不同水氮调控下夏玉米农田氮素运移及淋失特征分析

蔡晨阳，庞桂斌，薛建文，丛 鑫，苏学伟，董文旭，王 昕，徐征和

（1.济南大学，济南 250022；2.桓台县水利事业服务中心，山东淄博 256401；3.中科院遗传与发育生物学研究所，石家庄 050022；4.山东省水利科学研究院，济南 250014）

0 引 言

随着现代农业的不断发展，追求高产丰收，现阶段增产方式主要是通过增施氮肥和提高灌水量来实现，对尿素的需求量不断增长[1,2]，但研究发现过多的尿素投入并不会提高农作物的品质，且长期不合理水肥配施方案会改变了土壤的营养结构，还会导致土壤渗漏、氮素挥发、硝态氮淋失等损失[3,4]。在种植作物活动中，施入农田中的氮肥经过硝化和脲酶作用，转化为能够被作物吸收的硝态氮和铵态氮，部分NO3-盐和NH4+盐经淋洗、反硝化、NH3挥发以及NO2-化学分解等途径从土壤中损失，大部分将存于土壤中，并以硝态氮的形式存在，此时不合理的灌水量往往加剧氮肥淋失，增加淋溶风险，污染地下水[5]。

目前，已经有很多学者有关种植玉米的水肥配比的研究。例如冯严明[6]等通过田间小区测坑试验研究水肥使用量对夏玉米生长及产量的影响，得出灌水量为125.5 mm、供氮量为195 kg/hm2、供磷量为95 kg/hm2的配比处理更有利于夏玉米的生长与增产；秦海霞等[7]研究发现在河南豫中地区苗期灌水定额60 mm，拔节期灌水定额105 mm 时可实现夏玉米节水高产；连彩云[8]等采用水肥耦合[灌溉定额为4 800 m3/hm2，施氮量（N）240 kg/hm2]及种植密度（密度12.50 万株/hm2）的最优模式，提高垄膜沟灌制种玉米产量和种子活力；关于水肥配比对土壤中氮素运移的影响研究，例如冯磊磊等[9]研究发现灌水高肥处理硝态氮淋失严重，而拔节期不灌水则显著影响籽粒产量；张学科等[10]研究发现土壤类型、灌水量及施氮量均对土壤中氮素的累积及损失有显著影响，相比之下影响程度为施氮量＞灌水量＞土壤类型。

目前水肥配比研究主要侧重对作物产量以及土壤氮素运移的影响，对大田试验研究氮素淋失较少。本文在前人研究的基础上，优化灌溉与施肥等级[11-13]，该研究以山东省灌溉试验中心站为依托，以夏玉米为研究对象，在渗漏池试验小区设计不同的水氮处理试验，通过渗漏池设备测定淋失液量以及淋失液中氮素含量，重点研究不同水氮处理模式下土壤氮素淋失的情况；为合理的水氮处理在作物增产的同时有效减少对地下水的污染提供重要的理论依据。

1 实验概况

1.1 试验区概况

本试验于2020年6-10月在山东省灌溉试验中心站进行，试验区地理位置见图1，属于暖温带半湿润季风气候区，历年平均气温为14.3 ℃，年均蒸发量为1 399.8 mm，年平均降水量为654.8 mm，夏玉米生育期内平均降雨量为448.9 mm，占全年的68.6%，2020年夏玉米生育期降雨量、气温变化见图2。主要种植作物为夏玉米，供试土壤为壤土，0～100 cm 土壤粒径分布见表1，夏玉米播种前测得0～20 cm 土壤平均NO3--N、NH4+-N、有效磷含量分别为3.4 mg/kg、0.41 mg/kg 和33.5 mg/kg，pH值为7.48，土壤容重为1.42～1.65 g/cm3。

表1 土壤粒径分布%Tab.1 Soil particle size distribution

图1 试验区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the pilot area

图2 2020年夏玉米生育期内降雨、气温变化Fig.2 Changes of rainfall and temperature during the growing period of summer maize in 2020

1.2 实验方案

2020年6月23日至10月4日在试验站渗漏小区测坑中进行，试验站内有带地下廊道的测坑36个，测坑规格为3.33 m×2.0 m，测坑与测坑之间用钢板隔开，每个测坑底部100 cm 处安装取水口，定期收集淋溶液，用于研究氮素迁移转化规律。

