基肥施用方式和灌水量对土壤水分动态和玉米产量影响

王利书，杨宝斌，王丽玄，周 客，程东娟

（河北工程大学水利水电学院河北省水资源高效利用工程技术研究中心，河北邯郸056038）

0 引言

玉米作为我国重要的粮食作物之一，在工业、食品、饲料等各方面都有着广泛的用途[1,2]，而华北平原作为我国主要的玉米生产基地，对保障我国粮食安全具有极其重要的战略意义。该地区的农民为了增产[3,4]，大量施用基肥[5,6]，这不仅导致了肥料的浪费和生产成本的提高，甚至使得玉米产量降低，造成了土壤盐碱化[7-9]。同时，不合理的灌溉也导致了严重的水资源浪费现象。因此，探讨不同基肥施肥方式和灌水量下对玉米的影响，对提高该区域水肥利用率和生态效益、确保作物高产具有重要意义[10]。水和肥一直是决定玉米产量的重要影响因素，康绍忠[13]等通过杂交玉米试验研究表明水是决定玉米产量的主要因素，而肥料是次要因素。Li等[14]通过试验研究得出控制施肥和最优灌溉相结合有利于玉米产量的增加。M.Gholamhoseini 等[15]研究灌溉和氮肥水平对玉米产量的影响，试验结果显示玉米的产量随着灌水量和施氮量的增加而增加，但同时使硝态氮淋失增加，氮肥利用效率降低。秸秆还田改变了田间水肥的效应，张亮等[11]通过大田试验研究发现秸秆还田配施氮肥处理的作物水分利用效率明显高于不施氮肥处理。白伟等[12]研究表明，秸秆还田配施氮肥可显著提高土壤含水量，降低土壤容重，调节土壤三相比。目前大多数学者研究了土壤施肥方式、灌溉方法、灌水量单因素下对作物产量及水肥利用效率的问题[16-18]，亦有学者对土壤施肥方式和肥量对作物产量和氮肥利用效率的影响进行了相关研究[19-21]，但对华北地区秸秆还田条件下改进土壤基肥施用方式和灌水量对土壤水分和作物产量的同步研究较少[22,23]。针对华北地区玉米水肥利用效率低且造成一定的面源污染问题，本研究通过大田试验对基肥不同施用方式和灌水量下秸秆还田土壤水分特征和玉米生长性状做了深入探讨，旨在为华北平原玉米施肥制度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该试验于2017年和2018年6-10月份在河北省邢台市宁晋县原种场（114°53′ E， 37°37′ N）进行。宁晋县海拔25～35 m，处于暖温带大陆性气候区，属半湿润气候。年平均气温13 ℃。1月平均气温-4.2 ℃，4月平均气温14 ℃。7月平均气温26.7 ℃，10月平均气温13.4 ℃。极端最低气温-23.3 ℃，极端最高气温41.9 ℃。≥3°积温4 718 ℃，≥10°积温4 389 ℃。年平均降水量501 mm，年内分配不均，年际变化较大。年日照2 501 h。早霜始于10月中下旬，晚霜终于4月上旬，无霜期约200 d。

供试作物为玉米，品种为伟科966，肥料为缓释肥[24,25]，6月15日-6月18日播种，10月2日-10月5日收获。试验地土壤基本性质见表1。试验区土壤0～21 cm 为轻壤土，21～45 cm为重壤土，45～90 cm 为轻黏土，90～100 cm 为砂壤土。土壤容重为1.44 g/cm3，土壤田间持水量占总质量27%。

表1 供试土壤基本性质

1.2 试验设计

采用对比试验设计，设两个因素、三个水平，见表2。两个因素分别为施肥方式和灌水量。基肥施用方式为耕后施肥A和耕前施肥B，耕前施肥为小麦秸秆全量还田旋耕前将基肥由机械均匀条施撒入，耕后施肥为小麦秸秆全量还田旋耕后人工均匀撒施，各小区施肥量为600 kg/hm2，生育期不再追肥。设3 个灌水量水平，分别为450 m3/hm2、600 m3/hm2和750 m3/hm2。整个生育期只在6月23日差异灌水1 次。试验采用两因素三水平无重复试验设计试验，共计6个处理，每个处理的面积均为7.2 m×18.6 m。

表2 试验设计方案 m3/hm2

1.3 测定项目与方法

（1）土壤含水量。灌水后第一天（6月24日）、苗期（7月10日）、拔节期（7月27日）、抽雄吐穗期（8月15日）和收获（10月2日）取土，取土深度达100 cm，每10 cm 为一层，采用烘干法测定土壤含水量。

