微喷水肥一体化氮肥后移对夏玉米氮素吸收及 籽粒产量品质的影响

刘彩彩，张孟妮，武雪萍*，裴雪霞，党建友，张永清*，奚雅静，王碧胜，宋霄君，李生平，郑凤君，董 悦

（1．山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000；2．中国农业科学院农业资源与农业区 划研究所，北京 100081；3．山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000；4．首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

夏玉米是晋南地区重要的粮食作物，在粮食生产中发挥重要的作用［1］。夏玉米需水量在350 到425mm 之间［2-3］，并在大喇叭口期需水量最大。虽然晋南地区年降水量为450～580mm［4］，但玉米季降雨仅为330mm 左右，无法满足夏玉米生育期内的需水量。此外，该地区有78%以上的农户仍采用大水漫灌［5-6］，该方式无法有效解决降雨分布不均导致的夏玉米缺水和水肥严重浪费问题［7］。因此，探寻一种适用于夏玉米的节水减肥生产模式迫在眉睫。

水肥一体化是提高水分、养分利用效率，促进作物增产的重要手段［8］。氮在冬小麦、夏玉米整个生育过程中起着至关重要的作用，可增加植物光合产物积累，从而增产［9］。农业生产施肥中重前期、轻后期的做法影响了增产潜力，而氮肥后移是保持总施氮量不变、调整作物施用氮肥时期及分次氮肥施用量的技术，该技术减少对作物生长前期的氮肥投入，将节省的氮肥重点施于作物生长后期［10］，减少作物脱氮现象。氮肥后移可优化耕层无机氮供应与作物吸收的需求关系，减少收获期深层土体的硝态氮积累，提高籽粒灌浆速率，降低氮素的田间表观损失，提高氮肥利用效率，最终提高产量［11］。此外，由于作物秸秆还田后土壤C/N 升高，秸秆氮对作物的有效性减弱，严重影响作物生长［12-13］，而合理的施氮模式可调节秸秆C/N，促进秸秆腐熟分解，提高氮肥利用率［14-15］。

水肥一体化技术是指通过灌溉系统施肥，作物在吸收水分的同时吸收养分，通过控制灌溉水量，避免灌水过程中产生地面径流和深层渗漏，通过氮肥分次施用来提高产量和水分利用效率［14］。研究表明，水肥一体化可直接将肥料运送到作物根部，增加耕层土壤硝态氮含量，减少氮素的淋失，有利于氮肥吸收与利用［15-16］，其中微喷灌的节水增产效果优于漫灌［17］。目前关于施氮量、灌溉方式、灌水频次和施氮时期［18-21］等因素对夏玉米产量、水氮利用效率影响的研究较多，但在晋南地区近几年刚刚开始大田应用冬小麦-夏玉米微喷水肥一体化技术，农业生产上关于施肥与灌水用量、次数及时间尚不明确，且研究多以农民经验为指导，尚未形成一致性认识，制约了技术推广应用规模与速度。本文通过大田试验，系统研究了不同水氮处理对夏玉米产量品质以及氮素利用效率的影响，探讨晋南地区夏玉米最佳的水氮管理模式，从而为农业生产节水减肥、稳产高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2017 年6～10 月在山西省农业科学院小麦研究所韩村基地（36°15.849′N，111°57.203′E）进行，该地属温带大陆性季风气候，春季气温回升快，降水较少；夏季天气酷热，多暴雨；秋季阴雨连绵，较凉爽；冬季寒冷干燥。年降水量小于蒸发量。试验期间降雨量为337mm，蒸发量723mm。试验地的土壤属石灰性褐土，土壤质地为壤质。播前耕层0～20cm 土壤基本理化性状：有机质13.63g/kg，有效磷11.79mg/kg，速效钾148.19mg/kg，pH 值8.15，全氮1.18g/kg，全磷0.47g/kg，全钾29.18g/kg。试验地为冬小麦-夏玉米轮作模式，夏玉米在冬小麦收获后硬茬直播。

1.2 试验设计

采用田间试验，设置5 个处理：处理1 为对照CK（W0N1），大水漫灌、习惯施氮，基肥180kg/hm2+拔节肥120kg/hm2=300kg/hm2，灌水2次、灌水量为2025m3/hm2；处 理2（WN0）微喷灌溉、不施氮肥；处理3（WN1）微喷灌溉、习惯施氮量，基肥100kg/hm2+小喇叭口期200kg/hm2=300kg/hm2；处理4（WN2）微喷灌溉、减量施氮、追肥1 次，基 肥75.8kg/hm2+小喇叭口期151.7kg/hm2=227.5kg/hm2；处理5（WN3）微喷灌溉、氮肥后移、追肥2 次，基肥45.5kg/hm2+小喇叭口期136.5kg/hm2+抽雄肥45.5kg/hm2=227.5kg/hm2。其中处理1 为撒施肥料，处理3、处理4、处理5 均为微喷水肥一体化方式灌水施肥，微喷灌水4 次，其中处理5 与处理4 氮肥用量一致，处理5 追肥2 次、氮肥后移（详见表1）。各处理磷、钾用量一致，均施K2O90kg/hm2和P2O5135kg/hm2，作为底肥一次性施入，磷肥为磷酸二铵（N，18%；P2O5，46%），钾肥为硫酸钾（K2O，51%），氮肥为尿素（N，46.2%）。习惯施肥用量根据当地农户习惯用量调查确定、减量施肥量则是根据目标产量法确定。每个处理3 次重复，共15 个小区。

