宁夏引黄灌区轻度盐渍地春玉米节水减氮优化策略

Optimization strategies of water-saving and nitrogen reduction for spring maize in mildly saline soils of Ningxia Yellow River irrigation area

摘要

为探究适于宁夏引黄灌区轻度盐碱地的玉米节水减氮优化策略，在该区域开展裂区试验。主区设4 500（传统灌水量，W₁）和3 600 m³/hm²（节水20%，W₂）2个灌水量，裂区设施氮量300（传统施氮量，N₁，以纯N计，下同），225（减氮25%，N₂），150（减氮50%，N₃）和0 kg/hm²（N₀）4个施氮量，测定土壤含水率、含盐量、硝态氮分布，以及玉米根系形态及伤流强度、地上部干物质积累量、根冠比、产量和水氮利用效率等指标的变化，并通过相关分析明确各指标之间的相关关系。结果表明：1）与W₁相比，W₂可显著提高吐丝期>40—60 cm土层的含水率（P<0.05）。W₂条件下，吐丝期>20—60 cm含水率随施氮量降低呈先升后降趋势，均以N₂最高，平均较N₀、N₁和N₃分别增加5.42%、4.50%和4.50%；吐丝期和成熟期0—20 cm土壤含盐量均随施氮量降低呈持续下降趋势，均以N₀最低，较N₁、N₂和N₃在2个时期的平均值分别降低9.19%、4.46%和0.98%；吐丝期和成熟期0—80 cm土壤硝态氮含量均呈持续下降趋势，N₁、N₂和N₃均显著高于N₀（P<0.05）。2）0—20和>40—80 cm土层中，W₂的玉米根长密度和根重密度较W₁分别增加23.35%和13.00%（P<0.05）；>40—80 cm土层中，W₂的根表面积密度较W₁增加19.45%（P<0.05）。吐丝期W₂的伤流强度较W₁提升17.81%（P<0.05）。W₂条件下，>40—80 cm土层根长密度、>20—80 cm土层根表面积密度和根重密度均随施氮量减小呈先升后降趋势，且以N₂最高，较N₀分别增加59.75%、53.08%和81.81%（P<0.05），较N₁分别增加56.54%、27.46%和55.28%（P<0.05），较N₃分别增加72.62%、18.51%和49.60%（P<0.05）。吐丝后50 d，N₂的伤流强度显著高于N₀、N₁和N₃（P<0.05）。3）W₂的水分利用效率较W₁高9.38%（P<0.05）。W₂的根冠比、穗粒数、千粒重、产量和水分利用效率均随施氮量减少呈先升后降趋势，均以N₂最高，较N₀分别增加50.36%、7.06%、15.04%、19.00%和17.55%，较N₁分别增加11.01%、5.23%、2.85%、1.73%和2.01%，较N₃分别增加47.42%、6.97%、11.22%、16.64%和15.53%；氮肥的农学效率也均随施氮量减少呈先升后降趋势，以N₂最高，较N₁和N₃分别增加49.64%和659.40%。4）含盐量与产量呈显著负相关（P<0.05），硝态氮、根长密度、根重密度、伤流强度、地上部干物质积累量、根冠比、穗粒数和千粒重均与产量呈极显著正相关（P<0.01）。综上，在宁夏引黄灌区轻度盐碱地春玉米生产中，节水20%的灌水量（3 600 m³/hm²）配合减氮25%的施氮量（225 kg/hm²）模式（W₂N₂）是节水减氮的最优组合。

