不同灌水和施氮水平对河西春玉米水氮利用效率和经济效益的影响

闵 迪，王增红，李援农，张 舵

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

玉米作为全球最重要的谷物之一，其产量的高低对人类粮食的供应至关重要。河西走廊是我国重要的玉米生产基地，气候异常、降雨不确定和分布不均造成的干旱是导致该地区粮食产量不稳定的主要因素[1-2]。长期面临的水资源紧缺使农业用水矛盾日益突出[3]。同时，不合理的灌溉模式和灌水量与当地偏砂壤的土壤质地造成农田渗漏严重[4-5]，导致水分利用效率较低。此外，该地区还存在过量施肥与施肥方式落后等问题[6]，在河西地区纯氮施用量高达525～600 kg·hm-2[6-7]，远远超出作物对养分的需求，造成农田生态系统中氮素盈余[8]，肥料利用效率低下，并导致一系列的环境问题[9]。因此，发展节水灌溉技术，探究合理的水肥管理模式，提高农田水肥利用效率，对于保障该地区粮食安全，缓解水资源短缺，改善农田生态环境，确保区域农业的可持续发展具有重要意义[10]。

滴灌水肥一体化技术能有效提高作物根区水肥分布的均匀度[11]，维持作物高产的同时能有效降低水肥投入，从而提高水肥利用效率[12]。在砂质土壤玉米生产区采用滴灌比传统灌溉的水分利用效率更高[13]，覆膜可以减少土壤蒸发，提高土壤温度，改善耕层土壤环境[14-15]，从而促进植株生长[16]。目前，关于灌水量和施氮量耦合处理对大田玉米生长特性[17]、产量[18-19]、土壤水分养分[20-21]、作物水肥利用效率[22-23]的研究成果很丰富，但膜下滴灌条件下，水氮耦合对河西走廊大田玉米水氮利用效率和灌溉经济效益的研究成果较少。因此，本文通过设置不同灌水和施氮水平组合处理，研究春玉米地上干物质量、氮素累积量、籽粒产量及水氮利用效率对水氮组合的响应，评价各处理下的经济效益，从而确定适宜的供水供氮水平，为河西地区春玉米节水、节肥和增效的生产模式提供一定理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2018年4月—2018年9月在甘肃省武威市凉州区石羊河流域实验站进行。该区海拔1 581 m，多年平均降水量164 mm(主要集中在7、8、9月份)，多年平均水面蒸发量2 000 mm，为典型的内陆荒漠气候区，2018年玉米生育期(2018年4月23日—2018年9月22日)共计降雨193 mm(如图1)。光热资源充足，全年日照时数大于3 000 h，年平均气温为8℃，无霜期大于150 d[24]，多年平均风速为1.3 m·s-1。土壤质地为轻砂壤土，有机质含量为43.65 g·kg-1。田间农家肥(主要为羊粪)含量为18 t·hm-2。地表1 m深度内土层土壤容重为1.4 g·cm-3，平均田间持水量为30%(体积含水量)，地下水埋深达 25～30 m。站内设有普通气象站，按照国家气象局的《地面气象观测规范》进行气温、湿度、降水、日照、水面蒸发、风速、气压和地温的观测，并设有自动气象站记录气温、相对湿度、太阳辐射和风速。试验玉米品种为先玉335号。

1.2 试验设计

试验采用膜下滴灌的方式进行灌溉，试验设置3个灌溉水平，分别为充分灌溉(FI)，轻度亏缺灌溉(DI1)，重度亏缺灌溉(DI2)。灌水量采用灌水上限控制，分别为95%θf(土壤田间持水量)，80%θf，65%θf。灌水前采用取土烘干称重测定土壤含水率，灌水量=(灌水上限-土壤含水率)×土壤容重×计划湿润层深度×湿润比，为保证出苗，播前各处理采用畦灌冬储灌溉。施肥采用4个施氮水平，分别为0、70、140、210 kg·hm-2(尿素，含氮量46%，以纯N计)，各记为N0、N70、N140和N210，氮肥在拔节期用施肥罐随滴灌分2次施加。试验共12个处理，每个处理重复3次，各个小区均为南北走向，小区面积36 m2(8 m×4.5 m)。玉米采用宽窄行播种(宽行60 cm，窄行40 cm)和一条滴灌带控制2行春玉米种植方式，株距20 cm，种植密度为100 000株·hm-2，滴灌带滴头间距30 cm，滴头流量2.5 L·h-1，工作压力0.1 MPa。春玉米生育期内灌水量和灌水日期如表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 春玉米地上部干物质量 春玉米成熟后，在每个小区选取5株有代表性的植株，齐地剪断，去除表面污垢后将各器官分离，于烘箱105℃杀青0.5 h，然后于75℃烘干至恒重后，用电子天平(量程100 g，精度0.01 g)称干重并记录，最后乘以种植密度换算成群体生物量(t·hm-2)。

