基肥施用方式和灌水量對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)和玉米產(chǎn)量影響

王利書(shū)，楊寶斌，王麗玄，周 客，程?hào)|娟

（河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，河北邯鄲056038）

0 引言

玉米作為我國(guó)重要的糧食作物之一，在工業(yè)、食品、飼料等各方面都有著廣泛的用途[1,2]，而華北平原作為我國(guó)主要的玉米生產(chǎn)基地，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有極其重要的戰(zhàn)略意義。該地區(qū)的農(nóng)民為了增產(chǎn)[3,4]，大量施用基肥[5,6]，這不僅導(dǎo)致了肥料的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的提高，甚至使得玉米產(chǎn)量降低，造成了土壤鹽堿化[7-9]。同時(shí)，不合理的灌溉也導(dǎo)致了嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，探討不同基肥施肥方式和灌水量下對(duì)玉米的影響，對(duì)提高該區(qū)域水肥利用率和生態(tài)效益、確保作物高產(chǎn)具有重要意義[10]。水和肥一直是決定玉米產(chǎn)量的重要影響因素，康紹忠[13]等通過(guò)雜交玉米試驗(yàn)研究表明水是決定玉米產(chǎn)量的主要因素，而肥料是次要因素。Li等[14]通過(guò)試驗(yàn)研究得出控制施肥和最優(yōu)灌溉相結(jié)合有利于玉米產(chǎn)量的增加。M.Gholamhoseini 等[15]研究灌溉和氮肥水平對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示玉米的產(chǎn)量隨著灌水量和施氮量的增加而增加，但同時(shí)使硝態(tài)氮淋失增加，氮肥利用效率降低。秸稈還田改變了田間水肥的效應(yīng)，張亮等[11]通過(guò)大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥處理的作物水分利用效率明顯高于不施氮肥處理。白偉等[12]研究表明，秸稈還田配施氮肥可顯著提高土壤含水量，降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤三相比。目前大多數(shù)學(xué)者研究了土壤施肥方式、灌溉方法、灌水量單因素下對(duì)作物產(chǎn)量及水肥利用效率的問(wèn)題[16-18]，亦有學(xué)者對(duì)土壤施肥方式和肥量對(duì)作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[19-21]，但對(duì)華北地區(qū)秸稈還田條件下改進(jìn)土壤基肥施用方式和灌水量對(duì)土壤水分和作物產(chǎn)量的同步研究較少[22,23]。針對(duì)華北地區(qū)玉米水肥利用效率低且造成一定的面源污染問(wèn)題，本研究通過(guò)大田試驗(yàn)對(duì)基肥不同施用方式和灌水量下秸稈還田土壤水分特征和玉米生長(zhǎng)性狀做了深入探討，旨在為華北平原玉米施肥制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該試驗(yàn)于2017年和2018年6-10月份在河北省邢臺(tái)市寧晉縣原種場(chǎng)（114°53′ E， 37°37′ N）進(jìn)行。寧晉縣海拔25～35 m，處于暖溫帶大陸性氣候區(qū)，屬半濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫13 ℃。1月平均氣溫-4.2 ℃，4月平均氣溫14 ℃。7月平均氣溫26.7 ℃，10月平均氣溫13.4 ℃。極端最低氣溫-23.3 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃。≥3°積溫4 718 ℃，≥10°積溫4 389 ℃。年平均降水量501 mm，年內(nèi)分配不均，年際變化較大。年日照2 501 h。早霜始于10月中下旬，晚霜終于4月上旬，無(wú)霜期約200 d。

供試作物為玉米，品種為偉科966，肥料為緩釋肥[24,25]，6月15日-6月18日播種，10月2日-10月5日收獲。試驗(yàn)地土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)土壤0～21 cm 為輕壤土，21～45 cm為重壤土，45～90 cm 為輕黏土，90～100 cm 為砂壤土。土壤容重為1.44 g/cm3，土壤田間持水量占總質(zhì)量27%。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)兩個(gè)因素、三個(gè)水平，見(jiàn)表2。兩個(gè)因素分別為施肥方式和灌水量。基肥施用方式為耕后施肥A和耕前施肥B，耕前施肥為小麥秸稈全量還田旋耕前將基肥由機(jī)械均勻條施撒入，耕后施肥為小麥秸稈全量還田旋耕后人工均勻撒施，各小區(qū)施肥量為600 kg/hm2，生育期不再追肥。設(shè)3 個(gè)灌水量水平，分別為450 m3/hm2、600 m3/hm2和750 m3/hm2。整個(gè)生育期只在6月23日差異灌水1 次。試驗(yàn)采用兩因素三水平無(wú)重復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理的面積均為7.2 m×18.6 m。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案 m3/hm2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

