地下水埋深和施氮量对夏玉米灌浆特性及水氮利用效率的影响

白芳芳，乔冬梅，李 平,4，齐学斌,3，王和洲,5，郭 魏,3，韩 洋，赵宇龙

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.农业部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南 新乡 453002；4.中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南 新乡 453002；5.河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南 商丘476000)

华北地区是我国重要粮食生产基地，夏玉米种植面积占全国的31.4%，产量占全国玉米产量的30.1%[1]。在传统的农业生产中，由于片面追求高产，导致过量施肥现象普遍存在[2]，进入农田环境的氮素导致了土壤酸化[3]、地下水硝酸盐污染[4]、温室气体排放加剧[5]等问题，严重影响区域农业经济和生态环境的可持续发展。因此，作物生产中减氮管理是提高氮肥利用效率、降低地下水硝酸盐污染风险和农田土壤温室气体排放的有效措施。地下水埋深对作物产量影响较大[6-7]，同时影响氮素在土壤中的迁移和转换[8]。当地下水埋深位于0.4～1.5 m时，地下水对作物日需水量的贡献率超过65%[9]。地下水埋深较浅时，作物生育期根系层下界面处具有明显的双向水量交换现象，作物腾发可部分地利用地下水及深层土壤水；而地下水埋深较深时，根系层下界面处土壤水分主要向下迁移。在华北地区，对应双向水量交换临界面的地下水埋深一般为4 m[10]，从盐渍化控制角度看，地下水埋深控制在2.0 m左右为宜[11]。灌浆期是夏玉米生长发育过程中的重要阶段，也是玉米品质和产量形成的关键时期[12]。本研究针对华北地区2～4 m地下水埋深开展田间小区试验，研究地下水埋深和施氮量对玉米灌浆过程和水氮利用效率的影响，这对于保障国家粮食安全和区域农田环境安全意义重大。

通过不同的农艺措施可以提高玉米百粒质量进而实现增产。例如覆膜可以提高灌浆速率，延长灌浆时间，显著增加玉米百粒质量和产量[13]。适宜的播期及品种可极显著影响玉米灌浆速率和成熟期百粒质量[14]。深松有利于提高玉米中后期灌浆速率，增加平均灌浆速率和最大灌浆速率，最终增加千粒质量，提高夏玉米产量[15]。适宜施氮措施可以延长灌浆持续期、提高灌浆参数，促进玉米产量的提高[16]。于宁宁等[17]研究指出，适当降低种植密度，减少化肥用量，能更有效促进夏玉米籽粒的后期灌浆，延长灌浆时间，促进植株干物质向籽粒转运，进而提高玉米品质和肥料利用率，增加净收益。方恒等[18]研究认为，施氮对玉米灌浆速率影响较大，适量施氮可提前达到玉米的最大灌浆速率，但施氮量过高则推迟到达最大灌浆速率的时间。当地下水埋深较小时，受强烈的毛管上升作用影响，通过土壤表层直接蒸发损失水分增加，故地下水补给也随着增加，因此，随着地下水埋深增加，作物耗水量减少[19]，农业用水效率与灌溉水利用效率与地下水埋深密切相关，随着灌水量的增加，灌溉水利用效率受地下水埋深的影响减小[20]。地下水埋深过浅会限制根系有氧呼吸，进而影响作物正常生长[21]，且易引发土壤次生盐渍化[22-23]。因此，在区域灌水施肥决策时，应充分考虑地下水埋深对作物生长及水氮利用效率的影响。随着施氮量增加，夏玉米籽粒产量和土壤硝态氮残留量逐渐增大，水分利用效率呈先增大后减小趋势，氮肥偏生产力逐渐降低。故地下水埋深和施氮量是影响玉米灌浆及水氮利用效率的重要环境因素，关于地下水埋深和施氮量单因素对作物生长、产量影响的研究较多，但是关于地下水埋深和施氮量及二者交互作用对玉米灌浆特性及水氮利用效率的研究鲜有报道。为此，在地中渗透仪观测场开展田间小区试验，研究施氮量和地下水埋深对夏玉米产量、灌浆速率、灌浆参数及水氮利用效率的影响，并基于Spearman相关分析，分析产量及产量构成要素的相关关系，以期提出华北地区夏玉米绿色、稳产生产模式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年6月—2020年10月在中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站大型地中渗透仪观测场(35°19′N、113°53′E，海拔73.2 m)进行。试验区多年平均气温14.1℃，无霜期210 d，日照时间2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，7—9月降水量占全年降水量的70%左右。土壤为粉砂壤土，0～20 cm土层土壤体积质量为1.42 g·cm-3，有机质17.03 g·kg-1，全氮0.44 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，速效钾0.17 g·kg-1，电导率447.33 μS·cm-1，土壤pH值为9.42。

