不同降水状况下旱地玉米生长与产量对施氮量的响应

2019-05-09张元红温鹏飞董朝阳贾广灿

作物学报 2019年5期

宁芳张元红温鹏飞王瑞王倩董朝阳贾广灿李军

宁芳张元红温鹏飞王瑞王倩董朝阳贾广灿李军*

西北农林科技大学农学院/ 农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室, 陕西杨凌 712100

水分不足是旱地玉米生长主要限制因素, 渭北旱塬雨养玉米种植区降水季节波动大, 干旱频繁发生, 已严重影响春玉米正常生长发育及产量稳定性。于2016—2018年在渭北旱塬合阳县进行旱地玉米施氮量定位试验, 设置5个施氮量处理, 2016—2017年包括0、75、150、270、360 kg hm–2(分别以N0、N75、N150、N270、N360表示), 2018年施氮量处理为0、90、180、270、360 kg N hm–2(分别以N0、N90、N180、N270、N360表示), 供试品种为郑单958 (ZD958)和陕单8806 (SD8806)。分析了不同降水分布年份施氮量对春玉米生育期土壤水分变化动态、干物质积累动态、产量构成、经济效益及水分利用效率(WUE)的影响。结果表明, 试验年份降水分布可分为穗期多雨、粒期干旱型(2016年和2018年)和穗期干旱、粒期多雨型(2017年)。生长季降水量及其分布显著影响土壤蓄水量和玉米地上部干物质积累, 从而影响玉米产量及其构成因素, 穗期干旱显著降低地上部干物质积累量和穗粒数, 粒期干旱会明显降低粒重。不同降水分布年份施氮处理较N0增产6.72%~91.23%不等, 施氮量对玉米产量、水分利用效率(WUE)影响呈现二次曲线关系, 穗期多雨、粒期干旱型以N270处理籽粒产量和WUE最高, 而穗期干旱、粒期多雨型以N150处理产量和WUE最好。籽粒产量与“休闲至抽雄期降水(FP2)”、“播前土壤蓄水量+播种至抽雄期降水(SP2)”相关性较强(FP2:2=0.839**; SP2:2=0.837**)。根据产量、水分利用和经济收益综合评价, 渭北旱地玉米最适施氮方案为基施氮肥150 kg hm–2, 再根据休闲至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量与播种至抽雄期降水量之和预测产量, 估算并及时追施适宜施氮量。

春玉米; 降水分布; 施氮量; 产量; WUE

玉米已经成为中国第一大粮食作物, 2016年种植面积0.368亿公顷, 占农作物总播种面积的22.06%,总产达2.20亿吨[1]。氮肥对粮食增产的贡献率达到30%~50%, 为保障世界粮食安全做出了重大贡献[2-3]。玉米生长过程中对氮素需求量高, 合理施用氮肥可以提高作物产量[4-8], 过多或不足施肥均影响作物产量, 造成肥料利用率下降, 因此, 合理氮肥管理是玉米持续增产增效的关键。渭北旱塬雨养玉米种植区降水年际变化大, 关键生育时期干旱胁迫经常发生, 也严重影响渭北旱塬春玉米正常生长发育及产量稳定性。

玉米全生育期需水较多, 且对水分较为敏感, 不同时期、不同程度干旱胁迫均可能对玉米生长造成不同程度的影响[9-10]。白向历等[11]认为因水分胁迫减产的严重程度以抽雄吐丝期最重, 拔节期次之, 苗期相对较弱, 相应减产40.61%、13.97%、10.97%。在夏玉米各生育阶段, 遭受任何程度的土壤干旱均会导致减产, 而且减产幅度随着水分胁迫程度的加剧而增大[11-12], 产量构成因素中穗粒数受水分影响变幅较大, 拔节期干旱导致穗粒数减少20%, 拔节期与抽雄期均干旱则减少32%~35%。姜鹏等[13]研究表明玉米各产量构成因素(穗长、穗粒数、百粒重等)在不同时期受旱时都呈下降趋势, 特别是在抽穗—乳熟期遭受重旱时降幅更大。李叶蓓等[14]研究显示玉米开花前和抽雄吐丝期间遭遇干旱均导致穗粒数降低, 灌浆期遭遇干旱导致籽粒灌浆受阻, 粒重降低, 导致不同程度减产。与此同时, 氮肥施用在增加旱地玉米产量和提高降水利用效率方面发挥了重要作用, 大量研究表明[15-16], 氮肥效益的发挥与农田水分状况密切相关, 在底墒较好的降水正常年份, 水肥耦合增产效应明显。水分亏缺会导致作物氮素吸收量和生物量、产量的降低[17], 而适宜的氮素供给可以提高作物的抗旱性, 进而促进水分利用效率的提升。

