不同灌溉方式下黄淮海地区夏玉米水氮耦合效应研究

巩 文 军

(河南省焦作市广利灌区管理局，河南 沁阳 454550)

0 引 言

水和氮是农业生产的两大投入，也是最容易控制的两个因素。水分和氮素之间的相互作用对作物生长发育及其利用效率的影响，称为水氮耦合[1]。目前，学者们研究了水氮耦合对作物根系、茎秆、叶片、产量、光合作用和养分代谢的影响[2,3]。对于作物生长发育而言，水氮耦合效应主要表现为协调效应、叠加效应和拮抗效应[4]。不适合的水氮处理会阻碍作物正常的生长发育，而适宜的水氮比例下，水氮交互效应会使作物产量和品质明显提升[5]。

夏玉米作为我国黄淮海地区的主要农作物，每年需要大量的氮肥和水分投入，然而总体上看氮肥和水分的生产效率偏低，造成了大量氮肥和水分的浪费，不利于农业的可持续发展[6]。近年来，水肥一体化技术逐渐被应用在实际生产中，促进了作物对水分和氮素的高效吸收利用[7]。水氮一体化技术是将可溶性氮肥按土壤养分含量和作物需氮规律配制成适宜浓度的肥液，并通过滴灌或者喷灌系统均匀、定时、定量配送至土壤中作物根系生长发育区域，满足作物不同生长期水氮需要[8-10]。目前，在滴灌和微喷带灌溉条件下水氮耦合对夏玉米生长发育影响的研究还较少，迫切需要加强。因此，本研究设置了滴灌和微喷带灌溉两种灌溉方式，研究了不同水氮耦合处理对夏玉米生长发育和产量形成的影响，试图为黄淮海地区夏玉米生产中水氮一体化技术的广泛利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区情况

试验于2015年在河南省沁阳市广利灌区灌溉试验站进行(北纬35°18′，东经113°52′)。该地区多年平均气温14.1 ℃，无霜期210 d，日照时数2 398.8 h，属暖温带大陆性季风气候。土壤为沙壤土，20 cm耕层土壤基础养分见表1。整个夏玉米生长季，降雨量为212 mm。

表1 土壤基础养分

1.2 试验设计

本试验选用的玉米品种为登海605，播期为6月12日，每公顷7.5 万株，采用机播的方式种植。试验设计了灌溉方式、灌水量和氮肥量三个因子，采用裂区-再裂区试验设计，主区为2个灌溉方式滴灌(D)和微喷带灌溉(P)，裂区为2个灌水量处理，再裂区为4个氮肥处理，采用完全区组设计，每个处理重复3次，共48个小区，小区面积约为60 m2，每个小区间开沟阻隔，以防肥料侧向移动。在玉米生长过程中，各处理均灌4水，底墒水均为30 mm，保证出苗，滴灌处理设置低水(D：90 mm)和高水(G：120 mm)处理，喷灌处理设置低水(D：105 mm)和高水(S：180 mm)处理，具体的灌水方案见表2。 氮肥选用尿素，设置不施氮肥(N0)，低氮处理(N1),中氮处理(N2),高氮处理(N3)4个水平，各生育时期的施肥量见表3。

表2 不同处理灌溉定额及在各生育时期的分配

表3 不同施氮量处理的施肥方案

滴灌施肥方法：试验小区滴灌带间距为50 cm，滴头间距30 cm，每2行设置一条滴灌带，试验施肥采用压差式施肥灌进水管道，每个小区各接一个独立的施肥罐，施肥始前按各小区所需尿素用量，分别加入各小区施肥罐，将施肥罐充满水，充分搅拌，使其完全溶解，扣紧罐盖。施肥前先滴清水30 min，然后打开施肥罐球阀施肥，为保证肥料完全施入，施肥后继续滴清水30 min。微喷带灌溉施肥方法：试验小区喷灌带间距为300 cm，选用七孔的喷灌带，试验施肥采用文丘里施肥器对各小区进行施肥，先将氮肥按小区面积称好，溶于水中，随水一起喷灌到小区中。

在田间试验中，各处理统一施P2O5150 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。试验管理高于当地高产田生产水平，保证作物正常生长发育，没有病虫害影响，为当地气候、土壤背景条件下最佳产量。每项田间管理措施和测定在同一天内完成，如遇特殊天气，同一重复必须在同一天内完成。

