吕丽华，崔永增，李 谦，姚艳荣，黄冀楠，张经廷，孟 建，李明远

（1.农业部华北地区作物栽培科学观测实验站/河北省作物栽培生理与绿色生产重点实验室/河北省农林科学院粮油作物研究所，石家庄 050035；2.河北省农业技术推广总站，石家庄 050000）

0 引 言

华北平原是我国主要粮食产区之一，冬小麦-夏玉米一年两熟是该地区主要种植模式。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]；且降雨时空分布不均，一般在玉米关键生长期仍需灌溉1～3次水。研究表明，玉米不同生长阶段需水特性存在很大差异，在某些生育时期适度水分亏缺不会造成作物明显减产[4]，再结合适当的农艺措施，限水灌溉在节水的同时可以实现产量与效率的协同提高[5]。多年来针对夏玉米已开展了大量节水灌溉理论与技术研究[6,7]，也形成了一些成熟的夏玉米灌溉模式[8-10]。其中华北地区12 展叶期（大喇叭口期）灌水的应用较多[11-13]，这种灌溉模式是指足墒播种的基础上，在12 展叶期前后灌1 次水，灌水量根据苗情和墒情而定。但近年来，华北地下水位不断下降，亟需提出更为节水的灌溉技术体系，即在保障玉米高产稳产的前提下，再进一步减少灌水次数。

夏玉米播种期天气干燥多风少雨，地面蒸发量大，因此播前水（或出苗水）是保障玉米出苗和生长的必要措施，灌水效果好，调控的余地不大。12 展叶期植株生长迅速，水分需求量大，对土壤水分十分敏感，为需水关键期[8,14,15]。但华北平原玉米拔节期以后降水逐渐增多，给12 展叶期灌水留有较大的调控空间。因此，在播种期灌水（或底墒充足）的基础上12 展叶期灌水调减对进一步减少灌水量，缓解华北地下水位下降意义重大。然而，目前还缺乏相关的系统性研究。此外，水分和养分是相互影响的因子，水分不足限制营养物质的合成与转运，降低作物产量；肥力不足则影响水分的吸收与利用[16-19]。因此水分与养分的高效结合是发展节水农业的关键。本文利用华北太行山前平原区的9年大田水氮定位试验结果，分析夏玉米12 展叶期补灌的增产效应及其影响因素，为该区夏玉米节水稳产技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2007年6月至2015年10月，在河北省农林科学院粮油作物研究所石家庄藁城堤上试验站(114°72′E，37°94′N)进行田间试验，试验区属太行山前平原，年均降水量490 mm。试验田土壤质地轻壤质，2007年试验开始前0～20 cm 土壤含有机质15.4 g/kg、全氮0.98 g/kg、全磷2.1 g/kg、碱解氮72.8 mg/kg、有效磷19.6 mg/kg、有效钾91.1 mg/kg。试验期间夏玉米季降水量见表1。

表1 试验期间各年度降水量和灌水量mmTab.1 Precipitation and irrigation amount during the experimental period

采用二因子裂区设计，小区面积51.84 m2(4.8 m× 10.8 m)。以灌水处理为主区，夏玉米设限水（W1）和适水（W2）两种水分处理，限水和适水的灌水次数根据当季降水量调节（1水为播前水，2 水为播前水+12 展叶水，3 水为播前水+12 展叶水+灌浆水），具体灌水次数和灌水量见表1。通过灌水，实现足墒播种、中后期不出现明显旱情。灌溉方式为塑料软管小区畦灌。氮肥为副区，设置6 个施氮水平，纯氮量分别为0（N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240（N240）、300（N300）kg/hm2。氮肥（尿素，含N 46.4%）30%随播种沟施，70%在12 展叶期灌水前或降雨前撒施。夏玉米品种为郑单958，播种密度为7.5 万株/hm2，播种期为6月8-20日，收获期为9月25日至10月5日。按当地生产习惯进行田间管理。

