孫云云，劉方明，高玉山，侯中華，竇金剛，劉慧濤

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春130033）

0 引 言

【研究意義】玉米是涵蓋了多種功能的糧食作物，主要用于食用、飼料、能源等，玉米生產(chǎn)為國家糧食和經(jīng)濟(jì)安全提供了重要保障[1]。據(jù)統(tǒng)計，吉林省玉米種植面積在1985 年僅為167.96 萬hm2，到2017 年，玉米種植面積358.97 萬hm2。吉林省西部半干旱區(qū)玉米常年播種面積約為80 萬hm2，其中絕大部分是中、低產(chǎn)田，具有較大的糧食增產(chǎn)潛力。該地區(qū)干旱多風(fēng)少雨，干旱頻率不斷增加，施肥不合理，水分與氮肥利用率低，玉米產(chǎn)量年際間波動性較大。玉米能夠獲得高產(chǎn)的2 個關(guān)鍵因素就是水和氮[2]。要促進(jìn)作物生長發(fā)育，增加產(chǎn)量就需要適宜的灌水施氮量[3]，但在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，普遍存在為求高產(chǎn)過量灌溉與施氮的現(xiàn)象，造成資源浪費，水肥利用率低，農(nóng)業(yè)面源污染等問題[4-6]。因此，深入研究水氮聯(lián)合調(diào)控機(jī)制，制定合理的灌溉施氮制度，對提高農(nóng)田水肥利用效率，改善環(huán)境有著重要的意義。

【研究進(jìn)展】目前，很多學(xué)者開展了水氮聯(lián)合調(diào)控研究，但因區(qū)域氣候和土壤環(huán)境等因素的影響，結(jié)果并不一致。Kamal 等[7]認(rèn)為在玉米生長期內(nèi)任何階段的缺水都會影響生長，降低產(chǎn)量。高亞軍等[8]研究表明，在玉米苗期進(jìn)行干旱脅迫對產(chǎn)量影響較明顯，在水分脅迫條件下，施入充足的氮肥能夠降低玉米產(chǎn)量的損失。但是Moser 等[9]認(rèn)為在干旱脅迫下，高劑量的氮會降低產(chǎn)量。Pandey 等[10]研究認(rèn)為，水分脅迫若發(fā)生在玉米營養(yǎng)生長期內(nèi)，則對玉米產(chǎn)量的影響不顯著，相應(yīng)地降低氮肥投入量可以獲得高的經(jīng)濟(jì)效益。郭丙玉等[11]研究指出，隨著水、氮投入量的增加，玉米干物質(zhì)量隨之增加，但達(dá)到閾值后呈降低趨勢。王麗梅等[12]研究表明，充分的水、氮投入量能顯著提高玉米的干物質(zhì)累積。

【切入點】膜下滴灌水肥一體化技術(shù)能夠依據(jù)作物的需水需肥特性，在玉米生育關(guān)鍵期將適量水肥輸送到作物的根區(qū)，顯著提高作物對水肥的利用效率[13]。因此，膜下滴灌水肥一體化技術(shù)廣泛應(yīng)用于半干旱區(qū)、干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[14]。在滴灌水肥一體化條件下，探討如何充分發(fā)揮水氮的耦合作用，增加玉米產(chǎn)量，提高水氮利用效率具有重要意義。為此，研究水氮互作對玉米生長及產(chǎn)量的影響，將為玉米水肥一體化推廣應(yīng)用提供一定技術(shù)支撐。

【擬解決的關(guān)鍵問題】目前，膜下滴灌水肥調(diào)控技術(shù)的研究多采用在田間自然降水條件下，利用補(bǔ)充灌溉來確定合理的灌水施氮量，得出的結(jié)論雖然能夠較好地應(yīng)用于玉米大田生產(chǎn)實踐中，但因降水等條件的影響，難以做到精確的控制水肥，影響水肥互作效應(yīng)的準(zhǔn)確揭示。本研究在避雨旱棚中，通過膜下滴灌設(shè)施來控制水肥施入量，揭示不同灌溉量與施氮量對玉米生長、產(chǎn)量、水肥利用效率等的影響，以期制定出合理的水氮管理模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院乾安實驗站的遮雨棚內(nèi)進(jìn)行，實驗站位于吉林省乾安縣贊字鄉(xiāng)父字村，年平均氣溫4 ℃，≥10 ℃積溫2 850 ℃，無霜期145 d，年均降水量約400 mm，蒸發(fā)量1 870 mm，風(fēng)速3.35 m/s。土壤類型為淡黑鈣土，耕層土壤的基本肥力水平為速效氮量126.07 mg/kg、速效磷量26.17 mg/kg、速效鉀量123.28 mg/kg、有機(jī)質(zhì)量1.60%、pH值7.92。

