白芳芳，喬冬梅，李 平,4，齊學(xué)斌,3，王和洲,5，郭 魏,3，韓 洋，趙宇龍

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng) 453002；5.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 商丘476000)

華北地區(qū)是我國(guó)重要糧食生產(chǎn)基地，夏玉米種植面積占全國(guó)的31.4%，產(chǎn)量占全國(guó)玉米產(chǎn)量的30.1%[1]。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于片面追求高產(chǎn)，導(dǎo)致過(guò)量施肥現(xiàn)象普遍存在[2]，進(jìn)入農(nóng)田環(huán)境的氮素導(dǎo)致了土壤酸化[3]、地下水硝酸鹽污染[4]、溫室氣體排放加劇[5]等問(wèn)題，嚴(yán)重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，作物生產(chǎn)中減氮管理是提高氮肥利用效率、降低地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)和農(nóng)田土壤溫室氣體排放的有效措施。地下水埋深對(duì)作物產(chǎn)量影響較大[6-7]，同時(shí)影響氮素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)換[8]。當(dāng)?shù)叵滤裆钗挥?.4～1.5 m時(shí)，地下水對(duì)作物日需水量的貢獻(xiàn)率超過(guò)65%[9]。地下水埋深較淺時(shí)，作物生育期根系層下界面處具有明顯的雙向水量交換現(xiàn)象，作物騰發(fā)可部分地利用地下水及深層土壤水；而地下水埋深較深時(shí)，根系層下界面處土壤水分主要向下遷移。在華北地區(qū)，對(duì)應(yīng)雙向水量交換臨界面的地下水埋深一般為4 m[10]，從鹽漬化控制角度看，地下水埋深控制在2.0 m左右為宜[11]。灌漿期是夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要階段，也是玉米品質(zhì)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期[12]。本研究針對(duì)華北地區(qū)2～4 m地下水埋深開(kāi)展田間小區(qū)試驗(yàn)，研究地下水埋深和施氮量對(duì)玉米灌漿過(guò)程和水氮利用效率的影響，這對(duì)于保障國(guó)家糧食安全和區(qū)域農(nóng)田環(huán)境安全意義重大。

