徐 昭 史海濱 李仙岳 周 慧 付小軍 李正中

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局沙壕渠試驗站， 巴彥淖爾 015400)

0 引言

河套灌區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，屬于典型的干旱地區(qū)。灌區(qū)鹽漬化土地占灌溉農(nóng)田總面積的50%以上[1]，近年來隨著國家對灌區(qū)引黃水量實行指令性節(jié)水，農(nóng)業(yè)用水不足和土壤鹽漬化問題會更加突出[2]，將嚴(yán)重影響灌區(qū)糧食的生產(chǎn)安全。此外，當(dāng)?shù)貫榱思Z食增產(chǎn)或不減產(chǎn)，化肥施用量逐年增加[3]，由于“愈多越好”不科學(xué)的施肥方式導(dǎo)致大量的氮素隨著灌溉水進(jìn)入土壤和地下水，造成嚴(yán)重的面源污染[4]。當(dāng)前，相對缺水、土壤鹽漬化和化肥施用量過多已成為制約灌區(qū)糧食安全和環(huán)境安全的重要因素，如何在鹽漬化土地上合理、高效地利用水、肥資源，以提高糧食生產(chǎn)效率和減小氮素面源污染成為亟需解決的科學(xué)問題。

水、肥是干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提高的兩大關(guān)鍵因素[5]。TEWOLDE等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水、氮虧缺會抑制作物生長，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。HAMZEI[7]研究表明，過量的灌水和施氮會使油菜營養(yǎng)生長過盛，導(dǎo)致其產(chǎn)量下降。說明在非鹽漬土上，水、氮用量與作物產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，而過量則會導(dǎo)致產(chǎn)量降低或增產(chǎn)不顯著[8-9]，合理的水、氮用量是提高糧食生產(chǎn)效率的主要手段。同樣也有學(xué)者研究得到水氮交互作用顯著影響鹽漬土壤作物產(chǎn)量，適宜的水氮供應(yīng)有助于提高鹽漬土壤作物產(chǎn)量，而當(dāng)過量灌溉和施氮時，作物的各項生理指標(biāo)和產(chǎn)量增加不明顯或略有下降[10]?？梢?，鹽漬化土壤下作物產(chǎn)量與水、氮用量的關(guān)系與非鹽漬土壤相似，但現(xiàn)有的研究大多針對一種或兩種鹽漬化土壤條件下水氮運籌對產(chǎn)量的影響且注重作物產(chǎn)量對水氮調(diào)控的響應(yīng)[11]，而針對產(chǎn)量對土壤鹽漬化程度響應(yīng)規(guī)律的研究較少。CHEN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分與施氮量具有交互作用，且這種交互作用隨著土壤含鹽量的不同而不同。ULERY等[13]研究表明過量施用氮肥可能會加重土壤的鹽分含量并且增加對作物生長的抑制作用。符鮮等[14]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨著施氮量的增加而增加。由此說明，水、氮和產(chǎn)量在鹽漬土壤條件下的關(guān)系更為復(fù)雜，且這種關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。此外，GHOLAMHOSEINI等[15]研究表明灌水定額一定時硝態(tài)氮淋失量隨著施氮量增加而遞增。KATERJI等[16]研究表明，鹽分對作物生長的抑制作用會降低作物對氮素的吸收利用，從而增加了氮素淋失的潛在風(fēng)險。可見，鹽漬土壤過量施用氮肥對土壤及地下水環(huán)境造成的污染隱患可能會增大，適度減氮可降低氮素面源污染風(fēng)險。已有研究表明，作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用效率在不同程度鹽分脅迫下有所差異[17-19]。河套灌區(qū)土壤鹽漬化程度較高且差異較大，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)主要根據(jù)畦田面積進(jìn)行灌溉和施氮，而對不同程度鹽漬化農(nóng)田條件下合理的水氮管理還未引起足夠重視。因此，針對河套灌區(qū)不同程度鹽漬化土地，確定合理的水、氮用量對提高糧食產(chǎn)量、高效利用水氮和減小氮素面源污染具有重要現(xiàn)實意義。

