减氮配施有机肥对华北平原夏玉米土壤水分及水氮利用的影响

李银坤,梅旭荣,夏 旭,郝卫平,陈敏鹏

(1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所 农业部旱作节水农业重点实验室,北京 100081; 2.北京农业智能装备技术研究中心,北京 100097)

华北平原是我国重要的粮食生产基地，据统计，粮食播种面积和产量分别占全国的14.0%和12.4%左右[1]。玉米作为华北平原主要的粮食作物，其产量可占全国玉米总产的1/3左右[2]，该区的玉米生产对稳定国家的粮食安全起着非常重要的作用。氮肥的大量投入是当地人们追求高产的重要手段，研究表明，华北平原地区夏玉米产量最高时的施氮量平均只有190 kgN/hm2[3]，而当地农民习惯的氮肥施用量在250 kgN/hm2左右[4-5]。施用氮肥能够促进作物生长和提高产量，但氮肥施用过量不仅无益于产量提高，且导致水肥利用效率的降低[6-8]。有机无机肥配施具有改善土壤微生物区系特征、增加土壤养分供应、提高土壤保墒能力以及促进作物生长发育等优点[9-10]。现有研究[11-12]也表明，化肥和有机肥等氮配施不仅能改善作物耗水特性，增加关键生育阶段的水分供应，而且能够提升作物产量的稳定性与可持续性，显著提高水分和氮的利用效率。可见通过合理施肥能实现稳产及水肥的高效利用。山东省桓台县是我国重要的粮食产区，1990年就成为长江以北的第一个t粮县[13]，化肥的大量投入为当地粮食的高产做出了很大贡献，但同时也带来了高昂的环境代价[14]。因此，合理减少氮肥投入，优化施肥结构，提高水肥利用效率，对于维护当地农田生态系统生态安全和粮食安全具有深远意义[15]。本文采用田间小区试验，通过研究氮肥减量及其与有机肥配施对夏玉米土壤水分及水氮利用的影响，旨在为华北平原高产粮区的合理施肥及水肥的高效利用提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2011—2012年在山东省淄博市桓台县华北集约化农业生态系统试验站进行，地理坐标为117°58′E，36°57′N；年平均气温12℃左右，多年年均降雨量543 mm，53%的降雨集中在7月、8月份，属于北温带大陆季风气候区。试验地土壤质地为冲积潮褐土，耕层(0—20 cm)土壤全氮1.13 g/kg，有机质19.1 g/kg，有效磷18.8 mg/kg，速效钾113.0 mg/kg。研究对象为夏玉米，供试品种为郑单958，2011年6月22日播种，9月29日收获；2012年6月16日播种，9月24日收获。

1.2 试验设计

试验设置4个处理：CK，不施氮；CN，习惯施氮；ON，2/3习惯施氮量；ONM，有机肥与氮肥1∶1(含N量)配施，但与处理ON等氮量。每处理3重复，完全随机排列，试验小区面积为3.3 m×4 m，小区与小区之间用1.6 m深包裹双层薄膜的PVC板进行隔离。试验中习惯施氮量为228 kgN/hm2，氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为重过磷酸钙(含P2O530%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)，有机肥为鸡粪，全氮含量11.5 g/kg(湿基)。氮肥的50%基施，剩余部分在夏玉米大喇叭口期追施，磷钾肥与有机肥均一次性基施。各处理的磷钾肥用量与灌水量均相同，P2O5为90 kg/hm2，K2O为90 kg/hm2；灌溉方式为管灌，2011夏玉米在6月30日灌水1次，2012夏玉米在6月18日和7月26日各灌水1次，灌水量为100 mm/次。

1.3 测定项目与方法

试验期间降雨量数据通过试验站气象自动观测站获取，土壤水分由TDR测定，测定深度为0—160 cm，间隔为20 cm，每7～10 d测定一次，若遇降雨或灌水进行加测。

在夏玉米成熟期每个小区随机选取3株生长发育基本一致的植株，分成根、茎、叶和穗等几部分，首先将植株样品105℃杀青30 min，然后75℃烘干至恒重，称干重，得到夏玉米的生物量。

