节水减氮对夏玉米干物质和氮素积累转运及产量的调控效应

王旭敏，雒文鹤，刘朋召，张琦，王瑞，李军

节水减氮对夏玉米干物质和氮素积累转运及产量的调控效应

王旭敏，雒文鹤，刘朋召，张琦，王瑞，李军

西北农林科技大学农学院/农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室，陕西杨凌 712100

【】针对当前夏玉米生产中灌溉水资源不足和施氮过量的问题，本研究拟通过分析比较节水减氮模式与常规水氮模式对夏玉米生长和产量的调控效应，为开发夏玉米水肥减量增效的生产模式提供依据。于2018—2019年在陕西杨凌开展水氮二因素田间试验。灌溉设常规灌溉（800 m3·hm-2）、减量灌溉（400 m3·hm-2）和不灌溉（0）3个处理；施氮设常规施氮（300 kg N·hm-2）、减施25%（225 kg N·hm-2）、减施50%（150 kg N·hm-2）、减施75%（75 kg N·hm-2）和不施氮肥（0）5个处理，分析夏玉米产量、光合特性以及干物质（氮素）积累和转运特性。（1）减量灌溉、减氮25%的节水减氮模式较常规水氮模式对产量及产量构成因素无显著影响。（2）与常规水氮模式相比，减量灌溉、减氮25%对夏玉米叶面积指数（LAI）无显著影响，也能加快花前LAI上升速度且花后LAI下降缓慢；显著提高抽雄期穗位叶净光合速率10.0%，维持植株花后较高的穗位叶净光合速率，保证干物质生产。（3）减量灌溉和减氮25%较常规水氮模式对成熟期干物质积累量无显著影响，但干物质最大增长速率显著提高6.3%，最大增长速率出现日期显著提前0.8 d。（4）与常规水氮模式相比，减量灌溉、减氮25%处理花前干物质转运量、转运率和花前转运量对籽粒贡献率分别显著提高36.4%、40.1%和28.6%；花前氮素转运量、转运率以及转运量对籽粒的贡献率分别显著提高30.3%、22.0%和42.1%。花后干物质、氮素积累量以及对籽粒的贡献率在2种水肥模式下无差异。施氮225 kg·hm-2、灌溉400 m3·hm-2的节水减氮模式能有效协调干物质和氮素的积累和转运，提高成熟期籽粒同化物分配比例，实现关中平原夏玉米节水减肥增效的生产目标。

夏玉米；节水灌溉；减量施氮；干物质积累；转运；产量

0 引言

【研究意义】我国人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的1/4且日趋贫乏，由于灌溉用水的浪费及非农业用水的不断增加，农业用水也在不断下降[1]。生产中农民为了追求高产，普遍过量施用氮肥，不仅严重影响作物生长降低产量，同时带来包括土壤酸化、大气污染、水污染和水体富营养化等环境问题[2-3]。关中平原是陕西省主要玉米产区，调查数据显示当地高施氮农户占64.7%，纯氮平均用量为（288±113）kg·hm-2[4]；平均灌溉量为800 m3·hm-2左右，且近34年间地表水灌溉用水量及地下水开采量持续减少，生产中及时充分灌溉越来越难以保障[5]。因此，减少水肥投入成为节约农业水肥资源和绿色可持续发展的必然选择。【前人研究进展】与传统“大水大肥”生产方式相比，适当减少水分和氮素投入，能有效降低土壤硝态氮残留量[6]，提高水肥利用效率，并维持较高玉米产量[2]。玉米产量由植株干物质的积累与转移特性所决定，提高干物质生产能力以及同化物向籽粒的转移能力、协调源库关系是提高玉米产量的有效途径[7-8]。有研究表明适宜施氮量下中度亏水较正常灌水处理显著提高花前营养器官物质向籽粒中的转运量[9]；范虹等[10]研究表明，与高水灌溉（550 mm）处理相比，减量灌溉60 mm处理玉米叶面积指数峰值并未显著降低；减量灌溉配合适宜施氮量能促进作物吸收氮素，最终提高玉米产量[11]。与此同时，董茜等[12]研究发现，减氮18%较习惯施氮量处理玉米花后干物质转移量、转移率及对籽粒的贡献率分别显著提高22.7%、18.8%和15.9%，且籽粒平均灌浆速率和最大灌浆速率提高了9.8%和10.8%；另外适当减少氮肥投入可以降低花后叶片氮素输出，延缓叶片衰老，维持较高光合速率，提高源生产能力从而促进灌浆[13-14]。戴明宏等[15]研究表明，2年施氮量分别较经验施氮量减少42%和71%，玉米生育后期干物质转运量占籽粒重比例平均提高6.1%。【本研究切入点】目前，关于节水减氮生产方式对玉米水肥利用效率、氮素残留或环境影响已多有研究报道，但基于植株源库关系，降低水肥投入措施对玉米的干物质积累动态、氮素转运及其对玉米产量形成影响机制的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究通过田间试验比较了不同水氮模式下夏玉米叶面积指数动态及光合速率的差异，结合分析不同水氮模式对玉米干物质积累过程及花前、花后物质生产与转运的影响，进一步阐明节水减氮的作用效果，旨在为关中平原夏玉米节水减氮的农业生产方式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018—2019年6月至10月在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学曹新庄试验农场（108°07′ E，34°20′ N）进行。该地区年均气温12.9℃，年均降水量635.1 mm，无霜期211 d，属于大陆性季风暖温带半湿润气候，供试土壤为土，前茬作物为小麦，试验地土壤养分含量见表1。试验期间，2018年夏玉米于6月14日播种，10月1日收获，全生育期降水335.3 mm，生育前期降水较密集；2019年夏玉米于6月14日播种，9月30日收获，全生育期降水499.8 mm，生育后期降水较密集（图1）。

