不同程度鹽漬化農(nóng)田下玉米產(chǎn)量對(duì)水氮調(diào)控的響應(yīng)

徐 昭 史海濱 李仙岳 周 慧 付小軍 李正中

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局沙壕渠試驗(yàn)站， 巴彥淖爾 015400)

0 引言

河套灌區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，屬于典型的干旱地區(qū)。灌區(qū)鹽漬化土地占灌溉農(nóng)田總面積的50%以上[1]，近年來隨著國(guó)家對(duì)灌區(qū)引黃水量實(shí)行指令性節(jié)水，農(nóng)業(yè)用水不足和土壤鹽漬化問題會(huì)更加突出[2]，將嚴(yán)重影響灌區(qū)糧食的生產(chǎn)安全。此外，當(dāng)?shù)貫榱思Z食增產(chǎn)或不減產(chǎn)，化肥施用量逐年增加[3]，由于“愈多越好”不科學(xué)的施肥方式導(dǎo)致大量的氮素隨著灌溉水進(jìn)入土壤和地下水，造成嚴(yán)重的面源污染[4]。當(dāng)前，相對(duì)缺水、土壤鹽漬化和化肥施用量過多已成為制約灌區(qū)糧食安全和環(huán)境安全的重要因素，如何在鹽漬化土地上合理、高效地利用水、肥資源，以提高糧食生產(chǎn)效率和減小氮素面源污染成為亟需解決的科學(xué)問題。

水、肥是干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提高的兩大關(guān)鍵因素[5]。TEWOLDE等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水、氮虧缺會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。HAMZEI[7]研究表明，過量的灌水和施氮會(huì)使油菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過盛，導(dǎo)致其產(chǎn)量下降。說明在非鹽漬土上，水、氮用量與作物產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，而過量則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低或增產(chǎn)不顯著[8-9]，合理的水、氮用量是提高糧食生產(chǎn)效率的主要手段。同樣也有學(xué)者研究得到水氮交互作用顯著影響鹽漬土壤作物產(chǎn)量，適宜的水氮供應(yīng)有助于提高鹽漬土壤作物產(chǎn)量，而當(dāng)過量灌溉和施氮時(shí)，作物的各項(xiàng)生理指標(biāo)和產(chǎn)量增加不明顯或略有下降[10]?？梢?，鹽漬化土壤下作物產(chǎn)量與水、氮用量的關(guān)系與非鹽漬土壤相似，但現(xiàn)有的研究大多針對(duì)一種或兩種鹽漬化土壤條件下水氮運(yùn)籌對(duì)產(chǎn)量的影響且注重作物產(chǎn)量對(duì)水氮調(diào)控的響應(yīng)[11]，而針對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤鹽漬化程度響應(yīng)規(guī)律的研究較少。CHEN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分與施氮量具有交互作用，且這種交互作用隨著土壤含鹽量的不同而不同。ULERY等[13]研究表明過量施用氮肥可能會(huì)加重土壤的鹽分含量并且增加對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用。符鮮等[14]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨著施氮量的增加而增加。由此說明，水、氮和產(chǎn)量在鹽漬土壤條件下的關(guān)系更為復(fù)雜，且這種關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。此外，GHOLAMHOSEINI等[15]研究表明灌水定額一定時(shí)硝態(tài)氮淋失量隨著施氮量增加而遞增。KATERJI等[16]研究表明，鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用會(huì)降低作物對(duì)氮素的吸收利用，從而增加了氮素淋失的潛在風(fēng)險(xiǎn)?？梢姡}漬土壤過量施用氮肥對(duì)土壤及地下水環(huán)境造成的污染隱患可能會(huì)增大，適度減氮可降低氮素面源污染風(fēng)險(xiǎn)。已有研究表明，作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用效率在不同程度鹽分脅迫下有所差異[17-19]。河套灌區(qū)土壤鹽漬化程度較高且差異較大，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)主要根據(jù)畦田面積進(jìn)行灌溉和施氮，而對(duì)不同程度鹽漬化農(nóng)田條件下合理的水氮管理還未引起足夠重視。因此，針對(duì)河套灌區(qū)不同程度鹽漬化土地，確定合理的水、氮用量對(duì)提高糧食產(chǎn)量、高效利用水氮和減小氮素面源污染具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文以河套灌區(qū)玉米為研究對(duì)象，基于多元回歸模型構(gòu)建不同程度鹽漬土壤下玉米產(chǎn)量的水氮耦合模型，通過田間試驗(yàn)和模型模擬結(jié)合的方法探究產(chǎn)量效應(yīng)對(duì)不同鹽漬土壤水氮調(diào)控的響應(yīng)規(guī)律，并進(jìn)行方案尋優(yōu)，提出不同程度鹽漬土壤下水氮優(yōu)化方案，以期為鹽漬化土地合理灌溉和施氮決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)沙壕渠試驗(yàn)站(40°54′40″ N，107°9′57″ E，海拔1 034 m)。多年平均氣溫7.7℃，年平均日照時(shí)數(shù)3 200 h，全年太陽總輻射約為6 000 MJ/m2，熱量充足。玉米種植面積已達(dá)到灌區(qū)總播種面積的1/3以上。 該地區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)，多年平均降雨量143 mm，蒸發(fā)量2 100 mm。試驗(yàn)地2017年玉米生長(zhǎng)季(4—9月)有效降雨量為45.0 mm(圖1)。

