基于空間分析的寧夏沙土春玉米滴灌水氮管理模式研究

嚴(yán)富來 張富倉 范興科 王 英 李越鵬 鄒海洋

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物[1]，也是寧夏回族自治區(qū)(以下簡稱寧夏)的主要糧食作物之一。據(jù)報道，寧夏沙土面積占其耕地面積的22.3%，玉米生產(chǎn)在保障當(dāng)?shù)丶Z食安全和緩解能源危機(jī)等方面起到重要作用[2]。近年來，寧夏春玉米種植面積不斷增加，但大水漫灌和過量施肥現(xiàn)象依然普遍。落后的灌溉方式及過量的灌水施肥量不僅會抑制作物產(chǎn)量的提高和養(yǎng)分的吸收[3]、造成水肥資源的浪費，還制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致大量的肥料向深層土壤淋失，破壞農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，增加地下水污染的幾率[4-6]。因此，改善農(nóng)田灌溉施肥方式、提高作物的水肥綜合利用效率是保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和作物高效增產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

研究表明，灌水和施肥對作物產(chǎn)量的提高具有重要的保障作用[7]，并且灌水和施肥均能顯著提高作物生物量、產(chǎn)量、水肥利用效率和氮素累積量[8-11]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在玉米水肥耦合方面已開展了諸多研究。TEIXEIRA等[12]研究表明，水氮虧缺對作物干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量、水氮利用效率和氮素吸收等有顯著性影響。GHEYSARI等[13]研究表明，每個灌水水平都對應(yīng)著一個最佳施氮量，最佳施氮量會隨著灌水量的增加而增加。時隔幾年，GHEYSARI等[14]又研究指出，對于每個氮肥處理進(jìn)行水分虧缺均能提高作物水分利用效率，并且當(dāng)?shù)适┯昧枯^高時能顯著提高作物產(chǎn)量。另外，在研究作物最佳水肥管理方案時，部分學(xué)者采用多因素回歸分析方法，如邢英英等[15]通過空間分析方法尋求番茄產(chǎn)量、水分利用效率(WUE)、品質(zhì)和肥料偏生產(chǎn)力(PFP)等指標(biāo)可接受性(如大于等于85%最大值)的重疊區(qū)域，認(rèn)為最佳滴灌灌水量為198～208 mm，施肥量為442～480 kg/hm2。WANG等[16]通過回歸分析方法，對籽棉產(chǎn)量、WUE、經(jīng)濟(jì)效益和PFP等指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，得出各指標(biāo)可接受區(qū)域(90%最大值)的近重疊區(qū)域，所對應(yīng)的滴灌灌水量為362.3～462.5 mm，施氮量為215.5～367.5 kg/hm2，施磷量為85～147 kg/hm2，施鉀量為42.5～73.5 kg/hm2。另外，WANG等[17]考慮了溫室黃瓜產(chǎn)量、WUE、品質(zhì)、維生素C和氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)等指標(biāo)90%最大值的置信區(qū)間，得出最佳滴灌區(qū)間為124～151 mm，施氮區(qū)間為318～504 kg/hm2。

本文旨在對寧夏沙土地區(qū)滴灌施氮春玉米各指標(biāo)進(jìn)行多元回歸分析的基礎(chǔ)上，以高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥和提高養(yǎng)分吸收利用效率4重目標(biāo)為出發(fā)點，運用空間分析方法[18]對春玉米各指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，提出最佳滴灌水氮管理模式，為當(dāng)?shù)厣惩恋貐^(qū)春玉米的滴灌水氮管理提供有效的指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年4—9月在寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣馮記溝試驗基地進(jìn)行。試驗地位于東經(jīng)106°31′，北緯38°34′，海拔1 204 m，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗區(qū)年日照時數(shù)為2 867 h，年平均氣溫8.5℃，大于等于10℃積溫為2 944.9℃，無霜期128 d；年平均降雨量290 mm，且年際變化大，多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 179.8 mm。試驗區(qū)土壤為沙土，土壤容重1.55 g/cm3，0～100 cm田間持水率為27.10%(體積含水率)，pH值8.60，地下水埋深30 m以上?；A(chǔ)肥力(質(zhì)量比)為：有機(jī)質(zhì)4.13 g/kg，全氮0.30 g/kg，全磷0.34 g/kg，全鉀19.24 g/kg，速效磷5.48 mg/kg，速效鉀78.33 mg/kg。試驗區(qū)玉米生育期(4—9月)內(nèi)有效降雨量為204.6 mm。