1.3 观测项目与方法

(1)产量及产量构成因素。各处理于完熟期收获测产，每小区随机摘取10个玉米穗，放入网袋后摊平晒干，用于测定产量及产量构成因素。

(2)植株干物质。分别于玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期在每个小区内选取具有代表性的植株6株，进行破坏性取样，然后将样株分解为茎秆(包括雄穗)、叶片(包括苞叶)、穗三部分，将各类样品在105℃杀青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重，称取干物质重量。

(3)植株叶面积。分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期每个小区选择代表性植株10株。采用量测法测量叶片长度和最宽处宽度，全展开叶系数为0.75，非全展开叶系数为0.5，三者相乘计算单株叶面积。单位土地面积的叶面积指数=单株叶面积×玉米密度×密度对应土地面积。

(4)作物耗水量。作物耗水量采用水量平衡公式计算，在本试验条件下可简化为：

ET=P+I-SWD

(1)

式中：P为降雨量，mm；I为灌溉量，mm；SWD为玉米生育期内0～100 cm土壤水消耗量，生育期末的土壤含水量与生育初期时的差值。

(5)作物水分生产效率。本研究仅考虑蒸散消耗的作物水分生产效率WUE的表达式：

WUE=Y/ET

(2)

式中：Y为夏玉米最终产量，kg/hm2；ET为作物总耗水量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米叶面积指数的影响

分析夏玉米叶面积指数动态变化特征(图1)可以发现，不同灌溉方式下夏玉米叶面积指数的变化规律基本一致，均随着生育期的推移叶面积指数先迅速增加后保持稳定。微喷带灌溉条件夏玉米叶面积指数与滴灌条件下的叶面积指数进行比较，差异不显著，而且这种差异随着生育进程有逐渐缩小的趋势，在夏玉米生育后期滴灌方式低水处理在不同氮肥处理下叶面积指数均为最高(图2)，说明滴灌方式可能会提高夏玉米的叶面积的扩展，但与微喷带灌溉之间差异不明显，这可能由于降雨的影响，消除了灌溉方式差异对夏玉米叶面积指数影响，而且在图1中，8月27日后夏玉米的叶面积增长缓慢，保持相对平稳状态，较高的绿色叶面积指数有利于夏玉米干物质的积累和最终产量的形成。

图1 不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米叶面积指数的影响

氮肥对夏玉米叶面积的扩展起到促进作用，随着施氮量的增加，叶面积指数逐渐增加(图1)，在夏玉米生长中期，N0处理的叶面积指数显著低于其他处理的叶面积指数，随着生育进程的推移这样的差异逐渐缩小，在7月27日N0处理的平均叶面积指数为1.22，N3处理的平均叶面积指数为1.7，而在9月15日， N0处理的平均叶面积指数为5.33，而N3处理的平均叶面积指数为5.4。在玉米整个生育时期内，施氮处理(N1、N2、N3)之间的叶面积指数差异均不显著，这可能与过高的基础肥力有关。

2.2 不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米生物量的影响

分析夏玉米生物量动态的变化特征(图2)可以发现，不同灌溉方式下夏玉米生物量的变化规律基本一致，均随着生育期的推移生物量逐渐增加。喷灌条件下的夏玉米生物量一般均低于滴灌条件下的生物量，而且这种差异随着生育进程逐渐拉大，在夏玉米生育后期滴灌方式低水处理在不同氮肥处理下生物量均为最高(图2)，说明滴灌方式更有利于提高夏玉米的生物量积累，用更少的水生产出更多的生物量；此外由于降水的影响，高水条件下夏玉米生物量反而偏低，在8月27日N2处理的滴灌低水处理生物量为11.13 t/hm2，而滴灌高水处理的生物量仅为9.55 t/hm2，在丰雨年份过多灌溉水量并不有利于夏玉米的生物量积累。

图2 不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米生物量的影响

氮肥对夏玉米生物量的积累起到促进作用，随着施氮量的增加，生物量逐渐增加(图2)，但在高氮处理(N3)的生物量与其他氮肥处理之间差异不显著或者低于其他处理，在8月6日，N3处理的生物量均值为4.89 t/hm2，而N2处理的生物量均值为5.05 t/hm2，说明过高的氮肥投入并不能有效的提高生物量的积累，反而会产生抑制的效果。在9月15日，N3处理的生物量均值为16.39 t/hm2，而N0处理的生物量均值为16.2 t/hm2，N3处理仅比N0处理高0.19 t/hm2，这种现象与基础地力过高有关。