夏玉成熟时对各小区进行单独收获、脱粒、晒干和测产，各处理产量为3个重复小区产量的平均值。

夏玉米耗水量计算公式为：

ET=W1—W2+R+I

式中：ET 为夏玉米生育期耗水量(mm)；W1为播种时土壤剖面初始贮水量(mm)；W2为收获后土壤剖面贮水量(mm)；R为降雨量(mm)；I为灌溉量(mm)。

水分利用效率计算公式为：

WUE=Y/ET

式中：WUE为夏玉米水分利用效率(kg/mm)；Y为夏玉米产量(kg/hm2)。

氮肥偏生产力计算公式为：

PFp=Y/F

式中：PFp为氮肥偏生产力(kg/kg)；F为氮肥用量(kgN/hm2)。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Office Excel 2007和SAS 9.1统计分析，并用LSD多重比较法比较分析数据差异的显著性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤贮水动态变化

图1为夏玉米0—160 cm土壤贮水动态变化。各处理土壤贮水量随时间的延长变化趋势一致，其中2011年的0—160 cm土壤贮水变化幅度达313.8～455.7 mm。尽管在2011年夏玉米播种后的6月23日有100 mm的灌水，但各处理在6月的0—160 cm土壤贮水依旧低于350 mm；7月份降雨量达149.5 mm，各处理的0—160 cm土壤贮水均有显著增加(p<0.05)，变动幅度为374.4～447.9 mm。8月降雨量有108.7 mm，各处理0—160 cm土壤贮水在400 mm左右波动，变化相对稳定。降雨量在9月份也有108.8 mm，但降雨较为集中(仅9月14日降雨量就达58.7 mm)，各处理0—160 cm土壤贮水为359.8～455.7 mm，波动幅度增大。

图1 土壤贮水(0-160 cm)季节动态变化(2011，2012)

2012年夏玉米的土壤贮水变化幅度相对较小，仅为396.9～466.1 mm。该季夏玉米的灌水量达200 mm，分布在6月18日与7月28日，是引起6—7月份0—160 cm土壤贮水波动的重要原因。8月份降雨量有170.2 mm，占夏玉米生育期降雨总量的58.4%，0—160 cm土壤贮水量相对较高，各处理在440 mm左右波动。而9月份的降雨量只有33 mm，各处理0—160 cm土壤贮水呈下降趋势。处理ONM具有相对较高的土壤贮水，其在2011年9月8日与2012年9月13日的0—160 cm土壤贮水量分别为411.93 mm与446.2 mm，比处理CN分别提高了10.5%和8.8%(p<0.05)，相比处理ON也分别增加了14.5%和7.3%(p<0.05)。处理ONM充足的土壤贮水确保了夏玉米生长需求。

2.2 土壤剖面水分变化

图2可以看出，2011夏玉米播前的剖面土壤含水量较低，0—40 cm土壤含水量变动幅度在12.5%～18.2%。在夏玉米收获时，0—160 cm剖面土壤水分相比播前均有明显增加，其中0—20 cm的土壤含水量增加幅度最大，增幅达77.8%～107.7%(p<0.05)，20—40 cm的土壤含水量也有40.5%～56.3%的增加(p<0.05)；随着土层深度的进一步增加，增幅呈减少趋势，至140—160 cm土层时含水量的增加平均只有12.1%。可见，2011夏玉米期间的灌水和降雨(488.7 mm)不仅能够满足其生长需求，还主要补充了表层土壤水分(0—40 cm)。其中对处理ONM的表层土壤水分增加最为显著，与处理CK，CN和ON相比，夏玉米收获后0—20 cm土壤含水量分别增加了10.6%，13.7%(p<0.05)和5.5%。

与2011夏玉米相比，2012夏玉米播前与收获后的剖面土壤水分变化相对较小，其中收获后的0—20 cm土壤含水量相比播前降低了8.6%～16.8%，20—40 cm土壤含水量相比播前也降低了2.7%～12.2%。这主要是由于2012年9月份的降雨量仅有33 mm，且夏玉米生长对水分的需求量大，导致在收获时0—40 cm土壤含水量下降。处理ONM的下降幅度最大，与播前相比，收获时0—40 cm土壤含水量平均降低了14.5%(p<0.05)，处理CK，CN和ON分别降低了8.5%，5.7%和6.0%。收获后40—100 cm的土壤含水量相比播前有所增加，而在100—160 cm土层，播前与收获后的土壤水分差异相对较小。可见，0—40 cm剖面土壤的水分在夏玉米生长期间变化较大，且主要受到降雨或灌水的补给以及夏玉米生长耗水的双重影响，其中在降雨或灌水不足时处理ONM的夏玉米生长耗水引起了0—40 cm土壤含水量的显著下降。

