耦合效应弥补水氮减量对夏玉米养分吸收和利用的不利影响

李 慧，王旭敏，刘朋召，刘 苗，王小利，王 瑞，李 军

（西北农林科技大学农学院/农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室，陕西杨凌 712100）

陕西省是玉米的主要产区，也是灌溉水资源严重短缺区[1]。玉米生产管理中“大水大肥”现象较为普遍，高施氮量农户占比高达64.7%，平均施氮量为 288 ± 113 kg/hm2[2]，农田灌溉量高达 800 m3/hm2[3]，严重降低了水肥资源利用效率，引发了土壤氮素淋洗损失和地下水污染等环境问题[4–5]。解决玉米栽培中水氮过量投入、资源浪费突出的问题，确定节水减肥增效的水氮管理模式，有助于关中地区夏玉米绿色高效生产。

农田水分和氮肥之间存在明显的交互效应，水分不足影响氮肥肥效发挥，水分过多则导致氮肥淋溶和作物减产[6]。适量氮肥有利于提高玉米抗旱性，增强玉米光合作用和干物质积累，促进开花后叶片保绿，延长光合与灌浆时间[7–8]，促进植株氮、磷、钾养分积累与转运[9]，而过量施氮反而加剧干旱胁迫[10]，导致后期叶片早衰[11]，进而抑制作物生长和产量增长。前人研究表明，控释氮肥减量25%可使玉米小幅度增产，且氮肥生理利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力显著提高[12]。与习惯施氮(240 kg/hm2)相比，减施40%氮肥用量仍可保障玉米产量[13]。张明伟等[14]研究表明，西辽河平原水氮用量可实现较传统畦灌常规施氮减水50%、减氮30%，水氮互作显著提高产量和氮素利用效率。刘朋召等[15]研究表明，与当地农户习惯高施氮量360 kg/hm2相比，渭北旱地春玉米在施氮 150～180 kg/hm2处理下籽粒产量增加0.9%～7.1%，氮肥回收利用率、偏生产力和农学效率均保持在较高水平。

在传统水肥管理模式基础上适量减少水、氮投入，可以有效提高玉米水肥资源利用效率，并可减轻对农业环境的污染，是绿色可持续发展的必然选择[4]。因此，如何科学合理地进行玉米水肥高效栽培是亟待解决的问题。尽管前人已经在灌水和施氮单一因素对玉米产量、养分积累转运、氮素利用等方面开展了相关研究[16–19]，但有关水氮共同减量处理下水氮互作对玉米植株养分(氮、磷、钾)吸收利用影响等方面研究尚不够深入和全面。因此，我们连续进行了2年夏玉米田间定位试验，研究水、氮共同减量下玉米氮、磷、钾养分积累、转运及氮素利用效率，以期为关中平原夏玉米发展节水节肥的生产模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在陕西省杨凌区西北农林科技大学曹新庄试验农场 (108°07′E，34°20′N)实施。当地属于大陆性季风暖温带半湿润气候，年均日照时数2163.8 h，年均气温12.9℃，年均降水量635.1 mm，年均蒸发量993.2 mm，无霜期211天，供试土壤为土。试验地种植制度为冬小麦－夏玉米一年二熟制轮作，2018—2019年播前土壤0—20 cm养分含量为有机质17.06 g/kg、全氮1.24 g/kg、全磷 0.99 g/kg、全钾 10.85 g/kg、硝态氮 12.46 mg/kg、速效磷 32.59 mg/kg、速效钾 223.87 mg/kg。2018年夏玉米6月14日播种，10月1日收获，生育期内降水量335.3 mm，生育前期降水较密集；2019年夏玉米6月14日播种，9月30日收获，生育期内降水量499.8 mm，生育后期降水较密集(图1)。

