史鑫蕊，徐 強(qiáng)，胡克林※，李思恩

0 引 言

石羊河是河西走廊內(nèi)陸河流域之一，處于黃土、青藏、蒙新三大高原的交匯處。特殊的地理?xiàng)l件和氣候特征決定了該地區(qū)干旱頻發(fā)，全年平均降雨量為164 mm，主要集中在5—9月份，流域內(nèi)水資源十分匱乏。農(nóng)業(yè)灌溉量占石羊河流域總用水量的87.7%，區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)程度已接近飽和[1]，再加上地下水嚴(yán)重超采等因素造成了地下水位持續(xù)下降、植被退化、土壤鹽漬化及荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，其承載力相當(dāng)脆弱[2-3]。與此同時(shí)，農(nóng)民盲目大量施用氮肥，河西走廊地區(qū)小麥-玉米帶農(nóng)田年施氮量達(dá)到500～600 kg/hm2，由于當(dāng)?shù)啬旯嗨扛哌_(dá)1 200 mm，并且施肥后立即灌水，導(dǎo)致土體累積的硝酸鹽大量淋失、水肥資源利用效率較低，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[4]。因此，為保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有必要量化不同水氮管理模式下水肥損失途徑，尋找合理的高效節(jié)水灌溉模式和最佳施肥方案。

當(dāng)前對(duì)于干旱區(qū)不同水肥管理措施的研究已有大量報(bào)道。田育豐[5]對(duì)石羊河流域春玉米的研究指出施氮量是影響農(nóng)田水分利用效率的最主要因素，其次是拔節(jié)期灌水。馮磊磊等[6]和劉小剛等[7]研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域武威地區(qū)制種玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，全生育期灌水340 mm時(shí)，增施氮肥可使產(chǎn)量和灌溉水利用效率同時(shí)提高。周始威等[8]對(duì)石羊河流域春小麥適宜灌水量的研究表明，灌水上限選擇 80%田間持水量，苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期計(jì)劃濕潤(rùn)層深度分別為30、60、50和70 cm時(shí)可以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。梁浩等[9]對(duì)內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)不同水肥管理模式下的土壤水分動(dòng)態(tài)、氮素淋失以及春玉米生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化水肥處理的水分滲漏量和氮素淋失量約是傳統(tǒng)處理的一半。楊榮等[10]在黑河綠洲沙地農(nóng)田的研究結(jié)果表明，節(jié)水 10%～25%的灌溉水平和225 kg/hm2的施氮水平可以在避免水肥過(guò)量投入的基礎(chǔ)上減少土壤氮淋溶對(duì)地下水造成的污染威脅。Hu等[11]在內(nèi)蒙古荒漠綠洲地區(qū)的研究也表明減少灌水和施肥量不僅能夠提高水氮利用效率，還能有效減少水分滲漏和硝酸鹽淋洗。然而以上研究主要集中在適宜水肥總量的確定等方面，很少有研究考慮在灌水總量一定時(shí)灌溉次數(shù)對(duì)農(nóng)田水分滲漏及氮素淋洗動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響?；诖?，本研究利用驗(yàn)證后的農(nóng)田水氮管理模型（soil Water Heat Carbon and Nitrogen Simulator，WHCNS），以甘肅省石羊河流域荒漠綠洲農(nóng)田為例，對(duì)不同灌水次數(shù)和施肥處理的春玉米農(nóng)田水氮運(yùn)移、氮素淋失及水氮利用效率進(jìn)行了模擬分析，并應(yīng)用綜合指數(shù)法得到了最優(yōu)水肥管理方案，旨在為荒漠綠洲地區(qū)合理水肥管理措施的制定提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省武威市石羊河流域中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站（37°52′N(xiāo)，102°50′E），海拔高度1 580 m，為大陸性溫帶干旱氣候。該區(qū)水資源缺乏，地下水埋深約40 m，平均降水量164 mm，而平均水面蒸發(fā)量卻大于2 000 mm。光熱資源豐富，年日照時(shí)數(shù)大于3 000 h，年平均氣溫7.8 ℃，0 ℃以上積溫超過(guò)3 550 ℃，無(wú)霜期85～165 d。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深約14 m，土壤母質(zhì)為沖積物，土壤剖面質(zhì)地分層現(xiàn)象比較明顯，土壤性質(zhì)空間變異性較大，供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1和表2。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physiochemical properties

表2 土壤水力學(xué)特性初始值和校準(zhǔn)值Table 2 Initial and calibrated values of soil hydraulic properties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)供試作物為春玉米，品種為富友968，播種和收獲日期分別為2015年4月19日和9月20日。株行距為30 cm×40 cm，種植密度為7.5萬(wàn)株/hm2。播種方式為穴播，施肥方式為表面撒施。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了 5種灌溉和2種施肥處理。具體的水肥管理措施見(jiàn)表3。

