河套灌區鹽漬化土壤玉米水氮耦合效應

閆建文,史海濱,李仙岳,田德龍,李 禎

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018;2.高效節水技術裝備與水土環境效應內蒙古自治區工程研究中心，內蒙古 呼和浩特 010018;3.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020;)

內蒙古灌區是全國三大灌區之一，但大部分耕地為鹽漬化土壤，其中輕度鹽漬化土壤面積為2.84×105hm2，占耕地面積的49.5%，中度鹽漬化土壤面積為9.2×104hm2，占耕地面積的16.04%，重度鹽分土壤面積為1.79×104hm2，占耕地面積的3.19%。鹽脅迫已經成為限制該地區土地生產力的主要因子之一[1]。根據黃河水利委員會對水量的統一調度要求，2010年河套灌區的引水量從原來每年52億m3減少到40億m3，引水量減少了20%，水資源短缺已經嚴重影響灌區的可持續發展[2]。河套灌區由于長期形成大水漫灌的習慣，導致地下水位上升使表層鹽分無法下滲，加上大量使用化學氮肥，造成鹽分大量積累，導致農田水氮利用率低下。河套灌區玉米播種面積34×104hm2，占內蒙古灌區玉米播種面積的14.5%，總產量29.6×108kg，占內蒙古灌區玉米總產量的21%[3]。由于不合理的水氮制度，直接影響玉米產量，造成鹽漬化土壤面積增加，并且普遍存在玉米生產成本過高、效益過低的現象。因此針對河套灌區水資源緊張、氮肥用量大、鹽漬化面積廣的現狀，必須建立按需灌溉、按需施肥，適合鹽漬化地區的精確水氮管理制度。建立鹽漬化土壤水氮適量耦合模型，找到鹽漬化地區合理的水氮配比和優化組合，相關研究對提高水氮利用效率、節約水肥資源、減輕環境污染、防止次生鹽漬化、提高鹽漬化地區玉米產量和降低水氮過量對環境的影響都有著重要意義。

目前，關于水氮對產量的影響和水氮產量模型的研究已有較多的報道。王小彬等[4]研究表明，水和氮與作物產量在一定范圍表現為水氮的協同效應；薛亮等[5]研究表明，水、氮對產量有明顯的促進作用，而且氮素作用大于灌水作用，兩因素交互作用對玉米產量的影響為正效應；路亞等[6]和劉秀珍[7]等研究表明，水分對產量的影響大于氮素。李仙岳等[8]研究表明沙區滴灌條件下灌水量與施氮量存在明顯的交互效應；以上研究都開展在非鹽分土壤上。而Lamsal等[9]研究表明，水分虧缺程度與鹽分水平直接相關，土壤含鹽量越大，水分虧缺程度越高；徐萬里等[10]研究表明，鹽分抑制土壤中的氮素硝化，加劇土壤NH3的揮發；表明鹽分能夠影響土壤水分和氮素的活動。相關學者在輕度鹽漬化土壤上開展了水氮交互影響研究，研究表明，在鹽漬化土壤上合理的水氮交互用量能夠顯著的提高作物的產量，當水氮過量時產量略有下降[11]。其他研究也表明[12-13]，不同土壤鹽分情況下，作物吸收土壤水分和養分的能力存在差異。因此開展不同鹽分土壤情況下的水氮合理優化利用研究，對提高鹽漬化農田水氮利用效率有著重要意義。霍星等[2]在鹽漬化地區研究了水氮對向日葵生長的影響并建立了產量模型，但向日葵比玉米耐鹽，而且在生育期內水肥管理制度差異較大。徐昭等[14]開展了不同鹽漬化程度土壤水氮調控對玉米產量的影響，但目前開展鹽分農田水氮交互效應研究較少，且由于鹽分分級不同以及水氮處理差異，優化結果也存在著差異，需要進一步驗證。因此，本文選取了玉米可以正常生長的輕度和中度兩種鹽分土壤，建立不同鹽分脅迫下的水氮產量模型，并通過模型尋優，以探求適用于鹽漬化地區的節水施肥優化模式，為鹽漬化地區及相近地區玉米生產提供節水減肥依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.2 試驗設計

