水氮限量供给对盐渍化农田玉米光能利用与产量的影响

徐 昭 史海滨 李仙岳 田 彤 付小军 李正中

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.内蒙古河套灌区解放闸灌域管理局沙壕渠试验站， 巴彦淖尔 015400)

0 引言

河套灌区是国家重要的粮食产区[1]，保障灌区农业的可持续发展对于国家粮食安全意义重大。然而，水资源短缺[2]、土壤盐渍化[3]以及氮素流失造成的环境污染[4]等问题制约了河套灌区农业的可持续发展。因此，在地面灌溉作为灌区基本灌水方式的背景下，改进水氮模式、提高水氮利用率对促进灌区经济、环保、可持续的农业生产具有重要现实意义。

为了达到可持续的农业生产，作物水氮管理的改进需要通过深入了解其在限量水氮条件下的生理过程，利用尽可能低的水氮投入获得较大的经济产量。光合作用是产量的直接来源[5]，而光能是作物进行光合作用等生理活动的主要驱动因子[6]。与水、肥等资源相比光能具有无限制性的特点，但它又是瞬时性的不能被储存，所以一定时间空间范围内光能截获和利用能力决定着农业系统的生产潜力[7-8]，实现作物光能利用的调控就成为作物生产的核心目标。已有研究表明，栽培管理措施等因素通过影响作物冠层结构及冠层形成过程，进而影响作物的光能利用[9-10]，作物产量与生长后期光能利用关系极为密切[11]。而关于作物光能利用的研究多以不同种植方式(间套作、密度)、品种形成不同群体结构，对作物冠层光能截获、分布以及光能利用率等进行研究[12-13]。灌水和施氮对以上生理生态过程具有显著的影响，关于水、氮对光能利用的研究也引起了不少学者的关注。HAMZEI等[14]研究表明，水、氮及交互作用显著影响油菜光截获率和光能利用效率，生物产量与光能截获量呈显著正相关；谷晓博等[15]研究发现，水、氮对光能利用效率(RUE)的影响有显著的交互作用，中水中氮能显著提高冬油菜的RUE，而过量灌溉或施氮对冬油菜RUE促进作用不明显，甚至有下降趋势；张珂珂等[16]研究表明，减氮补水处理在灌浆期明显改善了群体的光照环境，其孕穗期叶面积指数最高，灌浆期叶面积指数下降速率最慢，延长了叶片的功能期，光合势平均提高9.7%，提高了光能利用，最终产量最高。同样也有学者研究得出，土壤盐分是影响旱区作物生产的又一关键因素[17]，盐分通过抑制株高、叶面积指数等指标[18]显著影响作物冠层结构，进而影响作物群体光能利用。此外，过量施用氮肥有可能加重土壤的盐渍化，并且增大土壤盐分对作物生长的抑制作用[19]。在河套灌区土壤盐渍化程度高、地下水埋深较浅的特殊环境下，不同水氮条件对盐渍化农田作物光能利用及产量的影响研究还未引起足够的重视，水氮互作的增产效应与光能利用间的关系还需进一步研究。

本文以河套灌区主要粮食作物玉米为研究对象，以当地常规水氮用量为参照，探究氮肥施用与水资源限量条件下盐渍化农田玉米在生殖生长阶段如何优化资源获取策略，以实现光能利用的调控，并以光能高效利用和稳产为依据，确定盐渍化农田玉米种植适宜水氮用量，以期为河套灌区畦灌条件下玉米农田水氮管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年4—9月在内蒙古河套灌区沙壕渠试验站(40°54′25″ N，107°9′28″ E，海拔1 038 m)进行。该试验地多年平均气温7.7℃，无霜期135～150 d。大于10℃的年积温为3 551℃，年平均日照时数3 200 h，全年太阳总辐射约为6 000 MJ/m2，热量充足，其中玉米种植面积已达到灌区总播种面积的1/3以上。该地区属于典型的干旱地区，多年平均降雨量143 mm，蒸发量2 100 mm。玉米生长季降雨量为130 mm(图1)，玉米抽雄期和灌浆期的太阳辐射分别为280.0、721.1 MJ/m2。