1.2 試驗設(shè)計

采用膜下滴灌種植方式，玉米品種富民985，種植密度7.5 萬株/hm2。采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)氮肥與水分二因素，氮肥4 個水平，N0：0 kg/hm2；N1：120 kg/hm2；N2：240 kg/hm2；N3：360 kg/hm2。水分3 個水平，W1：350 mm；W2：500 mm；W3：650 mm，共12 個處理，重復(fù)3 次。P2O5、K2O 用量分別為100 kg/hm2、110 kg/hm2，并作基肥一次施入；氮肥為尿素，在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期進(jìn)行追肥，采用膜下滴灌隨水施肥方式施入土壤，利用水壓表控制灌水量，具體見表1。試驗小區(qū)長8.5 m，共4 行，行寬0.65 m，小區(qū)面積20.4 m2，小區(qū)四周用高150 cm 高分子樹脂膜相隔，以防止水分和養(yǎng)分側(cè)滲。

表1 玉米各生育期的灌水施肥比例 Table 1 The ratio of irrigation and nitrogen in different stage

1.3 測定項目與方法

株高：在抽雄吐絲期后，每個處理取10 株，測定由土面至雄穗頂端的高度，取平均值。

葉面積指數(shù)：每個處理選10 株，取平均值。葉面積=長×寬×0.75，LAI=單株葉面積×單位面積內(nèi)株數(shù)/單位面積。

干物質(zhì)量：于105 ℃下殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成：每個處理選取10 m2進(jìn)行測產(chǎn)，后選取10 個果穗稱鮮質(zhì)量，并帶回風(fēng)干考種，折標(biāo)準(zhǔn)水（14%）計算產(chǎn)量，分析產(chǎn)量構(gòu)成因素。

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

氮肥農(nóng)學(xué)效率（ANUE，kg/kg）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

灌溉水分利用效率（IWUE，kg/m3）=作物產(chǎn)量（kg/hm2）/單位面積灌水量（m3/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS16.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Matlab 進(jìn)行二因素回歸模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水施氮量對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 不同灌水施氮量對玉米株高的影響

圖1 為不同灌水施肥條件下玉米株高在玉米不同生育期內(nèi)的變化情況。由圖1 可知，苗期至拔節(jié)期內(nèi)，玉米株高增長量最大。W3N4 處理下玉米株高增長最多，達(dá)到129 cm。苗期、拔節(jié)期各水肥處理下的株高存在顯著性差異；抽雄吐絲和灌漿期各水肥處理下株高間的差距有所減小，但仍有顯著性差異。同時，在高氮水平下，灌水量越大，玉米生長發(fā)育越早，W3N2、W3N3、W2N2、W2N3 處理的株高在吐絲期已接近最大值，之后株高增長緩慢。

在一定范圍內(nèi)，水分與氮肥的耦合能促進(jìn)玉米的生長發(fā)育，表現(xiàn)出明顯的正交互作用。W3N3 處理株高最高，達(dá)到284.8 cm，W1N0 處理株高最低，為247.2 cm。在水分一定的條件下，玉米株高隨著氮肥水平的提高而增加（除W1N3 處理），W1N3 處理的株高比W1N2 處理的低5.9 cm。在水分脅迫條件下，高氮量反而對玉米的生長發(fā)育有所抑制。在氮肥水平一定的條件下，株高隨著灌水量的增加而增加。在灌水量為W1 時，N2 處理的株高比N0 處理增加12.8 cm；在灌水量為W2 時，N3 處理的株高比N0 處理增加24.8 cm；在灌水量為W3 時，N3 處理的株高比N0 處理增加27.7 cm。

圖1 不同灌水施氮量下玉米株高 Fig.1 Effects of different water and nitrogen Treatments on maize plant height

