西辽河平原灌溉方式对玉米产量及氮素利用效率的影响

李晓娜

(通辽市农牧技术推广中心 内蒙古通辽 028000）

氮肥在玉米生长发育过程中和农业生产体系中均发挥着重要的作用， 但玉米生产过程中施氮量过大和利用效率低的问题，一直无法得到妥善解决，这不仅造成了大量氮素资源和能源的浪费， 还对生态环境造成了严重的威胁[1-4]。 因此，如何在减量施氮和提高玉米氮肥利用效率的前提下，保证玉米产量，对于玉米节本增效和环境安全都具有重要的意义。 前人研究表明，滴灌在提高作物产量的同时，还能显著提高氮素吸收利用效率。 赵明[5]等研究表明，滴灌通过分次施肥方式实现氮肥后移， 能够维持花后较高的氮素积累能力和光合生产能力， 同步提高玉米籽粒产量和氮肥利用效率。 徐杰等[6]研究表明，滴灌能够实现分次施肥，从而实现氮肥的合理分配，根据作物不同需肥时期精确施肥， 保证玉米生育后期能够保持较高的氮素积累能力及光合能力， 进而提高产量和氮肥利用效率。 水肥一体化技术能够将滴灌灌溉和施肥有效地结合， 目前生产上水肥一体化技术多是在膜下滴灌基础上进行的， 最先在新疆地区大面积推广应用，现在是我国北方近10 年主推的灌溉技术[7-10]，但膜下滴灌技术在推广应用的同时，也出现了植物根系下扎困难、残膜污染等一系列问题，对农业可持续发展造成一定的影响， 并且对环境造成了污染[11-12]。 浅埋滴灌是在膜下滴灌基础上研发的新型节水灌溉方式，将地表覆土代替覆膜，滴管浅埋于地表下3～5 cm，使浅埋滴灌在发挥滴灌优势的同时，减少农业成本投入及避免残膜对环境的污染。 由于浅埋滴灌条件下地表覆土代替了覆膜，因此土壤水、热变化规律会发生一定程度的改变， 这也会进一步影响到玉米籽粒产量及氮素吸收利用效率。 作为一种新型节水灌溉方式，目前相关研究报道较少，关于玉米氮素利用的研究尚未见报道。 因此，本试验选择浅埋滴灌、膜下滴灌和当地大水漫灌3 种灌溉方式，研究不同灌溉方式对物质生产性能及玉米籽粒产量形成的影响， 揭示不同灌溉方式下玉米氮素与转运规律的差异， 以期为西辽河平原灌地区大面积可持续推广玉米水肥一体化灌溉方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019 年、2020 年在西辽河平原中部的通辽市科尔沁区孔家村试验示范园区的定位试验田（43°35′N、121°09′E，海拔高度为 178 m）进行，该地为温带大陆性季风气候， 光热资源充足， 雨热同期， 试验区近 5 年年均降雨量 340～440 mm、 年均气温 6.5～7.1℃、无霜期 150 d 左右、≥10 ℃的活动积温3 200℃。 试验地土壤为灰色草甸中壤土， 试验地播前耕层土壤情况见表1。

表1 试验地0~20 cm 耕层播前土壤概况

1.2 试验设计

试验设置当地农户主要的3 种灌溉模式， 分别为膜下滴灌、浅埋滴灌、大水漫灌，采用小区对比试验，小区面积为 432 m2（7.2 m×60.0 m），以农华 101为供试品种。 各处理均采用宽窄行种植模式（窄行行距40 cm，宽行行距80 cm），种植密度5 000 株/亩。2 种滴灌方式均采用单翼迷宫式滴灌带， 滴头相距25 cm，滴头流量为3.5 L/h；膜下滴灌处理采用幅宽为80 cm、 厚度为0.01 mm 的聚乙烯吹塑农用透明膜。 各处理底施硫酸钾（K2O，50%）6 kg/亩、磷酸二铵（P2O5，46%）13 kg/亩，追施尿素（N，46%）35 kg/亩，分别在玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期按 3∶6∶1 比例结合灌溉追肥，灌水量根据当地玉米生产灌溉定额确定，其中浅埋滴灌与膜下滴灌灌溉量均为3 150 m3/hm2，分6 次灌溉，大水漫灌灌溉量为4 500 m3/hm2，分4 次灌溉。 各处理均在 2019 年 5 月 5 日播种，9 月 30 日收获；2020 年 5 月 1 日播种，10 月 1 日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量及地上部氮素积累量 在春玉米大喇叭口期、 吐丝期和完熟期在各小区连续取有代表性植株3 株，将地上部按器官（茎、叶、籽粒）分离，用清水冲净， 在干燥箱内105℃下杀青30 min， 继续在80℃烘至恒重后，测定干物质量，烘干后样品用粉碎机粉碎，过60 目筛，用H2SO4-H2O2消煮后使用凯氏定氮仪测定全氮含量，并折算地上部氮素积累量。

