节水减氮对北京地区夏玉米水氮利用的影响

王 悦, 陈立欣, 范海燕, 杨胜利， 张志强†

(1.国家林业和草原局水土保持重点实验室，100083，北京；2.北京市水土保持工程技术中心，100083，北京；3.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；4.北京市水科学技术研究院，100048，北京；5.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，100048，北京)

水分和氮素是影响玉米产量的关键因素[1]。研究表明，水氮具有明显的耦合效应：在一定范围内，氮肥肥效随土壤水分提高而增强[2]，水氮协调供应对提高作物产量具有重要意义。华北地区作为我国夏玉米的主产区，玉米产量占全国玉米总产量的39%[3]，但该区域农民为了追求作物高产常过量施用氮肥。据统计[4]，华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系的氮肥平均用量为545 kg/hm2，远超全国氮肥平均用量378 kg/hm2，其中夏玉米单季氮肥用量已达276 kg/hm2。过量施用氮肥不仅浪费资源，还会降低氮肥利用率，同时土壤中聚集大量氮素也会增加硝态氮淋失风险[5]。此外，华北地区降水年际变化大、季节性干旱频发，补充灌溉是作物获得高产的重要条件，但该地区是我国严重缺水的区域之一，农业生产中长期存在的大水漫灌和过量灌溉导致水分利用效率普遍较低[6-7]。可见，水资源短缺、农田氮肥投入过量及其造成的环境问题是制约该地区农业可持续发展的关键。

大量试验[8-9]研究灌水和施氮对玉米产量和水氮利用的影响。钟茜等[10]认为，华北地区玉米施氮145 kg/hm2时可达最高产量的97%。吕丽华等[11]研究发现，华北地区周年轮作体系限水(年供水量小于510 mm)和适水(年供水量大于610 mm)条件下得到最高产量的施氮量分别为311.6和253.6 kg/hm2。现有研究多以个别指标寻优为主，基于玉米产量、资源利用效率和环境效应确定水氮管理优化目标的研究相对较少。由于田间试验工作量大，采用多元回归和空间分析方法可以寻找特定指标可接受范围的重叠区，进而得到水氮用量的最优组合[12-13]。此外，水氮运筹对作物生长的影响具有明显的区域特征，合理的水氮配比需要结合不同区域的气象条件和土壤状况综合考虑。夏玉米作为北京地区主要粮食作物之一，夏玉米种植面积约占粮食作物总面积的69%，在华北地区玉米种植中具有重要地位。本研究以北京地区夏玉米(ZeamaysL.)为研究对象, 分析在降水条件下灌水和施氮对玉米田间耗水、产量、水氮利用效率和土壤硝态氮积累的影响，探索降水条件下低环境成本和高水氮利用效率实现玉米高产的适宜灌水施氮量，为玉米栽培的田间水肥管理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2019年6—10月在位于北京市通州区(E 114°20’，N 39°20’)的北京市水科学技术研究院永乐店试验站进行。试验区为永定河、潮白河冲积洪积平原，地势平坦，自西北向东南倾斜，平均海拔20 m。试验区属于温带大陆性半湿润季风气候，年平均日照时间2 495 h，多年平均气温11.5 ℃，多年平均降雨量565 mm，多年平均水面蒸发量1 140 mm，试验基地地下水埋深达10～20 m。耕作层土壤密度1.36 g/cm3，有机质质量分数13.1 g/kg，全氮0.98 g/kg，全磷1.74 g/kg，碱解氮69 mg/kg，有效磷10.1 mg/kg，有效钾95.8 mg/kg。土壤基本性质见表1。