在干旱胁迫条件下, 氮素促进根系发育、增加作物的觅水空间, 对作物生长有显著的促进作用[17-19]。此外, 适量增施氮肥可以改善水分状况, 延缓叶片衰老, 促进植株生长, 缓解因水分不足而减产的不利影响, 过量施氮则加剧水分胁迫, 最终影响生长[20-23]。干旱少雨加剧旱作玉米产量波动性, 渭北地区66.1%以上农户的氮肥施用偏高[24], 导致经济效益降低, 使得渭北旱塬玉米生产面临严峻的挑战。因此, 因地因时制宜合理施用氮肥对保障渭北旱塬春玉米生产至关重要。此前对渭北旱塬春玉米增产增效研究多集中于保护性耕作蓄水保墒效应[25-30]、有机肥培肥增产[31-32]、密植增产效应[33-34]等方面, 而较少涉及综合墒情、降水分布、不同生育时期干旱等多因素下合理施氮。本研究通过不同降水分布年份施氮量对春玉米生长发育、水分利用及产量、经济效益的影响, 探究如何促进旱地玉米高效利用水肥, 减氮增产和节本增效, 以期为旱地春玉米氮肥合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱农试验站(35°19'54.45″N, 110°05'58.35″E)位于渭北旱塬东部, 海拔877 m, 属典型的黄土高原沟壑区, 暖温带半干旱型大陆性季风气候, 多年平均降雨量为536.6 mm, 主要集中在7月至9月。供试地块土壤为黑垆土, 供试土壤试验前基本化学性质见表1。

表1 供试土壤试验前化学基本性质

1.2 试验设计

采用施肥与品种二因素裂区设计, 主处理为施氮量, 设5个施氮量水平, 副处理为品种, 设2个品种类型, 共组成10个处理, 小区面积43.2 m2(8.0 m × 5.4 m), 3次重复。供试玉米品种为郑单958 (ZD958)和陕单8806 (SD8806), 其中郑单958为粒用型玉米品种, 对施氮量较敏感, 陕单8806为粮饲兼用型玉米品种, 对施氮量较不敏感。2016—2017年5个施氮量处理为纯氮0、75、150、270和360 kg hm–2, 分别用N0、N75、N150、N270、N360表示, 2018年施氮量处理调整为0、90、180、270和360 kg hm–2, 分别用N0、N90、N180、N270、N360表示。氮肥全部基施, 统一配施P2O5120 kg hm–2, K2O 45 kg hm–2, 氮、磷、钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O512%)、硫酸钾(含K2O 50%)。3年均于4月26日播种, 种植密度为67,500株hm–2, 人工播种控制行距50 cm, 株距29.6 cm。全生育期无灌溉, 其他管理措施参照当地旱地玉米常规管理措施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分在玉米各生育时期分别测定0~200 cm土层土壤水分, 用土钻取土, 每20 cm土层取样一次, 烘箱105℃烘干法测定含水量。利用自动气象站记录当地逐日降雨量。春玉米各生育时期测定时间见表2。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS与Origin软件统计分析数据及制作图表。

