受 娜，高 玮，沈禹颖，杨宪龙

（草地农业生态系统国家重点实验室/ 兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室 /兰州大学草地农业教育部工程研究中心/ 兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020）

青贮玉米(Zea mays)是指在适宜收获期内收获地上全部绿色植株制作青贮饲料以饲喂牛、羊等草食家畜的一类玉米，具有产量高、品质好、耐贮藏等优点[1]。2015年以来，在国家“粮改饲”政策的积极推进下，我国青贮玉米的栽培面积不断增加，《全国种植业结构调整规划(2016–2020年)》提出2020年青贮玉米种植面积增加至1.667×106hm2[2]。随着社会经济发展，肉奶等草畜产品的需求快速增加，而国内饲草生产供不应求，饲草资源短缺成为限制畜牧业可持续发展的重要瓶颈。青贮玉米作为“粮改饲”政策主推的饲草作物，每公顷干草产量可达12～13.5 t，是栽培草地的4～4.5倍[3]。青贮玉米具有高产、优质的特性，不仅可以满足畜牧业对优质饲草料的需求，缓解北方冬季饲草料供应不足的问题，同时有助于加快农业产业结构调整[4]。因此，大力发展青贮玉米栽培对于保障我国畜牧业饲料安全供应及促进农牧业协调发展均具有重要的现实意义。

近些年，国内学者针对青贮玉米品种表现[5]、栽培密度[6]、干物质积累[7]、饲用品质[8]以及对施肥的响应[9-10]等方面均开展了较多前期探索，并取得了重要进展，为青贮玉米的高效栽培奠定了基础。研究发现，青贮玉米产量形成以及生物量在各器官间的分配比例受多种因素的综合影响，其中施肥是重要的调控措施之一，而青贮玉米对于施氮的响应最为敏感[11]。氮肥施用主要通过影响青贮玉米茎、叶等器官的生长发育来影响最终产量。氮肥施用量不足时，植株叶片叶绿素合成受阻，光合作用减弱，干物质积累减少，植株生长缓慢，最终不利于产量和品质的提升[12-13]。Safdarian 等[14]研究表明，青贮玉米的干物质产量随施氮量的增加而增加，其中氮肥施用量为150和200 kg·hm−2时可显著提高青贮玉米的干物质产量，提升幅度达13.8%～15.3%。王久龙等[15]研究认为，在石河子地区当青贮玉米产量最大时施氮量为237 kg·hm−2。过量施氮不仅会使作物产量下降，还会增加环境污染的风险[16]。施氮水平对青贮玉米的水分利用效率也具有显著影响[17]，施氮处理的青贮玉米水分利用效率比不施氮处理提高了14%～27%[18]。王佳等[19]研究发现，施氮量为140、210和280 kg·hm−2时青贮玉米的水分利用效率较不施氮处理分别显著提高了23.1%、40.0%和36.0%。可见，确定适宜施氮量对于青贮玉米高效生产以及水分高效利用具有重要的指导意义。

陇东旱塬区属于我国黄土高原典型雨养农业区，同时也是甘肃省适宜发展畜牧业的重要地区。该地区的气候、土壤特征适宜发展青贮玉米栽培产业。目前，国内外学者在不同地区开展了有关青贮玉米高效栽培的较多研究[20-23]。然而，在陇东地区雨养条件下，施氮量对青贮玉米产量及水分利用效率影响的研究尚未见报道，该地区兼顾青贮玉米丰产与水分高效利用的适宜氮肥用量尚不明确。因此，本研究通过设置不同施氮水平以研究氮肥用量对青贮玉米干物质积累、分配以及水分利用效率的影响，旨在确定适宜的青贮玉米氮肥用量，以期为陇东旱塬区青贮玉米合理施氮与高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019−2020年在兰州大学庆阳黄土高原草地农业试验站开展。试验站位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡(35°39′N，107°51′E，海拔1297 m)，地处黄土高原半干旱区，属典型的雨养农业区。据2001−2020年气象资料统计，该地区多年平均降水量为579.1 mm，多年平均气温为10.1℃，湿度61.8%，风速2.2 m·s−1，无霜期165 d。该地区土壤类型主要为黑垆土。试验区0−60 cm 土层土壤基本理化性状如表1所列，试验期间月降水量和平均气温如图1所示。

