水氮運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

高翠民，丁晉利，張潔梅，姜玉琴，何 方，楊永輝，武繼承*

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州450002；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河南 原陽453514；3.河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450002；4.河南省黃河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 原陽453514；5.鄭州師范學(xué)院，鄭州450044；6.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，鄭州450046；7.?？h農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 浚縣456250）

0 引 言

【研究意義】河南省是夏玉米種植大省，2019年播種面積達(dá)到380.13 萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到2 247.37萬t[1]，因此，保障河南省夏玉米的安全生產(chǎn)對(duì)我國糧食安全具有重要的意義。同時(shí)，河南省屬暖溫帶亞熱帶、濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，受地理位置和氣候條件的影響，夏季呈雨熱同期的特點(diǎn)，適宜夏玉米生長，但降雨時(shí)空分布不均，降雨與玉米需水關(guān)鍵期不能完全匹配。張杰等[2]研究表明，1961—2015年河南省夏玉米生育期有效降水均不能滿足夏玉米生長，關(guān)鍵生育期需要灌溉補(bǔ)水，豫北地區(qū)尤其明顯。一定的灌水量范圍內(nèi)玉米產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加[3-5]。因此，灌溉是保障玉米產(chǎn)量的重要措施之一[6]。

【研究進(jìn)展】作物生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，作物產(chǎn)量形成是多種因素，如品種、肥料、灌溉及各種耕作措施、氣候因子等共同作用的結(jié)果[7-9]。灌溉和氮肥是影響作物生長和產(chǎn)量形成的2 個(gè)關(guān)鍵因素，也是人為可控制因素。氮肥是玉米獲得高產(chǎn)的保障[10]，然而，農(nóng)民為了盲目追求高產(chǎn)施用過量氮肥，導(dǎo)致氮素利用效率低，且導(dǎo)致土壤酸化[11-12]、大氣污染[13]和水體富營養(yǎng)化[13-14]等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[15]，甚至造成玉米產(chǎn)量降低和品質(zhì)降低[16-17]。同時(shí)，水分和氮肥之間存在顯著的交互作用，水分不足影響氮素的吸收，水分過多則導(dǎo)致氮肥淋溶損失[18]；增施氮肥能夠部分消除因水分不足而造成的減產(chǎn)，但過量施氮也會(huì)加劇水分脅迫，影響作物生長[19]。因此，科學(xué)合理的水氮運(yùn)籌不僅能夠促進(jìn)作物生長、獲得高產(chǎn)、提高水氮利用效率，還是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保障[20-21]?！厩腥朦c(diǎn)】目前有關(guān)水氮運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量和水氮利用影響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]下同一種氮肥運(yùn)籌方式，而有關(guān)不同灌水量和不同氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量和水氮利用情況的研究鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究結(jié)合試驗(yàn)地區(qū)的降水和氣溫情況，研究了2017—2019年不同灌水量和氮肥運(yùn)籌條件下夏玉米產(chǎn)量、WUE、IWUE和NPFP的變化規(guī)律，并分析灌水量和氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的影響，明確該地區(qū)科學(xué)合理的水氮運(yùn)籌方案，保障夏玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)同時(shí)，提高農(nóng)田水氮利用效率，以期對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出最優(yōu)的管理措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年6月10日—2019年10月6日在河南省?？h衛(wèi)溪街道付莊村（114°30′E，35°38′N）開展。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)間為2 331.8 h，日照充足；年平均溫度為13.7 ℃；年平均降水量約為647.3 mm，主要集中在7—8月，占全年降水量的51.4%，具有雨熱同季的優(yōu)點(diǎn)，但是降雨時(shí)空分布不均衡。試驗(yàn)地土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為壤土，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤體積質(zhì)量分別為1.36、1.48、1.51、1.53、1.52 g/cm3。耕層（0～20 cm）土壤基本理化性質(zhì)：pH值為7.93，有機(jī)質(zhì)量為18.6 g/kg，全氮、全磷、全鉀量分別為1.37、0.68、2.43 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀量分別為122.63、17.82、149 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，A 為灌水次數(shù)，B 為氮肥運(yùn)籌處理。灌水次數(shù)設(shè)置3 個(gè)水平：灌0 水（A1，對(duì)照），灌2 水（A2）和灌3 水（A3），灌2 水分別在玉米小喇叭口和灌漿期，灌3 水分別在玉米小喇叭口、大喇叭口和灌漿期，每次的灌水量為45 mm。由于2017年玉米小喇叭口期施肥時(shí)恰逢降雨沒有灌水，故2017年灌3 水試驗(yàn)處理灌了2 次。在施氮量相同的條件下，設(shè)置2 個(gè)氮肥運(yùn)籌，B1：基肥（70%）+小喇叭口期（20%）+灌漿期（10%），B2：基肥（60%）+小喇叭口期（25%）+灌漿期（15%）。試驗(yàn)共6 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為30 m2（6 m×5 m），2017—2019年試驗(yàn)處理詳見表1。氮、磷和鉀施肥量分別為240（純氮）、105（P2O5）和105（K2O）kg/hm2，基肥（氮）和磷鉀肥與種子同播。供試品種：鄭單958，于每年6月10日播種，播種量67 500 株/hm2，行距60 cm，于每年10月6日收獲。其他管理措施與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣相同。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 Treatments of experiment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 溫度和降水量

