不同水氮調控下夏玉米農田氮素運移及淋失特征分析

蔡晨陽，龐桂斌，薛建文，叢 鑫，蘇學偉，董文旭，王 昕，徐征和

（1.濟南大學，濟南 250022；2.桓臺縣水利事業服務中心，山東淄博 256401；3.中科院遺傳與發育生物學研究所，石家莊 050022；4.山東省水利科學研究院，濟南 250014）

0 引 言

隨著現代農業的不斷發展，追求高產豐收，現階段增產方式主要是通過增施氮肥和提高灌水量來實現，對尿素的需求量不斷增長[1,2]，但研究發現過多的尿素投入并不會提高農作物的品質，且長期不合理水肥配施方案會改變了土壤的營養結構，還會導致土壤滲漏、氮素揮發、硝態氮淋失等損失[3,4]。在種植作物活動中，施入農田中的氮肥經過硝化和脲酶作用，轉化為能夠被作物吸收的硝態氮和銨態氮，部分NO3-鹽和NH4+鹽經淋洗、反硝化、NH3揮發以及NO2-化學分解等途徑從土壤中損失，大部分將存于土壤中，并以硝態氮的形式存在，此時不合理的灌水量往往加劇氮肥淋失，增加淋溶風險，污染地下水[5]。

目前，已經有很多學者有關種植玉米的水肥配比的研究。例如馮嚴明[6]等通過田間小區測坑試驗研究水肥使用量對夏玉米生長及產量的影響，得出灌水量為125.5 mm、供氮量為195 kg/hm2、供磷量為95 kg/hm2的配比處理更有利于夏玉米的生長與增產；秦海霞等[7]研究發現在河南豫中地區苗期灌水定額60 mm，拔節期灌水定額105 mm 時可實現夏玉米節水高產；連彩云[8]等采用水肥耦合[灌溉定額為4 800 m3/hm2，施氮量（N）240 kg/hm2]及種植密度（密度12.50 萬株/hm2）的最優模式，提高壟膜溝灌制種玉米產量和種子活力；關于水肥配比對土壤中氮素運移的影響研究，例如馮磊磊等[9]研究發現灌水高肥處理硝態氮淋失嚴重，而拔節期不灌水則顯著影響籽粒產量；張學科等[10]研究發現土壤類型、灌水量及施氮量均對土壤中氮素的累積及損失有顯著影響，相比之下影響程度為施氮量＞灌水量＞土壤類型。

目前水肥配比研究主要側重對作物產量以及土壤氮素運移的影響，對大田試驗研究氮素淋失較少。本文在前人研究的基礎上，優化灌溉與施肥等級[11-13]，該研究以山東省灌溉試驗中心站為依托，以夏玉米為研究對象，在滲漏池試驗小區設計不同的水氮處理試驗，通過滲漏池設備測定淋失液量以及淋失液中氮素含量，重點研究不同水氮處理模式下土壤氮素淋失的情況；為合理的水氮處理在作物增產的同時有效減少對地下水的污染提供重要的理論依據。

1 實驗概況

1.1 試驗區概況

本試驗于2020年6-10月在山東省灌溉試驗中心站進行，試驗區地理位置見圖1，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，歷年平均氣溫為14.3 ℃，年均蒸發量為1 399.8 mm，年平均降水量為654.8 mm，夏玉米生育期內平均降雨量為448.9 mm，占全年的68.6%，2020年夏玉米生育期降雨量、氣溫變化見圖2。主要種植作物為夏玉米，供試土壤為壤土，0～100 cm 土壤粒徑分布見表1，夏玉米播種前測得0～20 cm 土壤平均NO3--N、NH4+-N、有效磷含量分別為3.4 mg/kg、0.41 mg/kg 和33.5 mg/kg，pH值為7.48，土壤容重為1.42～1.65 g/cm3。

