水氮运筹对玉米产量及水氮利用效率的影响

高翠民，丁晋利，张洁梅，姜玉琴，何 方，杨永辉，武继承*

（1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，郑州450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳453514；3.河南省农业生态环境重点实验室，郑州450002；4.河南省黄河流域节水农业野外科学观测研究站，河南 原阳453514；5.郑州师范学院，郑州450044；6.河南农业大学 农学院，郑州450046；7.浚县农业农村局，河南 浚县456250）

0 引 言

【研究意义】河南省是夏玉米种植大省，2019年播种面积达到380.13 万hm2，总产量达到2 247.37万t[1]，因此，保障河南省夏玉米的安全生产对我国粮食安全具有重要的意义。同时，河南省属暖温带亚热带、湿润半湿润季风气候，受地理位置和气候条件的影响，夏季呈雨热同期的特点，适宜夏玉米生长，但降雨时空分布不均，降雨与玉米需水关键期不能完全匹配。张杰等[2]研究表明，1961—2015年河南省夏玉米生育期有效降水均不能满足夏玉米生长，关键生育期需要灌溉补水，豫北地区尤其明显。一定的灌水量范围内玉米产量随着灌水量的增加而增加[3-5]。因此，灌溉是保障玉米产量的重要措施之一[6]。

【研究进展】作物生产是一个复杂的系统，作物产量形成是多种因素，如品种、肥料、灌溉及各种耕作措施、气候因子等共同作用的结果[7-9]。灌溉和氮肥是影响作物生长和产量形成的2 个关键因素，也是人为可控制因素。氮肥是玉米获得高产的保障[10]，然而，农民为了盲目追求高产施用过量氮肥，导致氮素利用效率低，且导致土壤酸化[11-12]、大气污染[13]和水体富营养化[13-14]等一系列的生态环境问题[15]，甚至造成玉米产量降低和品质降低[16-17]。同时，水分和氮肥之间存在显著的交互作用，水分不足影响氮素的吸收，水分过多则导致氮肥淋溶损失[18]；增施氮肥能够部分消除因水分不足而造成的减产，但过量施氮也会加剧水分胁迫，影响作物生长[19]。因此，科学合理的水氮运筹不仅能够促进作物生长、获得高产、提高水氮利用效率，还是农业可持续发展的保障[20-21]。【切入点】目前有关水氮运筹对玉米产量和水氮利用影响的研究主要集中于灌水量和施氮量的不同[4，22]、不同灌水量[5]或者灌溉方式[23]下同一种氮肥运筹方式，而有关不同灌水量和不同氮肥运筹对玉米产量和水氮利用情况的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究结合试验地区的降水和气温情况，研究了2017—2019年不同灌水量和氮肥运筹条件下夏玉米产量、WUE、IWUE和NPFP的变化规律，并分析灌水量和氮肥运筹对玉米产量和水氮利用效率的影响，明确该地区科学合理的水氮运筹方案，保障夏玉米高产、稳产同时，提高农田水氮利用效率，以期对区域农业生产提出最优的管理措施。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年6月10日—2019年10月6日在河南省浚县卫溪街道付庄村（114°30′E，35°38′N）开展。该地区属于暖温带半湿润性季风气候，年平均日照时间为2 331.8 h，日照充足；年平均温度为13.7 ℃；年平均降水量约为647.3 mm，主要集中在7—8月，占全年降水量的51.4%，具有雨热同季的优点，但是降雨时空分布不均衡。试验地土壤类型为潮土，土壤质地为壤土，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤体积质量分别为1.36、1.48、1.51、1.53、1.52 g/cm3。耕层（0～20 cm）土壤基本理化性质：pH值为7.93，有机质量为18.6 g/kg，全氮、全磷、全钾量分别为1.37、0.68、2.43 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾量分别为122.63、17.82、149 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，A 为灌水次数，B 为氮肥运筹处理。灌水次数设置3 个水平：灌0 水（A1，对照），灌2 水（A2）和灌3 水（A3），灌2 水分别在玉米小喇叭口和灌浆期，灌3 水分别在玉米小喇叭口、大喇叭口和灌浆期，每次的灌水量为45 mm。由于2017年玉米小喇叭口期施肥时恰逢降雨没有灌水，故2017年灌3 水试验处理灌了2 次。在施氮量相同的条件下，设置2 个氮肥运筹，B1：基肥（70%）+小喇叭口期（20%）+灌浆期（10%），B2：基肥（60%）+小喇叭口期（25%）+灌浆期（15%）。试验共6 个处理，每个处理3 次重复，共18 个小区，每个小区面积为30 m2（6 m×5 m），2017—2019年试验处理详见表1。氮、磷和钾施肥量分别为240（纯氮）、105（P2O5）和105（K2O）kg/hm2，基肥（氮）和磷钾肥与种子同播。供试品种：郑单958，于每年6月10日播种，播种量67 500 株/hm2，行距60 cm，于每年10月6日收获。其他管理措施与当地种植习惯相同。