圖1 2017年玉米生長(zhǎng)季降雨量和氣溫Fig.1 Rainfall and air temperature during growing season of maize in 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)選取3種不同程度鹽漬化農(nóng)田，參照土壤鹽漬化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]，將所選3塊試驗(yàn)田依次劃分為非鹽漬、中度、重度鹽漬化土壤，依次記為S1、S2、S3。試驗(yàn)田播種前0～100 cm平均土壤電導(dǎo)率和0～30 cm土壤養(yǎng)分含量見表1。試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)畦灌，參照當(dāng)?shù)赜衩追N植常規(guī)灌水量[11]和施氮量[21]，在S1、S2、S3試驗(yàn)田上分別設(shè)置3個(gè)灌水量(W1，150 mm；W2，225 mm；W3，300 mm(常規(guī)灌溉量))和3個(gè)施氮量(N1，172.5 kg/hm2；N2，258.8 kg/hm2；N3，345 kg/hm2(常規(guī)施氮量))，試驗(yàn)共設(shè)27個(gè)處理，3次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)6.5 m，寬6 m，面積為39 m2，各小區(qū)間打15 cm高田埂并埋設(shè)1 m深聚氯乙烯塑料布隔離。供試玉米品種為內(nèi)單314，大小行種植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm。根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐，播前施基肥磷酸二銨(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%)，施用量為450 kg/hm2。剩余的氮肥以尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)的形式分別在玉米拔節(jié)-大喇叭口期及抽雄期灌溉時(shí)追施(施氮量各占1/2)。全生育期進(jìn)行3次灌水，灌水量通過水表記錄，具體灌水和施肥設(shè)計(jì)見表2，施氮量為換算后的純氮素量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)基本指標(biāo)的測(cè)定

產(chǎn)量測(cè)定：玉米成熟時(shí)，在各小區(qū)非邊行選取標(biāo)準(zhǔn)樣株20株，單獨(dú)收獲考種測(cè)產(chǎn)，取平均值。

表2 玉米灌溉量和施氮量設(shè)計(jì)Tab.2 Design of amounts and dates of water and nitrogen application

(2)相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：采用min-max最值歸一化方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換。設(shè)minA和maxA分別為屬性的最小值和最大值，將A的一個(gè)原始值X通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0，1]中的值X*，其公式為

X*=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

式中X*——數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

X——樣本實(shí)際值

Xmin——樣本數(shù)據(jù)的最小值

Xmax——樣本數(shù)據(jù)的最大值

(3)水氮耦合模型

本試驗(yàn)研究3種不同程度鹽漬化農(nóng)田下灌溉量、施氮量與玉米產(chǎn)量之間的回歸關(guān)系，以產(chǎn)量為目標(biāo)，以灌溉量和施氮量為自變量，建立水-氮-產(chǎn)量回歸模型，用二元二次回歸方程進(jìn)行模型的表達(dá)。二元二次回歸方程表達(dá)式為