试验田土壤具有明显分层，0～20 cm土层为粉壤土，20～40 cm土层为粉质黏壤土，40～60 cm土层为粉壤土，60～100 cm为砂壤土。试验田0～100 cm平均土壤容重1.48 g/cm3，平均田间持水率为25.01%，播种前0～100 cm平均土壤电导率为0.595 dS/m。试验前表层0～30 cm土壤速效氮、速效磷、速效钾和有机质质量比分别为 16.31 mg/kg、5.26 mg/kg、128.75 mg/kg和4.23 g/kg。

图1 2016年玉米生长季降雨量和气温Fig.1 Rainfall and air temperature during growing season of maize in 2016

1.2 试验设计

田间试验采用当地常规畦灌，设水、氮两个因素。参照当地玉米种植常规灌溉量[20]和施氮量[21]，设3个灌水水平，分别为W1(低水)、W2(中水)、当地常规灌溉量W3(高水)；3个施氮水平，分别为N1(低氮)、N2(中氮)、当地常规施氮量N3(高氮)。试验共设9个处理，3次重复，共27个小区，各小区长7 m，宽5 m，面积为35 m2。各小区间打15 cm高田埂并埋设1 m深聚氯乙烯塑料布隔离。

供试玉米品种为内单314，大小行种植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm。根据当地生产实践，播前施450 kg/hm2基肥磷酸二铵(含氮质量分数18%)，剩余氮肥以尿素(含氮质量分数46%)的形式分别在玉米拔节期及大喇叭口期灌溉时追施(施氮量各占1/2)。全生育期在拔节期、大喇叭口期、灌浆期进行3次灌水，灌水量通过水表记录，具体灌水和施氮设计见表1，施氮量为换算后的纯氮素量。

1.3 观测项目与方法

1.3.1土壤含水率和电导率

取土样分6层，分别为：0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。采用干燥法测定土壤含水率，采用电导率仪测定土水质量比为1∶5的土壤浸提液的电导率。

表1 灌溉和施氮量设计Tab.1 Design of amounts and dates of water and nitrogen application

1.3.2叶面积指数和地上生物量

玉米出苗后每10～15 d取样测定1次叶面积和地上生物量，每个处理选取长势较均匀的3株玉米。测定完叶面积以后，将样品移至干燥箱，在105℃的通风干燥箱中杀青30 min，然后70℃下干燥至恒定质量，测定单株的干质量。

1.3.3光合势

光合势是反映作物群体绿叶面积大小及其持久性的生理指标，其大小直接反映了叶片的光合能力大小[22]，计算式为[23]

LAD=(LAI1+LAI2)(t2-t1)/2

(1)

式中LAD——作物群体光合势，(m2·d)/m2

LAI1、LAI2——前后两次测定的叶面积指数，m2/m2

t1、t2——前后两次测定时间，d

1.3.4叶倾角

叶倾角是叶柄法线与水平面的夹角。每个处理选长势较均匀的3株玉米，在田间活体测定主茎和不同叶位叶片的叶基角(叶片与茎的夹角)和叶片面积，叶基角的余角即为叶倾角[24]。冠层平均叶倾角计算式为[24]

(2)

式中MFIA——作物冠层平均叶倾角，(°)

MFIAi——第i片叶的叶倾角，(°)

LAi——第i片叶的叶面积，m2

LA——植株总叶面积，m2

1.3.5产量、千粒质量和单株籽粒数

玉米成熟时，在各小区非边行选取标准样株20株，单独收获考种测产，并分别测定每株籽粒的数量。然后混合均匀，随机取1 000粒，测定籽粒千粒质量，重复3次，取均值。

1.3.6光合有效辐射(PAR)

参考WANG等[25]和崔亮等[12]测定方法，在玉米拔节期灌水后利用 AccuPAR LP-80 型冠层仪(Decagon Devices, Pullman, 美国)测定冠层顶部30 cm和底部的PAR，每隔10～15 d选择晴朗天气测定，测定时间为11:00—13:00[12，26]，观测在小区中间位置进行，重复5次。

1.3.7入射太阳辐射

采用LI-200SA型太阳总辐射传感器连续测定冠层顶部入射太阳辐射，每1 h记录一次。

1.3.8地下水位

在试验田安置地下水位观测井，生育期每2～5 d测1次地下水位。玉米苗期-大喇叭口期地下水位较浅，平均为1.01 m。生长后期(抽雄期-收获期)地下水位较深，平均为1.59 m。

1.4 计算方法

土壤储水量计算式为

(3)

式中W——土壤储水量，mm

γi——第i层土壤容重，g/cm3

di——第i层土层厚度，cm

θi——第i层土壤质量含水率，%

光截获率F的计算采用Beer定律，计算式为[21]