图2 2011-2012年剖面(0-160 cm)土壤含水量变化

2.3 夏玉米耗水特征

表1为夏玉米的生育期耗水量变化。可以看出，随着生育期的推进，夏玉米耗水量呈先降低后升高继而再下降的趋势。其中，2011年夏玉米播种—苗期的阶段耗水量最高，其次为拔节—抽雄期，2个阶段的夏玉米耗水量可占整个生育期的55.1%～55.8%；而苗期—拔节以及灌浆—成熟期的耗水量均较低，分别占到整个生育期耗水量的7.5%～13.4%和12.3%～17.9%。2012夏玉米耗水表现出同样的规律，阶段耗水量最大的时期位于拔节—抽雄和播种—苗期，耗水量占到全生育期的60.9%～66.0%；而苗期—拔节以及灌浆—成熟期的耗水量分别占该季夏玉米总耗水量的7.8%～9.1%和9.6%～13.9%。由此说明，播种—苗期和拔节—抽雄期是夏玉米耗水量较大的阶段，期间水分的充足供给显得尤为重要。

表1 夏玉米不同生育阶段耗水量 mm

注：相同行不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

各处理的夏玉米总耗水量在2011年并没有显著性差异，2012年夏玉米总耗水量则以处理ONM的最高，与处理CN，ON相比无显著差异，但比处理CK提高了4.13%(p<0.05)。由表1还可明显看出，与处理CK相比，处理ONM在播种—苗期的耗水量降低了12.3%，而在拔节—成熟期的耗水量增加了9.3%。其中在2012夏玉米的灌浆—成熟期，处理ONM的耗水量相比处理CN和ON，也分别增加了40.9%和45.2%(p<0.05)。说明处理ONM降低了夏玉米播种—苗期的耗水，提高了拔节—成熟期的耗水量。

2.4 夏玉米生物量及产量

2011，2012年夏玉米生物量及产量如图3所示。施氮显著提高了夏玉米生物量，与处理CK相比，处理CN，ON和ONM的夏玉米生物量(2011)分别增加了31.1%(p<0.05)，24.8%(p<0.05)和21.8%(p<0.05)。处理ONM在2012的夏玉米生物量也比处理CK增加了19.8%(p<0.05)。但处理CN，ON和ONM的夏玉米生物量并无显著性差异。相比处理CK，施氮处理的2011夏玉米产量均有所提高，但无显著差异。2012的夏玉米产量以处理ONM的最高，比处理CK和CN分别提高了15.0%和11.8%(p<0.05)。

注：不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平，下同。

图3夏玉米生物量与产量

2.5 夏玉米水氮利用效率

由表2可以看出，施氮提高了夏玉米水分利用效率，但各处理在2011年无显著差异，2012年夏玉米水分利用效率以处理ONM的最高，且比处理CK提高了10.4%(p<0.05)。从2年均值看，施氮处理比不施氮处理(CK)的夏玉米水分利用效率提高了1.4%～8.9%，相比习惯施氮处理(CN)，减氮处理的水分利用效率均有提高，其中处理ONM比处理CN提高了7.4%(p<0.05)。处理ONM的夏玉米氮肥偏生产力最高，其次为处理ON，习惯施氮处理CN的最低，说明氮肥减量提高了夏玉米的氮肥偏生产力。与处理CN相比，处理ONM和ON的氮肥偏生产力均值分别提高了58.9%和50.4%(p<0.05)。由此可见，在习惯施氮的基础上减量1/3且配施有机肥能够显著提高夏玉米的水氮利用效率。

