灌水量和施肥量對鹽堿土氮素分布和玉米產(chǎn)量的影響

馬少帥， 蔣 靜， 馬娟娟， 楊治平， 郭軍玲

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原 030031； 3.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031)

楊勁松于2008年報道，我國鹽堿耕地面積多達(dá) 920.9萬hm2，占全國耕地面積的6.62%[1]。位于黃土高原東北部的大同盆地的鹽堿地面積達(dá)到16.55萬hm2，其中鹽堿耕地面積為12.43萬hm2，而鹽堿荒地面積為4.12萬hm2，合理開發(fā)利用鹽堿地資源，可以緩解人口與土地資源的矛盾[2-4]。水分和肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中影響作物生長發(fā)育最主要的2種重要因素。氮素是植物生長中不可缺少的元素之一，不同的水肥處理對土壤氮素的影響不同。梁運江等的研究表明，土壤表層0～20 cm的硝態(tài)氮主要受水和肥的影響，而且灌水因素對于硝態(tài)氮的影響大于施肥對于硝態(tài)氮的影響[5]；李法云等的研究表明，低水低氮時土壤中的氮以銨態(tài)氮的形式揮發(fā)而損失，供水量達(dá)到460 mm以上時，可能會發(fā)生硝態(tài)氮的深層淋溶，對地下水環(huán)境產(chǎn)生污染[6]；周博等的研究表明，通過調(diào)節(jié)配方的施肥處理可以降低 0～60 cm土層中的硝態(tài)氮含量，減少土壤剖面中硝態(tài)氮的累積量[7]；崔遠(yuǎn)來等的研究表明，隨著施肥量的增加，氨揮發(fā)損失量增加[8]；劉微等的研究表明，土層中硝態(tài)氮含量隨著施氮的增加而增加，但隨著土壤深度的加深，硝態(tài)氮含量逐漸降低[9]。不同的水肥處理不僅會對土壤氮素產(chǎn)生影響，還會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響，在這方面已經(jīng)有很多人進行了研究[10-12]。因此，研究不同水肥對土壤的氮素分布以及產(chǎn)量的影響具有重要意義。

本研究針對不同灌水量和施肥量對鹽漬化土壤氮素分布和產(chǎn)量的影響開展試驗，可為確定鹽漬化地區(qū)合理的灌溉制度和施肥水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

本試驗于2015年5—10月在位于山西省朔州市懷仁縣的山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所鹽堿地改良試驗示范基地進行，該基地位于大同盆地中部(地理位置 113°10′ E，39°52′ N)，是蘇打鹽漬土分布較多的區(qū)域。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫7.3 ℃，平均無霜期150 d左右，年均日照時數(shù)2 800 h，年均降水量380 mm，多集中于7、8月份。2015年玉米生育期內(nèi)降水量為165.4 mm。耕地土壤容重為1.65 kg/cm2，土壤初始含鹽量為1.982～2.341 g/kg，田間持水率為32%(體積含水率)。試驗地土壤化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

玉米品種為雅玉青貯8號，該品種為飼料玉米。試驗設(shè)2個因素：灌水量和施肥量。灌水量設(shè)3個水平，土壤含水率上限分別為田間持水率的100%(W1)、90%(W2)、80%(W3)，下限控制在田間持水率的60%左右，灌水量及對應(yīng)的灌水時間見表2；施肥量設(shè)4個水平：900、750、600、450 kg/hm2，分別為F1、F2、F3、F4處理，其中氮素含量分別為270、225、180、135 kg/hm2，P2O5含量分別為108、90、72、54 kg/hm2，對應(yīng)的K2O含量分別為54、45、36、27 kg/hm2，肥料作為底肥于播種前一次性施入，試驗共12個處理，每個處理3次重復(fù)，共36個小區(qū)，小區(qū)面積35 m2(5 m×7 m)，小區(qū)之間用0.5m的地埂隔開。

表1 試驗地0～100 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)