图1 试验区2019−2020年及多年(2001−2020年)月平均气温、降水量分布Figure 1 Monthly temperature and precipitation in 2019−2020 and the long-term averages(2001−2020)in the experimental site

表1 试验地土壤基本理化性质Table1 Physicochemical propertiesof soil in the field experiment

1.2 供试材料

供试青贮玉米品种为豫青贮23(国审玉2008022)，该品种生物产量高、饲用品质好、抗逆性能强，适宜在黄土旱塬春播玉米区栽培[24]。

1.3 试验设计

采用随机区组试验设计，综合考虑研究区气候特征、作物产量水平、栽培密度等因素，共设置5个施氮水平：0、70、140、210、280 kg·hm−2，分别用N0、N70、N140、N210、N280表示，每个处理3次重复。各处理磷素(P2O5)用量为100 kg·hm−2，钾素(K2O)用量为120 kg·hm−2。试验小区面积为4 m × 6 m，行距0.5 m，株距0.296 m，播种密度为67 500株·hm−2。试验所用氮、磷和钾肥分别采用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O516%)和硫酸钾(含K2O 51%)。所有磷、钾肥在播种前作为基肥一次性施入，30%氮素在播种时作为基肥施入，70%氮素作为追肥，分别在拔节期(40%)和大喇叭口期(30%)施入。由于研究区地处雨养农业区，试验期间无灌溉，其他耕作、病虫害防治等管理措施同当地农民习惯保持一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1干物质积累量

分别在青贮玉米拔节期、大喇叭口期、开花期和灌浆期，每小区随机选取玉米3～5株，齐地面刈割后带回实验室立即进行茎、叶和穗的分离。用烘箱在105℃下杀青30 min，然后在75℃下烘干至恒重，测定青贮玉米不同部位干物质重(精确至0.1g)。在乳熟期采用全区收获、称重的方式实测小区鲜生物量，测定含水量后用小区面积折算公顷干物质产量。

1.4.2土壤质量含水量

于青贮玉米乳熟期，在每个试验小区采用土钻法分层采集0− 200 cm 土层土样，取土间隔为20 cm，共10个土层。此外，为了最大程度避免土壤水分空间异质性分布对土壤水分测定结果的影响，测定时在每个试验小区内部相对固定的位置(第3、4行行间中部和第5、6行行间中部)选择两个点采集土样，并将相同土层样品混合，组成混合样品。样品混匀后置于铝盒中，带回实验室立即采用烘干法测定土壤质量含水量，其计算公式：

1.4.3土壤储水量

乳熟收获期0− 200 cm 土层土壤储水量(W,mm)公式如下[25]：

式中：W为土壤总储水量(mm)；hi为第i个土层厚度(cm)；γi为第i个土层土壤容重(g·cm−3)；ωi为第i个土层土壤质量含水量(%)；10为转换系数。

1.4.4生长期耗水量

青贮玉米生长期耗水量通过水量平衡法[26]估算：

式中：ETi为生育期耗水量(mm)；R为降水量(mm)；I为灌水量(mm)；CR为地下水向上补给量(mm)；Wi为青贮玉米播前0−200 cm 土层土壤储水量(mm)；Wi+1为青贮玉米乳熟收获期0−200 cm 土层土壤储水量(mm)；OF为地表径流量(mm)；P为深层渗漏量(mm)。由于研究区地处黄土高原半干旱雨养农业区，全生育期无灌溉，且地势平坦，故灌溉量I和地表径流量OF均为0。由于该地区降水偏少，0−200 cm 土层的土壤水分监测深度超过了多年降水的平均入渗深度，故可忽略深层渗漏P；同时，黄土高原地下水埋藏较深，故不考虑地下水向上的补给量CR。因此，上述生育期耗水量公式(3)可以简化为如下形式：

