地下水埋深與施氮水平對夏玉米生長及硝態(tài)氮量的影響

佘映軍，李 平，白芳芳,4，杜臻杰，梁志杰，齊學斌,*

（1.中國農業(yè)科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng)453002；2.中國農業(yè)科學院 研究生院，北京100081；3.農業(yè)農村部農產品質量安全水環(huán)境因子風險評估實驗室，河南 新鄉(xiāng)453002；4.中國農業(yè)科學院 河南新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站，河南 新鄉(xiāng)453002）

0 引 言

【研究意義】我國是世界上化肥施用量最多的國家[1-2]，農田氮素持續(xù)投入與氮盈余量年際累積，人工合成氮肥過量施用，氮肥當季利用率低[3]，增肥不增產，多余氮肥通過揮發(fā)損失、淋洗等造成大氣、地下水環(huán)境污染[2]。水氮作為限制農作物生長的主要因子，特別是淺層地下水作為作物生長的重要水源之一，顯著影響作物的生理形態(tài)和產量[4]。因此研究地下水埋深與適宜施氮對作物生長性狀和耕層土壤氮素的影響，對于華北農田氮肥管理和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。【研究進展】施氮是影響作物生長和產量的關鍵因子，常規(guī)施氮量大，適宜施氮量能促進作物生長，增加產量。寧芳[5]發(fā)現270 kg/hm2施氮量下玉米不同生育期株高、莖粗和葉面積指數整體上高于360 kg/hm2施氮量；王麗娟等[6]研究發(fā)現水肥減量20%番茄減產最小，但可以小幅度改善其品質和口味；尚文彬等[7]研究表明，250 kg/hm2施氮量下玉米產量和干物質量顯著高于300 kg/hm2施氮量；周加森等[8]也發(fā)現傳統畦灌下，推薦施氮肥（240 kg/hm2）小麥干物質積累量高于傳統施氮量（300 kg/hm2）。除此之外，結合配套灌水施肥制度[9]、有效農藝措施[10]以及合理種植體系[11]等，減施氮肥能夠顯著改善作物穗部性狀，提高作物全生育期干物質量積累和產量[9-11]。

地下水常以潛水蒸發(fā)的形式補給土壤水分，與土壤水、植物水和大氣水構成完整的田間土壤水分連續(xù)系統，是作物維持正常生長所需的重要水源之一，顯著影響作物的生長發(fā)育、干物質量積累、水分利用和產量形成等。如孫仕軍等[12]發(fā)現地下水埋深1.0～2.5 m有助于縮短玉米生育進程和增加葉面積指數；亢連強等[13]發(fā)現下地下水埋深2.0 m 對作物生長的影響大于埋深3.0 m 和4.0 m；Zhang 等[14]發(fā)現測桶冬小麥在地下水埋深1.8～1.9 m 和2.2～2.3 m 地上部生物量在各生育階段較大。地下水埋深過淺過深都會影響作物的株高和干物質量，從而影響產量。劉戰(zhàn)東等[15]發(fā)現地下水埋深3.0 m 條件下冬小麥產量最高，Wang 等[16]研究發(fā)現淺地下水埋深（0～80 cm）條件下，作物氮素利用效率隨施氮量增加而顯著降低；Shen 等[17]研究得出地下水埋深較淺的長三角地區(qū)，常規(guī)施氮量的60%可滿足集約化蔬菜生產；MORARI 等[18]發(fā)現淋洗到地下水中59%的硝態(tài)氮能借助土壤毛細作用運移至作物根區(qū)。【切入點】前人針對氮肥減施、優(yōu)化配施及結合種植體系對作物生長特征、干物質量積累等做了大量深入研究，同樣針對淺地下水埋深對作物生理形態(tài)、生長性狀、干物質量積累和產量及其構成要素也做了較多研究。但在淺地下水埋深區(qū)應如何減氮控氮，以及減氮控氮與地下水埋深組合對作物生長、干物質量積累和根層土壤硝態(tài)氮量等的影響研究較少。【擬解決的關鍵問題】本試驗借助大型地中滲透儀和Logistic 作物生長模型，研究不同淺地下水埋深與施氮水平處理下，夏玉米葉面積指數、株高、地上部分干物質量和根層土壤硝態(tài)氮量的差異，以期為我國地下水淺埋深地區(qū)減施氮肥，合理控制施氮量，維持和提高作物產量，減輕環(huán)境氮負荷提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于中國農業(yè)科學院河南新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站大型地中滲透儀（35°19″N、113°53″E，海拔73.2 m）進行。測坑最大深度分別為2.8、4.8、5.3 m，面積3 m×3 m，測坑為帶底鋼筋混凝土結構。試驗地多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時間2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。試驗土壤為粉砂壤土，主要理化性狀詳見表1。

