氮肥减量后移对喷灌玉米产量和水氮利用效率的影响

2020-06-11宁东峰秦安振刘战东肖俊夫丁鹏飞臧海涛张寄阳

灌溉排水学报 2020年3期

刘见，宁东峰，秦安振，孙彬，刘战东，肖俊夫，丁鹏飞，臧海涛，张寄阳*

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南新乡453002； 2.许昌市农田水利技术试验推广站，河南许昌461000；3.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

0 引言

玉米是我国三大粮食作物之一，2018 年我国玉米种植面积0.421 亿hm2，占全国粮食播种面积的35.99%[1]。但由于长期不合理灌溉施肥，造成水肥资源浪费严重，甚至引发环境污染[2-4]。水肥一体化技术具有节水、增产、减少养分淋失、提高肥料利用率等优点[5-7]，近年来随着喷灌、滴灌等高效节水灌溉方式的推广和应用，该技术日益受到重视[8-9]。研究指出，微喷灌水肥一体化能够显著促进玉米灌浆期生物量的积累和灌浆速率[10]。邢素丽等研[11]究表明，大尺度微喷灌精准自动施肥在夏玉米季增产显著，并可节约成本，减少氮、磷养分和灌溉水用量。圆形喷灌机水肥一体化能降低冠层温度和植株蒸腾作用，延长灌浆持续期，提高冬小麦产量和品质[12-13]。关于玉米减氮追施亦有许多研究报道。在膜下滴灌栽培模式下，玉米拔节期、抽穗期、灌浆期等量追施氮肥50～66 kg/hm2，可显著提高干物质质量和氮素吸收量，增产效果明显[14]。通过优化拔节期、大喇叭口期和吐丝期的氮肥追施比例，可有效提高膜下滴灌玉米的干物质积累和产量提高[15]。适当减少玉米生育前期氮素供应，增加生育中后期追氮数量，可有效增加玉米籽粒产量，提高氮肥利用效率，减少氮素损失[16-17]。但目前水肥一体化技术研究多集中于滴灌施肥，喷灌水肥一体化条件下施肥制度对作物生长发育和水氮利用效率的研究相对较少。本试验在灌水总量一定的条件下，通过设置不同施肥量、追肥分配比例及2 个玉米品种登海3737 和豫单9953，探究喷灌水肥一体化条件下减氮追施对不同玉米品种产量和水氮利用效率的影响，以期为黄淮海平原南部喷灌水肥一体化技术提供一定理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018 年6―9 月在河南省许昌市灌溉试验站（113°59′E，34°09′N）实施，该地位于淮河流域颍河上游，是由双洎河和黄河泛滥冲积而成的冲积平原。试验地海拔79.6 m，属于暖温带大陆性季风气候，雨热同期，多年平均气温14.7 ℃，年日照时间2 183 h，年降雨量698 mm，年蒸发量1 044 mm，地下水埋深大于5 m。试验田供试土壤为潮土，质地为砂壤土，0～60 cm 土壤平均干体积质量为1.43 g/cm3，田间持水率为25%（质量）。0～20 cm 土壤有机质量20.3 g/kg，全氮量1.28 g/kg，全磷量1.71 g/kg。试验区玉米生育期降水量314.3 mm。

