水肥施用量对夏玉米生长及产量的影响

冯严明，丛 鑫，牟晓宇，邢寒冰，张立志，董文旭，徐征和，庞桂斌

(1.济南大学水利与环境学院，济南 250022；2．山东省水利科学研究院，济南 250013；3．中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源中心，石家庄 050022)

0 引 言

高效利用水肥，提高作物产量，减少化肥污染，是所有农田节水灌溉研究者不懈追求的目标。作物生产受众多因素的影响，其中水分和肥料是影响作物品质与产量的两大决定性因素[1,2]。相同肥料在适宜水分条件下可以更好地被作物吸收利用，在过量水分条件下会被快速淋失浪费[3]；同样，适当的施肥量会增加土壤中微生物的活性，提高作物土壤保水能力，但过高的施肥量会破坏土壤原有生态，造成作物减产[4]。因此，只有水分和肥料施用协调才能使土壤水肥发挥积极的作用[5,6]。近年来，在我国水肥协同作用的研究已引起广泛重视,许多学者就夏玉米最优水肥方案做了大量的研究，如温利利等采取大棚和盆栽试验结合的方法，研究了在不同降水量条件下水肥耦合对夏玉米生长和产量的影响[7]；张忠学等通过建立回归模型分析了不同因素对玉米光合速率的影响[8]；刘作新等通过8年连续试验，讨论分析了氮、磷、水分之间的耦合作用对作物产量的影响[9]。

综上，认为不同区域的最优水肥组合会对本区域夏玉米的产量有促进作用，因此针对研究区气象和土壤条件探求一套适用于本区域的夏玉米水肥高效利用的水氮磷调控方案，研究不同水肥施用量对夏玉米株高、叶面积指数、肥料偏生产力和产量产生的影响，可以为进一步提高研究区水肥利用效率与玉米产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山东省长清市山东省灌溉试验中心站内，属于暖温带半湿润季风气候区，历年平均气温为14 ℃，年均蒸发量为1 340 mm，历年平均降水量为655 mm，夏季降水量占全年的62%，夏玉米生育期降雨气温见图1。根据土壤粒径分析，试验区土质为壤土。试验于2018年6月至10月在防雨棚内测坑中进行，试验站内建有带有地下廊道的36个测坑，测坑规格为3.33 m×2.0 m，测坑与测坑之间有2.0 m深的钢板衬砌墙，试验区概化图见图2。

图1 夏玉米生育期内气温、降雨变化Fig.1 Changes of temperature and rainfall during Summer Maize growth period

图2 试验区布设示意图Fig.2 Layout schematic map of test area

1.2 试验设计

供试夏玉米品种为“郑单958”号，2018年6月3日播种，10月4日收获。试验设置10个处理，3次重复，共30个小区，各小区采取随机排列设置。每个小区的面积为6.67 m2(2.00 m×3.335 m)，小区每公顷保苗5.997 万株，每小区4条垄，垄宽40 cm，株距30 cm。试验所需的磷肥、氮肥和钾肥分别为浓度12%的过磷酸钙、浓度46.4%的尿素和浓度60%的氯化钾。

试验因素设置为：灌水量、氮肥和磷肥，其中灌水量因素设置2个水平，分别为70.5 mm (I1)和125.5 mm (I2)，“低水”水平(70.5 mm)在播种时灌溉，“高水”水平(125.5 mm)分别在播种时灌溉70.5 mm和抽雄前期(8月3日前后)灌溉55 mm；氮肥因素(按纯氮计算)设置3个水平，分别为145 kg/hm2(N1)、195 kg/hm2(N2)和245 kg/hm2(N3)，基追比为2∶3，基肥在播前施用，追肥在抽雄前期进行；磷肥因素(按P2O5计算)设置3个水平，分别为60 kg/hm2(P1)、95 kg/hm2(P2)和120 kg/hm2(P3)，全部基施。各处理均施用钾肥128 kg/hm2，全部基施，其他管理与一般大田一致。本试验主要以N2和P2为主要设计，另根据试验目的增加N1、N3和P1、P3设计，共计10个处理，各处理的试验因素和水平组合方案见表1。

