節水減氮對北京地區夏玉米水氮利用的影響

王 悅, 陳立欣, 范海燕, 楊勝利， 張志強?

(1.國家林業和草原局水土保持重點實驗室，100083，北京；2.北京市水土保持工程技術中心，100083，北京；3.北京林業大學水土保持學院，100083，北京；4.北京市水科學技術研究院，100048，北京；5.北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，100048，北京)

水分和氮素是影響玉米產量的關鍵因素[1]。研究表明，水氮具有明顯的耦合效應：在一定范圍內，氮肥肥效隨土壤水分提高而增強[2]，水氮協調供應對提高作物產量具有重要意義。華北地區作為我國夏玉米的主產區，玉米產量占全國玉米總產量的39%[3]，但該區域農民為了追求作物高產常過量施用氮肥。據統計[4]，華北地區冬小麥-夏玉米輪作體系的氮肥平均用量為545 kg/hm2，遠超全國氮肥平均用量378 kg/hm2，其中夏玉米單季氮肥用量已達276 kg/hm2。過量施用氮肥不僅浪費資源，還會降低氮肥利用率，同時土壤中聚集大量氮素也會增加硝態氮淋失風險[5]。此外，華北地區降水年際變化大、季節性干旱頻發，補充灌溉是作物獲得高產的重要條件，但該地區是我國嚴重缺水的區域之一，農業生產中長期存在的大水漫灌和過量灌溉導致水分利用效率普遍較低[6-7]?？梢姡Y源短缺、農田氮肥投入過量及其造成的環境問題是制約該地區農業可持續發展的關鍵。

大量試驗[8-9]研究灌水和施氮對玉米產量和水氮利用的影響。鐘茜等[10]認為，華北地區玉米施氮145 kg/hm2時可達最高產量的97%。呂麗華等[11]研究發現，華北地區周年輪作體系限水(年供水量小于510 mm)和適水(年供水量大于610 mm)條件下得到最高產量的施氮量分別為311.6和253.6 kg/hm2?，F有研究多以個別指標尋優為主，基于玉米產量、資源利用效率和環境效應確定水氮管理優化目標的研究相對較少。由于田間試驗工作量大，采用多元回歸和空間分析方法可以尋找特定指標可接受范圍的重疊區，進而得到水氮用量的最優組合[12-13]。此外，水氮運籌對作物生長的影響具有明顯的區域特征，合理的水氮配比需要結合不同區域的氣象條件和土壤狀況綜合考慮。夏玉米作為北京地區主要糧食作物之一，夏玉米種植面積約占糧食作物總面積的69%，在華北地區玉米種植中具有重要地位。本研究以北京地區夏玉米(ZeamaysL.)為研究對象, 分析在降水條件下灌水和施氮對玉米田間耗水、產量、水氮利用效率和土壤硝態氮積累的影響，探索降水條件下低環境成本和高水氮利用效率實現玉米高產的適宜灌水施氮量，為玉米栽培的田間水肥管理提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2019年6—10月在位于北京市通州區(E 114°20’，N 39°20’)的北京市水科學技術研究院永樂店試驗站進行。試驗區為永定河、潮白河沖積洪積平原，地勢平坦，自西北向東南傾斜，平均海拔20 m。試驗區屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年平均日照時間2 495 h，多年平均氣溫11.5 ℃，多年平均降雨量565 mm，多年平均水面蒸發量1 140 mm，試驗基地地下水埋深達10～20 m。耕作層土壤密度1.36 g/cm3，有機質質量分數13.1 g/kg，全氮0.98 g/kg，全磷1.74 g/kg，堿解氮69 mg/kg，有效磷10.1 mg/kg，有效鉀95.8 mg/kg。土壤基本性質見表1。

