河西走廊制种玉米不同施肥与灌溉定额优化研究

肖 让，康永德，张永玲，赵芸晨，邓浩亮，肖占文，程红玉

（1.河西学院河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃张掖734000；2.西安理工大学，西安710048；3.河西学院农业与生态工程学院，甘肃张掖734000）

0 引 言

玉米是我国西北地区的主要粮食作物之一，产量一直受限于水资源匮乏[1-3]。玉米需水量大，因干旱导致玉米每年减产20%～30%[1,4]。甘肃河西走廊是典型的内陆灌溉农业区[5]，传统的大水漫灌和不合理的施肥，不仅浪费水而且产出效率低，亟待发展新型的灌溉水肥一体化节水技术[2]。水分和肥料对玉米的生长是彼此制约，由此引起的水氮耦合在半个多世纪里逐渐渗透的玉米种植领域[2-4]，水肥耦合能够组成一个最优组提高作物产量和质量[6]，通常有协同效应、叠加效应和拮抗效应三种形式[7]。所以，重视水肥之间的耦合与互作调控关系是解决干旱、半干旱地区种植业持续发展的重要前提和基础[8]。化肥的适量使用与灌溉制度的充分协调是作物产量与土壤肥力改良的关键手段，近年来，此项研究在田间试验中积累了大量试验数据[9-13]，申孝军等[14]利用人工控水试验对制种玉米的耗水量及产量进行了研究；范晓慧[15]通过研究之中玉米各个阶段发生的水分胁迫，发现叶面积和最终产量比充分灌溉状态时的小；还有学者[16]研究了灌水量和灌水频率对玉米生长和水分利用的影响；文献[17]研究了不同灌溉定额对玉米生长即水分利用效率的影响；其他学者还对不同灌水期，不同水分处理等因素下的玉米农艺性状及产量等特征进行了研究[18-20]。总之，研究发现玉米生产受众多因素的影响，但水分和肥料是影响玉米品质与产量的两大决定性因素[21,22]。相同肥料在适宜的灌水条件下可以使得玉米更好的被作物吸收，然而过量的灌溉则会引起快速淋失浪费[23]。相反，只有适当的施肥量亦可增加土壤中微生物的活性，最终提高作物土壤保水能力[24]。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[25,26]。作物灌溉技术效率是属于生产技术效率的范畴[27,28]，提高灌溉用水效率，压缩农业用水，将成为节水型社会的政策选择[29,30]。Frija 等[31]以突尼斯Teboulba 地区内布哈州灌区的小型灌溉农户为样本，研究得出水肥一体化技术的推广有助于提高灌溉技术效率。灌溉频次与灌溉技术效率之间存在“倒U 形”关系，换言之，并非灌溉频次越多，灌溉技术效率就越高，因此以作物需水规律为前提进行科学灌溉，不宜盲目地增加水资源投入换取作物产量的可能增加，这与预期相违，许朗等[32]研究也得出同样的结论。

随着人口的增长，为提高玉米产量和经济效益，增加农民收入，研究制种玉米水肥高效节水技术显得尤为重要。目前，大多数研究主要集中在不同覆盖种植方式对土壤水热效应和作物产量[33-38]的影响，而对河西灌区膜下滴灌水肥一体化条件下制种玉米的研究较少[39,40]。作物灌溉技术效率也不会因化肥投入量超过灌区平均量而提高，由此说明要重视水肥匹配，不能盲目地增加化肥投入，亦避免以肥定产。数理统计方法为节水灌溉的水肥配比和方案优选提供了理论基础，被许多学者用此借助决策评价，并在实际工程项目中得到了应用的取得了较好的效果。本文利用灰色关联度分析方法，通过评价相关指标间的关联度，使方案评价过程中的指标间信息的相关性和模糊性等问题得到有效解决[41]。我国现行的灌溉利用系数较低，仅为0.5 左右，与发达国家的0.9 相比，接近差一倍，农业生产过程中存在严重的水资源浪费；与此同时，化肥中的氮肥当季利用率不足30%，造成农业资源的极大浪费。如何将水、肥联合调控使用来充分挖掘作物对水分和养分等环境因子的适应潜力，实现高产高效的协同提升是目前亟待解决的问题。

