耦合效應彌補水氮減量對夏玉米養分吸收和利用的不利影響

李 慧，王旭敏，劉朋召，劉 苗，王小利，王 瑞，李 軍

（西北農林科技大學農學院/農業農村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）

陜西省是玉米的主要產區，也是灌溉水資源嚴重短缺區[1]。玉米生產管理中“大水大肥”現象較為普遍，高施氮量農戶占比高達64.7%，平均施氮量為 288 ± 113 kg/hm2[2]，農田灌溉量高達 800 m3/hm2[3]，嚴重降低了水肥資源利用效率，引發了土壤氮素淋洗損失和地下水污染等環境問題[4–5]。解決玉米栽培中水氮過量投入、資源浪費突出的問題，確定節水減肥增效的水氮管理模式，有助于關中地區夏玉米綠色高效生產。

農田水分和氮肥之間存在明顯的交互效應，水分不足影響氮肥肥效發揮，水分過多則導致氮肥淋溶和作物減產[6]。適量氮肥有利于提高玉米抗旱性，增強玉米光合作用和干物質積累，促進開花后葉片保綠，延長光合與灌漿時間[7–8]，促進植株氮、磷、鉀養分積累與轉運[9]，而過量施氮反而加劇干旱脅迫[10]，導致后期葉片早衰[11]，進而抑制作物生長和產量增長。前人研究表明，控釋氮肥減量25%可使玉米小幅度增產，且氮肥生理利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力顯著提高[12]。與習慣施氮(240 kg/hm2)相比，減施40%氮肥用量仍可保障玉米產量[13]。張明偉等[14]研究表明，西遼河平原水氮用量可實現較傳統畦灌常規施氮減水50%、減氮30%，水氮互作顯著提高產量和氮素利用效率。劉朋召等[15]研究表明，與當地農戶習慣高施氮量360 kg/hm2相比，渭北旱地春玉米在施氮 150～180 kg/hm2處理下籽粒產量增加0.9%～7.1%，氮肥回收利用率、偏生產力和農學效率均保持在較高水平。

在傳統水肥管理模式基礎上適量減少水、氮投入，可以有效提高玉米水肥資源利用效率，并可減輕對農業環境的污染，是綠色可持續發展的必然選擇[4]。因此，如何科學合理地進行玉米水肥高效栽培是亟待解決的問題。盡管前人已經在灌水和施氮單一因素對玉米產量、養分積累轉運、氮素利用等方面開展了相關研究[16–19]，但有關水氮共同減量處理下水氮互作對玉米植株養分(氮、磷、鉀)吸收利用影響等方面研究尚不夠深入和全面。因此，我們連續進行了2年夏玉米田間定位試驗，研究水、氮共同減量下玉米氮、磷、鉀養分積累、轉運及氮素利用效率，以期為關中平原夏玉米發展節水節肥的生產模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018—2019年在陜西省楊凌區西北農林科技大學曹新莊試驗農場 (108°07′E，34°20′N)實施。當地屬于大陸性季風暖溫帶半濕潤氣候，年均日照時數2163.8 h，年均氣溫12.9℃，年均降水量635.1 mm，年均蒸發量993.2 mm，無霜期211天，供試土壤為土。試驗地種植制度為冬小麥－夏玉米一年二熟制輪作，2018—2019年播前土壤0—20 cm養分含量為有機質17.06 g/kg、全氮1.24 g/kg、全磷 0.99 g/kg、全鉀 10.85 g/kg、硝態氮 12.46 mg/kg、速效磷 32.59 mg/kg、速效鉀 223.87 mg/kg。2018年夏玉米6月14日播種，10月1日收獲，生育期內降水量335.3 mm，生育前期降水較密集；2019年夏玉米6月14日播種，9月30日收獲，生育期內降水量499.8 mm，生育后期降水較密集(圖1)。