表1 試驗區土壤基本性質

1.2 試驗設計

設置2因素4水平，采用完全隨機組合設計，3次重復。設置4個施氮梯度，以華北地區常規施氮量N2(275 kg/hm2)為對照[4]，不施氮為N0、減量施氮為N1(150 kg/hm2)、農戶高施氮量為N3(施氮400 kg/hm2)，氮肥品種為尿素(46% N)，在苗期、拔節期和大喇叭口期等量施入。按照當地農戶灌溉制度和降水特點[11]，設置4個灌水梯度，分別為：W0(不灌水)、W1(大喇叭口期灌水，灌水定額60 mm)、W2(大喇叭口期和開花期分別灌水，灌水定額60 mm)、W3(大喇叭口期、開花期和灌漿期分別灌水，灌水定額60 mm)，采用滴灌灌溉，用水表控制灌水量。

試驗小區面積為10.8 m2(3.6 m×3 m)，各小區均設置寬和高均為25 cm的田埂，并設置寬為1 m的隔離帶。玉米于2019年6月22日播種，2019年10月2日收獲，為當地主栽品種“中科9006”，種植密度為5.6萬株/hm2，前茬作物為冬小麥，雜草和病蟲害防治與大田管理一致。玉米水氮設計詳見表2。

表2 玉米水氮設計

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水分與田間耗水 利用時域反射儀(TDR[TRIME-PICO, IPH])測定土壤水分，測量深度為0～100 cm，每10 cm一層，測量時間間隔為5 d，并在播種前、收獲后、灌溉前后以及降水后進行加測。

耗水量在田間條件下通常指作物蒸散量，通過水量平衡方程[14]計算：

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

(1)

式中：ET為作物蒸散量，mm；P為降水量，mm；I為灌溉量，mm；ΔWs為土壤貯水量變化量，mm；γ為土壤密度，g/cm3；H為土層厚度，cm；θ1為播前土壤含水量，%；θ2為收獲后土壤含水量，%；Rs為地表徑流量，mm，試驗區地勢平整且小區周圍有田埂，故Rs為0；D為深層滲漏量，mm。

利用Hydrus-1D對田間100 cm以下水分滲漏進行模擬，具體方法參照劉曉媛等[15]，土壤水力參數見表3。將40和100 cm處土壤含水量實測值與模擬值進行對比(限于篇幅，以W1N1處理為例，圖1)，相關系數分別為0.96和0.91，標準化均方根誤差均<10%，說明實測值與模擬值的一致性良好，Hydrus-1D模擬水分滲漏可行。

表3 土壤剖面水力學特性參數

圖1 W1N1處理40 cm和100 cm處土壤含水率實測值與模擬值對比Fig.1 Comparison of measured and simulated soil water content at 40 and 100 cm of W1N1 treatment

1.3.2 土壤硝態氮 采用土鉆法，在玉米收獲后取土，取土深度為0～100 cm，每10 cm一層。土壤樣品于-20 ℃保存，測定前解凍、混勻，過2 mm篩，用實驗室配置的2 mol/L KCI溶液對土樣進行浸提，用流動分析儀測定硝態氮含量，并計算硝態氮積累量[16]。

M=CHγ/10。

(2)

式中：M為硝態氮積累量，kg/hm2；C為硝態氮質量分數，mg/kg。

1.3.3 產量 每小區選擇中間區域長勢均勻的15株玉米收獲，自然風干后考種，脫粒測產。

1.3.4 田間水分利用效率和氮肥偏生產力

WUE=Y/ET。

(3)

NPFP=Y/FN。

(4)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為產量，kg/hm2；NPFP為氮肥偏生產力，kg/kg；FN為施氮量，kg/hm2。

1.4 數據統計與分析

采用SPSS 25軟件進行雙因素方差分析，并用Duncan法進行多重比較，顯著性水平設置為0.05；應用軟件Origin 2018制圖；采用MATLAB軟件進行多元回歸分析，并采用空間分析法得到各指標多元回歸方程所得三維曲面的平面投影, 尋找各指標可接受區域的重疊區, 得到兼顧各指標的最優水氮范圍[12-13,17]。

2 結果與分析

2.1 試驗年降水情況

試驗站內氣象站監測數據表明，1980—2019年多年平均降水量為537.35 mm，玉米季多年平均降水量374.4 mm；2019年全年降水量為375.9 mm，玉米季降水量為250.4 mm(圖2)，根據降水頻率分析結果，即豐水年(P=75%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=25%)，試驗年代表枯水年。