表1 试验处理Table 1 Treatments of experiment

1.3 测定项目与方法

1.3.1 温度和降水量

气象数据来源于浚县气象站观测的数据。不同生育期的温度是该生育期所有日平均气温的平均值，不同生育期的降水量是该生育期累积降水量。

1.3.2 玉米产量

玉米收获时以每小区收获3 行产量记产，将其折合成单位面积产量。

1.3.3 水分利用特性

在玉米播种前和收获后，采用土钻采集0～100 cm土层土壤，每20 cm 为1 层，放入烘箱中105 ℃烘干至恒质量，用重量法计算土壤含水率，进而计算0～100 cm 土层土壤贮水量，并计算全生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率，计算式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y为玉米籽粒产量（kg/hm2）；ET为玉米生育期耗水量（mm）；P为玉米生育期内当地降水量（mm），由浚县气象局提供；I为灌溉水量（mm）；ΔSWS为玉米播种前与收获后0～100 cm 土层土壤贮水量（mm）的差值；R为地表径流（mm），每块试验田由畦垄挡水，且在夏玉米生育期间没有排涝的情况，因此不存在地表径流；D为深层渗漏（mm），在本试验开展期间强降水很少，且每次灌水量45 mm，故深层渗漏忽略不计；SWS为土壤贮水量（mm）；H为土层深度（cm）；W为土壤水分质量分数（%）；ρ为土壤体积质量（g/cm3）；IWUE为灌水利用效率（kg/（hm2·mm））。

1.3.4 氮肥偏生产力

氮肥偏生产力（NPFP，kg/kg）=籽粒产量/施氮量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 22.0 进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 2017—2019年玉米生育期平均气温和降雨量

玉米整个生育期日平均气温表现为2018年＞2019年＞2017年，而且日均气温变化幅度呈2018年＞2019年＞2017年。2018年和2019年玉米生育期日平均气温均随着生育期的推移呈先升高后降低的趋势，气温峰值出现在小喇叭口期，而2017年玉米生育期日平均气温呈逐渐降低的趋势，苗期和小喇叭口的日均温度最高（图1）。不同年度相同生育期日均气温存在一定的差异，苗期、抽雄期和灌浆期差异比较小；小喇叭口期、大喇叭口期和成熟期差异比较大。2017、2018年和2019年降水总量分别为337.1、237.2 mm 和257.1 mm。不同年份玉米不同生育期降水量的分布不一致，2017年随着玉米生育期的推移呈先升高后降低的变化趋势，而2018年和2019年呈先降低后升高再降低的变化趋势，2017、2018年和2019年的峰值分别出现在小喇叭口期、抽雄期和大喇叭口期（图1）。

图1 2017—2019年玉米生育期日均气温和累积降雨量Fig.1 Mean temperature and cumulative precipitation during maize growth period in three years of 2017—2019

2.2 水氮运筹对玉米生育期耗水特性的影响

由表2 可知，玉米生育期土壤贮水耗水量表现为2019年＞2018年＞2017年。不同年份各处理玉米生育期土壤贮水耗水量的变化趋势一致，相等灌水量条件下，表现为B2 处理＞B1 处理；氮肥运筹相同条件下，玉米生育期土壤贮水耗水量随着灌水量的增加而降低。2017—2019年各处理玉米生育期总耗水量的变化趋势一致，相等灌水量条件下，表现为B2 处理＞B1处理；氮肥运筹相同条件下，玉米生育期总耗水量随着灌水量的增加而增加，均以A3B2 处理最高，2017、2018年和2019年分别达到了470.3、450.9 mm 和495.4 mm。灌水次数（A）、氮肥运筹（B）及A×B交互作用对玉米生育期土壤贮水耗水量和总耗水量的影响均极显著或者显著（表2）。

表2 2017—2019年玉米生育期耗水特性Table 2 Water consumption characteristics during maize growth period in three years of 2017—2019 mm