Abstract

To investigate the optimal water-saving and nitrogen reduction strategy for maize cultivation in mildly saline-alkali soils of Ningxia Yellow River irrigation area， a split-plot experiment was conducted in this region. The main plots were assigned to two irrigation amounts： 4 500 （conventional irrigation， W₁） and 3 600 m³/hm² （20% water saving， W₂）. The sub-plots were assigned to four nitrogen application rates： 300 （conventional nitrogen， N₁， calculated as pure N， same below）， 225 （25% nitrogen reduction， N₂）， 150 （50% nitrogen reduction， N₃）， and 0 kg/hm² （N₀）. Soil moisture content， salt content， nitrate-nitrogen distribution， maize root morphology， bleeding intensity， aboveground dry matter accumulation， root-shoot ratio， yield， and water-and nitrogen-use efficiencies were measured. Correlation analysis was performed to explore the relationships among these indicators. The results indicated that： 1） Compared with W₁， W₂ treatment significantly increased soil moisture content in the >40-60 cm soil layer at the silking stage （P<0.05）. Under the W₂ condition， the soil moisture content in the >20-60 cm layer at the silking stage first increased and then decreased with decreasing nitrogen application rate， with the highest value in N₂， which was 5.42%， 4.50% and 4.50% higher than that in N₀， N₁ and N₃， respectively. During the silking stage and maturity stage， the soil salt content in the 0-20 cm layer both showed a continuous decreasing trend with the decreasing nitrogen application rate； N₀ had the lowest value， which was 9.19%， 4.46%， and 0.98% lower than the two-stage average values of in N₁， N₂， and N₃， respectively. The soil nitrate nitrogen content in the 0-80 cm layer also showed a continuous decreasing trend during the silking stage and maturity stage， and the values in N₁， N₂， and N₃ were significantly higher than those in N₀ （P<0.05）. 2） In the 0-20 and >40-80 cm soil layers， the root length density and root weight density of maize under the W₂ treatment increased by 23.35% and 13.00%， respectively， compared with those under W₁ （P < 0.05）. In the >40 - 80 cm layer， the root surface area density under W₂ was 19.45% higher than under W₁ （P < 0.05）. At the silking stage， the bleeding intensity under W₂ increased by 17.81% compared with that under W₁ （P < 0.05）.Under W₂ condition， the root length density in >40-80 cm layer， as well as the root surface area density and root weight density in >20-80 cm all first increased and then decreased with decreasing nitrogen application rate. These three parameters all reached their maximum values under N₂.Compared with N₀， N₂ increased these three parameters by 59.75%， 53.08%， and 81.81% （P<0.05）， respectively； compared with N₁， by 56.54%， 27.46%， and 55.28% （P<0.05）； and compared with N₃， by 72.62%， 18.51%， and 49.60% （P<0.05）， respectively. At 50 d after silking， the bleeding intensity in N₂ was significantly higher than that in N₀， N₁， and N₃（P<0.05）. 3） The water use efficiency under W₂ was 9.38% higher than that under W₁ （P<0.05）. Under W₂ condition， the root-shoot ratio， kernel number per ear， 1 000-kernel weight， yield， and water use efficiency all first increased and then decreased with decreasing nitrogen application rate， with N₂ showing the highest values. Compared with N₀， N₂ increased these five parameters by 50.36%， 7.06%， 15.04%， 19.00%， and 17.55%， respectively； compared with N₁， the increases were 11.01%， 5.23%， 2.85%， 1.73%， and 2.01%， respectively； and compared with N₃， the increases were 47.42%， 6.97%， 11.22%， 16.64%， and 15.53%， respectively. The agronomic efficiency of nitrogen fertilizer also first increased and then decreased with decreasing nitrogen application rate， reaching its highest value under N₂， which was 49.64% and 659.40% higher than that in N₁ and N₃， respectively. 4） Soil salt content was significantly negatively correlated with yield （P<0.05）. In contrast， nitrate-nitrogen distribution， root length density， root weight density， bleeding intensity， aboveground dry matter accumulation， root-shoot ratio， kernels per ear， and 1 000-kernel weight were all highly significantly positively correlated with yield （P<0.01）. In summary， for spring maize production in mildly saline-alkali soils of the Ningxia Yellow River irrigation area， the combination of a 20% water-saving irrigation amount （3 600 m³/hm²） with a 25% nitrogen reduction rate （225 kg/hm²）， designated as W₂N₂， represents the optimal water-and nitrogen-saving strategy.

Graphical abstract

关键词

水氮调控 / 春玉米 / 根系 / 干物质积累量 / 根-冠生长 / 产量

Key words

water and nitrogen regulation / spring maize / root system / dry matter accumulation / root-shoot growth / yield

引黄灌区是宁夏玉米高产优质的核心产区^［1］，该区域独特的光热资源和灌溉条件使玉米成为种植面积最大的作物^［2］。然而，受干旱少雨、蒸发强烈等自然因素以及灌排不协调、渠道渗漏等人为因素影响，盐渍化面积占耕地总面积的30%^［3］，其中轻度盐渍土壤占盐渍化总面积的23%^［4］。土壤盐渍化可引发玉米根系生长受阻、根系活力降低、地上部干物质积累受抑制等问题，严重制约玉米产量提升^［5］。当前，该区域盐渍土壤的改良主要采用物理、化学和生物等措施^［6］，通过定向调控土壤盐分运移，降低耕层土壤含盐量，改善作物生长环境^［7］。面对灌区农业灌溉水量锐减的严峻挑战，亟需构建以节水灌溉为核心的技术体系，破解土壤盐渍化引发的氮肥利用效率低下的难题^［8］。作为关键栽培调控手段，水氮耦合管理技术需进一步突破^［9］，通过发展高效节水减氮模式，在保障玉米产量的同时实现水氮资源的高效利用^［10］。因此，在宁夏引黄灌区盐渍土壤条件下，探索水氮优化供应模式可为破解“节水-减氮-增产”矛盾提供技术抓手，对于构建黄河流域生态保护和农业高质量发展的协同机制，保障区域粮食安全和资源可持续利用具有重要意义。