通過(guò)不同的農(nóng)藝措施可以提高玉米百粒質(zhì)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。例如覆膜可以提高灌漿速率，延長(zhǎng)灌漿時(shí)間，顯著增加玉米百粒質(zhì)量和產(chǎn)量[13]。適宜的播期及品種可極顯著影響玉米灌漿速率和成熟期百粒質(zhì)量[14]。深松有利于提高玉米中后期灌漿速率，增加平均灌漿速率和最大灌漿速率，最終增加千粒質(zhì)量，提高夏玉米產(chǎn)量[15]。適宜施氮措施可以延長(zhǎng)灌漿持續(xù)期、提高灌漿參數(shù)，促進(jìn)玉米產(chǎn)量的提高[16]。于寧寧等[17]研究指出，適當(dāng)降低種植密度，減少化肥用量，能更有效促進(jìn)夏玉米籽粒的后期灌漿，延長(zhǎng)灌漿時(shí)間，促進(jìn)植株干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而提高玉米品質(zhì)和肥料利用率，增加凈收益。方恒等[18]研究認(rèn)為，施氮對(duì)玉米灌漿速率影響較大，適量施氮可提前達(dá)到玉米的最大灌漿速率，但施氮量過(guò)高則推遲到達(dá)最大灌漿速率的時(shí)間。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^小時(shí)，受強(qiáng)烈的毛管上升作用影響，通過(guò)土壤表層直接蒸發(fā)損失水分增加，故地下水補(bǔ)給也隨著增加，因此，隨著地下水埋深增加，作物耗水量減少[19]，農(nóng)業(yè)用水效率與灌溉水利用效率與地下水埋深密切相關(guān)，隨著灌水量的增加，灌溉水利用效率受地下水埋深的影響減小[20]。地下水埋深過(guò)淺會(huì)限制根系有氧呼吸，進(jìn)而影響作物正常生長(zhǎng)[21]，且易引發(fā)土壤次生鹽漬化[22-23]。因此，在區(qū)域灌水施肥決策時(shí)，應(yīng)充分考慮地下水埋深對(duì)作物生長(zhǎng)及水氮利用效率的影響。隨著施氮量增加，夏玉米籽粒產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅恐饾u增大，水分利用效率呈先增大后減小趨勢(shì)，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低。故地下水埋深和施氮量是影響玉米灌漿及水氮利用效率的重要環(huán)境因素，關(guān)于地下水埋深和施氮量單因素對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量影響的研究較多，但是關(guān)于地下水埋深和施氮量及二者交互作用對(duì)玉米灌漿特性及水氮利用效率的研究鮮有報(bào)道。為此，在地中滲透儀觀測(cè)場(chǎng)開(kāi)展田間小區(qū)試驗(yàn)，研究施氮量和地下水埋深對(duì)夏玉米產(chǎn)量、灌漿速率、灌漿參數(shù)及水氮利用效率的影響，并基于Spearman相關(guān)分析，分析產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的相關(guān)關(guān)系，以期提出華北地區(qū)夏玉米綠色、穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年6月—2020年10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站大型地中滲透儀觀測(cè)場(chǎng)(35°19′N、113°53′E，海拔73.2 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫14.1℃，無(wú)霜期210 d，日照時(shí)間2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，7—9月降水量占全年降水量的70%左右。土壤為粉砂壤土，0～20 cm土層土壤體積質(zhì)量為1.42 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)17.03 g·kg-1，全氮0.44 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，速效鉀0.17 g·kg-1，電導(dǎo)率447.33 μS·cm-1，土壤pH值為9.42。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試夏玉米(ZeamaysL.)品種為‘懷玉208’,于2019年6月8日播種，9月24日收獲，全生育期108 d;2020年6月10日播種，9月23日收獲，全生育期105 d，種植密度均為66 699株·hm-2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置地下水埋深和施氮量2個(gè)因素，其中地下水埋深設(shè)3個(gè)水平，分別為2 m(GW2)、3 m(GW3)、4 m(GW4)，通過(guò)馬氏瓶控制地下水位；施氮量設(shè)2個(gè)水平，分別為減氮20%(純氮240 kg·hm-2，N240)、常規(guī)(純氮300 kg·hm-2，N300)，共計(jì)6個(gè)處理，處理簡(jiǎn)稱為N240GW2、N240GW3、N240GW4、N300GW2、N300GW3、N300GW4，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共計(jì)24個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積4.5 m2(1.5 m×3 m)。采用井水灌溉，每次灌溉前取水樣檢測(cè)水質(zhì)，灌溉方式為畦灌。試驗(yàn)用肥為含氮量46%的尿素、含P2O5量為12%的過(guò)磷酸鈣、含K2O量為50%硫酸鉀，磷、鉀肥均作為基肥一次性施入土壤，P2O5施入量為150 kg·hm-2，K2O施入量為120 kg·hm-2；夏玉米氮肥以底肥和追肥4∶6的比例施入，底肥于玉米播種時(shí)施入，追肥于大喇叭口期撒施；其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锵嗤?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 灌漿速率 玉米吐絲后在每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的10棵植株進(jìn)行標(biāo)記，花后每隔7 d進(jìn)行1次籽粒取樣。選掛牌標(biāo)記植株1株，果穗去除基部5環(huán)籽粒后，每行均勻取籽粒置于105℃烘箱殺青30 min，后在75℃條件下烘干至恒質(zhì)量，折算成百粒質(zhì)量后計(jì)算出籽粒灌漿速率。

以開(kāi)花至觀測(cè)時(shí)的天數(shù)t為自變量，觀測(cè)時(shí)玉米籽粒百粒質(zhì)量y為因變量，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)擬合玉米籽粒灌漿過(guò)程，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入Logistic方程可求出參數(shù)a、b、c，其中a為最大百粒質(zhì)量，b為初始值、c為灌漿速率參數(shù)。據(jù)此依據(jù)以下各式計(jì)算玉米灌漿特征參數(shù)[23]。

(1)

(2)

Δt=t2-t1

(3)

Wmax=a/2

(4)

