不同水氮处理对玉米生长、产量和氮素吸收利用的影响

肖贵 墨金萍 曹宁 白灵 连荣芳

摘要：针对玉米生产中大量施肥造成土壤质量下降、肥料资源浪费等问题，采用水、氮2因素试验设计，其中灌溉量设置200、400、600 m³/hm²等3个水平，施氮量设置0、75、150、225、300、375 kg/hm²等6个水平，共设18个处理，研究不同水氮处理对半干旱地区玉米农艺性状、干物质积累量、产量和氮素吸收利用的影响。结果表明，在同一灌溉条件下，玉米干物质积累量、产量、植株氮素积累量、籽粒氮素积累量和氮素收获指数呈单峰趋势变化，均在施氮量为225 kg/hm²时达到最大值。而在同一氮水平下，灌溉量为400 m³/hm²时，玉米干物质积累量、产量、植株氮素积累量、籽粒氮素积累量和氮素收获指数均达到最大值。相关分析结果表明，玉米产量与穗粒数、百粒重和穗粒重存在显著正相关关系，而与收获指数之间无显著相关关系，说明穗粒数、百粒重和穗粒重是玉米产量提高的决定因素。回归分析结果表明，灌溉量为400 m³/hm²、施氮量为227.02 kg/hm²时，可获得最佳理论产量，为6 492.11 kg/hm²，是最佳水氮组合。综上所述，在半干旱地区，密度60 000株/hm²、灌溉量400 m³/hm²、施氮量225 kg/hm²是玉米种植最佳技术组合。

关键词：施氮量；灌水量；玉米；产量；氮素吸收利用

中图分类号：S513.06  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）06-0084-05

收稿日期：2023-04-20

基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-08）。

作者简介：肖贵（1985—），男，甘肃定西人，副研究员，从事旱地豌扁豆及玉米的选育及示范推广。E-mail：714631793@qq.com。

通信作者：连荣芳，研究员，从事旱地豌扁豆品种选育。E-mail：294301232@qq.com。

玉米是我国重要的粮食作物，在我国农业生产中具有重要作用，随着我国工业化进程的加快，粮食供应日趋紧张^[1]，玉米作为一种高产作物，受当地降雨及施肥条件的影响很大，因此如何通过优化施肥方式以提高肥料利用率和水分利用率从而提高玉米产量及品質是一个关键问题。2017年国家通过调整农业结构布局战略，确立了调减籽实玉米、增加饲草玉米等饲料作物面积的“粮改饲”实施方案^[2-4]，这对于改善农业生态环境、促进农业供给侧结构改革具有重要意义，因而如何提高籽实玉米产量水平是一个亟待解决的问题。

合理施肥是提高产量的关键，Deng等认为，玉米产量的提高依赖于土壤水分和养分协调供应^[5]。有研究表明，在旱地玉米生产中，由于中后期追肥困难，追施的氮肥难以协调玉米灌浆期需肥与土壤供肥间的关系，易造成灌浆期氮素亏缺，使灌浆速率和氮肥利用率降低，而生育后期缺氮会引起叶片早衰，造成产量下降^[6]。合理的施用肥料不仅可以提高玉米产量和品质，同时也有利于提高肥料利用率，保护生态环境^[7]。田间试验表明，玉米膜下滴灌产量远高于喷灌，增产幅度超过 28.3%^[8]。膜下滴灌条件下滴水频率对棉花水分利用效率无显著影响，但水分利用效率随滴水量的增大而显著降低^[9-10]。然而，受陇中黄土高原干旱半干旱以及经济发展条件的制约，农民在玉米种植时大量施用化肥，造成大量的肥料资源浪费，同时也造成生态环境污染。因此，本试验研究不同水氮处理对玉米产量和氮素吸收利用率的影响，为玉米生产提供理论依据。

1  试验区概况与研究方法

1.1  试验区概况

试验于2020年在甘肃省定西市安定区宁远镇实施，该地区平均海拔1 996 m，年平均降水量 390 mm，年平均气温6.2 ℃，全年无霜期140 d。供试土壤为黄绵土，肥力均匀，具有良好的灌溉条件，试验地pH 值为7.8，有机质含量为19.1 g/kg，全氮含量为 1.22 g/kg，碱解氮含量为115.6 mg/kg，速效磷含量为23.1 mg/kg，速效钾含量为186.7 mg/kg。