（1）土壤含水量。灌水后第一天（6月24日）、苗期（7月10日）、拔節(jié)期（7月27日）、抽雄吐穗期（8月15日）和收獲（10月2日）取土，取土深度達(dá)100 cm，每10 cm 為一層，采用烘干法測(cè)定土壤含水量。

（2）降雨。對(duì)整個(gè)玉米生育期的降水情況都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

（3）玉米植株性狀測(cè)定。每個(gè)小區(qū)掛牌標(biāo)記10 株玉米，在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄吐穗期和收獲時(shí)測(cè)定玉米生長(zhǎng)指標(biāo)。

（4）收獲與測(cè)產(chǎn)。玉米收獲時(shí)考種測(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用origin和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理下不同生育期內(nèi)土壤水分動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析

不同施肥方式不同灌水量土壤水分動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖1，從圖1各處理的縱剖面看，在兩種不同基肥施用方式下，除了灌后第一天其剖面含水率分布曲線呈現(xiàn)“S”形特征外（強(qiáng)弱明顯受到基肥方式的影響，具體為第一種基肥方式下表現(xiàn)的較第二種更為明顯），其他的剖面含水量分布曲線在各生育期內(nèi)的變化趨勢(shì)基本相似，大致呈現(xiàn)出兩端低，中段高的“幾”字形變化特征，即淺層土壤和較深層土壤含水率明顯低于中間土層的土壤含水率。另外，從橫向處理上看（比較A1、A2、A3 或者B1、B2、B3），灌水量的不同并沒(méi)有改變這種趨勢(shì)，反而使這種趨勢(shì)變得更加明顯起來(lái)；第二，對(duì)于各處理，在時(shí)間維度上的變化走向大致可分為3 個(gè)階段：6月24日至7月10日，7月10日至7月27日，7月27日至收獲（圖1）。在一定土層深度內(nèi)，在6月24日至7月10日，各處理上層土壤含水量大幅度減少，中層含水量明顯增多，下層含水量則變化不大，這是因?yàn)?月24日為播前灌水后第一天，上層土壤含水量因播前灌水明顯增大，隨后土壤水分進(jìn)入再分布，上層水分逐漸向下移動(dòng)，表現(xiàn)為上層土壤含水量減小，中層含水量增大，而下層受再分布影響較小變化不大。7月10日至7月27日，因?yàn)橛衩咨谝淹耆M(jìn)入雨期，土壤受水量增大，同時(shí)各處理土壤上層因玉米耗水和土面蒸發(fā)水分減少，因此整個(gè)土壤剖面含水率較7月10日都有所升高，且上層含水量較中層含水量偏小。7月27日至收獲階段，隨著玉米生育期的延長(zhǎng)，尤其接近收獲時(shí)降雨逐漸減少，基本表現(xiàn)為不同灌水量處理的淺層土壤的含水量隨著生育期延長(zhǎng)而大幅度減小，而中層土壤含水量分布較穩(wěn)定，變化不大。土壤水分在3個(gè)階段的變化與降雨量和玉米的生育時(shí)期有關(guān)，8月份前由于玉米生長(zhǎng)量小，耗水量以土壤蒸發(fā)為主，而此時(shí)的蒸發(fā)受灌溉影響較大，表現(xiàn)為灌水量增多，蒸發(fā)量增大，進(jìn)入8月后，降雨量增多，玉米由拔節(jié)期進(jìn)入大喇叭口期，此后由于玉米生長(zhǎng)量和降雨量增多，耗水量以玉米蒸騰為主。第三，由縱向比較圖1各處理看，基肥方式對(duì)土壤縱深剖面含水量的時(shí)空分布有較大的影響。耕后施肥的土壤含水率在玉米不同生育期表現(xiàn)為淺層差異較大，其受外界影響較明顯，而中下層則在時(shí)空上的變化并不十分明顯，有聚攏趨勢(shì)。而對(duì)于耕前施肥處理而言，不同生育期各土層的土壤含水率分布差異都較大，較之耕后施肥處理，下層土壤含水率分布呈現(xiàn)明顯的分散趨勢(shì)。

圖1 不同施肥方式不同灌水量土壤水分動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同基肥施用方式和灌水量對(duì)土壤水分分布影響

