增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)玉米根、冠物質(zhì)分配與水氮利用效率的影響

張雨珊,楊恒山,葛選良,劉 晶,孟繁昊,張明偉,郭子赫

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

玉米是集糧食、經(jīng)濟(jì)、飼用和加工為一體的多功能作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)保障我國糧食安全具有重要意義。選用耐密型品種、適宜增密種植是提高玉米產(chǎn)量的重要途徑之一[1]。增密種植可明顯提高玉米群體冠層光截獲率、LAI、干物質(zhì)積累量和群體產(chǎn)量；密度過高則增加群體生長(zhǎng)的空間壓力，抑制單株生長(zhǎng)，使根系生長(zhǎng)發(fā)育受限，不利于產(chǎn)量進(jìn)一步提高[2-4]。研究表明，玉米單株根重、根長(zhǎng)、根條數(shù)均隨種植密度的增加而明顯降低；密度過高抑制玉米根系下扎，造成根系土層表聚，進(jìn)而影響植株對(duì)耕層土壤水、氮的吸收利用[5-7]。適宜的灌溉方式對(duì)促進(jìn)根冠協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，提高玉米產(chǎn)量和水、氮利用效率具有重要意義。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，噴灌[8]、隔溝交替灌溉[9]等灌溉方式可提高玉米對(duì)水分脅迫的適應(yīng)性，促進(jìn)地上部植株生物量積累，同時(shí)刺激根系生長(zhǎng)發(fā)育，提高根系活力，利于植株對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收與利用[10-11]。淺埋滴灌技術(shù)是在膜下滴灌技術(shù)基礎(chǔ)上形成的一種新型滴灌技術(shù)，具有去膜、節(jié)水、減肥、增效的功效[12]。與傳統(tǒng)畦灌相比，淺埋滴灌可顯著提高玉米生育后期干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，同時(shí)明顯提高玉米水氮利用效率，易于實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[13-15]。本試驗(yàn)基于團(tuán)隊(duì)前期的研究基礎(chǔ)，在90 000株·hm-2密度下設(shè)置不同水氮減量梯度，研究增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米產(chǎn)量、根冠特性和水氮利用效率的影響，為西遼河平原玉米淺埋滴灌水氮減量高產(chǎn)高效提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018、2019 年在通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)高新科技示范園區(qū)(122°22′E，43°36′N)進(jìn)行，海拔180 m，年平均氣溫6.8℃，≥10℃的活動(dòng)積溫3 200℃，平均無霜期154 d，年均降水量390 mm。試驗(yàn)地土壤為灰色草甸土，試驗(yàn)實(shí)施前耕層(0～20 cm)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分情況如下：有機(jī)質(zhì)含量18.52 g·kg-1，堿解氮含量52.26 mg·kg-1，有效磷含量11.35 mg·kg-1，速效鉀含量110.83 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以常規(guī)水氮管理(畦灌4 000 m3·hm-2，氮肥小口期一次追施300 kg·hm-2)為對(duì)照(CK)，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以滴灌定額為主處理，分別設(shè)置傳統(tǒng)畦灌常規(guī)灌量40%(W1：1 600 m3·hm-2)、50%(W2：2 000 m3·hm-2)、60%(W3：2 400 m3·hm-2)3個(gè)灌溉水平；以施氮水平為副處理，分別設(shè)置常規(guī)施氮量50%(N1：150 kg·hm-2)、70%(N2：210 kg·hm-2)、100%(N3：300 kg·hm-2)3個(gè)施氮水平，3次重復(fù)，小區(qū)面積72 m2(10 m×7.2 m)。氮素供體為尿素(含氮量為46%)，各處理均基施磷酸二銨(N∶P2O5∶K2O=18∶46∶0)195 kg·hm-2，硫酸鉀(N∶P2O5∶K2O=0∶0∶50)90 kg·hm-2。供試品種為農(nóng)華101，種植密度9.0萬株·hm-2，采用40 cm+80 cm寬窄行種植。淺埋滴灌采用內(nèi)鑲片式滴灌管，滴頭相距20 cm，滴頭流量為2.7 L·h-1，使用播種鋪帶一體機(jī)使滴灌管淺埋于小壟中間地表3～5 cm 處，各處理單獨(dú)配置18L壓差式施肥罐和水表，水肥一體化施肥法將氮肥溶于施肥罐內(nèi)結(jié)合灌溉分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1比例追施，以水表控制灌水量。畦灌氮肥追施于小口期一次性人工撒施，在每個(gè)畦首安裝球閥并安裝水表以控制灌溉量。2018年5月1日播種，10月1日測(cè)產(chǎn)收獲；2019年5月2日播種，10月3日測(cè)產(chǎn)收獲。淺埋滴灌每年灌溉7次，傳統(tǒng)畦灌每年灌溉4次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系生物量 于吐絲期、乳熟期和完熟期，在各小區(qū)同行內(nèi)選取3株代表性連續(xù)的植株，以第1株1/2株距處到第3株1/2株距處為長(zhǎng)，以1/2行距為寬，挖長(zhǎng)方形樣方分層取根，每層20 cm，共3層。將各土層內(nèi)的所有根系標(biāo)記分別裝入自封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室, 用水浸泡沖洗，洗凈后挑出雜質(zhì)和死根，在烘箱內(nèi)105℃殺青30 min，80℃烘至恒重后，測(cè)定根干質(zhì)量，計(jì)算各土層根系分布比例。