(2)

式中y——玉米預(yù)測(cè)產(chǎn)量，kg/hm2

a0——回歸模型的常數(shù)項(xiàng)

a1、a2——回歸模型的一次項(xiàng)系數(shù)

a12——回歸模型的交互項(xiàng)系數(shù)

a11、a22——回歸模型的二次項(xiàng)系數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel整理數(shù)據(jù)和制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽漬土條件下水氮處理對(duì)產(chǎn)量的影響

作物最終的籽粒產(chǎn)量是評(píng)價(jià)水氮模式的最核心指標(biāo)。由表3方差分析可知，灌水和施氮顯著影響S1、S2和S3鹽漬土玉米產(chǎn)量，且灌水的影響大于施氮。水氮交互效應(yīng)顯著影響S2鹽漬土玉米產(chǎn)量(P<0.05)，極顯著影響S3鹽漬土玉米產(chǎn)量(P<0.01)，而對(duì)S1土壤影響不顯著(P>0.05)。說明隨著土壤鹽漬化程度的加重，水氮交互效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響增大。

表3 不同鹽漬土條件下水氮處理對(duì)玉米產(chǎn)量影響的方差分析Tab.3 Variance analysis of effects of water and nitrogen on yield of maize under different saline soil conditions

注：*和** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。

由圖2可看出，玉米產(chǎn)量與水氮用量的關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。灌溉影響方面，相同施氮水平下，灌溉量從W1增加至W2時(shí)，在S1、S2和S3土壤上均表現(xiàn)為W2水平的玉米產(chǎn)量顯著高于W1水平(P<0.05)，而當(dāng)灌溉量從W2增加至W3時(shí)，在S1土壤上產(chǎn)量由大到小總體上表現(xiàn)為W3、W2，但無顯著差異；在S2土壤N3條件下W3水平較W2增產(chǎn)4.84%，但差異不顯著，在N2條件下W3水平產(chǎn)量顯著低于W2(P<0.05)，在N1條件下W3較W2減產(chǎn)8.67%，但差異不顯著；在S3土壤上均表現(xiàn)為W3產(chǎn)量較W2顯著減產(chǎn)(P<0.05)。由此說明，相同施氮量下，在3種不同程度鹽漬土適度增加灌溉量均可顯著增產(chǎn)，而過量灌溉時(shí)產(chǎn)量效應(yīng)有所不同，表現(xiàn)為在非鹽漬土上增產(chǎn)作用并不明顯，在中度鹽漬土上僅在較高施氮量條件下還可以繼續(xù)增產(chǎn)，但增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，而在中、低施氮量條件下會(huì)造成減產(chǎn)，特別在中等施氮量條件下會(huì)顯著減產(chǎn)，在重度鹽漬土上過量灌溉均會(huì)顯著減產(chǎn)。

圖2 不同鹽漬土條件下水氮處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of water and nitrogen treatment on maize yield under different saline soil conditions

施氮影響方面，相同灌溉水平下，當(dāng)施氮量從N1增加至N2時(shí)，在S1土壤W3條件下N2的玉米產(chǎn)量顯著高于N1，在W2和W1條件下由大到小表現(xiàn)為N2、N1，但差異不顯著；在S2鹽漬土上，產(chǎn)量由大到小表現(xiàn)為N2、N1，這種趨勢(shì)在W2、W1水平下差異顯著(P<0.05)，而在W3水平下差異不顯著；在S3土壤W3條件下N2顯著高于N1(P<0.05)，而在W2、W1條件下N2的產(chǎn)量顯著低于N1(P<0.05)。當(dāng)施氮量從N2增至N3時(shí)，在S1土壤W3和W2條件下N3較N2分別減產(chǎn)2.25%和2.59%(P>0.05)，在W1條件下N3較N2增產(chǎn)4.16%(P>0.05)；在S2土壤W3條件下減產(chǎn)不顯著，在W2和W1條件下N3較N2分別顯著減產(chǎn)22.67%和36.98%(P<0.05)；在S3土壤均表現(xiàn)為N3較N2顯著減產(chǎn)(P<0.05)。由此可見，相同灌溉量下，在非鹽漬土較高灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量下增產(chǎn)不明顯；在中度鹽漬土中、低灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在較高灌溉量下增產(chǎn)不明顯；在重度鹽漬土較高灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量下會(huì)顯著減產(chǎn)。當(dāng)過量施氮時(shí)產(chǎn)量效應(yīng)在非鹽漬土上增產(chǎn)效果不顯著甚至有下降趨勢(shì)，在中度鹽漬土上會(huì)抑制玉米產(chǎn)量并且在中、低灌溉量下會(huì)導(dǎo)致玉米顯著減產(chǎn)，在重度鹽漬土上過量施氮均會(huì)顯著減產(chǎn)。

