不同水氮处理对南疆复播玉米生理特性及产量的影响

雷庆元,张 旭，朱 韬,马 亮

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

【研究意义】玉米作为全球主要三大粮食作物之一，其自身具有能源属性、保障国家粮食安全属性[1]。属于C4作物的玉米又是新疆的主要粮食作物与饲料来源[2]。2019年，新疆地区粮食作物播种面积高达218.36万hm2，其中玉米播种面积99.72万hm2位居第三，仅次于棉花和小麦[3]。在农业生产实践中，主导作物产量的2个主要因素是水分和养分[4]，而氮素是作物生长的营养来源之一，施氮可有效提高籽粒品质与产量[5]。水氮在农业生产中存在明显的交互作用，有效协调干旱半干旱地区农田系统水肥之间耦合关系是实现作物较高生产效率的关键。新疆南疆地区不仅光热资源丰富而且无霜期较长, 种植经济作物可充分利用丰富的光热资源，发展潜力巨大[6]，然而水资源不足严重制约当地农业发展，并且不合理施用肥料会限制水分增产效应。当前，滴灌水肥一体化是一种行之有效的现代农业节水节肥技术[7]，具有较高的水肥利用效率和环境污染低的特点[8]。合理的灌溉制度受到人们的高度重视，因此，在干旱半干旱地区水资源短缺的背景下，有效提高南疆地区复播玉米水肥利用率，寻求最优水肥组合，实现复播玉米高产对南疆农业发展具有积极意义。【前人研究进展】已有研究表明，水和氮在一定阈值内的合理配比可表现为显著的正交互作用[9]， 郭丙玉等[10]在新疆乌兰乌苏实验发现，随着氮肥投入和灌水量的增加，玉米干物质积累量会相应显著提高，但是氮肥用量超过435 kg/hm2、灌水量高于9000 m3/hm2时却会呈现下降趋势。黄金生等[11]发现玉米产量随氮肥投入增加会表现出先增后降的规律，吴婕等[12]发现作物产量与干物质累积过程密切相关。此外株高、叶绿素含量(SPAD)、叶面积指数(ILA)等是反应玉米正常生长发育并间接影响最终产量的重要指标[13]。杨永辉等[14]发现，相同灌水量条件下玉米的株高及可见叶片数随施氮量的增加而提高，产量随之明显提高。灌输频率和灌溉一定程度上也会对作物的营养生长产生影响，玉米的产量和水分利用效率因灌水频率的降低表现为先增后减，在灌水频率为8～10 d时达到峰值[15]，胡建强等[16]在阿勒泰多砾石砂土地区研究发现，灌水定额大于 525 m3/hm2时对玉米生理指标和产量无显著影响，而低于 450 m3/hm2时生长发育受到抑制。光合作用形成的产物也是农作物正常生长发育和高产获得的基础，最终产量受光合产物形成的碳水化合物量的影响[17]，裴磊等[18]研究发现，不同氮肥处理条件下，新疆北部地区复播玉米的叶片净光合速率和蒸腾速率表现出单峰型的日变化曲线。范虹等[19]发现灌溉定额为490 mm和施氮量为360 kg/hm2的组合可有效提高光合作用,使得前期营养器官形成的干物质主要向籽粒运转并实现增产。董志等[20]得出免耕配合秸秆覆盖还田技术可提高灌浆期光合效率和增产的结论。张旭等[21]认为过度灌水和施氮会不利于干旱区冬小麦干物质积累进而影响产量。【本研究切入点】玉米实现高产需要适宜的灌溉定额与氮肥投入，在既定灌溉制度下，净光合速率和蒸腾速率是提高光合同化物累积与实现高产的重要因素。干旱区浅埋滴灌条件下，玉米光合特性对产量的形成机制有待深入研究，有关复播玉米合理水氮阈值的研究更是鲜有报道。因此在前人研究基础上以水氮调控对复播玉米生长发育状况及光合生理特性为切入点，探究干旱区浅埋滴灌复播玉米合理带水氮阈值。【拟解决的关键问题】立足南疆丰富的光热资源，开展地下浅埋滴灌水肥一体化试验，以提高单位土地产量为目标，寻求干旱区复播玉米生长的最佳滴灌水氮施用阈值，开展不同水氮组合下复播玉米生理指标和光合日变化研究，进而探明产量及其构成因素的影响机制，实现农民高产高收，为当地灌溉制度优化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2018年于新疆维吾尔自治区阿克苏红旗坡农场新疆农业大学特色林果基地开展本实验(80°14′E，41°16′N，H 1133 m)。本试验基地处于塔里木盆地北缘，属于典型温带大陆性气候，太阳总辐射量多年平均544.115～590.156 kJ/cm2，年日照时长多年平均2855～2967 h，无霜期205～219 d，平均多年降水量为42.4～94.4 mm，多年平均气温为11.2 ℃，年有效积温为3950 ℃，试验区域地下水埋深在10 m 以上，开展实验所用土壤质地为壤土，其土壤性质详见表1。

