调亏灌溉和施氮对春玉米根区土壤水分、硝态氮分布及产量的影响

成一雄

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

春玉米作为北方优势粮食作物之一，如何采用合理的灌施策略在提高产量、保持土壤质量的基础上实现农业节水化，是当前有机旱作农业亟需解决的关键问题[1]。国内外大量研究表明，基于调亏灌溉进行生物节水能够实现大田作物的水资源高效利用[2-3]，且相关研究者就不同调亏灌溉策略下玉米等农作物根区土壤微环境变化以及最终产量形成等进行了系列研究[4-5]，但针对具体某区域内调亏灌溉策略的选择仍需结合当地条件进一步分析。同时，随着对水氮耦合效应认识的不断加深，以水促肥、以肥调水显得尤其重要，需将水氮因素协同考虑，方能够提出合理的调亏灌溉策略。当前，就调亏灌溉和施氮的研究主要集中于玉米、小麦、西红柿、枸杞和花生等作物[6-7]，针对玉米的研究多集中于干旱区地上或地下的剂量效应分析[8]，而就山西省黄土高原地区调亏灌溉和施氮下对春玉米根区土壤环境和产量的研究还相对较少。基于此，本文研究了调亏灌溉和施氮对玉米根区土壤水分、硝态氮和产量的影响，可为提出北方地区春玉米的合理灌溉模式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省太原市西温庄的农作物节水试验基地，该区域属暖温带大陆性半干旱气候，年平均降雨量430mm，年平均气温9.5℃，年平均蒸发量为1812.7mm。土壤质地为黏壤土，土壤田间持水量为0.31cm3/cm3。土壤颗分、比重试验结果见表1。

表1 土壤颗分、比重试验结果

根据土壤养分分级标准(见表2)可知，试验地表层0～20cm的土壤养分为2～3级，20～50cm的土壤养分为3～4级，总体说来，肥力中等偏上。

表2 土壤养分分级标准

1.2 试验方案

在前期预试验的基础上，该试验以灌水时间和施氮量为变量。其中，水分设7个处理：全生育期灌水(ICK)、苗期不灌水(I1)、拔节期不灌水(I2)、抽穗期不灌水(I3)、灌浆期不灌水(I4)、苗期与灌浆期不灌水(I14)、拔节期与灌浆期不灌水(I24)。单次灌溉定额一致，均为100mm，具体灌水方案见表3。氮肥施用尿素(N含量为46%)，设4个水平：N0为不施肥，N1施肥量为60kg/hm2，N2施肥量为120kg/hm2，N3施肥量为180kg/hm2。试验为完全随机设计，共28个处理，重复3次，试验小区面积为5.5m×3.5m。其他肥料和田间管理各处理均一致，其中，磷肥施用过磷酸钙(P2O5含量为16%)，一次性施入，施入量为120kg/hm2。

春玉米为当地常用品种(屯玉46号)，2015年4月覆膜播种，种植密度为75000株/hm2，行距、株距均为30cm。三叶期后定苗，每穴留生长健壮幼苗1株。10月5日左右收获。

表3 不同灌水处理方案

1.3 测量项目与方法

土壤含水量采用烘干法测定。将取回的土样称其鲜重，然后放入烘箱中80℃下烘干24h，之后取出称量的重量即为干重，烘干土壤中水分的质量与干土质量的比值即为土壤质量含水量。

