风沙土膜下滴灌氮肥运筹对玉米生长、干物质和产量的影响

顾桂栋，窦超银，孟维忠，佟 威，陈 伟，胡 倩

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009；2.辽宁省水利水电科学研究院，沈阳110003）

0 引言

膜下滴灌技术是将滴灌技术与覆膜种植相结合的一种先进新型节水灌溉技术， 既发挥了滴灌能均匀、定时、定量、局部浸润作物根系的优点，又利用了覆膜能增温保墒的效果，进而达到增产增收、高效节水、节肥保肥等目的[1,2]。随着膜下滴灌技术在辽西北风沙土地区的推广应用，缓解了玉米生育前期气温低、蒸发大、生育后期干旱、降雨分配不均的问题，但辽西北风沙土土质瘠薄，漏水漏肥严重[3]，大部分农户为了玉米高产，还是采用传统施肥方式，即以基肥为主，集中追肥为辅，在膜下滴灌“少量多次”的灌溉制度下，造成了肥料利用率低、土壤无机氮残留多、养分淋溶损失严重等问题[4,5]。因此，进一步优化膜下滴灌技术的氮肥运筹方式，为配合膜下滴灌灌溉制度、提高氮肥利用率和玉米增产具有重要意义。

普遍认为，对于玉米提高肥料利用率的关键在于同步作物的养分需求与土壤、肥料的养分供应， 即合理的基肥和玉米生育期追肥用量和比例的采用[6]。研究表明，氮肥后移技术能起到养分供应和作物吸收同步的作用，从而提高玉米产量和肥料利用率[7,8]，在国外，玉米和小麦播种前甚至不施基肥，只有非常瘠薄的砂质土壤才推荐当季施氮量的1/3 作为基肥[9]；张鹏飞等[10]试验结果表明，松嫩平原大垄双行膜下滴灌追肥120 kg/hm2，拔节期肥、大喇叭口期肥、吐丝期肥分配比例3∶5∶2 时，能大幅度提高玉米产量，王进斌等[11]等研究出陇中旱农区，玉米全覆膜沟灌下仅在拔节期追肥时，有利于玉米光合作用和得到高产的玉米籽粒饲料，邰书静[12]等研究表明，在总氮为225 kg/hm2的条件下，基肥、拔节肥、穗肥为0∶10∶0 和0∶5∶5 处理吐丝后期能保持较高的叶面积系数。综上所述，前人关于氮肥运筹的研究还是以集中追肥为主，而对水肥一体化“少量多次”的灌溉制度下的氮肥运筹研究较少。因此，本试验结合辽西北风沙土的土壤条件与前人试验，在大垄双行膜下滴灌种植模式下，采用推荐施氮量300 kg/hm2[13]的1/3 作为基肥、2/3 作为追肥，通过设置不同关键生育时期施氮比例组合，研究不同氮肥运筹方式对玉米生长、干物质质量和产量的影响，以确定玉米生育期内的最佳氮肥配比，从而为辽西北风沙土膜下滴灌水肥一体化条件下实现精确的氮肥管理提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于辽宁省彰武县北甸子村（E122°23′，N42°50′）地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候区，其主要特征是干燥、风沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年内分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸发量1 781 mm；年平均气温6.1 ℃，平均风速3.7～4.2 m/s，最大瞬时风速达24.0 m/s，沙尘暴天气10～15 d；植物生长期145～150 d，无霜期154 d。试验区土壤主要为风沙土，干体积质量为1.69 g/cm3，田间持水率为12%，饱和含水率为16.9%。土壤机械组成以细沙为主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有机质质量分数为6.6%。