表1 土壤粒徑分布%Tab.1 Soil particle size distribution

圖1 試驗區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the pilot area

圖2 2020年夏玉米生育期內降雨、氣溫變化Fig.2 Changes of rainfall and temperature during the growing period of summer maize in 2020

1.2 實驗方案

2020年6月23日至10月4日在試驗站滲漏小區測坑中進行，試驗站內有帶地下廊道的測坑36個，測坑規格為3.33 m×2.0 m，測坑與測坑之間用鋼板隔開，每個測坑底部100 cm 處安裝取水口，定期收集淋溶液，用于研究氮素遷移轉化規律。

（1）施用材料。種植夏玉米品種為“鄭單958”；施用無機肥：46.4%氮素濃度的氮素、12%磷肥濃度的過磷酸鉀、60%鉀肥濃度的氯化鉀。

（2）試驗設計。設置兩個因素，分別為水、氮的處理：設計兩個灌水方案，一水處理（僅苗期灌水67.5 mm）和二水處理（苗期、拔節期均進行灌水，灌水量分別為67.5 mm、54 mm）；設置2 個施氮水平，低氮水平150 kg/hm2（N1）和高氮水平200 kg/hm2（N2），兩個水平下氮素施用量都為基肥和拔節期追肥各占50%，另外設置空白處理，每個處理設置3個重復。每個測坑內磷肥施用量為75 kg/hm2，鉀肥施用量為128 kg/hm2，全部基施，試驗設計方案見表2；玉米實驗時期及生育時期見表3和表4。

表2 夏玉米水氮處理方案Tab.2 Scheme of water and nitrogen treatment for summer maize

表3 夏玉米試驗時間實施表Tab.3 Table of trial time of summer maize

表4 夏玉米生育期劃分表Tab.4 Table of growing period of summer maize

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤中NO3--N、NH4+-N和全氮的測定

在夏玉米各生育期，在測坑內0～100 cm 深度用土鉆取樣，每隔20 cm 取一次，土樣放入塑料密封袋帶回實驗室，晾干后研磨過孔徑為0.25 mm 篩。稱取20 g 樣品加入100 mL 濃度為74.55%的KCl 溶液。NH4+-N采用浸靛酚藍比色法測定，土壤NO3--N 采用紫外分光光度法測定，土壤全氮采用凱式定氮儀測定[14]。

1.3.2 淋溶液NO3--N、NH4+-N的測定

在夏玉米各生育期，用聚乙烯瓶在地下廊道收集淋溶液，取得樣品放入低溫保溫箱內，4 ℃溫度下保存并帶回實驗室。淋溶液NH4+-N 采用浸靛酚藍比色法測定[14]，淋溶液NO3--N 采用紫外分光光度法測定[15]。

1.3.3 淋溶液中氮素損失量計算

采用田間滲濾池監測NO3--N、NH4+-N 流失，每次灌水3～5 d 后，淋溶液通過底部出口匯集水閥收集于容器內，可測算累計滲漏量。氮素淋失總量的計算公式為：

式中：NL為氮素淋失總量，kg/hm2；n為淋溶液收集次數；CNLi為氮素淋失質量濃度，mg/mL；Vi為淋溶液體積，mL；S為小區面積，m2。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 24軟件整理數據，SPSS 24軟件處理采用ANOVA 檢驗和Duncan 法對數據進行方差分析（P＜0.05）,表中每一個指標值均為每個處理下3個重復的均值。

2 結果分析

2.1 土壤含水率變化特征

圖3為夏玉米各生育期內0～60 cm 土壤含水率（SWC）的變化情況。隨著生育期的推進，不同處理下的SWC 逐漸出現差異，尤其在拔節期土層SWC 變化明顯，變化主要在中層土壤；二水處理比較一水處理提高中層土壤的SWC，較深層土壤SWC 兩處理差異并不明顯。如圖3所示，受苗期第一次灌水影響，各處理下，7月1日0～40 cm 土壤SWC 差異很小，比6月23日SWC 提高38%～83%；在7月28日灌二水后，I2 處理下8月22日20～40 cm 土層SWC 相比7月24日增加20%，I1 處理降低4%，所以拔節期灌二水增加中層土壤的含水量，有利于提高作物的水氮利用效率[13]。8月22日與9月9日0～60 cm土壤SWC 整體趨勢一致，為表層低、深層高；該時期降雨很少，在無外界補水情況下，9月9日表層SWC 相比8月22日表層SWC降低18%～26%，且I2N2處理降幅最大，水分進一步向下運移，同時也增加氮素淋溶的風險。

