地下水埋深與施氮水平對(duì)夏玉米生長(zhǎng)及硝態(tài)氮量的影響

佘映軍，李 平，白芳芳,4，杜臻杰，梁志杰，齊學(xué)斌,*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng)453002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng)453002；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng)453002）

0 引 言

【研究意義】我國(guó)是世界上化肥施用量最多的國(guó)家[1-2]，農(nóng)田氮素持續(xù)投入與氮盈余量年際累積，人工合成氮肥過量施用，氮肥當(dāng)季利用率低[3]，增肥不增產(chǎn)，多余氮肥通過揮發(fā)損失、淋洗等造成大氣、地下水環(huán)境污染[2]。水氮作為限制農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要因子，特別是淺層地下水作為作物生長(zhǎng)的重要水源之一，顯著影響作物的生理形態(tài)和產(chǎn)量[4]。因此研究地下水埋深與適宜施氮對(duì)作物生長(zhǎng)性狀和耕層土壤氮素的影響，對(duì)于華北農(nóng)田氮肥管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】施氮是影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，常規(guī)施氮量大，適宜施氮量能促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量。寧芳[5]發(fā)現(xiàn)270 kg/hm2施氮量下玉米不同生育期株高、莖粗和葉面積指數(shù)整體上高于360 kg/hm2施氮量；王麗娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)水肥減量20%番茄減產(chǎn)最小，但可以小幅度改善其品質(zhì)和口味；尚文彬等[7]研究表明，250 kg/hm2施氮量下玉米產(chǎn)量和干物質(zhì)量顯著高于300 kg/hm2施氮量；周加森等[8]也發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)畦灌下，推薦施氮肥（240 kg/hm2）小麥干物質(zhì)積累量高于傳統(tǒng)施氮量（300 kg/hm2）。除此之外，結(jié)合配套灌水施肥制度[9]、有效農(nóng)藝措施[10]以及合理種植體系[11]等，減施氮肥能夠顯著改善作物穗部性狀，提高作物全生育期干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量[9-11]。

地下水常以潛水蒸發(fā)的形式補(bǔ)給土壤水分，與土壤水、植物水和大氣水構(gòu)成完整的田間土壤水分連續(xù)系統(tǒng)，是作物維持正常生長(zhǎng)所需的重要水源之一，顯著影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)量積累、水分利用和產(chǎn)量形成等。如孫仕軍等[12]發(fā)現(xiàn)地下水埋深1.0～2.5 m有助于縮短玉米生育進(jìn)程和增加葉面積指數(shù)；亢連強(qiáng)等[13]發(fā)現(xiàn)下地下水埋深2.0 m 對(duì)作物生長(zhǎng)的影響大于埋深3.0 m 和4.0 m；Zhang 等[14]發(fā)現(xiàn)測(cè)桶冬小麥在地下水埋深1.8～1.9 m 和2.2～2.3 m 地上部生物量在各生育階段較大。地下水埋深過淺過深都會(huì)影響作物的株高和干物質(zhì)量，從而影響產(chǎn)量。劉戰(zhàn)東等[15]發(fā)現(xiàn)地下水埋深3.0 m 條件下冬小麥產(chǎn)量最高，Wang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)淺地下水埋深（0～80 cm）條件下，作物氮素利用效率隨施氮量增加而顯著降低；Shen 等[17]研究得出地下水埋深較淺的長(zhǎng)三角地區(qū)，常規(guī)施氮量的60%可滿足集約化蔬菜生產(chǎn)；MORARI 等[18]發(fā)現(xiàn)淋洗到地下水中59%的硝態(tài)氮能借助土壤毛細(xì)作用運(yùn)移至作物根區(qū)?！厩腥朦c(diǎn)】前人針對(duì)氮肥減施、優(yōu)化配施及結(jié)合種植體系對(duì)作物生長(zhǎng)特征、干物質(zhì)量積累等做了大量深入研究，同樣針對(duì)淺地下水埋深對(duì)作物生理形態(tài)、生長(zhǎng)性狀、干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量及其構(gòu)成要素也做了較多研究。但在淺地下水埋深區(qū)應(yīng)如何減氮控氮，以及減氮控氮與地下水埋深組合對(duì)作物生長(zhǎng)、干物質(zhì)量積累和根層土壤硝態(tài)氮量等的影響研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)借助大型地中滲透儀和Logistic 作物生長(zhǎng)模型，研究不同淺地下水埋深與施氮水平處理下，夏玉米葉面積指數(shù)、株高、地上部分干物質(zhì)量和根層土壤硝態(tài)氮量的差異，以期為我國(guó)地下水淺埋深地區(qū)減施氮肥，合理控制施氮量，維持和提高作物產(chǎn)量，減輕環(huán)境氮負(fù)荷提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站大型地中滲透儀（35°19″N、113°53″E，海拔73.2 m）進(jìn)行。測(cè)坑最大深度分別為2.8、4.8、5.3 m，面積3 m×3 m，測(cè)坑為帶底鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)地多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時(shí)間2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。試驗(yàn)土壤為粉砂壤土，主要理化性狀詳見表1。

