耕作、施氮和密度及其互作对旱地春玉米土壤水分及产量形成的影响

李敖，张元红，温鹏飞，王瑞，董朝阳，宁芳，李军

（西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

0 引言

【研究意义】黄土旱塬区为我国典型的旱作农区[1-2]，降水年际间波动剧烈，且季节分布不均，加之休闲期多采用翻耕作业，地表裸露加速了水分蒸发散失，土壤蓄水保墒能力差，水分亏缺是作物增产的主要限制因素[3-5]。但本区土层深厚，土壤结构疏松，蓄水保墒能力强，成为降水高效利用的有利条件[6-7]。因此，如何减少土壤水分无效蒸发，增加农田蓄水保墒能力，提高水分利用效率是旱作玉米高产高效的关键任务。【前人研究进展】王浩等[8]研究表明，保护性耕作与施肥能提高玉米籽粒产量与水分利用效率，“深松+平衡施肥”处理玉米产量较“翻耕+低肥”处理增产 659—1 495 kg·hm-2，水分利用效率提高0.65—3.82 kg·hm-2·mm-1。代快等[9]研究表明，在氮磷用量为 105 kg·hm-2，少耕模式下玉米平均产量和水分利用效率较传统耕作提高 9.9%和 9.7%。尚金霞等[3]研究表明，冬闲期免耕和深松处理 0—200 cm土层土壤贮水量分别较翻耕处理高33.4和31.1 mm，玉米生育期平均土壤贮水量分别较翻耕处理高36.3和37.3 mm；平衡施肥（150 kg N·hm-2+120 kg P·hm-2+90 kg K·hm-2）深松处理春玉米产量和水分利用效率分别达到10 341 kg·hm-2和 25 kg·hm-2·mm-1。侯海鹏等[10]研究表明，条带深松耕作方式下夏玉米获得最高产量的最适密度为9.0×104株/hm2，较常规耕作增加16.9%。王新兵等[11]研究表明，高密条件下条带深松耕作玉米产量显著提高。【本研究切入点】在休闲期保护性耕作蓄水保墒基础上，需要进一步采取合理施氮量与合理密植来提升玉米水分高效利用，协调旱地春玉米田土壤蓄水及春玉米生长用水关系。因而，比较耕作、施氮、密度三因素不同组合条件下春玉米生长、产量与水分利用效率响应，研究休闲期保护性土壤耕作蓄水保墒效果和玉米生长期施氮与密植水分调控的效应，对优化黄土旱塬春玉米抗旱增产综合栽培模式具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究通过比较不同耕作、施氮、密度处理对春玉米生长、土壤水分利用和产量影响，旨在进一步优化黄土旱塬春玉米抗旱增产综合栽培模式，以期为旱地保护性耕作条件下春玉米增产增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于 2017—2018年在陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学试验站实施（35°19′ N, 106°4′ E），该地海拔 877 m，属典型的黄土高原沟壑区，暖温带半干旱型大陆性季风气候，2004—2018年平均降雨量499 mm，主要集中在7、8、9这3个月，降雨年际间分配不均，气候干旱，蒸发量1 832.8 mm。土壤为覆盖黑垆土，黄土母质疏松、深厚并含有丰富的矿质养分。在本试验中，2017年春玉米生育期内降雨量362.6 mm，但由于降雨多集中在生育后期，故为缺水年，2018年生育期内降雨量227 mm，为平水年。

1.2 试验设计

本试验采用裂裂区设计，其中耕作方式为主区，施氮为副区、密度为副副区。根据当地春玉米生产现状及调研结果[12]，设置3种耕作处理：（1）翻耕（使用铧式犁翻耕 20—25 cm，将秸秆残茬全部翻埋于耕层土壤中，地表疏松裸露度过冬闲期，CT）；（2）免耕（前茬玉米收获后不采取任何土壤耕作措施，使秸秆高留茬10—20 cm 覆盖地表，NT）；（3）深松（前茬玉米收获时秸秆高留茬 10—20 cm 覆盖地表，每间隔40—60 cm宽度留茬深松35—40 cm，ST）。3种施氮处理：无氮（N =0，Z）；低氮（N =150 kg·hm-2，L）：高氮（N=225 kg·hm-2，H）。2种密度处理： 低密（52 500株/hm2，D1）；高密（67 500株/hm2，D2）。3种耕作处理、3个施氮处理和2种密度处理共计组合成18种综合处理，如表1所示。采取连续定位试验方式，磷钾肥统一配施，P2O5∶K2O =120∶75，肥料基施。其他管理措施同大田，无灌溉。小区面积为125 m2（5 m×25 m）。