每个小区长60m、宽2.3m，面积为138m2。每个小区等宽种植4 行玉米，行距为57cm，2 行之间沿玉米种植行向铺设一条60m 的微喷带。微喷带进水端装有压力表、水表和闸阀，进水端水压为0.02MPa。不同处理的各微喷带带长均为60m，喷孔采用每组5 孔单列斜布置，喷孔孔径均为0.8mm。玉米于2017 年6 月12 日播种，种植密度67500 株/hm2，供试品种“先玉335”，2017 年9月29 日收获。

表1 试验处理方案

1.3 数据处理

1.3.1 计算公式［13］：

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮区吸氮量－不施氮区吸氮量）/施氮量×100

氮肥农学效率（NAE，%）=（施氮区产量－不施氮区产量）/施氮量

氮素收获指数（NHI）=籽粒吸氮量/植株吸氮量土壤氮贡献率（SNCR，%）=（不施肥区地上植株氮积累量/施肥区地上植株氮积累量）×100

1.3.2 数据统计

用Excel2007 进行初步的数据整理，用SPSS19 统计分析软件中的ANOVA（单因素方差分析法）进行显著性分析比较，用LSD（最小显著性差异法）进行多重比较，显著水平为0.05，最后使用Excel2007绘图。若各处理间字母不同表示差异显著（P＜5%），没有标字母或标有相同字母均表示处理之间差异不显著（P＞5%）。

2 结果与分析

2.1 微喷水肥一体化对夏玉米氮素积累量的影响

由表2 可知，不同水氮模式对夏玉米成熟期各器官氮素积累量有显著的影响，微喷水肥一体化条件下，以氮肥后移处理WN3总氮素积累量最高，与其他处理间差异均达显著水平。

施氮量不同时，叶氮素积累量、茎氮素积累量、总氮素积累量表现为WN2＞WN1＞WN0；相同施氮量（227.5kg/hm2）时，氮肥后移、追氮2 次模式的处理WN3籽粒氮素积累量、总氮素积累量均分别较追氮1 次的处理WN2增加6.8%、14.26%，因此，适宜的水氮运筹模式可以提高叶氮素积累量、茎氮素积累量，从而增加总氮素积累量。

表2 微喷水肥一体化对夏玉米氮素积累量的影响（kg/hm2）

2.2 微喷水肥一体化对夏玉米产量及其构成因素的影响

由表3 可知，不同水氮处理对夏玉米产量及其构成因素有显著的影响，WN3组合处理的行粒数、百粒重最高，各处理间产量表现为WN3＞WN1＞WN2＞CK＞WN0。

微喷水肥一体化处理与传统漫灌习惯施氮模式CK 相比，夏玉米籽粒产量提高12.05%～45.4%；相同氮用量下，微喷处理WN1比传统漫灌处理CK 籽粒产量提高12.8%。微喷条件下，施氮处理比不施氮处理提高155.80%～229.78%，WN1与WN2间产量无显著差异，可见，微喷水肥一体化减少氮用量24%，产量不受影响。WN3与WN2相比，施氮量相同，但产量增加了30%，说明夏玉米氮肥后移、追氮2 次可以显著提高玉米产量。

表3 微喷水肥一体化对夏玉米产量的影响

2.3 微喷水肥一体化对夏玉米籽粒品质的影响

由表4 可知，WN0、WN1、WN2相比，淀粉含量随施氮量的增加先增加后减小，蛋白质含量随施氮量的增加而增加，赖氨酸含量随施氮量的增加而减小，水分、脂肪含量随施氮量的增加先减少后增加。各处理间WN3的蛋白质含量最高。在相同氮用量条件下，传统漫灌处理的淀粉、蛋白质、赖氨酸含量均高于微喷水肥一体化处理，脂肪含量微喷优于漫灌。微喷4 次时，相同氮用量条件下，淀粉、赖氨酸含量WN2高于WN3，WN3的蛋白质、水分、脂肪含量高于WN2。

