引黄灌区多因子对小麦产量和硝氮淋溶损失的影响

一、材料与方法

（一）试验区概况

大田试验区（正交试验区）位于巴彦淖尔市临河区东郊曙光试验站内，东经107°24′，北纬40°46′，地面高程1 039.4～1 039.9 m。20个圆柱体测坑（r=0.5 m，h=3.0 m）中土壤为人工回填土，1 m深度土层分布：0～60 cm为粉质黏土，60～80 cm为轻壤土，80 cm以下为粉砂。土壤田间持水量27.17%（占干土重），平均容重为1.41 g/cm3。年平均气温6.9℃，风速2.7 m/s，日照时数3 189 h，相对湿度51%，年均降水量和蒸发量分别为142.2 mm（2010年3～8月间共降水23.56 mm）和2 306 mm。作物生长期间（3月中旬至9月下旬）期间大田地下水埋深大于4 m，对作物生长基本无影响。试验区有机井一眼，通过灌溉管道进行灌溉，用水表量水，灌水设施良好。

（二）试验设计

试验种植作物选为春小麦（永良4号），2010年3月28日种植（播种量为450 kg/hm2；行距为15 cm；按照设计标准一次性施入尿素和二铵），7月20日收获并测产量（见表3-1-1）。

试验方法采用正交试验，采用三因素三水平（见表3-1-1），设2次重复，共18个处理。灌溉量（因素A）设3个水平，分别为2 800 m3/hm2、3 200 m3/hm2和3 600 m3/hm2，灌水次数均为4次；施氮量（因素B）设3个水平，分别为180 kg/hm2、210 kg/hm2和555 kg/hm2；浅层地下水埋深（因素C）设3个水平，分别为150 cm、200 cm和250 cm（见表3-1-1）。

表3-1-1　正交设计表

注：3 600 m3为严重干旱时灌溉量；3 200 m3为一般年份灌溉量；2 800 m3为湿润年份灌溉量。“375/585 kg/hm2”表示尿素施入375 kg/hm2，二铵施入585 kg/hm2。指标1为小麦生育期内浅层地下水中硝氮浓度累积值。

（三）试验操作

地下水补给操作：从3月28日到4月20日（土壤墒情较好，蒸腾蒸发量较低），20个测坑中土壤处于解冻过程。4月20日以后，通过供水（马氏瓶）和排水装置向测坑补水或排水，使之浅层地下水埋深稳定到设计埋深。每天8时和18时观测补水器，并记录相应数据。

水分与养分测定：种植前，按土层0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm和100～120 cm层次，测定土壤剖面含水量，硝氮和氨氮含量，取地下水测定氮素含量（水样取自地下水水位观测室排水管）。种植后，依据灌水时间（见表3-1-2），在灌水前和后分别取土样和水样分析水分和养分变化。土壤水分采用烘干法测定，土壤氮素和水中氮素在巴彦淖尔市水利科学研究所化验室分析。

表3-1-2　春小麦生育阶段划分及灌水日期

二、结果与分析

（一）不同因子对土壤水分的影响

干旱地区土壤水分的补给源主要是灌溉和地下水，其中灌溉是在某一时段内补充土壤水分而供作物吸收。从作物全生育期以及生育期前后考虑，对土壤水分和作物吸收水分影响最大的因素是浅层地下水埋深的大小。从浅水埋深与表层土壤含水率相关性来看（图3-1-1），表层土壤含水量随着浅水埋深的增大而减小（R2=0.86）。从图3-1-2中看出，C1、C6和C8处理（埋深为1.5 m）土壤剖面（0～80 cm）平均含水率显著高于C3、C5和C7处理（埋深为2.5 m）。当浅水埋深≥2.0 m时，在同一浅水埋深水平下灌溉量成为影响土壤含水率显著因子。C7和C9（灌溉量为3 600 m3/hm2）土壤剖面含水率明显高于其对应的相同浅水埋深水平下处理的土壤含水率。这就表明浅水埋深和灌溉量在不同条件下对表层土壤含水率的补给作用显著性是不同的。依据上面的分析和灌区浅层地下水埋深现状，可调整作物的灌溉制度，确保水资源的充分利用，即浅水埋深较浅区，灌溉量相应减少；浅水埋深较大地区，灌溉量相应增加。