圖1 夏玉米生長季日降水量Fig.1 Daily rainfall during the growth stage of summer maize

1.2 試驗設計

本試驗采用二因素裂區設計，灌溉量為主區，施氮量為副區。灌溉量設3個灌溉水平：傳統灌水量800 m3/hm2，W2)，于拔節期和抽雄期各灌溉400 m3/hm2；減量 50% (400 m3/hm2，W1)，于拔節期進行；不灌溉(W0)。施氮量設5個水平：傳統用量(N 300 kg/hm2，N300)、減施 25% (N 225 kg/hm2，N225)、減施 50% (N 150 kg/hm2，N150)、減施 75%(N 75 kg/hm2，N75)和不施氮 (N0)，其中 W2 和N300 為對照組 (CK)。小區面積 91 m2(6.5 m × 14 m)，3次重復，共計45個小區。施用氮肥為尿素，試驗地統一施磷肥為P2O5120 kg/hm2，本地區農田土壤富含鉀素，因此本試驗不施鉀肥，氮、磷肥全部基施。供試玉米品種為浚單20，密度60000株/hm2。灌溉方式采用噴灌，水表控制灌水量，其他管理措施同當地生產習慣。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及產量構成因素 在玉米成熟期，每個小區選取長勢均勻、行長5 m的玉米各3行，統計穗數，在行內選取20個均勻果穗，取3次重復，風干后于室內考種，測定穗粒數和百粒重，按14%含水量折算籽粒產量。

1.3.2 氮、磷、鉀積累量 分別于玉米苗期(VE)、拔節期(V6)、抽雄期(VT)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)采集不同處理具有代表性玉米植株3株，取其地上部分105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重后稱重并粉碎，采用H2SO4–H2O2消煮，凱氏定氮法測定全氮，釩鉬黃比色法測定全磷，火焰光度法測定全鉀含量[20]。

1.3.3 測定項目相關計算方法[9]

收獲指數 = 籽粒產量/地上部生物量；

植株養分積累量(kg/hm2)=各時期干物質量×氮(磷、鉀)素含量(%)；

干物質或養分轉運量(kg/hm2)=抽雄期地上部干物質或養分積累量–成熟期營養器官干物質或養分積累量；

轉運率(%)=干物質或養分轉運量/抽雄期地上部干物質或養分積累量×100；

干物質轉運或轉運養分對籽粒干物質或養分貢獻率(%)=(抽雄期營養器官干物質或養分積累量–成熟期營養器官干物質或養分積累量)/籽粒干物質或養分積累量×100；

氮肥農學效率(NAE, kg/kg)=(施氮區玉米產量–不施氮區玉米產量)/施氮量；

氮肥回收效率(NRE, %)=(施氮區植株地上部氮積累量–不施氮區植株地上部氮積累量)/施氮量×100；

氮肥偏生產力(NPFP, kg/kg)=施氮區籽粒產量/施氮量。

1.4 數據分析

使用SPSS 19.0分析試驗數據，采用Duncan’s法多重比較，差異顯著性水平為P=0.05。使用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮組合處理的玉米產量及產量構成因素

從表1中可以看出，2019年W0N150處理玉米產量高于W0與其他氮水平組合，在不同水氮處理下，W2N225、W1N225、W0N225處理顯著高于同水平下其他處理，W2N225、W1N225處理較W2N300處理產量分別提高9.28%、7.61%。在同一灌水水平下，N150與N300產量沒有顯著差異，N75和N0產量顯著降低。在同一施氮水平下，W1和W2灌溉水平產量差異較小，W0產量最低，W1和W2灌溉水平下2年平均產量較W0灌溉水平分別提高15.29%和12.40%，W1、W2灌溉水平產量與W0灌溉水平差異達顯著水平(P<0.05)，說明適當減少灌水量沒有減產風險。

表1 不同水氮減量處理下玉米產量及產量構成因素Table 1 Maize yield and yield components under different water and nitrogen reduction treatments

在玉米產量構成因素中，灌水和施氮及其互作

對玉米單位面積穗數和穗粒數影響極顯著，灌水對收獲指數無顯著影響，施氮則對百粒重無顯著影響。W2灌溉水平時各施氮水平下單位面積穗數無顯著差異，W1N300、W1N225、W1N150處理單位面積穗數差異不顯著，但2019年與W1N75、W1N0處理差異顯著。在同一灌水水平下，穗粒數2018年總體表現為N300、N225、N150差異不顯著，與N75、N0差異顯著，2019年則呈現出隨施氮量減少先增后降的趨勢。在同一施氮水平下，W1和W2灌溉水平平均百粒重差異不顯著，分別較W0灌溉水平提高5.10%和4.52%。

在同一灌溉水平下，玉米產量與施氮量呈二次曲線關系(圖2)，2018年W2、W1、W0水平下施氮量分別為217.51、214.11、260.25 kg/hm2時，可達到最高產量 10100、9850、8047 kg/hm2，2019 年 W2、W1、W0灌溉水平下施氮量分別為222.29、207.24、185.14 kg/hm2時，可達到最高產量10287、10060、8899 kg/hm2，由此可知，W2、W1、W0 灌溉水平下減氮25.77%、29.78%、26.70%時仍可獲得最高產量，減氮不存在減產風險，W1和W2灌溉水平最高產量差異不顯著，水氮減量不會對玉米生長造成太大影響。

