水氮互作对川中丘陵区玉米水肥利用效率和产量形成的影响

刘 凡，刘斌祥，刘佳媛，杜 霞，孔凡磊，袁继超

(1. 四川农业大学农学院，四川 成都 611130；2. 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川 成都 611130；3. 作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 成都 611130)

玉米是重要的粮食、饲料以及工业原料作物，用途较广，需求量大，提高玉米单产有助于满足市场需求，保障我国粮食安全[1]。水肥是影响作物生长发育和产量形成的重要因子[2]，玉米生育期内需水量大，各生育时期水分胁迫均会影响玉米生长发育，导致其产量下降[2]。我国淡水资源总量丰富，但人均占有量仅为世界人均水平的1/4，是缺水和贫水的国家[5]，发展节水农业势在必行，滴灌是节水农业的重要技术措施[6]。氮素是构成蛋白质、核酸、叶绿素等有机物的核心元素[7]，合理施氮是提高作物产量的重要途径[8]。研究表明水肥间存在明显的交互作用[9-10]，水氮互作可显著增加玉米产量，其中以氮为主效[11]，科学的肥水管理可以发挥水肥协同和耦合作用[12]。在水肥一体化模式下，氮肥溶于水直接运送到根部，减少肥料淋失和土壤固定，氮肥利用率可达60%以上，还能减少40%以上水分消耗[13]。

川中丘陵区属雨养农业区，季节性干旱频发[14]，作为本区主要气象灾害[15]，严重影响玉米产量。且本区土壤贫瘠，蓄水保肥能力差，为提高产量，当地农民在玉米生产上普遍过量施用氮肥[16]，导致肥料利用率低、生产成本高和环境污染等问题[17]。氮肥减施增效是我国玉米生产发展的重要方向[18]，前人对本区玉米的氮肥施用技术作了较多研究[19-20]，对灌溉技术也有部分研究[21]，但鲜有水氮互作方面和水肥一体化方面的研究。本文对此开展探索，以期为本区玉米水肥一体化高效生产技术的制定提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4—8月在四川省德阳市中江县开展。该地海拔625.3 m，属亚热带季风性气候，无霜期282 d，多年全年平均降水量855.59 mm，2019年全年降水量840.96 mm，试验期间(4—8月)和多年同期的平均降水量和温度见图1。土壤为紫色粘性土，耕层厚约20 cm，播种前土壤的基础养分含量为碱解氮54.60 mg·kg-1，速效磷5.25 mg·kg-1，速效钾102.73 mg·kg-1，有机质8.71 g·kg-1，pH值6.35，表层土储水量448 mm。

1.2 试验材料

四川农业大学选育的大穗高产品种‘正红507’。

1.3 试验设计

试验采取膜下滴灌方式进行灌溉，采用两因素随机区组设计，A因素为氮肥施用量，设减氮25%(纯氮180 kg·hm-2，记为N180)和正常氮(纯氮240 kg·hm-2，记为N240)两个水平；B因素为滴灌量：设0(B0)、375(B1)、750(B2) m3·hm-2和1 125(B3) m3·hm-24个水平，以不施氮、不滴灌为对照(CK)，共9个处理，3次重复，27个小区，小区面积4.8 m×5.5 m=26.4 m2。3月29日覆膜直播，宽窄行(宽行1.1 m，窄行0.5 m)种植，单株栽培，密度为52 500株·hm-2，氮肥按试验方案进行，其中40%作基施，拔节期、大喇叭口期和吐丝期分别滴施10%、40%和10%，另一次性基施P2O590 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2；根据天气和土壤墒情分别于拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期内进行滴灌，B0、B1、B2、B3处理每次滴灌定额分别均为0、93.75、187.5、281.25 m3·hm-2。滴灌采用简易自制设备，包含三孔出水管(PVC材质)、不同规格塑料桶、潜水泵(550 W)及滴灌管(滴头间距200 mm，滴头滴水量2 L·h-1)。滴灌前精确称取氮肥溶解于定量储水桶中。其他栽管措施同大田生产，保持小区间一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 叶面积和干物质积累 分别于大口期、吐丝期和成熟期，每小区选取长势均一、有代表性的植株6株，分为叶、茎鞘、穗(成熟期将穗分为穗轴和籽粒)、其他(果柄、苞叶和雄穗)，放入烘箱中105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，计算干物质积累量；按长宽法测定吐丝期叶面积，计算叶面积指数(LAI)。

