調(diào)虧灌溉和施氮對春玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮分布及產(chǎn)量的影響

成一雄

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

春玉米作為北方優(yōu)勢糧食作物之一，如何采用合理的灌施策略在提高產(chǎn)量、保持土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水化，是當(dāng)前有機旱作農(nóng)業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。國內(nèi)外大量研究表明，基于調(diào)虧灌溉進行生物節(jié)水能夠?qū)崿F(xiàn)大田作物的水資源高效利用[2-3]，且相關(guān)研究者就不同調(diào)虧灌溉策略下玉米等農(nóng)作物根區(qū)土壤微環(huán)境變化以及最終產(chǎn)量形成等進行了系列研究[4-5]，但針對具體某區(qū)域內(nèi)調(diào)虧灌溉策略的選擇仍需結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件進一步分析。同時，隨著對水氮耦合效應(yīng)認(rèn)識的不斷加深，以水促肥、以肥調(diào)水顯得尤其重要，需將水氮因素協(xié)同考慮，方能夠提出合理的調(diào)虧灌溉策略。當(dāng)前，就調(diào)虧灌溉和施氮的研究主要集中于玉米、小麥、西紅柿、枸杞和花生等作物[6-7]，針對玉米的研究多集中于干旱區(qū)地上或地下的劑量效應(yīng)分析[8]，而就山西省黃土高原地區(qū)調(diào)虧灌溉和施氮下對春玉米根區(qū)土壤環(huán)境和產(chǎn)量的研究還相對較少?；诖耍疚难芯苛苏{(diào)虧灌溉和施氮對玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮和產(chǎn)量的影響，可為提出北方地區(qū)春玉米的合理灌溉模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省太原市西溫莊的農(nóng)作物節(jié)水試驗基地，該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊禋夂?，年平均降雨?30mm，年平均氣溫9.5℃，年平均蒸發(fā)量為1812.7mm。土壤質(zhì)地為黏壤土，土壤田間持水量為0.31cm3/cm3。土壤顆分、比重試驗結(jié)果見表1。

表1 土壤顆分、比重試驗結(jié)果

根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)可知，試驗地表層0～20cm的土壤養(yǎng)分為2～3級，20～50cm的土壤養(yǎng)分為3～4級，總體說來，肥力中等偏上。

表2 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 試驗方案

在前期預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，該試驗以灌水時間和施氮量為變量。其中，水分設(shè)7個處理：全生育期灌水(ICK)、苗期不灌水(I1)、拔節(jié)期不灌水(I2)、抽穗期不灌水(I3)、灌漿期不灌水(I4)、苗期與灌漿期不灌水(I14)、拔節(jié)期與灌漿期不灌水(I24)。單次灌溉定額一致，均為100mm，具體灌水方案見表3。氮肥施用尿素(N含量為46%)，設(shè)4個水平：N0為不施肥，N1施肥量為60kg/hm2，N2施肥量為120kg/hm2，N3施肥量為180kg/hm2。試驗為完全隨機設(shè)計，共28個處理，重復(fù)3次，試驗小區(qū)面積為5.5m×3.5m。其他肥料和田間管理各處理均一致，其中，磷肥施用過磷酸鈣(P2O5含量為16%)，一次性施入，施入量為120kg/hm2。

春玉米為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N(屯玉46號)，2015年4月覆膜播種，種植密度為75000株/hm2，行距、株距均為30cm。三葉期后定苗，每穴留生長健壯幼苗1株。10月5日左右收獲。

表3 不同灌水處理方案

1.3 測量項目與方法

土壤含水量采用烘干法測定。將取回的土樣稱其鮮重，然后放入烘箱中80℃下烘干24h，之后取出稱量的重量即為干重，烘干土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值即為土壤質(zhì)量含水量。

土壤硝態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀進行測定。在春玉米不同生育期利用土鉆取土，將土壤樣品經(jīng)振蕩、浸提、過濾后使用AA3連續(xù)流動分析儀測定。

在玉米進入生育末期，采集小區(qū)內(nèi)所有玉米進行稱重，計算每個處理的產(chǎn)量。

2 分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進行處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤含水量變化

