水肥调控模式对滨海盐碱地水肥盐迁移及春玉米水肥利用率的影响

2023-02-04李奕含周蓓蓓任培琦单鱼洋薛文强

排灌机械工程学报 2023年1期

李奕含，周蓓蓓，任培琦，单鱼洋，薛文强

(西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048)

由于滨海地区地势低平、排水不畅、地下水位高，再加之黄河水侧渗和海水浸润顶托，土壤含盐量较高且极易出现季节性返盐[1-3].该地区多采用传统大水漫灌及地面撒施肥料等粗放式耕作方式，一方面极易造成水肥利用效率低下，另一方面存在农业面源污染的潜在风险[4].已有研究[5]表明，施氮量过高、灌溉定额过大，会加速土壤氮素迁移和淋失，进而导致氮肥利用率降低，造成地下水污染.文中研究的滨海地区地处山东，玉米季水、热同期，土壤中的硝态氮易于积累且随水分补给的增加逐渐向深层淋洗.薛泽民[6]研究结果表明，氮淋失量随着施氮量增加而增加.LERNA等[7]研究表明高水和高比例氮磷钾的施肥组合能够促进马铃薯的生长，对提高水分生产效率效果有限，但合理施肥可有效提高水分生产效率.张喜英等[8]根据多年连续试验，研究了太行山山前平原冬小麦及夏玉米不同灌水次数、灌水时间对其产量影响和水分利用效率的影响，确定了冬小麦和夏玉米不同生育时期土壤水分下限指标.

国外也面临土地盐渍化的严重威胁.例如在澳大利亚的达令河地区，由于早期采用大量灌水进行压盐，后期出现返盐，从而造成地表水高度盐渍化[9].MUBARAK等[10]研究了滴灌条件下高频灌溉土壤水分变化以及水盐运动规律，认为高频灌溉有利于作物水分吸收和传输.

合理的水盐调控可有效缓解土壤盐碱化、次生盐碱化，降低土壤养分流失，是维护土壤健康的重要基础.因此，研究不同灌水、施肥制度有利于减少土地次生盐渍化、提高肥料利用率，在一定程度上缓解盐渍化地区水资源紧缺的状况、提高作物产量.文中在此基础上，开展滨海盐碱地不同灌溉方式及氮肥施用量对水、肥、盐迁移过程及作物生长影响的研究，以期对滨海盐碱地的水肥高效利用及可持续发展提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4月到2019年9月在山东省农科院东营基地开展，试验地位于山东省东营市广饶县， 118°17′～118°57′E，36°56′～37°21′N.广饶县地处暖温带，属季风型气候，降水量多年平均为587.4 mm，常年始霜期约在10月21日.在试验地修葺4×5 m2小区共15个，进行大田小区试验.小区内待测土壤基本理化性质见表1，表中物理量分别为土层深度h、质量比ω、土壤组成质量分数λ(其中黏粒、粉粒、砂粒的粒径分别为<0.002，[0.002,0.050]，(0.050,2.000] mm)、土壤容重γ、土壤阳离子交换量CEC.

表1 试验小区土壤基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil in experimental area

1.2 试验设计

试验以玉米作为供试作物，种植模式采用宽窄行，宽行80 cm，窄行40 cm，种植密度为25 cm×60 cm(与当地一致)，灌溉采用“一管两行”，滴头间距30 cm.施肥方式为肥料溶于水中随水施入.共设置12个处理：FN1(漫灌高氮)、FN2(漫灌中氮)、FN3(漫灌低氮)、D1N1(滴灌-高水高氮)、D1N2(滴灌-高水中氮)、D1N3(滴灌-高水低氮)、D2N1(滴灌-中水高氮)、D2N2(滴灌-中水中氮)、D2N3(滴灌-中水低氮)、D3N1(滴灌-低水高氮)、D3N2(滴灌-低水中氮)、D3N3(滴灌-低水低氮)，每个处理设3次重复小区，每个处理小区面积为5×4 m2.

1) 灌水设计：灌水方式为漫灌和滴灌，根据当地灌溉习惯设置灌水量：漫灌(F)，全生育期灌水360 mm；3个滴灌灌水水平D1，D2，D3分别为360，288，216 mm.具体灌溉制度见表2，表中I为灌水量.

表2 全生育期灌溉制度Tab.2 Irrigation schedule for all growth periods

2) 施肥设计：设置3个施肥水平，分别为当地施肥水平的100%(N1)，70%(N2)，40%(N3)(当地施肥水平为280 kg/hm2).氮肥选择尿素，尿素溶于水后全部做追肥随水施入，具体施肥制度见表3，表中N为施肥量；各生育期施肥所占比例：苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期、灌浆期、乳熟期、完熟期分别为1%，5%，18%，21%，24%，17%，14%.