表2 灌水量及灌水時間

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集及測定 土壤含水率：每次取樣采用土鉆取土，取土深度為100 cm，共分為7層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～90、90～100 cm)，每次取土后作回填、標(biāo)記處理。采用烘干法測定，將所取土樣放在烘箱里，于105 ℃烘干8 h以上。

產(chǎn)量測定：收獲期每個處理取1 m2范圍內(nèi)的玉米進行烘干稱質(zhì)量，重復(fù)取3次，求平均值。

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測定：在播種前、拔節(jié)期以及收獲期對玉米帶土壤進行取樣，采用土鉆進行取樣，深度分別為 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，每次取完后回填鉆孔并作標(biāo)記。鮮土取回后立即放入冰箱保存，用靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度計法測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度。

1.3.2 試驗數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進行處理，采用SPSS 19.0 進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對土壤中硝態(tài)氮分布的影響

從圖1-a可以看出，播種前(5月28日)，4種施肥量處理下，淺層(20～40 cm)土壤的硝態(tài)氮濃度最大，表層(0～20 cm)和深層(60～100)土壤硝態(tài)氮的濃度較低，這是因為在播種時經(jīng)過翻地，把表層的肥料翻整到了30 cm左右。4種施肥量下硝態(tài)氮濃度表現(xiàn)為F2>F1>F3>F4，F(xiàn)1與F2、F3與F4處理之間的硝態(tài)氮濃度差異不明顯。

2.1.1 灌水量對硝態(tài)氮濃度的影響 從圖2、圖3中可以看出，在拔節(jié)期和收獲期，施肥處理為F1時，W1和W2處理的硝態(tài)氮濃度均明顯高于W3處理，W1和W2處理間差異不顯著；施肥處理為F2時，在0～50 cm土層以內(nèi)，充分灌溉處理下硝態(tài)氮的濃度高于非充分灌溉，說明非充分灌溉可以促進植物對硝態(tài)氮的吸收，在收獲期深層土壤(60～100 cm)硝態(tài)氮濃度大于表層，這是因為收獲期水分不能被很好的吸收，大部分水分向土層深處滲透，將硝態(tài)氮向下淋洗；施肥處理為F3時，在拔節(jié)期，W3處理硝態(tài)氮濃度明顯高于W1、W2處理，W1和W2處理間差異不明顯，除W3處理外，在20～100 cm土層硝態(tài)氮濃度與土層深度呈正相關(guān)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為硝態(tài)氮在水的作用下，發(fā)生了向下淋洗的過程，在收獲期，深層土壤硝態(tài)氮濃度也隨土層的增加而增加， 同樣是硝態(tài)氮被淋洗造成的；施肥處理為F4時，非充分灌溉處理下硝態(tài)氮濃度大于充分灌溉處理，且在0～100 cm 土層硝態(tài)氮濃度變化不大，這是因為施肥量過少，玉米的生長受到限制，導(dǎo)致其葉片發(fā)育遲緩，蒸騰作用減小，玉米吸收營養(yǎng)物質(zhì)的動力減小，對硝態(tài)氮的吸收能力減弱，一部分硝態(tài)氮通過地下徑流隨水分流失，收獲期硝態(tài)氮向下淋溶量較拔節(jié)期高，這是因為在拔節(jié)期，大部分硝態(tài)氮被玉米吸收，而在收獲期，玉米對硝態(tài)氮的吸收量很小，大部分被淋溶到深層土壤中。