表2 夏玉米水分利用效率和氮肥偏生产力

3 讨论与结论

本试验条件下，2011，2012夏玉米0—160 cm土壤贮水量变化幅度分别为313.8～455.7 mm和396.9～466.1 mm。2011夏玉米的土壤贮水量在7月有显著的增加，主要受到降雨和灌水的影响。与2011夏玉米相比，2012夏玉米在8月的土壤贮水量较高(图1)，这与同时期分别有108.7 mm和170.2 mm的降雨有关。Liu等[16]研究也表明，降雨显著影响到土壤贮水量变化，其中在丰水年的土壤贮水量相对较高。另外，夏玉米耗水也是影响土壤贮水量变化的重要因素，处理ONM的0—160 cm土壤贮水量(2012夏玉米)在8月份最高可达466 mm，而在9月份最低已下降至410 mm(图1)，主要是因为期间(拔节—成熟期)的夏玉米生长加快、需水量增大(表1)，进而引起土壤贮水的波动下降。王红丽等[17]研究也表明，生长耗水是夏玉米抽雄至成熟期间土壤贮水量下降的主要因素。由此可见，夏玉米生长期间的0—160 cm土壤贮水变化受降雨或灌水的影响大，而在夏玉米拔节—成熟期的生长耗水则是引起土壤贮水变化的重要原因。

充沛的土壤贮水是促进夏玉米生长及高产的重要保证[18]。本试验中，氮肥减量与有机肥等氮配施(ONM)可以提高土壤贮水，相比处理CN，0—160 cm土壤贮水量最大可增加8.8%～10.5%。这与高洪军等[19]研究表明的有机无机配施处理较化肥处理显著增加了剖面土壤贮水量的结论一致。合理配施有机与无机肥可降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，增强土壤保水蓄水能力，并能提高作物对深层土壤水分的利用[20]。本试验条件下，处理ONM不仅增加了土壤贮水量，同时提高了夏玉米耗水量。2012夏玉米收获时ONM处理在0—40 cm平均土壤含水量相比播前降低了14.5%(p<0.05)，而处理CK，CN和ON的降低幅度分别只有8.5%，5.7%和6.0%(图2)。可见，相比其他处理，处理ONM消耗了更多的土壤水分，夏玉米耗水也相对较高。其中，处理ONM的2012夏玉米总耗水量比处理CK增加了4.13%(p<0.05)，但与处理CN和ON无显著差异。从夏玉米生育期的耗水特征看，夏玉米阶段耗水量最大的时期是拔节—抽雄和播种—苗期，可占全生育期耗水量的55.1%～66.0%。处理ONM在播种—苗期的耗水相对较低，而在拔节—成熟期的耗水相对较高(表1)。已有研究表明，夏玉米播种—苗期的耗水以土壤蒸发为主，可占阶段耗水量的90%以上，而在夏玉米进入拔节期后田间耗水以植株蒸腾耗水为主[21]。由此说明，处理ONM能够减少夏玉米生育初期的耗水，增加生育中后期的耗水，更有利于水分的高效利用。与处理CK和CN相比，处理ONM的产量水分利用效率(2 a均值)分别提高了8.9%和7.4%(p<0.05)。

氮是作物生长及高产的重要影响因素[22-23]，施氮显著增加了夏玉米生物量，提高了夏玉米产量(图3)。与不施氮处理(CK)相比，施氮处理的2011夏玉米生物量增加了21.8%～31.1%(p<0.05)，2012夏玉米产量以处理ONM的最高，比处理CK增加了15.0%(p<0.05)。相比习惯施氮(CN)，减氮处理(ON与ONM)不仅有利于增加夏玉米生物量和产量(图3)，而且显著提高了氮肥偏生产力(表2)。相关研究[24-25]也表明，在农民习惯施氮基础上合理减少施氮量对夏玉米根际土壤氮素水平无影响，可保证玉米稳产，实现减氮增效。本试验条件下的处理ONM相比处理CN，夏玉米产量可增加11.8%(p<0.05)，氮肥偏生产力提高58.9%。其原因与氮肥配施有机肥不仅能够提升土壤化学因子，而且通过增加土壤微生物的碳源和土壤酶的底物，促进了微生物繁殖和土壤酶活性的提高，为作物生长发育提供了良好的土壤环境等因素有关[26-27]。综上所述，在华北平原高产粮区，比习惯施氮减量1/3且与有机肥等氮配施提高了土壤贮水、增加了夏玉米关键生育期耗水，并增加了夏玉米产量和显著提高了水氮利用效率。