隋凱強，付麗亞，韓 偉，林少雯，劉樹堂，皇甫呈惠

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 青島 266109；2.平度市農(nóng)業(yè)局，山東 青島 266700； 3.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東 濟南 250100)

玉米是世界范圍內(nèi)廣泛種植的糧食作物之一，不僅可供人類食用，還能夠作為動物飼料，同時在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生方面也發(fā)揮著重要作用[1]?？茖W地進行水肥調(diào)控不但可以提高玉米產(chǎn)量而且可以提高經(jīng)濟效益[2]。水肥空間耦合是水肥耦合的重要方式，水肥耦合技術(shù)就是按照在不同的水分差異下，正當設(shè)定施肥品種和施肥的數(shù)量，從而加強作物對水分和養(yǎng)分的高效運用，達到作物高產(chǎn)高效的結(jié)果[3-6]。傳統(tǒng)的耕作方式能夠?qū)е赂麑訙\薄，犁底層逐漸的加厚，從而使土壤的通透性以及蓄水保墑的能力降低，不利于玉米對水分以及養(yǎng)分的吸收，產(chǎn)量會出現(xiàn)下降的情況。深翻可以改善土壤的理化性狀，提高自然降水利用率，打破土壤的犁底層，使土壤耕作層變厚，而且可以降低土壤容重，改善其理化性狀，為玉米的生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的土壤水分環(huán)境，從而促進玉米的生長發(fā)育以及產(chǎn)量的提高[7]。研究發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥肥料可以顯著提高土壤性質(zhì)、肥力和作物產(chǎn)量，有機肥中含有作物生長所需的營養(yǎng)元素物質(zhì)，為作物提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)、微生物群落以及降解產(chǎn)物等植物生長過程中所需的活性物質(zhì)，能夠促進作物的生長并增強抗逆性[8-12]。

干旱化對我國主要糧食和最重要的飼料作物玉米產(chǎn)生嚴重的影響，如何提高水分利用效率，將有限的水資源合理化利用，增進玉米對干旱化響應(yīng)與適應(yīng)的理解及制定應(yīng)對策略，是當前迫切需要解決的問題。利用大型活動遮雨棚及池栽對玉米進行全程水分控制實驗研究[13-14]，通過合理水肥配比，研究不同耕作深度對玉米生長狀況的影響。

1 材料和方法

本試驗是在青島農(nóng)業(yè)大學萊陽校區(qū)進行，試驗地的土壤類型為棕壤，位于東經(jīng)120.7°，北緯36.9°，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，一月平均氣溫-4.2 ℃，年均氣溫 11.2 ℃，無霜期209～243 d，年降雨量為779.1 mm，雨熱同期。試驗共設(shè)16個處理(表1)，3次重復(fù)，隨機排列。小區(qū)面積1 m2(1 m×1 m)，深1.5 m，四周用水泥層隔離，田間管理相同。土壤的有機質(zhì)含量為14.03 g/kg，全氮含量為0.92 g/kg，堿解氮含量為14.10 mg/kg，速效鉀含量為89.71 mg/kg，速效磷含量為60.71 mg/kg，pH值6.8。試驗設(shè)計見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對玉米養(yǎng)分積累分配的影響

2.1.1 水肥耦合對玉米氮素積累分配的影響 不同耕作深度條件下調(diào)控水肥對玉米成熟期氮素積累分配的情況見圖1，在玉米植株中，氮素在籽粒中的含量最高，各器官氮素的積累量大小順序為籽粒>葉>莖稈>根。莖稈、根中氮素含量最高的是處理T7，籽粒、葉中的氮素積累量最大的是處理T14。

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)看出，在同一耕作深度和有機肥水平情況下，隨著含水量的增加，玉米對氮素的吸收也增加，W0、W1、W2、W3水平下籽粒中氮素的含量占整個玉米植株氮素含量的百分比分別是49.57%，49.29%，45.21%，43.82%，由此可得，籽粒是夏玉米成熟期植株所積累氮素的分配中心，同時，隨著土壤含水量的增加，植株同化氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比降低，說明適度的水分脅迫有助于氮素向籽粒的分配，而水分過多或過少，會導(dǎo)致氮素向營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，降低了氮的利用率，從而導(dǎo)致氮素的浪費。