Gmax=aWmax/2

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，t1為灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)(d)；t2為灌漿快速增長(zhǎng)結(jié)束期時(shí)間拐點(diǎn)(d)，Δt為快速灌漿期持續(xù)時(shí)間(d)；Gmean為玉米平均灌漿速率(mg·粒-1·d-1)；Gmax為玉米籽粒最大灌漿速率(mg·粒-1·d-1)；Wmax為玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(mg·粒-1)；Dmax為玉米灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(d)；P為玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(d)。

1.3.2 考種 成熟期每個(gè)小區(qū)收獲5株玉米用于考種，考種指標(biāo)主要有穗長(zhǎng)、穗粗、軸粗、禿尖長(zhǎng)、百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)。每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)產(chǎn)，用谷物測(cè)定儀測(cè)定各小區(qū)玉米籽粒含水率，根據(jù)14%的標(biāo)準(zhǔn)含水率進(jìn)行折算后計(jì)算產(chǎn)量，加上考種時(shí)所采獲的5株籽粒質(zhì)量，作為小區(qū)最后的實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.3 水分利用效率 玉米水分利用效率采用式(9)進(jìn)行計(jì)算：

WUE=Y/ET

(9)

式中，WUE為玉米水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為玉米耗水量(mm)，可采用式(10)計(jì)算。

ET=I+P+G-D-R±ΔW

(10)

式中，ET為玉米生育期內(nèi)耗水量(mm)；I為灌水量(mm)；P為田間有效降水量(mm)；G為地下水利用量(mm)，由馬氏瓶供水，記錄歷次補(bǔ)水量；D為深層滲漏量(mm)；R為徑流量(mm)。由于本試驗(yàn)在防雨棚下進(jìn)行，且每個(gè)小區(qū)四周用鋼筋混凝土隔開(kāi)，故P、R忽略不計(jì)；由于每次灌水量較少，約450 m3·hm-2，故不易產(chǎn)生深層滲漏，因此D可忽略不計(jì)。ΔW為玉米播種前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量差值(mm)；單位面積土壤貯水量可按式(11)計(jì)算：

W=θm×ρb×h×0.1

(11)

式中，θm為土壤質(zhì)量含水率(%)；ρb為土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)；h為土層厚度(cm)，本文按200 cm計(jì)算；0.1為換算系數(shù)。

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力

氮肥偏生產(chǎn)力采用式(12)進(jìn)行計(jì)算：

NPP=Y/N

(12)

式中,NPP為氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)；Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；N為施氮量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖；使用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較和差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；利用Curxpt擬合Logistic方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深和施氮量對(duì)夏玉米灌漿特征影響

圖1 各處理玉米百粒質(zhì)量隨開(kāi)花后時(shí)間變化Fig.1 The change of 100-grain weight of summer maize after flowering under different treatments

2.1.1 夏玉米百粒質(zhì)量 圖1顯示了各處理開(kāi)花后不同時(shí)間玉米籽粒百粒質(zhì)量變化。各處理玉米百粒質(zhì)量隨著花后時(shí)間進(jìn)程呈“S”型曲線變化，不同時(shí)間各處理之間百粒質(zhì)量差異不一致。開(kāi)花后7 d，2、4 m地下水埋深條件下N300處理玉米百粒質(zhì)量均高于N240處理；在N300施氮量下，GW2、GW3、GW4處理玉米百粒質(zhì)量差異顯著，表現(xiàn)為GW4>GW2>GW3，這可能是因?yàn)镚W4處理受地下水補(bǔ)給較少，導(dǎo)致同期其土壤含水率低于GW2和GW3處理，土壤水分脅迫使其早于GW2處理和GW3處理進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期；在施氮量N240水平下，GW2、GW3、GW4處理差異均不顯著(P>0.05)。開(kāi)花后28 d和35 d，各處理之間百粒質(zhì)量差異不顯著，N300GW4的百粒質(zhì)量均最大。開(kāi)花后53 d即成熟期，各處理百粒質(zhì)量表現(xiàn)為N300GW4(30.67 g)>N300GW3(30.26 g)>N300GW2(29.92 g)>N240GW4(29.71 g)>N240GW2(28.49 g)>N240GW3(28.41 g)；地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平玉米百粒質(zhì)量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理百粒質(zhì)量分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高5.00%、6.52%、3.21%；N240水平下，GW4處理的百粒質(zhì)量顯著高于GW2和GW3處理，其中GW2處理與GW3處理差異不顯著；N300水平下，GW4處理的百粒質(zhì)量顯著高于GW2處理，但GW2、GW4處理與GW3處理間差異均不顯著，這可能是因?yàn)槌渥愕氖┑繌浹a(bǔ)了水分不足對(duì)玉米灌漿影響，同時(shí)GW2玉米處理貪青晚熟，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向種子轉(zhuǎn)移不足導(dǎo)致。

