不同栽培模式下旱作春玉米產(chǎn)量及土壤水氮動態(tài)變化

呂 楠，張 聰，李紅兵，張歲岐

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土壤水分不足、養(yǎng)分利用效率低是黃土塬區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。為了促使黃土塬區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率得到有效提升，依據(jù)水肥利用總體規(guī)劃要求進行作物高產(chǎn)高效水肥管理模式的探究具有重要意義[1]。據(jù)統(tǒng)計，2006—2010年中國共涌現(xiàn)出159塊15 000 kg·hm-2以上的玉米超高產(chǎn)田，多數(shù)超高產(chǎn)田種植密度處于67 500～97 500 株·hm-2，平均施氮量達到485.3 kg·hm-2[2]，超高產(chǎn)紀錄多在高密度和高氮投入條件下獲得的[3]。適度密植和增施肥料是當前玉米高產(chǎn)的主要途徑[4]，但過高水肥投入增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效益，并造成環(huán)境污染[5-6]。在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)田用水僅為自然降雨，因此有效結(jié)合覆蓋、增加種植密度、化肥配施有機肥、合理追肥等形成不同栽培模式均可提高旱地玉米水分利用效率和產(chǎn)量，但是有效結(jié)合這些栽培管理措施并實現(xiàn)農(nóng)學(xué)輸出與環(huán)境保護雙贏仍存在一定難度[7]。前人研究多集中在單或雙因素對春玉米產(chǎn)量和土壤水氮動態(tài)的影響方面，但通過對覆蓋方式、種植密度、氮肥運籌等多項栽培技術(shù)集成與優(yōu)化研究尚少。研究表明，栽培模式對旱地春玉米產(chǎn)量及養(yǎng)分利用效率有顯著影響[8]，通過優(yōu)化栽培模式或者綜合農(nóng)藝措施，可以顯著提高作物產(chǎn)量和資源利用效率[9]。農(nóng)田污染主要來源于礦質(zhì)氮的淋失，礦質(zhì)氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，是植物吸收的主要氮素形態(tài)，也是植物營養(yǎng)氮素研究的主要切入點[10]。近年來因農(nóng)田不合理施肥造成土壤硝態(tài)氮淋溶而引起地下水污染已成為一個全球關(guān)注的問題[11]。關(guān)于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮在土壤中的運移或積累特征已進行了大量研究。劉順國等[12]研究表明，施用有機肥和化肥都能提高土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量; 此外，苗艷芳等[13]研究認為，旱地土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積特征與作物產(chǎn)量之間具有相關(guān)性。本試驗在廣泛調(diào)研黃土塬區(qū)旱作春玉米種植區(qū)農(nóng)民種植習(xí)慣的基礎(chǔ)上設(shè)置優(yōu)化栽培模式，比較研究了不同栽培模式土壤水分和硝銨態(tài)氮變化，分析了產(chǎn)量和水分利用效率提高的原因，旨在為黃土塬區(qū)旱地春玉米持續(xù)高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學(xué)院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行。試驗站位于黃土高原中南部陜甘交界處陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村，北緯35°12′，東經(jīng) 107°40′，海拔1 200 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水577 mm,年均氣溫9.1℃，無霜期171 d,地下水埋深 50～80 m,屬典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū); 農(nóng)作物以一年一熟小麥、玉米為主。春玉米試驗土壤為黑壚土，土體質(zhì)地比較好，物理化學(xué)結(jié)構(gòu)均勻、土壤孔隙多，透氣性較好，有機質(zhì)含量為12.83 g·kg-1、全氮0.79 g·kg-1、速效磷9.94 mg·kg-1、速效鉀129 mg·kg-1。土壤溶液弱堿性，pH值為8.3，土壤容重為1.32 g·cm-3，田間持水量為22.4%。2017年和2018年玉米生育期降雨量分別為374.2、490.8 mm，按降水年型劃分，2017年是干旱年，2018年為豐水年。月平均氣溫和降雨量變化見圖1。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位施肥試驗從2011年開始，本試驗于2017—2018年進行?；谥暗难芯?，采用了3種栽培模式的試驗設(shè)計，結(jié)合黃土塬區(qū)旱作春玉米栽培的特點，旨在通過施肥量和施肥時間的調(diào)控、有機肥配施和密度調(diào)整措施的相互配合，提高產(chǎn)量的同時，降低化肥投入，提高有機肥的利用價值和土壤的持續(xù)生產(chǎn)力，最終降低環(huán)境成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的共贏。

