水肥耦合對壟作溝灌小麥-玉米土壤水氮分布及產量的影響

李 源

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

引言

目前，我國小麥-玉米輪作種植灌溉方式主要還是傳統平作與畦灌結合的方式，該方式水分利用效率低，節水潛力大。壟作溝灌作為一種新型灌溉方式，其將田面由傳統平面改變為波浪形，增加田間通風條件，且具有節水、保肥以及增產等優點。師學珍等[1]通過在西北內陸干旱地區對壟作溝灌下不同灌水制度對玉米產量的研究，發現壟作溝灌條件下，玉米產量和農業耗水量之間具有明顯正相關關系，因此合理減少灌溉量可以大大提高制種的玉米水分利用效率。張新民等[2]針對壟作溝灌水的入滲特點與灌溉效益，對中國傳統農業地面灌溉效率的考核指標作出了完善，并確立了以灌溉的均勻度、貯水量與田間灌溉水效率、壟體濕潤度4個指標組成的灌水質量評價指標體系。曾愛國[3]通過在石羊河流域設置不同的灌水量梯度，研究不同灌水量梯度對全膜壟作溝灌水分利用效率及玉米產量，以及土壤含水率、產量要素的影響，得到了石羊河流域玉米全膜壟作溝灌條件下的適宜灌溉量為5175m3·hm-2。高傳昌等[4]通過研究小麥、玉米一體化壟作溝灌種植模式對冬小麥生長特性和產量的影響發現，與傳統平作相比，一體化壟作溝灌種植模式為冬小麥提供了更好的生長環境。以上研究均是從節水增產方面對壟作溝灌技術進行評價，然而目前對大田水肥耦合條件下壟作溝灌土壤水氮運移尚缺乏系統研究。即便是有涉及壟作溝灌水氮運移方面的研究，也只是室內研究。如，汪順生等[5]通過室內土箱試驗對不同肥液含量下壟作溝灌硝態氮和銨態氮運移進行了試驗與模擬；陳春來[6]通過室內試驗探究了壟作溝灌土壤肥液入滲水氮運移特性。

因此，可基于前人對溝灌水氮運移研究結論，進行大田試驗，探究水肥耦合條件下壟作溝灌不同處理的水氮運動規律，尋求能夠更精確地探明土壤水氮運動規律的方法，進一步優化施肥和灌溉的管理措施，旨在提供有關壟作溝灌技術參數選擇和提高農田作物對水和氮肥利用效率的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本次試驗于2020年10月—2021年9月，在華北水利水電大學農水試驗場開展試驗(N34°47′，E113°46′，海拔110.4m)。該地屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14.5℃，多年平均降水量637.1mm，平均日照時數5.6h，無霜期220d。農水試驗場的試驗大田地勢均勻，灌溉方便，土壤為粘壤土和沙壤土。田間持水量(體積比)為34.2%，平均土壤容重1.42g·cm-3，土壤有機質質量分數為870mg·kg-1，全氮質量分數為539mg·kg-1，堿解氮質量分數為45～60mg·kg-1，速效磷質量分數為11.8mg·kg-1，速效鉀質量分數為104.4mg·kg-1。試驗中的氣象資料通過試驗場內的自動氣象站收集整理得到。

1.2 試驗設計

2020年10月—2021年9月進行冬小麥和夏玉米輪作水肥耦合試驗。試驗田種植方式采用壟作溝灌方式進行，溝型及種植區域劃分見圖1。小麥和玉米種子分別采用“濟麥22”和“DHA757”，試驗均設置2個影響因素，6種處理，分別為3種水分控制下限，3種施氮量處理。施氮處理3個水平分別為低肥量處理氮肥施用量為120kg·hm-2、中肥量處理氮肥施用量為220kg·hm-2、高肥量處理氮肥施用量為320kg·hm-2，分別記為N1、N2、N3。每種施氮水平下設置3種水分控制下限，分別為田間持水量的60%、70%和80%，即相對含水率為60%θf、70%θf和80%θf，記作W1、W2、W3，以各生育期內計劃濕潤層土壤水分為標準，當各處理土壤含水率低于設計水分下限時沿著壟溝進行灌水，小麥灌水定額為30mm，玉米灌水定額為15mm。

