不同降水狀況下旱地玉米生長與產量對施氮量的響應

寧 芳 張元紅 溫鵬飛 王 瑞 王 倩 董朝陽 賈廣燦 李 軍

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不同降水狀況下旱地玉米生長與產量對施氮量的響應

寧 芳 張元紅 溫鵬飛 王 瑞 王 倩 董朝陽 賈廣燦 李 軍*

西北農林科技大學農學院/ 農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室, 陜西楊凌 712100

水分不足是旱地玉米生長主要限制因素, 渭北旱塬雨養玉米種植區降水季節波動大, 干旱頻繁發生, 已嚴重影響春玉米正常生長發育及產量穩定性。于2016—2018年在渭北旱塬合陽縣進行旱地玉米施氮量定位試驗, 設置5個施氮量處理, 2016—2017年包括0、75、150、270、360 kg hm–2(分別以N0、N75、N150、N270、N360表示), 2018年施氮量處理為0、90、180、270、360 kg N hm–2(分別以N0、N90、N180、N270、N360表示), 供試品種為鄭單958 (ZD958)和陜單8806 (SD8806)。分析了不同降水分布年份施氮量對春玉米生育期土壤水分變化動態、干物質積累動態、產量構成、經濟效益及水分利用效率(WUE)的影響。結果表明, 試驗年份降水分布可分為穗期多雨、粒期干旱型(2016年和2018年)和穗期干旱、粒期多雨型(2017年)。生長季降水量及其分布顯著影響土壤蓄水量和玉米地上部干物質積累, 從而影響玉米產量及其構成因素, 穗期干旱顯著降低地上部干物質積累量和穗粒數, 粒期干旱會明顯降低粒重。不同降水分布年份施氮處理較N0增產6.72%~91.23%不等, 施氮量對玉米產量、水分利用效率(WUE)影響呈現二次曲線關系, 穗期多雨、粒期干旱型以N270處理籽粒產量和WUE最高, 而穗期干旱、粒期多雨型以N150處理產量和WUE最好。籽粒產量與“休閑至抽雄期降水(FP2)”、“播前土壤蓄水量+播種至抽雄期降水(SP2)”相關性較強(FP2:2=0.839**; SP2:2=0.837**)。根據產量、水分利用和經濟收益綜合評價, 渭北旱地玉米最適施氮方案為基施氮肥150 kg hm–2, 再根據休閑至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量與播種至抽雄期降水量之和預測產量, 估算并及時追施適宜施氮量。

春玉米; 降水分布; 施氮量; 產量; WUE

玉米已經成為中國第一大糧食作物, 2016年種植面積0.368億公頃, 占農作物總播種面積的22.06%,總產達2.20億噸[1]。氮肥對糧食增產的貢獻率達到30%~50%, 為保障世界糧食安全做出了重大貢獻[2-3]。玉米生長過程中對氮素需求量高, 合理施用氮肥可以提高作物產量[4-8], 過多或不足施肥均影響作物產量, 造成肥料利用率下降, 因此, 合理氮肥管理是玉米持續增產增效的關鍵。渭北旱塬雨養玉米種植區降水年際變化大, 關鍵生育時期干旱脅迫經常發生, 也嚴重影響渭北旱塬春玉米正常生長發育及產量穩定性。

玉米全生育期需水較多, 且對水分較為敏感, 不同時期、不同程度干旱脅迫均可能對玉米生長造成不同程度的影響[9-10]。白向歷等[11]認為因水分脅迫減產的嚴重程度以抽雄吐絲期最重, 拔節期次之, 苗期相對較弱, 相應減產40.61%、13.97%、10.97%。在夏玉米各生育階段, 遭受任何程度的土壤干旱均會導致減產, 而且減產幅度隨著水分脅迫程度的加劇而增大[11-12], 產量構成因素中穗粒數受水分影響變幅較大, 拔節期干旱導致穗粒數減少20%, 拔節期與抽雄期均干旱則減少32%~35%。姜鵬等[13]研究表明玉米各產量構成因素(穗長、穗粒數、百粒重等)在不同時期受旱時都呈下降趨勢, 特別是在抽穗—乳熟期遭受重旱時降幅更大。李葉蓓等[14]研究顯示玉米開花前和抽雄吐絲期間遭遇干旱均導致穗粒數降低, 灌漿期遭遇干旱導致籽粒灌漿受阻, 粒重降低, 導致不同程度減產。與此同時, 氮肥施用在增加旱地玉米產量和提高降水利用效率方面發揮了重要作用, 大量研究表明[15-16], 氮肥效益的發揮與農田水分狀況密切相關, 在底墑較好的降水正常年份, 水肥耦合增產效應明顯。水分虧缺會導致作物氮素吸收量和生物量、產量的降低[17], 而適宜的氮素供給可以提高作物的抗旱性, 進而促進水分利用效率的提升。

