地下水埋深与施氮水平对夏玉米生长及硝态氮量的影响

2021-04-28佘映军白芳芳杜臻杰梁志杰齐学斌

灌溉排水学报 2021年4期

佘映军，李平，白芳芳,4，杜臻杰，梁志杰，齐学斌,*

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.中国农业科学院研究生院，北京100081；3.农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南新乡453002；4.中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南新乡453002）

0 引言

【研究意义】我国是世界上化肥施用量最多的国家[1-2]，农田氮素持续投入与氮盈余量年际累积，人工合成氮肥过量施用，氮肥当季利用率低[3]，增肥不增产，多余氮肥通过挥发损失、淋洗等造成大气、地下水环境污染[2]。水氮作为限制农作物生长的主要因子，特别是浅层地下水作为作物生长的重要水源之一，显著影响作物的生理形态和产量[4]。因此研究地下水埋深与适宜施氮对作物生长性状和耕层土壤氮素的影响，对于华北农田氮肥管理和生态环境保护具有重要意义。【研究进展】施氮是影响作物生长和产量的关键因子，常规施氮量大，适宜施氮量能促进作物生长，增加产量。宁芳[5]发现270 kg/hm2施氮量下玉米不同生育期株高、茎粗和叶面积指数整体上高于360 kg/hm2施氮量；王丽娟等[6]研究发现水肥减量20%番茄减产最小，但可以小幅度改善其品质和口味；尚文彬等[7]研究表明，250 kg/hm2施氮量下玉米产量和干物质量显著高于300 kg/hm2施氮量；周加森等[8]也发现传统畦灌下，推荐施氮肥（240 kg/hm2）小麦干物质积累量高于传统施氮量（300 kg/hm2）。除此之外，结合配套灌水施肥制度[9]、有效农艺措施[10]以及合理种植体系[11]等，减施氮肥能够显著改善作物穗部性状，提高作物全生育期干物质量积累和产量[9-11]。

地下水常以潜水蒸发的形式补给土壤水分，与土壤水、植物水和大气水构成完整的田间土壤水分连续系统，是作物维持正常生长所需的重要水源之一，显著影响作物的生长发育、干物质量积累、水分利用和产量形成等。如孙仕军等[12]发现地下水埋深1.0～2.5 m有助于缩短玉米生育进程和增加叶面积指数；亢连强等[13]发现下地下水埋深2.0 m 对作物生长的影响大于埋深3.0 m 和4.0 m；Zhang 等[14]发现测桶冬小麦在地下水埋深1.8～1.9 m 和2.2～2.3 m 地上部生物量在各生育阶段较大。地下水埋深过浅过深都会影响作物的株高和干物质量，从而影响产量。刘战东等[15]发现地下水埋深3.0 m 条件下冬小麦产量最高，Wang 等[16]研究发现浅地下水埋深（0～80 cm）条件下，作物氮素利用效率随施氮量增加而显著降低；Shen 等[17]研究得出地下水埋深较浅的长三角地区，常规施氮量的60%可满足集约化蔬菜生产；MORARI 等[18]发现淋洗到地下水中59%的硝态氮能借助土壤毛细作用运移至作物根区。【切入点】前人针对氮肥减施、优化配施及结合种植体系对作物生长特征、干物质量积累等做了大量深入研究，同样针对浅地下水埋深对作物生理形态、生长性状、干物质量积累和产量及其构成要素也做了较多研究。但在浅地下水埋深区应如何减氮控氮，以及减氮控氮与地下水埋深组合对作物生长、干物质量积累和根层土壤硝态氮量等的影响研究较少。【拟解决的关键问题】本试验借助大型地中渗透仪和Logistic 作物生长模型，研究不同浅地下水埋深与施氮水平处理下，夏玉米叶面积指数、株高、地上部分干物质量和根层土壤硝态氮量的差异，以期为我国地下水浅埋深地区减施氮肥，合理控制施氮量，维持和提高作物产量，减轻环境氮负荷提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站大型地中渗透仪（35°19″N、113°53″E，海拔73.2 m）进行。测坑最大深度分别为2.8、4.8、5.3 m，面积3 m×3 m，测坑为带底钢筋混凝土结构。试验地多年平均气温14.1 ℃，无霜期210 d，日照时间2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，多年平均蒸发量2 000 mm。试验土壤为粉砂壤土，主要理化性状详见表1。

