不同水肥管理措施對春玉米產量和土壤硝態氮時空分布的影響

王激清，劉社平

（河北北方學院農林科技學院，河北張家口075000）

不同水肥管理措施對春玉米產量和土壤硝態氮時空分布的影響

王激清，劉社平

（河北北方學院農林科技學院，河北張家口075000）

采取大田結合小區試驗的方法，研究了不同水肥管理措施對春玉米產量和土壤硝態氮時空分布的影響。結果表明：水肥一體管理區春玉米產量為17 107 kg·hm－2，顯著高于傳統水肥管理區（13 349 kg·hm－2）；從春玉米出苗期到收獲期，無肥區0～90 cm各土層硝態氮含量不斷降低，累積總量也從452.5 kg·hm－2降低到279.1 kg·hm－2，傳統水肥管理區和水肥一體管理區0～90 cm各土層硝態氮含量和累積總量均呈先上升后下降的趨勢，但水肥一體管理區分次追肥避免了傳統水肥管理大喇叭口期過量追氮帶來的淋溶風險；春玉米大喇叭口期和收獲期隨著土層深度的增加，0～180 cm土層硝態氮含量呈下降趨勢；不同水肥管理措施0～180 cm土層硝態氮累積總量傳統水肥管理區最高，大喇叭口期和收獲期分別達到1 119.3 kg·hm－2和945.5 kg·hm－2，淋溶風險最大。因此以水肥一體化為核心的水肥管理措施可實現冀西北地區春玉米高產和環境友好。

春玉米；水肥一體化；產量；土壤剖面；土壤硝態氮

世界農業發展的實踐證明，施用化肥不論是發達國家還是發展中國家，都成為了最快最有效的糧食增產措施，化肥對糧食作物產量的貢獻率占到了50%左右［1－2］。但相伴而來的肥料不合理施用問題日益普遍而嚴重，尤其是氮肥，由于過量施用，忽視土壤和環境養分的利用，作物產量潛力未得到充分發揮以及養分損失未能得到有效阻控等原因，我國水稻、小麥、玉米三大糧食作物的氮肥利用率平均只有27.5%，遠低于國際水平，與20世紀80年代相比呈明顯下降趨勢［3］。在農田土壤各種形態氮素中，由于硝態氮不易被土壤膠體所吸附，在降雨和灌溉時發生隨水運移淋失，很容易從上層土壤向下淋溶，造成肥料浪費，乃至污染地下水源，因此包括水分管理、栽培管理、土壤耕作、秸稈管理、有機肥和其他營養元素配合等優化農藝措施成為減少硝態氮淋失、降低氮肥向環境流失的關鍵措施［4－6］。

冀西北張家口地區地處干旱半干旱大陸性季風氣候，是我國北方重要的春玉米生產帶，合理施肥尤其是合理施氮對于玉米高產高效具有重要意義，但近年來農戶不考慮甚至不了解春玉米需肥規律和當地土壤養分含量狀況，氮肥不合理施用問題嚴重，直接導致氮肥利用率低下，土體硝態氮過量累積［7］。此外，在干旱、半干旱地區玉米獲得高產的水分供給與肥料供應關系密切［5］，而水肥一體化技術可借助壓力灌溉系統，將可溶性固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液與灌溉水一起，均勻、準確地輸送到作物根部土壤，提供玉米吸收利用可達到提高玉米氮肥利用率的目的［8］。因此，本研究采用大田結合小區試驗的方法，選擇同一區域內由于施肥和管理水平不同造成的無肥區、傳統水肥管理區和水肥一體管理區為研究對象，進行春玉米產量和整個玉米生長季土壤剖面硝態氮的時空累積特征對比分析研究，揭示不同水肥管理措施下春玉米田土壤硝態氮運移特點，為冀西北地區春玉米科學施肥提供合理依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2014年在冀西北張家口市宣化縣沙嶺子鎮南興渠村進行，試驗區位于北緯40°40′，東經114°52′，海拔615m，無霜期140 d，日照時數2 881 h，年均氣溫7.7℃，年平均降水量400mm，春季降水偏少、氣候干旱，雨量主要集中在6—9月份，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候。