1.3.2 春玉米地上部氮素累积量 将烘干后的各器官干物质粉碎、过筛，用浓H2SO4-H2O2消煮法消煮植物样品，然后用全自动凯氏定氮仪测定消解液中全氮含量。

图1 2018年玉米生育期内降雨情况Fig.1 Rainfall during maize growing season in 2018

表1 春玉米滴灌灌水试验方案

各器官氮素累积量(kg·hm-2)=各器官全氮含量(mg·kg-1)×器官干物质量(g·株-1)×种植密度(株·hm-2)×10-4；

地上部氮素累积量(kg·hm-2)=各器官氮素累积量之和。

1.3.3 籽粒产量 成熟期苞叶完全变白后，选取小区中间相邻2条滴灌带控制的2行玉米，连续取10株，将所有穗掰下，风干后脱粒测定总质量、穗粒数及其百粒质量，最终折算成含水率为14%的籽粒产量[25]。

1.3.4 春玉米耗水量和水氮利用效率 在播种前、每次灌水前和收获后测定0～100 cm土壤的含水率，用土钻在距离玉米植株5～10 cm处取土，每个小区3个测点，沿竖向每隔20 cm取1个土样，放入铝盒，在烘箱中烘干后测定土壤含水率。

播前和收后的土壤贮水量(mm)=土壤干容重(g·cm-3)×土层厚度(cm)×土壤含水率(%)×10；

春玉米耗水量采用水量平衡法计算，公式为

ET=Pr+U+I-D-R-ΔW

式中，ET为作物耗水量(mm)；Pr为有效降雨量(mm)；U为地下水补给量(mm)；I为灌水量(mm)；R为径流量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；ΔW为播种时和收获后土壤贮水量之差(mm)。由于试验区地下水埋藏较深，地势平坦且降雨量较小，且滴灌湿润深度较浅，U、R和D均忽略不计。

春玉米水分利用效率：

WUE=Y/ET

式中,Y为籽粒产量(kg·hm-2)。

氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity，NPFP)的计算公式如下：

NPFP=Y/N

式中，N为投入的氮肥总量(kg·hm-2)。

收获指数(harvest index，HI):

HI(%)=籽粒产量/地上部干物质累积量

氮收获指数(nitrogen harvest index，NHI)：

NHI(%)=籽粒吸氮量/植株吸氮量

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2010软件对试验数据初步整理，用SPSS 20.0对各指标进行方差分析与多重比较，方差分析采用ANOVA，多重比较采用Duncan(D)方法；采用OriginPro 8.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水与施氮量对地上部干物质量的影响

图2为灌水与施氮量对春玉米地上部干物质量的影响试验结果。

由图2分析知，灌水和施氮量对春玉米地上部干物质量存在显著影响。在相同灌溉水平下，春玉米地上部干物质量在0～210 kg·hm-2的施氮范围内随施氮量的增加而增加。随着水分亏缺的加剧，地上部生物量呈下降趋势。DI2灌溉水平下，春玉米地上部干物质量的变化范围为32 640.3～39 053.0 kg·hm-2，干物质量随施氮量的增加增长缓慢；DI1灌溉水平下的变化范围为34 947.7～43 082.3 kg·hm-2，施氮量从N70增加到N140，地上部干物质量显著增加，而由N140增加至N210，地上部干物质量差异不显著；在FI灌溉水平下的变化范围是34 199.7～44 326.7 kg·hm-2。与DI2处理相比，DI1和FI处理的地上部干物质量分别高出9.2%和6.6%。

施氮量相同条件下，灌溉水平对地上部生物量的影响存在显著差异。施氮量不超过140 kg·hm-2时，DI1处理下的春玉米地上部干物质量显著大于

注：数据为各处理的平均值±标准差，不同字母代表不同灌溉处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Data points are mean and standard deviation for different irrigation and fertilizer treatments, different letters indicate significant difference among different irrigation treatments (P<0.05). The same below.图2 不同灌水与施氮量对春玉米地上部干物质量的影响Fig.2 Effect of different irrigation and N application levelson aboveground dry matter of spring maize

