王利書，楊寶斌，王麗玄，周 客，程東娟

（河北工程大學水利水電學院河北省水資源高效利用工程技術研究中心，河北邯鄲056038）

0 引言

玉米作為我國重要的糧食作物之一，在工業(yè)、食品、飼料等各方面都有著廣泛的用途[1,2]，而華北平原作為我國主要的玉米生產(chǎn)基地，對保障我國糧食安全具有極其重要的戰(zhàn)略意義。該地區(qū)的農(nóng)民為了增產(chǎn)[3,4]，大量施用基肥[5,6]，這不僅導致了肥料的浪費和生產(chǎn)成本的提高，甚至使得玉米產(chǎn)量降低，造成了土壤鹽堿化[7-9]。同時，不合理的灌溉也導致了嚴重的水資源浪費現(xiàn)象。因此，探討不同基肥施肥方式和灌水量下對玉米的影響，對提高該區(qū)域水肥利用率和生態(tài)效益、確保作物高產(chǎn)具有重要意義[10]。水和肥一直是決定玉米產(chǎn)量的重要影響因素，康紹忠[13]等通過雜交玉米試驗研究表明水是決定玉米產(chǎn)量的主要因素，而肥料是次要因素。Li等[14]通過試驗研究得出控制施肥和最優(yōu)灌溉相結合有利于玉米產(chǎn)量的增加。M.Gholamhoseini 等[15]研究灌溉和氮肥水平對玉米產(chǎn)量的影響，試驗結果顯示玉米的產(chǎn)量隨著灌水量和施氮量的增加而增加，但同時使硝態(tài)氮淋失增加，氮肥利用效率降低。秸稈還田改變了田間水肥的效應，張亮等[11]通過大田試驗研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥處理的作物水分利用效率明顯高于不施氮肥處理。白偉等[12]研究表明，秸稈還田配施氮肥可顯著提高土壤含水量，降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤三相比。目前大多數(shù)學者研究了土壤施肥方式、灌溉方法、灌水量單因素下對作物產(chǎn)量及水肥利用效率的問題[16-18]，亦有學者對土壤施肥方式和肥量對作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響進行了相關研究[19-21]，但對華北地區(qū)秸稈還田條件下改進土壤基肥施用方式和灌水量對土壤水分和作物產(chǎn)量的同步研究較少[22,23]。針對華北地區(qū)玉米水肥利用效率低且造成一定的面源污染問題，本研究通過大田試驗對基肥不同施用方式和灌水量下秸稈還田土壤水分特征和玉米生長性狀做了深入探討，旨在為華北平原玉米施肥制度提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該試驗于2017年和2018年6-10月份在河北省邢臺市寧晉縣原種場（114°53′ E， 37°37′ N）進行。寧晉縣海拔25～35 m，處于暖溫帶大陸性氣候區(qū)，屬半濕潤氣候。年平均氣溫13 ℃。1月平均氣溫-4.2 ℃，4月平均氣溫14 ℃。7月平均氣溫26.7 ℃，10月平均氣溫13.4 ℃。極端最低氣溫-23.3 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃?！?°積溫4 718 ℃，≥10°積溫4 389 ℃。年平均降水量501 mm，年內(nèi)分配不均，年際變化較大。年日照2 501 h。早霜始于10月中下旬，晚霜終于4月上旬，無霜期約200 d。

供試作物為玉米，品種為偉科966，肥料為緩釋肥[24,25]，6月15日-6月18日播種，10月2日-10月5日收獲。試驗地土壤基本性質(zhì)見表1。試驗區(qū)土壤0～21 cm 為輕壤土，21～45 cm為重壤土，45～90 cm 為輕黏土，90～100 cm 為砂壤土。土壤容重為1.44 g/cm3，土壤田間持水量占總質(zhì)量27%。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗設計