供試春玉米品種為“先玉1225”，為當(dāng)?shù)赝茝V的密植品種。2018年4月20日播種，2018年9月26日收獲，共160 d，出苗率為82.0%。滴灌所用肥料分別為尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)、磷酸一銨(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)61%)和硫酸鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%)。整個生育期共施肥4次，每次施肥量占總施肥量比例分別為苗期20%、小喇叭口期30%、抽雄期30%和灌漿期20%[19]。滴灌施肥系統(tǒng)主要由水泵、水表、過濾器、施肥罐、輸配水管道系統(tǒng)和滴灌帶等組成。

圖1 春玉米生育期內(nèi)多年平均潛在作物蒸騰蒸發(fā)量與作物系數(shù)Fig.1 Multi-year average potential reference crops evapotranspiration during spring maize growth stage and crop coefficients

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)長為20 m，寬為6.6 m，小區(qū)面積為132 m2，小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理3次重復(fù)。玉米采用寬窄行播種(寬行間距為70 cm，窄行間距為40 cm)，滴灌帶布設(shè)在窄行玉米中間，采用一條滴灌帶控制2行春玉米的灌水方式。滴灌帶滴頭間距為30 cm，滴頭流量2 L/h，滴頭工作壓力0.1 MPa。為確保灌水施肥的均勻性，試驗區(qū)采用橫向供水方式[20]。玉米株距為20 cm，種植密度90 900株/hm2。

試驗設(shè)施氮量和灌水量2因素。施氮量設(shè)置4個水平：N150、N225、N300、N375(150、225、300、375 kg/hm2)，磷鉀施用量均為150 kg/hm2。將試驗區(qū)2000—2017年春玉米生育期內(nèi)潛在作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)和作物系數(shù)Kc相結(jié)合(圖1)，Kc根據(jù)作物生育階段而定，苗期取0.7、拔節(jié)—灌漿期取1.2、乳熟—成熟期取0.6[21]，進(jìn)而推算出試驗區(qū)春玉米生育期內(nèi)潛在充分耗水量(1.0KcET0)為450 mm，記為W1.0。以此為依據(jù)，設(shè)3個滴灌水量W0.6(0.6W1.0)、W0.8(0.8W1.0)和W1.0，共12個處理，各處理3次重復(fù)。試驗區(qū)為引黃(水庫蓄水)灌區(qū)，需采取輪灌工作制度，因此采取10 d作為設(shè)計灌水間隔[19]。為了控制春玉米苗期生長過快，促進(jìn)根系生長，該地區(qū)在生產(chǎn)中一般在玉米小苗末期才開始灌水，但該地區(qū)春季極易發(fā)生春旱，導(dǎo)致出苗率降低；另外根據(jù)該地區(qū)歷史氣象資料，試驗區(qū)年際降雨量變化較大，且多集中在7—9月。因此，春玉米的灌溉制度需根據(jù)實際降雨情況進(jìn)行灌水量和灌水日期的調(diào)整。2018年春玉米生育期內(nèi)的實際灌水量、有效降雨量和施肥比例見表1。

表1 春玉米滴灌灌水施肥試驗方案Tab.1 Irrigation and fertilization schedule of treatments for spring maize

1.3 測定內(nèi)容和方法

1.3.1地上部干物質(zhì)量

分別在春玉米播種后51、70、85、113、160 d取樣，每個小區(qū)選取有代表性的植株3株，從莖基部與地上部分離，去除表面污垢后各器官分離，放入干燥箱在105℃殺青0.5 h，75℃下干燥至恒定質(zhì)量，采用電子天平稱量并計算單株地上干物質(zhì)量，最后換算成群體生物量(kg/hm2)。