张掖市作为河西走廊绿洲农业典型灌区，是西北最大的玉米制种基地，占全国制种面积的近30%。因此，本研究以河西走廊灌区张掖市的制种玉米为研究对象，通过研究不同处理，膜下滴灌水肥一体化条件对制种玉米产量和经济性状的影响，探明适宜河西走廊灌区制种玉米的最优灌溉制度和最佳施肥量，解决灌水时期和灌水量与作物需水规律不匹配、定额高、水资源浪费等问题，为河西走廊绿洲灌区制种玉米产业可持续发展提供理论支撑和技术指导，得出有利于提高制种玉米产量和经济性状的合理灌水参数，从而能保证有限的水资源得到充分利用，为当地制种玉米的灌溉管理提供了依据，对河西走廊地区制定节水灌溉制度具有重要的理论和实际意义，也是提高制种玉米品质的保障和基础。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

2019.4.1～2019.9.30、2020.4.1～2020.10.15 两年在甘肃省甘州区党寨镇田家闸村“旱作农业技术推广水肥一体化示范区”（38°32′N～39°24′N，100°6′E～100°52′E）进行试验，如图1所示，海拔1 474～1 482 m。属于温带大陆性气候，气候干燥，降雨稀少，蒸发量大，多风。一年四季日照时间长，太阳辐射强，每年平均日照时长超过3 000 h，年平均气温7.5 ℃。试验示范区土质类型以灌漠土为主，地势平坦，0～30 cm 土层土壤基本以沙壤土为主，pH值为8.33，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为42.31 mg/kg、42.35 mg/kg、4.45 mg/kg、118.59 mg/kg。

图1 试验区示意图

1.2 试验设计

试验品种为“NC236”制种玉米，小区面积35 m2（7 m×5 m），10 行区，行长7 m，区组间沟宽1 m，各小区之间挖沟覆膜隔离，深度0.6 m，各个小区四周筑埂，埂高0.4 m、宽0.5 m，避免串水串肥。随机区组，共5 个处理，每个处理分别重复3次，分别为不同灌溉定额和不同施肥量（表1和表2）。基肥结合播前整地一次性施入土壤中，采用地膜覆盖行比种植（1∶5），灌水方式采用膜下滴灌。

表1 2019-2020年制种玉米不同生育阶段灌溉制度试验设计方案m3/hm2

表2 2019-2020年制种玉米不同化肥使用量灌溉制度试验设计方案

1.3 灌溉施肥管理

2019-2020年分别按照4月5日左右翻地施肥，基肥全部采用人工撒施；4月8日压地、覆膜、地表铺设滴灌带，4月17日种植母本；4月26日第一次种植父本，30日第二次种植，单行父本采用行比种植法（1∶5），分期插播，收获日期为9月25日。制种玉米行距0.45 m，株距0.2 m，每小区铺设7膜，每膜种植2行，各处理与常规施肥水平保持一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 植株农艺性状的测定

玉米不同生育期随机选取3 株进行标记测定母本植株株高、单株叶片数、单株叶面积（长宽测量法[23]）、叶面积指数（LAI）、地上部分干鲜重、地下部分干鲜重等指标。穗位高使用最小刻度为l mm 的钢卷尺，测定玉米植株地上部第1 节底部至植株顶端高度和地上部第1节底部至穗位节的高度，并取平均值。

1.4.2 玉米产量和经济性状的测定

每个处理选取10 株，每次采摘果实用电子天平（JE1002型，上海浦春计量仪器有限公司，精度0.001 g）测定单位面积产量，并记录单株粒数，每公顷产量由单位面积产量折算。随机取20 株母本粒穗，分别收获，室内测定穗长、穗粗、穗行数、穗粒数、行粒数、单穗重、单穗籽粒重、秃尖长、出籽率、千粒重等经济性状；蜡熟末期收获中间2 膜（4 行）母本果穗，并进行考种，测其株高。将植株分剪，105 ℃杀青30 min，然后75 ℃烘干至恒重测定秸秆生物量。选取中间4行，进行田间测产，自然晒干后脱粒，计算单株产量，最后折算单位面积产量。