表3 2015年田間試驗(yàn)水肥處理Table 3 Irrigation and fertilization treatment in field experiment in 2015

灌溉處理：試驗(yàn)設(shè)置了農(nóng)民傳統(tǒng)和優(yōu)化灌溉 2種灌水量，優(yōu)化灌溉又細(xì)分為 4種不同的灌水次數(shù)處理。傳統(tǒng)灌溉處理（I1）灌水總量為480 mm，分別在拔節(jié)、大喇叭、抽穗-揚(yáng)花和灌漿期灌溉，灌水4次。根據(jù)當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)研究結(jié)果[1,7]，優(yōu)化灌水總量設(shè)定為420 mm，分別灌溉4、5、6和7次，分別對(duì)應(yīng)I2、I3、I4和I5。5個(gè)處理每次灌溉量均等分配，灌溉水源為當(dāng)?shù)氐叵滤喔确绞綖槠韫?。另外，所有處理均未統(tǒng)計(jì)冬灌120 mm水量。

施肥處理：試驗(yàn)設(shè)置了傳統(tǒng)（N1）和優(yōu)化（N2）施肥2種施肥量，2種施肥處理基肥完全相同，追肥量不同。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，N1基肥用量分別施用磷酸二銨300 kg/hm2，尿素300 kg/hm2和硫酸鉀150 kg/hm2；分別在拔節(jié)期和楊花-吐絲期灌水時(shí)追施尿素 168和112 kg/hm2；參考文獻(xiàn)[7]，N2處理的基肥用量同 N1，但2次的追肥量分別為120和80 kg/hm2。由于不同灌水次數(shù)處理的灌水時(shí)間略有不同，其施肥時(shí)間也進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整（表3）。

傳統(tǒng)灌溉只與N1處理組合，優(yōu)化灌水次數(shù)處理只與N2處理進(jìn)行組合，共5個(gè)水肥處理，分別為I1N1、I2N2、I3N2、I4N2和I5N2。每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為81.25 m2。

1.3 田間取樣及測(cè)定方法

土壤質(zhì)地采用吸管法測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；pH值：酸度計(jì)測(cè)定，水土比為2.5∶1；有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法；試驗(yàn)田安裝有TDR（Time-IPH，IMKO）用來(lái)測(cè)定土壤含水率，每周測(cè)定 1次。在作物關(guān)鍵生育期取土樣（0~1.8 m土體，每20 cm 1層，每個(gè)小區(qū)至少取3點(diǎn)混合），用1 mol/L KCl溶液浸提（水土比為10∶1）土樣，用流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer 3，SEAL）測(cè)定土壤無(wú)機(jī)氮含量。在作物的關(guān)鍵生育期取植物樣品進(jìn)行葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI），干物質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。收獲后取小區(qū)中未被干擾的兩行進(jìn)行考種測(cè)定作物產(chǎn)量。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)站的小型氣象站，主要包括日降雨量、最高溫度、最低溫度、平均溫度，相對(duì)濕度、日均風(fēng)速等氣象資料。

1.4 WHCNS模型簡(jiǎn)介及輸入?yún)?shù)

WHCNS模型以天為步長(zhǎng)，由氣象數(shù)據(jù)和作物生物學(xué)參數(shù)驅(qū)動(dòng)。它包括氣象、土壤水運(yùn)動(dòng)、土壤熱傳導(dǎo)、氮素運(yùn)移與轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)、作物生長(zhǎng)和田間管理等模塊[12]，采用Penman-Monteith公式估算參考作物蒸散量[13]，Green-Ampt模型模擬土壤水分入滲，Richard's方程模擬土壤水分再分布過(guò)程，對(duì)流-傳導(dǎo)方程描述土壤熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)流-擴(kuò)散方程模擬土壤無(wú)機(jī)氮運(yùn)移，Daisy模型模擬土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)[14]，S123作物模型模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、干物質(zhì)生產(chǎn)和分配及作物產(chǎn)量[15]，水氮限制下作物產(chǎn)量的模擬通過(guò)水氮脅迫校準(zhǔn)因子來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。模型已在中國(guó)華北平原及西北等地區(qū)得到了成功應(yīng)用[16-17]。

模型輸入包括土壤水力學(xué)參數(shù)（飽和導(dǎo)水率、飽和體積含水率、萎蔫含水率等）、氮轉(zhuǎn)化參數(shù)、作物遺傳參數(shù)。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在自由水體中的擴(kuò)散系數(shù)分別為1.2和2.4 cm2/d，兩者的縱向彌散系數(shù)均取值3.0 cm。參考本模型在綠洲地區(qū)應(yīng)用的結(jié)果[17]，選擇土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的參數(shù)；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在自由水體中的擴(kuò)散系數(shù)分別為1.2和2.4 cm2/d，兩者的縱向彌散系數(shù)均取值3.0 cm。作物生長(zhǎng)發(fā)育最低溫度設(shè)為 8 ℃，上限溫度為 30 ℃，土壤水力學(xué)參數(shù)初始值見(jiàn)表2，其他參數(shù)初始值見(jiàn)表4。