本文以河套灌區(qū)玉米為研究對象，基于多元回歸模型構(gòu)建不同程度鹽漬土壤下玉米產(chǎn)量的水氮耦合模型，通過田間試驗和模型模擬結(jié)合的方法探究產(chǎn)量效應(yīng)對不同鹽漬土壤水氮調(diào)控的響應(yīng)規(guī)律，并進(jìn)行方案尋優(yōu)，提出不同程度鹽漬土壤下水氮優(yōu)化方案，以期為鹽漬化土地合理灌溉和施氮決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)沙壕渠試驗站(40°54′40″ N，107°9′57″ E，海拔1 034 m)。多年平均氣溫7.7℃，年平均日照時數(shù)3 200 h，全年太陽總輻射約為6 000 MJ/m2，熱量充足。玉米種植面積已達(dá)到灌區(qū)總播種面積的1/3以上。 該地區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)，多年平均降雨量143 mm，蒸發(fā)量2 100 mm。試驗地2017年玉米生長季(4—9月)有效降雨量為45.0 mm(圖1)。

圖1 2017年玉米生長季降雨量和氣溫Fig.1 Rainfall and air temperature during growing season of maize in 2017

1.2 試驗設(shè)計

大田試驗選取3種不同程度鹽漬化農(nóng)田，參照土壤鹽漬化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]，將所選3塊試驗田依次劃分為非鹽漬、中度、重度鹽漬化土壤，依次記為S1、S2、S3。試驗田播種前0～100 cm平均土壤電導(dǎo)率和0～30 cm土壤養(yǎng)分含量見表1。試驗采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)畦灌，參照當(dāng)?shù)赜衩追N植常規(guī)灌水量[11]和施氮量[21]，在S1、S2、S3試驗田上分別設(shè)置3個灌水量(W1，150 mm；W2，225 mm；W3，300 mm(常規(guī)灌溉量))和3個施氮量(N1，172.5 kg/hm2；N2，258.8 kg/hm2；N3，345 kg/hm2(常規(guī)施氮量))，試驗共設(shè)27個處理，3次重復(fù)。試驗小區(qū)長6.5 m，寬6 m，面積為39 m2，各小區(qū)間打15 cm高田埂并埋設(shè)1 m深聚氯乙烯塑料布隔離。供試玉米品種為內(nèi)單314，大小行種植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm。根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實踐，播前施基肥磷酸二銨(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%)，施用量為450 kg/hm2。剩余的氮肥以尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)的形式分別在玉米拔節(jié)-大喇叭口期及抽雄期灌溉時追施(施氮量各占1/2)。全生育期進(jìn)行3次灌水，灌水量通過水表記錄，具體灌水和施肥設(shè)計見表2，施氮量為換算后的純氮素量。

1.3 測定項目與方法

(1)基本指標(biāo)的測定

產(chǎn)量測定：玉米成熟時，在各小區(qū)非邊行選取標(biāo)準(zhǔn)樣株20株，單獨收獲考種測產(chǎn)，取平均值。

表2 玉米灌溉量和施氮量設(shè)計Tab.2 Design of amounts and dates of water and nitrogen application

(2)相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：采用min-max最值歸一化方法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換。設(shè)minA和maxA分別為屬性的最小值和最大值，將A的一個原始值X通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0，1]中的值X*，其公式為

X*=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

式中X*——數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

X——樣本實際值

Xmin——樣本數(shù)據(jù)的最小值

Xmax——樣本數(shù)據(jù)的最大值

(3)水氮耦合模型

本試驗研究3種不同程度鹽漬化農(nóng)田下灌溉量、施氮量與玉米產(chǎn)量之間的回歸關(guān)系，以產(chǎn)量為目標(biāo)，以灌溉量和施氮量為自變量，建立水-氮-產(chǎn)量回歸模型，用二元二次回歸方程進(jìn)行模型的表達(dá)。二元二次回歸方程表達(dá)式為

(2)

式中y——玉米預(yù)測產(chǎn)量，kg/hm2

a0——回歸模型的常數(shù)項

a1、a2——回歸模型的一次項系數(shù)

a12——回歸模型的交互項系數(shù)

a11、a22——回歸模型的二次項系數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel整理數(shù)據(jù)和制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽漬土條件下水氮處理對產(chǎn)量的影響