圖2 不同灌水條件下夏玉米產量與施氮量的關系Fig.2 Relationships between summer maize yield and nitrogen application rate under different irrigation condition

2.2 不同水氮減量處理玉米干物質積累和轉運量

表2表明，施氮和灌水及其互作對玉米抽雄前后干物質積累和轉運有顯著影響，對轉運率無影響，干物質轉運對籽粒干物質積累貢獻率與施氮極顯著相關。在同一灌水水平下，玉米抽雄前后干物質積累和轉運量隨施氮量的減少呈現先增后降的趨勢。在同一施氮水平下，玉米抽雄前后干物質積累和轉運隨灌水量的減少呈先增后降的趨勢，最高為W1灌溉水平，后依次為W2、W0灌溉水平，但W2、W1、W0灌溉水平抽雄前干物質積累差異不顯著，W1、W2灌溉水平抽雄后干物質積累差異不顯著，與W0灌溉水平差異顯著，由此說明，灌水顯著提高抽雄后干物質積累。不同水氮處理下W1N225和W1N300抽雄前干物質積累顯著高于其他處理，分別比W2N300處理提高7.38%和6.02%。2018年W1N225和W1N300、W2N225處理抽雄后干物質積累無顯著差異，但與W2N300處理有顯著差異。W1N 225處理干物質轉運量顯著高于其他處理，2年平均干物質轉運量W1N225處理較W2N300處理提高11.67%。

表2 不同水氮減量處理下玉米干物質積累和轉運量Table 2 Dry matter accumulation and remobilization under different water and nitrogen reduction treatments

2.3 不同水氮減量處理玉米抽雄前后養分積累與所占比例

2.3.1 不同水氮減量處理玉米抽雄前后氮磷鉀養分積累 圖3表明，在同一灌水水平不同施氮水平下，除2019年磷積累量外，玉米抽雄前植株氮、磷、鉀養分積累量N225與N300處理無顯著差異；抽雄后氮、磷、鉀積累量則隨著施氮量的減少先增后降，不同水氮處理下 W1N225處理表現最優。由此說明，玉米生育前期過量施氮有利于氮、磷、鉀養分的積累，而減量施氮可以使玉米在生育后期保持較高的養分積累速率，提高抽雄期到成熟期氮、磷、鉀養分積累量。受生育期降水影響，在同一施氮量下，2年中玉米抽雄前氮、磷、鉀積累量差異顯著，隨著生育時期的推進，抽雄后2年氮、磷、鉀積累量的差異逐漸減小直至沒有顯著差異。隨著灌水量的減少，養分積累呈先增后降的趨勢，不同灌水水平以W1氮、磷、鉀養分積累最高，分別比W2和W0灌水水平提高10.76%、12.13%、13.03%和18.90%、30.82%、31.95%。

圖3 不同水氮減量處理下玉米抽雄前后氮磷鉀積累量Fig.3 Accumulation of NPK at pre- and post-tasseling of maize under reduced water and nitrogen conditions

2.3.2 不同水氮減量處理玉米抽雄前氮磷鉀積累所占比例 表3表明，灌水和施氮及其互作對玉米抽雄前氮、磷、鉀積累所占比例影響顯著。在同一灌水水平下，抽雄前氮、磷、鉀分配比例隨著施氮水平的減少呈先降后增的趨勢。在同一施氮水平下，不同灌水水平間抽雄前氮、磷、鉀分配比例無顯著性差異(P>0.05)。不同水氮處理下W1N225處理多顯著低于其他處理，W2N150、W2N300處理2018年無顯著差異，W0N150、W0N300處理無顯著差異。由此說明，施氮量減少顯著提高抽雄后養分積累與分配比例。

表3 不同水氮減量處理下玉米抽雄前地上部氮磷鉀積累量占整株氮磷鉀積累量的比例(%)Table 3 Proportions of above-ground N, P, and K accumulation in the whole plant pre-tasseling of maize under different water and nitrogen reduction treatment