不同基肥施用方式下灌水量對(duì)土壤水分分布影響見(jiàn)圖2和圖3。先就同一基肥施用方式而言，不同生育時(shí)期的土壤水分縱剖面的分布形態(tài)大體相近，試驗(yàn)早期土壤含水率受灌水設(shè)置影響較大，圖中具體表現(xiàn)為在6月24日至7月27日，灌水水分設(shè)置最多的水分曲線基本處于最上層，即各層土壤含水率隨最初灌水量的增加而依次呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。而對(duì)于后面兩個(gè)生育期，這種設(shè)置已無(wú)明顯的上述規(guī)律傾向，分布較無(wú)序；從各處理水分變化的基本規(guī)律看，3個(gè)灌水量處理的剖面土壤含水量隨深度的變化趨勢(shì)大致呈現(xiàn)出3個(gè)階段，其具體表現(xiàn)對(duì)于兩種基肥施用方式又有些許不同。對(duì)于耕后施肥方式，0～30 cm 以及60～100 cm 的土壤含水率主要呈減小趨勢(shì)（根系分布主要層次，為主要耗水及蒸發(fā)層），而30～60 cm 為土壤含水率主要增大階段，且60 cm 左右的土層為出現(xiàn)極值的主要峰點(diǎn)；而對(duì)于耕前施肥方式而言，峰值點(diǎn)有所下移，出現(xiàn)在了70 cm 左右的土層，這種現(xiàn)象說(shuō)明基肥施用方式對(duì)原有土壤水分在垂向上有再分布的影響。另外，對(duì)同一生育期內(nèi)不同基肥施用方式所顯現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行比較還可發(fā)現(xiàn)，耕前施肥處理中，各生育期內(nèi)不同灌水量下的水分分布曲線較耕后施肥處理有明顯的分散趨勢(shì)，這種影響可能是由于不同的基肥方式改變了土壤空隙以及結(jié)構(gòu)性，使土壤的土水勢(shì)在空間上發(fā)生了明顯的變化，所以導(dǎo)致土壤水分縱剖面的分布形態(tài)有了明顯的不同。

圖2 耕前施肥灌水量對(duì)土壤水分分布影響

圖3 耕后施肥灌水量對(duì)土壤水分分布影響

2.3 不同灌水量下基肥施用方式對(duì)土壤剖面水分分布的影響

不同灌水量處理下施肥方式對(duì)土壤水分分布的影響見(jiàn)圖4。在同一灌水量情況下，比較各生育期土壤水分動(dòng)態(tài)變化的分布曲線可發(fā)現(xiàn)，施肥方式在時(shí)間維度上對(duì)土壤含水量剖面分布趨勢(shì)影響不同，表現(xiàn)為在6月24日至7月27日，兩種基肥方式下的土壤含水量剖面分布曲線差異較明顯，尤其是中下層土壤更為顯著，具體表現(xiàn)為0～30 cm 深度內(nèi)水分曲線出現(xiàn)基本的重疊， 而30～100 cm 的曲線則表現(xiàn)為分散。對(duì)于后面兩個(gè)生育期而言，這種差異則不明顯，曲線分布較一致。

圖4 不同灌水量處理下施肥方式對(duì)土壤水分分布的影響

一些文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，肥料使用方式和施用量會(huì)對(duì)水分入滲和分布產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為有些肥料施入后會(huì)促進(jìn)水分運(yùn)移，增大相同灌水時(shí)間的入滲量。本文中基肥施用方式對(duì)土壤剖面含水量分布亦有影響，可能是因?yàn)楦笆┓蕦⒎柿鲜┰诹送寥辣韺?，?jīng)機(jī)械耕種后，肥料顆粒被均勻地混入了上層土壤中，當(dāng)灌水入滲時(shí)，土壤中的固體肥料顆粒隨濕潤(rùn)鋒下移而慢慢進(jìn)入水溶液當(dāng)中，所以水中的溶質(zhì)（肥料）含量是一個(gè)慢慢增大的過(guò)程，相應(yīng)地溶質(zhì)對(duì)土壤水勢(shì)的影響也就成了一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。而耕后施肥則不同，肥料施到土壤表層，在沒(méi)有機(jī)械擾動(dòng)的情況下，播后灌水時(shí)表層肥料直接遇水充分溶解并參與水分下滲，即初始溶質(zhì)濃度就較耕前施肥處理高，進(jìn)而一開(kāi)始就對(duì)土壤水勢(shì)造成了較大的影響，這種影響可能對(duì)水分向下運(yùn)移有促進(jìn)作用，所以在中下層土壤水分含量中，耕后施肥設(shè)置總體上高于耕前施肥處理。