在干旱脅迫條件下, 氮素促進根系發育、增加作物的覓水空間, 對作物生長有顯著的促進作用[17-19]。此外, 適量增施氮肥可以改善水分狀況, 延緩葉片衰老, 促進植株生長, 緩解因水分不足而減產的不利影響, 過量施氮則加劇水分脅迫, 最終影響生長[20-23]。干旱少雨加劇旱作玉米產量波動性, 渭北地區66.1%以上農戶的氮肥施用偏高[24], 導致經濟效益降低, 使得渭北旱塬玉米生產面臨嚴峻的挑戰。因此, 因地因時制宜合理施用氮肥對保障渭北旱塬春玉米生產至關重要。此前對渭北旱塬春玉米增產增效研究多集中于保護性耕作蓄水保墑效應[25-30]、有機肥培肥增產[31-32]、密植增產效應[33-34]等方面, 而較少涉及綜合墑情、降水分布、不同生育時期干旱等多因素下合理施氮。本研究通過不同降水分布年份施氮量對春玉米生長發育、水分利用及產量、經濟效益的影響, 探究如何促進旱地玉米高效利用水肥, 減氮增產和節本增效, 以期為旱地春玉米氮肥合理施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

陜西省合陽縣甘井鎮西北農林科技大學旱農試驗站(35°19'54.45″N, 110°05'58.35″E)位于渭北旱塬東部, 海拔877 m, 屬典型的黃土高原溝壑區, 暖溫帶半干旱型大陸性季風氣候, 多年平均降雨量為536.6 mm, 主要集中在7月至9月。供試地塊土壤為黑壚土, 供試土壤試驗前基本化學性質見 表1。

表1 供試土壤試驗前化學基本性質

1.2 試驗設計

采用施肥與品種二因素裂區設計, 主處理為施氮量, 設5個施氮量水平, 副處理為品種, 設2個品種類型, 共組成10個處理, 小區面積43.2 m2(8.0 m × 5.4 m), 3次重復。供試玉米品種為鄭單958 (ZD958)和陜單8806 (SD8806), 其中鄭單958為粒用型玉米品種, 對施氮量較敏感, 陜單8806為糧飼兼用型玉米品種, 對施氮量較不敏感。2016—2017年5個施氮量處理為純氮0、75、150、270和360 kg hm–2, 分別用N0、N75、N150、N270、N360表示, 2018年施氮量處理調整為0、90、180、270和360 kg hm–2, 分別用N0、N90、N180、N270、N360表示。氮肥全部基施, 統一配施P2O5120 kg hm–2, K2O 45 kg hm–2, 氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N 46.4%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 50%)。3年均于4月26日播種, 種植密度為67,500株hm–2, 人工播種控制行距50 cm, 株距29.6 cm。全生育期無灌溉, 其他管理措施參照當地旱地玉米常規管理 措施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 在玉米各生育時期分別測定0~200 cm土層土壤水分, 用土鉆取土, 每20 cm土層取樣一次, 烘箱105℃烘干法測定含水量。利用自動氣象站記錄當地逐日降雨量。春玉米各生育時期測定時間見表2。

相關指標計算方法[29]如下。

(1) 土壤質量含水量 = (鮮土質量–干土質量)/干土質量×100%

表2 春玉米各生育時期測定時間(月/日)

(2) 土壤蓄水量(w, mm) = ρ×h×ω×10, 式中ρ為該土層的土壤容重(g cm–3), h為土層厚度(cm), ω為土壤質量含水量(g g–1)。

(3) 作物不同生育階段耗水量(ET, mm) = P–ΔW, 式中P為該生育時期降水量(mm), ΔW為生育時期末土壤蓄水量與生育時期初土壤蓄水量之差(mm)。由于試驗地為旱平地, 地下水埋藏深, 其他的因素均可忽略。

(4) 水分利用效率(WUE)(kg hm–2mm–1) = Y/ET, Y (kg hm–2)為單位面積上所生產的經濟產量, ET為作物生長期間的蒸散量[ET(mm) = P–ΔS, 其中P是作物生長期間的降水量(mm), ΔS是收獲期與播種期土壤蓄水量之差(mm)]。