通過抽雄前后植株氮、磷、鉀積累量與產量的擬合(圖4)，產量與抽雄前后養分積累均存在極顯著正相關關系，但抽雄后線性方程的相關系數(R2=0.666、0.684、0.612)均高于抽雄前(R2=0.632、0.591、0.534)，說明產量與玉米抽雄后氮、磷、鉀積累的關系更加密切。通過對植株養分積累和抽雄前后占比的分析，W1灌水水平下植株養分積累量較高，在W1水平下對施氮量與成熟期植株養分積累量進行擬合(圖5)發現，施氮量與植株養分積累量呈二次曲線關系，隨施氮量的減少，植株養分積累量呈現先增后降的趨勢，其主要原因為植株干物質積累量的差異。施氮量分別為229.06、263.96、236.97 kg/hm2時，氮、磷、鉀積累量最高為238.36、38.06、269.72 kg/hm2。將產量擬合時最高產量的施氮量帶入圖5公式中，植株養分積累量分別為237.96、37.59、262.61 kg/hm2，與植株氮、磷、鉀養分最高積累量無顯著差異(P<0.05)，W1下減氮到207.24 kg/hm2時也不會造成產量和氮、磷、鉀養分積累量的顯著減少。由此說明，水氮減量不會大幅降低植株養分積累量，還會促進產量的增加。

圖4 玉米抽雄前后氮、磷、鉀積累量與產量的關系Fig.4 Relationships between yield and N, P and K accumulation pre- and post-tasseling of maize

圖5 減少50%灌溉量下玉米成熟期氮、磷、鉀積累量與施氮量的關系Fig.5 Relationships between N, P and K accumulation and nitrogen application rate under 50% of irrigation amount

2.4 不同水氮減量處理對玉米氮磷鉀轉運的影響

表4表明，灌水和施氮及其互作對氮、磷、鉀養分轉運量具有顯著影響，對養分轉運率無顯著影響。在同一灌水水平下，氮、磷、鉀轉運量隨施氮水平的減少先增后降，與減氮100%相比，施氮顯著提高了氮、磷、鉀養分轉運量。在同一施氮量下，玉米氮、磷、鉀轉運量隨灌水量的減少先增后降，最高的為W1灌水水平，后依次為W2和W0灌水水平，其中W1灌水水平氮、磷、鉀2年平均養分轉運量較W2和W0灌水水平分別提高8.72%、11.59%、15.52%和12.08%、24.35%、28.35%，與W2和W0灌水水平差異達顯著水平(P<0.05)。在不同水氮減量處理下，W1N225處理氮、磷、鉀養分轉運量顯著高于其他處理，W2N225、W2N150與W2N300處理無顯著差異，W0N225、W0N150與W0N300處理無顯著差異。2年平均氮、磷、鉀養分轉運量W1N 225較W2N300處理分別提高16.28%、19.80%、18.95%。表5表明，養分轉運對籽粒的貢獻率只與施氮量存在顯著相關性，隨施氮量的減少先降后增，最低值出現在N225，W0N150、W0N225處理差異不顯著，W1N150、W1N300處理多差異不顯著。

表4 不同水氮減量處理下玉米植株中氮、磷、鉀的轉運Table 4 The translocation of N, P and K in maize plants under reduced water and nitrogen conditions

表5 不同水氮減量處理下玉米氮、磷、鉀轉運對籽粒的貢獻率(%)Table 5 The contribution of N, P and K transport to grains in maize under reduced water and nitrogen conditions

2.5 不同水氮減量處理對氮素利用效率的影響

灌水和施氮及其互作對氮肥農學效率、氮肥回收效率、氮肥偏生產力具有顯著影響(表6)。總體來說，在同一灌水水平下，隨施氮量的減少，NAE、NRE、NPFP都呈增加趨勢。在同一施氮量下，2018年平均NAE、NRE、NPFP隨灌水量的減少呈先增后降的趨勢，W1灌水水平具有明顯的優勢，后依次為W2和W0灌水水平，其中W1灌水水平平均NAE、NRE、NPFP較W2和W0灌水水平分別增加4.73%、20.24%、3.29%和13.99%、20.58%、18.57%；2019年NAE、NRE則是先降后增，其中兩年平均NAE、NRE、NPFP，W1N225、W1N150、W2N225、W2N150、W0N150處理較傳統水肥管理W2N300處理分別提高20.78%、5.53%、32.90%，39.52%、22.80%、52.97%，42.78%、14.51%、32.09%，50.97%、36.27%、51.15%和31.29%、19.75%、44.22%。

表6 不同水氮減量處理氮素利用效率Table 6 Nitrogen use efficiency under reduced water and nitrogen conditions

