低地上部干物质量，使得产量减少；D120F375处理的茎粗值和LAI值取得最大，但产量显著低于D90F300处理（<0.05）。因此，在滴灌施肥条件下，灌水量和施肥量的合理配比应被重点考虑。

3.2 不同水肥供应对春玉米WUE、PFP的影响及优化水肥管理方案

邵国庆等[31]认为在相同灌水条件下，增加施氮量能显著提高玉米的水分利用效率；Alkaisi等[32]研究发现灌水量和施氮量对WUE均有显著性影响。本研究中得到与之相似的结果，在2017年高肥梯度同一灌水水平下，WUE值随施肥量增加先增加后减小，当施肥量(N-P2O5-K2O)达到300-150-150 kg/hm2时，WUE达到最大值，比较该施肥条件下的各灌水水平，D120F300处理WUE值最低。在2a试验中，D90F300处理（2017年）的产量最高，WUE分别显著高于D120F240处理和D120F375处理（<0.05），说明适宜的灌水量和施肥量能增加WUE，选取合适的中水高肥处理，达到“以肥调水”的效果。

施肥和灌水对棉花[33-34]、番茄[35]和马铃薯[36]等作物PFP均有极显著的影响（<0.01），在同一灌水水平下，随施肥量的增加PFP显著下降（<0.05）。本研究结果与之相似，在2016试验处理中D105F60处理的PFP与D120F60处理无显著性差异（＞0.05），但显著高于其他处理（<0.05）；2017年试验处理中，D90F150处理下的PFP显著高于其他处理（<0.05），但产量却显著低于最高产量处理（<0.05），从追求高产目标来说，该灌水水平和施肥水平的组合并不合理。

本论文在优化水肥管理方案时，考虑到PFP最大值80%置信区间与产量和WUE无重叠区域，继续增加优化区间会导致产量和WUE大大减小，故先基于产量和WUE对水肥管理方案进行优化，分析产量、WUE与灌水量、施肥量之间的关系，考虑最大值95%的置信区间为可接受性，并保证区间内产量为非递减趋势，得出灌水量在323～446 mm，N-P2O5-K2O施肥量在210-104-104～325-163-163 kg/hm2时，优化区间所得到的PFP在22.81～33.74 kg/kg，产量和WUE均能达到最大值的95%以上。本优化是基于2 a的试验结果，2 a降雨量差异较大，不同年份的气象差异可能会使得试验结果及优化区间有所不同，优化的结果还需进一步的田间试验验证。

4 结 论

本文研究不同滴灌水肥供应对宁夏春玉米生长、产量及水肥利用效率的影响，结果表明：

1）灌水量和施肥量对玉米株高、茎粗、叶面积指数都有显著和极显著的影响；在2016年低肥梯度水平下，灌水量和施肥量对干物质累积有显著的影响，其中D120F180处理籽粒干物质最大为12 691 kg/hm2，在2017年高肥梯度水平下，随着灌水量和施肥量的增加，地上部干物质累积量有先增加后减小的趋势（D90F375和D120F375处理除外），D90F300处理下籽粒干物质累积量最大为14 912 kg/hm2。

2）在低肥梯度的2016年，灌水量和施肥量的交互作用对春玉米产量有显著影响，而在高肥梯度的2017年，春玉米产量随灌水量和施肥量的增加呈现先增加后减小的趋势，灌水量和施肥量对玉米水分利用效率、灌溉水分利用效率和肥料偏生产力都有显著和极显著的影响。基于春玉米产量、水分利用效率和肥料偏生产力优化水肥管理方案，考虑区间内产量为非递减趋势得出灌水量在323～446 mm，N-P2O5-K2O施肥量在210-104-104～325-163-163 kg/hm2时，所得到的PFP为22.81～33.74 kg/kg，产量和水分利用效率均能达到最大值的95%以上，为适宜的滴灌施肥区间。该研究结果对宁夏春玉米滴灌施肥管理具有重要指导意义。

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Effects of irrigation and fertilization levels on grain yield and water-fertilizer use efficiency of drip-fertigation spring maize in Ningxia

Zhang Fucang1, Yan Fulai1, Fan Xingke2, Li Guodong1, Liu Xiang1, Lu Junsheng1, Wang Ying1, Ma Weiqing2