土壤硝态氮用连续流动分析仪进行测定。在春玉米不同生育期利用土钻取土，将土壤样品经振荡、浸提、过滤后使用AA3连续流动分析仪测定。

在玉米进入生育末期，采集小区内所有玉米进行称重，计算每个处理的产量。

2 分析方法

试验数据采用Excel和SPSS进行处理与分析。

3 结果与分析

3.1 不同水氮条件下春玉米根区土壤含水量变化

根区土壤含水量是明确植物水分亏缺状况和评价灌溉策略最直观和有效的指标之一，通常根区土壤中水分含量随玉米根部深度的增加而呈现水分减少的趋势。以苗期为例可知(见图1)，灌溉与不灌溉下不同土壤深度含水量的变化趋势基本一致，均随着土壤深度的增大呈现出先增大再减小的变化规律。而不同施氮量下，土壤含水率变化有所差异。其中，无氮、低氮和中氮处理下各个土壤深度均表现出ICK处理下的土壤含水量大于I1处理。而高氮处理下表现为上层土壤中ICK处理大于I1处理，中层土壤中二者基本一致，下层土壤中ICK处理小于I1处理，这可能是由于土壤中硝态氮含量较高，在上层土壤中根系吸收水分和硝态氮后，土壤中剩余水分和硝态氮含量仍然较高，剩余的硝态氮可满足更深层次土壤中根系生长的需要，而氮素的运移需要水分作为介质，使得土壤中的水分加速向土壤深处运移，深层次的根系会吸收一定量的水分和硝态氮，从而ICK处理下深层土壤中水分含量较小。

图1 播后苗期各处理土壤含水量

图2 收获期各处理土壤水分含量

收获后土壤储水量情况(见图2)，能够间接指示作物水分利用和蒸腾耗散情况。在不施氮情况下(N0)，各处理土壤含水量基本呈先增加后减小的趋势，I2和I3处理60cm以下平均土壤含水量显著增大，说明拔节期和抽穗期亏水能够增加收获后60cm以下土壤的储水量；ICK处理20～40cm土壤平均含水量最小，这是由于充分灌溉下植物为了吸收更多的养分增加了对中深层土壤水的吸收利用，导致20～40cm土壤水分明显降低。在低氮条件下(N1)，ICK处理平均土壤含水量最大，I4处理平均土壤含水量最低。中氮(N2)和高氮(N3)条件下，各层土壤水分变化差异并不显著。其中，中氮条件不同处理下土壤含水量变化情况与不施氮处理类似，I2处理平均土壤含水量最大，ICK处理下表层土壤含水量增加显著。而高氮条件下，I1和I3处理表层0～20cm的土壤含水量基本一致，均小于其余处理，I1和ICK整体平均土壤含水量无显著差异。

3.2 不同水氮条件下春玉米根区土壤硝态氮变化

硝态氮是植物吸水氮素的主要形态，也是评价土壤质量的关键因子，通常根区土壤中硝态氮含量随玉米根部深度增加而呈现减少的趋势。由图3可知，各处理下苗期春玉米不同深度土壤硝态氮的累积量变化规律基本一致。ICK处理条件下，各个氮肥处理的变化趋势均为先增大再逐渐减小，上层土壤的硝态氮含量随着土壤深度的增加而增大，中、下层的硝态氮含量逐渐减小。这主要是由于土壤中的硝态氮随着水分向土壤深处运移，在这一过程中土壤中的硝态氮供给量大于玉米根系的硝态氮需求量，使得剩余部分硝态氮在上层土壤中积累下来，因此上层土壤中的硝态氮含量逐渐增大，随着土壤深度的进一步增加，上层土壤中氮素被上层根系大量吸收，使得中、下层土壤中的硝态氮含量逐渐减小。

I1处理条件下，无氮处理的变化趋势为先减小再增大再减小，低氮、中氮和高氮处理的变化趋势为先减小后逐渐趋于稳定，呈L形变化。随着土壤深度的增加，上层土壤的硝态氮含量显著减小，中、下层土壤硝态氮含量逐渐趋于稳定。这主要是由于土壤含水量较小，使得土壤中硝态氮的运移相对较困难，无氮处理条件下玉米根系吸收土壤中原有的硝态氮，随着土壤深度的增加，硝态氮含量增高可能是由土壤矿物氮硝化和上层的硝态氮向下迁移形成的，上层土壤中的硝态氮向下运移较困难使得下层土壤中的硝态氮含量再减小。而其他3种氮肥处理下硝态氮呈现出L形变化趋势主要是由于施氮处理后土壤中的硝态氮含量增加，而玉米根系主要集中在土壤的上层，根系生长吸收大量的硝态氮，使得上层土壤中硝态氮含量显著减小，随着土壤深度的增加，玉米根系逐渐减少，使得土壤中的硝态氮含量逐渐趋于稳定。

