液施肥不同畦灌方式對土壤水氮分布及夏玉米生長性狀影響

劉 洋，李金山，孫秀路，韓啟彪，陳 震，杜思琦

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081)

地面灌溉具有投資小、能耗低、灌水方式簡單、管理方便等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，我國86%以上灌溉方式為地面灌溉[3]。地面灌溉主要包括畦灌和溝灌，畦灌較溝灌應(yīng)用更廣，是目前豫北地區(qū)主要灌溉方式。為改進(jìn)地面灌溉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)畦灌條件下的水肥高效利用，國內(nèi)外許多學(xué)者[4-8]圍繞施肥灌溉方式展開研究，證明液施和波涌畦灌均為有效措施；畦田規(guī)格是灌水施肥質(zhì)量的重要影響因素[9,10]，眾多學(xué)者[11-14]通過優(yōu)化畦田規(guī)格來提高水肥利用率。目前豫北地區(qū)仍以長畦灌為主，長畦改短畦難以有效推廣，經(jīng)過對周圍村莊的簡單調(diào)研，有80%以上的畦田長于150 m，趙波[15]也認(rèn)為在北方還有很多長畦。以往對于短畦水氮分布研究較多，為此有必要探究長畦條件下不同畦灌方式的水氮分布，為豫北地區(qū)選擇合理的畦灌方式提供技術(shù)支持，從而減少水氮施用量，提高水氮利用率。本試驗(yàn)以豫北地區(qū)夏玉米為例來探究長畦液施不同畦灌方式下水氮分布及對夏玉米長勢的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年6月至10月在中國農(nóng)科院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行?；匚挥跂|經(jīng)113.8，北緯35.1，屬溫帶大陸性氣候，年均降水580 mm，集中于6-10月，年均蒸發(fā)量2 000 mm，年均氣溫14°。以冬小麥—夏玉米連作為主。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為砂質(zhì)壤土和壤土，土壤干容重在1 m土層深度內(nèi)平均值為1.48 g/cm3，1 m至2 m土壤砂土較多，均值為1.44 g/cm3，0～60 cm土層平均田間持水率為30.13%，土壤物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)考慮設(shè)置常規(guī)畦灌(C)和波涌畦灌(S)2個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共布設(shè)6條規(guī)格為3.5 m×200 m的封閉畦田，為防止畦田間的影響，相鄰畦田間設(shè)立2 m×200 m隔離帶。試驗(yàn)區(qū)處理由東向西布置順序?yàn)镃、C、C、S、S、S。沿畦長方向設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，分別距畦首10、100和190 m。具體布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖(單位：m)

試驗(yàn)前按坡度1/800進(jìn)行平地處理。種植作物為夏玉米(先玉335)，于2018年6月24日播種，10月22日收獲，總計(jì)120 d，觀測夏玉米4個(gè)主要生育期：苗期(7月11日)，拔節(jié)期(7月27日)，大喇叭口期(8月21日)和完熟期(10月2日)。水源選用淺層地下水，由管道引入田間，單寬流量為3.71 L/(s·m)。播種深施復(fù)合肥750 kg/hm2，全生育期共追肥(尿素)兩次，拔節(jié)期135 kg/hm2，大喇叭口期90 kg/hm2，采用太陽能灌溉施肥車(專利號：ZL 2014 1 0166540.7)全程液施。由于常規(guī)畦灌改水成數(shù)對灌水質(zhì)量影響較大[16]，故綜合考慮土壤疏松度、畦田規(guī)格和單寬流量，改水成數(shù)取0.9[17]，波涌畦灌設(shè)置為定流程—變時(shí)段方式(距離灌水法)，依次為80、140和200 m。由于拔節(jié)期灌水后有降雨，故本文中灌水?dāng)?shù)據(jù)為拔節(jié)期和大喇叭口期數(shù)據(jù)，灌水后土壤水氮數(shù)據(jù)為大喇叭口期的數(shù)據(jù)。

1.3 觀測項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣測定

在灌前1天、灌后3天和7天于3個(gè)取樣點(diǎn)采用人工土鉆取樣。0～200 cm土層，每20 cm分層取樣，分裝鋁盒和自封袋，鋁盒土樣用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，計(jì)算土壤體積含水率，自封袋土樣用A33連續(xù)流動(dòng)分析儀測定土壤硝態(tài)氮含量。

1.3.2 考種及產(chǎn)量

收獲前，在每畦畦首、畦中、畦尾隨機(jī)選取1 m2進(jìn)行考種，測量玉米穗長、穗粗、穗干重、穗粒數(shù)、芯干重和百粒重，計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.3.3 水氮再分布評價(jià)指標(biāo)

采用變異系數(shù)CV對不同處理下的土壤體積含水率及土壤硝態(tài)氮含量沿畦長的空間分布變異性進(jìn)行定量評價(jià)。變異系數(shù)能夠反映離散分布狀況和空間變異程度，計(jì)算公式為：

(1)

式中：SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差；MN為平均值；CV值越大，其分布越離散、變異程度越大，CV值越小，其分布越集中、變異程度越小。CV≤0.1為弱變異性，0.1