表1 供試土壤理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of test soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理，分別為G1N1、G2N1、G3N1、G1N2、G2N2、G3N2，和不施氮不控水（WN）對(duì)照處理，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)2 次；地下水埋深設(shè)3 個(gè)水平，分別為2.0 m（G1）、3.0 m（G2）、4.0 m（G3），主要依據(jù)土壤毛管水上升高度以及實(shí)際地下水埋藏深度變化確定，施氮量設(shè)2 個(gè)水平，分別為減氮20%（240 kg/hm2，N1）、常規(guī)施氮（300 kg/hm2，按當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，N2）；地下水位通過馬氏瓶控制。

表2 各處理組合各生育期灌水量Table 2 Irrigation amount of each treatment in each growth period mm

1.2.2 施肥灌溉

供試作物為夏玉米（Zea maysL.），品種為“懷玉208”。2019年6月8日播種，9月24日收獲，全生育期108 d。試驗(yàn)用肥采用尿素（含N 46.3%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含K2O 50%），氮肥的底肥和追肥比例為4∶6，追肥于大喇叭口期施入，磷、鉀肥作為底肥一次性施入，種植密度為66 667株/hm2。埋設(shè)RS-XAJ-100 探頭（山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司，中國(guó)）在線監(jiān)測(cè)土壤水分，結(jié)合水分示數(shù)，視地面干旱和作物植株葉片的缺水情況進(jìn)行灌水，灌水量及灌水日期見表2，所有處理的其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)貙?shí)際情況執(zhí)行。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1）玉米生長(zhǎng)性狀。每個(gè)測(cè)坑選取2 株玉米掛牌標(biāo)記，分別在大喇叭口期（7月30日）、抽雄開花期（8月7日）、灌漿期（8月27日）、成熟期（9月24日）選取展開葉片，測(cè)定葉長(zhǎng)、最大葉寬、株高等生長(zhǎng)指標(biāo)，葉面積計(jì)算時(shí)折減系數(shù)為0.75[19]。

2）干物質(zhì)量。于作物大喇叭口期、成熟期，取測(cè)坑中植株2 株，105 ℃殺青30 min 后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定地上部干物質(zhì)量。

3）考種及測(cè)產(chǎn)。于成熟期選取植株5 株進(jìn)行考種，以測(cè)坑為單元收獲后自然風(fēng)干，稱質(zhì)量測(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

利用MATLAB 擬合數(shù)據(jù)，Excel 作圖和SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（α=0.05）。

1.4評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) 假陰性:使用血細(xì)胞檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果為正常,使用血涂片檢驗(yàn)分析的結(jié)果為異常;假陽性:使用血細(xì)胞檢驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)的結(jié)果顯示異常,使用血涂片分析的結(jié)果為正常。陽性:使用血細(xì)胞檢測(cè)設(shè)備和血涂片檢測(cè)的結(jié)果均為正常。陰性:使用血細(xì)胞檢測(cè)設(shè)備和血涂片檢測(cè)的結(jié)果均為異常 [2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下夏玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的變化特征