2 结果与分析

2.1 生长季降雨量分布特征

试验区降雨主要集中于7月至9月, 且年际间分布不均(图1)。2016年春玉米全生育期降水357.5 mm, 主要集中于生育前期, 其中拔节至抽雄期161.6 mm, 占全生育期降水量的45.2%。2017年全生育期降水362.6 mm, 主要集中于生育后期, 拔节至抽雄期仅为8.8 mm, 占2.42%, 灌浆至成熟期为158.2 mm, 占全生育期的43.6%。2018年春玉米全生育期降水225 mm, 其中拔节至抽雄期为92.4 mm, 占全生育期的41.1%, 灌浆至成熟期极少, 仅为6.1 mm, 占2.7%。2016年穗期多雨, 粒期干旱, 2017年穗期干旱, 粒期多雨, 2018年全生育期降雨量少, 且穗期多雨, 粒期干旱。

2.2 春玉米田土壤水分变化动态

2.2.1 不同处理下春玉米田播前土壤蓄水量

2017年和2018年春玉米播前各施氮量处理下0~200 cm土层土壤蓄水量差异不显著(图2), 但N0处理土壤蓄水量较高。不同年际间差别较大, 由于上一季春玉米生育期消耗, 以及休闲期降雨补充等多种因素影响, 2017年播前土壤蓄水量低于2016年初始水平, 2018年则高于2016年。2017年不同品种间播前土壤蓄水量表现为郑单958高于陕单8806, 在初始状态相同, 休闲期降水一致条件下, 陕单8806在2016年生育期内耗水多于郑单958。

图1 2016−2018年春玉米生长季逐月降雨量(A)与各生育阶段降雨量分布(B)

2.2.2 不同生育时期0~200 cm土层土壤蓄水量变化动态年际间、品种间、不同施氮量处理间各生育时期土壤蓄水量均存在差异(图3)。土壤蓄水量随不同生育阶段降雨量的多少呈现起伏变化, 2016年整体呈现“升高-降低”的趋势, 2017年呈现“降低-升高”的趋势, 2018年则呈现“降低–升高–降低”趋势, 2017年各处理土壤蓄水量整体低于2016年和2018年。随着生育进程, 不同处理间大体表现相似, 播种–出苗–拔节的降雨量能够基本满足春玉米生长需求, 土壤蓄水量差别不大, 从拔节期开始土壤蓄水量差异明显。

2016年和2018年降雨量分布特征相似, 即穗期多雨、粒期干旱, 抽雄–灌浆–成熟期逐渐降低。各处理的土壤蓄水量均表现出抽雄期较高, 抽雄至成熟期逐渐降低趋势。而2017年拔节至抽雄期降雨量极少, 穗期干旱、粒期多雨, 抽雄–灌浆–成熟期呈逐渐升高趋势, 即使后期降雨增加, 抽雄和灌浆期土壤蓄水量仍然较低。可见, 拔节至抽雄期为玉米需水关键期, 此期降雨有助于满足作物生长需求, 干旱会增加玉米对土壤水分的消耗。与2016年和2018年相比, 2017年灌浆至成熟期降水量较高, 土壤蓄水量逐渐降低趋势得以缓解, 但此期降雨对春玉米生长影响不大, 植株消耗较少, 土壤蓄水量显著增加。

图2 不同处理玉米播前0~200 cm土层土壤蓄水量

ZD958: 郑单958; SD8806: 陕单8806; N0: 施氮量为0 kg hm–2; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N90: 施氮量为90 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N180: 施氮量为180 kg hm–2; N270: 施氮量为270 kg hm–2; N360: 施氮量为360 kg hm–2。

ZD958: Zhengdan 958; SD8806: Shaandan 8806; N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2.

图3 不同处理下春玉米不同生育时期0~200 cm土壤蓄水量

郑单958和陕单8806在不同施氮量处理下土壤蓄水量变化趋势存在差异, N0处理下春玉米生育后期长势不好, 需水较少, 耗水量低, 成熟期N0处理土壤蓄水量最高为378.65 mm, 各施氮处理的土壤蓄水量表现为随施氮量增加而增加趋势, 较N0减少28.77、23.16、15.73和13.63 mm。随着生育进程推进, 陕单8806水分消耗量增加, 抽雄后各施氮处理下陕单8806土壤蓄水量均低于郑单958, 粮饲兼用型品种陕单8806生育后期耗水量高于粒用型品种郑单958。2016、2017、2018年陕单8806成熟期土壤蓄水量较郑单958分别低3.93%~12.70%、4.86%~10.67%和1.47%~5.18%。