图1 夏玉米生长季日降雨量

1.2 试验设计

本试验采用二因素裂区设计，灌溉量为主区，施氮量为副区，小区面积91 m2（6.5 m×14 m），3次重复，共计45个小区。灌溉处理设置常规灌溉W2（800 m3·hm-2）、减量灌溉W1（400 m3·hm-2）、无灌溉W0（0）3个灌溉量水平，2年W2均在拔节期和抽雄期灌溉，每次灌水400 m3·hm-2，W1只在拔节期进行1次灌溉，以常规灌溉W2为对照。氮肥设置300、225、150、75、0 kg·hm-25个施氮量，依次为常规施氮（N300）、减施25%（N225）、减施50%（N150）、减施75%（N75）、全减施（N0），以常规施氮量N300为对照，氮肥为尿素。试验地统一施磷肥（P2O5）120 kg·hm-2，因该地区土壤普遍富钾，本试验不施钾肥，氮、磷肥全部基施。供试玉米品种为郑单958，密度60 000株/hm2。灌溉方式采用喷灌，水表控制灌水量，灌溉前挖好沟渠，其他管理措施同当地生产习惯。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数测定 于玉米苗期（VE）、拔节期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）、成熟期（R6），选择5株代表性植株测量叶面积，采用长宽系数法计算叶面积（0.75）。

单叶叶面积=长×宽×0.75；

叶面积指数（LAI）=该土地面积上的总绿叶面积/土地面积。

1.3.2 穗位叶净光合速率测定 采用Li-6400型便携式光合系统测定仪，在玉米抽雄和成熟期，选择晴朗天气于上午9：30—11：30测定穗位叶净光合速率，各小区测代表性植株8株。

1.3.3 干物质和氮素积累量测定 在玉米苗期（VE）、拔节期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）、成熟期（R6），采集植株的地上部分，105℃杀青30 min，85℃烘至恒重，称取植株干物质量；氮素含量采用H2SO4-H2O2消解，半微量凯氏定氮仪测定。

1.3.4 干物质积累过程相关计算 以播种后天数（t）为自变量，地上部干重为因变量（y），可用Logistic方程y=a/(1+be-kt)对干物质积累过程进行模拟[16]。干物质最大增长速率vmax= -bk/4，干物质最大增长速率出现的时间tmax=-lnb/a。

1.3.5 产量及其构成因素测定 在玉米成熟期，每个小区选取长势均匀的5 m各3行，共9 m2，统计穗数，另取20株玉米，风干后于室内考种，测定穗粒数，利用烘箱烘干籽粒测量其含水量，并折算为14%含水量的产量和百粒重。

1.3.6 干物质、氮素转运

按照Cox等[17]的方法，计算开花期营养器官干物质和氮素转运及对籽粒干物质和氮素积累贡献率，计算公式如下：

花前干物质或氮素转运量（kg·hm-2）=开花期营养器官干物质或氮素积累量-成熟期营养器官干物质或氮素积累量；

花前干物质或氮素转运率（%）=（开花期营养器官干物质或氮素积累量-成熟期营养器官干物质或氮素积累量）／开花期营养器官干物质或氮素积累量×100；

花前营养器官干物质或氮素转运对籽粒干物质或氮素积累贡献率（%）=（开花期营养器官干物质或氮素积累量-成熟期营养器官干物质或氮素积累量）／籽粒干物质或氮素积累量×100；

花后干物质或氮素积累量（kg·hm-2）=成熟期干物质或氮素积累量-开花期干物质或氮素积累量；

花后干物质或氮素积累对籽粒干物质或氮素积累贡献率（%）=100-花前积累干物质或氮素转运对籽粒干物质或氮素积累贡献率。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010分析处理数据、Origin 2018作图，使用SPSS 19.0进行方差分析（ANOVA）、相关性分析（Pearson相关分析）和多重比较（Duncan法）。

2 结果

2.1 灌溉、施氮及其互作对夏玉米各指标的方差分析

2年试验结果方差分析表明（表2），灌溉、施氮以及二因素互作对测量各指标都有显著或极显著影响。施氮对叶面积指数、穗位叶净光合速率、抽雄期干物质积累量、氮素转运、百粒重的影响大于灌溉；而灌溉对干物质转运、产量、穗数以及穗粒数的影响较施氮更显著；灌溉、施氮各单因素对测量各指标的影响较灌溉施氮互作更显著。

2.2 夏玉米叶面积指数(LAI)变化

在不同灌溉处理下，2年夏玉米叶面积指数（LAI）均随生育期推进呈现先增大后减小趋势（图2），与W2相比，W0玉米2年平均LAI显著降低19.5%，W1平均LAI有所降低，但差异不显著。W0较W2显著降低苗期到拔节期LAI的增长速度，W1苗期到拔节期LAI的增长速度与W2无显著差异，同时延缓花后LAI下降速度，有利于提高花前干物质积累。在同一灌溉量下，不同施氮量下LAI从抽雄期开始出现差异。与N300相比，N0、N75、N150的2年平均LAI分别显著降低31.3%、19.4%和10.4%，N225 LAI未显著降低，且LAI花后降幅与N300无差异。各水氮组合中，W1N225与W2N300处理对夏玉米LAI的影响无显著差异，LAI发展动态合理。