用儲水效率EW和儲氮效率EN來定量描述根系活動(dòng)層的土壤水氮含量占0～100 cm土層相應(yīng)值的比例，用灌水效率EaW和施肥效率EaN來定量描述根系活動(dòng)層集聚的水氮含量。計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

凈灌水量和凈施肥量為一次灌水后進(jìn)入根系活動(dòng)層的水量和硝態(tài)氮含量，是灌后和灌前相應(yīng)值之差，毛灌水量和毛施氮量為灌入田間總水量和施入田間總氮含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)及分析

使用Excel2007處理數(shù)據(jù)，Surfer12.4繪圖，采用SPSS25進(jìn)行顯著性分析，差異顯著性采用在0.05水平下的T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分再分布評價(jià)

圖2為夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天沿畦長土壤平均體積含水率分布圖，由圖2可知，0～60 cm土層土壤初始含水率介于8.28%～31.46%，平均體積含水率僅為田間持水率的68.62%，夏玉米正處于大喇叭口期，持續(xù)的低含水率會影響其生長，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。灌后3天0～200 cm土層土壤含水率整體增加，其中0～60 cm土層的土壤含水率相對變化最大，波涌畦灌和常規(guī)畦灌土壤含水率分別較灌前提高了44.38%、44.77%。由此可見，波涌畦灌和常規(guī)畦灌灌水后增加的水量無顯著差異；灌后3天，波涌畦灌含水率翹尾現(xiàn)象較常規(guī)畦灌更為明顯，由于波涌畦灌水流推進(jìn)至200 m處停水，故導(dǎo)致水在畦尾匯集。常規(guī)畦灌灌水效果良好，說明本試驗(yàn)選取的改水成數(shù)能保證水分的充足供給，同時(shí)減少水的浪費(fèi)。

圖2 夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天沿畦長土壤平均體積含水率分布

由表2可知，灌前土壤含水率均勻性基本呈中等變異性。灌后3天與灌后7天土壤含水率均勻性良好，0～60 cm土層內(nèi)，各處理呈現(xiàn)弱變異性。由此可知，常規(guī)畦灌和波涌畦灌在長畦條件下均可達(dá)到較好的灌水效果，變異性差異不大，波涌畦灌CV值略小于常規(guī)畦灌，說明波涌畦灌更有利于水分的均勻分布。灌后7天與灌后3天的CV值變化不明顯，說明水分在灌后3天已經(jīng)均勻分布，再分布對變異性影響較小。

由表3可知，在大喇叭口期，波涌畦灌水流推進(jìn)至180、200 m時(shí)毛灌水量較常規(guī)畦灌平均高18.51%、34.48%，灌后3天灌水效率低于常規(guī)畦灌16.62%、26.52%，儲水效率EW和凈灌水量無明顯差異(P>0.05)。在拔節(jié)期，波涌畦灌水流推進(jìn)至180、200 m時(shí)毛灌水量較常規(guī)畦灌平均高44.89%、62.48%。

表2 土壤體積含水率沿畦長變異系數(shù)CV

2.2 土壤氮素再分布評價(jià)

由圖3可見，灌后3天0～200 cm土層硝態(tài)氮含量相比灌前有所增加，波涌畦灌在0～60 cm土層硝態(tài)氮含量平均增加4.94 mg/kg，比常規(guī)畦灌高57.83%，個(gè)別點(diǎn)硝態(tài)氮含量下降，原因可能是灌前部分土壤硝態(tài)氮含量偏高，同時(shí)液施溶液中氮素濃度較低。波涌畦灌和常規(guī)畦灌80～200 cm土層平均增加4.47、3.64 mg/kg，說明已有氮素流失至根系活動(dòng)層以下。圖3中可看出波涌畦灌灌后硝態(tài)氮分布相比常規(guī)畦灌更均勻。灌后7天硝態(tài)氮含量略有下降，是由于夏玉米處于大喇叭口期，生長旺盛，對氮素的吸收速率快。灌后3天比灌后7天0～60 cm土層硝態(tài)氮含量高7.68%，證實(shí)許迪[19]等研究中指出灌后3天土壤中氨態(tài)氮大多數(shù)已經(jīng)硝化。

由表4可知，對于土壤硝態(tài)氮含量變異性，灌前0～60 cm土層CV值屬中等變異性；灌后3天，0～60 cm土層CV值相比灌前下降0.09～0.39，基本屬中等變異性。由此可知，灌后3天常規(guī)畦灌變異性強(qiáng)于波涌畦灌，波涌畦灌可以提供一個(gè)更均勻的土壤氮素分布環(huán)境。灌后7天，波涌畦灌CV值相比灌后3天變化不大，但是常規(guī)畦灌變化較大，經(jīng)分析，波涌畦灌灌水量大，儲存于根系活動(dòng)層以下水量多，硝態(tài)氮再分布時(shí)，部分水分會通過毛管作用上升至根系活動(dòng)層，以利于改善和維持穩(wěn)定、均勻的氮素分布環(huán)境。對比表2及表4可知，土壤含水率CV值低于硝態(tài)氮的CV值，經(jīng)分析，氮素進(jìn)入土壤，氨態(tài)氮易被土壤膠體吸附，后期通過硝化作用轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮隨水走，所以造成灌后3天土壤硝態(tài)氮的CV值高于土壤含水率。