2.1.2 不同灌水施氮量對玉米LAI 的影響

不同灌水施氮量下玉米LAI 見表2。由表2 所知，葉面積指數(shù)表現(xiàn)為：拔節(jié)至灌漿期逐漸增大，灌漿期至乳熟期緩慢減小。在水分一定的情況下，葉面積指數(shù)隨著氮肥施入量的增加而增加；拔節(jié)期，W2N3 處理的葉面積指數(shù)最高，與W2N2、W3N3 處理間無顯著性差異，與其他處理間存在顯著性差異。抽雄吐絲期，W2N2 處理的葉面積指數(shù)最高，與W2N3、W3N3處理間無顯著性差異，與其他處理存在顯著性差異。灌漿期與乳熟期，W2N2 處理的葉面積指數(shù)最高，與其他處理差異顯著。說明灌水與施氮量對葉面積指數(shù)有顯著的影響。

表2 不同灌水施氮量下玉米LAI Table 2 Effects of different water and nitrogen on LAI of maize

2.2 不同灌水施氮量對地上干物質(zhì)量的影響

由圖2 所知，玉米干物質(zhì)量隨著水氮投入量的增加而增大，達(dá)到一個閾值后，干物質(zhì)量小幅度降低。W3N2 處理的地上部分單株干物質(zhì)量最大，達(dá)到409.5 g，但與W2N3、W3N3 處理間無顯著性差異。在灌水量一致的情況下，隨著施氮量的增加，干物質(zhì)量呈增加趨勢，在灌水量為W1，施氮量為N2 時，干物質(zhì)量最大，比N0 增加70.3 g，但與N3 間無顯著性差異；在灌水量為W2，施氮量為N3 時，干物質(zhì)量最大，比N0 增加90.1 g，與其他處理存在顯著性差異；在灌水量為W3，施氮量為N2 時，干物質(zhì)量最大，比N0 增加66.5 g，與N3處理間無顯著性差異。在水分一致的情況下，適宜的氮肥投入能獲得較高的干物質(zhì)量，而過量投入不能產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)。

圖2 不同灌水施肥量下玉米干物質(zhì)量 Fig.2 Effects of different water and nitrogen on dry mass

由圖3 可以看出，不同水氮處理對玉米葉、莖、籽粒干物質(zhì)量均有所影響。W2N3 處理的玉米葉干物質(zhì)量最高，比W1N0 處理增加15.7 g；W2N3 處理的莖干物質(zhì)量最高，比W1N0 處理增加45.3 g；W2N2處理的籽粒干物質(zhì)量最高，比W1N0處理增加39.9 g，但與W2N3、W3N3 處理間無顯著性差異。

圖3 不同灌水施肥量下玉米各器官干物質(zhì)量 Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatments on dry mass of different organ

在灌水量一致的情況下，隨著施氮量的增加，玉米葉、莖干物質(zhì)量總體呈增加趨勢，但是籽粒的干物質(zhì)量呈先增加后降低的趨勢。W1N3 處理的籽粒干質(zhì)量比W1N2 處理低11.3 g，W2N3 處理的籽粒干物質(zhì)量比W2N2 處理低4.2 g；W3N3 處理的籽粒干物質(zhì)量比W3N2 處理低4.8 g。可以看出適量的水氮供應(yīng)能夠提高籽粒干物質(zhì)量。

2.3 不同灌水施氮量對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

圖4 為不同處理下的玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量分別在W2N2 處理與W1N0 處理下獲得最大和最小值，分別為12 408.01 kg/hm2和8 289.42 kg/hm2，W2N2 處理比W1N0 處理增產(chǎn)49.7%。在灌水量一致的條件下，施氮肥能夠增加玉米的產(chǎn)量，并且隨著氮肥施入量的增加，產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。在氮肥施入量一致的條件下，灌水量的增加也會增加玉米產(chǎn)量?？梢钥闯龈咚叻侍幚硐碌漠a(chǎn)量并非最高，說明水分適宜情況下，繼續(xù)增加施氮量不能起到增產(chǎn)作用。對不同灌溉量下的玉米產(chǎn)量與氮肥施入量進(jìn)行回歸分析，玉米產(chǎn)量（Y）與氮肥施入量（N）的關(guān)系擬合為：Y350=-0.045X2+21.51X+8 192，R2=0.951；Y500=-0.04X2+23.56X+8 661，R2= 0.954；Y650=-0.022 X2+16.83X+8 752，R2=0.931。當(dāng)灌溉量為350 mm 時，最佳施氮量為239 kg/hm2，理論最高產(chǎn)量為10 762.45 kg/hm2；當(dāng)灌溉量為500 mm 時，最佳施氮量為294.5 kg/hm2，理論最高產(chǎn)量為12 130.2 kg/hm2；當(dāng)灌溉量為650 mm 時，最佳施氮量為382.5 kg/hm2，理論最高產(chǎn)量為11 970.7 kg/hm2。