1.3.2 地上部生物量 于吐絲期和完熟期，在各小區(qū)同行內(nèi)連續(xù)選取3株有代表性的植株，按莖鞘、葉片、穗軸、苞葉和籽粒分開，在烘箱內(nèi)105℃殺青30 min，80℃烘至恒重后，測(cè)定干物質(zhì)量。

吐絲前干物質(zhì)積累量(kg·hm-2)=吐絲期干物質(zhì)積累量

吐絲后干物質(zhì)積累量(kg·hm-2)=完熟期干物質(zhì)積累量-吐絲期干物質(zhì)積累量

籽粒干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg·hm-2)=吐絲后籽粒干物質(zhì)積累量-成熟期籽粒干物質(zhì)積累量

1.3.3 產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素 于完熟期，在各小區(qū)選取24 m2測(cè)產(chǎn)面積，3次重復(fù)，分別計(jì)算各測(cè)產(chǎn)區(qū)有效穗數(shù)，人工脫粒后測(cè)鮮粒質(zhì)量和含水率，并折算成含水量為14%產(chǎn)量；之后分別取10穗有代表性果穗，風(fēng)干后考種，測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重。

1.3.4 水氮利用效率

灌溉水利用效率(IWUE)(kg·m-3)=產(chǎn)量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

氮肥偏生產(chǎn)力(NPEP)(kg·kg-1)=產(chǎn)量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米根系分布的影響

由表1可知，不同水氮減量處理根干質(zhì)量均隨土層的加深而減少，各土層根干質(zhì)量隨灌溉量和施氮水平的增加而增加。吐絲期，0～20 cm土層除W3N3外，其他各處理根干質(zhì)量均顯著低于CK，20～40、40～60 cm土層W2N3和W3N3處理根干質(zhì)量均與CK無顯著差異。同一灌溉量下，0～20、20～40 cm土層各處理根干質(zhì)量除2019、2018年20～40 cm土層W2灌溉量下N3處理顯著高于N2處理外，其他灌溉量下N3處理與N2處理的差異均不顯著，但均顯著高于N1處理；同一施氮水平下，N1處理不同土層各灌溉量處理根干質(zhì)量間的差異不顯著，除40～60 cm外N2、N3施氮水平下W3與W2處理根干質(zhì)量的差異均不顯著,但均顯著高于W1處理。完熟期，不同土層W2N3、W3N2、W3N3處理根干質(zhì)量均與CK的差異不顯著，同一灌溉量下，除2018年20～40 cm外，N3與N2處理根干質(zhì)量間差異不顯著，但顯著高于N1處理；同一施氮水平下，N2、N3處理下W3與W2處理根干質(zhì)量間的差異不顯著，N2施氮水平下W3處理顯著高于W1處理，N3施氮水平下W2、W3處理均顯著高于W1處理。