1.2 试验设计

试验于2020年5-10月进行，玉米供试的品种为“京科968”，氮肥为尿素（含氮46.4%）。根据玉米生长划分为苗期、拔节期、穗期、灌浆期、完熟期等5个生育期。灌水量由冠层水面蒸发量（ET0）和作物系数（Kc）相结合推算而出，当灌水周期内发生降雨时，从计算灌水量中减去降雨量，具体利用公式W=α Ki(Ek,5-Pk,5)计算，式中Ek，5为第k个5日冠层水面累计蒸发量，逐日实测；Pk，5为第k个5日累计降雨量，逐日实测；Kci为第i个生育期作物系数，苗期、拔节期、穗期、灌浆期和完熟期分别取0.45，0.55，1.2，1，0.7，参见文献[14]；α为需水系数，以推荐需水系数α=0.8 为参考[15]。推荐施肥量（纯氮）300 kg/hm2为参考[13]，以不同时期氮肥配比为试验因素，其中，常规施肥（F1：基肥、拔节肥质量比为1∶2），兼顾拔节和粒肥（F2：基肥、拔节肥、粒肥质量比为1∶1∶1），均匀施肥（F3：基肥、苗期肥、拔节肥、穗肥、粒肥质量比为2∶1∶1∶1∶1），重拔节肥（F4：基肥、拔节肥、穗肥、粒肥质量比为2∶2∶1∶1），攻粒肥（F5：基肥、拔节肥、穗肥、粒肥质量比为2∶1∶1∶2），基肥在起垄-播种-覆土-覆膜-施肥一体机春播时施入，苗期肥、拔节肥、穗肥、粒肥均随水施入。试验设计共5 个处理：F1、F2、F3、F4、F5 处理，每个处理3 个重复，共15 个小区，小区随机布置。玉米采用大垄双行种植，垄距1.2 m，宽行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，种植密度为5.56 万株/hm2。单个小区内有5 垄，垄长5 m，小区面积30 m2。小区采用重力滴灌，灌溉前计算灌溉水量，注入桶中；施肥前将小区追肥所需尿素溶解，溶液倒入桶中，以水肥一体化形式灌溉施肥。

1.3 田间管理

播种前种子进行晾晒处理，各处理均在春播前翻地，平整土地，施农家肥（鸡粪）1.5 t/hm2，5月11日起垄铺设滴灌带，覆膜播种。5～6叶期定苗，拔节期中耕除草，喷施农药甲胺磷1次，防治虫害。8月21日后玉米进入成熟期，由于多次降雨，停止灌溉，9月26日收获。

1.4 测定指标和方法

（1）降雨、蒸发和灌水量的测定。降雨利用试验站小型气象站监测；在试验区从南到北在冠层上方放置20 cm 蒸发皿测量冠层水面蒸发，每天08∶00 测量1 次；灌溉水量通过水表观测。

（2）生长指标的测定。在各生育期阶段各试验小区随机选取3株玉米，测量株高、茎粗、单株全部展开叶的叶面积和叶绿素含量（SPAD值）。其中株高用卷尺测量；茎粗用游标卡尺测量；单株叶面积用卷尺测量，利用长宽系数法计算，单株叶面积等于各单叶面积之和；叶面积指数（LAI值）用叶面积和与单位土地面积折算求得；SPAD值用SPAD-502 叶绿素仪测定。

（3）地上部分干物质量测定。在各生育期阶段各试验小区随机选取3株玉米，采集地上生物部分，去除表面污垢后按茎、叶片、苞叶、穗轴、籽粒5 部分分离，放入烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒定质量，采用电子天平称量。

（4）考种、产量及水分利用效率的测算。收获时在各小区随机取样3 株玉米进行考种（穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、穗粒数和百粒质量等），并计算产量。水分利用效率公式为：

其中，玉米生育期阶段耗水量采用水量平衡计算，公式为：

式中：WUE 为水分利用效率，kg/m3，Y为产量kg/hm2，ET作物耗水量，mm，Pr为有效降雨量，mm，U为地下水补给量，mm，I为灌水总量，mm，D为深层渗漏量，mm，R为径流量，mm，△W为试验初期和试验末期土壤水分的变化量，mm。由于试验区地下水埋藏较深，地势平坦且滴灌湿润深度较浅，U、R和D均可忽略不计。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2019 整理试验数据；采用SPSS 24.0统计分析软件对试验数据进行显著性分析；采用Origin 2017绘图软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 降雨量、蒸发量、灌水量和施肥量

2020年玉米生育期内降雨和蒸发量如图1所示。从图1可以看出，玉米生育期内累计蒸发量906.3 mm，累计降雨量433.5 mm。玉米生育期内降雨35 次，有效降雨25 次，占降雨次数的71.43%；降雨相对集中在7月下旬到9月上旬，期间降雨22 次，累计降雨305.1 mm，占全生育期降雨量的70.38%；单次最大降雨量发生在8月3日，日降雨量55.3 mm。6月下旬到7月中旬，即拔节期和穗期，累计蒸发196.7 mm，占全生育期蒸发量的21.7%，日均蒸发量达到6.6 mm，此期间无雨期长达23 d。受年内降雨和蒸发影响，玉米生长前期灌溉频繁，进入雨季后，尤其灌浆期后，灌溉减少，在玉米生育期内灌水10 次，累计灌溉水量为159.4 mm，见表1。F1～F5 处理玉米生育期内分别施肥2 次、6 次、8 次、8 次和6 次，具体施肥日期和施肥量见表2。