表4 微喷水肥一体化对夏玉米籽粒品质的影响（%）

2.4 微喷水肥一体化对氮肥利用率的影响

相同施氮量（300kg/hm2）下，微喷水肥一体化与传统漫灌习惯施氮（CK）相比，氮素收获指数提高16%。减量施氮下，氮肥后移，追肥两次（WN3）的氮肥利用率和氮肥农学效率比追肥一次（WN2）分别提高23.14%、49.01%，均达显著水平，土壤氮贡献率较WN2显著降低14.25%，氮素收获指数降低6.98%。

以上结果表明，采用水肥一体化，氮肥后移，夏玉米小喇叭口期和抽雄期追施氮肥2 次，可以显著提高氮肥利用率和氮肥农学效率，降低土壤氮素的消耗，有利于维持土壤的氮素平衡。

表5 微喷水肥一体化对夏玉米氮肥利用率的影响

3 讨论

3.1 不同水氮管理模式对玉米产量的影响

合理的施氮量及氮肥运筹方式对玉米产量有提高作用。目前，在夏玉米生产中，氮肥施用过量，且多采取“一炮轰”，或基肥和大喇叭口期追肥按1∶1 的方式进行施肥，这种方式易使氮肥以气态形式损失，最终降低氮肥利用率［22］。在作物生长关键时期将氮肥分次施入能增加不同生育时期的作物氮素吸收量［23］，有效提高玉米地上部分生物量，并在灌浆期促进各器官干物质向籽粒转移［24］。马剑等［25］研究表明，氮肥后移能提高玉米叶片中叶绿素含量，进而促进碳水化合物的合成及其直接转运到籽粒的能力，从而提高产量。苟志文等［26］研究表明，氮肥后移能通过促进玉米光合产物向籽粒的转移从而显著提高玉米籽粒产量和收获指数。本试验结果表明，各处理中以WN3处理增产效果最显著，说明根据作物需肥规律采用的水肥一体化技术，氮肥后移，夏玉米小喇叭口期和抽雄期追施氮肥2 次，能延缓叶片衰老，增大作物生长后期的光合速率，是提高夏玉米产量的关键［27］。

水肥一体化有效协调了夏玉米关键生育期的氮素需求，提高生育中、后期叶面积指数，增大叶片的光合速率，提高干物质向各营养器官的转运速率，延缓植株叶片衰老［24］，提高成穗数、行粒数、百粒重并减少秃尖，从而在生育后期补充氮素，说明微喷水肥一体化可以通过优化产量构成来提高产量［24，28］。产量构成因素的提高对夏玉米产量提高有促进作用，本研究表明水肥一体化能显著提高夏玉米的成穗数、行粒数、百粒重，由此提高产量，说明提高产量构成因素的任何一个组成部分都是提高产量的有效途径［24］。

3.2 玉米氮肥利用率对水氮运筹模式的响应

水肥一体化技术通过精确控制不同生育期的施肥量，直接将肥料输送到作物根部，保证了养分快速被根系吸收，改善了玉米氮素供需吻合度，提高了氮肥利用率［29］。传统施氮制度下，重视对作物营养生长时期的氮肥投入，使作物营养生长速率过快，影响作物生殖生长时期其他器官向籽粒的转运速率及转运量，最终降低氮肥利用率［30］。本试验结果表明，微喷水肥一体化条件下，氮肥后移显著提高了氮肥利用率和氮肥农学利用效率，氮肥后移的施氮模式较追氮1 次的施氮模式使氮肥利用率和氮肥农学效率分别提高23.14%和49.01%，土壤氮贡献率也显著降低12%～25%。其主要原因是氮肥后移处理补充了作物旺盛生长后期的土壤有效氮，为灌浆期籽粒的吸氮提供了动力［31］，促进了作物氮素吸收以及向籽粒的转运，使得玉米籽粒吸氮量提高，从而减少土壤氮的贡献率，提高了氮肥利用率［32］。所以，可通过使用微喷水肥一体化氮肥后移来实现晋南地区产量和氮肥利用率的提高，但具体的后移量需要更深入的量化研究。

4 结论

晋南地区夏玉米采用微喷水肥一体化技术进行灌溉施肥有显著的节水减肥增产效果，以WN3处理微喷4 次、氮肥后移为优化组合处理，与微喷灌、习惯施氮（WN1）和微喷灌、减量施氮（WN2）相比，WN3处理显著提高了氮肥利用率和氮肥农学利用效率，降低了土壤氮贡献率，减少土壤氮的消耗；与漫灌、习惯施氮量（CK）相比，微喷灌溉优化施氮组合处理（WN3）产量提高45.42%。因此，推荐微喷灌溉氮肥优化处理（播种后基肥45.5kg/hm2+小喇叭口期追肥136.5kg/hm2+抽雄期追肥45.5kg/hm2）作为晋南地区夏玉米灌水施氮适宜的运筹方式。