表1 试验土壤性质及初始养分

1.2 实验设计

2018年6月25日播种，10月13日收获，供试品种为新玉9号。行间距采用(0.40+0.40+0.80)m的宽窄行方式布置，株距 0.25 m，田间种植密度为75 000 株/hm2，试验在无底测坑中进行，测坑长×宽×高 = 3.00 m×2.20 m×2.00 m。复播玉米种植前一季作物为冬小麦，行间距0.20 m，滴灌带布置间距0.80 m，在地下约0.05 m处浅埋铺设，1管4行，在前茬冬小麦收割后在麦茬间适当位置等距点播复播玉米，前茬作物所用滴灌带保留，小麦收割时留茬为0.15 m高度，滴灌带1管2行玉米。麦茬、复播玉米以及滴灌带的布置如图1所示。

图1 冬小麦麦茬、复播玉米、滴灌带布设模式

复播玉米共设3个灌水水平和4个氮肥施用梯度，拔节期开始定周期灌水。本实验共有12个处理(表2)，每个处理3次重复。3个灌水梯度分别为80%ETC(W1)、100%ETC(W2)、120%ETC(W3)，8月底灌水停止；施氮水平分别为：不施氮(N0)，施纯氮168.0 kg/hm2(N1)，施纯氮306.5 kg/hm2(N2)，施纯氮444.5 kg/hm2(N3)。水分亏缺条件下，过量施氮阻碍玉米干物质积累[22]，因此本试验不设低水高肥处理，即W1N3。其他处理完全组合[22]。依照阿克苏(W1)地区栽培模式，设传统种植方式(水氮情况)为对照组(CK)，即全生育期共灌3次水，每次 1125 m3/hm2，拔节期时灌第1次水，而后每15 d漫灌1次，并撒施纯氮306.5 kg/hm2。所有处理在播后滴灌出苗水，灌水量900 m3/hm2，以保证复播玉米能全苗。播后将基肥随水施入土壤：纯磷195.0 kg/hm2，纯钾60.0 kg/hm2，纯氮67.5 kg/hm2。追肥分别在复播玉米拔节期、喇叭口期和吐丝期按2∶2∶1的比例随水滴施(表2)。复播玉米病虫害防治、中耕等田间管理措施均参照当地高产田。复播玉米生育期内每次滴灌灌水量根据前一个灌水周期内的作物实际耗水量确定，其计算公式为：

表2 复播玉米水、氮试验方案

ETC=KC×ET0

式中，ETC为玉米需水量，每次灌水的ETC根据前1个周期的ET0来计算，ET0根据试验地气象站测得的气象数据，经由FAO Penman-Monteith公式[23]计算得出，复播玉米KC值由FAO-56推荐的复播玉米单作物系数KC表和文献[24]，设定拔节期期—吐丝期Kc为0.99，吐丝期—灌浆期Kc为1.02。2018年复播玉米全生育期ET0和降雨量见图2。

