摘要
依托 1978 年布设于甘肃省平凉市高平镇的黑垆土肥料定位试验，研究了陇东旱塬区长期施肥条件下春玉米干物质积累与水氮利用的变化特征。设置 6 个试验处理：不施肥、单施氮肥、氮磷肥配施、秸秆配施氮磷肥、单施有机肥、有机肥配施氮磷肥。结果表明：长期单施有机肥的春玉米籽粒产量和干物质积累量较氮磷肥配施分别提升了 20.24% 和 20.62%；施肥能促进营养物质向籽粒部分转化，使玉米籽粒占干物质的比例增加了 3.84 ～ 6.99 个百分点；有机肥配施氮磷肥显著提升了花前干物质转运量，秸秆配施氮磷肥显著提升了花后干物质积累对籽粒的贡献率，但是单施有机肥的优化效果最均衡。除单施氮肥外各施肥措施均显著提高了水分利用效率，施有机肥显著增加了 0 ～ 100 cm 土层土壤水分；单施有机肥最能促进植株地上部分（包括玉米籽粒）吸收氮素养分，而氮磷肥与其他肥料配合施用更能高效利用氮肥，但是要控制施氮量在玉米产量上限的需求范围内。主成分分析结果显示，秸秆配施氮磷肥对玉米干物质积累与转运的作用效果最佳，其次是单施有机肥。综上，在陇东旱塬区黑垆土上长期施用有机肥能有效促进春玉米干物质积累与水氮高效利用，充分发挥水肥耦合效应，保障农业可持续发展。
Abstract
This study investigated the variations in the characteristics of dry matter accumulation and water and nitrogen utilization of spring maize under long-term fertilization conditions in the Loess plateau of eastern Gansu，based on the long-term fertilizer positioning experiment of black loess soil，which was established in 1978 in Gaoping town， Pingliang city，Gansu province．Six treatments were included，namely：no fertilization，nitrogen alone，nitrogen and phosphorus，straw return combined with nitrogen and phosphorus，manure alone，manure combined with nitrogen and phosphorous．The results showed that the grain yield and dry matter accumulation of spring maize with long-term manure application alone increased by 20.24% and 20.62%，respectively，compared with those under the nitrogen and phosphorus fertilization．Fertilization promoted the conversion of nutrients to the grain part，increased the proportion of maize grains in dry matter by 3.84–6.99 percentage points．The combined application of manure with nitrogen and phosphorus significantly increased the quantity of dry matter translocation prior to flowering． Meanwhile，the combined application of straw with nitrogen and phosphorus significantly enhanced the contribution rate of post-flowering dry matter accumulation to grains．Nevertheless，the optimization effect achieved by the application of manure alone exhibited the most balanced performance．All fertilization measures except the application of nitrogen alone significantly enhanced the water use efficiency，while the application of manure significantly increased the soil moisture in the 0–100 cm soil layer．The application of manure alone was the most effective in promoting nitrogen nutrient absorption by the above-ground parts of the plant（including maize grains）．The combined application of nitrogen and phosphorus fertilizers in conjunction with other fertilizers enabled a more efficient utilization of nitrogen fertilizer．However，the amount of nitrogen application should be controlled within the range required by the upper limit of maize yield．The results of principal component analysis demonstrated that the combined application of straw with nitrogen and phosphorus had the most optimal effect on the accumulation and translocation of dry matter in maize，followed by the application of manure alone．In conclusion，in the black loess soil of the Loess plateau of eastern Gansu，long-term application of manure could effectively promote the dry matter accumulation of spring maize and the efficient utilization of water and nitrogen．It could fully unleash the effect of water–fertilizer coupling and ensure the sustainable development of agriculture.