2016年和2018年粒期干旱, 随着施氮量的增加, 同一土层土壤含水量降低, 根系水分利用深度增加, 0~40 cm土层含水量大幅下降, 80~100 cm土层水分利用较多。2017年穗期干旱, 部分土层土壤含水量仅为7%左右, 接近凋萎湿度值。N75和N150处理下根系水分利用深度达160 cm, 但N360处理深层土壤水分含量相比N150处理较高。可见, 增加施氮量会增加根系对土壤水分的吸收, 土壤水分消耗土层逐渐加深, 穗期干旱会扩大玉米根系汲取水分的土壤空间。

2.3 春玉米不同生育阶段干物质积累动态

不同降水分布年份和不同施氮量处理下春玉米不同生育阶段干物质积累动态特征表现不同(图4)。春玉米全生育期干物质累积量整体呈“S”形变化, 成熟期干物质累积量最高。2016年和2018年穗期多雨、粒期干旱, 成熟期春玉米地上部干物质总量随着施氮量增加而增加。2017年穗期干旱、粒期多雨, 成熟期地上部干物质总积累量随施氮量增加先增加后降低, 以N270处理最高。2016、2017和2018年施氮处理成熟期干物质积累量较不施氮(N0)分别增加6.92%~24.61%、30.84%~74.38%和10.12%~38.05%。3个玉米生长季不同生育阶段干物质积累动态差异明显, 2016年拔节至抽雄期干物质积累量为5680 kg hm–2, 2018年次之, 为3975 kg hm–2, 2017年最低, 为2919 kg hm–2, 拔节至抽雄期严重干旱抑制了春玉米生长。2017年抽雄至灌浆期干物质积累量少, 但灌浆至成熟期积累量高于2016年, 粒期降雨多促进了玉米恢复生长。2016年拔节至灌浆期干物质积累量明显高于2018年, 灌浆至成熟期干物质增长量极少, 与同样粒期干旱的2018年表现不同, 2018年灌浆至成熟期玉米干物质积累量较大, 为4643 kg hm–2。不同降水分布年份陕单8806生育后期干物质积累量均高于郑单958, 陕单8806抽雄后干物质积累量较郑单958高9.83%、6.52%和11.95%。

图4 不同处理下春玉米不同生育阶段干物质积累量

ZD958: 郑单958; SD8806; 陕单8806; N0: 施氮量为0 kg hm–2; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N90: 施氮量为90 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N180: 施氮量为180 kg hm–2; N270: 施氮量为270 kg hm–2; N360: 施氮量为360 kg hm–2。

2.4 春玉米产量构成因素及经济效益

以粒用型品种郑单958为例, 拔节至抽雄期干旱影响春玉米穗部性状发育, 显著降低穗数和穗粒数, 2017年春玉米穗数分别比2016、2018年减少16.51%、15.53%, 穗粒数分别减少64.25%、63.42%。穗期干旱影响穗部发育, 降低籽粒产量和收获指数, 2016、2017和2018年平均收获指数为54.79%、19.38%、41.19%。2017年粒期多雨, 平均百粒重较2018年高5.21 g, 且百粒重均随施氮量增加呈先增加后降低趋势。2016年和2018年籽粒产量、生物量、收获指数均高于2017年, 春玉米籽粒产量和收获指数均表现为随施氮量增加先增加后减少的趋势(表3)。

以不施氮处理(N0)为对照, 分析各施氮量处理春玉米边际产量、边际成本和边际收益。2017年边际产量随着施氮量增加呈现先升后降趋势, 以N150处理最高, 符合边际产量递减规律。边际收益表现与边际产量相似, 也以N150处理较高。2016年和2018年边际成本随施氮量增加而增加, 而2017年边际成本先减少后增加, 以N150处理最低。施氮增产效应明显, 但继续增加施氮量时, 增产效果会逐渐下降。