圖3 2020年土壤含水率變化Fig.3 Changes in soil moisture content in 2020

2.2 夏玉米生育期土壤氮素分布

2.2.1 水氮處理對土壤中NO3--N分布的影響

夏玉米不同生育期各處理土壤0～100 cm NO3--N 含量變化如圖4所示?？梢钥闯觯魈幚硗寥?～100 cm NO3--N 含量高峰值位置隨著夏玉米生育期的推進而不斷下移。

圖4 不同水氮處理下不同生育期土壤NO3--N含量變化Fig.4 Changes of NO3--N content in soil at different growth stages under different water and nitrogen treatments

拔節期進行二次追肥和灌水，使得I1N1、I2N1 處理相對于I1N2、I2N2 處理的變化趨勢差異較大，I1N1、I2N1 處理下NO3--N 含量變化趨勢為表層高中層低，I1N2、I2N2 處理下NO3--N 含量變化趨勢為表層低中層高；且受7月中旬與8月中旬豐沛降雨的影響，各處理下NO3--N 均不同程度滲入深層土壤，其中高氮處理下NO3--N 下滲最為明顯。下面由具體數據分析：在夏玉米拔節期，I1N2、I2N2處理在0～20 cm土層中的NO3--N 含量較低，相比苗期分別降低70.91%、68.21%；在20～40 cm 含量達到高峰值，相比苗期分別增加14.43%、41.45%。I1N1、I2N1處理在0～20 cm 土層中NO3--N 含量較高，分別為18.30 mg/kg、16.56 mg/kg；在20～40 cm 土層中I2N1 處理中NO3--N 濃度最低為2.56 mg/kg，且I1N1、I2N1 處理的NO3--N 含量相比苗期分別降低17.98%、70.79%。可見淺中層土壤中NO3--N 含量受拔節期施肥量與灌水量的共同影響，低氮處理下拔節期不灌水則會使NO3--N 更多聚集在0～20 cm 土層中；在高氮處理下，拔節期灌二水可以增強NO3--N 在0～20 cm土層向20～40 cm土層下滲。

抽雄期乃至成熟期，NO3--N 含量不斷向下淋溶，各處理下NO3--N 含量在60～80 cm 達到峰值，這與NO3--N 陰離子帶負電荷與土壤中帶負電荷離子互相排斥而難被吸附有關；成熟期I1N2、I2N1、I2N2處理在60～80 cm土層中NO3--N濃度為10.16～10.48 mg/kg，三者差異不明顯，而I1N1 處理含量最低為6.16 mg/kg，可見深層土壤氮素積聚與施氮量與灌水量呈正相關。