（1）施用材料。种植夏玉米品种为“郑单958”；施用无机肥：46.4%氮素浓度的氮素、12%磷肥浓度的过磷酸钾、60%钾肥浓度的氯化钾。

（2）试验设计。设置两个因素，分别为水、氮的处理：设计两个灌水方案，一水处理（仅苗期灌水67.5 mm）和二水处理（苗期、拔节期均进行灌水，灌水量分别为67.5 mm、54 mm）；设置2 个施氮水平，低氮水平150 kg/hm2（N1）和高氮水平200 kg/hm2（N2），两个水平下氮素施用量都为基肥和拔节期追肥各占50%，另外设置空白处理，每个处理设置3个重复。每个测坑内磷肥施用量为75 kg/hm2，钾肥施用量为128 kg/hm2，全部基施，试验设计方案见表2；玉米实验时期及生育时期见表3和表4。

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

表3 夏玉米试验时间实施表Tab.3 Table of trial time of summer maize

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

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤中NO3--N、NH4+-N和全氮的测定

在夏玉米各生育期，在测坑内0～100 cm 深度用土钻取样，每隔20 cm 取一次，土样放入塑料密封袋带回实验室，晾干后研磨过孔径为0.25 mm 筛。称取20 g 样品加入100 mL 浓度为74.55%的KCl 溶液。NH4+-N采用浸靛酚蓝比色法测定，土壤NO3--N 采用紫外分光光度法测定，土壤全氮采用凯式定氮仪测定[14]。

1.3.2 淋溶液NO3--N、NH4+-N的测定

在夏玉米各生育期，用聚乙烯瓶在地下廊道收集淋溶液，取得样品放入低温保温箱内，4 ℃温度下保存并带回实验室。淋溶液NH4+-N 采用浸靛酚蓝比色法测定[14]，淋溶液NO3--N 采用紫外分光光度法测定[15]。

1.3.3 淋溶液中氮素损失量计算

采用田间渗滤池监测NO3--N、NH4+-N 流失，每次灌水3～5 d 后，淋溶液通过底部出口汇集水阀收集于容器内，可测算累计渗漏量。氮素淋失总量的计算公式为：

式中：NL为氮素淋失总量，kg/hm2；n为淋溶液收集次数；CNLi为氮素淋失质量浓度，mg/mL；Vi为淋溶液体积，mL；S为小区面积，m2。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 24软件整理数据，SPSS 24软件处理采用ANOVA 检验和Duncan 法对数据进行方差分析（P＜0.05）,表中每一个指标值均为每个处理下3个重复的均值。

2 结果分析

2.1 土壤含水率变化特征

图3为夏玉米各生育期内0～60 cm 土壤含水率（SWC）的变化情况。随着生育期的推进，不同处理下的SWC 逐渐出现差异，尤其在拔节期土层SWC 变化明显，变化主要在中层土壤；二水处理比较一水处理提高中层土壤的SWC，较深层土壤SWC 两处理差异并不明显。如图3所示，受苗期第一次灌水影响，各处理下，7月1日0～40 cm 土壤SWC 差异很小，比6月23日SWC 提高38%～83%；在7月28日灌二水后，I2 处理下8月22日20～40 cm 土层SWC 相比7月24日增加20%，I1 处理降低4%，所以拔节期灌二水增加中层土壤的含水量，有利于提高作物的水氮利用效率[13]。8月22日与9月9日0～60 cm土壤SWC 整体趋势一致，为表层低、深层高；该时期降雨很少，在无外界补水情况下，9月9日表层SWC 相比8月22日表层SWC降低18%～26%，且I2N2处理降幅最大，水分进一步向下运移，同时也增加氮素淋溶的风险。

图3 2020年土壤含水率变化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 水氮处理对土壤中NO3--N分布的影响

夏玉米不同生育期各处理土壤0～100 cm NO3--N 含量变化如图4所示。可以看出，各处理土壤0～100 cm NO3--N 含量高峰值位置随着夏玉米生育期的推进而不断下移。

图4 不同水氮处理下不同生育期土壤NO3--N含量变化Fig.4 Changes of NO3--N content in soil at different growth stages under different water and nitrogen treatments