1.5 数据分析方法

关联度是指2个系统之间的因素随时间或不同对象变化的关联性大小的量度，若2个因素的变化趋势具有一致性，则关联程度较高，反之亦然。灰色关联度是灰色系统的一种基本分析方法，它是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，将原始数据矩阵通过一系列线性变化，最后变成标准化矩阵，然后再根据权重系数计算出判断矩阵，最终获得各个方案的关联度数值，进而比较关联度大小，以此做出多个方案的优化评价指标[42,43]，找出影响目标值的重要因素，从而掌握事物的主要特征，弥补了一般统计回归分析的不足。

需要强调的是数据无量纲化处理由于各因素的计量单位不尽相同，因而原始数据存在量纲和数量级上的差异，不同的量纲和数量级不便于比较，因此，在计算关联度之前，通常需要对原始数据进行无量纲化处理。最后，采用EXCEL2010和SPSS25软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对制种玉米产量及增产率的影响

如图2所示，制种玉米每公顷产量在有机肥不同用量情况下响应不同，从2019年和2020年试验结果分析来看，T5处理植株产量最高，较T1（CK）提高23.12%，T2、T3、T4 较T1（CK）分别提高6.77%、14.8%、17.97%（P＜0.05），差异性显著（P＜0.05）；每公顷产量T2 与T3、T3 与T4、T4 与T5 相比分别提高7%、9.7%、3.3%，差异性显著（P＜0.05）。不同灌水时间对制种玉米产量的响应不同，其中T4处理产量最大，达7 375.11 kg/hm2，其次为T2 和T3，分别为6 403.2 kg/hm2和6 193.72 kg/hm2，T1（CK）产量最小，仅为5 602.8 kg/hm2，T4、T2 较T1（CK）分别提高24.67%、9.89%，显著差异（P＜0.05），T5 较T1（CK）提高1.06%，无显著性差异（P＞0.05）。综合比较说明，适宜该地区种植玉米的化肥使用量推荐为T5处理，灌溉制度推荐T4处理。

图2 2019-2020年不同灌溉和施肥处理产量

基于此，利用2019-2020年试验数据，建立了不同灌溉制度和不同用肥量对玉米产量的多项式函数关系式，如下式所示。

式中：Y为产量；x为不同化肥用量和灌溉制度；A、B、C、D为系数。

玉米产量是玉米与环境条件紧密联系中所进行的各种生命活动的结果，是由光合作用、呼吸作用和物质的运转分配三大基础过程所决定。干物质的积累量与玉米产量呈密切正相关，植株干物质的积累是玉米产量形成的基础，其积累、转运进程直接影响到产量形成。灌溉制度是根据玉米生育期需水规律，实施不同程度灌溉定额调整，达到稳产、节水、调质目的[44]。李真朴等[45,46]研究证实，膜下滴灌技术改变了农田土壤水分含量，进而对作物生长产生影响，但影响幅度与作物种类、灌溉定额、灌溉时期和试验区环境等相关。膜下滴灌的灌溉定额对制种生长发育影响显著。高水高肥有利于提高穗长、穗粗及穗行数，降低秃尖[47]。

2.2 不同处理对制种玉米植株农艺性状的影响

玉米农艺性状对不同灌溉时间的处理响应不同（图3）。从2019年、2020年两年试验观测数据表明（取其平均值），T2 植株最高，达154.6 cm，分别较T1(CK)和T3 增加2.11%和2.38%，无显著差异（P＞0.05），较T5 显著增加15.12%，差异显著（P＜0.05）；T4 处理穗位最高，达74.8 cm，其次为T3、T1(CK)、T2 和T5 穗位高间无显著差异，变幅在67.0～69.5 cm 之间，T4 较T5 穗位高分别提高11.64%，差异显著（P＜0.05）；各处理间茎粗变幅在1.97～2.22 cm 之间，无显著差异；各处理间双穗率差异显著，其中T4 双穗率最大，达19.12%，其次为T3 和T5，T1(CK)双穗率最小，仅为12.98%，T4 较T1(CK)和T2 双穗率分别提高47.41%和35.03%，差异显著（P＜0.05）；各处理空秆率以T2 最大，达7.72%，其次为T3 和T4，T5空秆率最小，仅为14.06%，T2较T5和T1(CK)空秆率分别提高70.69%、77.83%、差异显著（P＜0.05）。玉米的株高随时间动态变化，不同生育期对玉米进行亏水处理，灌水后玉米生长表现出明显的补偿效应，研究发下拔节期与大喇叭口适当亏水T2 植株最高，达154.6 cm，分别较T5 和T3 增加2.11%和2.38%，较T1(CK)显著增加15.12%，拔节—孕穗期亏水处理后复水处理玉米株高增长速度最快，显著高于其他生育期的亏水处理，而孕穗—灌浆期的亏水处理的株高显著低于其他处理，复水处理后株高增长不显著[46]。