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

2.2 灌水和施氮對玉米田間耗水的影響

確定玉米田間耗水量及其水分來源是分析水分利用的關鍵，田間耗水量隨灌水量和施氮量增加而顯著增大(P<0.01)(表4)，玉米田間耗水量在315.4～448.89 mm之間(表5)。同一施氮條件下，W3處理田間耗水量較W0、W1和W2處理分別提高36.43%、21.05%和7.3%；同一灌水條件下，N3處理田間耗水量較N0、N1和N2處理分別提高4.99%、2.08%和0.57%。

表4 灌水和施氮對田間耗水量及田間耗水的水分來源的影響的顯著性(F值)

表5 灌水和施氮對田間耗水量及田間耗水的水分來源的影響

玉米田間消耗的水分來源主要包括降水量、灌水量和土壤貯水，其中降水供給量占55.78%～79.39%，灌溉占16.03%～41.27%(除W0處理)，土壤貯水占9%～32.28%。由于玉米生長季降水量僅有250.4 mm，水分滲漏較少，約占來水總量的7.43%～10.06%，水分滲漏量隨灌水量增加而增大，施氮對水分滲漏影響不顯著。同一施氮條件下，隨灌水量增加，灌水量占田間耗水量比例增大，降水量和土壤貯水消耗量占比減小，除W0處理外，W1處理土壤貯水消耗量占田間耗水量比例最大，為19.68%～24.43%，說明過量灌水不利于玉米對土壤水的利用。同一灌水條件下，隨施氮量增加，土壤貯水消耗量占田間耗水量比例增大，降水量和灌水量占比減小，W1灌水處理下，N1處理土壤貯水消耗量占比較N0處理提高16.99%，說明施氮提高玉米對土壤貯水的利用能力。

2.3 灌水和施氮對玉米產量的影響

水分和氮素是影響產量形成的關鍵因素。試驗結果(圖3)表明，灌水、施氮及水氮互作對玉米產量影響極顯著(P<0.01)。玉米產量在8 062.13～11 619.74 kg/hm2之間，灌水和施氮對玉米產量具有臨界效應，同一施氮條件下，隨灌水量增加，產量表現為W1、W2>W3>W0，W1處理產量較W0和W3處理分別提高18.89%和1%。不灌水時(W0)，玉米產量隨施氮量增加而增大，施氮處理產量較不施氮處理提高15.99%，各施氮處理間無顯著差異；灌水處理下，隨施氮量增加，產量表現為N1>N2>N3>N0，N1處理產量較N0、N2和N3處理分別提高29.54%、1.76%和5.35%。可見，適量灌水和施氮有利于充分發揮玉米生產潛力，W1N1和W2N1處理可以顯著提高玉米產量。

圖3 灌水和施氮對玉米產量的影響Fig.3 Effects of irrigation and nitrogen application on the grain yield of maize

2.4 灌水和施氮對玉米水分利用效率和氮肥偏生產力的影響

水分利用效率(water use efficiency, WUE)是評價作物水分利用情況的重要指標。試驗結果(圖4)表明，灌水、施氮及水氮互作對WUE影響極顯著(P<0.01)，WUE在2.04～3.16 kg/m3之間。同一施氮條件下，隨灌水量增加，WUE表現為W1>W0>W2>W3，W1處理WUE較W0、W2和W3處理分別提高5.39%、12.57%和22.15%，適量灌水可以提高WUE，過量灌水會顯著降低WUE(P<0.05)。同一灌水條件下，隨著施氮量增加，WUE表現為N1>N2>N3>N0，N1處理WUE較N0、N2和N3處理分別提高22.27%、2.95%和6.33%，過量施氮導致產量降低進而降低WUE。W1N1處理WUE顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖4 灌水和施氮對玉米水分利用效率的影響Fig.4 Effects of irrigation and nitrogen application on the WUE of maize