2.2.2 水氮處理對土壤中NH4+-N分布的影響

夏玉米不同生育期各處理土壤0～100 cm NH4+-N 含量變化如圖5所示。各處理下NH4+-N 含量變化整體趨勢差異不明顯，隨時間推移NH4+-N 緩慢下滲，在夏玉米生育期前期階段NH4+-N 含量峰值在0～20 cm 處，到夏玉米生育期后期NH4+-N含量峰值在40～60 cm 處，這是因為NH4+-N 能被帶負電荷的土壤膠體吸附，在土壤中比較穩定，不易流失的特點。下面由具體數據分析：該地區土壤初始NH4+-N 含量很低，為0.3～1.0 mg/kg，在苗期基肥施入后各處理表層土壤NH4+-N 含量顯著提高達到3.46～4.36 mg/kg；拔節期追肥灌水影響，各處理下土層中NH4+-N 均呈現下滲遷移趨勢，其中I2N2 處理下滲最為明顯，I2N1 處理次之，20～40 cm 土層中I2N1、I2N2 處理NH4+-N 含量分別增加5.54%、42.02%；在0～20 cm 土層中I1N2 處理下NH4+-N 含量最高為3.99 mg/kg，在20～40 cm 土層中含量則較低，其分布趨勢與I1N1 處理相似；這說明在拔節期追肥需要灌二水的重要性，是為了無機氮向中層土壤下滲，避免表層土層存留過多而不利于作物根區吸收氮素。

圖5 不同水氮處理下不同生育期土壤NH4+-N含量變化Fig.5 Changes of soil NH4+-N content in different growth stages under different water and nitrogen treatments

抽雄期各處理下NH4+-N 主要分布在0～60 cm 土層中，I2N1、I2N2 處理在0～20 cm 土層中NH4+-N 含量分別降低39.78%、16.14%；在40～60 cm 土層中I2N1、I2N2 處理NH4+-N 含量較高分別為3.43 mg/kg、3.64 mg/kg，相比前期分別增加42.27%、47.37%；I1N1、I1N2處理在20～40 cm 土層中NH4+-N含量分別降低20.98%、12.60%；在40～60 cm 土層中NH4+-N含量分別為1.70 mg/kg、2.65 mg/kg；均低于I2N1、I2N2 處理；這反映說明NH4+-N 向中深層土壤運移主要受拔節期追二水影響，只施肥而不追水不利于氮素向作物根區土壤運移。雖然NH4+-N 整體含量不高，但亦會受施肥灌水影響，主要由0～40 cm土層下滲到40～60 cm土層中。

到成熟期，各處理NH4+-N 主要積聚在40～60 cm 土層中，更深層土壤中NH4+-N 含量依舊不高；在沒有外界灌水影響下，NH4+-N 容易被硝化,且帶正電荷易被帶負電荷的土壤膠體吸附固持而不容易發生遷移。

2.2.3 土壤中全氮分布特征

夏玉米不同生育期各處理下土壤0～100 cm 全氮含量變化如圖6所示。與圖4中NO3--N含量變化對比分析，土壤全氮含量變化與土壤NO3--N 含量變化趨勢總體一致，隨著夏玉米生育期推移，各處理全氮濃度的峰值不斷下移；苗期經過施肥灌水后土壤全氮含量升高，各處理下全氮在0～100 cm 土層中分布趨勢相同，且主要積聚在0～20 cm 土層中，濃度為5.27～9.27 g/kg；而在拔節期不同處理下全氮分布差異明顯，其中I2N1、I2N2 在二期灌水施肥影響下全氮開始下滲，但兩處理變化趨勢相似，均在20～40 cm 中含量達到峰值；I1N1、I1N2處理全氮主要積聚在0～20 cm 處，在20～40 cm 處全氮含量最低分別為1.69、1.21 g/kg；在20～40 cm 土層中I2N2 處理全氮含量比I1N2處理高出77.52%，I2N1處理全氮含量相比I1N1處理高出75.88%，這說明拔節期灌二水有利于全氮在中層土的累積，與上文硝態氮分布特征的分析結果一致；在8月初試驗田降雨量大，土壤含水率均不同程度升高，使得抽雄期各處理土壤0～20 cm 全氮下滲，在20～40 cm 處達到峰值，其中I1N2 含量最高，濃度為5.73 g/kg，但在40～60 cm 處I2N2 處理下全氮含量最高，濃度為2.89 g/kg。在成熟期，各處理下全氮主要積聚在40～60 cm，此時各土壤層全氮濃度達到穩定狀態。