1.3.2 干物質積累與產量構成 在春玉米拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期分別測定地上部分生物量, 成熟期分別測定莖葉、穗軸、籽粒干重。在玉米成熟時取每個小區4.5 m2, 測產并考種, 調查穗部性狀與產量構成。

1.3.3 經濟效益 根據經濟學理論, 在春玉米生產中, 假設以施氮量為投入要素, 其他影響春玉米生長要素不變的情況下, 增加一單位氮投入帶來的產值增加量即為氮的邊際效益[35]。

(1) 邊際產量(marginal product, MP)(kg N–1) = 產量增加量/施氮量增加量(施氮量以75 kg hm–2為一個單位)

(2) 邊際成本(marginal cost, MC)(元 kg–1) = 總成本的變化量/產量變化量

(3) 邊際收益(marginal revenue, MR)(元 kg–1) = 增加的收益/產量變化量

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS與Origin軟件統計分析數據及制作圖表。

2 結果與分析

2.1 生長季降雨量分布特征

試驗區降雨主要集中于7月至9月, 且年際間分布不均(圖1)。2016年春玉米全生育期降水357.5 mm, 主要集中于生育前期, 其中拔節至抽雄期161.6 mm, 占全生育期降水量的45.2%。2017年全生育期降水362.6 mm, 主要集中于生育后期, 拔節至抽雄期僅為8.8 mm, 占2.42%, 灌漿至成熟期為158.2 mm, 占全生育期的43.6%。2018年春玉米全生育期降水225 mm, 其中拔節至抽雄期為92.4 mm, 占全生育期的41.1%, 灌漿至成熟期極少, 僅為6.1 mm, 占2.7%。2016年穗期多雨, 粒期干旱, 2017年穗期干旱, 粒期多雨, 2018年全生育期降雨量少, 且穗期多雨, 粒期干旱。

2.2 春玉米田土壤水分變化動態

2.2.1 不同處理下春玉米田播前土壤蓄水量

2017年和2018年春玉米播前各施氮量處理下0~200 cm土層土壤蓄水量差異不顯著(圖2), 但N0處理土壤蓄水量較高。不同年際間差別較大, 由于上一季春玉米生育期消耗, 以及休閑期降雨補充等多種因素影響, 2017年播前土壤蓄水量低于2016年初始水平, 2018年則高于2016年。2017年不同品種間播前土壤蓄水量表現為鄭單958高于陜單8806, 在初始狀態相同, 休閑期降水一致條件下, 陜單8806在2016年生育期內耗水多于鄭單958。

圖1 2016?2018年春玉米生長季逐月降雨量(A)與各生育階段降雨量分布(B)

2.2.2 不同生育時期0~200 cm土層土壤蓄水量變化動態 年際間、品種間、不同施氮量處理間各生育時期土壤蓄水量均存在差異(圖3)。土壤蓄水量隨不同生育階段降雨量的多少呈現起伏變化, 2016年整體呈現“升高-降低”的趨勢, 2017年呈現“降低-升高”的趨勢, 2018年則呈現“降低–升高–降低”趨勢, 2017年各處理土壤蓄水量整體低于2016年和2018年。隨著生育進程, 不同處理間大體表現相似, 播種–出苗–拔節的降雨量能夠基本滿足春玉米生長需求, 土壤蓄水量差別不大, 從拔節期開始土壤蓄水量差異明顯。

2016年和2018年降雨量分布特征相似, 即穗期多雨、粒期干旱, 抽雄–灌漿–成熟期逐漸降低。各處理的土壤蓄水量均表現出抽雄期較高, 抽雄至成熟期逐漸降低趨勢。而2017年拔節至抽雄期降雨量極少, 穗期干旱、粒期多雨, 抽雄–灌漿–成熟期呈逐漸升高趨勢, 即使后期降雨增加, 抽雄和灌漿期土壤蓄水量仍然較低。可見, 拔節至抽雄期為玉米需水關鍵期, 此期降雨有助于滿足作物生長需求, 干旱會增加玉米對土壤水分的消耗。與2016年和2018年相比, 2017年灌漿至成熟期降水量較高, 土壤蓄水量逐漸降低趨勢得以緩解, 但此期降雨對春玉米生長影響不大, 植株消耗較少, 土壤蓄水量顯著增加。

圖2 不同處理玉米播前0~200 cm土層土壤蓄水量

ZD958: 鄭單958; SD8806: 陜單8806; N0: 施氮量為0 kg hm–2; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N90: 施氮量為90 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N180: 施氮量為180 kg hm–2; N270: 施氮量為270 kg hm–2; N360: 施氮量為360 kg hm–2。

ZD958: Zhengdan 958; SD8806: Shaandan 8806; N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2.