土壤培肥是实现农作物优质高产和提升土壤地力的重要措施，对农田生态系统的物质循环起着关键调控作用[1]。在旱作农业系统中，化肥已成为生产过程中主要的养分输入来源[2]。而化肥对作物的增产效应遵循养分报酬递减规律，在化肥施用超过最佳施用量时会使肥料利用率大幅下降，并导致土壤养分水平失衡和过量硝酸盐积累的问题，给土壤生态环境带来负面影响[3-4]。因此，需要重视有机资源的循环利用和化肥的合理使用，将平衡肥料的施用作为基本原则，通过多元化施肥增加土壤养分库，提升养分利用效率，激发作物产量潜力，形成良性生产模式[5]。
玉米作为我国重要的粮饲兼用作物，具有生育期灵活、光合作用率高、环境适应性强等特点。玉米籽粒产量由干物质积累量的转化效率决定，受到经济系数的制约，而干物质积累又受到作物对水分和养分的吸收与转运效率影响[6]。有研究发现，水肥耦合不仅能有效增加玉米干物质积累量，提升籽粒产量占比，还有利于提高水分利用效率和优化营养物质的分配[7-8]。秸秆和粪肥富含多种营养元素，是具有可再生性质的有机肥源，配施化肥都对作物生长发育有正向作用。李青军等[9]研究结果表明，氮肥配施有机肥可以延长干物质积累的旺盛时间，增加干物质积累量，同时提升了氮肥利用率和氮肥农学效率。Agegnehu 等[10]进行的长期施肥试验发现，有机无机肥联合施用比单施任一种肥料都能显著提高作物籽粒产量。添加秸秆和有机肥均有利于土壤蓄水保墒，有研究证实，在玉米生长前期，秸秆腐解会与作物竞争水分导致生物量积累缓慢，当秸杆腐解一定时间后才会逐步释放养分并展现出保水优势[11]。而有机肥配施化肥降低土壤容重，提升土壤贮水量和水肥利用效率的效果较秸杆还田更好，二者的施加效应受添加量影响，过量则会产生反作用[12]。
陇东旱塬区农业受自然环境条件的限制而发展缓慢，该区干旱少雨，降水与作物关键生育期需水错位，导致产量年际间波动大[13]。加之土壤养分贫瘠、结构性差造成的土地退化和水土流失等问题，严重削弱了土地生产力。此外，资源滥用使作物水分和养分利用效率低下，土壤对极端干旱和养分缺乏的缓冲能力变弱，迫使农户不得不持续增加施肥量以维持作物产量，形成恶性循环。因此，探寻适宜的施肥措施对作物高产稳产，土壤培肥地力，高效利用水分与养分资源十分必要。尽管优化施肥的研究众多，其中不乏对作物生理指标的监测试验，但不同土壤类型对作物生长发育进程的影响存在差异，且长期施肥的效应变化缺少报道。本研究以 1978 年布设在甘肃平凉的黑垆土肥料定位试验为基础，研究长期施肥对旱作春玉米干物质积累和水氮利用效率的影响，旨在为促进该区有机资源利用，科学合理施肥和可持续生产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地位于平凉市农业科学院高平试验站（泾川县高平镇上湾村，35º16′N，107º30′E），海拔 1320 m，年均气温 8.9℃，≥ 10℃积温 2800℃，年降水量 626 mm，其中 60% 以上集中在 7—9 月，年蒸发量 1429 mm，无霜期 172 d，干燥度 0.39，光热资源丰富，水热同季，属黄土高原半湿润偏旱区。试验地地势平坦，土壤类型为旱地覆盖黑垆土，黄土母质，土体深厚疏松，利于植物根系伸展下扎，富含碳酸钙，腐殖质累积主要来自土粪堆垫。试验始于 1978 年，试验开始前耕层 （0～20 cm）土壤性质为有机质 10.75 g/kg、全氮 0.95 g/kg、全磷 0.57 g/kg、碱解氮 65.9 mg/kg、有效磷 6.77 mg/kg、速效钾 163 mg/kg、pH 8.20。2023 年试验区域降水量和气温概况见图1。
1.2 试验设计