1.2 试验设计

设置施肥模式和品种两因素。施肥模式设置3 个处理，以当地习惯施肥模式为对照（CK），施用量为2 250 kg/hm2复合肥，换算为N、P2O5、K2O 施量分别为315、75、75 kg/hm2，作为底肥1 次性基施。2 个水肥一体化模式，N、P2O5、K2O 统一用量为225、75、75 kg/hm2，其中F1 模式为40%三叶期，60%拔节期；F2 模式为30%三叶期，30%拔节期和40%大喇叭口期追施。供试玉米品种为登海3737（P1）和豫单9953（P2）。完全区组设计，共6 个处理，每个处理重复3 次，小区所在田块尺寸为46 m×100 m。采用宽窄行种植模式，宽行80 cm，窄行40 cm，株距28 cm，种植密度71 430 株/hm2，6 月5 日播种，9月27 日收获。灌溉方式为地埋式自动伸缩一体化喷灌。工作时喷灌压力0.35 MPa，均匀系数85%。每次喷灌施肥时，处理间灌水量均保持一致，CK 以清水代替。6 月13 日灌水30 mm，7 月8 日灌水45 mm，7 月22 日灌水60 mm。水肥一体化肥料选用美世荣大量元素水溶复合肥（N、P2O5、K2O 质量比为2∶1∶2）和尿素（含N 量46.7%）。取水口安装有小型比例施肥泵，灌溉施肥先按灌水定额喷洒1/4 清水，然后1/2 水肥溶液，最后1/4 清水，灌水量采用智能水表控制。

1.3 测定指标

1）气象数据。试验站内安装有田间气象站，实时采集降水量、风速、风向、空气温度、湿度、日照时间和太阳辐射等气象数据信息。

2）土壤含水率。在夏玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期、成熟期分别采集0～100 cm 土层土壤（每20 cm 为1 层），采用烘干法测定土壤含水率。

3）植株地上部生物量、叶面积。在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期，分别取长势相同具有代表性的植株5 棵，测定各处理的株高、展开叶片的叶长和叶宽。按器官分样，经105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒质量称质量，重复3次，准确记录生物量。

4）产量及构成要素。收获时，每个小区取2 行各5 米实测产量，3 次重复，并折算成标准含水率14%的产量。考种要素包括穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、百粒质量等。

1.4 计算方法与统计分析

单叶叶面积计算式：叶长×叶宽×0.75。叶面积指数计算式为：平均单株叶面积（cm）×测点的株数/测定面积（m2）/10 000；

总耗水量计算式：ET=I+P+K+ΔW-(R+D)，式中：ET 为玉米育期内的总耗水量（mm），包括作物蒸腾和棵间蒸发；I 为灌溉量（mm）；P 为田间有效降水量（mm）；K 为地下水补给量，由于试验区地下水埋深大于2.5 m，可忽略不计；R 为径流量，D 为深层渗漏，该地块地势平坦，土层深厚，没有地表水分径流损失，也未发现水分的深层渗漏损失。ΔW（mm）为播前土壤贮水量与收获后土壤贮水量的差值；单位面积土壤贮水量计算式：W（mm）=θmρbh×0.1 式中：θm为土壤绝对质量含水量（%）；ρb为土壤体积质量（g/cm3）；h 为土层厚度（cm）；0.1 为换算系数。

水分利用效率计算式：WUE（kg/m3）=Y/ET×1 000式中：Y 为单位面积籽粒实际产量（kg/m2）；ET 为玉米生育期间耗水量（mm）；1 000 为换算系数。

氮肥偏生产力（PFPY）=籽粒产量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）；生物量氮肥偏生产力（PFPB）=地上部生物量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

采用Logistic 方程对玉米地上部干物质进行拟合，拟合方程为Y=A/（1+Be-Kt），其中，Y 为干物质累积量；A、B、K 为方程参数；t 为某一时期干物质累积天数。当t 趋向于无限大时，Y=A，为理论最大干物质累积量（Ymax）。对Logistic 方程求一阶导数得到干物质累积速率方程，对Logistic 方程求二阶导数令其为0，得干物质积累最大生长速率出现的时间（Tmax=lnB/K），代入干物质累积速率方程得到最大生长速率（Vmax=AK/4）。对Logistic 方程求三阶导数，令其为0，得T1=（lnB-1.317）/K，T2=（lnB+1.317）/K。0～T1 为干物质累积渐增期，T1～T2 为干物质累积快增期，T2 以后为缓增期。ΔT=T2-T1，为干物质累积快增期持续的时间。