1.4.5水分利用效率

在测定青贮玉米干物质积累与耗水量的基础上，其水分利用效率[water use efficiency,WUE,kg·(hm2·mm)−1]可通过如下公式计算：

式中：Y为乳熟期青贮玉米生物量(kg·hm−2)；ET为整个生育期青贮玉米耗水量(mm)。

1.5 数据处理

采用SPSS 25软件进行数据统计分析。采用随机区组方差分析(ANOVA)进行处理间整体差异显著性检验，并采用Duncan 法进行多重比较(α= 0.05)，采用Excel 2003和Origin 2019软件作图。图表中数据为平均值± 标准误。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对各生育时期青贮玉米干物质积累与分配的影响

随着生育时期的推进，青贮玉米地上部干物质积累量逐渐增加，但在2019年乳熟期略有下降(图2)。2019年乳熟期，N70、N140、N210和N280处理下青贮玉米干物质积累量分别为20.4、20.7、22.0和21.0 t·hm−2，其中N210处理的干物质积累量显著高于N0处理(P<0.05)。2019年其他生育时期青贮玉米干物质积累量在不同施氮处理间均无显著差异(P>0.05)。2020年灌浆期，N280处理的干物质积累量显著高于其他处理(P<0.05)；2020年乳熟期，N70、N140、N210和N280处理下青贮玉米干物质积累量分别为21.7、21.6、23.2和22.7 t·hm−2，其中N210处理的干物质积累量显著高于N0处理(P<0.05)。综合两年试验数据来看，青贮玉米乳熟期(收获期)干物质积累量均在N210处理下达到最大值。

图2 不同施氮量对青贮玉米干物质积累量的影响Figure 2 Effects of different nitrogen application rates on dry matter accumulation in silage maize

随着生育时期的推移，青贮玉米叶片的干物质所占比例逐渐降低，茎秆的干物质所占比例先增加后降低，穗的干物质所占比例逐渐增大(图3)。2019年和2020年，青贮玉米叶片的干物质占比由拔节期的65%～67%和61%～63%分别降低至乳熟期的14%～15%和14%～15%；茎秆的干物质占比先由拔节期的33%～35%和37%～39%增加至开花期的76%～77%和56%～68%，然后降低至乳熟期的32%～33%和32%～34%；穗干物质占比由灌浆期的45%～49%和35%～47%增加至乳熟期的52%～54%和52%～54%。随着施氮量的增加，乳熟期茎秆+ 叶片干物质比例呈增加的趋势，但处理间相差不明显。

图3 不同施氮量对各生育时期青贮玉米干物质分配的影响Figure 3 Effects of different nitrogen application rates on dry matter allocation in different growth stages

2.2 不同施氮处理对乳熟收获期土壤含水量与储水量的影响

随着土层深度的增加，青贮玉米0−200 cm 土层土壤含水量表现为先增加后降低的趋势(图4)。2019年和2020年土壤含水量分别在80−100 cm 和60−80 cm 土层出现峰值。2019年，N0、N70、N140、N210和N280处理下0−200 cm 土层平均土壤含水量分别为19.8%、19.3%、18.2%、18.4%和18.5%，表现为N0> N70> N280> N210> N140。2020年，各处理0 − 200 cm 土层平均土壤含水量分别为24.6%、22.1%、21.4%、23.4%和22.5%，表现为N0> N210> N280> N70> N140。

图4 2019年和2020年不同施氮处理下青贮玉米收获期(乳熟期)0− 200 cm土层土壤含水量Figure4 Effects of different nitrogen application rateson soil water content (0− 200 cm)at the harvest stage(milky stage)of silage maize in 2019 and 2020