注：溝型尺寸以小麥田為例。圖1 壟作溝灌田間試驗布置及溝型尺寸

壟作溝灌試驗區面積為28.5m×40m，壟作溝灌種植模式相鄰2溝中距離為1.1m，溝為梯形斷面，底寬20cm，深20cm，邊坡坡度為2。壟上小麥種植5行，行間距為15cm，玉米種植3行，行間距25cm。

表1 試驗水肥處理方案

1.3 觀測項目及方法

1.3.1 土壤水分含水量

播種前、全生長周期和收獲后都進行測定，在冬小麥的生育周年內，土壤含水量每隔5～10d測定1次；其中壟作溝灌種植模式在溝、壟各取1個觀測點；采用TRIME管檢測法分層測定土壤含水率，并在試驗前期用烘干法對其校核1次。含水率測量深度為120cm，分6層(每層20cm)，降雨和灌水前、后加測1次。

1.3.2 土壤干容重測量

此次試驗采用環刀法測定土壤干容重，在種植區域具有代表性位置隨機選取3個采樣點，用鐵鍬將采樣點表面土層鏟平，0～120cm土層每隔20cm進行取樣并稱重，最后將樣品烘干稱重計算結果。計算公式：

式中，ρB為土壤容重，g·cm-3；m1為環刀和干土的重量，g；m2為環刀的重量，g；V為環刀體積，cm3。

1.3.3 土壤硝態氮測量方法

在小麥和玉米不同生育期內，用土鉆在每個處理取0～120cm土層土壤，每隔20cm進行1次取樣。此次試驗硝態氮測量采用紫外線分光光度校正因數法，取適量待測鮮土，用2mol·L-1KCl溶液浸取土壤，通過混合、振蕩將土壤中吸附的硝態氮(包括水溶性硝態氮和交換態硝態氮)交換浸取出來，取適量析出液利用硝酸根離子在220nm具有強吸收性，在275nm處無吸收性結合校正因數測定待測樣品硝態氮的吸光度，再通過制定的標準濃度溶液與吸光度建立的函數關系反推土壤硝態氮濃度，進而計算硝態氮含量。

1.3.4 土壤氨態氮測量方法

1.4 數據分析方法

試驗過程中數據收集、記錄、整理和分析采用Excel 2016進行，數據處理采用SPSS 22.0，繪圖采用Origin 2021繪圖軟件進行。

2 結果與分析

2.1 壟作溝灌冬小麥土壤水氮運移規律

冬小麥各處理按量進行施基肥后，對大田進行機耕，并在機耕后進行3d晾田，然后進行播種。不同處理拔節期前按量進行一次追肥處理，全生育期共進行一次施肥處理。冬小麥生育期內按照各處理水分控制下限進行灌水，每次灌水定額為30mm。

2.1.1 不同生育期含水率分布

由圖2可知，不同水肥處理下各生育期內0～120cm土層體積含水率隨土層深度的增加呈現出增加的趨勢。隨水分控制下限增加，0～60cm土層土壤含水率變化幅度大于60～120cm土層土壤含水率的變化幅度。不同施氮水平對不同土層土壤含水率也存在一定的影響，影響集中在0～60cm中，主要表現為隨施氮量增加含水率有略微的減少。

圖2 不同水肥處理下小麥不同生育期土壤體積含水率分布

不同水肥處理條件下，全生育期內越冬期小麥0～120cm各層土壤含水率明顯高于其他生育期，這主要是因為該時間段地表溫度較低，作物植株較小導致田間的騰發量和作物耗水量較低。從拔節期到開花期土壤各層含水率隨生育期的延伸表現為逐漸降低，說明該時間段耗水量較大，主要是因為天氣回暖作以及物植株快速生長增加田間的騰發量。而開花期到成熟期土壤中各層土壤含水量明顯增加，主要是該時期作物生長耗水速率降低導致。

