不同污水灌溉和施肥条件下土壤氮素对春玉米生长的影响

(环境保护部环境发展中心，北京 100029)

不同污水灌溉和施肥条件下土壤氮素对春玉米生长的影响

赵芳李冬

(环境保护部环境发展中心，北京 100029)

田间实验设置了3种灌溉水质(清水、出水和初级水)、2种施肥水平(施肥和不施肥)6个处理，3组重复。结果表明：春玉米的产量的变化为T6(初级水)>T3(施肥+出水+清水)>T2(施肥+出水+清水)>T4(施肥+出水+清水)>T5(出水)>T1(施肥+清水)，其中，T6产量高达11843kg·ha-1，与T1处理相比增加了52%；T3、T2和T4的增产率为35%、25%和18%。春玉米的吸氮量变化为T6>T3>T4>T2>T5>T1，其中，T6处理的总施氮量为490kg·ha-1，而吸氮量为273kg·ha-1，表明一部分氮素留在了环境中。春玉米的生长和产量没有相关性，前期施肥可促进春玉米的成长，但对增加产量效果不大；初级污水灌溉可明显提高春玉米的产量，但若控制不当，很可能通过淋失造成水体的污染。

土壤；春玉米产量；污水灌溉；氮素平衡

引言

玉米是我国第二重要的农作物，其中春玉米主要分布在我国北方，约占全国玉米面积的36%[1]。目前有关污水灌溉对作物的影响主要集中在冬小麦上[2]，其他的作物则很少[3]。氮素是作物生长所不可缺少的元素，特别是无机氮。土壤中硝态氮和铵态氮含量的变化影响离子的吸收[4]、植物的生长[5]、作物的产量[6]以及植物群落的生产力[7]和植被动态。研究表明当土壤NO3-N等无机N含量达到60mg·kg-1时已能满足蔬菜的正常生长，而且土壤中NO3-N随种植时间的增加呈现显著地增加[8]。本研究旨在通过田间试验，探讨污水灌溉条件下硝态氮、氨氮在土壤中的迁移转化规律，以及不同灌溉、施肥条件下对春玉米的成长、产量以及氮素平衡的影响，为污水灌溉更好的实施提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

扎鲁特旗位于内蒙古自治区通辽市西北部，地处科尔沁沙地北部边缘，介于东经119°13′28″至121°57′42″，北纬43°50′47″至45°50′13″之间。地处中纬度内陆温带气候区，具有明显的大陆性季风气候特征。四季分明，光能资源充足，年降水量290～450mm，年平均气温0～6℃。研究区域2010年月降雨量平均值与连续十年内降雨量月平均值相比，除7、8、9月份外，其余各月降雨量远高于10年内平均降雨量，春玉米生育期(5～9月)的降雨量达到了262mm。研究区土壤质地为砂土，土壤中全氮、全磷、全钾的含量比较高，速效磷较为缺乏。供试土壤养分含量基础理化性质见表1。

表1 供试土壤的基础理化性质

1.2 实验布置

根据水渠的走向，本研究设置六个处理区域(T1、T2、T3、T4、T5和T6)，每个处理区域重复三个，即共选取18个小区，每个处理区域面积为10m×10m(图1)。T1-T4处理区域采用水+肥处理方式，T5和T6处理区域仅采用灌溉的方式。施肥方案依据当地农民习惯施肥，播种前(5月13日)氮肥深施，施氮量140kgN·ha-1，大喇叭口期(7月3日)追施氮肥120kgN·ha-1。各个时期施肥和灌溉水带入的氮量见表2。出水是指污水处理厂经过全部污水处理工艺最终排出的水，全氮含量约为30mg·L-1；初级水是指没有经过去氮、去磷工艺，氮、磷含量丰富的水(此水源的实现是在出水的基础上加入一定的氮、磷配置出与初级水氮、磷含量相同的溶液)，其含氮量变幅较大(30～70mg·L-1)，为研究特殊情况，将初级水含氮量配置为70mg·L-1。