供試土壤為灌淤土，播前土壤基本理化性狀見表1。供試的玉米品種為巡天969，播種時間為4月20日，收獲時間為9月28日。

表1 播前土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil before sowing

1.2 試驗方法

試驗采用大田結合小區試驗的方法，設計3種不同水肥管理措施，即無肥區（CK）、傳統水肥管理區（CT）和水肥一體管理區（SF）。其中無肥區采用小區試驗，小區面積為20m2，設3次重復，共60m2；傳統水肥管理區和水肥一體管理區為大田試驗，面積均為3.0 hm2，每塊地中隨機選取3個區域取樣作為3次重復。

無肥區和傳統水肥管理區采用農戶傳統的種植管理措施，春季播種前清茬并深翻25 cm，播種采用當地的圓盤式玉米播種機進行播種，大小行種植，大行70 cm，小行40 cm，平均行距55 cm，種植密度為67 500株·hm－2，播后噴施除草劑。無肥區不施任何肥料，傳統水肥管理區基肥用18－18－18－1（Zn）的史丹利牌復合肥，于深翻前撒施于地塊中，用量為750 kg·hm－2，在玉米生長大喇叭口期追施尿素（N 46%）750 kg·hm－2，全生育期總計投入N 480 kg·hm－2，P2O5135 kg·hm－2，K2O 135 kg·hm－2。無肥區和傳統水肥管理區均為春播前澆水一次，玉米生長大喇叭口期和抽穗期各澆水一次，每次澆水量為2 250m3·hm－2。

水肥一體管理區利用玉米膜下滴灌專用播種機實現播種、施肥、覆膜、鋪設滴灌帶、噴施除草劑、覆土壓膜等多道工序的一次性完成。采用幅寬1.20 m，厚度0.008 mm地膜進行全膜覆蓋，玉米種植在壟溝內；順玉米行間布置膜下滴灌，一膜一帶，滴灌二行玉米，滴孔間距30 cm；采用大小行種植，大行70 cm，小行40 cm，平均行距55 cm，種植密度為81 000株·hm－2，播后噴施除草劑，并進行覆土壓膜。水肥一體管理區基肥用18－18－9－1（Zn）的天喜牌春玉米專用肥，用量為1 125 kg·hm－2，隨播種機施入種植小行，追肥分三次施入：第一次在大喇叭口期，追施尿素（N 46%）375 kg·hm－2，第二次在抽穗期，追施尿素（N 46%）225 kg·hm－2，第三次在灌漿期，追施尿素（N 46%）95 kg·hm－2和硫酸鉀（K2O 50%）58 kg·hm－2，全生育期總計投入N 522.2 kg· hm－2，P2O5202.5 kg·hm－2，K2O 130.3 kg·hm－2。由于播種期至苗期降雨偏多，水肥一體管理區未澆水，只在大喇叭口期、抽穗期、灌漿期結合三次追肥滴灌澆水三次，每次澆水480m3·hm－2。

1.3 樣品采集及分析方法

收獲時春玉米測產：每個測產區域取連續4行玉米，每行5 m，作為測產區，測產樣方面積為4×5 m×0.55 m＝11 m2，收獲的同時在測產樣方中取有代表性的10株玉米穗并進行室內考種，項目為穗長、穗粗、穗行數、行粒數、單穗粒重、千粒重。

在春玉米生長出苗期、抽穗期、吐絲期和灌漿期取土樣，每區域土壤樣品采5個取樣點，取樣深度分別為0～30、30～60、60～90 cm共三層；在春玉米生長大喇叭口期、收獲期取土樣，每區域土壤樣品采5個取樣點，取樣深度分別為0～30、30～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm共六層。新鮮土樣帶回實驗室立即測定土壤水分含量，0.01 mol·L－1CaCl2浸提紫外分光光度法測定土壤硝態氮含量，并于收獲后采用環刀分上述6層取土測定土壤容重，計算硝態氮累積量，土壤剖面硝態氮累積量（kg· hm－2）＝土壤硝態氮含量（mg·kg－1）×土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm－3）×10－1。