采用對比試驗設計，設兩個因素、三個水平，見表2。兩個因素分別為施肥方式和灌水量?；适┯梅绞綖楦笫┓蔄和耕前施肥B，耕前施肥為小麥秸稈全量還田旋耕前將基肥由機械均勻條施撒入，耕后施肥為小麥秸稈全量還田旋耕后人工均勻撒施，各小區(qū)施肥量為600 kg/hm2，生育期不再追肥。設3 個灌水量水平，分別為450 m3/hm2、600 m3/hm2和750 m3/hm2。整個生育期只在6月23日差異灌水1 次。試驗采用兩因素三水平無重復試驗設計試驗，共計6個處理，每個處理的面積均為7.2 m×18.6 m。

表2 試驗設計方案 m3/hm2

1.3 測定項目與方法

（1）土壤含水量。灌水后第一天（6月24日）、苗期（7月10日）、拔節(jié)期（7月27日）、抽雄吐穗期（8月15日）和收獲（10月2日）取土，取土深度達100 cm，每10 cm 為一層，采用烘干法測定土壤含水量。

（2）降雨。對整個玉米生育期的降水情況都進行了監(jiān)測。

（3）玉米植株性狀測定。每個小區(qū)掛牌標記10 株玉米，在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄吐穗期和收獲時測定玉米生長指標。

（4）收獲與測產(chǎn)。玉米收獲時考種測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用origin和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 各處理下不同生育期內(nèi)土壤水分動態(tài)變化趨勢分析

不同施肥方式不同灌水量土壤水分動態(tài)變化見圖1，從圖1各處理的縱剖面看，在兩種不同基肥施用方式下，除了灌后第一天其剖面含水率分布曲線呈現(xiàn)“S”形特征外（強弱明顯受到基肥方式的影響，具體為第一種基肥方式下表現(xiàn)的較第二種更為明顯），其他的剖面含水量分布曲線在各生育期內(nèi)的變化趨勢基本相似，大致呈現(xiàn)出兩端低，中段高的“幾”字形變化特征，即淺層土壤和較深層土壤含水率明顯低于中間土層的土壤含水率。另外，從橫向處理上看（比較A1、A2、A3 或者B1、B2、B3），灌水量的不同并沒有改變這種趨勢，反而使這種趨勢變得更加明顯起來；第二，對于各處理，在時間維度上的變化走向大致可分為3 個階段：6月24日至7月10日，7月10日至7月27日，7月27日至收獲（圖1）。在一定土層深度內(nèi)，在6月24日至7月10日，各處理上層土壤含水量大幅度減少，中層含水量明顯增多，下層含水量則變化不大，這是因為6月24日為播前灌水后第一天，上層土壤含水量因播前灌水明顯增大，隨后土壤水分進入再分布，上層水分逐漸向下移動，表現(xiàn)為上層土壤含水量減小，中層含水量增大，而下層受再分布影響較小變化不大。7月10日至7月27日，因為玉米生育期已完全進入雨期，土壤受水量增大，同時各處理土壤上層因玉米耗水和土面蒸發(fā)水分減少，因此整個土壤剖面含水率較7月10日都有所升高，且上層含水量較中層含水量偏小。7月27日至收獲階段，隨著玉米生育期的延長，尤其接近收獲時降雨逐漸減少，基本表現(xiàn)為不同灌水量處理的淺層土壤的含水量隨著生育期延長而大幅度減小，而中層土壤含水量分布較穩(wěn)定，變化不大。土壤水分在3個階段的變化與降雨量和玉米的生育時期有關，8月份前由于玉米生長量小，耗水量以土壤蒸發(fā)為主，而此時的蒸發(fā)受灌溉影響較大，表現(xiàn)為灌水量增多，蒸發(fā)量增大，進入8月后，降雨量增多，玉米由拔節(jié)期進入大喇叭口期，此后由于玉米生長量和降雨量增多，耗水量以玉米蒸騰為主。第三，由縱向比較圖1各處理看，基肥方式對土壤縱深剖面含水量的時空分布有較大的影響。耕后施肥的土壤含水率在玉米不同生育期表現(xiàn)為淺層差異較大，其受外界影響較明顯，而中下層則在時空上的變化并不十分明顯，有聚攏趨勢。而對于耕前施肥處理而言，不同生育期各土層的土壤含水率分布差異都較大，較之耕后施肥處理，下層土壤含水率分布呈現(xiàn)明顯的分散趨勢。