图3 2019-2020年不同处理下植株农艺性状

2.3 不同处理对制种玉米果穗经济性状的影响

由表3可以看出，玉米果穗经济性状对不同处理响应亦不相同。不管是2019年、还是2020年、试验数据均得出相近的结论，数量级基本一致，只是略有差异。具体如下所述，T3处理果穗最长，达14.74 cm、14.12 cm，分别较T1(CK)、T2、T4 增加2.06%、6.81%和3.29%，无显著差异（P＞0.05）；各处理果穗直径变幅在3.26～3.98 cm 之间，无显著差异（P＞0.05）；2019年T4处理无效穗长最大，2020年无效穗长最大为T1，可达1.64 cm；其次为T5、T4 和T2，T1(CK)无效穗长最小，仅为1.01 cm，分别较T5、T4 和T2 显著降低37.22%、38.41%和38.03%（P＜0.05）；T2、T3和T5间行粒数无显著差异，T4 和T3 行粒数较CK 分别增加14.63%、12.68%（P＜0.05）；T4 处理穗粒数最多，其次为T2、T5 和T3，T1(CK)最少，T4 分别较T2 和T3 增加0.23%和4.32%（P＞0.05），较T1(CK)显著增加16.56%（P＜0.05）。

表3 22019-2020年不同灌溉处理对玉米果穗经济性状的影响

由表4可以看出，玉米果穗经济形状对商品有机肥不同用量情况下响应亦不相同。2019年、2020年试验数据均表明T5处理植株最高，达132.8 cm，其次为T4、T3、T2、T1(CK)，较T1(CK)相比T2、T3、T4 和T5 株高分别提高4.3%、9.9%、9.8%、10.9%，差异显著（P＜0.05），T1(CK)较T2、T3、T4和T5穗长分别提高5.6%、0.2%、-12.3%、-3.9%，差异显著（P＜0.05）；穗粗在各处理后保持在0.8%～4.3%，无差异显著（P＞0.05）；穗行较T1(CK)别提高-1.7%、5.5%、7.6%和13.0%，差异显著（P＜0.05）；各处理后的秃尖变幅在0.16～0.44 cm 之间，无显著差异；各处理后的行粒数差异不明显，变幅在0.2～0.54 cm 之间，无差异显著（P＜0.05）；与T1(CK)相比、T2、T3、T4、T5 穗粒数分别提高5.1%、10.8%、14.5%、18.5%，差异显著（P＜0.05）；百粒重T5最大，与T1(CK)相比T2、T3、T4、T5 百粒重分别提高6.7%、12.6%、22.1%和27.3%，差异显著（P＜0.05）。

表4 2019-2020年不同化肥处理对玉米果穗经济性状的影响

如图4 所示，2019-2020年不同用肥量处理下T2、T3、T4、T5处理与T1(CK)相比，增产率呈线增长[式(2)]，说明施用一定量的化肥可提玉米的产量，但如果高量或低量的有机肥都会影响玉米增产效果，这可能是有机肥调控的释放速度和玉米的需肥规律共同导致。不同灌溉制度与增产率呈负指数关系[式(3)]，并非灌溉水量越大越好，应以作物需水规律为指导。膜下滴灌制种玉米株高、穗位高、双穗率、空秆率等指标受灌水量影响，均表现为先增长后降低低的一个趋势，且生育后期灌水影响显著大于生育前期。T2处理的空秆率最高，T4 处理穗粒数最多，这是由于苗期根系较弱，需水量较低，灌水量对制种玉米生长影响较小，而生育期后期制种玉米处于营养繁殖关键期，需水量大，灌水量大会促进其正常生长发育，利于玉米穗形成。细胞内的含水量，在一定范围内含水量增加呼吸速率加快，然后基本稳定。当外界的水份过多，会使供氧量不足，有氧呼吸速率减慢，抑制其正常生长发育，不利于穗粒的形成。

