水肥耦合对垄作沟灌小麦-玉米土壤水氮分布及产量的影响

李 源

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

引言

目前，我国小麦-玉米轮作种植灌溉方式主要还是传统平作与畦灌结合的方式，该方式水分利用效率低，节水潜力大。垄作沟灌作为一种新型灌溉方式，其将田面由传统平面改变为波浪形，增加田间通风条件，且具有节水、保肥以及增产等优点。师学珍等[1]通过在西北内陆干旱地区对垄作沟灌下不同灌水制度对玉米产量的研究，发现垄作沟灌条件下，玉米产量和农业耗水量之间具有明显正相关关系，因此合理减少灌溉量可以大大提高制种的玉米水分利用效率。张新民等[2]针对垄作沟灌水的入渗特点与灌溉效益，对中国传统农业地面灌溉效率的考核指标作出了完善，并确立了以灌溉的均匀度、贮水量与田间灌溉水效率、垄体湿润度4个指标组成的灌水质量评价指标体系。曾爱国[3]通过在石羊河流域设置不同的灌水量梯度，研究不同灌水量梯度对全膜垄作沟灌水分利用效率及玉米产量，以及土壤含水率、产量要素的影响，得到了石羊河流域玉米全膜垄作沟灌条件下的适宜灌溉量为5175m3·hm-2。高传昌等[4]通过研究小麦、玉米一体化垄作沟灌种植模式对冬小麦生长特性和产量的影响发现，与传统平作相比，一体化垄作沟灌种植模式为冬小麦提供了更好的生长环境。以上研究均是从节水增产方面对垄作沟灌技术进行评价，然而目前对大田水肥耦合条件下垄作沟灌土壤水氮运移尚缺乏系统研究。即便是有涉及垄作沟灌水氮运移方面的研究，也只是室内研究。如，汪顺生等[5]通过室内土箱试验对不同肥液含量下垄作沟灌硝态氮和铵态氮运移进行了试验与模拟；陈春来[6]通过室内试验探究了垄作沟灌土壤肥液入渗水氮运移特性。

因此，可基于前人对沟灌水氮运移研究结论，进行大田试验，探究水肥耦合条件下垄作沟灌不同处理的水氮运动规律，寻求能够更精确地探明土壤水氮运动规律的方法，进一步优化施肥和灌溉的管理措施，旨在提供有关垄作沟灌技术参数选择和提高农田作物对水和氮肥利用效率的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本次试验于2020年10月—2021年9月，在华北水利水电大学农水试验场开展试验(N34°47′，E113°46′，海拔110.4m)。该地属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.5℃，多年平均降水量637.1mm，平均日照时数5.6h，无霜期220d。农水试验场的试验大田地势均匀，灌溉方便，土壤为粘壤土和沙壤土。田间持水量(体积比)为34.2%，平均土壤容重1.42g·cm-3，土壤有机质质量分数为870mg·kg-1，全氮质量分数为539mg·kg-1，碱解氮质量分数为45～60mg·kg-1，速效磷质量分数为11.8mg·kg-1，速效钾质量分数为104.4mg·kg-1。试验中的气象资料通过试验场内的自动气象站收集整理得到。

1.2 试验设计

2020年10月—2021年9月进行冬小麦和夏玉米轮作水肥耦合试验。试验田种植方式采用垄作沟灌方式进行，沟型及种植区域划分见图1。小麦和玉米种子分别采用“济麦22”和“DHA757”，试验均设置2个影响因素，6种处理，分别为3种水分控制下限，3种施氮量处理。施氮处理3个水平分别为低肥量处理氮肥施用量为120kg·hm-2、中肥量处理氮肥施用量为220kg·hm-2、高肥量处理氮肥施用量为320kg·hm-2，分别记为N1、N2、N3。每种施氮水平下设置3种水分控制下限，分别为田间持水量的60%、70%和80%，即相对含水率为60%θf、70%θf和80%θf，记作W1、W2、W3，以各生育期内计划湿润层土壤水分为标准，当各处理土壤含水率低于设计水分下限时沿着垄沟进行灌水，小麦灌水定额为30mm，玉米灌水定额为15mm。