2.1.2 不同生育期硝態氮分布

由圖3可知，W1、W2和W3處理之間隨著含水率控制下限的增加，小麥各生育期0～60cm土層硝態氮含量呈現下降趨勢，60～120cm土層硝態氮含量變化幅度不大。N1、N2和N3處理之間隨著施氮量的增加，各生育期不同土層硝態氮含量均呈現不同程度的增加趨勢，其中0～40cm硝態氮含量增加較為明顯。

圖3 不同水肥處理下小麥不同生育期土壤硝態氮含量分布

不同水肥處理條件下，各生育期之間除拔節期前進行追肥處理后，導致拔節期各土層硝態氮含量增加外，其他時期各層硝態氮含量變化均表現為隨生育期遞減。其中，拔節期到孕穗期時間段硝態氮含量下降最快，說明此時期小麥生長旺盛。

不同水肥處理條件下，各時期不同土層硝態氮含量隨土層深度增加變化規律也存在較大差別。孕穗期和開花期，W1不同施氮處理條件下硝態氮含量隨土層增減逐漸減少，W2不同施氮處理條件下40cm土層深度硝態氮含量比W1同處理條件下變化不大，W3不同施氮處理條件下>40cm土層硝態氮含量比W1和W2同處理下有顯著增加；出苗期、越冬期和拔節期，冬小麥不同處理各土層硝態氮含量隨土層深度增加表現出降低趨勢；成熟期，不同水肥處理條件下各土層硝態氮含量表現為W1、W2處理0～80cm硝態氮變化不明顯，80～120cm硝態氮呈現下降趨勢，而W3處理0～120cm土層土壤硝態氮含量呈現小幅增加趨勢。

2.1.3 不同生育期銨態氮分布

由圖4可知，各處理冬小麥不同生育期不同土層深度土壤銨態氮含量變化差異顯著，小麥全生育期內銨態氮分布表現為集中在表層土層(0～20cm)，20～40cm土層土壤銨態氮急劇降低，土層深度≥40cm土壤中銨態氮含量均較低。排除拔節期前追肥的影響，冬小麥銨態氮含量隨生育期的延伸表現為遞減，其中出苗期到越冬期和拔節期到孕穗期銨態氮含量較其他生育時間段減少最為顯著。開花期到成熟期0～120cm土層各層銨態氮含量幾乎沒有變化。

通過對比各生育期下各處理銨態氮在0～120cm土層中分布情況發現，隨著土壤水分控制下限的增加各處理土層中銨態氮含量有一定的下降趨勢；隨著施氮量的增加各處理土層中銨態氮含量呈現增加趨勢。

2.2 壟作溝灌夏玉米土壤水氮運移規律

夏玉米各處理按量進行施基肥后，對大田進行機耕，并在機耕后進行3d晾田，然后進行播種。夏玉米生育期內同樣按照各處理水分控制下限進行灌水，每次灌水定額為15mm。不同處理開花期前按量進行一次追肥處理，全生育期共進行一次施肥處理。在各處理基礎上定期在夏玉米生育周期內進行土壤體積含水率、硝態氮含量和銨態氮含量測定。

2.2.1 不同生育期含水率分布

由圖5可知，玉米全生育期不同水肥處理下，0～100cm土層體積含水率隨土層深度的增加同樣呈現出增加的趨勢，而100～120cm土壤含水量變化存在較大差異，有的表現為增加，有的減少。隨水分控制下限增加，0～80cm土層中土壤含水率變化幅度大于80～120cm土層中土壤含水率的變化幅度，這主要是因為各生育期內降雨量以及各生育期作物根長度不同，以及80～120cm土層土壤受蒸發影響較弱。不同施氮水平對不同土層土壤含水率也存在一定的影響，影響集中在0～60cm土層，主要表現為隨施氮量增加含水率有略微的減少。

圖5 不同水肥處理下玉米不同生育期土壤含水率分布

不同水肥處理條件下，全生育期內拔節期到抽雄期玉米0～120cm各層土壤含水率明顯高于其他生育時間段，這主要是該時間段降雨非常多導致。從抽雄期到灌漿期土壤各層含水率明顯降低且低于生育時間段，這主要是因為玉米抽雄到灌漿期是夏玉米生長階段需水量最大的時期。而灌漿期到成熟期土壤中各層土壤含水量變化不明顯，主要原因是該時期作物生長耗水速率較低。