1.2 试验设计

供试夏玉米(ZeamaysL.)品种为‘怀玉208’,于2019年6月8日播种，9月24日收获，全生育期108 d;2020年6月10日播种，9月23日收获，全生育期105 d，种植密度均为66 699株·hm-2。试验采用随机区组设计，设置地下水埋深和施氮量2个因素，其中地下水埋深设3个水平，分别为2 m(GW2)、3 m(GW3)、4 m(GW4)，通过马氏瓶控制地下水位；施氮量设2个水平，分别为减氮20%(纯氮240 kg·hm-2，N240)、常规(纯氮300 kg·hm-2，N300)，共计6个处理，处理简称为N240GW2、N240GW3、N240GW4、N300GW2、N300GW3、N300GW4，每个处理4个重复，共计24个小区，小区面积4.5 m2(1.5 m×3 m)。采用井水灌溉，每次灌溉前取水样检测水质，灌溉方式为畦灌。试验用肥为含氮量46%的尿素、含P2O5量为12%的过磷酸钙、含K2O量为50%硫酸钾，磷、钾肥均作为基肥一次性施入土壤，P2O5施入量为150 kg·hm-2，K2O施入量为120 kg·hm-2；夏玉米氮肥以底肥和追肥4∶6的比例施入，底肥于玉米播种时施入，追肥于大喇叭口期撒施；其他田间管理措施与当地大田相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 灌浆速率 玉米吐丝后在每个小区选取长势一致的10棵植株进行标记，花后每隔7 d进行1次籽粒取样。选挂牌标记植株1株，果穗去除基部5环籽粒后，每行均匀取籽粒置于105℃烘箱杀青30 min，后在75℃条件下烘干至恒质量，折算成百粒质量后计算出籽粒灌浆速率。

以开花至观测时的天数t为自变量，观测时玉米籽粒百粒质量y为因变量，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)拟合玉米籽粒灌浆过程，将实测数据代入Logistic方程可求出参数a、b、c，其中a为最大百粒质量，b为初始值、c为灌浆速率参数。据此依据以下各式计算玉米灌浆特征参数[23]。

(1)

(2)

Δt=t2-t1

(3)

Wmax=a/2

(4)

Gmax=aWmax/2

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，t1为灌浆渐增期时间拐点(d)；t2为灌浆快速增长结束期时间拐点(d)，Δt为快速灌浆期持续时间(d)；Gmean为玉米平均灌浆速率(mg·粒-1·d-1)；Gmax为玉米籽粒最大灌浆速率(mg·粒-1·d-1)；Wmax为玉米最大灌浆速率时籽粒质量(mg·粒-1)；Dmax为玉米灌浆速率达到最大的时间(d)；P为玉米灌浆持续时间(d)。

1.3.2 考种 成熟期每个小区收获5株玉米用于考种，考种指标主要有穗长、穗粗、轴粗、秃尖长、百粒质量、穗行数、行粒数、穗粒数。每个小区单独收获测产，用谷物测定仪测定各小区玉米籽粒含水率，根据14%的标准含水率进行折算后计算产量，加上考种时所采获的5株籽粒质量，作为小区最后的实际产量。

1.3.3 水分利用效率 玉米水分利用效率采用式(9)进行计算：

WUE=Y/ET

(9)

式中，WUE为玉米水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y为玉米籽粒产量(kg·hm-2)；ET为玉米耗水量(mm)，可采用式(10)计算。

ET=I+P+G-D-R±ΔW

(10)