注：沟型尺寸以小麦田为例。图1 垄作沟灌田间试验布置及沟型尺寸

垄作沟灌试验区面积为28.5m×40m，垄作沟灌种植模式相邻2沟中距离为1.1m，沟为梯形断面，底宽20cm，深20cm，边坡坡度为2。垄上小麦种植5行，行间距为15cm，玉米种植3行，行间距25cm。

表1 试验水肥处理方案

1.3 观测项目及方法

1.3.1 土壤水分含水量

播种前、全生长周期和收获后都进行测定，在冬小麦的生育周年内，土壤含水量每隔5～10d测定1次；其中垄作沟灌种植模式在沟、垄各取1个观测点；采用TRIME管检测法分层测定土壤含水率，并在试验前期用烘干法对其校核1次。含水率测量深度为120cm，分6层(每层20cm)，降雨和灌水前、后加测1次。

1.3.2 土壤干容重测量

此次试验采用环刀法测定土壤干容重，在种植区域具有代表性位置随机选取3个采样点，用铁锹将采样点表面土层铲平，0～120cm土层每隔20cm进行取样并称重，最后将样品烘干称重计算结果。计算公式：

式中，ρB为土壤容重，g·cm-3；m1为环刀和干土的重量，g；m2为环刀的重量，g；V为环刀体积，cm3。

1.3.3 土壤硝态氮测量方法

在小麦和玉米不同生育期内，用土钻在每个处理取0～120cm土层土壤，每隔20cm进行1次取样。此次试验硝态氮测量采用紫外线分光光度校正因数法，取适量待测鲜土，用2mol·L-1KCl溶液浸取土壤，通过混合、振荡将土壤中吸附的硝态氮(包括水溶性硝态氮和交换态硝态氮)交换浸取出来，取适量析出液利用硝酸根离子在220nm具有强吸收性，在275nm处无吸收性结合校正因数测定待测样品硝态氮的吸光度，再通过制定的标准浓度溶液与吸光度建立的函数关系反推土壤硝态氮浓度，进而计算硝态氮含量。

1.3.4 土壤氨态氮测量方法

1.4 数据分析方法

试验过程中数据收集、记录、整理和分析采用Excel 2016进行，数据处理采用SPSS 22.0，绘图采用Origin 2021绘图软件进行。

2 结果与分析

2.1 垄作沟灌冬小麦土壤水氮运移规律

冬小麦各处理按量进行施基肥后，对大田进行机耕，并在机耕后进行3d晾田，然后进行播种。不同处理拔节期前按量进行一次追肥处理，全生育期共进行一次施肥处理。冬小麦生育期内按照各处理水分控制下限进行灌水，每次灌水定额为30mm。

2.1.1 不同生育期含水率分布

由图2可知，不同水肥处理下各生育期内0～120cm土层体积含水率随土层深度的增加呈现出增加的趋势。随水分控制下限增加，0～60cm土层土壤含水率变化幅度大于60～120cm土层土壤含水率的变化幅度。不同施氮水平对不同土层土壤含水率也存在一定的影响，影响集中在0～60cm中，主要表现为随施氮量增加含水率有略微的减少。

图2 不同水肥处理下小麦不同生育期土壤体积含水率分布

不同水肥处理条件下，全生育期内越冬期小麦0～120cm各层土壤含水率明显高于其他生育期，这主要是因为该时间段地表温度较低，作物植株较小导致田间的腾发量和作物耗水量较低。从拔节期到开花期土壤各层含水率随生育期的延伸表现为逐渐降低，说明该时间段耗水量较大，主要是因为天气回暖作以及物植株快速生长增加田间的腾发量。而开花期到成熟期土壤中各层土壤含水量明显增加，主要是该时期作物生长耗水速率降低导致。