表1 耕作、施氮、密度处理概况Table 1 Tillage, nitrogen application and density practices of different treatments

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水分测定 在春玉米各生育时期测定 0—200 cm土层土壤含水量。在休闲期每隔30 d测定0—200 cm土层土壤水分。每20 cm土层取样一次，土壤水分测定采用土钻取土、烘箱烘干法。计算土壤贮水量和水分利用效率[8]。

土壤重量含水量=（湿土质量－烘干土质量）/烘干土质量×100%

土壤贮水量（w，mm）=ρ×h×ω×10

式中，ρ为该土层的土壤容重（g·cm-3），h为土层厚度（cm），ω为土壤重量含水量（g·g-1）。

春玉米不同生育阶段耗水量（ET，mm）=P+U－R－F－ΔW

式中，P为降水量（mm），R为径流量（mm），U为地下水补给量（mm），F为深层渗漏量（mm），ΔW 为生育时期末土壤贮水量与生育时期初土壤贮水量之差（mm）。试验地区为黑垆土，疏松多孔，再加上试验地平整，地表径流小；地下水埋深在40 m以下，不易上移补给；在有作物生长的农田，多雨年份降水入渗深度不超过2 m，所以F、U、R可忽略不计。因此该公式可化简为ET=P－ΔW。

水分利用效率（WUE，kg·hm-2·mm-1)=Y/ET式中，Y为春玉米收获时籽粒产量。

1.3.2 叶面积测定 分别在春玉米拔节期、抽雄期和灌浆中期测定单株叶面积，灌浆中期指在玉米花后20 d，并计算群体叶面积指数[13]。

单叶叶面积=长×宽×0.75

叶面积指数（LAI）= 单株叶面积×单位土地面积内株数/单位土地面积

1.3.3 干物质测定 分别在春玉米抽雄期和成熟期测定单株地上部生物量，计算群体干物质积累量[14]。

1.3.4 产量测定 春玉米成熟时每个小区选取长势均匀的3行，每行取3 m测产，调查穗数，对穗粒数和百粒重进行室内考种，每个处理取3个重复。收获指数=籽粒产量/地上部生物量

1.4 数据处理与分析

采用 Microsoft Excel 2013处理数据、Origin作图，使用SPASS19软件进行方差分析（ANOVA）和相关性分析，采用结构方程模型进行了系数影响分析。

2 结果

2.1 耕作方式、施氮和密度及其互作对春玉米各指标的方差分析

表2方差分析表明，耕作方式、施氮和密度单因素，二因素和三因素交互效应对春玉米水分利用效率的影响均达到显著水平，其中耕作对春玉米播种期蓄水量、耕作×密度对春玉米成熟期蓄水量、施氮对春玉米水分利用效率影响较为显著。

春玉米拔节、灌浆中期叶面积指数受密度的影响最为显著；而抽雄期叶面积指数则在施氮因素下影响最为显著。二因素互作中，耕作×密度对拔节、抽雄期叶面积指数有显著影响，密度×施氮对灌浆中期叶面积指数有显著影响。可以看出，提高密度可以增加春玉米前期叶面积指数，而提高施氮量则可以保证春玉米中期也具有较高的叶面积指数。

各单因素对春玉米成熟期干物质积累均达到显著影响，密度与施氮较耕作对春玉米抽雄期干物质积累量的影响较为显著；从交互作用看，密度×施氮对春玉米抽雄期干物质积累的影响最为显著，耕作×施氮则对成熟期干物质积累达到显著影响。耕作×施氮×密度对春玉米成熟期干物质积累量也有显著影响。

从单因素看，较其他因子，密度对每公顷穗数影响最为显著，施氮对穗粒数、百粒重、产量的影响最为显著。从交互作用看，耕作×密度对穗数、穗粒数、产量有显著影响，耕作×施氮对穗粒数、百粒重、产量有显著影响，密度×施氮对穗数与产量的影响达到显著。耕作×施氮×密度对穗数、百粒重、产量有显著影响。

表2 耕作、密度、施氮对春玉米田土壤蓄水量、水分利用效率、叶面积、干物质积累及产量构成因素的方差分析Table 2 Analysis of variance of soil moisture dynamics, WUE, LAI, dry matter accumulation and yield components in spring maize field under tillage, density, and nitrogen application

