水氮耦合对河套灌区密植春玉米产量及水分利用效率的影响

Effects of water and nitrogen coupling on the yield and water use efficiency of densely planted spring maize in Hetao irrigation area

摘要

为探究适于内蒙古河套灌区的玉米节水施肥优化模式，以密植型春玉米‘迪卡159’为试材，采用完全随机区组试验设计，通过设置5个灌溉定额510（W₁）、600（W₂）、690（W₃）、780（W₄）、870 mm（W₅）和3个氮肥梯度240（N₁）、300（N₂）、360 kg/hm²（N₃），共15个处理，测定不同水肥模式下玉米干物质积累量、籽粒产量、玉米耗水量及水分利用效率等指标，并通过相关性分析明确玉米籽粒产量与耗水量、水分利用效率之间的关系。结果表明：各处理在拔节期和灌浆期玉米干物质积累量均较大，分别占地上部干物质积累总量的22.94%和28.06%；随着灌水量的增加，玉米地上部总生物量及籽粒产量均以W₃最大，分别较W₁和W₂增加23.51%、16.17%和25.21%、22.91%，而N₂与N₃施氮量间无显著差异（P>0.05）；各处理在大喇叭口期和灌浆期玉米耗水量及水分利用效率均显著高于其他生育时期（P<0.05）；玉米耗水量在拔节期、抽雄期和成熟期均以W₄最高，在大喇叭口期以W₃最高，但其受氮肥梯度影响不显著（P>0.05）；在玉米各生育阶段，水分利用效率均以W₃N₃为最优；在全生育时期中，玉米籽粒产量、耗水量及水分利用效率均在W₃N₃达最大值，分别为17 792 kg/hm²、493.60 mm和51.46 kg/（hm²·mm）。因此，灌水量690 mm配施氮肥360 kg/hm²为内蒙古河套灌区密植春玉米高效生产适宜的水氮耦合方案。

Abstract

In order to explore the water-saving fertilization optimization mode suitable for spring maize in Hetao irrigation， Inner Mongolia， densely planted spring maize ‘Deca 159’ was taken as the test material. The dry matter accumulation and grain yield of maize were determined by setting five irrigation quotas of 510 （W₁）， 600 （W₂）， 690 （W₃）， 780 （W₄）， 870 mm （W₅） and three nitrogen gradients 240 （N₁）， 300 （N₂） and 360 kg/hm² （N₃），a total of 15 treatments. The relationship between maize grain yield and water consumption and water use efficiency was clarified through correlation analysis. The results showed that： The dry matter accumulation of maize in each treatment was large at the jointing period and the filling stage， accounting for 22.94% and 28.06% of the total dry matter accumulation on the ground， respectively. With the increase of irrigation rate， the aboveground total biomass and grain yield of maize were the largest in W₃， which increased by 23.51%， 16.17% and 25.21%， 22.91% compared with W₁ and W₂， respectively. There was no significant difference between N₂ and N₃ nitrogen application rates （P>0.05）. The water consumption and water use efficiency of maize in each treatment at the big bell period and filling stage were higher than those in other growth stages（P<0.05）. The water consumption of maize was the highest in W₄ at the jointing period， tasseling period and maturity stage， and the highest at W₃ at the big bell period， but it was not significantly affected by the nitrogen fertilizer gradient （P>0.05）. At different growth stages of maize， the water use efficiency was the best in W₃N₃ treatment. The grain yield， water consumption and water use efficiency of maize reached their maximum values in W₃N₃ during the whole growth period， which were 17 792 kg/hm²， 493.60 mm and 51.46 kg/（hm²·mm）， respectively. Therefore， the irrigation rate of 690 mm and nitrogen application rate of 360 kg/hm²， is more suitable for the efficient production of densely planted spring maize in Hetao irrigation area， Inner Mongolia.