表4 模型參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果Table 4 Calibrated results of model parameters

1.5 模型模擬效果評(píng)價(jià)

選擇均方根誤差（root mean square error，RMSE）和一致性指數(shù)（d）來(lái)評(píng)價(jià)模型的模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度：當(dāng)RMSE值趨近于0、d趨近于1時(shí)，說(shuō)明模型模擬效果越好，反映模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證

以傳統(tǒng)水肥處理實(shí)測(cè)的土壤含水率、硝態(tài)氮含量、干物質(zhì)量和作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。本研究采用“試錯(cuò)法”分別對(duì)土壤水力學(xué)參數(shù)、氮素轉(zhuǎn)化參數(shù)和作物生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使模擬的土壤剖面含水率、土壤無(wú)機(jī)氮含量、干物質(zhì)量、LAI和產(chǎn)量與實(shí)測(cè)值盡量一致。I1N1處理的土壤含水率、硝態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量的決定系數(shù)R2分別為0.68、0.49和0.96。從表5可知，I1N1處理土壤含水率、硝態(tài)氮含量和 LAI的 RMSE分別為0.04 cm3/cm3、6.43 mg/kg和0.60 m2/m2，一致性指數(shù)d分別為0.89、0.81和0.99，說(shuō)明模型校準(zhǔn)結(jié)果較好。模型參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)束后，固定所有參數(shù)（表 4），采用其余4個(gè)優(yōu)化水肥處理的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖1為驗(yàn)證處理的土壤含水率、硝態(tài)氮含量、作物產(chǎn)量和LAI的模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況，其決定系數(shù)分別為0.72、0.50、0.85和0.98，且線性回歸方程的斜率都接近于1，P值均小于0.01，說(shuō)明模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖1 不同處理各指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.1 Simulated and measured value of each index for different treatments

所有處理土壤含水率、硝態(tài)氮含量和LAI的模擬效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表5。其中驗(yàn)證處理的土壤體積含水率的RMSE值范圍為0.03～0.04 cm3/cm3，接近于0，d值范圍為0.77～0.94，接近于1。土壤硝態(tài)氮含量的RMSE值范圍為4.32～9.29 mg/kg，d值范圍為0.74～0.80，均在可接受范圍內(nèi)。驗(yàn)證處理LAI的RMSE值范圍為0.26～0.56 m2/m2，d值范圍為0.99～1.00，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好?？傮w來(lái)說(shuō)，模型模擬的各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值之間具有很好的一致性。因此，該模型可以用來(lái)模擬分析該地區(qū)不同水肥管理下的土壤氮素?fù)p失及水氮利用效率。

表5 各處理土壤含水率、硝態(tài)氮及葉面積指數(shù)的模擬效果Table 5 Simulation results of soil water content, N content and leaf area index for each treatment

表5 各處理土壤含水率、硝態(tài)氮及葉面積指數(shù)的模擬效果Table 5 Simulation results of soil water content, N content and leaf area index for each treatment

注：d為一致性指數(shù)。Note: d is agreement index.

土壤體積含水率Soil volume water content處理土壤硝態(tài)氮Soil NO3--N葉面積指數(shù)Leaf area index Treatment RMSE/(cm3·cm-3) d RMSE/(mg·kg-1) d RMSE/(m2·m-2) d I1N1 0.04 0.89 6.43 0.81 0.60 0.99 I2N2 0.03 0.90 9.29 0.80 0.56 0.99 I3N2 0.03 0.84 8.81 0.76 0.35 1 I4N2 0.04 0.77 8.04 0.79 0.46 0.99 I5N2 0.03 0.94 4.32 0.74 0.26 1