式中，ET为玉米生育期内耗水量(mm)；I为灌水量(mm)；P为田间有效降水量(mm)；G为地下水利用量(mm)，由马氏瓶供水，记录历次补水量；D为深层渗漏量(mm)；R为径流量(mm)。由于本试验在防雨棚下进行，且每个小区四周用钢筋混凝土隔开，故P、R忽略不计；由于每次灌水量较少，约450 m3·hm-2，故不易产生深层渗漏，因此D可忽略不计。ΔW为玉米播种前土壤贮水量与收获后土壤贮水量差值(mm)；单位面积土壤贮水量可按式(11)计算：

W=θm×ρb×h×0.1

(11)

式中，θm为土壤质量含水率(%)；ρb为土壤体积质量(g·cm-3)；h为土层厚度(cm)，本文按200 cm计算；0.1为换算系数。

1.3.4 氮肥偏生产力

氮肥偏生产力采用式(12)进行计算：

NPP=Y/N

(12)

式中,NPP为氮肥偏生产力(kg·kg-1)；Y为籽粒产量(kg·hm-2)；N为施氮量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理和作图；使用SPSS 19.0对数据进行方差分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较和差异显著性检验(P<0.05)，图表中数据为平均值±标准差；利用Curxpt拟合Logistic方程。

2 结果与分析

2.1 地下水埋深和施氮量对夏玉米灌浆特征影响

图1 各处理玉米百粒质量随开花后时间变化Fig.1 The change of 100-grain weight of summer maize after flowering under different treatments

2.1.1 夏玉米百粒质量 图1显示了各处理开花后不同时间玉米籽粒百粒质量变化。各处理玉米百粒质量随着花后时间进程呈“S”型曲线变化，不同时间各处理之间百粒质量差异不一致。开花后7 d，2、4 m地下水埋深条件下N300处理玉米百粒质量均高于N240处理；在N300施氮量下，GW2、GW3、GW4处理玉米百粒质量差异显著，表现为GW4>GW2>GW3，这可能是因为GW4处理受地下水补给较少，导致同期其土壤含水率低于GW2和GW3处理，土壤水分胁迫使其早于GW2处理和GW3处理进入生殖生长期；在施氮量N240水平下，GW2、GW3、GW4处理差异均不显著(P>0.05)。开花后28 d和35 d，各处理之间百粒质量差异不显著，N300GW4的百粒质量均最大。开花后53 d即成熟期，各处理百粒质量表现为N300GW4(30.67 g)>N300GW3(30.26 g)>N300GW2(29.92 g)>N240GW4(29.71 g)>N240GW2(28.49 g)>N240GW3(28.41 g)；地下水埋深相同时，N300施氮水平玉米百粒质量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4处理百粒质量分别比N240施氮水平下相应地下水埋深高5.00%、6.52%、3.21%；N240水平下，GW4处理的百粒质量显著高于GW2和GW3处理，其中GW2处理与GW3处理差异不显著；N300水平下，GW4处理的百粒质量显著高于GW2处理，但GW2、GW4处理与GW3处理间差异均不显著，这可能是因为充足的施氮量弥补了水分不足对玉米灌浆影响，同时GW2玉米处理贪青晚熟，营养物质向种子转移不足导致。

2.1.2 夏玉米灌浆速率 图2为各处理开花后不同时间玉米灌浆速率。由图2可知，各处理玉米籽粒灌浆速率变化趋势均呈“抛物线”型，说明灌浆速率呈“慢-快-慢”的变化趋势。花后不同时间，各处理玉米灌浆速率差异不一致。花后7～14 d，相同地下水埋深下，N240处理玉米的灌浆速率均大于N300处理，虽然N240处理晚于N300处理进入灌浆期，但减氮并未降低玉米灌浆速率，反而提高了灌浆前期的玉米灌浆速率；N240GW2处理玉米灌浆速率除与N240GW4处理差异不显著外，均显著高于其他处理，说明充足的水分供应提高了N240GW2处理的灌浆速率。花后21～28 d，各处理之间灌浆速率无显著差异，除N240GW4、N300GW2处理外，其他处理玉米灌浆速率均达到最大值，各处理灌浆速率表现为N240GW3(0.98 g·d-1·100grain-1)>N300GW3(0.95 g·d-1·100grain-1)>N300GW4(0.91 g·d-1·100grain-1)>N240GW4(0.89 g·d-1·100grain-1)>N240GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)=N300GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)。N240GW4、N300GW2处理的灌浆速率均在花后28～35 d达到最大值，均为0.92 g·d-1·100粒-1。花后42～53 d，N300GW3处理玉米的灌浆速率最大，分别比N240GW3、N300GW2、N300GW4处理显著提高37.5%、33.0%、38.2%；N240施氮水平下各处理之间的灌浆速率差异不显著，说明此时期N240施氮水平下，地下水埋深对玉米灌浆后期灌浆速率影响不大。

