不同水氮条件下垄膜沟灌玉米的产量及水分利用效应

张立勤 杨思存 崔云玲 王成宝

摘要：为明确灌水和施氮对甘肃河西走廊地区垄膜沟灌玉米产量的影响，通过裂区试验，研究了不同施氮量和灌溉定额下垄膜沟灌玉米的产量及水分利用效果，结果表明，施氮、灌水以及二者之间的交互作用对玉米产量均有重要影响。灌溉定额从3 600 m3/hm2增加到4 500 m3/hm2和在0～300 kg/hm2范围内增施氮肥，玉米穗粒数、千粒重增加、增产显著。增加灌水和减少施氮，玉米水分利用效率降低。其中施N 300 kg/hm2、灌水定額为4 500 m3/hm2处理的玉米产量及水分利用效率相对较高，与最高产量处理施N 300 kg/hm2、灌水定额为5 400 m3/hm2相比，仅减产0.17%，减产差异不显著，且水分利用效率较施N 300 kg/hm2、灌水定额为5 400 m3/hm2处理提高了11.45%，节水900 m3/hm2。在河西走廊垄膜沟灌栽培条件下，可选择施N 300 kg/hm2和灌水4 500 m3/hm2为玉米的适宜氮肥用量和灌溉定额。玉米获得15 000 kg/hm2以上高产的适宜施氮量为180～390 kg/hm2，灌溉定额3 720～5 100 m3/hm2。

关键词：玉米;垄膜沟灌;施氮量;灌溉定额;水氮耦合;水分利用效率

中图分类号：S513; S275; S147.2 文献标志码：A 文章编号：1001-1463（2021）11-0034-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.11.008

Yield and Water Utilization Effects of Corn Cultivated by Raised Bed Plastic Film Mulching and Furrow Irrigation under Different

Water and Nitrogen Conditions

ZHANG Liqin， YANG Sicun， CUI Yunling， WANG Chengbao

（Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Science， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：In order to determine the effects of irrigation and nitrogen application on the yield of corn under ridge film furrow irrigation in Hexi Corridor of Gansu Province， the yield and water use effect of corn under ridge film furrow irrigation under different nitrogen application rate and irrigation quota were studied by split plot test. The results showed that nitrogen application， irrigation and the interaction between water and nitrogen had important effects on corn yield. When the irrigation quota increased from 3 600 m3/hm2 to 4 500 m3/hm2 and the application of nitrogen fertilizer increased in the range of 0～300 kg/hm2， the number of grains per ears of corn and 1000-grain weight also increased， and yield increased significantly. Increasing irrigation quota and reducing nitrogen application，water use efficiency of corn decreased. The yield and water use efficiency of corn treated with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 4 500 m3/hm2 were relatively higher， and the yield reduction was only 0.17% compared with that of the highest yield treated with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 5 400 m3/hm2， with no significant difference in yield reduction. Compared with N 300 kg/hm2 and irrigation quota of 5 400 m3/hm2， WUE increased by 11.45%， water saving 900 m3/hm2. Under the conditions of cultivation of raised bed covered with plastic film and furrow irrigation in the Hexi Corridor， 300 kg/hm2 and 4 500 m3/hm2 can be selected as the suitable nitrogen application rate and irrigation quota for corn. To obtain yield above      15 000 kg/hm2 for corn， the suitable nitrogen application and irrigation quota ranges are 180～390 kg/hm2 and    3 720～5 100 m3/hm2 respectively.

Key words：Corn;Raised bed covered with plastic film and furrow irrigation;Amount of nitrogen applied;Irrigation norm;Water coupling with nitrogen;Water use efficiency

實施水、氮科学管理是实现玉米产量提高、协同资源高效利用的重要途径[1 ]。高亚军等[2 ]研究表明，缺水和干旱胁迫会导致玉米减产;前人的研究显示，增加灌水量和增施氮肥均可促使玉米增产，并且水、氮之间存在明显的交互作用，轻度水分胁迫下适当提高氮肥用量，有利于提高玉米产量，较高的土壤水分可以利用更多的有效氮[3 - 6 ]。杨蕊菊等[7 ]研究指出，水分不足影响氮肥肥效发挥，水分过多会导致氮素淋溶和作物减产。河西走廊是我国玉米高产区[8 ]，玉米也是该区重要的粮食作物，其产量水平对区内农业增效和农民增收至关重要。为追求高产，当地玉米生产中一直沿用高水高肥灌水施肥模式[9 ]，水肥利用效率不高，浪费严重，不仅加剧了区内原有的缺水危机，也加大了氮素淋溶风险，对区域生态环境安全形成潜在威胁。玉米垄膜沟灌栽培技术是针对河西走廊缺水危机发展起来的一项节水效果显著、应用前景广阔的创新技术[10 - 11 ]，但与之相关的水肥管理研究较少，加之已有研究成果的异地适用性有限，对其应用的具体指导性不强，生产中水、氮应用主要参照传统漫灌模式进行，致使技术优势不能发挥，在很大程度上影响了玉米生产效益。为此，我们研究了不同施氮量和灌水定额对玉米产量和水分利用效率的影响，旨在确定垄膜沟灌玉米在高产条件下的适宜灌水量和施氮范围，以期为创建节水减肥、环境友好的水氮协同管理模式提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   试验区概况