作物最終的籽粒產(chǎn)量是評價水氮模式的最核心指標(biāo)。由表3方差分析可知，灌水和施氮顯著影響S1、S2和S3鹽漬土玉米產(chǎn)量，且灌水的影響大于施氮。水氮交互效應(yīng)顯著影響S2鹽漬土玉米產(chǎn)量(P<0.05)，極顯著影響S3鹽漬土玉米產(chǎn)量(P<0.01)，而對S1土壤影響不顯著(P>0.05)。說明隨著土壤鹽漬化程度的加重，水氮交互效應(yīng)對產(chǎn)量的影響增大。

表3 不同鹽漬土條件下水氮處理對玉米產(chǎn)量影響的方差分析Tab.3 Variance analysis of effects of water and nitrogen on yield of maize under different saline soil conditions

注：*和** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。

由圖2可看出，玉米產(chǎn)量與水氮用量的關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。灌溉影響方面，相同施氮水平下，灌溉量從W1增加至W2時，在S1、S2和S3土壤上均表現(xiàn)為W2水平的玉米產(chǎn)量顯著高于W1水平(P<0.05)，而當(dāng)灌溉量從W2增加至W3時，在S1土壤上產(chǎn)量由大到小總體上表現(xiàn)為W3、W2，但無顯著差異；在S2土壤N3條件下W3水平較W2增產(chǎn)4.84%，但差異不顯著，在N2條件下W3水平產(chǎn)量顯著低于W2(P<0.05)，在N1條件下W3較W2減產(chǎn)8.67%，但差異不顯著；在S3土壤上均表現(xiàn)為W3產(chǎn)量較W2顯著減產(chǎn)(P<0.05)。由此說明，相同施氮量下，在3種不同程度鹽漬土適度增加灌溉量均可顯著增產(chǎn)，而過量灌溉時產(chǎn)量效應(yīng)有所不同，表現(xiàn)為在非鹽漬土上增產(chǎn)作用并不明顯，在中度鹽漬土上僅在較高施氮量條件下還可以繼續(xù)增產(chǎn)，但增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，而在中、低施氮量條件下會造成減產(chǎn)，特別在中等施氮量條件下會顯著減產(chǎn)，在重度鹽漬土上過量灌溉均會顯著減產(chǎn)。

圖2 不同鹽漬土條件下水氮處理對玉米產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of water and nitrogen treatment on maize yield under different saline soil conditions

施氮影響方面，相同灌溉水平下，當(dāng)施氮量從N1增加至N2時，在S1土壤W3條件下N2的玉米產(chǎn)量顯著高于N1，在W2和W1條件下由大到小表現(xiàn)為N2、N1，但差異不顯著；在S2鹽漬土上，產(chǎn)量由大到小表現(xiàn)為N2、N1，這種趨勢在W2、W1水平下差異顯著(P<0.05)，而在W3水平下差異不顯著；在S3土壤W3條件下N2顯著高于N1(P<0.05)，而在W2、W1條件下N2的產(chǎn)量顯著低于N1(P<0.05)。當(dāng)施氮量從N2增至N3時，在S1土壤W3和W2條件下N3較N2分別減產(chǎn)2.25%和2.59%(P>0.05)，在W1條件下N3較N2增產(chǎn)4.16%(P>0.05)；在S2土壤W3條件下減產(chǎn)不顯著，在W2和W1條件下N3較N2分別顯著減產(chǎn)22.67%和36.98%(P<0.05)；在S3土壤均表現(xiàn)為N3較N2顯著減產(chǎn)(P<0.05)。由此可見，相同灌溉量下，在非鹽漬土較高灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量下增產(chǎn)不明顯；在中度鹽漬土中、低灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在較高灌溉量下增產(chǎn)不明顯；在重度鹽漬土較高灌溉量下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量下會顯著減產(chǎn)。當(dāng)過量施氮時產(chǎn)量效應(yīng)在非鹽漬土上增產(chǎn)效果不顯著甚至有下降趨勢，在中度鹽漬土上會抑制玉米產(chǎn)量并且在中、低灌溉量下會導(dǎo)致玉米顯著減產(chǎn)，在重度鹽漬土上過量施氮均會顯著減產(chǎn)。