氣象數(shù)據(jù)來源于?？h氣象站觀測(cè)的數(shù)據(jù)。不同生育期的溫度是該生育期所有日平均氣溫的平均值，不同生育期的降水量是該生育期累積降水量。

1.3.2 玉米產(chǎn)量

玉米收獲時(shí)以每小區(qū)收獲3 行產(chǎn)量記產(chǎn)，將其折合成單位面積產(chǎn)量。

1.3.3 水分利用特性

在玉米播種前和收獲后，采用土鉆采集0～100 cm土層土壤，每20 cm 為1 層，放入烘箱中105 ℃烘干至恒質(zhì)量，用重量法計(jì)算土壤含水率，進(jìn)而計(jì)算0～100 cm 土層土壤貯水量，并計(jì)算全生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率，計(jì)算式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為玉米生育期耗水量（mm）；P為玉米生育期內(nèi)當(dāng)?shù)亟邓浚╩m），由?？h氣象局提供；I為灌溉水量（mm）；ΔSWS為玉米播種前與收獲后0～100 cm 土層土壤貯水量（mm）的差值；R為地表徑流（mm），每塊試驗(yàn)田由畦壟擋水，且在夏玉米生育期間沒有排澇的情況，因此不存在地表徑流；D為深層滲漏（mm），在本試驗(yàn)開展期間強(qiáng)降水很少，且每次灌水量45 mm，故深層滲漏忽略不計(jì)；SWS為土壤貯水量（mm）；H為土層深度（cm）；W為土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；ρ為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；IWUE為灌水利用效率（kg/（hm2·mm））。

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017—2019年玉米生育期平均氣溫和降雨量

玉米整個(gè)生育期日平均氣溫表現(xiàn)為2018年＞2019年＞2017年，而且日均氣溫變化幅度呈2018年＞2019年＞2017年。2018年和2019年玉米生育期日平均氣溫均隨著生育期的推移呈先升高后降低的趨勢(shì)，氣溫峰值出現(xiàn)在小喇叭口期，而2017年玉米生育期日平均氣溫呈逐漸降低的趨勢(shì)，苗期和小喇叭口的日均溫度最高（圖1）。不同年度相同生育期日均氣溫存在一定的差異，苗期、抽雄期和灌漿期差異比較?。恍±瓤谄?、大喇叭口期和成熟期差異比較大。2017、2018年和2019年降水總量分別為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年隨著玉米生育期的推移呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，而2018年和2019年呈先降低后升高再降低的變化趨勢(shì)，2017、2018年和2019年的峰值分別出現(xiàn)在小喇叭口期、抽雄期和大喇叭口期（圖1）。

圖1 2017—2019年玉米生育期日均氣溫和累積降雨量Fig.1 Mean temperature and cumulative precipitation during maize growth period in three years of 2017—2019

