灌水量和施肥量對鹽堿土氮素分布和玉米產量的影響

馬少帥， 蔣 靜， 馬娟娟， 楊治平， 郭軍玲

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西太原 030024；2.山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原 030031； 3.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031)

楊勁松于2008年報道，我國鹽堿耕地面積多達 920.9萬hm2，占全國耕地面積的6.62%[1]。位于黃土高原東北部的大同盆地的鹽堿地面積達到16.55萬hm2，其中鹽堿耕地面積為12.43萬hm2，而鹽堿荒地面積為4.12萬hm2，合理開發(fā)利用鹽堿地資源，可以緩解人口與土地資源的矛盾[2-4]。水分和肥料是農業(yè)生產中影響作物生長發(fā)育最主要的2種重要因素。氮素是植物生長中不可缺少的元素之一，不同的水肥處理對土壤氮素的影響不同。梁運江等的研究表明，土壤表層0～20 cm的硝態(tài)氮主要受水和肥的影響，而且灌水因素對于硝態(tài)氮的影響大于施肥對于硝態(tài)氮的影響[5]；李法云等的研究表明，低水低氮時土壤中的氮以銨態(tài)氮的形式揮發(fā)而損失，供水量達到460 mm以上時，可能會發(fā)生硝態(tài)氮的深層淋溶，對地下水環(huán)境產生污染[6]；周博等的研究表明，通過調節(jié)配方的施肥處理可以降低 0～60 cm土層中的硝態(tài)氮含量，減少土壤剖面中硝態(tài)氮的累積量[7]；崔遠來等的研究表明，隨著施肥量的增加，氨揮發(fā)損失量增加[8]；劉微等的研究表明，土層中硝態(tài)氮含量隨著施氮的增加而增加，但隨著土壤深度的加深，硝態(tài)氮含量逐漸降低[9]。不同的水肥處理不僅會對土壤氮素產生影響，還會對作物產量產生影響，在這方面已經有很多人進行了研究[10-12]。因此，研究不同水肥對土壤的氮素分布以及產量的影響具有重要意義。

本研究針對不同灌水量和施肥量對鹽漬化土壤氮素分布和產量的影響開展試驗，可為確定鹽漬化地區(qū)合理的灌溉制度和施肥水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

本試驗于2015年5—10月在位于山西省朔州市懷仁縣的山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所鹽堿地改良試驗示范基地進行，該基地位于大同盆地中部(地理位置 113°10′ E，39°52′ N)，是蘇打鹽漬土分布較多的區(qū)域。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.3 ℃，平均無霜期150 d左右，年均日照時數(shù)2 800 h，年均降水量380 mm，多集中于7、8月份。2015年玉米生育期內降水量為165.4 mm。耕地土壤容重為1.65 kg/cm2，土壤初始含鹽量為1.982～2.341 g/kg，田間持水率為32%(體積含水率)。試驗地土壤化學性質及物理性質見表1。

1.2 試驗設計

玉米品種為雅玉青貯8號，該品種為飼料玉米。試驗設2個因素：灌水量和施肥量。灌水量設3個水平，土壤含水率上限分別為田間持水率的100%(W1)、90%(W2)、80%(W3)，下限控制在田間持水率的60%左右，灌水量及對應的灌水時間見表2；施肥量設4個水平：900、750、600、450 kg/hm2，分別為F1、F2、F3、F4處理，其中氮素含量分別為270、225、180、135 kg/hm2，P2O5含量分別為108、90、72、54 kg/hm2，對應的K2O含量分別為54、45、36、27 kg/hm2，肥料作為底肥于播種前一次性施入，試驗共12個處理，每個處理3次重復，共36個小區(qū)，小區(qū)面積35 m2(5 m×7 m)，小區(qū)之間用0.5m的地埂隔開。

表1 試驗地0～100 cm土層土壤化學性質及物理性質

表2 灌水量及灌水時間

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集及測定 土壤含水率：每次取樣采用土鉆取土，取土深度為100 cm，共分為7層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～90、90～100 cm)，每次取土后作回填、標記處理。采用烘干法測定，將所取土樣放在烘箱里，于105 ℃烘干8 h以上。

產量測定：收獲期每個處理取1 m2范圍內的玉米進行烘干稱質量，重復取3次，求平均值。

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測定：在播種前、拔節(jié)期以及收獲期對玉米帶土壤進行取樣，采用土鉆進行取樣，深度分別為 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，每次取完后回填鉆孔并作標記。鮮土取回后立即放入冰箱保存，用靛酚藍比色法和紫外分光光度計法測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度。

1.3.2 試驗數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進行處理，采用SPSS 19.0 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理對土壤中硝態(tài)氮分布的影響

從圖1-a可以看出，播種前(5月28日)，4種施肥量處理下，淺層(20～40 cm)土壤的硝態(tài)氮濃度最大，表層(0～20 cm)和深層(60～100)土壤硝態(tài)氮的濃度較低，這是因為在播種時經過翻地，把表層的肥料翻整到了30 cm左右。4種施肥量下硝態(tài)氮濃度表現(xiàn)為F2>F1>F3>F4，F(xiàn)1與F2、F3與F4處理之間的硝態(tài)氮濃度差異不明顯。