水分和氮素作为调控作物生长的核心要素^［9］，其协同效应深刻影响着土壤环境-根系发育-产量形成的互动关系^［11］。既有研究从水氮耦合的双向调控角度，系统揭示了适宜水氮供应对优化土壤水盐运移、改善作物根冠生长环境及提升产量的作用机理^［12］，同时也指出了水氮失衡可能引发的负面效应^［13］。适宜的水氮协同管理可构建良性循环，合理灌水通过溶解效应促进土壤氮素硝化作用，补充盐渍土壤因高渗透压导致的水分亏缺，形成根际适宜的水盐梯度^［14］；氮素优化供给则可显著增强根系形态建成，扩大水分养分吸收区域，促进地上部生物量积累^［15-16］。这种正向反馈可显著改善根际微环境，协调根冠生长节奏，最终实现产量提升^［17-18］。反之，水氮失衡将导致多重负面效应。水分亏缺会使土壤有机质矿化进程受阻，有效养分释放量减少；同时水分迁移速率降低可导致养分扩散受限，根系生长受抑，氮肥利用效率显著下降^［19］；过度灌溉则加速了耕层硝酸盐淋溶，并抬升了地下水位，加剧表层土壤盐分积聚，形成“水多盐重-根层恶化”的恶性循环^［20］。在氮素管理层面，施氮不足直接削弱了根系发育能力，降低了水肥吸收效能^［21］；过量施氮则可通过提高土壤溶液渗透压产生生理干旱效应，同时加剧盐渍化风险^［22］。现有研究已从不同维度验证了水氮互作的调控效应。在盐渍化土壤中，适宜水氮配比可有效调节耕层水盐动态，优化玉米根系构型及活性，形成“以水调盐、以氮促根”的协同增效机制^［23］。在非盐渍土壤条件下，水氮耦合则主要通过塑造根系形态多样性、提升碳氮代谢效率来增强地上部干物质生产能力^［24］。这些成果为构建盐渍土区“水-氮-盐-产”协同调控技术体系提供了重要理论支撑。然而，现有研究多聚焦于水氮调控对盐渍化土壤环境改良和玉米地上部生长的响应机制^{［17， 23］}，或非盐渍土壤中玉米根系形态建成和氮素吸收的互作关系^［11］。目前针对宁夏引黄灌区典型盐渍土壤条件下水氮互作对玉米根系形态、活力和地上部生长的协同关系的研究鲜见报道。本研究以宁夏引黄灌区主栽玉米品种‘先玉1225’为材料，采用田间裂区试验，设置传统灌水量（4 500 m³/hm²）和节水20%（3 600 m³/hm²）2个灌水量，以及传统施氮量（300 kg/hm²），减氮25%（225 kg/hm²），减氮50%（150 kg/hm²）和不施氮（0 kg/hm²）4个施氮量，测定土壤含水率、含盐量、硝态氮分布、玉米根系形态和伤流强度、地上部干物质积累、根冠比、产量和水氮利用效率等指标的变化，并分析各指标间的相关关系，旨在探究适于宁夏引黄灌区轻度盐碱地的玉米节水减氮优化策略，以期为该区域玉米高产高效栽培提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于2024年4—10月在宁夏石嘴山市惠农区星火村农业科技试验示范基地（39°10′ N、106°80′ E，海拔1 093 m）进行。该地区属于暖温带大陆性季风型气候，多年平均气温8.91℃，降雨量178.50 mm，日照时数3 083.65 h，无霜期153 d。试验地土壤类型为灰钙土，耕层（0—20 cm）土壤基本化学性质为有机质含量16.54 g/kg，全氮含量1.75 g/kg，碱解氮含量54.53 mg/kg，有效磷含量53.35 mg/kg，速效钾含量204.43 mg/kg，pH 8.36，全盐含量2.38 g/kg。试验期间气象数据见图1。

1.2　试验设计及田间管理

试验以该区域主栽玉米品种‘先玉1225’为材料，在宁夏引黄灌区盐碱地开展裂区试验。主区设4 500（传统灌水量，W₁）和3 600 m³/hm²（节水20%，W₂）2个灌水量，裂区设施氮量300（传统施氮量，N₁），225（减氮25%，N₂），150（减氮50%，N₃）和0 kg/hm²（不施氮，N₀）4个施氮量。共计8个处理，3次重复，小区面积为44 m²（4.4 m×10.0 m）。2024年4月23日播种，9月24日收获。玉米采用宽窄行种植，窄行40 cm、宽行70 cm，种植密度90 000株/hm²。试验地统一施用过磷酸钙 1 500 kg/hm²（P₂O₅≥12 g/100 g）和硫酸钾173 kg/hm²（K₂O≥52 g/100 g），播前结合整地深施。氮肥为尿素（N≥46 g/100 g），按各处理纯氮用量折算后，通过滴灌系统随水施入，具体灌水和施氮量见表1。头年冬灌按当地传统漫灌方式进行。传统灌溉和节水灌溉均采用无膜滴灌，实现水肥一体化滴灌施肥，每两行玉米于窄行铺设滴灌带（主管道75 mm软管，滴灌带管径16 mm，滴头间距30 cm）。其他管理措施同当地常规大田。