2.1.1 不同處理下夏玉米葉面積指數(shù)

隨著夏玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，整體上夏玉米LAI呈先增大再減小的趨勢(shì)（圖1）。在各施氮控水處理下，LAI在灌漿期最大，WN 處理在抽雄開花期最大，各生育期施氮控水處理顯著高于WN 處理，增加率介于16.79%～72.52%之間。

各生育期LAI在G1 處理下較高，尤其是成熟期與G2、G3 處理差異顯著，N2 處理下分別高出7.66%和6.09%，N1 處理下分別高出12.98%和16.37%，G2和G3 處理間差異很小，其余生育期LAI隨地下水埋深增加多呈“V”形。

成熟期，各地下水埋深條件下N2 處理LAI高于N1 處理，增幅在2.94%～12.91%之間。其他生育期在G1、G3 處理?xiàng)l件下，N1 處理高于N2 處理，增幅在1.29%～12.43%之間，而在G2 處理?xiàng)l件下，N2處理高于N1 處理，增幅在6.28%～9.56%之間。

2.1.2 夏玉米株高Logistic 模型

利用Logistic 函數(shù)[20]擬合夏玉米株高生長(zhǎng)，結(jié)果見圖2。各處理組合下模型曲線均為“S”形，R2均在0.98 以上，RMSE介于2.97～8.43 cm 之間，與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。

圖1 不同處理下夏玉米葉面積指數(shù)Fig.1 Leaf area index of summer maize under different treatments

圖2 不同處理下株高實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的擬合Fig.2 Relationship between measured and predicted values of plant height under different treatments

表3 不同處理夏玉米株高Logistic 指標(biāo)值Table 3 Plant height logistic index of summer maize under different treatments

由表3 可見，相較于WN 處理，N1 處理與N2處理平均分別提前3.07 d 和7.06 d 進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段，平均分別提前14.45 d 和16.69 d 結(jié)束快速生長(zhǎng)階段，說明施氮控水處理會(huì)縮短玉米快速生長(zhǎng)期，且N2 處理平均比N1 處理分別提前3.99、2.24 d 進(jìn)入和結(jié)束快速生長(zhǎng)期，快速生長(zhǎng)期增加了7.52%，而G1 處理平均比G2、G3 處理分別提前0.05、0.87 d 進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，以及滯后0.36、1.77 d 結(jié)束，尤其是N2 條件下，G1 處理株高快速生長(zhǎng)天數(shù)較G2、G3 處理分別增加3.99%、12.91%，說明施氮量越大，對(duì)作物生育進(jìn)程的影響越大，G1 處理相較于G2 和G3 處理會(huì)延長(zhǎng)玉米快速生長(zhǎng)天數(shù)，但施氮處理對(duì)夏玉米生長(zhǎng)的影響效應(yīng)強(qiáng)于地下水埋深處理。

除此之外，在夏玉米株高生長(zhǎng)達(dá)到最大速率時(shí)間上，N2 處理平均比N1 處理提前3.11 d，比不施氮處理提前11.87 d。最大增長(zhǎng)速率方面，N1 處理比N2 處理平均增加8.50%，比不施氮平均增加55.31%；N2 水平下，G3 處理比G2、G1 處理分別增加9.69%、14.65%。

2.2 不同處理下夏玉米干物質(zhì)量的變化特征

不同地下水埋深施氮水平對(duì)夏玉米干物質(zhì)量的影響如表4 所示。各處理籽粒干物質(zhì)量最高，葉最低；施氮控水處理莖、葉和籽粒干物質(zhì)量顯著高于WN 處理，增加率在31.84%～256.81%之間。

大喇叭口期，莖干物質(zhì)量隨地下水埋深增加而增加，其中G3 處理顯著高于G1 處理，N2 處理與N1處理分別高出33.76%、15.98%，而同一施氮水平下各地下水埋深處理間葉干物質(zhì)量無顯著差異，成熟期莖、葉干物質(zhì)量隨地下水埋深變化呈“V”形。N2處理下，成熟期籽粒干物質(zhì)量在G3 處理時(shí)顯著高于G1 和G2 處理，分別高出15.48%和10.90%，而N1條件下，G1 處理顯著高于G2 處理和G3 處理，分別高出6.54%和5.55%。