2.1.3 夏玉米籽粒灌浆参数 由表1可知，Logistic方程能很好地拟合各处理玉米籽粒灌浆过程(R2=0.9936～0.9986)。在N240施氮水平下，玉米的灌浆渐增期时间拐点(t1)表现为随地下水埋深的增加而增加，即地下水埋深越小，玉米越先进入灌浆渐增期；而在N300施氮水平下，GW4处理最先进入灌浆渐增期，GW3处理进入灌浆渐增期的时间最晚。玉米的灌浆快速增长期时间拐点(t2)在不同施氮水平下随地下水埋深变化不一致；在N240施氮水平下，GW3处理的玉米先进入灌浆快速增长期，GW4处理进入灌浆快速增长期的时间最晚；而在N300施氮水平下，GW4处理最先进入灌浆快速增长期，GW3处理进入灌浆快速增长期的时间最晚。在N300施氮水平下，玉米的快速灌浆持续时间随地下水埋深的增加而增加；在N240施氮水平下，GW3处理玉米的快速灌浆持续时间最短，GW2处理玉米的快速灌浆持续时间最长。在N240施氮水平下，玉米平均灌浆速率随地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，GW3处理玉米的平均灌浆速率最小，GW4处理玉米的平均灌浆速率最大。在N240施氮水平下，玉米籽粒最大灌浆速率随地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，玉米籽粒最大灌浆速率随地下水埋深的增加而降低。玉米最大灌浆速率时籽粒质量整体上随地下水埋深的增加而增加，其中在N240施氮水平下，GW3处理的玉米最大灌浆速率时籽粒质量最小。在N240施氮水平下，玉米灌浆速率达到最大的时间均随地下水埋深的升高而升高；在N300施氮水平下，GW3处理玉米灌浆速率达到最大的时间最长，GW4处理玉米灌浆速率达到最大的时间最短。在N300施氮水平下，GW3处理的玉米灌浆持续时间最长为66.630 d，而在N240施氮水平下，GW4处理的玉米灌浆持续时间最长为65.951 d。玉米的灌浆参数随地下水埋深和施氮量未表现出明显趋势。

图2 各处理玉米灌浆速率随开花后时间变化Fig.2 The change of grain filling rate of summer maize after flowering under different treatments

表1 各处理玉米籽粒灌浆特征参数Table 1 Characters of summer maize grain filling parameters under different treatments

表2为各处理玉米产量、百粒质量与灌浆参数的Spearman相关分析结果。由表2可知，玉米产量与最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、百粒质量极显著正相关，相关系数均为0.943；与快速增长期时间拐点(t2)、玉米平均灌浆速率(Gmean)、玉米籽粒最大灌浆速率(Gmax)、玉米灌浆持续时间(P)相关系数较高，但均不显著。玉米籽粒百粒质量与玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)极显著正相关，相关系数为1.000，这主要是因为玉米最大灌浆速率时籽粒质量是玉米籽粒百粒质量的1/2；玉米籽粒百粒质量、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、籽粒最大灌浆速率(Gmax)与玉米平均灌浆速率(Gmean)显著正相关，相关系数分别为0.886、0.886、0.829，因此玉米平均灌浆速率对玉米成熟期百粒质量有重要影响，应从考虑如何提高玉米平均灌浆速率来提高玉米百粒质量，进而达到丰产目的。玉米的灌浆渐增期时间拐点(t1)、灌浆速率达到最大的时间(Dmax)、籽粒最大灌浆速率(Gmax)与玉米快速增长期时间拐点(t2)显著正相关，表明玉米的灌浆渐增期时间拐点(t1)越大，玉米快速灌浆结束的越晚，同时灌浆速率达到最大的时间(Dmax)越长，玉米籽粒最大灌浆速率(Gmax)越大。在N240施氮水平下，玉米百粒质量与玉米快速增长期时间拐点(t2)、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、玉米灌浆持续时间(P)相关系数最高；在N300施氮水平下，玉米百粒质量与快速灌浆期持续时间(Δt)、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)相关系数最高；因此N300施氮量下，地下水埋深主要是通过影响玉米快速灌浆期持续时间(Δt)来影响玉米百粒质量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通过影响最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、玉米灌浆持续时间(P)来影响玉米百粒质量形成。地下水埋深相同时，N300与N240施氮水平玉米百粒质量增加量与玉米快速增长期时间拐点(t2)、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、灌浆速率达到最大的时间(Dmax)、玉米灌浆持续时间(P)的相关系数分别为0.983、0.957、0.842、0.845，因此，增加施氮量主要是通过增大玉米玉米快速增长期时间拐点(t2)、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、灌浆速率达到最大的时间(Dmax)、玉米灌浆持续时间(P)来增加玉米百粒质量。

