鹽漬化土壤優(yōu)化磷配比下施氮水平對(duì)土壤水鹽及產(chǎn)量的影響

符 鮮，楊樹青，劉德平

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)西北重要的農(nóng)業(yè)精華地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥用量逐漸增大，而肥料的利用效率一直得不到提高。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施肥可以提高肥料的利用率、協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，對(duì)作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)有極大的促進(jìn)作用[1,2]。同時(shí)，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)土壤鹽漬化發(fā)育的典型地區(qū)，輕度以上鹽堿化土地占耕地面積50%以上，鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，這樣就導(dǎo)致作物對(duì)氮素的吸收降低，從而增加了氮素的潛在淋失量，對(duì)地下水環(huán)境造成污染[3]。

平衡施肥能有效地緩解土壤養(yǎng)分和鹽分的積累,降低土壤次生鹽漬化的程度[4]。許多研究表明氮、磷配合施用，以氮促磷，以磷促氮，可以明顯地增加作物產(chǎn)量[5,6,7]，同時(shí)，氮磷配施可明顯促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，擴(kuò)大覓水空間，提高作物水分利用效率[8,9]。土壤中較大的鹽分濃度可以通過(guò)改變滲透勢(shì)而影響作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，從而抑制作物的生長(zhǎng)[14]。當(dāng)土壤受鹽害的程度較輕時(shí)，盲目地增施氮肥可能造成氮肥的浪費(fèi)，當(dāng)土壤鹽分含量較高時(shí)，少量增施氮肥對(duì)作物促進(jìn)生長(zhǎng)的作用并不明顯[10]。本文以內(nèi)蒙河套鹽漬化灌區(qū)為背景，研究?jī)?yōu)化磷配比下套作小麥/玉米不同施氮水平對(duì)土壤水鹽及產(chǎn)量的影響，揭示施氮水平與土壤水鹽及產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而提出合理的氮磷配施模式，對(duì)河套灌區(qū)鹽漬化耕地肥料資源的合理、高效利用，作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣壩楞試驗(yàn)示范基地，試驗(yàn)區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量138.2 mm，年均蒸發(fā)量為2 381 mm，年平均日照時(shí)數(shù)3 180 h，太陽(yáng)總輻射量為6200 MJ/m2，年平均風(fēng)速為2.5～3 m/s，多年平均無(wú)霜期為130～168 d。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為壤土，土壤鹽分含量為0.81 mS/cm，試驗(yàn)前表層0～20 cm土壤的基本性狀見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)土壤的基本性狀Tab.1 The basic properties of test soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)選擇地勢(shì)平坦、整齊、肥力均勻，具有代表性的鹽漬化耕地布置田間試驗(yàn)，采用小麥玉米套作的種植方式，種子采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)產(chǎn)品(小麥為永良4號(hào)；玉米為西蒙168)。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積為6×12=72 m2。氮肥施量參考精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最佳推薦施肥量，施肥水平：0水平=不施肥、1水平=2水平×0.5、2水平=設(shè)計(jì)最優(yōu)施肥量、3水平=2水平×1.5。施用肥料為氮肥—尿素(N46.2%)、磷肥—磷酸二胺(N18%、P2O546%)。施肥方式：小麥試驗(yàn)中N肥的50%與全部的磷肥在播種前基施，其余50%N肥在一水前追施；玉米試驗(yàn)中N肥的40%及全部的磷肥在播種前基施，其余N肥的20%、20%、20%分別在小麥玉米套作的三水、四水、五水追施。小麥、玉米分別于3月21日、4月21日施底肥、播種，7月15日和9月16日收獲，小麥、玉米種植密度分別為690、6.4 萬(wàn)株/hm2，在全生育期內(nèi)共灌6水，分別在5月6日，5月21日，6月10日，6月19日，7月8日，8月11日灌水，灌溉定額為750 m3/hm2。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