图2 复播玉米全生育期参考作物蒸发蒸腾量和降雨量变化趋势

1.3 测定项目和方法

(1)气象数据的测定：运用HOBO ware气象站观测太阳辐射、降雨量、温度、湿度、风速、大气压等气象因素，架设高度距地面2 m，间隔30 min测定记录1次。

(2)株高：各生育期采用直尺测定株高(cm)，每处理取10株测定后取平均值。

(3)叶面积指数：用直尺量取复播玉米叶片长、宽，经验系数法算取玉米叶面积，经验系数取0.75，叶面积计算公式：叶面积=叶长×叶宽×0.75[25]。叶面积指数(ILA)计算公式：ILA= 玉米的叶面积/玉米的占地面积。

(4)干物质量的测定：分别于复播玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期,对每个处理取地上部分植株3株，将采集玉米植株分为叶、茎、穗三部分，在105 ℃杀青,80 ℃烘至恒重后进行称重。

(5)叶绿素含量(SPAD)：采用SONY公司生产的SPAD-502叶绿素选取完全展开的真叶进行测定。

(6)叶片光合—蒸腾日变化测定：采用美国PP Systems公司生产的CIRAS-3便携式光合仪观测光合速率(A)、蒸腾速率(E)。挑选晴朗的天气在复播玉米灌浆期测定光合日变化。各处理选择3株穗位叶生长状况良好、叶面积大小适中的叶片进行观测并取平均值。观测时间为8:00—20:00，每2 h观测1次。

(7)产量测定：每处理选择1 m2进行测产，从所获果穗中分析平均穗粒数、百粒重、穗长、每平米重量，并根据各处理的每平米玉米产量换算成每公顷产量。

1.4 数据处理

采用Origin 2017和Excel 2010绘制图表，SPSS 20.0软件进行数据方差分析，多重比较采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对复播玉米株高的影响

如图3所示，各水氮处理下株高增长全生育期表现出先快慢的趋势。在同一水分梯度下，株高随氮肥施用量的提高表现为先增后减规律(N3水平时下降)，说明在一定范围内施用氮肥促进玉米株高增长过多则抑制；而在同一施氮量条件下，株高表现出随灌水量的提高而增加。6叶期时不同处理间株高无显著差异，且均低于75 cm，说明复播玉米苗期对水肥需求较少；12叶期至吐丝期株高增长速率最快，以W2N2、W3N2处理株高优于其他处理，较W2N0、W3N0分别提高21.72%、22.36%，说明该生育期是复播玉米生长的关键时期，根茎叶生长旺盛且雌雄穗开始分化生长，需注重作物水分供给。灌浆期株高增长缓慢甚至有下降趋势，植株高度达到峰值，最高处理为W2N2(273.27 cm)，其次为W3N3(265.49 cm)，比CK处理分别提高12.5%、9.29%，说明此时复播玉米生长以玉米籽粒生殖生长为主，各处理间株高差异显著。

图3 不同水氮处理对复播玉米株高的影响

2.2 不同水氮处理对复播玉米叶面积指数的影响

由图4可知，不同水氮处理对复播玉米的ILA大小影响显著。复播玉米ILA随着生育期不断推进而增大，进入12叶期后叶面积更是增长迅速，于抽雄吐丝期达到峰值随后各处理呈现不同程度下降，整体呈现出先增后减的单峰型变化趋势。6叶期至12叶期叶面积指数增长最快，说明该时期是叶片生长的关键性时期，应注重水肥管理以满足叶片正常生长，为后期作物干物质累积奠定基础。抽雄吐丝期复播玉米ILA达到峰值，最大值是W2N2处理为4.85，其次为W3N2，为4.68。在W2和W3水平下，施氮量在N2水平时利于玉米叶片生长。抽雄吐丝期后ILA开始下降，因为去雄后植株下部分叶片逐步干枯凋零，有效叶面积持续减小，并且干物质开始向籽粒转移主要进行生殖生长，因此叶面积指数随之降低。但W2、W3水平下降趋势较小，维持较长时间的光合作用，说明较高水分供应会在一定程度上延缓叶片枯萎，利于作物干物质积累。除W2N3外，其余处理表现出在水分一定的条件下，N3水平下叶面积指数出现不同程度的下降，说明叶面积指数随氮肥水平的提高先增加后减小，而在氮肥水平一致的条件下随水分水平的提高而增加，因此N2氮肥用量和中高水平的灌水量是获得较高叶面积指数的适宜水氮梯度。