2.1.1 灌水量對硝態(tài)氮濃度的影響 從圖2、圖3中可以看出，在拔節(jié)期和收獲期，施肥處理為F1時，W1和W2處理的硝態(tài)氮濃度均明顯高于W3處理，W1和W2處理間差異不顯著；施肥處理為F2時，在0～50 cm土層以內，充分灌溉處理下硝態(tài)氮的濃度高于非充分灌溉，說明非充分灌溉可以促進植物對硝態(tài)氮的吸收，在收獲期深層土壤(60～100 cm)硝態(tài)氮濃度大于表層，這是因為收獲期水分不能被很好的吸收，大部分水分向土層深處滲透，將硝態(tài)氮向下淋洗；施肥處理為F3時，在拔節(jié)期，W3處理硝態(tài)氮濃度明顯高于W1、W2處理，W1和W2處理間差異不明顯，除W3處理外，在20～100 cm土層硝態(tài)氮濃度與土層深度呈正相關，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為硝態(tài)氮在水的作用下，發(fā)生了向下淋洗的過程，在收獲期，深層土壤硝態(tài)氮濃度也隨土層的增加而增加， 同樣是硝態(tài)氮被淋洗造成的；施肥處理為F4時，非充分灌溉處理下硝態(tài)氮濃度大于充分灌溉處理，且在0～100 cm 土層硝態(tài)氮濃度變化不大，這是因為施肥量過少，玉米的生長受到限制，導致其葉片發(fā)育遲緩，蒸騰作用減小，玉米吸收營養(yǎng)物質的動力減小，對硝態(tài)氮的吸收能力減弱，一部分硝態(tài)氮通過地下徑流隨水分流失，收獲期硝態(tài)氮向下淋溶量較拔節(jié)期高，這是因為在拔節(jié)期，大部分硝態(tài)氮被玉米吸收，而在收獲期，玉米對硝態(tài)氮的吸收量很小，大部分被淋溶到深層土壤中。

2.1.2 施肥量對硝態(tài)氮濃度的影響 從圖4可以看出，在拔節(jié)期，在W1和W2灌水量水平下，F(xiàn)1處理的硝態(tài)氮濃度高于其他3種施肥處理，且差異明顯，F(xiàn)3處理下硝態(tài)氮濃度整體最低；在W3灌水量水平下，F(xiàn)1處理的硝態(tài)氮濃度僅低于F4處理，差異不明顯，F(xiàn)2處理下硝態(tài)氮濃度最低，說明高水低肥W1F3組合與低水中肥W3F2組合有利于植物對硝態(tài)氮的吸收。在垂直空間分布上，F(xiàn)1與F2、F3與F4的硝態(tài)氮濃度變化趨勢基本一致。灌水量相同時，在F1和F2處理下，硝態(tài)氮濃度在淺層土壤(0～40 cm)隨土層深度增加而增加，在深層土壤(60～100 cm)隨土層深度增加而降低，而在F3和F4處理下，表層硝態(tài)氮濃度較小，深層硝態(tài)氮濃度增大。

從圖5可以看出，在收獲期灌水量一定時，F(xiàn)1處理下硝態(tài)氮濃度整體最大(除W3灌水量水平)，F(xiàn)3處理下硝態(tài)氮濃度整體最小，除F4處理外，其余3種施肥量處理下硝態(tài)氮濃度大致表現(xiàn)為F1>F2>F3，說明適當降低施肥量會促進植物對硝態(tài)氮的吸收，從而降低土壤中硝態(tài)氮的含量。在充分灌溉條件(W1)下，除F4處理外，硝態(tài)氮濃度大致隨土層增加而增加，在非充分灌溉下，4種施肥量處理下，硝態(tài)氮濃度在 40～100 cm隨土層深度的加深而增加(除F4處理)，這是因為灌水和降水對硝態(tài)氮的淋洗作用，通過入滲作用將其淋洗到較深的土層中。在充分灌溉條件下，F(xiàn)1和F2處理之間硝態(tài)氮濃度差異不明顯，可見在充分灌溉條件下可以適當減少施肥量。在非充分灌溉條件下， F1、F2和F3處理之間差異不明顯，可以將施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2 不同水肥處理對土壤中銨態(tài)氮分布的影響

從圖6可以看出，在播種前期(5月28日)，4種施肥量處理下，在表層土壤(0～20 cm)銨態(tài)氮濃度最大，中層土壤(20～60 cm)銨態(tài)氮濃度較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)，深層土壤(60～100 cm)銨態(tài)氮濃度隨土層深度增加而增加，通過方差分析可知，在播種前4種施肥量處理間銨態(tài)氮濃度的差異不顯著。