水氮交互影響方面，在S1非鹽漬土上，W3N2產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(除了與W3N3、W2N2差異不顯著)(P<0.05)，W2N2較W3N3、W3N2減產(chǎn)4.41%、6.56%，差異不顯著。在S2鹽漬土上，W2N2的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理。在S3鹽漬土上，W2N1的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理，W2N2次之?？梢?，適度減氮控水不會(huì)顯著降低非鹽漬土玉米產(chǎn)量，還可以顯著提高中度和重度鹽漬土玉米產(chǎn)量。

2.2 不同鹽漬土條件下水氮耦合產(chǎn)量效應(yīng)分析及方案優(yōu)化

2.2.1水-氮-產(chǎn)量回歸方程建立

圖3 不同鹽漬土條件下單因素對(duì)產(chǎn)量影響的效應(yīng)曲線Fig.3 Effect curves of single factor on yield under different salinizition soils

采用標(biāo)準(zhǔn)化處理后的灌水量和施氮量數(shù)據(jù)，對(duì)不同鹽漬土條件下水、氮和產(chǎn)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行二元二次回歸模擬，得到3種鹽漬土條件下產(chǎn)量(y)與灌水量編碼值(x1)、施氮量編碼值(x2)的回歸模型為：

非鹽漬土

(3)

中度鹽漬土

y=7 331.797+9 036.283x1+3 937.417x2-

(4)

重度鹽漬土

y=5 730.369+12 068.717x1-1 107.383x2-

(5)

對(duì)式(3)～(5)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，決定系數(shù)分別為0.962、0.918、0.980，表明預(yù)測(cè)產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量有很好的擬合度。經(jīng)檢驗(yàn)F1=15.352、P1=0.024；F2=20.853、P2=0.015；F3=30.140、P3=0.009，說明回歸關(guān)系都達(dá)到了顯著水平，模型與實(shí)際情況擬合很好，能夠反映產(chǎn)量與灌水量和施氮量之間的關(guān)系。

方程中x1、x2的二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)數(shù)，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)產(chǎn)量隨著水氮用量的增加而呈開口向下的拋物線變化趨勢(shì)，灌水量和施氮量都存在一個(gè)最大值，過量投入就會(huì)引起減產(chǎn)，造成水、氮的浪費(fèi)。回歸模型的偏回歸系數(shù)表明，在本試驗(yàn)中灌水作用大于施氮作用，非鹽漬土、中度鹽漬土條件下水氮均對(duì)產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用；在重度鹽漬土條件下灌水對(duì)產(chǎn)量有促進(jìn)作用，施氮對(duì)產(chǎn)量為負(fù)作用。

2.2.2單因素效應(yīng)分析

為了研究不同鹽漬土條件下灌水量和施氮量單個(gè)因子對(duì)產(chǎn)量的影響，采用降維法對(duì)方程(3)～(5)中任意一個(gè)因子設(shè)為零水平，可得灌水量與施氮量的單因素產(chǎn)量效應(yīng)函數(shù)yw、yn為：

非鹽漬土

(6)

(7)

中度鹽漬土

(8)

(9)

重度鹽漬土

(10)

(11)

