水肥热耦合对滴灌青贮玉米生长、光合及产量的影响

单 宁，田军仓，2，3，闫新房，2，3，沈 晖，2，3

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021）

0 引 言

玉米分布广泛，是我国的高产粮食作物。青贮玉米产量高、营养价值好，是畜牧业发展的重要饲料来源[1]。随着人民生活水平不断提高以及畜牧业规模化发展，人们对优质肉、蛋、奶的需求不断增加，以青贮玉米为主要饲草供给来源的资源短缺问题将会成为制约饲料工业和养殖业的发展的瓶颈[2]。宁夏位于我国西北干旱地区，光热资源丰富，蒸发强烈，全年降雨少，水资源匮乏，昼夜温差大，秋冬和早春季节室外气温极低，难以满足植株生长的温度要求，没有增温措施的作物生产存在着极大风险，严重制约着作物的产量和品质。引黄灌区用水农业占比较大[3]，水肥资源利用率低[4]。因此，在西北干旱缺水地区对土壤水、肥、热进行综合调控非常必要。

目前，关于玉米节水灌溉的研究多集中在覆膜条件下不同滴灌水分处理影响[5−7]、覆膜条件下滴灌水肥耦合[8]、充分滴灌条件下不同覆膜方式的影响[9]、滴灌条件下不同覆膜方式和施肥量对其的影响[10]、滴灌条件下不同覆膜方式和灌水量对其的影响[11]。上述研究表明，目前关于玉米滴灌的研究多集中在水、肥、热单因素或水肥耦合，但是滴灌土壤水肥热三因素耦合对青贮玉米生长、光合和产量的影响鲜见报道。

本文以宁夏贺兰县青贮玉米为对象，开展了滴灌土壤水肥热三因素耦合对青贮玉米生长、光合和产量的影响研究，旨在确定各因素最优的组合方案，为宁夏引黄灌区青贮玉米的提质增效提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年5月至8月在宁夏回族自治区银川市贺兰县常信乡于祥村现代化生态灌区基地进行（106°16'54″～106°18'13″E，38°40'19″～38°41'38″N）。试验田土壤属壤土，0～20 cm 播前土壤干容重为1.39 g/cm3，田间持水率为22.05%(占干土重%)，初始土壤中的pH 值为7.67，全盐量为0.5 g/kg，碱解氮为60 mg/kg，速效磷为9.7 mg/kg，速效钾为187 mg/kg，有机质为8.04 g/kg。2020年玉米生育期降雨量为148 mm，其中5月为10.1 mm，6月为41.8 mm，7月为13.6 mm，8月为82.5 mm；地下水埋深为1.66 m。

1.2 试验设计与实施

采用正交试验，设置灌溉定额A、追肥量B、根区温度C 3 个因素，每个因素设3 个水平，每个处理3 次重复，共设27个小区。正交试验因素与水平编码见表1，正交试验方案见表2，其中灌水、追肥中水平根据文献并结合当地实际情况设定。设置CK处理1个，灌溉定额为中水平，追肥量为中水平，不覆膜。旨在研究滴灌水肥热三因素耦合对青贮玉米生长、光合及产量的影响规律，确定各因素最优的组合方案。

表1 正交试验因素与水平编码Tab.1 Orthogonal experimental factors and horizontal coding

表2 正交试验方案Tab.2 Orthogonal experimental scheme

本试验供试玉米品种为“先玉1225”。2020年5月3日种植，9月4日收获。采用机播宽窄行布置，窄行间距为45 cm（种植两行玉米），宽行间距为85 cm，株距20 cm，种植密度为5 130 株/hm2。每个处理分3 个小区，每个小区长17 m，宽3.9 m（3 个宽窄行）。两行玉米中间铺设一条内嵌贴片式滴灌带，管径16 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2.5 L/h，每条滴灌带首端安装小球阀进行控制。2020年4月12日施基肥，分别为尿素（N≥46%）300 kg/hm²和磷酸二铵（总养分≥64%，N−P2O5−K2O，18−46−0）900 kg/hm²。每个处理间设1.3 m 的隔离带，防止水、肥侧向渗漏。灌溉水源为地下水，全生育期共灌水7 次，其中苗期1 次，各处理灌水定额为270 m³/hm2，拔节期2 次、抽雄期2 次、吐丝期1 次、灌浆期1 次，各次灌水的低、中、高灌水定额水平分别为225、300 和375 m3/hm2；全生育期共追肥4 次，均为尿素（N≥46%），其中拔节期1 次、抽雄期2 次、吐丝期1 次，各次追肥的低、中、高追肥定额水平分别为108、135 和162 kg/hm2（抽雄期第1 次追肥定额为低、中、高追肥定额水平的67%）。