1.3　测定项目及方法

1.3.1　土壤含水率和水分利用效率

在玉米吐丝期（R₁）和成熟期（R₆）分别采集0—80 cm土层的土壤样品，每20 cm一层。采集的土样置于自封袋中，带回实验室用烘干法^［25］测定土壤含水率。此外，在玉米播种前和收获后分别测定0—80 cm土层的土壤含水率，同样每20 cm一层，并采用环刀法^［25］测定土壤容重。

0—80 cm土层的土壤贮水量、玉米生育期耗水量和水分利用效率的计算公式如下^［25］：

\mathrm{S}\mathrm{W}\mathrm{S}=H\times C\times \mathrm{S}\mathrm{M}\mathrm{C}\times \mathrm{10}

式中：SWS为土壤贮水量，mm；H为土层深度，cm；C为土壤容重，g/cm³；SMC为土壤含水率，%；10为cm换算mm的系数。

\mathrm{E}\mathrm{T}=P+I+\mathrm{S}\mathrm{W}{\mathrm{S}}_{\mathrm{1}}-\mathrm{S}\mathrm{W}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}

式中：ET为玉米生育期耗水量，mm；P为玉米生育期降水量，mm；I为灌水量，mm；SWS₁为玉米播种前土壤贮水量，mm；SWS₂为玉米收获后土壤贮水量，mm。

\mathrm{W}\mathrm{U}\mathrm{E}=Y/\mathrm{E}\mathrm{T}

式中：WUE为水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为玉米籽粒产量，kg/hm²；ET为玉米生育期耗水量，mm。

1.3.2　土壤含盐量

在玉米R₁和R₆期分别测定0—80 cm土层土壤含盐量变化，每20 cm一层，将自封袋剩余土样置于干燥室干燥托盘上，压碎并剔除杂质，风干后将样品研磨，全部过1 mm孔筛，按1∶5的土水比提取土壤溶液的上清液，用DDS-307A电导率仪（上海雷磁公司）测定土壤电导率（EC），mS/cm；并计算土壤含盐量（SSC），g/kg。计算公式如下^［25］：

土壤含盐量=\mathrm{E}\mathrm{C}\times \mathrm{3.877}\mathrm{7}-\mathrm{0.104}\mathrm{6}。

1.3.3　土壤硝态氮含量

在玉米R₁和R₆期分别测定0—80 cm土层土壤硝态氮含量变化，每20 cm一层，采用紫外分光光度计法^［26］测定不同土层硝态氮含量。

1.3.4　根系形态

在玉米R₁期选取3株长势一致并且位置相邻的植株，贴近地面切割，用直径为3.80 cm的根钻，在植株基部中心、1/2株间处、1/2窄行处、1/2宽行处垂直取根，每20 cm一层，深度为80 cm。土钻取样后，装入塑料袋，带回实验室，对各土层根系进行挑选和清洗，用利用STD-4800根系扫描仪（Regent Instrument，Canada）结合WinRHIZO根系分析系统得到根长和根表面积，分析后用烘干法^［27］测定根系干重，并计算根长密度、根表面积密度和根重密度。

1.3.5　根系伤流强度

在玉米大喇叭口期（V₁₂）、吐丝期（R₁）、吐丝后15 d（R₁15）、吐丝后30 d（R₁30）、吐丝后50 d（R₁50），每个小区选取长势一致的玉米3株，用清洗干净的干燥刀片从玉米基部20 cm处剪断，套上装有脱脂棉的自封袋（重量W₁），让脱脂棉贴紧切口，用橡皮筋扎紧袋口，记录收集所用时间（t），收集后称重（W₂），重量差值（W₂-W₁）即为伤流量，再计算伤流强度（RBI）^［28］，g/h。公式如下：

\mathrm{R}\mathrm{B}\mathrm{I}=(W_{\mathrm{2}}-W_{\mathrm{1}})/t。

1.3.6　地上部干物质积累量

在玉米V₆、V₁₂、R₁、R₁50和R₆时期进行取样，每小区选取长势一致的玉米3株，将玉米植株茎、叶、鞘、穗各器官分开，后于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，测定各器官干物质积累量，并计算根冠比^［20］。

1.3.7　产量及产量构成因素

在玉米成熟期，每个小区选取中间3行玉米进行实收测产，记录总穗数和总籽粒重量，籽粒含水率按14%折算成单位面积籽粒产量，kg/hm²。根据实收测产的总穗数和收获面积计算单位面积有效穗数，万穗/hm²。同时，依据小区平均穗数，从每个小区随机选取10个代表性果穗，自然风干后进行室内考种，测定穗粒数（每穗平均粒数）和千粒重。

1.3.8　植物氮肥吸收利用效率

植株样品采集后，经105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，然后用凯氏定氮法^［25］测定植株全氮含量。