圖3 不同處理下春玉米不同生育時期0~200 cm土壤蓄水量

ZD958: 鄭單958; SD8806: 陜單8806; N0: 施氮量為0 kg hm–2; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N90: 施氮量為90 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N180: 施氮量為180 kg hm–2; N270: 施氮量為270 kg hm–2; N360: 施氮量為360 kg hm–2。

ZD958: Zhengdan 958; SD8806: Shaandan 8806; N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2.

鄭單958和陜單8806在不同施氮量處理下土壤蓄水量變化趨勢存在差異, N0處理下春玉米生育后期長勢不好, 需水較少, 耗水量低, 成熟期N0處理土壤蓄水量最高為378.65 mm, 各施氮處理的土壤蓄水量表現為隨施氮量增加而增加趨勢, 較N0減少28.77、23.16、15.73和13.63 mm。隨著生育進程推進, 陜單8806水分消耗量增加, 抽雄后各施氮處理下陜單8806土壤蓄水量均低于鄭單958, 糧飼兼用型品種陜單8806生育后期耗水量高于粒用型品種鄭單958。2016、2017、2018年陜單8806成熟期土壤蓄水量較鄭單958分別低3.93%~12.70%、4.86%~10.67%和1.47%~5.18%。

2016年和2018年粒期干旱, 隨著施氮量的增加, 同一土層土壤含水量降低, 根系水分利用深度增加, 0~40 cm土層含水量大幅下降, 80~100 cm土層水分利用較多。2017年穗期干旱, 部分土層土壤含水量僅為7%左右, 接近凋萎濕度值。N75和N150處理下根系水分利用深度達160 cm, 但N360處理深層土壤水分含量相比N150處理較高。可見, 增加施氮量會增加根系對土壤水分的吸收, 土壤水分消耗土層逐漸加深, 穗期干旱會擴大玉米根系汲取水分的土壤空間。

2.3 春玉米不同生育階段干物質積累動態

不同降水分布年份和不同施氮量處理下春玉米不同生育階段干物質積累動態特征表現不同(圖4)。春玉米全生育期干物質累積量整體呈“S”形變化, 成熟期干物質累積量最高。2016年和2018年穗期多雨、粒期干旱, 成熟期春玉米地上部干物質總量隨著施氮量增加而增加。2017年穗期干旱、粒期多雨, 成熟期地上部干物質總積累量隨施氮量增加先增加后降低, 以N270處理最高。2016、2017和2018年施氮處理成熟期干物質積累量較不施氮(N0)分別增加6.92%~24.61%、30.84%~74.38%和10.12%~38.05%。3個玉米生長季不同生育階段干物質積累動態差異明顯, 2016年拔節至抽雄期干物質積累量為5680 kg hm–2, 2018年次之, 為3975 kg hm–2, 2017年最低, 為2919 kg hm–2, 拔節至抽雄期嚴重干旱抑制了春玉米生長。2017年抽雄至灌漿期干物質積累量少, 但灌漿至成熟期積累量高于2016年, 粒期降雨多促進了玉米恢復生長。2016年拔節至灌漿期干物質積累量明顯高于2018年, 灌漿至成熟期干物質增長量極少, 與同樣粒期干旱的2018年表現不同, 2018年灌漿至成熟期玉米干物質積累量較大, 為4643 kg hm–2。不同降水分布年份陜單8806生育后期干物質積累量均高于鄭單958, 陜單8806抽雄后干物質積累量較鄭單958高9.83%、6.52%和11.95%。

圖4 不同處理下春玉米不同生育階段干物質積累量

ZD958: 鄭單958; SD8806; 陜單8806; N0: 施氮量為0 kg hm–2; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N90: 施氮量為90 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N180: 施氮量為180 kg hm–2; N270: 施氮量為270 kg hm–2; N360: 施氮量為360 kg hm–2。

ZD958: Zhengdan 958; SD8806: Shaandan 8806; N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2.

