減氮配施有機(jī)肥對華北平原夏玉米土壤水分及水氮利用的影響

李銀坤,梅旭榮,夏 旭,郝衛(wèi)平,陳敏鵬

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081; 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097)

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，據(jù)統(tǒng)計(jì)，糧食播種面積和產(chǎn)量分別占全國的14.0%和12.4%左右[1]。玉米作為華北平原主要的糧食作物，其產(chǎn)量可占全國玉米總產(chǎn)的1/3左右[2]，該區(qū)的玉米生產(chǎn)對穩(wěn)定國家的糧食安全起著非常重要的作用。氮肥的大量投入是當(dāng)?shù)厝藗冏非蟾弋a(chǎn)的重要手段，研究表明，華北平原地區(qū)夏玉米產(chǎn)量最高時的施氮量平均只有190 kgN/hm2[3]，而當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的氮肥施用量在250 kgN/hm2左右[4-5]。施用氮肥能夠促進(jìn)作物生長和提高產(chǎn)量，但氮肥施用過量不僅無益于產(chǎn)量提高，且導(dǎo)致水肥利用效率的降低[6-8]。有機(jī)無機(jī)肥配施具有改善土壤微生物區(qū)系特征、增加土壤養(yǎng)分供應(yīng)、提高土壤保墑能力以及促進(jìn)作物生長發(fā)育等優(yōu)點(diǎn)[9-10]?，F(xiàn)有研究[11-12]也表明，化肥和有機(jī)肥等氮配施不僅能改善作物耗水特性，增加關(guān)鍵生育階段的水分供應(yīng)，而且能夠提升作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，顯著提高水分和氮的利用效率?？梢娡ㄟ^合理施肥能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)及水肥的高效利用。山東省桓臺縣是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，1990年就成為長江以北的第一個t糧縣[13]，化肥的大量投入為當(dāng)?shù)丶Z食的高產(chǎn)做出了很大貢獻(xiàn)，但同時也帶來了高昂的環(huán)境代價(jià)[14]。因此，合理減少氮肥投入，優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)，提高水肥利用效率，對于維護(hù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全和糧食安全具有深遠(yuǎn)意義[15]。本文采用田間小區(qū)試驗(yàn)，通過研究氮肥減量及其與有機(jī)肥配施對夏玉米土壤水分及水氮利用的影響，旨在為華北平原高產(chǎn)糧區(qū)的合理施肥及水肥的高效利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2011—2012年在山東省淄博市桓臺縣華北集約化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行，地理坐標(biāo)為117°58′E，36°57′N；年平均氣溫12℃左右，多年年均降雨量543 mm，53%的降雨集中在7月、8月份，屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為沖積潮褐土，耕層(0—20 cm)土壤全氮1.13 g/kg，有機(jī)質(zhì)19.1 g/kg，有效磷18.8 mg/kg，速效鉀113.0 mg/kg。研究對象為夏玉米，供試品種為鄭單958，2011年6月22日播種，9月29日收獲；2012年6月16日播種，9月24日收獲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個處理：CK，不施氮；CN，習(xí)慣施氮；ON，2/3習(xí)慣施氮量；ONM，有機(jī)肥與氮肥1∶1(含N量)配施，但與處理ON等氮量。每處理3重復(fù)，完全隨機(jī)排列，試驗(yàn)小區(qū)面積為3.3 m×4 m，小區(qū)與小區(qū)之間用1.6 m深包裹雙層薄膜的PVC板進(jìn)行隔離。試驗(yàn)中習(xí)慣施氮量為228 kgN/hm2，氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為重過磷酸鈣(含P2O530%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)，有機(jī)肥為雞糞，全氮含量11.5 g/kg(濕基)。氮肥的50%基施，剩余部分在夏玉米大喇叭口期追施，磷鉀肥與有機(jī)肥均一次性基施。各處理的磷鉀肥用量與灌水量均相同，P2O5為90 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2；灌溉方式為管灌，2011夏玉米在6月30日灌水1次，2012夏玉米在6月18日和7月26日各灌水1次，灌水量為100 mm/次。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)期間降雨量數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)站氣象自動觀測站獲取，土壤水分由TDR測定，測定深度為0—160 cm，間隔為20 cm，每7～10 d測定一次，若遇降雨或灌水進(jìn)行加測。

在夏玉米成熟期每個小區(qū)隨機(jī)選取3株生長發(fā)育基本一致的植株，分成根、莖、葉和穗等幾部分，首先將植株樣品105℃殺青30 min，然后75℃烘干至恒重，稱干重，得到夏玉米的生物量。

