限额补灌及施肥水平对浅埋滴灌玉米生长发育、产量及水分利用率的影响

王欣欣 卜一 李尽朝 路耿新 李冠义 唐超 孙艳楠 李炳海

摘要：为探寻玉米浅埋滴灌适宜的灌溉及施肥指标，提高玉米的水肥利用效率，对制定合理的灌溉制度、发展高效节水节肥农业具有重要的意义。通过设定灌水定额及施肥水平2因素组合，采用裂区试验设计，主处理为补灌定额W，设3个灌溉定额；副处理为施氮水平N，设4个施氮水平以及3个对照处理（大水漫灌处理、不滴灌处理、全膜滴灌处理），研究水肥耦合对玉米农艺性状、产量及水分利用率的影响，明确玉米浅埋滴灌水氮施用最优模式。结果显示，结合自然降雨条件下，玉米浅埋滴灌栽培能明显提高玉米的出苗率及出苗指数和玉米百粒质量。2021年不同水肥处理较传统大水漫灌处理的玉米增产率为-9.91%～16.36%，各处理中W2N3处理的产量增幅最大。浅埋滴灌处理产量较全膜滴灌处理产量略低但产量差异不显著（P>0.05），而全膜滴灌处理使用地膜会造成环境污染，综合经济效益及环境效益，浅埋滴灌的效益更明显。3个不同的灌水梯度表现出不同的变化趋势，在W1梯度下，当施氮量为N1水平（2020年）或N2水平（2021年）时水分利用率最高；在灌水W2梯度下，当施氮量为N3水平时水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）的水分利用率最高，而3个灌水处理中N0水平的水分利用效率都是最低的。本研究以灌水量和施氮量为变量，结合自然降雨条件，得到最佳产量15 638.80 kg/hm²，补灌量1 500 m³/hm²，施纯氮225 kg/hm²，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm²·mm），适量增加了灌水量，但大幅提高了玉米产量。

关键词：限额补灌；施肥；浅埋滴灌；水分利用率

中图分类号：S513.6；S513.7文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）16-0062-07

收稿日期：2022-11-11

基金项目：内蒙古自治区科技计划重大专项（编号：2020ZD0005）。

作者简介：王欣欣（1983—），女，河北平泉人，硕士，副研究员，主要从事旱作农业及作物栽培育种等方面的研究。E-mail：wxx986@163.com。

通信作者：卜 一，研究员，主要从事旱作农业及作物栽培育种等方面的研究。E-mail：buyi133@163.com。

水分是制约作物生长的重要因素。此外，氮素是影响玉米产量的主要因子之一，合理施用氮肥是作物获得高产的关键措施^［1-3］。可以说，水、氮是限制半干旱区作物产量的2个关键因子^［4］。因此，旱地农业中水分和养分的关系问题越来越受到人们的重视^［5］。内蒙古燕山丘陵地区属于大陆性季风半干旱气候，光热资源丰富、降水较少且分布不均^［6］，干旱缺水、土壤肥力低下且利用率低是限制该地区农业生产力提高的重要因素。随着膜下滴灌技术应用后，农业残膜问题也日益突显，而玉米浅埋滴灌技术是近年来兴起的一种新型滴灌方式，这种灌溉技术在大田中的应用大大改善了我国干旱和半干旱地区农业干旱缺水的问题，同时也解决了长期应用地膜的农业污染问题，基于该方式而形成的水肥一体化高产栽培模式对玉米节水、节肥、增产提效具有显著效果^［7-10］。本研究以浅埋滴灌玉米为研究对象，分析结合自然降雨条件下的量水补灌技术在水肥耦合条件下的玉米产量效应，寻求高效水肥优化方案，提高水肥利用率，为实现该地区玉米节水高产高效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020—2021年在内蒙古自治区赤峰市喀喇沁旗西桥镇农业产业园试验基地进行，该基地地理位置为41°51′N、119°08′E，属于温带半干旱大陆性季风气候，降水主要集中在6—8月，雨热同季，无霜期130 d左右，年有效积温2 900～3 100 ℃，年平均气温6.5 ℃，年平均降水量在300～500 mm之间，多年平均蒸发量为1 600～2 500 mm。试验区耕作层土壤为沙壤土，耕层0～20 cm基本肥力：有机质含量11.2 g/kg，速效氮含量49 mg/kg，速效磷含量21.3 mg/kg，速效钾含量92 mg/kg，pH值7.98。2020年前茬作物為谷子，2021年前茬作物为玉米。图1所示为试验周期内气象状况。