由T3、T11(M2W1水平)，可以看出，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對氮素的吸收也增加，說明，耕作深度與氮素利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中氮素的含量占整個玉米植株49.29%和47.96%，由此可得，隨著耕作深度的增加，植株同化氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental design

注： A1.耕作深度：30 cm；A2.耕作深度：20 cm；M1.有機肥3 750 kg/hm2；M2.有機肥7 500 kg/hm2；W0.相對含水量40%；W1.相對含水量50%；W2.相對含水量60%；W3.相對含水量70%。

Note：A1.Tillage depth：30 cm； A2.Tillage depth：20 cm； M1.Organic fertilizer 3 750 kg/ha； M2.Organic fertilizer 7 500 kg/ha； W0.Relative water content 40%； W1.RWC 50%； W2.RWC 60%； W3.RWC 70%.

不同字母表示在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。圖2-3同。Different letters indicate significant differences at P<0.05.The same as Fig.2-3.

由T5、T14(A1W2水平)可以看出，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機肥施用量的增加，植株積累的氮素含量也在增加，玉米植株向籽粒轉(zhuǎn)移的氮素百分比也在增加，這是由于玉米產(chǎn)量的高低與植株干物質(zhì)積累量有關(guān)，產(chǎn)量絕對值的增加與植株氮素往籽粒轉(zhuǎn)移的百分比、植株干物質(zhì)積累量呈正相關(guān)。

2.1.2 水肥耦合對玉米磷素積累分配的影響 磷元素是植株生長和發(fā)育不可缺少的三大營養(yǎng)元素之一，磷是植物細胞核和原生質(zhì)的組成成分，是作物體內(nèi)一系列新陳代謝過程的“參與者”[15]。不同耕作深度調(diào)控水肥對玉米成熟期磷素的積累和分配見圖2，各處理間玉米植株總磷的積累量存在較大的差異，不同含量有機肥配施條件下，玉米植株對磷的吸收累積狀況表現(xiàn)出較大的差異；在有機肥含量和灌水量較低的水平下，玉米植株對磷素的吸收累積量偏低。籽粒對磷素的吸收積累量占植株總含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，磷素在各器官內(nèi)的積累量高低依次是：籽粒>葉>莖稈>根。籽粒中磷吸收積累量最高是處理T14，較積累量最低的T9，高出74.59%。不同耕作深度下調(diào)控水肥對玉米成熟期磷素的吸收積累有較大的影響。

圖2 磷素在各器官中的分配Fig.2 P content in each part of maize

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)，可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情況下，隨著含水量的增加，玉米秸稈的磷素吸收在一定范圍內(nèi)也增加，說明含水量與磷素的吸收積累量呈正相關(guān)，灌水量過多或過少都會對玉米吸收積累磷素造成影響。在含水量W0到W3水平下，籽粒中磷素占整株植株磷素含量百分比分別是43.61%，36.69%，43.31%，40.88%，由此可得，當灌水量在一定范圍內(nèi)，玉米植株往籽粒轉(zhuǎn)移分配磷素的百分比隨著灌水量的增加而增加，然而過多或過少的灌水量均不利于玉米植株磷素的利用率。

由T6、T14(M2W2水平)可以看出，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對根、莖、籽粒的磷素吸收增加，說明耕作深度深，下層土壤相對疏松，根系容易向下發(fā)展，更有利于玉米植株吸收下層養(yǎng)分，耕作深度與磷素利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中磷素的含量占整個玉米植株40.88%和43.64%，由此可得，隨著耕作深度的增加，玉米植株同化磷素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

T5、T14(A1W2水平)處理中，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機肥施用量的增加，植株積累的磷素含量也在增加，玉米植株向籽粒的轉(zhuǎn)移的磷素百分比也在增加，說明，有機肥在一定水平下能更大限度地促進磷向籽粒轉(zhuǎn)移，同時玉米產(chǎn)量的高低與植株干物質(zhì)積累量有關(guān)，產(chǎn)量絕對值的增加與植株磷素往籽粒轉(zhuǎn)移的百分比、植株干物質(zhì)積累量呈正相關(guān)。

由T10、T11、T12可得，施用有機肥對玉米植株體內(nèi)總鉀積累量的影響最大，其次是耕作深度和灌水量。同時，施用有機肥是影響玉米植株向籽粒分配含鉀量所占百分比最大的因素。