供試驗的玉米品種為遼單565號。選取輕度和中度2個土壤含鹽水平, 含鹽量如表1 所示。在兩種鹽分土壤上設置相同的水肥處理，設計灌水量和施氮量2個試驗因素、3個水平。當地傳統水肥用量為灌水量2 925 m3·hm-2、施氮量325 kg·hm-2。研究設置了3個供氮水平：高氮(當地水平325 kg·hm-2)、中氮(225 kg·hm-2)、低氮(125 kg·hm-2)。3個灌水水平：高水(當地水平2 925 m3·hm-2)、中水(2 250 m3·hm-2)、低水(1 575 m3·hm-2)。另設1個不灌水不施肥的處理作為對照。試驗共10個處理。3次重復，共30個小區。小區面積36 m2(9 m ×4 m)，小區1 m深土體四周以埋設2層塑料薄膜相隔，防止水分側滲和肥料的影響。種植密度為株距0.3 m、行距0.6 m。磷肥作為底肥一次性施入用量(450 kg·hm-2)與當地農民相同，氮肥為追肥分別在拔節期和大喇叭口期(施氮量各占1/2)灌溉前撒施在行間。由于內蒙古河套灌區是自流灌區，每次灌水由灌區管理部門統一調配，由于黃委減少了灌區引水量，因此灌區內統一在玉米拔節期、大喇叭口期、灌漿期進行3次灌水，本試驗按照當地灌水時間，全生育期在玉米拔節期、大喇叭口期、灌漿期灌水3次，每次灌水量相同，具體灌水和施肥處理見表3。

表1 土壤理化性狀

表2 輕度和中度鹽分土壤養分含量

1.3 測定方法

土壤電導率和pH值分別使用電導率儀和pH計測定土水比1∶5土壤水提液的電導率和pH值。測產時玉米產量按小區籽粒產量單打單收。

1.4 數據處理

采用SPSS軟件對數據進行回歸模擬和頻步分析。

由于試驗中灌水量和施氮量的量綱不統一，不能直接比較。本文通過離差標準化，對原始數據線性變換，使結果落到[0,1]區間，轉換函數見式1。經過標準化的灌水量和施肥量成為無量綱的代碼。用無量綱的灌水量和施肥量的代碼與因變量(產量)進行回歸分析，可以根據回歸系數的正負大小判斷相應因素(灌水量或施肥量)對因變量(產量)的影響力。

(1)

其中,x*為無量綱代碼，x為樣本值(試驗設計中的實際施入量)，max為樣本數據的最大值，min為樣本數據最小值。

2 結果與分析

2.1 不同鹽分土壤水氮產量模型的建立

通過對輕度和中度鹽分土壤的不同水氮處理玉米產量進行回歸擬合，得到輕度和中度鹽分土壤玉米產量與灌水量和施氮量的回歸模型。

輕度鹽分：

Y=5832.029+7174.064X1+6113.011X2

+4357.584X1X2(R=0.9609)

(2)

中度鹽分：

Y=4417.455+6236.679X1+5790.766X2

+3963.583X1X2(R=0.9772)

(3)

式中,Y為玉米產量(kg·hm-2)；X1、X2分別為試驗設計的灌水量、施肥量的編碼值。

對輕度和中度鹽分土壤的回歸模型(2)、(3)進行檢驗，輕度鹽分土壤回歸模型F擬合=9.654，大于0.05 水平下的F值(4.74)，中度鹽分土壤回歸模型F擬合=16.965，大于0.01 水平下的F值(9.55)，說明輕度和中度鹽分土壤回歸模型都達到了顯著水平，能夠反映產量與灌水量和施氮量之間的關系。輕度和中度鹽分土壤模型中的一次項和X1X2的系數均為正值。說明適當的灌水和施氮在輕度和中度鹽分土壤中均可對玉米有明顯的增產作用，水氮的耦合作用對產量的影響為正效應。輕度和中度鹽分回歸模型中二次項系數均為負值，說明過量的灌水和施氮都會導致玉米的減產。輕度鹽分灌水量和施氮量的一次項系數和X1X2的系數分別比中度鹽分土壤高15.03%、7.7%和9.9%。Ben-Asher等[16]研究表明,中度鹽分土壤中土壤水分的滲透勢低于輕度鹽分土壤水分的滲透勢，根系吸水更加困難，導致更多的水分留在土壤中，致使中度鹽分土壤水分利用效率低于輕度鹽分土壤。鹽分脅迫的增強還會抑制土壤中的氮素硝化，加劇土壤NH3的揮發[9]，降低氮肥的利用效率。鹽分脅迫的增強降低了水氮的利用效率，因此導致水氮在中度鹽分土壤中的增產效應低于輕度鹽分土壤。輕度和中度鹽分土壤的常數項分別為5 832.029和4 417.455，輕度比中度高32.02%，表明無水氮投入時，隨著鹽分脅迫的加劇產量會明顯下降，證明在鹽漬化土壤地區，鹽分是影響生產的重要因素之一。