1.2 试验设计

供试玉米品种为赤单218。本试验于2020年4月29日和2021年5月6日播种，2020年9月24日收获，2021年由于整年的平均气温偏低、降水较多、日照较短等因素，于10月20日收获。采用玉米双行浅埋滴灌精量播种机播种，一次完成铺滴灌管、施肥作业，播深3～6 cm，滴灌带埋深5 cm。宽窄行种植，120 cm幅宽（宽行80 cm、窄行40 cm），种植密度67 500株/hm²。窄行里铺设1条滴灌带，控制2行玉米，每个小区配备1个施肥罐和1个水表，以保证每个小区单独灌水、施肥的要求。其他田间管理措施同当地生产田一致。小区面积为30 m²，每小区8行，行长 6.25 m，3次重复，随机区组排列。

本试验采用裂区试验设计，主处理为补灌定额W，设3个灌溉定额（1 200、1 500、1 800 m³/hm²，分别记为W1、W2、W3）；副处理为施氮水平N，设3个施氮水平（150、225、300 kg/hm²，分别记为N1、N2、N3），N0为不施肥处理。灌溉定额播种期统一滴灌300 m³/hm²、灌浆期滴灌225 m³/hm²，其余水量分别于拔节期、抽雄期按比列滴灌实施，补水在各生育阶段视墒情进行，若该阶段出现有效降水，视有效降水量适当核减补灌量。试验所用肥料为尿素（N 含量46%），磷酸二铵（N 含量18%，P₂O₅含量46%）和硫酸钾（K₂O 含量58%）。施氮处理基肥量相同，均为磷酸二铵300 kg/hm²，硫酸钾150 kg/hm²；追肥于拔节期、抽雄期、灌浆期3次按5 ∶3 ∶2的比列随滴灌施入。还有2个对照处理，当地大水漫灌水平、常规施肥量的处理（CK1）以及不滴灌处理、常规施肥量的处理（CK2）。此外2021年另增加了全膜滴灌处理（滴灌量为1 500 m³/hm²）、常规施肥量的处理（CK3）。

1.3 测量项目与方法

生育期：播种后，分别观察记载不同处理玉米进入苗期、拔节期、抽雄期和成熟期的时间。

出苗整齐度：出苗后15 d，在标定的3 m双行内，连续测定10株幼苗的生理株高，取平均值，再用平均值除以标准差作为出苗整齐度的衡量指标；出苗指数：出苗后3 d连续调查出苗情况，在标定的 3 m 双行内，从出苗开始，每2 d调查1次出苗数，连续调查4次。

出苗率：在播种后3、5、7、9 d分别记录出苗穴数与区间内总穴数的百分比。

作物水分利用效率（WUE）的计算公式：WUE＝Y/ET。

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为作物产量，kg/hm²；ET为作物生育期耗水量，mm。

氮肥农学利用率（NAE）=（施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量）/施氮量，kg/kg；

氮肥偏生产力（NPFP）=施氮处理籽粒产量/施氮量，kg/kg。

1.4 数据处理

数据采用WPS和SPSS 20.0统计分析软件进行数据处理分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米生育期的影响

由表1可知，浅埋滴灌处理下的生育期差异不大，玉米出苗较快且整体较整齐。2年的CK1处理均出苗明显较晚，生育期也相对较长。2021年的CK3处理出苗较早，生育期也相对较长。