图1 夏玉米生长季日降水量Fig.1 Daily rainfall during the growth stage of summer maize

1.2 试验设计

本试验采用二因素裂区设计，灌溉量为主区，施氮量为副区。灌溉量设3个灌溉水平：传统灌水量800 m3/hm2，W2)，于拔节期和抽雄期各灌溉400 m3/hm2；减量 50% (400 m3/hm2，W1)，于拔节期进行；不灌溉(W0)。施氮量设5个水平：传统用量(N 300 kg/hm2，N300)、减施 25% (N 225 kg/hm2，N225)、减施 50% (N 150 kg/hm2，N150)、减施 75%(N 75 kg/hm2，N75)和不施氮 (N0)，其中 W2 和N300 为对照组 (CK)。小区面积 91 m2(6.5 m × 14 m)，3次重复，共计45个小区。施用氮肥为尿素，试验地统一施磷肥为P2O5120 kg/hm2，本地区农田土壤富含钾素，因此本试验不施钾肥，氮、磷肥全部基施。供试玉米品种为浚单20，密度60000株/hm2。灌溉方式采用喷灌，水表控制灌水量，其他管理措施同当地生产习惯。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素 在玉米成熟期，每个小区选取长势均匀、行长5 m的玉米各3行，统计穗数，在行内选取20个均匀果穗，取3次重复，风干后于室内考种，测定穗粒数和百粒重，按14%含水量折算籽粒产量。

1.3.2 氮、磷、钾积累量 分别于玉米苗期(VE)、拔节期(V6)、抽雄期(VT)、灌浆期(R3)和成熟期(R6)采集不同处理具有代表性玉米植株3株，取其地上部分105℃杀青30 min，85℃烘干至恒重后称重并粉碎，采用H2SO4–H2O2消煮，凯氏定氮法测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度法测定全钾含量[20]。

1.3.3 测定项目相关计算方法[9]

收获指数 = 籽粒产量/地上部生物量；

植株养分积累量(kg/hm2)=各时期干物质量×氮(磷、钾)素含量(%)；

干物质或养分转运量(kg/hm2)=抽雄期地上部干物质或养分积累量–成熟期营养器官干物质或养分积累量；

转运率(%)=干物质或养分转运量/抽雄期地上部干物质或养分积累量×100；

干物质转运或转运养分对籽粒干物质或养分贡献率(%)=(抽雄期营养器官干物质或养分积累量–成熟期营养器官干物质或养分积累量)/籽粒干物质或养分积累量×100；

氮肥农学效率(NAE, kg/kg)=(施氮区玉米产量–不施氮区玉米产量)/施氮量；

氮肥回收效率(NRE, %)=(施氮区植株地上部氮积累量–不施氮区植株地上部氮积累量)/施氮量×100；

氮肥偏生产力(NPFP, kg/kg)=施氮区籽粒产量/施氮量。

1.4 数据分析

使用SPSS 19.0分析试验数据，采用Duncan’s法多重比较，差异显著性水平为P=0.05。使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮组合处理的玉米产量及产量构成因素

从表1中可以看出，2019年W0N150处理玉米产量高于W0与其他氮水平组合，在不同水氮处理下，W2N225、W1N225、W0N225处理显著高于同水平下其他处理，W2N225、W1N225处理较W2N300处理产量分别提高9.28%、7.61%。在同一灌水水平下，N150与N300产量没有显著差异，N75和N0产量显著降低。在同一施氮水平下，W1和W2灌溉水平产量差异较小，W0产量最低，W1和W2灌溉水平下2年平均产量较W0灌溉水平分别提高15.29%和12.40%，W1、W2灌溉水平产量与W0灌溉水平差异达显著水平(P<0.05)，说明适当减少灌水量没有减产风险。

表1 不同水氮减量处理下玉米产量及产量构成因素Table 1 Maize yield and yield components under different water and nitrogen reduction treatments

在玉米产量构成因素中，灌水和施氮及其互作

对玉米单位面积穗数和穗粒数影响极显著，灌水对收获指数无显著影响，施氮则对百粒重无显著影响。W2灌溉水平时各施氮水平下单位面积穗数无显著差异，W1N300、W1N225、W1N150处理单位面积穗数差异不显著，但2019年与W1N75、W1N0处理差异显著。在同一灌水水平下，穗粒数2018年总体表现为N300、N225、N150差异不显著，与N75、N0差异显著，2019年则呈现出随施氮量减少先增后降的趋势。在同一施氮水平下，W1和W2灌溉水平平均百粒重差异不显著，分别较W0灌溉水平提高5.10%和4.52%。

在同一灌溉水平下，玉米产量与施氮量呈二次曲线关系(图2)，2018年W2、W1、W0水平下施氮量分别为217.51、214.11、260.25 kg/hm2时，可达到最高产量 10100、9850、8047 kg/hm2，2019 年 W2、W1、W0灌溉水平下施氮量分别为222.29、207.24、185.14 kg/hm2时，可达到最高产量10287、10060、8899 kg/hm2，由此可知，W2、W1、W0 灌溉水平下减氮25.77%、29.78%、26.70%时仍可获得最高产量，减氮不存在减产风险，W1和W2灌溉水平最高产量差异不显著，水氮减量不会对玉米生长造成太大影响。