所有試驗數據均采用Excel軟件進行計算和繪圖，用SAS軟件進行統計檢驗，5%水平下LSD多重比較檢驗各處理平均值之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同水肥管理措施下春玉米產量比較

穗長、穗粗、穗行數、行粒數、單穗粒重和千粒重是春玉米穗部特征的主要指標，也是決定春玉米產量的主要因素，從表2可見傳統水肥管理區和水肥一體管理區這幾個產量構成因素除穗行數外，其余的均顯著高于無肥區，說明氮磷鉀的配合施用能有效改善春玉米的產量構成因素。水肥一體管理區春玉米的穗長、穗粗、穗行數、行粒數、單穗粒重分別為21.3 cm、5.29 cm、16.3行、38.8粒、252.4 g，均高于傳統水肥管理區；對于千粒重來說，水肥一體管理區為398.4 g，顯著高于傳統水肥管理區（383.7 g），這表明與傳統水肥管理相比，水肥一體管理對春玉米的增產效果更明顯。

表2 不同水肥管理措施下春玉米產量構成因素Table 2 Yield components of springmaize under differentwater and fertilizermanagement practices

表3為三種不同水肥管理措施下春玉米產量的比較分析，從表中可以看出，水肥一體管理區春玉米測產區的產量為18.8 kg，顯著高于傳統水肥管理區的產量14.7 kg，而傳統水肥管理區的產量又顯著高于無肥區的產量；同樣水肥一體管理區春玉米的折合產量為17 107 kg·hm－2，顯著高于傳統水肥管理區的產量（13 349 kg·hm－2），而傳統水肥管理區的產量又顯著高于無肥區的產量。與無肥區相比，水肥一體管理區和傳統水肥管理區增產率分別達到52.9%和19.3%。

表3 不同水肥管理措施下春玉米產量Table 3 Yield of springmaize under differentwater and fertilizermanagement practices

2.2 不同水肥管理措施下春玉米生長季土壤硝態氮動態變化

研究表明，土壤硝態氮的淋洗主要受土壤中可溶性氮的分布和數量的影響［9］，而玉米整個生育期0～90 cm各土層土壤銨態氮含量較低，因此土壤中可溶性氮主要以硝態氮為主，評價土壤礦質氮時忽略銨態氮的影響，只計算硝態氮的貢獻［10］。圖1為不同水肥管理措施下春玉米整個生育期0～90 cm土層硝態氮含量變化，從圖中可以看出，無論是0～30、30～60 cm還是60～90 cm土層，傳統水肥管理區和水肥一體管理區硝態氮含量在整個生長季均高于無肥區處理，同時0～30，30～60，60～90 cm土層無肥區處理春玉米從出苗期到收獲期硝態氮含量不斷降低，即隨著作物的發育吸收，土壤中硝態氮處于不斷消耗的過程。

圖1 春玉米不同生育期0～90 cm土層硝態氮含量Fig.1 NO3－－N content in 0～90 cm soil layers under different growth stage of springmaize

分析傳統水肥管理區和水肥一體管理區0～30、30～60、60～90 cm土層硝態氮含量的變化規律可以得到（圖1），從出苗期到大喇叭口期硝態氮含量均呈增加的趨勢，從大喇叭口期到抽穗期、吐絲期、灌漿期和收獲期，硝態氮含量均呈逐漸降低的趨勢，但傳統水肥管理區大喇叭口期0～30 cm和30～60 cm土層硝態氮含量分別為100.8、81.6 mg·kg－1，顯著高于0～30 cm和30～60 cm土層水肥一體管理區的硝態氮含量，這是因為傳統水肥管理區大喇叭口期追施尿素量為750 kg·hm－2，為水肥一體管理區的2倍，過量的施氮量導致土壤硝態氮超量累積，遇到降雨或灌溉，存在向下淋溶進入地下水的風險。從圖1還可以看出，從春玉米抽穗到吐絲期以后，0～30、30～60、60～90 cm土層傳統水肥管理區的硝態氮含量低于水肥一體管理區，這是因為傳統水肥管理區春玉米生長發育后期主要靠大喇叭口期追施的氮肥，因此土壤剖面硝態氮含量降低很快，而水肥一體管理區抽穗期和灌漿期均追施氮肥，土壤剖面保持較高含量的硝態氮持續供給春玉米生長發育，保證了春玉米高產高效的需求。