表1 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米根干質(zhì)量的影響/(g·株-1)

2.2 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表2可知，隨灌溉量和施氮水平的增加，不同水氮減量處理吐絲期前和吐絲期后的干物質(zhì)積累量、各器官轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率均呈增加的趨勢(shì)。吐絲前，除 W3N2、W2N3處理外，W3N3干物質(zhì)積累量均顯著高于其他處理；隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，吐絲后W3N3處理干物質(zhì)積累量顯著高于CK，N1施氮水平下各處理隨灌溉量增加的變化趨勢(shì)不明顯。各器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量總體表現(xiàn)為莖鞘>葉片，同一灌溉量下均以N1施氮水平轉(zhuǎn)運(yùn)量最低且隨灌溉量增加的變化不明顯。除 W3N2、W2N3處理外，W3N3處理莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量均顯著高于CK及其他處理；W2N2、W2N3、W3N2、W3N3處理和CK葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量的差異不顯著但均顯著高于其他處理。各器官籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率總體表現(xiàn)為莖鞘>葉片且二者均隨灌溉量與施氮水平的增加而增大，其中莖鞘、葉片均以W3N3對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率最大，與CK相比，W3N3處理莖鞘對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率分別提高0.37%(2018年)和0.43%(2019年)，葉片對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率分別提高0.27%(2018年)和0.56%(2019年)。

表2 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)玉米干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.3 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米根冠比和單位根干質(zhì)量產(chǎn)量的影響

由圖1可知，不同水氮減量處理根冠比整體隨灌溉量和施氮水平的增加而呈上升的趨勢(shì)，且吐絲期>完熟期。吐絲期，2018、2019年W3N3處理根冠比與CK的差異均未達(dá)顯著水平。同一灌溉量下，2018年除W3灌溉量外，其他灌溉量下均表現(xiàn)為N3與N2處理根冠比的差異不顯著但顯著高于N1處理，2019年除W2灌溉量下N1與N3處理根冠比的差異不顯著外，其他灌溉量下均表現(xiàn)為N1和N2處理根冠比顯著低于N3水平；同一施氮水平下，2018年W1與W2處理根冠比差異均未達(dá)顯著水平，2019年除N1水平外，W1處理根冠比顯著高于W2和W3處理。完熟期，2018年CK除與W1N2、W2N3和W3N3處理根冠比的差異不顯著外，顯著高于其他處理。同一灌溉量下，除W1N2處理外，其他灌溉量下均表現(xiàn)為N3與N2處理根冠比的差異不顯著，但二者均顯著高于N1處理；同一施氮水平下，除W1N3處理顯著低于W3N3處理外，各灌溉量間的差異均未達(dá)顯著水平。2019年N3處理下各灌溉量處理根冠比均與CK的差異不顯著，N1處理下各灌溉量處理顯著低于CK。同一灌溉量下，W3灌溉量下各施氮處理間差異顯著，表現(xiàn)為N3>N2>N1，W2灌溉量下N1與N2處理根冠比的差異不顯著但二者均顯著低于N3處理，W1灌溉量下N2與N3處理差異不顯著但均顯著高于N1處理。同一施氮水平下，N2、N3處理下W2與W3處理根冠比的差異均不顯著，N1施氮水平下，W1與W3處理根冠比的差異不顯著但二者均顯著低于W2處理。

圖1 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)玉米根冠比和單位根干質(zhì)量產(chǎn)量的影響