本試驗共設(shè)3個處理，分別為：T1,傳統(tǒng)栽培模式；T2,化肥有機肥高密度超高產(chǎn)模式；T3,化肥有機肥中密度高產(chǎn)高效模式。供試品種為鄭單958。試驗采用隨機區(qū)組分布，面積為36 m2(4.8 m×7.5 m),三次重復(fù)。半膜平覆，寬窄行(40 cm×80 cm)栽培，寬行覆膜，窄行種植玉米。所用氮肥為含氮量46%的尿素和有機肥(腐熟牛糞，N含量為20.3 g·kg-1)，磷肥為含P2O512%的過磷酸鈣，鉀肥為含K2O 51%的硫酸鉀。具體種植方式與管理措施見表1。玉米生長按時間苗、除草及追肥等田間管理，農(nóng)田水分來源為天然降水。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤水分測定 春玉米播前、拔節(jié)期(V6)、吐絲期(VT)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)、成熟期(R6)，在小區(qū)內(nèi)采取0～200 cm土樣，0～100 cm土層每10 cm土層取樣，100～200 cm土層每20 cm土層取樣。用烘干法測定土壤含水量，并計算各生育期土壤儲水量。

1.3.2 土壤容重測定 土壤容重測定采用環(huán)刀法，每個小區(qū)隨機選點，三次重復(fù)，于2018年收獲后用體積為100 cm3的環(huán)刀分別取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土樣，立即密封并烘干稱重，計算土壤容重。

土壤容重(g·cm-3)=烘干土樣重/環(huán)刀體積

1.3.3 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定 在播前和收獲后分別取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土樣。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用1 mol·L-1KCL浸提(新鮮濕土5.00 g；浸提液50 ml)，震蕩1 h后過濾，浸提液冷藏保存或立即用流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

表1 春玉米不同種植方式與管理措施

注:OM代表有機肥，V6、VT、R2分別代表玉米拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期。

Note: OM represents organic fertilizer; V6, VT and R2 represent jointing, silking and filling stages of maize, respectively.

圖1 玉米生育期降雨分布和溫度變化Fig.1 Rainfall distribution and temperature change during maize growth period

1.3.4 產(chǎn)量測定 分別在各小區(qū)選擇中心兩行去除邊際效應(yīng)植株，選取30株玉米穗稱總重，然后挑選10顆均勻的玉米穗，稱重記錄重量，放入網(wǎng)袋最后進行具體的構(gòu)成因素的測定。測定穗數(shù)、千粒重、穗行數(shù)、穗粒重、行粒數(shù)等指標，并進行籽粒產(chǎn)量的計算。

1.3.5 相關(guān)指標計算

(1)土壤剖面不同土層內(nèi)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量

NO-3-N(mg·kg-1)= 待測液測定值(mg·L-1)×浸提液體積(mL)/[土壤質(zhì)量(g)×(1-土壤含水量)]

NH+4-N(mg·kg-1)= 待測液測定值(mg·L-1)×浸提液體積(mL)/[土壤質(zhì)量(g)×(1-土壤含水量)]

(2)土壤剖面不同土層內(nèi)硝態(tài)氮累積量

土壤硝態(tài)氮累積量(kg·hm-2)= 土層厚度(cm)×土壤容重(kg·m-3)×硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)×10/100

(3)其他指標

土壤含水量(%)=(土樣濕重-烘干干重)/(烘干干重-盒重)×100%

土壤儲水量= 土壤體積含水量(cm3·cm-3)×土層厚度(cm)×10

ET=Pi+ΔSWS

式中,ET是作物耗水量(mm)，Pi是生育期降水量(mm)，ΔSWS播前、收后土壤儲水量差值(mm)。

水分利用效率(WUE)=Y/ET

式中，Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為作物耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用 Microsoft excel 2007; 數(shù)據(jù)方差、相關(guān)性分析采用SPSS(Version 14.0 for Windows)；采用Origin 8.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米不同栽培模式下土壤水分的時空變化

