夏玉米12展葉期補灌的增產(chǎn)效應及其影響因素

呂麗華，崔永增，李 謙，姚艷榮，黃冀楠，張經(jīng)廷，孟 建，李明遠

（1.農業(yè)部華北地區作物栽培科學(xué)觀(guān)測實(shí)驗站/河北省作物栽培生理與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗室/河北省農林科學(xué)院糧油作物研究所，石家莊 050035；
2.河北省農業(yè)技術(shù)推廣總站，石家莊 050000）

華北平原是我國主要糧食產(chǎn)區之一，冬小麥-夏玉米一年兩熟是該地區主要種植模式。夏玉米季多年平均降雨量360 mm 左右，低于生育期420 mm 左右的耗水量[1-3]；
且降雨時(shí)空分布不均，一般在玉米關(guān)鍵生長(cháng)期仍需灌溉1～3次水。研究表明，玉米不同生長(cháng)階段需水特性存在很大差異，在某些生育時(shí)期適度水分虧缺不會(huì )造成作物明顯減產(chǎn)[4]，再結合適當的農藝措施，限水灌溉在節水的同時(shí)可以實(shí)現產(chǎn)量與效率的協(xié)同提高[5]。多年來(lái)針對夏玉米已開(kāi)展了大量節水灌溉理論與技術(shù)研究[6,7]，也形成了一些成熟的夏玉米灌溉模式[8-10]。其中華北地區12 展葉期（大喇叭口期）灌水的應用較多[11-13]，這種灌溉模式是指足墑播種的基礎上，在12 展葉期前后灌1 次水，灌水量根據苗情和墑情而定。但近年來(lái)，華北地下水位不斷下降，亟需提出更為節水的灌溉技術(shù)體系，即在保障玉米高產(chǎn)穩產(chǎn)的前提下，再進(jìn)一步減少灌水次數。

夏玉米播種期天氣干燥多風(fēng)少雨，地面蒸發(fā)量大，因此播前水（或出苗水）是保障玉米出苗和生長(cháng)的必要措施，灌水效果好，調控的余地不大。12 展葉期植株生長(cháng)迅速，水分需求量大，對土壤水分十分敏感，為需水關(guān)鍵期[8,14,15]。但華北平原玉米拔節期以后降水逐漸增多，給12 展葉期灌水留有較大的調控空間。因此，在播種期灌水（或底墑充足）的基礎上12 展葉期灌水調減對進(jìn)一步減少灌水量，緩解華北地下水位下降意義重大。然而，目前還缺乏相關(guān)的系統性研究。此外，水分和養分是相互影響的因子，水分不足限制營(yíng)養物質(zhì)的合成與轉運，降低作物產(chǎn)量；
肥力不足則影響水分的吸收與利用[16-19]。因此水分與養分的高效結合是發(fā)展節水農業(yè)的關(guān)鍵。本文利用華北太行山前平原區的9年大田水氮定位試驗結果，分析夏玉米12 展葉期補灌的增產(chǎn)效應及其影響因素，為該區夏玉米節水穩產(chǎn)技術(shù)提供理論依據。

1.1 試驗設計

2007年6月至2015年10月，在河北省農林科學(xué)院糧油作物研究所石家莊藁城堤上試驗站(114°72′E，37°94′N(xiāo))進(jìn)行田間試驗，試驗區屬太行山前平原，年均降水量490 mm。試驗田土壤質(zhì)地輕壤質(zhì)，2007年試驗開(kāi)始前0～20 cm 土壤含有機質(zhì)15.4 g/kg、全氮0.98 g/kg、全磷2.1 g/kg、堿解氮72.8 mg/kg、有效磷19.6 mg/kg、有效鉀91.1 mg/kg。試驗期間夏玉米季降水量見(jiàn)表1。

表1 試驗期間各年度降水量和灌水量mmTab.1 Precipitation and irrigation amount during the experimental period