表1 供試土壤理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of test soil

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計

試驗共設6 個處理，分別為G1N1、G2N1、G3N1、G1N2、G2N2、G3N2，和不施氮不控水（WN）對照處理，采用完全隨機區(qū)組設計，每處理重復2 次；地下水埋深設3 個水平，分別為2.0 m（G1）、3.0 m（G2）、4.0 m（G3），主要依據土壤毛管水上升高度以及實際地下水埋藏深度變化確定，施氮量設2 個水平，分別為減氮20%（240 kg/hm2，N1）、常規(guī)施氮（300 kg/hm2，按當地施肥習慣，N2）；地下水位通過馬氏瓶控制。

表2 各處理組合各生育期灌水量Table 2 Irrigation amount of each treatment in each growth period mm

1.2.2 施肥灌溉

供試作物為夏玉米（Zea maysL.），品種為“懷玉208”。2019年6月8日播種，9月24日收獲，全生育期108 d。試驗用肥采用尿素（含N 46.3%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含K2O 50%），氮肥的底肥和追肥比例為4∶6，追肥于大喇叭口期施入，磷、鉀肥作為底肥一次性施入，種植密度為66 667株/hm2。埋設RS-XAJ-100 探頭（山東仁科測控技術有限公司，中國）在線監(jiān)測土壤水分，結合水分示數，視地面干旱和作物植株葉片的缺水情況進行灌水，灌水量及灌水日期見表2，所有處理的其他田間管理措施參照當地實際情況執(zhí)行。

1.3 測試項目及方法

1）玉米生長性狀。每個測坑選取2 株玉米掛牌標記，分別在大喇叭口期（7月30日）、抽雄開花期（8月7日）、灌漿期（8月27日）、成熟期（9月24日）選取展開葉片，測定葉長、最大葉寬、株高等生長指標，葉面積計算時折減系數為0.75[19]。

2）干物質量。于作物大喇叭口期、成熟期，取測坑中植株2 株，105 ℃殺青30 min 后，80 ℃烘干至恒質量，測定地上部干物質量。

3）考種及測產。于成熟期選取植株5 株進行考種，以測坑為單元收獲后自然風干，稱質量測產。

1.4 數據計算與處理

利用MATLAB 擬合數據，Excel 作圖和SPSS 進行數據處理（α=0.05）。

1.4評估標準 假陰性:使用血細胞檢測設備進行檢驗的結果為正常,使用血涂片檢驗分析的結果為異常;假陽性:使用血細胞檢驗設備檢驗的結果顯示異常,使用血涂片分析的結果為正常。陽性:使用血細胞檢測設備和血涂片檢測的結果均為正常。陰性:使用血細胞檢測設備和血涂片檢測的結果均為異常 [2]。

2 結果與分析

2.1 不同處理下夏玉米生長指標的變化特征

2.1.1 不同處理下夏玉米葉面積指數

隨著夏玉米生育進程的推進，整體上夏玉米LAI呈先增大再減小的趨勢（圖1）。在各施氮控水處理下，LAI在灌漿期最大，WN 處理在抽雄開花期最大，各生育期施氮控水處理顯著高于WN 處理，增加率介于16.79%～72.52%之間。

各生育期LAI在G1 處理下較高，尤其是成熟期與G2、G3 處理差異顯著，N2 處理下分別高出7.66%和6.09%，N1 處理下分別高出12.98%和16.37%，G2和G3 處理間差異很小，其余生育期LAI隨地下水埋深增加多呈“V”形。

成熟期，各地下水埋深條件下N2 處理LAI高于N1 處理，增幅在2.94%～12.91%之間。其他生育期在G1、G3 處理條件下，N1 處理高于N2 處理，增幅在1.29%～12.43%之間，而在G2 處理條件下，N2處理高于N1 處理，增幅在6.28%～9.56%之間。

2.1.2 夏玉米株高Logistic 模型

利用Logistic 函數[20]擬合夏玉米株高生長，結果見圖2。各處理組合下模型曲線均為“S”形，R2均在0.98 以上，RMSE介于2.97～8.43 cm 之間，與實測結果相符。

圖1 不同處理下夏玉米葉面積指數Fig.1 Leaf area index of summer maize under different treatments

圖2 不同處理下株高實測值與預測值的擬合Fig.2 Relationship between measured and predicted values of plant height under different treatments

表3 不同處理夏玉米株高Logistic 指標值Table 3 Plant height logistic index of summer maize under different treatments