采用Logistic函數(shù)對玉米地上部干物質(zhì)進(jìn)行非線性回歸擬合，Logistic函數(shù)表達(dá)式為[22]

(1)

式中y——地上部干物質(zhì)累積量，kg/hm2

k——相應(yīng)的潛在最大值，kg/hm2

a——與干物質(zhì)有關(guān)的阻滯系數(shù)

b——干物質(zhì)的增長率

t——生長時間，d

1.3.2植株氮素累積量和產(chǎn)量

在春玉米收獲期取樣，按莖、葉片、苞葉、穗軸和籽粒5部分分別干燥裝樣。樣品放入干燥箱在105℃殺青0.5 h，75℃下干燥至恒定質(zhì)量，稱取干物質(zhì)量后磨碎，用H2SO4-H2O2消煮，用于養(yǎng)分測定，采用連續(xù)流動分析儀(Auto Analyzer-Ⅲ型，德國Bran Luebbe公司)測定植物樣品全氮含量。

在玉米收獲后測定產(chǎn)量及其構(gòu)成要素，隨機(jī)選取小區(qū)1條滴灌帶控制的2行玉米，連續(xù)取20株，每個小區(qū)3次重復(fù)。風(fēng)干后測定穗長、穗粗、行粒數(shù)和禿尖長，脫粒測定總質(zhì)量及其百粒質(zhì)量，最終折算成含水率為14%的籽粒產(chǎn)量[23]。

1.3.3水分利用效率、灌溉水利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力

水分利用效率(WUE)的計算公式為[24-25]

WUE=Y/ET

(2)

其中

ET=Pr+U+I-D-R-ΔW

(3)

式中Y——產(chǎn)量，kg/hm2

ET——作物耗水量，mm

Pr——有效降雨量，mm

U——地下水補給量，mm

I——灌水量，mm

D——深層滲漏量，mm

R——徑流量，mm

ΔW——試驗初期和試驗?zāi)┢谕寥浪值淖兓?，mm

在春玉米播前和收獲后，在每個小區(qū)內(nèi)取土，距滴灌帶0、20、40 cm 3個位置點取樣，每20 cm取1次，土壤剖面范圍分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，采用干燥法測定土壤含水率，取其平均值作為該小區(qū)的土壤含水率(%)。因試驗區(qū)地勢平坦，地下水埋藏較深，根據(jù)實測，生育期內(nèi)1 m深土壤含水率變化不大，且滴灌濕潤程度較淺，U、R和D均可忽略不計。則可將式(3)簡化為

ET=Pr+I-ΔW

(4)

灌溉水利用效率(IWUE)的計算公式為[26]

IWUE=Y/I

(5)

式中IWUE——灌溉水利用效率，kg/m3

氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)的計算公式為[27]

LPFPN=Y/FN

(6)

式中LPFPN——氮肥偏生產(chǎn)力,kg/kg

FN——施氮量，kg/hm2

1.3.4相關(guān)指標(biāo)計算

植株氮素累積量(kg/hm2)為植株氮素含量(%)與干物質(zhì)質(zhì)量(kg/hm2)的乘積，氮收獲指數(shù)為籽粒氮素吸收量與植株氮素吸收量的比值[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對春玉米地上部干物質(zhì)累積量的影響及Logistic函數(shù)擬合

