周 慧 史海滨 徐 昭 郭珈玮 付小军 李正中

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.内蒙古河套灌区解放闸灌域管理局沙壕渠试验站， 巴彦淖尔 015400)

0 引言

内蒙古河套灌区是我国重要的粮食产区，同时也是我国盐渍化发育的典型地区，盐渍化面积已达到灌溉总面积的50%以上[1]，过量的盐分严重影响农业生态系统的稳定性和经济发展的可持续性[2-4]。此外，灌区为了实现粮食增产，化肥施用量逐年增加[5]，目前已超过60万t[6]，长期不科学的施肥方式导致大量氮素流失，造成严重的面源污染[7]。土壤盐渍化以及过量施用化肥已成为制约灌区粮食安全和环境安全的重要因素。

土壤盐分和养分匮乏是干旱地区作物生产力下降的主要原因[7]。在盐胁迫下，作物对水氮吸收及其生理生化反应均产生较大变化[8]。ADAMS[9]研究发现，盐分胁迫会造成作物养分缺失。PESSARAKLI等[10]研究表明，盐分增加导致作物养分吸收利用效率降低。MUNNS等[11]研究指出，盐分过高会抑制作物根系吸水能力。ZENG等[12]研究得出，作物的水肥利用效率在不同程度盐分胁迫下有所差异。在盐渍化农田中，盐分是影响作物水氮有效利用的重要因素[13-14]。研究表明，增施肥料有助于根系吸水能力的增强，但过量施肥会导致作物水分利用效率的下降[11]。同时，施肥对土壤含盐量也会造成一定的影响。ULERY等[15]研究发现，过量施用氮肥可能会加重土壤盐分，从而对作物生长产生抑制作用。RAVIKOVITCH等[16]研究表明，施用氮肥可使土壤达到中等盐度水平。CHEN等[17]研究得出，不同土壤盐度与施氮量之间存在着不同的交互作用。可见，为减少土壤盐害，在盐渍化土壤上施用氮肥应当更为慎重。此外，盐渍化土壤施用氮肥所造成的环境污染也较为严重，周慧等[18]研究表明，随着土壤盐分增加，土壤氨挥发总量也增大。也有学者提出，盐分过高会限制作物对氮素的吸收利用，因而增加氮素淋失的风险[19]。综上，河套灌区同时存在盐渍化程度差异较大和施肥不合理的问题，因此，针对灌区不同程度盐渍化土壤进行氮肥施用的调控尤为重要。

大量研究表明，在盐渍化土壤中施用有机肥是修复土壤的重要手段[20-22]。DU等[23]研究表明，施入有机肥有利于减缓土壤盐碱化速率，有机肥最佳施入量与土壤盐分状况密切相关。 LIANG等[24]研究发现，施用有机肥可提高土壤微生物和酶活性，从而提高植物对盐胁迫的适应能力。此外，有机肥对于提高作物水氮利用效率也具有重要意义。苏秦等[25]研究表明，有机肥可以改善土壤水分状况，提高土壤水分利用效率。徐明岗等[26]研究发现，有机肥替代化肥可以提高作物氮素累积量，减少环境污染。目前，有机肥替代化肥比例对盐渍化土壤供氮特性及水氮利用效率的研究鲜见报道，不同盐分条件下有机肥最佳返田的比例需要进一步探明。因此，本文针对河套灌区不同程度盐渍化土壤，探求适宜的有机无机肥料配施用量，以期促进粮食增产、提高水氮有效利用率及减小环境污染。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年在河套灌区解放闸灌域沙壕渠试验站进行，试验区属于典型的干旱地区，多年平均降雨量143 mm，蒸发量2 100 mm，多年平均气温达到7.7℃，无霜期为135～150 d。大于10℃的年积温为3 551℃，年平均日照时数3 200 h，年冻融期大约180 d。全年太阳总辐射约为6 000 MJ/m2，热量充足。玉米生育期(4 — 9月)有效降雨量为81.6 mm。试验地0～20 cm土层为粉壤土，20～40 cm土层为粉质黏壤土，40～60 cm土层为粉壤土，60～100 cm土层为砂壤土。试验区耕层初始土壤性质见表1。