（2）降雨。对整个玉米生育期的降水情况都进行了监测。

（3）玉米植株性状测定。每个小区挂牌标记10 株玉米，在玉米苗期、拔节期、抽雄吐穗期和收获时测定玉米生长指标。

（4）收获与测产。玉米收获时考种测产。

1.4 数据分析

利用origin和SPSS软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 各处理下不同生育期内土壤水分动态变化趋势分析

不同施肥方式不同灌水量土壤水分动态变化见图1，从图1各处理的纵剖面看，在两种不同基肥施用方式下，除了灌后第一天其剖面含水率分布曲线呈现“S”形特征外（强弱明显受到基肥方式的影响，具体为第一种基肥方式下表现的较第二种更为明显），其他的剖面含水量分布曲线在各生育期内的变化趋势基本相似，大致呈现出两端低，中段高的“几”字形变化特征，即浅层土壤和较深层土壤含水率明显低于中间土层的土壤含水率。另外，从横向处理上看（比较A1、A2、A3 或者B1、B2、B3），灌水量的不同并没有改变这种趋势，反而使这种趋势变得更加明显起来；第二，对于各处理，在时间维度上的变化走向大致可分为3 个阶段：6月24日至7月10日，7月10日至7月27日，7月27日至收获（图1）。在一定土层深度内，在6月24日至7月10日，各处理上层土壤含水量大幅度减少，中层含水量明显增多，下层含水量则变化不大，这是因为6月24日为播前灌水后第一天，上层土壤含水量因播前灌水明显增大，随后土壤水分进入再分布，上层水分逐渐向下移动，表现为上层土壤含水量减小，中层含水量增大，而下层受再分布影响较小变化不大。7月10日至7月27日，因为玉米生育期已完全进入雨期，土壤受水量增大，同时各处理土壤上层因玉米耗水和土面蒸发水分减少，因此整个土壤剖面含水率较7月10日都有所升高，且上层含水量较中层含水量偏小。7月27日至收获阶段，随着玉米生育期的延长，尤其接近收获时降雨逐渐减少，基本表现为不同灌水量处理的浅层土壤的含水量随着生育期延长而大幅度减小，而中层土壤含水量分布较稳定，变化不大。土壤水分在3个阶段的变化与降雨量和玉米的生育时期有关，8月份前由于玉米生长量小，耗水量以土壤蒸发为主，而此时的蒸发受灌溉影响较大，表现为灌水量增多，蒸发量增大，进入8月后，降雨量增多，玉米由拔节期进入大喇叭口期，此后由于玉米生长量和降雨量增多，耗水量以玉米蒸腾为主。第三，由纵向比较图1各处理看，基肥方式对土壤纵深剖面含水量的时空分布有较大的影响。耕后施肥的土壤含水率在玉米不同生育期表现为浅层差异较大，其受外界影响较明显，而中下层则在时空上的变化并不十分明显，有聚拢趋势。而对于耕前施肥处理而言，不同生育期各土层的土壤含水率分布差异都较大，较之耕后施肥处理，下层土壤含水率分布呈现明显的分散趋势。

图1 不同施肥方式不同灌水量土壤水分动态变化

2.2 不同基肥施用方式和灌水量对土壤水分分布影响

不同基肥施用方式下灌水量对土壤水分分布影响见图2和图3。先就同一基肥施用方式而言，不同生育时期的土壤水分纵剖面的分布形态大体相近，试验早期土壤含水率受灌水设置影响较大，图中具体表现为在6月24日至7月27日，灌水水分设置最多的水分曲线基本处于最上层，即各层土壤含水率随最初灌水量的增加而依次呈现上升趋势。而对于后面两个生育期，这种设置已无明显的上述规律倾向，分布较无序；从各处理水分变化的基本规律看，3个灌水量处理的剖面土壤含水量随深度的变化趋势大致呈现出3个阶段，其具体表现对于两种基肥施用方式又有些许不同。对于耕后施肥方式，0～30 cm 以及60～100 cm 的土壤含水率主要呈减小趋势（根系分布主要层次，为主要耗水及蒸发层），而30～60 cm 为土壤含水率主要增大阶段，且60 cm 左右的土层为出现极值的主要峰点；而对于耕前施肥方式而言，峰值点有所下移，出现在了70 cm 左右的土层，这种现象说明基肥施用方式对原有土壤水分在垂向上有再分布的影响。另外，对同一生育期内不同基肥施用方式所显现出来的结果进行比较还可发现，耕前施肥处理中，各生育期内不同灌水量下的水分分布曲线较耕后施肥处理有明显的分散趋势，这种影响可能是由于不同的基肥方式改变了土壤空隙以及结构性，使土壤的土水势在空间上发生了明显的变化，所以导致土壤水分纵剖面的分布形态有了明显的不同。