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各因素水平范圍內(nèi)，各因子的產(chǎn)量效應(yīng)如圖3所示。從圖中可以看出，水、氮因素的產(chǎn)量效應(yīng)均為拋物線，且灌水因素各拋物線的頂點(diǎn)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi)，表明灌水在不同鹽漬土條件下都有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)。拋物線頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的便是各因素最適投入量。在本試驗(yàn)中，S1鹽漬土上最適灌水量為0.83，換算為實(shí)際用量為274.95 mm，S2鹽漬土上最適灌水量為0.61，換算為實(shí)際用量為241.50 mm，S3鹽漬土上最適灌水量為0.48，換算為實(shí)際用量為222.13 mm。施氮因素在S1、S2鹽漬土條件下各拋物線的頂點(diǎn)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi)，表明施氮在S1、S2鹽漬土上具有增產(chǎn)效應(yīng)，S1鹽漬土上最適氮素投入量為0.63，即281.18 kg/hm2，S2鹽漬土上最適氮素投入量為0.33，即229.42 kg/hm2。而S3鹽漬土條件下產(chǎn)量效應(yīng)曲線為開口向下拋物線的遞減部分，拋物線的頂點(diǎn)不在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi)，施氮在本試驗(yàn)條件下表現(xiàn)為減產(chǎn)效應(yīng)，說明在重度鹽漬土上應(yīng)進(jìn)一步減少施氮量。

2.2.3單因素邊際效應(yīng)分析

邊際產(chǎn)量反映了各因素最適投入量和單位水平投入量變化對(duì)產(chǎn)量增加或降低速率的影響，各因素在不同鹽分水平時(shí)的邊際產(chǎn)量可通過對(duì)回歸子模型式(6)～(11)求一階偏導(dǎo)得出，灌水量、施氮量的邊際效應(yīng)方程為：

非鹽漬土

dyw/dx1=8 528.983-10 234.134x1

(12)

dyn/dx2=2 711.550-4 317.734x2

(13)

中度鹽漬土

dyw/dx1=9 036.283-14 758.266x1

(14)

dyn/dx2=3 937.417-12 064.666x2

(15)

重度鹽漬土

dyw/dx1=12 068.717-25 096.134x1

(16)

dyn/dx2=-1 107.383-3 270.934x2

(17)

圖4 產(chǎn)量邊際效應(yīng)分析Fig.4 Analysis of marginal effect of yield

根據(jù)兩因素邊際函數(shù)繪制出對(duì)應(yīng)的邊際效應(yīng)圖(圖4)。從圖中可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，邊際玉米產(chǎn)量效應(yīng)均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。圖4縱坐標(biāo)值大于零表示因素可促進(jìn)玉米產(chǎn)量，小于零表示會(huì)抑制玉米產(chǎn)量。S1土壤上，當(dāng)x1≤0.83時(shí)，灌水會(huì)促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.83時(shí)，灌水會(huì)抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2≤0.63時(shí)，施氮會(huì)促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x2>0.63時(shí)，施氮會(huì)抑制玉米產(chǎn)量。S2鹽漬土上，當(dāng)x1≤0.61時(shí)，灌水會(huì)促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.61時(shí)，灌水會(huì)抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2≤0.33時(shí)，施氮會(huì)促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x2>0.33時(shí)，施氮會(huì)抑制玉米產(chǎn)量。S3鹽漬土上，當(dāng)x1≤0.48時(shí)，灌水會(huì)促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.48時(shí)，灌水會(huì)抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2>0時(shí)，邊際效應(yīng)均為負(fù)數(shù)，說明在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi)施氮會(huì)抑制玉米產(chǎn)量，可見重度鹽漬土上應(yīng)減少氮肥的施用量。