2.3 夏玉米穗位叶净光合速率变化

不同水氮模式下抽雄期夏玉米穗位叶净光合速率差异显著（图3）。W0较W2光合速率显著降低7.7%，W1较W2光合速率提高4.0%。W0条件下，N0—N150较N300条件下2年平均光合速率显著降低6.1%—15.1%，N225差异不显著；W1和W2条件下，N225光合速率与N300差异不显著，但较N0—N150分别显著提高5.8%—29.8%、7.5%—36.5%。与常规施氮量相比，N150、N225条件下2年平均抽雄期光合速率差异不显著，N0、N75分别显著降低17.6%、6.0%。在各水氮组合处理中，抽雄期穗位叶净光合速率2年平均以W1N225处理最高，较W2N300处理显著提高10.0%。抽雄至成熟期，各处理穗位叶光合速率均显著下降，W1条件下成熟期部分施氮量的穗位叶仍保持相对较高光合速率，与W2无差异。成熟期以W2N300处理穗位叶光合速率最高，但与W1N225处理无显著差异；成熟期W2N0处理光合速率最低。说明减量灌溉下减氮25%夏玉米穗位叶在抽雄期—成熟期也能保持较高的光合速率，促进干物质积累。

2.4 夏玉米干物质积累动态变化

夏玉米苗期至拔节期（0—40 d）各处理干物质积累量差异不显著（图4），拔节后不同施氮量间开始出现差异，整个生育时期干物质积累动态呈“S”型。灌溉显著提高了夏玉米干物质积累量，W0条件下成熟期2年平均干物质积累量较W2显著降低21.1%，W1干物质积累量与W2无显著差异。在同一灌溉条件下，各施氮量的干物质积累量在开花期以后表现出明显差异，N225与N300干物质积累量差异不显著，N0—N150干物质积累量分别显著降低22.0%、10.3%和8.9%。在各水氮组合处理中，W2N225较W2N300处理干物质积累量显著提高5.4%，W1N225与W2N300处理干物质积累量差异不显著。

表2 灌溉、施氮对夏玉米生理指标、干物质（氮素）转运、产量及构成因素的方差分析

VT：抽雄期；R6：成熟期；DMR：花前转运量；DMRE：花前干物质转运率；DMRCG：花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率；DMA：花后干物质积累量；DMAC：花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率；NR：花前氮素转运量；NRE：花前氮素转运率；NRCG：花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率；NA：花后氮素积累量；NAC：氮素积累对籽粒氮素积累贡献率。表中数值代表值，NS 表示无显著性差异，*表示0.05水平显著，**表示0.01水平显著，***表示0.001 水平显著。下同

VT: Tasseling stage; R6: Maturation stage; DMR: Dry matter remobilization pre-anthesis; DMRE: Dry matter remobilization efficiency pre-anthesis; DMRCG: Contribution of dry matter remobilization to grain pre-anthesis; DMA: Dry matter accumulation post anthesis; DMAC: Contribution of dry matter accumulation to grain post anthesis; NR: N remobilization pre-anthesis; NRE: N remobilization efficiency pre-anthesis; NRCG: Contribution of N remobilization to grain N pre-anthesis; NA: N accumulation post anthesis; NAC: Contribution of N accumulation to grain N post anthesis. The values in the table represent the values of, NS means non-significant, * means significant at 0.05 level, ** means significant at 0.01 level, and *** means significant at 0.001 level. the same as below

干物质积累速率是衡量作物干物质积累快慢的指标，灌溉与施氮显著影响玉米最大干物质增长速率及播种后出现日期。W1干物质最大增长速率较W0、W2分别显著提高6.1%和26.8%；最大增长速率出现日期较W0显著提前4.5 d，较W2差异不显著。在同一灌溉量处理下，干物质最大增长速率随施氮量的增加呈现先升高后降低趋势，与N300相比，N225处理干物质最大增长速率显著提高5.1%，最大增长速率出现日期无显著差异。各水氮组合处理中，以W1N225处理显著优于其他处理，最大增长速率显著提高6.3%—75.4%；最大增长速率出现日期提前0.8—7.9 d。即减量灌溉配合减氮25%能有效增大夏玉米干物质最大增长速率，提前玉米干物质积累高峰期，维持玉米开花后较长时期的干物质积累天数，提高干物质积累量。

VE：苗期；V6：拔节期；VT：抽雄期：R3：乳熟期；R5：蜡熟期：R6：成熟期。图中NS 表示无显著性差异，*表示0.05水平显著，**表示0.01水平显著

不同小写字母表示同一灌溉处理下不同施氮量间在0.05 水平上显著差异。下同 Different lowercase letters indicate that the difference between different nitrogen application rates under the same irrigation treatment is significant at 0.05 level. The same as below

图中灰色区域表示最大增长速率出现及持续日期 The gray area indicates the occurrence and duration of the maximum growth rate of dry matter

2.5 夏玉米干物质分配与转运

成熟期玉米干物质主要分配在籽粒中（图5）。各灌水间籽粒干物质积累比例无显著差异。籽粒干物质积累比例随施氮量的提高呈现先升高后降低趋势，N225籽粒积累量比例较N300显著提高5.1%。各水氮间以W1N225处理籽粒干物质积累比例最高，较W2N300处理显著提高6.5%。

灌溉和施氮以及二者互作均显著影响夏玉米花前花后干物质转运过程（＜0.05）（表3）。灌溉显著增加夏玉米花前干物质转运量、花前转运率、花前转运对籽粒的贡献率和花后干物质积累量。W1夏玉米花前干物质转运量、转运率以及对籽粒干物质积累贡献率2年平均较W2分别显著提高27.3%、34.7%和26.2%。在同一灌溉条件下，花前干物质转运量、转运率以及干物质转运对籽粒干物质积累贡献率随施氮量的增加呈现先升高后降低趋势。N225较N300花前干物质转运量、转运率以及对籽粒干物质积累的贡献率分别显著提高27.1%、21%和17.1%，N150较N300分别显著提高83.5%、65.5%和73.2%。花后干物质积累量随施氮量增加而增加，以N225、N300较高。不同水氮组合处理间比较，W1N225处理花前干物质转运量、转运率和花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率较W2N300处理分别提高36.4%、40.1%和28.6%，W1N300处理下花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率最大。即减量灌溉和施氮处理能有效提高花前干物质转运量、转运效率以及转运对籽粒的贡献率，增大成熟期籽粒干物质分配。