1.3 测定项目与方法

各处理分别选取并标记3株长势均匀的青贮玉米，采用卷尺和游标卡尺测量青贮玉米株高、茎粗，青贮玉米叶面积指数采用Montgomery法[12]测定。

青贮玉米（抽雄期−灌浆期）的光合作用测定在天气晴朗的天气进行（8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00），采用便携式光合作用测量系统（LI−6800，美国LI−COR 公司生产）对青贮玉米叶片净光合速率A、蒸腾速率E、气孔导度Gs及胞间二氧化碳浓度Ci进行了测定，每处理重复3次。

采用地温计测量青贮玉米不同处理土壤5、10、15、20、25 cm 深度的温度，测量的时间为一天中的8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00。

在青贮玉米乳熟期（9月4日）对每个处理及重复选取3个样方测定鲜生物产量及籽粒产量。

数据统计及图表绘制使用Excel 2016 和Origin 2018 完成，采用DPS 7.05进行极差与方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型地膜覆盖下青贮玉米0～25 cm根区温度日变化

对青贮玉米不同覆膜处理测得的5、10、15、20、25 cm不同深度和时刻的根区温度进行平均，得到0～25 cm 根区温度日变化见图1。不同类型地膜覆盖下青贮玉米0～25 cm 根区温度日变化趋势基本一致，均表现为8∶00−14∶00 逐渐升高，到14∶00 时温度达到最大，16∶00−18∶00 略有下降。其中无膜条件下8∶00−18∶00 的青贮玉米0～25 cm 根区温度为21.6 ℃，普通地膜为22.7 ℃，无纺布除草膜为22.1 ℃，由此可见，覆普通地膜时0～25 cm 的日平均地温最高，比覆除草膜高2.71%，比不覆膜高5.09%，覆除草膜比不覆膜高2.31%。因此，覆普通地膜时对玉米根区保温最有利。

图1 不同类型地膜覆盖下青贮玉米0～25 cm根区温度日变化Fig.1 Diurnal variation of temperature in 0～25 cm root zone of silage maize under different types of plastic film mulching

2.2 不同处理对青贮玉米生长指标的影响

2.2.1 不同处理对青贮玉米株高的影响

从图2可知，自试验方案实施以后，不同试验处理的青贮玉米株高差异明显。在8月5日（灌浆期）逐渐稳定，此时T9处理的青贮玉米株高最大，比CK 处理高6.77%，CK 比T1 处理高6.57%。由极差分析得，三因素对青贮玉米株高的影响顺序依次为灌溉定额>追肥量>根区温度。

图2 不同处理青贮玉米株高变化Fig.2 Changes of plant height of Silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定额对青贮玉米株高有极显著影响，追肥量对青贮玉米株高有显著影响，根区温度对青贮玉米株高无显著影响。由图3可知，青贮玉米的株高随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增高。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定青贮玉米株高各因素最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最优株高为374.0 cm。

图3 株高与各因素关系Fig.3 Relationship between plant height and various factors

2.2.2 不同处理对青贮玉米茎粗的影响

由图4可知，随着生育期的推移，不同处理青贮玉米的茎粗变化表现为快速增长−缓慢增长−趋于稳定的趋势。苗期−拔节玉米茎粗增长最快，抽雄期以后逐渐稳定。在8月5日（灌浆期）基本稳定，此时T9 处理的最高，比CK 处理高10.72%，CK 比T1 处理高了3.34%。由极差分析得，三因素对青贮玉米茎粗的影响顺序依次为灌溉定额>根区温度>追肥量。