2.4 春玉米產量構成因素及經濟效益

以粒用型品種鄭單958為例, 拔節至抽雄期干旱影響春玉米穗部性狀發育, 顯著降低穗數和穗粒數, 2017年春玉米穗數分別比2016、2018年減少16.51%、15.53%, 穗粒數分別減少64.25%、63.42%。穗期干旱影響穗部發育, 降低籽粒產量和收獲指數, 2016、2017和2018年平均收獲指數為54.79%、19.38%、41.19%。2017年粒期多雨, 平均百粒重較2018年高5.21 g, 且百粒重均隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢。2016年和2018年籽粒產量、生物量、收獲指數均高于2017年, 春玉米籽粒產量和收獲指數均表現為隨施氮量增加先增加后減少的趨勢(表3)。

以不施氮處理(N0)為對照, 分析各施氮量處理春玉米邊際產量、邊際成本和邊際收益。2017年邊際產量隨著施氮量增加呈現先升后降趨勢, 以N150處理最高, 符合邊際產量遞減規律。邊際收益表現與邊際產量相似, 也以N150處理較高。2016年和2018年邊際成本隨施氮量增加而增加, 而2017年邊際成本先減少后增加, 以N150處理最低。施氮增產效應明顯, 但繼續增加施氮量時, 增產效果會逐漸下降。

2.5 春玉米產量、耗水量及水分利用效率

2.5.1 不同處理春玉米的產量、耗水量及水分利用效率 降水量年際變化極顯著影響春玉米生育期耗水量、產量及水分利用效率, 施氮量顯著影響籽粒產量和WUE, 品種及其與施氮量、年份互作對三者則無顯著性影響, 年份×施氮量×品種三者交互作用對籽粒產量和水分利用效率有極顯著影響(表4)。

表3 不同施氮量處理下春玉米產量構成因素及經濟效益

表中數值后不同字母表示不同處理間差異達0.05顯著水平。N0: 施氮量為0 kg hm–2; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N90: 施氮量為90 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N180: 施氮量為180 kg hm–2; N270: 施氮量為270 kg hm–2; N360: 施氮量為360 kg hm–2。HI: 收獲指數; MP: 邊際產量; MC: 邊際成本; MR: 邊際收益。

Values followed by different letters are significantly different at< 0.05 among different treatments. N0: N application rate was 0 kg hm–2; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N90: N application rate was 90 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N180: N application rate was 180 kg hm–2; N270: N application rate was 270 kg hm–2; N360: N application rate was 360 kg hm–2. HI: harvest index; MP: marginal product; MC: marginal cost; MR: marginal revenue.

表4 不同處理春玉米的產量、耗水量及水分利用效率

表中數值后不同字母表示不同處理間差異達0.05顯著水平, *和**分別表示0.05和0.01顯著水平, NS表示不顯著。ET: 耗水量; WUE: 水分利用效率。

Values followed by different letters are significantly different at< 0.05 among different treatments. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, NS: not significant. ET: evapotranspiration; WUE: water use efficiency.

2016年玉米籽粒產量平均為10,940 kg hm–2, 2017年和2018年比2016年分別降低68.4%和20.1%。2018年平均水分利用效率最高為27.05 kg hm–2mm–1, 較2016年WUE增加13.2%, 約為2017年WUE的3倍。春玉米全生育期耗水量呈逐年降低趨勢, 2016年高達459.87 mm, 2017年為379.72 mm, 而2018年為322.23 mm。穗期干旱顯著降低籽粒產量和WUE, 而降水分布均表現穗期多雨, 全生育期降雨量則會影響耗水量及產量。

增加施氮量能顯著提高春玉米產量, 2016年施氮處理較不施氮處理增產6.72%~17.45%, 2017年增產28.33%~91.23%, 2018年增產47.93%~78.79%。但是, 持續增加施氮量對產量提升沒有進一步貢獻, 隨著施氮量增加, 籽粒產量表現為先增加后降低, 且2016年表現為N270> N360> N150> N75> N0, 2017年表現為N150> N270> N360> N75> N0, 2018年表現為N270> N180> N360> N90> N0。與籽粒產量表現相似, 隨著施氮量增加, 水分利用效率先增加后降低, 不同年份施氮量處理間表現趨勢與產量類似。2016、2017和2018年WUE變化范圍分別為21.96~25.50 kg hm–2mm–1、6.15~10.83 kg hm–2mm–1和18.80~31.45 kg hm–2mm–1。可以看出, 降雨分布為穗期多雨、粒期干旱型時, 無論全生育期降雨量多少, 在N270處理下籽粒產量、WUE較高, 當穗期干旱、粒期多雨型時, 籽粒產量和WUE在N150處理下表現較高。