2.3 水氮运筹对玉米产量的影响

灌水次数（A）和氮肥运筹（B）对玉米产量的影响均极显著，而A×B 交互作用对其没有显著影响（表3）。2017年和2019年水氮运筹各处理玉米产量表现为A3B2 处理＞A2B2 处理＞A3B1 处理＞A2B1 处理＞A1B2 处理＞A1B1 处理；而2018年表现为A3B2处理＞A3B1 处理＞A2B2 处理＞A2B1 处理＞A1B2 处理＞A1B1 处理。同时，2017—2019年A3B1 处理的玉米产量与A2B2 处理均没有显著性差异。2017—2019年玉米产量均以A3B2 处理的最高，分别达到了10 352、10 415、12 060 kg/hm2，分别较对照（A1B2处理）增产21.5%、39.6%、20.2%。2017—2019年A2B2 处理玉米产量分别达到了9 931、9 038、11 172 kg/hm2，分别较对照（A1B2 处理）增产16.5%、21.1%、11.3%。灌水显著提高了玉米产量，且随着灌水次数的增加而增加，但增产效果随着灌水次数的增加而降低。与对照（A1）相比，A2 条件下2017—2019年玉米产量的增幅为11.3%～21.1%；与A2 处理相比，A3条件下2017—2019年玉米产量的增幅为4.0%～15.4%。灌水量相等条件下，B2 处理的玉米产量显著高于对应B1 处理（表3）。

表3 2017—2019年玉米产量及其方差分析结果Table 3 Maize yields and result of variance analysis of 2017—2019 kg/hm2

2.4 水氮运筹对玉米水分利用特性的影响

2017年和2019年玉米WUE均表现为A3B2 处理＞A2B2 处理＞A3B1 处理＞A2B1 处理＞A1B2 处理＞A1B1 处理；而2018年表现为A3B2 处理＞A3B1处理＞A2B2 处理＞A1B2 处理＞A1B1 处理＞A2B1 处理，而且2017—2019年A3B1 处理玉米WUE与A2B2 处理均没有显著性差异（表4）。2017—2019年玉米WUE均以A3B2 处理最高，分别为22.0、23.1 和24.2 kg/（hm2·mm），较对照（A1B2 处理）分别增加4.8%、9.6%和10.9%（表4）。氮肥运筹相同条件下，玉米IWUE随灌水次数的增加而降低，2017—2019年玉米IWUE均以A2B2 处理最高，分别为220.7、100.4 和124.1 kg/（hm2·mm），较A3B2 处理分别增加91.9%、30.2%和39.0%。与A3 处理相比，B1 和B2 条件下A2 处理的玉米IWUE分别提高30.0%～89.4%和30.2%～91.9%（表4）。灌水次数（A）和氮肥运筹（B）对玉米WUE和IWUE的影响均极显著（除2017年IWUE外），然而，A×B 交互作用对玉米WUE和IWUE均没有显著的影响。

表4 2017—2019年玉米水分利用特性Table 4 Water use characteristics of maize of 2017—2019

2.5 水氮运筹对玉米氮肥偏生产力的影响

由表5 可知，灌水次数（A）和氮肥运筹（B）对玉米氮肥偏生产力的影响均极显著。2017—2019年水氮运筹各处理玉米氮肥偏生产力均以A3B2 处理的最高，3 a 分别达到了49.30、49.59、57.43 kg/kg，分别较对照（A1B2 处理）提高21.5%、39.1%、20.2%。2017年和2019年水氮运筹各处理玉米氮肥偏生产力以A2B2 处理次之，而2018年以A3B2 处理次之，且2017—2019年A3B1 处理的玉米氮肥偏生产力与A2B2 处理的均没有显著性差异（表5）。2017—2019年A2B2 处理玉米氮肥偏生产力分别达到了47.29、43.04、53.20 kg/kg，分别较对照（A1B2 处理）提高16.5%、21.2%、11.3%。灌水显著提高了玉米氮肥偏生产力，且随灌水次数的增加而增加。灌水量相等条件下，2017年2 种氮肥运筹间玉米氮肥偏生产力没有显著性差异，而2018年和2019年B2 处理的玉米氮肥偏生产力显著高于对应B1 处理（表5）。

表5 2017—2019年玉米氮肥偏生产力Table 5 Nitrogen partial factor productivity of maize of 2017—2019 kg/kg

3 讨论

灌溉和氮肥是玉米获得高产的重要保障[4-5，10，18-19]。灌水次数（A）和氮肥运筹（B）对玉米产量的影响均极显著，而A×B 交互作用对其没有显著影响。然而，宁东峰等[24]研究表明，灌水、氮肥及其交互作用对玉米产量均具有显著影响。这可能是由于本研究是氮肥运筹不同，而宁东峰等[24]是施氮量不同。本研究表明玉米产量随着灌水次数的增加而增加，这与蔡晓等[25]和李广浩等[26]研究结果一致。同时，本研究还发现，与对照（A1）相比，A2 条件下2017—2019年玉米产量的增幅为11.3%～21.1%；与A2 处理相比，A3条件下2017—2019年玉米产量的增幅为4.0%～15.4%。说明灌水对玉米的增产效果随着灌水次数的增加而降低[5]。从氮肥运筹来看，B2 处理的玉米产量显著高于B1 处理（表3），表明合理的氮肥运筹能够提高玉米的产量。合理的氮肥运筹通过提高玉米叶片叶绿素量[27-28]、光合速率[28]和保持玉米生育阶段耕层土壤氮素均衡有效供应[29]，从而提高玉米的产量。