2.2.2 不同生育期硝態氮分布

由圖6可知，W1、W2和W3處理之間隨著含水率下限的增加，玉米各生育期0～60cm土層硝態氮含量在降低，60～120cm土層硝態氮含量表現出增加趨勢。N1、N2和N3處理之間隨著施氮量的增加，各生育期不同土層硝態氮含量均出現不同程度的增加。

圖6 不同水肥處理下玉米不同生育期土壤硝態氮含量分布

不同水肥處理下，玉米各處理土壤硝態氮含量各生育期之間的變化差異顯著，除開花期前進行施肥處理使得各處理硝態氮含量增加外，其他各生育期硝態氮含量均隨生育期逐漸降低。從出苗期到拔節期和開花期到灌漿期期間表層(0～20cm)硝態氮含量消耗速率較其他時間段快。各處理灌漿期到完熟期未施肥反而各層土壤硝態氮含量出現小幅增加，應是該時間段土壤含水率下降，土壤通氣良好促進了硝化反應引起了銨態氮向硝態氮轉化。

不同水肥處理下，各土層硝態氮含量隨土層深度增加變化規律差異顯著。出苗期，硝態氮主要集中在表層0～20cm土層中，0～60cm硝態氮含量隨土層深度增加而減少。60～120cm土層土壤中硝態氮含量隨土層深度增加表現為先增加后減少；拔節期和抽雄期各處理0～60cm土層硝態氮含量隨土層深度增加逐漸減少，>60cm土層硝態氮含量均出現有增加趨勢，其中W3處理較W1、W2處理同等條件下60～120cm硝態氮含量多，由此說明由于該時期降雨較多，導致各處理出拔節期和抽雄期出現了不同程度的硝態氮深層滲漏。

2.2.3 不同生育期銨態氮分布

由圖7可知，施氮量一定條件下，W1、W2和W3處理之間隨著含水率控制下限的增加，玉米各生育期0～120cm土層銨態氮含量有下降趨勢但不明顯。水分控制下限一定條件下，N1、N2和N3處理之間隨著施氮量的增加，各生育期不同土層銨態氮含量均出現不同程度的增加，其中表層(0～20cm)增加比較明顯，>20cm土層銨態氮變化幅度較小。

圖7 不同水肥處理下玉米不同生育期土壤銨態氮含量分布

不同水肥處理下，玉米各處理土壤銨態氮含量不同生育期之間的變化差異同樣也主要集中在表層(0～20cm)土壤。灌漿期到完熟期各處理土壤銨態氮含量出現大幅降低，因此該玉米生育時間段土壤中銨態氮含量消耗速率較其他時間段快。拔節期到抽雄期土壤各處理土壤銨態氮含量變化不明顯，因此該時間段降雨較多影響土壤中硝化反應速率，導致土壤中銨態氮消耗速率較低。除拔節期到抽雄期，其他各生育時間段銨態氮含量均表現為下降。

不同水肥處理下，各土層銨態氮含量隨土層深度增加變化規律有所差異。除完熟期各層土壤中銨態氮含量差別不大，其他各生育期各土層銨態氮含量均主要集中在表層(0～20cm)土壤，≥20cm土層土壤中銨態氮含量很少。

2.3 作物產量及產量構成

冬小麥不同水分控制下限處理下，小麥產量隨土壤水分下限的增加而增加，W2處理比W1產量平均提高5.02%，W3處理比W1處理產量平均提高12.76%；不同施氮處理下小麥產量隨施氮水平的增加表現為先增加后減少，N2處理比N1處理產量平均提升5.85%，W3處理比W1處理產量平均增長2.12%。除此之外，其他產量構成因素也隨水肥處理變化表現不同，如穗長隨施氮量的增加而增加，隨土壤水分控制下限的增加表現出先增加后減小；密度隨施氮量的增加表現出先增加后減小，隨土壤水分控制下限的增加而增加。