2.5.2 春玉米的產量、水分利用效率與施氮量關系

不同降水分布年份籽粒產量、WUE均與施氮量呈二次線性相關(圖5)。籽粒產量和WUE隨著施氮量增加呈拋物線變化, 2016年隨著施氮量持續增加, 產量緩慢增加后逐漸緩慢下降, 2017年達最大值后隨著施氮量進一步增加則下降幅度相對較大, 2018年二者相關性更為顯著(2=0.9807)。隨著試驗年份增加, 氮肥累積效應逐漸增強, 隨著施氮量增加, 籽粒產量先增加后降低, 符合報酬遞減規律。

2.6 春玉米產量與休閑期降水、播期蓄水量及不同階段降雨量關系

籽粒產量與休閑期降水(FP0)、休閑至拔節期降水(FP1)、休閑至抽雄期降水(FP2)、休閑至灌漿期降水(FP3)的相關性呈現先增加后降低趨勢(圖6-A), 其中籽粒產量與FP0相關性較弱(2=0.222**), 與FP2相關性較強(2=0.839**), 隨著關鍵生育期降雨量增加, 相關性逐漸增強。籽粒產量與播前土壤蓄水量(SP0)、播前土壤蓄水量+播種至拔節期降水(SP1)、播前土壤蓄水量+播種至抽雄期降水(SP2)、播前土壤蓄水量+播種至灌漿期降水(SP3)呈一次線性正相關(圖6-B), 隨生育進程, 降雨量增加, 底墑+降水量與產量的相關性增強, 其中籽粒產量與SP2相關性最高(2=0.837**)。

結合不同年份降雨量分布特征, 2016、2017和2018年播種至拔節期降雨差別不大, 但拔節至抽雄期、抽雄至成熟期降雨量差異較大, 籽粒產量分別與FP2和SP2相關性較強, 因此可以結合休閑至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量與抽雄前降雨量之和, 預測分析籽粒產量。

圖5 不同年份籽粒產量、水分利用效率(WUE)及其與施氮量的相關性

WUE: 水分利用效率。WUE: water use efficiency.

3 討論

3.1 降水對春玉米生長的影響

在降水對作物生長和產量的作用中, 主要因素并非全生育期降水總量, 而是降雨強度及其季節分布狀況。高亞軍等[19,36]指出玉米水分敏感期為抽雄期前后, 拔節期是旱地玉米有限灌溉另一關鍵期, 任何生育時期土壤干旱脅迫均會導致玉米減產。前人研究[13-14]結果表明, 抽雄吐絲期遭遇干旱會影響授粉、受精過程, 導致穗粒數降低, 灌漿期干旱導致籽粒灌漿受阻, 光合產物積累不足, 粒重降低。與正常生長相比, 抽穗至乳熟期遭受不同程度干旱會使百粒重分別降低18.8%和30.2%, 最終導致產量下降62.4%和70.3%。本研究結果與之一致, 春玉米穗期干旱和粒期干旱均影響春玉米穗部性狀, 拔節至抽雄期水分不足顯著降低了穗數和穗粒數, 灌漿期干旱導致粒重降低, 最終影響籽粒產量。

(圖6)

A為籽粒產量與不同階段降雨量的關系, 其中 FP0為休閑期降水; FP1為休閑至拔節期降水; FP2為休閑至抽雄期降水; FP3為休閑至灌漿期降水。B為籽粒產量與播前土壤蓄水量與不同階段降雨量之和的關系, 其中SP0為播前土壤蓄水量; SP1為播前土壤蓄水量+播種至拔節期降水; SP2為播前土壤蓄水量+播種至抽雄期降水; SP3為播前土壤蓄水量+播種至灌漿期降水。**表示0.01顯著水平。

A shows the relationship between grain yield and precipitation at different stages, among which FP0: precipitation during fallow; FP1: precipitation from fallow to jointing; FP2: precipitation from fallow to tasseling; FP3: precipitation from fallow to filling. B shows the relationship between grain yield and soil water storage before sowing and the sum of precipitation at different stages. SP0: soil water storage before sowing; SP1: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to jointing; SP2: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to tasseling; SP3: soil water storage before sowing + precipitation from sowing to filling.**indicates significant at the 0.01 probability level.