2.2 耕作方式、施氮与密度及其互作对春玉米田土壤水分与WUE的影响

2017—2018年不同耕作、施氮和密度处理下春玉米田0—200 cm土层土壤蓄水量和水分利用效率WUE差异明显（图1—2）。2017—2018年春玉米播种期0—200 cm土层土壤蓄水量均表现为免耕＞深松＞翻耕，2年平均免耕与深松播种期0—200 cm土层土壤蓄水量较翻耕分别提高 6.1%和 4.1%。耕作结合施氮和密度处理下，2017年春玉米播种期0—200 cm土层土壤蓄水量以免耕低氮低密（NTL1）处理表现最优，较其他各处理增幅为1.7%—13.2%；2018年春玉米播种期0—200 cm土层土壤蓄水量以免耕无氮高密（NTZ2）处理最优，较其他各处理增幅为0.7%—9.9%。随着生育时期推进，春玉米田土壤蓄水量整体呈现下降趋势，2017年由于后期降雨量较多，土壤蓄水量较前期有所提高。增加密度与施氮量可以显著提高春玉米水分利用效率，2017—2018年均在深松高氮高密（STH2）处理下春玉米水分利用效率达到最大，STH2处理 2年平均水分利用效率较CTH2、NTH2处理分别提高21.3%、16.7%。

图1 2017—2018年不同处理春玉米土壤蓄水量变化（0—200 cm）Fig. 1 Dynamic changes of soil water content of spring maize under different treatments in 2017-2018 (0 - 200 cm)

图2 2017—2018年不同处理春玉米水分利用效率Fig. 2 Water use efficiency of spring maize under different treatments from 2017 to 2018

综上所述，休闲期免耕与深松可以显著提高春玉米田播种期土壤蓄水量，增加施氮量与密度提高了春玉米对土壤水分的高效利用，说明在适宜的耕作方式、合理施氮量与密度综合影响下，有利于土壤水分贮蓄和玉米生长利用，从而为玉米高产高效奠定基础。

2.3 耕作方式、施氮与密度处理对春玉米叶面积指数的影响

2017—2018年施氮和密度处理对春玉米叶面积指数影响显著（图 3），耕作对春玉米灌浆中期叶面积指数并无显著影响。增加密度能显著提高春玉米叶面积指数，高密度处理拔节期、抽雄期、灌浆中期玉米2年平均叶面积指数较低密度处理分别提高9.8%、9.4%、11.1%。增施氮肥也能提高春玉米灌浆中期叶面积指数，有利于春玉米后期干物质积累，灌浆中期高氮处理2年平均叶面积指数较无氮、低氮处理分别提高27.3%、3.4%。耕作结合施氮和密度处理下，2017年拔节期和抽雄期春玉米叶面积指数均以深松低氮高密（STL2）处理最大，灌浆中期则以深松高氮高密（STH2）处理最大，较其他处理增幅为2.6%—51.3%。2018年各生育时期春玉米叶面积指数均以STH2处理最佳。

2.4 耕作方式、施氮与密度处理对春玉米干物质积累量的影响

2017—2018年不同耕作、施氮和密度处理对春玉米干物质积累量影响显著（图 4）。耕作对春玉米成熟期干物质积累影响达到显著水平，耕作处理间春玉米干物质积累规律表现为深松＞免耕＞翻耕。增加密度也能显著提高春玉米成熟期干物质积累量，高密处理干物质积累量较低密处理提高 15.3%。从施氮看，2017年玉米生长遭受严重干旱胁迫，各处理成熟期干物质积累量均以低氮（L）处理较高，且以深松低氮高密（STL2）处理最大，较各处理增加13.6%—60.6%。2018年春玉米干物质积累量则随着施氮量增加而增大，高氮处理成熟期玉米干物质积累量较无氮、低氮分别提高16.4%、5.6%；成熟期春玉米干物质积累量以深松高密高氮（STH2）处理最大，较其他各处理增幅为4.8%—32.9%。2017—2018年春玉米成熟期干物质积累量均以深松处理最优，深松处理2年平均干物质积累量较翻耕、免耕分别提高18.1%、8.2%。

图3 2017—2018不同处理春玉米各生育时期叶面积指数Fig. 3 Effect of different treatments on the leaf area index of spring maize under different periods in 2017-2018

图4 2017—2018不同处理春玉米干物质积累量Fig. 4 Effect of different treatments on the dry matter accumulation of spring maize in 2017-2018

2.5 耕作方式、施氮与密度处理对春玉米产量及构成因素的影响

图5 不同处理对产量及其构成因素路径分析Fig. 5 Path analysis of yield and its constituent factors under different treatments

图6 不同处理春玉米产量变化Fig. 6 Changes in yield of spring maize under different treatments

由图5—6可知，耕作、施氮对春玉米穗粒数和百粒重的影响较大；密度较其他因素对春玉米有效穗数的影响最大。穗粒数较穗数与百粒重对产量的影响最大。2017—2018年春玉米产量均随施氮量与密度的增大而增加，在深松耕与免耕处理下春玉米产量较翻耕处理也有显著提高。耕作结合施氮和密度处理下，春玉米产量以深松高氮高密（STH2）处理最大，2017年较其他处理增幅为0.7%—63.3%；2018年增幅为2.9%—39.6%。