2.1.2 施肥量對硝態(tài)氮濃度的影響 從圖4可以看出，在拔節(jié)期，在W1和W2灌水量水平下，F(xiàn)1處理的硝態(tài)氮濃度高于其他3種施肥處理，且差異明顯，F(xiàn)3處理下硝態(tài)氮濃度整體最低；在W3灌水量水平下，F(xiàn)1處理的硝態(tài)氮濃度僅低于F4處理，差異不明顯，F(xiàn)2處理下硝態(tài)氮濃度最低，說明高水低肥W1F3組合與低水中肥W3F2組合有利于植物對硝態(tài)氮的吸收。在垂直空間分布上，F(xiàn)1與F2、F3與F4的硝態(tài)氮濃度變化趨勢基本一致。灌水量相同時，在F1和F2處理下，硝態(tài)氮濃度在淺層土壤(0～40 cm)隨土層深度增加而增加，在深層土壤(60～100 cm)隨土層深度增加而降低，而在F3和F4處理下，表層硝態(tài)氮濃度較小，深層硝態(tài)氮濃度增大。

從圖5可以看出，在收獲期灌水量一定時，F(xiàn)1處理下硝態(tài)氮濃度整體最大(除W3灌水量水平)，F(xiàn)3處理下硝態(tài)氮濃度整體最小，除F4處理外，其余3種施肥量處理下硝態(tài)氮濃度大致表現(xiàn)為F1>F2>F3，說明適當(dāng)降低施肥量會促進植物對硝態(tài)氮的吸收，從而降低土壤中硝態(tài)氮的含量。在充分灌溉條件(W1)下，除F4處理外，硝態(tài)氮濃度大致隨土層增加而增加，在非充分灌溉下，4種施肥量處理下，硝態(tài)氮濃度在 40～100 cm隨土層深度的加深而增加(除F4處理)，這是因為灌水和降水對硝態(tài)氮的淋洗作用，通過入滲作用將其淋洗到較深的土層中。在充分灌溉條件下，F(xiàn)1和F2處理之間硝態(tài)氮濃度差異不明顯，可見在充分灌溉條件下可以適當(dāng)減少施肥量。在非充分灌溉條件下， F1、F2和F3處理之間差異不明顯，可以將施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2 不同水肥處理對土壤中銨態(tài)氮分布的影響

從圖6可以看出，在播種前期(5月28日)，4種施肥量處理下，在表層土壤(0～20 cm)銨態(tài)氮濃度最大，中層土壤(20～60 cm)銨態(tài)氮濃度較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)，深層土壤(60～100 cm)銨態(tài)氮濃度隨土層深度增加而增加，通過方差分析可知，在播種前4種施肥量處理間銨態(tài)氮濃度的差異不顯著。

2.2.1 施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響 從圖7可以看出，在拔節(jié)期充分灌溉W1條件下，F(xiàn)2處理的銨態(tài)氮濃度較其他3種施肥處理大，說明在水分充足時可以通過降低施肥量來提高銨態(tài)氮含量；虧水處理下，施肥量對銨態(tài)氮的影響主要出現(xiàn)在0～40 cm土層，且減少施肥量可以提高銨態(tài)氮的濃度。通過方差分析可知，施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響顯著(P<0.05)。

從圖8可以看出，在收獲期灌水量為W1時，施肥量對銨態(tài)氮濃度的影響主要表現(xiàn)在0～20 cm土層，銨態(tài)氮濃度大小表現(xiàn)為F1>F2>F4>F3，F(xiàn)2、F3和F4處理間差異不明顯；灌水量為W2時，施肥量對銨態(tài)氮濃度影響主要出現(xiàn)在40～80 cm 土層；灌水量為W3時，施肥量對銨態(tài)氮濃度影響主要出現(xiàn)在40～60 cm 土層，在40～100 cm土層范圍內(nèi)，F(xiàn)1處理下銨態(tài)氮濃度最小，F(xiàn)4處理下銨態(tài)氮濃度最大，F(xiàn)2、F3處理下差異不明顯。由此可知，在收獲期灌水量相同時，可以將施肥量控制在600～750 kg/hm2。

2.2.2 灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響 灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響不明顯。拔節(jié)期(7月29日)施肥量相同時，灌水量對銨態(tài)氮濃度的影響主要表現(xiàn)在0～40 cm土層。在收獲期，隨著施肥量的減少，銨態(tài)氮濃度隨灌水量的增加而增加的幅度降低，且隨著土層深度的增加，灌水量對銨態(tài)氮濃度影響減小，施肥量相同時3種灌水量對銨態(tài)氮濃度影響不明顯。