2.2 水氮運(yùn)籌對(duì)玉米生育期耗水特性的影響

由表2 可知，玉米生育期土壤貯水耗水量表現(xiàn)為2019年＞2018年＞2017年。不同年份各處理玉米生育期土壤貯水耗水量的變化趨勢(shì)一致，相等灌水量條件下，表現(xiàn)為B2 處理＞B1 處理；氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米生育期土壤貯水耗水量隨著灌水量的增加而降低。2017—2019年各處理玉米生育期總耗水量的變化趨勢(shì)一致，相等灌水量條件下，表現(xiàn)為B2 處理＞B1處理；氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米生育期總耗水量隨著灌水量的增加而增加，均以A3B2 處理最高，2017、2018年和2019年分別達(dá)到了470.3、450.9 mm 和495.4 mm。灌水次數(shù)（A）、氮肥運(yùn)籌（B）及A×B交互作用對(duì)玉米生育期土壤貯水耗水量和總耗水量的影響均極顯著或者顯著（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 水氮運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

灌水次數(shù)（A）和氮肥運(yùn)籌（B）對(duì)玉米產(chǎn)量的影響均極顯著，而A×B 交互作用對(duì)其沒有顯著影響（表3）。2017年和2019年水氮運(yùn)籌各處理玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為A3B2 處理＞A2B2 處理＞A3B1 處理＞A2B1 處理＞A1B2 處理＞A1B1 處理；而2018年表現(xiàn)為A3B2處理＞A3B1 處理＞A2B2 處理＞A2B1 處理＞A1B2 處理＞A1B1 處理。同時(shí)，2017—2019年A3B1 處理的玉米產(chǎn)量與A2B2 處理均沒有顯著性差異。2017—2019年玉米產(chǎn)量均以A3B2 處理的最高，分別達(dá)到了10 352、10 415、12 060 kg/hm2，分別較對(duì)照（A1B2處理）增產(chǎn)21.5%、39.6%、20.2%。2017—2019年A2B2 處理玉米產(chǎn)量分別達(dá)到了9 931、9 038、11 172 kg/hm2，分別較對(duì)照（A1B2 處理）增產(chǎn)16.5%、21.1%、11.3%。灌水顯著提高了玉米產(chǎn)量，且隨著灌水次數(shù)的增加而增加，但增產(chǎn)效果隨著灌水次數(shù)的增加而降低。與對(duì)照（A1）相比，A2 條件下2017—2019年玉米產(chǎn)量的增幅為11.3%～21.1%；與A2 處理相比，A3條件下2017—2019年玉米產(chǎn)量的增幅為4.0%～15.4%。灌水量相等條件下，B2 處理的玉米產(chǎn)量顯著高于對(duì)應(yīng)B1 處理（表3）。

表3 2017—2019年玉米產(chǎn)量及其方差分析結(jié)果Table 3 Maize yields and result of variance analysis of 2017—2019 kg/hm2

2.4 水氮運(yùn)籌對(duì)玉米水分利用特性的影響

2017年和2019年玉米WUE均表現(xiàn)為A3B2 處理＞A2B2 處理＞A3B1 處理＞A2B1 處理＞A1B2 處理＞A1B1 處理；而2018年表現(xiàn)為A3B2 處理＞A3B1處理＞A2B2 處理＞A1B2 處理＞A1B1 處理＞A2B1 處理，而且2017—2019年A3B1 處理玉米WUE與A2B2 處理均沒有顯著性差異（表4）。2017—2019年玉米WUE均以A3B2 處理最高，分別為22.0、23.1 和24.2 kg/（hm2·mm），較對(duì)照（A1B2 處理）分別增加4.8%、9.6%和10.9%（表4）。氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米IWUE隨灌水次數(shù)的增加而降低，2017—2019年玉米IWUE均以A2B2 處理最高，分別為220.7、100.4 和124.1 kg/（hm2·mm），較A3B2 處理分別增加91.9%、30.2%和39.0%。與A3 處理相比，B1 和B2 條件下A2 處理的玉米IWUE分別提高30.0%～89.4%和30.2%～91.9%（表4）。灌水次數(shù)（A）和氮肥運(yùn)籌（B）對(duì)玉米WUE和IWUE的影響均極顯著（除2017年IWUE外），然而，A×B 交互作用對(duì)玉米WUE和IWUE均沒有顯著的影響。