2.2 灌溉次數(shù)對(duì)土壤水分滲漏和氮素淋洗動(dòng)態(tài)的影響

不同處理180 cm土體處水分滲漏和氮素淋洗的動(dòng)態(tài)結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出，各處理水分滲漏均主要發(fā)生在灌水和降雨較多的時(shí)期，且每次灌水后都出現(xiàn) 1個(gè)峰值。2015年春玉米種植期間總降雨量為148 mm，大的降水有6次，分別在5月20日、6月3日、6月9日、7月4日、7月8日和7月22日。降雨量分別為16.4、11.8、10.6、10.6、15.4和18.2 mm。灌溉導(dǎo)致農(nóng)田水分輸入過(guò)多而使土體達(dá)到田間持水量，導(dǎo)致多余的水分向下層不斷移動(dòng)。在所有灌水處理中，傳統(tǒng)灌水處理第 1次灌水導(dǎo)致的滲漏較低，這可能是由于土壤初期較干，第 1次灌水主要用于土體水分的補(bǔ)充，故滲漏較少。在第2次灌水時(shí)（6月30日）出現(xiàn)了明顯的滲漏峰，滲漏量達(dá)到13.5 mm，該次滲漏量占總滲漏量的 20%。這可能是由于作物生長(zhǎng)前期對(duì)水分的需求量較小，而且作物根系較淺，很難吸收利用下層土壤的水分，故灌溉后很容易發(fā)生滲漏。隨著春玉米生長(zhǎng)后期對(duì)水分的需求量不斷增加，因此最后2次灌水都沒(méi)有出現(xiàn)大量的水分滲漏。在作物生長(zhǎng)末期（9月），降雨量較大，尤其是9月2日到9月10日之間連續(xù)降雨，降雨量達(dá)到24.6 mm，再加上作物生長(zhǎng)末期蒸騰很弱，需水量很少，因此產(chǎn)生了一定的水分滲漏。優(yōu)化灌水處理減少了灌水總量，水分滲漏量較傳統(tǒng)灌水處理明顯減少，傳統(tǒng)灌水處理全生育期水分滲漏總量為67.0 mm，而優(yōu)化灌水4、5、6和7次處理的水分滲漏總量分別為44、33、27和24 mm，說(shuō)明減少單次灌溉量可以明顯減少水分的滲漏損失。

從圖 2可以看出，硝酸鹽淋洗與水分滲漏的動(dòng)態(tài)基本一致。灌溉或較強(qiáng)降雨后均伴隨水分滲漏發(fā)生，土壤硝酸鹽淋洗量也隨之增加。在所有處理中，傳統(tǒng)灌水處理（I1N1）在第2次灌水時(shí)（6月30日）發(fā)生明顯的硝酸鹽淋洗，淋失量達(dá)到10.4 kg/hm2，占硝酸鹽淋失總量的17.9%。這與第2次灌溉時(shí)作物處于苗期，對(duì)水分和養(yǎng)分的需求比較少有關(guān)。而后期較多的降雨和灌水并沒(méi)有明顯導(dǎo)致土壤硝酸鹽淋洗的增加，這與春玉米后期生長(zhǎng)旺盛需水需肥量大，同時(shí)根系下扎較深能夠吸收利用深層土壤的水分和養(yǎng)分有關(guān)。傳統(tǒng)灌水處理整個(gè)生育期氮素淋洗總量為58 kg/hm2，而優(yōu)化灌水4、5、6和7次處理的氮素淋洗總量分別為35、31、36和11 kg/hm2，這說(shuō)明少量多次的灌溉能夠有效減少硝酸鹽向土壤深層的淋洗損失。

圖2 2015年不同處理180 cm土體處水分滲漏和硝酸鹽淋洗動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of water percolation and nitrate leaching at 180 cm depth under different treatments in 2015

2.3 灌溉次數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量、蒸散量及水分利用效率的影響

從表6可知，優(yōu)化灌水5次處理春玉米產(chǎn)量最高，為 17 077 kg/hm2，其次為傳統(tǒng)灌水 4次處理（16 249 kg/hm2）。優(yōu)化灌水4、6和7次處理春玉米產(chǎn)量相差不大，大約為15 500 kg/hm2。I2N2處理水分平衡表現(xiàn)為輕微的虧缺（表 6），此處理下的春玉米產(chǎn)量也為最低，可能是由于作物生長(zhǎng)期間受到了水分脅迫所致。在灌水總量一定的情況下，增加灌水次數(shù)可使得土壤水分維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，從而避免過(guò)多的農(nóng)田水分損失。而過(guò)量的灌溉會(huì)導(dǎo)致土體水分滲漏和硝酸鹽淋洗量的增加，進(jìn)而影響最終產(chǎn)量。

表6 2015年不同灌水次數(shù)處理的土壤水分平衡及其利用效率Table 6 Water balance and water use efficiency (WUE) under treatments with different irrigation times in 2015

模型模擬得到了5種處理下1.8 m土體的農(nóng)田水分平衡及水分利用效率(water use efficiency，WUE)（表6）。WUE為作物產(chǎn)量/蒸散量，水分平衡值為水分輸入項(xiàng)（降雨+灌溉）與輸出項(xiàng)（蒸散+滲漏）的差值。由于該地區(qū)比較干旱，水分的主要輸入項(xiàng)為灌溉，占到來(lái)水總量的75%，蒸散是該地區(qū)農(nóng)田水分的主要消耗項(xiàng)。從表6可以看出，傳統(tǒng)處理由于灌水總量高于優(yōu)化處理，故水分平衡表現(xiàn)為盈余。除了 I2N2處理水分平衡表現(xiàn)為虧缺外，隨著優(yōu)化灌水次數(shù)的增加，土壤水分盈余量也逐漸增加，但各處理的水分平衡收支差異不大，總體上都接近平衡狀態(tài)，其中水分盈余最多的為灌水7次處理（I5N2），達(dá)到29 mm。