图3-1-1　浅水埋深与表层土壤含水率相关性

图3-1-2　不同处理土壤剖面（0～80 cm）平均含水率

（二）不同因子对小麦产量的影响

1.不同因子对小麦产量影响直观分析

从土壤水分和肥料两个因素考虑，某一水分（或肥分）水平下，均可找到最优供肥（或供水）与之相配合。高于此值，增加投入反而降低产量，导致资源的浪费和生态环境的破坏；低于该值，则未能发挥土壤、水分和养分的最大产出效益。从表3-1-1中看出，三种因素不同水平的组合，对小麦产量影响是显著的，如A1B1C1和A3B2C1组合产量显著高于其他组合。从这两组组合来看，低水平组合春小麦产量相对低于高水平组合产量的8.4%，差异不显著。这就表明，合理的土壤水分和养分组合，可以有效地降低成本，减少资源的使用。从春小麦产量直观分析来看（表3-1-3），三个因素对春小麦产量影响程度大小是C（浅水埋深）>A（灌溉量）>B（施氮量）。这种排序关系正符合河套灌区的干旱少雨、浅层地下水埋深较浅和土壤水分补给源主要来自浅层地下水的特点。从产量最大化考虑，最优组合为A3B1C1，工程平均值为5 991.3 kg/hm2。

表3-1-3　小麦产量直观分析

由于河套灌区年降水和蒸发分别为155～222 mm和2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上。土壤水分运移一般由“渗漏-蒸发型”向“单一蒸发型”过渡，也就是在较短时期内农业灌溉可以补充土壤水分，但随着蒸腾蒸发的增大，灌溉量不足以满足作物需求。在这种情况下，浅层地下水成为土壤水分的主要补给源，地下水在毛管力的作用下上升供小麦根系吸收。从图3-1-3看出，灌溉量在A1、A2水平下，小麦产量变化不大（分别为3 274 kg/hm2和3 265 kg/hm2），而灌溉量达到A3水平时，产量（4 358 kg/hm2）显著增大。浅水埋深每增大一个水平时，小麦产量就会显著减小（图3-1-4，4 866→3 181→2 850 kg/hm2）。由于灌区蒸降比较大，土壤水分成为作物产量变化的主导因素，从而使氮肥量的变化对小麦产量影响不显著，施氮量极差为1 611 kg/hm2。

图3-1-3　灌溉量与产量关系图

图3-1-4　施氮量与产量关系图

图3-1-5　浅水埋深与产量关系图

2.不同因子对小麦产量影响方差分析

在河套灌区农业种植中灌溉量、施肥量和浅水埋深是三个关键性因素。由于灌区东西距离较长，农业种植结构、农业管理方法和浅水埋深有较大差别。如灌区上游较多地种植小麦和玉米，而下游较多地种植葵花和蜜瓜等需水量较少的作物。从灌水次数讲，上游一般能够保证在作物生育期内灌溉3～4次，而下游一般只有1～2次灌水。方差分析能够有效地表明因子对指标影响的显著性。从表3-1-4中看出，浅水埋深对春小麦产量影响显著，而灌溉量和施氮量的影响不显著。因此，可以根据灌区的实际情况来选择灌溉量和施肥量。本例中根据灌区水资源紧缺和化学肥料使用量大等条件而选用A2B1C1为最优组合，最优工程平均值为4 866.1 kg/hm2。虽然此最优工程平均值低于直观分析得出的工程平均值（5 991.3 kg/hm2），但是前者更能说明因素对产量的影响效果，其值更为真实，也就是说后者包含了不显著因素B的效应，真实值的估计区间为3 814～5 919 kg/hm2。

表3-1-4　小麦产量方差分析

注：F0.9（2，2）=9;F0.95（2，2）=19;F0.99（2，2）=99。

（三）不同因子对硝氮淋溶量的影响

1.不同因子对硝氮淋溶影响直观分析

在土壤中硝态氮很少被土壤颗粒所吸持，主要以溶质的形式存在于土壤溶液中，土壤水分迁移是其移动的主要动力。作物根系吸收氮素主要途径是溶质对流和扩散。因此，土壤中水分和氮浓度的大小直接影响作物对其的吸收能力和淋溶量大小。从理论上讲，土壤中发生氮素淋失要满足土壤中有大量的可溶性氮素和迁移的水分存在。从表3-1-1中看出，浅层地下水中硝氮素浓度最大（146 mg/L）为处理9（A3B3C2），而硝氮素浓度在处理1（A1B1C1）、4（A2B1C2）中分别为25 mg/L和20 mg/L，表明在高水高肥水平下，硝态氮极易渗漏。从直观上讲，灌溉量大且施氮量一定时，硝态氮被淋洗量就会相对较高，但是在不同浅层地下水埋深影响下淋洗量差异随土壤水分含量高低而变。如处理1（A1B1C1）中硝态氮淋溶量略高于处理4（A2B1C2）组合。导致这种结果的原因在于较浅的水位埋深使得表层土壤水分较高（作物生育期内处理1、4土壤剖面平均含水率分别为23.7%和22.3%），水分更容易迁移，硝态氮也更易被淋洗进入地下水。

从硝氮淋溶量直观分析（表3-1-5）看出：影响硝氮淋溶损失高低的顺序为A（灌溉量）>B（施氮量）>C（浅水埋深）。从土壤中硝氮的淋溶机理来讲，这种排序正反映出灌溉量和施肥量是使地下水受到农业面源污染（氮）加重的本质因素，浅水埋深起到辅助作用。近年来河套灌区实施节水工程措施，有效地降低了浅层地下水水位，而农业灌溉量和化肥的使用量却未降低，节水工程没有解决防治农业面源污染（氮）本质问题。

