液施肥不同畦灌方式对土壤水氮分布及夏玉米生长性状影响

刘 洋，李金山，孙秀路，韩启彪，陈 震，杜思琦

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所 河南省节水农业重点实验室 农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002； 2.中国农业科学院研究生院，北京 100081)

地面灌溉具有投资小、能耗低、灌水方式简单、管理方便等优点[1,2]，我国86%以上灌溉方式为地面灌溉[3]。地面灌溉主要包括畦灌和沟灌，畦灌较沟灌应用更广，是目前豫北地区主要灌溉方式。为改进地面灌溉技术，实现畦灌条件下的水肥高效利用，国内外许多学者[4-8]围绕施肥灌溉方式展开研究，证明液施和波涌畦灌均为有效措施；畦田规格是灌水施肥质量的重要影响因素[9,10]，众多学者[11-14]通过优化畦田规格来提高水肥利用率。目前豫北地区仍以长畦灌为主，长畦改短畦难以有效推广，经过对周围村庄的简单调研，有80%以上的畦田长于150 m，赵波[15]也认为在北方还有很多长畦。以往对于短畦水氮分布研究较多，为此有必要探究长畦条件下不同畦灌方式的水氮分布，为豫北地区选择合理的畦灌方式提供技术支持，从而减少水氮施用量，提高水氮利用率。本试验以豫北地区夏玉米为例来探究长畦液施不同畦灌方式下水氮分布及对夏玉米长势的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年6月至10月在中国农科院新乡综合试验基地进行。基地位于东经113.8，北纬35.1，属温带大陆性气候，年均降水580 mm，集中于6-10月，年均蒸发量2 000 mm，年均气温14°。以冬小麦—夏玉米连作为主。试验区土壤主要为砂质壤土和壤土，土壤干容重在1 m土层深度内平均值为1.48 g/cm3，1 m至2 m土壤砂土较多，均值为1.44 g/cm3，0～60 cm土层平均田间持水率为30.13%，土壤物理性质见表1。

表1 试验田土壤物理性质

1.2 试验设计

试验考虑设置常规畦灌(C)和波涌畦灌(S)2个处理，每个处理重复3次，共布设6条规格为3.5 m×200 m的封闭畦田，为防止畦田间的影响，相邻畦田间设立2 m×200 m隔离带。试验区处理由东向西布置顺序为C、C、C、S、S、S。沿畦长方向设置3个取样点，分别距畦首10、100和190 m。具体布置如图1所示。

图1 试验小区布置图(单位：m)

试验前按坡度1/800进行平地处理。种植作物为夏玉米(先玉335)，于2018年6月24日播种，10月22日收获，总计120 d，观测夏玉米4个主要生育期：苗期(7月11日)，拔节期(7月27日)，大喇叭口期(8月21日)和完熟期(10月2日)。水源选用浅层地下水，由管道引入田间，单宽流量为3.71 L/(s·m)。播种深施复合肥750 kg/hm2，全生育期共追肥(尿素)两次，拔节期135 kg/hm2，大喇叭口期90 kg/hm2，采用太阳能灌溉施肥车(专利号：ZL 2014 1 0166540.7)全程液施。由于常规畦灌改水成数对灌水质量影响较大[16]，故综合考虑土壤疏松度、畦田规格和单宽流量，改水成数取0.9[17]，波涌畦灌设置为定流程—变时段方式(距离灌水法)，依次为80、140和200 m。由于拔节期灌水后有降雨，故本文中灌水数据为拔节期和大喇叭口期数据，灌水后土壤水氮数据为大喇叭口期的数据。

1.3 观测项目与方法

1.3.1 土样测定

在灌前1天、灌后3天和7天于3个取样点采用人工土钻取样。0～200 cm土层，每20 cm分层取样，分装铝盒和自封袋，铝盒土样用烘干法测定土壤质量含水率，计算土壤体积含水率，自封袋土样用A33连续流动分析仪测定土壤硝态氮含量。

1.3.2 考种及产量

收获前，在每畦畦首、畦中、畦尾随机选取1 m2进行考种，测量玉米穗长、穗粗、穗干重、穗粒数、芯干重和百粒重，计算理论产量。

1.3.3 水氮再分布评价指标

采用变异系数CV对不同处理下的土壤体积含水率及土壤硝态氮含量沿畦长的空间分布变异性进行定量评价。变异系数能够反映离散分布状况和空间变异程度，计算公式为：

(1)