在小麥玉米的苗期(小麥4月28日、玉米5月20日)、拔節(jié)期(小麥5月20日、玉米6月8日)、抽穗(雄)期(小麥6月8日、玉米7月17日)、灌漿期(小麥6月18日、玉米8月23日)、成熟期(小麥7月8日、玉米9月19日)用土鉆取樣法采集0～100 cm土層土樣，每20 cm為1層，共分為5層，其中一小部分土裝入鋁盒中用于測(cè)土壤含水率，剩余的土則裝入自封袋中用于測(cè)定土壤的鹽分。小麥測(cè)產(chǎn)時(shí)，在各試驗(yàn)小區(qū)選取典型的1 m2，單獨(dú)收獲，曬干脫粒測(cè)產(chǎn)。玉米測(cè)產(chǎn)時(shí)，各試驗(yàn)小區(qū)連續(xù)取10株，自然風(fēng)干脫粒后測(cè)產(chǎn)。

表2 春小麥、玉米試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.2 Spring wheat, corn, design of experiment table

土壤含水率的測(cè)定采用烘干法；土壤鹽分的測(cè)定：采集的土樣經(jīng)自然風(fēng)干碾細(xì)后過(guò)篩，按土水比為1∶5制備土壤水浸提液，用上海雷磁DDS-307實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤的電導(dǎo)率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Office 2003和Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，方差分析用LSD多重比較法。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化磷配比下施氮水平對(duì)土壤水分的影響

由圖1可知，套作小麥全生育期內(nèi)，土壤含水率整體呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，苗期到拔節(jié)期土壤含水率增大，在此期間有灌水補(bǔ)充，且小麥生長(zhǎng)緩慢需水量較少，小麥幼苗的生長(zhǎng)使麥地覆蓋度有所增加，相對(duì)減少了土壤水分的蒸發(fā)，含水率增大。從拔節(jié)期到灌漿期，小麥進(jìn)入快速生長(zhǎng)時(shí)期，需水量迅速增加，氣溫升高，蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致土壤含水率明顯持續(xù)下降。套作小麥由于在拔節(jié)期前小麥需水量較少，氮肥沒(méi)有充分水解而得不到充分發(fā)揮，各處理間土壤含水率差異較小；隨著時(shí)間的推移氮肥得到了充分的水解，套作小麥也隨著生育期的不斷推進(jìn)進(jìn)入了生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，各處理間土壤含水率差異增大，土壤含水率隨著施氮水平的提高逐漸減小。

從圖2可以看出，套作玉米的土壤含水率在整個(gè)生育期內(nèi)是降升降的趨勢(shì)，苗期到拔節(jié)期，氣溫開(kāi)始回升蒸發(fā)量增加，玉米生長(zhǎng)需要的水分也增多，土壤含水率減??；抽雄期前有多次灌水，小麥這時(shí)也已經(jīng)收獲，導(dǎo)致土壤含水率達(dá)到最高；抽穗期以后，玉米植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，耗水量增加幅度加大，使土壤含水率降至最低；成熟期因有降雨補(bǔ)充使含水率較灌漿期有所上升。套作玉米從苗期到抽雄期施氮水平對(duì)土壤含水率的影響較大，施氮水平提高，土壤含水率降低，但當(dāng)施氮水平超為N3水平(405 kg/hm2)時(shí)，土壤含水率反而增大；在灌漿期施氮水平對(duì)土壤含水率的影響不顯著。

圖1 不同施氮水平下小麥土壤水分變化規(guī)律Fig.1 The change rule of wheat soil moisture under different nitrogen levels

圖2 不同施氮水平下玉米土壤水分變化規(guī)律Fig.2 The change rule of maize soil moisture under different nitrogen levels

由圖1、圖2可知，套作小麥玉米各處理均以N2P2處理土壤含水率最低，合理的氮磷配施可以促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育，能加強(qiáng)作物根系吸水能力，提高作物水分的利用程度，使土壤含水率降低，而氮肥用量達(dá)到一定限度后反而抑制作物對(duì)土壤水分的吸收。與許多研究的結(jié)果基本一致，適量提高施氮量，可促進(jìn)冬小麥根系生長(zhǎng)及對(duì)深層土壤水分的利用，提高水分利用效率[18,19,20]。