試驗結果表明，灌水、施氮及水氮互作對玉米氮肥偏生產力(nitrogen partial factor productivity, NPFP)影響極顯著(P<0.01)，NPFP在23.32～77.46 kg/kg之間。同一施氮條件下，NPFP隨灌水量增加而增大，灌水處理平均NPFP較W0處理提高21.72%。同一灌水條件下，NPFP隨施氮量增加顯著降低(P<0.05)，N1處理NPFP較N2和N3處理分別提高86.55%和180.94%。W1N1和W2N1處理NPFP顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖5 灌水和施氮對玉米氮肥偏生產力的影響Fig.5 Effects of irrigation and nitrogen application on the NPFP of maize

2.5 灌水和施氮對玉米硝態氮分布及積累的影響

玉米收獲后土壤剖面中硝態氮分布和積累是灌水和施氮綜合作用的結果(圖6)。同一灌水條件下，農田0～100 cm土壤硝態氮含量隨施氮量增加而顯著增大(P<0.05)，N0和N1處理土壤硝態氮含量處于較低水平，當施氮量>150 kg/hm2時，各土層硝態氮含量顯著增大(P<0.05)。同一施氮條件下，W0處理硝態氮含量呈“上多下少”的規律，隨著灌水量增加，土壤硝態氮逐漸向深層遷移，W3處理深層土壤硝態氮含量顯著高于W0處理(P<0.05)，說明硝態氮會隨土壤水發生垂向運移。

圖6 玉米收獲后0～100 cm土層土壤硝態氮含量剖面圖Fig.6 Soil nitrate nitrogen content in 0-100 cm profile after maize harvest

由圖7可知，施氮顯著增加0～100 cm土壤硝態氮積累量(P<0.05)，N3處理硝態氮積累量較N0、N1和N2處理分別增加292.48%、153.78%和28.25%。同一施氮條件下，灌水促進硝態氮向深層運移，從各土層來看，灌水降低了表層土壤硝態氮積累比例，增加深層土壤硝態氮積累比例，W0處理0～60 cm土壤硝態氮積累量占比為68.79%，隨著灌水量增加，0～60 cm硝態氮積累量占比逐漸減小，60～100 cm硝態氮積累量逐漸增加，W3處理60～100 cm硝態氮積累量占比較W0、W1和W2處理增加34.39%、31.18%和5.86%，說明灌水和施氮會增加深層土壤硝態氮積累，增加硝態氮淋失風險。

圖7 灌水和施氮對土壤硝態氮積累量的影響Fig.7 Effect of irrigation and nitrogen application on nitrate nitrogen accumulation amount

2.6 水氮投入與產量、水氮利用效率與硝態氮淋失的關系

以灌水量和施氮量為自變量，以玉米產量、WUE、NPFP和硝態氮積累量為因變量，進行多元回歸分析。結果(表6)表明，灌水量和施氮量對各因變量影響都極顯著(P<0.01)，決定系數R2均>0.85，說明回歸方程能較好的反映實際情況。

表6 灌水和施氮與玉米產量、水分利用效率和氮肥偏生產力、硝態氮積累量的回歸方程

根據表6回歸方程形成平面投影圖(圖8)，并求解各指標最大值及其對應的灌水量和施氮量(表7)，從表7可見，4個指標不能同時達到最優(硝態氮積累量較低為較優值)。

圖8 灌水和施氮與玉米產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和硝態氮積累量的關系Fig.8 Relation between irrigation and nitrogen application and maize yield, WUE, NPFP and nitrate nitrogen accumulation

表7 玉米預測最大產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和硝態氮積累量及其所需的灌水量和施氮量

采用空間分析法，對4項指標最優值的±5%、±10%和±15%范圍進行評價，發現4項指標在±10%和±15%范圍內有重疊，但各指標偏離最優值較遠，對水氮尋優無意義；3個指標在最優值±5%范圍內有重疊區域，且與硝態氮積累量有較接近的范圍。因此，將最優值±5%的范圍定為可接受范圍。將產量、WUE、NPFP和硝態氮積累量最優值的95%的等值線投影后得到綜合分析圖(圖9)，可見，玉米產量、WUE和NPFP同時達到最優值95%的灌水施氮范圍是：灌水81～102 mm和施氮143～161 kg/hm2，且在此范圍內，硝態氮積累量較低。