表2 各处理玉米产量、百粒质量与灌浆参数的Spearman相关分析Table 2 Spearman correlation analysis of summer maize yield,100-grain weight and grain filling parameters under different treatments

2.2 地下水埋深和施氮量对夏玉米产量及其构成要素的影响

由表3可知，施氮量、地下水埋深及二者交互作用极显著影响玉米产量。其中N300GW4处理玉米的产量最高，N240GW3处理的产量最低，N300GW4处理玉米产量显著高于N240GW2、N240GW3和N300GW2处理，但与其他处理之间差异不显著。同时，地下水埋深相同时，N300施氮水平玉米产量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4处理产量分别比N240施氮水平下相应地下水埋深高0.35%、14.08%、2.60%；其中N300GW3处理显著高于N240GW3处理。当地下水埋深相同时，N300施氮水平玉米的穗长显著大于N240施氮水平；在2个施氮水平下，均表现为GW3处理的穗长最短，其中N240GW2、N240GW4处理玉米的穗长显著大于N240GW3处理，N300施氮水平下玉米穗长差异不显著。相同施氮量下，玉米穗粗均随地下水埋深的增加而增加，其中N240GW4处理显著高于N240GW2处理和N240GW3处理；在N300施氮水平下，各处理之间玉米穗粗无显著差异。地下水埋深、施氮量及二者交互作用对玉米秃尖长均无显著影响，各处理玉米秃尖长差异不显著，不同施氮水平下玉米秃尖长随地下水埋深变化趋势不一致，N240施氮水平下，玉米秃尖长随地下水埋深的增加而降低；N300施氮水平下，玉米秃尖长在GW4处理下最大，GW3处理下最小。地下水埋深和施氮量显著影响玉米百粒质量，但二者交互作用对其影响不显著。施氮量对玉米的穗行数有显著影响，但是地下水埋深及二者交互作用对玉米穗行数均无显著影响。其中，N300GW4处理显著高于N240GW3处理，其余各处理之间无显著差异。施氮量极显著影响玉米的行粒数，但是地下水埋深及二者交互作用对玉米行粒数均无显著影响。地下水埋深相同时，N300施氮水平玉米行粒数均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4处理行粒数分别比N240施氮水平下相应地下水埋深显著高7.14%、11.08%、5.25%；施氮量极显著影响玉米的穗粒数，地下水埋深显著影响玉米的穗粒数，但二者交互作用对玉米穗粒数无显著影响；地下水埋深相同时，N300施氮水平玉米穗粒数均显著高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4处理穗粒数分别比N240施氮水平下相应地下水埋深高15.01%、30.99%、12.54%；在N300和N240施氮水平下，穗粒数均表现为在GW4处理下最高。各处理玉米产量与产量构成要素的Spearman相关分析(表4)进一步表明，穗长、穗粗、百粒质量、穗行数、行粒数、穗粒数极显著影响玉米产量，相关系数分别为0.547、0.535、0.730、0.614、0.544、0.816。因此，地下水埋深和施氮量对玉米产量影响主要是通过对产量构成要素的影响体现出来的。