图5 不同节水减氮模式下夏玉米成熟期干物质分配

表3 不同节水减氮模式下夏玉米开花前后营养器官干物质转运及对籽粒干物积累的影响

同列数据后不同小写字母表示同一灌溉条件下不同施氮量间在0.05水平上差异显著。下同

Different letters after the same column of data indicate that the difference between different nitrogen application rates under the same irrigation treatment is significant at 0.05. The same as below

2.6 夏玉米氮素分配与转运

如图6所示，夏玉米成熟期营养器官氮素积累量占整株氮素积累量的比例降低。与W2相比，W1成熟期籽粒氮素积累量无显著差异，W0显著降低19.5%。籽粒中氮素分配比例随施氮量增加先升高后降低，N150、N225籽粒氮素分配比例分别较N300显著提高4.8%和6.1%。各组合中W1N225与W2N300处理籽粒氮素积累无显著差异。

图6 不同节水减氮模式下夏玉米成熟期氮素分配

灌水和施氮以及二者互作均显著提高夏玉米花前氮素转运量、转运率、花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率、花后氮素转运量及积累对籽粒干物质积累贡献率（＜0.05）（表4）。W1较W2显著提高夏玉米氮素花前转运量、转运率以及对籽粒氮素积累的贡献率，2年平均分别提高10.2%、12.0%和11.3%，花后氮素积累量和氮素积累贡献率以W2较高。氮肥减施处理显著提高夏玉米花前氮素转运量、转运率以及对籽粒氮素积累的贡献率，N225较N300花前氮素转运各指标分别显著提高15.4%、6.9%和14.2%，N150较N300分别显著提高18.1%、13.7%和20.0%。花后氮素转运及对籽粒氮素积累的贡献以高施氮量N300最高。各水氮组合处理间，W1N150较W2N300处理花前氮素转运量和转运率、花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率分别显著提高37.1%、28.4%和45.3%，W1N225较W2N300处理花前氮素转运各指标分别显著提高30.3%、22.0%、42.1%。

2.7 夏玉米籽粒产量及产量构成

2年试验结果均表明，灌水量和施氮量及二者互作对玉米产量的影响达到极显著水平（表5）。与W2相比，W0主要通过影响穗粒数和百粒重显著降低产量17.3%，W1对产量及产量构成因素无显著影响。即不灌溉有减产风险，而减量灌溉能保持产量。同一灌溉量条件下，玉米产量与产量构成因素均随施氮量增加显著提高。W1条件下，2年平均穗数、穗粒数均随施氮量的增加而升高，N150、N225和N300穗数、穗粒数无显著差异；百粒重随施氮量的增加先升高后降低，N150与N300对百粒重的影响无显著差异，N225较其他施氮量百粒重显著提高3.7%—15.2%；产量随施氮量的增加而增加，N225与N3002年平均产量无显著差异，且分别显著高于N0—N150的5.4%—44.9%、5.4%—44.5%。在各水氮组合中，2年平均产量以W1N225处理下最高，但与常规水氮模式W2N300处理差异不显著。

在同一灌溉处理下，2018和2019年玉米产量与施氮量均呈二次曲线关系（图7）。2018年W0下施氮量181 kg·hm-2时最高产量可达8 256 kg·hm-2，W1下施氮量195 kg·hm-2时获最高产量达9 733 kg·hm-2，W2下施氮量287 kg·hm-2时最高产量可达9 967 kg·hm-2；2019年W0下施氮量209 kg·hm-2时最高产量可达8 217 kg·hm-2，W1下施氮量221 kg·hm-2时最高产量可达9 932 kg·hm-2，W2下施氮量249 kg·hm-2时最高产量可达9 940 kg·hm-2。灌溉增产效果明显，但增加灌水量增产效果并不明显，说明生产上适量减少灌溉也能满足夏玉米生长需求。

表4 不同节水减氮模式下夏玉米开花前后营养器官氮素转运及对籽粒氮素积累的贡献

图7 相同灌水条件下施氮量与夏玉米产量的关系

表5 节水减氮处理对2018—2019年玉米产量的影响

3 讨论

3.1 节水减氮对玉米光合速率及干物质积累的调控效应

干物质积累影响作物产量水平，水氮管理措施通过玉米干物质积累特性，显著影响干物质积累过程[18-19]。前人研究表明，减量灌溉和减氮25%能显著提升玉米干物质积累量和产量[20]。本研究中拔节期灌溉400 m3·hm-2（减水50%）与施氮225 kg·hm-2（减氮25%）处理下玉米干物质积累量和产量与常规水氮模式无显著差异。这可能是因为关中平原夏季降雨多集中在玉米生长后期，拔节期少量灌溉平衡了水分的时间分布，能够满足玉米拔节到抽雄期的水分需求，保证植株干物质的积累；而常规灌溉下会造成氮素淋失，需要更高施氮量才能满足玉米生长。除此之外，玉米生长后期冠层密集减少土壤水分散失，相对弱化灌溉对后期生长和干物质积累的影响[21]。光合作用是影响干物质生产和积累的主要因素，干物质的积累速率和持续时间取决于光合强度和光合作用持续时间。研究表明，在相同灌水情况下，地上部干物质积累速率随施氮量的增加呈现先增加后减少的变化趋势，适宜水氮条件有利于增加叶片中叶绿素相关酶含量，改善光合特性使得夏玉米生育后期仍可保持较高的干物质积累速率[22-24]。本研究中减量灌溉、减氮25%的节水减氮模式下玉米花前叶面积指数增长较快，花后仍然保持较高的叶面积指数和光合速率；且较常规水氮模式玉米干物质最大增长速率显著提高6.3%，最大增长速率出现日期提前0.8 d，能有效增加高强度光合作用时间，延长较高干物质积累速率的时间，从而维持生育期内干物质持续积累。