图1 玉米生育期内降雨蒸发量Fig.1 Rainfall and evaporation during the growth period of maize

表1 玉米生育期内灌水日期与累计灌溉水量 mmTab.1 Irrigation date and accumulated irrigation water quantity in maize growth period

表2 玉米生育期内施肥日期与施肥量 kg/hm2Tab.2 Date and amount of fertilizer application in maize growth period

2.2 不同氮肥运筹对玉米生长的影响

2.2.1 株 高

不同氮肥运筹处理的株高变化趋势如图2所示。从图2 可以看出，各处理玉米株高苗期增长缓慢，拔节期快速增长，灌浆后基本稳定。不同处理之间，拔节期F1和F4处理株高较大；拔节期后，F3 处理株高始终最大，穗期F3 处理株高显著大于F1和F5处理，分别高出10.0%和9.4%；灌浆期和完熟期F3处理的株高与其他处理并未达到显著水平。

图2 不同氮肥运筹玉米株高变化趋势Fig.2 Variation trend of maize plant height under different nitrogen application

2.2.2 茎 粗

不同氮肥运筹处理的茎粗变化趋势如图3所示。由图3 可知，各处理玉米茎粗呈现先增大后逐渐减小的变化趋势，F1、F2、F3和F5处理峰值在拔节期，F4处理峰值在穗期。不同处理之间，F1、F3 和F5 处理茎粗在拔节期较大；拔节期后，F3处理茎粗始终最小，F4 处理茎粗始终最大，其中，穗期F4 处理的茎粗分别比F1、F2 和F3 处理大6.5%、6.7%和9.4%，灌浆期和完熟F4 处理的茎粗比F3 处理分别大3.4%和3.6%；灌浆期～完熟各处理茎粗分别减少4.4%、3.1%、3.8%、3.6%和

图3 不同氮肥运筹玉米茎粗变化趋势Fig.3 Variation trend of maize stem diameter under different

1.8%。

2.2.3 叶面积指数（LAI）

图4 为各氮肥运筹处理玉米叶面积指数（LAI）的变化。从图4 可以看出，各处理玉米LAI变化与株高类似，且均在灌浆期达到峰值。不同处理之间，苗期后，F3处理LAI始终大于其他处理，且在灌浆期达到峰值3.71；拔节期F3处理的LAI与F1 处理存在显著差异，比F1 处理大21.8%，虽然拔节期后各处理方差分析未达到显著水平，但LAI均值仍有较大差异，穗期、灌浆期LAI均值从大到小依次为F3、F2、F4、F1 和F5；灌浆期～完熟各处理LAI分别减少11.2%、3.4%、6.3%、4.0%和2.4%。

图4 不同氮肥运筹玉米的叶面积指数变化Fig.4 Changes of leaf area index of maize under different nitrogen application

2.2.4 叶片叶绿素含量（SPAD值）

图5 为不同氮肥运筹处理玉米叶绿素含量的变化。由图5可见，各处理玉米SPAD值范围在46.6～54.8之间，总体呈现先增大后逐渐减小的变化趋势，F1、F3 和F5 处理在穗期达到峰值，但F2 和F4 处理SPAD值在拔节期后逐步减小。不同处理之间，苗期施肥处理后，F1 处理SPAD值始终最大，峰值为54.8，其中，拔节期F1 处理SPAD值分别比F2、F3、F4 和F5处理大7.4%、9.6%、7.2%和10.9%，穗期和灌浆期F1 处理SPAD值分别比F2和F4处理大11.4%、8.1%和15.2%、12.7%；不同处理之间在不同生育期差异也较大，F2 和F4 处理在拔节期SPAD值高于F3和F5处理，但在穗期和完熟期SPAD值小于F3 和F5 处理；灌浆期～完熟各处理SPAD值分别减少4.5%、1.4%、2.3%、2.2%和3.0%。

图5 不同氮肥运筹玉米的叶绿素含量变化Fig.5 Changes of chlorophyll content in maize under different nitrogen application