图2 不同灌水条件下夏玉米产量与施氮量的关系Fig.2 Relationships between summer maize yield and nitrogen application rate under different irrigation condition

2.2 不同水氮减量处理玉米干物质积累和转运量

表2表明，施氮和灌水及其互作对玉米抽雄前后干物质积累和转运有显著影响，对转运率无影响，干物质转运对籽粒干物质积累贡献率与施氮极显著相关。在同一灌水水平下，玉米抽雄前后干物质积累和转运量随施氮量的减少呈现先增后降的趋势。在同一施氮水平下，玉米抽雄前后干物质积累和转运随灌水量的减少呈先增后降的趋势，最高为W1灌溉水平，后依次为W2、W0灌溉水平，但W2、W1、W0灌溉水平抽雄前干物质积累差异不显著，W1、W2灌溉水平抽雄后干物质积累差异不显著，与W0灌溉水平差异显著，由此说明，灌水显著提高抽雄后干物质积累。不同水氮处理下W1N225和W1N300抽雄前干物质积累显著高于其他处理，分别比W2N300处理提高7.38%和6.02%。2018年W1N225和W1N300、W2N225处理抽雄后干物质积累无显著差异，但与W2N300处理有显著差异。W1N 225处理干物质转运量显著高于其他处理，2年平均干物质转运量W1N225处理较W2N300处理提高11.67%。

表2 不同水氮减量处理下玉米干物质积累和转运量Table 2 Dry matter accumulation and remobilization under different water and nitrogen reduction treatments

2.3 不同水氮减量处理玉米抽雄前后养分积累与所占比例

2.3.1 不同水氮减量处理玉米抽雄前后氮磷钾养分积累 图3表明，在同一灌水水平不同施氮水平下，除2019年磷积累量外，玉米抽雄前植株氮、磷、钾养分积累量N225与N300处理无显著差异；抽雄后氮、磷、钾积累量则随着施氮量的减少先增后降，不同水氮处理下 W1N225处理表现最优。由此说明，玉米生育前期过量施氮有利于氮、磷、钾养分的积累，而减量施氮可以使玉米在生育后期保持较高的养分积累速率，提高抽雄期到成熟期氮、磷、钾养分积累量。受生育期降水影响，在同一施氮量下，2年中玉米抽雄前氮、磷、钾积累量差异显著，随着生育时期的推进，抽雄后2年氮、磷、钾积累量的差异逐渐减小直至没有显著差异。随着灌水量的减少，养分积累呈先增后降的趋势，不同灌水水平以W1氮、磷、钾养分积累最高，分别比W2和W0灌水水平提高10.76%、12.13%、13.03%和18.90%、30.82%、31.95%。

图3 不同水氮减量处理下玉米抽雄前后氮磷钾积累量Fig.3 Accumulation of NPK at pre- and post-tasseling of maize under reduced water and nitrogen conditions

2.3.2 不同水氮减量处理玉米抽雄前氮磷钾积累所占比例 表3表明，灌水和施氮及其互作对玉米抽雄前氮、磷、钾积累所占比例影响显著。在同一灌水水平下，抽雄前氮、磷、钾分配比例随着施氮水平的减少呈先降后增的趋势。在同一施氮水平下，不同灌水水平间抽雄前氮、磷、钾分配比例无显著性差异(P>0.05)。不同水氮处理下W1N225处理多显著低于其他处理，W2N150、W2N300处理2018年无显著差异，W0N150、W0N300处理无显著差异。由此说明，施氮量减少显著提高抽雄后养分积累与分配比例。

表3 不同水氮减量处理下玉米抽雄前地上部氮磷钾积累量占整株氮磷钾积累量的比例(%)Table 3 Proportions of above-ground N, P, and K accumulation in the whole plant pre-tasseling of maize under different water and nitrogen reduction treatment