3.2 节水减氮对干物质、氮素转运分配的调控效应

作物籽粒中干物质积累主要来源于花后形成同化物和花前营养器官贮存同化物向籽粒的转移与分配[25-26]，生产中在保证花后物质积累的同时，通过管理措施提升花前干物质对产量的贡献是提升产量的重要途径。张仁和等[27]研究表明，吐丝期适度干旱显著增加茎鞘贮存碳库转运，提高花前干物质的转运量（率）；土壤干湿交替刺激根系活性，增强根系对土壤水分的吸收能力[21]。本研究减量灌溉处理能显著提升花前干物质转运。玉米营养器官生长旺盛导致源库比增大，降低了光合产物的生产和转运速率[28]，而减氮25%—50%有效协调植株的源库关系，在保持较高花后干物质积累及贡献率的同时显著提升了花前干物质向籽粒的转运。本研究发现施氮量150—225 kg·hm-2范围内干物质的积累与转运表现较优，更加精细的施氮量需在后续研究中进一步探讨。

花前氮素转运是玉米籽粒中氮素的重要来源，适宜土壤水分条件下，减少供氮可以增加营养器官氮素再转运；超过一定范围的水氮供应，不但对养分累积与再转运无明显增强效应，还造成资源的浪费[29]。与常规水氮模式相比，本研究中节水减氮模式显著提升籽粒的氮素积累水平，提高花前营养器官中氮素向籽粒的分配。其中减量灌溉下减氮50%的水氮模式玉米花前氮素转运率及其对籽粒的贡献率最高，但研究表明营养体过量的氮素转运易引起叶片早衰及光合能力下降，营养体氮代谢加强导致运往籽粒氮素减少，不利于产量提高[11]。而本研究中减量灌溉、减氮25%的水氮模式有效协调了花前和花后氮素在植株中的分配，在满足较高转运量的同时，也保证生育后期玉米叶片能够进行正常的光合作用，保障玉米在生殖生长阶段仍保持较强的同化能力，从而提升籽粒中的氮素水平。

3.3 节水减氮对产量的调控效应

生产中水氮投入不合理，不仅导致作物产量下降，还引发环境问题。已有研究表明，适当减少水氮投入不会造成显著减产。半干旱地区灌水量减少73%配合施氮量248.1 kg·hm-2，玉米产量下降幅度小于15.26%，且水分利用效率较高[30]；华北麦玉轮作体系下，较常规施氮，连续3年减氮25%至40%不影响玉米产量[2]；谢英荷等[31]研究表明，与习惯灌水和施氮量相比，减水300 m3·hm-2、减氮60 kg·hm-2处理对夏玉米产量和产量构成因素无显著影响。本研究中减量灌溉、减氮25%的节水减氮模式与常规水氮模式下产量及其构成要素无显著差异，与前人研究结果相似。与常规灌溉相比，减量灌溉处理对玉米穗数、穗粒数和百粒重均未造成显著影响，一方面是作物生长期间适度干旱有利于促进根系下扎并增强对水分的吸收，能更加充分利用水分合理生长[32]；另一方面在于适度低水处理有利于叶片生长和叶绿素积累，协调光合产物[33]。本研究中减量灌溉及时满足玉米对拔节到抽雄期的水分需求，既不会造成水分过低又保证了玉米全生育期植株合理生长；而常规灌溉结合生育后期较为密集的降雨使玉米全生育期土壤水分含量长期处于较高水平，植株叶绿素积累受限，导致光合产物分配不协调，从而不利于营养物质向籽粒转移[33-34]。充足的氮素营养满足了作物生长对养分的需求，本研究发现与不施氮相比，施氮养分充足促使玉米形成双穗，显著提高了穗数，同时显著提高其他产量构成因素进而提高产量。但减氮25%与常规施氮处理相比夏玉米穗数、穗粒数和产量均无显著差异。减氮25%处理玉米生长阶段光合特性，干物质和氮素向籽粒转运情况良好，显著提高玉米百粒重从而维持了产量。即适量减施氮肥并不会显著降低产量，而常规施氮处理作物对氮肥的吸收存在奢侈吸收，不再对玉米籽粒产量形成产生更多的贡献[35]。

4 结论

与常规水氮模式相比，减量灌溉50%、减氮25%的节水减氮模式对夏玉米叶面积指数以及光合性能无显著影响，保证了花后光合产物的积累及向籽粒的转运；提前了干物质最大增长速率出现日期，延长了干物质积累时间；同时提高了花前物质转运，协调成熟期物质分配，最终提高玉米产量。因此，施氮225 kg·hm-2、灌溉400 m3·hm-2，既能获得较高产量又能节约水肥资源，可以作为关中平原夏玉米发展节水减氮生产模式的参考指标。

[1] 李欢. 调亏灌溉条件下玉米耗水规律及灌溉方案评价试验研究[D]. 哈尔滨: 东北农业大学, 2016.

LI H. Experimental study on water consumption rule of maize and irrigation scheme evaluation under regulated deficit irrigation model[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese)

[2] 陈磊, 宋书会, 云鹏, 周磊, 高翔, 卢昌艾, 刘荣乐, 汪洪. 连续三年减施氮肥对潮土玉米生长及根际土壤氮素供应的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(9): 1482-1494.