试验共设 6 个处理：不施肥（CK）；单施氮肥 90 kg/hm2 （N）； 氮磷肥配施，N 90 kg/hm2 + P2O5 75 kg/hm2 （NP）； 秸秆配施氮磷肥，秸秆 3750 kg/hm2 + N 90 kg/hm2，隔年施P2O5 75 kg/hm2 （SNP）；单施有机肥 75 t/hm2 （M）；有机肥配施氮磷肥，有机肥 75 t/hm2 + N 90 kg/hm2 + P2O5 75 kg/ hm2 （MNP）。试验为大区设计，面积 666.7 m2，每个大区按顺序划分为 3 个小区作为重复。1979— 1996 年试验按 2 年春玉米、4 年冬小麦轮作种植， 1997—1998 年冬小麦连作，1999 和 2000 年分别种植高粱和大豆，2001—2023 年试验仍按 2 年春玉米、4 年冬小麦轮作种植。玉米露地穴播，密度 5.25 万株 /hm2；小麦机械条播，播量 187.5 kg/hm2，本试验于 2023 年春玉米时期进行，供试玉米品种为“五谷 738”。
图12023 年试验区域降水量和月平均温度
供试氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5 16%）。有机肥为羊粪为主的厩肥，养分含量多年平均为 C 30.1%、N 0.16%、P2O5 0.16%、 K2O 1.48%。添加秸秆为当季作物小麦或玉米的秸秆，收获后切碎翻埋入土壤，玉米和小麦秸秆多年平均 N、P2O5、K2O 含量分别为 0.80%、0.04%、 0.99% 和 0.52%、0.03%、1.06%。试验用所有物料播前全部一次性基施，SNP 处理磷肥为每 2 年施用 1 次，其余施肥处理均为每年施肥。试验区为雨养农业，依靠自然降水，各处理其他管理措施一致。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 干物质积累及产量测定
选取春玉米大喇叭口期、吐丝期、乳熟期和成熟期共 4 个时期，各处理分别取 3 株地上部分植物样，将植株样品分为叶片、茎鞘、穗轴、苞叶和籽粒，于 105℃杀青 30 min，经 80℃恒温烘干至恒重，测定其干物质积累量。玉米采取实收测产的方式，将各小区玉米籽粒机械收获后晾晒称重，按照 14% 含水率折算籽粒产量。
干物质转运及相关指标计算[14]：
花前干物质转运量（kg/hm2）＝开花期营养器官干重-成熟期营养器官干重；
花前干物质转运效率（%）＝花前干物质转运量 / 开花期营养器官干重 ×100；
花前干物质转运对籽粒的贡献率（%）＝花前干物质转运量 / 籽粒重量 ×100；
花后干物质积累量（kg/hm2）＝成熟期籽粒产量-花前干物质转运量；
花后干物质积累对籽粒的贡献率（%）＝花后干物质积累量 / 籽粒重量 ×100。
1.3.2 土壤水分利用效率计算[15]
在玉米播种前和成熟期，按照“S”形采样法采集各小区 0～200 cm 土样，间隔 20 cm 为一层，每层取约 30 g 作为分析样品，装入铝盒，带回实验室后于 105℃烘 48 h，测定土壤含水量。
土壤贮水量计算公式：
式中，SW 为土壤贮水量（mm）；i 为土壤层次；D 为土壤容重（g/cm3）；H 为土层厚度（cm）；W 为土壤质量含水量（%）。
作物生育期耗水量计算公式：
式中，ET 为作物生育期耗水量（mm）；ΔW 为播种和收获时土壤贮水量之差；P 为全生育期降水量（mm）；I 为生育期灌溉量（mm）；K 为地下水补给量（mm）；R 为地表径流量（mm）。本试验区地势平坦，土层深厚，地下水埋深 >100 m，各处理小区边缘封闭，试验地为旱作农业不进行灌溉，因此 I、K、R 值均可忽略不计。
水分利用效率计算公式：
式中，WUE 为水分利用效率[kg/（hm2 ·mm）]；Y 为作物籽粒产量（kg/hm2）；ET 为玉米整个生育期耗水量（mm）。
1.3.3 氮肥利用效率
于玉米成熟期按每个小区随机取样 5 株，将植株样品分为茎叶和籽粒，在 105℃烘箱中杀青 30 min，经 80℃恒温烘干至恒重，用粉碎机粉碎后过 0.25 mm 筛，装入自封袋中带回实验室，利用全自动碳氮分析仪测定植株氮素含量[16]。
氮素利用相关指标计算[17]：
植株吸氮量（kg/hm2）＝植株含氮量 × 植株干重；
氮肥利用率（%）＝（施氮区玉米地上部吸氮量-对照区玉米地上部吸氮量）/ 施氮量 ×100；
