不同污水灌溉和施肥條件下土壤氮素對春玉米生長的影響

(環(huán)境保護部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029)

不同污水灌溉和施肥條件下土壤氮素對春玉米生長的影響

趙芳李冬

(環(huán)境保護部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029)

田間實驗設置了3種灌溉水質(清水、出水和初級水)、2種施肥水平(施肥和不施肥)6個處理，3組重復。結果表明：春玉米的產(chǎn)量的變化為T6(初級水)>T3(施肥+出水+清水)>T2(施肥+出水+清水)>T4(施肥+出水+清水)>T5(出水)>T1(施肥+清水)，其中，T6產(chǎn)量高達11843kg·ha-1，與T1處理相比增加了52%；T3、T2和T4的增產(chǎn)率為35%、25%和18%。春玉米的吸氮量變化為T6>T3>T4>T2>T5>T1，其中，T6處理的總施氮量為490kg·ha-1，而吸氮量為273kg·ha-1，表明一部分氮素留在了環(huán)境中。春玉米的生長和產(chǎn)量沒有相關性，前期施肥可促進春玉米的成長，但對增加產(chǎn)量效果不大；初級污水灌溉可明顯提高春玉米的產(chǎn)量，但若控制不當，很可能通過淋失造成水體的污染。

土壤；春玉米產(chǎn)量；污水灌溉；氮素平衡

引言

玉米是我國第二重要的農作物，其中春玉米主要分布在我國北方，約占全國玉米面積的36%[1]。目前有關污水灌溉對作物的影響主要集中在冬小麥上[2]，其他的作物則很少[3]。氮素是作物生長所不可缺少的元素，特別是無機氮。土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化影響離子的吸收[4]、植物的生長[5]、作物的產(chǎn)量[6]以及植物群落的生產(chǎn)力[7]和植被動態(tài)。研究表明當土壤NO3-N等無機N含量達到60mg·kg-1時已能滿足蔬菜的正常生長，而且土壤中NO3-N隨種植時間的增加呈現(xiàn)顯著地增加[8]。本研究旨在通過田間試驗，探討污水灌溉條件下硝態(tài)氮、氨氮在土壤中的遷移轉化規(guī)律，以及不同灌溉、施肥條件下對春玉米的成長、產(chǎn)量以及氮素平衡的影響，為污水灌溉更好的實施提供一定的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

扎魯特旗位于內蒙古自治區(qū)通遼市西北部，地處科爾沁沙地北部邊緣，介于東經(jīng)119°13′28″至121°57′42″，北緯43°50′47″至45°50′13″之間。地處中緯度內陸溫帶氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風氣候特征。四季分明，光能資源充足，年降水量290～450mm，年平均氣溫0～6℃。研究區(qū)域2010年月降雨量平均值與連續(xù)十年內降雨量月平均值相比，除7、8、9月份外，其余各月降雨量遠高于10年內平均降雨量，春玉米生育期(5～9月)的降雨量達到了262mm。研究區(qū)土壤質地為砂土，土壤中全氮、全磷、全鉀的含量比較高，速效磷較為缺乏。供試土壤養(yǎng)分含量基礎理化性質見表1。

表1 供試土壤的基礎理化性質

1.2 實驗布置

根據(jù)水渠的走向，本研究設置六個處理區(qū)域(T1、T2、T3、T4、T5和T6)，每個處理區(qū)域重復三個，即共選取18個小區(qū)，每個處理區(qū)域面積為10m×10m(圖1)。T1-T4處理區(qū)域采用水+肥處理方式，T5和T6處理區(qū)域僅采用灌溉的方式。施肥方案依據(jù)當?shù)剞r民習慣施肥，播種前(5月13日)氮肥深施，施氮量140kgN·ha-1，大喇叭口期(7月3日)追施氮肥120kgN·ha-1。各個時期施肥和灌溉水帶入的氮量見表2。出水是指污水處理廠經(jīng)過全部污水處理工藝最終排出的水，全氮含量約為30mg·L-1；初級水是指沒有經(jīng)過去氮、去磷工藝，氮、磷含量豐富的水(此水源的實現(xiàn)是在出水的基礎上加入一定的氮、磷配置出與初級水氮、磷含量相同的溶液)，其含氮量變幅較大(30～70mg·L-1)，為研究特殊情況，將初級水含氮量配置為70mg·L-1。