1.2 试验设计

试验选取轻度(S1)和中度(S2)2种不同程度盐渍化土壤。播前S1、S2土壤0～40 cm平均土壤电导率分别为0.460、0.951 dS/m。供试玉米品种为内单314，大小行种植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm，播种日期为4月27日，收获日期为9月13日。以当地优化灌水定额750 m3/hm2作为灌水量，灌水方式为畦灌，分别于6月14日、7月9日及7月26日进行灌溉；以优化施氮量240 kg/hm2为施氮总量(施氮量为换算后的纯氮素量)进行有机无机肥配施。分别在2种盐渍化农田设置5个施肥处理(化肥占施肥比例分别为100%、75%、50%、25%和0)和1个空白对照处理，依次记为U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1和CK，具体施肥设计见表2。试验共12个处理，3次重复，共36个小区，各小区长宽分别为6 m和5 m。各小区间设有1 m宽的隔离带并打起15 cm高田埂。所施化肥为尿素(含氮质量分数46%)，有机肥为商品有机肥(碳氮比为7.5,含N质量分数10%，P2O5质量分数1%，K2O质量分数1%，有机质质量分数大于等于45%，腐殖酸质量分数大于等于17%，S质量分数大于等于8%)，有机肥和磷肥(过磷酸钙50 kg/hm2)于耕作前作为基肥一次性施用，化肥按1∶1比例分别于玉米播前和拔节期灌水时施入。

表2 试验处理设计Tab.2 Design of experimental treatments kg/hm2

1.3 测定项目及方法

1.3.1玉米产量及植株氮素含量

玉米成熟时，在各小区非边行连续取样20株，单独收获考种测产，取平均值。用H2SO4-H2O2消煮，靛酚蓝比色法测定玉米植株氮素含量[27]。

1.3.2土壤矿质氮含量

土壤样品采集在玉米苗期(5月23日)、拔节期(6月28日)、灌浆期(7月26日)及成熟期(8月25日)进行，取样时将每个小区平均划为3个区域进行，作为3个重复。取样深度为100 cm，分别为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，用氯化钙浸提法对土壤提取土壤矿质氮[28]，用连续流动分析仪测定含量。

1.4 计算公式及数据统计分析

水分利用效率计算公式为

(1)

其中

ET=ΔW+P+I+Wg

(2)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——玉米产量，kg/hm2

ET——作物耗水量，mm

ΔW——作物种植和收获后土壤贮水量变化量，mm

P——降雨量，mm

I——灌水量，mm

Wg——地下水补给量，mm

氮素利用效率计算公式为[29]

NHI=GN/PN×100%

(3)

REN=(N-N0)/F×100%

(4)

PFPN=Y′/F

(5)

AEN=(Y′-Y0)/F

(6)

式中NHI——氮收获指数，%

GN——籽粒吸氮量，kg/hm2

PN——植株吸氮量，kg/hm2

PFPN——氮肥偏生产力，kg/kg

AEN——氮肥农学效率，kg/kg

REN——氮肥当季回收率，%

Y′——施氮处理玉米籽粒产量，kg/hm2

Y0——CK处理玉米籽粒产量，kg/hm2

N——施氮处理地上部总吸氮量，kg/hm2

N0——CK处理地上部总吸氮量，kg/hm2

F——施氮量，kg/hm2

数据处理采用SPSS 22.0与Excel 2016进行分析及图表绘制，用LSD法进行多重比较确定差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对生育期土壤矿质氮含量的影响

由图1(图中不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著)可知，有机无机肥配施对不同程度盐渍化土壤矿质氮释放规律影响各异。在0～100 cm土层范围内，同一处理玉米各生育期S1土壤矿质氮含量明显高于S2；随着生育期推进，土壤矿质氮含量整体表现出逐渐降低的趋势。

图1 不同施肥处理下玉米生育期S1、S2土壤矿质氮含量变化规律Fig.1 Variations of mineral nitrogen in S1 and S2 soils under different nitrogen treatments

在S1盐渍土壤，玉米苗期及拔节期耕层土壤(0～40 cm)表现出施入无机肥比例越大土壤矿质氮含量越高的规律，表明此时配施化肥比例较大的处理肥效较快，而有机肥矿化速率较为缓慢；在玉米生长中后期，配施50%以上有机肥的处理供氮能力较强，其中以U1O1处理土壤矿质氮含量最大，灌浆期比其余处理显著(除了U1O3处理不显著)高2.83%～15.31%(P<0.05)，成熟期较其余处理显著(除了U1O3、O1处理不显著)高1.04%～21.41%(P<0.05)。分析40～100 cm土层土壤矿质氮含量发现，在苗期各处理之间土壤矿质氮含量无显著性差异。进入拔节期，各处理深层土壤矿质氮含量表现出与耕层土壤相似的趋势，表明此时期在灌溉作用下土壤矿质氮向深层土壤淋洗，且无机肥施入比例较大的处理矿质氮运移量较大，而在灌浆期则呈现出相反的趋势，配施有机肥较多的处理持续供氮能力更强。在作物生育末期，以U1O1处理土壤矿质氮含量最低，表明后期有机无机肥各半配施对深层土壤矿质氮含量吸收利用较大。