2.1.2 不同生育期硝态氮分布

由图3可知，W1、W2和W3处理之间随着含水率控制下限的增加，小麦各生育期0～60cm土层硝态氮含量呈现下降趋势，60～120cm土层硝态氮含量变化幅度不大。N1、N2和N3处理之间随着施氮量的增加，各生育期不同土层硝态氮含量均呈现不同程度的增加趋势，其中0～40cm硝态氮含量增加较为明显。

图3 不同水肥处理下小麦不同生育期土壤硝态氮含量分布

不同水肥处理条件下，各生育期之间除拔节期前进行追肥处理后，导致拔节期各土层硝态氮含量增加外，其他时期各层硝态氮含量变化均表现为随生育期递减。其中，拔节期到孕穗期时间段硝态氮含量下降最快，说明此时期小麦生长旺盛。

不同水肥处理条件下，各时期不同土层硝态氮含量随土层深度增加变化规律也存在较大差别。孕穗期和开花期，W1不同施氮处理条件下硝态氮含量随土层增减逐渐减少，W2不同施氮处理条件下40cm土层深度硝态氮含量比W1同处理条件下变化不大，W3不同施氮处理条件下>40cm土层硝态氮含量比W1和W2同处理下有显著增加；出苗期、越冬期和拔节期，冬小麦不同处理各土层硝态氮含量随土层深度增加表现出降低趋势；成熟期，不同水肥处理条件下各土层硝态氮含量表现为W1、W2处理0～80cm硝态氮变化不明显，80～120cm硝态氮呈现下降趋势，而W3处理0～120cm土层土壤硝态氮含量呈现小幅增加趋势。

2.1.3 不同生育期铵态氮分布

由图4可知，各处理冬小麦不同生育期不同土层深度土壤铵态氮含量变化差异显著，小麦全生育期内铵态氮分布表现为集中在表层土层(0～20cm)，20～40cm土层土壤铵态氮急剧降低，土层深度≥40cm土壤中铵态氮含量均较低。排除拔节期前追肥的影响，冬小麦铵态氮含量随生育期的延伸表现为递减，其中出苗期到越冬期和拔节期到孕穗期铵态氮含量较其他生育时间段减少最为显著。开花期到成熟期0～120cm土层各层铵态氮含量几乎没有变化。

通过对比各生育期下各处理铵态氮在0～120cm土层中分布情况发现，随着土壤水分控制下限的增加各处理土层中铵态氮含量有一定的下降趋势；随着施氮量的增加各处理土层中铵态氮含量呈现增加趋势。

2.2 垄作沟灌夏玉米土壤水氮运移规律

夏玉米各处理按量进行施基肥后，对大田进行机耕，并在机耕后进行3d晾田，然后进行播种。夏玉米生育期内同样按照各处理水分控制下限进行灌水，每次灌水定额为15mm。不同处理开花期前按量进行一次追肥处理，全生育期共进行一次施肥处理。在各处理基础上定期在夏玉米生育周期内进行土壤体积含水率、硝态氮含量和铵态氮含量测定。

2.2.1 不同生育期含水率分布

由图5可知，玉米全生育期不同水肥处理下，0～100cm土层体积含水率随土层深度的增加同样呈现出增加的趋势，而100～120cm土壤含水量变化存在较大差异，有的表现为增加，有的减少。随水分控制下限增加，0～80cm土层中土壤含水率变化幅度大于80～120cm土层中土壤含水率的变化幅度，这主要是因为各生育期内降雨量以及各生育期作物根长度不同，以及80～120cm土层土壤受蒸发影响较弱。不同施氮水平对不同土层土壤含水率也存在一定的影响，影响集中在0～60cm土层，主要表现为随施氮量增加含水率有略微的减少。

图5 不同水肥处理下玉米不同生育期土壤含水率分布

不同水肥处理条件下，全生育期内拔节期到抽雄期玉米0～120cm各层土壤含水率明显高于其他生育时间段，这主要是该时间段降雨非常多导致。从抽雄期到灌浆期土壤各层含水率明显降低且低于生育时间段，这主要是因为玉米抽雄到灌浆期是夏玉米生长阶段需水量最大的时期。而灌浆期到成熟期土壤中各层土壤含水量变化不明显，主要原因是该时期作物生长耗水速率较低。

