风沙土不同滴灌水量对玉米根系水分和硝态氮分布的影响

王鼎新，窦超银，仲志成，周诗源，孟维忠

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003)

0 引 言

风沙土是沙漠边缘地区普遍存在的土壤资源，土质贫瘠，质地粗，蓄水能力低，漏水漏肥严重，土地生产力低。风沙土在辽西北科尔沁沙漠南缘广为分布，长期以来，玉米是该地区第一大粮食作物，产量却仅有4.5t～6.0 t/hm2，严重影响了地区农业经济的发展，如何能提高风沙土地区玉米的产量一直都是当地亟需解决的问题。玉米在生长过程中受到多种因素影响，其中水分和氮肥是影响作物生长及产量的两个主要限制因子[1]。土壤水分是重要的土壤物理参数，不仅满足作物水分生理需求，改善作物生长环境，同时能够提高土壤肥料养分的有效性及矿化，促进根系对土壤肥料中养分吸收利用[2]，明晰土壤水分在土体内的分布对于指导灌溉提高水分利用效率和高效利用土壤储水量有着重要意义[3]。硝态氮是植物直接吸收利用的速效氮，反映北方地区农业氮素水平一个重要因素[4]，硝态氮不易被土壤胶体所吸附，易随水移动，因此易被淋洗到深层土壤中[5]。两者相互作用对作物根系生长发育有重大影响，灌水和施肥协同处理有利于获得更高的玉米产量[6]。玉米在不同生育时期根到达的土层深度不同，苗期根系分布在0～40 cm土层中，开花期和蜡熟期根系可分别达到160和180 cm，但在0～40 cm土层根系分别占总根量的80%和55%左右，即在垂直方向上玉米的主体根系分布在0～40 cm土层中[7]；在水平方向，玉米根系主要在距植株20 cm半径范围的土层中。根据玉米根系分布特性，改变灌溉策略将氮素分布调控在主要根系范围内，则可降低风沙土漏水漏肥的不利影响。目前，基于灌溉调控的理论在提高水肥利用效率或劣质水土资源利用方面已多有报道[8-10]，为风沙土的水肥调控提供了参考。因此，本文对风沙土滴灌条件下土壤水分、硝态氮的空间分布特征进行分析，并研究不同灌溉水量对水氮分布的影响，以期为风沙土地区土壤水肥的调控，暨玉米滴灌灌溉制度的合理确定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于辽宁省彰武县北甸子村(E122°23'、N42°50')，地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候区，其主要特征是干燥，风沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年内分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸发量1 781 mm；年平均气温6.1 ℃，平均风速3.7～4.2 m/s，最大瞬时风速达24.0 m/s，沙尘暴天气10～15 d；植物生长期145～150 d，无霜期154 d。试验区土壤主要为流动风沙土，干容重1.69 g/cm3，田间持水率12%，凋萎含水率为1.7%，饱和含水率为16.9%。土壤机械组成以细沙为主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有机质含量为66 g/kg。

1.2 供试材料与试验设计

试验于2018年5-10月进行，玉米供试品种为“辽单535”，大垄双行玉米垄距1.2 m，玉米宽行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，根据玉米生长划分为苗期、拔节期、穗期、灌浆期、完熟期等5个生育期，以灌溉水量为试验因素。各生育期灌溉水量通过公式W=αKci(Ek,5-Pk,5)计算，式中Ek,5为第k个5日冠层水面累计蒸发量，逐日实测；Pk,5为第k个5日累计降雨量，逐日实测；Kci为第i个生育期作物系数，苗期、拔节期、穗期、灌浆期和完熟期分别取0.45，0.55，1.2，1，0.7[11]；α为需水系数，根据试验设计分别取需水系数0.4(IR1)、0.6(IR2)、0.8(IR3)、1.0(IR4)、1.2(IR5)；试验区施肥量采用推荐施肥量(纯氮)225 kg/hm2[12]，氮肥施肥比例为基肥∶拔节肥∶穗肥=70∶12∶18，基肥在起垄-播种-覆土-覆膜-施肥一体机春播时施入，追肥时将小区追肥所需肥料(尿素)溶解，溶液倒入桶中，注水，以水肥一体化形式灌溉施肥。试验共5个处理，每个处理重复3次，共15个小区,试验小区随机分布。