圖1 試驗小區(qū)布置圖

1.3 試驗觀測

本研究取樣深度為0～140cm，每20cm為1個土層。

每季作物播種前、作物關鍵生育期以及收獲后各采集一次土壤樣品，用土鉆方法取鮮土，用1mol·L-1KCl浸提(水土比為10∶1)鮮土，用流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度。本研究的供試作物為春玉米，品種為晉丹52號(金玉6號)，播種日期為2010年5月13日，播種量為5斤/畝，收獲日期為2010年9月28日。株行距為30×40cm。本文中，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量用下式計算：

土層各氮素累積量(kgN·ha-1)=土層厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×各氮素含量(mg·kg-1)×10-1

表2 不同處理施肥和灌溉水帶入氮量(kg·ha-1)

注：*清水灌溉用q表示；出水灌溉用w表示；初級水灌溉用w·表示。

3 結果與分析

3.1 污水灌溉與施肥對春玉米生長的影響

不同處理春玉米株高變化如圖2a所示，6月26日各處理株高無明顯差異，8月11日及9月8日，T2、T3和T4處理的株高略大于其他處理，其中在灌漿期(9月8日)的株高最大為T3處理，其值為290 cm。這說明由于污水(包括出水和初級水)中含有一定的養(yǎng)分，通過灌溉可以改善土壤的供氮狀況，促進春玉米的生長。且拔節(jié)后期清污輪灌處理的T2、T3和T4處理的株高明顯高于其它處理，說明拔節(jié)期灌溉帶入的氮素對春玉米拔節(jié)和節(jié)間伸長有促進作用。T5與T6處理的施氮量分別為210和490kg·ha-1，其株高并沒有隨著氮素投入量的增加而增大，說明作物生長中后期投入的氮不一定能彌補氮素前期虧缺所導致的負面影響。

不同處理春玉米葉面積指數(shù)變化如圖2b所示。6月26日，各處理的葉面積指數(shù)較小，T2處理的葉面積指數(shù)略高于其他處理，T4處理的最小。8月11日，T1、T2和T4處理的葉面積指數(shù)顯著高于其他2個處理，說明在春玉米生長前期施肥有利于作物生長，葉面積增加顯著，特別是T4，葉面積指數(shù)增長率明顯高于其他處理。9月8日，清水處理T1葉面積指數(shù)下降最快，其可能的原因是生長后期氮素供應不足，養(yǎng)分大量由葉片轉移到穗部。清污輪灌處理(T2、T3、T4)的葉面積指數(shù)明顯高于其它三個處理，說明在前期施肥的基礎上，清污輪灌對后期葉面積指數(shù)增大有促進作用。T5和T6處理的葉面積指數(shù)較小，這可能是由于二者前期沒有施基肥和追肥，通過出水灌溉帶入土壤的肥料不能滿足其生長的需要，其生長受到抑制。同時T6處理初級水中的細菌、懸浮固體，重金屬等對春玉米葉面生長可能也存在一定的抑制作用。