Graphical abstract

关键词

滴灌 / 施氮 / 春玉米 / 水分利用效率

Key words

drip irrigation / nitrogen application / spring corn / water use efficiency

内蒙古河套灌区地处我国西北干旱半干旱地区，是黄河流域重要的粮食生产基地，承担着保障粮食安全与生态屏障的双重使命^［1］。然而，该区域降雨少、蒸散高^［2］，农业用水依赖有限的黄河水灌溉，水资源短缺已成为制约农业可持续发展的核心瓶颈^［3］。同时，农田氮肥投入量最高可达460 kg/hm²，远超作物对氮肥的利用率^［4］，过量氮肥也会造成土壤硝态氮累积、地下水污染等一系列环境问题^［5］。玉米作为河套灌区主栽作物，其种植面积占该区粮食作物的60%以上^［6］。近年来，随着水资源匮乏和氮素过度利用，导致玉米产量和水分利用效率降低，影响玉米高效生产^［7］；此外，该区域玉米种植密度由以往的5.0万~6.0万株/hm²提高到8.3万~10.5万株/hm^2［8］，从而使玉米植株间竞争激烈，耗水量增加，影响其生长和干物质积累，甚至因发生倒伏而出现减产现象^［9］。因此，探索水氮耦合效应对提高密植玉米产量和水分利用效率具有重要的现实意义。

水氮耦合是指水分与氮素之间通过相互影响和相互作用，共同对植物生长发育及水分、养分利用所产生的效应^［10］，其受土壤质地及作物种植密度等多方面因素影响，其中壤土的水氮协调能力最佳，保水保肥能力强，利于作物根系吸收养分，同时合理密植可增加冠层光能利用率和蒸腾效率，从而提高作物产量和水分利用效率^［11］；水氮耦合效应可促进作物水氮利用效率，减少资源浪费，同时稳定产量，实现高效优质生产^［12］。王家瑞^［13］通过分析水氮互作对玉米干物质积累量的影响发现，水氮添加对其干物质量的影响呈报酬递减规律，即随灌水量和施氮量的增加，干物质量呈增加趋势，但当水氮投入达到阈值后则趋于平缓。同时，当水氮配比低于阈值时，玉米田的水分利用效率低，增产效果不显著；高于阈值时，水氮互作增产效果显著^［14］。土壤水分直接参与作物的生长发育和代谢活动，影响其健康状况^［15］。宁东峰等^［16］研究表明，灌水量和施氮量可使玉米耗水量增加，且在大喇叭口期至灌浆期，耗水量达最大值，而成熟期则又显著降低。Qi等^［17］探讨河西走廊玉米田在不同水氮条件下水分利用效率的差异时发现，在相同灌溉条件下，水分利用效率随施氮量的增加而显著增加；在相同施氮量下，水分利用效率呈先增加后降低的趋势，最终得出高水中氮处理为提高水分利用效率及产量的最佳组合，这表明适宜的灌溉和施氮管理对玉米田水分利用效率和生产效益具有积极地调节作用。目前，关于内蒙古河套灌区玉米高密植情况下，水分利用效率与灌水量和施氮量的关系、玉米耗水量和水分利用效率与产量的关系的系统性研究鲜见报道。本研究通过设置不同灌溉定额和氮肥梯度，测定玉米干物质积累量、籽粒产量、耗水量及水分利用效率等指标，并通过回归分析与相关性分析明确各指标之间的关系，旨在筛选出内蒙古河套灌区密植春玉米生产适宜的灌水量和施氮量，以期为该地区玉米高效生产提供参考。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县沙金苏木温都尔毛道嘎查兴泰家庭农牧场（40°32′N，106°55′E，海拔1 047 m），属中温带大陆性季风气候，年日照时数超3 300 h，地下水埋深为10 m，2024年玉米整个生育时期内降雨量为147 mm（图1），平均气温为19.6 ℃，平均风速为7.15 m/s，年均无霜期为159 d。土壤类型为砂土，田间持水量为30.01 g/100 g，土壤pH为8.99，容重为1.51 g/cm³，电导率为0.35 mS/cm，含盐量为0.17 g/kg，有机碳含量为0.39 g/kg，全碳含量为1.59 g/kg，全氮含量为0.05 g/kg，硝态氮含量为7.81 mg/kg，铵态氮含量为2.56 mg/kg，速效磷含量为11.20 mg/kg，速效钾含量为71.08 mg/kg。

1.2　试验设计

试验采用双因素完全随机区组设计，以膜下滴灌方式进行灌溉，采用内镶式贴片滴灌带，其滴头流量为2.0 L/h，滴水间距为300 mm，每膜玉米设置1条滴灌带，将供试肥料溶于水中，随滴灌施肥，用水表计量灌水量，该地区常规灌水量为1 050 mm，常规施氮量（以纯N计，下同）为420 kg/hm²。设置5个灌溉定额510 （W₁）、600 （W₂）、690 （W₃）、780 （W₄）、870 mm（W₅）和3个氮肥梯度240 （N₁）、300 （N₂）、360 kg/hm²（N₃），共15个处理，每个处理重复3次，共45个小区，各小区长为33.3 m，宽为3.6 m，面积为120 m²，每个小区之间设置1.0 m的过道，周围布设0.5 m保护行。