夏玉成熟時對各小區(qū)進(jìn)行單獨(dú)收獲、脫粒、曬干和測產(chǎn)，各處理產(chǎn)量為3個重復(fù)小區(qū)產(chǎn)量的平均值。

夏玉米耗水量計(jì)算公式為：

ET=W1—W2+R+I

式中：ET 為夏玉米生育期耗水量(mm)；W1為播種時土壤剖面初始貯水量(mm)；W2為收獲后土壤剖面貯水量(mm)；R為降雨量(mm)；I為灌溉量(mm)。

水分利用效率計(jì)算公式為：

WUE=Y/ET

式中：WUE為夏玉米水分利用效率(kg/mm)；Y為夏玉米產(chǎn)量(kg/hm2)。

氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算公式為：

PFp=Y/F

式中：PFp為氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)；F為氮肥用量(kgN/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007和SAS 9.1統(tǒng)計(jì)分析，并用LSD多重比較法比較分析數(shù)據(jù)差異的顯著性(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤貯水動態(tài)變化

圖1為夏玉米0—160 cm土壤貯水動態(tài)變化。各處理土壤貯水量隨時間的延長變化趨勢一致，其中2011年的0—160 cm土壤貯水變化幅度達(dá)313.8～455.7 mm。盡管在2011年夏玉米播種后的6月23日有100 mm的灌水，但各處理在6月的0—160 cm土壤貯水依舊低于350 mm；7月份降雨量達(dá)149.5 mm，各處理的0—160 cm土壤貯水均有顯著增加(p<0.05)，變動幅度為374.4～447.9 mm。8月降雨量有108.7 mm，各處理0—160 cm土壤貯水在400 mm左右波動，變化相對穩(wěn)定。降雨量在9月份也有108.8 mm，但降雨較為集中(僅9月14日降雨量就達(dá)58.7 mm)，各處理0—160 cm土壤貯水為359.8～455.7 mm，波動幅度增大。

圖1 土壤貯水(0-160 cm)季節(jié)動態(tài)變化(2011，2012)

2012年夏玉米的土壤貯水變化幅度相對較小，僅為396.9～466.1 mm。該季夏玉米的灌水量達(dá)200 mm，分布在6月18日與7月28日，是引起6—7月份0—160 cm土壤貯水波動的重要原因。8月份降雨量有170.2 mm，占夏玉米生育期降雨總量的58.4%，0—160 cm土壤貯水量相對較高，各處理在440 mm左右波動。而9月份的降雨量只有33 mm，各處理0—160 cm土壤貯水呈下降趨勢。處理ONM具有相對較高的土壤貯水，其在2011年9月8日與2012年9月13日的0—160 cm土壤貯水量分別為411.93 mm與446.2 mm，比處理CN分別提高了10.5%和8.8%(p<0.05)，相比處理ON也分別增加了14.5%和7.3%(p<0.05)。處理ONM充足的土壤貯水確保了夏玉米生長需求。

2.2 土壤剖面水分變化

圖2可以看出，2011夏玉米播前的剖面土壤含水量較低，0—40 cm土壤含水量變動幅度在12.5%～18.2%。在夏玉米收獲時，0—160 cm剖面土壤水分相比播前均有明顯增加，其中0—20 cm的土壤含水量增加幅度最大，增幅達(dá)77.8%～107.7%(p<0.05)，20—40 cm的土壤含水量也有40.5%～56.3%的增加(p<0.05)；隨著土層深度的進(jìn)一步增加，增幅呈減少趨勢，至140—160 cm土層時含水量的增加平均只有12.1%?？梢?，2011夏玉米期間的灌水和降雨(488.7 mm)不僅能夠滿足其生長需求，還主要補(bǔ)充了表層土壤水分(0—40 cm)。其中對處理ONM的表層土壤水分增加最為顯著，與處理CK，CN和ON相比，夏玉米收獲后0—20 cm土壤含水量分別增加了10.6%，13.7%(p<0.05)和5.5%。

與2011夏玉米相比，2012夏玉米播前與收獲后的剖面土壤水分變化相對較小，其中收獲后的0—20 cm土壤含水量相比播前降低了8.6%～16.8%，20—40 cm土壤含水量相比播前也降低了2.7%～12.2%。這主要是由于2012年9月份的降雨量僅有33 mm，且夏玉米生長對水分的需求量大，導(dǎo)致在收獲時0—40 cm土壤含水量下降。處理ONM的下降幅度最大，與播前相比，收獲時0—40 cm土壤含水量平均降低了14.5%(p<0.05)，處理CK，CN和ON分別降低了8.5%，5.7%和6.0%。收獲后40—100 cm的土壤含水量相比播前有所增加，而在100—160 cm土層，播前與收獲后的土壤水分差異相對較小?？梢?，0—40 cm剖面土壤的水分在夏玉米生長期間變化較大，且主要受到降雨或灌水的補(bǔ)給以及夏玉米生長耗水的雙重影響，其中在降雨或灌水不足時處理ONM的夏玉米生長耗水引起了0—40 cm土壤含水量的顯著下降。