圖6 不同生育期全氮濃度Fig.6 Total nitrogen concentration at different growth stages

2.3 土壤氮素淋失分布特征分析

2.3.1 水氮處理對土壤中NO3--N淋失分布

夏玉米不同生育期各處理下土壤淋濾液中NO3--N 含量變化如圖7（a）所示。各處理在0～15 d 淋溶液硝態氮濃度達到峰值，I2N2 處理濃度最高為4.78 mg/kg，I2N1 處理最低為2.32 mg/kg；各處理在45～60 d 淋溶液硝態氮濃度達到最低為0.77～1.25 mg/kg；在70 d 之后回歸平穩，范圍在2.21～2.61 mg/kg。出現峰值的原因主要受灌水追肥以及降雨的影響，出現回落主要是玉米生育期對硝態氮的高消耗吸收作用，此時淋溶液硝態氮含量差異不大。生育末期硝態氮淋溶液濃度趨于穩定，是無作物吸收利用情況下，土壤氮庫淋洗出硝態氮的穩定狀態。

圖7 不同水氮處理下NO3--N、NH4+-N、總氮淋失變化Fig.7 Leaching loss of NO3--N、NH4+-N、total nitrogen under different water and nitrogen treatments

2.3.2 水氮處理對土壤中NH4+-N淋失影響

夏玉米不同生育期各處理下土壤淋濾液中NH4+-N 含量變化如圖7（b）所示。淋濾液中NH4+-N 含量變化趨勢與淋濾液中NO3--N 含量變化趨勢大致相同，都出現峰值，并降至最低后回歸平穩狀態，所以出現該變化的原因與NO3--N 淋失變化原因一致；但淋溶液中NH4+-N濃度明顯低于NO3--N濃度，主要是因為NH4+-N 容易被硝化,且帶正電荷可被帶負電荷的土壤膠體吸附固持而不容易發生遷移，與上文土壤中NH4+-N 遷移規律研究結果一致。

2.3.3 水氮處理對淋失液中總氮的影響

夏玉米不同生育期各處理下土壤淋濾液中總氮含量變化如圖7（c）所示。淋濾液中總氮濃度變化與NO3--N、NH4+-N濃度變化過程基本一致；淋濾液總氮含量變化與施氮量成正比，在拔節期處理的淋濾液總氮含量最高，為12.96 g/kg，在后期該處理下淋溶液總氮濃度依舊最高為8.91 g/kg，均高于I2N2 處理；I1N1、I2N1 處理淋溶液中總氮濃度較低。

2.3.4 夏玉米農田氮素失量分析

如圖8（a）所示各處理累積滲漏液量，I1 灌水水平下累計滲漏液量均低于I2 灌水水平下，而降低施氮量與累計滲漏液量無顯著影響。如圖8（b）所示，氮素淋溶損失中有機氮約占79%～86%；NO3--N 約占12%～17%，NH4+-N 約占2%～4%，這與前人關于NO3--N、NH4+-N 淋失特征分析一致[16]。I1N2 處理中NO3--N、NH4+-N 和有機氮淋失量與其他處理均為最大值；處理I2N2 處理相比I1N2 處理氮素淋溶損失顯著降低（P＜0.05），降幅為16.36%，這同樣說明拔節期二水可顯著降低了氮素淋溶損失；I2N1 處理總氮淋溶量略大于I1N1 處理總氮淋溶量，但相比I1N2、I2N2處理均顯著降低，這與圖8（a）所得出的結論一致。

圖8 水氮處理下累計滲漏液量和氮素累計淋失Fig.8 Cumulative leaka ge volume and nitrogen leaching loss under water and nitrogen treatment