3 討論

3.1 水氮減量對夏玉米產量和氮素利用的影響

水分和氮肥是影響作物產量及其構成因素的兩個重要因素，玉米高產離不開水分和氮肥的協調作用。玉米是一種高耗水作物，合理灌溉可以提高氮素利用率并增產[21]。半干旱地區在灌水量2250 m3/hm2基礎上減少73%配合施氮量248.1 kg/hm2，玉米產量下降幅度小于15.26%，且水分利用效率較高[22]；謝英荷等[23]研究表明，與習慣灌水1200 m3/hm2和施氮量 210 kg/hm2相比，減水 300 m3/hm2、減氮60 kg/hm2處理提高氮素利用率且對夏玉米產量無顯著影響。本研究中減水50%和減氮25%不會造成大幅減產，氮素利用也保持在較高水平，與前人研究結果相似。但2019年NAE、NRE則是先降后增，這與前人研究不一致，可能原因是2019年W2N0處理在灌漿前期出現倒伏，造成大幅減產所致。與傳統水氮管理模式相比，水氮減量處理的單位面積穗數、穗粒數、百粒重多無顯著差異。王旭敏等[24]也指出，與常規施氮300 kg/hm2相比，適宜減少施氮不會造成單位面積穗數、穗粒數、百粒重等產量三要素減少，沒有造成減產。造成以上現象的原因：一是適量灌水會通過影響籽粒灌漿而提高生育期干物質積累，而過量灌溉則會降低灌漿速度和地上部干物質積累，造成粒重下降而降低產量[25]。二是適宜氮肥用量可以提高葉片的葉綠素含量，提高葉片光合碳同化能力，延長光合時間，促進光合同化物向籽粒轉移，進而提高產量[26]。三是遇惡劣天氣時施氮會增加玉米莖稈抗折斷力，減少倒伏[27]，但是施氮的增產效果會隨施氮量增加逐漸減弱，在土壤水分不足時，水分制約氮肥發揮效用，當水分過多則會增加氮素損失，進而氮素利用降低[28]。因此，在關中平原玉米生產中適當減少灌溉量和施氮量，不僅不會造成大幅減產，反而提高水氮利用效率，減少資源浪費。

3.2 水氮減量對干物質與氮、磷、鉀養分積累和轉運的影響

籽粒產量較大程度上取決于玉米生育后期生長發育，增加作物花后干物質積累可以提高產量[29]，氮、磷、鉀3種元素在作物生長發育中起著重要作用，是干物質積累和產量形成的影響因素[30]。玉米籽粒養分主要來源于花后養分積累和營養器官轉運，后者占比更大[31]。前人研究表明，養分積累轉運與物質生產存在聯系，在營養體建成期間建立一個高效的群體結構，可促進花后光合物質生產和養分積累，提高玉米花后干物質和氮磷鉀分配比例[32]。適宜減氮25%～50%可以有效協調植株的源庫關系，在保持較高花后干物質積累及對籽粒的貢獻率的同時顯著提升了花后干物質向籽粒的轉運。在一定施氮量范圍內，增施氮肥可以顯著增加玉米籽粒中氮、磷、鉀含量，但是過量施氮則使籽粒養分含量降低[33]。適量施氮可以促進玉米花前積累更多養分向籽粒轉運[34]，施氮不足或施氮過量均會提高營養體花前儲藏養分對籽粒養分貢獻率，這樣會加速葉片衰老，影響光合作用，造成產量降低。本研究中，與常規水氮管理相比，氮肥減量顯著提高玉米氮、磷、鉀養分積累和轉運及抽雄后氮、磷、鉀養分積累所占比例，灌水減量增加抽雄后干物質積累及養分積累和轉運。通過擬合發現，W1灌水水平下減氮到207.24 kg/hm2時也不會造成產量和養分積累量的大量減少，但對于水氮減量的最大值還需進一步深入研究。造成以上現象的原因：適宜或減少施氮量，平衡磷鉀肥施用，可以顯著提高籽粒對養分吸收及養分轉運。不足或過量施氮則會因為加速穗葉葉綠素降低使葉片提前衰老，光合作用減弱而影響植株干物質和養分積累[34]。在不同灌水量下，養分積累隨灌水量增大先增后降，可能是因為灌溉過量造成土壤耕層中養分的向下轉移[35]，進而影響根系吸收養分，造成養分積累量減少。

4 結論

在關中平原灌區，在目前常規管理中灌水800 m3/hm2，施N量300 kg/hm2基礎上，灌水減量50%、施氮減量25%時，夏玉米產量最高，且氮、磷、鉀養分總積累量和轉運量最高，并且氮素利用效率也保持較高水平。因此拔節期灌水量400 m3/hm2，總施N量225 kg/hm2可以作為關中平原夏玉米節水減氮的高效栽培方式。