氮素吸收效率=地上部氮素积累量/施氮量×100%；

氮肥利用效率=（施氮区地上部氮素积累量-对照区地上部氮素积累量）/施氮量×100%；

氮肥农学效率=（施氮区籽粒产量-未施氮区籽粒产量）/施氮量；

氮肥偏生产力=施氮区籽粒产量/施氮量。

1.4　数据分析

用Microsoft Excel 2016 进行数据整理，用SPSS 23.0进行数据分析，利用LSD进行差异显著性检验，Origin 2024作图。

2　结果与分析

2.1　水氮调控对盐渍土壤含水率、含盐量及硝态氮分布的影响

2.1.1　土壤含水率

由图2可知，各处理因素对土壤含水率的影响具有显著的时空异质性。吐丝期，施氮量显著影响土壤含水率（P<0.05）；成熟期，灌水量显著影响土壤含水率（P<0.05）。与传统灌水量4 500 m³/hm²（W₁）相比，节水20%灌水量3 600 m³/hm²（W₂）在吐丝期提升了>40—60 cm土层含水率（P<0.05），平均增加4.80%；在成熟期，W₂降低了0—60 cm土层含水率（P<0.05），平均降低3.27%。在W₂条件下，与传统施氮量300 kg/hm²（N₁）相比，随着氮肥施用量的降低在吐丝期>20—60 cm土层的含水率呈先升再降的趋势，减氮25%处理（施氮量225 kg/hm²，N₂）最高，较N₁处理平均增加4.50%，但未达到显著水平。可见，W₂有利于提高吐丝期>40—60 cm土层的土壤含水率；与N₁相比，N₂可提高吐丝期>20—60 cm土层的土壤含水率；节水20%灌水量（3 600 m³/hm²）配合减氮25%的施氮量（225 kg/hm²）模式（W₂N₂）的吐丝期>40—60 cm土层土壤含水率为最高。

2.1.2　土壤含盐量

由图3可知，吐丝期施氮量极显著影响土壤含盐量（P<0.01），水氮交互效应显著影响土壤含盐量（P<0.05）。与W₁相比，W₂可降低吐丝期和成熟期0—20 cm土层的土壤含盐量（P<0.05），分别降低3.46%和4.95%；吐丝期和成熟期>20—40 cm土层的土壤含盐量也降低了，但差异不显著；吐丝期和成熟期>40—80 cm土层的含土壤盐量分别增加1.81%和1.46%。在W₂条件下，随氮素用量的减少，吐丝期和成熟期0—20 cm和>20—40 cm土层的土壤含盐量均呈降低趋势，均以N₀最低，较N₁分别低5.32%和6.26%；N₂较N₁的吐丝期和成熟期分别降低5.54%和3.66%，且0—20 cm土层土壤含盐量均显著低于N₁（P<0.05）；吐丝期>40—80 cm土层的土壤含盐量随施氮量降低呈升高趋势，以N₀最高，成熟期各施氮处理间无显著差异。表明W₂可显著降低吐丝期和成熟期0—20 cm土层土壤的含盐量；与N₁相比，N₀可显著降低吐丝期和成熟期0—20 cm土层土壤的含盐量，以节水灌量（3 600 m³/hm²）配合不施氮肥模式（W₂N₀）的0—20 cm土层土壤含盐量为最低。

2.1.3　土壤硝态氮

由图4可知，施氮量对吐丝期和成熟期的硝态氮含量均有极显著影响（P<0.01），而灌水量及水氮互作对硝态氮含量的影响均不显著。与W₁相比，W₂可使吐丝期0—80 cm土层硝态氮含量增加4.49%，成熟期增加0.51%。在W₂条件下，随施氮量降低，吐丝期和成熟期的0—40 cm土层硝态氮含量均呈降低趋势。其中，N₁含量最高，但与N₂差异不显著；吐丝期和成熟期，N₂较N₁分别降低4.60%和3.19%。施氮量变化对>40—80 cm土层硝态氮含量无显著影响。W₂可提高吐丝期和成熟期各土层的硝态氮含量，但与W₁无显著差异；N₂处理下2个时期的土壤硝态氮含量与N₁均无显著差异。土壤硝态氮含量以传统灌水量4 500 m³/hm²配合传统施氮量300 kg/hm²（W₁N₁）最高，但与W₂N₂无显著差异。

2.2　水氮调控对盐渍土壤玉米根系形态及伤流强度的影响

2.2.1　根长密度

由图5可知，施氮量对吐丝期根长密度有极显著影响（P<0.01），水氮互作对根长密度具有显著的影响（P<0.05）。相较于W₁，W₂的0—20 cm和>40—80 cm土层根长密度分别增加2.25%和34.09%（P<0.05）。在W₂条件下，0—40 cm土层根长密度随施氮量降低而下降，以N₁最高；>40—80 cm土层则表现为先升后降趋势，N₂较N₁增加56.54%（P<0.05）。W₂可显著提高吐丝期0—20 cm和>40—80 cm土层土壤根系生长；与N₁相比，N₂可显著提高>40—80 cm土层的根系分布，以W₂N₂的>40—80 cm土层的根长密度为最高。