2.3 不同水肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

灌水量和施肥量對玉米產(chǎn)量的影響都具有明顯差異，水分和肥料的交互作用對玉米產(chǎn)量的影響不明顯。灌水量一定時，施肥量在450～750 kg/hm2，玉米產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，F(xiàn)2處理下玉米的產(chǎn)量明顯高于其他施肥量的產(chǎn)量。施肥量一定時，產(chǎn)量隨灌水量的增大而增加。由表3可知，W1F2處理的產(chǎn)量最大，為13 450.49 kg/hm2，W3F4處理產(chǎn)量最小，為7 050.59 kg/hm2，W1F2處理比W3F4處理高90.77%。在W2處理下，與F2相比，F(xiàn)1、F3、F4處理下的產(chǎn)量分別降低21.61%、15.01%、31.41%；在W3處理下，與F2相比，F(xiàn)1、F3、F4處理下的產(chǎn)量分別降低24.71%、20.38%、32.81%。。

表3 不同處理下玉米的產(chǎn)量

3 討論

氮素對于玉米生長和產(chǎn)量來說是極其重要的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，氮肥的主要來源是施肥，合理施肥是實現(xiàn)高產(chǎn)的重要措施之一[13-14]。但施肥量過多，不僅會造成肥料的浪費，還會降低玉米的產(chǎn)量。楊麗等的研究表明，在灌水量一定的情況下，施氮量在0～240 kg/hm2時，產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時，產(chǎn)量反而降低[15]。趙媛媛等的研究表明，夏玉米水肥耦合效應(yīng)中，施氮量為168.75 kg/hm2下增產(chǎn)效應(yīng)和經(jīng)濟價值最高，施氮量為225 kg/hm2時反而降低[16]。本研究結(jié)果與以往研究結(jié)果相似，施肥量在 450～750 kg/hm2(氮肥含量為135～225 kg/hm2)時，玉米產(chǎn)量隨施肥量的增加而提高，但施肥量超過750 kg/hm2時，繼續(xù)增加施肥量不僅不會促進產(chǎn)量的提升，還會浪費肥料。

在施肥量一定的情況下可以通過增加灌水量來提高玉米的產(chǎn)量。賀冬梅等的研究表明，在不考慮施肥量的情況下，作物產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，且水分對于產(chǎn)量的影響要高于施肥量[17]。本研究結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量隨灌水量的增加而增大，但當(dāng)灌水量從W2提高到W1時，灌水量增大10%，而F2、F3、F4處理產(chǎn)量僅提高108.63～628.87 kg/hm2，僅在F1處理下提高較多，提高2 865.37 kg/hm2，且在玉米生育期的中后期，W1和W2處理間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度差異均不明顯，故可以將灌水量控制在464 mm水平下。

4 結(jié)論

本研究分析了不同水肥處理對鹽漬化土壤中氮素分布以及產(chǎn)量的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)在拔節(jié)期和收獲期，W1和W2處理之間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度差異不明顯，且2種灌水量下產(chǎn)量差異不明顯。因此，可以將灌水量控制在464 mm，這樣不僅能將硝態(tài)氮和銨態(tài)氮控制在一定水平，還能夠節(jié)約水資源。

(2)在非充分灌溉條件下，適當(dāng)減少肥料用量不僅可以節(jié)約肥料，也可以滿足土壤氮素含量的需求。玉米產(chǎn)量隨著灌水量的增多而增加，而施肥量與產(chǎn)量并不呈一定的線性關(guān)系，施肥量控制在600～750 kg/hm2(氮素含量為180～225 kg/hm2)，有利于玉米增產(chǎn)，也可以達(dá)到節(jié)約肥料、減少環(huán)境污染的目的。