從表4可進一步看出，0～90 cm土層傳統水肥管理區和水肥一體管理區硝態氮累積量在整個生長季均顯著高于無肥區處理，無肥區處理春玉米從出苗期到收獲期，0～90 cm土層硝態氮累積量也不斷降低，從452.5 kg·hm－2降低到279.1 kg·hm－2。與0～30、30～60、60～90 cm土層硝態氮含量變化一致，傳統水肥管理區和水肥一體管理區從出苗期到大喇叭口期0～90 cm土壤剖面硝態氮累積量均呈增加的趨勢，從大喇叭口期到抽穗期、吐絲期、灌漿期和收獲期，硝態氮累積量呈逐漸降低的趨勢，大喇叭口期土壤硝態氮出現一個明顯的累積峰，大喇叭口期是玉米生長的關鍵時期，此時硝態氮過量累積為春玉米的快速生長提供基礎，但如果累積量太高，如傳統水肥管理區的累積量高達772.2 kg·hm－2，遇到過量的降雨，存在著向下淋溶的趨勢。

2.3 不同管理措施下春玉米大喇叭口期和收獲期土壤硝態氮的動態變化

硝態氮在土壤剖面中的含量及其空間分布特征是表征硝態氮淋失風險的重要指標［11］，因此為分析硝態氮在土壤剖面中的動態運移規律，本試驗研究了春玉米生長大喇叭口期和收獲期0～180 cm各土層硝態氮含量的變化趨勢（圖2）。從圖中可以看出，0～180 cm各土層傳統水肥管理區和水肥一體管理區的硝態氮含量均高于無肥區處理，各處理0～30 cm土層的硝態氮含量較高，隨著深度的增加，硝態氮含量呈下降趨勢。進一步分析傳統水肥管理區和水肥一體管理區0～180 cm各土層的變化可以得到，大喇叭口期0～30、30～60、60～90、90～120 cm土層傳統施肥管理區土壤硝態氮含量均高于水肥一體管理區，120～150、150～180 cm土層這兩種處理硝態氮含量基本相等；而收獲期0～30、30～60、60～90 cm土層水肥一體管理區土壤硝態氮含量均高于傳統施肥管理區，90～120、120～150、150～180 cm土層傳統施肥管理區均高于水肥一體管理區，因此與水肥一體管理區相比，傳統水肥管理區大喇叭口期追施過量的氮肥未被春玉米吸收利用，以硝態氮的形式逐漸向下淋溶遷移，在收獲期淋溶進入90～120、120～150 cm和150～180 cm土層，加大了淋溶進入地下水造成硝酸鹽污染的風險。

表4 春玉米不同生育期0～90 cm土層硝態氮的累積量／（kg·hm－2）Table 4 NO3－－N accumulation at0～90 cm soil layers under different growth stages of springmaize

圖2 春玉米大喇叭口期和收獲期0～180 cm土層硝態氮含量Fig.2 NO3－－N content at0～180 cm soil layers under large flare stage and harvest stage of springmaize