2.1.2 夏玉米灌漿速率 圖2為各處理開(kāi)花后不同時(shí)間玉米灌漿速率。由圖2可知，各處理玉米籽粒灌漿速率變化趨勢(shì)均呈“拋物線”型，說(shuō)明灌漿速率呈“慢-快-慢”的變化趨勢(shì)?；ê蟛煌瑫r(shí)間，各處理玉米灌漿速率差異不一致。花后7～14 d，相同地下水埋深下，N240處理玉米的灌漿速率均大于N300處理，雖然N240處理晚于N300處理進(jìn)入灌漿期，但減氮并未降低玉米灌漿速率，反而提高了灌漿前期的玉米灌漿速率；N240GW2處理玉米灌漿速率除與N240GW4處理差異不顯著外，均顯著高于其他處理，說(shuō)明充足的水分供應(yīng)提高了N240GW2處理的灌漿速率?；ê?1～28 d，各處理之間灌漿速率無(wú)顯著差異，除N240GW4、N300GW2處理外，其他處理玉米灌漿速率均達(dá)到最大值，各處理灌漿速率表現(xiàn)為N240GW3(0.98 g·d-1·100grain-1)>N300GW3(0.95 g·d-1·100grain-1)>N300GW4(0.91 g·d-1·100grain-1)>N240GW4(0.89 g·d-1·100grain-1)>N240GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)=N300GW2(0.86 g·d-1·100grain-1)。N240GW4、N300GW2處理的灌漿速率均在花后28～35 d達(dá)到最大值，均為0.92 g·d-1·100粒-1。花后42～53 d，N300GW3處理玉米的灌漿速率最大，分別比N240GW3、N300GW2、N300GW4處理顯著提高37.5%、33.0%、38.2%；N240施氮水平下各處理之間的灌漿速率差異不顯著，說(shuō)明此時(shí)期N240施氮水平下，地下水埋深對(duì)玉米灌漿后期灌漿速率影響不大。

2.1.3 夏玉米籽粒灌漿參數(shù) 由表1可知，Logistic方程能很好地?cái)M合各處理玉米籽粒灌漿過(guò)程(R2=0.9936～0.9986)。在N240施氮水平下，玉米的灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)(t1)表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而增加，即地下水埋深越小，玉米越先進(jìn)入灌漿漸增期；而在N300施氮水平下，GW4處理最先進(jìn)入灌漿漸增期，GW3處理進(jìn)入灌漿漸增期的時(shí)間最晚。玉米的灌漿快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)在不同施氮水平下隨地下水埋深變化不一致；在N240施氮水平下，GW3處理的玉米先進(jìn)入灌漿快速增長(zhǎng)期，GW4處理進(jìn)入灌漿快速增長(zhǎng)期的時(shí)間最晚；而在N300施氮水平下，GW4處理最先進(jìn)入灌漿快速增長(zhǎng)期，GW3處理進(jìn)入灌漿快速增長(zhǎng)期的時(shí)間最晚。在N300施氮水平下，玉米的快速灌漿持續(xù)時(shí)間隨地下水埋深的增加而增加；在N240施氮水平下，GW3處理玉米的快速灌漿持續(xù)時(shí)間最短，GW2處理玉米的快速灌漿持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。在N240施氮水平下，玉米平均灌漿速率隨地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，GW3處理玉米的平均灌漿速率最小，GW4處理玉米的平均灌漿速率最大。在N240施氮水平下，玉米籽粒最大灌漿速率隨地下水埋深的增加而增加；在N300施氮水平下，玉米籽粒最大灌漿速率隨地下水埋深的增加而降低。玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量整體上隨地下水埋深的增加而增加，其中在N240施氮水平下，GW3處理的玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量最小。在N240施氮水平下，玉米灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間均隨地下水埋深的升高而升高；在N300施氮水平下，GW3處理玉米灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間最長(zhǎng)，GW4處理玉米灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間最短。在N300施氮水平下，GW3處理的玉米灌漿持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為66.630 d，而在N240施氮水平下，GW4處理的玉米灌漿持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為65.951 d。玉米的灌漿參數(shù)隨地下水埋深和施氮量未表現(xiàn)出明顯趨勢(shì)。