2.1.1 0～200 cm土層土壤儲水量(SWS) 隨生育期的動態(tài)變化,不同栽培模式旱作春玉米土壤儲水量變化如圖2所示，因兩年降雨量差異大，土壤儲水量隨生育期推移變化規(guī)律不同，但不同處理間土壤儲水量隨時間推移變化趨勢一致，各處理間存在不同程度的差異，這與玉米生育期和當年降雨量有關(guān)。2017年從播種到拔節(jié)期(V6)降雨147.2 mm，占整個生育期降雨的39.3%，此階段玉米耗水量小，不同處理SWS均緩慢增加，但無顯著差異；從拔節(jié)期～吐絲期是玉米營養(yǎng)生長階段，對土壤水分的利用增強，氣溫升高，蒸發(fā)蒸騰作用強，而且降雨少，所以SWS急劇下降；吐絲期～乳熟期玉米已經(jīng)進入生殖生長階段，玉米生長旺盛，灌漿需要消耗大量水分，而此時降雨少，因此SWS顯著降低，乳熟期(R3)T2、T3土壤儲水量分別為319.8、314.1 mm，分別比處理T1低39.1、44.8 mm，而且達到顯著水平(P<0.05)；乳熟期后，玉米吸水能力下降，氣溫降低，蒸發(fā)蒸騰作用減弱，SWS增加。各處理間無顯著差異，但各生育期T2、T3土壤儲水量均小于T1，說明覆膜、增加種植密度、施肥等綜合效應(yīng)促進了玉米植株旺盛生長，消耗了更多土壤水分。

而2018年從播種到大喇叭口期，降雨量少，耗水量大，SWS降低，但大喇叭口期～吐絲期間降雨187.4mm，占整個生育期降雨的38.2%，因此SWS急劇增加；從吐絲期～乳熟期，SWS變化趨勢與2017年一致，均急劇下降；在玉米蠟熟期和成熟期，各處理SWS基本維持穩(wěn)定?？傮w來說，由于2018年降雨多，各生育期SWS高于2017年。2017年降雨主要在營養(yǎng)生長前期和生殖生長后期，因此玉米生長中期消耗更多土壤水分，導(dǎo)致收獲后0～200 cm土層SWS比播種時平均低39.9 mm；2018年降雨主要集中在大喇叭口期到吐絲期，其他生育期雨水分布均勻且降雨量大，收獲后SWS略高于播前。

注：V6-拔節(jié)期;V8-大喇叭口期；VT-吐絲期；R3-乳熟期；R5-蠟熟期；R6-成熟期。Note: V6-jointing stage; V8-bell stage; VT-silking stage; R3-milking stage; R5-kernels dented stage; R6-maturity stage.圖2 不同栽培模式土壤儲水量隨玉米生育期的變化Fig.2 Changes in soil water storage under different cultivations with maize growth period

2.1.2 不同生育時期水分在土壤剖面的分布 春玉米土壤水分垂直動態(tài)變化與施肥、生育期及當季降雨密切相關(guān)。2017年春玉米0～200 cm土層土壤含水量的垂直變化規(guī)律見圖3。春玉米拔節(jié)期，各處理0～60 cm土層土壤含水量隨深度加深而下降，60～120 cm土層土壤含水量隨深度加深而增大，120～200 cm土層土壤含水量隨深度加深而降低。

圖3 2017年玉米不同生育期0～200 cm土層土壤含水量Fig.3 Soil water content in 0～200 cm soil layer in different growth periods of maize in 2017

吐絲期和乳熟期變化規(guī)律類似，春玉米生長旺盛，蒸騰強烈，水分代謝活躍，相比拔節(jié)期，0～50 cm土層土壤含水量迅速減小，50～200 cm土層土壤含水量隨土層深度加深而增大。春玉米蠟熟期和成熟期受到強降雨的影響，0～60 cm土層含水量增大，由于深層土壤水分對淺層的補給作用，各處理100～200 cm土層含水量均低于播前。總體來說，生育期的變化對土壤含水量具有明顯的影響。隨著生育期的變化，中上層土壤(0～120 cm)含水量變化較大，下層土壤(120～200 cm)各生育期含水量基本保持穩(wěn)定。說明玉米生長既可以有效吸收中上層土壤水分，又不造成下層土壤的水分虧缺。