地上部干物質(zhì)累積量是反映作物產(chǎn)量的一個重要因素[28]。表2為地上部干物質(zhì)量與生長時間的Logistic函數(shù)擬合方程和特征值，圖2為地上部干物質(zhì)量的實測值與Logistic函數(shù)的擬合值。由表2可知，不同水氮處理條件下各擬合方程的R2均在0.990以上，且P<0.01，說明Logistic函數(shù)對該試驗單一處理具有較高的擬合度。與W0.6和W0.8灌水處理相比，生育期內(nèi)進(jìn)行較大灌水定額(W1.0灌水處理)明顯推遲t1的時間。在W0.6和W0.8灌水處理條件下，各處理間的t1相差2 d左右。雖然各灌水水平下的N300處理的t2比N375處理分別提前了4.21、9.05、13.34 d，但N300處理的VM卻均大于N375處理。在W1.0灌水條件下，N150處理發(fā)育遲緩，進(jìn)入t1的時間較其他處理分別延后了5.27、5.53、5.88 d。在W0.6灌水條件下，與N150處理相比，N225、N300和N375處理的t2分別提前了10.36、10.29、6.08 d，t0分別提前了6.62、6.26、3.54 d，GT分別提前了7.47、8.04、5.05 d；在W0.8灌水條件下，與N375處理相比，N150、N225和N300處理的t2分別提前了9.77、8.87、9.05 d，t0分別提前了6.15、5.25、6.3 d，GT分別提前了7.24、7.24、5.50 d；在W1.0灌水條件下，與N150處理相比，N225、N300和N375處理的t0分別提前了7.41、13.7、7.21 d，GT分別提前了4.29、16.36、2.66 d。W0.6、W0.8和W1.0灌水處理的VM分別在N225、N300和N300處理下取得最大值，分別為473.37、511.19、627.93 kg/hm2。

表2 地上部干物質(zhì)量與生長時間的Logistic函數(shù)擬合Tab.2 Fitting result of aboveground dry biomass and growing time by Logistic function

注：t1和t2分別為春玉米地上干物質(zhì)量快速積累期的起點時間和終點時間，t0為日最大增長量出現(xiàn)的時間，VM為日最大增長量，GT為快速積累期持續(xù)的時間。

圖2 不同水氮處理對地上部干物質(zhì)累積量的影響及Logistic函數(shù)擬合Fig.2 Effects of different water and nitrogen treatments on aboveground dry biomass and fitting results by Logistic function

由圖2可知，同一灌水水平下，從擬合曲線斜率可以看出，各施氮處理地上部干物質(zhì)累積速率均隨生長時間呈現(xiàn)“慢—快—慢”的趨勢，由擬合方程可知，各處理大致在第100天左右的地上部干物質(zhì)日增長量最大。在W0.6灌水水平條件下，N225處理的地上部干物質(zhì)累積量顯著高于其他處理(P<0.05)；在W0.8灌水水平條件下，N150處理的地上部干物質(zhì)累積量顯著低于其他處理(P<0.05)；在W1.0灌水水平條件下，N225處理與N300處理的地上部干物質(zhì)累積量無顯著性差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)。表明相同灌水條件下，地上部干物質(zhì)累積量隨施氮量的增加先增加后減小。

2.2 不同水氮處理對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表3可知，灌水量和施氮量的耦合效應(yīng)對春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素有極顯著性影響(百粒質(zhì)量除外)(P<0.01)，灌水量和施氮量的單因素對百粒質(zhì)量有極顯著性影響(P<0.01)。總體看來，同一灌水水平下，產(chǎn)量隨施氮量增加先增加后減小，穗長和百粒質(zhì)量在W0.8和W1.0灌水水平下也隨施氮量增加先增加后減小。W0.6、W0.8和W1.0灌水條件下所對應(yīng)的最高產(chǎn)量處理分別為W0.6N225、W0.8N300和W1.0N300，三者之中W0.8N300處理的產(chǎn)量最高并且禿尖長最小，分別為16 387 kg/hm2和0.96 cm，該處理的產(chǎn)量雖然與W1.0N300處理無顯著性影響(P>0.05)，但顯著高于其他處理的產(chǎn)量(P<0.05)。另外，W0.8N300處理的禿尖長顯著低于W0.6N225和W1.0N300處理(P<0.05)；穗長和百粒質(zhì)量顯著高于W0.6N225和W1.0N300處理(P<0.05)。整體看來，W0.8處理的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素(禿尖長除外)均顯著高于W0.6處理(P<0.05)。