1.2  试验设计

试验品种为豫单132。试验共设18个处理（表1），施磷量和施钾量均为170 kg/hm²，化肥主要包括尿素（N≥46%）、过磷酸钙（P₂O₅≥12%）和硫酸钾（K₂O≥24%）。每个处理重复3次，随机区组排列，60 000株/hm²，株距30 cm，行距70 cm。小区面积55 m²（5.5 m×10 m），1膜1管2行种植模式，单翼迷宫式滴灌带布置于窄行中间，滴头间距 30 cm，滴头流量为2.0 L/h，灌溉量分别为：苗期5%、拔节期10%、小喇叭口期10%、大喇叭口期12%、抽雄期15%、开花期15%、籽粒建成期15%、乳熟期10%、蜡熟期8%。田间管理同大田。

1.3  样品采集与分析

于玉米拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄吐丝期（VT）、灌浆期（R3）和成熟期（PM）取样，每个小区随机取样5株，烘干，称干重。

1.4  调查测定项目

1.4.1  农艺性状统计

在玉米生长各生育期，每个小区随机取样5株，统计玉米的株高、成穗率、穗长、鲜穗重、绿叶数和单根鲜重等农艺性状，烘干，称干物质积累量。

1.4.2  收获测产

收获时按小区计产，每小区随机取样15株，统计穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数、千粒重和单株生产力。

1.4.3  氮含量测定

用凯氏定氮法分别测定玉米植株和籽粒氮素含量，计算氮素积累量、氮素收获指数和氮肥偏生产力。

1.5  数据处理

試验数据使用Excel 2010进行统计汇总，并使用SPSS 19对各处理数据进行方差分析和最小显著性检验（LSD法）。

2  结果与分析

2.1  不同水氮处理对玉米各生育期干物质积累的影响

由图1可以看出，随着生育进程的推进，玉米干物质积累量逐渐增加，在成熟期达到最大值；同一灌溉量之间相比，随着施氮量的增加，玉米干物质积累量呈先增加后减小的变化趋势，都是在施氮量为225 kg/hm²达到最大值。与W1N0、W1N1、W1N2、W1N4和W1N5处理相比，W1N3干物质积累量分别提高30.27%、17.33%、7.39%、8.23%和19.37%；与W2N0、W2N1、W2N2、W2N4和W2N5处理相比，W2N3干物质积累量分别提高30.12%、17.08%、7.29%、8.12%和19.09%；与W3N0、W3N1、W3N2、W3N4和W3N5处理相比，W3N3干物质积累量分别提高30.36%、17.20%、7.34%、8.17%和19.22%。说明在灌溉量为200、400、600 m³/hm²时，施氮量225 kg/hm²都能明显提高玉米干物质含量。

不同灌溉量之间相比，灌溉量为400 m³/hm²时各生育期玉米干物质积累量都最高。与灌溉量为 200 m³/hm²相比，成熟期干物质积累量分别高0.76%、0.67%、0.62%、0.58%、0.64%和0.72%；与灌溉量为600 m³/hm²相比，成熟期干物质积累量分别高0.37%、0.32%、0.30%、0.28%、0.31%和0.35%。

2.2  不同水氮处理对玉米各农艺性状的影响

由表2可以看出，在同一灌溉量条件下，玉米株高、成穗率、穗长、鲜穗重、绿叶数和单根鲜重都随着施氮量的增加呈先增加后减小的趋势，在施氮量为225 kg/hm²时达到最大值。与W1N0、W1N1、 W1N2、 W1N4和W1N5处理相比，W1N3单株根重分别增加21.64%、13.43%、4.66%、5.72%和8.30%；与W2N0、W2N1、W2N2、W2N4和W2N5处理相比，W2N3单株根重分别增加18.53%、10.90%、4.31%、4.88%和8.39%；与W3N0、W3N1、W3N2、W3N4和W3N5处理相比，W3N3单株根重分别增加17.97%、12.64%、7.77%、8.40%和11.55%。根是玉米生长发育的基础，说明在不同的灌溉条件下，单株根重都在施氮量为225 kg/hm²达到最大值；在同一施氮量条件下，不同灌溉量之间相比，灌溉量为400 m³/hm²的玉米株高、成穗率、穗长、鲜穗重、绿叶数和单根鲜重均高于灌溉量为200、600 m³/hm²的处理，但无显著差异。

