灌水量和施肥量对盐碱土氮素分布和玉米产量的影响

马少帅， 蒋 静， 马娟娟， 杨治平， 郭军玲

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030031； 3.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原 030031)

杨劲松于2008年报道，我国盐碱耕地面积多达 920.9万hm2，占全国耕地面积的6.62%[1]。位于黄土高原东北部的大同盆地的盐碱地面积达到16.55万hm2，其中盐碱耕地面积为12.43万hm2，而盐碱荒地面积为4.12万hm2，合理开发利用盐碱地资源，可以缓解人口与土地资源的矛盾[2-4]。水分和肥料是农业生产中影响作物生长发育最主要的2种重要因素。氮素是植物生长中不可缺少的元素之一，不同的水肥处理对土壤氮素的影响不同。梁运江等的研究表明，土壤表层0～20 cm的硝态氮主要受水和肥的影响，而且灌水因素对于硝态氮的影响大于施肥对于硝态氮的影响[5]；李法云等的研究表明，低水低氮时土壤中的氮以铵态氮的形式挥发而损失，供水量达到460 mm以上时，可能会发生硝态氮的深层淋溶，对地下水环境产生污染[6]；周博等的研究表明，通过调节配方的施肥处理可以降低 0～60 cm土层中的硝态氮含量，减少土壤剖面中硝态氮的累积量[7]；崔远来等的研究表明，随着施肥量的增加，氨挥发损失量增加[8]；刘微等的研究表明，土层中硝态氮含量随着施氮的增加而增加，但随着土壤深度的加深，硝态氮含量逐渐降低[9]。不同的水肥处理不仅会对土壤氮素产生影响，还会对作物产量产生影响，在这方面已经有很多人进行了研究[10-12]。因此，研究不同水肥对土壤的氮素分布以及产量的影响具有重要意义。

本研究针对不同灌水量和施肥量对盐渍化土壤氮素分布和产量的影响开展试验，可为确定盐渍化地区合理的灌溉制度和施肥水平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

本试验于2015年5—10月在位于山西省朔州市怀仁县的山西省农业科学院农业环境与资源研究所盐碱地改良试验示范基地进行，该基地位于大同盆地中部(地理位置 113°10′ E，39°52′ N)，是苏打盐渍土分布较多的区域。该地区属北温带大陆性季风气候，年均气温7.3 ℃，平均无霜期150 d左右，年均日照时数2 800 h，年均降水量380 mm，多集中于7、8月份。2015年玉米生育期内降水量为165.4 mm。耕地土壤容重为1.65 kg/cm2，土壤初始含盐量为1.982～2.341 g/kg，田间持水率为32%(体积含水率)。试验地土壤化学性质及物理性质见表1。

1.2 试验设计

玉米品种为雅玉青贮8号，该品种为饲料玉米。试验设2个因素：灌水量和施肥量。灌水量设3个水平，土壤含水率上限分别为田间持水率的100%(W1)、90%(W2)、80%(W3)，下限控制在田间持水率的60%左右，灌水量及对应的灌水时间见表2；施肥量设4个水平：900、750、600、450 kg/hm2，分别为F1、F2、F3、F4处理，其中氮素含量分别为270、225、180、135 kg/hm2，P2O5含量分别为108、90、72、54 kg/hm2，对应的K2O含量分别为54、45、36、27 kg/hm2，肥料作为底肥于播种前一次性施入，试验共12个处理，每个处理3次重复，共36个小区，小区面积35 m2(5 m×7 m)，小区之间用0.5m的地埂隔开。

表1 试验地0～100 cm土层土壤化学性质及物理性质

表2 灌水量及灌水时间

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集及测定 土壤含水率：每次取样采用土钻取土，取土深度为100 cm，共分为7层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～90、90～100 cm)，每次取土后作回填、标记处理。采用烘干法测定，将所取土样放在烘箱里，于105 ℃烘干8 h以上。

产量测定：收获期每个处理取1 m2范围内的玉米进行烘干称质量，重复取3次，求平均值。

土壤铵态氮与硝态氮含量的测定：在播种前、拔节期以及收获期对玉米带土壤进行取样，采用土钻进行取样，深度分别为 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，每次取完后回填钻孔并作标记。鲜土取回后立即放入冰箱保存，用靛酚蓝比色法和紫外分光光度计法测定铵态氮和硝态氮的浓度。

1.3.2 试验数据处理 试验数据采用Excel 2003 进行处理，采用SPSS 19.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对土壤中硝态氮分布的影响