拔节期进行二次追肥和灌水，使得I1N1、I2N1 处理相对于I1N2、I2N2 处理的变化趋势差异较大，I1N1、I2N1 处理下NO3--N 含量变化趋势为表层高中层低，I1N2、I2N2 处理下NO3--N 含量变化趋势为表层低中层高；且受7月中旬与8月中旬丰沛降雨的影响，各处理下NO3--N 均不同程度渗入深层土壤，其中高氮处理下NO3--N 下渗最为明显。下面由具体数据分析：在夏玉米拔节期，I1N2、I2N2处理在0～20 cm土层中的NO3--N 含量较低，相比苗期分别降低70.91%、68.21%；在20～40 cm 含量达到高峰值，相比苗期分别增加14.43%、41.45%。I1N1、I2N1处理在0～20 cm 土层中NO3--N 含量较高，分别为18.30 mg/kg、16.56 mg/kg；在20～40 cm 土层中I2N1 处理中NO3--N 浓度最低为2.56 mg/kg，且I1N1、I2N1 处理的NO3--N 含量相比苗期分别降低17.98%、70.79%。可见浅中层土壤中NO3--N 含量受拔节期施肥量与灌水量的共同影响，低氮处理下拔节期不灌水则会使NO3--N 更多聚集在0～20 cm 土层中；在高氮处理下，拔节期灌二水可以增强NO3--N 在0～20 cm土层向20～40 cm土层下渗。

抽雄期乃至成熟期，NO3--N 含量不断向下淋溶，各处理下NO3--N 含量在60～80 cm 达到峰值，这与NO3--N 阴离子带负电荷与土壤中带负电荷离子互相排斥而难被吸附有关；成熟期I1N2、I2N1、I2N2处理在60～80 cm土层中NO3--N浓度为10.16～10.48 mg/kg，三者差异不明显，而I1N1 处理含量最低为6.16 mg/kg，可见深层土壤氮素积聚与施氮量与灌水量呈正相关。

2.2.2 水氮处理对土壤中NH4+-N分布的影响

夏玉米不同生育期各处理土壤0～100 cm NH4+-N 含量变化如图5所示。各处理下NH4+-N 含量变化整体趋势差异不明显，随时间推移NH4+-N 缓慢下渗，在夏玉米生育期前期阶段NH4+-N 含量峰值在0～20 cm 处，到夏玉米生育期后期NH4+-N含量峰值在40～60 cm 处，这是因为NH4+-N 能被带负电荷的土壤胶体吸附，在土壤中比较稳定，不易流失的特点。下面由具体数据分析：该地区土壤初始NH4+-N 含量很低，为0.3～1.0 mg/kg，在苗期基肥施入后各处理表层土壤NH4+-N 含量显著提高达到3.46～4.36 mg/kg；拔节期追肥灌水影响，各处理下土层中NH4+-N 均呈现下渗迁移趋势，其中I2N2 处理下渗最为明显，I2N1 处理次之，20～40 cm 土层中I2N1、I2N2 处理NH4+-N 含量分别增加5.54%、42.02%；在0～20 cm 土层中I1N2 处理下NH4+-N 含量最高为3.99 mg/kg，在20～40 cm 土层中含量则较低，其分布趋势与I1N1 处理相似；这说明在拔节期追肥需要灌二水的重要性，是为了无机氮向中层土壤下渗，避免表层土层存留过多而不利于作物根区吸收氮素。

图5 不同水氮处理下不同生育期土壤NH4+-N含量变化Fig.5 Changes of soil NH4+-N content in different growth stages under different water and nitrogen treatments

抽雄期各处理下NH4+-N 主要分布在0～60 cm 土层中，I2N1、I2N2 处理在0～20 cm 土层中NH4+-N 含量分别降低39.78%、16.14%；在40～60 cm 土层中I2N1、I2N2 处理NH4+-N 含量较高分别为3.43 mg/kg、3.64 mg/kg，相比前期分别增加42.27%、47.37%；I1N1、I1N2处理在20～40 cm 土层中NH4+-N含量分别降低20.98%、12.60%；在40～60 cm 土层中NH4+-N含量分别为1.70 mg/kg、2.65 mg/kg；均低于I2N1、I2N2 处理；这反映说明NH4+-N 向中深层土壤运移主要受拔节期追二水影响，只施肥而不追水不利于氮素向作物根区土壤运移。虽然NH4+-N 整体含量不高，但亦会受施肥灌水影响，主要由0～40 cm土层下渗到40～60 cm土层中。

到成熟期，各处理NH4+-N 主要积聚在40～60 cm 土层中，更深层土壤中NH4+-N 含量依旧不高；在没有外界灌水影响下，NH4+-N 容易被硝化,且带正电荷易被带负电荷的土壤胶体吸附固持而不容易发生迁移。