從蒸散量來(lái)看，各處理蒸散量大小表現(xiàn)為：傳統(tǒng)處理的蒸散最大，達(dá)到551 mm，其他處理蒸散量差異不大。相對(duì)于優(yōu)化處理，傳統(tǒng)處理單次灌水量和施肥量都比較大，充足的水肥滿(mǎn)足了作物生長(zhǎng)的需要，作物生長(zhǎng)旺盛則會(huì)消耗更多的水分，所以蒸散量比較大。水分滲漏量結(jié)果表現(xiàn)為：I1N1>I2N2>I3N2>I4N2>I5N2，說(shuō)明增加灌水次數(shù)，減少單次灌水量，可有效減緩?fù)寥浪值臐B漏損失。

各處理春玉米的WUE范圍為：2.90～3.23 kg/m3。其中優(yōu)化灌水5次處理最大，為3.23 kg/m3，優(yōu)化灌水4次處理WUE最低，為2.90 kg/m3。WUE是由作物產(chǎn)量和蒸散量共同決定的，產(chǎn)量越高，蒸散量越低，則WUE越高。而蒸散量又與其他水分輸出項(xiàng)有關(guān)，主要是與滲漏量有關(guān)，滲漏量越大，WUE就越低。雖然傳統(tǒng)水肥處理產(chǎn)量比較高，但由于該處理水分滲漏和蒸散量都比較大，因而其WUE并不高。另外，WUE并沒(méi)有隨著灌水次數(shù)的增加呈現(xiàn)一定的規(guī)律，這可能與田間實(shí)際土壤性質(zhì)的變異性有關(guān)，灌水量、灌水時(shí)間及作物需水規(guī)律對(duì)其也有影響，具體原因還需要進(jìn)一步深入研究。

2.4 灌溉次數(shù)對(duì)氮素淋洗、氣體損失及氮素利用效率的影響

不同水肥處理下的農(nóng)田 1.8 m土體內(nèi)氮素平衡及氮素利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）如表7所示。NUE為作物產(chǎn)量/氮素去向（作物吸收+淋洗+反硝化+氨揮發(fā)），氮素平衡為氮素來(lái)源與去向的差值。土壤中氮素的來(lái)源主要有施肥和土壤有機(jī)氮的礦化。從表 7可知，各處理的土壤氮素凈礦化量在61～70 kg/hm2，差別不大。

氮素的去向主要有作物吸收、氮素淋洗和氣體損失，其中作物吸收所占比率最大，約 80%。隨著灌水次數(shù)的增加作物吸氮量呈逐漸增加的趨勢(shì)，優(yōu)化灌水 4次處理作物吸氮量最低，為341 kg/hm2；灌水6次處理最高，為367 kg/hm2，其余處理差別不大。作物吸氮量與作物的長(zhǎng)勢(shì)相關(guān)，作物生長(zhǎng)旺盛則會(huì)吸收更多的水肥來(lái)維持其生長(zhǎng)，不同生育期作物吸氮速率和轉(zhuǎn)化速率不同。因此，施肥時(shí)間、施肥量以及灌水量的不同會(huì)對(duì)作物吸氮量造成一定影響。

表7 2015年不同灌水次數(shù)處理的氮素平衡及其利用效率Table 7 Nitrogen balance and nitrogen use efficiency (NUE)under treatments with different irrigation times in 2015

本研究中氮素淋洗是氮素?fù)p失的主要途徑，并且與灌水量、灌水次數(shù)和施氮量密切相關(guān)。各處理硝態(tài)氮淋失量大小順序?yàn)椋篒1N1>I4N2>I2N2>I3N2>I5N2。由于單次灌水量和施肥量均較高，故傳統(tǒng)水氮處理的氮素淋洗損失最大。隨著灌水次數(shù)增加，同時(shí)單次灌溉量減少，可明顯減少氮素淋洗損失。氮素的氣體損失主要包括氨揮發(fā)和反硝化，隨灌水次數(shù)增加氨揮發(fā)量逐漸減少，而反硝化量正好相反，這與頻繁的干濕交替作用及上層土壤氮素被淋洗的程度有關(guān)[19]。

