呂麗華，崔永增，李 謙，姚艷榮，黃冀楠，張經(jīng)廷，孟 建，李明遠(yuǎn)

（1.農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站/河北省作物栽培生理與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所，石家莊 050035；2.河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，石家莊 050000）

0 引 言

華北平原是我國主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，冬小麥-夏玉米一年兩熟是該地區(qū)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)鍵生長期仍需灌溉1～3次水。研究表明，玉米不同生長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(jié)合適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝措施，限水灌溉在節(jié)水的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與效率的協(xié)同提高[5]。多年來針對(duì)夏玉米已開展了大量節(jié)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(qū)12 展葉期（大喇叭口期）灌水的應(yīng)用較多[11-13]，這種灌溉模式是指足墑播種的基礎(chǔ)上，在12 展葉期前后灌1 次水，灌水量根據(jù)苗情和墑情而定。但近年來，華北地下水位不斷下降，亟需提出更為節(jié)水的灌溉技術(shù)體系，即在保障玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下，再進(jìn)一步減少灌水次數(shù)。

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的必要措施，灌水效果好，調(diào)控的余地不大。12 展葉期植株生長迅速，水分需求量大，對(duì)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(jié)期以后降水逐漸增多，給12 展葉期灌水留有較大的調(diào)控空間。因此，在播種期灌水（或底墑充足）的基礎(chǔ)上12 展葉期灌水調(diào)減對(duì)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(tǒng)性研究。此外，水分和養(yǎng)分是相互影響的因子，水分不足限制營養(yǎng)物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)，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(yǎng)分的高效結(jié)合是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。本文利用華北太行山前平原區(qū)的9年大田水氮定位試驗(yàn)結(jié)果，分析夏玉米12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素，為該區(qū)夏玉米節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2007年6月至2015年10月，在河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所石家莊藁城堤上試驗(yàn)站(114°72′E，37°94′N)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)屬太行山前平原，年均降水量490 mm。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地輕壤質(zhì)，2007年試驗(yàn)開始前0～20 cm 土壤含有機(jī)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(yàn)期間夏玉米季降水量見表1。

表1 試驗(yàn)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(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積51.84 m2(4.8 m× 10.8 m)。以灌水處理為主區(qū)，夏玉米設(shè)限水（W1）和適水（W2）兩種水分處理，限水和適水的灌水次數(shù)根據(jù)當(dāng)季降水量調(diào)節(jié)（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(shù)和灌水量見表1。通過灌水，實(shí)現(xiàn)足墑播種、中后期不出現(xiàn)明顯旱情。灌溉方式為塑料軟管小區(qū)畦灌。氮肥為副區(qū)，設(shè)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(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)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(gòu)成：每小區(qū)收獲玉米3 行(每行10 m)，數(shù)總穗數(shù)，折合為單位面積穗數(shù)，稱所有果穗總鮮重，按平均鮮穗重從所收果穗中隨機(jī)選取20穗，風(fēng)干后測定穗粒數(shù)，脫粒，稱重，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(jì)算實(shí)際產(chǎn)量和千粒重(按14%折算含水率)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對(duì)夏玉米12 展葉期灌水增產(chǎn)效應(yīng)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(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)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(duì)12展葉期補(bǔ)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(shù)年份較高，多年平均為5.4%～7.9%，說明氮肥供應(yīng)足可充分發(fā)揮灌水的增產(chǎn)效應(yīng)，出現(xiàn)氮促水的效應(yīng)；不同處理增產(chǎn)率互有高低，規(guī)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(chǔ)地力的影響，N0 和N60 處理前3年12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與其他施氮處理差異不大，從定位第4年開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(bǔ)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(yàn)開始前土壤基礎(chǔ)氮素含量較高，前2年（2007-2008年）不施氮并沒有影響12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)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%；隨著試驗(yàn)定位年限的增加，土壤基礎(chǔ)氮素持續(xù)被消耗，2009-2013年N0W2 與N0W1 處理的產(chǎn)量已沒有明顯差異，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(yàn)前4年（2007-2010）W2 的產(chǎn)量明顯高于W1（圖2），說明在灌溉播前水的基礎(chǔ)上，12展葉期補(bǔ)灌有明顯的增產(chǎn)作用；隨著定位試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L，由于長期低量施氮，土壤氮素供給能力不足，從2011年開始N60W1與N60W2產(chǎn)量已沒有明顯差異，甚至個(gè)別年份N60W2 產(chǎn)量也低于N60W1，說明隨著土壤氮素的下降，12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸減弱?？梢?，適量施氮才能使土壤有持續(xù)的氮素供應(yīng)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(bǔ)灌對(duì)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年開始全氮含量不同程度下降，從第3年開始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年開始與初始土壤全氮含量大致持平；N180 至N300 處理從第3年開始全氮含量明顯增加，從第4年開始雖有上下浮動(dòng)，但大致持平。說明施氮量低于60 kg/hm2時(shí)，土壤氮消耗嚴(yán)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(yǎng)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(jī)質(zhì)含量[圖3（b）]逐年變化可知，N0 和N60 處理從定位第4年開始有機(jī)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(jī)質(zhì)含量雖有浮動(dòng)，但從第4年或第5年開始總體上升。同樣說明施氮量低于60 kg/hm2時(shí)，土壤肥力消耗嚴(yán)重；土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯下降可能與作物缺乏氮素營養(yǎng)，植株生物量小，秸稈還田量較少，土壤有機(jī)質(zhì)補(bǔ)給量遠(yuǎn)低于其分解輸出量有關(guān)。