图1 试验小区布置图

1.3 试验观测

本研究取样深度为0～140cm，每20cm为1个土层。

每季作物播种前、作物关键生育期以及收获后各采集一次土壤样品，用土钻方法取鲜土，用1mol·L-1KCl浸提(水土比为10∶1)鲜土，用流动分析仪测定土壤铵态氮和硝态氮浓度。本研究的供试作物为春玉米，品种为晋丹52号(金玉6号)，播种日期为2010年5月13日，播种量为5斤/亩，收获日期为2010年9月28日。株行距为30×40cm。本文中，硝态氮和铵态氮累积量用下式计算：

土层各氮素累积量(kgN·ha-1)=土层厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×各氮素含量(mg·kg-1)×10-1

表2 不同处理施肥和灌溉水带入氮量(kg·ha-1)

注：*清水灌溉用q表示；出水灌溉用w表示；初级水灌溉用w·表示。

3 结果与分析

3.1 污水灌溉与施肥对春玉米生长的影响

不同处理春玉米株高变化如图2a所示，6月26日各处理株高无明显差异，8月11日及9月8日，T2、T3和T4处理的株高略大于其他处理，其中在灌浆期(9月8日)的株高最大为T3处理，其值为290 cm。这说明由于污水(包括出水和初级水)中含有一定的养分，通过灌溉可以改善土壤的供氮状况，促进春玉米的生长。且拔节后期清污轮灌处理的T2、T3和T4处理的株高明显高于其它处理，说明拔节期灌溉带入的氮素对春玉米拔节和节间伸长有促进作用。T5与T6处理的施氮量分别为210和490kg·ha-1，其株高并没有随着氮素投入量的增加而增大，说明作物生长中后期投入的氮不一定能弥补氮素前期亏缺所导致的负面影响。

不同处理春玉米叶面积指数变化如图2b所示。6月26日，各处理的叶面积指数较小，T2处理的叶面积指数略高于其他处理，T4处理的最小。8月11日，T1、T2和T4处理的叶面积指数显著高于其他2个处理，说明在春玉米生长前期施肥有利于作物生长，叶面积增加显著，特别是T4，叶面积指数增长率明显高于其他处理。9月8日，清水处理T1叶面积指数下降最快，其可能的原因是生长后期氮素供应不足，养分大量由叶片转移到穗部。清污轮灌处理(T2、T3、T4)的叶面积指数明显高于其它三个处理，说明在前期施肥的基础上，清污轮灌对后期叶面积指数增大有促进作用。T5和T6处理的叶面积指数较小，这可能是由于二者前期没有施基肥和追肥，通过出水灌溉带入土壤的肥料不能满足其生长的需要，其生长受到抑制。同时T6处理初级水中的细菌、悬浮固体，重金属等对春玉米叶面生长可能也存在一定的抑制作用。

图2 不同处理春玉米株高(a)和叶面积指数(b)变化

3.2 污水灌溉与施肥对春玉米产量的影响

不同处理措施下春玉米的产量见表3，春玉米的产量的变化为T6>T3>T2>T4>T5>T1。T6的产量高达11843kg·ha-1，与T1处理相比增加了52%；清污轮灌处理T3的增产量为35%；T2和T4的增产量分别为25%和18%。T1比T5小的原因可能是T1处理的株高叶、面积指数等在中期及中后期都大于出水灌溉T5处理，说明早期施入氮肥利于作物营养生长，作物长势较好，但生育期中、后期无氮素投入，作物无充足养分吸收，导致其产量减少，而前期不施肥的处理T5，虽氮肥总投入量最小，但由于关键生育期持续供氮(污水带入)，作物生长中、后期有养分输入，故产量较T1增大。这表明进行污水(包括出水和初级水)灌溉特别是初级水灌溉对春玉米产量具有明显的增加作用。

表3 不同管理措施下氮素平衡(kg N·ha-1)