表1 试验区土壤基本性质

1.2 试验设计

设置2因素4水平，采用完全随机组合设计，3次重复。设置4个施氮梯度，以华北地区常规施氮量N2(275 kg/hm2)为对照[4]，不施氮为N0、减量施氮为N1(150 kg/hm2)、农户高施氮量为N3(施氮400 kg/hm2)，氮肥品种为尿素(46% N)，在苗期、拔节期和大喇叭口期等量施入。按照当地农户灌溉制度和降水特点[11]，设置4个灌水梯度，分别为：W0(不灌水)、W1(大喇叭口期灌水，灌水定额60 mm)、W2(大喇叭口期和开花期分别灌水，灌水定额60 mm)、W3(大喇叭口期、开花期和灌浆期分别灌水，灌水定额60 mm)，采用滴灌灌溉，用水表控制灌水量。

试验小区面积为10.8 m2(3.6 m×3 m)，各小区均设置宽和高均为25 cm的田埂，并设置宽为1 m的隔离带。玉米于2019年6月22日播种，2019年10月2日收获，为当地主栽品种“中科9006”，种植密度为5.6万株/hm2，前茬作物为冬小麦，杂草和病虫害防治与大田管理一致。玉米水氮设计详见表2。

表2 玉米水氮设计

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分与田间耗水 利用时域反射仪(TDR[TRIME-PICO, IPH])测定土壤水分，测量深度为0～100 cm，每10 cm一层，测量时间间隔为5 d，并在播种前、收获后、灌溉前后以及降水后进行加测。

耗水量在田间条件下通常指作物蒸散量，通过水量平衡方程[14]计算：

ET=P+I+ΔWs-Rs-D=
P+I+10γH(θ1-θ2)-Rs-D。

(1)

式中：ET为作物蒸散量，mm；P为降水量，mm；I为灌溉量，mm；ΔWs为土壤贮水量变化量，mm；γ为土壤密度，g/cm3；H为土层厚度，cm；θ1为播前土壤含水量，%；θ2为收获后土壤含水量，%；Rs为地表径流量，mm，试验区地势平整且小区周围有田埂，故Rs为0；D为深层渗漏量，mm。

利用Hydrus-1D对田间100 cm以下水分渗漏进行模拟，具体方法参照刘晓媛等[15]，土壤水力参数见表3。将40和100 cm处土壤含水量实测值与模拟值进行对比(限于篇幅，以W1N1处理为例，图1)，相关系数分别为0.96和0.91，标准化均方根误差均<10%，说明实测值与模拟值的一致性良好，Hydrus-1D模拟水分渗漏可行。

表3 土壤剖面水力学特性参数

图1 W1N1处理40 cm和100 cm处土壤含水率实测值与模拟值对比Fig.1 Comparison of measured and simulated soil water content at 40 and 100 cm of W1N1 treatment

1.3.2 土壤硝态氮 采用土钻法，在玉米收获后取土，取土深度为0～100 cm，每10 cm一层。土壤样品于-20 ℃保存，测定前解冻、混匀，过2 mm筛，用实验室配置的2 mol/L KCI溶液对土样进行浸提，用流动分析仪测定硝态氮含量，并计算硝态氮积累量[16]。

M=CHγ/10。

(2)

式中：M为硝态氮积累量，kg/hm2；C为硝态氮质量分数，mg/kg。

1.3.3 产量 每小区选择中间区域长势均匀的15株玉米收获，自然风干后考种，脱粒测产。

1.3.4 田间水分利用效率和氮肥偏生产力

WUE=Y/ET。

(3)

NPFP=Y/FN。

(4)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为产量，kg/hm2；NPFP为氮肥偏生产力，kg/kg；FN为施氮量，kg/hm2。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 25软件进行双因素方差分析，并用Duncan法进行多重比较，显著性水平设置为0.05；应用软件Origin 2018制图；采用MATLAB软件进行多元回归分析，并采用空间分析法得到各指标多元回归方程所得三维曲面的平面投影, 寻找各指标可接受区域的重叠区, 得到兼顾各指标的最优水氮范围[12-13,17]。

2 结果与分析

2.1 试验年降水情况

试验站内气象站监测数据表明，1980—2019年多年平均降水量为537.35 mm，玉米季多年平均降水量374.4 mm；2019年全年降水量为375.9 mm，玉米季降水量为250.4 mm(图2)，根据降水频率分析结果，即丰水年(P=75%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=25%)，试验年代表枯水年。