2.4 施肥方式和灌水量對(duì)玉米耗水影響

試驗(yàn)?zāi)隇楦珊的?，日降雨量?jiàn)圖5，整個(gè)生育期降雨198.8 mm，播前灌水1 次，拔節(jié)前降雨62.2 mm，播種到大喇叭口期玉米耗水以土壤蒸發(fā)為主，處理間耗水量差異主要由于灌水量差異引起；吐絲后降雨合計(jì)83 mm 滿(mǎn)足玉米耗水，玉米生長(zhǎng)差異逐漸減小，而此時(shí)玉米耗水轉(zhuǎn)以蒸騰為主，處理間耗水量差異減小。前期（抽雄開(kāi)花時(shí)期前，恰好是玉米需水臨界期前）的耗水主要為土壤蒸發(fā)，而灌水量增大，加大了蒸發(fā)，因此可以考慮在玉米需水臨界期前改變灌水方法減少土面濕潤(rùn)面積（如溝灌等），還可以基于公共氣象服務(wù)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)調(diào)節(jié)玉米前期灌水量（如根據(jù)未來(lái)40 多天的降雨量情況，來(lái)設(shè)置前期需要的灌水量），從而減少蒸發(fā)量，最終減少灌水量。

圖5 2017年夏玉米生育期日降雨量

不同施肥方式和灌水量對(duì)玉米耗水影響見(jiàn)表3。由表3 可知，玉米生長(zhǎng)階段耗水量和日耗水量在全生育期均呈顯先增大后減小的趨勢(shì)，其中，階段耗水量以播種—苗期為最少，只占總耗水量1%～6%左右，而而以拔節(jié)—大喇叭口期最多，占總耗水量29%～33%左右，同時(shí)日耗水量也于此表現(xiàn)趨勢(shì)相同。另外，在相同的施肥方式下，除播種-苗期以及吐絲-成熟期外，其他各玉米生育期的耗水量一般隨著灌水量的增加呈增大的趨勢(shì)，如在耕后施肥的方式下，相對(duì)于灌水量為450 m3/hm2的耗水量，灌水量為600 m3/hm2和750 m3/hm2的耗水量分別增加了10.2%、20.2%；當(dāng)灌水量相同時(shí)，比較各生育期不同施肥方式下的耗水情況可發(fā)現(xiàn)，除播種-苗期外，由施肥方式引起的兩處理間的差異并不明顯，同時(shí)對(duì)于各施肥方式下的總耗水量而言，耕前施肥與耕后施肥的耗水變化量不大，說(shuō)明施肥方式的不同對(duì)玉米各時(shí)期耗水造成的影響并不顯著。

表3 不同施肥方式和灌水量對(duì)玉米耗水影響

2.5 施肥方式和灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

各處理玉米的穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、百粒重等產(chǎn)量指標(biāo)見(jiàn)表4。由表4 可知，在相同施肥方式下，隨灌水量的增加，除禿尖長(zhǎng)減小外，穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)呈明顯增大趨勢(shì)，說(shuō)明灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響顯著。在灌水量相同的情況下，玉米耕后施肥的穗長(zhǎng)、穗重、穗粗、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)相較之耕前施肥都有不同程度的提高，如A1 處理的穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)與B1 處理相比分別增加了5.6%、8.8%、2.4%、4.0%、12.6%、6.7%，結(jié)果說(shuō)明耕后施肥處理更有利于玉米高產(chǎn)。同時(shí)對(duì)玉米產(chǎn)量各指標(biāo)進(jìn)行方差顯著性檢驗(yàn)分析，結(jié)果由表4不同字母標(biāo)出，從各處理之間差異的程度大小可看出，施肥方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響要小于灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。

表4 不同施肥方式和灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

（1）玉米作為我國(guó)重要的糧食作物之一，解決了大部分人的溫飽問(wèn)題。因此，玉米的產(chǎn)量深刻影響著我國(guó)的糧食安全。本研究通過(guò)研究大田中不同土層深度的土壤含水量及玉米發(fā)育生長(zhǎng)時(shí)期的指標(biāo)，旨在闡明基肥施用方式和灌水量對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)分布和玉米產(chǎn)量的影響機(jī)制，不同的基肥施用方式對(duì)土壤剖面含水量動(dòng)態(tài)分布有不同程度的影響，可能是由于兩種施肥方式所施入土壤的肥料在參與水分動(dòng)態(tài)遷移與土壤空間結(jié)構(gòu)重建上出現(xiàn)了在時(shí)間上和空間上分布的不同，從而導(dǎo)致土壤水勢(shì)在土壤空間上分布的差異，外在體現(xiàn)即為土壤剖面含水量的不同。關(guān)于這方面的論述，一些文獻(xiàn)研究結(jié)果也表明，肥料使用方式和施用量會(huì)對(duì)水分入滲和分布產(chǎn)生影響，有些肥料施入后會(huì)促進(jìn)水分運(yùn)移，增大相同灌水時(shí)間的入滲量[26,27]。