圖2 各處理玉米灌漿速率隨開(kāi)花后時(shí)間變化Fig.2 The change of grain filling rate of summer maize after flowering under different treatments

表1 各處理玉米籽粒灌漿特征參數(shù)Table 1 Characters of summer maize grain filling parameters under different treatments

表2為各處理玉米產(chǎn)量、百粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的Spearman相關(guān)分析結(jié)果。由表2可知，玉米產(chǎn)量與最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、百粒質(zhì)量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.943；與快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)、玉米平均灌漿速率(Gmean)、玉米籽粒最大灌漿速率(Gmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)相關(guān)系數(shù)較高，但均不顯著。玉米籽粒百粒質(zhì)量與玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1.000，這主要是因?yàn)橛衩鬃畲蠊酀{速率時(shí)籽粒質(zhì)量是玉米籽粒百粒質(zhì)量的1/2；玉米籽粒百粒質(zhì)量、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、籽粒最大灌漿速率(Gmax)與玉米平均灌漿速率(Gmean)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.886、0.886、0.829，因此玉米平均灌漿速率對(duì)玉米成熟期百粒質(zhì)量有重要影響，應(yīng)從考慮如何提高玉米平均灌漿速率來(lái)提高玉米百粒質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到豐產(chǎn)目的。玉米的灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)(t1)、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(Dmax)、籽粒最大灌漿速率(Gmax)與玉米快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)顯著正相關(guān)，表明玉米的灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)(t1)越大，玉米快速灌漿結(jié)束的越晚，同時(shí)灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(Dmax)越長(zhǎng)，玉米籽粒最大灌漿速率(Gmax)越大。在N240施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量與玉米快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)相關(guān)系數(shù)最高；在N300施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量與快速灌漿期持續(xù)時(shí)間(Δt)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)相關(guān)系數(shù)最高；因此N300施氮量下，地下水埋深主要是通過(guò)影響玉米快速灌漿期持續(xù)時(shí)間(Δt)來(lái)影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通過(guò)影響最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)來(lái)影響玉米百粒質(zhì)量形成。地下水埋深相同時(shí)，N300與N240施氮水平玉米百粒質(zhì)量增加量與玉米快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(Dmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)的相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.957、0.842、0.845，因此，增加施氮量主要是通過(guò)增大玉米玉米快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(Dmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)來(lái)增加玉米百粒質(zhì)量。

表2 各處理玉米產(chǎn)量、百粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的Spearman相關(guān)分析Table 2 Spearman correlation analysis of summer maize yield,100-grain weight and grain filling parameters under different treatments