1.3 测定项目与方法

(1) 株高：在夏玉米各生育期内，在各小区中选取长势一致的3株植株，用卷尺测定从茎基部到叶顶端的距离，取平均值统计。

(2) 叶面积指数(LAI)：利用CI203于玉米各生育期在小区选择长势一致的植株(3株)来测定。

表1 试验设计方案Tab.1 Test design scheme

(3) 地上干物质：于夏玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆前期、成熟期各小区随机选取夏玉米3株，将植株用剪刀沿地面剪下，茎、叶、穗分离后分开封袋保存，带回实验室后放入烘箱中，设置105 ℃杀青30 min，降温至70 ℃烘至恒重后称取植株质量即为干物质质量。

(4) 产量及其组成：夏玉米成熟后，在每个测坑的中心点和四角点随机选取3株，沿地面剪下后带回实验室。测定穗长、穗粗、行数和粒数等指标，放通风处自然风干后，用电子秤称取籽粒重量，然后根据试验小区内夏玉米株数推算产量。

(5) 肥料偏生产力：肥料偏生产力包括磷肥偏生产力和氮肥偏生产力，公式如下：

(1)

(2)

式中：磷肥、氮肥偏生产力单位为kg/kg。

1.4 数据分析

分别采用Excel 2010 和SPSS进行数据整理与统计分析，水肥对夏玉米性状因素的影响的方差分析采用单因素ANOVA法，利用Logistic方程拟合干物质积累量随时间的变化规律。

2 结果与分析

2.1 水肥施用量对夏玉米株高的影响

不同水肥配合对夏玉米全生育期株高的影响如图3。不同水肥施用量下夏玉米在苗期株高未出现明显的株高差异，基本都在50 cm左右；拔节期由于根茎吸收到的水肥量的不同，株高开始出现明显差异，处理I2N1P2与I2N3P2株高差距可达20 cm；抽雄期夏玉米明显增长，不同水肥施用量处理下各组株高差距基本与拔节期保持一致，而且通过观察数据可知，低水水平下株高较高水水平下株高均有明显差距，说明夏玉米对肥料的吸收需要必要的水分；灌浆期除处理I2N1P2和I2N3P2外，株高基本没有变化，说明水分在夏玉米生长后期对株高的影响更为明显。

图3 不同生育期夏玉米株高变化图Fig.3 Changes of plant height of Summer Maize in different growth periods

2.2 水肥施用量对夏玉米叶面积指数的影响

根据表2分析可知，不同水肥施用量处理对夏玉米整个生育期内叶面积指数变化趋势影响效果轻微，都是从苗期到抽雄期显著上升，从抽雄期到灌浆期保持稳定和从灌浆期到成熟期轻微下降；高水处理下夏玉米叶面积指数峰值明显高于低水处理下叶面积指数，实验结果与丛鑫和温立玉的研究成果一致[10,18]。生长初期随着夏玉米的生长叶片面积逐渐变大，叶面积指数随之升高，一直到抽雄期和吐丝期达到最大值，生长后期由于叶片枯萎，叶面积指数随之下降。不同水肥施用量对夏玉米叶面积指数的影响分析，见表2。

表2 夏玉米全生育期叶面积指数分析Tab.2 Analysis of leaf area index of Summer Maize in whole growth period

由表2对不同水肥施用量处理下夏玉米叶面积指数数据分析，同样氮磷施用量前提下，高水水平下夏玉米叶面积指数明显高于低水水平下叶面积指数，说明水分对夏玉米叶面积指数有正相关作用。夏玉米叶面积指数有显著差异主要发生在抽雄期和灌浆期，抽雄期内叶面积指数最高为I2N2P2的4.44叶面积指数最低为I1N1P2的3.52，灌浆期内叶面积指数最高为I2N2P2的4.18叶面积指数最低为I1N2P1的3.32，差距较为明显。总体来看，一定范围内，增加水肥施用量可以提高夏玉米叶面积指数，但增加过多会起到一定抑制作用。通过显著性检验发现，水分对夏玉米叶面积指数除苗期外均达到统计意义上的显著水平，施氮量对夏玉米叶面积指数影响在各生育期内均达到显著水平，施磷量除在苗期、灌浆期、乳熟期和成熟期内未达到显著水平，但有较明显影响。

2.3 水肥施用量对地上干物质积累的影响

夏玉米产量与干物质的生产与累积过程密切相关，增加产量的基本途径就是增加干物质质量，施用适宜的氮肥可以保证生育期内干物质得到充分的累计[11]。以T3为对象，通过Logistic拟合方程分析夏玉米干物质累积量随时间的变化规律(图4)。