氮肥农学效率（kg/kg）＝（施氮区玉米籽粒产量-不施氮区玉米籽粒产量）/ 施氮量；
氮肥偏生产力（kg/kg）＝施氮区玉米籽粒产量 / 施氮量。
1.4 数据处理
试验数据采用 Excel 2019 和 Origin 2021 整理汇总并制作图表，SPSS 21.0 进行统计分析。用 Duncan 多重比较法检验处理间差异显著性（P<0.05），用 Person 法进行相关性分析。
2 结果与分析
2.1 长期定位施肥对干物质积累与转运的影响
2.1.1 春玉米干物质积累量
由表1可知，春玉米收获期干物质积累主要集中在籽粒部分，占总干物质积累量的 46.19%～53.17%，其次是茎鞘部分，叶片部分干物质积累量最低。除 N 处理外，各施肥处理不同部位和总干物质积累量均显著高于 CK，其中籽粒部分和总干物质积累量按其高低排序均为 M>MNP>SNP>NP>N>CK；M 和 MNP 处理较 NP 处理的总干物质积累量分别提高了 20.62% 和 20.00%，籽粒产量分别提高了 20.24% 和 19.64%。各处理不同部位和总干物质积累量明显分为 3 个梯度，M 和 MNP 处理最高，其次是 SNP 和 NP 处理，N 和 CK 处理最低，各梯度之间差异性显著。
表1施肥对春玉米收获期干物质积累量的影响
注：同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。
2.1.2 春玉米不同生育时期各器官干物质分配比例
如图2所示，随春玉米生育期由大喇叭口期到成熟期推进，叶片部分的干物质分配比例呈下降趋势，尤其在吐丝期降幅最大，比例下降达到 14.93%～23.72%，成熟期叶片分配比例 （7.89%～11.43%）最小。茎鞘干物质分配比例呈阶梯式下降，由最高的大喇叭口期（56.47%～6 2.37%）下降至成熟期（23.04%～27.19%），各处理之间整体表现出在吐丝期施肥处理茎鞘干物质分配比例比 CK 高，其他生育期比 CK 低的趋势。籽粒干物质分配比例在乳熟期和成熟期迅速升高，最高为 SNP 处理（53.17%），高出 CK 6.99 个百分点；施肥处理均高于 CK，可见叶片和茎鞘干物质向籽粒干物质转化的趋势。其他部位干物质分配比例由吐丝期（30.99%～40.19%） 至成熟期（15.07%～16.11%） 明显下降，且在吐丝期（除 N 处理外）和成熟期施肥处理均低于 CK。
图2施肥对春玉米不同生育时期各器官干物质分配比例的影响
2.1.3 春玉米干物质转运量、转运率及其对籽粒的贡献率
由表2可知，花前干物质转运量和对籽粒贡献率整体表现为茎鞘部分高于叶片部分。除 N 处理外，其他施肥处理的花前干物质转运量均显著高于 CK，其中叶片部分 MNP 处理最高，较 CK 提高了 150.36%，茎鞘部分 M 处理最高，较 CK 提高了 185.52%。各施肥处理花前干物质对籽粒贡献率均低于 CK，其中叶片部分各施肥处理较之降低了 1.61%～6.63%，茎鞘部分各施肥处理较之降低了 0.33%～10.30%。NP 和 SNP 处理的叶片部分花前干物质转运效率高于 CK，M 和 MNP 处理的茎鞘部分花前干物质转运效率高于 CK，其他处理均低于 CK，可见施用肥料差异表现在春玉米花前干物质转运效率的叶片和茎鞘部分侧重区别。各施肥处理花后干物质积累量均显著高于 CK，其中 M 处理最高，较CK 提高了 213.82%，花后干物质对籽粒的贡献率均在 70% 以上，各施肥处理均高于 CK，SNP 处理最高（达到 85.87%），较 CK 提高了 13.19 个百分点。
2.1.4 春玉米干物质积累与转运指标的主成分分析