通过抽雄前后植株氮、磷、钾积累量与产量的拟合(图4)，产量与抽雄前后养分积累均存在极显著正相关关系，但抽雄后线性方程的相关系数(R2=0.666、0.684、0.612)均高于抽雄前(R2=0.632、0.591、0.534)，说明产量与玉米抽雄后氮、磷、钾积累的关系更加密切。通过对植株养分积累和抽雄前后占比的分析，W1灌水水平下植株养分积累量较高，在W1水平下对施氮量与成熟期植株养分积累量进行拟合(图5)发现，施氮量与植株养分积累量呈二次曲线关系，随施氮量的减少，植株养分积累量呈现先增后降的趋势，其主要原因为植株干物质积累量的差异。施氮量分别为229.06、263.96、236.97 kg/hm2时，氮、磷、钾积累量最高为238.36、38.06、269.72 kg/hm2。将产量拟合时最高产量的施氮量带入图5公式中，植株养分积累量分别为237.96、37.59、262.61 kg/hm2，与植株氮、磷、钾养分最高积累量无显著差异(P<0.05)，W1下减氮到207.24 kg/hm2时也不会造成产量和氮、磷、钾养分积累量的显著减少。由此说明，水氮减量不会大幅降低植株养分积累量，还会促进产量的增加。

图4 玉米抽雄前后氮、磷、钾积累量与产量的关系Fig.4 Relationships between yield and N, P and K accumulation pre- and post-tasseling of maize

图5 减少50%灌溉量下玉米成熟期氮、磷、钾积累量与施氮量的关系Fig.5 Relationships between N, P and K accumulation and nitrogen application rate under 50% of irrigation amount

2.4 不同水氮减量处理对玉米氮磷钾转运的影响

表4表明，灌水和施氮及其互作对氮、磷、钾养分转运量具有显著影响，对养分转运率无显著影响。在同一灌水水平下，氮、磷、钾转运量随施氮水平的减少先增后降，与减氮100%相比，施氮显著提高了氮、磷、钾养分转运量。在同一施氮量下，玉米氮、磷、钾转运量随灌水量的减少先增后降，最高的为W1灌水水平，后依次为W2和W0灌水水平，其中W1灌水水平氮、磷、钾2年平均养分转运量较W2和W0灌水水平分别提高8.72%、11.59%、15.52%和12.08%、24.35%、28.35%，与W2和W0灌水水平差异达显著水平(P<0.05)。在不同水氮减量处理下，W1N225处理氮、磷、钾养分转运量显著高于其他处理，W2N225、W2N150与W2N300处理无显著差异，W0N225、W0N150与W0N300处理无显著差异。2年平均氮、磷、钾养分转运量W1N 225较W2N300处理分别提高16.28%、19.80%、18.95%。表5表明，养分转运对籽粒的贡献率只与施氮量存在显著相关性，随施氮量的减少先降后增，最低值出现在N225，W0N150、W0N225处理差异不显著，W1N150、W1N300处理多差异不显著。

表4 不同水氮减量处理下玉米植株中氮、磷、钾的转运Table 4 The translocation of N, P and K in maize plants under reduced water and nitrogen conditions

表5 不同水氮减量处理下玉米氮、磷、钾转运对籽粒的贡献率(%)Table 5 The contribution of N, P and K transport to grains in maize under reduced water and nitrogen conditions

2.5 不同水氮减量处理对氮素利用效率的影响

灌水和施氮及其互作对氮肥农学效率、氮肥回收效率、氮肥偏生产力具有显著影响(表6)。总体来说，在同一灌水水平下，随施氮量的减少，NAE、NRE、NPFP都呈增加趋势。在同一施氮量下，2018年平均NAE、NRE、NPFP随灌水量的减少呈先增后降的趋势，W1灌水水平具有明显的优势，后依次为W2和W0灌水水平，其中W1灌水水平平均NAE、NRE、NPFP较W2和W0灌水水平分别增加4.73%、20.24%、3.29%和13.99%、20.58%、18.57%；2019年NAE、NRE则是先降后增，其中两年平均NAE、NRE、NPFP，W1N225、W1N150、W2N225、W2N150、W0N150处理较传统水肥管理W2N300处理分别提高20.78%、5.53%、32.90%，39.52%、22.80%、52.97%，42.78%、14.51%、32.09%，50.97%、36.27%、51.15%和31.29%、19.75%、44.22%。

表6 不同水氮减量处理氮素利用效率Table 6 Nitrogen use efficiency under reduced water and nitrogen conditions