2019年，N0、N70、N140、N210和N280处理下0−200 cm 土层土壤储水量分别为512.9、498.9、469.9、478.1和477.9 mm，其中N0处理的土壤储水量显著高于N140、N210和N280处理(P<0.05)；2020年，N0、N70、N140、N210和N280施氮处理下0 − 200 cm 土层土壤储水量分别为636.4、571.4、553.6、606.2和580.5 mm，其中N0处理的土壤储水量显著高于N140处理(P<0.05)(图5)。2020年各处理平均土壤储水量整体较2019年平均土壤储水量高20.9%。

图5 2019年和2020年不同施氮处理下青贮玉米收获期(乳熟期)0− 200 cm土层土壤储水量Figure 5 Effects of different nitrogen application rates on soil water storage(0− 200 cm)at the harvest stage(milky stage)of silage maize in 2019 and 2020

2.3 不同施氮处理对青贮玉米耗水量的影响

2019年，N140、N210和N280处理下青贮玉米耗水量分别为489.9、481.7和481.9 mm，较N0处理分别显著提高了9.6%、7.8%和7.8%(P< 0.05) (表2)。2020年，N70、N140、N210和N280处理下青贮玉米耗水量分别为397.9、415.7、363.1和388.8 mm，较N0处理(332.9 mm)分别提高了19.5%、24.9%、9.1%和16.8%，其中N140处理的耗水量显著高于N0处理(P< 0.05)。总体而言，青贮玉米耗水量随施氮量的增加呈现先增大后降低的趋势。

表2 2019年和2020年不同施氮处理下青贮玉米耗水量Table2 Water consumption of silagemaizein different treatmentsin 2019 and 2020

2.4 不同施氮处理对青贮玉米干物质水分利用效率的影响

2019年，不同施氮处理下青贮玉米干物质水分利用效率变化范围为42.3～45.7 kg·(hm2·mm)−1，各处理大小顺序为N210> N70> N0> N280> N140(图6)。2020年，不同施氮处理下青贮玉米干物质水分利用效率变化范围为52.4～65.0 kg·(hm2·mm)−1，各处理大小顺序为N210> N0> N280> N70> N140。2020年各处理青贮玉米平均水分利用效率较2019年提高了32.0%。其中，N210处理下青贮玉米水分利用效率在2019年与2020年均为最高，分别为45.7和65.0 kg·(hm2·mm)−1。方差分析结果显示，2019年青贮玉米水分利用效率在不同施氮处理间差异不显著(P>0.05)；2020年，N210处理的青贮玉米水分利用效率显著高于N70和N140处理(P<0.05)。

图6 2019年和2020年不同施氮处理下青贮玉米水分利用效率Figure 6 Water use efficiency of silage maize under different nitrogen treatments in 2019 and 2020

3 讨论

青贮玉米干物质积累与分配直接影响青贮玉米产量和饲用品质，而氮肥施用与干物质形成之间具有密切关系[27]。本研究中，随着生育时期的推进，2019年与2020年青贮玉米干物质积累基本表现为先快速增长后减缓增长的规律，这与宁夏地区开展的青贮玉米干物质积累研究结果一致[28]。研究表明，当施氮量在60～180 kg·hm−2时，增加氮肥用量可以显著提高玉米产量[29]。陈远学等[30]研究发现，随着氮肥施用量的增加，青贮玉米地上生物量也随之增加，在施氮量为180 kg·hm−2时达到最大(10.4 t·hm−2)，之后随着施氮量的继续增加，青贮玉米产量不再增加。本研究也得出相似结论，当施氮量在0～280 kg·hm−2范围内逐渐增加时，青贮玉米干物质积累量表现为先增加后不变的趋势，施氮量为210 kg·hm−2时干物质积累量最高，当施氮量增加至280 kg·hm−2时，干物质产量并没有显著增加，甚至表现为降低的趋势。由此可见，适量施用氮肥有利于青贮玉米的生长与干物质积累，氮肥用量过高，使得土壤中氮素含量超过作物需肥量，不仅不利用作物增产，反而容易出现倒伏等现象，不利于干物质积累。

