蔡 晓，吴祥运，王 东，林 祥，张俊鹏*

（1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018； 2.山东农业大学 农学院，山东 泰安 271018）

0 引 言

【研究意义】玉米是世界上种植最广泛的作物之一，

其产量占作物总产量的37%[1]。中国是世界上第二大玉米生产国，产量占世界总产量的21%，我国玉米生产的稳定发展对世界粮食安全至关重要[2]。黄淮海平原是我国夏玉米的重要产区，种植面积和产量分别占全国的28%和30%[3]。该区域夏玉米生长季雨热同期，玉米生育期间的降雨量与耗水量基本持平，但由于前茬冬小麦对土壤蓄水量的消耗以及降雨时空分布不均衡，导致玉米播种时及生长期间时常遭受干旱胁迫。这种情况下，若要保证夏玉米稳产高产则必须进行灌溉[4-5]。黄淮海平原灌水方式以地面灌溉为主，灌水量往往过大，水分利用效率较低。氮肥是制约玉米产量的关键因子，为追求高产，氮肥过量投入现象普遍存在，氮肥减施增效是玉米栽培领域的研究热点[6-7]。水分和氮肥之间存在明显的交互作用，水分不足会影响氮肥肥效发挥，水分过多则会导致氮肥淋溶和作物减产[8]；增施氮肥能够改善水分状况，缓解因水分不足而减产的不利影响，过量施氮而加剧水分胁迫，抑制作物生长[9]。因此，合理的水氮供应对促进玉米植株生长发育、增加产量及提高水氮利用效率等方面均具有重要意义[10-13]。滴灌水肥一体化是一种调控土壤水分和养分的有效方法，能够实现小定额供水、水肥同步供给，具有较高的水肥利用率、较小的环境污染等优点[14]。【研究进展】以往针对该地区夏玉米节水灌溉的研究主要以地面灌溉为主，通常以控制主要根系层土壤水分下限作为灌水依据，灌水时多采用定额灌溉或者灌至田间持水率，存在测墒土层深度大、测墒次数频繁、灌水定额偏大等问题[15-16]。浅层（0～20或0～40 cm）土壤含水率与深层土壤含水率（40～100 cm）有较好的相关性，在作物生长关键期将浅层土壤补灌至田间持水率取得了较好的节水增产效果[17-18]。宋兆云等[18]在冬小麦节水补灌研究中，以麦田0～10、0～20、0～30 和0～40 cm 作为控制土层在关键时期进行补灌储水，灌水上限为田间持水率，结果表明，将0～30 cm 土层补灌至田间持水率，可获得较高的籽粒产量和水分利用效率。然而，有关夏玉米的相关研究尚鲜见报道。韩祥飞等[19]研究表明，水肥一体化条件下减氮20%仍能获得与传统施肥模式（315 kg N/hm2）相当的产量。【切入点】为减少玉米生产过程中水肥施用量，本研究综合考虑夏玉米生长季降雨分布、土壤蓄水状况及水肥需求特性，采用滴灌及水氮同步供给策略，在夏玉米关键生长期，设定不同的测墒深度和施氮量，依据测墒土层含水率进行补灌，目标含水率为田间持水率。【拟解决的关键问题】通过2 a 田间试验，研究不同补灌和施氮处理对滴灌夏玉米生长、产量和水分利用的影响，研究结果可为制定夏玉米水肥一体化技术模式提供理论依据。 cm 土层土壤体积质量和田间持水率见表1。2018 年和2019 年试验期间降雨量为502.0、337.4 mm，降雨分布见图1。

表1 0～100 cm 土层物理特性 Table1 Physical properties of 0～100 cm soil layer

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018 年和2019 年的6—9 月在山东省泰安市道朗镇玄庄村（36°12′N，116°54′E）进行。该区属温带季风气候，年均气温为13.3 ℃，年均降水量616 mm，地下水埋深大于5 m。试验地土壤类型为壤土，0～20 cm 土层碱解氮量为71.80 mg/kg，速效钾量为140.21 mg/kg，速效磷量为46.08 mg/kg。试验地0～100

1.2 试验设计

采用裂区试验，主因素为补灌处理，2018 年设置3 个灌水水平，测墒土层深度分别为0～20（W20）、0～30（W30）和0～40（W40）cm。2019 年在此基础上增设0～10（W10）cm 测墒土层；测墒位置为滴灌带下方，补灌时期均为播种时及拔节期和灌浆期开始时，目标含水率为田间持水率。副因素为施氮处理，2018年设置3 个施氮量水平，分别为180（N180）、240（N240）和300（N300）kg/hm2，2019 年增设120（N120）kg/hm2处理；施氮时期与灌水一致，播种时氮肥底施，拔节和抽雄时氮肥随水施入。施氮比例为基氮、拔节氮、抽雄氮质量比为1∶1∶1，氮肥类型为尿素（N-46%）。磷肥和钾肥类型分别为重过磷酸钙（P2O5-46%）和氯化钾（K2O-60%），用量均为120 kg/hm2（P2O5和K2O），全部底施。