研究結果表明過量施氮會造成土壤剖面中硝態氮嚴重累積，綜合考慮環保、資源高效利用和作物高產，確定合理施氮量下保持適宜土壤硝態氮累積量是研究的熱點［12－13］。表5為三種不同管理措施下春玉米大喇叭口期和收獲期不同土層硝態氮累積量，從表中可以看出，與玉米整個生長季0～90 cm土層硝態氮累積量的變化趨勢一樣，傳統水肥管理區和水肥一體管理區大喇叭口期60～180、0～180 cm土層硝態氮累積量均顯著高于無肥區處理，收獲期90～180、0～180 cm土層硝態氮累積量均顯著高于無肥區處理。同時表5也表明，大喇叭口期傳統水肥管理區60～180 cm和0～180 cm硝態氮累積量分別為517.2 kg·hm－2和1 119.3 kg·hm－2，高于水肥一體管理區的硝態氮累積量；收獲期傳統水肥管理區90～180 cm和0～180 cm硝態氮累積量分別為445.2 kg·hm－2和945.5 kg·hm－2，顯著高于水肥一體管理區的硝態氮累積量。

硝態氮的淋失量是以根層為依據的，根據春玉米的生長發育特性，春玉米大喇叭口期根系可伸長至60 cm土層，收獲期0～80 cm土層根干重比例達95%以上［13］，因此設定60、90 cm分別為春玉米大喇叭口期、收獲期硝態氮淋溶損失的下邊界，即超過60、90 cm土層的硝態氮存在著更大的淋溶損失風險。從表5中可以看出，春玉米大喇叭口期，60～180 cm土層硝態氮累積量占0～180 cm土壤剖面累積總量的百分比變化范圍為46.2%～51.1%，春玉米收獲期，90～180 cm土層硝態氮累積量占0～180 cm土壤剖面累積總量的百分比變化范圍為36.8%～47.1%，因此，不同水肥管理措施下0～180 cm土壤剖面硝態氮累積總量的40%～50%都存在著淋溶風險，累積總量越高，存在淋溶風險硝態氮的量就越大。

表5 春玉米大喇叭口期和收獲期不同土層硝態氮累積量及所占百分比Table 5 NO3－－N accumulation at different soil layers and percentage under large flare stage and harveststage of springmaize

3 結論與討論

肥料是糧食作物增產的物質基礎，和農戶傳統種植措施相比，春玉米專用肥及水肥協同優化組合可以提高水分、養分利用效率，是提高產量的關鍵［8］。郭軍玲等的研究結果表明在山西省晉中市平川區、土石山區春玉米專用肥處理與農戶習慣施肥相比增產顯著，產量分別提高16.02%和10.01%；專用肥處理還提高了春玉米穗粒數、百粒重及收獲指數，降低了禿尖長度［14］。李彬等的研究結果表明，相比于傳統種植，水肥一體化條件下作物在高效利用水肥資源的情況下，可明顯改善春玉米的穗重、穗長等產量構成因子，玉米產量提高22.01%［15］。本研究結果表明氮磷鉀的配合施用能有效改善春玉米的產量構成因素，與傳統水肥管理區相比，水肥一體管理能明顯改善春玉米的穗長、穗粗、穗行數、行粒數、單穗粒重，尤其是春玉米千粒重，水肥一體管理區顯著高于傳統水肥管理區；水肥一體管理區春玉米的產量為17 107 kg·hm－2，顯著高于傳統水肥管理區。

研究表明，從春玉米出苗期到收獲期，無肥區處理0～90 cm各土層硝態氮含量及總累積量由于作物吸收呈不斷降低的趨勢；傳統水肥管理區和水肥一體管理區0～90 cm各土層硝態氮含量和累積總量從出苗期到大喇叭口期均呈增加的趨勢，從大喇叭口期到抽穗期、吐絲期、灌漿期和收獲期呈逐漸降低的趨勢，大喇叭口期土壤硝態氮出現一個明顯的累積高峰。對春玉米而言，一方面大喇叭口期正值玉米雌穗小花分化，并且大喇叭口期之后植株生長迅速，要求有充足的氮素供應；另一方面此生長期和雨期同步，降雨過多容易導致硝態氮大量淋洗，因此必須同時考慮實際供氮能力和植物對氮素的需求，合理安排施氮量［16］，但本研究傳統水肥管理區大喇叭口期追施尿素量為750 kg·hm－2，為水肥一體管理區的2倍，遇到過量的降雨，存在著向下淋溶的趨勢；水肥一體管理區大喇叭口期、抽穗期和灌漿期均追施適量的氮肥，土壤剖面即能保持較高含量的硝態氮供給春玉米生長發育，又不會存在淋溶風險。