采用Excel 2010 进行数据处理和作图，SPSS 18.0统计软件进行方差分析，LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 喷灌施肥调控对不同基因型玉米株高的影响

图1 为不同喷灌施肥调控下，玉米株高随时间的变化，不同小写字母表示同一时期不同处理间在0.05水平上差异显著。由图1 可知，同一施肥模式下，除播后14 d（苗期）株高无显著性差异外，其余各个时期均表现出登海3737（P1）大于豫单9953（P2），二者最大值都出现在F2 施肥模式下，分别达到297和283 cm。同一品种下，播后14 d 和28 d（拔节期）CK 处理株高均大于F1 和F2 施肥处理，表明氮肥全部基施促进植株生育前期快速生长，肥效明显。播后45 d（抽雄期），F1 处理株高最大，且3 种施肥模式之间差异显著。播后63 d（灌浆期），F2 处理株高最大，F1 处理与CK 无显著性差异。玉米成熟期，F2 处理株高最大，F1 次之，CK 最小。研究结果表明，在关键生育期氮肥后移追施，能有效延缓植株苗期过快生长，促进植株后期生长。

图1 不同喷灌施肥调控下玉米生育时期株高 Fig.1 Maize height at different growth stages under different sprinkling-fertigation treatments

2.2 喷灌施肥调控对不同基因型玉米叶面积指数的影响

各处理玉米生育期叶面积指数（LAI）消长动态见图2。

图2 不同喷灌施肥调控下玉米LAI Fig.2 Effects of different sprinkling-fertigation regulation on leaf area index of maize

由图2 可知，随着叶片增大和光合作用增强，各处理LAI 在播种后75 d（吐丝期）左右达到最大值，之后逐渐降低。2 个玉米品种间LAI 变化差异显著。与登海3737（P1）相比，豫单9953（P2）品种前期LAI 增长快，后期下降快，早熟现象明显。播种后45 d（大喇叭口期），P1 品种的LAI 较P2 品种增加29.2%，播种后89 d（灌浆期），P1 品种LAI 较P2 品种减少22.9%。P1和P2的LAI最大值均出现在F2施肥模式，分别为5.29 和5.19。同一品种条件下，苗期LAI 基本相同，在播种后75 d，LAI 达到峰值，F2 施肥模式较F1 处理和CK 分别增加3.9%和8.0%，说明在大喇叭口期喷施氮肥能够提高玉米的LAI。播后108 d（成熟期），F1、F2 处理、CK 较其峰值分别下降67.2%、64.5%和71.6%，表明高氮传统施肥比减氮后移喷施的LAI 降幅较高。因此，在玉米生长发育中后期，追施氮肥能在一定程度上延缓叶片衰老，维持其较长的生理活性。

2.3 喷灌施肥调控对不同基因型玉米地上部干物质累积的影响

Logistic 方程可以很好地拟合玉米干物质累积过程（R2>0.95，P<0.05），拟合结果见表1。从表1 可以看出，理论最大干物质累积量为254.58～288.45 g/株，快速积累期始于播后38～42 d，结束于播后75～78 d。登海3737 品种（P1）干物质累积量和最大生长速率的均值较豫单9953（P2）品种分别增加2.8%和7.7%，最大生长速率出现的时间无显著差异。豫单9953 干物质积累快增期持续时间比登海3737 增加5.3 d。豫单9953 的CK 比F2 处理早4 d 进入快速增长期。相同品种下，理论干物质积累最大值和最大生长速率均表现为F2 处理>F1 处理>CK。与CK 相比，F2 施肥模式最大干物质累积和生长速率的均值分别增加9.5%和19.3%。说明氮肥减量并增加喷灌施肥频次有利于提高玉米干物质累积和增加最大生长速率。P1F2 最大生长速率最高，为5.4 g/d。高氮传统施肥模式进入快增期时间比追施处理提前3～6 d，结束时间晚2～5 d。虽然传统高氮施肥干物质持续时间长，但是由于其生长速率低于氮肥追施处理，最终干物质累积量小于追施处理。因此在减少氮肥施用量的情况下，增加施肥频次和施肥时间后移能够提高干物质积累速率，增加后期干物质积累量。