圖1 不同施肥方式不同灌水量土壤水分動態(tài)變化

2.2 不同基肥施用方式和灌水量對土壤水分分布影響

不同基肥施用方式下灌水量對土壤水分分布影響見圖2和圖3。先就同一基肥施用方式而言，不同生育時期的土壤水分縱剖面的分布形態(tài)大體相近，試驗早期土壤含水率受灌水設置影響較大，圖中具體表現(xiàn)為在6月24日至7月27日，灌水水分設置最多的水分曲線基本處于最上層，即各層土壤含水率隨最初灌水量的增加而依次呈現(xiàn)上升趨勢。而對于后面兩個生育期，這種設置已無明顯的上述規(guī)律傾向，分布較無序；從各處理水分變化的基本規(guī)律看，3個灌水量處理的剖面土壤含水量隨深度的變化趨勢大致呈現(xiàn)出3個階段，其具體表現(xiàn)對于兩種基肥施用方式又有些許不同。對于耕后施肥方式，0～30 cm 以及60～100 cm 的土壤含水率主要呈減小趨勢（根系分布主要層次，為主要耗水及蒸發(fā)層），而30～60 cm 為土壤含水率主要增大階段，且60 cm 左右的土層為出現(xiàn)極值的主要峰點；而對于耕前施肥方式而言，峰值點有所下移，出現(xiàn)在了70 cm 左右的土層，這種現(xiàn)象說明基肥施用方式對原有土壤水分在垂向上有再分布的影響。另外，對同一生育期內(nèi)不同基肥施用方式所顯現(xiàn)出來的結果進行比較還可發(fā)現(xiàn)，耕前施肥處理中，各生育期內(nèi)不同灌水量下的水分分布曲線較耕后施肥處理有明顯的分散趨勢，這種影響可能是由于不同的基肥方式改變了土壤空隙以及結構性，使土壤的土水勢在空間上發(fā)生了明顯的變化，所以導致土壤水分縱剖面的分布形態(tài)有了明顯的不同。

圖2 耕前施肥灌水量對土壤水分分布影響

圖3 耕后施肥灌水量對土壤水分分布影響

2.3 不同灌水量下基肥施用方式對土壤剖面水分分布的影響

不同灌水量處理下施肥方式對土壤水分分布的影響見圖4。在同一灌水量情況下，比較各生育期土壤水分動態(tài)變化的分布曲線可發(fā)現(xiàn)，施肥方式在時間維度上對土壤含水量剖面分布趨勢影響不同，表現(xiàn)為在6月24日至7月27日，兩種基肥方式下的土壤含水量剖面分布曲線差異較明顯，尤其是中下層土壤更為顯著，具體表現(xiàn)為0～30 cm 深度內(nèi)水分曲線出現(xiàn)基本的重疊， 而30～100 cm 的曲線則表現(xiàn)為分散。對于后面兩個生育期而言，這種差異則不明顯，曲線分布較一致。

圖4 不同灌水量處理下施肥方式對土壤水分分布的影響

一些文獻研究結果表明，肥料使用方式和施用量會對水分入滲和分布產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為有些肥料施入后會促進水分運移，增大相同灌水時間的入滲量。本文中基肥施用方式對土壤剖面含水量分布亦有影響，可能是因為耕前施肥將肥料施在了土壤表層，經(jīng)機械耕種后，肥料顆粒被均勻地混入了上層土壤中，當灌水入滲時，土壤中的固體肥料顆粒隨濕潤鋒下移而慢慢進入水溶液當中，所以水中的溶質(zhì)（肥料）含量是一個慢慢增大的過程，相應地溶質(zhì)對土壤水勢的影響也就成了一個漸進的過程。而耕后施肥則不同，肥料施到土壤表層，在沒有機械擾動的情況下，播后灌水時表層肥料直接遇水充分溶解并參與水分下滲，即初始溶質(zhì)濃度就較耕前施肥處理高，進而一開始就對土壤水勢造成了較大的影響，這種影響可能對水分向下運移有促進作用，所以在中下層土壤水分含量中，耕后施肥設置總體上高于耕前施肥處理。