2.2.4水氮二因素交互效應(yīng)分析

玉米產(chǎn)量受水氮二因素共同影響，它們之間存在相互促進(jìn)或相互抑制的關(guān)系。圖5為灌水量和施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的互作效應(yīng)三維關(guān)系圖?？梢钥闯?，在S1、S2和S3土壤上，灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量效應(yīng)均呈拋物線形，當(dāng)施氮量相同時(shí)，隨著灌水量的增加，灌水的曲面坡度變化較快，產(chǎn)量均先相對(duì)大幅提高，而到達(dá)最高點(diǎn)后下降幅度隨著土壤鹽漬程度的不同而不同，具體表現(xiàn)為在S1土壤上小幅度降低，S2土壤上中等幅度降低，而S3土壤上大幅度降低。在S1和S2土壤上施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量效應(yīng)呈拋物線形，當(dāng)灌水量相同時(shí)，隨著施氮量增加，曲面坡度變化較慢，產(chǎn)量均先緩慢增加，達(dá)到最高點(diǎn)后規(guī)律有所不同，表現(xiàn)為S1產(chǎn)量緩慢減小，而S2產(chǎn)量快速減小。在S3土壤上施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量效應(yīng)呈開口向下拋物線的遞減部分，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而減小。S1、S2和S3土壤玉米最低產(chǎn)量分別出現(xiàn)在水氮用量都取較低水平、灌水量較低水平且施氮量較高水平和水氮用量較高水平的情況。S1、S2和S3土壤玉米最高產(chǎn)量分別出現(xiàn)在灌水施氮的中高水平、灌水施氮的中等水平和灌水中等水平且施氮較低水平。由此說明，灌水量與施氮量之間有很好的耦合作用，二因素的調(diào)控非常重要，非鹽漬土上在水分條件較好的情況下供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，中度鹽漬土上供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，重度鹽漬土上供應(yīng)適宜的水分和較低的氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益。

2.2.5基于頻率分析法的組合方案尋優(yōu)

圖5 不同鹽漬土條件下水氮交互效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of nitrogen and irrigation on maize yield under different salinization soil

為得出不同鹽漬土條件下，玉米不同目標(biāo)產(chǎn)量的最優(yōu)水氮組合方案，參考薛亮等[22]和李仙岳等[23]研究方法，采用頻數(shù)法對(duì)式(3)～(5)進(jìn)一步分析，在0～1之間等距離取6個(gè)水平(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)。通過水氮二因素回歸模型模擬求得36套組合方案，其中在非鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量方案有22套，目標(biāo)產(chǎn)量大于16 000 kg/hm2的方案有12套；在中度鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量方案有21套，目標(biāo)產(chǎn)量大于10 000 kg/hm2的方案有14套；在重度鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量的方案有18套，目標(biāo)產(chǎn)量大于7 000 kg/hm2的方案有9套。其優(yōu)化組合方案見表4，尋優(yōu)過程中均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間的計(jì)算公式從略。由表4可知，在不同鹽漬土條件下得到不同目標(biāo)產(chǎn)量的優(yōu)化水氮組合方案：①目標(biāo)產(chǎn)量為大于平均產(chǎn)量時(shí)，非鹽漬土上，灌水量244.56～273.63 mm，施氮量239.01～291.05 kg/hm2；中度鹽漬土上，灌水量228.11～263.32 mm，施氮量221.79～264.49 kg/hm2；重度鹽漬土上，灌水量194.26～232.40 mm，施氮量200.94～243.73 kg/hm2。②目標(biāo)產(chǎn)量為各鹽漬土上較高產(chǎn)量時(shí)，非鹽漬土上，灌水量253.74～286.26 mm，施氮量267.65～318.85 kg/hm2；中度鹽漬土上，灌水量233.25～268.17 mm，施氮量225.22～272.56 kg/hm2；重度鹽漬土上，灌水量196.94～243.06 mm，施氮量179.15～223.35 kg/hm2。