图1 夏玉米生育期间降雨分布 Fig. 1 Rainfall distribution during summer maize season

1.3 田间试验

供试玉米品种为“登海618”，2018 年和2019 年播种日期均为6 月13 日，收获日期分别为9 月26 日和9 月25 日。小区面积为96 m2（20 m×4.8 m）。采用干播湿出方式等行距播种，行距60 cm，株距25 cm。灌水方式为滴灌，滴灌带铺设在2 行玉米中间，滴灌带类型为内镶贴片式，管径16 mm，滴头间距20 cm，额定流量2.2 L/h。2 a 试验具体灌水情况如表2 所示。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤含水率

采用取土烘干法测定，分别于夏玉米播种时以及拔节期、抽雄期、灌浆期开始时和收获时测定土壤含水率，播种和收获时取土深度为0～200 cm，其余时期为0～100 cm，其中0～40 cm 土层每10 cm 分为1 层，40 cm 以下土层每20 cm 土层为1 层。1.4.2 夏玉米LAI

表2 试验设计 Table 2 Experimental design

分别在苗期（SS）、拔节期（JS）、抽雄期（TS）、灌浆期（FS）和成熟期（MS）采集每个小区内3 棵代表性植株，用直尺测定叶片长度和宽度。其中，LAI计算式[20]为：

式中：n为第j株玉米的总叶片数；m为测定株数；ρ种为夏玉米种植密度。

1.4.3 地上部干质量

玉米成熟期于每个小区取代表性植株3 株，分茎、叶和穗烘干称质量并计算单株地上部干质量。

1.4.4 产量构成

玉米成熟期在每个小区连续取15 穗玉米，调查穗行数和行粒数，风干后脱粒，称取粒质量，计算玉米产量。

1.4.5 耗水量

作物生育期阶段耗水量采用水量平衡法计算，即：

式中：ETC为时段内作物耗水量（mm）；W1、W2分别为时段开始、结束时0～200 cm 土层土壤储水量

（mm）；P为时段内降水量（mm）；I为时段内灌水量（mm）；Gr为时段内地下水对作物根系补给量（mm）；R为时段内地表径流量（mm）；F为时段内深层渗漏量（mm）。试验区地势平坦且有田埂，无地表径流损失；地下水位埋深在5 m 以下，忽略地下水补给；深层渗漏量F采用Ertek 等[21]提出的方法计算。

1.4.6 水分利用效率

水分利用效率计算式：

式中：WUE为水分利用效率（kg/m3）；ET为作物耗水量（m3/hm2）；Y为玉米籽粒产量（kg/hm2）。

1.5 数据分析

采用Excel 2010 和DPS 统计分析软件进行数据处理和分析，采用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水氮组合对夏玉米LAI 的影响

图2 和表3 为各处理夏玉米LAI的变化特征。可以看出，LAI随灌水量和施氮量增加而增大。2018 年灌水量仅对玉米苗期LAI产生极显著影响，施氮量对玉米全生育期LAI都有极显著影响，而水氮互作在全生育期均未产生显著影响；2019 年灌水量和施氮量对玉米全生育期LAI均产生极显著影响，而水氮互作仅在苗期对LAI产生显著影响。2018 年，3 种水分条件下，除W20条件下拔节期、W30和W40条件下抽雄期外，其余生长阶段各灌水条件下的N180与N300处理间LAI的差异均达显著水平；然而，除W30水平下拔节期、W40水平下苗期和成熟期外，N240与N300处理间LAI的差异均不显著。2019 年，4 种灌水条件下，除W10和W20条件下灌浆期外，N120处理的LAI显著低于N300处理；N180与N300处理间的LAI在W10水分条件下拔节期和成熟期、W20水平下苗期及拔节期和成熟期、W30条件下各生长阶段、W40水平下抽雄期及灌浆期和成熟期均具有显著差异；W10～W40水分条件下（W10和W20水平下拔节期除外），N240与N300处理的LAI差异均不显著。由此可见，不同水分条件下适当提高夏玉米施氮量均可促进叶面积的生长，但施氮量达到一定程度后，LAI趋于平稳。

图2 2018 年和2019 年夏玉米LAI 变化过程 Fig. 2 LAI changes of summer maize in 2018 and 2019

表3 不同水氮组合对夏玉米LAI 的F 值检验 Table 3 F value test of different water and nitrogen combinations on LAI of summer maize