式中：SD为标准偏差；MN为平均值；CV值越大，其分布越离散、变异程度越大，CV值越小，其分布越集中、变异程度越小。CV≤0.1为弱变异性，0.1

用储水效率EW和储氮效率EN来定量描述根系活动层的土壤水氮含量占0～100 cm土层相应值的比例，用灌水效率EaW和施肥效率EaN来定量描述根系活动层集聚的水氮含量。计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

净灌水量和净施肥量为一次灌水后进入根系活动层的水量和硝态氮含量，是灌后和灌前相应值之差，毛灌水量和毛施氮量为灌入田间总水量和施入田间总氮含量。

1.4 统计及分析

使用Excel2007处理数据，Surfer12.4绘图，采用SPSS25进行显著性分析，差异显著性采用在0.05水平下的T检验。

2 结果与分析

2.1 土壤水分再分布评价

图2为夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天沿畦长土壤平均体积含水率分布图，由图2可知，0～60 cm土层土壤初始含水率介于8.28%～31.46%，平均体积含水率仅为田间持水率的68.62%，夏玉米正处于大喇叭口期，持续的低含水率会影响其生长，最终导致减产。灌后3天0～200 cm土层土壤含水率整体增加，其中0～60 cm土层的土壤含水率相对变化最大，波涌畦灌和常规畦灌土壤含水率分别较灌前提高了44.38%、44.77%。由此可见，波涌畦灌和常规畦灌灌水后增加的水量无显著差异；灌后3天，波涌畦灌含水率翘尾现象较常规畦灌更为明显，由于波涌畦灌水流推进至200 m处停水，故导致水在畦尾汇集。常规畦灌灌水效果良好，说明本试验选取的改水成数能保证水分的充足供给，同时减少水的浪费。

图2 夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天沿畦长土壤平均体积含水率分布

由表2可知，灌前土壤含水率均匀性基本呈中等变异性。灌后3天与灌后7天土壤含水率均匀性良好，0～60 cm土层内，各处理呈现弱变异性。由此可知，常规畦灌和波涌畦灌在长畦条件下均可达到较好的灌水效果，变异性差异不大，波涌畦灌CV值略小于常规畦灌，说明波涌畦灌更有利于水分的均匀分布。灌后7天与灌后3天的CV值变化不明显，说明水分在灌后3天已经均匀分布，再分布对变异性影响较小。

由表3可知，在大喇叭口期，波涌畦灌水流推进至180、200 m时毛灌水量较常规畦灌平均高18.51%、34.48%，灌后3天灌水效率低于常规畦灌16.62%、26.52%，储水效率EW和净灌水量无明显差异(P>0.05)。在拔节期，波涌畦灌水流推进至180、200 m时毛灌水量较常规畦灌平均高44.89%、62.48%。

表2 土壤体积含水率沿畦长变异系数CV

2.2 土壤氮素再分布评价

由图3可见，灌后3天0～200 cm土层硝态氮含量相比灌前有所增加，波涌畦灌在0～60 cm土层硝态氮含量平均增加4.94 mg/kg，比常规畦灌高57.83%，个别点硝态氮含量下降，原因可能是灌前部分土壤硝态氮含量偏高，同时液施溶液中氮素浓度较低。波涌畦灌和常规畦灌80～200 cm土层平均增加4.47、3.64 mg/kg，说明已有氮素流失至根系活动层以下。图3中可看出波涌畦灌灌后硝态氮分布相比常规畦灌更均匀。灌后7天硝态氮含量略有下降，是由于夏玉米处于大喇叭口期，生长旺盛，对氮素的吸收速率快。灌后3天比灌后7天0～60 cm土层硝态氮含量高7.68%，证实许迪[19]等研究中指出灌后3天土壤中氨态氮大多数已经硝化。