图4 不同水氮处理对复播玉米叶面积指数(ILA)的影响

2.3 不同水氮处理对复播玉米叶绿素含量的影响

叶绿素是作物进行光合作用时把光能转换为化学能量的重要元素，其含量高低可有效反映叶片光合性能，是作物光合性能的重要生理指标。由图5可知，随生育期的推进复播玉米叶绿素含量呈现出先增后降的单峰曲线变化。6叶期至12叶期间SPAD增长速率最快，平均增长速率高达89.7%，增速居各生育期之首。抽雄吐丝期各处理SPAD含量均达到峰值，从高到低排序为：W2N2>W3N3>W3N2>W2N3>W1N2>W3N1>CK>W2N1>W1N1>W3N0>W2N0>W1N0。W2N2处理含量最高为62.07，比W2N0处理提高51.01%。其次是W3N3处理SPAD为59.8，比W3N0提高39.88%，且各不施肥处理SPAD含量贯穿全生育期均显著低于各施肥处理，说明氮肥施用能有效提高复播玉米叶绿素含量。SPAD最低处理是W1N0为39.2，到灌浆期时该处理下降幅度达18.75,说明不施肥不仅不利于SPAD含量累积，而且有效SPAD持续时间短，不利于光合产物累积。相较于CK处理，W2N2、W3N3分别提高20.75%、16.34%，可知适宜的水氮施用可有效提高复播玉米SPAD。灌浆期至成熟期，各处理呈现不同程度的下降趋势。

图5 不同水氮处理对复播玉米叶绿素含量的影响

2.4 不同水氮处理下光合速率和蒸腾速率的日变化

净光合速率(A)和蒸腾速率(E)是衡量玉米光合性能的重要指标[26]。抽雄吐丝期过后，叶片光合作用产物是玉米产量获得的关键来源并决定产量的多寡[27]。不同水氮处理下，复播玉米净光合速率(A)和蒸腾速率(E)在灌浆期观测时段内均表现出先增后减的单峰日变化特征(图6)。各处理下A在14:00均达到峰值，W2N2处理下获得最大净光合速率[38.43 μmol/(m2·s)]，其次是W3N3处理[37.25 μmol/(m2·s)]，比CK分别提高24.38%、20.55%，说明合理施用水肥可显著提高复播玉米净光合速率。在W1、W2、W3灌水条件下，N2较N3、N1、N0的净光合速率变化幅度分别为12.21%、20.16%、38.38%，1.69%、10.58%、31.57%和3.46%、27.97%，N1较N0分别提高15.16%、18.98%、23.69%，说明在相同的灌水量条件下，复播玉米全生育期N2水平(306.5 kg/hm2)的氮肥用量可保持相对高的净光合速率，而氮肥用量过高(N3)反而不利于较高的净光合速率的获得。蒸腾速率蒸腾速率表现出与净光合速率相同的单峰变化趋势，14:00各处理蒸腾速率达到峰值，最大蒸腾速率是W2N2处理[11.09 mmol/(m2·s)],其次为W3N3处理[10.34 mmol/(m2·s)]，分别比CK处理提高60.79%、49.89%，表明合理水氮配比施用可有效提高复播玉米蒸腾速率，促进玉米光合作用的进行。综上比较发现在玉米W2N2条件下,可有效获得较高的净光合速率和蒸腾速率，可以有提高有机物质的有效累积和转运。