2.2 地下水埋深和施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表3可知，施氮量、地下水埋深及二者交互作用極顯著影響玉米產(chǎn)量。其中N300GW4處理玉米的產(chǎn)量最高，N240GW3處理的產(chǎn)量最低，N300GW4處理玉米產(chǎn)量顯著高于N240GW2、N240GW3和N300GW2處理，但與其他處理之間差異不顯著。同時(shí)，地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平玉米產(chǎn)量均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理產(chǎn)量分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高0.35%、14.08%、2.60%；其中N300GW3處理顯著高于N240GW3處理。當(dāng)?shù)叵滤裆钕嗤瑫r(shí)，N300施氮水平玉米的穗長(zhǎng)顯著大于N240施氮水平；在2個(gè)施氮水平下，均表現(xiàn)為GW3處理的穗長(zhǎng)最短，其中N240GW2、N240GW4處理玉米的穗長(zhǎng)顯著大于N240GW3處理，N300施氮水平下玉米穗長(zhǎng)差異不顯著。相同施氮量下，玉米穗粗均隨地下水埋深的增加而增加，其中N240GW4處理顯著高于N240GW2處理和N240GW3處理；在N300施氮水平下，各處理之間玉米穗粗無(wú)顯著差異。地下水埋深、施氮量及二者交互作用對(duì)玉米禿尖長(zhǎng)均無(wú)顯著影響，各處理玉米禿尖長(zhǎng)差異不顯著，不同施氮水平下玉米禿尖長(zhǎng)隨地下水埋深變化趨勢(shì)不一致，N240施氮水平下，玉米禿尖長(zhǎng)隨地下水埋深的增加而降低；N300施氮水平下，玉米禿尖長(zhǎng)在GW4處理下最大，GW3處理下最小。地下水埋深和施氮量顯著影響玉米百粒質(zhì)量，但二者交互作用對(duì)其影響不顯著。施氮量對(duì)玉米的穗行數(shù)有顯著影響，但是地下水埋深及二者交互作用對(duì)玉米穗行數(shù)均無(wú)顯著影響。其中，N300GW4處理顯著高于N240GW3處理，其余各處理之間無(wú)顯著差異。施氮量極顯著影響玉米的行粒數(shù)，但是地下水埋深及二者交互作用對(duì)玉米行粒數(shù)均無(wú)顯著影響。地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平玉米行粒數(shù)均高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理行粒數(shù)分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深顯著高7.14%、11.08%、5.25%；施氮量極顯著影響玉米的穗粒數(shù)，地下水埋深顯著影響玉米的穗粒數(shù)，但二者交互作用對(duì)玉米穗粒數(shù)無(wú)顯著影響；地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平玉米穗粒數(shù)均顯著高于N240施氮水平，其中N300施氮水平下GW2、GW3、GW4處理穗粒數(shù)分別比N240施氮水平下相應(yīng)地下水埋深高15.01%、30.99%、12.54%；在N300和N240施氮水平下，穗粒數(shù)均表現(xiàn)為在GW4處理下最高。各處理玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素的Spearman相關(guān)分析(表4)進(jìn)一步表明，穗長(zhǎng)、穗粗、百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)極顯著影響玉米產(chǎn)量，相關(guān)系數(shù)分別為0.547、0.535、0.730、0.614、0.544、0.816。因此，地下水埋深和施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量影響主要是通過(guò)對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響體現(xiàn)出來(lái)的。

表3 各處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Table 3 Summer maize yield and yield components under different treatments

表4 各處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Spearman相關(guān)分析Table 4 Spearman correlation analysis of summer maize yield and yield components under different treatments

2.3 地下水埋深和施氮量對(duì)夏玉米水氮利用效率的影響

由表5可知，地下水埋深和施氮量極顯著影響玉米地下水利用量和總耗水量，但二者交互作用均不顯著；地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%；隨著地下水埋深增加，地下水利用量逐漸降低，2個(gè)施氮量條件下，不同地下水埋深處理之間地下水利用量均差異顯著；在GW2、GW3處理下，N300施氮水平處理地下水利用量均顯著高于N240施氮水平；GW4處理下，N300施氮水平與N240施氮水平無(wú)顯著差異。ΔW為播前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量差值，地下水埋深和施氮量及二者交互作用均極顯著影響玉米ΔW。地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平處理ΔW均顯著高于N240施氮水平處理。地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平處理總耗水量分別顯著高于N240施氮水平。施氮量、地下水埋深及二者交互作用均極顯著影響玉米氮肥偏生產(chǎn)力；其中N240施氮水平GW2、GW3、GW4處理玉米氮肥偏生產(chǎn)力分別比N300施氮水平玉米顯著高24.57%、9.57%、21.83%；N300施氮量下，不同地下水埋深處理之間無(wú)顯著差異；N240施氮水平下，GW2、GW4處理均顯著高于GW3處理，N240GW4處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高。施氮量極顯著影響玉米WUE，地下水埋深及二者交互作用對(duì)玉米WUE影響不顯著。其中，N300施氮水平下不同地下水埋深處理之間玉米WUE無(wú)顯著差異；N240施氮水平下，GW4處理顯著高于GW3處理，其他處理之間差異不顯著。綜上可知，N240GW4處理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均最高，故N240GW4處理是本研究推薦的農(nóng)業(yè)綠色高產(chǎn)生產(chǎn)模式。