图4 处理T3的夏玉米干物质累积曲线图Fig.4 Dry matter accumulation curve of Summer Maize in treatment T3

可以看出干物质积累曲线为S型曲线，在夏玉米生育期内，干物质从苗期开始缓慢积累，从拔节期到灌浆期迅速积累，从灌浆期到成熟期积累又恢复到较缓慢速度。在拔节初期到灌浆末期内，干物质迅速积累更为需要水分和肥料，本实验进行了追施氮肥和灌水处理，在水肥双重作用下干物质积累得到补充。

利用指数方程对于干物质积累随时间变化的规律进行拟合分析，指数方程如下：

G=aexp(-b/t)

(3)

式中：G为干物质累积量，g/株；t为播种后的天数，d；a,b为待拟合参数，常数。

对方程(3)进行一阶求导，可以得出方程如下：

dG/dt=abexp(-b/t)/t2

(4)

式中：dG/dt为干物质累积的速率。

对方程(3)进行二阶求导，可以得出加速度方程：

(5)

令上式为零，即t=b/2时，得到夏玉米干物质累积最大速率出现的时间，带入式(4)得到夏玉米干物质累积最大速率，最大速率为4aexp(-2)/b。

通过指数方程拟合计算，夏玉米干物质积累量、最大速率出现的时间、累积的最大速率以及平均增长速率，见表3。

表3 干物质累积速率、时间分析表Tab.3 Dry matter accumulation rate and time analysis table

由表3可知，不同水肥施用量处理下，高水水平下各处理夏玉米成熟期干物质积累量较高于低水水平下各处理夏玉米成熟期干物质积累量，说明水分在提高干物质积累量作用上有明显促进作用，同样在最大增长速率和平均增长速率方面，水分对于夏玉米的影响也较为显著。同等灌水水平下，增加施氮量和施磷量对于干物质积累量影响同样表现为先促进后抑制。成熟期干物质积累量各处理下I2N2P2最大，I1N3P2最小；最大增长速率出现时间I2N2P2最早，I1N2P1最晚；最大增长速率I2N2P2最大，I1N2P1最小；平均增长速率I2N2P2最大，I1N2P1最小。高水水平下适当的施肥会促进干物质积累最大增长速率尽早出现，通过干物质积累转化提高产量。

2.4 水肥施用量对肥料偏生产力的影响

为分析肥料偏生产力在不同水肥施用量处理下的不同，本文分析计算了夏玉米生育期内氮肥和磷肥的肥料偏生产力(NPFP、PPFP)，如图5所示。

图5 不同水肥施用量下氮磷肥肥偏生产力(单位： kg/kg)Tab.5 Partial productivity of nitrogen and phosphorus fertilizers under different application amount of water and fertilizer

由图5可知，灌水量为70.5 mm、施磷量为95 kg/hm2时，低氮水平的氮肥偏生产力为44.58 kg/kg，中氮水平的氮肥偏生产力为36.9 kg/kg，高氮水平的氮肥偏生产力为28.86 kg/kg；灌水量为125.5 mm、施磷量为95 kg/hm2时，低氮水平的氮肥偏生产力为58.2 kg/kg，中氮水平的氮肥偏生产力为50.68 kg/kg，高氮水平的氮肥偏生产力为38.19 kg/kg。说明同等灌水量和同等施磷量条件下增加施氮量会降低氮肥偏生产力，而且高灌水量下氮肥偏生产力与低灌水量下氮肥偏生产力相比较高。灌水量为70.5 mm、施氮量为195 kg/hm2时，低磷水平的氮肥偏生产力为35.81 kg/kg，中磷水平的氮肥偏生产力为36.9 kg/kg，高磷水平的氮肥偏生产力为34.37 kg/kg；灌水量为125.5 mm、施氮量为195 kg/hm2时，低磷水平的氮肥偏生产力为45.98 kg/kg，中磷水平的氮肥偏生产力为50.68 kg/kg，高磷水平的氮肥偏生产力为44.06 kg/kg。说明在同等灌水量和同等施氮量条件下，氮肥偏生产力会随着施磷量的增多先升高后下降，这与史晶[11]在研究冬小麦/夏玉米氮磷肥安全高效施肥量的结论相一致。