由表4可知，对于土壤硝态氮含量变异性，灌前0～60 cm土层CV值属中等变异性；灌后3天，0～60 cm土层CV值相比灌前下降0.09～0.39，基本属中等变异性。由此可知，灌后3天常规畦灌变异性强于波涌畦灌，波涌畦灌可以提供一个更均匀的土壤氮素分布环境。灌后7天，波涌畦灌CV值相比灌后3天变化不大，但是常规畦灌变化较大，经分析，波涌畦灌灌水量大，储存于根系活动层以下水量多，硝态氮再分布时，部分水分会通过毛管作用上升至根系活动层，以利于改善和维持稳定、均匀的氮素分布环境。对比表2及表4可知，土壤含水率CV值低于硝态氮的CV值，经分析，氮素进入土壤，氨态氮易被土壤胶体吸附，后期通过硝化作用转换为硝态氮，而硝态氮随水走，所以造成灌后3天土壤硝态氮的CV值高于土壤含水率。

表3 0～60 cm土层灌水质量指标

注：(180)和(200)表示波涌畦灌水流推进至180 m和200 m处的毛灌水量。

图3 夏玉米大喇叭口期灌前、灌后3天和7天土壤硝态氮含量(mg/kg)沿畦长空间分布

表4 土壤硝态氮含量沿畦长变异系数CV

由表5可见，波涌畦灌和常规畦灌EN无明显差异，灌后3天波涌畦灌净施氮量较常规畦灌高57.83%，说明波涌畦灌更有利于氮素在根区的储存。由表3及表5可知，硝态氮在根系层的储存比例略高于土壤水分，说明氮素比水更容易留在根系活动层内。由表4及表5知，波涌畦灌CV值和净施氮量均优于常规畦灌，说明在长畦条件下波涌畦灌可为作物提供更适宜的氮素分布环境。

表5 0～60 cm土层施氮质量指标

2.3 不同处理对夏玉米产量及干物质的影响

净灌水施肥量及其均匀性影响作物产量及干物质的积累，表6所示波涌畦灌各项指标均高于常规畦灌，证实上述图表中所述波涌畦灌更能提供一个适宜夏玉米生长的水氮环境。经对比分析，波涌畦灌考种指标比常规畦灌高0.94%～9.31%，产量提升0.75%，同时干物质积累总量提升2.00%。

表6 不同处理下夏玉米产量构成、产量及干物质积累

3 讨 论

本试验不同的灌水方式对土壤体积含水率变异性影响较小，灌后3天0～60 cm土层均属弱变异性，不同的灌水方式均可形成良好的水分分布环境，波涌畦灌略优于常规畦灌。波涌畦灌在此次试验灌水量大，推测与土壤密实度关系密切，土壤密实度大，常规畦灌可以达到良好的灌溉效果，波涌畦灌失去了相对优势。李金山等[20]早年研究指出波涌畦灌更适合土壤质地疏松的畦田，今后的试验需探究不同的土壤质地、地面平整度、单宽流量、入渗系数、地面坡度等因素对波涌畦灌灌水质量的影响，以作为波涌畦灌适应性的指导。

对于不同灌水方式对氮素分布的影响，灌后3天0～60 cm土层基本属中等变异性，波涌畦灌比常规畦灌CV值小39.05%，净施氮量高57.83%，说明波涌畦灌较常规畦灌更有利于为作物生长提供适宜的氮素分布环境，这与费良军[8]研究结果类似。硝态氮在根系层的储存比例略高于土壤水分，说明氮素比水更容易留在根系活动层内，与许迪[19]研究结果类似。

波涌畦灌夏玉米生长状况较常规畦灌更好，分析有3个原因：波涌畦灌下水氮分布更均匀，有利于夏玉米的生长；波涌畦灌下留存于根系活动层的氮素较多；波涌畦灌灌水量大，留存于根系活动层以下的水量多，部分水可借助毛管力作用为作物提供水分[21]。

4 结 语

(1)试验条件下，灌后3天，0～60 cm土层，波涌畦灌和常规畦土壤含水率较灌前提高了44.38%、44.77%，硝态氮含量增加4.94、3.13 mg/kg，波涌畦灌水氮分布均匀性和净施氮量优于常规畦灌，认为波涌畦灌较常规畦灌更能提供适宜于作物生长的水氮分布环境。

(2)本次试验波涌畦灌灌水量大，有必要探究不同土壤质地、地面平整度、单宽流量、入渗系数、地面坡度等因素对波涌畦灌在大田应用中灌水质量的影响。

(3)本次试验条件下，拔节期和大喇叭口期在波涌畦灌相对常规畦灌多灌水62.47%、34.48%，使其考种指标普遍较高，各项指标比常规畦灌高0.94%～9.31%，产量提升0.75%，同时干物质积累总量提升2.00%。