表1 供试土壤理化性状Table 1 Physical and chemical properties of test soil

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计

试验共设6 个处理，分别为G1N1、G2N1、G3N1、G1N2、G2N2、G3N2，和不施氮不控水（WN）对照处理，采用完全随机区组设计，每处理重复2 次；地下水埋深设3 个水平，分别为2.0 m（G1）、3.0 m（G2）、4.0 m（G3），主要依据土壤毛管水上升高度以及实际地下水埋藏深度变化确定，施氮量设2 个水平，分别为减氮20%（240 kg/hm2，N1）、常规施氮（300 kg/hm2，按当地施肥习惯，N2）；地下水位通过马氏瓶控制。

表2 各处理组合各生育期灌水量Table 2 Irrigation amount of each treatment in each growth period mm

1.2.2 施肥灌溉

供试作物为夏玉米（Zea maysL.），品种为“怀玉208”。2019年6月8日播种，9月24日收获，全生育期108 d。试验用肥采用尿素（含N 46.3%）、过磷酸钙（含P2O512%）、硫酸钾（含K2O 50%），氮肥的底肥和追肥比例为4∶6，追肥于大喇叭口期施入，磷、钾肥作为底肥一次性施入，种植密度为66 667株/hm2。埋设RS-XAJ-100 探头（山东仁科测控技术有限公司，中国）在线监测土壤水分，结合水分示数，视地面干旱和作物植株叶片的缺水情况进行灌水，灌水量及灌水日期见表2，所有处理的其他田间管理措施参照当地实际情况执行。

1.3 测试项目及方法

1）玉米生长性状。每个测坑选取2 株玉米挂牌标记，分别在大喇叭口期（7月30日）、抽雄开花期（8月7日）、灌浆期（8月27日）、成熟期（9月24日）选取展开叶片，测定叶长、最大叶宽、株高等生长指标，叶面积计算时折减系数为0.75[19]。

2）干物质量。于作物大喇叭口期、成熟期，取测坑中植株2 株，105 ℃杀青30 min 后，80 ℃烘干至恒质量，测定地上部干物质量。

3）考种及测产。于成熟期选取植株5 株进行考种，以测坑为单元收获后自然风干，称质量测产。

1.4 数据计算与处理

利用MATLAB 拟合数据，Excel 作图和SPSS 进行数据处理（α=0.05）。

1.4评估标准假阴性:使用血细胞检测设备进行检验的结果为正常,使用血涂片检验分析的结果为异常;假阳性:使用血细胞检验设备检验的结果显示异常,使用血涂片分析的结果为正常。阳性:使用血细胞检测设备和血涂片检测的结果均为正常。阴性:使用血细胞检测设备和血涂片检测的结果均为异常 [2]。

2 结果与分析

2.1 不同处理下夏玉米生长指标的变化特征

2.1.1 不同处理下夏玉米叶面积指数

随着夏玉米生育进程的推进，整体上夏玉米LAI呈先增大再减小的趋势（图1）。在各施氮控水处理下，LAI在灌浆期最大，WN 处理在抽雄开花期最大，各生育期施氮控水处理显著高于WN 处理，增加率介于16.79%～72.52%之间。

各生育期LAI在G1 处理下较高，尤其是成熟期与G2、G3 处理差异显著，N2 处理下分别高出7.66%和6.09%，N1 处理下分别高出12.98%和16.37%，G2和G3 处理间差异很小，其余生育期LAI随地下水埋深增加多呈“V”形。

成熟期，各地下水埋深条件下N2 处理LAI高于N1 处理，增幅在2.94%～12.91%之间。其他生育期在G1、G3 处理条件下，N1 处理高于N2 处理，增幅在1.29%～12.43%之间，而在G2 处理条件下，N2处理高于N1 处理，增幅在6.28%～9.56%之间。

2.1.2 夏玉米株高Logistic 模型

利用Logistic 函数[20]拟合夏玉米株高生长，结果见图2。各处理组合下模型曲线均为“S”形，R2均在0.98 以上，RMSE介于2.97～8.43 cm 之间，与实测结果相符。