水氮交互影響方面，在S1非鹽漬土上，W3N2產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(除了與W3N3、W2N2差異不顯著)(P<0.05)，W2N2較W3N3、W3N2減產(chǎn)4.41%、6.56%，差異不顯著。在S2鹽漬土上，W2N2的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理。在S3鹽漬土上，W2N1的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理，W2N2次之?？梢?，適度減氮控水不會顯著降低非鹽漬土玉米產(chǎn)量，還可以顯著提高中度和重度鹽漬土玉米產(chǎn)量。

2.2 不同鹽漬土條件下水氮耦合產(chǎn)量效應(yīng)分析及方案優(yōu)化

2.2.1水-氮-產(chǎn)量回歸方程建立

圖3 不同鹽漬土條件下單因素對產(chǎn)量影響的效應(yīng)曲線Fig.3 Effect curves of single factor on yield under different salinizition soils

采用標(biāo)準(zhǔn)化處理后的灌水量和施氮量數(shù)據(jù)，對不同鹽漬土條件下水、氮和產(chǎn)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行二元二次回歸模擬，得到3種鹽漬土條件下產(chǎn)量(y)與灌水量編碼值(x1)、施氮量編碼值(x2)的回歸模型為：

非鹽漬土

(3)

中度鹽漬土

y=7 331.797+9 036.283x1+3 937.417x2-

(4)

重度鹽漬土

y=5 730.369+12 068.717x1-1 107.383x2-

(5)

對式(3)～(5)進(jìn)行顯著性檢驗，決定系數(shù)分別為0.962、0.918、0.980，表明預(yù)測產(chǎn)量與實測產(chǎn)量有很好的擬合度。經(jīng)檢驗F1=15.352、P1=0.024；F2=20.853、P2=0.015；F3=30.140、P3=0.009，說明回歸關(guān)系都達(dá)到了顯著水平，模型與實際情況擬合很好，能夠反映產(chǎn)量與灌水量和施氮量之間的關(guān)系。

方程中x1、x2的二次項系數(shù)為負(fù)數(shù)，在設(shè)計范圍內(nèi)產(chǎn)量隨著水氮用量的增加而呈開口向下的拋物線變化趨勢，灌水量和施氮量都存在一個最大值，過量投入就會引起減產(chǎn)，造成水、氮的浪費?；貧w模型的偏回歸系數(shù)表明，在本試驗中灌水作用大于施氮作用，非鹽漬土、中度鹽漬土條件下水氮均對產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用；在重度鹽漬土條件下灌水對產(chǎn)量有促進(jìn)作用，施氮對產(chǎn)量為負(fù)作用。

2.2.2單因素效應(yīng)分析

為了研究不同鹽漬土條件下灌水量和施氮量單個因子對產(chǎn)量的影響，采用降維法對方程(3)～(5)中任意一個因子設(shè)為零水平，可得灌水量與施氮量的單因素產(chǎn)量效應(yīng)函數(shù)yw、yn為：

非鹽漬土

(6)

(7)

中度鹽漬土

(8)

(9)

重度鹽漬土

(10)

(11)

在試驗設(shè)計的各因素水平范圍內(nèi)，各因子的產(chǎn)量效應(yīng)如圖3所示。從圖中可以看出，水、氮因素的產(chǎn)量效應(yīng)均為拋物線，且灌水因素各拋物線的頂點在試驗設(shè)計水平范圍內(nèi)，表明灌水在不同鹽漬土條件下都有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)。拋物線頂點對應(yīng)的便是各因素最適投入量。在本試驗中，S1鹽漬土上最適灌水量為0.83，換算為實際用量為274.95 mm，S2鹽漬土上最適灌水量為0.61，換算為實際用量為241.50 mm，S3鹽漬土上最適灌水量為0.48，換算為實際用量為222.13 mm。施氮因素在S1、S2鹽漬土條件下各拋物線的頂點在試驗設(shè)計水平范圍內(nèi)，表明施氮在S1、S2鹽漬土上具有增產(chǎn)效應(yīng)，S1鹽漬土上最適氮素投入量為0.63，即281.18 kg/hm2，S2鹽漬土上最適氮素投入量為0.33，即229.42 kg/hm2。而S3鹽漬土條件下產(chǎn)量效應(yīng)曲線為開口向下拋物線的遞減部分，拋物線的頂點不在試驗設(shè)計水平范圍內(nèi)，施氮在本試驗條件下表現(xiàn)為減產(chǎn)效應(yīng)，說明在重度鹽漬土上應(yīng)進(jìn)一步減少施氮量。