（2）本研究關(guān)于灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量和耗水方面的影響，前期玉米耗水主要以土壤蒸發(fā)為主，處理間耗水量的差異也主要是由于灌水量差異引起，表現(xiàn)為灌水量越大，耗水量越大，且這種差異比較顯著；后期由于植株迅速成長(zhǎng)，葉面積增大，作物蒸騰作用增強(qiáng)，同時(shí)生育期進(jìn)入雨季，降水能夠滿(mǎn)足玉米耗水，耗水主要以蒸騰為主，各處理間耗水量差異也逐漸減小。而對(duì)于基肥施用方式對(duì)玉米整個(gè)生育期耗水情況的影響而言，如果排除試驗(yàn)偶然性因素對(duì)播種-苗期耗水的影響，可以猜測(cè)基肥施用方式對(duì)前期土壤蒸發(fā)是有一定影響的，所以才產(chǎn)生了播種-育苗期灌水量相同的情況下耗水量有顯著性差異的現(xiàn)象產(chǎn)生，而后面幾個(gè)生育期的這種差異并不顯著說(shuō)明基肥施用方式對(duì)植株蒸騰耗水沒(méi)有太多影響，因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)說(shuō)過(guò)前期主要是土壤蒸發(fā)耗水，而后期則是蒸騰耗水。當(dāng)然這里排除一些與試驗(yàn)無(wú)關(guān)的外在偶然因素下所作的猜測(cè)，后續(xù)研究可以進(jìn)一步細(xì)化該試驗(yàn)，設(shè)置有利于佐證該猜測(cè)的試驗(yàn)條件。

（3）本研究主要對(duì)種植玉米大田土壤的水肥性質(zhì)進(jìn)行分析，通過(guò)查閱文獻(xiàn)可以得知，土壤中的微生物對(duì)玉米的生長(zhǎng)也有不可或缺的作用，尤其是當(dāng)微生物活躍后土壤中的酶活性有了顯著的提高[26]。因此，在接下來(lái)的研究中可以通過(guò)設(shè)置不同的施肥種類(lèi)作為自變量來(lái)觀察土壤中的酶活性，進(jìn)而研究對(duì)玉米的各項(xiàng)指標(biāo)的影響作為進(jìn)一步的研究方向。

4 結(jié)論

（1）不同灌水量的剖面含水量分布曲線在不同生育期內(nèi)變化基本類(lèi)似，而且在整個(gè)生育期內(nèi)以苗期和拔節(jié)期為界可以將其水分變化趨勢(shì)分為3個(gè)階段。另外基肥方式對(duì)土壤縱深剖面含水量在時(shí)空上的分布也有較大的影響。

（2）基肥施用方式對(duì)原有土壤水分在垂向上有再分布的影響，表現(xiàn)為耕后基肥施用方式的土壤含水量大體略大于耕前基肥施用方式；而且同一生育期內(nèi)不同基肥施用方式所顯現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果還表明耕前施肥處理各生育期內(nèi)不同灌水量下的水分分布曲線較耕后施肥處理有明顯的分散趨勢(shì)。

（3）灌水設(shè)置越大，玉米耗水量越大，耗水量表現(xiàn)出顯著差異主要發(fā)生在以土壤蒸發(fā)為主的玉米生長(zhǎng)前期，后期由蒸騰作用引起的耗水量差異并不顯著；另外，除播種-苗期外，由施肥方式引起的兩處理間的差異并不明顯，同時(shí)在總耗水量方面，耕前施肥與耕后施肥基本接近。說(shuō)明施肥方式的不同對(duì)玉米各時(shí)期耗水造成的影響并不顯著。

（4）與耕前施肥相比，耕后施肥處理在玉米的穗長(zhǎng)、穗重、穗粗和百粒重方面均有所增加，但灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響大于施肥方式對(duì)產(chǎn)量的影響。