研究表明，传统籽粒玉米完熟期各器官干物质分配比例为籽粒> 茎>叶，随着施氮量的增加，各器官干物质积累量增加，籽粒的干物质积累分配比例也随之增加[31]。张磊等[32]研究发现，与不施氮处理相比，施氮处理显著提高了籽粒干物质分配比例。在施氮量为210 kg·hm−2时玉米籽粒干物质分配比例最大，较不施氮处理提高了7.1%(2015年)和11.3%(2016年)。本研究发现，在青贮玉米灌浆期，随着施氮量的增加，穗部干物质比例呈现缓慢增加的趋势，而叶片与茎秆干物质比例则呈现缓慢降低的趋势，这与籽粒玉米的研究结果相同[33]，表明施氮促进了灌浆期光合产物向穗部的转移。然而，在青贮玉米乳熟期，随着施氮量的增加，穗部干物质分配比例表现为略微降低的趋势，2020年表现更为明显。这可能是两种类型玉米的干物质分配策略不同所致，传统玉米以收获籽粒为目标，成熟收获时有更多的干物质向籽粒转移。而青贮玉米作为收获营养体的一类玉米，尽管灌浆期以后，干物质分配重心也逐渐向穗部转移，但是茎秆和叶片干物质仍然占有较大比例。关于施氮量对青贮玉米干物质分配的影响机制尚需进一步研究。

施氮不仅促进了植株生长，同时影响着作物的耗水量与水分利用效率。虽然适量施氮能够促进作物根系生长从而扩大水分的利用范围[34-35]，但目前施氮对青贮玉米耗水量影响的结论并不一致。有研究表明，施氮通过增加植株生物量从而增加了青贮玉米耗水量[36]；但解婷婷和苏培玺[17]研究表明，施氮对青贮玉米耗水量的影响并不显著。类似的施氮对青贮玉米耗水量影响不一致可能与不同地区施氮水平、降水量等因素有关。本研究显示，不施氮处理下青贮玉米收获期土壤储水量较其他处理有所提高，而通过水量平衡原理估算的蒸散耗水量则偏低，这是由于不施氮处理下青贮玉米氮素缺乏导致群体长势差、产量低，最终导致群体耗水量减少。Demir 等[37]研究表明，施氮量在0～300 kg·hm−2范围内增加时，青贮玉米水分利用效率表现为先增加后降低的趋势。本研究中，青贮玉米水分利用效率在较低施氮量下(0～140 kg·hm−2)表现为逐渐降低的趋势，在较高施氮量时(140～280 kg·hm−2)表现为先增加后降低的趋势。这与董越[38]的研究结果一致，在较高施氮量范围内(120～360 kg·hm−2)，青贮玉米水分利用效率表现为先增加后降低的趋势。这可能是由于在施氮量较低时，青贮玉米增产效果不明显，但耗水量增加明显，由此造成水分利用效率降低。此外，由于陇东旱塬区降水年际间差异大，2020年降水量较2019年减少了51.3 mm，由此造成2020年青贮玉米全生育期耗水量相应减少，但2020年所有处理下青贮玉米水分利用效率却较2019年整体提高了32.0%。

4 结论

合理施氮是促进青贮玉米干物质积累与水分高效利用的重要措施。通过连续两年研究表明，在施氮量为210 kg·hm−2时，青贮玉米乳熟期(收获期)的干物质产量和水分利用效率最高，在2019年分别达到22.0 t·hm−2和45.7 kg·(hm2·mm)−1，在2020年分别达 到23.2 t·hm−2和65.0 kg·(hm2·mm)−1。因 此，210 kg·hm−2可初步推荐为陇东旱塬区青贮玉米栽培的适宜氮肥用量。