2.3 不同水氮處理對春玉米氮素累積量的影響

由表4可知，灌水量對莖稈、苞葉、穗軸的氮素累積量和氮收獲指數(shù)無顯著性影響(P>0.05)，對葉片的氮素累積量有顯著性影響(P<0.05)，對籽粒和植株氮素累積量有極顯著性影響(P<0.01)；施氮量對穗軸的氮素累積量和氮收獲指數(shù)無顯著性影響(P>0.05)，對莖稈和苞葉的氮素累積量有顯著性影響(P<0.05)，對葉片、籽粒和植株氮素累積量有極顯著性影響(P<0.01)；二者的耦合作用對莖稈、葉片、籽粒的氮素累積量有顯著性影響(P<0.05)，對植株氮素累積量有極顯著性影響(P<0.01)。由圖3可知，不同水氮處理下春玉米地上部氮素累積量差異很大，各處理間植株氮素累積量的變化范圍為84.34～135.96 kg/hm2，其中籽粒氮素累積量的變化范圍為63.80～95.30 kg/hm2，氮收獲指數(shù)的變化范圍為0.69～0.76。W0.6和W1.0灌水條件下，植株氮素累積量隨著施氮量的增加先增加后減小，并分別在N225和N300處理獲得最大值，分別為113.74、135.96 kg/hm2；W0.8灌水條件下，N300和N375處理之間的植株氮素累積量無顯著性差異(P>0.05)，與W1.0N300處理無顯著性差異，但顯著高于其它處理(P<0.05)。說明在同一灌水水平條件下，適當(dāng)?shù)奶岣呤┑坑欣谥仓甑氐目偫鄯e量，但施氮量過高時會影響營養(yǎng)器官和生殖器官中的氮素累積量，降低了植株的氮素累積量。

表3 不同水氮處理對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Tab.3 Effects of different water and nitrogen treatments on spring maize yield and its components

注：同列不同字母表示顯著性差異，*表示達(dá)到顯著水平(P<0.05)，** 表示達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，下同。

表4 春玉米各器官氮素累積量和氮收獲指數(shù)顯著性檢驗Tab.4 Significance test of nitrogen accumulation in different organs of spring maize and N harvest index

2.4 不同水氮處理對春玉米水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由表5可知，灌水量是影響耗水量(ET)的一個重要因素，灌水量越多，ET越大。灌水量和施氮量的耦合效應(yīng)對IWUE、WUE及PFPN有極顯著性影響(P<0.01)，灌水量對耗水量有極顯著性影響(P<0.01)，施氮量對耗水量有顯著性影響(P<0.05)。在W0.6灌水水平下，各處理的ET無顯著性差異(P>0.05)，N225處理的IWUE顯著高于N375處理(P<0.05)；在W0.8灌水水平下，N375處理的ET顯著高于其他處理(P<0.05)；在W1.0灌水水平下，N300處理的ET顯著低于N150和N375處理(P<0.05)，與N225無顯著性差異(P>0.05)。WUE最高的處理為W0.8N300，為3.34 kg/m3，與W0.6N225和W1.0N300相比提高了19.71%和17.16%。相同灌水條件下，PFPN隨著施氮量的增加而減小，其中產(chǎn)量最高處理(W0.8N300)對應(yīng)的PFPN值為54.62 kg/kg，與W0.6和W1.0灌水條件下所對應(yīng)的最高產(chǎn)量處理W0.6N225和W1.0N300無顯著性差異。

2.5 基于產(chǎn)量、WUE、PFPN和籽粒氮素累積量的水氮管理方案優(yōu)化

考慮試驗區(qū)年際降雨量分布不均，增加水氮管理方案優(yōu)化的實用性，因此將灌水量+作物生育期有效降雨量和施氮量為自變量，以產(chǎn)量、WUE、PFPN和籽粒氮素累積量為因變量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表6所示。表6可知，水氮投入對各因變量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，決定系數(shù)R2均在0.80以上。設(shè)定x的上下限分別為W1.0處理的灌水量+有效降雨量和W0.6處理的灌水量+有效降雨量，y的上下限分別為N375和N150處理的施氮量，運用Matlab分別求出表6中各方程的最大值，并得出獲得最大值時的x和y值。