2.3  不同水氮处理对玉米产量的影响

由表3可以看出，在同一灌溉条件下，穗粒数、百粒重、穗粒重、产量和收获指数都随着施氮量的增加先增加后降低，在施氮量为225 kg/hm²时达到最大值。与W1N0、W1N1、W1N2、W1N4和W1N5处理相比，W1N3产量分别增加100.80%、51.03%、28.67%、6.87%和36.36%；与W2N0、W2N1、W2N2、W2N4和W2N5处理相比，W2N3产量分别增加93.36%、39.55%、24.35%、7.09%和36.95%；与W3N0、W3N1、W3N2、W3N4和W3N5处理相比，W3N3产量分别增加87.96%、37.15%、26.52%、23.12%和37.20%。在同一施氮量的条件下，灌溉量为400 m³/hm²时玉米产量均高于灌溉量为200、600 m³/hm²处理，与灌溉量为 200 m³/hm²相比，产量分别提高5.94%、10.41%、5.56%、2.02%、1.80%和1.58%，与灌溉量为 600 m³/hm²相比，产量分别高2.90%、4.04%、7.71%、5.86%、21.70%和6.06%，但差异不明显。

相关性分析结果表明，玉米产量与穗粒数、百粒重和穗粒重均存在显著正相关关系，而与收获指数之间无显著相关关系，说明穗粒数、百粒重和穗粒重是玉米产量提高的决定因素。

2.4  不同水氮处理玉米产量与灌溉量和施氮量回归分析

在灌溉量分别为200、400、600 m³/hm²时，对玉米产量（y）与施氮量（x）进行的回归分析，结果见图2。在灌溉量为200 m³/hm²时，y=-0.055 7x²+26.658 0x+3 131.000 0，r²=0.923 8；在灌溉量为 400 m³/hm²时，y=-0.059 3x²+26.925 0x+3 435.800 0，r²=0.912 1；在灌溉量为600 m³/hm²时，y=-0.050 5x²+22.550 0x+3 425.000 0，r²=0.912 6。分别对方程求解，当灌溉量为200 m³/hm²时，x=239.30 kg/hm²，得最佳产量y=6 320.63 kg/hm²；当灌溉量为400 m³/hm²时，x=227.02 kg/hm²，得最佳产量y=6 492.11 kg/hm²；当灌溉量为600 m³/hm²时，x=223.27 kg/hm²，得最佳产量y=5 942.34 kg/hm²。

2.5  不同水氮处理对玉米氮素吸收利用的影响

由表4可知，玉米植株氮素积累量和籽粒氮素积累量在灌溉量为200、400、600 m³/hm²时随施氮量的增加呈单峰趋势变化，都是在施氮量为 225 kg/hm²时达到最大值，其中植株氮素积累量最高分别为175.34、184.56、182.32 kg/hm²，籽粒氮素积累量最高分别为131.74、145.27、141.67 kg/hm²。氮素收获指数的变化趋势和玉米植株氮素积累量以及籽粒氮素积累量变化趋势相同，也是在施氮量为 225 kg/hm²时达到最大值，与W1N0、W1N1、W1N2、W1N4和W1N5处理相比，W1N3处理氮素收获指数分别提高3.24%、2.12%、0.67%、1.22%和1.55%；与W2N0、W2N1、W2N2、W2N4和W2N5处理相比，W2N3处理氮素收获指数分别提高5.47%、4.02%、2.14%、3.32%和3.78%；与W3N0、W3N1、W3N2、W3N4和W3N5处理相比，W3N3处理氮素收获指数分别提高4.30%、2.87%、1.70%、3.95%和5.57%。

不同灌溉量之间相比，灌溉量为400 m³/hm²时氮素收获指数最高，与灌溉量为200 m³/hm²相比，其各处理氮素收获指数分别提高1.21%、1.50%、1.90%、3.39%、1.29%和1.16%，与灌溉量为 600 m³/hm²相比，其各处理氮素收获指数分别提高0.17%、0.19%、0.86%、1.30%、1.91%和3.04%。氮肥偏生产力在灌溉量为200、400、600 m³/hm²时都随着施氮量的增加显著降低。