分析S2盐渍土0～40 cm土层作物生育期土壤矿质氮含量变化可知，在作物生育前期，各施肥处理土壤矿质氮含量差异不明显。而在玉米生长中后期，表现出随着有机肥施入比例越大土壤矿质氮含量越大的趋势，灌浆及成熟期O1处理土壤矿质氮含量分别比其余施肥处理显著(除了U1O3、U1O1处理不显著)高3.95%～23.97%、7.49%～17.88%(P<0.05)。对于40～100 cm土层而言，在苗期及拔节期各施肥处理土壤矿质氮含量均无显著性差异。而在玉米生长中后期，表现出随着有机肥施入比例越大土壤矿质氮含量越小的趋势，说明施入有机肥比例越大的处理作物后期对土壤矿质氮吸收利用量越大。

2.2 不同处理对玉米产量及水分利用效率的影响

由表3可以看出，随着土壤盐渍化程度增大，玉米产量显著降低。在不同盐分条件下，产量与有机无机肥配施比例的关系表现不一。在S1土壤，随着有机肥施入比例增加，玉米产量整体表现出先升后降的趋势，以U1O1处理产量最大，较其余施肥处理显著(除了U1O3处理不显著外)高5.32%～12.63%(P<0.05)。在S2土壤表现为随有机肥施入比例增大玉米产量逐渐增加的态势，O1处理玉米产量比其余施肥处理显著(除了U1O3处理不显著外)高0.27%～30.48%。同一处理S2盐分下玉米产量较S1显著降低，下降幅度达到30.94%～63.90%(P<0.05)。

表3 不同处理下的玉米产量和水分利用效率Tab.3 Yield and water use efficiency in maize under different treatments

注：同列不同小写字母表示在 0.05 水平上差异显著，下同。

从表3可知，轻度盐分土壤耗水量要高于中度盐分土壤，同一盐分条件下，各处理土壤耗水量差异并不明显，增施有机肥耗水量较单施化肥处理略有增加。盐渍化程度及有机无机肥配施比例对玉米WUE影响较大，本研究条件下，作物WUE范围在1.59～2.94 kg/m3之间。随土壤盐分增加，WUE显著降低。S1盐分下CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1处理WUE比S2盐分下分别高24.47%、52.67%、50.36%、44.10%、27.12%、25.12%。在S1盐分条件下，U1O1处理WUE最高，较U1处理提高11.84%(P<0.05)，与U1O3、O1处理之间无显著性差异，但显著高于其余处理；在S2盐分条件下，以O1、U1O3处理最高，较U1处理提高27.68%(P<0.05)，U1O1、U1O3、O1处理之间无显著性差异，较其余处理显著提高。

2.3 不同处理对氮素吸收利用效率的影响

由表4可以看出，各处理植株吸氮量随盐度升高显著降低，S1土壤CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1处理植株氮素吸收总量较S2土壤分别高出40.21%、34.82%、42.93%、44.59%、21.76%、13.68%。同一盐分条件下植株吸氮量随有机无机肥配施比例不同存在差异，S1盐分下，植株吸氮量随有机肥施入比例增大呈先升后降的趋势，当有机肥施入比例小于50%时，植株吸氮量随有机肥增加而增大，当超过这一水平则逐渐下降，以U1O1处理植株吸氮量最大，比其余施肥处理显著(除U1O3处理不显著外)高6.11%～24.40%(P<0.05)；S2盐分下，植株吸氮量表现出随有机肥施入比例增大而增加的趋势，以O1处理植株吸氮量最大，比其余施肥处理显著(除与U1O3处理不显著外)高2.19%～32.65%(P<0.05)。

表4 不同处理下的氮素利用效率Tab.4 N use efficiency in maize under different treatments

盐分对玉米氮收获指数(NHI)影响较大(表4)，S1土壤CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1处理NHI比S2土壤分别高24.74%、29.76%、15.33%、19.17%、12.47%、15.20%，即NHI随着盐分含量增加而降低。增施有机肥可以提高玉米氮收获指数，2种盐分条件下NHI均表现出U1O1、U1O3、O1处理之间无显著差异，但显著高于单施化肥处理，配施50%以上有机肥可以较大程度提高轻、中度盐渍土氮收获指数。