图2 耕前施肥灌水量对土壤水分分布影响

图3 耕后施肥灌水量对土壤水分分布影响

2.3 不同灌水量下基肥施用方式对土壤剖面水分分布的影响

不同灌水量处理下施肥方式对土壤水分分布的影响见图4。在同一灌水量情况下，比较各生育期土壤水分动态变化的分布曲线可发现，施肥方式在时间维度上对土壤含水量剖面分布趋势影响不同，表现为在6月24日至7月27日，两种基肥方式下的土壤含水量剖面分布曲线差异较明显，尤其是中下层土壤更为显著，具体表现为0～30 cm 深度内水分曲线出现基本的重叠， 而30～100 cm 的曲线则表现为分散。对于后面两个生育期而言，这种差异则不明显，曲线分布较一致。

图4 不同灌水量处理下施肥方式对土壤水分分布的影响

一些文献研究结果表明，肥料使用方式和施用量会对水分入渗和分布产生影响，表现为有些肥料施入后会促进水分运移，增大相同灌水时间的入渗量。本文中基肥施用方式对土壤剖面含水量分布亦有影响，可能是因为耕前施肥将肥料施在了土壤表层，经机械耕种后，肥料颗粒被均匀地混入了上层土壤中，当灌水入渗时，土壤中的固体肥料颗粒随湿润锋下移而慢慢进入水溶液当中，所以水中的溶质（肥料）含量是一个慢慢增大的过程，相应地溶质对土壤水势的影响也就成了一个渐进的过程。而耕后施肥则不同，肥料施到土壤表层，在没有机械扰动的情况下，播后灌水时表层肥料直接遇水充分溶解并参与水分下渗，即初始溶质浓度就较耕前施肥处理高，进而一开始就对土壤水势造成了较大的影响，这种影响可能对水分向下运移有促进作用，所以在中下层土壤水分含量中，耕后施肥设置总体上高于耕前施肥处理。

2.4 施肥方式和灌水量对玉米耗水影响

试验年为干旱年，日降雨量见图5，整个生育期降雨198.8 mm，播前灌水1 次，拔节前降雨62.2 mm，播种到大喇叭口期玉米耗水以土壤蒸发为主，处理间耗水量差异主要由于灌水量差异引起；吐丝后降雨合计83 mm 满足玉米耗水，玉米生长差异逐渐减小，而此时玉米耗水转以蒸腾为主，处理间耗水量差异减小。前期（抽雄开花时期前，恰好是玉米需水临界期前）的耗水主要为土壤蒸发，而灌水量增大，加大了蒸发，因此可以考虑在玉米需水临界期前改变灌水方法减少土面湿润面积（如沟灌等），还可以基于公共气象服务的长期预报调节玉米前期灌水量（如根据未来40 多天的降雨量情况，来设置前期需要的灌水量），从而减少蒸发量，最终减少灌水量。

图5 2017年夏玉米生育期日降雨量

不同施肥方式和灌水量对玉米耗水影响见表3。由表3 可知，玉米生长阶段耗水量和日耗水量在全生育期均呈显先增大后减小的趋势，其中，阶段耗水量以播种—苗期为最少，只占总耗水量1%～6%左右，而而以拔节—大喇叭口期最多，占总耗水量29%～33%左右，同时日耗水量也于此表现趋势相同。另外，在相同的施肥方式下，除播种-苗期以及吐丝-成熟期外，其他各玉米生育期的耗水量一般随着灌水量的增加呈增大的趋势，如在耕后施肥的方式下，相对于灌水量为450 m3/hm2的耗水量，灌水量为600 m3/hm2和750 m3/hm2的耗水量分别增加了10.2%、20.2%；当灌水量相同时，比较各生育期不同施肥方式下的耗水情况可发现，除播种-苗期外，由施肥方式引起的两处理间的差异并不明显，同时对于各施肥方式下的总耗水量而言，耕前施肥与耕后施肥的耗水变化量不大，说明施肥方式的不同对玉米各时期耗水造成的影响并不显著。