由表3 可見，相較于WN 處理，N1 處理與N2處理平均分別提前3.07 d 和7.06 d 進入快速生長階段，平均分別提前14.45 d 和16.69 d 結束快速生長階段，說明施氮控水處理會縮短玉米快速生長期，且N2 處理平均比N1 處理分別提前3.99、2.24 d 進入和結束快速生長期，快速生長期增加了7.52%，而G1 處理平均比G2、G3 處理分別提前0.05、0.87 d 進入快速生長期，以及滯后0.36、1.77 d 結束，尤其是N2 條件下，G1 處理株高快速生長天數較G2、G3 處理分別增加3.99%、12.91%，說明施氮量越大，對作物生育進程的影響越大，G1 處理相較于G2 和G3 處理會延長玉米快速生長天數，但施氮處理對夏玉米生長的影響效應強于地下水埋深處理。

除此之外，在夏玉米株高生長達到最大速率時間上，N2 處理平均比N1 處理提前3.11 d，比不施氮處理提前11.87 d。最大增長速率方面，N1 處理比N2 處理平均增加8.50%，比不施氮平均增加55.31%；N2 水平下，G3 處理比G2、G1 處理分別增加9.69%、14.65%。

2.2 不同處理下夏玉米干物質量的變化特征

不同地下水埋深施氮水平對夏玉米干物質量的影響如表4 所示。各處理籽粒干物質量最高，葉最低；施氮控水處理莖、葉和籽粒干物質量顯著高于WN 處理，增加率在31.84%～256.81%之間。

大喇叭口期，莖干物質量隨地下水埋深增加而增加，其中G3 處理顯著高于G1 處理，N2 處理與N1處理分別高出33.76%、15.98%，而同一施氮水平下各地下水埋深處理間葉干物質量無顯著差異，成熟期莖、葉干物質量隨地下水埋深變化呈“V”形。N2處理下，成熟期籽粒干物質量在G3 處理時顯著高于G1 和G2 處理，分別高出15.48%和10.90%，而N1條件下，G1 處理顯著高于G2 處理和G3 處理，分別高出6.54%和5.55%。

表4 不同處理夏玉米大喇叭口期、成熟期器官干物質積累量Table 4 Summer maize organ dry matter accumulation at the mature stage and flare opening under different treatments g/株

G1 條件下，成熟期N2 處理莖、葉干物質量顯著高于N1 處理，分別高出35.44%、33.32%，大喇叭口期差異不顯著，而N1 處理籽粒干物質量顯著高于N2處理，高出9.13%，說明地下水埋深2.00 m 條件下，施氮可能主要通過影響作物物質轉運來影響產量；G3條件下，N2 處理籽粒干物質量顯著高于N1 處理，高出11.69%，而大喇叭口期、成熟期莖、葉無顯著差異，說明地下水埋深4.00 m 條件下，施氮可能通過影響作物物質轉運與干物質積累影響產量。

2.3 不同處理下0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量

由表5 可見，除對照WN 處理外，各處理0～20 cm土層硝態(tài)氮增量低于20～40 cm；N1 處理下，0～20、20～40 cm 土層硝態(tài)氮增量無顯著差異；N2 條件下，硝態(tài)氮增量隨著地下水埋深增加逐漸減小，差異顯著，其中G1 處理硝態(tài)氮增量最高，顯著高于G2、G3 處理，0～20 cm 土層分別高出75.92%、90.03%，20～40 cm分別高出30.56%、130.95%。而同一地下水埋深下，N2 處理下0～20 cm 土層硝態(tài)氮增量是N1 處理的1.4～5.3 倍，20～40 cm 則為2.4～11.2 倍，差異顯著，尤其是G1 水平下，N2 處理硝態(tài)氮增量極顯著地高于N1 處理。

表5 不同處理0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量Table 5 0～40 cm soil layer nitrate increment under different treatments mg/kg

表6 N2 處理下0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量、產量及其構成要素Person 相關性分析結果Table 6 Person correlation analysis of incremental of nitrate,yield and its component in 0～40 cm soil layer under N2 treatment