表3-1-5　硝氮淋溶量直观分析

影响某个指标的因子水平的变化，总会有边际效应。也就是讲，当因子水平超出某一值时，指标的值就会有显著的变化。灌溉量越大，土壤水分达到饱和的时间越短，作物来不及吸收更多的水分和养分。在这种条件下，土壤水分下渗的速度就越快，硝氮更容易被淋洗进入地下水。如图3-1-6所示，灌溉量与硝氮淋溶趋势图中有显著的拐点，即当灌溉量大于3 200 m3/hm2时，硝氮淋溶量显著增高。这种临界值的存在，对于寻找最优的灌溉制度有积极作用。从图3-1-7看出，施肥量与硝氮淋溶量趋势呈直线关系。也就是说，施肥量对于硝氮淋溶没有临界值可言，施肥量越大，淋溶量越大。从图3-1-8可以看出浅层地下水埋深，在硝氮淋溶中只扮演辅助角色，但是对于河套灌区农业面源污染物（氮）的扩散，却有积极的影响。因为在河套灌区，在作物生育期内平均浅层地下水埋深在1.7 m，而排水沟沟底与田面高差在2.2 m。农田灌溉时，随着浅层地下水埋深的减少，土壤水分和浅层地下水在水势的作用下渗入沟道，土壤溶液中硝氮也随之进入。假设浅层地下水埋深较大，在灌溉过程中，浅水水位就不易超出沟道底部高程，被淋洗进入浅层地下水中的硝氮也就不易以地表径流的形式扩散。这种农业面源污染物扩散机理也表明，在河套灌区内高水、高肥和浅埋深较浅水平下，硝氮极易扩散。

图3-1-6　灌溉量与硝氮淋溶关系图

图3-1-7　施肥量与硝氮淋溶关系图

图3-1-8　浅水埋深与硝氮淋溶关系图

2.不同因子对硝氮淋溶影响方差分析

土壤中硝态氮主要是通过对流扩散、分子扩散和机械弥散这3个物理过程，在土壤的水分中进行交换，并随着水分的迁移而迁移。在土壤中诱导这3个物理过程的因素主要是土壤水分和硝氮浓度。从表3-1-6中看出，灌溉量对硝氮淋溶影响呈极显著性，施氮量对其影响呈显著性，而浅水埋深没有影响，只起到辅助作用。最大硝氮淋溶量模式为A3B3C1，其值为139.7 mg/L，真实值的估计区间为120.7～158.7 mg/L。

表3-1-6　硝氮淋容量方差分析

注：F0.9（2，4）=4.3;F0.95（2，4）=6.9;F0.99（2，4）=18。

（四）综合平衡分析

传统的粗放型农业管理追求产量最大化，加大灌溉量和施肥量，这不仅浪费水资源，而且较多的养分随水分进入地下水和地表水中，使灌区面源污染负荷加重。以上分析中只考虑春小麦产量和硝氮淋溶最大化，而河套灌区农业的发展不仅考虑作物产量的最优，更重要的是肥料的有效利用。

因此，从多指标综合平衡考虑春小麦产量最优且硝氮淋溶量最小的因子组合。在以上三种因子中，浅层地下水埋深视灌区具体区域而定，为自然因素和人为因素长期造成的结果，短期内人为不能改变。影响春小麦产量和氮淋溶量大小的因素主次为：

C（浅水埋深）>A（灌溉量）>B（施氮量）

A（灌溉量）>B（施氮量）>C（浅水埋深）

在浅层地下水埋深一定时，从因素影响指标的主次排序和显著性可以看出，灌溉量均优先于施氮量。所以，施氮量可以选择较小的水平，而灌溉量视浅水埋深而定。依据各因素效应，最优综合组合下春小麦产量和硝氮淋溶量见表3-1-7。

表3-1-7　最优综合组合

三、结论

①表层（0～80 cm）土壤含水量随着浅水埋深的增大而减小（R2=0.86）。当浅水埋深≥2.0 m时，在同一浅水埋深水平下灌溉量成为土壤含水率显著影响因子。因此，农业灌溉时，可按照以下原则：浅水埋深较浅区，灌溉量相应减少；浅水埋深较深地区，灌溉量相应增加。

②干旱少雨、浅层地下水埋深较浅和土壤水分补给源主要来自浅层地下水的特点，导致对春小麦产量影响程度大小是C（浅水埋深）>A（灌溉量）>B（施氮量），其中浅水埋深对春小麦影响显著，浅水埋深每增大一个水平时，小麦产量就会显著减小（4 866→3 181→2 850 kg/hm2）。从产量最大化考虑，A2B1C1为最优组合，最优工程平均为4 866.1 kg/hm2，真实值的估计区间为3 814～5 919 kg/hm2。