河套灌区盐渍化土壤玉米水氮耦合效应

闫建文,史海滨,李仙岳,田德龙,李 祯

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018;2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 呼和浩特 010018;3.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020;)

内蒙古灌区是全国三大灌区之一，但大部分耕地为盐渍化土壤，其中轻度盐渍化土壤面积为2.84×105hm2，占耕地面积的49.5%，中度盐渍化土壤面积为9.2×104hm2，占耕地面积的16.04%，重度盐分土壤面积为1.79×104hm2，占耕地面积的3.19%。盐胁迫已经成为限制该地区土地生产力的主要因子之一[1]。根据黄河水利委员会对水量的统一调度要求，2010年河套灌区的引水量从原来每年52亿m3减少到40亿m3，引水量减少了20%，水资源短缺已经严重影响灌区的可持续发展[2]。河套灌区由于长期形成大水漫灌的习惯，导致地下水位上升使表层盐分无法下渗，加上大量使用化学氮肥，造成盐分大量积累，导致农田水氮利用率低下。河套灌区玉米播种面积34×104hm2，占内蒙古灌区玉米播种面积的14.5%，总产量29.6×108kg，占内蒙古灌区玉米总产量的21%[3]。由于不合理的水氮制度，直接影响玉米产量，造成盐渍化土壤面积增加，并且普遍存在玉米生产成本过高、效益过低的现象。因此针对河套灌区水资源紧张、氮肥用量大、盐渍化面积广的现状，必须建立按需灌溉、按需施肥，适合盐渍化地区的精确水氮管理制度。建立盐渍化土壤水氮适量耦合模型，找到盐渍化地区合理的水氮配比和优化组合，相关研究对提高水氮利用效率、节约水肥资源、减轻环境污染、防止次生盐渍化、提高盐渍化地区玉米产量和降低水氮过量对环境的影响都有着重要意义。

目前，关于水氮对产量的影响和水氮产量模型的研究已有较多的报道。王小彬等[4]研究表明，水和氮与作物产量在一定范围表现为水氮的协同效应；薛亮等[5]研究表明，水、氮对产量有明显的促进作用，而且氮素作用大于灌水作用，两因素交互作用对玉米产量的影响为正效应；路亚等[6]和刘秀珍[7]等研究表明，水分对产量的影响大于氮素。李仙岳等[8]研究表明沙区滴灌条件下灌水量与施氮量存在明显的交互效应；以上研究都开展在非盐分土壤上。而Lamsal等[9]研究表明，水分亏缺程度与盐分水平直接相关，土壤含盐量越大，水分亏缺程度越高；徐万里等[10]研究表明，盐分抑制土壤中的氮素硝化，加剧土壤NH3的挥发；表明盐分能够影响土壤水分和氮素的活动。相关学者在轻度盐渍化土壤上开展了水氮交互影响研究，研究表明，在盐渍化土壤上合理的水氮交互用量能够显著的提高作物的产量，当水氮过量时产量略有下降[11]。其他研究也表明[12-13]，不同土壤盐分情况下，作物吸收土壤水分和养分的能力存在差异。因此开展不同盐分土壤情况下的水氮合理优化利用研究，对提高盐渍化农田水氮利用效率有着重要意义。霍星等[2]在盐渍化地区研究了水氮对向日葵生长的影响并建立了产量模型，但向日葵比玉米耐盐，而且在生育期内水肥管理制度差异较大。徐昭等[14]开展了不同盐渍化程度土壤水氮调控对玉米产量的影响，但目前开展盐分农田水氮交互效应研究较少，且由于盐分分级不同以及水氮处理差异，优化结果也存在着差异，需要进一步验证。因此，本文选取了玉米可以正常生长的轻度和中度两种盐分土壤，建立不同盐分胁迫下的水氮产量模型，并通过模型寻优，以探求适用于盐渍化地区的节水施肥优化模式，为盐渍化地区及相近地区玉米生产提供节水减肥依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 试验设计