F=[1-exp(-kLAI)]×100%

(4)

(5)

式中F——光截获率，%

k——作物消光系数

LAI——叶面积指数

IS——作物冠层底部的光合有效辐射强度，MJ/(m2·s)

I0——作物冠层顶部的光合有效辐射强度，MJ/(m2·s)

光能利用效率参考HAMZEI等[14]和崔亮等[12]的计算方法，阶段光合有效辐射总量参考DANSO等[9]的计算方法，其参考MONTEITH等[27]研究成果，假设太阳总辐射的一半为光合有效辐射，具体计算公式为

RUE=ΔW/IPAR

(6)

(7)

式中RUE——玉米光能利用效率，g/MJ

ΔW——该阶段地上部生物累积量，g/m2

IPAR——阶段光合有效辐射总量，MJ/m2

Qi——每日太阳总辐射，MJ/m2

其中玉米抽雄期冠层光截获率F根据7月13日和7月26日2次测定平均求得，灌浆期光截获率F根据8月5日、8月15日和8月26日3次测定平均求得。

1.5 数据分析

采用Excel整理数据和制图，利用SPSS 17.0软件进行方差分析和相关分析，多重比较采用LSD法。通径分析具体计算过程参见文献[28]。

2 结果与分析

2.1 水氮限量供给对土壤水分和盐分的影响

土壤水盐状况影响着作物冠层的发育和光合生产能力，探讨不同水氮处理对土壤水盐环境的影响，可为进一步研究玉米光能利用指标提供一定的理论支持。

不同水氮处理在0～60 cm和60～100 cm土层的储水量变化过程如图2a和图2b所示。抽雄期，高水中氮处理(W3N2)在0～60 cm土层水分消耗量较其余处理显著增加15.45%～39.40%。中水中氮处理(W2N2)在60～100 cm土层水分消耗量较其余处理(除了与W3N2差异不显著)显著增加15.71%～43.94%。灌浆前中期，当地常规水氮处理(W3N3)、W2N2在0～60 cm土层水分消耗量显著高于其余处理(P<0.05)，而W2N2该土层水分消耗量较W3N3显著减小14.62%。灌浆期灌水后至收获，W2N2在60～100 cm土层水分消耗量最大，较其余处理(除了与W1N2差异不显著)显著增加了14.24%～53.34%。说明W3N3主要利用0～60 cm浅层土壤水分，而W2N2明显促进了玉米对深层土壤水分的利用。

图2 不同水氮条件下玉米土壤储水量和土壤电导率变化Fig.2 Dynamics of soil water condition and soil electrical conductivity in maize growth stage in 2016

不同水氮条件下0～100 cm土层电导率变化过程如图2c所示。拔节期灌溉和追肥后，低水W1和中水W2水平下，低氮N1、中氮N2的土壤电导率分别较常规施氮N3减小22.76%、12.15%和21.31%、12.43%；高水W3水平下，N1、N2的土壤电导率较N3减小6.90%、2.20%，差异不显著。大喇叭口期灌水和追肥后，W3N2土壤电导率较W2N2减小5.75%，差异不显著。分析各处理抽雄-灌浆期土壤电导率均值发现，相同灌溉水平下土壤电导率均值随着施氮量的增加而增大。W2N2抽雄-灌浆期0～100 cm土壤电导率均值较其余水氮处理(除了与W3N1、W2N1差异不显著)减小11.31%～23.55%。

由上述分析可以看出，W2N2处理明显改善了玉米生长后期土壤水盐状况，有利于光合生理活动的进行。

2.2 不同水氮条件下冠层光截获率及其影响要素

2.2.1不同水氮处理对冠层叶面积指数的影响

叶面积指数(LAI)是影响光截获的主要因素。表2数据分析表明，灌溉和施氮显著影响抽雄-灌浆期LAI，水氮交互作用对LAI影响不显著。在W1水平下，N2显著大于N3和N1；在W2水平下，N2的LAI显著大于N3，N2与N1差异不显著；在W3水平下，各施氮水平的LAI由大到小表现为N3、N2、N1，差异不显著。说明盐渍化农田玉米LAI在一定范围内随着施氮量的增加而增大，而过量施氮不会显著提高LAI，特别在限量灌溉条件下甚至有显著抑制的趋势。相同施氮水平下，W3、W2的LAI显著大于W1。比较各水氮交互处理LAI，W2N2最大(4.96)，较其余处理高1.64%～26.53%，但与W3N3无显著差异，说明盐渍化农田适度减水控氮不会显著影响玉米LAI。