2.6 耕作方式、施氮和密度处理春玉米生产成本及经济效益

如表 3所示，不同处理春玉米纯收益差异较大，由于春玉米生长期干旱，2017年春玉米各处理下产量较低，导致纯收益明显的低于 2018年。从耕作处理看，纯收益表现为免耕＞深松＞翻耕，2017年免耕处理平均纯收益较翻耕与深松高24.2%、1.7%，2018年提高 62.5%、43.4%；春玉米纯收益随着密度的提高也显著提高。2017年高密处理平均纯收益较低密提高23.6%，2018年提高0.3%。从施氮看，大致表现为高氮＞低氮＞无氮。2017—2018年春玉米纯收益均在免耕高氮高密（NTH2）处理下达到最大，2018年NTH2较STL2、STH2增收 1446、245元/hm2。免耕处理较深松处理减少750元/hm2的机械投入，而低氮处理较高氮处理减少290元/hm2的肥料投入。2017年，由于玉米产量较低，产量收入并不能弥补总投入之间的差异，因此纯收益表现为NTH2＞STL2＞STH2；但在2018年产量较为理想的条件下，玉米产量收益的提高足以弥补总投入当中的差异，纯收益表现为NTH2＞STH2＞STL2，但NTH2与STH2之间并无显著差异。

表3 2017—2018年不同处理玉米生产成本和经济效益Table 3 Cost and return of maize production under different treatments in 2017-2018 (yuan/hm2)

3 讨论

半干旱地区农田土壤水分亏缺会直接抑制作物生长[15]。本试验结果表明，免耕与深松处理较翻耕可以显著地提高玉米播种期土壤蓄水量，这与前人研究结果一致[16-18]，适宜保护性耕作配施适宜氮肥对春玉米生育期耗水、土壤蓄水量、水分利用效率均有显著影响[19-21]，在本试验中，耕作×密度、耕作×施氮也对春玉米播种期以及收获期土壤蓄水量有显著影响。但在二因素互作中，密度×施氮对春玉米水分利用效率影响最为显著，同时耕作×密度×施氮三因素交互作用下对春玉米土壤蓄水量以及水分利用效率也达到了显著影响。

冠层形态结构是影响作物群体光分布与光合特性的重要因素，构建合理的群体冠层结构，有利于提高作物群体的光合有效辐射和光能利用率[22-23]。同时，作物生育期内干物质的积累是产量形成的基础，干物质积累水平决定了最终籽粒产量的高低[24-25]。本试验中，施氮、密度对春玉米各时期叶面积指数均有显著影响，且随着施氮量与密度的增加，春玉米叶面积指数也随之增加，这与前人研究结果相同[13-14,26-27]，但在二因素互作中，耕作×密度对拔节、抽雄期叶面积指数有显著影响，密度×施氮对灌浆中期叶面积指数有显著影响。这表明前期玉米生长差异主要由耕作与密度所致，而玉米中后期生长差异主要是密度与施氮所致，适当增密与提高施氮量延迟了玉米成熟与衰老，提高了玉米光合性能，促进了干物质积累。

作物产量由平均叶面积指数、单位面积穗数、穗粒数和粒重共同决定[28]。对于禾谷类作物而言，各产量性能指标间的协调发展是实现高产的基础[29]。本试验发现，较其他因子，密度对每公顷穗数影响最为显著，施氮对穗粒数、百粒重、产量以及收获指数的影响最为显著，从交互作用来看，耕作×施氮对穗粒数、百粒重、产量有显著影响，这与前人研究结果一致[10,13-14,30]，但本研究还发现，耕作×密度对穗数、穗粒数、产量有显著影响，密度×施氮对穗数与产量的影响达到显著。耕作×施氮×密度对穗数、百粒重、产量有显著影响。综合耕作、施氮和密度处理，深松高氮高密（STH2）处理的玉米产量与收获指数最高。

4 结论

仅考虑产量水平，采用秸秆覆盖深松，配施氮肥（150—225 kg·hm-2）与较高种植密度（67 500 株/hm2），有利于增加黄土旱塬旱地春玉米田休闲期土壤水分含量，能够提高春玉米水分利用效率，从而增加叶面积指数和干物质积累量，最终提高玉米产量。但从纯收益角度，秸秆覆盖免耕，配施氮肥（225 kg·hm-2）与密度（67 500 株/hm2）也可获得较好的经济效益。