CHEN L, SONG S H, YUN P, ZHOU L, GAO X, LU C A, LIU R L, WANG H. Effects of reduced nitrogen fertilizer for three consecutive years on maize growth and rhizosphere nitrogen supply in fluvo-aquic soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2019, 25(9): 1482-1494. (in Chinese)

[3] 雒文鹤, 师祖姣, 王旭敏, 李军, 王瑞. 节水减氮对土壤硝态氮分布和冬小麦水氮利用效率的影响. 作物学报, 2020, 46(6): 924-936.

LUO W H, SHI Z J, WANG X M, LI J, WANG R. Effects of water saving and nitrogen reduction on soil nitrate nitrogen distribution, water and nitrogen use efficiencies of winter wheat. Acta Agronomica Sinica, 2020, 46(6): 924-936. (in Chinese)

[4] 常艳丽, 刘俊梅, 李玉会, 孙本华, 张树兰, 杨学云. 陕西关中平原小麦/玉米轮作体系施肥现状调查与评价. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2014, 42(8): 51-61.

CHANG Y L, LIU J M, LI Y H, SUN B H, ZHANG S L, YANG X Y. Investigation and evaluation of fertilization under winter wheat and summer maize rotation system in Guanzhong plain, Shaanxi province. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition), 2014, 42(8): 51-61. (in Chinese)

[5] 李萍, 魏晓妹, 降亚楠, 冯东溥. 关中平原渠井双灌区地下水循环对环境变化的响应. 农业工程学报, 2014, 30(18): 123-131.

LI P, WEI X M, JIANG Y N, FENG D P. Response of groundwater cycle to environmental changes in Guanzhong plain irrigation district. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(18): 123-131.(in Chinese)

[6] 徐杰, 陶洪斌, 宋庆芳, 王璞. 水氮配置对华北冬小麦-夏玉米种植体系氮素利用及土壤硝态氮残留的影响. 华北农学报, 2011, 26(4): 153-158.

XU J, TAO H B, SONG Q F, WANG P.The effect of water-nitrogen regimes on the nitrogen utilization and soil NO3-_N residue of winter wheat-summer maize system in the North China Plain. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2011, 26(4): 153-158. (in Chinese)

[7] CHRISTOS D. Variation in dry matter and nitrogen accumulation and remobilization in barley as affected by fertilization, cultivar, and source-sink relations. European Journal of Agronomy, 2012, 37(1): 3l-42.

[8] 姜丽娜, 马静丽, 方保停, 马建辉, 李春喜, 王志敏, 蒿宝珍. 限水减氮对豫北冬小麦产量和植株不同层次器官干物质运转的影响. 作物学报, 2019, 45(6): 957-966.

JIANG L N, MA J L, FANG B T, MA J H, LI C X, WANG Z M, HAO B Z. Effect of lower water and nitrogen supply on grain yield and dry matter remobilization of organs in different layers of winter wheat plant in northern Henan province. Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(6): 957-966. (in Chinese)

[9] 周英捷, 傅丰贝, 李伏生. 水肥调控下糯玉米生长、产量和水分利用效率研究. 干旱地区农业研究, 2014, 32(3): 114-118.

ZHOU Y J, FU F B, LI F S. Research on the growth, yield and water use efficiency of sticky maize under water and fertilizer regulation. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 32(3):114-118. (in Chinese)

[10] 范虹, 李文娟, 赵财, 樊志龙, 胡才强, 柴强. 绿洲灌区水氮运筹对玉米生长及产量形成的耦合效应. 甘肃农业大学学报, 2019, 54(1): 56-64.

FAN H, LI W J, ZHAO C, FAN Z L, HU C Q, CHAI Q. Coupling effects of water and nitrogen management on maize growth and yield components in oasis irrigation areas. Journal of Gansu Agricultural University, 2019, 54(1): 56-64. (in Chinese)

[11] 武文明, 陈洪俭, 王世济, 魏凤珍, 李金才. 氮肥运筹对苗期受渍夏玉米干物质和氮素积累与转运的影响. 作物学报, 2015, 41(8): 1246-1256.

WU W M, CHEN H J, WANG S J, WEI F Z, LI J C.Effects of nitrogen fertilization application regime on dry matter, nitrogen accumulation and transportation in summer maize under waterlogging at the seedling stage. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(8): 1246-1256. (in Chinese)

[12] 董茜, 雍太文, 刘小明, 刘文钰, 徐婷, 宋春, 王小春, 杨文钰. 施氮方式对玉米-大豆套作体系中作物产量及玉米籽粒灌浆特性的影响. 作物学报, 2014, 40(11): 2028-2039.

DONG Q, YONG T W, LIU X M, LIU W Y, XU T, SONG C, WANG X C, YANG W Y.Effect of nitrogen application methods on crop yield and grain filling characteristics of maize in maize-soybean relay strip intercropping system. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(11): 2028-2039. (in Chinese)

[13] 王小燕, 于振文. 不同施氮量条件下灌溉量对小麦氮素吸收转运和分配的影响. 中国农业科学, 2008, 41(10): 3015-3024.

WANG X Y, YU Z W. Effect of irrigation rate on absorption and translocation of nitrogen under different nitrogen fertilizer rate in wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(10): 3015-3024. (in Chinese)

[14] 王宜伦, 李潮海, 谭金芳, 韩艳来, 张许. 超高产夏玉米植株氮素积累特征及一次性施肥效果研究. 中国农业科学, 2010, 43(15): 3151-3158.

WANG Y L, LI C H, TAN J F, HAN Y L, ZHANG X. Studies on plant nitrogen accumulation characteristics and the effect of single application of base fertilizer on super-high-yield summer maize. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(15): 3151-3158. (in Chinese)

[15] 戴明宏, 陶洪斌, 王利纳, 王璞. 不同氮肥管理对春玉米干物质生产、分配及转运的影响. 华北农学报, 2008, 23(1): 154-157.