2.1.3 水肥耦合對玉米鉀素積累分配的影響 鉀在玉米植株體內(nèi)以鉀離子的形態(tài)存在，是植物生長所必需的一種元素，植物通過根系從土壤中選擇性地吸收土壤中的水溶態(tài)鉀離子[16-20]。鉀元素比較集中地分布在植物代謝最活躍的器官和組織中，是多種酶的輔助因子或激活劑[21]。鉀對光合作用有好處，大大加強了對二氧化碳的同化率[22]。除此之外，鉀能加快葉綠素的合成進程，優(yōu)化葉綠體的結(jié)構(gòu)。不同耕作深度下調(diào)控水肥對玉米成熟期鉀素的積累與分配見圖3。不用處理之間玉米對鉀素的吸收與利用有較大差異，在玉米植株中，鉀素在莖稈中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官鉀素的積累量大小順序為莖稈>籽粒>葉>根。玉米籽粒的鉀素含量最高的是T7，最低的處理T4，T7較T4含量高66.68%。

圖3 鉀素在各器官中的分配Fig.3 K content in each part of maize

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情況下，隨著含水量的增加，玉米對鉀素的吸收在一定范圍內(nèi)也增加，說明含水量與鉀素的吸收積累量呈正相關(guān)。在含水量W0到W3水平下，籽粒中鉀素占整株植株鉀素含量百分比分別是26.05%，29.27%，28.65%，27.79%，由此可得，當灌水量在一定范圍內(nèi)，玉米植株往籽粒轉(zhuǎn)移分配鉀素的百分比隨著灌水量的增加而增加，過多或過少的灌水量均不利于玉米植株鉀素的利用率。

在T3、T11(M2W1水平)處理中，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對鉀素的吸收也增加，說明耕作深度深，下層土壤相對疏松，根系容易向下發(fā)展，更有利于玉米植株吸收下層養(yǎng)分，因此，耕作深度與鉀素吸收利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中鉀素的含量占整個玉米植株29.27%和26.38%，由此可得，隨著耕作深度的增加，玉米植株同化鉀素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

T5、T14(A1W2水平)處理，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機肥施用量的增加，植株積累的鉀素含量也在增加，玉米植株向籽粒轉(zhuǎn)移的磷素百分比也在增加，W1、W2水平下籽粒中鉀素的含量占整個玉米植株28.19%和28.65%，說明在一定范圍內(nèi)施用有機肥可以增加單株玉米植株總鉀含量向籽粒轉(zhuǎn)移的比例。

由T3、T7、T14、T15可得，施用有機肥對玉米植株體內(nèi)總磷積累量的影響最大，其次是耕作深度和灌水量。同時，施用有機肥是影響玉米植株向籽粒分配含磷量所占百分比最大的因素。

2.2 不同耕作深度條件下調(diào)控水肥對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表2中可以得到，在各項產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素中，T7處理的各指標都是最高的，T9處理的產(chǎn)量最低。T7在穗長、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量各項指標中分別比T9高55.04%，44.00%，25.88%。產(chǎn)量最高的是處理T7，產(chǎn)量為9 950 kg/hm2，較A1M1W0的產(chǎn)量增加了46.32%。其次是T15處理，產(chǎn)量是9 660 kg/hm2，產(chǎn)量最低的處理是T9，產(chǎn)量為6 460 kg/hm2，T7 與T9相比產(chǎn)量提高了54.02%，T15 與T9相比產(chǎn)量提高49.54%。在同一處理水平下，7 500 kg/hm2的有機肥施用量和70%的相對含水量對玉米的產(chǎn)量影響最顯著。同樣是在高有機肥70%相對含水量水平下30 cm耕作深度條件下處理影響比20 cm耕作深度條件下處理產(chǎn)量提高了2.91%,且處理間差異顯著。

T3、T7、T10、T14處理(A1M2水平)中，T7產(chǎn)量最大，較T10處理增加了40.93%，這說明在耕作30 cm施用M2水平有機肥時，隨著水分的增加玉米的穗長、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量也隨之增加且差異性顯著。從T1、T5、T12、T16(A1M1水平)中可以看出，產(chǎn)量隨水分的增加而增加，W3水平相比W0產(chǎn)量增加了37.47%。

表2 不同耕作條件下水肥耦合對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Tab.2 Effects of water and fertilizer coupling on maize yield under different tillage conditions

注：同列不同字母表示在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters indicate significant differences atP<0.05.