图1 不同处理下夏玉米叶面积指数Fig.1 Leaf area index of summer maize under different treatments

图2 不同处理下株高实测值与预测值的拟合Fig.2 Relationship between measured and predicted values of plant height under different treatments

表3 不同处理夏玉米株高Logistic 指标值Table 3 Plant height logistic index of summer maize under different treatments

由表3 可见，相较于WN 处理，N1 处理与N2处理平均分别提前3.07 d 和7.06 d 进入快速生长阶段，平均分别提前14.45 d 和16.69 d 结束快速生长阶段，说明施氮控水处理会缩短玉米快速生长期，且N2 处理平均比N1 处理分别提前3.99、2.24 d 进入和结束快速生长期，快速生长期增加了7.52%，而G1 处理平均比G2、G3 处理分别提前0.05、0.87 d 进入快速生长期，以及滞后0.36、1.77 d 结束，尤其是N2 条件下，G1 处理株高快速生长天数较G2、G3 处理分别增加3.99%、12.91%，说明施氮量越大，对作物生育进程的影响越大，G1 处理相较于G2 和G3 处理会延长玉米快速生长天数，但施氮处理对夏玉米生长的影响效应强于地下水埋深处理。

除此之外，在夏玉米株高生长达到最大速率时间上，N2 处理平均比N1 处理提前3.11 d，比不施氮处理提前11.87 d。最大增长速率方面，N1 处理比N2 处理平均增加8.50%，比不施氮平均增加55.31%；N2 水平下，G3 处理比G2、G1 处理分别增加9.69%、14.65%。

2.2 不同处理下夏玉米干物质量的变化特征

不同地下水埋深施氮水平对夏玉米干物质量的影响如表4 所示。各处理籽粒干物质量最高，叶最低；施氮控水处理茎、叶和籽粒干物质量显著高于WN 处理，增加率在31.84%～256.81%之间。

大喇叭口期，茎干物质量随地下水埋深增加而增加，其中G3 处理显著高于G1 处理，N2 处理与N1处理分别高出33.76%、15.98%，而同一施氮水平下各地下水埋深处理间叶干物质量无显著差异，成熟期茎、叶干物质量随地下水埋深变化呈“V”形。N2处理下，成熟期籽粒干物质量在G3 处理时显著高于G1 和G2 处理，分别高出15.48%和10.90%，而N1条件下，G1 处理显著高于G2 处理和G3 处理，分别高出6.54%和5.55%。

表4 不同处理夏玉米大喇叭口期、成熟期器官干物质积累量Table 4 Summer maize organ dry matter accumulation at the mature stage and flare opening under different treatments g/株

G1 条件下，成熟期N2 处理茎、叶干物质量显著高于N1 处理，分别高出35.44%、33.32%，大喇叭口期差异不显著，而N1 处理籽粒干物质量显著高于N2处理，高出9.13%，说明地下水埋深2.00 m 条件下，施氮可能主要通过影响作物物质转运来影响产量；G3条件下，N2 处理籽粒干物质量显著高于N1 处理，高出11.69%，而大喇叭口期、成熟期茎、叶无显著差异，说明地下水埋深4.00 m 条件下，施氮可能通过影响作物物质转运与干物质积累影响产量。

2.3 不同处理下0～40 cm 土层硝态氮增量

由表5 可见，除对照WN 处理外，各处理0～20 cm土层硝态氮增量低于20～40 cm；N1 处理下，0～20、20～40 cm 土层硝态氮增量无显著差异；N2 条件下，硝态氮增量随着地下水埋深增加逐渐减小，差异显著，其中G1 处理硝态氮增量最高，显著高于G2、G3 处理，0～20 cm 土层分别高出75.92%、90.03%，20～40 cm分别高出30.56%、130.95%。而同一地下水埋深下，N2 处理下0～20 cm 土层硝态氮增量是N1 处理的1.4～5.3 倍，20～40 cm 则为2.4～11.2 倍，差异显著，尤其是G1 水平下，N2 处理硝态氮增量极显著地高于N1 处理。

表5 不同处理0～40 cm 土层硝态氮增量Table 5 0～40 cm soil layer nitrate increment under different treatments mg/kg

表6 N2 处理下0～40 cm 土层硝态氮增量、产量及其构成要素Person 相关性分析结果Table 6 Person correlation analysis of incremental of nitrate,yield and its component in 0～40 cm soil layer under N2 treatment