2.2.3單因素邊際效應(yīng)分析

邊際產(chǎn)量反映了各因素最適投入量和單位水平投入量變化對產(chǎn)量增加或降低速率的影響，各因素在不同鹽分水平時的邊際產(chǎn)量可通過對回歸子模型式(6)～(11)求一階偏導(dǎo)得出，灌水量、施氮量的邊際效應(yīng)方程為：

非鹽漬土

dyw/dx1=8 528.983-10 234.134x1

(12)

dyn/dx2=2 711.550-4 317.734x2

(13)

中度鹽漬土

dyw/dx1=9 036.283-14 758.266x1

(14)

dyn/dx2=3 937.417-12 064.666x2

(15)

重度鹽漬土

dyw/dx1=12 068.717-25 096.134x1

(16)

dyn/dx2=-1 107.383-3 270.934x2

(17)

圖4 產(chǎn)量邊際效應(yīng)分析Fig.4 Analysis of marginal effect of yield

根據(jù)兩因素邊際函數(shù)繪制出對應(yīng)的邊際效應(yīng)圖(圖4)。從圖中可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，邊際玉米產(chǎn)量效應(yīng)均呈現(xiàn)遞減趨勢。圖4縱坐標(biāo)值大于零表示因素可促進(jìn)玉米產(chǎn)量，小于零表示會抑制玉米產(chǎn)量。S1土壤上，當(dāng)x1≤0.83時，灌水會促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.83時，灌水會抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2≤0.63時，施氮會促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x2>0.63時，施氮會抑制玉米產(chǎn)量。S2鹽漬土上，當(dāng)x1≤0.61時，灌水會促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.61時，灌水會抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2≤0.33時，施氮會促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x2>0.33時，施氮會抑制玉米產(chǎn)量。S3鹽漬土上，當(dāng)x1≤0.48時，灌水會促進(jìn)玉米增產(chǎn)，當(dāng)x1>0.48時，灌水會抑制玉米產(chǎn)量；當(dāng)x2>0時，邊際效應(yīng)均為負(fù)數(shù)，說明在試驗設(shè)計水平范圍內(nèi)施氮會抑制玉米產(chǎn)量，可見重度鹽漬土上應(yīng)減少氮肥的施用量。

2.2.4水氮二因素交互效應(yīng)分析

玉米產(chǎn)量受水氮二因素共同影響，它們之間存在相互促進(jìn)或相互抑制的關(guān)系。圖5為灌水量和施氮量對玉米產(chǎn)量的互作效應(yīng)三維關(guān)系圖?？梢钥闯?，在S1、S2和S3土壤上，灌水量對玉米產(chǎn)量效應(yīng)均呈拋物線形，當(dāng)施氮量相同時，隨著灌水量的增加，灌水的曲面坡度變化較快，產(chǎn)量均先相對大幅提高，而到達(dá)最高點后下降幅度隨著土壤鹽漬程度的不同而不同，具體表現(xiàn)為在S1土壤上小幅度降低，S2土壤上中等幅度降低，而S3土壤上大幅度降低。在S1和S2土壤上施氮量對玉米產(chǎn)量效應(yīng)呈拋物線形，當(dāng)灌水量相同時，隨著施氮量增加，曲面坡度變化較慢，產(chǎn)量均先緩慢增加，達(dá)到最高點后規(guī)律有所不同，表現(xiàn)為S1產(chǎn)量緩慢減小，而S2產(chǎn)量快速減小。在S3土壤上施氮量對玉米產(chǎn)量效應(yīng)呈開口向下拋物線的遞減部分，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而減小。S1、S2和S3土壤玉米最低產(chǎn)量分別出現(xiàn)在水氮用量都取較低水平、灌水量較低水平且施氮量較高水平和水氮用量較高水平的情況。S1、S2和S3土壤玉米最高產(chǎn)量分別出現(xiàn)在灌水施氮的中高水平、灌水施氮的中等水平和灌水中等水平且施氮較低水平。由此說明，灌水量與施氮量之間有很好的耦合作用，二因素的調(diào)控非常重要，非鹽漬土上在水分條件較好的情況下供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，中度鹽漬土上供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，重度鹽漬土上供應(yīng)適宜的水分和較低的氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益。