试验于2016年4 — 9月在甘肃省高台县黑泉乡定平村进行。试验地地理位置为99° 39′ 35″ E、39° 27′ 59″ N，当地海拔1 331 m，多年平均降水量103.2 mm，蒸发量    1 923.4 mm，无霜期149 d。地下水埋深43 m，年变幅1.0 m左右。试验于4月20日播种，9月25日收获，期间降水量42.3 mm，其中≥5mm的有效降水量22.2 mm。试验地耕层（0～20 cm）土壤含速效氮69.03 mg/kg、速效磷31.40 mg/kg、速效钾233.50 mg/kg、全盐0.65 g/kg，pH 8.56。

1.2   试验材料

供试氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为重过磷酸钙（含P2O5 46%），钾肥为农用硫酸钾（含K2O 51%）。指示玉米品种为武科2号。

1.3   试验设计

试验采用裂区设计，主区为施氮量，设4个水平，分别为N1，施N 0 kg/hm2;N2，施N 150 kg/hm2;N3，施N 300 kg/hm2;N4， 施N 450 kg/hm2。副区为灌溉定额，设3个水平，分别为W1，灌溉定额为3 600 m3/hm2;W2，灌溉定额为4 500 m3/hm2;W3，灌溉定额为5 400 m3/hm2。试验共设12个处理，试验小区顺序排列，3次重复，共36个小区，小区面积24 m2（4 m×6 m）。小区之间打地埂宽50 cm。采用垄膜沟灌栽培方式，垄幅 100 cm，垄宽60 cm，沟宽40 cm，垄高20 cm，用幅宽140 cm地膜覆盖垄面和垄沟。垄面种植2行玉米，行距50 cm，株距24 cm。氮肥30%做底肥，其余40%和30%分别于大喇叭口和抽雄后随水追施。各处理磷、钾肥施用量相同，播种前一次性基施P2O5 120 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。玉米全生育期灌水4次，分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄后、灌浆中期进行，各次灌溉定额分别占灌溉定额的20%、30%、30%、20%。用水表控制水量。

1.4   测定项目与方法

1.4.1   土壤含水量   播种前、收获后及每次灌水前采用烘干法结合中子仪测定0～120 cm土层土壤含水量，其中0～20 cm土层采用烘干法测定，20～120 cm土层用中子仪测定，测定土层依次为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm。

1.4.2   作物生育期耗水量及水分利用效率

作物生育期耗水量根据田间水分平衡方程式ET=P+I+G±△W计算，式中ET为玉米生育期耗水量（mm）;P为播种至收获期有效降水量（mm）;I为生育期灌水量（mm）;G为作物利用地下水量（mm）， 由于试验地地下水埋深20 m以上，因此取G=0;△W为播种至收获期0～120 cm土层土壤贮水量的变化（mm），具体按公式△W=（播种前体积含水量-收获后体积含水量）×1 200 mm计算。

水分利用效率：WUE=Y/ET，式中Y为作物籽粒产量（kg/hm2），ET为玉米生育期耗水量（mm）[12 - 15 ]。

1.4.3   计产和考种   收获前各试验小区分别连续取样10株进行常规考种，去除边垄，分小区收获计产。

1.5   数据处理

用DPS软件和Excel 2003软件对试验数据进行处理及相关分析。

2   结果与分析

2.1   施氮量和灌溉定额对玉米产量及构成因素的影响

2.1.1   施氮量对玉米产量的影响   从表1可以看出，增施氮肥对玉米产量影响较大，施氮量从N1增大到N3时玉米增产极显著，在N3水平产量最高，分别比N1水平和N2水平增产35.52%、10.60%;超过N3水平继续增施氮肥至N4水平时，玉米产量不再增加，产量呈下降趋势，但与N3水平之间的差异不显著。以上结果表明，在一定范围内适度增施氮肥有利于玉米增产，过量施氮对增产不利，反而会增加生产成本，降低种植效益。因此，可选择N3水平施氮，即300 kg/hm2为垄膜沟灌条件下玉米栽培的氮肥适宜施用量。