供试验的玉米品种为辽单565号。选取轻度和中度2个土壤含盐水平, 含盐量如表1 所示。在两种盐分土壤上设置相同的水肥处理，设计灌水量和施氮量2个试验因素、3个水平。当地传统水肥用量为灌水量2 925 m3·hm-2、施氮量325 kg·hm-2。研究设置了3个供氮水平：高氮(当地水平325 kg·hm-2)、中氮(225 kg·hm-2)、低氮(125 kg·hm-2)。3个灌水水平：高水(当地水平2 925 m3·hm-2)、中水(2 250 m3·hm-2)、低水(1 575 m3·hm-2)。另设1个不灌水不施肥的处理作为对照。试验共10个处理。3次重复，共30个小区。小区面积36 m2(9 m ×4 m)，小区1 m深土体四周以埋设2层塑料薄膜相隔，防止水分侧渗和肥料的影响。种植密度为株距0.3 m、行距0.6 m。磷肥作为底肥一次性施入用量(450 kg·hm-2)与当地农民相同，氮肥为追肥分别在拔节期和大喇叭口期(施氮量各占1/2)灌溉前撒施在行间。由于内蒙古河套灌区是自流灌区，每次灌水由灌区管理部门统一调配，由于黄委减少了灌区引水量，因此灌区内统一在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期进行3次灌水，本试验按照当地灌水时间，全生育期在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期灌水3次，每次灌水量相同，具体灌水和施肥处理见表3。

表1 土壤理化性状

表2 轻度和中度盐分土壤养分含量

1.3 测定方法

土壤电导率和pH值分别使用电导率仪和pH计测定土水比1∶5土壤水提液的电导率和pH值。测产时玉米产量按小区籽粒产量单打单收。

1.4 数据处理

采用SPSS软件对数据进行回归模拟和频步分析。

由于试验中灌水量和施氮量的量纲不统一，不能直接比较。本文通过离差标准化，对原始数据线性变换，使结果落到[0,1]区间，转换函数见式1。经过标准化的灌水量和施肥量成为无量纲的代码。用无量纲的灌水量和施肥量的代码与因变量(产量)进行回归分析，可以根据回归系数的正负大小判断相应因素(灌水量或施肥量)对因变量(产量)的影响力。

(1)

其中,x*为无量纲代码，x为样本值(试验设计中的实际施入量)，max为样本数据的最大值，min为样本数据最小值。

2 结果与分析

2.1 不同盐分土壤水氮产量模型的建立

通过对轻度和中度盐分土壤的不同水氮处理玉米产量进行回归拟合，得到轻度和中度盐分土壤玉米产量与灌水量和施氮量的回归模型。

轻度盐分：

Y=5832.029+7174.064X1+6113.011X2

+4357.584X1X2(R=0.9609)

(2)

中度盐分：

Y=4417.455+6236.679X1+5790.766X2

+3963.583X1X2(R=0.9772)

(3)

式中,Y为玉米产量(kg·hm-2)；X1、X2分别为试验设计的灌水量、施肥量的编码值。

对轻度和中度盐分土壤的回归模型(2)、(3)进行检验，轻度盐分土壤回归模型F拟合=9.654，大于0.05 水平下的F值(4.74)，中度盐分土壤回归模型F拟合=16.965，大于0.01 水平下的F值(9.55)，说明轻度和中度盐分土壤回归模型都达到了显著水平，能够反映产量与灌水量和施氮量之间的关系。轻度和中度盐分土壤模型中的一次项和X1X2的系数均为正值。说明适当的灌水和施氮在轻度和中度盐分土壤中均可对玉米有明显的增产作用，水氮的耦合作用对产量的影响为正效应。轻度和中度盐分回归模型中二次项系数均为负值，说明过量的灌水和施氮都会导致玉米的减产。轻度盐分灌水量和施氮量的一次项系数和X1X2的系数分别比中度盐分土壤高15.03%、7.7%和9.9%。Ben-Asher等[16]研究表明,中度盐分土壤中土壤水分的渗透势低于轻度盐分土壤水分的渗透势，根系吸水更加困难，导致更多的水分留在土壤中，致使中度盐分土壤水分利用效率低于轻度盐分土壤。盐分胁迫的增强还会抑制土壤中的氮素硝化，加剧土壤NH3的挥发[9]，降低氮肥的利用效率。盐分胁迫的增强降低了水氮的利用效率，因此导致水氮在中度盐分土壤中的增产效应低于轻度盐分土壤。轻度和中度盐分土壤的常数项分别为5 832.029和4 417.455，轻度比中度高32.02%，表明无水氮投入时，随着盐分胁迫的加剧产量会明显下降，证明在盐渍化土壤地区，盐分是影响生产的重要因素之一。