表4 不同處理夏玉米大喇叭口期、成熟期器官干物質(zhì)積累量Table 4 Summer maize organ dry matter accumulation at the mature stage and flare opening under different treatments g/株

G1 條件下，成熟期N2 處理莖、葉干物質(zhì)量顯著高于N1 處理，分別高出35.44%、33.32%，大喇叭口期差異不顯著，而N1 處理籽粒干物質(zhì)量顯著高于N2處理，高出9.13%，說明地下水埋深2.00 m 條件下，施氮可能主要通過影響作物物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)來影響產(chǎn)量；G3條件下，N2 處理籽粒干物質(zhì)量顯著高于N1 處理，高出11.69%，而大喇叭口期、成熟期莖、葉無顯著差異，說明地下水埋深4.00 m 條件下，施氮可能通過影響作物物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與干物質(zhì)積累影響產(chǎn)量。

2.3 不同處理下0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量

由表5 可見，除對(duì)照WN 處理外，各處理0～20 cm土層硝態(tài)氮增量低于20～40 cm；N1 處理下，0～20、20～40 cm 土層硝態(tài)氮增量無顯著差異；N2 條件下，硝態(tài)氮增量隨著地下水埋深增加逐漸減小，差異顯著，其中G1 處理硝態(tài)氮增量最高，顯著高于G2、G3 處理，0～20 cm 土層分別高出75.92%、90.03%，20～40 cm分別高出30.56%、130.95%。而同一地下水埋深下，N2 處理下0～20 cm 土層硝態(tài)氮增量是N1 處理的1.4～5.3 倍，20～40 cm 則為2.4～11.2 倍，差異顯著，尤其是G1 水平下，N2 處理硝態(tài)氮增量極顯著地高于N1 處理。

表5 不同處理0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量Table 5 0～40 cm soil layer nitrate increment under different treatments mg/kg

表6 N2 處理下0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Person 相關(guān)性分析結(jié)果Table 6 Person correlation analysis of incremental of nitrate,yield and its component in 0～40 cm soil layer under N2 treatment

2.4 常規(guī)施氮處理?xiàng)l件下表土硝態(tài)氮、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Person 相關(guān)性分析

常規(guī)施氮量大，易引發(fā)土壤氮素積累[21]。選取常規(guī)施氮N2 處理?xiàng)l件下，0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素做Person 相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。由表6 可知，N2 處理下，0～20 cm 硝態(tài)氮增量與產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)性不顯著，而20～40 cm 硝態(tài)氮增量與穗長(zhǎng)、穗質(zhì)量和穗粒數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，與禿尖長(zhǎng)顯著正相關(guān)；產(chǎn)量與百粒質(zhì)量、穗質(zhì)量和穗粒數(shù)顯著正相關(guān)，與禿尖長(zhǎng)、0～20 cm 和20～40 cm 土層硝態(tài)氮量顯著負(fù)相關(guān)。說明常規(guī)施氮條件下，地下水淺埋深地區(qū)，氮素可能受作物蒸騰拉力及表土蒸發(fā)作用向上運(yùn)移，增加作物主要根系層硝態(tài)氮量，從而影響產(chǎn)量構(gòu)成要素，進(jìn)而作用產(chǎn)量，且地下水埋深越淺作用效應(yīng)越明顯，但這不利于產(chǎn)量形成。

3 討論

在地下水淺埋區(qū)，地下水主要通過土壤孔隙毛管力、作物蒸發(fā)蒸騰等作用[22]上升補(bǔ)給土壤水，土壤水分狀況與作物生長(zhǎng)狀況相互制約，能誘發(fā)作物從形態(tài)到生理的反應(yīng)，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[23]。已有研究表明，地下水埋深對(duì)LAI影響顯著[12,15,24]，LAI隨地下水埋深增加而降低，灌漿期最大，而對(duì)株高影響不顯著[25]。在本試驗(yàn)中，LAI隨地下水埋深增加而減小，埋深3.0、4.0 m 差異小，表明當(dāng)?shù)叵滤裆睢?.0 m 時(shí)，地下水對(duì)作物生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)小[24]，與前人研究結(jié)果相近[12,15]。