2.2 不同处理对玉米出苗指数及出苗整齐度的影响

由表2和图2可知，2020年不同处理的出苗指数从大到小依次为浅埋滴灌处理>CK2>CK1。2021年的CK3处理的出苗指数最高，CK1处理出苗指数最低。由最终的出苗率可知，浅埋滴灌处理的出苗率最高，CK1处理的出苗率最低；CK3处理虽然出苗指数较高，但出苗率却不理想，由于CK3处理进行覆膜种植，有些苗无法正常钻出地膜而影响了出苗率。另外，与2020年相比，2021年的出苗指数明显下降，分析一是由于2021年春季气温偏低，出苗较慢，二是由于播种密度不均匀。

由表3可知，2021年CK3处理的出苗整齐度最高，其次是浅埋滴灌和CK2处理，而CK1处理出苗整齐度最低。由于CK2处理苗期进行滴灌，前期处理与其他浅埋滴灌处理一致，所以出苗同样较整齐；而CK1处理是播种前进行大水浇地，浇地后1周进行播种，地温也相对较低，所以出苗高度也变化波动较大，而CK3为膜下滴灌处理，能更有效地保证地温，出苗整齐度最高。

2.3 不同处理对玉米光合速率及叶绿素含量（SPAD值）的影响

表4为2020年不同处理玉米拔节期、抽穗期、灌浆期的光合速率情况，可以看出，拔节期各不同灌水量滴灌处理间光合速率差异均不显著（P>0.05），但除W1N0处理外的其他滴灌处理均显著高于CK1处理；抽穗期W3水平的4个处理光合速率显著高于其他处理；灌浆期CK1与CK2处理光合速率最低，显著高于其他滴灌处理。表5为玉米不同时期相对叶绿素含量（SPAD值）的变化，不同灌水和施氮处理对灌浆期和抽穗期的SPAD值的影响更显著。

2.4 不同处理对玉米经济性状和产量的影响

由表6可知，2020年浅埋滴灌处理的株高、单穗长、穗行数及行粒数较CK1及CK2处理均有所差异，浅埋滴灌处理较CK2处理提高了株高、单穗长、单穗粗和行粒数，并一定程度上减小了穗行数；特别是不同灌水处理对玉米的株高影响较大。2021年浅埋滴灌处理的株高、单穗长、穗行数及行粒数较CK1及CK2处理均有所差异，各滴灌处理较CK2处理总体降低了株高、穗位、穗行数、行粒数，增加了秃尖长，单穗长、单穗粗差异不大；总体上来看，大多数浅埋滴灌处理与CK3处理下的玉米各经济性状差异不显著。

由表7可知，2020年的浅埋滴灌处理显著增加玉米百粒质量，W3N2处理较CK1处理的增幅最大，各灌水处理较CK1处理增幅达5.89%～10.46%，说明浅埋滴灌处理可显著增加玉米百粒质量，从而提高产量；比較不同处理间玉米产量情况，不同水肥处理较CK1处理的玉米增产率为23.85%～58.98%，较苗后不再灌水（CK2）处理增幅达45.61%～86.90%，产量增幅较大。不同滴灌和施肥处理间，W3N2、W2N3产量居前2，并与W2N0、W1N0处理差异显著，与其他灌水施肥处理间差异不显著。与CK1和CK2处理相比，2021年部分浅埋滴灌处理显著增加玉米百粒质量，CK3处理的百粒质量显著高于其他处理；除CK3处理与其他处理差异显著外，各浅埋滴灌处理之间大部分差异并不显著；比较不同处理间玉米产量情况，不同浅埋滴灌处理较CK1处理的玉米增产率为-9.91%～16.36%，较苗后不再灌水处理增幅为-0.45%～28.58%，W2N3处理的产量增幅最大；比较浅埋滴灌处理与CK3处理，除W2N3、W2N2处理略增产外，其余全部减产，不同浅埋滴灌处理间，W3N2、W2N3产量居前2，并与W2N0、W1N0处理差异显著，其他各浅埋滴灌处理间差异并不显著。