表5 各處理夏玉米水氮利用效率Table 5 Water use efficiency and nitrogen use efficiency of summer maize under different treatments

3討 論

3.1 施氮量和地下水埋深對(duì)玉米百粒質(zhì)量及灌漿參數(shù)影響

施氮量、灌水量、肥料類型、覆膜、種植密度等是影響玉米灌漿過(guò)程的重要因素[16,24-26]。孫仕軍等[27]研究表明，在地下水埋深1～4 m范圍內(nèi)，玉米百粒質(zhì)量呈先降低后增加趨勢(shì)，地下水埋深為2.5～3 m時(shí)，玉米百粒質(zhì)量最低，地下水埋深1 m時(shí)，玉米百粒質(zhì)量最大。本研究表明，施氮量和地下水埋深均極顯著影響玉米百粒質(zhì)量，但二者交互作用不顯著；地下水埋深相同時(shí)，施氮量越高，玉米百粒質(zhì)量越大，這與孫仕軍等[27]研究相符。在N300施氮水平下，玉米百粒質(zhì)量隨地下水埋深增加而增加，這與佘映軍等[28]研究相符，這可能是因?yàn)殡S著地下水埋深增加，包氣帶厚度增加，土壤中養(yǎng)分離子向下遷移路徑變長(zhǎng)，養(yǎng)分在根區(qū)積累，有利于玉米灌漿，故地下水埋深較大處理百粒質(zhì)量較高；在N240施氮水平下，3 m地下水埋深處理玉米的百粒質(zhì)量最小，這與孫仕軍等[27]研究相似，這主要是因?yàn)槭馨鼩鈳е型寥鲤B(yǎng)分離子向下運(yùn)移和地下水向上補(bǔ)給雙重作用影響，一是因?yàn)镹240施氮量下3 m地下水埋深處理作物根區(qū)養(yǎng)分離子的積累量比4 m地下水埋深處理少，二是因?yàn)榈叵滤蛏涎a(bǔ)給量沒(méi)有2 m地下水埋深處理大，故3 m地下水埋深處理玉米百粒質(zhì)量最低。較高的平均灌漿速率是獲得高百粒質(zhì)量的關(guān)鍵，增加施氮量可提高玉米籽粒的最大灌漿速率、灌漿速率最大時(shí)的生長(zhǎng)量，增加灌漿期的持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)籽粒干物質(zhì)的積累[17,29]。本研究表明，增加施氮量主要是通過(guò)增大玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間(Dmax)來(lái)增加玉米百粒質(zhì)量，這與于寧寧等[17]研究一致；但當(dāng)施氮量不同時(shí)，受地下水埋深和施氮量交互作用影響，玉米的灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)(t1)、快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)(t2)、快速灌漿期持續(xù)時(shí)間(Δt)隨地下水埋深變化趨勢(shì)不一致。胡雨欣等[29]研究表明，灌溉提高了玉米花后百粒干質(zhì)量、灌漿速率最大時(shí)的生長(zhǎng)量(Wmax)和灌漿活躍期(P)，進(jìn)而提高了玉米產(chǎn)量和百粒質(zhì)量。本研究得出，常規(guī)施氮量下，地下水埋深主要是通過(guò)影響玉米快速灌漿持續(xù)時(shí)間來(lái)影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要是通過(guò)影響最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量(Wmax)、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間(P)來(lái)影響玉米百粒質(zhì)量形成。關(guān)于地下水埋深對(duì)玉米灌漿參數(shù)的影響尚未有人研究，本研究豐富了地下水埋深對(duì)玉米灌漿特性影響理論。