圖2 2011-2012年剖面(0-160 cm)土壤含水量變化

2.3 夏玉米耗水特征

表1為夏玉米的生育期耗水量變化?？梢钥闯觯S著生育期的推進(jìn)，夏玉米耗水量呈先降低后升高繼而再下降的趨勢。其中，2011年夏玉米播種—苗期的階段耗水量最高，其次為拔節(jié)—抽雄期，2個階段的夏玉米耗水量可占整個生育期的55.1%～55.8%；而苗期—拔節(jié)以及灌漿—成熟期的耗水量均較低，分別占到整個生育期耗水量的7.5%～13.4%和12.3%～17.9%。2012夏玉米耗水表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，階段耗水量最大的時期位于拔節(jié)—抽雄和播種—苗期，耗水量占到全生育期的60.9%～66.0%；而苗期—拔節(jié)以及灌漿—成熟期的耗水量分別占該季夏玉米總耗水量的7.8%～9.1%和9.6%～13.9%。由此說明，播種—苗期和拔節(jié)—抽雄期是夏玉米耗水量較大的階段，期間水分的充足供給顯得尤為重要。

表1 夏玉米不同生育階段耗水量 mm

注：相同行不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

各處理的夏玉米總耗水量在2011年并沒有顯著性差異，2012年夏玉米總耗水量則以處理ONM的最高，與處理CN，ON相比無顯著差異，但比處理CK提高了4.13%(p<0.05)。由表1還可明顯看出，與處理CK相比，處理ONM在播種—苗期的耗水量降低了12.3%，而在拔節(jié)—成熟期的耗水量增加了9.3%。其中在2012夏玉米的灌漿—成熟期，處理ONM的耗水量相比處理CN和ON，也分別增加了40.9%和45.2%(p<0.05)。說明處理ONM降低了夏玉米播種—苗期的耗水，提高了拔節(jié)—成熟期的耗水量。

2.4 夏玉米生物量及產(chǎn)量

2011，2012年夏玉米生物量及產(chǎn)量如圖3所示。施氮顯著提高了夏玉米生物量，與處理CK相比，處理CN，ON和ONM的夏玉米生物量(2011)分別增加了31.1%(p<0.05)，24.8%(p<0.05)和21.8%(p<0.05)。處理ONM在2012的夏玉米生物量也比處理CK增加了19.8%(p<0.05)。但處理CN，ON和ONM的夏玉米生物量并無顯著性差異。相比處理CK，施氮處理的2011夏玉米產(chǎn)量均有所提高，但無顯著差異。2012的夏玉米產(chǎn)量以處理ONM的最高，比處理CK和CN分別提高了15.0%和11.8%(p<0.05)。

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平，下同。

圖3夏玉米生物量與產(chǎn)量

2.5 夏玉米水氮利用效率

由表2可以看出，施氮提高了夏玉米水分利用效率，但各處理在2011年無顯著差異，2012年夏玉米水分利用效率以處理ONM的最高，且比處理CK提高了10.4%(p<0.05)。從2年均值看，施氮處理比不施氮處理(CK)的夏玉米水分利用效率提高了1.4%～8.9%，相比習(xí)慣施氮處理(CN)，減氮處理的水分利用效率均有提高，其中處理ONM比處理CN提高了7.4%(p<0.05)。處理ONM的夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力最高，其次為處理ON，習(xí)慣施氮處理CN的最低，說明氮肥減量提高了夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力。與處理CN相比，處理ONM和ON的氮肥偏生產(chǎn)力均值分別提高了58.9%和50.4%(p<0.05)。由此可見，在習(xí)慣施氮的基礎(chǔ)上減量1/3且配施有機(jī)肥能夠顯著提高夏玉米的水氮利用效率。