播种前种子进行晾晒处理，各处理均在春播前翻地，平整土地，施农家肥(鸡粪)1.5 t/hm2，5～6叶期定苗,拔节期中耕除草，喷施农药甲胺磷一次，防治虫害。

1.3 测定指标和方法

在玉米生育期内用土钻取土样，取样点以小区中部一滴头为中心，水平方向分别距滴头距离为0，10，20，30，50 cm，垂直方向取样深度分别0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，每个小区25个土样。土壤含水率测定采用烘干法；土壤硝态氮含量测定采用紫外分光光度法。

分析计算时，水平方向不同距离的土壤含水率/硝态氮含量为该点各深度测定结果的加权平均值；垂直方向不同深度土壤含水率/硝态氮含量为同一深度各水平测点的加权平均值。剖面土壤含水率/硝态氮含量平均值为剖面内所有测定的加权平均值。

数据处理及绘图采用Excel 2016软件，等值线图用Surfer 8.0绘制，相关性用SPSS 20.0软件分析。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率分布特征

不同灌水处理土壤含水率分布如图1所示，各处理剖面土壤含水率均在4%～10%之间，含水率等值线凹凸不平，即剖面土壤含水率分布不均匀；总体分布规律表现为在垂直方向上，表层含水率高于下层土壤，在水平方向上，上层土壤含水率随距离增大有增大趋势，下层土壤含水率在水平方向变化较小，表明土壤水分有向垄沟表层土壤集聚的趋势，如IR3和IR5处理，距滴头40～60 cm的表层土壤含水率高于剖面其他位置。不同灌溉处理之间，IR1～IR5处理剖面含水率分别为5.3%、6.0%、6.2%、4.9%和5.4%，含水率变化幅度仅为1.3%；变异系数分别为0.22、0.23、0.32、0.23和0.34，说明尽管由于风沙土保水性差，土壤含水率低，变幅较小，但灌溉水量的增加会增大剖面含水率的不均匀性。

图1 土壤含水率空间分布

土壤含水率在水平方向上的变化如图2所示，滴头正下方(0 cm)、10 cm和20 cm处，处理之间含水率变幅分别为197.4%、133.2%和158.2%，且灌水量较小的IR1～IR3处理含水率高于IR4和IR5处理；而30 cm和50 cm处，最大值较最小值分别仅高出12.9%和27.0%，处理之间含水率相近。除IR3处理滴头正下方土壤含水率均值较高，沿水平方向呈减小-增大-减小趋势外，其他处理含水率均值随着距滴头距离的增大先增加后减小，其中IR2，IR3处理在20 cm处出现峰值，IR4和IR5处理峰值出现在30 cm处；说明灌水量对0～20 cm范围内土壤含水率影响较大，同时，灌水量越大，水分运动距离越大，峰值距离滴头位置越远。

图2 土壤含水率在水平方向上的变化

土壤含水率在垂直方向上的变化如图3所示，IR1、IR4和IR5处理土壤含水率随着土层深度增加逐渐减小，0～60 cm土层内分别下降26.4%、43.1%和48.5%，IR2和IR3处理随着深度增加含水率先减小后增大，表层土壤含水率最大、最小值在25～35 cm土层中，较表层下降28.4%和43.8%；在不同土层上，处理之间无明显变化规律，但在20～30 cm土层，灌水量较大的IR4和IR5处理含水率高于灌水量较小的IR1～IR3处理；30 cm以下相反，IR1～IR3处理土壤含水率高于IR4和IR5处理，且IR2处理高出IR4处理85.4%；说明在垂直方向上，土层深度对含水率的影响较灌水量的影响更为明显，0～30 cm是土壤水分主要分布层。

图3 土壤含水率在垂直方向上的变化

2.2 土壤硝态氮分布特征

不同灌水处理土壤硝态氮空间分布如图4所示，各处理剖面土壤硝态氮含量均在10～25 mg/kg之间，硝态氮含量等值线凹凸不平，局部闭合，闭合区域硝态氮含量最大，即硝态氮集聚区，含量均高于20 mg/kg；集聚区面积随着灌水量的增加逐渐增大，IR3处理硝态氮含量高于20 mg/kg的区域占剖面面积一半以上，但随着灌水量进一步增加，聚集区域面积逐渐减小；同时随着灌水量的增加，硝态氮集聚区有远离滴头的趋势，从IR1处理距离滴头距离小于20 cm到IR5处理聚集区距离滴头大于50 cm。不同灌溉处理之间，IR1～IR5处理剖面硝态氮含量分别为15.4、16.7、19.5、17.6和16.8 mg/kg，IR3处理含量最大，高出IR1处理26.3%；各处理硝态氮含量变异系数分别为0.17、0.15、0.18、0.16和0.15，说明风沙土土壤中，硝态氮含量较低、分布不均匀，有明显的集聚；随着灌溉水量的增加，土壤中硝态氮集聚面积和含量先增大后减小，且集聚区也随着灌水量的增加而远离滴头位置。