2.2.2不同水氮处理对冠层平均叶倾角的影响

叶倾角(MFIA)是表征作物冠层几何结构的参数，叶角的分布与冠层光截获关系紧密。由表2可知，灌溉、施氮及交互效应对MFIA影响不显著。相同灌溉量平均后显示，W2的MFIA最小，较W1、W3小4.06°、1.86°；相同施氮量平均后显示，N2的MFIA最小，较N1、N3减小0.61°、1.89°。各水氮交互处理间，W2N2的MFIA最小，较其余水氮处理(除了与W3N3、W2N1差异不显著)显著减小9.05%～17.01%，较小的MFIA表征冠层结构更加披散，有利于冠层光能截获。这是由于叶倾角的变化与LAI的动态变化关系密切，随着玉米生育进程的推进，较大的叶片在重力作用下逐渐向下倾斜，MFIA逐渐减小。

2.2.3不同水氮处理对冠层光截获率的影响

由表2可知，灌溉显著影响玉米抽雄-灌浆期的光截获率，施氮和水氮交互作用对光截获率影响不显著。相同灌溉水平下，各施氮水平的光截获率无显著差异。相同施氮水平下，W3和W2的光截获率显著高于W1，W3和W2差异不显著，这可归因于低水显著减小LAI，不利于光截获。比较各水氮交互处理抽雄-灌浆期光截获率均值，W2N2最大(89.56%)，但与W3、W2各处理差异不显著。这说明盐渍化农田限量25%灌溉和施氮不会造成玉米冠层光截获率的显著变化。

表2 玉米抽雄-灌浆期光截获率、光合势及影响要素方差分析和均值比较Tab.2 Analysis of variance and means comparison for light interception rate, leaf area duration of maize and influencing factors during tasseling-filling stage

注：相同施氮水平下，同一列数字后的不同小写字母表示不同灌水水平在0.05水平上差异显著。相同灌水水平下，同一列数字后的不同大写字母表示不同施氮水平在0.05水平上差异显著。*和** 分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。下同。

2.3 不同水氮条件下光能利用效率

作物的光能利用效率是一个复杂的过程，其受到阶段生物量和光截获量的综合影响。作物光能利用效率(RUE)通常表述为地上生物量与光截获量之比[15]。不同水氮处理对光能利用效率的影响见表3。

表3 玉米抽雄-灌浆期生物累积量和光能利用效率方差分析和均值比较Tab.3 Analysis of variance and means comparison for biomass accumulation and RUE of maize during tasseling-filling stage

灌溉显著影响抽雄-灌浆期的RUE(P<0.05)。在抽雄期，相同灌溉量平均后，W1平均2.63 g/MJ，显著低于W2、W3，W2与W3无显著差异。在灌浆期，从W1到W2玉米RUE平均增大3.68%，而从W2到W3则平均减小8.28%，这种现象可能是因为W2较W3灌浆期生物累积量增加8.54%，而光能截获率较W3降低0.46%，从而具有较高的RUE。

施氮显著影响抽雄-灌浆期的RUE(P<0.05)。在抽雄期，相同施氮量平均后显示，N2、N3的光能利用效率显著高于N1，N2与N3无显著差异。在灌浆期，相同灌溉水平下，RUE随着施氮量的增加呈先增后减的趋势。相同施氮量平均后显示从N1到N2玉米RUE平均增大34.78%，而从N2到N3则平均减小12.37%，这可归因于常规施氮N3显著增大了土壤电导率，已有研究表明盐分胁迫导致光能转化效率的降低[29]。

水氮交互作用对抽雄-灌浆期RUE影响显著。比较各水氮交互处理，抽雄期W3N2的RUE显著高于其余处理(P<0.05)。原因可能是W3N2在抽雄初期的LAI较小(4.79，见图3)，但基本接近作物冠层LAI临界值。据报道作物冠层LAI临界值为5.0，此时可以最大化地拦截入射辐射[30]。相比其余处理，W3N2在可较大化地拦截入射辐射的同时，减少了抽雄初期蒸腾水分消耗[31]，而且较高的灌溉量和较低的施氮量可相对减少土壤含盐量，有利于玉米抽雄中后期的生长。W3N2在抽雄期0～60 cm土层水分消耗量较其余处理增加15.45%～39.40%，这也说明了W3N2在抽雄期生长旺盛。W3N2在抽雄期累积了较多的生物量，最终具有较高的RUE。灌浆期RUE最高的为W2N2处理，较其余水氮处理显著提高18.61%～66.93%(P<0.05)，其中较W3N3提高44.30%。