注：*NUE(氮素利用率)=产量/氮素总输出。

3.3 污水灌溉与施肥对土壤氮素平衡的影响

土壤氮素平衡受多种因素影响，肥料施入量，矿化量，生物固持，氨挥发，反硝化，作物吸收，以及淋失等因素都是决定土壤氮素平衡的重要因素，各因子的数值见表3。土壤温度和湿度是影响土壤氮素矿化的重要因子，在一定范围内，氮矿化速率随湿度的增加而升高，随温度的升高而升高。大量研究表明干湿交替能够影响土壤有机氮素矿化和氮素损失[9]。由表3可以看出，春玉米吸氮量顺序是T6>T3>T4>T2>T5>T1，与产量变化基本一致，随着氮素投入量的增加而增大。污水(包括出水和初级水)灌溉处理的吸氮量均比清水灌溉处理T1的吸氮量要大，这是因为污水中含有一定量的氮素，可以被作物吸收利用，使吸氮量增加。但是，六个处理的氮素利用率(NUE)均不高，范围在19～23%。对于T6处理来说，施氮量为490kg·ha-1，吸氮量为273kg·ha-1，说明通过初级水灌溉引入到土壤中的氮素很大一部分不能被作物吸收利用。导致这种现象的可能原因有两方面，一是由于初级水中含有大量的氮素，已经超过春玉米的需求量；二是由于实验区下层为砂土，持水能力较差，导致一部分氮素随着灌溉水被淋洗到根区以下。这从淋失比例上可以看出，由于水分渗漏现象严重，所以氮素的淋失比例也很大，最大的为氮素输入(施肥+干湿沉降+灌溉)的54%，最小的为40%。初级水灌溉的T6处理氮素淋失量达到221 kg N·ha-1，说明在此研究区施入过多的氮素，不仅不能被作物吸收利用，而且会随水流失，会给地下水带来环境污染隐患[10]。

由表3可知，处理TI、T5土体氮素亏缺最为严重，分别比播种前减小了43 kg N·ha-1，其他处理则有氮素剩余，特别是T6剩余量最大。综上所述，一方面，出水灌溉必须与前期施肥相结合，才能在减少经济投入的基础上不会使作物减产；相反，多次采用初级水灌溉，虽然有明显的增产作用，但会造成土壤氮素在土体的累积，带来的环境风险也不容忽视。因此，作物前期施肥基础上的清污轮灌方式能达到既增加产量又保护环境的效果。

4 结 论

(1)春玉米产量的变化为T6>T3>T2>T4>T5>T1。T6的产量高达11843kg·ha-1，与T1处理相比增加了52%；清污轮灌处理T3的增产量为35%；T2和T4的增产量分别为25%和18%。春玉米的生长和产量没有相关性，前期施肥可促进春玉米的成长(株高和叶面积指数)；初级污水灌溉可明显提高春玉米的产量。

(2)春玉米吸氮量顺序是T6>T3>T4>T2>T5>T1，虽然T6处理的施氮量为490kg·ha-1，但其吸氮量仅为273kg·ha-1，可以看出很大一部分氮素遗留在环境中，对土壤和水体是个潜在的威胁。

(3)出水灌溉必须与前期施肥相结合，才能在减少经济投入的基础上不会使作物减产；相反，多次采用初级水灌溉，虽然有明显的增产作用，但会造成土壤氮素在土体的累积，带来的环境风险也不容忽视。

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TheInfluenceofSoilNitrogenforGrowthofSpringCornwithDifferentWastewaterIrrigationandFertilization

ZHAO Fang LI Dong

(Environmental Development Centre of Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China)

Three kinds of water quality (fresh water，treated sewage and untreated sewage)，two levels of fertilizer (fertilized and unfertilized) were designed in this field test. There were totally 6 treatments and 3 duplications. The results indicated that changes of spring maize yield is T6 (untreated sewage)>T3 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T2 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T4 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T5(treated sewage)>T1(fertilized+fresh water). Wherein，the yield reached 11843kg·ha-1in T6，and with an increase of 52% compared with the T1 treatment. The rate of increase production was 35%，25% and 18% in T3 T2 and T4. The nitrogen content change of spring maize was T6>T3>T4>T2>T5>T1. Though the total amount of nitrogen application was 490kg·ha-1，the absorption of nitrogen was 273kg·ha-1in T6 treatment，and it indicated that a part of nitrogen remain in the environment. There is no correlation between spring maize growth and yield. The fertilizer can promote the growth of spring maize，but had little effect on increasing yield. The untreated sewage irrigation can increase the yield of maize，but，it is probably caused the water pollution through leaching under loss the improper control.

soil；yield o spring corn；wastewater irrigation；nitrogen balance

赵芳，硕士，高级工程师，主要研究方向为环境科学与管理

文献格式：赵 芳 等.不同污水灌溉和施肥条件下土壤氮素对春玉米生长的影响[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：181-184.

X21

A

1673-288X(2017)06-0181-04