表3 不同施肥方式和灌水量对玉米耗水影响

2.5 施肥方式和灌水量对玉米产量的影响

各处理玉米的穗长、穗粗、穗重、百粒重等产量指标见表4。由表4 可知，在相同施肥方式下，随灌水量的增加，除秃尖长减小外，穗长、穗粗、穗重、百粒重、穗轴重和穗行数呈明显增大趋势，说明灌水量对玉米产量的影响显著。在灌水量相同的情况下，玉米耕后施肥的穗长、穗重、穗粗、百粒重、穗轴重和穗行数相较之耕前施肥都有不同程度的提高，如A1 处理的穗长、穗粗、穗重、百粒重、穗轴重和穗行数与B1 处理相比分别增加了5.6%、8.8%、2.4%、4.0%、12.6%、6.7%，结果说明耕后施肥处理更有利于玉米高产。同时对玉米产量各指标进行方差显著性检验分析，结果由表4不同字母标出，从各处理之间差异的程度大小可看出，施肥方式对玉米产量的影响要小于灌水量对玉米产量的影响。

表4 不同施肥方式和灌水量对玉米产量的影响

3 讨论

（1）玉米作为我国重要的粮食作物之一，解决了大部分人的温饱问题。因此，玉米的产量深刻影响着我国的粮食安全。本研究通过研究大田中不同土层深度的土壤含水量及玉米发育生长时期的指标，旨在阐明基肥施用方式和灌水量对土壤水分动态分布和玉米产量的影响机制，不同的基肥施用方式对土壤剖面含水量动态分布有不同程度的影响，可能是由于两种施肥方式所施入土壤的肥料在参与水分动态迁移与土壤空间结构重建上出现了在时间上和空间上分布的不同，从而导致土壤水势在土壤空间上分布的差异，外在体现即为土壤剖面含水量的不同。关于这方面的论述，一些文献研究结果也表明，肥料使用方式和施用量会对水分入渗和分布产生影响，有些肥料施入后会促进水分运移，增大相同灌水时间的入渗量[26,27]。

（2）本研究关于灌水量对玉米产量和耗水方面的影响，前期玉米耗水主要以土壤蒸发为主，处理间耗水量的差异也主要是由于灌水量差异引起，表现为灌水量越大，耗水量越大，且这种差异比较显著；后期由于植株迅速成长，叶面积增大，作物蒸腾作用增强，同时生育期进入雨季，降水能够满足玉米耗水，耗水主要以蒸腾为主，各处理间耗水量差异也逐渐减小。而对于基肥施用方式对玉米整个生育期耗水情况的影响而言，如果排除试验偶然性因素对播种-苗期耗水的影响，可以猜测基肥施用方式对前期土壤蒸发是有一定影响的，所以才产生了播种-育苗期灌水量相同的情况下耗水量有显著性差异的现象产生，而后面几个生育期的这种差异并不显著说明基肥施用方式对植株蒸腾耗水没有太多影响，因为前面已经说过前期主要是土壤蒸发耗水，而后期则是蒸腾耗水。当然这里排除一些与试验无关的外在偶然因素下所作的猜测，后续研究可以进一步细化该试验，设置有利于佐证该猜测的试验条件。

（3）本研究主要对种植玉米大田土壤的水肥性质进行分析，通过查阅文献可以得知，土壤中的微生物对玉米的生长也有不可或缺的作用，尤其是当微生物活跃后土壤中的酶活性有了显著的提高[26]。因此，在接下来的研究中可以通过设置不同的施肥种类作为自变量来观察土壤中的酶活性，进而研究对玉米的各项指标的影响作为进一步的研究方向。

4 结论

（1）不同灌水量的剖面含水量分布曲线在不同生育期内变化基本类似，而且在整个生育期内以苗期和拔节期为界可以将其水分变化趋势分为3个阶段。另外基肥方式对土壤纵深剖面含水量在时空上的分布也有较大的影响。

（2）基肥施用方式对原有土壤水分在垂向上有再分布的影响，表现为耕后基肥施用方式的土壤含水量大体略大于耕前基肥施用方式；而且同一生育期内不同基肥施用方式所显现出来的结果还表明耕前施肥处理各生育期内不同灌水量下的水分分布曲线较耕后施肥处理有明显的分散趋势。

（3）灌水设置越大，玉米耗水量越大，耗水量表现出显著差异主要发生在以土壤蒸发为主的玉米生长前期，后期由蒸腾作用引起的耗水量差异并不显著；另外，除播种-苗期外，由施肥方式引起的两处理间的差异并不明显，同时在总耗水量方面，耕前施肥与耕后施肥基本接近。说明施肥方式的不同对玉米各时期耗水造成的影响并不显著。

（4）与耕前施肥相比，耕后施肥处理在玉米的穗长、穗重、穗粗和百粒重方面均有所增加，但灌水量对玉米产量的影响大于施肥方式对产量的影响。