1.3.2 氮素相关指标计算 测定得出全氮含量后，分别计算植株总氮素积累量、营养器官氮素转运量、氮素转运效率、氮素转运对籽粒的贡献率、氮肥偏生产力、氮素收获指数、氮素利用效率。

1.3.3 产量及其构成因素 各小区测产面积为30 m2，人工脱粒后测鲜粒重和含水率并折算成含水率为14%的籽粒产量，同时调查该面积内株数、穗数、双穗数、空秆数、倒伏数。 随后每小区随机选取10 个果穗带回实验室，待自然风干后进行室内考种。

1.4 数据处理与分析

用Excel 和SPSS 19.0 软件进行数据作图与统计分析，采用LSD 法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 玉米干物质积累量对不同灌溉方式的响应

由图1 可知，2 年中3 种灌溉方式下春玉米地上部干物质积量变化趋势一致， 干物质积累总量均随玉米生育进程的推进而逐渐升高。 各处理间干物质积累量吐丝期差异不显著，乳熟期以膜下滴灌最高，浅埋滴灌次之，大水漫灌最低，其中2019 年三者间差异均不显著，2020 年浅埋滴灌和大水漫灌间与膜下滴灌差异达到了显著水平，但二者差异不显著，完熟期均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌。2 年中浅埋滴灌与膜下滴灌处理干物质积累量均达到了显著差异水平，但与大水漫灌处理相比差异均不显著。

图1 玉米干物质积累量对不同灌溉方式的响应

2.2 玉米氮素积累量对不同灌溉方式的响应

由图2 可知，3 种灌溉方式玉米氮素积累量与干物质积累量呈现相同的变化趋势， 均随着生育进程的推进， 氮素积累量增加，2 年中各处理吐丝期氮素积累量差异均不显著；2019 年和2020 年乳熟期均表现为膜下滴灌＞浅埋滴灌＞大水漫灌， 各处理间差异均达到了显著水平；完熟期则以浅埋滴灌最高，大水漫灌次之，膜下滴灌最低，其中浅埋滴灌与膜下滴灌间差异达到了显著水平， 但二者与大水漫灌差异均不显著。

图2 玉米氮素积累量对不同灌溉方式的响应

2.3 玉米氮素转运对不同灌溉方式的响应

由表2 可知，不同灌溉方式对春玉米氮素转运量、转运效率及对玉米籽粒贡献量不同。3 种方式下氮素转运总量表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌，其中2019 年，浅埋滴灌与大水漫灌、膜下滴灌间差异达到了显著水平， 但前二者间差异不显著；2020 年，浅埋滴灌和膜下滴灌间差异达到了显著水平， 但膜下滴灌与大水漫灌间差异不显著。2 年中氮素转运率均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌，其中2019 年浅埋滴灌较大水漫灌和膜下滴灌分别提高了3.9%和7.4%，2020 年分别提高了1.0%和9.7%。 氮素转运量对籽粒的贡献率茎鞘和叶均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌， 其中2019 年浅埋滴灌较大水漫灌和膜下滴灌分别提高了0.2%和1.1%，2020 年分别提高了1.1%和1.4%。

表2 玉米氮素转运对不同灌溉方式的响应

2.4 玉米氮素利用效率对不同灌溉方式的响应

由图3 可知，不同灌溉方式对春玉米氮素利用效率的影响不同。2 年中不同灌溉方式下氮素积累总量均以浅埋滴灌最高，大水漫灌次之，膜下滴灌最低，其中2019年各处理间差异均达到了显著水平，2020年浅埋滴灌与膜下滴灌、 大水漫灌间差异达到了显著水平。 各处理间氮肥偏生产力均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌， 其中2019 年浅埋滴灌和大水漫灌间差异不显著，但均显著高于膜下滴灌。 各处理间氮素收获指数差异均不显著。 各处理间氮素利用效率2019 年处理间差异不显著，2020 年浅埋滴灌和大水漫灌间差异不显著，但均显著高于膜下滴灌。