2.4 施肥方式和灌水量對玉米耗水影響

試驗年為干旱年，日降雨量見圖5，整個生育期降雨198.8 mm，播前灌水1 次，拔節(jié)前降雨62.2 mm，播種到大喇叭口期玉米耗水以土壤蒸發(fā)為主，處理間耗水量差異主要由于灌水量差異引起；吐絲后降雨合計83 mm 滿足玉米耗水，玉米生長差異逐漸減小，而此時玉米耗水轉以蒸騰為主，處理間耗水量差異減小。前期（抽雄開花時期前，恰好是玉米需水臨界期前）的耗水主要為土壤蒸發(fā)，而灌水量增大，加大了蒸發(fā)，因此可以考慮在玉米需水臨界期前改變灌水方法減少土面濕潤面積（如溝灌等），還可以基于公共氣象服務的長期預報調(diào)節(jié)玉米前期灌水量（如根據(jù)未來40 多天的降雨量情況，來設置前期需要的灌水量），從而減少蒸發(fā)量，最終減少灌水量。

圖5 2017年夏玉米生育期日降雨量

不同施肥方式和灌水量對玉米耗水影響見表3。由表3 可知，玉米生長階段耗水量和日耗水量在全生育期均呈顯先增大后減小的趨勢，其中，階段耗水量以播種—苗期為最少，只占總耗水量1%～6%左右，而而以拔節(jié)—大喇叭口期最多，占總耗水量29%～33%左右，同時日耗水量也于此表現(xiàn)趨勢相同。另外，在相同的施肥方式下，除播種-苗期以及吐絲-成熟期外，其他各玉米生育期的耗水量一般隨著灌水量的增加呈增大的趨勢，如在耕后施肥的方式下，相對于灌水量為450 m3/hm2的耗水量，灌水量為600 m3/hm2和750 m3/hm2的耗水量分別增加了10.2%、20.2%；當灌水量相同時，比較各生育期不同施肥方式下的耗水情況可發(fā)現(xiàn)，除播種-苗期外，由施肥方式引起的兩處理間的差異并不明顯，同時對于各施肥方式下的總耗水量而言，耕前施肥與耕后施肥的耗水變化量不大，說明施肥方式的不同對玉米各時期耗水造成的影響并不顯著。

表3 不同施肥方式和灌水量對玉米耗水影響

2.5 施肥方式和灌水量對玉米產(chǎn)量的影響

各處理玉米的穗長、穗粗、穗重、百粒重等產(chǎn)量指標見表4。由表4 可知，在相同施肥方式下，隨灌水量的增加，除禿尖長減小外，穗長、穗粗、穗重、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)呈明顯增大趨勢，說明灌水量對玉米產(chǎn)量的影響顯著。在灌水量相同的情況下，玉米耕后施肥的穗長、穗重、穗粗、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)相較之耕前施肥都有不同程度的提高，如A1 處理的穗長、穗粗、穗重、百粒重、穗軸重和穗行數(shù)與B1 處理相比分別增加了5.6%、8.8%、2.4%、4.0%、12.6%、6.7%，結果說明耕后施肥處理更有利于玉米高產(chǎn)。同時對玉米產(chǎn)量各指標進行方差顯著性檢驗分析，結果由表4不同字母標出，從各處理之間差異的程度大小可看出，施肥方式對玉米產(chǎn)量的影響要小于灌水量對玉米產(chǎn)量的影響。