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 水氮運(yùn)籌對(duì)玉米氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由表5 可知，灌水次數(shù)（A）和氮肥運(yùn)籌（B）對(duì)玉米氮肥偏生產(chǎn)力的影響均極顯著。2017—2019年水氮運(yùn)籌各處理玉米氮肥偏生產(chǎn)力均以A3B2 處理的最高，3 a 分別達(dá)到了49.30、49.59、57.43 kg/kg，分別較對(duì)照（A1B2 處理）提高21.5%、39.1%、20.2%。2017年和2019年水氮運(yùn)籌各處理玉米氮肥偏生產(chǎn)力以A2B2 處理次之，而2018年以A3B2 處理次之，且2017—2019年A3B1 處理的玉米氮肥偏生產(chǎn)力與A2B2 處理的均沒有顯著性差異（表5）。2017—2019年A2B2 處理玉米氮肥偏生產(chǎn)力分別達(dá)到了47.29、43.04、53.20 kg/kg，分別較對(duì)照（A1B2 處理）提高16.5%、21.2%、11.3%。灌水顯著提高了玉米氮肥偏生產(chǎn)力，且隨灌水次數(shù)的增加而增加。灌水量相等條件下，2017年2 種氮肥運(yùn)籌間玉米氮肥偏生產(chǎn)力沒有顯著性差異，而2018年和2019年B2 處理的玉米氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于對(duì)應(yīng)B1 處理（表5）。

表5 2017—2019年玉米氮肥偏生產(chǎn)力Table 5 Nitrogen partial factor productivity of maize of 2017—2019 kg/kg

3 討論

灌溉和氮肥是玉米獲得高產(chǎn)的重要保障[4-5，10，18-19]。灌水次數(shù)（A）和氮肥運(yùn)籌（B）對(duì)玉米產(chǎn)量的影響均極顯著，而A×B 交互作用對(duì)其沒有顯著影響。然而，寧東峰等[24]研究表明，灌水、氮肥及其交互作用對(duì)玉米產(chǎn)量均具有顯著影響。這可能是由于本研究是氮肥運(yùn)籌不同，而寧東峰等[24]是施氮量不同。本研究表明玉米產(chǎn)量隨著灌水次數(shù)的增加而增加，這與蔡曉等[25]和李廣浩等[26]研究結(jié)果一致。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照（A1）相比，A2 條件下2017—2019年玉米產(chǎn)量的增幅為11.3%～21.1%；與A2 處理相比，A3條件下2017—2019年玉米產(chǎn)量的增幅為4.0%～15.4%。說明灌水對(duì)玉米的增產(chǎn)效果隨著灌水次數(shù)的增加而降低[5]。從氮肥運(yùn)籌來看，B2 處理的玉米產(chǎn)量顯著高于B1 處理（表3），表明合理的氮肥運(yùn)籌能夠提高玉米的產(chǎn)量。合理的氮肥運(yùn)籌通過提高玉米葉片葉綠素量[27-28]、光合速率[28]和保持玉米生育階段耕層土壤氮素均衡有效供應(yīng)[29]，從而提高玉米的產(chǎn)量。

科學(xué)合理的水氮運(yùn)籌不僅能夠促進(jìn)作物生長、獲得玉米高產(chǎn)，同時(shí)還能夠提高水分利用效率[20-21，27]。本研究得到相似的結(jié)論，2017—2019年水氮運(yùn)籌各處理玉米WUE均以A3B2 處理最大，2017 和2019年以A2B2 處理次之，而2018 以A3B1 處理次之，且3 a 的A3B1 處理玉米WUE與A2B2 處理間均沒有顯著性差異，這與玉米產(chǎn)量的結(jié)果是一致（表3，表4）。2017—2019年水氮運(yùn)籌各處理玉米IWUE均以A2B2 處理最高，較對(duì)應(yīng)A3（灌3 水）處理增加30.2%～91.9%，氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米IWUE隨著灌水次數(shù)的增加而降低。說明，在保障玉米產(chǎn)量不顯著降低的情況下，適當(dāng)減少灌水更有利于玉米灌水利用率的提高，這與前人[30-31]研究結(jié)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響顯著，本研究還發(fā)現(xiàn)，氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米WUE和IWUE（2017年除外）的影響也均極顯著，而且B2處理的WUE和IWUE均大于B1 處理的。