2.2.5 地上干物质质量

图6 和图7 为不同生育期阶段玉米各器官的干物质积累量及其占比。由图6可见，各处理玉米干物质累积量随着生育期的推进而不断增加，拔节期～穗期以营养生长为主，F1～F5 处理干物质分别增加62.4%、58.5%、46.5%、69.0%和96.0%，穗期～灌浆期为生殖生长，干物质增幅较大、增幅近70%。不同处理之间，拔节期干物质质量F3 处理最大，分别比F1、F2、F4 和F5 处理大13.3%、10.6%、16.6%和35.3%，且差异达到显著水平；穗期干物质总量差异较小，差异不足5 g；灌浆期F3 处理干物质质量最大，均值达到303.5 g，各处理从大到小依次为F3、F1、F4、F5、F2，但差异未达到显著水平。

图6 不同氮肥运筹对地上部干物质质量的影响Fig.6 Effects of different nitrogen application strategies on shoot dry matter quality

由图7可知，在干物质分配方面，随着玉米生长，各处理茎、叶干物质质量所占比在逐渐减少，苞叶、穗轴和籽粒干物质质量所占比在持续增加。不同处理之间，拔节期茎、叶干重占地上部分干物质的45%～47%和53%～55%，差异较小；穗期F2 处理穗轴占地上干物质比重为14%，低于其他处理；灌浆期各处理籽粒占比从大到小依次为F3、F4、F5、F1和F2。

图7 不同氮肥运筹干物质所占百分比图Fig.7 Percentage of dry matter weight in different nitrogen application strategies

2.3 玉米产量构成、产量和水分利用效率（WUE）

表3为不同氮肥运筹处理对玉米产量构成及水分利用效率的影响。由表3 可知，各施氮方案穗重、穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、穗行粒数和总穗粒数等指标无明显差异。不同处理之间，F3 处理穗重最重，均值达382.9 g，比F1、F2、F4和F5 处理分别重了2、6.5、7.7 和15.3 g；玉米穗长在20～22 cm，变幅不大；玉米穗粗在49～51 mm，从大到小依次为F3、F1、F5、F4、F2；F5 处理秃尖长最短，均值仅为0.8 cm；穗行粒数、穗行数和总穗粒数分别为15～17行、36～40粒和572～650 粒；百粒质量从大到小依次为F1、F4、F5、F3、F2，F2处理显著低于F1 处理，较F1 处理轻了6.9 g，较F4、F5、F3处理分别轻了5.8、3.9、3.2 g。由表3 还可知，各氮肥运筹处理产量和WUE的差距不大，产量在11.9 ～12.3 t/hm2，WUE在2.09～2.16 kg/m3，各处理无显著差异。产量和WUE从大到小依次为F3、F1、F4 、F2、F5，F3 处理产量和WUE分别为12.3 t/hm2和2.16 kg/m3。

表3 不同氮肥运筹对玉米产量及产量构成性状的影响Tab.3 Effects of different nitrogen application on Yield and yield components of maize

3 讨论

玉米对氮肥较为敏感且不同生育期对氮肥需求量不同，因此合理的氮肥运筹处理不仅有利于玉米良好生长发育，同时还能增加玉米氮素吸收率和提高肥料利用率，从而达到玉米增产目的[16]。前人研究表明，玉米生育前期由于植株叶片较少，根系不发达，吸收氮肥能力差，氮肥吸收量不到10%，相反，玉米生育中后期玉米根系发育完全吸收水分能力强，对氮肥的吸收能力明显提高，植株叶片茂盛光合作用强，生理功能完全，氮素向籽粒分配能力强[17]，因此大量研究者开展了氮肥后移试验，试验也证明氮肥后移能显著提高肥料利用效率和增加玉米产量[18,19]，但施氮后移侧重于不同关键生育期对玉米也有不同的影响。侯云鹏[20]等研究表明，氮肥后移注重拔节期和抽雄期两个时期，可在满足玉米营养生长对氮素需求的前提下，提高玉米生殖生长阶段对养分的供应，使玉米雌穗增大和粒数的增加，玉米灌浆充分，从而获得较高的产量；李二珍[21]等认为在施氮后移在大喇叭口期追肥有利于春玉米获得较高产量；张建军[22]等研究说明在拔节期追肥能延缓玉米生育后期叶绿素含量相对含量的下降，增加了生育后期光合产物的生产量和转运量，优化产量构成。