图2 2019年玉米季逐月降水量和1980—2019年平均比较Fig.2 Comparison of monthly precipitation during 2019 maize seasons with average of 1980—2019

2.2 灌水和施氮对玉米田间耗水的影响

确定玉米田间耗水量及其水分来源是分析水分利用的关键，田间耗水量随灌水量和施氮量增加而显著增大(P<0.01)(表4)，玉米田间耗水量在315.4～448.89 mm之间(表5)。同一施氮条件下，W3处理田间耗水量较W0、W1和W2处理分别提高36.43%、21.05%和7.3%；同一灌水条件下，N3处理田间耗水量较N0、N1和N2处理分别提高4.99%、2.08%和0.57%。

表4 灌水和施氮对田间耗水量及田间耗水的水分来源的影响的显著性(F值)

表5 灌水和施氮对田间耗水量及田间耗水的水分来源的影响

玉米田间消耗的水分来源主要包括降水量、灌水量和土壤贮水，其中降水供给量占55.78%～79.39%，灌溉占16.03%～41.27%(除W0处理)，土壤贮水占9%～32.28%。由于玉米生长季降水量仅有250.4 mm，水分渗漏较少，约占来水总量的7.43%～10.06%，水分渗漏量随灌水量增加而增大，施氮对水分渗漏影响不显著。同一施氮条件下，随灌水量增加，灌水量占田间耗水量比例增大，降水量和土壤贮水消耗量占比减小，除W0处理外，W1处理土壤贮水消耗量占田间耗水量比例最大，为19.68%～24.43%，说明过量灌水不利于玉米对土壤水的利用。同一灌水条件下，随施氮量增加，土壤贮水消耗量占田间耗水量比例增大，降水量和灌水量占比减小，W1灌水处理下，N1处理土壤贮水消耗量占比较N0处理提高16.99%，说明施氮提高玉米对土壤贮水的利用能力。

2.3 灌水和施氮对玉米产量的影响

水分和氮素是影响产量形成的关键因素。试验结果(图3)表明，灌水、施氮及水氮互作对玉米产量影响极显著(P<0.01)。玉米产量在8 062.13～11 619.74 kg/hm2之间，灌水和施氮对玉米产量具有临界效应，同一施氮条件下，随灌水量增加，产量表现为W1、W2>W3>W0，W1处理产量较W0和W3处理分别提高18.89%和1%。不灌水时(W0)，玉米产量随施氮量增加而增大，施氮处理产量较不施氮处理提高15.99%，各施氮处理间无显著差异；灌水处理下，随施氮量增加，产量表现为N1>N2>N3>N0，N1处理产量较N0、N2和N3处理分别提高29.54%、1.76%和5.35%。可见，适量灌水和施氮有利于充分发挥玉米生产潜力，W1N1和W2N1处理可以显著提高玉米产量。

图3 灌水和施氮对玉米产量的影响Fig.3 Effects of irrigation and nitrogen application on the grain yield of maize

2.4 灌水和施氮对玉米水分利用效率和氮肥偏生产力的影响

水分利用效率(water use efficiency, WUE)是评价作物水分利用情况的重要指标。试验结果(图4)表明，灌水、施氮及水氮互作对WUE影响极显著(P<0.01)，WUE在2.04～3.16 kg/m3之间。同一施氮条件下，随灌水量增加，WUE表现为W1>W0>W2>W3，W1处理WUE较W0、W2和W3处理分别提高5.39%、12.57%和22.15%，适量灌水可以提高WUE，过量灌水会显著降低WUE(P<0.05)。同一灌水条件下，随着施氮量增加，WUE表现为N1>N2>N3>N0，N1处理WUE较N0、N2和N3处理分别提高22.27%、2.95%和6.33%，过量施氮导致产量降低进而降低WUE。W1N1处理WUE显著高于其他处理(P<0.05)。

图4 灌水和施氮对玉米水分利用效率的影响Fig.4 Effects of irrigation and nitrogen application on the WUE of maize