圖3 不同水氮處理對春玉米氮素累積量及氮收獲指數(shù)的影響Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatments on nitrogen accumulation of spring maize and N harvest index

灌水量施氮量耗水量/mm灌溉水利用效率/(kg·m-3)水分利用效率/(kg·m-3)氮肥偏生產(chǎn)力/(kg·kg-1)N150450e4.58abc2.57cdef77.38bW0.6N225458e5.07a2.79bcd57.03defN300457e4.53abcd2.51defg38.22gN375465e4.07cd2.21g27.44hN150481d3.90cde2.64bcde84.79aW0.8N225488d4.34bcd2.90b62.95cdN300489d5.02ab3.34a54.62efN375507c4.42abcd2.84bc38.47gN150570a2.52g1.81h68.99cW1.0N225561ab3.34ef2.44efg61.00deN300551b3.84de2.85bc52.47fN375567a3.17f2.29fg34.70gANOVA檢驗F值灌水量45.68??33.02??68.20??39.13??施氮量4.71?22.11??28.56??1.32灌水量×施氮量2.746.29??7.25??5.85??

由表6可知，x為555 mm，y為285 kg/hm2時，產(chǎn)量最大(15 888 kg/hm2)；x為530 mm，y為270 kg/hm2時，WUE最大(3.19 kg/m3)；x為530 mm，y為150 kg/hm2時，PFPN最大(82.21 kg/kg)；x為569 mm，y為297 kg/hm2時，籽粒氮素累積量最大(93.81 kg/hm2)?？梢姡嗤嗨┑獥l件下，很難滿足幾個指標(biāo)同時達(dá)到最大值，產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量有比較接近的施氮區(qū)域，而PFPN與其他3個指標(biāo)無重疊區(qū)域，因此綜合評價中不考慮PFPN。運用空間分析方法，考慮產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量最大值的95%置信區(qū)間的可接受性，結(jié)果如圖4所示(圖中紅點代表實測值，藍(lán)色區(qū)域分別代表產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量最大值95%的置信區(qū)間和氮肥偏生產(chǎn)力最大值60%的置信區(qū)間)，當(dāng)x為506～576 mm，y為230～335 kg/hm2時，產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量均能同時達(dá)到最大值的95%以上，所得的PFPN約為最大值的80%。

3 討論

已有研究表明，水和氮是作物生長必需的兩種主要元素，氮素更是作物生長需求量最多的營養(yǎng)元素[29]，氮素吸收量直接影響作物干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量[30]，這種影響反映到Logistic模型上為對應(yīng)參數(shù)的變化[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，Logistic函數(shù)對本試驗單一處理的地上部干物質(zhì)累積量具有較高的擬合度，這與前人研究結(jié)果基本一致[31]。另外擬合結(jié)果表明，與低灌水(W0.6)和中灌水(W0.8)相比，高灌水處理(W1.0)會推遲干物質(zhì)快速積累期的起點，相同灌水條件下，地上部干物質(zhì)累積量隨著施氮量的增加先增后減小。郭丙玉等[1]得出適宜的灌水量和施氮量能顯著增加作物地上部干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量，玉米氮素累積量隨灌水量、施氮量的增加而增加，產(chǎn)量與施氮量呈拋物線形關(guān)系。劉洋等[30]得出玉米產(chǎn)量和氮素吸收量隨施氮量增加呈增加趨勢，但施氮量增加到一定范圍時，產(chǎn)量差異不顯著。王平等[6]得出240 kg/hm2和290 kg/hm2施氮量下的玉米產(chǎn)量無顯著差異，氮素累積量隨施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢，并在施氮量為240 kg/hm2時獲得最大值，本研究結(jié)果與之不完全相似。本研究中水氮耦合對氮收獲指數(shù)有顯著性影響(P<0.05)，試驗?zāi)甑斋@指數(shù)的變化范圍為0.69～0.76，進(jìn)一步說明了玉米吸收的養(yǎng)分主要用于形成籽粒，提高產(chǎn)量；相同灌水條件下，產(chǎn)量和植株氮素累積量隨著施氮量的增加先增加后減小(W0.8N300與W0.8N375處理的氮素累積量無顯著性差異)，其中W0.8N300處理產(chǎn)量最高，為16 387 kg/hm2，W1.0N300處理籽粒氮素累積量最高，為135.96 kg/hm2，說明在相同灌水條件下，適當(dāng)?shù)靥岣呤┑坑欣谧魑锂a(chǎn)量和氮素的吸收，但施氮量過高則會影響作物的生長和氮素的吸收，反而不利于產(chǎn)量的形成。