表3 各处理玉米产量及产量构成要素Table 3 Summer maize yield and yield components under different treatments

表4 各处理玉米产量及产量构成要素Spearman相关分析Table 4 Spearman correlation analysis of summer maize yield and yield components under different treatments

2.3 地下水埋深和施氮量对夏玉米水氮利用效率的影响

由表5可知，地下水埋深和施氮量极显著影响玉米地下水利用量和总耗水量，但二者交互作用均不显著；地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%；随着地下水埋深增加，地下水利用量逐渐降低，2个施氮量条件下，不同地下水埋深处理之间地下水利用量均差异显著；在GW2、GW3处理下，N300施氮水平处理地下水利用量均显著高于N240施氮水平；GW4处理下，N300施氮水平与N240施氮水平无显著差异。ΔW为播前土壤贮水量与收获后土壤贮水量差值，地下水埋深和施氮量及二者交互作用均极显著影响玉米ΔW。地下水埋深相同时，N300施氮水平处理ΔW均显著高于N240施氮水平处理。地下水埋深相同时，N300施氮水平处理总耗水量分别显著高于N240施氮水平。施氮量、地下水埋深及二者交互作用均极显著影响玉米氮肥偏生产力；其中N240施氮水平GW2、GW3、GW4处理玉米氮肥偏生产力分别比N300施氮水平玉米显著高24.57%、9.57%、21.83%；N300施氮量下，不同地下水埋深处理之间无显著差异；N240施氮水平下，GW2、GW4处理均显著高于GW3处理，N240GW4处理的氮肥偏生产力最高。施氮量极显著影响玉米WUE，地下水埋深及二者交互作用对玉米WUE影响不显著。其中，N300施氮水平下不同地下水埋深处理之间玉米WUE无显著差异；N240施氮水平下，GW4处理显著高于GW3处理，其他处理之间差异不显著。综上可知，N240GW4处理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均最高，故N240GW4处理是本研究推荐的农业绿色高产生产模式。

表5 各处理夏玉米水氮利用效率Table 5 Water use efficiency and nitrogen use efficiency of summer maize under different treatments

3讨 论

3.1 施氮量和地下水埋深对玉米百粒质量及灌浆参数影响

施氮量、灌水量、肥料类型、覆膜、种植密度等是影响玉米灌浆过程的重要因素[16,24-26]。孙仕军等[27]研究表明，在地下水埋深1～4 m范围内，玉米百粒质量呈先降低后增加趋势，地下水埋深为2.5～3 m时，玉米百粒质量最低，地下水埋深1 m时，玉米百粒质量最大。本研究表明，施氮量和地下水埋深均极显著影响玉米百粒质量，但二者交互作用不显著；地下水埋深相同时，施氮量越高，玉米百粒质量越大，这与孙仕军等[27]研究相符。在N300施氮水平下，玉米百粒质量随地下水埋深增加而增加，这与佘映军等[28]研究相符，这可能是因为随着地下水埋深增加，包气带厚度增加，土壤中养分离子向下迁移路径变长，养分在根区积累，有利于玉米灌浆，故地下水埋深较大处理百粒质量较高；在N240施氮水平下，3 m地下水埋深处理玉米的百粒质量最小，这与孙仕军等[27]研究相似，这主要是因为受包气带中土壤养分离子向下运移和地下水向上补给双重作用影响，一是因为N240施氮量下3 m地下水埋深处理作物根区养分离子的积累量比4 m地下水埋深处理少，二是因为地下水向上补给量没有2 m地下水埋深处理大，故3 m地下水埋深处理玉米百粒质量最低。较高的平均灌浆速率是获得高百粒质量的关键，增加施氮量可提高玉米籽粒的最大灌浆速率、灌浆速率最大时的生长量，增加灌浆期的持续时间，促进籽粒干物质的积累[17,29]。本研究表明，增加施氮量主要是通过增大玉米灌浆持续时间(P)、玉米最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、灌浆速率达到最大的时间(Dmax)来增加玉米百粒质量，这与于宁宁等[17]研究一致；但当施氮量不同时，受地下水埋深和施氮量交互作用影响，玉米的灌浆渐增期时间拐点(t1)、快速增长期时间拐点(t2)、快速灌浆期持续时间(Δt)随地下水埋深变化趋势不一致。胡雨欣等[29]研究表明，灌溉提高了玉米花后百粒干质量、灌浆速率最大时的生长量(Wmax)和灌浆活跃期(P)，进而提高了玉米产量和百粒质量。本研究得出，常规施氮量下，地下水埋深主要是通过影响玉米快速灌浆持续时间来影响玉米百粒质量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通过影响最大灌浆速率时籽粒质量(Wmax)、玉米灌浆持续时间(P)来影响玉米百粒质量形成。关于地下水埋深对玉米灌浆参数的影响尚未有人研究，本研究丰富了地下水埋深对玉米灌浆特性影响理论。