供试玉米品种为‘迪卡159’，购自内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县种子公司，于2024年4月30日播种，9月24日收获。种植密度为6 800株/667 m²，按宽窄行进行种植，宽行间距为70 cm，窄行间距为40 cm，株距为14 cm。具体灌水方案和施肥方案见表1和表2。其他管理方式同当地大田。

1.3　测定项目及方法

1.3.1　玉米地上部干物质积累量

在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期，各小区选取有代表性的玉米5株，将其划分为根、茎、叶及穗并放至烘箱，在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，称取各器官干重^［18］，每个处理重复3次。

1.3.2　玉米耗水量和水分利用效率

在玉米播种前及播种后各小区随机选取3点，在2株玉米间采用便携式土壤水分测定仪（北京剑灵科技有限公司，Spectrum，TDR 350）每7 d测定1次0—20、>20—40 cm土层土壤水分含量，通过以下公式计算土壤贮水量、玉米耗水量及水分利用效率：

W=h×θ×10（1）

式中：W为土壤贮水量，mm；h为土层深度40 cm；θ为土壤体积含水率，%。

\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{i}}=P+(W_{{\mathrm{t}}_{\mathrm{1}}}-W_{{\mathrm{t}}_{\mathrm{2}}})+M+K（2）

式中：ET_i为不同生育时期玉米耗水量，mm；P为t₁—t₂时间段降雨量，mm；W_{{\mathrm{t}}_{\mathrm{1}}}为t₁时40 cm土壤贮水量，mm；W_{{\mathrm{t}}_{\mathrm{2}}}为t₂时40 cm土壤贮水量，mm；M为灌水量，mm；K为地下水补给量，mm。由于本试验地的地下水埋深为10 m，因此地下水补给量忽略不计。

WUE₁=Y/ET_i^[19]（3）

式中：WUE₁为玉米不同生育时期水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为不同生育时期玉米总干物质积累量，kg/hm²；ET_i为不同生育时期玉米耗水量，mm。

WUE₂=Y/ET（4）

式中：WUE₂为玉米全生育时期水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为玉米籽粒产量，kg/hm²；ET为全生育时期玉米耗水量，mm。

1.3.3　籽粒产量

在玉米成熟期每个小区选取长势均匀的3行各3 m，共 3.6 m²，统计穗数；另选取20穗玉米，测定每穗行数和列数，计算平均穗粒数；脱粒后随机选取100粒测定百粒重，取部分籽粒进行烘干，计算含水率，折算成含水率为14%的质量即为产量，每个处理重复3次^［20］。

1.4　数据处理

数据整理用Microsoft Excel 2021；应用SPSS Statistics 27.0进行双因素方差分析检验，随后利用LSD法进行多重比较（P＝0.05），检验显著性差异；采用回归分析和相关性分析评价玉米水分利用效率随灌水量和施氮量的变化趋势及玉米籽粒产量与耗水量和水分利用效率之间的相关性；应用Origin 2022进行作图。

2　结果与分析

2.1　水氮耦合对玉米生长发育的影响

2.1.1　玉米地上部干物质积累量

由图2可知，水氮耦合对玉米各生育时期地上部干物质积累量影响显著（P<0.05）。随着生育进程推进，各处理在拔节期和灌浆期玉米干物质积累较多，其平均积累量占玉米地上部干物质积累总量的22.94%和28.06%。随着灌水量的增加，玉米干物质积累在拔节期和成熟期均以灌水量870 mm（W₅）达最大值，分别为13 086和29 124 kg/hm²；在大喇叭口期、抽雄期和灌浆期则以灌水量690 mm（W₃）最大，分别为16 029、18 990和27 598 kg/hm²，但与780 mm（W₄）和870 mm（W₅）灌水量之间无显著差异（P>0.05）。在不同生育阶段，玉米干物质积累量随施氮量的增加而显著增加（P<0.05），相同灌溉定额下360 kg/hm²（N₃）的干物质积累量最高，但与300 kg/hm²（N₂）之间无显著差异（P>0.05）。玉米地上部总生物量以灌水量690 mm配施氮肥360 kg/hm²处理（W₃N₃）最高，为46 163 kg/hm²。