圖4 不同灌水施肥量下玉米產(chǎn)量 Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on maize yield

圖5 為對產(chǎn)量（Z）與土壤灌水量（X）、施氮量（Y）兩因素間的關(guān)系進(jìn)行回歸模擬，得到產(chǎn)量與水氮二因素的回歸模型：Z=1 323.6+29.816 8X-0.029 X2+14.732 4Y-0.035 7Y2+0.118XY。

模型中，相關(guān)系數(shù)R2=0.931 1，表明理論產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的擬合程度很好。回歸模型中一次項系數(shù)均為正值，表明灌水量與施氮量對產(chǎn)量的提高起到促進(jìn)作用，灌水量與施氮量的交互系數(shù)為正值，說明二者之間存在正交互作用。二次項系數(shù)為負(fù)值，說明產(chǎn)量隨著灌水量與施氮量的增加，呈拋物線趨勢變化。產(chǎn)量曲面灌水量方向較陡，施氮量方向較平滑，說明灌水量對產(chǎn)量影響更明顯一些。通過計算，當(dāng)灌水量達(dá)到575 mm，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，玉米產(chǎn)量最高，為12 160 kg/hm2。

圖5 水氮耦合的產(chǎn)量效應(yīng) Fig. 5 Yield effect of interaction of water and nitrogen

由表3 可知，灌水與施肥對玉米產(chǎn)量性狀有所影響，其中對穗長、百粒質(zhì)量影響較大，對穗行數(shù)、行粒數(shù)影響較小。各水氮處理的玉米穗長、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量均大于W1N0 處理。W2N2 處理穗長最大，W1N0 處理最小。在灌水條件一致的情況下，百粒質(zhì)量隨著氮肥施入量的增加呈先增加后降低的趨勢，在氮肥施入量為240 kg/hm2時，百粒質(zhì)量最大。

表3 不同灌水施氮量玉米產(chǎn)量構(gòu)成 Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on yield components

2.4 不同灌水施氮量對玉米氮肥與水分的利用效率的影響

由表4 可以看出，W2N1 處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高，在灌溉水量一致的情況下，隨著施氮量的增加，氮肥的偏生產(chǎn)力逐漸降低?？梢钥闯?，氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量負(fù)相關(guān)。在W2 和W3 處理下，氮肥偏生產(chǎn)力下降的程度低于W1，說明灌水量在一定程度上可以減緩氮肥的脅迫。W2N2 處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率最高，W1N3 處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率最低，在水分脅迫時，高施氮量會影響氮肥的吸收與利用。

表4 不同灌水施氮量對水氮利用率的影響 Table 4 Effects of different water and nitrogen treatments on PFPN, ANUE and IWUE

在灌水量為W1 處理下，氮肥農(nóng)學(xué)效率隨著施氮量的增加而降低，在灌水量為W2、W3 條件下，隨著施氮量的增加，氮肥農(nóng)學(xué)效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在灌水量一致的條件下，隨著氮肥施入量的增加，玉米灌溉水分利用效率呈先增加后降低的趨勢，最高值均出現(xiàn)在N2 水平，由此看出施入高量的氮對水分的利用產(chǎn)生了負(fù)影響。W1N2 處理的灌溉水分利用率最高，W3N0 處理的灌溉水分利用率最低，存在顯著性差異。

3 討 論

水、氮在一定范圍內(nèi)耦合表現(xiàn)出明顯的正交互作用。王麗梅等[12]、Anjum 等[15]指出，水分缺乏會影響植物的生長和發(fā)育。本研究表明在水分一定的條件下，玉米株高隨著氮肥水平的提高而增加。在水分不足時，高氮量反而對玉米的生長發(fā)育有所抑制。在氮肥水平一定的條件下，株高隨著灌水量的增加而增加。灌水與施肥量能顯著影響葉面積指數(shù)。從拔節(jié)至灌漿期葉面積指數(shù)逐漸增大，灌漿期至乳熟期緩慢減小的趨勢。向友珍等[16]研究表明，在玉米生育期內(nèi)，LAI 呈先增大后降低的趨勢，在抽雄期出現(xiàn)最大值，這與本研究結(jié)果不完全一致，本研究結(jié)果表明多數(shù)處理的葉面積指數(shù)在灌漿期最大。Hammad 等[17]研究表明，干旱會減少葉面積指數(shù)，在良好的水分條件下，LAI 隨著施氮量的增加而增大，這與本文研究結(jié)果一致。