FI和DI2处理，且DI1>FI>DI2；施氮量为210 kg·hm-2时，FI处理的地上部干物质量显著大于DI1和DI2，且FI>DI1>DI2。与不施氮(N0)相比，N70处理下春玉米的地上部干物质量增幅达3.7%～7.5%(P<0.05)，N140下增加14.9%～22.0%(P<0.05)，N210下增加19.6%～29.6%(P<0.05)。

2.2 不同灌水与施氮量对春玉米氮素累积量的影响

不同灌水和施氮量对春玉米氮素累积量的影响如图3。在相同灌溉水平下，春玉米氮素累积量在0～210 kg·hm-2的施氮范围内随施氮量的增加显著增加(P<0.05)。DI2处理下，氮素累积吸收量的范围是326.66～407.89 kg·hm-2，N70和N140处理之间的差异不显著；DI1处理下为344.82～448.67 kg·hm-2；而FI处理下为338.32～466.91 kg·hm-2，N0和N70处理之间的差异不显著。分析可知，FI处理下的氮素累积吸收量变化幅度大于DI1和DI2处理。与DI2相比，DI1和FI处理的氮素累积量分别提高8.0%和5.4%。

在相同施氮水平下，施氮量不超过140 kg·hm-2时，DI1处理下的氮素累积吸收量显著大于DI2和FI处理；而施氮量为210 kg·hm-2时，FI处理下的氮素累积量显著大于DI1和DI2处理。与不施氮(N0)相比，N70下春玉米氮素累积吸收量增加0.6%～9.5%(P<0.05)，N140下的增幅为12.6%～18.2%(P<0.05)，而N210下增加24.9%～38.0%(P<0.05)。

2.3 不同灌水与施氮量对春玉米籽粒产量的影响

同一灌溉水平下，施氮对春玉米有显著的增产效应(表2)。重度亏缺灌溉条件下，籽粒产量随施氮量的增加而显著增加；轻度亏缺灌溉条件下，N140和N210处理之间无显著差异，说明过量施氮肥会阻碍籽粒产量的累积；充分灌溉条件下，施氮量对籽粒产量的累积有正效应。

图3 不同灌水与施氮量对春玉米氮素累积量的影响Fig.3 Effect of different irrigation and N application levelson N accumulation of spring maize

与不施氮(N0)相比，N70下的籽粒产量增幅为2.9%～9.6%(P<0.05)，N140处理下的增产幅度为12.1%～15.9%(P<0.05)，而N210处理下增加12.2%～21.8%(P<0.05)。施氮量不超过140 kg·hm-2时，DI1处理下的籽粒产量显著大于DI2和FI处理；施氮量为210 kg·hm-2时，DI1和FI处理的籽粒产量无显著差异，并显著大于DI2处理。总的看来，DI1灌溉水平的籽粒产量比FI和DI2平均高出5.5%和8.3%。

灌水与施氮水平对春玉米的穗粒数、百粒重有显著影响。各处理的穗粒数与百粒重的整体变化趋势与籽粒产量大致相同，与不施氮(N0)相比，处理N70、N140、N210的穗粒数和百粒重分别增加了1.3%、2.6%、4.7%和4.2%、10.9%、12.1%。说明施氮肥可以促进春玉米的生长，增加春玉米的穗粒数，使得其籽粒饱满，进而提高春玉米的产量。

表2 不同灌水与施氮量对春玉米籽粒产量的影响

2.4 不同灌水与施氮量对春玉米耗水量和水氮利用效率的影响

不同灌水和施氮量对春玉米耗水量的影响显著(如表3)。在同一灌溉水平下，春玉米耗水量随施氮量的增加而增加。与不施氮(N0)相比，FI、DI1和DI2下各施氮处理的耗水量分别增加1.7%～50.8%、10.8%～38.7%和19.2%～31.0%(P<0.05)。在相同施氮量下，春玉米耗水量随灌溉水平的提高而增加。与DI2相比，DI1和FI下的耗水量增幅分别为23.9%～53.4%和72.9%～102.7%(P<0.05)。