图3 播后苗期各处理土壤硝态氮累计量

由图3可知，由于表面施氮的原因，各处理春玉米根区0～40cm土层硝态氮累积量均较大，且随着施氮量的增大而增大。其中苗期不灌水处理(I1)在各个氮肥处理下土壤硝态氮累积量均在剖面0～20cm处最大，硝态氮分布呈L形，高氮(N3)处理表层0～20cm硝态氮累积量达到129.50kg/hm2，分别是中氮(N2)处理、低氮(N1)处理和无氮(N0)处理的1.86倍、2.80倍和3.87倍。而苗期灌水(ICK)处理剖面峰值主要分布在40cm左右，其中高氮处理在20～40cm硝态氮累积量平均最大，为133.20kg/hm2，分别是中氮处理、低氮处理、无氮处理的2.25倍、2.49倍、5.98倍，表明春玉米苗期灌水处理导致根区土壤硝态氮加速向下运移。高氮(N3)处理0～100cm根区土壤剖面硝态氮累积量平均最大，达243.64kg/hm2，分别是中氮(N2)处理、低氮(N1)处理、无氮(N0)处理的1.97倍、1.64倍、3.20倍。

收获后取土样，土壤硝态氮在剖面上累积量代表了硝态氮残留的多少。由图4可知，土壤硝态氮的残留量为高氮处理>中氮处理>低氮处理>无氮处理，其中高氮处理0～100cm残留量达122.22kg/hm2，分别是中氮处理、低氮处理和无氮处理的1.95倍、3.83倍和5.44倍。与苗期根区0～100cm硝态氮累积量相比，高氮处理减小幅度最大，为121.42kg/hm2，其减少幅度分别是中氮处理、低氮处理和无氮处理的2.00倍、1.04倍和2.26倍，说明高肥处理硝态氮淋失最为严重，降低了氮肥的利用效率。

表4是不同水氮处理下春玉米产量的变化规律。由表4可知，在各个氮肥水平下，充分灌水处理籽粒产量最高，并且随着施氮量的增加，籽粒产量增大。在无氮处理条件下，I14、I24、I1和I3处理显著影响籽粒产量，分别比ICK处理减产38.28%、18.73%、16.88%和16.72%，由此可见，在无氮处理条件下苗期和灌浆期均亏水会严重影响玉米产量，说明苗期和灌浆期是影响籽粒产量的敏感期。

图4 收获后各处理土壤硝态氮累计量

3.3 不同水氮条件下春玉米产量变化

进一步分析可知，低氮水平下玉米籽粒产量与灌水量成正相关关系，ICK处理下产量最高，达12416.52kg/hm2，分别是300mm和200mm灌溉水平的1.13倍和1.30倍，I14处理对玉米籽粒产量影响最大，其次是I24和I3处理。在中氮处理水平下，抽穗期不灌水严重影响籽粒产量，较充分灌水处理下降26.34%，其次是I24、I3和I14处理，其余时期亏水对玉米籽粒产量影响不显著。高氮处理条件下除苗期不灌水处理外，其他处理都对春玉米产量影响显著，其中I3处理产量最低，较充分灌水处理减产19.94%。在各个水分处理条件下，无氮处理产量最低，产量与施氮成正相关关系，说明施氮量是影响春玉米产量的重要因素，施氮具有明显的增产作用。

表4 不同水氮处理下春玉米产量情况

4 结 论

本文通过对调亏灌溉下灌水和施氮对春玉米根区氮素运移和土壤含水量的分析研究，得出以下结论：

a.不同施氮量对不同调亏灌溉下根区水分变化影响不一致，不施氮条件下拔节期不灌水对根区土壤水分的影响较小，低氮条件下灌浆期不灌水对土壤水分影响显著，中氮和高氮处理会减弱调亏灌溉对土壤水分的影响。

b.不同处理土壤残留硝态氮含量存在显著差异，但变化趋势基本相同，随着春玉米生长时间的变化基本呈递减趋势，均呈现高氮处理下，土壤硝态氮累积量最高，但高肥处理硝态氮淋失最为严重，降低了氮肥的利用效率。

c.调亏灌溉会降低春玉米产量，但春玉米产量随着施氮量的增加而增加，且不同水氮策略对春玉米产量的影响不同。在不施氮条件下，苗期和灌浆期亏水会严重影响春玉米产量，降产率为38.3%；而随着施氮量的增加，苗期和灌浆期亏水对春玉米最终产量的影响将逐渐减弱；中氮和高氮处理下抽穗期亏水将显著降低春玉米产量，降产率为20.6%。