2.2 不同水氮组合对夏玉米地上部干质量的影响

图3 为2018 年和2019 年不同水氮组下对夏玉米成熟期地上部干质量（图中不同字母表示不同处理间地上部干质量差异显著（P<0.05））。由图3可以看出，夏玉米成熟期地上部干质量随灌水量和施氮量增加而增大。2018 年，仅施氮量对地上部干物质量具有极显著影响，2019 年灌水量和施氮量均对地上部干物质量产生极显著影响，而2 个试验年度水氮互作均未对其产生显著影响。2018 年，W40N300处理的地上部干物质量最大，与W20N180处理、W20N240处理、W30N180处理和W40N180处理相比分别提高13.94%、8.94%、15.00%和10.75%，达显著水平。2019 年W40N240处理的地上部干物质量最大，与W30N240处理、W30N300处理、W40N180处理和W40N300处理间无显著差异，但与其余处理间的差异达显著水平。总体来看，2018 年，3 种水分条件下地上部干质量呈现出N300处理与N240处理差异不明显但显著高于N180处理的趋势。2019 年，随着灌水量的增加，N180处理、N240处理与N300处理间地上部干质量的差异呈逐渐减小的趋势，各灌水条件下的N120处理均显著低于N300处理。

不同水氮处理下玉米穗质量的变化规律与地上部干物质量基本一致。2018 年和2019 年，穗质量值最大的处理分别是W40N300处理和W40N240处理，占地上部干物质量的比例依次是61.52%和62.76%。穗质量占地上部干物质量的比例随施氮量和灌水量增加而减小，说明合理的水肥供应对增加作物生殖器官所占比例、提高产量尤为重要。

图3 2018 年和2019 年不同水氮组合下夏玉米成熟期地上部干质量 Fig. 3 Aboveground biomass of summer maize in 2018 and 2019 under different water and nitrogen combinations

2.3 不同水氮处理对夏玉米产量构成的影响

水氮因子对产量的影响如表4 所示。由表4 可知，施氮水平对夏玉米产量构成要素及籽粒产量的影响效应大于灌水水平和水氮互作。2018 年，水分处理仅对穗粒数产生显著影响，施氮处理对穗粒数、百粒质量和籽粒产量均影响显著，二者的交互作用对三者影响均不显著。9 个处理中，穗粒数和籽粒产量最大的均为W40N300处理，百粒质量最大的为W30N300处理。同一灌水条件下，产量随施氮量的增加而增大，但差异均不显著；同一施氮水平下，产量随灌水量增加而增大，彼此间均未达显著水平。除W20N180处理外，其余处理的籽粒产量与W40N300处理相比均无显著差异。2019 年，灌水量对百粒质量和籽粒产量产生极显著影响，施氮量对三者均具有极显著影响，水氮互作仅对百粒质量影响显著。16 个处理中，穗粒数、百粒质量和籽粒产量最大的处理分别为W40N240、W30N300处理和W30N300处理。4 个水分条件下，N240处理和N300处理间夏玉米的籽粒产量无显著差异，而N120处理和N300处理间差异达显著水平；W30处理灌水条件下，N180处理与N300处理间产量的差异达显著水平，其余水分处理下二者间的差异不显著。与W40N300处理夏玉米产量相比，W10水分条件下所有施氮处理以及W20处理、W30处理和W40条件下N120处理显著降低，其余处理无显著差异。

2.4 不同水氮处理对夏玉米耗水量和WUE 的影响

表5 为不同水氮组合下夏玉米耗水量和WUE。由表5 可知，耗水量随着灌水量和施氮量的增加呈递增趋势，二者对耗水量具有极显著的影响。2018 年，W20处理和W30条件下各处理耗水量的均值较W40条件下各处理分别减少13.10%和2.25%；N180和N240水平下各处理耗水量均值较N300下各处理分别降低5.15%和2.72%。2019 年，W10、W20和W30条件下各处理耗水量均值较W40处理分别减少22.94%、12.19%和6.62%，N120、N180和N240水平下各处理耗水量均值较N300处理依次降低4.97%、5.60%、1.32%。可见，灌水量对耗水量的影响效应大于施氮量。WUE随灌水量增加呈降低的趋势。2018 年，不同处理WUE具体表现为：W20和W30条件下各处理的WUE均值较W40分别提高11.05%和1.74%。9 个水氮交互处理中，W20N240处理的WUE最高，其次是W20N180处理，二者与其他处理间的差异达显著水平。2019 年，WUE具体表现为：W10、W20和W30条件下各处理的WUE均值较W40分别提高17.94%、9.11%、7.21%，其中W10N180处理的WUE最高。W10、W20和W40条件下，WUE随施氮量的增加先增大再减小，N180处理或N240处理取得最大值；W30条件下，WUE随施氮量增加呈增大趋势。