1.4.2 氮素积累、分配与利用 将吐丝期和成熟期各器官烘干样粉碎后过60目筛，称取0.2 g用H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏定氮法测全氮含量。计算如下氮积累与利用效率指标：

植株氮积累总量(kg·hm-2)=∑各器官氮积累量=∑各器官干物质积累量×含氮量(率)

氮肥农学利用率(kg·kg-1)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮处理产量/施氮量

氮素干物质生产效率(kg·kg-1)=成熟期植株干物质积累量/植株氮素积累总量

氮肥表观利用率(%)=(施氮处理氮素积累量-对照处理氮素积累量)/施氮量×100

1.4.3 水分利用效率 分别于播前、吐丝期、灌浆期、成熟期用土钻取0～10、10～20、20～30 cm土层土样，用铝盒称重烘干法测定土壤质量含水量；播前和成熟期用环刀法测各土层土壤容重，计算水分利用效率。

土壤质量含水量(%)=[(湿土质量-烘干土质量)/烘干土质量]×100

土壤容重(g·cm-3)=(环刀内湿土重×100)/[环刀容积×(100+土壤含水量)]

土壤耗水量(mm)=灌水量+降雨量+地下水补给量-径流量-深层渗漏量-土壤水分变化量。

由于地表未形成积水，径流量和深层渗漏量可忽略不计;由于本实验区域地下水埋藏较深，地下水补给量也可忽略不计。

某层土壤贮水量(mm)=某层土壤容重×该土层厚度×该层土壤含水量×10

耕层土壤(0～30 cm土层)贮水量(mm)=∑各层土壤贮水量

土壤水分变化量(mm)=成熟期耕层土壤贮水量-播种前耕层土壤贮水量

籽粒水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米籽粒产量/土壤耗水量

生物量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米生物产量/土壤耗水量

1.4.4 产量及产量构成 收获前统计小区有效穗数，并选取代表性植株20株考种，考察穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、百粒重、平均果穗重等，然后分各小区实收计产。

1.4.5 数据处理 运用Microsoft Excel 2013与SPSS 22.0统计软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对玉米叶面积指数的影响

滴灌量和施氮量均显著影响吐丝期叶面积指数(LAI)，二者间还存在显著互作效应(图2)。滴灌量和施氮量的增加均使玉米吐丝期叶面积指数升高。减氮处理(N180B0)和正常氮处理(N240B0)较CK(N0B0)处理分别增加10.70%、28.88%。不同灌溉处理水平下，B3处理叶面积指数均最高，与其他处理差异显著，较B0处理分别增加20.17%(减氮25%)和11.61%(正常氮)。在减氮条件下，增加滴灌量更有利于提高叶面积指数。N180B3处理的叶面积指数显著高于N240B0，充足的灌水促进玉米叶面积的生长，弥补了施氮不足的影响，说明灌水和施氮之间存在协同作用。