3 讨论

3.1 水氮减量对夏玉米产量和氮素利用的影响

水分和氮肥是影响作物产量及其构成因素的两个重要因素，玉米高产离不开水分和氮肥的协调作用。玉米是一种高耗水作物，合理灌溉可以提高氮素利用率并增产[21]。半干旱地区在灌水量2250 m3/hm2基础上减少73%配合施氮量248.1 kg/hm2，玉米产量下降幅度小于15.26%，且水分利用效率较高[22]；谢英荷等[23]研究表明，与习惯灌水1200 m3/hm2和施氮量 210 kg/hm2相比，减水 300 m3/hm2、减氮60 kg/hm2处理提高氮素利用率且对夏玉米产量无显著影响。本研究中减水50%和减氮25%不会造成大幅减产，氮素利用也保持在较高水平，与前人研究结果相似。但2019年NAE、NRE则是先降后增，这与前人研究不一致，可能原因是2019年W2N0处理在灌浆前期出现倒伏，造成大幅减产所致。与传统水氮管理模式相比，水氮减量处理的单位面积穗数、穗粒数、百粒重多无显著差异。王旭敏等[24]也指出，与常规施氮300 kg/hm2相比，适宜减少施氮不会造成单位面积穗数、穗粒数、百粒重等产量三要素减少，没有造成减产。造成以上现象的原因：一是适量灌水会通过影响籽粒灌浆而提高生育期干物质积累，而过量灌溉则会降低灌浆速度和地上部干物质积累，造成粒重下降而降低产量[25]。二是适宜氮肥用量可以提高叶片的叶绿素含量，提高叶片光合碳同化能力，延长光合时间，促进光合同化物向籽粒转移，进而提高产量[26]。三是遇恶劣天气时施氮会增加玉米茎秆抗折断力，减少倒伏[27]，但是施氮的增产效果会随施氮量增加逐渐减弱，在土壤水分不足时，水分制约氮肥发挥效用，当水分过多则会增加氮素损失，进而氮素利用降低[28]。因此，在关中平原玉米生产中适当减少灌溉量和施氮量，不仅不会造成大幅减产，反而提高水氮利用效率，减少资源浪费。

3.2 水氮减量对干物质与氮、磷、钾养分积累和转运的影响

籽粒产量较大程度上取决于玉米生育后期生长发育，增加作物花后干物质积累可以提高产量[29]，氮、磷、钾3种元素在作物生长发育中起着重要作用，是干物质积累和产量形成的影响因素[30]。玉米籽粒养分主要来源于花后养分积累和营养器官转运，后者占比更大[31]。前人研究表明，养分积累转运与物质生产存在联系，在营养体建成期间建立一个高效的群体结构，可促进花后光合物质生产和养分积累，提高玉米花后干物质和氮磷钾分配比例[32]。适宜减氮25%～50%可以有效协调植株的源库关系，在保持较高花后干物质积累及对籽粒的贡献率的同时显著提升了花后干物质向籽粒的转运。在一定施氮量范围内，增施氮肥可以显著增加玉米籽粒中氮、磷、钾含量，但是过量施氮则使籽粒养分含量降低[33]。适量施氮可以促进玉米花前积累更多养分向籽粒转运[34]，施氮不足或施氮过量均会提高营养体花前储藏养分对籽粒养分贡献率，这样会加速叶片衰老，影响光合作用，造成产量降低。本研究中，与常规水氮管理相比，氮肥减量显著提高玉米氮、磷、钾养分积累和转运及抽雄后氮、磷、钾养分积累所占比例，灌水减量增加抽雄后干物质积累及养分积累和转运。通过拟合发现，W1灌水水平下减氮到207.24 kg/hm2时也不会造成产量和养分积累量的大量减少，但对于水氮减量的最大值还需进一步深入研究。造成以上现象的原因：适宜或减少施氮量，平衡磷钾肥施用，可以显著提高籽粒对养分吸收及养分转运。不足或过量施氮则会因为加速穗叶叶绿素降低使叶片提前衰老，光合作用减弱而影响植株干物质和养分积累[34]。在不同灌水量下，养分积累随灌水量增大先增后降，可能是因为灌溉过量造成土壤耕层中养分的向下转移[35]，进而影响根系吸收养分，造成养分积累量减少。

4 结论

在关中平原灌区，在目前常规管理中灌水800 m3/hm2，施N量300 kg/hm2基础上，灌水减量50%、施氮减量25%时，夏玉米产量最高，且氮、磷、钾养分总积累量和转运量最高，并且氮素利用效率也保持较高水平。因此拔节期灌水量400 m3/hm2，总施N量225 kg/hm2可以作为关中平原夏玉米节水减氮的高效栽培方式。