由表3分析知，不同灌水和施氮处理对春玉米水分利用效率影响显著(P<0.05)。不同处理的水分利用效率在3.16～5.63 kg·m-3，水分利用效率最大的处理是DI2灌溉水平下的N70。相同施氮水平下，DI2处理的水分利用效率最高，变化范围为4.92～5.63 kg·m-3，比DI1和FI处理分别高出22.8%～38.5%和39.1%～56.5%。综上，同一施氮水平下，水分利用效率随灌溉水平的提高而降低。相同灌溉水平下，春玉米的水分利用效率随施氮量的增加呈先增后减的变化趋势。在N70处理下的水分利用效率最高，比N0、N140和N210分别高出0.0%～6.0%、13.5%～23.3%和14.4%～31.2%。

不同灌水和施氮量对春玉米氮肥偏生产率的影响显著(P<0.05)。在相同灌溉水平下，氮肥偏生产率随施氮量的增加显著减小，所有处理中以DI1×N70处理的氮肥偏生产率最高，为276.63 kg·kg-1，与FI、DI2的N70处理差异显著，后两者之间的差异不显著；N140处理下氮肥偏生产率有相同变化规律；N210处理下的氮肥偏生产率无显著差异。

不同灌水和施氮水平对氮收获指数和玉米收获指数有显著影响。不同水氮处理的氮收获指数在63.8%～73.3%，在相同灌溉水平下，N70处理下的氮收获指数最高。春玉米收获指数在52.4%～59.6%，DI1和FI条件下，春玉米的收获指数随施氮量的增加而减小，DI2条件下，N70处理的春玉米收获指数最高。

2.5 不同灌水与施氮量对春玉米经济效益的影响

表4为不同处理下春玉米的经济效益分析。

DI1×N140处理下净效益最大，净收益为25 390元·hm-2。在FI和DI2下，春玉米的净收益随施氮量的增加而逐渐增加。在FI条件下，N210处理的平均净收益为24 846元·hm-2，比N140、N70和N0处理下分别高出2 528元、6 112元和6 921元；在DI2条件下，N210处理的平均净收益为22 567元·hm-2，比N140、N70和N0处理下分别高出576元、2 555元和5 727元。在DI1条件下，N140处理下获得的净收益最大，平均为25 390元·hm-2，比N210、N70和N0处理下分别高出418元、2 666元和4 186元。3种灌溉水平条件的净收益相比，DI1处理的平均净收益最大，其均值比FI和DI2处理分别提高12.5%和15.8%。

施氮量相同时，N210处理下的净效益随灌水量的增加呈先增后减趋势，而在N140、N70和N0处理下，净效益在随灌水量的增加先增后减。4个施氮水平下的净效益相比，N210处理的净效益最大，平均净效益为24 128元·hm-2，N140、N70和N0处理的平均净效益分别为23 233元·hm-2、20 490元·hm-2和18 656元·hm-2。与不施氮(N0)相比，N70、N140和N210处理的净效益分别提高9.8%、24.5%和29.3%(平均)。

3 讨 论

3.1 春玉米地上部干物质量、氮素累积量和籽粒产量

本研究表明，作物的高产是建立在高生物量的基础之上，春玉米地上部干物质量、氮素累积量和籽粒产量对灌水和施氮量的响应呈单峰曲线变化，这与高磊等[26]和王宜伦等[27]的研究结果相同。水分胁迫会显著影响植物生长，但是增加氮肥施用量可以减少水分胁迫的危害。施氮促进玉米的植株生长和根系发育，从而更好地适应水分胁迫[28]。于亚军等[29]认为，水分胁迫会使施氮的增产效应减小，而水分充足施氮的增产效应显著增加。在FI和DI2处理下，地上部干物质量随着施氮量的增加而显著增加，与冯亚阳等[30]研究结果一致；而在DI1处理下，当施氮量从140 kg·hm-2升至210 kg·hm-2时，地上部干物质量不再显著提高，这说明在一定的灌溉水平下，过量施氮不会显著增加春玉米地上部干物质量，这与索东让等[31]、Bu等[32]和谷晓博等[33-34]的研究结果一致。当施氮量为0～14 kg·hm-2时，DI1处理下的地上部干物质量和籽粒产量显著高于FI和DI2处理，说明适度的水分亏缺有利于干物质量和籽粒产量的增加[35]；而在施氮量为210 kg·hm-2时，地上部干物质量FI>DI1>DI2(P<0.05)，而籽粒产量、氮素累积量FI≈DI1>DI2，主要原因可能是供水供氮促进玉米的干物质累积，进而提高玉米籽粒产量，但是超过一定范围会使作物“徒长”，于增产无益。FI×N210处理下的地上部干物质量、籽粒产量、氮素累积量均比其他处理高，这表明水分的增产效应随施氮量的增加而增大，氮肥的增产效应随水分增加而增大，但这种增产效应不是无限制的[30,36]。与不施氮相比，施氮处理增加了穗粒数和百粒重，这与郭丙玉等[37]的研究结果相同。与Qi等[38]和Fang等[39]的研究相比，本研究中不施氮处理的地上部干物质量、氮素累积量和籽粒产量处于较高水平，与施氮处理的差异不大，主要原因可能是播种前田间堆积了大量农家肥，导致土壤肥力偏高，减小了施肥的增产效应。