图4 不同处理青贮玉米茎粗变化Fig.4 Changes of stalk diameter of silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定额对青贮玉米茎粗有极显著影响，根区温度对青贮玉米茎粗有显著影响，追肥量对青贮玉米茎粗无显著影响。由图5可知，青贮玉米的茎粗随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增大。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定青贮玉米茎粗最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最优茎粗为28.81 mm。

图5 茎粗与各因素关系Fig.5 Relationship between stem diameter and various factors

2.2.3 不同处理对青贮玉米叶面积指数的影响

由图6可知，随着生育期的推移，不同处理青贮玉米的叶面积指数变化表现为快速增长−缓慢增长−趋于稳定的趋势。8月5日，T9 处理的叶面积指数最大，比CK 高了15.87%，CK比T1 处理高了6.18%。由极差分析得，三因素对青贮玉米叶面积指数的影响顺序依次为灌溉定额>根区温度>追肥量。

图6 不同处理青贮玉米叶面积指数变化Fig.6 Changes of leaf area index of Silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定额对青贮玉米叶面积指数有极显著影响，根区温度对青贮玉米叶面积指数有显著影响，追肥量对青贮玉米叶面积指数无显著影响。由图7可知，青贮玉米的叶面积指数随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大呈增加趋势。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定青贮玉米叶面积指数最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N 为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最优叶面积指数为6.57。

图7 叶面积指数与各因素关系Fig.7 Relationship between leaf area index and various factors

2.3 不同处理对青贮玉米光合作用的影响

2.3.1 不同处理对青贮玉米净光合速率日变化的影响

由图8可以看出，不同处理青贮玉米的叶片净光合速率日变化呈“凸双峰曲线”趋势。在两个峰值处的净光合速率，T9处理分别比CK 增大了37.47%、11.47%，CK 分别比T1处理高了48.46%、66.13%；在谷值处的净光合速率，T9处理比CK提高20.75%，CK 比T1 处理增大8.80%。由极差分析得，三因素对青贮玉米叶片净光合速率的影响顺序依次为灌溉定额>追肥量>根区温度。

图8 不同处理玉米净光合速率日变化Fig.8 Daily variation of net photosynthetic rate of maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定额对青贮玉米叶片净光合速率有极显著影响，追肥量和根区温度对青贮玉米叶片净光合速率无显著影响。由图9可知，青贮玉米的净光合速率随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增高。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定青贮玉米的净光合速率叶片最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N 量为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青贮玉米的叶片日净光合速率最大为34.74 μmol/(m2·s)。

图9 净光合速率与各因素关系Fig.9 Relationship between net photosynthetic rate and various factors

2.3.2 不同处理对青贮玉米蒸腾速率日变化的影响

由图10可以看出，不同处理青贮玉米叶片的蒸腾速率日变化呈“凸抛物线”形式。在12：00 时T9 处理的蒸腾速率最大，T1 处理的最小。在峰值处青贮玉米叶片的蒸腾速率，T9处理比CK 提高7.69%，T1 处理比CK 降低59.18%。由极差分析得，三因素对青贮玉米叶片蒸腾速率的影响顺序依次为灌溉定额>追肥量>根区温度。

图10 不同处理玉米蒸腾速率日变化Fig.10 Diurnal variation of maize transpiration rate under different treatments

由方差分析可知，灌溉定额对青贮玉米叶片蒸腾速率影响显著，追肥量和根区温度对青贮玉米叶片蒸腾速率无显著影响。由图11可知，青贮玉米的蒸腾速率随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增高。综合考虑参考组合A3B3C2（T9处理）、显著性及节本增效等因素，确定最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N 量为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青贮玉米的叶片日蒸腾速率最大为0.016 8 mol/(m2·s)。

图11 蒸腾速率与各因素关系Fig.11 Relationship between transpirationrate and various factors

2.4 不同处理对青贮玉米产量的影响

2.4.1 不同处理对青贮玉米鲜生物产量的影响

不同处理青贮玉米鲜生物产量见图12，可以看出T9 处理的鲜生物产量最大，达到了96 638 kg/hm2，比CK 提高14.96%，CK 比T1 处理提高8.36%。由极差分析得，三因素对青贮玉米鲜生物产量的影响顺序依次为灌溉定额>追肥量>根区温度。