圖2 不同處理春玉米株高(a)和葉面積指數(shù)(b)變化

3.2 污水灌溉與施肥對春玉米產(chǎn)量的影響

不同處理措施下春玉米的產(chǎn)量見表3，春玉米的產(chǎn)量的變化為T6>T3>T2>T4>T5>T1。T6的產(chǎn)量高達11843kg·ha-1，與T1處理相比增加了52%；清污輪灌處理T3的增產(chǎn)量為35%；T2和T4的增產(chǎn)量分別為25%和18%。T1比T5小的原因可能是T1處理的株高葉、面積指數(shù)等在中期及中后期都大于出水灌溉T5處理，說明早期施入氮肥利于作物營養(yǎng)生長，作物長勢較好，但生育期中、后期無氮素投入，作物無充足養(yǎng)分吸收，導致其產(chǎn)量減少，而前期不施肥的處理T5，雖氮肥總投入量最小，但由于關鍵生育期持續(xù)供氮(污水帶入)，作物生長中、后期有養(yǎng)分輸入，故產(chǎn)量較T1增大。這表明進行污水(包括出水和初級水)灌溉特別是初級水灌溉對春玉米產(chǎn)量具有明顯的增加作用。

表3 不同管理措施下氮素平衡(kg N·ha-1)

注：*NUE(氮素利用率)=產(chǎn)量/氮素總輸出。

3.3 污水灌溉與施肥對土壤氮素平衡的影響

土壤氮素平衡受多種因素影響，肥料施入量，礦化量，生物固持，氨揮發(fā)，反硝化，作物吸收，以及淋失等因素都是決定土壤氮素平衡的重要因素，各因子的數(shù)值見表3。土壤溫度和濕度是影響土壤氮素礦化的重要因子，在一定范圍內，氮礦化速率隨濕度的增加而升高，隨溫度的升高而升高。大量研究表明干濕交替能夠影響土壤有機氮素礦化和氮素損失[9]。由表3可以看出，春玉米吸氮量順序是T6>T3>T4>T2>T5>T1，與產(chǎn)量變化基本一致，隨著氮素投入量的增加而增大。污水(包括出水和初級水)灌溉處理的吸氮量均比清水灌溉處理T1的吸氮量要大，這是因為污水中含有一定量的氮素，可以被作物吸收利用，使吸氮量增加。但是，六個處理的氮素利用率(NUE)均不高，范圍在19～23%。對于T6處理來說，施氮量為490kg·ha-1，吸氮量為273kg·ha-1，說明通過初級水灌溉引入到土壤中的氮素很大一部分不能被作物吸收利用。導致這種現(xiàn)象的可能原因有兩方面，一是由于初級水中含有大量的氮素，已經(jīng)超過春玉米的需求量；二是由于實驗區(qū)下層為砂土，持水能力較差，導致一部分氮素隨著灌溉水被淋洗到根區(qū)以下。這從淋失比例上可以看出，由于水分滲漏現(xiàn)象嚴重，所以氮素的淋失比例也很大，最大的為氮素輸入(施肥+干濕沉降+灌溉)的54%，最小的為40%。初級水灌溉的T6處理氮素淋失量達到221 kg N·ha-1，說明在此研究區(qū)施入過多的氮素，不僅不能被作物吸收利用，而且會隨水流失，會給地下水帶來環(huán)境污染隱患[10]。

由表3可知，處理TI、T5土體氮素虧缺最為嚴重，分別比播種前減小了43 kg N·ha-1，其他處理則有氮素剩余，特別是T6剩余量最大。綜上所述，一方面，出水灌溉必須與前期施肥相結合，才能在減少經(jīng)濟投入的基礎上不會使作物減產(chǎn)；相反，多次采用初級水灌溉，雖然有明顯的增產(chǎn)作用，但會造成土壤氮素在土體的累積，帶來的環(huán)境風險也不容忽視。因此，作物前期施肥基礎上的清污輪灌方式能達到既增加產(chǎn)量又保護環(huán)境的效果。

4 結 論

(1)春玉米產(chǎn)量的變化為T6>T3>T2>T4>T5>T1。T6的產(chǎn)量高達11843kg·ha-1，與T1處理相比增加了52%；清污輪灌處理T3的增產(chǎn)量為35%；T2和T4的增產(chǎn)量分別為25%和18%。春玉米的生長和產(chǎn)量沒有相關性，前期施肥可促進春玉米的成長(株高和葉面積指數(shù))；初級污水灌溉可明顯提高春玉米的產(chǎn)量。