2.5 不同处理对玉米的水分利用效率的影响

从表8可以看出，2020年的灌溉水利用效率总体表现为W1处理>W2处理>W3处理>CK2处理>CK1处理，水分利用率随滴灌量的增加整体呈下降趋势，说明在一定范围内随灌溉用水量的增加，水分利用效率会下降。各浅埋滴灌处理的灌溉水分利用率较CK1处理提高了46.26～87.08 kg/（hm²·mm），增幅最高达到317.81%。各处理的作物水分利用率较CK1处理提高了9.53～15.32 kg/（hm²·mm），增幅最高达到134.62%。2021年灌溉水利用效率总体表现为CK1处理>CK3处理>W2处理>W1处理>W3处理>CK2处理，水分利用率随滴灌量的增加总体呈先上升后下降趋势，说明在一定范围内随灌溉用水量的增加，水分利用效率会上升，超过一定范围，反而会下降。各浅埋滴灌处理的水分利用率较CK2处理的分别提高了3.69～11.59 kg/（hm²·mm），增幅最高达到63.82%。

2.6 不同处理对玉米的氮肥利用率的影响

由表9可知，2020年氮肥農学利用率最高的3个处理分别是W2N1、W2N3、W2N2，氮肥偏生产力最高的分别为W3N1、W2N1、W1N1。在不同浅埋滴灌处理下，氮肥农学利用率总体表现为W2处理>W3处理>W1处理，并且氮肥农学利用率最高的3个处理都在W2滴灌水平下，说明适量的滴灌量有利于提高氮肥的利用；但并不是补灌水量越多越好，当滴灌量达到W3梯度时，氮肥农学利用率最高是在N2水平，氮肥农学利用率为N2处理>N1处理>N3处理。2021年，氮肥农学利用率最高的2个处理分别是W3N3、W3N2处理，氮肥偏生产力最高的是W2N1、W1N1处理。

3 结论与讨论

浅埋滴灌栽培提高了玉米的出苗率及出苗指数，2021年比大水漫灌（CK1）处理早出苗3 d，虽然晚于全膜滴灌（CK3）处理，但由于地膜覆盖存在苗钻不出膜影响出苗率，全膜滴灌处理的出苗率较浅埋滴灌处理低；浅埋滴灌为种子萌发出苗提供了合适的水分，同时有利于苗齐苗壮。通过对不同处理光合速率分析，与CK1处理相比，不同浅埋滴灌处理均提高了玉米的光合速率，不同灌水量处理对光合速率的影响更大，灌水量增大光合速率也随之增高。

2年的部分浅埋滴灌处理显著增加玉米百粒质量；比较不同处理间玉米产量情况，2021年不同水肥处理较传统大水漫灌处理的玉米增产率为 -9.91%～16.36%，各处理中W2N3产量增幅最大，其次为W2N2处理；比较浅埋滴灌处理与全膜滴灌处理，除W2N3、W2W2略增产外，其余全部减产，但浅埋滴灌处理与全膜滴灌处理间产量差异并不显著。

王士杰等研究发现，水、氮、钾3因子对玉米产量提高有促进作用，影响程度为水＞氮＞钾；2因子交互作用对产量的影响程度水氮最大，水钾次之，氮钾最小^［11］。本试验中，3个不同的灌水梯度表现出不同的变化趋势，在W1梯度下，当施氮量为N1水平（2020年）或N2水平（2021年）时，水分利用率最高；在灌水W2梯度下，当施氮量为N3水平时水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）时，水分利用率最高，而3个灌水处理中N0水平的水分利用效率都是最低的，说明适当提高施氮量，对水分利用效率的提高有促进作用，而施氮量过高不利于水分利用效率的提高，施氮量对于水分利用效率的作用存在一定的适合范围。