2.1.2　玉米籽粒产量

由图3可知，灌溉定额、氮肥梯度及水氮耦合对玉米籽粒产量均有显著影响（P<0.05）。在相同施氮量下，玉米籽粒产量以W₃最高，较510 mm（W₁）和600 mm（W₂）增加25.21%和22.91%（P<0.05），但与W₄和W₅均无显著差异（P>0.05）。在W₁灌溉定额下，N₃施氮量的玉米籽粒产量最高，为14 294 kg/hm²，分别较N₁和N₂增加4.54%和5.02%（P<0.05），随着灌水量的增加，W₂灌溉定额下3个氮肥梯度间的籽粒产量无显著差异（P>0.05），W₃、W₄和W₅灌溉定额下，N₃的玉米籽粒产量最高，但与N₂之间无显著差异（P>0.05）。综上，玉米籽粒产量以灌水量690 mm配施氮肥360 kg/hm²（W₃N₃）最优，其值为17 792 kg/hm²。

2.2　水氮耦合对玉米耗水量及水分利用效率的影响

由图4可知，灌溉定额及水氮耦合对不同生育时期玉米耗水量均有显著影响（P<0.05），但其受氮肥梯度影响不显著（P>0.05）。各处理在大喇叭口期和灌浆期，玉米耗水量显著高于其他生育时期（P<0.05）。在拔节期，W₅的玉米耗水量最高，分别为W₁、W₂、W₃和W₄的4.40、2.74、1.74和1.13倍；在大喇叭口期，W₃、W₄和W₅的玉米耗水量均分别较W₁和W₂增加91.95%、89.19%、99.11%和56.30%、54.05%、62.13%（P<0.05），但W₃、W₄和W₅之间无显著差异（P>0.05）；在抽雄期，W₄和W₅的玉米耗水量分别为W₁、W₂和W₃的2.44、2.50、1.78倍和2.76、2.84、1.13倍；在灌浆期、成熟期及全生育时期，玉米耗水量随灌水量的增加呈先增加后降低的变化趋势，其中灌溉定额690 mm（W₃）下玉米耗水量最高。

由图5可知，灌溉定额、氮肥梯度及水氮耦合对玉米不同生育时期水分利用效率（WUE）影响显著（P<0.05）。在相同施氮量下，水分利用效率随灌水量的增加而显著升高（P<0.05），在W₃下达最大值，当灌水量>690 mm时，WUE略有下降趋势；在相同灌水量下，WUE随施氮量的增加而增加，其中N₃的WUE最高。大喇叭口期和灌浆期玉米WUE相较于其他生育时期显著升高（P<0.05）。在全生育时期内，W₃、W₄的WUE均显著高于其他处理（P<0.05），较W₁和W₂分别增加31.87%、19.90%和23.92%、12.67%，W₅的水分利用效率最低，仅为38.97 kg/（hm²·mm）。可见，玉米水分利用效率以灌水量690 mm配合施氮量360 kg/hm²（W₃N₃）最大，为51.46 kg/（hm²·mm）。

2.3　水氮耦合对玉米水分利用特征影响的综合分析

由图6可知，玉米水分利用效率（WUE）随灌水量和施氮量的增加而逐渐升高，达到峰值后，灌水量与施氮量持续增加，水分利用效率将出现下降趋势。在相同灌水量下，N₂和N₃的WUE均显著高于N₁（P<0.05），但随着灌水量增加，WUE由N₃高于N₂变为N₂与N₃趋于相等。相同施氮量下，W₁和W₂的WUE均显著低于W₃、W₄和W₅（P<0.05），且W₃与W₄的WUE无显著差异（P>0.05），而W₅的WUE低于W₃和W₄。

由表3可知，玉米耗水量、水分利用效率与玉米干物质积累量、籽粒产量的相关性均存在差异。玉米百粒重、籽粒产量与耗水量均呈极显著正相关（P<0.01），相关系数（r）分别为0.631和0.596，而穗粒数、干物质积累量与玉米耗水量呈正相关，但未达到显著水平（P>0.05）；百粒重、干物质积累量及籽粒产量与水分利用效率呈极显著正相关（P<0.01），r分别为0.704、0.541、0.667；穗粒数与水分利用效率呈显著正相关（P<0.05）。表明水氮耦合效应可通过影响玉米耗水量和水分利用效率从而影响玉米籽粒产量。