根區(qū)土壤含水量是明確植物水分虧缺狀況和評價灌溉策略最直觀和有效的指標(biāo)之一，通常根區(qū)土壤中水分含量隨玉米根部深度的增加而呈現(xiàn)水分減少的趨勢。以苗期為例可知(見圖1)，灌溉與不灌溉下不同土壤深度含水量的變化趨勢基本一致，均隨著土壤深度的增大呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律。而不同施氮量下，土壤含水率變化有所差異。其中，無氮、低氮和中氮處理下各個土壤深度均表現(xiàn)出ICK處理下的土壤含水量大于I1處理。而高氮處理下表現(xiàn)為上層土壤中ICK處理大于I1處理，中層土壤中二者基本一致，下層土壤中ICK處理小于I1處理，這可能是由于土壤中硝態(tài)氮含量較高，在上層土壤中根系吸收水分和硝態(tài)氮后，土壤中剩余水分和硝態(tài)氮含量仍然較高，剩余的硝態(tài)氮可滿足更深層次土壤中根系生長的需要，而氮素的運移需要水分作為介質(zhì)，使得土壤中的水分加速向土壤深處運移，深層次的根系會吸收一定量的水分和硝態(tài)氮，從而ICK處理下深層土壤中水分含量較小。

圖1 播后苗期各處理土壤含水量

圖2 收獲期各處理土壤水分含量

收獲后土壤儲水量情況(見圖2)，能夠間接指示作物水分利用和蒸騰耗散情況。在不施氮情況下(N0)，各處理土壤含水量基本呈先增加后減小的趨勢，I2和I3處理60cm以下平均土壤含水量顯著增大，說明拔節(jié)期和抽穗期虧水能夠增加收獲后60cm以下土壤的儲水量；ICK處理20～40cm土壤平均含水量最小，這是由于充分灌溉下植物為了吸收更多的養(yǎng)分增加了對中深層土壤水的吸收利用，導(dǎo)致20～40cm土壤水分明顯降低。在低氮條件下(N1)，ICK處理平均土壤含水量最大，I4處理平均土壤含水量最低。中氮(N2)和高氮(N3)條件下，各層土壤水分變化差異并不顯著。其中，中氮條件不同處理下土壤含水量變化情況與不施氮處理類似，I2處理平均土壤含水量最大，ICK處理下表層土壤含水量增加顯著。而高氮條件下，I1和I3處理表層0～20cm的土壤含水量基本一致，均小于其余處理，I1和ICK整體平均土壤含水量無顯著差異。

3.2 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化

硝態(tài)氮是植物吸水氮素的主要形態(tài)，也是評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子，通常根區(qū)土壤中硝態(tài)氮含量隨玉米根部深度增加而呈現(xiàn)減少的趨勢。由圖3可知，各處理下苗期春玉米不同深度土壤硝態(tài)氮的累積量變化規(guī)律基本一致。ICK處理條件下，各個氮肥處理的變化趨勢均為先增大再逐漸減小，上層土壤的硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而增大，中、下層的硝態(tài)氮含量逐漸減小。這主要是由于土壤中的硝態(tài)氮隨著水分向土壤深處運移，在這一過程中土壤中的硝態(tài)氮供給量大于玉米根系的硝態(tài)氮需求量，使得剩余部分硝態(tài)氮在上層土壤中積累下來，因此上層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸增大，隨著土壤深度的進一步增加，上層土壤中氮素被上層根系大量吸收，使得中、下層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸減小。

I1處理條件下，無氮處理的變化趨勢為先減小再增大再減小，低氮、中氮和高氮處理的變化趨勢為先減小后逐漸趨于穩(wěn)定，呈L形變化。隨著土壤深度的增加，上層土壤的硝態(tài)氮含量顯著減小，中、下層土壤硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是由于土壤含水量較小，使得土壤中硝態(tài)氮的運移相對較困難，無氮處理條件下玉米根系吸收土壤中原有的硝態(tài)氮，隨著土壤深度的增加，硝態(tài)氮含量增高可能是由土壤礦物氮硝化和上層的硝態(tài)氮向下遷移形成的，上層土壤中的硝態(tài)氮向下運移較困難使得下層土壤中的硝態(tài)氮含量再減小。而其他3種氮肥處理下硝態(tài)氮呈現(xiàn)出L形變化趨勢主要是由于施氮處理后土壤中的硝態(tài)氮含量增加，而玉米根系主要集中在土壤的上層，根系生長吸收大量的硝態(tài)氮，使得上層土壤中硝態(tài)氮含量顯著減小，隨著土壤深度的增加，玉米根系逐漸減少，使得土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 播后苗期各處理土壤硝態(tài)氮累計量