采用二因子裂區設計，小區面積51.84 m2(4.8 m× 10.8 m)。以灌水處理為主區，夏玉米設限水（W1）和適水（W2）兩種水分處理，限水和適水的灌水次數根據當季降水量調節（1水為播前水，2 水為播前水+12 展葉水，3 水為播前水+12 展葉水+灌漿水），具體灌水次數和灌水量見(jiàn)表1。通過(guò)灌水，實(shí)現足墑播種、中后期不出現明顯旱情。灌溉方式為塑料軟管小區畦灌。氮肥為副區，設置6 個(gè)施氮水平，純氮量分別為0（N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240（N240）、300（N300）kg/hm2。氮肥（尿素，含N 46.4%）30%隨播種溝施，70%在12 展葉期灌水前或降雨前撒施。夏玉米品種為鄭單958，播種密度為7.5 萬(wàn)株/hm2，播種期為6月8-20日，收獲期為9月25日至10月5日。按當地生產(chǎn)習慣進(jìn)行田間管理。

1.2 測定方法

式中：YW1表示限水處理（W1）的產(chǎn)量；
YW2表示適水處理（W2）的產(chǎn)量。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構成：每小區收獲玉米3 行(每行10 m)，數總穗數，折合為單位面積穗數，稱(chēng)所有果穗總鮮重，按平均鮮穗重從所收果穗中隨機選取20穗，風(fēng)干后測定穗粒數，脫粒，稱(chēng)重，測定千粒重和籽粒產(chǎn)量，同時(shí)采用谷物水分測定儀測定含水率，計算實(shí)際產(chǎn)量和千粒重(按14%折算含水率)。

1.3 數據處理和統計分析

用Microsoft Excel 2007 處理數據和繪圖，用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行方差與相關(guān)分析，采用最小顯著(zhù)差法進(jìn)行處理間的多重比較(P＜0.05)。

2.1 施氮水平對夏玉米12 展葉期灌水增產(chǎn)效應的影響

由于玉米季的降水量及其分配年際間差異較大，夏玉米12 展葉期補灌的增產(chǎn)效應年際間變化也非常明顯，最大值為2010年度的N240 的30.4%，最小值為2012年度N240 的-7.4%（圖1）。施氮水平對12展葉期補灌增產(chǎn)率及其年際變化也有明顯的影響，N0 和N60 處理灌水增產(chǎn)率多年平均僅分別為1.9%和2.8%，且不同年份的增產(chǎn)率變化幅度較?。?010 和2015年除外）。N120 至N300 處理灌水增產(chǎn)率多數年份較高，多年平均為5.4%～7.9%，說(shuō)明氮肥供應足可充分發(fā)揮灌水的增產(chǎn)效應，出現氮促水的效應；
不同處理增產(chǎn)率互有高低，規律不明顯，且不同年份的增產(chǎn)率變化幅度較大。由于受2007年較高基礎地力的影響，N0 和N60 處理前3年12 展葉期補灌增產(chǎn)率與其他施氮處理差異不大，從定位第4年開(kāi)始大多年份低于其他處理（2010、2011、2013 和2014年），4年平均低9.1 個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 不同施氮水平下夏玉米12展葉補灌增產(chǎn)率的年際變化Fig.1 Year-to-year variations of yield-increasing ratio of supplementary irrigation at 12th leaf of summer maize under different N application levels