套作小麥玉米土壤含水量隨著土層深度的增加隨之增加，60 cm土層以下的土壤含水率基本穩(wěn)定。小麥玉米共生期間，小麥正在生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，需水量較大，而小麥的土壤含水率與玉米的土壤含水率相差較小，含水率差值僅在1%～3%之間波動(dòng)，說(shuō)明這期間小麥對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)力大于玉米，能獲取更多的水分資源并且高效地利用。小麥?zhǔn)斋@后玉米土壤含水率迅速下降，明顯地恢復(fù)并提高了對(duì)水資源的利用能力。

2.2 優(yōu)化磷配比下施氮水平對(duì)土壤鹽分的影響

對(duì)套作小麥全生育期土壤EC值的變化規(guī)律分析可知(見(jiàn)圖3)，苗期到抽穗期土壤EC值呈增加的趨勢(shì)，在抽穗期小麥土壤EC值達(dá)到最高，隨后土壤EC值逐漸減小。苗期土壤EC值最小，拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期的土壤EC均值較苗期分別提高了42.17%、62.65%、34.94%、9.64%。

圖3 不同施氮水平下小麥全生育期土壤EC值的變化規(guī)律Fig.3 The change rule of wheat soil EC value in the whole growth stages under different nitrogen levels

套作玉米全生育期土壤EC值的變化規(guī)律(見(jiàn)圖4)：拔節(jié)期土壤EC值最高，苗期、抽雄期、灌漿期、成熟期的土壤EC值較拔節(jié)期的土壤EC均值分別下降了6.47%、8.63%、23.02%、20.14%，隨著玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，土壤EC值逐漸降低，灌漿期和成熟期EC值相差較小。

圖4 不同施氮水平下玉米全生育期土壤EC值的變化規(guī)律Fig.4 The change rule of maize soil EC value in the whole growth stages under different nitrogen levels

從圖3、圖4可得出套作小麥/玉米土壤EC值均隨著施氮水平的提高呈先減小后增大的趨勢(shì)，許多研究也認(rèn)為施加氮肥能夠緩解鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的有害影響[11,12]，但施用過(guò)量氮肥又有可能會(huì)加重土壤的鹽漬化并且抑制作物生長(zhǎng)[13]。N2P2處理的施氮水平下土壤EC值最小，但當(dāng)施氮水平提高到N3P2處理的施氮水平時(shí)，土壤EC值不再隨著施氮水平的提高而減小。說(shuō)明氮磷合理的配施促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)和作物根系的生長(zhǎng)，提高了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，施入的養(yǎng)分大部分就隨著作物的吸收而進(jìn)入了植物體內(nèi)，減少了殘留在土壤中的養(yǎng)分，進(jìn)而減少了土壤中鹽分的來(lái)源，降低了土壤所含鹽分。

套作小麥玉米的土壤EC值隨著土層深度的增加而降低，土壤表層蒸發(fā)量大，EC值明顯高于其下各層，出現(xiàn)鹽分表聚的現(xiàn)象，20～40 cm土層土壤EC值大幅度降低，40 cm以下各土層EC緩慢上升。套作小麥玉米共生期玉米行土壤EC值大于小麥行土壤EC值，施肥處理與不施肥的處理相比，施肥均減小了土壤EC值，且較對(duì)照處理小麥EC均值分別減小了11.7%、15.28%、29.9%、21.83%，玉米EC均值分別減小了8.31%、20.49%、50.05%、39.88%，施肥對(duì)玉米土壤EC值的影響明顯大于小麥。

2.3 優(yōu)化磷配比下施氮水平對(duì)作物產(chǎn)量的影響

由圖5分析可知，經(jīng)方差分析各施肥處理間作物產(chǎn)量差異均顯著(P<0.05)，與不施肥處理相比，套作小麥分別增產(chǎn)14.04%、34.44%、66.28%、45.76%，套作玉米產(chǎn)量分別提高了20.50%、35.69%、64.51%、49.32%，施肥使作物的產(chǎn)量均明顯增加，且小麥、玉米在N2P2處理下的增產(chǎn)率最高。在優(yōu)化磷配比下作物的產(chǎn)量隨著施氮水平的提高而增加，但當(dāng)施氮水平達(dá)到N3水平時(shí)，作物的產(chǎn)量有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明合理的氮磷配施(N2P2)能夠有效的提高作物的產(chǎn)量。這與許多研究的結(jié)果一致，適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi), 隨著施氮量的增加,小麥的生物量和產(chǎn)量都明顯增加[5,15]，而施氮量超過(guò)一定量時(shí)，小麥產(chǎn)量反而降低[15,16]，氮素利用率下降，造成巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成不良的影響[17]。