在2020年试验基础上，2021年根据实际情况增加了全膜滴灌处理作为对照3，主要希望通过试验明确目前生产中最主要应用的全膜滴灌与浅埋滴灌栽培的玉米水肥利用及产量对比情况。通过试验结果分析，在试验年份降雨条件下，浅埋滴灌处理产量较全膜滴灌处理产量略低但产量差异不显著，分析不同栽培方式的经济效益，W2N2、W2N3处理的经济效益显著，W2N2处理效益为 1 222.94元/667 m²，比大水漫灌处理增加纯收益251.14元/667 m²，较全膜滴灌处理增加纯收益114.74元/667 m²，经济效益显著。而全膜滴灌处理使用地膜会造成环境污染，综合经济效益及环境效益，浅埋滴灌的效益更明显。

马建琴等利用NSGA-Ⅱ算法对对模型进行求解，得到最佳水肥方案：灌水量为848.24 m³/hm²，施肥量为 192.66 kg/hm²，该水肥组合下玉米产量为10 667.52 kg/hm²，优化了水肥，提高了产量^［12］。本研究以灌水量和施氮量为变量，在结合自然降雨条件，得到试验最佳产量15 638.80 kg/hm²，补灌量1 500 m³/hm²，施纯氮225 kg/hm²，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm²·mm），适量增加了灌水量却大幅提高了玉米产量。此外，结合分析玉米需水规律，在玉米生长关键期进行灌水，考虑到灌水量和施肥量在不同生育期内的分配对玉米的影响，通过分析玉米生长时期进行分期补灌，更有利于节水及水分高效利用。

参考文献：

［1］仲 爽，李严坤，任 安，等. 不同水肥组合对玉米产量与耗水量的影响［J］. 东北农业大学学报，2009，40（2）：44-47.

［2］冯 鹏，王晓娜，王清郦，等. 水肥耦合效应对玉米产量及青贮品质的影响［J］. 中国农业科学，2012，45（2）：376-384.

［3］郭亚宁，周建朝，王秋红，等. 作物水氮耦合效应的研究进展［J］. 中国农学通报，2019，35（15）：1-5.

［4］杨恒山，薛新伟，张瑞富，等. 灌溉方式对西辽河平原玉米产量及水分利用效率的影响［J］. 农业工程学报，2019，35（21）：69-77.

［5］王颖辉，汤鹏程，李曙光，等. 内蒙古东部干旱年份玉米需水规律及灌溉制度优化［J］. 干旱地区农业研究，2018，36（1）：108-114.

［6］陆军胜. 滴灌水肥一体化冬小麦/夏玉米水氮效应及夏玉米氮肥供应决策研究［D］. 杨凌：西北农林科技大学，2021.

［7］高 鑫，杨恒山，张瑞富，等. 浅埋滴灌水肥优化高产模式下春玉米产量与根冠特征差异性［J］. 浙江农业学报，2022，34（1）：1-9.

［8］刘战东，肖俊夫，南纪琴，等. 晋中地区不同灌水处理对春玉米形态指标、耗水量及产量的影响［J］. 西北农业学报，2011，20（10）：43-48.

［9］邱新强，张明智，张玉顺，等. 限额补灌对黄淮平原夏玉米水分利用及产量的影响［J］. 节水灌溉，2021（6）：64-68，73.

［10］陈江鲁，王 群，蒋兴星，等. 密度和滴灌量对高产春玉米叶片生理指标的影响［J］. 江苏农业科学，2022，50（9）：55-62.

［11］王士杰，尹光华，李 忠，等. 浅埋滴灌水肥耦合对辽西半干旱区春玉米产量的影响［J］. 应用生态学报，2020，31（1）：139-147.

［12］马建琴，何沁雪，刘 蕾. 双目标条件下玉米水肥耦合效应分析及配施方案优化研究［J］. 灌溉排水学报，2021，40（10）：58-63.