不同水氮減量處理單位根干質(zhì)量產(chǎn)量整體隨灌溉量和施氮水平的增加而呈降低的趨勢(shì)，吐絲期，不同水氮減量處理單位根干質(zhì)量產(chǎn)量均顯著高于CK。同一灌溉量下，N1與N2處理單位根干質(zhì)量產(chǎn)量的差異不顯著但顯著高于N3處理；同一施氮水平下，2018年除N2水平下W1與W2處理單位根干質(zhì)量產(chǎn)量的差異不顯著但顯著高于W3處理外，N1、N3水平下W1與W3處理差異不顯著，2019年不同灌溉量間的差異均不顯著。完熟期，除2019年W3N3處理單位根干質(zhì)量產(chǎn)量與CK差異不顯著外，各處理均顯著高于CK。同一灌溉量下，2018、2019年N1處理均顯著高于N3處理；同一施氮量下，2018年N1施氮水平下W1、W2處理均與W3處理差異不顯著，W1處理顯著高于W2處理，N2施氮水平下W1、W3處理均與W2處理差異不顯著，W1處理顯著高于W3處理，N3施氮水平下W2與W3處理差異不顯著但二者均顯著低于W1處理；2019年N1施氮水平下W1處理與W3處理差異不顯著但二者均顯著高于W2處理，N2水平下各灌溉量間差異不顯著，N3水平下W2與W3處理差異不顯著但二者均顯著低于W1處理。

2.4 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，不同水氮減量處理的穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量均隨施氮水平與灌溉量的增加而增加。2018年W1N3、W2N2、W2N3、W3N2和W3N3處理穗粒數(shù)與CK的差異不顯著，2019年除W2N3、W3N3處理穗粒數(shù)與CK的差異不顯著外，其他處理穗粒數(shù)均顯著低于CK。同一灌溉量下，2018年N2與N3處理穗粒數(shù)的差異不顯著，2019年N3處理顯著高于N1處理；同一施氮水平下，2018年除N1處理的W3顯著高于W1外，其他灌溉量下各處理間的差異均不顯著，2019年N2、N3水平下W2與W3處理穗粒數(shù)的差異不顯著，但均顯著高于W1處理。2018年W3N3處理千粒重與CK的差異不顯著，2019年除W2N3、W3N3處理千粒重與CK的差異不顯著外，其他處理均顯著低于CK。同一灌溉量下，2018年、2019年N3處理顯著高于N1處理；同一施氮水平下，N1水平下2018年不同灌溉量處理千粒重的差異均不顯著，2019年W1、W3處理與W2處理差異不顯著，且2018年W3處理顯著高于W1處理，N2水平下2018、2019年均表現(xiàn)為W1、W3處理均與W2處理差異不顯著，W3處理顯著高于W1處理，N3水平下2018年各灌溉量間差異顯著，表現(xiàn)為W3>W2>W1，2019年各灌溉量間差異未達(dá)顯著水平。2018年、2019年均以CK產(chǎn)量為最高，且與W2N3和W3N3的差異不顯著，但顯著高于其他處理。同一灌溉量下，除2019年W1灌溉量下N2處理產(chǎn)量顯著低于N3處理外，其他灌溉量下N2與N3處理產(chǎn)量的差異均不顯著；同一施氮水平下，N1水平下不同灌溉量處理產(chǎn)量隨灌溉量增加的變化不明顯，N3水平下W2與W3處理產(chǎn)量的差異不顯著，但二者均顯著高于W1處理。

表3 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.5 增密種植下淺埋滴灌水氮減量對(duì)春玉米水氮利用效率的影響

由圖2可知，2018年、2019年CK灌溉水利用效率均顯著低于其他處理。同一灌溉量下，除2019年W1灌溉量下N3處理灌溉水利用效率顯著高于N2處理外，其他灌溉量下均表現(xiàn)為N3與N2處理灌溉水利用效率的差異不顯著但均顯著高于N1處理；同一施氮水平下，不同灌溉量處理灌溉水利用效率的差異均達(dá)顯著水平。2018年、2019年W1N3處理氮肥偏產(chǎn)力顯著低于CK，W2N3和W3N3處理氮肥偏生產(chǎn)力與CK的差異均不顯著，其他處理則均顯著高于CK。同一灌溉量下，不同減氮處理氮肥偏生產(chǎn)力間的差異均達(dá)顯著水平；同一施氮水平下，除2018年、2019年的W1N3處理外，其他處理均表現(xiàn)為W2與W3處理氮肥偏生產(chǎn)力的差異不顯著，但均高于W1處理。