表3 玉米试验处理设计

2.2 单因素效应分析

为了研究不同盐分土壤中灌水量和施氮量单因子对产量的影响，采用降维法对模型(2)、(3)中任意一个因子取0水平编码值可得另一因素对玉米产量的一元二次回归方程

轻度盐分:

(4)

中度盐分:

(5)

图1为两种盐分水平下灌水量与施氮量对玉米产量的影响。不同盐分水平下玉米产量随水、氮两因素的增加呈先增后降变化，表明各因素都有明显的增产效应。各抛物线的顶点就是单因素对应的最高产量值。当水氮用量超过最高点时会导致产量的下降和生产成本的增加，符合报酬递减的规律。两种盐分土壤中，灌水的增产效应显著高于施氮的增产效应,说明盐渍化土壤水分是影响玉米增产的主要因素。研究表明，河套灌区灌溉水经过土壤排水中Na+所占比例明显增加,平均约为87%，说明灌区主要以排出钠盐为主[17]。李建兵等[18]研究表明，钠盐可促进土壤NH3的挥发,且随盐分含量增加,土壤NH3挥发越迅速，一定程度上抑制土壤的硝化作用。张余良等[19]研究表明，灌溉可以明显降低土壤的全盐量。盐渍化地区多为干旱半干旱地区，降雨少，蒸发量大，盐渍化土壤结构和透气性差，灌水少会因为蒸发的作用导致表层土壤积盐，而过多灌水会导致土壤透气性变差，土壤中含O2量下降，以上因素均会抑制土壤的硝化作用，降低氮肥的利用效率。因此合理的灌水是盐渍化地区增产的主要措施。只有合理的灌水淋洗土壤中的盐分，降低土壤的含盐量，改善氮肥的水解和硝化条件，氮肥才能发挥相应的增产作用。由图1看出，轻度和中度盐分土壤，过量的施肥减产效果明显。说明盐渍化土壤中不适宜过多施氮肥，过多施氮肥会导致减产还会造成土壤次生盐渍化的发生。本试验中，轻度盐分土壤玉米最高产量为13 581 kg·hm-2，中度盐分土壤玉米最高产量为11 115 kg·hm-2，对应的灌水和施氮编码相同，灌水编码为0.77(实际用量2 250 m3·hm-2)，施氮编码为0.69(实际用量225 kg·hm-2)，轻度盐分的最高产量比中度盐分的高22.2%。说明水氮条件相同条件下，随着盐分胁迫的加剧，产量明显下降。

对模型( 4) 、(5) 求导得出轻度和中度盐分土壤玉米边际产量模型。

图1 轻度和中度盐分土壤灌水量与施氮量对玉米产量的影响Fig.1 Effects of water irrigation and N fertilizer on maize yield in slight-saline and moderate-saline soil

(6)

(7)

边际产量可以反映各因子的最适投入量和单位投入量变化对产量增减速率的影响，它是对总产量变动速率的反映。若各因子效应均符合报酬递减规律，则当各因子的边际产量为零，即达到最高产量点时，此时各因子的施用量即为最高产量施用量。由图2可知，轻度和中度盐分土壤各单因子的边际效应均随着投入量的增加，边际效益递减，当超过边际产量为零的水氮投入量时，边际产量出现负值造成减产，符合报酬递减规律。令dY/dXi=0， 由模型(6)、(7)分别求得轻度和中度盐分土壤玉米最高产量(Y)对应的水氮编码值，轻度盐分灌水编码值为0.78(实际用量2 281.5 m3·hm-2)、施氮编码值为0.53(实际用量172.25 kg·hm-2)。中度盐分灌水编码值为0.84(实际用量2 457 m3·hm-2)、施氮编码值为0.50(实际用量162.5 kg·hm-2)。达到最高产量时轻度盐分土壤灌水量比中度盐分土壤低7.14%，轻度盐分土壤施氮量比中度盐分土壤高6%。由图2还可以看出，轻度和中度盐分土壤施氮肥的增产速率没有明显差异，而轻度盐分土壤灌水的增产效率明显高于中度盐分土壤。由于中度盐分土壤含盐量高，土壤溶液水势不断降低, 植物吸水能力降低[20]，导致水分利用效率降低、增产速率降低。盐分含量越高，土壤水分亏缺程度越严重，中度盐分土壤达到最高产量需要的灌水量要高于轻度盐分土壤。轻度和中度盐分土壤施氮肥的增产速率没有明显差异，轻度盐分土壤灌水的增产效率明显高于中度盐分土壤。说明盐渍化土壤水分是影响产量的主要因素。只有水分适宜，改良了土壤的盐渍化环境后，氮肥才能更好地发挥作用，与前面分析的结果一致。