3 討 論

目前學者們對水氮管理研究廣泛，主要聚焦于作物生長狀況、土壤中氮素運移，如楊宇等[16]就水氮互作對玉米葉面積指數（LAI）、干物質積累、根系生長、光合特性、產量和水氮利用效率的影響研究現狀進行綜述；趙經華等[17]通過大田試驗研究不同灌水定額和不同施氮水平條件下小麥土壤硝態氮運移、氮平衡的變化情況，發現淋溶損失是氮素損失主要途徑，大部分硝態氮隨水分滲漏被淋洗至60 cm 以下的深層土壤中，且隨施氮量的增加硝態氮淋溶更為嚴重；此類研究都是分析土層中的氮素運移，沒有對淋失液進行測定。而大田試驗中氮素淋失量不易準確測定，所以前人對氮素淋失研究多為室內試驗，如孔柏舒等[19]通過土柱試驗與玉米盆栽試驗,研究酸化沸石在減施尿素條件下可有效降低土壤氮素淋失,提高玉米籽粒氮肥利用率；董達等[18]采用室內土柱淋溶試驗,研究竹炭和炭基緩釋肥添加對毛竹林土壤氮素流失和細菌群落結構的影響。而土柱試驗側重對機理性變化的細致研究，無法準確模擬大田的實際情況。

所以本文根據馮嚴明[6]等對水肥施用量對夏玉米生長的影響研究，在同一個灌溉試驗中心進行試驗；在保證作物穩定產量的水氮管理措施下，通過滲漏池小區精準測定淋失液總量以及淋失液中的氮素濃度，研究夏玉米農田中土壤氮素運移及氮素淋失。

試驗結果表明，不同水氮處理對不同土層中NO3--N、NH4+-N 以及全氮含量的影響主要體現在拔節期。在拔節期I2處理中層土壤中氮素含量明顯高于I1 處理，與秦海霞[7]等研究發現拔節期定額灌溉有利于玉米生長結論一致；對于不同處理，I1N2 處理下淋溶液中氮素淋失含量最高，I2N2 處理通過拔節期灌水導致滲漏量相比I1N2 處理增加15.96%，氮素淋失含量顯著降低14.84%，分析原因可能是拔節期灌水促進作物根系對氮素的吸收利用，這與王利書、顧桂棟等研究結論一致[20,21]。

淋失液中主要以有機氮淋失為主，無機氮中主要以硝態氮淋失為主，因為土壤膠粒一般帶負電荷，對硝態氮具有較弱的吸附性能，而對銨氮具有較強的吸附性能，導致硝態氮移動能力強于NH4+-N，所以淋濾液中硝態氮含量要高于NH4+-N 含量，該結論與叢鑫等研究一致[22]。與I2N1 處理對比發現，I2N2 處理產生較多的氮素淋失，所以在拔節期灌水量相同情況下，氮素淋失量與拔節期施肥量成正相關；而I2N1 處理與I1N1 處理相比，其淋失液中氮素濃度較低，說明在拔節期施肥量相同情況下，相比不灌水處理，灌水會有效降低滲漏液中的氮素濃度，這說明合理的水氮處理可提高作物的水氮利用效率，這與叢鑫等[23]減氮適水的理念相一致。

4 總 結

（1）整個生育期中土壤中全氮含量變化與NO3--N 含量變化趨勢總體一致，隨著生育期的推進，土壤中全氮含量與NO3--N 含量的峰值不斷下移，并在生育期后期達到穩定狀態。與I1 處理相比，I2 處理主要加快淺層土壤中的氮素下滲，提高中層土壤的氮素含量，滿足作物生長需求；在拔節期20～40 cm 土層中，I2N2 處理下NO3--N 含量、全氮含量相對I1N2 處理分別增加12.93%、77.52%，且I2N1 處理下中層土氮素累積情況與I2N2 相比差異不大，可見I2N1 亦可以很好滿足中層土的氮素累積需要。

（2）與I1N2 處理相比，I2N2 處理滲漏量增加15.96%，氮素淋失含量顯著降低14.84%（p＜0.05）；I2N2處理與I2N1處理相比，兩者滲漏量差異不大，但I2N1 處理下氮素淋失量顯著低于I2N2 處理，可見I2 處理可以顯著降低氮素淋失量；且I2處理下，氮素淋失量與拔節期施肥量成正相關。