表3 待测玉米全生育期施肥制度Tab.3 Fertilizer application system for whole growth periods of maize to be tested

1.3 测定指标及方法

定期在春玉米苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期、收获期进行土壤样品采集以及玉米植株的破坏性取样，测定春玉米干物质量及产量，处理土壤样品测定其水盐及养分.具体测定方法如下.

1) 植物样品取样.每个小区选取5株有代表性的玉米植株进行破坏性取样(苗期20株)，用以测定玉米干物质量：玉米植株置于烘箱中，在105 ℃下杀青1 h，转为75 ℃烘至恒重，称其干物质量.

2) 土壤样品取样.分别在玉米拔节期、播种前、收获后，每次灌水前2～3 d进行取土，灌水后5 d进行取土.每个小区在第3、第7行中间靠滴灌带位置进行随机重复取样，从距离滴灌头3～5 cm处开始进行土壤取样，每间隔5 cm土层取土；10 cm之后每间隔10 cm取土，取至地下水埋深处(约90 cm).测其盐分、含水量以及有效氮含量.① 土壤含水量测定：烘干法测定拔节期灌溉前、后的土壤含水量.② 土壤含盐量测定：测定拔节期灌溉前、后的土壤含盐量.土样置阴凉处自然风干后过2 mm筛，按照1∶5的土水比浸提土壤水溶液，测定其电导率EC，换算为土壤盐分质量比ωs，如图1所示.③ 土壤有效氮测定：硝态氮采用1 mol/L的KCl(1∶10)浸提，通过紫外分光光度计进行测定；铵态氮采用2 mol/L的KCl(1∶10)浸提，用靛酚蓝比色法通过分光光度计测定.

图1 电导率与盐分的关系Fig.1 Relationship between conductivity and salinity

3) 产量测定：取每小区中间3行进行测定，收获全部果穗，计算果穗数目，准确丈量收获样点实际面积以计算各小区产量.

4) 气象数据：通过气象站进行气象数据采集，气象站位于田块10 m处.玉米全生育期累积降雨325 mm，8月10—12日累积降雨257.8 mm.

5) 水分利用效率(WUE，kg/m3)计算式为

WUE=0.1Y/It，

(1)

式中：Y为单位面积的玉米产量，kg/hm2；It为玉米全生育期总灌水量，mm.

6) 氮肥偏生产力(PEPN，kg/kg)计算式为

PEPN=Y/N，

(2)

式中：N为氮肥施用量，kg/hm2.

1.4 数据处理及分析

试验数据用Microsoft Excel 2017进行整理，SPSS 19.0统计分析差异性，最小显著差法(LSD法)进行显著性检验，显著性水平为P<0.05.

2 试验结果与分析

2.1 水肥调控模式对水、盐、养分分布的影响

研究不同水肥调控模式对滨海盐碱地水、盐、养分分布，对提高作物水肥利用具有重要意义.

因玉米在拔节期生长最旺盛且需水量最大，故将玉米拔节期灌水前后的土壤含水量、含盐量、硝态氮、铵态氮等指标的含量及分布作为不同水肥调控模式对滨海盐碱地水、盐、养分分布影响的重点研究对象.

2.1.1 水肥调控模式对土壤含水量的影响

1) 灌水方式对滨海盐碱地土壤含水量影响.依据实测数据，将漫灌和滴灌条件下，玉米拔节期(50 d)灌水前后土壤含水量(体积含水量θ)的剖面分布图绘于图2.由图可见，灌水后土壤剖面含水量明显增加，整个剖面含水量差异较小.

图2 不同氮肥梯度下漫灌与滴灌对土壤剖面含水量的影响Fig.2 Effects of flood irrigation and drip irrigation on soil profile water content under different nitrogen fertilizer gradients

在同一灌水与施肥量下，灌水后，滴灌和漫灌0～40 cm范围内土壤含水量差异较大，40～100 cm土壤含水量差异较小.0～10 cm处漫灌的含水量高于滴灌，且3种氮素处理下，0～5 cm处漫灌含水量分别高出滴灌含水量3.4%，7.1%，13.1%；在5～10 cm处漫灌含水量分别高出滴灌含水量2.5%，6.2%，9.3%.而在10～40 cm处滴灌的含水量高于漫灌的含水量，3种氮素处理下滴灌较漫灌分别高出8.0%，4.7%，10.6%.其主要由于滴灌时，水分入渗过程为点源入渗，漫灌处理则近似为垂直入渗过程；点源湿润的方式在土壤中呈现明显椭球体状[11]，由于表层湿润面积小，从而降低了由水分蒸发造成的损失，且对于作物根系而言滴灌位置精准，相较于漫灌，滴灌可显著提高土层储水量，并通过降低作物根部土壤的渗透压，增强作物根系吸水能力[12].而随施氮量降低，漫灌与滴灌的土壤含水量差异更加显著，漫灌及地面撒施肥料的种植方式明显降低了作物的吸水能力.