3  讨论与结论

氮是作物生长发育、产量形成和品质提升的重要元素，氮素的供应量和供应过程决定作物产量的高低。施氮量太少不足以供应作物生长发育所需的养分，而施氮量过多则造成作物生长发育受阻。合理的氮素供应可有效促进玉米植株、籽粒对氮素的吸收积累，促进含氮化合物的合成，增强光合作用，增加干物质积累，提高玉米的产量和品质^[11]。水是生命之源，是作物生长发育得重要因子，同时水分是作物对养分吸收、运输的重要因素，水分太多或太少都会影响作物的生长，水分太多一方面造成养分流失，另一方面影响作物根的呼吸。在半干旱的定西市水分的作用尤其重要，氮与水的协调供应能够显著提高作物产量，同时也能显著提高养分利用效率，灌水也有明显的促肥作用^[12-15]。也有研究证明，过度灌水反而不利于作物产量的形成^[16-18]，这和本研究相似。本研究表明，在同一灌溉量的条件下，玉米产量、干物质积累量、植株氮素积累量、籽粒氮素积累量和氮素收获指数都呈单峰趋势变化，均在施氮量为225 kg/hm²时达到最大值。灌溉量对玉米干物质积累量、植株氮素积累量、籽粒氮素积累量和氮素收获指数和产量无显著影响。本试验结果显示，不同灌溉量的最高产量均是施氮量为225 kg/hm²的处理。回归分析结果表明，理论产量最高时的施氮量为227.02 kg/hm²，略高于本试验最高产量时的施氮量225 kg/hm²，但对应的最高理论产量低于实测产量。经综合分析可知，密度60 000株/hm²、灌溉量 400 m³/hm²、施氮量225 kg/hm²是半干旱地区玉米种植的最佳技术组合。

在半干旱地区，灌溉量为400 m³/hm²、施氮量为225 kg/hm²、密度为60 000株/hm²时能获得最大玉米产量，为6 994.5 kg/hm²，同时能够得到最大氮素收获指数，为78.71%。

參考文献：

[1]蔺宝军，张芮，高彦婷，等.西北地区高效节水灌溉技术发展现状及对策[J]. 水利规划与设计，2019（3）：29-33.

[2]倪印锋，王明利. 中国青贮玉米产业发展时空演变及动因[J].草业科学，2019，36（7）：1915-1924.

[3]李青军，张炎，胡伟，等. 氮素运筹对玉米干物质积累、氮素吸收分配及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2011，17（3）：755-760.

[4]赵士诚，裴雪霞，何萍，等. 氮肥减量后移对土壤氮素供应和夏玉米氮素吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16（2）：492-497.

[5]Deng X P，Shan L，Zhang H P，et al. Improving agricultural water use efficiency in arid and semiarid areas of China[J]. Agricultural Water Management，2006，80（1/2/3）：23-40.

[6]刘汝亮，王芳，王开军，等. 控释氮肥侧条施用对东北地区水稻产量和氮肥损失的影响[J]. 水土保持学报，2018，32（2）：252-256.

[7]周培禄，任红，齐华，等. 氮肥用量对两种不同类型玉米杂交种物质生产及氮素利用的影响[J]. 作物学报，2017，43（2）：263-276.

[8]Abd El-Wahed M H，Ali E A. Effect of irrigation systems，amounts of irrigation water and mulching on corn yield，water use efficiency and net profit[J]. Agricultural Water Management，2013，120：64-71.

[9]刘梅先，杨劲松，李晓明，等. 滴灌模式对棉花根系分布和水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报，2012，28（增刊1）：98-105.

[10]刘战东，肖俊夫，刘祖贵，等. 膜下滴灌不同灌水处理对玉米形态、耗水量及产量的影响[J]. 灌溉排水学报，2011，30（3）：60-64.

[11]张兴梅，周攒义，殷奎德，等. 氮肥与水分互作对黑龙江半干旱区玉米氮积累和产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2016，34（4）：165-169，258.

[12]孙文涛，孙占祥，王聪翔，等. 滴灌施肥条件下玉米水肥耦合效应的研究[J]. 中国农业科学，2006，39（3）：563-568.

[13]王琪，马树庆，郭建平，等. 温度对玉米生长和产量的影响[J]. 生态学杂志，2009，28（2）：255-260.

[14]王海江，崔静，侯振安，等. 膜下滴灌棉花干物质积累与耗水量关系研究[J]. 干旱地区农业研究，2009，27（5）：83-87.

[15]纪耀坤，孟自力，高磊. 开花期灌水对小麦减氮增效的潜力及氮高效利用机制研究[J]. 江苏农业科学，2022，50（15）：79-83.

[16]郑艳军，尹娟，尹亮，等. 不同灌水处理对枸杞产量和品质的影响[J]. 节水灌溉，2017（9）：28-32.

[17]杨奇鹤，毛晓敏，杨健，等. 不同灌水处理和覆膜对西北旱区农田水热状况和春小麦生长的影响研究[J]. 中国农村水利水电，2017（2）：37-39，46.

[18]肖俊夫，劉战东，南纪琴，等. 不同水分处理对春玉米生态指标、耗水量及产量的影响[J]. 玉米科学，2010，18（6）：94-97，101，106.