2.5 春玉米产量、耗水量及水分利用效率

2.5.1 不同处理春玉米的产量、耗水量及水分利用效率降水量年际变化极显著影响春玉米生育期耗水量、产量及水分利用效率, 施氮量显著影响籽粒产量和WUE, 品种及其与施氮量、年份互作对三者则无显著性影响, 年份×施氮量×品种三者交互作用对籽粒产量和水分利用效率有极显著影响(表4)。

表3 不同施氮量处理下春玉米产量构成因素及经济效益

表中数值后不同字母表示不同处理间差异达0.05显著水平。N0: 施氮量为0 kg hm–2; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N90: 施氮量为90 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N180: 施氮量为180 kg hm–2; N270: 施氮量为270 kg hm–2; N360: 施氮量为360 kg hm–2。HI: 收获指数; MP: 边际产量; MC: 边际成本; MR: 边际收益。

Values followed by different letters are significantly different at< 0.05 among different treatments. N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2. HI: harvest index; MP: marginal product; MC: marginal cost; MR: marginal revenue.

表4 不同处理春玉米的产量、耗水量及水分利用效率

表中数值后不同字母表示不同处理间差异达0.05显著水平, *和**分别表示0.05和0.01显著水平, NS表示不显著。ET: 耗水量; WUE: 水分利用效率。

Values followed by different letters are significantly different at< 0.05 among different treatments. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, NS: not significant. ET: evapotranspiration; WUE: water use efficiency.

2016年玉米籽粒产量平均为10,940 kg hm–2, 2017年和2018年比2016年分别降低68.4%和20.1%。2018年平均水分利用效率最高为27.05 kg hm–2mm–1, 较2016年WUE增加13.2%, 约为2017年WUE的3倍。春玉米全生育期耗水量呈逐年降低趋势, 2016年高达459.87 mm, 2017年为379.72 mm, 而2018年为322.23 mm。穗期干旱显著降低籽粒产量和WUE, 而降水分布均表现穗期多雨, 全生育期降雨量则会影响耗水量及产量。

增加施氮量能显著提高春玉米产量, 2016年施氮处理较不施氮处理增产6.72%~17.45%, 2017年增产28.33%~91.23%, 2018年增产47.93%~78.79%。但是, 持续增加施氮量对产量提升没有进一步贡献, 随着施氮量增加, 籽粒产量表现为先增加后降低, 且2016年表现为N270> N360> N150> N75> N0, 2017年表现为N150> N270> N360> N75> N0, 2018年表现为N270> N180> N360> N90> N0。与籽粒产量表现相似, 随着施氮量增加, 水分利用效率先增加后降低, 不同年份施氮量处理间表现趋势与产量类似。2016、2017和2018年WUE变化范围分别为21.96~25.50 kg hm–2mm–1、6.15~10.83 kg hm–2mm–1和18.80~31.45 kg hm–2mm–1。可以看出, 降雨分布为穗期多雨、粒期干旱型时, 无论全生育期降雨量多少, 在N270处理下籽粒产量、WUE较高, 当穗期干旱、粒期多雨型时, 籽粒产量和WUE在N150处理下表现较高。

2.5.2 春玉米的产量、水分利用效率与施氮量关系

不同降水分布年份籽粒产量、WUE均与施氮量呈二次线性相关(图5)。籽粒产量和WUE随着施氮量增加呈抛物线变化, 2016年随着施氮量持续增加, 产量缓慢增加后逐渐缓慢下降, 2017年达最大值后随着施氮量进一步增加则下降幅度相对较大, 2018年二者相关性更为显著(2=0.9807)。随着试验年份增加, 氮肥累积效应逐渐增强, 随着施氮量增加, 籽粒产量先增加后降低, 符合报酬递减规律。

2.6 春玉米产量与休闲期降水、播期蓄水量及不同阶段降雨量关系

籽粒产量与休闲期降水(FP0)、休闲至拔节期降水(FP1)、休闲至抽雄期降水(FP2)、休闲至灌浆期降水(FP3)的相关性呈现先增加后降低趋势(图6-A), 其中籽粒产量与FP0相关性较弱(2=0.222**), 与FP2相关性较强(2=0.839**), 随着关键生育期降雨量增加, 相关性逐渐增强。籽粒产量与播前土壤蓄水量(SP0)、播前土壤蓄水量+播种至拔节期降水(SP1)、播前土壤蓄水量+播种至抽雄期降水(SP2)、播前土壤蓄水量+播种至灌浆期降水(SP3)呈一次线性正相关(图6-B), 随生育进程, 降雨量增加, 底墒+降水量与产量的相关性增强, 其中籽粒产量与SP2相关性最高(2=0.837**)。