表4 目標(biāo)產(chǎn)量尋優(yōu)方案Tab.4 Schemes for optimizing maize target yields

3 討論

土壤水分、養(yǎng)分、鹽分是影響鹽漬土作物產(chǎn)量的3個(gè)主要因子，三者的關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。因此，在不同程度鹽漬化土壤上通過合理的灌溉施氮模式來調(diào)節(jié)土壤水分、氮素、鹽分的狀況是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要途徑。在非鹽漬土或者鹽分含量較低的土壤上，水、氮是玉米產(chǎn)量的主要限制因子[5]，適宜的水氮供應(yīng)對(duì)作物的生長(zhǎng)和增產(chǎn)具有顯著的耦合效應(yīng)[10-11，24]。呂麗華等[24]研究表明，在非鹽漬土壤供水條件較好的情況下，水分不是氮肥肥效發(fā)揮的限制因素，氮肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大，而在供水條件較差的情況下，水分是限制氮肥肥效發(fā)揮的主要因素，增施氮肥對(duì)增產(chǎn)無效，甚至引起減產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，在非鹽漬土壤灌溉量較高的條件下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量條件下增施氮肥的增產(chǎn)效果不明顯，本研究結(jié)果中施氮量與產(chǎn)量的關(guān)系與呂麗華等[24]研究結(jié)果一致。李仙岳等[23]研究表明，產(chǎn)量隨水氮用量的增加均呈先增加后減小的趨勢(shì)，灌水的增產(chǎn)作用大于施氮，過量灌溉或施氮不會(huì)顯著增加玉米產(chǎn)量，最高產(chǎn)量出現(xiàn)在高水中氮處理，本研究中非鹽漬土玉米產(chǎn)量與水氮用量關(guān)系的結(jié)果與李仙岳等[23]研究結(jié)果相似。這是因?yàn)橥寥浪质峭寥鲤B(yǎng)分釋放的基礎(chǔ)，施氮能提高作物的水分利用率，但肥料供應(yīng)過多會(huì)使作物“徒長(zhǎng)”，對(duì)產(chǎn)量形成不利[25-26]?？梢姡诜躯}漬土或者鹽分含量較低的土壤上，在保證水分條件較好的情況下，供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，而過量的供應(yīng)水氮會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

在中度鹽漬化土壤上鹽分也成為玉米產(chǎn)量的主要限制因子，水、氮、鹽三者共同影響玉米產(chǎn)量[10，27]。通過合理的水氮管理來改善鹽漬土作物生長(zhǎng)的農(nóng)田水土環(huán)境，可為作物高產(chǎn)提供有利條件。石玉等[28]研究表明，隨著灌水量的增加土壤硝態(tài)氮淋溶量增大，80～140 cm土層的硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為W3(高水)顯著高于其他處理。因此，在相同施氮量下較高灌水量的淋洗作用相比中、低灌水量會(huì)淋失更多的氮素，在中、低施氮量條件下過量灌溉會(huì)造成氮素虧缺，導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，而較高施氮量可以緩解過量灌溉對(duì)氮素淋失的促進(jìn)作用，在保障作物養(yǎng)分供應(yīng)的同時(shí)又獲得了更多的水分資源，從而在一定程度上還可以促進(jìn)產(chǎn)量的提高。可見，在鹽漬化灌區(qū)適度地減少灌水量雖然不利于鹽分淋洗，但可以減小養(yǎng)分淋失和促進(jìn)作物根系深扎[29]，更有利于地下水淺埋區(qū)作物利用根際深層水氮資源。符鮮等[14]研究表明鹽漬化土壤上土壤鹽分隨著施氮量的增加而相對(duì)增加。因此，本試驗(yàn)在相同灌溉量下增施氮肥會(huì)相對(duì)增加土壤鹽分，但由于較高的灌溉量對(duì)鹽分的淋洗作用更強(qiáng)，在同等施氮量條件下可以相對(duì)緩解增施氮肥對(duì)土壤鹽分的增加，從而較高灌水量條件下過量施氮對(duì)產(chǎn)量的抑制作用不顯著，而由于在中、低灌水量下淋洗作用較弱，過量的施氮可能會(huì)顯著增大土壤鹽分含量，進(jìn)而導(dǎo)致玉米顯著減產(chǎn)。徐昭等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在河套灌區(qū)鹽漬土壤上適度地減少水氮用量可改善鹽漬土壤通透性、促進(jìn)生根機(jī)制、減輕土壤鹽分脅迫等，這為作物生長(zhǎng)發(fā)育和高產(chǎn)提供了較好的基礎(chǔ)，最終中水中氮處理產(chǎn)量最高。本研究中最高產(chǎn)量出現(xiàn)在灌水施氮的中等水平，W2N2的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致?？梢?，在土壤鹽漬化程度達(dá)到中度時(shí)，水氮調(diào)控非常必要，供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益。