3.2 施氮量和地下水埋深对玉米产量及水氮利用效率影响

水分和氮肥对小麦产量形成有重要影响，合理的水氮运筹可减少水的深层渗漏和氮淋失。在根系吸力和土壤水势共同作用下，包气带水分与地下水双向交换临界埋深一般为4 m[10]，故地下水埋深4 m内，地下水埋深对作物灌溉水利用效率和作物生长有重要影响。施氮量对玉米产量及产量构成要素均有影响，玉米产量随施氮量的增加呈先增加后减少趋势，适宜的施氮量有益于调控作物营养生长与生殖生长，防止贪青晚熟，实现优质高产[30-31]。本研究表明，施氮量对产量影响极显著，除了秃尖长，施氮量显著或极显著影响产量构成要素。这与付江鹏等[30]研究相符。孙仕军等[32]研究表明，玉米产量随地下水埋深的增加而减小，且当地下水埋深为3 m时玉米产量最低，导致产量差异的产量构成要素是穗粒数。刘战东等[33]研究表明，地下水埋深影响穗长、秃尖长、穗粒数、百粒质量及经济产量。本研究表明，N240施氮水平下，地下水埋深为3 m时玉米产量和氮肥偏生产力最低，这与孙仕军等[32]研究一致，这主要是受包气带土壤养分离和盐分子双向运移及地下水向上补给共同作用的结果；百粒质量、穗粒数是玉米产量构成关键要素，这与杨飞等[34]研究结果相符；百粒质量与玉米产量极显著正相关，这与刘战东等[33]研究结果相符。本研究中，在N300施氮水平下，玉米的产量和氮肥偏生产力随地下水埋深的增加而增加，这主要是因为地下水埋深大的处理中土壤养分离子向下运移路径较长，且受水分影响，向下运移较慢，在作物根区集聚较多；同时2～4 m地下水埋深范围内，地下水埋深对土壤养分离子影响大于对土壤水分影响。提高作物水氮利用效率是农业绿色可持续发展必然需求，控水、减氮是提高作物水氮利用效率的直接有效方式。本研究中，N240施氮水平氮肥偏生产力显著高于N300施氮水平，这主要是因为氮肥报酬递减效应[35]，即随着施氮量的增加，每单位纯氮投入带来的产量增加量(报酬)会逐步降低。受包气带毛细上升水补给影响，地下水埋深极显著影响作物地下水利用量，2～4 m地下水埋深范围内，地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%。不同施氮量下，地下水埋深对作物水氮利用效率影响不一致，这可能是因为玉米生长影响因素较多，土壤中关键养分离子含量、土壤水-热-盐、玉米本身的光合性能及其元素吸收转化能力差异有关，有待在后续研究中厘清此机理。

4 结 论

1)Logistic方程能够很好地拟合各处理玉米籽粒灌浆过程；增加施氮量主要是通过增大玉米快速增长期时间拐点、玉米最大灌浆速率时籽粒质量、灌浆速率达到最大的时间、玉米灌浆持续时间来增加玉米百粒质量；N300施氮量下，地下水埋深主要通过影响玉米快速灌浆持续时间进而影响玉米百粒质量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要通过影响最大灌浆速率时籽粒质量、玉米灌浆持续时间进而影响玉米百粒质量形成。

2)N240GW4处理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均较高，故N240GW4处理是华北地区玉米推荐的农业绿色高产生产模式。