试验结果表明，灌水、施氮及水氮互作对玉米氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity, NPFP)影响极显著(P<0.01)，NPFP在23.32～77.46 kg/kg之间。同一施氮条件下，NPFP随灌水量增加而增大，灌水处理平均NPFP较W0处理提高21.72%。同一灌水条件下，NPFP随施氮量增加显著降低(P<0.05)，N1处理NPFP较N2和N3处理分别提高86.55%和180.94%。W1N1和W2N1处理NPFP显著高于其他处理(P<0.05)。

图5 灌水和施氮对玉米氮肥偏生产力的影响Fig.5 Effects of irrigation and nitrogen application on the NPFP of maize

2.5 灌水和施氮对玉米硝态氮分布及积累的影响

玉米收获后土壤剖面中硝态氮分布和积累是灌水和施氮综合作用的结果(图6)。同一灌水条件下，农田0～100 cm土壤硝态氮含量随施氮量增加而显著增大(P<0.05)，N0和N1处理土壤硝态氮含量处于较低水平，当施氮量>150 kg/hm2时，各土层硝态氮含量显著增大(P<0.05)。同一施氮条件下，W0处理硝态氮含量呈“上多下少”的规律，随着灌水量增加，土壤硝态氮逐渐向深层迁移，W3处理深层土壤硝态氮含量显著高于W0处理(P<0.05)，说明硝态氮会随土壤水发生垂向运移。

图6 玉米收获后0～100 cm土层土壤硝态氮含量剖面图Fig.6 Soil nitrate nitrogen content in 0-100 cm profile after maize harvest

由图7可知，施氮显著增加0～100 cm土壤硝态氮积累量(P<0.05)，N3处理硝态氮积累量较N0、N1和N2处理分别增加292.48%、153.78%和28.25%。同一施氮条件下，灌水促进硝态氮向深层运移，从各土层来看，灌水降低了表层土壤硝态氮积累比例，增加深层土壤硝态氮积累比例，W0处理0～60 cm土壤硝态氮积累量占比为68.79%，随着灌水量增加，0～60 cm硝态氮积累量占比逐渐减小，60～100 cm硝态氮积累量逐渐增加，W3处理60～100 cm硝态氮积累量占比较W0、W1和W2处理增加34.39%、31.18%和5.86%，说明灌水和施氮会增加深层土壤硝态氮积累，增加硝态氮淋失风险。

图7 灌水和施氮对土壤硝态氮积累量的影响Fig.7 Effect of irrigation and nitrogen application on nitrate nitrogen accumulation amount

2.6 水氮投入与产量、水氮利用效率与硝态氮淋失的关系

以灌水量和施氮量为自变量，以玉米产量、WUE、NPFP和硝态氮积累量为因变量，进行多元回归分析。结果(表6)表明，灌水量和施氮量对各因变量影响都极显著(P<0.01)，决定系数R2均>0.85，说明回归方程能较好的反映实际情况。

表6 灌水和施氮与玉米产量、水分利用效率和氮肥偏生产力、硝态氮积累量的回归方程

根据表6回归方程形成平面投影图(图8)，并求解各指标最大值及其对应的灌水量和施氮量(表7)，从表7可见，4个指标不能同时达到最优(硝态氮积累量较低为较优值)。

图8 灌水和施氮与玉米产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和硝态氮积累量的关系Fig.8 Relation between irrigation and nitrogen application and maize yield, WUE, NPFP and nitrate nitrogen accumulation

表7 玉米预测最大产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和硝态氮积累量及其所需的灌水量和施氮量

采用空间分析法，对4项指标最优值的±5%、±10%和±15%范围进行评价，发现4项指标在±10%和±15%范围内有重叠，但各指标偏离最优值较远，对水氮寻优无意义；3个指标在最优值±5%范围内有重叠区域，且与硝态氮积累量有较接近的范围。因此，将最优值±5%的范围定为可接受范围。将产量、WUE、NPFP和硝态氮积累量最优值的95%的等值线投影后得到综合分析图(图9)，可见，玉米产量、WUE和NPFP同时达到最优值95%的灌水施氮范围是：灌水81～102 mm和施氮143～161 kg/hm2，且在此范围内，硝态氮积累量较低。