2.2.5基于頻率分析法的組合方案尋優(yōu)

圖5 不同鹽漬土條件下水氮交互效應(yīng)對產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of nitrogen and irrigation on maize yield under different salinization soil

為得出不同鹽漬土條件下，玉米不同目標(biāo)產(chǎn)量的最優(yōu)水氮組合方案，參考薛亮等[22]和李仙岳等[23]研究方法，采用頻數(shù)法對式(3)～(5)進(jìn)一步分析，在0～1之間等距離取6個水平(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)。通過水氮二因素回歸模型模擬求得36套組合方案，其中在非鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量方案有22套，目標(biāo)產(chǎn)量大于16 000 kg/hm2的方案有12套；在中度鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量方案有21套，目標(biāo)產(chǎn)量大于10 000 kg/hm2的方案有14套；在重度鹽漬土上，目標(biāo)產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量的方案有18套，目標(biāo)產(chǎn)量大于7 000 kg/hm2的方案有9套。其優(yōu)化組合方案見表4，尋優(yōu)過程中均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間的計算公式從略。由表4可知，在不同鹽漬土條件下得到不同目標(biāo)產(chǎn)量的優(yōu)化水氮組合方案：①目標(biāo)產(chǎn)量為大于平均產(chǎn)量時，非鹽漬土上，灌水量244.56～273.63 mm，施氮量239.01～291.05 kg/hm2；中度鹽漬土上，灌水量228.11～263.32 mm，施氮量221.79～264.49 kg/hm2；重度鹽漬土上，灌水量194.26～232.40 mm，施氮量200.94～243.73 kg/hm2。②目標(biāo)產(chǎn)量為各鹽漬土上較高產(chǎn)量時，非鹽漬土上，灌水量253.74～286.26 mm，施氮量267.65～318.85 kg/hm2；中度鹽漬土上，灌水量233.25～268.17 mm，施氮量225.22～272.56 kg/hm2；重度鹽漬土上，灌水量196.94～243.06 mm，施氮量179.15～223.35 kg/hm2。

表4 目標(biāo)產(chǎn)量尋優(yōu)方案Tab.4 Schemes for optimizing maize target yields

3 討論

土壤水分、養(yǎng)分、鹽分是影響鹽漬土作物產(chǎn)量的3個主要因子，三者的關(guān)系隨著土壤鹽漬化程度的不同而不同。因此，在不同程度鹽漬化土壤上通過合理的灌溉施氮模式來調(diào)節(jié)土壤水分、氮素、鹽分的狀況是實現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要途徑。在非鹽漬土或者鹽分含量較低的土壤上，水、氮是玉米產(chǎn)量的主要限制因子[5]，適宜的水氮供應(yīng)對作物的生長和增產(chǎn)具有顯著的耦合效應(yīng)[10-11，24]。呂麗華等[24]研究表明，在非鹽漬土壤供水條件較好的情況下，水分不是氮肥肥效發(fā)揮的限制因素，氮肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大，而在供水條件較差的情況下，水分是限制氮肥肥效發(fā)揮的主要因素，增施氮肥對增產(chǎn)無效，甚至引起減產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，在非鹽漬土壤灌溉量較高的條件下適度增施氮肥能顯著增產(chǎn)，而在中、低灌溉量條件下增施氮肥的增產(chǎn)效果不明顯，本研究結(jié)果中施氮量與產(chǎn)量的關(guān)系與呂麗華等[24]研究結(jié)果一致。李仙岳等[23]研究表明，產(chǎn)量隨水氮用量的增加均呈先增加后減小的趨勢，灌水的增產(chǎn)作用大于施氮，過量灌溉或施氮不會顯著增加玉米產(chǎn)量，最高產(chǎn)量出現(xiàn)在高水中氮處理，本研究中非鹽漬土玉米產(chǎn)量與水氮用量關(guān)系的結(jié)果與李仙岳等[23]研究結(jié)果相似。這是因為土壤水分是土壤養(yǎng)分釋放的基礎(chǔ)，施氮能提高作物的水分利用率，但肥料供應(yīng)過多會使作物“徒長”，對產(chǎn)量形成不利[25-26]?？梢?，在非鹽漬土或者鹽分含量較低的土壤上，在保證水分條件較好的情況下，供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，而過量的供應(yīng)水氮會造成資源的浪費。