由圖3可知，由于表面施氮的原因，各處理春玉米根區(qū)0～40cm土層硝態(tài)氮累積量均較大，且隨著施氮量的增大而增大。其中苗期不灌水處理(I1)在各個氮肥處理下土壤硝態(tài)氮累積量均在剖面0～20cm處最大，硝態(tài)氮分布呈L形，高氮(N3)處理表層0～20cm硝態(tài)氮累積量達(dá)到129.50kg/hm2，分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理和無氮(N0)處理的1.86倍、2.80倍和3.87倍。而苗期灌水(ICK)處理剖面峰值主要分布在40cm左右，其中高氮處理在20～40cm硝態(tài)氮累積量平均最大，為133.20kg/hm2，分別是中氮處理、低氮處理、無氮處理的2.25倍、2.49倍、5.98倍，表明春玉米苗期灌水處理導(dǎo)致根區(qū)土壤硝態(tài)氮加速向下運移。高氮(N3)處理0～100cm根區(qū)土壤剖面硝態(tài)氮累積量平均最大，達(dá)243.64kg/hm2，分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理、無氮(N0)處理的1.97倍、1.64倍、3.20倍。

收獲后取土樣，土壤硝態(tài)氮在剖面上累積量代表了硝態(tài)氮殘留的多少。由圖4可知，土壤硝態(tài)氮的殘留量為高氮處理>中氮處理>低氮處理>無氮處理，其中高氮處理0～100cm殘留量達(dá)122.22kg/hm2，分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的1.95倍、3.83倍和5.44倍。與苗期根區(qū)0～100cm硝態(tài)氮累積量相比，高氮處理減小幅度最大，為121.42kg/hm2，其減少幅度分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的2.00倍、1.04倍和2.26倍，說明高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重，降低了氮肥的利用效率。

表4是不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量的變化規(guī)律。由表4可知，在各個氮肥水平下，充分灌水處理籽粒產(chǎn)量最高，并且隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量增大。在無氮處理條件下，I14、I24、I1和I3處理顯著影響籽粒產(chǎn)量，分別比ICK處理減產(chǎn)38.28%、18.73%、16.88%和16.72%，由此可見，在無氮處理條件下苗期和灌漿期均虧水會嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量，說明苗期和灌漿期是影響籽粒產(chǎn)量的敏感期。

圖4 收獲后各處理土壤硝態(tài)氮累計量

3.3 不同水氮條件下春玉米產(chǎn)量變化

進一步分析可知，低氮水平下玉米籽粒產(chǎn)量與灌水量成正相關(guān)關(guān)系，ICK處理下產(chǎn)量最高，達(dá)12416.52kg/hm2，分別是300mm和200mm灌溉水平的1.13倍和1.30倍，I14處理對玉米籽粒產(chǎn)量影響最大，其次是I24和I3處理。在中氮處理水平下，抽穗期不灌水嚴(yán)重影響籽粒產(chǎn)量，較充分灌水處理下降26.34%，其次是I24、I3和I14處理，其余時期虧水對玉米籽粒產(chǎn)量影響不顯著。高氮處理條件下除苗期不灌水處理外，其他處理都對春玉米產(chǎn)量影響顯著，其中I3處理產(chǎn)量最低，較充分灌水處理減產(chǎn)19.94%。在各個水分處理條件下，無氮處理產(chǎn)量最低，產(chǎn)量與施氮成正相關(guān)關(guān)系，說明施氮量是影響春玉米產(chǎn)量的重要因素，施氮具有明顯的增產(chǎn)作用。

表4 不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量情況

4 結(jié) 論

本文通過對調(diào)虧灌溉下灌水和施氮對春玉米根區(qū)氮素運移和土壤含水量的分析研究，得出以下結(jié)論：

a.不同施氮量對不同調(diào)虧灌溉下根區(qū)水分變化影響不一致，不施氮條件下拔節(jié)期不灌水對根區(qū)土壤水分的影響較小，低氮條件下灌漿期不灌水對土壤水分影響顯著，中氮和高氮處理會減弱調(diào)虧灌溉對土壤水分的影響。

b.不同處理土壤殘留硝態(tài)氮含量存在顯著差異，但變化趨勢基本相同，隨著春玉米生長時間的變化基本呈遞減趨勢，均呈現(xiàn)高氮處理下，土壤硝態(tài)氮累積量最高，但高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重，降低了氮肥的利用效率。

c.調(diào)虧灌溉會降低春玉米產(chǎn)量，但春玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，且不同水氮策略對春玉米產(chǎn)量的影響不同。在不施氮條件下，苗期和灌漿期虧水會嚴(yán)重影響春玉米產(chǎn)量，降產(chǎn)率為38.3%；而隨著施氮量的增加，苗期和灌漿期虧水對春玉米最終產(chǎn)量的影響將逐漸減弱；中氮和高氮處理下抽穗期虧水將顯著降低春玉米產(chǎn)量，降產(chǎn)率為20.6%。