2.4 喷灌施肥调控对不同基因型玉米籽粒产量及构成要素的影响

表2 为不同喷灌施肥调控下玉米产量及构成要素。由表2 可知，品种对构成要素及产量的影响均达到极显著水平（P<0.01）。登海3737（P1）的穗长、百粒质量和产量的均值较豫单9953（P2）分别增加22.2%、18.1%和8.4%。P1 品种在穗粗、穗行数及秃尖长等方面具有优势，均值分别比P2 品种增加3.0%、34.2%、-68.5%。施肥模式对产量的影响达到显著水平，F1 和F2 处理比CK 分别增加5.5%和10.2%，其中F2处理较F1 处理增加4.5%。P1F2 处理穗长最长，达21.8 cm，P2F2 处理穗粗最大，为4.3 cm。喷灌水肥一体化较传统施肥玉米产量平均提高7.8%，其中百粒质量提高2.9%。P1 品种平均产量为11 319 kg/hm2，较P2 增产8.4%，其中穗长、百粒质量对产量贡献较大，分别提高22.5%和18.2%。相同品种下，F1 和F2 处理百粒质量大于CK，秃尖长小于CK，说明喷灌施肥可以增加百粒质量和降低秃尖长，协调玉米产量构成要素，为高产奠定基础。P1F2 处理产量最高，为12 003 kg/hm2，表明喷灌水肥一体化具有明显增产效果。

表1 喷灌施肥调控下玉米处理干物质累积特征参数 Table 1 Dry matter accumulation characteristic parameters under different sprinkling-fertigation treatments

表2 喷灌施肥调控下玉米产量及构成要素 Table 2 Grain yield and yield components under sprinkling-fertigation treatments

2.5 喷灌施肥调控对不同基因型玉米耗水量和水氮利用效率的影响

从表3 可以看出，品种对耗水量（ET）和籽粒氮肥偏生产力（PFPY）影响极显著。登海3737（P1）ET 和PFPY的均值较豫单9953（P2），分别增加6.5%和8.6%。P2F2 处理ET 最小，为340 mm。CK 的ET显著大于F1 和F2 处理，说明在该水分条件下，施用氮肥量越高，ET 值越大。同一施氮量下，F2 施肥模式比F1 处理耗水量少，说明氮肥后移可降低作物耗水量。WUE、PFPY和PFPB均表现出F2 处理>F1 处理>CK 的规律，其中F2 模式下各指标均值比CK 分别提高31.4%、54.3%和54.1%，表明水肥一体化喷灌以及后移喷施可显著提高水氮利用效率。同一品种下，不同施肥处理WUE 差异显著，P1 和P2 最大值分别达到3.28 kg/m3和3.17 kg/m3，比对应CK 增加33.8%和28.9%。F1 和F2 施肥模式的PFPY之间没有显著性差异，CK 与F1、F2 处理差异显著。生物量氮肥偏生产力PFPB介于56.4～89.8 kg/kg 之间，F1和F2 施肥模式的PFPB明显大于CK。

表3 不同喷灌施肥调控下玉米耗水量和水氮利用效率 Table 3 Evapotranspiration and water and nitrogen use efficiency under sprinkling-fertigation treatments