表6 水氮供應(yīng)與春玉米產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和籽粒氮素累積量的回歸關(guān)系Tab.6 Regression equations between water and nitrogen inputs and spring maize yield, water use efficiency, nitrogen partial factor productivity and grain nitrogen accumulation

注：x代表灌水量+有效降雨量(mm)，y代表施氮量(kg/hm2)。

圖4 產(chǎn)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力、籽粒氮素累積量與灌水量+有效降雨量和施氮量的關(guān)系Fig.4 Relationships between yield, water use efficiency, grain nitrogen accumulation, nitrogen partial factor productivity and irrigation amount plus effective rainfall and fertilizer application rate

另外，本文試驗結(jié)果表明，灌水量是影響ET變化的一個重要因素，兩者呈正相關(guān)關(guān)系；相同灌水條件下，PFPN與施氮量呈反比，WUE隨著施氮量的增加先增加后減小，這與張富倉等[32]研究結(jié)果相似。在優(yōu)化水氮管理方案時，考慮到試驗區(qū)年際降雨量分布不均，為提高水氮管理優(yōu)化結(jié)果的適用性，進(jìn)一步分析春玉米產(chǎn)量、WUE、PFPN和籽粒氮素累積量與灌水量+有效降雨量和施氮量之間的關(guān)系，由于PFPN受水氮影響的規(guī)律與其他3個指標(biāo)的規(guī)律完全相反，并無重疊區(qū)域，在優(yōu)化水氮管理方案時不考慮PFPN。考慮產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量三者最大值95%置信區(qū)間的可接受性，得出當(dāng)灌水量與有效降雨量之和為506～576 mm，施氮量為230～335 kg/hm2時，產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量均能同時達(dá)到最大值的95%以上，優(yōu)化區(qū)間所得的PFPN約為最大值的80%。但本研究不足之處在于該研究只進(jìn)行了1年的試驗，結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步長期的試驗研究和驗證。

4 結(jié)論

(1)春玉米地上部干物質(zhì)累積量符合Logistic模型，W1.0灌水處理推遲地上部干物質(zhì)快速積累期的起點；灌水量和施氮量對產(chǎn)量、植株氮素累積量、WUE均有顯著或極顯著影響，灌水量對PFPN有極顯著影響，水氮耦合作用對氮收獲指數(shù)有顯著性影響；相同灌水條件下，地上部干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量、植株氮素累積量(W0.8處理除外)和WUE隨施氮量的增加先增加、后減小。

(2)考慮試驗區(qū)年降雨量分配不均，基于產(chǎn)量、WUE、PFPN和籽粒氮素累積量，優(yōu)化水氮管理方案，得出當(dāng)灌水量與有效降雨量之和為506～576 mm、施氮量為230～335 kg/hm2時，產(chǎn)量、WUE和籽粒氮素累積量均能同時達(dá)到最大值的95%以上，優(yōu)化區(qū)間所得的PFPN約為最大值的80%，為適宜的水氮滴灌管理區(qū)間。該研究成果對寧夏沙土地區(qū)春玉米滴灌水氮管理具有重要指導(dǎo)意義。