图6 不同水氮下处理复播玉米光合速率和蒸腾速率日变化

2.5 不同水氮处理对复播玉米干物质累积变化的影响

如表3所示，不同水氮处理下，复播玉米干物质累积量影响显著(P<0.05)，全生育期地上部分干物质累积量随灌水和施氮的投入量的提高而增大。6叶期各处理干物质累积量差异不显著。吐丝期至灌浆期干物质累积速率位居全生育期之首。在100%ET0灌水条件下，随着施氮水平从N0增加至N2水平时干物质累积量提高了36.83%，而继续增加施肥量至N3水平时干物质含量却出现下降现象，说明过量氮肥投入反而不利于复播玉米干物质累积。各处理干物质累积量的大小顺序为W2N2>W3N3>W3N2>W2N3>W1N2>W3N1>CK>W2N1>W1N1>W3N0>W2N0>W1N0,W2N2处理与其他处理差异显著(P<0.05),而且N2、N3施肥水平与W2、W3灌水量下玉米干物质累积量整体干物质累积量均高于30 t/hm2。成熟期最终干物质累积量以W2N2处理最高，其次是W3N3处理，分别为39.78、37.73 t/hm2，较各自不施肥处理分别提高36.83 %、27.85%。

表3 不同水氮处理对复播玉米干物质累积变化影响

2.6 不同水氮处理对复播玉米产量及其构成因素的影响

由表4可知，不同水氮处理下，W2N2产量最高为12 914.30 t/hm2，较不施肥处理W2N0提高39.35%。其次为W3N2，比W3N0提高28.07%。W2N2处理产量比CK显著高产13.7%。在W2水分条件下，当氮肥投入由N1提升到N2水平时，产量由11 438.70 t/hm2增加至12 914.30 t/hm2，继续增加肥料用量至N3水平时，产量却下降至12 070.46 t/hm2，说明适量施肥可有效提高复播玉米产量，而超过阈值使用氮肥则会影响玉米生长发育且不利于增产。在W1～W3(80%ETC～100%ETC)、施氮量N0～N3(0～444.5 kg/hm2)范围时，穗长、百粒重和每穗粒数随氮肥投入的增加表现出先增加后减小的趋势，与产量变化规律一致。当氮肥施用量相同时，产量随灌水量的增加也表现出先增加后降低的规律，LSD 法分析表明，W3N3与W3N2无显著差异(P>0.05)，说明水分增产效果会随着灌水量投入的提高而减弱。LSD分析后结果可知，灌水量和施氮对产量及其构成要素的影响差异显著，因此灌水和氮肥施用量是该地区复播玉米增产增效的主要限制因素。

表4 不同水氮处理对复播玉米产量及其构成的影响

3 讨 论

玉米的生长发育与田间水分与养分关联紧密，水分和养分是影响作物产量形成的关键因子[28]。研究表明，一定范围内水肥之间存在耦合效应[29-31]，而水和肥料之间存在的耦合效应同样是干旱地区水肥管理措施的理论依据[32]。本研究得出相似结论，灌水量与施氮量在一定阈值内对复播玉米产量的提高起到明显的促进作用过多则抑制，二者之间存在交互作用，产量及构成要素伴随着灌水量和氮肥施用量的提高而明显增加。陈东峰等[33]认为水肥交互对产量无显著影响，与本研究结果不一致，这可能与该课题实验后期降雨较多有关。孙云云等[34]研究发现灌水量为 350～575 mm，施氮量低于 300 kg/hm2时，水氮互作呈现出显著正交互作用，明显提升玉米的株高和叶面积以及最终产量。本研究也发现过低的灌水定额会影响氮肥效应的发挥，当灌水量为W2、W3水平时，较利于复播玉米株高、叶面积生长以及干物质累积，其分别比各自无肥处理(N0)有较显著提高。张富仓等[35]发现水肥耦合对玉米株高有极显著的影响。

ILA是作物光合、蒸腾作用的关键因素，对作物的较高产量获得有重要的影响[36]，蔡晓等[37]研究表明，ILA与灌水和氮肥施用量的增加呈现出相同趋势，本实验也得出一致的结论。但向友珍等[38]研究发现，玉米叶面积指数呈现先增加后减小的趋势，全生育期ILA最大值出现在抽雄期，这与本研究结论不完全一致，本实验研究表明：各处理的ILA峰值在灌浆期出现，ILA峰值出现的时期不同原因，是由于涌泉细流沟灌单次灌水量大，灌后土壤湿润层深度较大，促进了拔节期玉米叶片和植株体的生长。