表3 0～60 cm土層灌水質(zhì)量指標(biāo)

注：(180)和(200)表示波涌畦灌水流推進(jìn)至180 m和200 m處的毛灌水量。

圖3 夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)沿畦長空間分布

表4 土壤硝態(tài)氮含量沿畦長變異系數(shù)CV

由表5可見，波涌畦灌和常規(guī)畦灌EN無明顯差異，灌后3天波涌畦灌凈施氮量較常規(guī)畦灌高57.83%，說明波涌畦灌更有利于氮素在根區(qū)的儲存。由表3及表5可知，硝態(tài)氮在根系層的儲存比例略高于土壤水分，說明氮素比水更容易留在根系活動(dòng)層內(nèi)。由表4及表5知，波涌畦灌CV值和凈施氮量均優(yōu)于常規(guī)畦灌，說明在長畦條件下波涌畦灌可為作物提供更適宜的氮素分布環(huán)境。

表5 0～60 cm土層施氮質(zhì)量指標(biāo)

2.3 不同處理對夏玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)的影響

凈灌水施肥量及其均勻性影響作物產(chǎn)量及干物質(zhì)的積累，表6所示波涌畦灌各項(xiàng)指標(biāo)均高于常規(guī)畦灌，證實(shí)上述圖表中所述波涌畦灌更能提供一個(gè)適宜夏玉米生長的水氮環(huán)境。經(jīng)對比分析，波涌畦灌考種指標(biāo)比常規(guī)畦灌高0.94%～9.31%，產(chǎn)量提升0.75%，同時(shí)干物質(zhì)積累總量提升2.00%。

表6 不同處理下夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成、產(chǎn)量及干物質(zhì)積累

3 討 論

本試驗(yàn)不同的灌水方式對土壤體積含水率變異性影響較小，灌后3天0～60 cm土層均屬弱變異性，不同的灌水方式均可形成良好的水分分布環(huán)境，波涌畦灌略優(yōu)于常規(guī)畦灌。波涌畦灌在此次試驗(yàn)灌水量大，推測與土壤密實(shí)度關(guān)系密切，土壤密實(shí)度大，常規(guī)畦灌可以達(dá)到良好的灌溉效果，波涌畦灌失去了相對優(yōu)勢。李金山等[20]早年研究指出波涌畦灌更適合土壤質(zhì)地疏松的畦田，今后的試驗(yàn)需探究不同的土壤質(zhì)地、地面平整度、單寬流量、入滲系數(shù)、地面坡度等因素對波涌畦灌灌水質(zhì)量的影響，以作為波涌畦灌適應(yīng)性的指導(dǎo)。

對于不同灌水方式對氮素分布的影響，灌后3天0～60 cm土層基本屬中等變異性，波涌畦灌比常規(guī)畦灌CV值小39.05%，凈施氮量高57.83%，說明波涌畦灌較常規(guī)畦灌更有利于為作物生長提供適宜的氮素分布環(huán)境，這與費(fèi)良軍[8]研究結(jié)果類似。硝態(tài)氮在根系層的儲存比例略高于土壤水分，說明氮素比水更容易留在根系活動(dòng)層內(nèi)，與許迪[19]研究結(jié)果類似。

波涌畦灌夏玉米生長狀況較常規(guī)畦灌更好，分析有3個(gè)原因：波涌畦灌下水氮分布更均勻，有利于夏玉米的生長；波涌畦灌下留存于根系活動(dòng)層的氮素較多；波涌畦灌灌水量大，留存于根系活動(dòng)層以下的水量多，部分水可借助毛管力作用為作物提供水分[21]。

4 結(jié) 語

(1)試驗(yàn)條件下，灌后3天，0～60 cm土層，波涌畦灌和常規(guī)畦土壤含水率較灌前提高了44.38%、44.77%，硝態(tài)氮含量增加4.94、3.13 mg/kg，波涌畦灌水氮分布均勻性和凈施氮量優(yōu)于常規(guī)畦灌，認(rèn)為波涌畦灌較常規(guī)畦灌更能提供適宜于作物生長的水氮分布環(huán)境。

(2)本次試驗(yàn)波涌畦灌灌水量大，有必要探究不同土壤質(zhì)地、地面平整度、單寬流量、入滲系數(shù)、地面坡度等因素對波涌畦灌在大田應(yīng)用中灌水質(zhì)量的影響。

(3)本次試驗(yàn)條件下，拔節(jié)期和大喇叭口期在波涌畦灌相對常規(guī)畦灌多灌水62.47%、34.48%，使其考種指標(biāo)普遍較高，各項(xiàng)指標(biāo)比常規(guī)畦灌高0.94%～9.31%，產(chǎn)量提升0.75%，同時(shí)干物質(zhì)積累總量提升2.00%。