2.2.1 施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響 從圖7可以看出，在拔節(jié)期充分灌溉W1條件下，F(xiàn)2處理的銨態(tài)氮濃度較其他3種施肥處理大，說明在水分充足時可以通過降低施肥量來提高銨態(tài)氮含量；虧水處理下，施肥量對銨態(tài)氮的影響主要出現(xiàn)在0～40 cm土層，且減少施肥量可以提高銨態(tài)氮的濃度。通過方差分析可知，施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響顯著(P<0.05)。

從圖8可以看出，在收獲期灌水量為W1時，施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響主要表現(xiàn)在0～20 cm土層，銨態(tài)氮濃度大小表現(xiàn)為F1>F2>F4>F3，F(xiàn)2、F3和F4處理間差異不明顯；灌水量為W2時，施肥量對銨態(tài)氮濃度影響主要出現(xiàn)在40～80 cm 土層；灌水量為W3時，施肥量對銨態(tài)氮濃度影響主要出現(xiàn)在40～60 cm 土層，在40～100 cm土層范圍內，F(xiàn)1處理下銨態(tài)氮濃度最小，F(xiàn)4處理下銨態(tài)氮濃度最大，F(xiàn)2、F3處理下差異不明顯。由此可知，在收獲期灌水量相同時，可以將施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2.2 灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響 灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響不明顯。拔節(jié)期(7月29日)施肥量相同時，灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響主要表現(xiàn)在0～40 cm土層。在收獲期，隨著施肥量的減少，銨態(tài)氮濃度隨灌水量的增加而增加的幅度降低，且隨著土層深度的增加，灌水量對銨態(tài)氮濃度影響減小，施肥量相同時3種灌水量對銨態(tài)氮濃度影響不明顯。

2.3 不同水肥處理對玉米產量的影響

灌水量和施肥量對玉米產量的影響都具有明顯差異，水分和肥料的交互作用對玉米產量的影響不明顯。灌水量一定時，施肥量在450～750 kg/hm2，玉米產量隨施肥量的增加而增加，F(xiàn)2處理下玉米的產量明顯高于其他施肥量的產量。施肥量一定時，產量隨灌水量的增大而增加。由表3可知，W1F2處理的產量最大，為13 450.49 kg/hm2，W3F4處理產量最小，為7 050.59 kg/hm2，W1F2處理比W3F4處理高90.77%。在W2處理下，與F2相比，F(xiàn)1、F3、F4處理下的產量分別降低21.61%、15.01%、31.41%；在W3處理下，與F2相比，F(xiàn)1、F3、F4處理下的產量分別降低24.71%、20.38%、32.81%。。

表3 不同處理下玉米的產量

3 討論

氮素對于玉米生長和產量來說是極其重要的，在農業(yè)生產過程中，氮肥的主要來源是施肥，合理施肥是實現(xiàn)高產的重要措施之一[13-14]。但施肥量過多，不僅會造成肥料的浪費，還會降低玉米的產量。楊麗等的研究表明，在灌水量一定的情況下，施氮量在0～240 kg/hm2時，產量隨著施肥量的增加而增加，當施氮量超過240 kg/hm2時，產量反而降低[15]。趙媛媛等的研究表明，夏玉米水肥耦合效應中，施氮量為168.75 kg/hm2下增產效應和經濟價值最高，施氮量為225 kg/hm2時反而降低[16]。本研究結果與以往研究結果相似，施肥量在 450～750 kg/hm2(氮肥含量為135～225 kg/hm2)時，玉米產量隨施肥量的增加而提高，但施肥量超過750 kg/hm2時，繼續(xù)增加施肥量不僅不會促進產量的提升，還會浪費肥料。

在施肥量一定的情況下可以通過增加灌水量來提高玉米的產量。賀冬梅等的研究表明，在不考慮施肥量的情況下，作物產量隨灌水量的增加而增加，且水分對于產量的影響要高于施肥量[17]。本研究結果表明，玉米產量隨灌水量的增加而增大，但當灌水量從W2提高到W1時，灌水量增大10%，而F2、F3、F4處理產量僅提高108.63～628.87 kg/hm2，僅在F1處理下提高較多，提高2 865.37 kg/hm2，且在玉米生育期的中后期，W1和W2處理間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度差異均不明顯，故可以將灌水量控制在464 mm水平下。

4 結論

本研究分析了不同水肥處理對鹽漬化土壤中氮素分布以及產量的影響，得出了以下結論：

(1)在拔節(jié)期和收獲期，W1和W2處理之間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度差異不明顯，且2種灌水量下產量差異不明顯。因此，可以將灌水量控制在464 mm，這樣不僅能將硝態(tài)氮和銨態(tài)氮控制在一定水平，還能夠節(jié)約水資源。

(2)在非充分灌溉條件下，適當減少肥料用量不僅可以節(jié)約肥料，也可以滿足土壤氮素含量的需求。玉米產量隨著灌水量的增多而增加，而施肥量與產量并不呈一定的線性關系，施肥量控制在600～750 kg/hm2(氮素含量為180～225 kg/hm2)，有利于玉米增產，也可以達到節(jié)約肥料、減少環(huán)境污染的目的。