图4 土壤硝态氮空间分布

土壤硝态氮含量水平方向上的变化如图5所示，水平方向各处理硝态氮含量都在14～20 mg/kg，IR3处理变幅最大，为4.6 mg/kg，其他处理变幅仅在2～3 mg/kg之间；IR1处理硝态氮含量最大值在滴头正下方(0 cm)，IR2、IR3和IR5处理峰值分别在20、30和50 cm处，IR4处理最大值距离滴头约20 cm。不同处理之间，滴头正下方硝态氮含量差值小于4 mg/kg，随着水平距离的增大，硝态氮含量差异增大，50 cm处差值大于6 mg/kg；10～50 cm范围内，随着灌水量增大，水平各点硝态氮含量先增大后减小，其中IR3处理硝态氮含量最大，IR1处理含量最小。结果表明对硝态氮在水平方向上分布变化较小，增加灌水量有利于提高水平方向上硝态氮含量，但灌水量偏大时，将降低硝态氮含量，且灌水量越大，硝态氮含量峰值距离滴头位置越远。

图5 土壤硝态氮在水平方向上的变化

图6 土壤硝态氮在垂直方向上的变化

土壤硝态氮含量在垂直方向上的变化如图6所示，各处理硝态氮含量在13～22 mg/kg之间，IR5和IR3处理变幅较大，大于5 mg/kg，其他处理变幅约3 mg/kg；IR1和IR2处理土壤硝态氮含量均随着土层深度增加逐渐减小，IR3、IR4和IR5处理随着土层深度的增加硝态氮含量先减小后增大，表层土壤硝态氮含量最大，最小值在25～35 cm土层中。不同处理对比，各层土壤硝态氮均随着灌水量的增加有先增大后减小的趋势，IR3处理硝态氮含量相对高于其他处理，IR1处理含量最低，在0～10、20～30和40～60 cm土层两处理硝态氮含量分别相差3.8、1.4和7.1 mg/kg，即处理之间硝态氮含量差异随着土层深度增加，先减小后增大。试验结果表明硝态氮有明显的表聚现象，灌水量增加有利于提高各层硝态氮含量，但同时也会导致土壤硝态氮含量在40 cm以下土层增大。

2.3 水肥分布相关性分析

各处理土壤含水率和硝态氮含量平均值相关性分析如表1所示，水平方向距滴头不同位置(0、10、20、30和50 cm)土壤含水率和硝态氮含量之间无显著关系，随灌水量的增加也无明显规律；在垂直方向上，含水率与硝态氮含量呈正相关，即土壤含水率越大，硝态氮含量越高，除IR4处理外，其他处理相关性在中等强度以上，IR1和IR5为极强相关，其中IR1处理含水率与硝态氮含量具有相关性但相关系数随灌水量增加无明显变化规律，即受灌水量影响较小；对剖面内各点含水率与硝态氮含量的相关分析则表明IR5处理土壤含水率和硝态氮含量达到中等程度相关，在0.01水平上显著，其他处理含水率与硝态氮含量相关性较弱，且受灌水量影响较小。根据试验期间小区灌溉水量统计，IR1～IR5处理累计灌水量分别为：145.2、217.9、290.5、363.1和435.7 mm，回归分析得到土壤剖面硝态氮含量与灌水量的关系：

YN=-0.000 1x2+0.083 8x+5.371 5，R2=0.75

(1)

式中：x为灌水量，mm；YN为土壤剖面硝态氮含量，mg/kg。

分析表明灌水量是影响土壤硝态氮含量的主要因素之一，但土壤含水率与土壤硝态氮除表现为以正相关为主，在垂向分布上相关性较高外，空间分布的相关性并不大，且改变灌水量并不能提高两者相关性。