圖9 產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和硝態氮積累量的綜合評價Fig.9 Comprehensive evaluation of yield, WUE, NPFP and nitrate nitrogen accumulation amount

3 討論

灌水和施氮會影響土壤硝態氮積累和分布[18-19]，過量施氮會增加土壤硝態氮含量[18]，崔振嶺等[20]認為，作物收獲后0～90 cm土層硝態氮含量控制在65～151 kg/hm2時可以滿足作物生長需求并降低土壤硝態氮含量，本試驗中施氮量<150 kg/hm2時可以顯著降低硝態氮積累量。前人對于灌水對土壤硝態氮的影響的結論不完全一致，有學者研究認為，灌水會促進深層土壤硝態氮聚集，環境污染風險增大[18]，但也有研究認為，增大灌水對土壤硝態氮影響不顯著[21]，出現不同結論的原因可能與當地土壤狀況有關。本試驗條件下, 隨著灌水水平提高，深層土壤硝態氮含量顯著升高，增加了硝態氮淋失量[19]。

灌水量和施氮量是影響作物產量和水氮利用效率的關鍵因子[1]。研究表明水氮用量對作物產量提高存在適宜區間，當灌水量和施氮量超出適宜用量后，作物產量增加不顯著甚至會降低[22]，本研究也得到了相似結論，水氮處理為W1N1時玉米產量達最大值。呂麗華等[11]發現年供水量不足時水分是限制氮肥肥效發揮的主要因素，本研究也表明，在華北地區枯水年條件下，在玉米大喇叭口期至開花期灌1水可有效提高玉米產量，較不灌水處理提高18.89%。本試驗條件下，隨施氮量增加，土壤供水量占田間耗水量比例增大，施氮提高玉米對土壤貯水的利用能力。研究表明，一定范圍內施氮能促進產量提高進而提高水分利用效率，施氮超過一定范圍則會導致產量降低，并降低玉米水分利用效率[23]。同時，增加灌水量會增加玉米田間耗水，降低土壤貯水消耗量占比[14]，導致水分利用效率降低[24]。

關于灌水和施氮對玉米產量和水氮利用的影響，前人已做過較多研究，但結論不盡相同。鐘茜等[10]認為，華北地區玉米施氮145 kg/hm2即可達最高產量的97%。徐杰等[25]認為，華北地區玉米季自然降水充足時，玉米施氮120 kg/hm2且生育期內不灌水即可實現玉米高產。呂麗華等[11]研究認為華北地區輪作體系限水(年供水量<510 mm)和適水(年供水量>610 mm)條件下得到最高產量的施氮量分別為311.6和253.6 kg/hm2。而本研究通過多元回歸分析對作物產量和水氮利用進行綜合評價[12-13,17]，發現玉米灌水81～102 mm，施氮143～161 kg/hm2時，玉米產量、水分利用效率和氮肥偏生產力可同時達到最優值的95%以上，且土壤硝態氮處于較低水平。對于作物而言，灌水和施氮對產量和水氮利用的影響具有明顯的區域特征，試驗地氣候和土壤條件以及試驗設計梯度不同，得到的結果可能存在差異，所以不同區域玉米適宜的水氮用量區間，還需繼續結合當地實際，進行多年試驗進一步的深入研究。

4 結論

灌水和施氮對玉米產量、水氮利用和硝態氮積累均有顯著影響。隨灌水量和施氮量增加，玉米產量和水分利用效率均呈先增后減的趨勢。氮肥偏生產力隨灌水量增加而增大，隨施氮量增加而減小。灌水和施氮會促進土壤硝態氮積累和垂向運移，增大硝態氮淋失風險。綜合考慮玉米產量效應和環境效應，本試驗條件下，玉米枯水年灌水81～102 mm、施氮143～161 kg/hm2可以實現保障產量、提高水氮利用效率和降低環境污染風險的優化目標。