從氮素利用效率（NUE）來(lái)看，不同處理NUE范圍為35.2～40.1 kg/kg。其中灌水6次處理的NUE最低，為35.2 kg/kg；灌水5次處理NUE最高，為40.1 kg/kg，其余3個(gè)處理的NUE基本在37.0 kg/kg左右，差別不大。NUE是由作物產(chǎn)量以及表觀氮素?fù)p失（即氨揮發(fā)、反硝化、硝態(tài)氮淋洗和作物吸收總和）決定的，產(chǎn)量越高，而表觀氮素?fù)p失越低，則NUE就越高。硝態(tài)氮淋洗、氨揮發(fā)和反硝化是農(nóng)田氮素?fù)p失的主要途徑，傳統(tǒng)水肥處理的各氮素?fù)p失項(xiàng)都比較高，因此其N(xiāo)UE較低。

2.5 不同灌水次數(shù)及施肥組合模式的綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)

由前所述可知，不同灌水次數(shù)及水氮投入對(duì)作物產(chǎn)量、氮素淋失及水氮利用效率均影響顯著。為了獲得最優(yōu)的農(nóng)田水肥管理措施，本研究應(yīng)用綜合指數(shù)法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析。綜合考慮了農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)兩個(gè)目標(biāo)，根據(jù)目前中國(guó)作物高產(chǎn)和資源高效的國(guó)家需求，農(nóng)學(xué)效應(yīng)主要考慮了作物產(chǎn)量、WUE和NUE3個(gè)指標(biāo)。當(dāng)前氮素氣體損失和硝態(tài)氮淋失量是環(huán)保領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，由于各處理間氮素氣體損失量不大且差異不明顯，因此本研究沒(méi)有選取氣體損失指標(biāo)，環(huán)境效應(yīng)僅選取了氮素淋失量一個(gè)指標(biāo)。由于當(dāng)前中國(guó)對(duì)糧食產(chǎn)量和資源高效利用的重視程度大于對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)借鑒了前人的研究結(jié)果[16]，故本研究對(duì)作物產(chǎn)量、WUE、NUE和氮素淋失量的權(quán)重系數(shù)分別賦值為0.5、0.4、0.3和-0.2（氮素淋洗是負(fù)面環(huán)境效應(yīng)取負(fù)值，最后權(quán)重系數(shù)之和為1）。首先將各個(gè)指標(biāo)歸一化為0～1之間的數(shù)值，再乘以各自的權(quán)重系數(shù)加和就得到各處理的綜合指數(shù)（表7）。結(jié)果表明，灌水5次和7次處理綜合指數(shù)較高，分別為1.09和1.08。傳統(tǒng)灌水處理綜合指數(shù)最低，為0.95。綜合考慮各因素及多次灌水的成本，可確定優(yōu)化灌水 5次處理為該地區(qū)較優(yōu)的水肥管理方案。

2.6 不同降雨條件對(duì)作物產(chǎn)量及氮素淋洗的影響

應(yīng)用檢驗(yàn)后的WHCNS模型，對(duì)試驗(yàn)區(qū)5個(gè)處理不同降雨條件下（2010—2016年）的作物產(chǎn)量和氮素淋洗進(jìn)行了模擬分析，降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自該實(shí)驗(yàn)站自動(dòng)氣象站，結(jié)果見(jiàn)圖3。從產(chǎn)量來(lái)看，各處理產(chǎn)量變化趨勢(shì)基本一致，均與生育期內(nèi)總降雨量成正比。除2014年外，所有處理中I3N2產(chǎn)量最高，而I5N2產(chǎn)量最低，特別是2012和2013年，I5N2產(chǎn)量不足10 000 kg/hm2，可能是由于這2 a降雨量少，灌水次數(shù)太多，每次灌水量對(duì)土體的補(bǔ)充不足，水分很難向深層移動(dòng)，導(dǎo)致作物生育期水分脅迫比較嚴(yán)重，故產(chǎn)量很低。需要指出的是2013年I4N2處理產(chǎn)量最高，并沒(méi)有隨降雨量的減少而減產(chǎn)，可能與該處理的灌溉和降雨時(shí)間與作物需水規(guī)律比較匹配有關(guān)。各處理 7a平均產(chǎn)量的大小順序?yàn)椋篒3N2(16 807 kg/hm2)>I1N1(16 557 kg/hm2)>I4N2(16 346 kg/hm2)>I2N2(14 955 kg/hm2)>I5N2(13 815 kg/hm2)。此外，氮素淋洗量變化規(guī)律與降雨量也有較明顯的正相關(guān)關(guān)系，I3N2和 I4N2這2個(gè)處理氮素淋洗量均維持在較低水平，并隨著降雨量的增減相應(yīng)變化。在2013年降雨量較低的條件下，I1N1、I2N2和I5N2處理的氮素淋洗量比較高，這主要與這 3個(gè)處理的灌溉時(shí)間與降雨時(shí)間重合，導(dǎo)致水分滲漏大有關(guān)。各處理7 a平均氮淋洗量大小順序?yàn)椋篒1N1(53.8 kg/hm2)>I2N2(39.1 kg/hm2)> I4N2(29.8 kg/hm2)>I3N2(27.2 kg/hm2)>I5N2(19.7 kg/hm2)，雖然I5N2處理的年均淋洗量最低，但是其年均產(chǎn)量也是最低的。綜合考慮作物產(chǎn)量和氮素淋洗量，可以發(fā)現(xiàn)在不同的降雨年型下 I3N2處理不僅可以保持較高的產(chǎn)量，而且使氮素淋洗量保持在較低的水平，是所有處理中最佳的水肥管理方案。