表4 不同水氮组合下夏玉米产量构成 Table 4 Yield components of summer maize under different water and nitrogen combinations

3 讨 论

LAI是影响植株光合作用和蒸腾作用的重要因子，对作物高产意义重大。以往研究表明，增加灌水和施氮量可以促进叶面积增长[22]。张鹏等[23]研究指出，灌水、施氮和水氮互作在各生育期对LAI均产生显著影响。然而，本研究发现，水氮交互对夏玉米LAI的影响不显著。2018 年，水分处理对LAI的影响在苗期后开始不显著，原因是2018 年夏玉米生长中后期降雨量大，导致灌水效应减弱；而氮肥处理一直对其产生明显影响。2019 年，水、氮因素均对LAI产生极显著影响，原因可能是玉米生长期间降雨量相对较小。地上部干物质量与产量的高低密切相关[24]。LAI和成熟期地上部干物质量均呈现出随水氮投入量增加而增大的趋势，但达到一定程度后无明显增加。水氮对LAI和干物质积累的影响效应符合报酬递减规律，张富仓等[22]和冯亚阳等[25]在滴灌试验中得出与之相似的结论。

夏玉米籽粒产量有随灌水量和施氮量增加而增大的趋势，这与李广浩等[26]结论相似。宁东峰等[27]研究发现，灌水、氮肥及其交互作用对玉米产量均具有显著影响，本研究发现施氮处理对产量影响显著，受降雨量影响，2018 年灌水对产量影响不显著，2019年灌水对产量影响显著，2 a 水氮互作对产量影响均不显著。与高水高氮处理的籽粒产量相比，W20N240处理（2018 年）和W20N180处理（2019 年）没有显著降低。2 个试验季适宜施氮量不同的原因是2018年夏玉米生长期间降雨强度大、降雨量多，致使土壤水分产生了深层渗漏，不可避免的会导致氮素淋溶损失，导致2018 年的适宜施氮量高于2019 年。本研究结果表明滴灌水肥一体化模式下减氮20%～40%仍能获得与传统施氮量（300 kg/hm2）相当的产量，这与韩祥飞等[19]研究结论相似。

谢英荷等[28]研究表明，灌水和施氮均会促进玉米耗水量的增加。本研究结果与之相似，耗水量随灌水量和施氮量的增加而增大，水、氮单因素均对耗水量产生极显著影响。邵国庆等[29]研究表明，相同水分条件下，增加施氮量可显著提高WUE。Alkaisi等[30]研究指出，水氮因素均对WUE产生显著影响。本研究结果表明，随着施氮量的增加，W10、W20处理和W40处理下WUE呈先增大后减小趋势，W30处理下WUE呈增大趋势。究其原因是灌水处理和水氮互作会影响作物生长发育和产量性状，进而改变耗水特性和WUE。

W20N240处理（2018 年）和W20N180处理（2019年）的产量与高水高氮处理相比无显著差异，但灌水量减少46.71%～53.35%，施氮量降低20%～40%，耗水量减小17.39%～18.16%，WUE提高14.40%～16.39%；与传统地面灌溉和施肥技术相比，水、氮施用量亦明显降低。综合考虑夏玉米产量、耗水量、WUE以及灌水量和施氮量，W20N240处理和W20N180处理可推荐为滴灌方式下适宜的水氮组合。

表5 不同水氮组合对夏玉米耗水量和WUE 的影响 Table 5 Effect of different water and nitrogen combinations on evapotranspiration and WUE of summer maize

4 结 论

1）滴灌条件下增加灌水量和施氮量可以促进夏玉米叶面积指数增长和地上部干物质量累积，灌水量和施氮量增加到一定程度后，LAI和地上部干质量趋于平稳。

2）灌水处理对夏玉米产量及构成要素的影响效应低于施氮处理，但对耗水量和WUE的影响高于施氮处理。水氮互作对产量及构成要素影响不明显，但对耗水量和WUE具有显著影响。

3）与高水高氮处理相比，W20N240处理（2018年）和W20N180处理（2019 年）处理产量无显著差异，但灌水量显著下降，WUE显著提高。在保证产量的前提下，综合考虑节水减氮效应，建议试验区滴灌条件下水氮施用方案为：目标湿润土层0～20 cm，施氮量180～240 kg/hm2，补灌/施氮时期均为播种时及拔节期和抽雄期开始时，补灌的目标含水率为田间持水率，施氮比例为1∶1∶1，其中，播种N 底施，拔节N 和抽雄N 随水施入。