由于定位試驗開(kāi)始前土壤基礎氮素含量較高，前2年（2007-2008年）不施氮并沒(méi)有影響12 展葉期補灌增產(chǎn)效應的發(fā)揮，N0W2 處理的產(chǎn)量高于N0W1 處理，2年分別高2.3%和3.4%；
隨著(zhù)試驗定位年限的增加，土壤基礎氮素持續被消耗，2009-2013年N0W2 與N0W1 處理的產(chǎn)量已沒(méi)有明顯差異，甚至個(gè)別年份W2 產(chǎn)量低于W1（圖1），12 展葉期灌水已沒(méi)有增產(chǎn)作用；
但2014-2015年由于播種-12 展葉期降水量極少（31.9～51.6 mm），N0W2 處理產(chǎn)量明顯高于N0W1 處理，分別高5.0%和7.1%，12 展葉期灌水增產(chǎn)效果明顯。低氮處理（N60），試驗前4年（2007-2010）W2 的產(chǎn)量明顯高于W1（圖2），說(shuō)明在灌溉播前水的基礎上，12展葉期補灌有明顯的增產(chǎn)作用；
隨著(zhù)定位試驗年限的延長(cháng)，由于長(cháng)期低量施氮，土壤氮素供給能力不足，從2011年開(kāi)始N60W1與N60W2產(chǎn)量已沒(méi)有明顯差異，甚至個(gè)別年份N60W2 產(chǎn)量也低于N60W1，說(shuō)明隨著(zhù)土壤氮素的下降，12 展葉期補灌的增產(chǎn)效應逐漸減弱?？梢?jiàn)，適量施氮才能使土壤有持續的氮素供應能力，才能充分發(fā)揮出灌水的增產(chǎn)作用。

圖2 不施氮和低量施氮條件下12展葉補灌對夏玉米產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of supplementary irrigation at 12th leaf on maize yield under zero and low N application levels

由不同施氮處理耕層土壤全氮[圖3（a）]逐年變化可知，N0、N60 和N120 處理從定位第2年開(kāi)始全氮含量不同程度下降，從第3年開(kāi)始3 個(gè)處理明顯低于其他施氮處理，平均分別低24.1%、16.5%和11.8%；
隨定位年限增加N0 和N60 處理全氮含量下降明顯，平均以0.002 8/a 和0.002 3/a 的速度下降，而N120 處理從第4年開(kāi)始與初始土壤全氮含量大致持平；
N180 至N300 處理從第3年開(kāi)始全氮含量明顯增加，從第4年開(kāi)始雖有上下浮動(dòng)，但大致持平。說(shuō)明施氮量低于60 kg/hm2時(shí)，土壤氮消耗嚴重，施氮量120 kg/hm2時(shí)，土壤氮基本持平。

圖3 不同施氮水平耕層土壤養分含量逐年變化Fig.3 Changes year by year of soil nutrient content in the topsoil of different nitrogen application levels

由不同施氮處理耕層土壤有機質(zhì)含量[圖3（b）]逐年變化可知，N0 和N60 處理從定位第4年開(kāi)始有機質(zhì)含量明顯下降，且明顯低于其他施氮處理，平均分別低11.3%和10.0%；
其他施氮處理有機質(zhì)含量雖有浮動(dòng)，但從第4年或第5年開(kāi)始總體上升。同樣說(shuō)明施氮量低于60 kg/hm2時(shí)，土壤肥力消耗嚴重；
土壤有機質(zhì)含量明顯下降可能與作物缺乏氮素營(yíng)養，植株生物量小，秸稈還田量較少，土壤有機質(zhì)補給量遠低于其分解輸出量有關(guān)。

2.2 夏玉米生長(cháng)期降水量對12 展葉期灌水增產(chǎn)效應的影響

2.2.1 全生育期有效降水量對12展葉期灌水增產(chǎn)效應的影響

夏玉米全生育期有效降水量與12 展葉期補灌增產(chǎn)率呈極顯著(zhù)負相關(guān)（r=0.633，P＜0.01），圖4（a）。全生育期有效降水量低于240 mm 時(shí)，12展葉期補灌增產(chǎn)率高達15%以上；
當該時(shí)期有效降水量達到400 mm 時(shí)，12 展葉期補灌的增產(chǎn)率低至5%以下。

圖4 玉米12展葉補灌增產(chǎn)率與不同生育階段降水量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the yield-increasing ratio of supplementary irrigation at 12th leaf and the precipitation in different growth duration of maize