1.2 测定方法

式中：YW1表示限水处理（W1）的产量；YW2表示适水处理（W2）的产量。

产量及产量构成：每小区收获玉米3 行(每行10 m)，数总穗数，折合为单位面积穗数，称所有果穗总鲜重，按平均鲜穗重从所收果穗中随机选取20穗，风干后测定穗粒数，脱粒，称重，测定千粒重和籽粒产量，同时采用谷物水分测定仪测定含水率，计算实际产量和千粒重(按14%折算含水率)。

1.3 数据处理和统计分析

用Microsoft Excel 2007 处理数据和绘图，用SPSS 17.0 软件进行方差与相关分析，采用最小显著差法进行处理间的多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对夏玉米12 展叶期灌水增产效应的影响

由于玉米季的降水量及其分配年际间差异较大，夏玉米12 展叶期补灌的增产效应年际间变化也非常明显，最大值为2010年度的N240 的30.4%，最小值为2012年度N240 的-7.4%（图1）。施氮水平对12展叶期补灌增产率及其年际变化也有明显的影响，N0 和N60 处理灌水增产率多年平均仅分别为1.9%和2.8%，且不同年份的增产率变化幅度较小（2010 和2015年除外）。N120 至N300 处理灌水增产率多数年份较高，多年平均为5.4%～7.9%，说明氮肥供应足可充分发挥灌水的增产效应，出现氮促水的效应；不同处理增产率互有高低，规律不明显，且不同年份的增产率变化幅度较大。由于受2007年较高基础地力的影响，N0 和N60 处理前3年12 展叶期补灌增产率与其他施氮处理差异不大，从定位第4年开始大多年份低于其他处理（2010、2011、2013 和2014年），4年平均低9.1 个百分点。

图1 不同施氮水平下夏玉米12展叶补灌增产率的年际变化Fig.1 Year-to-year variations of yield-increasing ratio of supplementary irrigation at 12th leaf of summer maize under different N application levels

由于定位试验开始前土壤基础氮素含量较高，前2年（2007-2008年）不施氮并没有影响12 展叶期补灌增产效应的发挥，N0W2 处理的产量高于N0W1 处理，2年分别高2.3%和3.4%；随着试验定位年限的增加，土壤基础氮素持续被消耗，2009-2013年N0W2 与N0W1 处理的产量已没有明显差异，甚至个别年份W2 产量低于W1（图1），12 展叶期灌水已没有增产作用；但2014-2015年由于播种-12 展叶期降水量极少（31.9～51.6 mm），N0W2 处理产量明显高于N0W1 处理，分别高5.0%和7.1%，12 展叶期灌水增产效果明显。低氮处理（N60），试验前4年（2007-2010）W2 的产量明显高于W1（图2），说明在灌溉播前水的基础上，12展叶期补灌有明显的增产作用；随着定位试验年限的延长，由于长期低量施氮，土壤氮素供给能力不足，从2011年开始N60W1与N60W2产量已没有明显差异，甚至个别年份N60W2 产量也低于N60W1，说明随着土壤氮素的下降，12 展叶期补灌的增产效应逐渐减弱。可见，适量施氮才能使土壤有持续的氮素供应能力，才能充分发挥出灌水的增产作用。

图2 不施氮和低量施氮条件下12展叶补灌对夏玉米产量的影响Fig.2 Effects of supplementary irrigation at 12th leaf on maize yield under zero and low N application levels

由不同施氮处理耕层土壤全氮[图3（a）]逐年变化可知，N0、N60 和N120 处理从定位第2年开始全氮含量不同程度下降，从第3年开始3 个处理明显低于其他施氮处理，平均分别低24.1%、16.5%和11.8%；随定位年限增加N0 和N60 处理全氮含量下降明显，平均以0.002 8/a 和0.002 3/a 的速度下降，而N120 处理从第4年开始与初始土壤全氮含量大致持平；N180 至N300 处理从第3年开始全氮含量明显增加，从第4年开始虽有上下浮动，但大致持平。说明施氮量低于60 kg/hm2时，土壤氮消耗严重，施氮量120 kg/hm2时，土壤氮基本持平。