光合作用产物是作物最终产量获得的重要来源，其功能效率对作物果实形成以及最终产量有重要影响[39]，而光合速率和蒸腾速率是影响作物光合特性的重要指标[40]。Yan等[41]证明较高的光合能力、较长的光合持续时间、合适的ILA以及较高的叶绿素含量是获得高产玉米品种的重要因素，可用于提高玉米产量。研究发现，灌水量和施氮量对玉米净光合速率和蒸腾速率的互作效应明显且日变化规律大体一致[42]。本实验得出相似结论，合理施用水肥可显著提高复播玉米光合速率，W2N2和W3N3处理净光合速率分别比CK提高了24.38%、20.55%。 随着施氮量和和种植密度的增加,玉米SPAD值、干物质积累量呈现出不断增加的规律[43]，石多琴等[44]发现复播玉米净光合速率和蒸腾速率对水分和氮肥的施用量响应规律基本相同。这也与本实验研究结论相似，蒸腾速率蒸腾速率与光合速率呈现出相同的单峰变化规律，14:00各处理蒸腾速率达到峰值。W2N2处理SPAD含量最高为62.07，相较于其不施肥处理提高了51.01%，综合分析表明W2N2处理光合特性优于其他处理利于光合产物累积。

薛亮等[45]在玉米田间进行实验发现：补充灌溉和一定量的氮肥投入对均有利于产量提高，与本实验结果相似。通过在12叶期、抽雄吐丝期和灌浆期分别追肥后发现，在相同水分条件下，穗长、百粒重和每穗粒数随氮肥投入的增加表现出先增加后减小的趋势；而随着施氮量的增加产量表现出先增加后降低的趋势(N3下降)。Pandey 等[46]指出水和氮协同对产量高低产生影响，水和氮的耦合存在阈值，当不超过阈值时，水和氮的增加施用皆可增产；但是施氮肥高于阈值产量提高却不明显。本研究也得到相同结果，W3N3处理下产量并非最高，说明超出阈值范围，增施氮肥不能起到增产作用。

4 结 论

(1)随着灌水量与施氮量的提高，复播玉米株高、ILA及SPAD随之显著提高并高于CK，6叶期至抽雄吐丝期是南疆复播玉米进行营养器官生长的主要时期，100%ETC(W2)灌水量和306.5 kg/hm2(N2)施氮水平下有利于促进植株生长。

(2)复播玉米净光合速率和蒸腾速率在观测时段内均表现出先增后减的单峰日变化特征。在相同的灌水量条件下，复播玉米全生育期N2水平(306.5 kg/hm2)的施氮量可使玉米保持较高的净光合速率，过高(N3)则抑制。蒸腾速率蒸腾速率表现出与净光合速率相同的单峰变化趋势。W2N2处理下获得最大净光合速率为38.43 μmol/(m2·s)，最大蒸腾速率为11.09 mmol/(m2·s)。100%ETC和306.50 kg/hm2灌水和施氮可有效增加玉米叶片的净光合速率和蒸腾速率,进而为后期干物质的累积和转运夯实基础。

(3)不同水氮处理组合对南疆复播玉米干物质累积量影响显著(P<0.05)，全生育期复播玉米地上部分干物质累积量伴随水和氮肥的投入提高而增加。成熟期最终干物质累积量以W2N2处理最高为39.78 t/hm2。

(4)不同水氮处理下，W2N2产量达到最高，为12 914.30 t/hm2，比CK显著增产13.7%。适量施肥可有效提高复播玉米产量，而超过阈值则不利于增产。穗长、百粒重和每穗粒数随氮肥投入的增加表现出先增加后减小的趋势，与产量变化规律一致。当氮肥施用量相同时，产量随灌水量的增加也表现出先增加后降低的规律。灌水量和施氮对产量及其构成要素有显著影响，因此灌水和氮肥施用是影响南疆地区复播玉米高产增收的关键因素。