表4 不同施肥方式和灌水量對玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

（1）玉米作為我國重要的糧食作物之一，解決了大部分人的溫飽問題。因此，玉米的產(chǎn)量深刻影響著我國的糧食安全。本研究通過研究大田中不同土層深度的土壤含水量及玉米發(fā)育生長時期的指標，旨在闡明基肥施用方式和灌水量對土壤水分動態(tài)分布和玉米產(chǎn)量的影響機制，不同的基肥施用方式對土壤剖面含水量動態(tài)分布有不同程度的影響，可能是由于兩種施肥方式所施入土壤的肥料在參與水分動態(tài)遷移與土壤空間結構重建上出現(xiàn)了在時間上和空間上分布的不同，從而導致土壤水勢在土壤空間上分布的差異，外在體現(xiàn)即為土壤剖面含水量的不同。關于這方面的論述，一些文獻研究結果也表明，肥料使用方式和施用量會對水分入滲和分布產(chǎn)生影響，有些肥料施入后會促進水分運移，增大相同灌水時間的入滲量[26,27]。

（2）本研究關于灌水量對玉米產(chǎn)量和耗水方面的影響，前期玉米耗水主要以土壤蒸發(fā)為主，處理間耗水量的差異也主要是由于灌水量差異引起，表現(xiàn)為灌水量越大，耗水量越大，且這種差異比較顯著；后期由于植株迅速成長，葉面積增大，作物蒸騰作用增強，同時生育期進入雨季，降水能夠滿足玉米耗水，耗水主要以蒸騰為主，各處理間耗水量差異也逐漸減小。而對于基肥施用方式對玉米整個生育期耗水情況的影響而言，如果排除試驗偶然性因素對播種-苗期耗水的影響，可以猜測基肥施用方式對前期土壤蒸發(fā)是有一定影響的，所以才產(chǎn)生了播種-育苗期灌水量相同的情況下耗水量有顯著性差異的現(xiàn)象產(chǎn)生，而后面幾個生育期的這種差異并不顯著說明基肥施用方式對植株蒸騰耗水沒有太多影響，因為前面已經(jīng)說過前期主要是土壤蒸發(fā)耗水，而后期則是蒸騰耗水。當然這里排除一些與試驗無關的外在偶然因素下所作的猜測，后續(xù)研究可以進一步細化該試驗，設置有利于佐證該猜測的試驗條件。

（3）本研究主要對種植玉米大田土壤的水肥性質(zhì)進行分析，通過查閱文獻可以得知，土壤中的微生物對玉米的生長也有不可或缺的作用，尤其是當微生物活躍后土壤中的酶活性有了顯著的提高[26]。因此，在接下來的研究中可以通過設置不同的施肥種類作為自變量來觀察土壤中的酶活性，進而研究對玉米的各項指標的影響作為進一步的研究方向。

4 結論

（1）不同灌水量的剖面含水量分布曲線在不同生育期內(nèi)變化基本類似，而且在整個生育期內(nèi)以苗期和拔節(jié)期為界可以將其水分變化趨勢分為3個階段。另外基肥方式對土壤縱深剖面含水量在時空上的分布也有較大的影響。

（2）基肥施用方式對原有土壤水分在垂向上有再分布的影響，表現(xiàn)為耕后基肥施用方式的土壤含水量大體略大于耕前基肥施用方式；而且同一生育期內(nèi)不同基肥施用方式所顯現(xiàn)出來的結果還表明耕前施肥處理各生育期內(nèi)不同灌水量下的水分分布曲線較耕后施肥處理有明顯的分散趨勢。

（3）灌水設置越大，玉米耗水量越大，耗水量表現(xiàn)出顯著差異主要發(fā)生在以土壤蒸發(fā)為主的玉米生長前期，后期由蒸騰作用引起的耗水量差異并不顯著；另外，除播種-苗期外，由施肥方式引起的兩處理間的差異并不明顯，同時在總耗水量方面，耕前施肥與耕后施肥基本接近。說明施肥方式的不同對玉米各時期耗水造成的影響并不顯著。

（4）與耕前施肥相比，耕后施肥處理在玉米的穗長、穗重、穗粗和百粒重方面均有所增加，但灌水量對玉米產(chǎn)量的影響大于施肥方式對產(chǎn)量的影響。