在T2、T6、T11、T15處理(A2M2水平)中，T15的穗長、千粒質(zhì)量最大，T15相比T2分別提高了13.88%，17.29%。隨著灌水量的增加，產(chǎn)量呈增加的趨勢，W3、W2、W1相比W0水平分別提高了24.81%，15.34%，11.50%，在耕作深度20 cm條件下施用高含量有機肥調(diào)控水分對于玉米的產(chǎn)量影響差異性顯著。在T4、T8、T9、T13處理(A2M1水平)中，W3、W2、W1相比W0水平分別提高了35.05%，32.00%，27.86%。與W0水平相比，W3的穗長、千粒質(zhì)量分別提高了14.92%，10.59%。

處理T6、T14(M2W2水平)中，T14處理的穗長、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量較T6高9.86%，15.81%，0.95%。M1W2水平下，處理T5較T13的千粒質(zhì)量、產(chǎn)量高3.94%，1.68%，M2W3水平，處理T7較T15穗長、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量分別提高了7.11%，12.50%，2.88%，3.00%。M1W3水平下，A1較A2的穗長、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量分別提高了11.15%，16.67%，2.13%，7.15%。不同水分配比下，耕作深度30 cm(A1)的產(chǎn)量構(gòu)成因素均比耕作深度20 cm(A2)高，深耕能疏松土壤的下層增加透氣性、改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高了土壤中的有效養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

通過研究不同耕作深度條件下調(diào)控水肥配比對玉米的體內(nèi)氮、磷、鉀的分配，在耕作深度30 cm、相對含水量70%、施用有機肥7 500 kg/hm2時，玉米對氮、磷、鉀的吸收積累量均最大。在該試驗設(shè)計范圍內(nèi)，隨著灌水量的增加，玉米籽粒、莖稈中氮積累量增加，提高了玉米植株的氮積累量。玉米籽粒的氮積累量量最高，大小順序為籽粒>葉>莖稈>根。灌水量對氮素的積累作用低于施用有機肥和耕作深度，這與王俊忠等[23]研究結(jié)果一致。在低有機肥含量和低灌水量水平下，玉米植株的磷素的積累量較低。籽粒對磷素的積累量占植株總含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，這與王晉等[24]研究結(jié)果一致，可能是由于磷在植株體內(nèi)多分布在新芽和根尖等生理代謝活躍的部位，應(yīng)隨生長進程的進行而發(fā)生有效的轉(zhuǎn)移。在玉米植株中，鉀素在莖稈中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官鉀素的積累量大小順序為莖稈>籽粒>葉>根，說明鉀不像氮磷最終轉(zhuǎn)移到籽粒中而停止轉(zhuǎn)移，并最終轉(zhuǎn)移到了莖稈中，這與曹國軍等[25]的研究結(jié)果一致。

研究不同耕作深度條件下調(diào)控水肥找到合適的水肥配比對玉米的生物產(chǎn)量有顯著影響，隨著耕作深度增加、有機肥施用量增加、適當提高相對含水量，對玉米生長狀況具有促進作用。試驗結(jié)果表明，耕作深度30 cm的處理最有利于提高玉米產(chǎn)量，在耕作深度30 cm、有機肥7 500 kg/hm2、相對含水量70%時玉米產(chǎn)量達到最大值，耕作深度30 cm處理的產(chǎn)量最高值比耕作深度20 cm處理提高了2.91%，說明在相同的水肥水平調(diào)控下，深翻能改變土壤結(jié)構(gòu)，促進作物對水分養(yǎng)分的吸收，改善了玉米根系的構(gòu)型，促進玉米根系下扎，增強了根系吸收水分、養(yǎng)分的能力，提高了玉米的生物產(chǎn)量，提高籽粒干物質(zhì)積累速率，水肥共同作用，促進玉米的生長，增加產(chǎn)量。在本試驗條件下，耕作深度30 cm要優(yōu)于耕作深度20 cm，高有機肥施用中水(M2W2)是高產(chǎn)節(jié)水的最佳組合，高肥高水(M2W3)是超高產(chǎn)的最佳組合，低肥中水(M1W2)是低投入高水分利用率的最佳組合。