2.2.2 播種-12 展葉期有效降水量對12 展葉期灌水增產(chǎn)效應的影響

夏玉米播種-12 展葉期有效降水量與12 展葉期補灌增產(chǎn)率呈極顯著(zhù)負相關(guān)（r=0.692，P＜0.01），圖4（b）。播種-12展葉期有效降水量低于35 mm 時(shí)，12 展葉期補灌增產(chǎn)率高達15%以上；
當該時(shí)期有效降水量達到136 mm 時(shí)，12 展葉期補灌的增產(chǎn)率低至5%以下。

2.2.3 12 展葉-成熟期有效降水量對12 展葉期灌水增產(chǎn)效應的影響

夏玉米12 展葉期至成熟期的有效降水量與12 展葉期補灌增產(chǎn)率也呈極顯著(zhù)負相關(guān)（r=0.458，P＜0.01），圖4（c）。12展葉-成熟期無(wú)降水時(shí)，12展葉期補灌增產(chǎn)率最高，達14.5%；
當該時(shí)期降水量超過(guò)207 mm 時(shí)，12 展葉期補灌的增產(chǎn)率低至5%以下。說(shuō)明W1 處理在播前灌一次水的條件下，12 展葉期以后較多的有效降水（≥207 mm）能彌補生育中后期土壤水分虧缺，盡可能滿(mǎn)足了開(kāi)花和灌漿期的水分需求，最終縮小了W1 與W2 的產(chǎn)量差異，因此該時(shí)期降水量較多反而無(wú)法發(fā)揮12展葉期補灌的增產(chǎn)效應。

2.3 播種-12 展葉有效降水量≥136 mm 和＜136 mm時(shí)兩種灌溉模式的產(chǎn)量性狀

由表2 可見(jiàn)，當夏玉米播種-12 展葉期有效降水量＜136 mm時(shí)，相同施氮水平W2與W1處理的穗數差別不大，但穗粒數和千粒重W2 高于W1，各施氮水平的平均值W2 比W1 分別提高5.3%和2.9%?？梢?jiàn)，播種-12 展葉期有效降水較少時(shí)，12 展葉期灌水可優(yōu)化產(chǎn)量性狀，增加物質(zhì)積累，增產(chǎn)效果顯著(zhù)。

表2 播種-12展葉期兩種降水情景下夏玉米產(chǎn)量性狀及其對水氮的響應Tab.2 Summer maize yield traits and their responses to water and nitrogen under two precipitation scenarios from sowing to 12th leaf stage

當夏玉米播種-12 展葉期有效降水量≥136 mm 時(shí)，相同施氮水平W2與W1的穗數差別不明顯；
但W2的穗粒數N0、N60和N120 處理顯著(zhù)高于W1 的對應處理，分別高3.7%、4.5%和3.1%，而W2的N180、N240和N300處理穗粒數低于或顯著(zhù)低于W1 的對應處理，低0.4%～2.6%；
W2 的千粒重N0、N60 和N120 處理高于或顯著(zhù)高于W1 的對應處理，分別高3.5%、4.6%和1.0%，而W2的其他施氮處理與W1的對應處理差別不顯著(zhù)?？梢?jiàn)施氮量低于120 kg/hm2時(shí)水分較多利于粒數和粒重的增加，說(shuō)明充足的水分更能促進(jìn)低氮條件下氮素效應發(fā)揮，出現水促氮的效應。