灌水量70.5 mm、施氮量195 kg/hm2条件下，低磷水平较中磷水平夏玉米磷肥偏生产力高30.42 kg/kg，中磷水平较高磷水平夏玉米磷肥偏生产力高17.79 kg/kg；灌水量125.5mm、施氮量195 kg/hm2条件下，低磷水平较中磷水平夏玉米磷肥偏生产力高32.02 kg/kg，中磷水平较高磷水平夏玉米磷肥偏生产力高32.59 kg/kg。说明增加施磷量会降低磷肥偏生产力，而且增加灌水量可显著提高磷肥偏生产力。在同等灌水量和同等施磷量条件下，磷肥偏生产力会随着增加施氮量先升高后降低。

2.5 水肥施用量对夏玉米产量的影响

在不同灌水处理下，施氮磷肥对夏玉米产量影响显著(表4)。

表4 不同水肥施用量对夏玉米产量的影响 kg/hm2

高水水平下各处理夏玉米产量明显高于低水水平下夏玉米产量，氮磷肥效在高水水平下也明显高于低水水平下的氮磷肥效。在同等灌水量和施磷量条件下，夏玉米产量会随着施氮量增加出现先增高后降低的趋势；在同等灌水量和施氮量条件下，夏玉米产量也会随着施磷量增加出现先增高后降低的趋势。由表4可知，夏玉米产量在I2N2P2处理和I2N2P3处理下高于其他处理下的产量，说明合适的水肥施用量对夏玉米产量有明显的提升作用，但施氮量超过195 kg/hm2，施磷量超过95 kg/hm2时，会抑制提高夏玉米产量。

3 讨论与结论

周琦等[12]和温利利等[7]研究发现，在一定的灌水量范围内，玉米株高也会随着氮、钾肥的用量增加而增高，但差异不明显，但是肥料用量过多，会阻滞植株的生长发育。周琦等实验地点在陕西关中地区，气候、土壤等条件与山东地区都有不同，各时期施肥比例有所不同，而在本实验中，株高与水肥利用关系与其他研究者的结论一致，株高增长速率都是先高后低，高水处理相比低水处理株高与氮磷肥关联更为明显。

温立玉[10]等研究发现，施氮量相比施磷量对叶面积指数有更明显的促进影响，与本文中，水分对夏玉米叶面积指数除苗期外均达到统计意义上的显著水平，施氮量对夏玉米叶面积指数影响在各生育期内均达到显著水平，施磷量除在苗期、灌浆期、乳熟期和成熟期内未达到显著水平，但有较明显影响的实验结果类似这也和魏永华等[13]对水稻关于氮磷量影响分析的实验结论一致。

曾瑾汐等[14]和文熙宸等[17]研究都表明，氮磷互作对玉米各生育期干物质积累量的影响呈峰形变化趋势，中氮中磷(N180P70)处理可显著降低花前干物质的积累量，增加成熟期干物质积累总量，促进花后干物质积累向籽粒转运，提高玉米收获指数。相比较而言，本文在干物质转运研究上有所欠缺，应细致研究不同时期氮肥在干物质向籽粒转运过程的影响问题。其他研究员[3,14-17]针对不同水肥施用量对夏玉米的产量分析中都证明不同灌水量条件下，玉米产量随着灌水量的增加而增加，但不是灌水量越多越好。在其他学者基础上，研究本区域的水肥施用量对夏玉米的影响，对本区域的夏玉米种植有一定理论指导意义。

本研究中，夏玉米株高在不同水肥施用量下拔节期表现出差异，抽雄期差异进一步扩大；叶面积指数在不同水肥施用量处理下发生明显差异主要出现在抽雄期和灌浆期，总体来看，一定范围内增加水肥施用量可以提高夏玉米叶面积指数，但增加过多会起到一定抑制作用。高灌溉中施肥也对夏玉米干物质的积累起到更为明显的促进作用。通过对夏玉米整个生育期分析计算，灌水量为125.5 mm、施氮量为195 kg/hm2、施磷量95 kg/hm2处理下的各生长指标均为最优值。

在夏玉米产量分析中发现，高水水平下中、高施肥量对提高夏玉米产量有明显作用；在对产量与水肥因素相关性分析中发现，适量增加施氮磷量对增加夏玉米产量有促进作用，但过高的施肥量会对夏玉米产量有抑制作用。

由于本实验是建立在济南南部气候、土壤条件下，施用水肥严格控制在定量基础上，对当地大田生产有一定的指导意义，但由于实际大田生产存在管理不严格的局限性，因此在以后的工作中，应加强建立通用模型的研究，从而更实际的增加作物产量，改善作物品质。