表3 不同灌水与施氮量对春玉米耗水量和水分利用效率的影响

表4 不同灌水与施氮量对春玉米经济效益的影响

3.2 耗水量和水氮利用效率

本研究表明，灌水与施氮水平对春玉米的耗水量、水分利用效率、偏氮肥生产力、氮收获指数和收获指数均有显著影响。灌水和施氮水平越高，春玉米耗水量和籽粒产量越大，但水分利用效率最高的处理是DI2×N70，产量最大时的耗水量远高于WUE最大时的耗水量，这与李文惠等[40]和刘战东等[41]的研究结果相同。可见水分和氮素作为影响玉米产量的2个重要因素，只有采取最佳组合才能够更好地提高玉米产量并达到节水的目的。同一灌溉水平下，增施氮肥可提高春玉米水分利用效率，但施氮量不宜超过70 kg·hm-2，否则将导致水分利用效率降低[42]，原因可能是适量施氮通过提高春玉米籽粒产量从而提高了水分利用效率[43]；大量施氮导致水分利用效率降低，可能是因为大量施氮促进水分的消耗，增大了作物的耗水量，从而导致水分利用效率低下[44-45]。吴立峰等[46]指出，施肥量和灌水量对棉花的肥料偏生产力有着极显著的交互作用。氮素对籽粒产量有重要作用，Yang等[47]和Xue等[48]的研究发现，氮肥偏生产力随着施氮量的增加而下降，本研究结果与之相同。

3.3 经济效益分析

前人研究表明，适度的施氮和灌水均能增加作物产量，以此达到较高的经济效益。在本研究中，在充分灌溉条件下，增大施氮量可以有效增加春玉米的净收益；在轻度亏缺和重度亏缺灌溉条件下，N140处理获得的净收益最高，说明充分灌溉条件下增施氮肥有利于提高春玉米的经济产量，而调亏灌溉条件下减少氮肥用量更有利于增加春玉米的经济产量，这与姜小凤等[49]和王秀波等[50]对小麦的研究结果相符。在所有处理中，FI×N210处理的籽粒产量最高，但获得净收益最高的是DI1×N140处理，主要是因为前者为获得高产投入了过量的水和氮，导致成本过高，增产效果却不显著。相比较FI×N210处理，DI1×N140处理不但获得高收益，而且节水节肥(节水189.71 mm，节约氮肥70 kg·hm-2)，缓解水资源紧缺的局面，改善因滥用氮肥导致的环境问题。

4 结 论

本文研究滴灌条件下不同水氮供应对河西春玉米生长、产量及水氮利用效率的影响，结果表明：

1)灌水和施氮均可使春玉米产量增加，在水分胁迫条件下，施氮可以减少水分胁迫的危害，但过量施氮肥对春玉米不再有显著的增产效果，适度的水分亏缺和适宜的施氮量可以保证春玉米增产，DI1灌溉水平比FI和DI2平均增产5.5%和8.3%。

2)增施氮肥可提高春玉米水分利用效率，但施氮水平不宜超过70 kg·hm-2，否则将导致水分利用效率降低；氮肥偏生产力随施氮量的增加呈明显降低趋势，N70、N140和N210处理的氮肥偏生产力分别为262.59、141.52 kg·kg-1和97.31 kg·kg-1。

3)综合考虑产量、经济效益和环境因素，在中国河西地区春玉米最适宜的水氮组合为DI1×N140，产量为23.68 t·hm-2，净效益为25 390元·hm-2。