图3 玉米氮素利用效率对不同灌溉方式的响应

2.5 玉米产量及其构成因素对不同灌溉方式的响应

由表3 可知，2 年中各处理产量均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌，其中2019 年浅埋滴灌与膜下滴灌间差异达到了显著水平， 但二者与大水漫灌间差异均不显著，2020 年各处理间达到了显著水平。有效穗数和穗粒数均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌，各处理间差异不显著；各处理间千粒重均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌，2 年中差异均达到了显著水平。

表3 玉米产量及其构成因素对不同灌溉方式的响应

3 讨论与结论

3.1 不同灌溉方式对玉米干物质积累、 氮素积累及氮素利用效率的影响

氮素是决定作物产量的关键因素[13-14]，也是作物生产中重要的营养元素， 其对作物增产效果也最显著[15]。 魏淑丽[16]等研究结果表明，调整施氮量能够提高玉米花后物质生产能力，在氮素积累总量一定的情况下，要想提高单位籽粒氮素的生产效率，就要通过提高产量进而提高氮素利用效率。丁艳宏[17]在对比不同灌溉水源及方式对玉米生长特性及水肥利用效率的影响时发现，滴灌能够显著提高玉米对氮肥的利用效率，滴灌条件下氮肥偏生产力提高117.00%～131.00%。习金根[18]在研究不同灌溉施氮方式下玉米的生长效应时指出， 同等施氮量的滴灌条件下氮素的利用效率更高，进而促进干物质的高速积累和运转，最终增加玉米籽粒产量。 本试验研究表明，在不同灌溉模式下， 浅埋滴灌模式在吐丝后期干物质积累量和氮素积累量显著高于膜下滴灌和大水漫灌。 同时不同灌溉模式下氮肥偏生产力和氮素利用效率也均表现为浅埋滴灌＞大水漫灌＞膜下滴灌， 一方面浅埋滴灌条件下氮肥随水直接施入到玉米根区， 可提高玉米对氮素的吸收利用效率[19]；另一方面氮肥后移可提高花后玉米叶片中氮素含量，延长花后光合有效时间，改善光系统Ⅱ和光系统Ⅰ的性能和协调性， 增强光合电子传递效率，提高叶片净光合速率，提高光合氮利用效率，促进碳代谢运转及碳代谢产物的积累[20-21]。

3.2 不同灌溉方式对玉米产量的影响

前人研究表明，沟垄覆膜集水模式[22]、亏缺灌溉模式[23]、调亏灌溉模式[24]都可以通过调节土壤水分条件来影响作物光合作用效率， 从而影响作物干物质的运转与积累和作物产量形成。 膜下滴灌能够根据作物的生长发育需求对作物根系周围进行定时、定量的精准灌溉，增强了水分传导能力，使作物光合作用能力有效提升，促进干物质积累与转运[25-27]。 浅埋滴灌由于地表无膜覆盖，土壤水、热变化规律与膜下滴灌等节水灌溉模式有较大区别， 必然会影响玉米光合特性、碳代谢和光合氮素利用效率，进而影响籽粒产量形成。 本试验研究结果表明，浅埋滴灌模式下玉米产量最高，2 年平均产量为14.685 t/hm2，分别较大水漫灌和膜下滴灌提高3.89%和10.08%， 且与膜下滴灌相比2 年差异均达显著水平， 与大水漫灌2020 年达显著差异水平。浅埋滴灌条件下，较高的干物质积累量和氮素积累量也为籽粒产量的形成奠定了坚实基础。 膜下滴灌由于地表覆膜，一方面使玉米生育前期和中期物质积累强度增加， 另一方面也使玉米生育进程加快， 因此膜下滴灌处理玉米虽然吐丝前具有较高的干物质积累量， 但由于生育进程加快，生育后期根冠衰老加剧，造成吐丝后干物质积累量明显低于浅埋滴灌和大水漫灌， 这不但影响到干物质的进一步积累， 根冠衰老也使干物质转运效率变低，从而籽粒产量低于浅埋滴灌和大水漫灌处理。