灌水量和施氮量玉米氮肥偏生產(chǎn)力極顯著影響，而且氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的增加而降低，隨灌水量的增加而提高[25，32]。本研究結(jié)果與之相似，即灌水次數(shù)（A）和氮肥運(yùn)籌（B）對(duì)玉米氮肥偏生產(chǎn)力的影響均極顯著。2017—2019年玉米氮肥偏生產(chǎn)力隨灌水次數(shù)的增加而增加。灌水量相等條件下，2017年2種氮肥運(yùn)籌間玉米氮肥偏生產(chǎn)力沒有顯著性差異，而2018年和2019年氮肥運(yùn)籌B2 處理的玉米氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于對(duì)應(yīng)B1 處理。因此，合理的氮肥運(yùn)籌能夠滿足玉米各生育階段氮肥的需求，促進(jìn)氮素的吸收，從而提高玉米的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力[28-29，33-34]。

2017—2019年定位試驗(yàn)的玉米品種和栽培措施一致的條件下，相同試驗(yàn)處理的玉米產(chǎn)量、水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力間存在差異，這可能是由2017—2019年的氣候條件不同導(dǎo)致的[35-36]。從2017—2019年氣候條件來看，2019年降水峰值出現(xiàn)在玉米需水關(guān)鍵生育期—大喇叭口期，該時(shí)期有效的降水能夠促進(jìn)氮素的吸收、增加干物質(zhì)的積累，提高玉米產(chǎn)量[37-38]。同時(shí)，2019年玉米生育期溫度適宜，有利于玉米生長和增產(chǎn)。因此，2019年玉米產(chǎn)量、WUE和氮素偏生產(chǎn)力在3 a 中均為最高。然而，2018年玉米生長關(guān)鍵生育期—大小喇叭口期降水量較少，而且氣溫較高，進(jìn)一步加劇了干旱，抑制玉米的生長和后期產(chǎn)量的形成，導(dǎo)致其在3 a 中產(chǎn)量最低。2017年降水量最大，同時(shí)由于玉米小喇叭口期施肥時(shí)恰逢降水，灌3 水處理調(diào)整為2 水，導(dǎo)致A2B1 處理和A2B2 處理玉米產(chǎn)量與A3B1 處理和A3B2 處理間沒有顯著差異，WUE顯著降低，而IWUE則是最高的。因此，灌溉需要根據(jù)多年氣候資料，在玉米生育期適時(shí)的補(bǔ)充灌溉，既可獲得較高的產(chǎn)量，同時(shí)提高水分利用效率。

4 結(jié)論

1）灌水次數(shù)和氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量的影響均極顯著。氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米產(chǎn)量隨著灌水次數(shù)的增加而增加，但增產(chǎn)效果隨著灌水次數(shù)的增加而降低。施氮量相等條件下，B2 處理的玉米產(chǎn)量顯著高于B1 處理。2017—2019年玉米產(chǎn)量均以A3B2 處理最高，較對(duì)照（A1B2 處理）增產(chǎn)20.2%～39.6%，A2B2處理玉米產(chǎn)量較對(duì)照（A1B2 處理）增產(chǎn)11.3%～21.1%。

2）灌水次數(shù)對(duì)玉米WUE和IWUE的影響均極顯著。氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米WUE隨著灌水次數(shù)的增加而增加（2017年除外），而IWUE則隨著灌水次數(shù)的增加而降低。氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米WUE和IWUE（2017年除外）的影響也均極顯著，灌水量相等條件下，B2 處理的玉米WUE和IWUE均高于B1 處理。2017—2019年玉米IWUE均以A2B2 處理最高，分別較A3B2 處理增加91.9%、30.2%和39.0%。

3）灌水顯著提高了玉米NPFP，氮肥運(yùn)籌相同條件下，玉米NPFP隨著灌水次數(shù)的增加而增加。2017—2019年玉米NPFP均以A3B2 處理的最高，較對(duì)照（A1B2 處理）提高20.2%～39.1%，A2B2 處理較對(duì)照（A1B2 處理）提高11.3%～21.2%。

4）A3B2 處理為試驗(yàn)地區(qū)最佳高產(chǎn)高效模式，A2B2 處理為最佳節(jié)水增效模式。