3　讨 论

干物质是玉米生长过程中通过光合作用积累的有机物质，代表玉米对养分的捕获能力，决定玉米籽粒产量和品质^［21］。缺水缺氮显著抑制了玉米干物质积累，而在一定范围内，水分和氮素具有显著的交互效应，可促进玉米干物质量增加^［22-23］。郉换丽等^［24］研究发现，当灌水量和施氮量达到一定阈值时，会降低根系水势，同时合成大量脱落酸（ABA），引起气孔关闭，从而降低叶片光合性能，使干物质积累受到抑制。本试验中灌水量690 mm配合施氮量360 kg/hm²（W₃N₃）的玉米地上部干物质积累最佳，之后随灌水量的增加不再显著升高（图2），从而验证了上述观点。玉米在不同生育阶段对水分和氮素的敏感程度不同，因此，找到其敏感时期有助于实施限量灌水施肥^［25］。本研究结果表明，拔节期和灌浆期玉米干物质积累量较大，为灌水施肥的关键时期。

不同生育时期灌水对玉米耗水量的影响不同^［26］。本研究发现，在各生育时期内，随着灌水量的增加，玉米耗水量呈增加趋势，这与刘凡等^［27］的研究结果一致。氮肥施用量的变化对玉米耗水量影响不大，这可能是因为耗水量主要由气候和土壤持水性决定，而氮肥添加主要是促进玉米叶片和茎秆的生长，而非直接增加蒸腾耗水^［28］。此外，本研究中大喇叭口期和灌浆期玉米耗水量均高于其他生育时期（图4），其原因可能是玉米不同生育阶段的生长特点和生理需求不同，因此对水分和养分的响应存在差异，在大喇叭口期和灌浆期，玉米生长迅速，对水分和养分的需求较高，因此耗水量可能会相对较高^［29］。

水分利用效率是衡量作物产量与耗水量关系的指标^［30］。水氮合理配施可以提高水分利用效率和作物产量^［31］，水分可影响氮素在土壤和作物中的吸收、转化及利用^［32］，因此适量氮肥可通过促进作物生长，侧面反映对深层土壤水分的利用^［33］。本试验中，在全生育时期内，玉米水分利用效率随灌水量的增加呈先增后降的变化趋势（图5），这与张立勤等^［34］、蔡晓等^［35］的研究结果一致，而水分利用效率随施氮量的增加显著升高，这与尚文彬等^［36］的研究结果不一致，可能是由于氮肥可促进玉米根系生长，扩大根系延伸范围，从而增强对水分的吸收利用^［37］。本研究结果表明，当灌水量从510 mm（W₁）增加到690 mm（W₃）时，施氮量360 kg/hm²（N₃）的玉米籽粒产量最高，为17 792 kg/hm²，但与780（W₄）和870 mm（W₅）灌水量之间无显著差异（图3），其原因主要是水分和氮素与玉米产量并不是简单的线性关系，而是呈报酬递减规律，即水氮互作存在阈值，在阈值内玉米产量会随灌水量和施氮量的增加而增加，超过阈值，即使再增加灌水量和施氮量，增产效果也不再显著^［13］。

4　结 论

在不同水氮供应水平下，拔节期和灌浆期玉米干物质积累量分别占地上部干物质积累总量的22.94%和28.06%。各施氮梯度下，玉米地上部总生物量及籽粒产量均以灌水量690 mm（W₃）为最大。玉米耗水量在拔节期、抽雄期和成熟期均以灌水量780 mm（W₄）为最高，在大喇叭口期以690 mm（W₃）最高。对玉米各指标综合分析发现，灌水量690 mm配施氮肥360 kg/hm²（W₃N₃）的玉米水分利用效率、干物质积累量及籽粒产量均达最大值，分别为51.46 kg/（hm²·mm）、46 163 kg/hm²、17 792 kg/hm²。因此，灌水量690 mm配合施氮360 kg/hm²为内蒙古河套灌区密植春玉米高效生产适宜的水氮耦合方案。

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基金资助

内蒙古自治区2022年科技领军人才项目(2022LJRC0010)

内蒙古自治区农牧业创新基金(2025CXJJN01)

内蒙古自治区科技计划(2023YFHH0119)

内蒙古自治区科技计划(2025KYPT0006)