DAI M H, TAO H B, WANG L N, WANG P.Effects of different nitrogen managements on dry matter accumulation, partition and transportation of spring maize(L.). Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2008, 23(1): 154-157. (in Chinese)

[16] 朱海军, 生静雅, 刘广勤, 陈亚辉, 曹福亮. 基于Logistic模型的薄壳山核桃果实生长发育研究. 西南农业学报, 2015, 28(3): 1231-1235.

ZHU H J, SHENG J Y, LIU G Q, CHEN Y H, CAO F L.Study on growth and development of pecan fruit based on logistic model. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2015, 28(3): 1231-1235.(in Chinese)

[17] COX M C, QUALSET C O, RAINS D W. Genetic variation for nitrogen assimilation and translocation in wheat. II. Nitrogen assimilation in relation to grain yield and protein. Crop Science, 1985, 25(3): 435-440.

[18] CHAI Q, GAN Y T, TURNER N C, ZHANG R Z, YANG C, NIU Y N, SIDDIQUE KH M. Chapter two: Water-saving innovations in Chinese agriculture. Advances in Agronomy, 2014, 126: 149-201.

[19] 徐祥玉, 张敏敏, 翟丙年, 李生秀. 施氮对不同基因型夏玉米干物质累积转移的影响. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(4): 786-792.

XU X Y, ZHANG M M, ZHAI B N, LI S X. Effects of nitrogen application on dry matter accumulation and translocation of different genotypes of summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2009, 15(4): 786-792. (in Chinese)

[20] 冯鹏, 王晓娜, 王清郦, 孙启忠, 赵淑芬. 水肥耦合效应对玉米产量及青贮品质的影响. 中国农业科学, 2012, 45(2): 376-384.

FENG P, WANG X N, WANG Q L, SUN Q Z, ZHAO S F.Coupling effect of water and fertilizer on yield and silage quality of maize. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(2): 376-384. (in Chinese)

[21] ZHANG X D, YANG L C, XUE X K, KAMRAN M, AHMAD I, DONG Z Y, LIU T N, JIA Z K, ZHANG P, HAN Q F. Plastic film mulching stimulates soil wet-dry alternation and stomatal behavior to improve maize yield and resource use efficiency in a semi-arid region. Field Crops Research, 2019,233: 101-113.

[22] 邵国庆, 李增嘉, 宁堂原, 蒋保娟, 焦念元. 灌溉与尿素类型对玉米花后穗位叶衰老、产量和效益的影响. 中国农业科学, 2009, 42(10): 3459-3466.

SHAO G Q, LI Z J, NING T Y, JIANG B J, JIAO N Y. Effects of irrigation and urea types on ear leaf senescence after anthesis, yield and economic benefit of maize. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(10): 3459-3466.(in Chinese)

[23] 徐明杰, 张琳, 汪新颖, 彭亚静, 张丽娟, 巨晓棠. 不同管理方式对夏玉米氮素吸收、分配及去向的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 36-45.

XU M J, ZHANG L, WANG X Y, PENG Y J, ZHANG L J, JU X T. Effects of different management patterns on uptake, distribution and fate of nitrogen in summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1): 36-45. (in Chinese)

[24] 张忠学, 刘明, 齐智娟. 喷灌条件下水氮用量对玉米氮素吸收转运的影响. 农业机械学报, 2019, 50(8): 299-308.

ZHANG Z X, LIU M, QI Z J. Effect of water nitrogen dosage on nitrogen absorption and transformation of maize under sprinkler irrigation condition. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(8): 299-308. (in Chinese)

[25] 王进军, 柯福来, 白鸥, 黄瑞冬. 不同施氮方式对玉米干物质积累及产量的影响. 沈阳农业大学学报, 2008, 39(4): 392-395.

WANG J J, KE F L, BAI O, HUANG R D. Effect of dry weight accumulation and yields of maize under different nitrogen application. Journal of Shenyang Agricultural University, 2008, 39(4): 392-395. (in Chinese)

[26] 郭丙玉, 高慧, 唐诚, 刘涛, 褚贵新. 水肥互作对滴灌玉米氮素吸收、水氮利用效率及产量的影响. 应用生态学报, 2015, 26(12): 3679-3686.

GUO B Y, GAO H, TANG C, LIU T, CHU G X. Response of water coupling with N supply on maize nitrogen uptake, water and N use efficiency, and yield in drip irrigation condition. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(12): 3679-3686. (in Chinese)

[27] 张仁和, 郭东伟, 张兴华, 路海东, 刘建超, 李凤艳, 郝引川, 薛吉全. 吐丝期干旱胁迫对玉米生理特性和物质生产的影响. 作物学报, 2012, 38(10): 1884-1890.

ZHANG R H, GUO D W, ZHANG X H, LU H D, LIU J C, LI F Y, HAO Y C, XUE J Q.Effects of drought stress on physiological characteristics and dry matter production in maize silking stage. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(10): 1884-1890. (in Chinese)

[28] 陈年来. 作物库源关系研究进展. 甘肃农业大学学报, 2019, 54(1): 1-10.

CHEN N L. Research advances on source-sink interaction of the crops. Journal of Gansu Agricultural University, 2019, 54(1): 1-10. (in Chinese)

[29] 高占, 张春贵, 刘树堂, 陈延玲. 水氮调控对玉米干物质及氮磷钾累积与转运的影响. 山东农业科学, 2020, 52(10): 90-99.

GAO Z, ZHANG C G, LIU S T, CHEN Y L. Effects of water and nitrogen regulation on accumulation and remobilization of dry matter, nitrogen, phosphorus and potassium in maize. Shandong Agricultural Sciences, 2020, 52(10): 90-99. (in Chinese)

[30] 邢维芹, 王林权, 骆永明, 李立平, 李生秀. 半干旱地区玉米的水肥空间耦合效应研究. 农业工程学报, 2002, 18(6): 46-49.