2.4 常规施氮处理条件下表土硝态氮、产量及其构成要素Person 相关性分析

常规施氮量大，易引发土壤氮素积累[21]。选取常规施氮N2 处理条件下，0～40 cm 土层硝态氮增量、产量及其构成要素做Person 相关性分析，结果见表6。由表6 可知，N2 处理下，0～20 cm 硝态氮增量与产量构成要素相关性不显著，而20～40 cm 硝态氮增量与穗长、穗质量和穗粒数显著负相关，与秃尖长显著正相关；产量与百粒质量、穗质量和穗粒数显著正相关，与秃尖长、0～20 cm 和20～40 cm 土层硝态氮量显著负相关。说明常规施氮条件下，地下水浅埋深地区，氮素可能受作物蒸腾拉力及表土蒸发作用向上运移，增加作物主要根系层硝态氮量，从而影响产量构成要素，进而作用产量，且地下水埋深越浅作用效应越明显，但这不利于产量形成。

3 讨论

在地下水浅埋区，地下水主要通过土壤孔隙毛管力、作物蒸发蒸腾等作用[22]上升补给土壤水，土壤水分状况与作物生长状况相互制约，能诱发作物从形态到生理的反应，影响作物生长发育[23]。已有研究表明，地下水埋深对LAI影响显著[12,15,24]，LAI随地下水埋深增加而降低，灌浆期最大，而对株高影响不显著[25]。在本试验中，LAI随地下水埋深增加而减小，埋深3.0、4.0 m 差异小，表明当地下水埋深≥3.0 m 时，地下水对作物生长的贡献小[24]，与前人研究结果相近[12,15]。

Logistic 拟合方程表明，变量参数a、b随施氮量增加而减小，施氮量大能延长作物快速生长期，这与前人研究相近[26]；而不施氮不控水处理快速生长期较长，主要是因为作物生长期缺少水肥，根系生长力弱[27]，随着生育进程推进，根系生长能力变强，逐渐下扎[28]，能够汲取更多的水分和养分，延长了快速生长期。地下水埋深2.0 m 较其他埋深处理延长了快速生长期，主要是因为埋深2.0 m 较浅，地下水供应充足，更有利于夏玉米生长，与前人研究不同[12]，可能是本研究相对前人研究埋深2.0 m 设置仍较深，且受施氮影响；常规施氮处理下，埋深2.0 m 玉米生长速率最大值低于埋深3.0 m 和4.0 m，可能是由于埋深2.0 m 较浅，氮素随水分向上运移多[17,18]，加之常规施氮量大，造成主根系层氮素量累积量多（表5），抑制作物生长。

前人研究表明，干物质量受水肥影响，随地下水埋深增加先减小后增加[29]，本试验结果与之一致，茎、叶随地下水埋深增加先减小后增加，主要因为地下水埋深较深向上补水路径加长，增加了灌溉降雨在土壤中的蓄积，促进了玉米根系生长发育及干旱胁迫的抗逆能力[24]。

基于硝态氮增量、产量及其构成要素Person 相关性分析表明，常规施氮条件下，地下水主要通过影响百粒质量、穗质量、穗粒数和秃尖长以及0～40 cm土层硝态氮增量作用产量，与前人研究相近[12,15]。其中，硝态氮增量与产量呈显著负相关关系，除受多余灌溉水分在包气带中存储影响外[30]，主要因为常规施氮处理提高了土壤硝态氮量[21]，产量可能出现“报酬递减”现象[31]，且试验设置地下水埋深处理，水分在空间上的运移较表层灌水更为复杂，且不涉及灌水处理，水分向下迁移能力相对较弱。地下水埋深浅，在土壤毛管吸力和作物蒸腾拉力作用下，土壤水分运移活跃，对作物主根区养分形成顶托效应[32]，不仅阻止了上层水分和氮素向下运移[16]，同时地下水或深层氮素也可能向上迁移[18]，造成作物主根区氮素交换量变大、累积量变多，根系养分吸收功能降低[33]，影响作物生长，造成作物减产。此外，综合产量、株高等指标随地下水埋深演变特征，地下水埋深与施氮水平组合对作物产量的贡献存在水氮耦合效应，还需进一步研究。