3.1 土壤供氮能力與12展葉期灌水增產(chǎn)效應

水和氮是作物生長(cháng)發(fā)育最關(guān)鍵的兩大因子[20-23]，二者存在明顯的耦合效應。前人研究表明，水和氮的用量對作物產(chǎn)量提高存在適宜范圍，當供水量和施氮量超出適宜的用量后，產(chǎn)量增加不顯著(zhù)甚至減產(chǎn)[19,24]。水分的增產(chǎn)效應隨著(zhù)施氮量的增加而增大，但增產(chǎn)效應不是無(wú)限的[25,26]。本研究結果表明，N0 和N60 處理由于玉米氮素消耗遠高于土壤氮素補給，使土壤氮素長(cháng)期處于入不敷出的狀態(tài)，土壤氮素逐漸耗竭；
由于氮素補給不能滿(mǎn)足作物需求，12 展葉期補灌的增產(chǎn)作用受到一定的制約，兩處理的12 展葉期補灌增產(chǎn)率多年平均分別為1.9%和2.8%，甚至在個(gè)別年份出現12展葉期補灌產(chǎn)量降低的現象。原因可能是玉米缺氮時(shí)植株發(fā)育不良，光合和蒸騰速率弱，水分吸收和運輸的動(dòng)力不足[27]。施氮量120～300 kg/hm2處理灌水增產(chǎn)率較高，多年平均為5.4%～7.9%，出現氮促水的效應，水氮耦合效果顯著(zhù)；
但施氮量120 kg/hm2即可維持土壤氮和土壤有機質(zhì)含量的基本平衡，保障適水條件下較高的粒數和粒重，充分發(fā)揮12 展葉期補灌的增產(chǎn)效應。本文作者2014年曾利用二次多項式加平臺方法對本試驗施肥量-玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬，得到在適水條件下最佳施氮量為127.2 kg/hm2，該條件下可以實(shí)現最佳產(chǎn)量[24]，與本研究結果大體一致。

3.2 玉米生育期降水量與灌溉決策

農業(yè)生產(chǎn)中一般把5 mm 以上的降水稱(chēng)為有效降水[28]。夏玉米生育期內的有效降水必定會(huì )影響灌水效應的發(fā)揮。12 展葉期是玉米營(yíng)養生長(cháng)和生殖生長(cháng)并進(jìn)的關(guān)鍵階段，對水肥需求量大[11]，因此，12 展葉期灌水是一項重要的保障措施, 同時(shí)還可以配合12 展葉期追肥。華北地區夏玉米拔節以后降水概率逐漸增大，因此12 展葉期灌水具有一定的可調控性。夏玉米播種-12展葉期降水量及降水分布年際變異非常大，石家莊藁城地區1990-2021年該時(shí)期有效降水量的變化幅度為31.9～242.1 mm（圖5），降水的多寡直接影響到灌水效應的發(fā)揮。本研究結果表明，夏玉米12 展葉期補灌增產(chǎn)率與播種-12 展葉期有效降水量呈直線(xiàn)關(guān)系，該階段有效降水量大于136 mm時(shí)，12 展葉期灌水的增產(chǎn)作用不明顯，甚至是減產(chǎn)。因此，該階段降水量可作為判定12展葉期灌水與否的一個(gè)重要標準，即當播種-12 展葉期有效降水量大于136 mm 時(shí)，該時(shí)期免灌水，可保障穩產(chǎn)，實(shí)現節水。石家莊藁城地區連續32年中（圖5），夏玉米播種-12展葉期有效降水量大于136 mm 的年份為11年，發(fā)生概率為34.4%。因此，華北地區夏玉米只在播種期灌一次水的情景在很多年份都具有較強的可行性。

圖5 1990-2021年石家莊藁城市夏玉米播種-12展葉期有效降水量Fig.5 Effective precipitation from sowing to 12th leaf stage of summer maize in Gaocheng district, Shijiazhuang during 1990-2021

土壤供氮能力、夏玉米生育期降水量尤其是播種-12展葉期的有效降水量對12 展葉期補灌增產(chǎn)效應的發(fā)揮都有明顯影響。玉米生育期降水量越大12展葉期補灌的增產(chǎn)作用就越小，并且土壤氮素供應能力不足可顯著(zhù)降低12展葉期補灌增產(chǎn)率，甚至無(wú)增產(chǎn)。在中等及以上肥力水平下，夏玉米播種-12展葉期有效降水量是12 展葉期補灌增產(chǎn)效應關(guān)鍵的制約因素，該階段有效降水量大于136 mm 時(shí)12展葉期補灌增產(chǎn)不顯著(zhù)，此時(shí)，夏玉米播前灌一次足水，12 展葉期不灌水即可保障高產(chǎn)穩產(chǎn)。