表2 不同水肥處理冬小麥、夏玉米產量與產量構成

夏玉米不同水分處理對玉米產量影響和小麥表現規律一樣。其中，不同水分控制線下限下，W2處理產量比W1處理平均增加3.26%，W3處理產量比W1處理平均增長8.36%；不同施氮水平下，N2處理產量比N1處理平均增加2.63%，N3處理產量比N1處理平均增加0.83%。對于玉米果長來說，施氮量和土壤水分控制下限的增加均對其有促進作用；單株粒數隨水分控制下限增加而增加，隨施氮水平增加表現為先增加后減少。

3 討論

3.1 水肥耦合對小麥、玉米土壤水分分布的影響

經前人研究土壤水分的分布在土層中主要受到土壤結構、灌溉方式、灌溉定額以及灌溉次數等因素的調節[7]。在采用相同土壤、灌溉方式和灌溉定額時，土壤水分控制下限越高土壤初始含水率越高，同等條件下生育期內灌溉次數越多。陳琳等[8]通過室內試驗發現，土壤初始含水率越大在進行灌水時土壤中的濕潤鋒越大，進而對土壤水分分布影響范圍也就越大。為具體探究該問題，本研究設定3種灌水方案和3種施氮水平，即3種水分下限60%θf(W1)、70%θf(W2)、80%θf(W3)和3種施氮水平120kg·hm-2(N1)、220kg·hm-2(N2)、320kg·hm-2(N3)。通過對比發現，隨著施氮量的增加，小麥-玉米不同生育期>60cm土層硝態氮含量均發生了不同程度增加，其中小麥0～40cm土層和玉米0～60cm土層中含水率呈現小幅度的較少，而>60cm土層小麥-玉米含水率無顯著變化。原因在于，在一定施氮水平范圍內隨著施氮水平的增加土壤中的基質勢增加，導致土壤0～60cm土壤中水勢增加，促進土壤水分向水勢低的下層運動；隨著施氮水平的增加促進了植物生長，增加了植物耗水量，進而導致小麥0～40cm土層和玉米0～60cm土層土壤含水率降低；玉米根系比小麥根系長，能影響更深層土壤的含水率分布。綜合小麥-玉米全生育期土壤水分分布規律來看，隨著水分控制下限的提高，0～60cm土層含水率出現顯著的提升，而>60cm土層變化不明顯，說明0～60cm土層比較活躍，受降雨和蒸發量影響較大，這與孫寧霞等[9]結論一致。

3.2 水肥耦合對小麥、玉米土壤氮素分布的影響

由于小麥-玉米追肥時均采用水肥一體化施肥，因此小麥-玉米追肥后土壤中氮素的運動規律受到土壤水分分布的巨大影響。合適的水肥處理可以顯著減少土壤中氮素深層滲漏的現象[10]。從本次研究結果中可以發現，小麥-玉米各生育期內施氮量對不同土層中土壤硝態氮含量的影響結果跟前人研究基本一致，即不同土層土壤中硝態氮含量與施氮量呈正比[11，12]。而關于不同灌水水平對不同土層土壤硝態氮含量分布的影響結論不全一致。部分人認為隨著田間的輸水量增加土壤中硝態氮向深層滲漏越嚴重，部分人認為增加輸水量土壤中硝態氮含量滲漏并不是很嚴重[12，13]。本研究表明，無論是小麥還是玉米，水分控制下限從60%θf增加到70%θf各生育期，0～120cm土層土壤硝態氮含量變化不大，因此表層硝態氮為產生明顯向土壤深處運動趨勢。而水分控制下限從60%θf增加到80%θf，小麥生育后期(孕穗期到成熟期)0～60cm土層硝態氮含量出現小幅的較少，60～120cm土層硝態氮出現小幅的增加，說明小麥生育后期土壤水分控制下限從60%θf增加到80%θf，土壤硝態氮有向深層運動的趨勢；玉米拔節期-抽雄期0～60cm土層硝態氮含量出現小幅的較少，60～120cm土層硝態氮出現一定程度的增加，說明玉米抽雄期-拔節期土壤水分控制下限從60%θf增加到80%θf，部分土壤硝態氮向深層土壤運動。隨著施氮量的增加，小麥-玉米各生育期內0～120cm土層土壤中硝態氮增加幅度不盡相同，其中0～60cm土層中土壤硝態氮含量隨施氮量增加的幅度較60～120cm土層大。不同生育期硝態氮含量隨施氮水平增加表現規律也不盡相同，小麥出苗期、越冬期和玉米的出苗期施氮量的增加對土壤硝態氮含量影響較其他時期大[13]。