2.3 不同盐分土壤水、氮交互效应分析

由图3可知，轻度和中度盐分土壤水、氮对玉米产量的影响都呈抛物线形。轻度和中度盐分土壤即水、氮交互作用明显。水、氮两因素，当一个因素固定，籽粒产量即随着另一因素呈先增加而后降低的趋势。不同盐分土壤中，产量随水氮的增加先增加后降低。两种盐分土壤在灌水量和施氮量取最低水平时，产量都出现最低点。轻度和中度盐分土壤玉米产量出现最高值时，对应的灌水量和施氮量并不是最高的水平，说明在盐渍化土壤中水、氮过多反而会降低玉米的产量。在两种盐分土壤中，当灌水量处于较低水平时，增加施氮量，产量增加不明显；而当施氮量处于较低水平时，增加灌水量，产量明显增加。说明在盐渍化土壤中水分是影响玉米产量增加的主要因素。

2.4 不同盐分土壤水、氮处理玉米产量模型寻优

根据模型(1)、(2)，结合试验设计经过标准化的编码值，在0≤xi≤1之间给灌水量和施氮量各取了7个水平(编码值为0、0.22、0.38、0.54、0.69、0.85、1)，利用试验两因素的编码值组合可得到轻度盐分土壤产量超过10 081 kg·hm-2的组合方案和中度盐分土壤产量超过8 201 kg·hm-2的组合方案均为26个。对轻度和中度盐分土壤水、氮两因素的频数进行统计分析，得到轻度盐分土壤产量大于10 081 kg·hm-2的管理方案和中度盐分土壤产量大于8 201 kg·hm-2的管理方案相同，具体方案见表4。由表4可知，轻度和中度盐分土壤优化出的灌水量和施氮量的方案相同，每次灌水量为1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，总施氮量为174.04～240.47 kg·hm-2。本试验中，轻度盐分土壤玉米最高产量为13 581 kg·hm-2，中度盐分土壤玉米最高产量为11 115 kg·hm-2，对应的灌水和施氮编码相同，灌水编码为0.77(实际用量2 250 m3·hm-2)，施氮编码为0.69(实际用量225 kg·hm-2)，灌水和施氮量在优化方案范围内。说明优化出的水氮方案，适用于轻度到中度盐分土壤。优化方案的水氮用量分别比当地的每次灌水量(2 925 m3·hm-2)节水18.2%～35%, 氮肥用量(325 kg·hm-2)减少26.0%～46.4%。

图2 轻度和中度盐分土壤灌水量与施氮量的单因素边际效应Fig.2 Marginal effects of water irrigation and N fertilizer in slight-saline and moderate-saline soil

图3 轻度和中度盐分土壤灌水量和氮肥用量耦合对玉米产量的影响Fig.3 Effects of coupling water irrigation and N fertilizer on maize yield in slight-saline and moderate-saline soil