图9 产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和硝态氮积累量的综合评价Fig.9 Comprehensive evaluation of yield, WUE, NPFP and nitrate nitrogen accumulation amount

3 讨论

灌水和施氮会影响土壤硝态氮积累和分布[18-19]，过量施氮会增加土壤硝态氮含量[18]，崔振岭等[20]认为，作物收获后0～90 cm土层硝态氮含量控制在65～151 kg/hm2时可以满足作物生长需求并降低土壤硝态氮含量，本试验中施氮量<150 kg/hm2时可以显著降低硝态氮积累量。前人对于灌水对土壤硝态氮的影响的结论不完全一致，有学者研究认为，灌水会促进深层土壤硝态氮聚集，环境污染风险增大[18]，但也有研究认为，增大灌水对土壤硝态氮影响不显著[21]，出现不同结论的原因可能与当地土壤状况有关。本试验条件下, 随着灌水水平提高，深层土壤硝态氮含量显著升高，增加了硝态氮淋失量[19]。

灌水量和施氮量是影响作物产量和水氮利用效率的关键因子[1]。研究表明水氮用量对作物产量提高存在适宜区间，当灌水量和施氮量超出适宜用量后，作物产量增加不显著甚至会降低[22]，本研究也得到了相似结论，水氮处理为W1N1时玉米产量达最大值。吕丽华等[11]发现年供水量不足时水分是限制氮肥肥效发挥的主要因素，本研究也表明，在华北地区枯水年条件下，在玉米大喇叭口期至开花期灌1水可有效提高玉米产量，较不灌水处理提高18.89%。本试验条件下，随施氮量增加，土壤供水量占田间耗水量比例增大，施氮提高玉米对土壤贮水的利用能力。研究表明，一定范围内施氮能促进产量提高进而提高水分利用效率，施氮超过一定范围则会导致产量降低，并降低玉米水分利用效率[23]。同时，增加灌水量会增加玉米田间耗水，降低土壤贮水消耗量占比[14]，导致水分利用效率降低[24]。

关于灌水和施氮对玉米产量和水氮利用的影响，前人已做过较多研究，但结论不尽相同。钟茜等[10]认为，华北地区玉米施氮145 kg/hm2即可达最高产量的97%。徐杰等[25]认为，华北地区玉米季自然降水充足时，玉米施氮120 kg/hm2且生育期内不灌水即可实现玉米高产。吕丽华等[11]研究认为华北地区轮作体系限水(年供水量<510 mm)和适水(年供水量>610 mm)条件下得到最高产量的施氮量分别为311.6和253.6 kg/hm2。而本研究通过多元回归分析对作物产量和水氮利用进行综合评价[12-13,17]，发现玉米灌水81～102 mm，施氮143～161 kg/hm2时，玉米产量、水分利用效率和氮肥偏生产力可同时达到最优值的95%以上，且土壤硝态氮处于较低水平。对于作物而言，灌水和施氮对产量和水氮利用的影响具有明显的区域特征，试验地气候和土壤条件以及试验设计梯度不同，得到的结果可能存在差异，所以不同区域玉米适宜的水氮用量区间，还需继续结合当地实际，进行多年试验进一步的深入研究。

4 结论

灌水和施氮对玉米产量、水氮利用和硝态氮积累均有显著影响。随灌水量和施氮量增加，玉米产量和水分利用效率均呈先增后减的趋势。氮肥偏生产力随灌水量增加而增大，随施氮量增加而减小。灌水和施氮会促进土壤硝态氮积累和垂向运移，增大硝态氮淋失风险。综合考虑玉米产量效应和环境效应，本试验条件下，玉米枯水年灌水81～102 mm、施氮143～161 kg/hm2可以实现保障产量、提高水氮利用效率和降低环境污染风险的优化目标。