2.2 水氮互作对玉米干物质积累的影响

滴灌和施氮对玉米大口期、吐丝期和成熟期单株干物质积累量的影响均达到极显著水平，在成熟期水氮的互作效应达到极显著水平(表1)。玉米各生育时期的干物质积累量均随施氮量和滴灌量的增加而增加，在本试验范围内，氮肥对干物质积累的促进作用大于灌溉，吐丝期和成熟期，N240B0和N180B0的干物质积累量分别较CK处理增加42.1%和11.2%、48.9%和14.1%；滴灌量对干物质积累量的影响程度在不同氮肥水平间存在一定差异，N240条件下大口期、吐丝期和成熟期4个滴灌处理间干物质积累量的变异系数分别为0.096、0.064和0.046，而N180条件下相应的变异系数则分别为0.120、0.116和0.106，减氮条件下滴灌对干物质积累量的影响明显大于正常氮，尤其是吐丝期和成熟期表现更为突出。

表1 水氮互作对玉米单株干物质积累的影响/g

2.3 水氮互作对玉米不同时期氮素积累的影响

由图3可知，施氮和滴灌能显著影响各时期玉米的氮素积累量，主要生育时期的氮素积累量均随施氮量和滴灌量的增加而增加，其中氮肥水平的影响程度大于滴灌量，而滴灌量的影响在不同氮肥水平下有一定差异。以吐丝期为例，减氮25%条件下B1、B2和B3处理分别较B0处理上升7.16%、15.01%、29.95%，差异显著，而正常氮条件下则分别提高12.45%、13.85%和21.70%，仅B3与B0处理间差异较显著。说明在减氮条件下，滴灌对玉米氮素积累的促进作用更显著。

2.4 水氮互作对玉米氮素吸收利用的影响

滴灌和施氮对玉米氮肥吸收利用均有显著影响，二者互作对氮肥表观利用率也有极显著影响(表2)。减氮可在一定程度上提高氮肥的农学利用率、氮肥偏生产力和氮素干物质生产效率，但在本试验条件下则降低了氮肥的表观利用率。滴灌量增加，氮肥农学利用率和氮肥偏生产力逐渐增加(减氮条件下)或先增后降(正常氮条件下)，但处理间差异大多不显著；氮肥表观利用率随滴灌量的增加而提高，而氮素干物质生产效率则随滴灌量增加呈降低趋势，处理间差异显著，尤其是氮肥表观利用率。表明合理灌溉有利于发挥以水促肥的作用，提高氮肥利用率，实现氮肥减施增效。

表2 水氮互作对玉米氮素吸收利用的影响

2.5 水氮互作对玉米水分利用率的影响

由表3可知，施氮和滴灌对水分利用有显著影响，且二者之间还存在一定的互作效应。施氮和滴灌处理因促进了玉米生长，相应地增加了玉米生育期间的耗水量。滴灌在减氮条件下有提高生物量水分利用效率的趋势，但在正常氮条件下则有降低生物量水分利用效率的趋势；籽粒水分利用效率则均随滴灌量的增加而降低；籽粒水分利用效率和生物量水分利用效率均随施氮量增加而提高，减氮和正常氮处理籽粒水分利用效率较CK处理分别提高23.71%和30.10%，生物量水分利用效率分别提高14.47%和31.83%，表明施用氮肥也可在一定程度上促进玉米对水分的利用。

表3 水氮互作对水分利用效率的影响

2.6 水氮互作对玉米产量及产量构成的影响

滴灌和施氮对玉米产量及其构成因素的影响达显著或极显著水平(表4)。施氮量和滴灌量增加，玉米籽粒产量随之提高，其中施氮的效应大于滴灌。正常氮和减氮处理的产量分别较不施氮处理(CK)提高48.0%和35.6%，虽然正常氮处理较减氮处理增产7.7%，但差异未达显著水平；在减氮条件下玉米产量随灌溉量的增加而提高，而在正常氮条件下则先升后降，以B2处理产量最高，表明过量的肥水并不利于高产；N180B3和N180B2处理的产量与N240B0处理无显著差异，表明适量滴灌可以弥补减氮造成的产量损失，因此水氮耦合是减氮的有效措施。施氮和滴灌主要是通过影响玉米生长，改善穗性状(增加穗长和穗粗，减少秃尖)，增加穗粒数和百粒重而提高玉米产量，在本试验条件下，穗粒数每增加1粒，产量提高29.11 kg·hm-2，百粒重每增加1 g，产量提高794.16 kg·hm-2(Y1=29.112X1-8119.8,R1=0.929；Y1=794.16X2-18887,R2=0.898，产量Y1，穗粒数X1，百粒重X2)。