有研究[18]表明，干物質(zhì)隨著水氮施用量的增加而增加，而本研究表明，干物質(zhì)量隨著水氮投入量的增加而增大，到達(dá)閾值后，干物質(zhì)量小幅度降低，這可能與灌水量與施氮量設(shè)置的范圍有關(guān)。在灌水量一致的情況下，隨著施氮量的增加，玉米葉、莖干物質(zhì)量總體呈現(xiàn)增加的趨勢，但是籽粒的干物質(zhì)量是呈先增加后降低的趨勢。這與仲爽等[19]的研究結(jié)果一致。

水肥互作增產(chǎn)效應(yīng)是在適宜的灌溉施肥條件下獲得的[20-21]。本研究表明，灌水量與施氮量對產(chǎn)量的提高起到促進(jìn)作用，二者之間存在正交互作用，產(chǎn)量隨著灌水量與施氮量的增加，呈拋物線趨勢變化，灌水量對產(chǎn)量影響更明顯一些。陳東峰等[22]認(rèn)為水肥交互作用對產(chǎn)量和灌溉水利用效率影響不顯著，這可能與施肥量的設(shè)定范圍有關(guān)。高亞軍等[8]提出，水肥耦合試驗中，認(rèn)為肥是影響產(chǎn)量的主要因素，而多數(shù)旱棚與盆栽試驗的結(jié)果表明，水分是限制作物生長的主要因素。由于本試驗是采用旱棚與二次回歸正交設(shè)計相結(jié)合，表現(xiàn)出水分的影響高于施氮量因素。

在灌水量一致時，施氮肥能夠增加玉米產(chǎn)量，但隨著施氮量的增加，產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。施氮量一致時，增加灌水量也會增產(chǎn)。高水高肥處理下的產(chǎn)量并非最高，說明水分適宜情況下，繼續(xù)增加施氮量不能起到增產(chǎn)作用。Pandey 等[10]報道指出水分、氮肥共同影響作物的產(chǎn)量，水肥的耦合存在一個閾值。當(dāng)?shù)陀陂撝禃r，增加灌水量和施肥量都能增加產(chǎn)量；氮在高于閾值的情況下，增產(chǎn)效果不明顯。甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。本研究中，利用二次回歸模型計算得出，當(dāng)灌水量達(dá)到575 mm，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，玉米產(chǎn)量最高，為12 160 kg/hm2。Kamkar 等[23]研究也表明，施用200 kg/hm2的氮肥會增加產(chǎn)量，而進(jìn)一步施用高于200 kg/hm2的氮肥則沒有效果。氣候、土壤等條件不同時，最佳灌水施氮量也有所不同。

在灌溉水量一致的情況下，氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氮肥的偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加逐漸下降。郝小雨等[24]研究表明，過量的施氮會降低氮肥利用率。同時，在最低灌溉水平下，灌溉水利用效率最高，隨著灌溉水平的增加，灌溉水利用效率降低，這與文獻(xiàn)[25-26]中結(jié)果一致。施氮肥可提高灌溉水利用效，但高量的氮對水分的利用產(chǎn)生了負(fù)影響。增施氮肥并不是獲得最大糧食產(chǎn)量的可靠方法，它會降低水分利用效率。Al-kaisi 等[27]也指出在水分充足的條件下，氮肥可以提高缺氮土壤的水分利用效率。過高或過低的施氮量都不能有良好效果，因此適宜的灌溉施氮量才可能增加水分利用效率。

4 結(jié) 論

1）水、氮在一定范圍內(nèi)耦合表現(xiàn)出明顯的正交互作用。在水分一定的條件下，玉米株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量隨著氮肥水平的提高而增加。在水分不足時，高氮量反而對玉米的生長發(fā)育有所抑制。W2N2處理葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量最高。

2）水分適宜情況下，繼續(xù)增加施氮量不能起到增產(chǎn)作用,W2N2 處理比W1N0 處理增產(chǎn)49.7%。在灌溉水量一致的情況下，氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水分不足時，高施氮量會影響氮肥的吸收與利用。

3）在最低灌溉水平下，灌溉水利用效率最高，隨著灌溉水平的增加，灌溉水利用效率降低。施氮肥可提高灌溉水利用效，但高量的氮對水分的利用產(chǎn)生了負(fù)影響。

4）綜合高產(chǎn)、高效和水肥利用效率等因素，建議吉林省西部半干旱區(qū)玉米生產(chǎn)中需水量為500～575 mm，施氮量為240～300 kg/hm2。