2.2.3 土壤中全氮分布特征

夏玉米不同生育期各处理下土壤0～100 cm 全氮含量变化如图6所示。与图4中NO3--N含量变化对比分析，土壤全氮含量变化与土壤NO3--N 含量变化趋势总体一致，随着夏玉米生育期推移，各处理全氮浓度的峰值不断下移；苗期经过施肥灌水后土壤全氮含量升高，各处理下全氮在0～100 cm 土层中分布趋势相同，且主要积聚在0～20 cm 土层中，浓度为5.27～9.27 g/kg；而在拔节期不同处理下全氮分布差异明显，其中I2N1、I2N2 在二期灌水施肥影响下全氮开始下渗，但两处理变化趋势相似，均在20～40 cm 中含量达到峰值；I1N1、I1N2处理全氮主要积聚在0～20 cm 处，在20～40 cm 处全氮含量最低分别为1.69、1.21 g/kg；在20～40 cm 土层中I2N2 处理全氮含量比I1N2处理高出77.52%，I2N1处理全氮含量相比I1N1处理高出75.88%，这说明拔节期灌二水有利于全氮在中层土的累积，与上文硝态氮分布特征的分析结果一致；在8月初试验田降雨量大，土壤含水率均不同程度升高，使得抽雄期各处理土壤0～20 cm 全氮下渗，在20～40 cm 处达到峰值，其中I1N2 含量最高，浓度为5.73 g/kg，但在40～60 cm 处I2N2 处理下全氮含量最高，浓度为2.89 g/kg。在成熟期，各处理下全氮主要积聚在40～60 cm，此时各土壤层全氮浓度达到稳定状态。

图6 不同生育期全氮浓度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 水氮处理对土壤中NO3--N淋失分布

夏玉米不同生育期各处理下土壤淋滤液中NO3--N 含量变化如图7（a）所示。各处理在0～15 d 淋溶液硝态氮浓度达到峰值，I2N2 处理浓度最高为4.78 mg/kg，I2N1 处理最低为2.32 mg/kg；各处理在45～60 d 淋溶液硝态氮浓度达到最低为0.77～1.25 mg/kg；在70 d 之后回归平稳，范围在2.21～2.61 mg/kg。出现峰值的原因主要受灌水追肥以及降雨的影响，出现回落主要是玉米生育期对硝态氮的高消耗吸收作用，此时淋溶液硝态氮含量差异不大。生育末期硝态氮淋溶液浓度趋于稳定，是无作物吸收利用情况下，土壤氮库淋洗出硝态氮的稳定状态。

图7 不同水氮处理下NO3--N、NH4+-N、总氮淋失变化Fig.7 Leaching loss of NO3--N、NH4+-N、total nitrogen under different water and nitrogen treatments

2.3.2 水氮处理对土壤中NH4+-N淋失影响

夏玉米不同生育期各处理下土壤淋滤液中NH4+-N 含量变化如图7（b）所示。淋滤液中NH4+-N 含量变化趋势与淋滤液中NO3--N 含量变化趋势大致相同，都出现峰值，并降至最低后回归平稳状态，所以出现该变化的原因与NO3--N 淋失变化原因一致；但淋溶液中NH4+-N浓度明显低于NO3--N浓度，主要是因为NH4+-N 容易被硝化,且带正电荷可被带负电荷的土壤胶体吸附固持而不容易发生迁移，与上文土壤中NH4+-N 迁移规律研究结果一致。

2.3.3 水氮处理对淋失液中总氮的影响

夏玉米不同生育期各处理下土壤淋滤液中总氮含量变化如图7（c）所示。淋滤液中总氮浓度变化与NO3--N、NH4+-N浓度变化过程基本一致；淋滤液总氮含量变化与施氮量成正比，在拔节期处理的淋滤液总氮含量最高，为12.96 g/kg，在后期该处理下淋溶液总氮浓度依旧最高为8.91 g/kg，均高于I2N2 处理；I1N1、I2N1 处理淋溶液中总氮浓度较低。

2.3.4 夏玉米农田氮素失量分析

如图8（a）所示各处理累积渗漏液量，I1 灌水水平下累计渗漏液量均低于I2 灌水水平下，而降低施氮量与累计渗漏液量无显著影响。如图8（b）所示，氮素淋溶损失中有机氮约占79%～86%；NO3--N 约占12%～17%，NH4+-N 约占2%～4%，这与前人关于NO3--N、NH4+-N 淋失特征分析一致[16]。I1N2 处理中NO3--N、NH4+-N 和有机氮淋失量与其他处理均为最大值；处理I2N2 处理相比I1N2 处理氮素淋溶损失显著降低（P＜0.05），降幅为16.36%，这同样说明拔节期二水可显著降低了氮素淋溶损失；I2N1 处理总氮淋溶量略大于I1N1 处理总氮淋溶量，但相比I1N2、I2N2处理均显著降低，这与图8（a）所得出的结论一致。