2.2.2　根表面积密度

由图6可知，施氮量对根表面积密度具有极显著调控作用（P<0.01）。相较于W₁，W₂促进了>40—80 cm土层根系发育（P<0.05），根表面积密度增加19.45%，但对0—40 cm土层根系分布未产生显著改变。W₂条件下，施氮量变化可引发根系空间重构。0—20 cm土层的根表面积密度随施氮量的降低呈下降趋势，以N₁最高；>20—80 cm土层土壤的根表面积密度随施氮量的降低呈现先升后降趋势，N₂处理最高，较N₁升高27.46%。可见，W₂N₂的>40—80 cm土层的根表面积密度最高。

2.2.3　根重密度

由图7可知，施氮量对根重密度有极显著调控作用（P<0.01）。相较于W₁，W₂的0—20 cm和>40—80 cm土层的根重密度分别升高3.19%和22.81%。在W₂条件下，随着施氮量的降低，0—20 cm土层的根重密度呈降低趋势，以N₁最高；>20—80 cm土层呈先升后降低趋势，以N₂最高，较N₁平均升高55.28%。W₂可显著提升0—20 cm和>40—80 cm土层中根重密度，与N₁相比，N₂可显著提升>20—80 cm土层的根重密度，以W₂N₂模式的>40—80 cm土层根重密度为最高。

2.2.4　根系伤流强度

由图8可知，施氮量对根系伤流强度有极显著调控效应（P<0.01），水氮互作对根系伤流强度具有显著影响（P<0.05）。W₂吐丝期（R₁）根系伤流强度较W₁平均升高17.81%（P<0.05）。施氮量变化也显著影响根系伤流强度。大喇叭口期（V₁₂）-吐丝期（R₁），根系伤流强度随施氮量降低呈持续下降趋势，N₀最低，较N₁平均降幅为16.82%~43.56%；吐丝后15 d（R₁15）-吐丝后50 d（R₁50），根系伤流强度随施氮量降低呈先升后降趋势，N₂均最高，较N₁处理在吐丝后15 d（R₁15）、吐丝后30 d（R₁30）和吐丝后50 d（R₁50）分别提升6.01%、4.73%和171.4%。R₁50的N₂根系伤流强度均显著高于N₀、N₁和N₃（P<0.05）。W₂吐丝期（R₁）根系伤流强度均显著高于W₁；N₂可提升R₁50伤流强度，但与N₁无显著差异，以W₂N₂吐丝后50 d（R₁50）根系伤流强度为最高。

2.3　水氮调控对盐渍土壤玉米地上部干物质积累量的影响

由图9可知，施氮量极显著影响地上部干物质积累量（P<0.01），而水氮互作对地上部干物质积累量有显著影响（P<0.05）。在W₂条件下，随着施氮量的降低，从拔节期（V₆）-吐丝期（R₁）地上部干物质积累量呈降低趋势，以N₀最低，较N₁的拔节期（V₆）、大喇叭口期（V₁₂）和吐丝期（R₁）分别低6.88%、20.93%和15.73%，且N₂和N₁无显著差异。吐丝后50 d（R₁50）和成熟期（R₆）地上部干物质积累量随施氮量的降低呈先升后降趋势，N₂最高，较传统施氮量（N₁）在吐丝后50 d（R₁50）和成熟期（R₆）分别增加3.68%和1.51%。综上，W₁N₂在吐丝后50 d（R₁50）和成熟期（R₆）地上部干物质积累量最高，W₁N₁在拔节期（V₆）-吐丝期（R₁）地上部干物质积累量最高。

2.4　水氮调控对盐渍土壤玉米根冠比的影响

由图10可知，施氮量处理对吐丝期玉米根冠比有极显著影响（P<0.01），灌水量和水氮互作对根冠比的影响未达显著水平。不同施氮处理可显著影响吐丝期玉米根冠比，在W₂条件下，随着施氮量的减少，根冠比呈先升后降趋势，以N₂最高，较N₁高1.10%。各水氮组合中，以W₂N₂的根冠比最高（0.181），较W₁N₁（0.177）高7.60%。

2.5　水氮调控对盐渍土壤玉米产量及产量构成因素的影响

由表2可知，施氮量对玉米穗粒数、千粒重和产量均具有极显著影响（P<0.01），对单位面积穗数的影响不显著；而灌水量和水氮互作对产量及产量构成因素均无显著影响。W₂产量比W₁低2.78%。2种灌溉量模式下，穗粒数、千粒重和产量均随施氮量降低呈现出先升后降的变化趋势，均以N₂为最高。与N₁相比，W₁条件下N₂处理穗粒数、千粒重和产量分别升高5.08%、0.70%和0.16%；W₂条件下则分别升高5.23%、2.86%和1.73%。相比较W₁N₁，W₂N₂的产量（17 316.81 kg/hm²）升高2.18%，但灌水量主效应及水氮互作效应均不显著。