3 討 論

增密種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高玉米單產(chǎn)的重要措施之一[16]。隨著種植密度的增加，作物群體內(nèi)單株生長(zhǎng)空間變小，個(gè)體間對(duì)水、肥、氣、熱的競(jìng)爭(zhēng)加劇，單株冠層、根層生長(zhǎng)發(fā)育受限，植株對(duì)耕層土壤水氮供應(yīng)的響應(yīng)增強(qiáng)，通過改變灌溉方式提高對(duì)玉米水肥的供應(yīng)能力是打破增密后根冠生長(zhǎng)受限的有效途徑[17]。研究表明，滴灌可保證玉米生育后期的養(yǎng)分供應(yīng)，提高開花后干物質(zhì)積累能力和轉(zhuǎn)運(yùn)效率[18-19]。滴灌春玉米0～20 cm土層根系質(zhì)量和根長(zhǎng)最大，其中地表根系總長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)近50%[20-21]。本研究在增密種植下比較不同灌溉方式對(duì)玉米根冠的影響，結(jié)果表明在同一施氮量下，淺埋滴灌與傳統(tǒng)畦灌在吐絲前對(duì)玉米干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)影響不明顯，吐絲后淺埋滴灌下玉米干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)量以及籽粒貢獻(xiàn)率顯著高于傳統(tǒng)畦灌，相對(duì)于傳統(tǒng)畦灌淺層土壤中根系比例增加，深層略有下降，這與薛新偉等[22]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)增密種植下淺埋滴灌各處理根冠比較傳統(tǒng)畦灌并無明顯降低，在同一施氮水平灌溉量減少50%的情況下與傳統(tǒng)畦灌無明顯差異?？梢姡雒芊N植下淺埋滴灌可促進(jìn)玉米冠層干物質(zhì)積累和耕層土壤根系合理分布，提升根冠協(xié)同生長(zhǎng)能力，提升玉米增密增產(chǎn)潛力。

此外，相比于傳統(tǒng)畦灌因粗放的施肥灌溉方式而導(dǎo)致水氮利用效率低下的問題[23-25]，滴灌水肥一體化下氮肥可直接隨灌水釋放到玉米植株近根部，提高植株根部對(duì)養(yǎng)分的吸收利用效率[26]，減小株間水分蒸發(fā)量[27]，實(shí)現(xiàn)水氮的高效利用。淺埋滴灌下玉米水氮利用效率高主要表現(xiàn)在淺埋滴灌能夠?qū)崿F(xiàn)氮肥后移[28]，灌水以點(diǎn)滲透的方式濕潤(rùn)作物根系周圍的土壤，氮肥隨水分均勻地施入根區(qū)附近[29]，不僅能夠保證增密后單株水分、養(yǎng)分的供應(yīng)，還能有效避免水分的浪費(fèi)以及氮素向深層土壤淋溶[30]，能夠滿足玉米生育中后期籽粒形成對(duì)水氮的需求，發(fā)揮水氮協(xié)同促進(jìn)吸收的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，增密種植下淺埋滴灌水氮減量處理灌溉水利用效率均顯著高于傳統(tǒng)畦灌。同一氮肥水平下，較傳統(tǒng)畦灌在減少灌溉量50%的情況下氮肥偏生產(chǎn)力的差異不顯著，表現(xiàn)出較高的水氮吸收利用能力。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)畦灌常規(guī)施肥處理相比，增密種植下淺埋滴灌水氮減量處理雖因減水減肥而出現(xiàn)減產(chǎn)但二者的差異不顯著。增密種植下淺埋滴灌W2N3水氮處理根系分布合理且根冠比協(xié)調(diào)，其產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力與CK的差異均不顯著，但灌溉水利用效率提高了94.15%，在增密種植下實(shí)現(xiàn)了玉米高產(chǎn)與高效的兼顧。因此，增密種植下淺埋滴灌2 000 m3·hm-2、施氮300 kg·hm-2可滿足玉米正常生長(zhǎng)發(fā)育，并獲得較高產(chǎn)量和水氮利用效率。該結(jié)果可為西遼河平原淺埋滴灌玉米高產(chǎn)與資源高效利用種植提供參考。