2018年降雨多于2017年，7月和9月降雨量分別比2017年高149.2、47.2 mm。經(jīng)過較長的冬季休閑期，不同栽培模式下播前(圖4a)土壤水分無明顯差異。拔節(jié)期(圖4b)，隨著土層深度的加深，各處理0～50 cm土層土壤含水量下降，50～100 cm土層土壤含水量增加，100～200 cm土層土壤水含量略有下降。由于受到強降雨的影響，吐絲期(圖4c)0～200 cm土壤含水量顯著增加，其垂直變化規(guī)律與拔節(jié)期一致。乳熟期(圖4d)春玉米生長旺盛，蒸騰強烈，水分代謝活躍，0～50 cm土層土壤含水量迅速減小，50～200 cm土層土壤含水量隨土層深度增加而增加。乳熟期～蠟熟期(圖4e)有87.6mm降雨，表層土壤含水量增大，0～50 cm土層土壤含水量隨深度增加而減少，50～200 cm土層土壤含水量基本維持穩(wěn)定。成熟期(圖4f)與蠟熟期變化規(guī)律基本一致。總體來說，土壤含水量變化受降雨影響較大，上層土壤(0～50 cm)含水量變化較大，100～200 cm土層土壤含水量基本維持穩(wěn)定；玉米生長主要吸收0～60 cm土層土壤水分，故0～50 cm土層土壤含水量變化較大。相比2017年(干旱年份)，豐水年由于降水足夠利用，中層土壤含水量變化較小。

圖4 2018年玉米不同生育期0～200 cm土層土壤含水量Fig.4 Soil water content in 0～200 cm soil layer in different growth periods of maize in 2018

2.2 不同栽培模式下0～100 cm土層土壤礦質(zhì)氮的時空變化

2.2.1 不同栽培模式0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的變化 不同栽培模式對春玉米收獲后0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的影響如圖5和圖6所示。因為本試驗地已經(jīng)進行了連續(xù)6 a的長期定位試驗，2017年播前硝態(tài)氮含量已達到11.86～49.87 mg·kg-1，0～20 cm土層模式T2和T3硝態(tài)氮含量顯著高于T1(P<0.05)，80～100 cm土層T2與T1,T3無顯著差異。收獲后隨土層深度的增加硝態(tài)氮含量增加，模式T2、T3 0～100 cm土層硝態(tài)氮含量動態(tài)變化基本一致，均在40～60 cm土層達到最大值，之后逐漸減??；其中模式T2 80～100 cm土層硝態(tài)氮含量又增多，可能因為模式T2 80～100 cm土層播前硝態(tài)氮含量已達到48.87 mg·kg-1，而且施肥過多，隨降雨入滲硝態(tài)氮淋溶到土壤深層。相同土層不同栽培模式，硝態(tài)氮含量從高到低都是T2>T3>T1，說明隨施氮量增加，硝態(tài)氮含量增加，除60～80 cm土層外，其它土層T2模式硝態(tài)氮含量均顯著高于T1、T3模式(P<0.05)。

除0～20 cm土層外，2018年春玉米播前模式T2硝態(tài)氮含量顯著高于T1、T3模式(P<0.05)，收獲后T2、T3各土層硝態(tài)氮含量顯著高于T1，模式T2 60～80、80～100 cm土層硝態(tài)氮含量顯著高于T1、T3;由于2018年生育期降雨多，相比2017年硝態(tài)氮累積下移，60～80 cm土層硝態(tài)氮含量最高，80～100 cm土層模式T2有淋失風(fēng)險。

圖5 2017年玉米不同栽培模式0～100 cm土層土壤剖面硝態(tài)氮含量Fig.5 Nitrate content in 0～100 cm soil profile under different cultivations of maize in 2017

圖6 2018年玉米不同栽培模式0～100 cm土層土壤剖面硝態(tài)氮含量Fig.6 Nitrate content in 0～100 cm soil profile under different cultivations of maize in 2018

2.2.2 不同栽培模式0～100 cm土層銨態(tài)氮含量的變化 2017年不同栽培模式對春玉米收獲后0～100 cm土層銨態(tài)氮含量的影響如圖7所示。各處理在0～100 cm土層銨態(tài)氮含量變化趨勢基本一致，均在0～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高，且隨土層深度的增加而逐漸下降，但降低幅度不同。收獲后，相同土層銨態(tài)氮含量相比，不同處理在0～20,20～40 cm土層銨態(tài)氮含量高低基本一致，從高到低依次為T3>T2>T1，說明不同栽培模式下，0～40 cm土層銨態(tài)氮含量變化也隨施氮量增加而增加；但40～60,60～80,80～100 cm土層銨態(tài)氮含量高低出現(xiàn)波動，且各處理間無顯著差異。