2.4 常規(guī)施氮處理條件下表土硝態(tài)氮、產量及其構成要素Person 相關性分析

常規(guī)施氮量大，易引發(fā)土壤氮素積累[21]。選取常規(guī)施氮N2 處理條件下，0～40 cm 土層硝態(tài)氮增量、產量及其構成要素做Person 相關性分析，結果見表6。由表6 可知，N2 處理下，0～20 cm 硝態(tài)氮增量與產量構成要素相關性不顯著，而20～40 cm 硝態(tài)氮增量與穗長、穗質量和穗粒數顯著負相關，與禿尖長顯著正相關；產量與百粒質量、穗質量和穗粒數顯著正相關，與禿尖長、0～20 cm 和20～40 cm 土層硝態(tài)氮量顯著負相關。說明常規(guī)施氮條件下，地下水淺埋深地區(qū)，氮素可能受作物蒸騰拉力及表土蒸發(fā)作用向上運移，增加作物主要根系層硝態(tài)氮量，從而影響產量構成要素，進而作用產量，且地下水埋深越淺作用效應越明顯，但這不利于產量形成。

3 討論

在地下水淺埋區(qū)，地下水主要通過土壤孔隙毛管力、作物蒸發(fā)蒸騰等作用[22]上升補給土壤水，土壤水分狀況與作物生長狀況相互制約，能誘發(fā)作物從形態(tài)到生理的反應，影響作物生長發(fā)育[23]。已有研究表明，地下水埋深對LAI影響顯著[12,15,24]，LAI隨地下水埋深增加而降低，灌漿期最大，而對株高影響不顯著[25]。在本試驗中，LAI隨地下水埋深增加而減小，埋深3.0、4.0 m 差異小，表明當地下水埋深≥3.0 m 時，地下水對作物生長的貢獻小[24]，與前人研究結果相近[12,15]。

Logistic 擬合方程表明，變量參數a、b隨施氮量增加而減小，施氮量大能延長作物快速生長期，這與前人研究相近[26]；而不施氮不控水處理快速生長期較長，主要是因為作物生長期缺少水肥，根系生長力弱[27]，隨著生育進程推進，根系生長能力變強，逐漸下扎[28]，能夠汲取更多的水分和養(yǎng)分，延長了快速生長期。地下水埋深2.0 m 較其他埋深處理延長了快速生長期，主要是因為埋深2.0 m 較淺，地下水供應充足，更有利于夏玉米生長，與前人研究不同[12]，可能是本研究相對前人研究埋深2.0 m 設置仍較深，且受施氮影響；常規(guī)施氮處理下，埋深2.0 m 玉米生長速率最大值低于埋深3.0 m 和4.0 m，可能是由于埋深2.0 m 較淺，氮素隨水分向上運移多[17,18]，加之常規(guī)施氮量大，造成主根系層氮素量累積量多（表5），抑制作物生長。

前人研究表明，干物質量受水肥影響，隨地下水埋深增加先減小后增加[29]，本試驗結果與之一致，莖、葉隨地下水埋深增加先減小后增加，主要因為地下水埋深較深向上補水路徑加長，增加了灌溉降雨在土壤中的蓄積，促進了玉米根系生長發(fā)育及干旱脅迫的抗逆能力[24]。

基于硝態(tài)氮增量、產量及其構成要素Person 相關性分析表明，常規(guī)施氮條件下，地下水主要通過影響百粒質量、穗質量、穗粒數和禿尖長以及0～40 cm土層硝態(tài)氮增量作用產量，與前人研究相近[12,15]。其中，硝態(tài)氮增量與產量呈顯著負相關關系，除受多余灌溉水分在包氣帶中存儲影響外[30]，主要因為常規(guī)施氮處理提高了土壤硝態(tài)氮量[21]，產量可能出現“報酬遞減”現象[31]，且試驗設置地下水埋深處理，水分在空間上的運移較表層灌水更為復雜，且不涉及灌水處理，水分向下遷移能力相對較弱。地下水埋深淺，在土壤毛管吸力和作物蒸騰拉力作用下，土壤水分運移活躍，對作物主根區(qū)養(yǎng)分形成頂托效應[32]，不僅阻止了上層水分和氮素向下運移[16]，同時地下水或深層氮素也可能向上遷移[18]，造成作物主根區(qū)氮素交換量變大、累積量變多，根系養(yǎng)分吸收功能降低[33]，影響作物生長，造成作物減產。此外，綜合產量、株高等指標隨地下水埋深演變特征，地下水埋深與施氮水平組合對作物產量的貢獻存在水氮耦合效應，還需進一步研究。

4 結論

1）地下水埋深2.0 m 條件下，300 kg/hm2施氮量促進了夏玉米營養(yǎng)生長和0～40 cm 土層氮素殘留，不利于玉米生殖生長和產量形成。

2）地下水埋深2.0 m 和240 kg/hm2施氮組合及埋深4.0 m、300 kg/hm2施氮組合下夏玉米葉面積指數、株高等生長指標以及干物質積累量均較其他組合增幅明顯。