2.3 不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米产量及产量构成的影响

分析在不同水氮耦合下夏玉米产量及产量构成(表4)，可以看到，滴灌条件下的平均产量(125 77.81 kg/hm2)要高于喷灌条件下(11 380.63 kg/hm2)，说明滴灌方式有利于提高夏玉米的产量；滴灌高水处理的夏玉米平均产量(13 057.50 kg/hm2)要显著高于其他处理平均产量(11 619.79 kg/hm2)；滴灌高水N3处理的产量最高达到14 002.50 kg/hm2，喷灌低水N0处理的产量最近，仅为9 757.50 kg/hm2。平均果穗长度在滴灌(19.24 cm)和喷灌(19.43 cm)处理之间差异不显著，在高水(19.45 cm)与低水(19.22 cm)之间差异也不大，随着施氮量的增加，平均果穗长度逐渐增加(N0：18.31 cm；N1：19.43 cm；N3：19.66 cm；N4：19.93 cm)，其中N0处理的平均果穗长度显著低于其他处理。平均秃尖长在滴灌(1.70 cm)和喷灌(2.24 cm)之间差异显著，这是造成滴灌处理玉米产量高于喷灌处理的主要原因，在高水(1.99 cm)与低水(1.94 cm)处理之间差异不显著，N0处理的平均秃尖长最大，为2.22 cm，N3处理的平均秃尖长最小，为1.83 cm，这说明在玉米开花灌浆期间充足的氮肥将保证有机质的制造和运转，玉米吐丝和田间授粉的正常进行，花粉和花丝寿命长。平均的果穗粗在滴灌(4.94 cm)和喷灌(4.84 cm)之间差异不显著，在高水(4.91 cm)与低水(4.86 cm)之间差异不显著，在N0处理的平均果穗长度为4.76 cm显著低于N3处理的4.94 cm。平均的百粒重在滴灌(29.3 g)和喷灌(27.9 g)之间差异显著，这也是造成夏玉米产量在两个灌溉方式之间有差异主要原因，在高水(28.7 g)和低水(28.49 g)之间差异不显著，在氮肥处理之间差异亦不显著，综上所述，秃尖长短和百粒重大是滴灌条件下夏玉米产量较高的主要原因。

2.4 不同灌溉方式对夏玉米耗水量和水分生产效率的影响

表5分析了在不同水氮耦合处理下夏玉米耗水量和水分生产效率。根据播种前和收获后土壤含水量的差值代表夏玉米全生育期内的土壤水消耗量。滴灌条件下的土壤水消耗量小于微喷带灌溉条件下土壤水消耗量。随着灌溉量的增加，土壤水消耗量呈现降低的趋势。根据公式(1),可以计算出夏玉米全生育期内耗水量，在不同处理之间，耗水量在323.4～410.7 mm之间变化，其中滴灌处理的耗水量低于微喷带灌溉处理的耗水量，高水处理下的耗水量要高于低水处理下的耗水量。在滴灌条件下，夏玉米的水分生产效率(34.28～41.23 kg/mm)要高于微喷带灌溉条件下水分生产效率(26.84～33.92 kg/mm)。在微喷带灌溉条件下，高水处理的水分生产效率低于低水处理；而在滴灌条件下，不同水分处理之间差异不大。在不同氮肥处理之间，土壤水消耗量、总耗水量和水分生产效率差异不大。

表4 不同水氮耦合下夏玉米产量及产量构成

注：IL代表灌溉水平；NL代表施肥水平；IM代表灌溉方式；ns为差异不显著；*为p值在0.05水平下差异显著；**为p值在0.01水平下差异显著。

表5 不同水氮耦合下夏玉米耗水量及水分生产效率

3 结 语

本试验研究了不同灌溉方式下水氮耦合对夏玉米生长特性与产量的影响，得到如下结论，秃尖长短和百粒重大是引起滴灌方式的夏玉米产量高于喷灌的主要原因，在黄淮海地区适宜采用滴灌方式进行灌溉，在滴灌条件下，夏玉米的水分生产效率较高。在丰雨年份和基础肥力高的地块需要注意减少灌溉量和施氮量的投入，进一步提高水分和氮素对夏玉米的生产效率，有利于缓解黄淮海地区水资源紧张的压力和降低氮肥施用有可能造成的不良环境风险。

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