图3 不同施氮水平耕层土壤养分含量逐年变化Fig.3 Changes year by year of soil nutrient content in the topsoil of different nitrogen application levels

由不同施氮处理耕层土壤有机质含量[图3（b）]逐年变化可知，N0 和N60 处理从定位第4年开始有机质含量明显下降，且明显低于其他施氮处理，平均分别低11.3%和10.0%；其他施氮处理有机质含量虽有浮动，但从第4年或第5年开始总体上升。同样说明施氮量低于60 kg/hm2时，土壤肥力消耗严重；土壤有机质含量明显下降可能与作物缺乏氮素营养，植株生物量小，秸秆还田量较少，土壤有机质补给量远低于其分解输出量有关。

2.2 夏玉米生长期降水量对12 展叶期灌水增产效应的影响

2.2.1 全生育期有效降水量对12展叶期灌水增产效应的影响

夏玉米全生育期有效降水量与12 展叶期补灌增产率呈极显著负相关（r=0.633，P＜0.01），图4（a）。全生育期有效降水量低于240 mm 时，12展叶期补灌增产率高达15%以上；当该时期有效降水量达到400 mm 时，12 展叶期补灌的增产率低至5%以下。

图4 玉米12展叶补灌增产率与不同生育阶段降水量的关系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 播种-12 展叶期有效降水量对12 展叶期灌水增产效应的影响

夏玉米播种-12 展叶期有效降水量与12 展叶期补灌增产率呈极显著负相关（r=0.692，P＜0.01），图4（b）。播种-12展叶期有效降水量低于35 mm 时，12 展叶期补灌增产率高达15%以上；当该时期有效降水量达到136 mm 时，12 展叶期补灌的增产率低至5%以下。

2.2.3 12 展叶-成熟期有效降水量对12 展叶期灌水增产效应的影响

夏玉米12 展叶期至成熟期的有效降水量与12 展叶期补灌增产率也呈极显著负相关（r=0.458，P＜0.01），图4（c）。12展叶-成熟期无降水时，12展叶期补灌增产率最高，达14.5%；当该时期降水量超过207 mm 时，12 展叶期补灌的增产率低至5%以下。说明W1 处理在播前灌一次水的条件下，12 展叶期以后较多的有效降水（≥207 mm）能弥补生育中后期土壤水分亏缺，尽可能满足了开花和灌浆期的水分需求，最终缩小了W1 与W2 的产量差异，因此该时期降水量较多反而无法发挥12展叶期补灌的增产效应。

2.3 播种-12 展叶有效降水量≥136 mm 和＜136 mm时两种灌溉模式的产量性状

由表2 可见，当夏玉米播种-12 展叶期有效降水量＜136 mm时，相同施氮水平W2与W1处理的穗数差别不大，但穗粒数和千粒重W2 高于W1，各施氮水平的平均值W2 比W1 分别提高5.3%和2.9%。可见，播种-12 展叶期有效降水较少时，12 展叶期灌水可优化产量性状，增加物质积累，增产效果显著。

表2 播种-12展叶期两种降水情景下夏玉米产量性状及其对水氮的响应Tab.2 Summer maize yield traits and their responses to water and nitrogen under two precipitation scenarios from sowing to 12th leaf stage

当夏玉米播种-12 展叶期有效降水量≥136 mm 时，相同施氮水平W2与W1的穗数差别不明显；但W2的穗粒数N0、N60和N120 处理显著高于W1 的对应处理，分别高3.7%、4.5%和3.1%，而W2的N180、N240和N300处理穗粒数低于或显著低于W1 的对应处理，低0.4%～2.6%；W2 的千粒重N0、N60 和N120 处理高于或显著高于W1 的对应处理，分别高3.5%、4.6%和1.0%，而W2的其他施氮处理与W1的对应处理差别不显著。可见施氮量低于120 kg/hm2时水分较多利于粒数和粒重的增加，说明充足的水分更能促进低氮条件下氮素效应发挥，出现水促氮的效应。