2.1.2   灌溉定额对玉米产量的影响   随灌溉定额的增加，玉米产量持续增加（表2），在W3水平下产量最高，但在不同范围内，增加灌溉定额对产量的作用并不相同。当灌溉水平从W1水平增加到W2水平时，玉米产量极显著增加;当灌溉定额高于W2水平继续增加时，尽管玉米产量仍呈增加趋势，但增产效果不再显著。表明在玉米生產中并不是灌水越多越好，过量灌溉对提高玉米种植效益意义不大。在垄膜沟灌栽培条件下，玉米的适宜灌溉水平为W2，即灌溉定额为4 500 m3/hm2。

2.1.3   不同水氮条件对玉米的产量表现及产量构成因素的影响   从表3可以看出，施氮量与灌溉定额之间存在明显的互作效应，说明施氮、灌溉定额及水氮互作对玉米的产量都有重要影响。在以上因素的共同作用下，处理N3W3产量最高，比其他处理增产0.17%～49.14%，与处理N3W2和N4W3之间的产量差异不显著，但与其他处理之间的产量差异均达显著水平;其次为N3W2处理，产量略低于处理N3W3，但两者差异不显著，比其他处理增产3.45%～48.89%。

分析水、氮因素对玉米产量构成因素的影响可以看出，适度增施氮肥有利于增加玉米的穗粒数，在N3水平下穗粒数最高，分别比N1、N2、N4水平下增加161.2、62.1、20.3粒，继续增施氮肥至N4水平时穗粒数不再增加。在一定的施氮范围内增加灌溉定额，玉米穗粒数也随之增加。N3水平下玉米千粒重显著高于N2水平和N1水平，较N2水平和N1水平分别增加11.7、29.4 g，但与N4水平差异不显著。在一定的施氮范围内随灌溉定额增加，玉米千粒重也呈增加趋势，W3水平下千粒重显著高于W1水平，但与W2水平之间的差异不显著。综上可以看出，N3W3处理之所以玉米折合产量最高，是因为其穗粒数和千粒重均高于其他处理。产量居第2位、第3位的N3W2处理和N4W3处理，其穗粒数和千粒重也相对较高，因而表现出较高的产量水平。

2.2   不同水氮条件对玉米水分利用的影响

随施氮量增加，玉米水分利用效率呈现先增加后降低的变化趋势（表4）。施氮量从N1水平增大到N3水平时，水分利用效率显著增加，在N3水平下达最大值，分别比N2水平、N1水平增加7.43%、31.17%。继续增施氮肥达N4水平时，水分对玉米产量的贡献力下降，水分利用效率不再增加，反呈下降趋势。增加灌溉定额尽管可促进玉米增产，但与此同时耗水量也显著增大，加之水分对产量的促进作用有限，因此水分利用效率下降。在水氮因素的共同作用下，N3W2处理的水分利用效率虽然低于N4W1处理、N3W1处理和N2W1处理等低灌溉定额处理，与N4W1处理差异显著，但与N3W1处理和N2W1处理之间的差异均不显著，且高于其他处理，水分利用效率比其他处理提高3.25%～59.55%。

2.3   垄膜沟灌玉米水氮耦合效应方程及协同管理模式

对玉米折合产量、施氮量和灌溉定额等数据通过公式xi=（Ai-K）/R（式中：xi 为中心标准化的数据，Ai为实际的指标值或观测值，K为中位数，R为极差）进行中心标准化处理，并对处理后的数据进行回归分析，结果表明，施氮量、灌溉定额和折合产量之间可通过回归方程Y=0.70 813X1+0.18 686X2- 1.21 912X12-0.20 426X22+0.35 062X1X2+0.13 312进行拟合（P=0.00 237，R2=0.86 563），其中Y为玉米折合产量，X1为施氮量，X2为灌溉定额。由于方程P值<0.01，表明拟合效果极其显著。对以上回归方程进行寻优，结果表明，施氮量为407.85 kg/hm2，灌溉定额为5 951.1 m3/hm2时，玉米产量可达16 551.0 kg/hm2。由玉米产量的水氮交互效应（图1）可以看出，施氮量为180～390 kg/hm2、灌溉定额在3 720～5 100 m3/hm2变化时，垄膜沟灌玉米可获得15 000 kg/hm2以上的高产，尽管在390 kg/hm2基础上继续增施氮肥、或在5 100 m3/hm2的基础上提高灌溉定额，也可获得15 000 kg/hm2以上的产量，但若氮肥超过300 kg/hm2再继续增加时，玉米产量呈下降趋势，与此同时，生产成本增加。灌溉定额高于4 500 m3/hm2再继续增加时，增产效果不再显著。综上所述，垄膜沟灌玉米适宜的施氮量为180～390 kg/hm2、灌溉定额为3 720～5 100 m3/hm2，在适宜的施氮量和灌溉定额条件下，玉米可获得15 000 kg/hm2以上的高产，水肥利用效果也相对优化。