(1.712100,; 2.712100,)

To explore the effects of different drip irrigation and fertilization levels on spring maize yield as well as water- fertilizer use efficiency, a 2-yr field experiment was carried out in the Water-saving Science and Technology District of Ningxia in 2016 to 2017. The spring maize variety of “Xianyu 335” was planted. There were 4 irrigation levels (75%ETc, 90%ETc, 105%ETcand 120%ETc, where ETcis the crop evapotranspiration) and 4 N-P2O5-K2O fertilization levels including 60-30-30 kg/hm2, 120-60-60 kg/hm2, 180-90-90 kg/hm2, 240-120-120 kg/hm2in 2016, and 150-70-70 kg/hm2, 225-110-110 kg/hm2, 300-150-150 kg/hm2, 375-180-180 kg/hm2in 2017. A control treatment with fully irrigated (120%ETc) with no fertilization was also set up. There were 17 treatments in total. The plant height, stem diameter, leaf area index (LAI), aboveground biomass and grain yield of spring maize were measured. The water use efficiency (WUE), irrigation water use efficiency (IWUE) and partial factor productivity of fertilizer (PFP) were also calculated. The 2-yr results showed that the single factor of irrigation and fertilization had significant or extremely significant effects on the plant height, stem diameter and LAI. Irrigation and fertilization had a significant coupling effect on the plant height of spring maize. The effects of irrigation and fertilization on the aboveground biomass at maturity varied with the fertilizer gradients. With low fertilizer application rate in 2016, the irrigation and fertilization treatments had significant effects on the aboveground biomass, with the maximum of 12 691 kg/hm2in the treatment of irrigation 120%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 180-90-90 kg/hm2. With the high fertilizer application rate in 2017, the aboveground biomass of 75%ETcand 105%ETcwere first increased and then decreased with the increase in the irrigation amount and fertilizer application rate, reaching the maximum of 14 912 kg/hm2in the treatment of 90%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 300-150-150 kg/hm2. Irrigation and fertilization had a significant effect on the grain yield of spring maize in 2016, with the maximum of 14 400 kg/hm2in the treatment of 120%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 240-120-120 kg/hm2. The grain yield in 2017 reached the maximum of 16 884 kg/hm2in the treatment of 90%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 300-150-150 kg/hm2. In 2016, the WUE and IWUE were the highest in the treatment of 75%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 180-90-90 kg/hm2but the PFP was the highest in the treatment of 120%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 60-90-90 kg/hm2. In 2017, the IWUE were the highest in the treatment of 75%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 300-150-150 kg/hm2but the PFP was the highest in the treatment of 90%ETcandN-P2O5-K2O application rate of 150-70-70 kg/hm2. By multiple regression, the treatments of irrigation and fertilizer application rate were different when the maximal yield, WUE and PFP were obtained. When the irrigation amount was 323-446 mm and the N-P2O5-K2O application rate was between 210-104-104 kg/hm2and 325-163-163 kg/hm2, the yield and WUE could reach 95% confidence interval of maximal yield and maximal WUE while the PFP under the this combined treatment was only about 30% of maximal PFP. The results could provide guidance to field irrigation and fertilizer application in the field in Ningxia.

irrigation; fertilizers; evapotranpiration; spring maize; yield; water use efficiency; partial factor productivity of fertilizer

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Zhang Fucang, Yan Fulai, Fan Xingke, Li Guodong, Liu Xiang, Lu Junsheng, Wang Ying, Ma Weiqing. Effects of irrigation and fertilization levels on grain yield and water-fertilizer use efficiency of drip-fertigation spring maize in Ningxia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 111－120. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.014 http://www.tcsae.org

2018-06-13

2018-08-10

国家重点研发专项（2017YFC0403303）；国家“十二五”863计划项目课题（2011AA100504）；国家“十二五”科技支撑计划“黄土高原扬黄灌区（宁夏）增粮增效技术研究与示范”（2015BAD22B05）；教育部高等学校创新引智计划项目（B12007）

张富仓，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：zhangfc@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.014

S157.4+1; S275.6

A

1002-6819(2018)-22-0111-10