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

2.2.1 全生育期有效降水量對(duì)12展葉期灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

夏玉米全生育期有效降水量與12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率呈極顯著負(fù)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(bǔ)灌增產(chǎn)率高達(dá)15%以上；當(dāng)該時(shí)期有效降水量達(dá)到400 mm 時(shí)，12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)率低至5%以下。

圖4 玉米12展葉補(bǔ)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(duì)12 展葉期灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

夏玉米播種-12 展葉期有效降水量與12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率呈極顯著負(fù)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(bǔ)灌增產(chǎn)率高達(dá)15%以上；當(dāng)該時(shí)期有效降水量達(dá)到136 mm 時(shí)，12 展葉期補(bǔ)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(duì)12 展葉期灌水增產(chǎn)效應(yīng)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(bǔ)灌增產(chǎn)率也呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=0.458，P＜0.01），圖4（c）。12展葉-成熟期無降水時(shí)，12展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率最高，達(dá)14.5%；當(dāng)該時(shí)期降水量超過207 mm 時(shí)，12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)率低至5%以下。說明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(bǔ)生育中后期土壤水分虧缺，盡可能滿足了開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法發(fā)揮12展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)。

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，當(dāng)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(shù)差別不大，但穗粒數(shù)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%?？梢姡シN-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。

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(duì)水氮的響應(yīng)Tab.2 Summer maize yield traits and their responses to water and nitrogen under two precipitation scenarios from sowing to 12th leaf stage

當(dāng)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(shù)差別不明顯；但W2的穗粒數(shù)N0、N60和N120 處理顯著高于W1 的對(duì)應(yīng)處理，分別高3.7%、4.5%和3.1%，而W2的N180、N240和N300處理穗粒數(shù)低于或顯著低于W1 的對(duì)應(yīng)處理，低0.4%～2.6%；W2 的千粒重N0、N60 和N120 處理高于或顯著高于W1 的對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)處理差別不顯著。可見施氮量低于120 kg/hm2時(shí)水分較多利于粒數(shù)和粒重的增加，說明充足的水分更能促進(jìn)低氮條件下氮素效應(yīng)發(fā)揮，出現(xiàn)水促氮的效應(yīng)。

3 討 論

3.1 土壤供氮能力與12展葉期灌水增產(chǎn)效應(yīng)

水和氮是作物生長發(fā)育最關(guān)鍵的兩大因子[20-23]，二者存在明顯的耦合效應(yīng)。前人研究表明，水和氮的用量對(duì)作物產(chǎn)量提高存在適宜范圍，當(dāng)供水量和施氮量超出適宜的用量后，產(chǎn)量增加不顯著甚至減產(chǎn)[19,24]。水分的增產(chǎn)效應(yīng)隨著施氮量的增加而增大，但增產(chǎn)效應(yīng)不是無限的[25,26]。本研究結(jié)果表明，N0 和N60 處理由于玉米氮素消耗遠(yuǎn)高于土壤氮素補(bǔ)給，使土壤氮素長期處于入不敷出的狀態(tài)，土壤氮素逐漸耗竭；由于氮素補(bǔ)給不能滿足作物需求，12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)作用受到一定的制約，兩處理的12 展葉期補(bǔ)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(xiàn)12展葉期補(bǔ)灌產(chǎn)量降低的現(xiàn)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(yùn)輸?shù)膭?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(xiàn)氮促水的效應(yīng)，水氮耦合效果顯著；但施氮量120 kg/hm2即可維持土壤氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量的基本平衡，保障適水條件下較高的粒數(shù)和粒重，充分發(fā)揮12 展葉期補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)。本文作者2014年曾利用二次多項(xiàng)式加平臺(tái)方法對(duì)本試驗(yàn)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(xiàn)最佳產(chǎn)量[24]，與本研究結(jié)果大體一致。

3.2 玉米生育期降水量與灌溉決策

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般把5 mm 以上的降水稱為有效降水[28]。夏玉米生育期內(nèi)的有效降水必定會(huì)影響灌水效應(yīng)的發(fā)揮。12 展葉期是玉米營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)的關(guān)鍵階段，對(duì)水肥需求量大[11]，因此，12 展葉期灌水是一項(xiàng)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(qū)夏玉米拔節(jié)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(diào)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(qū)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(yīng)的發(fā)揮。本研究結(jié)果表明，夏玉米12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率與播種-12 展葉期有效降水量呈直線關(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(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)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(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水。石家莊藁城地區(qū)連續(xù)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(qū)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(qiáng)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

4 結(jié) 論

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(duì)12 展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)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(bǔ)灌的增產(chǎn)作用就越小，并且土壤氮素供應(yīng)能力不足可顯著降低12展葉期補(bǔ)灌增產(chǎn)率，甚至無增產(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(bǔ)灌增產(chǎn)效應(yīng)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(bǔ)灌增產(chǎn)不顯著，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(wěn)產(chǎn)。