降水分布顯著影響春玉米產量, 在本研究中, 2016年較2017年全生育期總降雨量相差不大, 但產量卻遠高于2017年, 2018年全生育期降雨量比2017年低132.5 mm, 但產量也高于2017年, 可見生育期降水總量并非影響籽粒產量的唯一決定因素。2016年和2018年均為拔節至抽雄期降雨較多, 穗期多雨、粒期干旱, 2017年拔節至抽雄期降水極少、粒期多雨, 拔節至穗期干旱直接導致大幅減產, 水分利用效率降低。2018年較2016年降水少, 生育期耗水量相應減少, 但水分利用效率提高, 春玉米籽粒產量仍保持較高水平, 除關鍵時期降雨外, 還與播前土壤蓄水量較高有相應關系。

3.2 氮肥對產量、WUE及土壤水分利用的影響

在作物生長過程中, 氮肥增產效應顯著, 在合理范圍內增加施氮量可以顯著提高玉米水分利用效率和產量[29,37], 且籽粒產量與水分利用效率與施氮量呈二次函數關系, Liu等[37]研究表明產量與施氮量擬合方程2=0.9808**, WUE與施氮量擬合2= 0.9759**。易鎮邪等[38]研究發現, 施氮量在0~180 kghm–2范圍內, 夏玉米產量、耗水量、水分生產效率均隨施氮量的增加而加大。丁民偉等[39]研究表明, 在施氮0~300 kghm–2范圍內夏玉米產量隨施氮量增加而增加, 超過300 kghm–2時則降低。本研究表明春玉米籽粒產量、水分利用效率隨施氮量的增加呈二次拋物線趨勢, 與已有研究結果相似。

段文學等[40]在研究小麥耗水規律中發現, 當施氮量適當增加時, 小麥利用深層土壤貯水能力增強, 但施氮量繼續增加, 80 cm以下土層土壤貯水消耗量未顯著增加。曹云者等[41]研究發現, 夏玉米對水分需求最大強度在拔節至抽雄期, 在干旱年型無灌溉處理下, 夏玉米生長后期耗水以80~100 cm為主, 表層供水不足迫使根系下扎, 利用深層土壤儲水。本研究中對不同生育時期土壤蓄水量變化動態和土壤含水量時空變化動態的分析發現, 不施氮處理玉米長勢不好, 耗水較少。2016年和2018年隨著施氮量的增加, 同一土層土壤含水量降低, 根系水分利用深度增加, 80~100 cm土層水分利用較多。2017年穗期干旱, 部分土層土壤含水量僅為7%左右, 接近凋萎濕度值。N75和N150處理下根系水分利用深度達160 cm, 但N360處理下深層土壤水分含水量相對其他處理較高, 可能由于前期水分消耗較多, 拔節至抽雄期氮肥促長響應較弱。方差分析顯示, 施氮量對全生育期耗水量無顯著性影響, 年份對耗水量影響顯著, 由于年際間差異極大, 施氮量的影響效應被削弱。

3.3 旱地玉米“以水定產、以產定肥”

Zhang等[42]利用小麥生產模型根據生育前期降水和市場情況確定最優氮肥施用量。Cao等[43]基于多年黃土高原旱地冬小麥產量和降水量研究, 發現根據夏閑期至拔節期降水可以預測產量, 并根據產量與施肥量的關系計算與之匹配的氮磷鉀肥施肥量, 以此來糾正氮肥和磷肥的過量施用以及鉀肥施用不足狀況。Calvino等[44]在旱作玉米研究中發現, 籽粒產量與開花前后20 d左右時間內的降雨量呈顯著相關, 這為結合開花前降雨和花后降雨預報預測玉米產量, 進而推薦氮肥追施提供了依據。根據山西壽陽[45]十年旱地玉米定位試驗數據中春玉米產量和生育期不同階段降水量數據分析發現, 籽粒產量和休閑至7月中旬降水相關性最強(= 23.034?567.45,2= 0.765), 通過已有地力水平、已有水分含量和降水狀況來預測產量, 從而確定與降水相適應的施氮量具有可行性。本研究中, 春玉米籽粒產量分別與休閑至抽雄期降水量和播前土壤蓄水量與抽雄前降雨量之和相關性較強。2017年渭北旱塬有數千公頃旱地玉米因極端干旱大幅度減產和絕產而被翻壓, 造成經濟效益低下和氮肥資源浪費。因此根據關鍵生育時期降水預測產量并及時調整氮肥施用量對渭北旱塬地區春玉米生產至關重要。