2) 施氮量对滨海盐碱土水分分布影响.依据实测数据，将不同氮肥梯度滴灌下玉米拔节期灌水后土壤剖面体积含水量绘于图3，可见灌水后剖面土壤含水量随土层波动较小，表层含水量略有升高.

图3 滴灌处理灌水后的土层体积含水量Fig.3 Soil volume water content of soil layer after different drip irrigation treatments

由图3还可以看出，处理D1，D2和D3的平均含水量分别为0.32，0.30，0.29 cm3/cm3，其中D1和D2的含水量较D3增加了10.3%和3.4%.在同一灌水量时，N1的剖面平均含水量最低，N2和N3基本相近.由于N3存在一定氮肥匮乏，在灌水后表现为N3土壤含水量略高于其他处理.当施氮量为N3时，土壤剖面的水分含量表现为处理D2最低，D1最高；由于此时施氮量低，处理D3的灌水量较D2更少，导致作物的水分利用效率低下，因此土壤剖面含水量较高.

2.1.2 水肥调控模式对盐分分布的影响

1) 灌水方式对滨海盐碱土盐分分布的影响.玉米拔节期灌水前后漫灌与滴灌处理的土壤剖面盐分含量(盐分质量比ωs)如图4所示,与灌水前相比，漫灌与滴灌处理均呈现土壤盐分含量降低的现象.其中0～40 cm土壤剖面平均含盐量分别为2.68，2.43，2.88，2.57，3.08，2.80 g/kg.在同样的灌水量和施氮量下，漫灌处理的土壤剖面平均含盐量均小于滴灌处理.0～5 cm处漫灌的盐分含量低于滴灌；而在10～40 cm处，滴灌的含盐量均小于漫灌，施氮水平为N3(低氮)时，漫灌处理的波动率大于滴灌处理；40～100 cm处，漫灌与滴灌处理下土壤剖面含盐量无较大差异.因此在0～40 cm植物根系分布的主要土层深度，与灌水前相同，滴灌处理中出现了明显的浅盐区，且相较于漫灌，滴灌的土壤盐分含量更低也更趋于稳定.土壤中盐随水走，滴灌的方式是向土壤点源供水，土壤盐分随土壤水分沿滴头下渗，入渗到土壤中向四周扩散，在距离滴头较远处聚集并形成脱盐区[13]，此时盐分低于初盐度；而漫灌的方式是向土壤面源供水，水分呈均匀下渗趋势，故盐分呈现阶梯状分布，在大气蒸发的影响下呈现表土的积盐过程.

图4 不同氮肥梯度下漫灌与滴灌土壤含盐量的剖面分布Fig.4 Profile distribution of soil salt content with different nitrogen fertilizer gradients and drip irrigation under flood irrigation

2) 施氮量对滨海盐碱土盐分分布的影响.灌水后不同处理土壤剖面盐分分布如图5所示，灌水量为D1时，随施氮量增加，土壤盐分含量降低.D1的各处理在0～40 cm土层处盐分波动较小，40 cm土层以下含盐量逐渐增大，无明显积盐点.灌水量为D2时，随施氮量减少，土壤盐分含量增加.D2的各处理在0～20 cm土层处波动较小，在40 cm土层处出现明显积盐点.灌水量为D3时，除D3N2外，氮肥施用量减少，盐分含量降低，但其变化幅度明显小于处理D1和D2.