2018年不同栽培模式對春玉米收獲后0～100 cm土層銨態(tài)氮含量的影響如圖8所示。收獲后銨態(tài)氮含量顯著低于播前，但各處理間無顯著差異，說明玉米吸收利用銨態(tài)氮，但由于土壤膠體對NH+4吸附大，而且銨態(tài)氮極易轉(zhuǎn)化，因此變化不明顯。

2.2.3 不同栽培模式0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量的變化 春玉米收獲后不同土層硝態(tài)氮積累量如表2所示，長期施用有機肥和氮肥對硝態(tài)氮積累的影響均達到顯著水平，2017年各土層不同栽培模式硝態(tài)氮積累量從高到低依次為T2>T3>T1,0～20 cm土層硝態(tài)氮積累量在統(tǒng)計學(xué)上差異不顯著，但硝態(tài)氮積累量與其它土層變化一致，施氮量增加，硝態(tài)氮累積量隨之增加。模式T2、T3 0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量分別占61.48%、54.81%，模式T1硝態(tài)氮累積量占30.81%。可見，栽培模式T2、T3使大部分硝態(tài)氮累積在0～60 cm土層，防止硝態(tài)氮淋溶到土壤下層；栽培模式T1使大部分硝態(tài)氮累積在60～100 cm土層，容易造成環(huán)境污染。2018年T2、T3各土層硝態(tài)氮累積量均大于T1，0～20, 20～40 cm土層T3硝態(tài)氮累積量顯著高于T2、T1，40～60 cm土層無顯著差異，60～80, 80～100 cm土層T2硝態(tài)氮累積量顯著高于T1、T3，T2處理有明顯的硝態(tài)氮淋失。說明在豐水年，硝態(tài)氮更容易向土壤深層淋失。

圖7 2017年玉米不同栽培模式0～100 cm土層土壤剖面銨態(tài)氮含量Fig.7 Ammonium nitrogen content in 0～100 cm soil profile under different cultivations of maize in 2017

圖8 2018年玉米不同栽培模式0～100 cm土層土壤剖面銨態(tài)氮含量Fig.8 Variations of ammonium nitrogen content in 0～100 cm soil profile under different cultivations of maize in 2018

2.3 硝態(tài)氮累積量與玉米產(chǎn)量的關(guān)系

為確定硝態(tài)氮對春玉米產(chǎn)量的貢獻，計算了0～100 cm 土層的硝態(tài)氮累積量，擬合了春玉米收獲后硝態(tài)氮積累量與產(chǎn)量的關(guān)系(圖9)。可以看出，兩個生長季內(nèi)0～100 cm土層硝態(tài)氮積累量與春玉米產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)，可見，土壤硝態(tài)氮是決定春玉米產(chǎn)量的重要因素。但兩年有明顯的年際差異，2018年硝態(tài)氮累積量與產(chǎn)量相關(guān)性大于2017年。

2.4 不同栽培模式下玉米產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的變化

不同栽培模式對籽粒產(chǎn)量、耗水量和WUE的影響如表3所示。2017年研究結(jié)果顯示，與栽培模式T1相比，T2、T3籽粒產(chǎn)量分別提高55.4%、64.4%，差異顯著；T2、T3處理生育期耗水量(ET)顯著高于T1，相比T1，T2、T3處理ET分別提高5.7%、5.4%；WUE分別提高46.9%、55.9%，均達到顯著水平。2018年T2、T3處理產(chǎn)量分別比T1高49.7%、23.8%，T2、T3處理耗水量都小于T1，差異不顯著；T2、T3處理水分利用效率相較T1分別高58.9%、40.0%，且差異達到顯著水平。兩年試驗結(jié)果均顯示T2和T3處理籽粒產(chǎn)量、WUE顯著高于T1栽培模式，說明合理的栽培模式和肥料管理投入能顯著提高籽粒產(chǎn)量。2017年T3模式產(chǎn)量和WUE最高，2018年T2模式產(chǎn)量和WUE最高，T2處理施肥量大于T3，豐水年水肥利用協(xié)調(diào)，因此產(chǎn)量更高。

表2 玉米收獲后不同土層土壤硝態(tài)氮積累量/(kg·hm-2)

注：不同字母表示在P<0.05水平上不同處理間差異顯著。下同。

Note: Different letters within each column mean significant differences atP<0.05 level. The same as below.