3 讨 论

3.1 土壤供氮能力与12展叶期灌水增产效应

水和氮是作物生长发育最关键的两大因子[20-23]，二者存在明显的耦合效应。前人研究表明，水和氮的用量对作物产量提高存在适宜范围，当供水量和施氮量超出适宜的用量后，产量增加不显著甚至减产[19,24]。水分的增产效应随着施氮量的增加而增大，但增产效应不是无限的[25,26]。本研究结果表明，N0 和N60 处理由于玉米氮素消耗远高于土壤氮素补给，使土壤氮素长期处于入不敷出的状态，土壤氮素逐渐耗竭；由于氮素补给不能满足作物需求，12 展叶期补灌的增产作用受到一定的制约，两处理的12 展叶期补灌增产率多年平均分别为1.9%和2.8%，甚至在个别年份出现12展叶期补灌产量降低的现象。原因可能是玉米缺氮时植株发育不良，光合和蒸腾速率弱，水分吸收和运输的动力不足[27]。施氮量120～300 kg/hm2处理灌水增产率较高，多年平均为5.4%～7.9%，出现氮促水的效应，水氮耦合效果显著；但施氮量120 kg/hm2即可维持土壤氮和土壤有机质含量的基本平衡，保障适水条件下较高的粒数和粒重，充分发挥12 展叶期补灌的增产效应。本文作者2014年曾利用二次多项式加平台方法对本试验施肥量-玉米产量进行模拟，得到在适水条件下最佳施氮量为127.2 kg/hm2，该条件下可以实现最佳产量[24]，与本研究结果大体一致。

3.2 玉米生育期降水量与灌溉决策

农业生产中一般把5 mm 以上的降水称为有效降水[28]。夏玉米生育期内的有效降水必定会影响灌水效应的发挥。12 展叶期是玉米营养生长和生殖生长并进的关键阶段，对水肥需求量大[11]，因此，12 展叶期灌水是一项重要的保障措施, 同时还可以配合12 展叶期追肥。华北地区夏玉米拔节以后降水概率逐渐增大，因此12 展叶期灌水具有一定的可调控性。夏玉米播种-12展叶期降水量及降水分布年际变异非常大，石家庄藁城地区1990-2021年该时期有效降水量的变化幅度为31.9～242.1 mm（图5），降水的多寡直接影响到灌水效应的发挥。本研究结果表明，夏玉米12 展叶期补灌增产率与播种-12 展叶期有效降水量呈直线关系，该阶段有效降水量大于136 mm时，12 展叶期灌水的增产作用不明显，甚至是减产。因此，该阶段降水量可作为判定12展叶期灌水与否的一个重要标准，即当播种-12 展叶期有效降水量大于136 mm 时，该时期免灌水，可保障稳产，实现节水。石家庄藁城地区连续32年中（图5），夏玉米播种-12展叶期有效降水量大于136 mm 的年份为11年，发生概率为34.4%。因此，华北地区夏玉米只在播种期灌一次水的情景在很多年份都具有较强的可行性。

图5 1990-2021年石家庄藁城市夏玉米播种-12展叶期有效降水量Fig.5 Effective precipitation from sowing to 12th leaf stage of summer maize in Gaocheng district, Shijiazhuang during 1990-2021

4 结 论

土壤供氮能力、夏玉米生育期降水量尤其是播种-12展叶期的有效降水量对12 展叶期补灌增产效应的发挥都有明显影响。玉米生育期降水量越大12展叶期补灌的增产作用就越小，并且土壤氮素供应能力不足可显著降低12展叶期补灌增产率，甚至无增产。在中等及以上肥力水平下，夏玉米播种-12展叶期有效降水量是12 展叶期补灌增产效应关键的制约因素，该阶段有效降水量大于136 mm 时12展叶期补灌增产不显著，此时，夏玉米播前灌一次足水，12 展叶期不灌水即可保障高产稳产。