在中度鹽漬化土壤上鹽分也成為玉米產(chǎn)量的主要限制因子，水、氮、鹽三者共同影響玉米產(chǎn)量[10，27]。通過合理的水氮管理來改善鹽漬土作物生長的農(nóng)田水土環(huán)境，可為作物高產(chǎn)提供有利條件。石玉等[28]研究表明，隨著灌水量的增加土壤硝態(tài)氮淋溶量增大，80～140 cm土層的硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為W3(高水)顯著高于其他處理。因此，在相同施氮量下較高灌水量的淋洗作用相比中、低灌水量會淋失更多的氮素，在中、低施氮量條件下過量灌溉會造成氮素虧缺，導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，而較高施氮量可以緩解過量灌溉對氮素淋失的促進(jìn)作用，在保障作物養(yǎng)分供應(yīng)的同時又獲得了更多的水分資源，從而在一定程度上還可以促進(jìn)產(chǎn)量的提高。可見，在鹽漬化灌區(qū)適度地減少灌水量雖然不利于鹽分淋洗，但可以減小養(yǎng)分淋失和促進(jìn)作物根系深扎[29]，更有利于地下水淺埋區(qū)作物利用根際深層水氮資源。符鮮等[14]研究表明鹽漬化土壤上土壤鹽分隨著施氮量的增加而相對增加。因此，本試驗在相同灌溉量下增施氮肥會相對增加土壤鹽分，但由于較高的灌溉量對鹽分的淋洗作用更強(qiáng)，在同等施氮量條件下可以相對緩解增施氮肥對土壤鹽分的增加，從而較高灌水量條件下過量施氮對產(chǎn)量的抑制作用不顯著，而由于在中、低灌水量下淋洗作用較弱，過量的施氮可能會顯著增大土壤鹽分含量，進(jìn)而導(dǎo)致玉米顯著減產(chǎn)。徐昭等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在河套灌區(qū)鹽漬土壤上適度地減少水氮用量可改善鹽漬土壤通透性、促進(jìn)生根機(jī)制、減輕土壤鹽分脅迫等，這為作物生長發(fā)育和高產(chǎn)提供了較好的基礎(chǔ)，最終中水中氮處理產(chǎn)量最高。本研究中最高產(chǎn)量出現(xiàn)在灌水施氮的中等水平，W2N2的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致?？梢?，在土壤鹽漬化程度達(dá)到中度時，水氮調(diào)控非常必要，供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益。