结合不同年份降雨量分布特征, 2016、2017和2018年播种至拔节期降雨差别不大, 但拔节至抽雄期、抽雄至成熟期降雨量差异较大, 籽粒产量分别与FP2和SP2相关性较强, 因此可以结合休闲至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量与抽雄前降雨量之和, 预测分析籽粒产量。

图5 不同年份籽粒产量、水分利用效率(WUE)及其与施氮量的相关性

WUE: 水分利用效率。WUE: water use efficiency.

3 讨论

3.1 降水对春玉米生长的影响

在降水对作物生长和产量的作用中, 主要因素并非全生育期降水总量, 而是降雨强度及其季节分布状况。高亚军等[19,36]指出玉米水分敏感期为抽雄期前后, 拔节期是旱地玉米有限灌溉另一关键期, 任何生育时期土壤干旱胁迫均会导致玉米减产。前人研究[13-14]结果表明, 抽雄吐丝期遭遇干旱会影响授粉、受精过程, 导致穗粒数降低, 灌浆期干旱导致籽粒灌浆受阻, 光合产物积累不足, 粒重降低。与正常生长相比, 抽穗至乳熟期遭受不同程度干旱会使百粒重分别降低18.8%和30.2%, 最终导致产量下降62.4%和70.3%。本研究结果与之一致, 春玉米穗期干旱和粒期干旱均影响春玉米穗部性状, 拔节至抽雄期水分不足显著降低了穗数和穗粒数, 灌浆期干旱导致粒重降低, 最终影响籽粒产量。

(图6)

A为籽粒产量与不同阶段降雨量的关系, 其中 FP0为休闲期降水; FP1为休闲至拔节期降水; FP2为休闲至抽雄期降水; FP3为休闲至灌浆期降水。B为籽粒产量与播前土壤蓄水量与不同阶段降雨量之和的关系, 其中SP0为播前土壤蓄水量; SP1为播前土壤蓄水量+播种至拔节期降水; SP2为播前土壤蓄水量+播种至抽雄期降水; SP3为播前土壤蓄水量+播种至灌浆期降水。**表示0.01显著水平。

A shows the relationship between grain yield and precipitation at different stages, among which FP0: precipitation during fallow; FP1: precipitation from fallow to jointing; FP2: precipitation from fallow to tasseling; FP3: precipitation from fallow to filling. B shows the relationship between grain yield and soil water storage before sowing and the sum of precipitation at different stages. SP0: soil water storage before sowing; SP1: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to jointing; SP2: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to tasseling; SP3: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to filling.**indicates significant at the 0.01 probability level.

降水分布显著影响春玉米产量, 在本研究中, 2016年较2017年全生育期总降雨量相差不大, 但产量却远高于2017年, 2018年全生育期降雨量比2017年低132.5 mm, 但产量也高于2017年, 可见生育期降水总量并非影响籽粒产量的唯一决定因素。2016年和2018年均为拔节至抽雄期降雨较多, 穗期多雨、粒期干旱, 2017年拔节至抽雄期降水极少、粒期多雨, 拔节至穗期干旱直接导致大幅减产, 水分利用效率降低。2018年较2016年降水少, 生育期耗水量相应减少, 但水分利用效率提高, 春玉米籽粒产量仍保持较高水平, 除关键时期降雨外, 还与播前土壤蓄水量较高有相应关系。