表1 各处理含水率与硝态氮含量相关性分析

3 讨 论

将水和肥控制在作物主要根系分布区域内以提高作物的水肥利用效率是灌溉调控的理想条件。滴灌条件下，灌溉水以点源入渗的形式从根系附近径向扩散到土壤中[13]，通过控制灌溉水量可避免水分的深层渗漏，滴灌系统的可控性为少量多次的灌溉制度提供了可能[14]。水分的空间分布特征主要表现为滴头正下方含水率最高，甚至形成一个稳定的饱和区，土壤含水率自饱和区向外径向减小；湿润体一般为椭球体，其形状取决于土壤质地，但通过灌溉制度优化，一般均可实现湿润体与主要根系分布区域重合[15]。但在本试验中，土壤含水率分布并没有较为明显的规律性，这可能是由于试验供试土壤为风沙土，田间持水量仅12%，土壤保水性差，土壤含水率低，即使是少量的作物根系吸水或土壤蒸发都会引起含水率的明显变化[16]，导致土壤水分分布不均，尤其距滴头水平距离0～20 cm是玉米根系主要分布区域，含水率反而低于其他区域，增加灌水量可提高滴头下方含水率，如灌水量最大的IR5处理，滴头正下方局部含水率较高。试验中土壤含水率有明显的分层现象，且表层土壤含水率高于下层土壤，这是由于膜下滴灌覆膜改变了土壤水分运动路径导致，土壤水分在高温作用下蒸发，地膜阻碍了水汽进入大气，停留在表层土壤中[17]；而当灌水量较大时，土壤水分在土壤吸力和垄沟蒸发力的作用下向垄沟方向运动，越来越偏离水源点(滴头)[18]。根据玉米根系分布特点，水分集中于上层有利于根系吸收，但水平方向水分向垄沟运动则不利于根系吸水，因此，根据试验土壤水分含量和分布特征，以处理IR2，IR3或IR4为宜，即需水系数取0.6～1.0。

水是养分的溶剂和载体，养分在土壤中随水迁移，但这只能说明水分可改变养分分布，并不能说明水肥分布具有一致性，研究结果也表明土壤含水率较高或较低的区域均可能出现较高的土壤养分含量，前者是由于肥液浓度高[19]，后者是由于水分蒸发或被根系吸收，养分在土壤中累积[20]。普遍认为制定灌溉制度时，灌水量不宜过大，养分尤其是硝态氮容易被淋失到根系层以下[21]，本试验结论与前人一致，剖面土壤硝态氮含量随着灌溉水量的增加先增大后减小，需水系数大于0.8时即可能导致硝态氮淋失。试验发现硝态氮在剖面的局部区域集聚并向远离滴头的位置偏移，这是由于风沙土保水保肥性差，未能形成稳定的湿润体，硝态氮随着水分迁移，当灌水量少时，运动距离短，一部分被根系吸收，另一部分在根系吸水后集聚在根系附近；随着灌水量增加，集聚区偏离滴头更远；当灌溉水量偏大时，如IR5处理，硝态氮运移到垄沟位置，一部分在水分蒸发后集聚到表层土壤[17]，一部分继续运动到深层土壤中。此外，由于覆膜作用，土壤水分在表层积累时，随水运动的硝态氮也出现明显的分层现象[18]。同样，硝态氮的在上层土壤中的累积有利于作物生长，而综合硝态氮在剖面的分布特征，以处理IR3为宜。

4 结 论

试验表明通过改变灌水量能够调控土壤水分和硝态氮在土壤中的含量和分布，主要结论如下。

(1)不同灌水量处理土壤剖面含水率均在4%～10%之间，均值变化幅度仅1.3%，变异系数从低灌水量处理的0.22增加到高灌水量的0.34。增大灌水量不能增加土壤的蓄水量，反而增加土壤水分分布的不均匀性。水平方向上，灌水量对0～20 cm范围内土壤含水率影响较大，且灌水量越大，水分运动距离越远；在垂直方向上，土壤水分在表层积累，0～30 cm土层是土壤水分主要分布层。

(2)风沙土土壤中，硝态氮含量较低，在10～25 mg/kg之间，分布不均匀，有明显的集聚；随着灌溉水量的增加，土壤中硝态氮含量先增大后减小，IR3处理含量最大，达到19.5 mg/kg；同时硝态氮集聚区随着灌水量的增加而离滴头越来越远，甚至运动到根层以下。水平方向上，灌水量越大，硝态氮含量峰值距离滴头位置也越远；垂直方向上，硝态氮有明显的表聚现象，灌水量增加有利于提高各层硝态氮含量，但同时也增加了根层以下土壤硝态氮含量。

(3)灌水量是影响土壤硝态氮含量的主要因素之一，但土壤含水率与土壤硝态氮除表现为以正相关为主，在垂向分布上相关性较高外，空间分布的相关性并不大，且改变灌水量并不能提高两者相关性。

综上结论，在风沙土地区利用滴灌灌溉玉米时，为了更好地将土壤水分和养分控制在根系分布层内，推荐灌溉制度计算公式中的需水系数取0.8。