(2)春玉米吸氮量順序是T6>T3>T4>T2>T5>T1，雖然T6處理的施氮量為490kg·ha-1，但其吸氮量僅為273kg·ha-1，可以看出很大一部分氮素遺留在環(huán)境中，對土壤和水體是個潛在的威脅。

(3)出水灌溉必須與前期施肥相結合，才能在減少經(jīng)濟投入的基礎上不會使作物減產(chǎn)；相反，多次采用初級水灌溉，雖然有明顯的增產(chǎn)作用，但會造成土壤氮素在土體的累積，帶來的環(huán)境風險也不容忽視。

[1]劉運通，李玉娥，萬運帆，等.不同氮磷肥施用對春玉米農田N2O排放的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30(7)：1468-1475.

[2]王麗影，楊金忠，黃凱，等.冬小麥污水灌溉條件下土壤中氮素轉化實驗研究[J].灌溉排水學報，2006，25(6)：1-5.

[3]廖林仙，邵孝侯，李洪良，等.EM用于污水灌溉對小白菜產(chǎn)量和土壤肥力的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26(2)：704-707.

[4]杜振宇，周健民，王火焰，等.NH4+對K+在土壤肥際微域中遷移和轉化的影響[J].土壤學報，2007，44(3)：492-498.

[5]汪建飛，董彩霞，謝越，等.銨硝比和磷素營養(yǎng)對菠菜生長、氮素吸收和相關酶活性的影響[J].土壤學報，2006，43(6)：954-960.

[6]褚清河，潘根興，李典有，等.氮磷等比與以磷定氮條件下玉米的最大施肥量研究[J].土壤學報，2007，44(6)：l083-1089.

[7]龍健，江新榮，鄧啟瓊，等.貴州喀斯特地區(qū)土壤石漠化的本質特征研究[J].土壤學報，2005，42(3)：419-427.

[8]李艾芬，章明奎.浙北平原不同種植年限蔬菜地土壤氮磷的積累及環(huán)境風險評價[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29(1)：122-127.

[9]Xiang S R，Doyle A，Holden P A，et al.Dryingand rewetting effects on C and N mineralization and microbial activity in surface and subsurface California grassland soils.Soil Biology and Biochemistry，2008，40：2281-2289.

[10]王琦，李鋒瑞.灌溉與施氮對黑河中游新墾農田土壤硝態(tài)氮積累及氮素利用率的影響[J].生態(tài)學報，2008，28 (5)：2148-2159.

TheInfluenceofSoilNitrogenforGrowthofSpringCornwithDifferentWastewaterIrrigationandFertilization

ZHAO Fang LI Dong

(Environmental Development Centre of Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China)

Three kinds of water quality (fresh water，treated sewage and untreated sewage)，two levels of fertilizer (fertilized and unfertilized) were designed in this field test. There were totally 6 treatments and 3 duplications. The results indicated that changes of spring maize yield is T6 (untreated sewage)>T3 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T2 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T4 (fertilized+treated sewage+fresh water)>T5(treated sewage)>T1(fertilized+fresh water). Wherein，the yield reached 11843kg·ha-1in T6，and with an increase of 52% compared with the T1 treatment. The rate of increase production was 35%，25% and 18% in T3 T2 and T4. The nitrogen content change of spring maize was T6>T3>T4>T2>T5>T1. Though the total amount of nitrogen application was 490kg·ha-1，the absorption of nitrogen was 273kg·ha-1in T6 treatment，and it indicated that a part of nitrogen remain in the environment. There is no correlation between spring maize growth and yield. The fertilizer can promote the growth of spring maize，but had little effect on increasing yield. The untreated sewage irrigation can increase the yield of maize，but，it is probably caused the water pollution through leaching under loss the improper control.

soil；yield o spring corn；wastewater irrigation；nitrogen balance

趙芳，碩士，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境科學與管理

文獻格式：趙 芳 等.不同污水灌溉和施肥條件下土壤氮素對春玉米生長的影響[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：181-184.

X21

A

1673-288X(2017)06-0181-04