2.2.2 不同生育期硝态氮分布

由图6可知，W1、W2和W3处理之间随着含水率下限的增加，玉米各生育期0～60cm土层硝态氮含量在降低，60～120cm土层硝态氮含量表现出增加趋势。N1、N2和N3处理之间随着施氮量的增加，各生育期不同土层硝态氮含量均出现不同程度的增加。

图6 不同水肥处理下玉米不同生育期土壤硝态氮含量分布

不同水肥处理下，玉米各处理土壤硝态氮含量各生育期之间的变化差异显著，除开花期前进行施肥处理使得各处理硝态氮含量增加外，其他各生育期硝态氮含量均随生育期逐渐降低。从出苗期到拔节期和开花期到灌浆期期间表层(0～20cm)硝态氮含量消耗速率较其他时间段快。各处理灌浆期到完熟期未施肥反而各层土壤硝态氮含量出现小幅增加，应是该时间段土壤含水率下降，土壤通气良好促进了硝化反应引起了铵态氮向硝态氮转化。

不同水肥处理下，各土层硝态氮含量随土层深度增加变化规律差异显著。出苗期，硝态氮主要集中在表层0～20cm土层中，0～60cm硝态氮含量随土层深度增加而减少。60～120cm土层土壤中硝态氮含量随土层深度增加表现为先增加后减少；拔节期和抽雄期各处理0～60cm土层硝态氮含量随土层深度增加逐渐减少，>60cm土层硝态氮含量均出现有增加趋势，其中W3处理较W1、W2处理同等条件下60～120cm硝态氮含量多，由此说明由于该时期降雨较多，导致各处理出拔节期和抽雄期出现了不同程度的硝态氮深层渗漏。

2.2.3 不同生育期铵态氮分布

由图7可知，施氮量一定条件下，W1、W2和W3处理之间随着含水率控制下限的增加，玉米各生育期0～120cm土层铵态氮含量有下降趋势但不明显。水分控制下限一定条件下，N1、N2和N3处理之间随着施氮量的增加，各生育期不同土层铵态氮含量均出现不同程度的增加，其中表层(0～20cm)增加比较明显，>20cm土层铵态氮变化幅度较小。

图7 不同水肥处理下玉米不同生育期土壤铵态氮含量分布

不同水肥处理下，玉米各处理土壤铵态氮含量不同生育期之间的变化差异同样也主要集中在表层(0～20cm)土壤。灌浆期到完熟期各处理土壤铵态氮含量出现大幅降低，因此该玉米生育时间段土壤中铵态氮含量消耗速率较其他时间段快。拔节期到抽雄期土壤各处理土壤铵态氮含量变化不明显，因此该时间段降雨较多影响土壤中硝化反应速率，导致土壤中铵态氮消耗速率较低。除拔节期到抽雄期，其他各生育时间段铵态氮含量均表现为下降。

不同水肥处理下，各土层铵态氮含量随土层深度增加变化规律有所差异。除完熟期各层土壤中铵态氮含量差别不大，其他各生育期各土层铵态氮含量均主要集中在表层(0～20cm)土壤，≥20cm土层土壤中铵态氮含量很少。

2.3 作物产量及产量构成

冬小麦不同水分控制下限处理下，小麦产量随土壤水分下限的增加而增加，W2处理比W1产量平均提高5.02%，W3处理比W1处理产量平均提高12.76%；不同施氮处理下小麦产量随施氮水平的增加表现为先增加后减少，N2处理比N1处理产量平均提升5.85%，W3处理比W1处理产量平均增长2.12%。除此之外，其他产量构成因素也随水肥处理变化表现不同，如穗长随施氮量的增加而增加，随土壤水分控制下限的增加表现出先增加后减小；密度随施氮量的增加表现出先增加后减小，随土壤水分控制下限的增加而增加。