图12 不同处理青贮玉米鲜生物产量Fig.12 Fresh biomass yield of silage maize under different treatments

由表3可知，灌溉定额和追肥量对青贮玉米鲜生物产量影响显著，根区温度对鲜生物产量影响不显著。由图13可知，青贮玉米的鲜生物产量随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增大。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N 为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青贮玉米鲜生物产量为96 638 kg/hm2。

表3 鲜生物产量与三因素关系方差分析结果Tab.3 Results of variance analysis of the relationship between fresh biomass yield and three factors

图13 鲜生物产量与各因素关系Fig.13 Relationship between fresh biomass yield and various factors

2.4.2 不同处理对青贮玉米籽粒产量的影响

青贮玉米一般是指在适宜的时期内收获的地上部全株绿色植株，经粉碎加工后储藏发酵制成饲料的一种玉米，但为了研究需要，对籽粒产量也进行了收获。不同处理青贮玉米籽粒产量见图14。其中T9 处理的籽粒产量最大，达到了14 927 kg/hm2，比CK 提高13.25%，CK 比T1处理提高7.04%。由极差分析得，三因素对青贮玉米籽粒产量的影响顺序依次为灌溉定额>追肥量>根区温度。

图14 不同处理青贮玉米籽粒产量Fig.14 Grain yield of silage maize under different treatments

由表4可知，灌溉定额和追肥量对青贮玉米籽粒产量影响极显著，根区温度对籽粒产量影响不显著。从图15可知，青贮玉米的籽粒产量随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增大。综合考虑参考组合A3B3C2（T9 处理）、显著性及节本增效等因素，确定最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2，追肥量为594 kg/hm2（纯N 为273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青贮玉米籽粒产量为14 927 kg/hm2。

表4 籽粒产量与三因素关系方差分析结果Tab.4 Results of variance analysis on the relationship between grain yield and three factors

图15 籽粒产量与各因素关系Fig.15 Relationship between grain yield and various factors

3 结 论

（1）极差分析表明：土壤水肥热三因素耦合对青贮玉米株高、净光合速率、蒸腾速率、鲜生物产量及籽粒产量的影响顺序依次为灌溉定额＞追肥量＞根区温度，对茎粗、叶面积指数的影响顺序依次为灌溉定额>根区温度>追肥量。青贮玉米的株高、茎粗、叶面积指数、净光合速率、蒸腾速率、鲜生物产量及籽粒产量随着灌溉定额、追肥量和根区温度的增大而增大。

（2）方差分析表明：土壤水肥热三因素耦合对青贮玉米各项指标影响的显著性为：灌溉定额对青贮玉米株高、茎粗、叶面积指数、净光合速率、籽粒产量影响极显著，对蒸腾速率和鲜生物产量影响显著；追肥量对青贮玉米籽粒产量有极显著影响，对青贮玉米株高、鲜生物产量有显著影响；根区温度对青贮玉米茎粗、叶面积指数有显著影响。

（3）在生育期内降雨量为148 mm、地下水埋深为1.66 m条件下，综合考虑水肥热耦合对青贮玉米生长、光合及产量的影响，确定各因素最优组合为A3B3C2，即灌溉定额为2 520 m3/hm2、追肥量为594 kg/hm2（纯N 为273.24 kg/hm2）、覆普通地膜各项指标较好，鲜生物产量为96 638 kg/hm2，比CK 增产14.96%，籽粒产量为14 927 kg/hm2，比CK 增产13.25%。这是由于在本试验条件下，最优组合方案可促进作物进行光合作用，持续供给作物生长必要的养分，保持土壤水分、提高作物根区温度，有利于青贮玉米鲜生物产量和籽粒产量的积累。

土壤水肥热三因素相互协调，共同促进作物生长发育。水肥是日常生产生活中促进作物生长发育的主要因素，地膜覆盖可以有效减少土壤蒸发，有利于作物更好地吸收养分，达到增温、保墒及增产的效果[13]。