科学合理的水氮运筹不仅能够促进作物生长、获得玉米高产，同时还能够提高水分利用效率[20-21，27]。本研究得到相似的结论，2017—2019年水氮运筹各处理玉米WUE均以A3B2 处理最大，2017 和2019年以A2B2 处理次之，而2018 以A3B1 处理次之，且3 a 的A3B1 处理玉米WUE与A2B2 处理间均没有显著性差异，这与玉米产量的结果是一致（表3，表4）。2017—2019年水氮运筹各处理玉米IWUE均以A2B2 处理最高，较对应A3（灌3 水）处理增加30.2%～91.9%，氮肥运筹相同条件下，玉米IWUE随着灌水次数的增加而降低。说明，在保障玉米产量不显著降低的情况下，适当减少灌水更有利于玉米灌水利用率的提高，这与前人[30-31]研究结果一致。前人[24-25]研究表明玉米水分利用效率受灌水量和施氮量的影响显著，本研究还发现，氮肥运筹对玉米WUE和IWUE（2017年除外）的影响也均极显著，而且B2处理的WUE和IWUE均大于B1 处理的。

灌水量和施氮量玉米氮肥偏生产力极显著影响，而且氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低，随灌水量的增加而提高[25，32]。本研究结果与之相似，即灌水次数（A）和氮肥运筹（B）对玉米氮肥偏生产力的影响均极显著。2017—2019年玉米氮肥偏生产力随灌水次数的增加而增加。灌水量相等条件下，2017年2种氮肥运筹间玉米氮肥偏生产力没有显著性差异，而2018年和2019年氮肥运筹B2 处理的玉米氮肥偏生产力显著高于对应B1 处理。因此，合理的氮肥运筹能够满足玉米各生育阶段氮肥的需求，促进氮素的吸收，从而提高玉米的产量和氮肥偏生产力[28-29，33-34]。

2017—2019年定位试验的玉米品种和栽培措施一致的条件下，相同试验处理的玉米产量、水分利用效率和氮素偏生产力间存在差异，这可能是由2017—2019年的气候条件不同导致的[35-36]。从2017—2019年气候条件来看，2019年降水峰值出现在玉米需水关键生育期—大喇叭口期，该时期有效的降水能够促进氮素的吸收、增加干物质的积累，提高玉米产量[37-38]。同时，2019年玉米生育期温度适宜，有利于玉米生长和增产。因此，2019年玉米产量、WUE和氮素偏生产力在3 a 中均为最高。然而，2018年玉米生长关键生育期—大小喇叭口期降水量较少，而且气温较高，进一步加剧了干旱，抑制玉米的生长和后期产量的形成，导致其在3 a 中产量最低。2017年降水量最大，同时由于玉米小喇叭口期施肥时恰逢降水，灌3 水处理调整为2 水，导致A2B1 处理和A2B2 处理玉米产量与A3B1 处理和A3B2 处理间没有显著差异，WUE显著降低，而IWUE则是最高的。因此，灌溉需要根据多年气候资料，在玉米生育期适时的补充灌溉，既可获得较高的产量，同时提高水分利用效率。

4 结论

1）灌水次数和氮肥运筹对玉米产量的影响均极显著。氮肥运筹相同条件下，玉米产量随着灌水次数的增加而增加，但增产效果随着灌水次数的增加而降低。施氮量相等条件下，B2 处理的玉米产量显著高于B1 处理。2017—2019年玉米产量均以A3B2 处理最高，较对照（A1B2 处理）增产20.2%～39.6%，A2B2处理玉米产量较对照（A1B2 处理）增产11.3%～21.1%。

2）灌水次数对玉米WUE和IWUE的影响均极显著。氮肥运筹相同条件下，玉米WUE随着灌水次数的增加而增加（2017年除外），而IWUE则随着灌水次数的增加而降低。氮肥运筹对玉米WUE和IWUE（2017年除外）的影响也均极显著，灌水量相等条件下，B2 处理的玉米WUE和IWUE均高于B1 处理。2017—2019年玉米IWUE均以A2B2 处理最高，分别较A3B2 处理增加91.9%、30.2%和39.0%。

3）灌水显著提高了玉米NPFP，氮肥运筹相同条件下，玉米NPFP随着灌水次数的增加而增加。2017—2019年玉米NPFP均以A3B2 处理的最高，较对照（A1B2 处理）提高20.2%～39.1%，A2B2 处理较对照（A1B2 处理）提高11.3%～21.2%。

4）A3B2 处理为试验地区最佳高产高效模式，A2B2 处理为最佳节水增效模式。