图5 滴灌灌水量、施氮量对土壤含盐量的影响Fig.5 Effects of different drip irrigation water and nitrogen rates on soil salt content

2.1.3 水肥调控模式对养分分布的影响

土壤中的速效氮包括铵态氮和硝态氮.玉米拔节期灌水前后土壤中的铵态氮含量(质量比ωNH)变化情况如图6所示.由图可以看出，随氮肥施入，铵态氮含量整体略有提高，与灌水前相同的是，表层铵态氮含量最高，随土层深度增加，铵态氮含量呈减少趋势，无明显铵态氮累积层.在相同灌水量与氮肥施入量处理下，漫灌的铵态氮含量均高于滴灌.漫灌较滴灌的土壤剖面平均铵态氮含量对应高氮、中氮、低氮处理分别高出3%，5%，11%.由图还可知，灌水后，漫灌条件下0～40 cm处土壤铵态氮含量略高于灌水前，而40～90 cm处铵态氮含量差异较小.滴灌条件下，高氮(N1)0～20 cm处灌水后土壤铵态氮含量大于灌水前，20～90 cm灌水后铵态氮含量小于灌水前；中氮(N2)0～60 cm灌水后土壤铵态氮含量增加，60～90 cm土壤铵态氮含量与灌水前几乎一致；低氮(N3)0～60 cm灌水后土壤铵态氮含量增加，而60～90 cm灌水后铵态氮含量减小至灌水前.

图6 不同氮肥梯度下漫灌与滴灌对土壤铵态氮的影响Fig.6 Effects of flood irrigation and drip irrigation on soil ammonium nitrogen under different nitrogen fertilizer gradients

灌水前后各处理土壤中的硝态氮含量(质量比ωNO)分布如图7所示.

图7 不同氮肥梯度下漫灌与滴灌对土壤硝态氮的影响Fig.7 Effects of flood irrigation and drip irrigation on soil nitrate nitrogen under different nitrogen fertilizer gradients

相同的灌水量及施氮量，施氮量为N3时，漫灌处理下土壤平均硝态氮含量高于滴灌处理，施肥量为N1和N2时则相反.灌水前，0～20 cm处除低氮处理，滴灌的硝态氮含量高于漫灌，且随施肥量减小，差异逐渐减小.20～90 cm处漫灌与滴灌硝态氮含量差距不大.灌水后，土壤硝态氮含量整体增加，滴灌条件下硝态氮含量增大幅度大于漫灌，由图可以看出，灌水后D1N1硝态氮含量增加最为显著且含量最高.滴灌处理对应的低氮处理没有明显的硝态氮积累点；高氮处理和低氮处理均在40 cm处出现拐点.漫灌处理对应的高氮处理在40～60 cm处含量高于其他土层，低氮处理和中氮处理在50 cm处存在拐点，高氮处理不明显.

玉米生育期前后土壤有效氮含量Nef如图8所示.相同灌水量下，漫灌处理的有效氮含量均高于滴灌处理，但其有效氮利用率低于滴灌处理.

图8 不同水肥调控条件下玉米生育期前后土壤有效氮含量Fig.8 Soil available nitrogen content before and after maize growth period under different water and fertilizer control conditions

滴灌条件下，土壤中剩余有效氮随施氮量增加而增加.收获后处理D1N1，D1N2，D2N1，D2N2，D3N1，D3N2，D3N3较播种前土壤有效氮含量分别高30%，12%，16%，7%，43%，27%，19%；处理D1N3(滴灌-高水低氮)、D2N3(滴灌-中水低氮)较播种前分别低7%和10%；处理FN3(漫灌低氮)生育期前后基本持平.同戚迎龙等[14]的研究结果一致，在低水条件下，施入的肥料氮转化成土壤氮的过程会受到一定抑制，且因灌水量小导致肥料积累在表层，造成其挥发量相应较大，所以低水和不同施氮量的组合是较差水氮用量耦合方式.

2.2 水肥调控模式对春玉米各生长指标的影响

不同的水肥调控模式下，土壤中水肥含量及分布均会发生变化，从而造成玉米的生理指标及水肥利用效率的差异性.因此，需对不同水肥调控模式下的作物生理指标、产量、水肥利用效率进行分析.

2.2.1 对玉米干物质量、产量的影响

不同水肥调控对玉米地上部干物质的影响见表4，表中m为干物质量.