长期定位施肥下春玉米干物质积累、转运与产量指标的主成分分析如图3所示。第一主成分因子特征值为 3.91，方差贡献率为 55.9%；第二主成分因子特征值为 3.02，方差贡献率为 43.1%；其累计方差贡献率达到 98.9%，说明这两个主成分可以代表7 个指标 98.9% 的信息，具有很高的解释率。第一主成分中，特征向量绝对值大于 0.4 的指标分别是花前干物质转运量、总干物质积累量、籽粒产量、花后干物质积累量，称为计量因子，以上因子对第一主成分贡献最大；第二主成分中，特征向量绝对值大于 0.4 的指标分别是花前干物质对籽粒贡献率、花后干物质对籽粒贡献率、花前干物质转运效率，称为效率因子，以上因子对第二主成分贡献最大。此外，花后干物质对籽粒的贡献率与第一主成分呈负相关，花前干物质对籽粒的贡献率、花前干物质转运效率、花前干物质转运量与第二主成分呈负相关，其他指标与第一、二主成分均呈正相关。在各处理得分方面，第一主成分中排序为 MNP>M>NP>SNP>CK>N，第二主成分中排序为 SNP>NP>N>M>MNP>CK，综合得分排序为 SNP>M>MNP>NP>N>CK，这说明 MNP 处理在干物质积累计量指标上表现最好，SNP 处理在干物质积累效率指标上表现最好。整体而言，SNP 处理在春玉米干物质积累与产量提升等方面表现最好，施肥效果最佳，其次是 M 处理。
表2施肥对春玉米干物质转运量、转运率及其对籽粒贡献率的影响
图3春玉米干物质积累、转运与产量指标的主成分分析
注：GY 表示籽粒产量；TDMA 表示总干物质积累量；TCA 表示花前干物质转运量；TRA 表示花前干物质转运效率；CRA 表示花前干物质对籽粒的贡献率；TCB 表示花后干物质积累量；CRB 表示花后干物质对籽粒的贡献率；下同。
2.2 长期定位施肥对土壤水分利用效率的影响
2.2.1 土壤贮水量
如图4所示，土壤贮水量整体呈现出收获期高于播种前，且存在 CK 和 N 处理的土壤贮水量差大于其他施肥处理，MNP 处理的土壤贮水量差最小的趋势。随着土层的加深，CK、M 和 MNP 处理在播种前的上层（0～100 cm）土壤贮水量高于下层 （100～200 cm）土壤，N 和 NP 处理趋势相反，SNP 处理趋势不明显；SNP、M 和 MNP 处理在收获期的上层土壤贮水量高于下层土壤，CK 和 NP 处理趋势相反，N 处理趋势不明显。在播种前，N 处理的上层土壤贮水量最低，SNP 处理最高；CK 的下层土壤贮水量最低，NP 处理最高；其他施肥处理的土壤贮水量均高于 CK，但其处理之间差异不明显。在收获期，N 处理的上层土壤贮水量最高，NP 处理的 0～40 cm 土层土壤贮水量最低，MNP 处理的 60～100 cm 土层土壤贮水量最低，其他施肥处理的 60～100 cm 土层土壤贮水量均低于 CK；下层土壤贮水量在各处理之间差异明显，按其高低排序为 CK>N>NP>SNP>M>MNP。
2.2.2 生育期耗水量和水分利用效率
如图5所示，春玉米生育期耗水量和水分利用效率在处理间差异显著，尤其是 NP、SNP、 M 和 MNP 处理与 CK 和 N 处理之间呈显著梯度差。各处理生育期耗水量按其高低排序为 MNP>M>SNP>NP>N>CK，N 处理与 CK 的生育期耗水量差异较小，其他施肥处理的生育期耗水量均显著高于 CK，且较 CK 提高了 30.13%～39.70%。此外，MNP 处理的生育期耗水量显著高于 NP 处理，且较之提高了 7.36%。各处理水分利用效率按其高低排序为 M>MNP>SNP>NP>N>CK，各施肥处理水分利用效率均显著高于 CK，其中 M 处理较 CK 提高了 9.88 kg/（hm2 ·mm）。此外，M 和 MNP 处理的水分利用效率显著高于其他施肥处理，且分别较 NP 处理提高了 2.49 和 1.83 kg/（hm2 ·mm）。可见施有机肥相比氮磷施肥的春玉米水分利用更高效。
图4施肥对土壤播种前和成熟期贮水量的影响
图5施肥对春玉米生育期耗水量和水分利用效率的影响
注：图柱和曲线上不同小写字母分别表示不同处理间差异显著（P<0.05）。
2.3 长期定位施肥对氮肥利用效率的影响