表4 水氮互作对玉米产量及产量构成的影响

3 讨论与结论

施用氮肥和灌溉均可促进玉米生长发育，提高产量[8, 22]，但过量的氮肥和灌水不仅浪费资源，也不利于玉米高产[23-24]，因此施氮和灌水都要适宜，但适宜的氮肥水平和灌水量因生态区域而异。李玉斌等[25]在甘肃张掖绿洲灌区玉米的研究认为，该地区膜下滴灌最佳灌水量为2 700 m3·hm-2、最佳施氮量为200 kg·hm-2；尚文彬等[26]得出，黑龙江西部地区膜下滴灌方式下灌水量400 m3·hm-2、施氮量250 kg·hm-2最佳。虽然川中丘陵区玉米生育期间的总降水丰富(图1)，但分布不均，常发生季节性干旱，如本试验玉米播后30 d内的降水仅为16.80 mm，吐丝期(6月10日)至吐丝后10 d降水仅12.1 mm，只占常年同期的24.50%，严重影响玉米的生长发育。因此配以适当滴灌，促进玉米生长(叶面积和干物质积累)，从而提高玉米产量，但提高的幅度和变化的趋势在不同氮肥水平间存在一定差异。在正常氮水平下，玉米产量随滴灌量的增加而先增后降，在减氮25%条件下则随灌水量的增加而提高。本文回归分析表明，玉米籽粒产量(Y1)与氮肥水平(X3)和滴灌量(X4)存在极显著正相关关系，回归方程Y1=6981.8+14.469X3+1.036X4-0.0032X3X4(R32=0.9694**)，每增加1 kg纯氮或滴灌1 m3水，大约可分别提高14.46 kg·hm-2或1.04 kg·hm-2籽粒产量，且水氮具有一定的替代互补作用。

水氮互作能促进玉米[25]、小麦[27]、水稻[28]等作物对氮素的吸收利用。研究表明，施氮和滴灌在一定的范围内表现出正交互作用，氮肥用量超过一定范围会产生抑制作用[11, 29]。施氮过量会降低氮肥利用率，浪费资源且带来环境负担[17]，氮肥利用率的提高可以通过减少施氮量来实现。水分是影响氮素吸收和转运的重要因子，滴灌可以促进氮素的吸收和转运[30]。本试验表明，滴灌能提高氮肥的吸收利用率，但滴灌量超出一定的范围也会对氮素的吸收利用产生抑制作用，尤其在正常氮条件下，氮肥利用率随滴灌量的增加而先增后降。本试验减氮条件下，氮肥农学利用率和氮肥偏生产力、氮肥表观利用率均随滴灌量增加，处理间差异不显著，但加上氮肥减施的促进，N180B3处理氮肥偏生产力和氮肥表观利用率显著高于N240B0处理，且N180B3处理的产量与N240B0处理无显著差异，表明在减氮条件下配以适量滴灌能够显著提高氮肥利用率，并且能够保证玉米产量的稳定。

适当施氮或滴灌能增加玉米叶面积指数、干物质和氮素积累量，改善穗部性状，从而提高籽粒产量，但过量滴灌也会造成减产，尤其是在正常氮条件下时表现更为明显。在减氮条件下适量滴灌有利于提高氮肥吸收利用率，充分发挥水氮协同和耦合效应，弥补减氮带来的产量损失。本试验条件下的水氮最佳组合为施氮180 kg·hm-2(在传统施氮水平上减氮25%)、滴灌750～1 125 m3·hm-2。