从图1-a可以看出，播种前(5月28日)，4种施肥量处理下，浅层(20～40 cm)土壤的硝态氮浓度最大，表层(0～20 cm)和深层(60～100)土壤硝态氮的浓度较低，这是因为在播种时经过翻地，把表层的肥料翻整到了30 cm左右。4种施肥量下硝态氮浓度表现为F2>F1>F3>F4，F1与F2、F3与F4处理之间的硝态氮浓度差异不明显。

2.1.1 灌水量对硝态氮浓度的影响 从图2、图3中可以看出，在拔节期和收获期，施肥处理为F1时，W1和W2处理的硝态氮浓度均明显高于W3处理，W1和W2处理间差异不显著；施肥处理为F2时，在0～50 cm土层以内，充分灌溉处理下硝态氮的浓度高于非充分灌溉，说明非充分灌溉可以促进植物对硝态氮的吸收，在收获期深层土壤(60～100 cm)硝态氮浓度大于表层，这是因为收获期水分不能被很好的吸收，大部分水分向土层深处渗透，将硝态氮向下淋洗；施肥处理为F3时，在拔节期，W3处理硝态氮浓度明显高于W1、W2处理，W1和W2处理间差异不明显，除W3处理外，在20～100 cm土层硝态氮浓度与土层深度呈正相关，出现这种现象是因为硝态氮在水的作用下，发生了向下淋洗的过程，在收获期，深层土壤硝态氮浓度也随土层的增加而增加， 同样是硝态氮被淋洗造成的；施肥处理为F4时，非充分灌溉处理下硝态氮浓度大于充分灌溉处理，且在0～100 cm 土层硝态氮浓度变化不大，这是因为施肥量过少，玉米的生长受到限制，导致其叶片发育迟缓，蒸腾作用减小，玉米吸收营养物质的动力减小，对硝态氮的吸收能力减弱，一部分硝态氮通过地下径流随水分流失，收获期硝态氮向下淋溶量较拔节期高，这是因为在拔节期，大部分硝态氮被玉米吸收，而在收获期，玉米对硝态氮的吸收量很小，大部分被淋溶到深层土壤中。

2.1.2 施肥量对硝态氮浓度的影响 从图4可以看出，在拔节期，在W1和W2灌水量水平下，F1处理的硝态氮浓度高于其他3种施肥处理，且差异明显，F3处理下硝态氮浓度整体最低；在W3灌水量水平下，F1处理的硝态氮浓度仅低于F4处理，差异不明显，F2处理下硝态氮浓度最低，说明高水低肥W1F3组合与低水中肥W3F2组合有利于植物对硝态氮的吸收。在垂直空间分布上，F1与F2、F3与F4的硝态氮浓度变化趋势基本一致。灌水量相同时，在F1和F2处理下，硝态氮浓度在浅层土壤(0～40 cm)随土层深度增加而增加，在深层土壤(60～100 cm)随土层深度增加而降低，而在F3和F4处理下，表层硝态氮浓度较小，深层硝态氮浓度增大。

从图5可以看出，在收获期灌水量一定时，F1处理下硝态氮浓度整体最大(除W3灌水量水平)，F3处理下硝态氮浓度整体最小，除F4处理外，其余3种施肥量处理下硝态氮浓度大致表现为F1>F2>F3，说明适当降低施肥量会促进植物对硝态氮的吸收，从而降低土壤中硝态氮的含量。在充分灌溉条件(W1)下，除F4处理外，硝态氮浓度大致随土层增加而增加，在非充分灌溉下，4种施肥量处理下，硝态氮浓度在 40～100 cm随土层深度的加深而增加(除F4处理)，这是因为灌水和降水对硝态氮的淋洗作用，通过入渗作用将其淋洗到较深的土层中。在充分灌溉条件下，F1和F2处理之间硝态氮浓度差异不明显，可见在充分灌溉条件下可以适当减少施肥量。在非充分灌溉条件下， F1、F2和F3处理之间差异不明显，可以将施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2 不同水肥处理对土壤中铵态氮分布的影响

从图6可以看出，在播种前期(5月28日)，4种施肥量处理下，在表层土壤(0～20 cm)铵态氮浓度最大，中层土壤(20～60 cm)铵态氮浓度较小，处于稳定状态，深层土壤(60～100 cm)铵态氮浓度随土层深度增加而增加，通过方差分析可知，在播种前4种施肥量处理间铵态氮浓度的差异不显著。

2.2.1 施肥量对铵态氮浓度的影响 从图7可以看出，在拔节期充分灌溉W1条件下，F2处理的铵态氮浓度较其他3种施肥处理大，说明在水分充足时可以通过降低施肥量来提高铵态氮含量；亏水处理下，施肥量对铵态氮的影响主要出现在0～40 cm土层，且减少施肥量可以提高铵态氮的浓度。通过方差分析可知，施肥量对铵态氮浓度的影响显著(P<0.05)。