由表3可知，各处理整体表现出春玉米籽粒吸氮量高于茎叶吸氮量的趋势，除 N 处理的茎叶吸氮量较 CK 小幅降低外，其他施肥处理的茎叶和籽粒吸氮量均显著高于 CK，其中 M 处理最高，分别较 CK 提高了 88.12% 和 216.56%。各处理地上部总吸氮量按其高低排序为 M>MNP>SNP>NP>N>CK，且各施肥处理地上部总吸氮量显著高于 CK，其中 M 和 MNP 处理较 CK 分别提高了 156.72% 和 111.69%；此外，M 处理的地上部总吸氮量显著高于其他施肥处理。NP、SNP 和 MNP 处理的氮肥利用率和氮肥农学效率均显著高于 N 处理，其中氮肥利用率高出 N 处理 44.88～47.95 个百分点，氮肥农学效率高出 N 处理 42.08～53.78 kg/kg。各施氮肥处理间氮肥偏生产力差异显著，NP、MNP 和 SNP 处理的氮肥偏生产力分别较 CK 显著提高了 53.78、38.43 和 31.22 kg/kg。
2.4 春玉米干物质积累与水氮利用的相关性分析
长期定位施肥下春玉米干物质积累与水氮利用的相关性如图6所示，选取籽粒产量、总干物质积累量与 5 项生育期干物质积累相关指标、5 项水氮利用相关指标进行相关性分析。籽粒产量与总干物质积累量、花前干物质转运量、花后干物质积累量和各水氮利用指标均呈极显著正相关，且相关系数排名前三为总干物质积累量 >水分利用效率 >花后干物质积累量。此外，总干物质积累量还与花前干物质转运量、花后干物质积累量和各水氮利用指标均呈极显著正相关。在细化指标内部，除花前干物质转运量和花后干物质积累量与各水氮利用指标存在显著相关性外，其他 3 项干物质积累指标与各水氮利用指标均不相关；花后干物质对籽粒的贡献率与花前干物质 3 项指标均呈极显著负相关；各水氮利用指标之间均呈极显著正相关。
表3施肥对春玉米氮吸收和氮肥利用的影响
图6春玉米干物质积累与水氮利用效率的相关性分析
注：ET 表示生育期耗水量；WUE 表示水分利用效率；NUE 表示氮肥利用率；NAE 表示氮肥农学效率；NPP 表示氮肥偏生产力。* * 表示 0.01 水平上显著相关；* 表示 0.05 水平上显著相关。
3 讨论
干物质积累是形成作物产量的基础，是衡量作物生长状况优劣和营养吸收多寡的重要指标。本研究发现，长期单施氮处理的玉米籽粒产量和干物质总积累量较 CK 差异不明显，可能与单施氮肥下土壤磷素的收支不平衡有关。土壤磷素处于亏缺状态时，作物的氮素营养相对过剩，长期对土壤磷素的消耗导致磷素成为限制养分因子，当养分供给无法满足作物需求，则会抑制作物干物质的积累[18-19]。而氮磷配施提供了足够养分和适宜的氮磷比，便明显减弱了作物生长期间的缺素效应，保障了作物干物质稳定积累，这表现在本研究中 NP 处理的干物质积累状况不差于 SNP 处理。SNP 处理的花前干物质转运量低于 NP 处理，其花后干物质积累贡献率却最高，可知添加秸秆表现出延后效应。秸秆作为富含碳、氮营养元素的有机资源，能够替代部分化肥的肥效[20]，然而秸秆的腐解需要与作物争夺土壤原有养分，因此在玉米生长前期生物量积累缓慢，这可能使玉米的营养器官发育不良，对玉米花后关键生育期的干物质积累造成反作用，即使秸秆后效也无法突破此营养器官的干物质积累阈值。常晓等[21]研究认为玉米植株花前积累的干物质对籽粒的贡献率小于 30%，与本研究结果一致，说明玉米干物质的积累主要依靠花后干物质积累的贡献。施有机肥处理对玉米各部位干物质积累量的提升效果显著，在多项研究[12，22-23]中被证实。原因在于有机肥能改善土壤养分形态结构，降低养分矿化速率从而减少损失，协调玉米肥料供需同步性。刘占军等[24]研究认为化肥配施有机肥能延缓作物营养器官的衰老，促进花前干物质向籽粒的转运，提高玉米生育后期干物质积累量。在本研究中 M 处理的玉米干物质积累表现比 MNP 处理更好，MNP 处理的花前干物质转运量最高，但花后干物质积累贡献率要低于其他施肥处理。由此推断当长期施有机肥的土壤速效养分维持在一定量时，再配施化肥会使土壤有效养分达到阶段性饱和，在作物生育前期茎叶旺长，消耗养分多，花前干物质转运相对更多，直至花后干物质积累时期的养分供应减弱，影响花前与花后干物质积累对籽粒的贡献占比。此外，玉米生育时期各器官干物质分配比例变化与曹议丹等[7]研究结果类似，呈现出叶片和茎鞘部分占比从大喇叭口期开始逐渐降低至成熟期不足 40%，籽粒占比在乳熟期快速积累至成熟期的 50% 以上，其他部位从吐丝期到乳熟期快速降低的趋势。施肥处理的籽粒占比均高于 CK，可见施肥对促进营养物质向籽粒转化的优势明显。