图3 玉米抽雄-灌浆期叶面积指数动态变化Fig.3 Dynamic changes of LAI during tasseling-filling stage

由以上分析可以看出，盐渍化农田玉米在籽粒形成的灌浆期，光能利用效率与灌溉量和施氮量在一定范围内呈正相关，而过量灌溉或施氮对玉米的RUE有抑制作用，适度减氮控水能显著提高RUE。

2.4 不同水氮条件下产量和产量构成要素

如表4所示，灌溉显著影响产量及产量构成要素(除收获指数)。施氮显著影响产量、生物产量及千粒质量，而对收获指数和单株籽粒数影响不显著。水氮交互作用显著影响千粒质量，而对其余指标影响不显著。相同灌溉量下，玉米产量随施氮量增加呈抛物线变化趋势。在W3和W1水平下，N3和N2的产量显著高于N1，N3与N2无显著差异；在W2水平下，N2的产量显著高于N3和N1。相同施氮水平下，W1的产量和单株籽粒数显著低于W2和W3。因此，同一施氮量下，W1产量显著低于W3、W2的原因是其单株籽粒数的显著减小。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]研究发现，不同水分条件下小麦产量的变化主要与单位面积籽粒数量有关，水分亏缺显著减少单位面积籽粒数量，这与本文研究结果相近。

表4 产量及产量构成要素方差分析和均值比较Tab.4 Analysis of variance and means comparison for yield and yield components

由表4可以看出，最大生物产量是W3N2(20 128.4 kg/hm2)，其次是W2N2(19 287.3 kg/hm2)，最小为W1N1(15 229.6 kg/hm2)，W3N2、W2N2之间差异不显著。由收获指数分析得到，W3N2的收获指数最小(44.9%)，显著小于W2N2(P<0.05)。由产量分析可知，W2N2产量最大(9 384.3 kg/hm2)，W2N2较W3N3、W3N2增产4.01%、3.91%，差异不显著，W1N1产量最小(7 055.4 kg/hm2)。综合分析可以看出W2N2产量最大的原因是其千粒质量较W3N3的显著提高(P<0.05)。

2.5 产量效应影响因素分析

表5是不同灌溉量及施氮量条件下玉米产量与灌浆期的耗水量、土壤电导率、LAI、生物累积量、光合势、光截获率、RUE的相关分析和通径分析。从表5可知，产量与灌浆期的LAI、光合势、光截获率、耗水量呈显著正相关。LAI与产量的相关系数最大(R=0.929)。

由产量与上述指标的直接通径系数可以看出，各因素对产量的影响顺序由大到小为:RUE、光合势、光截获率、耗水量、土壤电导率、LAI、生物累积量。由产量与上述指标的间接通径系数可以看出，耗水量通过光截获率对产量的贡献最大，为0.897。土壤电导率通过LAI对产量的贡献最大，为0.713。LAI、光截获率、RUE分别通过光合势对产量的贡献最大，分别为1.249、1.125、0.213。生物累积量通过RUE对产量的贡献最大，为2.697。光合势通过光截获率对产量的贡献最大，为1.027。

表5 玉米产量与影响因素的相关分析和通径分析Tab.5 Correlation analysis and path analysis between yield of maize and influence factors during filling stage

注:X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分别表示灌浆期的耗水量、0～100 cm平均土壤电导率、叶面积指数、生物累积量、光合势、光截获率和光能利用效率。

通过以上分析可以得到，RUE对产量的直接贡献最大，光合势、光截获率对产量的直接贡献较大，生物累积量、LAI、光合势和光截获率均通过RUE对产量的间接贡献较大。LAI通过光合势、光截获率、RUE对产量的间接贡献较大。结合简单相关分析与间接通径系数分析，LAI之所以对产量影响较大，主要是间接通过光合势、光截获率和RUE的作用来实现的。