圖9 0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量與春玉米產(chǎn)量的關(guān)系Fig.9 Relationships of NO-3-N accumulation in 0～100 cm soil layers with spring maize yield

表3 不同栽培模式下玉米產(chǎn)量、生育期耗水量和水分利用效率的變化

3 討 論

農(nóng)田土壤水分的運移受到降雨、覆蓋、施肥方式、種植密度等多種因素的影響。本試驗基于當?shù)貍鹘y(tǒng)栽培模式(T1)，結(jié)合上述多種因素形成了2種高產(chǎn)高效栽培模式：化肥有機肥高密度超高產(chǎn)模式(T2)、化肥有機肥中密度高效高產(chǎn)模式(T3)。2017年 0～200 cm土層土壤儲水量均低于傳統(tǒng)栽培模式T1，但除去乳熟期外其它生育期均無顯著差異；而且處理T2、T3生育期耗水量、產(chǎn)量和WUE均顯著高于T1。黃土高原旱作春玉米農(nóng)田土壤剖面水分動態(tài)報道較多，有研究認為玉米耗水量和耗水深度隨產(chǎn)量提高而增加，高產(chǎn)導(dǎo)致深層土壤水分過耗，土壤貯水量虧缺[14]。本試驗在2017年從拔節(jié)期到乳熟期連續(xù)無效降水≤10 mm超過20 d，屬于中度干旱[15]，而此時玉米植株生長旺盛、籽粒灌漿，耗水量大，氣溫升高，蒸騰蒸散作用強，因此土壤儲水量急劇下降，后期隨降雨的增多土壤儲水量也增多。T2、T3土層土壤儲水量低于T1，也可能是地膜覆蓋、施肥方式和種植密度等因素引起土壤水分運移、水肥協(xié)同效應(yīng)、作物根系分布及其吸水特性差異所致，需要進一步研究[16]。孫仕軍等[17]研究認為，雨養(yǎng)條件下，裸地玉米種植密度對土壤儲水區(qū)含水量分布影響表現(xiàn)為：高密度時，地表下 20～40 cm土層土壤水分變化最大，低密度時變化最小;玉米生長季內(nèi)干旱無雨時段，土壤剖面含水率在 20～40 cm土層處消耗最多，該深度為根部的主要儲水和耗水區(qū)間。在整個玉米生育期，0～200 cm土層土壤含水量受降雨和生育期影響較大，0～60 cm土層土壤水分變化最大，說明根系主要吸收0～60 cm土層土壤水分；從乳熟期到成熟期，下層(120～200 cm)土壤含水量顯著降低，說明玉米生長大量消耗了土壤上層水分，還通過巨大的蒸騰拉力使下層土壤中的水分向上移動，阻止降雨入滲[18]。水分狀況、施肥方式和覆膜對玉米的生長發(fā)育和耗水規(guī)律的影響最終反映在水分利用效率和產(chǎn)量上[19]。兩年試驗結(jié)果均顯示T2、T3處理產(chǎn)量和WUE均顯著高于T1，可見覆膜、施肥、增加種植密度等綜合效應(yīng)可顯著提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，尤其是在干旱年份化肥有機肥中密度高產(chǎn)高效模式(T3)能更好地利用土壤水和降水，提高水分利用效率從而實現(xiàn)高產(chǎn)。