提高土壤水分积蓄能力和作物水肥利用效率是旱地农业资源高效利用与持续发展的关键。试验结果表明，除长期单施氮处理外的各施肥处理均显著提升了播前土壤贮水量、玉米生育期耗水量和水分利用效率，与多项研究[15，22，25]结果一致。适宜的秸秆和有机肥替代比例有利于土壤蓄水保墒，能有效促进玉米根系生长和冠层发育，提高其蒸腾能力并加速生长发育代谢周期，以此吸收利用更多深层土壤水分[26]。有研究认为，长期施用秸秆和有机肥会明显降低耕层土壤容重，提升土壤通气和透水性能，但是当有机肥施用过量时，反而会抑制作物对水分的吸收[12]。整体而言，施有机肥处理的上层土壤贮水量高于下层土壤，而单施化肥处理趋势相反；在收获期，SNP、M 和 MNP 处理的上层土壤贮水量与 CK 差异不大，而下层土壤贮水量较 CK 和 N 处理大幅降低。这进一步证明长期单施化肥土壤保水性能差，作物不能充分利用深层土壤水分，而长期施有机肥可以有效缓解干旱引起的土壤水分胁迫，持续向上供给水分，始终保持上层土壤水分充足[27]。此外，MNP 处理的玉米生育期耗水量最高，而 M 处理的水分利用效率最高。原因可能是当施肥量过多时引起根区盐离子浓度骤增，加快根系吸水速率，导致作物产生无效的水分消耗，影响产量的同时降低了水分利用效率[26]。本研究发现，M 处理的籽粒吸氮量和地上部总吸氮量最高，甚至显著高于 SNP 和 MNP 处理，这可能与长期施用有机肥的种类数量和耕作方式等多种因素对土壤可利用氮素的影响有关，需进一步研究。另外，N 处理的各项氮肥利用指标值都非常低，这证明了氮肥与其他肥料配合施用的重要性。多项研究发现，在施用氮磷肥并添加秸秆或有机肥能显著增加各氮肥利用指标值的前提下，再过量施氮会降低氮肥农学效率和偏生产力[26，28]，这与本研究结果相符，玉米籽粒产量的增幅会随着接近其产量潜力上限而急速下降，因此，应在保证产量稳定的前提下，减少施肥量以避免氮素养分的无效释放，充分发挥土壤水分和养分对作物生长的协同作用[29]。
主成分分析结果表明，计量因子和效率因子指标组合对于表征玉米干物质积累与转运状况有很高的解释度。得分情况显示，MNP 处理对干物质积累量的提升表现最好，SNP 处理对干物质积累效率的提升表现最好，整体而言，SNP 处理对玉米干物质积累与转运的作用效果最佳，其次是 M 处理。相关性分析结果表明，玉米籽粒产量和总干物质积累量与各干物质积累计量指标和各水氮利用指标均呈极显著正相关，说明干物质积累与水肥利用之间存在紧密联系，共同影响籽粒产量；从各干物质积累指标与水氮利用指标之间的关系看出，玉米对水分和氮肥的利用只会影响干物质积累量的多少，并不能影响玉米内部干物质转运效率和对籽粒的贡献程度，这方面是由玉米自身特性决定的。
4 结论
长期秸秆配施氮磷肥、单施有机肥和有机肥配施氮磷肥均显著提升了春玉米籽粒产量和干物质积累量，尤其是单施有机肥较氮磷肥配施分别提升了 20.24% 和 20.62%；施肥能促进营养物质向籽粒转化，使玉米籽粒占干物质的比例增加了 3.84～6.99 个百分点；有机肥配施氮磷肥显著提升了花前干物质转运量，秸秆配施氮磷肥显著提升了花后干物质积累对籽粒的贡献率，但都不及单施有机肥的优化效果均衡。除单施氮肥外的各施肥措施均显著提高了水分利用效率，而施有机肥显著增加了 0～100 cm 土层土壤水分；单施有机肥最能促进植株地上部分 （包括玉米籽粒）吸收氮素养分；氮磷肥与其他肥料配合施用更能高效利用氮肥，但要控制施氮量在玉米产量上限所需求范围内，以免造成肥料资源浪费。综上，在陇东旱塬区黑垆土上长期施用有机肥能有效促进春玉米干物质积累与水氮高效利用，充分发挥水肥耦合效应，保障农业可持续发展。