表3 玉米試驗處理設計

2.2 單因素效應分析

為了研究不同鹽分土壤中灌水量和施氮量單因子對產量的影響，采用降維法對模型(2)、(3)中任意一個因子取0水平編碼值可得另一因素對玉米產量的一元二次回歸方程

輕度鹽分:

(4)

中度鹽分:

(5)

圖1為兩種鹽分水平下灌水量與施氮量對玉米產量的影響。不同鹽分水平下玉米產量隨水、氮兩因素的增加呈先增后降變化，表明各因素都有明顯的增產效應。各拋物線的頂點就是單因素對應的最高產量值。當水氮用量超過最高點時會導致產量的下降和生產成本的增加，符合報酬遞減的規律。兩種鹽分土壤中，灌水的增產效應顯著高于施氮的增產效應,說明鹽漬化土壤水分是影響玉米增產的主要因素。研究表明，河套灌區灌溉水經過土壤排水中Na+所占比例明顯增加,平均約為87%，說明灌區主要以排出鈉鹽為主[17]。李建兵等[18]研究表明，鈉鹽可促進土壤NH3的揮發,且隨鹽分含量增加,土壤NH3揮發越迅速，一定程度上抑制土壤的硝化作用。張余良等[19]研究表明，灌溉可以明顯降低土壤的全鹽量。鹽漬化地區多為干旱半干旱地區，降雨少，蒸發量大，鹽漬化土壤結構和透氣性差，灌水少會因為蒸發的作用導致表層土壤積鹽，而過多灌水會導致土壤透氣性變差，土壤中含O2量下降，以上因素均會抑制土壤的硝化作用，降低氮肥的利用效率。因此合理的灌水是鹽漬化地區增產的主要措施。只有合理的灌水淋洗土壤中的鹽分，降低土壤的含鹽量，改善氮肥的水解和硝化條件，氮肥才能發揮相應的增產作用。由圖1看出，輕度和中度鹽分土壤，過量的施肥減產效果明顯。說明鹽漬化土壤中不適宜過多施氮肥，過多施氮肥會導致減產還會造成土壤次生鹽漬化的發生。本試驗中，輕度鹽分土壤玉米最高產量為13 581 kg·hm-2，中度鹽分土壤玉米最高產量為11 115 kg·hm-2，對應的灌水和施氮編碼相同，灌水編碼為0.77(實際用量2 250 m3·hm-2)，施氮編碼為0.69(實際用量225 kg·hm-2)，輕度鹽分的最高產量比中度鹽分的高22.2%。說明水氮條件相同條件下，隨著鹽分脅迫的加劇，產量明顯下降。

對模型( 4) 、(5) 求導得出輕度和中度鹽分土壤玉米邊際產量模型。

圖1 輕度和中度鹽分土壤灌水量與施氮量對玉米產量的影響Fig.1 Effects of water irrigation and N fertilizer on maize yield in slight-saline and moderate-saline soil

(6)

(7)

邊際產量可以反映各因子的最適投入量和單位投入量變化對產量增減速率的影響，它是對總產量變動速率的反映。若各因子效應均符合報酬遞減規律，則當各因子的邊際產量為零，即達到最高產量點時，此時各因子的施用量即為最高產量施用量。由圖2可知，輕度和中度鹽分土壤各單因子的邊際效應均隨著投入量的增加，邊際效益遞減，當超過邊際產量為零的水氮投入量時，邊際產量出現負值造成減產，符合報酬遞減規律。令dY/dXi=0， 由模型(6)、(7)分別求得輕度和中度鹽分土壤玉米最高產量(Y)對應的水氮編碼值，輕度鹽分灌水編碼值為0.78(實際用量2 281.5 m3·hm-2)、施氮編碼值為0.53(實際用量172.25 kg·hm-2)。中度鹽分灌水編碼值為0.84(實際用量2 457 m3·hm-2)、施氮編碼值為0.50(實際用量162.5 kg·hm-2)。達到最高產量時輕度鹽分土壤灌水量比中度鹽分土壤低7.14%，輕度鹽分土壤施氮量比中度鹽分土壤高6%。由圖2還可以看出，輕度和中度鹽分土壤施氮肥的增產速率沒有明顯差異，而輕度鹽分土壤灌水的增產效率明顯高于中度鹽分土壤。由于中度鹽分土壤含鹽量高，土壤溶液水勢不斷降低, 植物吸水能力降低[20]，導致水分利用效率降低、增產速率降低。鹽分含量越高，土壤水分虧缺程度越嚴重，中度鹽分土壤達到最高產量需要的灌水量要高于輕度鹽分土壤。輕度和中度鹽分土壤施氮肥的增產速率沒有明顯差異，輕度鹽分土壤灌水的增產效率明顯高于中度鹽分土壤。說明鹽漬化土壤水分是影響產量的主要因素。只有水分適宜，改良了土壤的鹽漬化環境后，氮肥才能更好地發揮作用，與前面分析的結果一致。