注:不同字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。圖5 不同施氮水平下作物的產(chǎn)量變化Fig.5 The change of crop yield under different nitrogen levels

2.4 施氮水平與土壤含水率、鹽分及作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

表3、表4的相關(guān)性分析結(jié)果表明，施氮量與土壤含水率之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與土壤鹽分的相關(guān)性為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與產(chǎn)水平之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，由此可見(jiàn)土壤鹽分、作物產(chǎn)量受施氮水平的影響最大，其次為土壤含水率。由表還可知，土壤含水率與土壤鹽分呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與套作小麥產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與套作玉米產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，土壤鹽分與產(chǎn)量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)的關(guān)系，說(shuō)明作物產(chǎn)量與土壤含水率、土壤鹽分之間相互關(guān)系密切。

表3 施氮水平與小麥土壤含水率、鹽分、產(chǎn)量之間的相關(guān)性Tab.3 The correlation between N application level andwheat soil moisture content, salt, yield

注:*表示差異達(dá)5%顯著水平，**表示差異達(dá)1%顯著水平。

表4 施氮水平與玉米土壤含水率、鹽分、產(chǎn)量之間的相關(guān)性Tab.4 The correlation between N application level andwheat soil moisture content, salt, yield

注:*表示差異達(dá)5%顯著水平，**表示差異達(dá)1%顯著水平。

3 結(jié) 論

(1)在小麥全生育期內(nèi)，土壤含水率呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)；土壤鹽分先增加，在抽穗期達(dá)到最高，之后逐漸降低。玉米的土壤含水率在整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)降升降的趨勢(shì)，在灌漿期達(dá)到最低；玉米土壤鹽分在拔節(jié)期達(dá)到最高，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，土壤鹽分逐漸降低。

(2)套作小麥玉米土壤含水量隨著土層深度的增加隨之增加，60 cm土層以下的土壤含水率基本穩(wěn)定；，小麥對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)力大于玉米，能獲取更多的水分資源并且高效地利用。套作小麥玉米的土壤EC值隨著土層深度的增加而降低，土壤表層出現(xiàn)鹽分積聚的現(xiàn)象，20～40 cm土層土壤EC值大幅度降低，40 cm以下各土層EC緩慢上升；小麥玉米共生期間施肥對(duì)玉米土壤EC值的影響明顯大于小麥。

(3)在優(yōu)化磷配比下，土壤含水率、鹽分隨施氮水平的提高而減小，施氮水平為N2時(shí)土壤含水率、鹽分最低，當(dāng)施氮水平達(dá)到N3水平時(shí)，含水率、鹽分反而上升，氮磷配施量適宜可以增加作物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用，提高水分的利用效率，減少殘留在土壤中的養(yǎng)分含量而降低土壤鹽分含量，提高養(yǎng)分的利用率。

(4)不同處理作物產(chǎn)量的大小關(guān)系為：N2P2>N2P3>N1P2>N0P2>N0P0，并且各處理間差異顯著，在優(yōu)化磷配比下作物的產(chǎn)量隨著施氮水平的提高而呈先增加后降低的趨勢(shì)，并且以N2P2處理的產(chǎn)量最高，合理的氮磷配施可以顯著提高作物的產(chǎn)量。

(5)施氮水平與土壤含水率之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與土壤鹽分的相關(guān)性為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與產(chǎn)量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，同時(shí)土壤含水率與土壤鹽分呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與小麥產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與玉米產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，土壤鹽分與產(chǎn)量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)的關(guān)系。

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