長期施用有機肥或化肥及其配施均能提高土壤各土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量及其積累量[10]。已有研究表明，硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加，長期高施氮量處理的硝態(tài)氮在土壤深層的含量及累積明顯增加[20]。本試驗結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，硝態(tài)氮含量增加，2017年0～60 cm土層硝態(tài)氮含量顯著增加，0～40 cm土層銨態(tài)氮含量增加，兩年試驗結(jié)果表明各土層的硝態(tài)氮積累量均增加。處理T2、T3大部分硝態(tài)氮積累在0～60 cm土層，處理T1大部分硝態(tài)氮累積在60～100 cm土層，可能是因為地膜覆蓋增加表層土硝態(tài)氮累積，降低深層土硝態(tài)氮累積[21]。施用有機肥可滯緩硝態(tài)氮向土壤深層淋溶，而化學(xué)氮肥較有機肥容易淋失，但施肥對銨態(tài)氮向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯[22]。隨種植年限增加，施氮對土壤硝態(tài)氮殘留的影響逐漸增加[10]。本試驗經(jīng)過6 a的長期施肥，2017年播前硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量高，經(jīng)過兩季作物生長、肥料投入后，硝態(tài)氮積累量顯著增加，銨態(tài)氮含量無明顯變化；可能是因為作物生長后期，地膜覆蓋提高土溫，促進了土壤氮素礦化，而作物需氮量少，導(dǎo)致硝態(tài)氮在0～100 cm土層累積[21]。施肥對銨態(tài)氮向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯，王少平等[23]也認為，與硝態(tài)氮相比，銨態(tài)氮更易被土壤吸附，它只有在特定條件如土壤水分接近飽和的情況下借助下滲流的驅(qū)動才可能在土壤剖面中隨水遷移。2017年80～100 cm土層模式T2硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理，淋溶現(xiàn)象明顯，硝態(tài)氮含量達到103.89 mg·kg-1,污染深層土壤；2018年T2處理60～80,80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量達到115.27、107.65 kg·hm-2，占0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的69%，硝態(tài)氮淋失現(xiàn)象明顯。這是由于T2處理投入高量氮肥和有機肥，超過作物的吸收量，造成土壤硝態(tài)氮的累積[24]。模式T3硝態(tài)氮含量與模式T1無顯著差異，淋溶現(xiàn)象不明顯，但其籽粒產(chǎn)量顯著高于模式T1，其硝態(tài)氮含量整體上較低，淋溶現(xiàn)象不明顯，與低投入的模式 T1沒有顯著差異。說明模式 T2 雖然高產(chǎn)，但氮肥投入量較高，造成土壤硝態(tài)氮淋溶增加，而在T3 模式下，能有效控制土壤硝態(tài)氮淋溶，又能保證春玉米產(chǎn)量。T3 種植模式對提高糧食產(chǎn)量，氮素利用，減少環(huán)境污染有良好的效果。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同深度土壤硝態(tài)氮積累量與旱作春玉米產(chǎn)量均具有一定相關(guān)關(guān)系，硝態(tài)氮是決定夏玉米產(chǎn)量的重要因素[10]。這說明不同土層深度的硝態(tài)氮可作為春玉米直接吸收利用的有效氮素。而銨態(tài)氮積累量與春玉米產(chǎn)量無關(guān)，這可能是因為玉米對硝態(tài)氮的吸收量大于銨態(tài)氮的吸收量[25]。此外，有些研究認為土壤的硝態(tài)氮數(shù)量占銨態(tài)氮和硝態(tài)氮總量的 90% 以上，在反應(yīng)土壤供氮特性方面與兩者之和的趨勢完全一致[26-27]。2018年硝態(tài)氮累積量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)明顯高于2017年，可能與兩年降水不同有關(guān)。2018年降水較多且各生育期分配均勻，由于玉米的生長未受到水分的限制，氮素供應(yīng)是限制產(chǎn)量的主要因素，不同土層的硝態(tài)氮均發(fā)揮了充分作用。2017年拔節(jié)期到乳熟期降雨少，受到中度干旱脅迫，籽粒產(chǎn)量因水分缺乏表現(xiàn)出與硝態(tài)氮累積量不同的變化趨勢[13]?？傊?，合理的施肥配比及合理的有機無機肥配施可以降低土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的積累及淋溶，有利于提高作物產(chǎn)量，維持農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及保護地下水資源[10]。

4 結(jié) 論

本研究表明，不同深度土壤硝態(tài)氮積累量與春玉米產(chǎn)量均具有正相關(guān)關(guān)系，硝態(tài)氮是決定春玉米產(chǎn)量的重要因素。相較傳統(tǒng)栽培模式(T1)，化肥有機肥中密度高產(chǎn)高效栽培模式(T3)無論在干旱年份，還是豐水年春玉米均能獲得高產(chǎn)和高的水分利用效率?；视袡C肥高密度超高產(chǎn)栽培模式(T2)施肥量超過作物吸收利用，0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量高，淋溶趨勢明顯。T3栽培模式既能保證高產(chǎn)、高WUE又能保證較少的硝態(tài)氮淋溶，是本試驗的最優(yōu)栽培模式。