2.3 不同鹽分土壤水、氮交互效應分析

由圖3可知，輕度和中度鹽分土壤水、氮對玉米產量的影響都呈拋物線形。輕度和中度鹽分土壤即水、氮交互作用明顯。水、氮兩因素，當一個因素固定，籽粒產量即隨著另一因素呈先增加而后降低的趨勢。不同鹽分土壤中，產量隨水氮的增加先增加后降低。兩種鹽分土壤在灌水量和施氮量取最低水平時，產量都出現最低點。輕度和中度鹽分土壤玉米產量出現最高值時，對應的灌水量和施氮量并不是最高的水平，說明在鹽漬化土壤中水、氮過多反而會降低玉米的產量。在兩種鹽分土壤中，當灌水量處于較低水平時，增加施氮量，產量增加不明顯；而當施氮量處于較低水平時，增加灌水量，產量明顯增加。說明在鹽漬化土壤中水分是影響玉米產量增加的主要因素。

2.4 不同鹽分土壤水、氮處理玉米產量模型尋優

根據模型(1)、(2)，結合試驗設計經過標準化的編碼值，在0≤xi≤1之間給灌水量和施氮量各取了7個水平(編碼值為0、0.22、0.38、0.54、0.69、0.85、1)，利用試驗兩因素的編碼值組合可得到輕度鹽分土壤產量超過10 081 kg·hm-2的組合方案和中度鹽分土壤產量超過8 201 kg·hm-2的組合方案均為26個。對輕度和中度鹽分土壤水、氮兩因素的頻數進行統計分析，得到輕度鹽分土壤產量大于10 081 kg·hm-2的管理方案和中度鹽分土壤產量大于8 201 kg·hm-2的管理方案相同，具體方案見表4。由表4可知，輕度和中度鹽分土壤優化出的灌水量和施氮量的方案相同，每次灌水量為1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，總施氮量為174.04～240.47 kg·hm-2。本試驗中，輕度鹽分土壤玉米最高產量為13 581 kg·hm-2，中度鹽分土壤玉米最高產量為11 115 kg·hm-2，對應的灌水和施氮編碼相同，灌水編碼為0.77(實際用量2 250 m3·hm-2)，施氮編碼為0.69(實際用量225 kg·hm-2)，灌水和施氮量在優化方案范圍內。說明優化出的水氮方案，適用于輕度到中度鹽分土壤。優化方案的水氮用量分別比當地的每次灌水量(2 925 m3·hm-2)節水18.2%～35%, 氮肥用量(325 kg·hm-2)減少26.0%～46.4%。

圖2 輕度和中度鹽分土壤灌水量與施氮量的單因素邊際效應Fig.2 Marginal effects of water irrigation and N fertilizer in slight-saline and moderate-saline soil

圖3 輕度和中度鹽分土壤灌水量和氮肥用量耦合對玉米產量的影響Fig.3 Effects of coupling water irrigation and N fertilizer on maize yield in slight-saline and moderate-saline soil