春玉米大喇叭口期和收獲期隨著土層深度的增加，硝態氮均呈下降趨勢，而大喇叭口期0～120 cm各土層硝態氮含量傳統水肥管理區高于水肥一體管理區，收獲期90～180 cm各土層硝態氮含量傳統施肥管理區均高于水肥一體管理區，因此傳統水肥管理區大喇叭口期追施的過量氮肥，未被春玉米吸收利用向下淋溶遷移，會在收獲期淋溶進入90～180 cm土層，加大了淋溶進入地下水造成硝酸鹽污染的風險，這和他人的研究結果一致［5，11］。春玉米大喇叭口期60～180、0～180 cm土層硝態氮累積量，收獲期90～180、0～180 cm土層硝態氮累積量均為統施肥管理區高于水肥一體管理區，不同管理措施下0～180 cm土壤剖面硝態氮累積總量的40%～50%都存在著淋溶風險，累積量越高，存在淋溶的風險就越大。

綜合分析，以水肥一體化技術為核心的水肥管理措施，根據春玉米的需水、需肥規律和土壤水分、養分狀況，將肥料和灌溉水一起適時、適量、準確地輸送到春玉米根部土壤，可實現冀西北地區春玉米的高產并降低土壤硝態氮淋洗帶來的環境風險。

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Effects of water and fertilizer on yield of springmaize and temporal and spatial distribution of soil nitrate-nitrogen

WANG Ji-qing，LIU She-ping
（College of Agricultureɑnd Forestry，HebeiNorth University，Zhɑngjiɑkou，Hebei 075000，Chinɑ）

Field and plot experimentwere carried out to investigate effects of differentwater and fertilizer practices on yield of springmaize and temporal and spatial distribution of soil nitrate nitrogen（N03－－N）.The results showed that yield was 17 107 kg·hm－2for integration ofwater and fertilizermanagement，being significantly higher than 13 349 kg·hm－2in traditional water and fertilization management area.From seedling stage to harvest stage of springmaize，N03－－N content in 0～90 cm soil layers showed the trends of continuously decreasing in zero fertilizer area，N03－－N accumulation decreased from 452.5 kg·hm－2to 279.1 kg·hm－2，while N03－－N in 0～90 cm soil layers showed the trends of increasing first，then decreasing in integration ofwater and fertilizermanagementarea and traditionalwater and fertilizationmanagementarea，but compared with traditionalwater and fertilizationmanagementarea，leaching risk of excess N fertilization topdressing could be avoided in integration ofwater and fertilizermanagement area through increased topdressing count.At large flare stage and harvest stage，N03－－N content in 0～180 cm soil layers decreased with increasing of soil depth.N03－－N accumulation in 0～180 cm soil layers，total amount in traditionalwater and fertilizationmanagement area was the highest，which was 1 119.3 kg·hm－2at large flare stage and 945.5 kg·hm－2at harvest stage respectively，and the leaching risk was the largest.Therefore，water and fertilizermanagement practice as core of integration ofwater and fertilizer could achieve high yield of springmaize and environmental friendly in the northwest of Hebei province.

springmaize；integration ofwater and fertilizer；yield；soil profile；soil nitrate nitrogen

S147.35；S158.3

：A

1000-7601（2017）01-0108-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.17

2016-01-22

河北北方學院創新人才培育基金項目（CXRC1305）；張家口市科學技術研究與發展計劃項目（1311017C－8）

王激清（1972—），男，河北懷安人，博士，教授，主要從事養分資源高效利用研究。E-mail：wjq－72＠126.com。