2.6　水氮调控对盐渍土壤玉米水氮利用效率的影响

由表3可知，施氮量对水分利用效率、氮素吸收效率、氮肥利用效率和氮肥偏生产力均有极显著影响（P<0.01），并显著影响氮肥农学效率（P<0.05）；灌水量显著影响水分利用效率（P<0.05）。W₂处理水分利用效率比W₁增加8.14%（P<0.05）。W₁和W₂的水分利用效率、氮肥利用效率和氮肥农学效率均随施氮量的降低呈先升后降趋势，且均在N₂处理达到最高。与N₁相比，W₁模式下N₂处理的上述3个指标分别升高5.48%、37.77%和36.27%（P<0.05）；W₂模式下分别升高2.78%、40.90%和49.57%。氮素吸收效率和氮肥偏生产力均随施氮量降低而持续升高，在N₃处理达到最高。与N₁相比，W₁的N₂氮素吸收效率和氮肥偏生产力分别增加34.45%和33.58%（P<0.05）；W₂模式下则分别增加35.20%和35.64%（P<0.05）。N₂可提升氮肥利用效率和氮肥农学效率，但与N₁差异不显著；N₃的氮素吸收效率和氮肥偏生产力均显著高于N₁。综上，W₂N₂模式的水分利用效率和氮肥农学效率均为最高，氮素吸收效率和氮肥偏生产力均以W₁N₃最高，W₁N₂模式的氮肥利用效率最高。

2.7　水氮调控对盐渍土壤玉米产量提升的相关分析

由图11可知，土壤含水率、含盐量、硝态氮、根系形态及伤流强度、地上部干物质积累量、根冠比、产量及产量构成因素之间均存在显著相关。土壤含盐量与土壤含水率呈显著负相关（P<0.05），根长密度、根表面积密度、根重密度均与土壤含水率呈显著正相关（P<0.05），根冠比、穗粒数与土壤含水率呈极显著正相关（P<0.01）。根长密度、地上部干物质积累量、穗粒数、千粒重均与土壤含盐量呈极显著负相关（P<0.01），硝态氮、根重密度、根冠比、产量均与土壤含盐量呈显著负相关（P<0.05）。根长密度、根表面积密度、根重密度、伤流强度、地上部干物质积累量、根冠比、穗粒数、千粒重、最终产量均与土壤硝态氮含量呈极显著正相关（P<0.01）。

根表面积密度、根重密度、伤流强度、干物质积累量、根冠比、穗粒数、千粒重、产量均与根长密度呈极显著正相关（P<0.01）。根重密度、伤流强度、地上部干物质积累量、穗粒数均与根表面积密度呈极显著正相关（P<0.01），根冠比、单位面积穗数、千粒重均与根表面积密度呈显著正相关（P<0.05）。伤流强度、地上部干物质积累量、根冠比、穗粒数、千粒重、产量均与根重密度呈极显著正相关（P<0.01）。地上部干物质积累量、根冠比、产量均与伤流强度呈极显著正相关（P<0.01），穗粒数、千粒重与伤流强度呈显著正相关（P<0.05）。

根冠比、穗粒数、千粒重、产量均与地上部干物质积累量呈极显著正相关（P<0.01）。根冠比与产量呈极显著正相关（P<0.01），与穗粒数和千粒重呈显著正相关（P<0.05）。穗粒数、千粒重均与产量呈极显著正相关（P<0.01）。

3　讨 论

3.1　水氮优化协同调控盐渍土壤含水率、含盐量及硝态氮分布

适宜灌水通过淋洗脱盐可缓解盐分对作物根系的胁迫^［29］，而合理施氮有助于提高水分利用效率并减少硝态氮淋失^［30］。本研究发现，吐丝期和成熟期，节水20%灌溉量配合减氮25%的施氮处理（W₂N₂）的0—20 cm耕层土壤含盐量均显著低于传统灌水量4 500 m³/hm²配合传统施氮量300 kg/hm²（W₁N₁）模式。W₂N₂可提高吐丝期>40—60 cm土壤的含水率，降低吐丝期和成熟期0—80 cm土层的土壤硝态氮含量，但与W₁N₁无显著差异，该结果与陈宣伊等^［14］研究结论一致。适度节水可减少表层土壤的湿润时长和无效蒸发，有助于抑制盐分随毛管水向上的迁移，从而降低了耕层盐分的积累^［31］。节水处理可能减缓了水分的垂直下渗，减少了硝态氮向土壤深层淋溶损失，使其更多保留在作物根区^［29］。水分条件的优化可能改善了土壤通气性，促进了有机氮的矿化和硝化进程，从而提升了土壤氮素的有效性^［32］。尽管减氮25%的施氮量处理（225 kg/hm²，N₂）降低了外源氮素投入，但节水灌溉可促进水分与氮素在根区分布，增强了根系吸收的能力，从而补偿了氮素供应不足^［10］。综上，水氮协同管理可改善根区的水盐氮环境。