小麥和玉米各生育期內不同土層硝態氮含量變化不盡相同。隨作物生長并不斷吸收土壤中硝態氮，在不考慮追肥的影響下，小麥-玉米隨生育期的延伸0～120cm土層土壤中硝態氮含量逐漸降低。由于不同生育期作物根系長度不同，對土壤中硝態氮影響深度也不同，小麥-玉米生育前期土壤中硝態氮消耗主要集中在0～20m土層，剩余生育時間段硝態氮消耗主要集中在0～60cm土層。

相較于硝態氮的分布情況，銨根離子帶有正電荷，因此容易被帶有負電荷的土壤膠粒吸附，這就使得銨態氮較不容易受到淋溶的影響[7]。本研究的結果同樣顯示，當土壤水分控制下限從60%θf增加到80%θf時，小麥-玉米0～120cm各層的土壤中銨態氮的變化并不大，這表明在一定范圍內增加土壤水分控制下限對銨態氮在0～120cm土層中的分布影響并不大。通過對比施氮量從120kg·hm-2增加到320kg·hm-2的小麥-玉米各生育期內銨態氮的分布規律，可以發現施氮量的增加能夠顯著提高0～20cm土層中的銨態氮含量。

3.3 水肥耦合對小麥、玉米產量及產量構成的影響

前人研究表明[14，15]，灌水和施氮對作物產量有促進作用，但是在作物生長發育中水肥耦合存在一個臨界閾值，低于此臨界閾值可通過增加水肥投入促進增長，但高于此臨界閾值時，增產效果不明顯或有可能減產。從本試驗結果可以看出，在同一施氮量下，隨水分控制下限的增加而增加，而相同水分控制下限下，小麥-玉米產量最大的卻是N2處理。說明水分控制下限在60%θf～80%θf范圍內，水分控制線下限對小麥-玉米產量有促進作用，施氮量在120～320kg·hm-2范圍內，施氮量對小麥-玉米產量的促進作用存在一個閾值，即220kg·hm-2。

4 結論

不同水肥處理壟作溝灌小麥-玉米，各生育期土壤剖面水分分布差異顯著。0～60cm深度土層受降雨、灌水和騰發影響大，在整個生育期內0～60cm土層土壤含水率變化比深層(>60cm)土壤含水率變化劇烈。從小麥-玉米各生育期土壤含水量變化規律來看，提高水分控制下限明顯增加了小麥-玉米生育期內土壤0～60cm土層含水率，施氮量增加對0～60cm土層土壤含水率有降低趨勢。對于小麥-玉米全生育期灌水次數來說，增加土壤水分控制下限明顯增加了小麥-玉米生育期灌水次數。

不同水肥處理對小麥-玉米同生育期內氮素分布影響顯著。施氮量的增加能顯著提高硝態氮0～60cm土層和銨態氮0～20cm土層中的含量；試驗控制范圍內，隨土壤水分控制下限的增加，作物生育期內土壤中氮素均未產生明顯向的深層土壤運動的趨勢；作物生育越旺盛土壤中氮素變化越劇烈。

不同水肥處理對小麥-玉米產量影響顯著，水肥耦合對作物生長存在一個臨界閾值，低于該值增加水肥投入可以促進作物高產，但高于該值時存在可減產風險。

因此，通過本次田間小麥-玉米試驗分析，本研究認為壟作溝灌種植模式下，小麥-玉米連作時，W3N2處理對小麥-玉米效益最高，即灌水水分控制下限為80%θf，施氮量為220kg·hm-2。由于本試驗存在一定的局限性，因此可以該試驗結果為依據，進一步通過構建模型、數值模擬以尋求不同條件下小麥-玉米的最優水肥制度，以期為壟作溝灌灌溉模式下種植的作物提高科學指導。