液施肥不同畦灌方式對(duì)土壤水氮分布及夏玉米生長(zhǎng)性狀影響

劉 洋，李金山，孫秀路，韓啟彪，陳 震，杜思琦

(1.中國(guó)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(guó)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(jiǎn)單、管理方便等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，我國(guó)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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[4-8]圍繞施肥灌溉方式展開(kāi)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(guò)優(yōu)化畦田規(guī)格來(lái)提高水肥利用率。目前豫北地區(qū)仍以長(zhǎng)畦灌為主，長(zhǎng)畦改短畦難以有效推廣，經(jīng)過(guò)對(duì)周圍村莊的簡(jiǎn)單調(diào)研，有80%以上的畦田長(zhǎng)于150 m，趙波[15]也認(rèn)為在北方還有很多長(zhǎng)畦。以往對(duì)于短畦水氮分布研究較多，為此有必要探究長(zhǎng)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(lái)探究長(zhǎng)畦液施不同畦灌方式下水氮分布及對(duì)夏玉米長(zhǎng)勢(shì)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(guó)農(nóng)科院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行。基地位于東經(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(jiàn)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(zhǎng)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(cè)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(yáng)能灌溉施肥車(專利號(hào)：ZL 2014 1 0166540.7)全程液施。由于常規(guī)畦灌改水成數(shù)對(duì)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(cè)項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量玉米穗長(zhǎng)、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(píng)價(jià)指標(biāo)

采用變異系數(shù)CV對(duì)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(zhǎng)的空間分布變異性進(jìn)行定量評(píng)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(chǔ)水效率EW和儲(chǔ)氮效率EN來(lái)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(lái)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(píng)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(zhǎng)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(huì)影響其生長(zhǎng)，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(duì)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(jiàn)，波涌畦灌和常規(guī)畦灌灌水后增加的水量無(wú)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(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)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(shuō)明水分在灌后3天已經(jīng)均勻分布，再分布對(duì)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(chǔ)水效率EW和凈灌水量無(wú)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(zhǎng)變異系數(shù)CV

2.2 土壤氮素再分布評(píng)價(jià)

由圖3可見(jiàn)，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(shuō)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(zhǎng)旺盛，對(duì)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(duì)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(chǔ)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(huì)通過(guò)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(duì)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(guò)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(zhǎng)空間分布

表4 土壤硝態(tài)氮含量沿畦長(zhǎng)變異系數(shù)CV

由表5可見(jiàn)，波涌畦灌和常規(guī)畦灌EN無(wú)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(shuō)明波涌畦灌更有利于氮素在根區(qū)的儲(chǔ)存。由表3及表5可知，硝態(tài)氮在根系層的儲(chǔ)存比例略高于土壤水分，說(shuō)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(shuō)明在長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的水氮環(huán)境。經(jīng)對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(duì)于不同灌水方式對(duì)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(shuō)明波涌畦灌較常規(guī)畦灌更有利于為作物生長(zhǎng)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(chǔ)存比例略高于土壤水分，說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)；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(yǔ)

(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?jī)?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(zhǎng)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(duì)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(duì)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%。