圖3 不同降雨條件下模擬的作物產(chǎn)量和土體180 cm處氮硝酸鹽淋洗量Fig.3 Simulated crop yields and N leaching at 180 cm soil depth under different precipitation conditions

3 討 論

前人對(duì)于灌溉制度對(duì)作物生長(zhǎng)影響的研究主要集中在灌溉定額、灌溉次數(shù)以及灌水時(shí)間上[8,20]，也有學(xué)者考慮氣候變化或降雨因素來(lái)制定灌溉方案[3,21]。He等[20]對(duì)西北地區(qū)春小麥灌溉制度的研究表明，在灌漿期和乳熟期，若1 m土體可利用水低于田間持水量的65%，那么其產(chǎn)量將受到嚴(yán)重影響，灌水 4次對(duì)于保證民勤綠洲農(nóng)田春玉米高產(chǎn)至關(guān)重要。其他一些學(xué)者的研究表明：增加灌水次數(shù)，有利于春小麥分蘗數(shù)增加和穗長(zhǎng)的增長(zhǎng)，進(jìn)而使其增產(chǎn)[8,22]。Jiang等[3]對(duì)黑河流域盈科灌區(qū)春玉米需水規(guī)律的研究表明，拔節(jié)期和抽穗期灌水對(duì)于保證作物高產(chǎn)至關(guān)重要，枯水年、平水年和豐水年的最佳灌溉量分別為480、420和100 mm。在本研究中，I2N2處理春玉米產(chǎn)量最低，該處理水分平衡表現(xiàn)為輕微虧缺，可能是由于作物生長(zhǎng)期間受到了水分脅迫所致。當(dāng)灌溉和施肥總量保持不變，在一定范圍內(nèi)，春玉米產(chǎn)量隨灌水次數(shù)的增加而增加，超過(guò)一定范圍，作物產(chǎn)量并不會(huì)隨灌水次數(shù)的增加繼續(xù)增加。胡志橋等[1]對(duì)石羊河流域春玉米的研究表明，玉米的需水關(guān)鍵期主要有拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期，作物需水關(guān)鍵期應(yīng)及時(shí)充分灌溉，春玉米最適宜的灌溉次數(shù)為 5次，筆者的研究結(jié)果與之較為一致。

蒸散是西北旱區(qū)農(nóng)田最主要的水分輸出項(xiàng)，在本研究中，各處理間蒸散量基本隨著灌水次數(shù)的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。從水分滲漏來(lái)看，各處理表現(xiàn)為隨灌水次數(shù)的增加水分滲漏量逐漸減少。傳統(tǒng)灌水處理由于單次灌水量過(guò)多，土壤難以保持多余的水分，因此水分滲漏量最大（67 mm）。在本研究中，I3N2處理由于玉米產(chǎn)量最高和水分滲漏較少而具有最高的WUE。這說(shuō)明適當(dāng)增加灌水次數(shù)，減少單次灌水量，可有效減緩?fù)寥浪值臐B漏損失，提高WUE，這與前人的研究結(jié)果吻合[1,11,17]。另外，各處理水分滲漏占水分總輸入的比值均小于10%，這一結(jié)果小于 Hu等[11]對(duì)中國(guó)西北阿拉善地區(qū)的研究結(jié)果，這可能與本研究土壤以壤質(zhì)土為主，而阿拉善地區(qū)砂質(zhì)土壤的保水性較差有關(guān)。