隨著土壤鹽漬化程度的加重，鹽分因子對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響越來越大。PESSARAKLI[19]認(rèn)為，在低鹽環(huán)境下，氮素缺乏對(duì)作物的影響比鹽分大，施加養(yǎng)分對(duì)作物増產(chǎn)是正效應(yīng)；在中度鹽分下，兩者可能相互獨(dú)立，都是限制作物生長(zhǎng)的因子；在高鹽環(huán)境下，鹽分可能是作物生長(zhǎng)的主要限制因子，氮素對(duì)作物影響不大。因此，在保障適宜作物生長(zhǎng)所需的水、氮資源前提下，通過合理的灌溉和施氮來相對(duì)降低土壤含鹽量是重度鹽漬土壤上增產(chǎn)的主要途徑。此外，由于重度鹽漬土壤通透性較差的物理特性[30]，改善土壤通透性也是增產(chǎn)的又一關(guān)鍵要素。在重度鹽漬土上適宜地增加灌溉量有利于淋洗鹽分，而過量灌溉雖然淋洗了更多的鹽分，但過量灌溉會(huì)造成土壤的通水透水能力降低，從而影響玉米產(chǎn)量。因此，本試驗(yàn)出現(xiàn)了產(chǎn)量隨著灌水量的增加先大幅提高后又大幅度降低的結(jié)果。CHEN等[12]研究表明，在中、低水平鹽分土壤上氮素吸收隨施氮量增加而增加，而過量施氮對(duì)氮素吸收的促進(jìn)不顯著，在較高鹽分土壤上，氮吸收與施氮量無關(guān)，主要受土壤鹽分的影響。在重度鹽漬土壤上，增施氮肥會(huì)相對(duì)增大土壤鹽分含量[14]，抑制玉米產(chǎn)量。因此，產(chǎn)量隨著施氮量的增加總體上呈逐漸減少的趨勢(shì)。但由于較高的灌溉量對(duì)鹽分的淋洗能力較強(qiáng)，適度增施氮肥對(duì)鹽分的促進(jìn)作用不明顯，從而本研究出現(xiàn)了在較高灌溉量下適度增施氮肥可顯著提高玉米產(chǎn)量的現(xiàn)象。本研究中最高產(chǎn)量出現(xiàn)在灌水中等水平且施氮較低水平時(shí)，W2N1的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)?？梢?，在重度鹽漬化土壤上，供應(yīng)適宜水分的前提下供給較少的氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益，在河套灌區(qū)常規(guī)水氮用量的基礎(chǔ)上適度控水大幅減氮，在顯著提高玉米產(chǎn)量的同時(shí)還可以大幅降低氮淋溶和氨揮發(fā)損失等污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

光合作用是產(chǎn)量的直接來源，提高光合作用效率是提高產(chǎn)量最重要的可行途徑[31]。合理的水氮模式通過改善作物農(nóng)田水土環(huán)境、冠層發(fā)育、光合特性及生理適應(yīng)等方面來促進(jìn)光合作用效率，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量。關(guān)于系統(tǒng)探討鹽漬化農(nóng)田玉米光合作用效率對(duì)水氮調(diào)控的響應(yīng)來揭示水氮耦合的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)機(jī)理，還有待進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著土壤鹽漬化程度的加重，水氮交互效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響增大。這說明水氮耦合在鹽漬化土壤上相比非鹽漬土壤具有優(yōu)越性，在鹽漬化土壤上采取合理水氮調(diào)控措施十分必要。河套地區(qū)氣候干旱，降雨量非常小，主要還是以灌溉為主，所以灌溉效應(yīng)的年際變化較小，一年試驗(yàn)得到的結(jié)論仍有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

在不同程度鹽漬化農(nóng)田上采取合理的水氮用量是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)和減小氮素污染的重要途徑。在非鹽漬土壤上，在保證水分條件較好的情況下，供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，W3N2處理的產(chǎn)量最高，但W2N2處理的玉米產(chǎn)量與W3N2和W3N3差異不顯著(P>0.05)。在土壤鹽漬化程度達(dá)到中度時(shí)，W2N2處理的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，需供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益。在重度鹽漬土壤上，W2N1處理的玉米產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，在供應(yīng)適宜水分的前提下供給較少氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益。因此，河套灌區(qū)非鹽漬土和中度鹽漬土玉米應(yīng)在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水氮用量的基礎(chǔ)上適度地減少水氮用量，而重度鹽漬土玉米應(yīng)適度控水和大幅減氮，這樣既能保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)又能減小氮素面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。