表4 轻度和中度盐分土壤玉米籽粒产量各因子取值频率分布及配比方案

3 讨 论

农业生产中，水氮投入和土壤盐分状况是影响盐渍化土壤作物产量的主要因素。探索不同盐渍化土壤合理的灌水施肥量，充分利用灌水施肥之间的耦合效应适应盐分胁迫，使盐渍化土壤作物的产量达到最优。王振华等[21]研究表明，合理的灌溉施肥量可以有效增加作物氮素积累，促进作物氮素利用率的提高，使产量有了明显的增加。相关研究[11]表明，在轻度盐化土壤中合理的水氮交互用量能够显著提高作物的产量，当水氮过量时产量略有下降，产量最高处理为中水中氮处理，与本文的研究结果一致。李仙岳等[8]研究表明，玉米产量随水氮用量增加表现为先增加后降低，灌水对玉米增产的作用大于增施氮肥的作用，与本文的研究结果一致，但是其最高产量出现在高水中氮与本文不同，主要原因由于其相关试验开展在沙区，因此相同条件下消耗水量较大。可见，在盐分较轻的盐化土壤上，水分条件适宜时适当增加氮素可以有效增加产量，但如果过量灌水施肥会造成水肥的浪费。

随着土壤含盐量的提高，土壤盐分占据了影响产量的主导地位。中度盐化土壤中盐分和水氮投入共同影响作物产量[22]。本研究表明中度盐分土壤中各水氮处理的产量明显低于轻度盐分土壤相同水氮处理的产量，中水中氮依然是产量最高的处理。徐昭等[14]研究表明，在中度盐渍化土壤中，水氮交互效应对产量影响增大，但依然保持着产量随水氮增加先增加后减少的变化规律，灌水量对产量的影响依然大于施肥的影响，中水中氮处理的产量最高，与本文的研究结果一致。试验结果表明灌水过多会增加氮素的流失，如果施氮量较少，就会导致作物养分缺失，作物减产，适当增加施氮量可以维持土壤中的一定量氮素含量。然而相关研究[23]也表明盐渍化土壤上土壤盐分随着施氮量的增加而增加。由于中度盐分土壤自身盐分背景值较高，为了保持土壤盐分不较大幅度增加，在保证足够施肥量的同时还需适当增加灌水来维持对土壤盐分的淋洗，以保证玉米生长不因盐分过高而减产。可见，在中度盐化土壤上，水氮调控非常必要，适当的水氮用量才可以使作物在相对恶劣的环境中保持较高的产量。

本文优化出的轻度和中度盐分土壤的方案相同，每次灌水量为1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，总施氮量为174.04～240.47 kg·hm-2。与徐昭等[14]优化出的方案相比，水氮投入量范围接近，但数值略有偏小，主要由于土壤肥力情况、气候条件以及目标产量设置不同导致的，但都符合当地的实际情况。由于优化的结果是一个范围，因此从长远的盐碱地改良角度看，建议中度盐化土壤选择优化水、氮范围中中等偏上的灌水量和中等偏下的施肥量，可达到逐渐降低土壤盐分背景值目的，将中度盐化土壤改良为轻度盐化土壤，降低盐分的影响程度，达到产量的稳步提高。轻度盐分土壤选择优化水氮范围中适中的水氮用量即可。从试验结果看主要影响产量的因素为灌溉水量，且河套灌区为干旱地区，降雨量少，年际变化不大，因此本试验具有一定的指导意义。

4 结 论

1)在轻度和中度盐分土壤条件下，灌水和施氮对玉米均有增产效应，水、氮交互作用为正效应，水分的作用大于施氮的作用。

2)通过边际效应分析可知，轻度和中度盐分施氮肥的增产速率没有显著差异，轻度盐分土壤灌水的增产效率显著高于中度盐分土壤。

3)通过模型寻优，得到的轻度和中度盐分土壤种植玉米的最佳水氮配比方案相同，全生育期灌水量为1 900.95～2 389.08 m3·hm-2，总施氮量为174.04～240.7 kg·hm-2。优化范围包含了轻度和中度盐分的最高产量水肥用量，符合当地灌水施肥要求。但从维持目前玉米产量和长期盐碱地改良的角度看，建议中度盐化土壤选择优化水氮范围中中等偏上的灌水量和中等偏下的施肥量，以达到逐渐降土壤盐分背景值目的，将中度盐化土壤改良为轻度盐化土壤，降低盐分的影响程度，达到产量的稳步提高。轻度盐分土壤选择优化水氮范围中适中的水氮用量即可。

4)优化方案的水氮用量分别比当地的每次灌水量(2 925 m3·hm-2)节水18.2%～35%，氮肥用量(325 kg·hm-2)减少26.0%～46.4%，为盐渍化地区种植玉米提供了节水节肥的依据。