表2 不同水肥处理冬小麦、夏玉米产量与产量构成

夏玉米不同水分处理对玉米产量影响和小麦表现规律一样。其中，不同水分控制线下限下，W2处理产量比W1处理平均增加3.26%，W3处理产量比W1处理平均增长8.36%；不同施氮水平下，N2处理产量比N1处理平均增加2.63%，N3处理产量比N1处理平均增加0.83%。对于玉米果长来说，施氮量和土壤水分控制下限的增加均对其有促进作用；单株粒数随水分控制下限增加而增加，随施氮水平增加表现为先增加后减少。

3 讨论

3.1 水肥耦合对小麦、玉米土壤水分分布的影响

经前人研究土壤水分的分布在土层中主要受到土壤结构、灌溉方式、灌溉定额以及灌溉次数等因素的调节[7]。在采用相同土壤、灌溉方式和灌溉定额时，土壤水分控制下限越高土壤初始含水率越高，同等条件下生育期内灌溉次数越多。陈琳等[8]通过室内试验发现，土壤初始含水率越大在进行灌水时土壤中的湿润锋越大，进而对土壤水分分布影响范围也就越大。为具体探究该问题，本研究设定3种灌水方案和3种施氮水平，即3种水分下限60%θf(W1)、70%θf(W2)、80%θf(W3)和3种施氮水平120kg·hm-2(N1)、220kg·hm-2(N2)、320kg·hm-2(N3)。通过对比发现，随着施氮量的增加，小麦-玉米不同生育期>60cm土层硝态氮含量均发生了不同程度增加，其中小麦0～40cm土层和玉米0～60cm土层中含水率呈现小幅度的较少，而>60cm土层小麦-玉米含水率无显著变化。原因在于，在一定施氮水平范围内随着施氮水平的增加土壤中的基质势增加，导致土壤0～60cm土壤中水势增加，促进土壤水分向水势低的下层运动；随着施氮水平的增加促进了植物生长，增加了植物耗水量，进而导致小麦0～40cm土层和玉米0～60cm土层土壤含水率降低；玉米根系比小麦根系长，能影响更深层土壤的含水率分布。综合小麦-玉米全生育期土壤水分分布规律来看，随着水分控制下限的提高，0～60cm土层含水率出现显著的提升，而>60cm土层变化不明显，说明0～60cm土层比较活跃，受降雨和蒸发量影响较大，这与孙宁霞等[9]结论一致。

3.2 水肥耦合对小麦、玉米土壤氮素分布的影响

由于小麦-玉米追肥时均采用水肥一体化施肥，因此小麦-玉米追肥后土壤中氮素的运动规律受到土壤水分分布的巨大影响。合适的水肥处理可以显著减少土壤中氮素深层渗漏的现象[10]。从本次研究结果中可以发现，小麦-玉米各生育期内施氮量对不同土层中土壤硝态氮含量的影响结果跟前人研究基本一致，即不同土层土壤中硝态氮含量与施氮量呈正比[11，12]。而关于不同灌水水平对不同土层土壤硝态氮含量分布的影响结论不全一致。部分人认为随着田间的输水量增加土壤中硝态氮向深层渗漏越严重，部分人认为增加输水量土壤中硝态氮含量渗漏并不是很严重[12，13]。本研究表明，无论是小麦还是玉米，水分控制下限从60%θf增加到70%θf各生育期，0～120cm土层土壤硝态氮含量变化不大，因此表层硝态氮为产生明显向土壤深处运动趋势。而水分控制下限从60%θf增加到80%θf，小麦生育后期(孕穗期到成熟期)0～60cm土层硝态氮含量出现小幅的较少，60～120cm土层硝态氮出现小幅的增加，说明小麦生育后期土壤水分控制下限从60%θf增加到80%θf，土壤硝态氮有向深层运动的趋势；玉米拔节期-抽雄期0～60cm土层硝态氮含量出现小幅的较少，60～120cm土层硝态氮出现一定程度的增加，说明玉米抽雄期-拔节期土壤水分控制下限从60%θf增加到80%θf，部分土壤硝态氮向深层土壤运动。随着施氮量的增加，小麦-玉米各生育期内0～120cm土层土壤中硝态氮增加幅度不尽相同，其中0～60cm土层中土壤硝态氮含量随施氮量增加的幅度较60～120cm土层大。不同生育期硝态氮含量随施氮水平增加表现规律也不尽相同，小麦出苗期、越冬期和玉米的出苗期施氮量的增加对土壤硝态氮含量影响较其他时期大[13]。