3.2 施氮量和地下水埋深對(duì)玉米產(chǎn)量及水氮利用效率影響

水分和氮肥對(duì)小麥產(chǎn)量形成有重要影響，合理的水氮運(yùn)籌可減少水的深層滲漏和氮淋失。在根系吸力和土壤水勢(shì)共同作用下，包氣帶水分與地下水雙向交換臨界埋深一般為4 m[10]，故地下水埋深4 m內(nèi)，地下水埋深對(duì)作物灌溉水利用效率和作物生長(zhǎng)有重要影響。施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素均有影響，玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后減少趨勢(shì)，適宜的施氮量有益于調(diào)控作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)，防止貪青晚熟，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[30-31]。本研究表明，施氮量對(duì)產(chǎn)量影響極顯著，除了禿尖長(zhǎng)，施氮量顯著或極顯著影響產(chǎn)量構(gòu)成要素。這與付江鵬等[30]研究相符。孫仕軍等[32]研究表明，玉米產(chǎn)量隨地下水埋深的增加而減小，且當(dāng)?shù)叵滤裆顬? m時(shí)玉米產(chǎn)量最低，導(dǎo)致產(chǎn)量差異的產(chǎn)量構(gòu)成要素是穗粒數(shù)。劉戰(zhàn)東等[33]研究表明，地下水埋深影響穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本研究表明，N240施氮水平下，地下水埋深為3 m時(shí)玉米產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力最低，這與孫仕軍等[32]研究一致，這主要是受包氣帶土壤養(yǎng)分離和鹽分子雙向運(yùn)移及地下水向上補(bǔ)給共同作用的結(jié)果；百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)是玉米產(chǎn)量構(gòu)成關(guān)鍵要素，這與楊飛等[34]研究結(jié)果相符；百粒質(zhì)量與玉米產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，這與劉戰(zhàn)東等[33]研究結(jié)果相符。本研究中，在N300施氮水平下，玉米的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力隨地下水埋深的增加而增加，這主要是因?yàn)榈叵滤裆畲蟮奶幚碇型寥鲤B(yǎng)分離子向下運(yùn)移路徑較長(zhǎng)，且受水分影響，向下運(yùn)移較慢，在作物根區(qū)集聚較多；同時(shí)2～4 m地下水埋深范圍內(nèi)，地下水埋深對(duì)土壤養(yǎng)分離子影響大于對(duì)土壤水分影響。提高作物水氮利用效率是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展必然需求，控水、減氮是提高作物水氮利用效率的直接有效方式。本研究中，N240施氮水平氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于N300施氮水平，這主要是因?yàn)榈蕡?bào)酬遞減效應(yīng)[35]，即隨著施氮量的增加，每單位純氮投入帶來(lái)的產(chǎn)量增加量(報(bào)酬)會(huì)逐步降低。受包氣帶毛細(xì)上升水補(bǔ)給影響，地下水埋深極顯著影響作物地下水利用量，2～4 m地下水埋深范圍內(nèi)，地下水利用量占玉米生育期耗水量的3.43%～9.77%。不同施氮量下，地下水埋深對(duì)作物水氮利用效率影響不一致，這可能是因?yàn)橛衩咨L(zhǎng)影響因素較多，土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分離子含量、土壤水-熱-鹽、玉米本身的光合性能及其元素吸收轉(zhuǎn)化能力差異有關(guān)，有待在后續(xù)研究中厘清此機(jī)理。

4 結(jié) 論

1)Logistic方程能夠很好地?cái)M合各處理玉米籽粒灌漿過(guò)程；增加施氮量主要是通過(guò)增大玉米快速增長(zhǎng)期時(shí)間拐點(diǎn)、玉米最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間來(lái)增加玉米百粒質(zhì)量；N300施氮量下，地下水埋深主要通過(guò)影響玉米快速灌漿持續(xù)時(shí)間進(jìn)而影響玉米百粒質(zhì)量；在N240施氮水平下，地下水埋深主要通過(guò)影響最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量、玉米灌漿持續(xù)時(shí)間進(jìn)而影響玉米百粒質(zhì)量形成。

2)N240GW4處理玉米氮肥利用效率及水分利用效率均較高，故N240GW4處理是華北地區(qū)玉米推薦的農(nóng)業(yè)綠色高產(chǎn)生產(chǎn)模式。