3.2 氮肥对产量、WUE及土壤水分利用的影响

在作物生长过程中, 氮肥增产效应显著, 在合理范围内增加施氮量可以显著提高玉米水分利用效率和产量[29,37], 且籽粒产量与水分利用效率与施氮量呈二次函数关系, Liu等[37]研究表明产量与施氮量拟合方程2=0.9808**, WUE与施氮量拟合2= 0.9759**。易镇邪等[38]研究发现, 施氮量在0~180 kghm–2范围内, 夏玉米产量、耗水量、水分生产效率均随施氮量的增加而加大。丁民伟等[39]研究表明, 在施氮0~300 kghm–2范围内夏玉米产量随施氮量增加而增加, 超过300 kghm–2时则降低。本研究表明春玉米籽粒产量、水分利用效率随施氮量的增加呈二次抛物线趋势, 与已有研究结果相似。

段文学等[40]在研究小麦耗水规律中发现, 当施氮量适当增加时, 小麦利用深层土壤贮水能力增强, 但施氮量继续增加, 80 cm以下土层土壤贮水消耗量未显著增加。曹云者等[41]研究发现, 夏玉米对水分需求最大强度在拔节至抽雄期, 在干旱年型无灌溉处理下, 夏玉米生长后期耗水以80~100 cm为主, 表层供水不足迫使根系下扎, 利用深层土壤储水。本研究中对不同生育时期土壤蓄水量变化动态和土壤含水量时空变化动态的分析发现, 不施氮处理玉米长势不好, 耗水较少。2016年和2018年随着施氮量的增加, 同一土层土壤含水量降低, 根系水分利用深度增加, 80~100 cm土层水分利用较多。2017年穗期干旱, 部分土层土壤含水量仅为7%左右, 接近凋萎湿度值。N75和N150处理下根系水分利用深度达160 cm, 但N360处理下深层土壤水分含水量相对其他处理较高, 可能由于前期水分消耗较多, 拔节至抽雄期氮肥促长响应较弱。方差分析显示, 施氮量对全生育期耗水量无显著性影响, 年份对耗水量影响显著, 由于年际间差异极大, 施氮量的影响效应被削弱。

3.3 旱地玉米“以水定产、以产定肥”

Zhang等[42]利用小麦生产模型根据生育前期降水和市场情况确定最优氮肥施用量。Cao等[43]基于多年黄土高原旱地冬小麦产量和降水量研究, 发现根据夏闲期至拔节期降水可以预测产量, 并根据产量与施肥量的关系计算与之匹配的氮磷钾肥施肥量, 以此来纠正氮肥和磷肥的过量施用以及钾肥施用不足状况。Calvino等[44]在旱作玉米研究中发现, 籽粒产量与开花前后20 d左右时间内的降雨量呈显著相关, 这为结合开花前降雨和花后降雨预报预测玉米产量, 进而推荐氮肥追施提供了依据。根据山西寿阳[45]十年旱地玉米定位试验数据中春玉米产量和生育期不同阶段降水量数据分析发现, 籽粒产量和休闲至7月中旬降水相关性最强(= 23.034−567.45,2= 0.765), 通过已有地力水平、已有水分含量和降水状况来预测产量, 从而确定与降水相适应的施氮量具有可行性。本研究中, 春玉米籽粒产量分别与休闲至抽雄期降水量和播前土壤蓄水量与抽雄前降雨量之和相关性较强。2017年渭北旱塬有数千公顷旱地玉米因极端干旱大幅度减产和绝产而被翻压, 造成经济效益低下和氮肥资源浪费。因此根据关键生育时期降水预测产量并及时调整氮肥施用量对渭北旱塬地区春玉米生产至关重要。

李少昆等[46]指出, 应研究玉米生长发育与产量形成对资源的响应特征及利用情况, 建立雨养、水源不足地区雨水高效利用的栽培技术, 实现玉米的高产高效协同与可持续增产。本试验中涉及不同降水分布年份为穗期多雨、粒期干旱型和穗期干旱、粒期多雨型, 未涉及全生育期多雨和全生育期干旱类型, 后期可补充人工控制干旱胁迫或提供充足水分条件下的试验综合全面分析, 进一步完善“以水定产”研究, 以期为渭北旱塬春玉米生产中依据底墒、降水情况制定合理的氮肥施用策略提供科学依据, 实现“以水定肥、以肥促水”, 增产增收, 节本增效。

