覆膜水氮耦合下夏玉米干物质积累的温度驱动调控机制与产量优化研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Temperature-driven regulatory mechanism of dry matter accumulation and yield optimization in summer maize under mulched water–nitrogen coupling

本研究针对黄河灌区浑水灌溉背景下，水氮资源利用效率低、作物产量受限等问题，开展了覆膜穴灌条件下夏玉米干物质积累与转运的温度驱动机制研究。通过两年田间试验，构建了基于有效积温的Logistic模型，揭示了中水氮处理（T5：含沙量6 kg·m?3、灌溉量0.65–0.80 FC、施氮量180 kg·ha?1）可显著促进干物质积累，提高水分生产率（WP）和氮肥农学效率（AEN），并优化土壤有机碳（SOC）与硝态氮残留。该研究为半干旱区玉米高产高效栽培提供了理论依据和技术支撑。

　　

在西北干旱半干旱地区，玉米生产长期受到水资源短缺和土壤肥力低下的双重制约。黄河灌区广泛使用的浑水灌溉虽能缓解旱情，但高含沙量易导致滴灌 emitter（灌水器）堵塞，降低灌溉均匀度，而废弃的塑料灌水器还会造成土壤污染。为解决这一难题，覆膜穴灌技术应运而生。该技术让水流在膜上流动，通过作物孔和专用灌水孔入渗，既避免了灌水器堵塞，又保持了节水效益。然而，如何在此基础上优化水氮调控，揭示其影响夏玉米干物质积累与产量形成的生理机制，仍是当前农业水资源高效利用领域亟待解决的关键问题。

为此，西安理工大学旱区农业水利工程与环境国家重点实验室的研究团队在2023–2024年开展了为期两年的田间试验，相关成果发表在《Journal of Agriculture and Food Research》上。研究采用L9(3³)正交设计，系统探究了不同含沙量（3、6、9 kg·m^?3）、灌溉量（0.50–0.65、0.65–0.80、0.80–0.95 FC，FC为田间持水率）和施氮量（120、180、240 kg·ha^?1）对夏玉米干物质积累与转运的影响。

研究团队运用了几项关键技术方法：首先是田间试验设计与实施，在防雨棚内设置正交试验处理，采用覆膜穴灌技术进行浑水灌溉，并精确控制土壤水分；其次是植物与土壤样品分析，定期测定根干物质（RDM）和茎叶干物质（SDM），并分析土壤有机碳（SOC）、铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^?-N）含量；第三是基于有效积温的Logistic生长模型构建与验证，用于模拟干物质动态积累过程并提取关键生长特征参数；最后是统计与综合评价，采用方差分析、相关性分析以及熵权TOPSIS（逼近理想解排序法）法对多指标进行综合评估。

3.1. 夏玉米土壤养分

结果表明，水氮调控对土壤养分状况有显著影响。中水氮供应（T5处理）能显著提高土壤有机碳（SOC）含量，两年平均增幅达7.5%，同时降低硝态氮（NO₃^?-N）残留。与常规管理（CK2）相比，T5处理在减少氮肥用量的情况下，SOC提升了9.4%，NO₃^?-N残留降低了10.8%，显示出其在改善土壤肥力和减少氮素淋失风险方面的优势。

3.2. 夏玉米干物质

3.2.1. 夏玉米根干物质

根干物质（RDM）随有效积温呈“慢-快-慢”的S型增长趋势。T5处理在两年中均获得最高RDM，分别达到2.80和2.85 t·ha^?1，较CK2处理显著提高13.1%和13.3%。低水氮处理（如T1、CK1）则表现出较早的RDM下降，表明养分胁迫导致根系早衰。

3.2.2. 夏玉米茎叶干物质

茎叶干物质（SDM）积累同样符合S型曲线。T5处理的SDM最大值在两年分别达到21.25和23.05 t·ha^?1，显著高于其他处理。这表明中水氮供应最有利于地上部生物量的积累。

3.2.3. 夏玉米根冠比

根冠比（RSR）随有效积温增加先升后降，反映了作物生长前期优先发展根系，后期转向地上部。T5处理在整个生育期保持了相对平衡的RSR，而水氮胁迫处理（如T1）的RSR显著偏高，表明其将更多资源分配给根系以应对胁迫，这是一种生存策略而非高效生长策略。

3.3. Logistic模型模拟

3.3.1. 根干物质Logistic动态建模

基于有效积温的Logistic模型对RDM的拟合效果优异，决定系数（R²）达98.99%–99.99%，标准化均方根误差（NRMSE）为4.0%–13.12%。模型验证表明其具有良好的预测能力。T5处理具有最高的最大生长速率（V_max = 0.0078 t·ha^?1·(°C·d)^?1），且达到最大生长速率所需的积温（t_max）适中。

3.2.2. 茎叶干物质Logistic动态建模

SDM的Logistic模型拟合精度同样很高（R² = 99.79%–99.99%）。T5处理表现出“高而稳”的生长特性：其V_max最高（0.047 t·ha^?1·(°C·d)^?1），且进入快速生长期所需的积温（t₂）最早，快速生长期持续时间（△t）适中，有利于形成强大的源库系统。

3.4. 干物质转运和积累

干物质转运分析显示，T5处理具有最低的花前干物质转运量（PDMR）和花前同化物对籽粒的贡献率（CAAG），但花后干物质积累量（Post-DM）和花后同化物对籽粒的贡献率（CPAG）最高，分别达到93.7%–95.3%。这表明T5处理延缓了营养器官衰老，籽粒充实更多地依赖于花后光合产物的直接供应。相反，缺氮处理（CK1）则高度依赖花前储存物质的再转运。

3.5. 产量和水分氮素利用效率

在产量和资源利用效率方面，T5处理表现最佳。其两年平均产量最高，较CK2处理增产19.03%–20.72%。同时，T5处理的水分生产率（WP）和氮肥农学效率（AE_N）也显著高于其他处理，实现了产量与资源效率的协同提升。收获指数（HI）分析表明，T5处理在获得高生物量的同时，保持了较高的籽粒分配比例，源库关系协调。

3.6. 干物质转运积累参数与产量和水分氮素利用效率的相关性分析

相关性分析进一步揭示了内在联系。根和茎叶的最大生长速率（RV_max, SV_max）与产量、花后干物质积累（Post-DM）、CPAG以及AE_N均呈显著正相关，而与花前转运指标（PDMR, DMTE, CAAG）负相关。这表明，促进花后持续高效的光合生产是提高产量的关键。

3.7. 基于熵权TOPSIS的综合评价

熵权TOPSIS综合评价结果显示，T5处理的相对接近度（C值）在两年均排名第一（0.981–0.986），远高于其他处理，证实了其中水氮耦合策略在改善土壤肥力、优化干物质积累与转运、提高产量和资源利用效率方面的综合优势最为突出。

综上所述，本研究通过构建温度驱动的Logistic生长模型，清晰阐明了覆膜浑水穴灌条件下，优化水氮耦合（T5处理：含沙量6 kg·m^?3，灌溉量0.65–0.80 FC，施氮量180 kg·ha^?1）可通过改善土壤环境、优化作物生长动态（表现为高V_max、适时进入快速生长期），进而促进花后干物质高效积累（高Post-DM和CPAG），最终实现夏玉米高产与水分、氮素高效利用的协同提升。该研究不仅为理解水氮调控影响玉米产量形成的生理机制提供了新视角，也为黄河灌区浑水灌溉条件下玉米节水节肥高产栽培提供了可操作的技术方案，对推动半干旱地区农业可持续发展具有重要意义。