3 讨论

3.1 灌溉和施氮量对盐渍化农田水土环境的影响

GAO等[36]研究表明，在河套灌区减少灌水量，有利于增大玉米对浅埋地下水的利用量。本研究表明，在盐渍化农田玉米灌浆期灌水后至收获，W2N2处理60～100 cm土层水分消耗量最大，较其余处理(除了与W1N2差异不显著)显著增加了14.24%～53.34%，明显促进了玉米对深层土壤水分的利用，这与GAO等[36]研究结果一致。符鲜等[37]研究发现同一盐渍化程度土壤电导率均随着施氮量的增加而增大。这与本研究结果相似，相同灌溉水平下盐渍化农田玉米抽雄-灌浆期土壤电导率均值随着施氮量的增加而增大。本研究中W2N2较其余处理(除了与W3N1、W2N1差异不显著)显著降低了玉米抽雄-灌浆期土壤电导率。这是因为土壤盐分变化受到灌溉、施氮、LAI、蒸发等多种因素影响，W2N2相比高氮处理，适度减氮相对减小了盐渍土壤电导率，且其较大的LAI可以抑制棵间蒸发[31]和盐分表聚，而W3N2处理由于灌水量较多，在抽雄期生长旺盛，加重了作物蒸腾耗水，导致盐分向耕作层迁移。谷晓博等[15]研究表明不同灌水量处理下的氮素营养指数均随施氮量的增加而增加。因此，W2N2在改善玉米生长后期土壤水盐状况的同时，相比W3N1、W2N1施用较多的氮肥，可保障生长后期光合作用所需的氮素供应。说明适度减氮控水的W2N2改善了盐渍化农田玉米生长后期土壤水、盐及养分状况，为作物生长后期合理冠层结构的形成和较高光合性能的保持提供了有利条件。

3.2 灌溉和施氮量对盐渍化农田玉米冠层结构的影响

冠层结构的改变会影响作物对光能的利用。叶面积指数、叶倾角是构建作物合理冠层结构的重要调控指标[12]。本研究发现，盐渍化农田玉米LAI在一定范围内随着施氮量的增加而增大，而过量施氮不会显著提高LAI，特别在限量灌溉条件下甚至有显著抑制的趋势。这是由于盐渍化土壤电导率随着施氮量的增加而增大，过量施氮可能会加重土壤盐分胁迫，抑制作物生长[19]。W2N2处理的LAI最大，与W3N3无显著差异。W2N2的叶倾角最小，显著小于其余水氮处理(除了与W3N3、W2N1差异不显著)，较小的叶倾角表征冠层结构更加披散。说明W2N2具有披散的冠层结构与较大的叶面积指数，其冠层结构能更加合理高效的截获光照资源。GARDNER等[38]研究认为，作物有效利用太阳光能、增加干物质量，必须是叶片截获更多的太阳辐射，使光合作用达到最大值。光照强度是影响植物光合作用的主要因子[6]。因此，提高作物冠层光能截获量在一定程度上能更好地满足叶片光合作用的需求，有利于提高其光合作用效率。本研究中，W2N2的光截获率与各W3、W2处理无显著差异，这可能与LAI临界值有关。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]也研究表明，水分胁迫对黑小麦开花后光截获量影响不显著，这与开花后叶面积指数达到临界值有关。

作物生长后期合理高效的冠层结构是作物高产的基础[12]。由图3可知，本研究在玉米灌浆后期(8月21日—8月27日)W2N2的LAI最大(4.29)，较其余处理提高7.15%～42.24%，除了与W2N1差异不显著，显著高于其他水氮处理，具有较大的光合作用面积，有利于增加碳捕获和减少棵间蒸发；W2N2的LAI下降速率较W3N3、W3N2显著减缓了37.35%、53.49%(图3)，与W2N1差异不显著。W2N2灌浆后期光合势较其余处理提高5.95%～37.60%，除了与W3N3、W2N1差异不显著，显著大于其他水氮处理(图4)。以上分析说明，W2N2处理提高了生长后期光合作用面积，延长了叶片功能的持续时间，延迟了叶片衰老进程[16]，具有更加合理的冠层结构，为光能的高效利用和高产效益的形成奠定了基础。张珂珂等[16]也发现减氮补水处理有利于提高小麦孕穗期LAI，减缓灌浆期LAI下降速率，延长叶片功能期，光合势平均提高9.7%，从而提高了光能利用效率。

图4 不同水氮处理对玉米灌浆后期光合势的影响Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on leaf area duration of maize at late grain filling stage