小麦和玉米各生育期内不同土层硝态氮含量变化不尽相同。随作物生长并不断吸收土壤中硝态氮，在不考虑追肥的影响下，小麦-玉米随生育期的延伸0～120cm土层土壤中硝态氮含量逐渐降低。由于不同生育期作物根系长度不同，对土壤中硝态氮影响深度也不同，小麦-玉米生育前期土壤中硝态氮消耗主要集中在0～20m土层，剩余生育时间段硝态氮消耗主要集中在0～60cm土层。

相较于硝态氮的分布情况，铵根离子带有正电荷，因此容易被带有负电荷的土壤胶粒吸附，这就使得铵态氮较不容易受到淋溶的影响[7]。本研究的结果同样显示，当土壤水分控制下限从60%θf增加到80%θf时，小麦-玉米0～120cm各层的土壤中铵态氮的变化并不大，这表明在一定范围内增加土壤水分控制下限对铵态氮在0～120cm土层中的分布影响并不大。通过对比施氮量从120kg·hm-2增加到320kg·hm-2的小麦-玉米各生育期内铵态氮的分布规律，可以发现施氮量的增加能够显著提高0～20cm土层中的铵态氮含量。

3.3 水肥耦合对小麦、玉米产量及产量构成的影响

前人研究表明[14，15]，灌水和施氮对作物产量有促进作用，但是在作物生长发育中水肥耦合存在一个临界阈值，低于此临界阈值可通过增加水肥投入促进增长，但高于此临界阈值时，增产效果不明显或有可能减产。从本试验结果可以看出，在同一施氮量下，随水分控制下限的增加而增加，而相同水分控制下限下，小麦-玉米产量最大的却是N2处理。说明水分控制下限在60%θf～80%θf范围内，水分控制线下限对小麦-玉米产量有促进作用，施氮量在120～320kg·hm-2范围内，施氮量对小麦-玉米产量的促进作用存在一个阈值，即220kg·hm-2。

4 结论

不同水肥处理垄作沟灌小麦-玉米，各生育期土壤剖面水分分布差异显著。0～60cm深度土层受降雨、灌水和腾发影响大，在整个生育期内0～60cm土层土壤含水率变化比深层(>60cm)土壤含水率变化剧烈。从小麦-玉米各生育期土壤含水量变化规律来看，提高水分控制下限明显增加了小麦-玉米生育期内土壤0～60cm土层含水率，施氮量增加对0～60cm土层土壤含水率有降低趋势。对于小麦-玉米全生育期灌水次数来说，增加土壤水分控制下限明显增加了小麦-玉米生育期灌水次数。

不同水肥处理对小麦-玉米同生育期内氮素分布影响显著。施氮量的增加能显著提高硝态氮0～60cm土层和铵态氮0～20cm土层中的含量；试验控制范围内，随土壤水分控制下限的增加，作物生育期内土壤中氮素均未产生明显向的深层土壤运动的趋势；作物生育越旺盛土壤中氮素变化越剧烈。

不同水肥处理对小麦-玉米产量影响显著，水肥耦合对作物生长存在一个临界阈值，低于该值增加水肥投入可以促进作物高产，但高于该值时存在可减产风险。

因此，通过本次田间小麦-玉米试验分析，本研究认为垄作沟灌种植模式下，小麦-玉米连作时，W3N2处理对小麦-玉米效益最高，即灌水水分控制下限为80%θf，施氮量为220kg·hm-2。由于本试验存在一定的局限性，因此可以该试验结果为依据，进一步通过构建模型、数值模拟以寻求不同条件下小麦-玉米的最优水肥制度，以期为垄作沟灌灌溉模式下种植的作物提高科学指导。