表4 不同氮肥梯度下漫灌与滴灌春玉米地上部干物质积累Tab.4 Dry matter accumulation in above ground part of spring maize under flooding and drip irrigation with different nitrogen fertilizer gradients

随施氮量和灌水量降低，地上部干物质总体呈降低趋势.其中漫灌处理下高氮、中氮、低氮所对应的干物质量积累较滴灌减少8.4%，8.3%，9.5%；低氮条件下，漫灌处理的玉米干物质量积累与滴灌处理差异较大.滴灌条件下氮肥施用量相同时，N1的最大干物质量平均值较N2和N3高出7.4%和18.2%.随灌水量增加，干物质量最大值增大.N1，N2，N3对应的不同灌水量干物质量的波动分别为32.2%，24.6%，23.5%.当施氮量增加时，灌水量差距导致干物质量积累差距逐渐增加.与尚文彬等[15]的研究结果一致，灌溉量过低时不仅不能充分发挥氮肥的肥效，还会造成一定的胁迫作用.在吐丝到灌浆期玉米生长最快，此时干物质量积累占全生育期的66.3%～70.5%.各处理的干物质量积累在灌浆期差距最大，FN1，D1N1，FN2，D1N2，FN3，D1N3在灌浆期的干物质量积累分别占整个生育期的40.4%，42.0%，37.5%，39.2%，33.3%，37.7%，与最终干物质量积累的规律一致.灌浆期是玉米生长需水需肥的关键时期，这个时期干物质量积累的差异决定着最终产量的差异.

不同水肥调控下玉米的最终产量如图9所示.漫灌时，N2及N3的产量比N1分别减少6.9%和12.5%；滴灌时，产量分别减少2.4%和5.0%；高氮、中氮、低氮对应漫灌处理的产量相比其相应滴灌处理分别减少5.0%，9.4%，10.3%.随氮肥施入量减少，漫灌与滴灌处理间玉米产量的差异随之增加.当灌水量为360 mm时，春玉米漫灌与滴灌产量的均值分别为6.14，6.69 kg/hm2，由此可见灌溉方式对玉米产量的影响显著；相同的灌水量，氮肥施用量为N1，N2，N3所对应的春玉米平均产量分别为6.74，6.43，6.07 kg/hm2，其中N1和N3对玉米产量的影响最为显著.同冯严明等[16]的研究结果一致，适量增加施氮量对增加夏玉米产量有促进作用，但过高的施肥量会对夏玉米产量有抑制作用.

图9 不同水肥调控处理下玉米最终产量Fig.9 Final yield of maize under different water and fertilizer control treatments

2.2.2 水肥调控模式对玉米水分利用效率、氮肥偏生产力的影响

不同水肥调控下的水分利用效率及氮肥偏生产力见图10.由图可以看出，除D3N1和D3N2外，其他不同灌水量与氮肥施入量组合均呈现出明显差异.灌水量相同时，滴灌处理WUE的均值较漫灌处理高8.77%，两者之间差异具有统计学意义；而在滴灌条件下，灌水量相同时，随氮肥施入量减小，其WUE减小；当灌水量减少、氮肥施入量增大时，WUE整体呈上升趋势.灌水量平均的情况下，随氮肥施入量增加，N1与N2的WUE较N3提高了17.9%和13.5%；氮肥施入量平均的情况下，随灌水量减小，D3与D2的WUE较D1的WUE提高了20.4%和14.5%.表明低水处理在增加WUE上效果显著.在漫灌条件下，中氮、低氮处理的WUE较高氮处理低6.9%和12.5%，滴灌处理条件下，中氮、低氮处理的WUE较高氮处理低2.4%和7.3%，相同的灌水量，漫灌的氮肥梯度所造成的差异更大.

图10 不同水肥调控下玉米水分利用效率和肥料偏生产力Fig.10 Water use efficiency and fertilizer partial productivity of maize under different water and fertilizer regulation

肥料偏生产力是反应土壤养分水平和肥料施用量综合效应的重要指标.由图10可以看出，相同的灌水量，滴灌处理PEPN均值较漫灌处理高9.8%，两者之间差异不明显；灌水量平均的情况下，随氮肥施入量减小，N3和N2较N1的PEPN提高了64.60%和37.40%；氮肥施入量平均的情况下，随灌水量增加，D1和D2较D3的PEPN升高了40.65%和25.84%.低氮对PEPN的提升影响最为显著.与WUE不同，在灌水量增加、氮肥施入量减小的情况下，其PEPN呈增大趋势(D1N3最高为57.19 kg/kg).邢英英等[17]分别基于大田试验对番茄的肥料偏生产力进行研究，均发现不同水肥耦合对棉花的肥料偏生产力产生了极显著的交互作用，增水减肥可显著增加番茄的肥料偏生产力，与本试验研究结果基本一致.但高水低氮在增加肥料偏生产力的同时会导致其水分利用效率明显降低，造成水资源浪费，高氮肥施入亦会导致产量减少.因此，综合考虑产量、水分利用效率和肥料偏生产力，推荐灌溉制度为D1N2和D2N2；综合考虑作物产量、水肥利用效率及土壤残余氮情况推荐D2N2.