3 讨论

研究表明玉米株高变化规律均表现为前期快速增长、拔节期后缓慢增长、灌浆后期基本稳定[18]。随施氮水平的增加，株高总体呈“先增后降”的趋势，并在氮肥施用量为225～240 kg/hm2时达到最大值[19-20]。本研究也表现出相同的规律，同时发现在关键生育期氮肥后移追施，能有效延缓植株苗期过快生长，促进植株后期生长。叶面积是植物截获光能的物质载体，叶面积指数（LAI）是反映植株群体光合能力强弱的重要指标。王增丽等[21]研究表明，LAI 呈先增大后降低的趋势，峰值出现在播后87 d 左右。向友珍等[22]认为玉米LAI 在抽雄期最大。本研究发现，登海3737 和豫单9953 的LAI 都在播后75 d 左右达到最大值，但是二者LAI 变化快慢差异显著，豫单9953 增长和下降趋势明显大于登海3737。高素玲等[23]指出，与传统一次性基施相比，氮肥减量后移可增加苗后75 d 叶绿素量和光合速率。本研究表明，高氮传统施肥LAI 比减氮后移喷施降幅较高，减氮后移喷施模式可维持夏玉米茎和叶片中较高氮素积累，促进生育后期对氮素的吸收利用，延缓叶片过早衰老，保持其较长生理活性。

干物质积累是籽粒产量形成的物质基础，获得高产的基本途径就是增加干物质积累量，并使之尽可能多地分配到籽粒当中[24]。魏廷邦等[25]研究发现，在灌水量和施氮总量不变的情况下，玉米拔节期氮肥后移可延长拔节期至灌浆期玉米干物质积累持续期，增大玉米干物质最大增长速率和平均增长速率，提前干物质最大增长速度出现的天数。本研究表明，相对于氮肥一次性基施，分次追施氮肥玉米最大干物质累积和生长速率显著增加，但是干物质最大增长速率出现的天数没有提前。王宜伦等[26]研究指出夏玉米吐丝后氮素吸收积累量占总积累量的40.3%～47.8%，传统施肥容易引发玉米抽雄至灌浆期氮肥亏缺，氮肥后移保证了夏玉米生育后期对氮素的需求，延长玉米生育期内干物质积累的持续期，从而加速光合产物向籽粒中转移[27]。

产量构成要素之间的协调发展是保证作物高产的重要途径。减量优化施肥可显著提高小麦和玉米有效穗数、穗粒数和千粒质量，从而优化调控作物产量[25,28]。水肥一体化下氮肥减量后移可较好发挥水氮耦合协同效应[29-30]，快速有效满足作物氮素需求，加强了源端同化物持续供应能力，提高了生育后期叶片氮素量和光合性能[31]，使光合同化物最优分配到各器官，从而获得高产。本研究发现氮肥减量后移水肥一体化模式（F1 和F2）增加了玉米百粒质量和降低了秃尖长，F1 和F2 施肥模式下玉米产量比CK 分别增加5.5%和10.2%。F2 模式（30%三叶期，30%拔节期，40%大喇叭口期）更有利于产量形成。本研究还发现，同一施肥模式，不同品种之间产量和构成要素差异极显著。登海3737 的产量较高，穗长、百粒质量较大；豫单9953 在穗粗、秃尖长和行数等方面具有优势，收获时枯干成熟且籽粒含水率低，易于大面积机械粒收[32]。

Rudnick 等[33]研究认为，在玉米生殖生长期，氮肥施用量对耗水量影响显著。王海瑞等[34]研究发现，相同水分处理下，玉米耗水量随肥力的增加而增加。本研究表明，减氮后移减少了作物耗水量，使有限水资源得到充分利用。氮肥适度减量平衡了土壤氮养分供应和作物氮养分需求之间的关系，降低作物生长冗余，减少作物无效蒸腾。施肥后移则弥补了抽雄期至灌浆期氮素亏缺，延缓叶片衰老，促进植株对土壤水分的吸收和利用。Zhang 等[35]指出，在最高施氮水平上减氮40%，冬小麦的产量和WUE 并没有显著降低。本研究发现，总施氮量为225 kg/hm2，F2 施肥模式比F1 的产量和WUE 更高。本次研究只是对2 种基因型玉米耗水量进行了计算和分析，在适宜节水型品种选育方面，还需增加品种数量和监测指标[36]。