表2 夏玉米水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，2011，2012夏玉米0—160 cm土壤貯水量變化幅度分別為313.8～455.7 mm和396.9～466.1 mm。2011夏玉米的土壤貯水量在7月有顯著的增加，主要受到降雨和灌水的影響。與2011夏玉米相比，2012夏玉米在8月的土壤貯水量較高(圖1)，這與同時期分別有108.7 mm和170.2 mm的降雨有關(guān)。Liu等[16]研究也表明，降雨顯著影響到土壤貯水量變化，其中在豐水年的土壤貯水量相對較高。另外，夏玉米耗水也是影響土壤貯水量變化的重要因素，處理ONM的0—160 cm土壤貯水量(2012夏玉米)在8月份最高可達(dá)466 mm，而在9月份最低已下降至410 mm(圖1)，主要是因?yàn)槠陂g(拔節(jié)—成熟期)的夏玉米生長加快、需水量增大(表1)，進(jìn)而引起土壤貯水的波動下降。王紅麗等[17]研究也表明，生長耗水是夏玉米抽雄至成熟期間土壤貯水量下降的主要因素。由此可見，夏玉米生長期間的0—160 cm土壤貯水變化受降雨或灌水的影響大，而在夏玉米拔節(jié)—成熟期的生長耗水則是引起土壤貯水變化的重要原因。

充沛的土壤貯水是促進(jìn)夏玉米生長及高產(chǎn)的重要保證[18]。本試驗(yàn)中，氮肥減量與有機(jī)肥等氮配施(ONM)可以提高土壤貯水，相比處理CN，0—160 cm土壤貯水量最大可增加8.8%～10.5%。這與高洪軍等[19]研究表明的有機(jī)無機(jī)配施處理較化肥處理顯著增加了剖面土壤貯水量的結(jié)論一致。合理配施有機(jī)與無機(jī)肥可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，增強(qiáng)土壤保水蓄水能力，并能提高作物對深層土壤水分的利用[20]。本試驗(yàn)條件下，處理ONM不僅增加了土壤貯水量，同時提高了夏玉米耗水量。2012夏玉米收獲時ONM處理在0—40 cm平均土壤含水量相比播前降低了14.5%(p<0.05)，而處理CK，CN和ON的降低幅度分別只有8.5%，5.7%和6.0%(圖2)?？梢姡啾绕渌幚?，處理ONM消耗了更多的土壤水分，夏玉米耗水也相對較高。其中，處理ONM的2012夏玉米總耗水量比處理CK增加了4.13%(p<0.05)，但與處理CN和ON無顯著差異。從夏玉米生育期的耗水特征看，夏玉米階段耗水量最大的時期是拔節(jié)—抽雄和播種—苗期，可占全生育期耗水量的55.1%～66.0%。處理ONM在播種—苗期的耗水相對較低，而在拔節(jié)—成熟期的耗水相對較高(表1)。已有研究表明，夏玉米播種—苗期的耗水以土壤蒸發(fā)為主，可占階段耗水量的90%以上，而在夏玉米進(jìn)入拔節(jié)期后田間耗水以植株蒸騰耗水為主[21]。由此說明，處理ONM能夠減少夏玉米生育初期的耗水，增加生育中后期的耗水，更有利于水分的高效利用。與處理CK和CN相比，處理ONM的產(chǎn)量水分利用效率(2 a均值)分別提高了8.9%和7.4%(p<0.05)。

氮是作物生長及高產(chǎn)的重要影響因素[22-23]，施氮顯著增加了夏玉米生物量，提高了夏玉米產(chǎn)量(圖3)。與不施氮處理(CK)相比，施氮處理的2011夏玉米生物量增加了21.8%～31.1%(p<0.05)，2012夏玉米產(chǎn)量以處理ONM的最高，比處理CK增加了15.0%(p<0.05)。相比習(xí)慣施氮(CN)，減氮處理(ON與ONM)不僅有利于增加夏玉米生物量和產(chǎn)量(圖3)，而且顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力(表2)。相關(guān)研究[24-25]也表明，在農(nóng)民習(xí)慣施氮基礎(chǔ)上合理減少施氮量對夏玉米根際土壤氮素水平無影響，可保證玉米穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)減氮增效。本試驗(yàn)條件下的處理ONM相比處理CN，夏玉米產(chǎn)量可增加11.8%(p<0.05)，氮肥偏生產(chǎn)力提高58.9%。其原因與氮肥配施有機(jī)肥不僅能夠提升土壤化學(xué)因子，而且通過增加土壤微生物的碳源和土壤酶的底物，促進(jìn)了微生物繁殖和土壤酶活性的提高，為作物生長發(fā)育提供了良好的土壤環(huán)境等因素有關(guān)[26-27]。綜上所述，在華北平原高產(chǎn)糧區(qū)，比習(xí)慣施氮減量1/3且與有機(jī)肥等氮配施提高了土壤貯水、增加了夏玉米關(guān)鍵生育期耗水，并增加了夏玉米產(chǎn)量和顯著提高了水氮利用效率。