在膜下滴灌“少量多次”的灌溉制度下，本试验结果发现，F1 施肥处理集中于拔节期，玉米在拔节期的株高、茎粗和叶绿素含量较其他处理高，但拔节期后玉米生长呈现劣势，茎粗、叶面积指数和叶绿素含量在灌浆期～完熟减少量最多，这可能是由于该处理拔节期施肥量大，为玉米前期提供了充足的氮素，玉米长势较好，但拔节期后期随着灌水次数的增加，前期没有被玉米吸收的氮肥在水的作用下逐渐被运移至土壤深层而无法被根系吸收，导致玉米生育后期缺肥，减弱了玉米叶片抗衰老的能力，虽然该处理玉米后期衰老较快，但F1 处理产量还是较高，这可能是由于该处理在生育期内叶绿素含量一直保持优势有关；F2 施肥处理兼顾拔节期与灌浆期，全生育期玉米长势一般，穗期的穗轴干物质质量占比最小，产量与水分利用效率最低，这是由于穗期是玉米穗轴发育的关键期，缺氮影响了该处理穗轴的正常发育，虽然该处理灌浆期施氮肥，一定程度上能维持玉米叶绿素含量，但穗期缺氮对穗轴的影响导致干物质向籽粒分配量存在上限，最终导致产量与水分利用效率不高；F3 施肥处理为均匀施肥，玉米全生育期长势较好，叶面积指数最高，干物质质量分配合理，产量与水分利用效率最高，由此说明均匀施肥条件下，肥随水少量多次的运到玉米根系层，减少了氮素淋溶损失，不仅能满足玉米生育前期营养生长对氮素的需求，也保证生育后期玉米的生殖生长，但该氮肥处理茎粗最小，这可能与该处理与其他处理相比在拔节期单次施肥量小，在滴灌高频灌溉条件下氮肥浓度低有关；F4 施肥处理侧重于拔节期，玉米获得了较为粗壮的茎秆，从施氮量来看，F4 处理在拔节期和穗期高于F2、F3、F5 处理，低于F1 处理，但拔节期后F4处理茎粗最大，由此可见茎粗对拔节期和穗期施氮量较为敏感且存在阈值，F4处理产量低于F1和F3处理，比较其施肥处理不难发现苗期和拔节前期施肥量较F1和F3少，导致该处理拔节期后叶绿素含量偏低，影响了产量；F5 施肥处理施氮侧重于灌浆期，玉米前期株高和叶面积指数不高，虽然后期茎秆和叶片减少量最小，干物质质量转运至穗轴和籽粒较多，但产量与水分利用效率不高，这可能是由于该处理苗期、拔节前期施氮量小，玉米由于前期缺氮而植株矮小，叶片较少，光合作用低，导致该处理模式下产量与水分利用效率不高。综上所述，苗期到拔节前期和穗期是该试验条件下玉米获得高产的关键施肥期，灌浆期施肥能延缓玉米的衰老，但对产量的影响较小。

4 结论

试验通过膜下滴灌少量多次灌溉条件下氮肥运筹的研究，可以得到以下结论：

（1）生育期内施肥集中于拔节期，玉米茎秆、叶片前期长势较好，后期容易脱肥而提前衰老，但前期良好的营养生长为玉米后期获得较高产量提供一定优势；施肥兼顾拔节和灌浆期，穗期不施肥导致玉米生殖生长关键期缺肥而使穗轴发育不良，严重影响产量与水分利用效率；均匀施肥为玉米各生育期提供氮素，有利于玉米生长，玉米干物质分配合理，产量和水分利用效率高；施肥侧重于拔节期，玉米获得了粗壮的茎秆，但苗期缺肥，一定程度上会影响产量和水分利用效率；施肥侧重于灌浆期，玉米株高、叶片前期生长不良，导致叶面积指数不高，虽然后期抵抗衰老能力较强，但是产量与水分利用效率低。由此可见，在辽西北风沙土地区，在保证玉米苗期到拔节前期氮素供应的前提下，增加穗肥，可以提高玉米产量和水肥利用效率。

（2）综合考虑玉米生长、干物质、产量和水分利用效率，在辽西北风沙土地区施氮肥300 kg/hm2条件下，推荐均匀施肥处理（基肥、苗期肥、拔节肥、穗肥、粒肥质量比为2∶1∶1∶1∶1）为玉米最佳氮肥运筹。