图8 水氮处理下累计渗漏液量和氮素累计淋失Fig.8 Cumulative leaka ge volume and nitrogen leaching loss under water and nitrogen treatment

3 讨 论

目前学者们对水氮管理研究广泛，主要聚焦于作物生长状况、土壤中氮素运移，如杨宇等[16]就水氮互作对玉米叶面积指数（LAI）、干物质积累、根系生长、光合特性、产量和水氮利用效率的影响研究现状进行综述；赵经华等[17]通过大田试验研究不同灌水定额和不同施氮水平条件下小麦土壤硝态氮运移、氮平衡的变化情况，发现淋溶损失是氮素损失主要途径，大部分硝态氮随水分渗漏被淋洗至60 cm 以下的深层土壤中，且随施氮量的增加硝态氮淋溶更为严重；此类研究都是分析土层中的氮素运移，没有对淋失液进行测定。而大田试验中氮素淋失量不易准确测定，所以前人对氮素淋失研究多为室内试验，如孔柏舒等[19]通过土柱试验与玉米盆栽试验,研究酸化沸石在减施尿素条件下可有效降低土壤氮素淋失,提高玉米籽粒氮肥利用率；董达等[18]采用室内土柱淋溶试验,研究竹炭和炭基缓释肥添加对毛竹林土壤氮素流失和细菌群落结构的影响。而土柱试验侧重对机理性变化的细致研究，无法准确模拟大田的实际情况。

所以本文根据冯严明[6]等对水肥施用量对夏玉米生长的影响研究，在同一个灌溉试验中心进行试验；在保证作物稳定产量的水氮管理措施下，通过渗漏池小区精准测定淋失液总量以及淋失液中的氮素浓度，研究夏玉米农田中土壤氮素运移及氮素淋失。

试验结果表明，不同水氮处理对不同土层中NO3--N、NH4+-N 以及全氮含量的影响主要体现在拔节期。在拔节期I2处理中层土壤中氮素含量明显高于I1 处理，与秦海霞[7]等研究发现拔节期定额灌溉有利于玉米生长结论一致；对于不同处理，I1N2 处理下淋溶液中氮素淋失含量最高，I2N2 处理通过拔节期灌水导致渗漏量相比I1N2 处理增加15.96%，氮素淋失含量显著降低14.84%，分析原因可能是拔节期灌水促进作物根系对氮素的吸收利用，这与王利书、顾桂栋等研究结论一致[20,21]。

淋失液中主要以有机氮淋失为主，无机氮中主要以硝态氮淋失为主，因为土壤胶粒一般带负电荷，对硝态氮具有较弱的吸附性能，而对铵氮具有较强的吸附性能，导致硝态氮移动能力强于NH4+-N，所以淋滤液中硝态氮含量要高于NH4+-N 含量，该结论与丛鑫等研究一致[22]。与I2N1 处理对比发现，I2N2 处理产生较多的氮素淋失，所以在拔节期灌水量相同情况下，氮素淋失量与拔节期施肥量成正相关；而I2N1 处理与I1N1 处理相比，其淋失液中氮素浓度较低，说明在拔节期施肥量相同情况下，相比不灌水处理，灌水会有效降低渗漏液中的氮素浓度，这说明合理的水氮处理可提高作物的水氮利用效率，这与丛鑫等[23]减氮适水的理念相一致。

4 总 结

（1）整个生育期中土壤中全氮含量变化与NO3--N 含量变化趋势总体一致，随着生育期的推进，土壤中全氮含量与NO3--N 含量的峰值不断下移，并在生育期后期达到稳定状态。与I1 处理相比，I2 处理主要加快浅层土壤中的氮素下渗，提高中层土壤的氮素含量，满足作物生长需求；在拔节期20～40 cm 土层中，I2N2 处理下NO3--N 含量、全氮含量相对I1N2 处理分别增加12.93%、77.52%，且I2N1 处理下中层土氮素累积情况与I2N2 相比差异不大，可见I2N1 亦可以很好满足中层土的氮素累积需要。

（2）与I1N2 处理相比，I2N2 处理渗漏量增加15.96%，氮素淋失含量显著降低14.84%（p＜0.05）；I2N2处理与I2N1处理相比，两者渗漏量差异不大，但I2N1 处理下氮素淋失量显著低于I2N2 处理，可见I2 处理可以显著降低氮素淋失量；且I2处理下，氮素淋失量与拔节期施肥量成正相关。