表4 輕度和中度鹽分土壤玉米籽粒產量各因子取值頻率分布及配比方案

3 討 論

農業生產中，水氮投入和土壤鹽分狀況是影響鹽漬化土壤作物產量的主要因素。探索不同鹽漬化土壤合理的灌水施肥量，充分利用灌水施肥之間的耦合效應適應鹽分脅迫，使鹽漬化土壤作物的產量達到最優。王振華等[21]研究表明，合理的灌溉施肥量可以有效增加作物氮素積累，促進作物氮素利用率的提高，使產量有了明顯的增加。相關研究[11]表明，在輕度鹽化土壤中合理的水氮交互用量能夠顯著提高作物的產量，當水氮過量時產量略有下降，產量最高處理為中水中氮處理，與本文的研究結果一致。李仙岳等[8]研究表明，玉米產量隨水氮用量增加表現為先增加后降低，灌水對玉米增產的作用大于增施氮肥的作用，與本文的研究結果一致，但是其最高產量出現在高水中氮與本文不同，主要原因由于其相關試驗開展在沙區，因此相同條件下消耗水量較大。可見，在鹽分較輕的鹽化土壤上，水分條件適宜時適當增加氮素可以有效增加產量，但如果過量灌水施肥會造成水肥的浪費。

隨著土壤含鹽量的提高，土壤鹽分占據了影響產量的主導地位。中度鹽化土壤中鹽分和水氮投入共同影響作物產量[22]。本研究表明中度鹽分土壤中各水氮處理的產量明顯低于輕度鹽分土壤相同水氮處理的產量，中水中氮依然是產量最高的處理。徐昭等[14]研究表明，在中度鹽漬化土壤中，水氮交互效應對產量影響增大，但依然保持著產量隨水氮增加先增加后減少的變化規律，灌水量對產量的影響依然大于施肥的影響，中水中氮處理的產量最高，與本文的研究結果一致。試驗結果表明灌水過多會增加氮素的流失，如果施氮量較少，就會導致作物養分缺失，作物減產，適當增加施氮量可以維持土壤中的一定量氮素含量。然而相關研究[23]也表明鹽漬化土壤上土壤鹽分隨著施氮量的增加而增加。由于中度鹽分土壤自身鹽分背景值較高，為了保持土壤鹽分不較大幅度增加，在保證足夠施肥量的同時還需適當增加灌水來維持對土壤鹽分的淋洗，以保證玉米生長不因鹽分過高而減產。可見，在中度鹽化土壤上，水氮調控非常必要，適當的水氮用量才可以使作物在相對惡劣的環境中保持較高的產量。

本文優化出的輕度和中度鹽分土壤的方案相同，每次灌水量為1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，總施氮量為174.04～240.47 kg·hm-2。與徐昭等[14]優化出的方案相比，水氮投入量范圍接近，但數值略有偏小，主要由于土壤肥力情況、氣候條件以及目標產量設置不同導致的，但都符合當地的實際情況。由于優化的結果是一個范圍，因此從長遠的鹽堿地改良角度看，建議中度鹽化土壤選擇優化水、氮范圍中中等偏上的灌水量和中等偏下的施肥量，可達到逐漸降低土壤鹽分背景值目的，將中度鹽化土壤改良為輕度鹽化土壤，降低鹽分的影響程度，達到產量的穩步提高。輕度鹽分土壤選擇優化水氮范圍中適中的水氮用量即可。從試驗結果看主要影響產量的因素為灌溉水量，且河套灌區為干旱地區，降雨量少，年際變化不大，因此本試驗具有一定的指導意義。

4 結 論

1)在輕度和中度鹽分土壤條件下，灌水和施氮對玉米均有增產效應，水、氮交互作用為正效應，水分的作用大于施氮的作用。

2)通過邊際效應分析可知，輕度和中度鹽分施氮肥的增產速率沒有顯著差異，輕度鹽分土壤灌水的增產效率顯著高于中度鹽分土壤。

3)通過模型尋優，得到的輕度和中度鹽分土壤種植玉米的最佳水氮配比方案相同，全生育期灌水量為1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，總施氮量為174.04～240.7 kg·hm-2。優化范圍包含了輕度和中度鹽分的最高產量水肥用量，符合當地灌水施肥要求。但從維持目前玉米產量和長期鹽堿地改良的角度看，建議中度鹽化土壤選擇優化水氮范圍中中等偏上的灌水量和中等偏下的施肥量，以達到逐漸降土壤鹽分背景值目的，將中度鹽化土壤改良為輕度鹽化土壤，降低鹽分的影響程度，達到產量的穩步提高。輕度鹽分土壤選擇優化水氮范圍中適中的水氮用量即可。

4)優化方案的水氮用量分別比當地的每次灌水量(2 925 m3·hm-2)節水18.2%～35%，氮肥用量(325 kg·hm-2)減少26.0%～46.4%，為鹽漬化地區種植玉米提供了節水節肥的依據。