作物的光合作用与冠层光分布关系密切，合理的冠层结构可改善玉米群体内部光传输和分布状况，提高冠层中部功能叶的光合有效辐射，进而提高光合速率和光能利用效率。关于限量灌溉和施氮条件下盐渍化农田玉米冠层内部PAR(光合有效辐射)分布特征与群体光合特性之间的关系，还有待进一步研究。

3.3 灌溉和施氮量对光能利用效率的影响

本研究表明水氮交互作用对盐渍化农田玉米抽雄期和灌浆期RUE影响显著，过量灌溉或施氮对玉米灌浆期RUE有抑制作用，适度减氮控水能显著提高玉米灌浆期RUE。谷晓博等[15]发现灌溉和施氮对非盐渍土冬油菜RUE的影响有显著的交互作用，在当地水氮用量的基础上适当减少灌水量和施氮量能显著提高冬油菜蕾薹期RUE，而过量灌溉或施氮对冬油菜RUE促进作用不明显，甚至有下降趋势。可见，水氮交互作用能显著影响作物的光能利用效率，适宜的灌溉量和施氮量有利于作物生长后期光能利用效率的提高，为作物高产奠定基础。

本研究中，W2N2玉米灌浆期RUE显著高于其余水氮处理(P<0.05)。这是由于W2N2相比其余处理明显改善了生长后期土壤水土环境，有利于光合生理活动的进行。特别是在灌浆后期W2N2具有更加合理高效的冠层结构，保持了较高的光合性能，能够更好地利用和转化光照资源。因此，W2N2较其余处理显著增加了生物累积量(表3)(P<0.05)，而W2N2的光截获率与各W3、W2处理无显著差异，最终导致W2N2具有较高的RUE，体现出光能利用的高效性及后效性。

3.4 灌溉和施氮量对产量的影响

闫建文[20]研究发现盐渍化土壤适量的节水减氮对玉米产量造成的影响并不显著。本研究表明，盐渍化农田在常规水氮用量的基础上，限量25%灌溉和施氮量的W2N2较常规水氮模式增产4.01%，差异不显著，两者结果一致，也验证了前面讨论的W2N2在籽粒形成的灌浆期具有较高光能利用效率。作物群体LAI对作物光能利用及产量起决定性作用[39]，在本研究中LAI对产量的影响还表现在叶片的光合势上，产量与LAD显著正相关。从表2可以看出，W2N2在抽雄-灌浆期具有较高的LAD，较其余水氮处理(除了W3N3、W3N2)延长5.7～30.1 (mm2·d)/mm2，这与王永宏等[40]研究得到吐丝后光合势比例越高产量越高的结论相似，这也在一定程度上可以解释适当减氮控水在一定程度上有助于产量提高的原因。

从光能利用角度分析，提高作物产量，一方面要尽量截获光能，另一方面要提高光能利用效率[21]，就本研究而言，W2N2的光截获率与W3N3无显著差异，生长后期光能利用效率的大幅度提高是该模式增产的主要原因。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]也研究发现在黑小麦开花后，水分胁迫显著影响光能利用效率，但对光截获量影响不显著。

4 结束语

限量灌溉和施氮改变了盐渍化农田水土环境，进而影响了玉米群体冠层结构，群体冠层结构的改变导致了光能截获量、生物量和光能利用效率的差异，进而影响籽粒产量。在不同水氮管理模式中，水氮用量过少或过多都不利于构建合理的玉米冠层结构，从而降低其光合生产能力、光能利用效率和产量。相关分析和通径分析表明，玉米产量与灌浆期的LAI、光合势、光截获率呈显著正相关，LAI之所以对产量影响最大，主要通过光合势和光截获率的作用实现。RUE对产量的直接贡献最大，生物累积量、LAI、光合势和光截获率均通过RUE对产量的间接贡献较大。W2N2明显改善了盐渍化农田玉米生长后期土壤水盐状况，优化了玉米群体生长后期的冠层结构，提高了生长后期光合作用面积，延长了叶片功能的持续时间，延迟了叶片衰老进程，保持了较高的光合性能，为光能的高效利用和高产效益的形成奠定了基础。W2N2与W3N3相比，在节水节氮25%的前提下，增产4.01%，灌浆期光能利用效率提高44.3%。全面考虑节水、节肥增产并达到高光效的目的，本试验中较优的盐渍化农田玉米水氮模式为灌溉量225 mm、施氮量258.8 kg/hm2。