李少昆等[46]指出, 應研究玉米生長發育與產量形成對資源的響應特征及利用情況, 建立雨養、水源不足地區雨水高效利用的栽培技術, 實現玉米的高產高效協同與可持續增產。本試驗中涉及不同降水分布年份為穗期多雨、粒期干旱型和穗期干旱、粒期多雨型, 未涉及全生育期多雨和全生育期干旱類型, 后期可補充人工控制干旱脅迫或提供充足水分條件下的試驗綜合全面分析, 進一步完善“以水定產”研究, 以期為渭北旱塬春玉米生產中依據底墑、降水情況制定合理的氮肥施用策略提供科學依據, 實現“以水定肥、以肥促水”, 增產增收, 節本增效。

4 結論

(1) 生長季降水量及其分布顯著影響土壤蓄水量和玉米地上部干物質積累, 從而影響玉米產量及其構成因素, 穗期干旱影響地上部干物質積累量和穗粒數, 粒期干旱會明顯降低粒重。(2) 施氮量對玉米產量、水分利用效率影響呈現二次曲線關系, 穗期多雨、粒期干旱型以N270處理籽粒產量和WUE最高, 當穗期干旱、粒期多雨時, 以N150處理產量和WUE最好。(3) 綜合產量、水分利用和經濟收益綜合評價, 渭北旱地玉米最適施氮方案為基施氮肥150 kg hm–2, 再根據休閑至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量與播種至抽雄期降水量之和預測產量, 估算并及時追施適宜施氮量。

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Responses of maize growth and yield to nitrogen application in dryland under different precipitation conditions

NING Fang, ZHANG Yuan-Hong, WEN Peng-Fei, WANG Rui, WANG Qian, DONG Zhao-Yang, JIA Guang-Can, and LI Jun*

College of Agronomy, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physi-ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China

Water deficiency is a main limiting factor for maize growth in dryland. The seasonal fluctuation of precipitation and the frequent occurrence of drought have severely affected the normal growth and stable production of spring maize in Weibei dryland. Anexperiment was conducted in Heyang county located in Weibei dryland from 2016 to 2018, with five treatments of nitrogen rates, including 0 kg ha–1(N0), 75 kg ha–1(N75), 150 kg ha–1(N150), 270 kg ha–1(N270), and 360 kg ha–1(N360) from 2016 to 2017 and 0 kg ha–1(N0), 90 kg ha–1(N90), 180 kg ha–1(N180), 270 kg ha–1(N270), and 360 kg ha–1(N360) in 2018, using two spring maize varieties Zhengdan 958 (ZD958) and Shaandan 8806 (SD8806). The effects of nitrogen application rates on dynamic changes of soil moisture, dry matter accumulation, yield composition, economic returns and water use efficiency (WUE) of spring maize during growth period were analyzed in different test years. There were two distribution types of precipitation in the test years, one was rainy at the ear stage and droughty at the grain stage (2016, 2018), while the other was droughty at the ear stage and rainy at the grain stage (2017). Precipitation amount and its distribution in the growing season significantly affected soil water storage and aboveground dry matter accumulation of maize, thus affecting grain yield and its components. Drought at the ear stage significantly reduced aboveground dry matter accumulation and kernel number per ear, while drought in the grain stage decreased kernel weight. The yield of applying nitrogen fertilizer treatment was 6.72%–91.23% higher than that of N0 across three years. The effects of nitrogen rates on grain yield and WUE followed a quadratic curve relationship. In the case of being rainy at the ear stage and droughty at the grain stage there occurred the highest grain yield and WUE in N270, in contrast when it was droughty at the ear stage and rainy at the grain stage, spring maize performed better in N150 treatment. The Grain yield was positively correlated with “precipitation from fallow to tasseling” (FP2) and “the sum of soil water storage before sowing and precipitation from sowing to tasseling” (SP2) (FP2:2=0.839**; SP2:2=0.837**). Based on a comprehensive assessment for grain yield, WUE and net economic returns, the optimum nitrogen application rate in this study is basic fertilizer of 150 kg ha–1plus top dressing of nitrogen fertilizer in time according to the predicted yield, which is estimated by FP2 or SP2, so as to get the optimized N fertilizer amount and maximized yield, WUE and economic returns in Weibei dryland.

spring maize; distribution of precipitation; nitrogen application rate; yield; WUE

2018-07-20;

2019-01-19;

2019-02-27.

10.3724/SP.J.1006.2019.83055

李軍, E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn

E-mail: ningfang1108@163.com

本研究由國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B02), 國家自然科學基金項目(31571620, 31801300)和國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2013AA102902)資助。

This study was supported by the National Science and Technology Support Program (2015BAD22B02), the National Natural Science Foundation of China (31571620, 31801300), and the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2013AA102902).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190226.1725.010.html