图4 2019-2020年不同处理下增产率直方图

式中：y为增产率；a、b为系数。

2.4 灰色关联度分析

水分胁迫作用下玉米营养器官积累的干物质向籽粒转化量显著下降，特别是叶片和茎秆积累的产物下降明显，叶鞘的干物质积累量仅对拔节期的控水处理比较敏感。从关联度可以看出，水分胁迫效应下穗粒数是影响产量的主要因素。穗长、穗粗在一定程度反映了穗粒数的多少，而穗长对穗粒数的多少作用更明显，所以果穗长短和产量关联度较高。同样程度的水分亏缺发生在玉米不同的生育期，对玉米的产量会造成不同的影响。玉米在拔节期进行适宜程度的缺水处理可以明显提高灌溉水利用率，玉米不但不会减产，反而能提高玉米产量性状；灌浆期为玉米产量形成的关键时期，应进行充分供水，维持产量稳定[46]。本文对2019-2020年试验处理进行综合评价分析，如表5所示，T4处理为最优。

表5 2019-2020年不同处理玉米综合评分

3 讨 论

水肥一体化灌溉模式有助于节水型社会的建设，但事物都有两面性，不合理的灌溉和施肥会导致作物产量、品质下降，甚至会制约当地农业的生产和发展。膜下水肥滴灌是河西走廊地区众多有限补灌技术中应用较广的高效节水灌溉方式，极大地降低了水分的无效消耗，促进了玉米产量及产业的健康发展[48]，精细的水肥管理也是关键[49]。研究表明，合理的灌溉和施肥可以促玉米生育后期物质积累进而提高产量[50,51]；若肥料用量过多，则会阻滞植株的生长发育[48,49]。针对灌水量，有学者[52,53]研究表明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。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。本文试验结果表明河西走廊制种玉米种植区最佳灌溉定额为5 400 m3/hm2，施用商品有机肥7 500 kg/hm2处理下的各生长指标均为最优值。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河西走廊中部张掖气候、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。适宜的水肥配比保障了作物在不减产的前提下，更能有效提高水肥利用效率[54]，本研究T1处理为中水灌溉，与CK 对照处理产量和水分利用效率无显著差异。水分胁迫或低氮都无法满足叶片增长对养分的需求[55,56]，而高氮会使作物叶片早衰[55]。张兴梅[57]等发现，增施氮肥有促进玉米干物质积累的作用，特别是在其营养生殖期内，这种促进作用十分明显；与此不同的是，灌水量的增加并不会有显著的促进作用，甚至会发生抑制作用。冯亚阳[58]等研究膜下滴灌技术，发现水分亏缺下氮肥的效果会受到抑制，但过分灌溉并不会导致其干物质量增加。玉米对供氮水平的响应受到灌水量的显著影响，对每一个灌水水平，都有一个相对适宜的供氮水平[57]。许多研究表明，水和氮肥的关系为正耦合效应，在水分水平或氮肥水平相同条件下，适当增加另一因子的量都会提高作物的最终产量，特别是在某因子水平低下的情况下，这种增产则十分明显[59-62]。

在具体农业生产过程中，玉米生长除了受水肥因素影响外，还受到诸如品种，种植密度，气候等方方面面的因素影响。因此，玉米水氮互作的作物效应要与环境效应、土壤理化性质等放在一起统筹考虑。

4 结 论

适宜的灌溉制度和有机肥使用量对制种玉米生长和产量影响显著，对提高作物产量以及构成因素有积极作用。2019-2020年试验数据表明河西走廊制种玉米种植区最佳灌溉定额为T4 处理，即5 400 m3/ hm2，各生育期灌水定额分别为拔节期825 m3/hm2、大喇叭口期825 m3/ hm2、抽雄期975 m3/ hm2、扬花期975 m3/ hm2、灌浆期975 m3/hm2、乳熟期825 m3/hm2。施肥量T5处理效果最为适宜，即基肥：施用商品有机肥7 500 kg/hm2，磷酸二铵300 kg/hm2，尿素74.29 kg/hm2，K2SO4120 kg/hm2。追肥：尿素674.29 kg/hm2。本试验结论对实现河西走廊制种玉米可持续发展、稳产增产、挖掘玉米的区域生产潜力、保证粮食安全具有重要作用。