隨著土壤鹽漬化程度的加重，鹽分因子對作物生長及產(chǎn)量的影響越來越大。PESSARAKLI[19]認(rèn)為，在低鹽環(huán)境下，氮素缺乏對作物的影響比鹽分大，施加養(yǎng)分對作物増產(chǎn)是正效應(yīng)；在中度鹽分下，兩者可能相互獨立，都是限制作物生長的因子；在高鹽環(huán)境下，鹽分可能是作物生長的主要限制因子，氮素對作物影響不大。因此，在保障適宜作物生長所需的水、氮資源前提下，通過合理的灌溉和施氮來相對降低土壤含鹽量是重度鹽漬土壤上增產(chǎn)的主要途徑。此外，由于重度鹽漬土壤通透性較差的物理特性[30]，改善土壤通透性也是增產(chǎn)的又一關(guān)鍵要素。在重度鹽漬土上適宜地增加灌溉量有利于淋洗鹽分，而過量灌溉雖然淋洗了更多的鹽分，但過量灌溉會造成土壤的通水透水能力降低，從而影響玉米產(chǎn)量。因此，本試驗出現(xiàn)了產(chǎn)量隨著灌水量的增加先大幅提高后又大幅度降低的結(jié)果。CHEN等[12]研究表明，在中、低水平鹽分土壤上氮素吸收隨施氮量增加而增加，而過量施氮對氮素吸收的促進(jìn)不顯著，在較高鹽分土壤上，氮吸收與施氮量無關(guān)，主要受土壤鹽分的影響。在重度鹽漬土壤上，增施氮肥會相對增大土壤鹽分含量[14]，抑制玉米產(chǎn)量。因此，產(chǎn)量隨著施氮量的增加總體上呈逐漸減少的趨勢。但由于較高的灌溉量對鹽分的淋洗能力較強(qiáng)，適度增施氮肥對鹽分的促進(jìn)作用不明顯，從而本研究出現(xiàn)了在較高灌溉量下適度增施氮肥可顯著提高玉米產(chǎn)量的現(xiàn)象。本研究中最高產(chǎn)量出現(xiàn)在灌水中等水平且施氮較低水平時，W2N1的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)。可見，在重度鹽漬化土壤上，供應(yīng)適宜水分的前提下供給較少的氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益，在河套灌區(qū)常規(guī)水氮用量的基礎(chǔ)上適度控水大幅減氮，在顯著提高玉米產(chǎn)量的同時還可以大幅降低氮淋溶和氨揮發(fā)損失等污染環(huán)境的風(fēng)險。

光合作用是產(chǎn)量的直接來源，提高光合作用效率是提高產(chǎn)量最重要的可行途徑[31]。合理的水氮模式通過改善作物農(nóng)田水土環(huán)境、冠層發(fā)育、光合特性及生理適應(yīng)等方面來促進(jìn)光合作用效率，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量。關(guān)于系統(tǒng)探討鹽漬化農(nóng)田玉米光合作用效率對水氮調(diào)控的響應(yīng)來揭示水氮耦合的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)機(jī)理，還有待進(jìn)一步研究。本試驗結(jié)果表明，隨著土壤鹽漬化程度的加重，水氮交互效應(yīng)對產(chǎn)量的影響增大。這說明水氮耦合在鹽漬化土壤上相比非鹽漬土壤具有優(yōu)越性，在鹽漬化土壤上采取合理水氮調(diào)控措施十分必要。河套地區(qū)氣候干旱，降雨量非常小，主要還是以灌溉為主，所以灌溉效應(yīng)的年際變化較小，一年試驗得到的結(jié)論仍有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

在不同程度鹽漬化農(nóng)田上采取合理的水氮用量是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)和減小氮素污染的重要途徑。在非鹽漬土壤上，在保證水分條件較好的情況下，供應(yīng)適宜的氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益，W3N2處理的產(chǎn)量最高，但W2N2處理的玉米產(chǎn)量與W3N2和W3N3差異不顯著(P>0.05)。在土壤鹽漬化程度達(dá)到中度時，W2N2處理的產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，需供應(yīng)適宜的水分和氮素才可得到最大的產(chǎn)量效益。在重度鹽漬土壤上，W2N1處理的玉米產(chǎn)量顯著高于其余水氮處理(P<0.05)，在供應(yīng)適宜水分的前提下供給較少氮肥才可得到較大的產(chǎn)量效益。因此，河套灌區(qū)非鹽漬土和中度鹽漬土玉米應(yīng)在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水氮用量的基礎(chǔ)上適度地減少水氮用量，而重度鹽漬土玉米應(yīng)適度控水和大幅減氮，這樣既能保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)又能減小氮素面源污染的風(fēng)險。