4 结论

(1) 生长季降水量及其分布显著影响土壤蓄水量和玉米地上部干物质积累, 从而影响玉米产量及其构成因素, 穗期干旱影响地上部干物质积累量和穗粒数, 粒期干旱会明显降低粒重。(2) 施氮量对玉米产量、水分利用效率影响呈现二次曲线关系, 穗期多雨、粒期干旱型以N270处理籽粒产量和WUE最高, 当穗期干旱、粒期多雨时, 以N150处理产量和WUE最好。(3) 综合产量、水分利用和经济收益综合评价, 渭北旱地玉米最适施氮方案为基施氮肥150 kg hm–2, 再根据休闲至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量与播种至抽雄期降水量之和预测产量, 估算并及时追施适宜施氮量。

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Responses of maize growth and yield to nitrogen application in dryland under different precipitation conditions

NING Fang, ZHANG Yuan-Hong, WEN Peng-Fei, WANG Rui, WANG Qian, DONG Zhao-Yang, JIA Guang-Can, and LI Jun*

College of Agronomy, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physi-ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China

Water deficiency is a main limiting factor for maize growth in dryland. The seasonal fluctuation of precipitation and the frequent occurrence of drought have severely affected the normal growth and stable production of spring maize in Weibei dryland. Anexperiment was conducted in Heyang county located in Weibei dryland from 2016 to 2018, with five treatments of nitrogen rates, including 0 kg ha–1(N0), 75 kg ha–1(N75), 150 kg ha–1(N150), 270 kg ha–1(N270), and 360 kg ha–1(N360) from 2016 to 2017 and 0 kg ha–1(N0), 90 kg ha–1(N90), 180 kg ha–1(N180), 270 kg ha–1(N270), and 360 kg ha–1(N360) in 2018, using two spring maize varieties Zhengdan 958 (ZD958) and Shaandan 8806 (SD8806). The effects of nitrogen application rates on dynamic changes of soil moisture, dry matter accumulation, yield composition, economic returns and water use efficiency (WUE) of spring maize during growth period were analyzed in different test years. There were two distribution types of precipitation in the test years, one was rainy at the ear stage and droughty at the grain stage (2016, 2018), while the other was droughty at the ear stage and rainy at the grain stage (2017). Precipitation amount and its distribution in the growing season significantly affected soil water storage and aboveground dry matter accumulation of maize, thus affecting grain yield and its components. Drought at the ear stage significantly reduced aboveground dry matter accumulation and kernel number per ear, while drought in the grain stage decreased kernel weight. The yield of applying nitrogen fertilizer treatment was 6.72%–91.23% higher than that of N0 across three years. The effects of nitrogen rates on grain yield and WUE followed a quadratic curve relationship. In the case of being rainy at the ear stage and droughty at the grain stage there occurred the highest grain yield and WUE in N270, in contrast when it was droughty at the ear stage and rainy at the grain stage, spring maize performed better in N150 treatment. The Grain yield was positively correlated with “precipitation from fallow to tasseling” (FP2) and “the sum of soil water storage before sowing and precipitation from sowing to tasseling” (SP2) (FP2:2=0.839**; SP2:2=0.837**). Based on a comprehensive assessment for grain yield, WUE and net economic returns, the optimum nitrogen application rate in this study is basic fertilizer of 150 kg ha–1plus top dressing of nitrogen fertilizer in time according to the predicted yield, which is estimated by FP2 or SP2, so as to get the optimized N fertilizer amount and maximized yield, WUE and economic returns in Weibei dryland.

spring maize; distribution of precipitation; nitrogen application rate; yield; WUE

2018-07-20;

2019-01-19;

2019-02-27.

10.3724/SP.J.1006.2019.83055

李军, E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn

E-mail: ningfang1108@163.com

本研究由国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02), 国家自然科学基金项目(31571620, 31801300)和国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2013AA102902)资助。

This study was supported by the National Science and Technology Support Program (2015BAD22B02), the National Natural Science Foundation of China (31571620, 31801300), and the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2013AA102902).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190226.1725.010.html