Logistic 擬合方程表明，變量參數(shù)a、b隨施氮量增加而減小，施氮量大能延長(zhǎng)作物快速生長(zhǎng)期，這與前人研究相近[26]；而不施氮不控水處理快速生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，主要是因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)期缺少水肥，根系生長(zhǎng)力弱[27]，隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，根系生長(zhǎng)能力變強(qiáng)，逐漸下扎[28]，能夠汲取更多的水分和養(yǎng)分，延長(zhǎng)了快速生長(zhǎng)期。地下水埋深2.0 m 較其他埋深處理延長(zhǎng)了快速生長(zhǎng)期，主要是因?yàn)槁裆?.0 m 較淺，地下水供應(yīng)充足，更有利于夏玉米生長(zhǎng)，與前人研究不同[12]，可能是本研究相對(duì)前人研究埋深2.0 m 設(shè)置仍較深，且受施氮影響；常規(guī)施氮處理下，埋深2.0 m 玉米生長(zhǎng)速率最大值低于埋深3.0 m 和4.0 m，可能是由于埋深2.0 m 較淺，氮素隨水分向上運(yùn)移多[17,18]，加之常規(guī)施氮量大，造成主根系層氮素量累積量多（表5），抑制作物生長(zhǎng)。

前人研究表明，干物質(zhì)量受水肥影響，隨地下水埋深增加先減小后增加[29]，本試驗(yàn)結(jié)果與之一致，莖、葉隨地下水埋深增加先減小后增加，主要因?yàn)榈叵滤裆钶^深向上補(bǔ)水路徑加長(zhǎng)，增加了灌溉降雨在土壤中的蓄積，促進(jìn)了玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育及干旱脅迫的抗逆能力[24]。

基于硝態(tài)氮增量、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Person 相關(guān)性分析表明，常規(guī)施氮條件下，地下水主要通過影響百粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、穗粒數(shù)和禿尖長(zhǎng)以及0～40 cm土層硝態(tài)氮增量作用產(chǎn)量，與前人研究相近[12,15]。其中，硝態(tài)氮增量與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，除受多余灌溉水分在包氣帶中存儲(chǔ)影響外[30]，主要因?yàn)槌Ｒ?guī)施氮處理提高了土壤硝態(tài)氮量[21]，產(chǎn)量可能出現(xiàn)“報(bào)酬遞減”現(xiàn)象[31]，且試驗(yàn)設(shè)置地下水埋深處理，水分在空間上的運(yùn)移較表層灌水更為復(fù)雜，且不涉及灌水處理，水分向下遷移能力相對(duì)較弱。地下水埋深淺，在土壤毛管吸力和作物蒸騰拉力作用下，土壤水分運(yùn)移活躍，對(duì)作物主根區(qū)養(yǎng)分形成頂托效應(yīng)[32]，不僅阻止了上層水分和氮素向下運(yùn)移[16]，同時(shí)地下水或深層氮素也可能向上遷移[18]，造成作物主根區(qū)氮素交換量變大、累積量變多，根系養(yǎng)分吸收功能降低[33]，影響作物生長(zhǎng)，造成作物減產(chǎn)。此外，綜合產(chǎn)量、株高等指標(biāo)隨地下水埋深演變特征，地下水埋深與施氮水平組合對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)存在水氮耦合效應(yīng)，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）地下水埋深2.0 m 條件下，300 kg/hm2施氮量促進(jìn)了夏玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和0～40 cm 土層氮素殘留，不利于玉米生殖生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。

2）地下水埋深2.0 m 和240 kg/hm2施氮組合及埋深4.0 m、300 kg/hm2施氮組合下夏玉米葉面積指數(shù)、株高等生長(zhǎng)指標(biāo)以及干物質(zhì)積累量均較其他組合增幅明顯。