3.2　水氮互作驱动根系形态及生理活性的空间重构

根系形态和伤流强度是反映根系生理功能的重要指标^［33-34］。本研究中，与W₁N₁相比，W₂N₂可显著提升吐丝期>40—80 cm土层的根长密度、根表面积密度和根重密度，增幅分别达109.4%、74.4%和109.0%，同时吐丝后50 d（R₁50）的伤流强度升高137.50%，表明该水氮组合可有效促进深层根系的形态建成和生理活性。其内在机制主要在于水分和氮素在空间上的协同调控。节水20%的灌溉量处理（W₂）可提高吐丝期>40—60 cm土层含水率，并稳定>60—80 cm土层水分状况，在一定程度上稀释了深层土壤含盐量，形成有利于根系下扎的低盐富水生态位^［35］；减氮25%的施氮处理（N₂）虽降低了耕层氮素供应，但在节水条件下减少了氮素淋失，提高了深层土壤中残留硝态氮的有效性，从而诱导根系向深层延伸以获取氮素资源^［36］。本研究还发现，相同灌水条件下，0—40 cm耕层的根系形态指标随施氮量减少而降低，而>40—80 cm土层的根系形态指标则呈先升后降趋势，以N₂最优，说明适度水氮调控重构了根系垂直分布，推动根系从“表层密集型”向“深层拓展型”转变^［37］。由此可见，这种由水氮优化驱动的根系空间重构，是作物对根区资源空间分布不均的一种高效适应策略^［33］。深层根系的建成保障了中后期水分和养分的持续供给^［21］，而同步提升的伤流强度则说明根系的生理代谢与运输能力的提升^［28］。二者协同，共同促进了花后干物质向生殖器官的高效分配和根冠比的优化^［38］，从而为产量提升奠定了坚实的结构和功能基础^［39］。因此，在轻度盐渍地，适度的水氮调控通过激发根系空间可塑性和生理功能补偿，实现了从根系到冠层的高效协同。

3.3　水氮协同提升产量及水氮利用效率的生理生态基础

水分和氮素作为作物生长发育的关键因素^［40］，其运移规律和交互作用直接影响产量及产量构成^［41-42］，同时影响水氮利用效率^［33］。本研究发现，相较于W₁N₁，W₂N₂可通过调控水-氮-盐动态平衡使玉米产量和水分利用效率分别提升2.18%和8.14%。在节水20%的灌溉量处理（W₂）下，随着施氮量降低，穗粒数、千粒重和产量均呈现先增后减的趋势，水分利用效率、氮肥利用效率和氮肥农学效率亦遵循此规律，这与柳腾飞等^［36］，黄兵喜^［43］，侯艳等^［44］的研究结果一致。上述响应特征主要源于水氮供应失衡可能引发的负面效应和优化管理带来的协同增益^［36］。一方面，施氮量过高会加剧土壤溶液渗透势，易引起营养生长过旺和无效蒸腾增加，导致贪青晚熟和灌浆障碍^［45］。另一方面，施氮不足则使氮素成为关键限制因子^［24］，抑制穗分化^［43］、引发叶片早衰，进而导致灌浆期同化物供应匮乏和籽粒充实度下降^［20］。本研究表明，在宁夏引黄灌区轻度盐渍环境中，W₂N₂能够从两方面协同改善根际环境，一是通过控制灌水量，减少因水分过量运移（下渗或蒸发）而驱动的盐分表聚^［12］（图3）；二是通过优化氮肥投入，避免过量氮素增加土壤溶液中的盐分浓度^［22］（图3）。两者协同可将根层盐分含量控制在作物耐受阈值内^［23］。盐分胁迫的缓解可显著改善根系对水分和养分的吸收，促进了光合产物向经济产量的高效转化，从而在实现节水减氮目标的同时，协同提升作物产量和水氮利用效率^［29］。相关分析表明，土壤含水率与硝态氮含量、根长密度、根表面积密度、根重密度、根冠比、产量均呈显著正相关（P<0.05），而含盐量则与硝态氮、根系形态指标、根冠比、产量均呈显著负相关（P<0.05），这一结果与连彩云等^［31］、房孟颖等^［38］、梁璐等^［39］的研究结果一致。本研究阐明了在轻度盐渍土中，节水减氮并非单纯减少投入，而是通过重构“土壤-根系-冠层”功能，实现生产力与资源效率的协同提升。

4　结 论

在不同水氮供应下，节水20%的灌水量（3 600 m³/hm²）配合减氮25%的施氮量（225 kg/hm²）模式（W₂N₂）可显著降低耕层土壤含盐量；提升了中层土壤含水率，降低了各土层硝态氮含量，但与传统灌水量4 500 m³/hm²配合传统施氮量300 kg/hm²（W₁N₁）无显著差异；显著促进根系向深层土壤中拓展，根长密度、根表面积密度和根重密度较W₁N₁高49.53%~134.25%。W₂N₂协同效应最终使玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加5.83%、2.01%和2.18%，但与W₁N₁均无显著差异；水分利用效率和氮肥农学效率分别提升12.49%和141.26%（P<0.05）。因此，节水20%灌水量（3 600 m³/hm²）配合减氮25%施氮（225 kg/hm²）模式是宁夏引黄灌区轻度盐碱地春玉米高效生产的节水减氮最优策略。

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFD1900603-04)