从图8可以看出，在收获期灌水量为W1时，施肥量对铵态氮浓度的影响主要表现在0～20 cm土层，铵态氮浓度大小表现为F1>F2>F4>F3，F2、F3和F4处理间差异不明显；灌水量为W2时，施肥量对铵态氮浓度影响主要出现在40～80 cm 土层；灌水量为W3时，施肥量对铵态氮浓度影响主要出现在40～60 cm 土层，在40～100 cm土层范围内，F1处理下铵态氮浓度最小，F4处理下铵态氮浓度最大，F2、F3处理下差异不明显。由此可知，在收获期灌水量相同时，可以将施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2.2 灌水量对铵态氮浓度的影响 灌水量对铵态氮浓度的影响不明显。拔节期(7月29日)施肥量相同时，灌水量对铵态氮浓度的影响主要表现在0～40 cm土层。在收获期，随着施肥量的减少，铵态氮浓度随灌水量的增加而增加的幅度降低，且随着土层深度的增加，灌水量对铵态氮浓度影响减小，施肥量相同时3种灌水量对铵态氮浓度影响不明显。

2.3 不同水肥处理对玉米产量的影响

灌水量和施肥量对玉米产量的影响都具有明显差异，水分和肥料的交互作用对玉米产量的影响不明显。灌水量一定时，施肥量在450～750 kg/hm2，玉米产量随施肥量的增加而增加，F2处理下玉米的产量明显高于其他施肥量的产量。施肥量一定时，产量随灌水量的增大而增加。由表3可知，W1F2处理的产量最大，为13 450.49 kg/hm2，W3F4处理产量最小，为7 050.59 kg/hm2，W1F2处理比W3F4处理高90.77%。在W2处理下，与F2相比，F1、F3、F4处理下的产量分别降低21.61%、15.01%、31.41%；在W3处理下，与F2相比，F1、F3、F4处理下的产量分别降低24.71%、20.38%、32.81%。。

表3 不同处理下玉米的产量

3 讨论

氮素对于玉米生长和产量来说是极其重要的，在农业生产过程中，氮肥的主要来源是施肥，合理施肥是实现高产的重要措施之一[13-14]。但施肥量过多，不仅会造成肥料的浪费，还会降低玉米的产量。杨丽等的研究表明，在灌水量一定的情况下，施氮量在0～240 kg/hm2时，产量随着施肥量的增加而增加，当施氮量超过240 kg/hm2时，产量反而降低[15]。赵媛媛等的研究表明，夏玉米水肥耦合效应中，施氮量为168.75 kg/hm2下增产效应和经济价值最高，施氮量为225 kg/hm2时反而降低[16]。本研究结果与以往研究结果相似，施肥量在 450～750 kg/hm2(氮肥含量为135～225 kg/hm2)时，玉米产量随施肥量的增加而提高，但施肥量超过750 kg/hm2时，继续增加施肥量不仅不会促进产量的提升，还会浪费肥料。

在施肥量一定的情况下可以通过增加灌水量来提高玉米的产量。贺冬梅等的研究表明，在不考虑施肥量的情况下，作物产量随灌水量的增加而增加，且水分对于产量的影响要高于施肥量[17]。本研究结果表明，玉米产量随灌水量的增加而增大，但当灌水量从W2提高到W1时，灌水量增大10%，而F2、F3、F4处理产量仅提高108.63～628.87 kg/hm2，仅在F1处理下提高较多，提高2 865.37 kg/hm2，且在玉米生育期的中后期，W1和W2处理间硝态氮和铵态氮浓度差异均不明显，故可以将灌水量控制在464 mm水平下。

4 结论

本研究分析了不同水肥处理对盐渍化土壤中氮素分布以及产量的影响，得出了以下结论：

(1)在拔节期和收获期，W1和W2处理之间硝态氮和铵态氮浓度差异不明显，且2种灌水量下产量差异不明显。因此，可以将灌水量控制在464 mm，这样不仅能将硝态氮和铵态氮控制在一定水平，还能够节约水资源。

(2)在非充分灌溉条件下，适当减少肥料用量不仅可以节约肥料，也可以满足土壤氮素含量的需求。玉米产量随着灌水量的增多而增加，而施肥量与产量并不呈一定的线性关系，施肥量控制在600～750 kg/hm2(氮素含量为180～225 kg/hm2)，有利于玉米增产，也可以达到节约肥料、减少环境污染的目的。