3   结论与讨论

在甘肃河西走廊地区采用裂区试验方法，研究了不同施氮量和灌溉定额对垄膜沟灌玉米的产量及水分利用效果的影响。结果表明，施氮和灌水以及二者之间的互作效应对垄膜沟灌玉米产量均有重要影响。在0～300 kg/hm2范围内增施氮肥，有利于增加玉米穗粒数和千粒重，提高产量和水分利用效率。增加灌溉定额，玉米穗粒数、千粒重和产量均呈增加趋势，当灌溉定额从3 600 m3/hm2增加到4 500 m3/hm2时玉米显著增产，但灌溉定额高于4 500 m3/hm2再继续增加时增产效果不再显著。并且随着灌溉定额的增加，水分对产量的贡献力下降，玉米水分利用效率降低。对不同处理玉米产量及水氮利用效果综合比较分析可以看出，施N 300 kg/hm2、灌溉定额为4 500 m3/hm2的处理与最高产量处理施N 300 kg/hm2、灌溉定额为5 400 m3/hm2相比，虽减产0.17%，但差异不显著，且水分利用效率较施N 300 kg/hm2、灌溉定额为5 400 m3/hm2处理提高了11.45%，节水900 m3/hm2;比其他处理增产3.45%～48.89%。施氮量、灌溉定额和玉米产量之间可通过回归方程Y=0.70 813X1+ 0.18 686X2-1.21 912X12-0.20 426X22+0.35 062

X1X2 + 0.13 312进行拟合（P = 0.00 237，R2= 0.86 563，其中Y为产量，X1为施氮量，X2为灌水定额）且拟合效果极其显著，对以上方程寻优得出，垄膜沟灌条件下，玉米获得15 000 kg/hm2以上高产的适宜施氮范围为180～390 kg/hm2，适宜的灌溉定额范围为   3 720～5 100 m3/hm2。

干旱缺水严重，水分供需矛盾突出一直是制约河西走廊农业发展的关键因素。土壤氮素是影响该区玉米生长的主要养分因     子[9 ]。进行水、肥耦合研究，是实现节水减肥、发展高效、生态农业的基础。围绕水、氮因素对玉米产量的作用效果，国内外已开展大量研究，但受环境条件、栽培模式、灌水技术等诸多因素的影响，玉米产量对水氮耦合的响应也不尽相同。郭丙玉等[1 ]研究表明，灌水和施氮均可显著增加玉米产量，在0～435 kg/hm2范围内，灌溉水分生产率随施氮量升高而增加，随灌水量增加而明显下降。任中生等[16 ]研究认为，在施氮区间为0～262.5 kg/hm2时，玉米水分利用效率随施氮量的增加而升高。而本试验结果表明，在一定范围内增施氮肥和增加灌水，玉米增产显著，当施氮量高于300 kg/hm2、灌溉定额超过4 500 m3/hm2继续增施氮肥和增加灌水，玉米增产效果不明显。在0～300 kg/hm2范围内增施氮肥，玉米水分利用效率提高，主要是由于增产所致，增加灌水，尽管也有利于玉米增产，但耗水量也随之增大，水分对产量的贡献力下降，玉米水分利用下降。以上结果与石多琴[17 ]试验结果相一致。尚文彬等[18 ]研究提出，黑龙江西部地区膜下滴灌玉米的最佳灌水量为400 m3/hm2，施氮量为250 kg/hm2。张鹏等[9 ]研究显示，武威地区冬灌后春玉米在苗期不灌水，施氮量为180 kg/hm2时既可保持丰产，也能提高水分利用效率。刘小刚等[6 ]研究指出，石羊河流域武威绿洲漫灌春玉米水氮耦合模式为施氮量300 kg/hm2、灌水量340 mm，该模式既可节水增产，又可发挥氮肥最佳效应。李成等[19 ]研究提出适宜河套地区推广的垄膜沟灌春玉米水肥模式为灌水300 mm、施磷酸二铵300 kg/hm2、施尿素150 kg/hm2。试验结果表明，河西走廊垄膜沟灌栽培玉米的适宜施氮量为300 kg/hm2、灌溉定额为4 500 m3/hm2，获得15 000 kg/hm2以上高产的适宜施氮量为180～390 kg/hm2，适宜的灌溉定额为3 720～5 100 m3/hm2。试验仅研究了灌水和施氮量变化对玉米产量的作用效果，没有考虑磷素、钾素变化的影响，以及氮肥运筹和灌水分配对玉米生长的具体响应，相关研究仍有待下一步深入。

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（本文责编：郑立龙）

收稿日期：2021 - 09 - 11

基金项目：世界银行贷款可持续发展农业项目（GS00Z13002）。

作者简介：张立勤（1970 — ），男，甘肃张掖人，研究员，主要从事作物栽培和水肥资源高效利用研究工作。Email：lqzhang1993@163.com。