XING W Q, WANG L Q, LUO Y M, LI L P, LI S X. Effect of spacial coupling between irrigation water and fertilizer on corn in semiarid area. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(6): 46-49. (in Chinese)

[31] 谢英荷, 栗丽, 洪坚平, 王宏庭, 张璐. 施氮与灌水对夏玉米产量和水氮利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(6): 1354-1361.

XIE Y H, LI L, HONG J P, WANG H T, ZHANG L. Effects of nitrogen application and irrigation on grain yield, water and nitrogen utilizations of summer maize.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2012, 18(6): 1354-1361.(in Chinese)

[32] 周磊, 甘毅, 欧晓彬, 王根轩. 作物缺水补偿节水的分子生理机制研究进展. 中国生态农业学报, 2011, 19(1): 217-225.

ZHOU L, GAN Y, OU X B, WANG G X. Progress in molecular and physiological mechanisms of water-saving by compensation for water deficit of crop and how they relate to crop production. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(1): 217-225. (in Chinese)

[33] 王卫杰, 张彦群, 祁鸣笛, 王传娟, 吴忠东, 王建东. 滴灌灌水量对玉米耗水及生长的影响. 排灌机械工程学报, 2020, 38(10): 1063-1068.

WANG W J, ZHANG Y Q, QI M D, WANG C J, WU Z D, WANG J D. Effects of drip irrigation amount on water consumption and growth of maize. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(10): 1063-1068. (in Chinese)

[34] VASELLATI V, OESTERHELD M, MEDAN D. Effects of flooding and drought on the anatomy ofAnnals of Botany, 2011, 88(3): 355-360.

[35] 鱼欢, 邬华松, 王之杰. 利用SPAD和Dualex快速、无损诊断玉米氮素营养状况. 作物学报, 2010, 36(5): 840-847.

YU H, WU H S, WANG Z J. Evaluation of SPAD and Dualex for in-season corn nitrogen status estimation. Acta Agronomica Sinica, 2010, 36(5): 840-847. (in Chinese)

Regulation Effects of Water Saving and Nitrogen Reduction on Dry Matter and Nitrogen Accumulation, Transportation and Yield of Summer Maize

WANG XuMin, LUO WenHe, LIU PengZhao, ZHANG Qi, WANG Rui, LI Jun

College of Agronomy, Northwest A&F University/Key Laboratory of Crop Physiecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture,Yangling 712100, Shaanxi

【】In order to solve the problems of irrigation water resources scarcity and excessive nitrogen input in current summer maize cropping system, this study analyzed the regulating effects of maize growth and yield response between water-saving, nitrogen reduction mode and conventional water-nitrogen mode, so as to provide a theoretical basis for determining water-saving and nitrogen-reduction cultivation measures of summer maize. 【】 A differentirrigation and nitrogen application field trial of summer maize was conducted in Yangling, Shaanxi province in 2018-2019. Three irrigation treatments were conventional irrigation (800 m3·hm-2), reduced irrigation (400 m3·hm-2) and no irrigation (0); and five nitrogen treatments were as follows: conventional nitrogen application (300 kg N·hm-2), reduced 25% (225 kg N·hm-2), reduced 50% (150 kg N·hm-2), reduced 75% (75 kg N·hm-2) and no N fertilizer(0), respectively. The study investigated the effects of water saving and nitrogen reduction on maize yield, photosynthetic characteristics, dry matter (nitrogen) accumulation and its transport characteristics.【】(1) Compared with conventional water-nitrogen mode (conventional irrigation and 300 kg N·hm-2), the water-saving and nitrogen reduction mode (reduced irrigation and 225 kg N·hm-2) had no significant effect on maize yield and its components. (2) Compared with conventional water-nitrogen mode, the reduced irrigation and 225 kg N·hm-2treatment had no impact on maize leaf area index (LAI), its LAI increased obviously before anthesis and decreased slowly after anthesis than that under other treatments. The net photosynthetic rate of ear leaf significantly increased by 10.0% at tasseling stage, and kept a higher net photosynthetic rate till the post anthesis period, this promoted the dry matter accumulation. (3) Reduced irrigation and 225 kg N·hm-2had no remarkable influence on dry matter accumulation, but the maximum growth rate of dry matter accumulation was significantly increased by 6.3%, and occurred 0.8 days earlier. (4) The dry matter remobilization, remobilization efficiency and contribution of remobilization to grain efficiency in pre-anthesis of reduced irrigation and 225 kg N·hm-2treatment increased significantly by 36.4%, 40.1% and 28.6%, respectively. The nitrogen remobilization, remobilization efficiency and contribution of nitrogen remobilization to grain efficiency pre-anthesis increased significantly by 30.3%, 22.0% and 42.1%, respectively. However, there was no difference in dry matter (nitrogen) accumulation and contribution efficiency to grain under the two type water and nitrogen modes. 【】 Comprehensively, the water-saving and nitrogen reduction mode (400 m3·hm-2irrigation amount and 225 kg N·hm-2) could effectively coordinate dry matter (nitrogen) accumulation and its transportation, and increased the distribution ratio of dry matter and nitrogen in maize grain, which could achieve the production goal of water saving and nitrogen reduction of summer maize in Guanzhong plain.

summer maize; water-saving irrigation; reduced nitrogen application; dry matter accumulation; transportation; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.004

2020-10-07；

2021-01-05

国家科技支撑计划（2015BAD22B02）、国家自然科学基金（31801300）

王旭敏，E-mail：minr.w@nwsuaf.edu.cn。通信作者李军，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）