大量研究結(jié)果表明，灌水量、灌水強(qiáng)度、灌水次數(shù)和施肥量等是影響氮素淋失的主要因素。王曉英等[23]研究表明：灌水次數(shù)不同是導(dǎo)致冬小麥?zhǔn)斋@期 0～100 cm土層NO3--N殘留量變化的主導(dǎo)因素，單次灌水量不變，增加灌水次數(shù)，氮肥耕層殘留量顯著降低，氮肥損失量明顯增加。He等[20]對(duì)西北地區(qū)春小麥的研究也表明，盡管過(guò)量灌溉會(huì)消除水分脅迫，但也會(huì)導(dǎo)致大量的硝酸鹽淋洗出土壤剖面。Elrick等[24]指出，當(dāng)灌水強(qiáng)度大于土壤入滲速率時(shí)，易形成優(yōu)勢(shì)流，溶質(zhì)很快從土體淋出，而當(dāng)灌水強(qiáng)度小于土壤入滲速率時(shí)，水與溶質(zhì)均通過(guò)土壤基質(zhì)進(jìn)行運(yùn)移，兩者無(wú)明顯差異。在本研究中，氮素淋洗是氮素?fù)p失的主要途徑，并且受到灌水量、灌水次數(shù)和施氮量的影響。其中，I1N1處理由于施肥量最高，氮素淋洗也為最高。I5N2處理由于灌水次數(shù)最多，單次灌水量最少，氮素淋洗量最少。其他 3個(gè)處理氮素淋洗量相差不大。單次灌溉量與水分滲漏、硝態(tài)氮淋洗量之間存在正相關(guān)關(guān)系[25]。土體硝態(tài)氮向深層淋溶往往是由于一次性高強(qiáng)度的灌水導(dǎo)致的，增加灌水次數(shù)，減少單次灌溉量，可有效減少土體硝酸鹽的淋洗風(fēng)險(xiǎn)，這與前人的研究結(jié)果相一致[1,25-26]。

此外，氮素的氣體損失也是氮素輸出不可忽略的一部分，且受到土壤溫度和施肥量的影響[27]。在本研究中，傳統(tǒng)處理施氮量比優(yōu)化處理多80 kg/hm2，在夏季高溫情況下，尿素氮肥易分解為氨氣而揮發(fā)損失掉，因此 I1N1處理氨揮發(fā)損失量最高。在所有處理中，I5N2處理氮素氣體損失最高，這可能是由于 I5N2處理單次灌水量少，施入土壤的氮肥很難運(yùn)移到下層，在表層通過(guò)氨揮發(fā)損失較多，而且表層土壤由于長(zhǎng)期處于較濕潤(rùn)的狀態(tài)，反硝化量也比較大所致[28]。從NUE來(lái)看，I3N2的NUE最高，為40.1 kg/kg?？梢?jiàn)，優(yōu)化水肥處理可明顯提高NUE，在一定范圍內(nèi)減少單次灌水量可以明顯減少氮素淋失，但是要注意配合灌水和施肥時(shí)期，達(dá)到水分和養(yǎng)分的高效利用[29]。

4 結(jié) 論

利用石羊河流域綠洲農(nóng)田不同水肥處理下春玉米的田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)田水氮管理模型（soil Water Heat Carbon and Nitrogen Simulator，WHCNS）進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果表明：模擬的土壤含水率、硝態(tài)氮、作物產(chǎn)量和葉面積指數(shù)與實(shí)測(cè)值結(jié)果均吻合較好。因此該模型可以用來(lái)定量分析該地區(qū)農(nóng)田的氮素?fù)p失及水氮利用效率。

從水分平衡結(jié)果來(lái)看，各處理水分的輸入與輸出接近平衡狀態(tài)，沒(méi)有明顯的水分虧缺或盈余。水分滲漏量隨灌水次數(shù)增加而逐漸減少，其中優(yōu)化灌水 7次處理滲漏量最少，僅為24 mm。優(yōu)化灌水4次處理的WUE最低，為2.90 kg/m3，優(yōu)化灌水5次處理的作物產(chǎn)量最高，水分滲漏較低，故其WUE最高，為3.23 kg/m3。

從氮素平衡模擬結(jié)果來(lái)看，各處理均表現(xiàn)為氮素虧缺。硝態(tài)氮淋失通常與水分滲漏同時(shí)發(fā)生，適當(dāng)增加灌水次數(shù)，減少單次灌溉量，可顯著減少水分滲漏和氮素淋洗，提高水氮利用效率。隨灌水次數(shù)增加，硝態(tài)氮淋洗和氨揮發(fā)均逐漸減少，而反硝化和作物吸氮量逐漸增加。優(yōu)化灌水6次處理的NUE最低，為35.2 kg/kg，優(yōu)化灌水5次處理的NUE最高，為40.1 kg/kg。綜合考慮作物產(chǎn)量、硝態(tài)氮淋洗量和水氮利用效率，故優(yōu)化灌水5次處理為該地區(qū)最佳的水肥管理方案。

本研究在灌水總量一定的情況下，設(shè)置了不同的灌水次數(shù)，每次灌水量相同且灌水日期也是提前設(shè)定好的，但實(shí)際上作物不同生長(zhǎng)階段需水量不同，因此根據(jù)降雨等天氣因素結(jié)合作物實(shí)際需水量來(lái)確定灌水時(shí)期和灌溉量還需要進(jìn)一步研究。

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