选取氮肥当季回收率(REN)、氮肥偏生产力(PFPN)及氮肥农学效率(AEN)3个常用指标来表征农田肥料利用效率。就REN来看(表4)，当有机肥施入比例小于50%时，S1盐分条件下REN显著高于S2盐分条件下REN，当有机肥施入比例超过50%时，S1盐分条件下REN呈降低趋势，而S2盐分条件下REN继续增大，S1、S2盐分土壤分别以 U1O1、O1处理REN最大，分别较单施化肥提高17.70%、17.56%。由表4可以看出，盐分水平及施肥处理均对PFPN有明显影响，盐分增加，PFPN下降，S1条件下U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1处理PFPN比S2条件下分别高61.75%、59.95%、53.91%、34.69%、30.94%，呈现出随着有机肥施入比例增大两种盐分条件下PFPN差异逐渐减小的趋势。在相同盐渍化程度下，S1盐分条件以U1O1处理PFPN最大，S2盐分条件下以O1处理最大。不同盐分下各施肥处理之间AEN差异与PFPN差异基本一致。综合各相关指标来看，S1、S2土壤分别以U1O1、O1处理氮肥利用效率较好。

3 讨论

盐渍化土壤中盐分和养分是限制作物产量的两大主要因素，二者之间的交互关系与盐渍化程度密切相关。因此，在不同程度盐渍化土壤通过合理的施肥模式来调控作物生育期氮素状况是提高作物产量的重要途径。

盐渍化土壤中肥料矿化特性随着盐渍化程度的不同而不同[30]。LAURA[31]研究表明，土壤中矿质氮含量通常随着土壤盐分增加而降低，这与本研究的结果相同，即在作物整个生育期内均表现为轻度盐渍化土壤矿质氮含量显著高于中度盐渍化土壤矿质氮含量。这是因为在低盐环境下矿化作用会受到刺激而上升[32]，而过量的盐分会对土壤的理化性质和矿化过程产生不利影响[33]。研究表明，不同生育阶段作物对氮素的需求与土壤氮有效性之间保持更好的同步将有助于提高氮肥利用效率[34]。本文针对轻度盐渍土0～40 cm土层研究发现，在玉米生长前期，配施有机肥比例越大的处理其土壤矿质氮含量越小，这种现象是由于有机肥具有矿质化过程缓慢的特性而产生的[35]。在玉米生育后期，有机肥肥效持久且不易流失的优势开始体现，其中以有机无机各半配施处理土壤矿质氮含量最大，这一结果可能是由于前期该处理无机化肥较快的矿化速率能及时供应足量无机氮，有机肥分解的氮素易被微生物利用而固定在其体内，到了作物生长后期，微生物的死亡伴随着固持在其体内的氮素释放[36-37]，再加上有机肥自身所释放的矿质氮而共同产生。本研究条件下，中度盐渍土不同有机无机肥配施处理在作物生育前期耕层土壤矿质氮含量无明显差异，其原因为高盐度对无机肥矿化的抑制作用较强，且在盐分较高的条件下，负责将氨盐转换为硝态氮的微生物受到影响[38]，从而会加剧土壤氨挥发的损失[39]，导致氮素有效性降低，而有机肥的施入可以增加土壤微生物含量及提高土壤酶活性[40]，为有机氮素矿化创造较好的环境条件，导致高盐度下有机肥与无机肥的矿化量差异不显著。本试验结果显示，在作物生长后期，有机肥施入比例越大的处理其耕层土壤矿质氮含量越大，说明在中度盐渍化土壤有机肥在后期对于氮素的持续供应能力较强。本研究发现，轻、中度盐渍土在作物生育后期均表现出配施50%以上有机肥的各处理深层土壤矿质氮含量较小，这可能是因为施入较多的有机肥可以促进作物根系生长，提高根冠比，促使作物对深层土壤养分的吸收利用[41]。有研究表明，有机肥的碳氮比是决定其氮素矿化最主要的特性指标之一[42]，较宽的碳氮比会为微生物提供大量碳源，部分氮素会被微生物吸收，因此会出现氮的净固定[43]，而随着碳氮比变窄会出现氮的净矿化。一般认为，当有机肥的碳氮比小于15时，有机肥可出现净固定[44]，本试验所施用的有机肥碳氮比为7.5，其氮素有效性较高，可为作物生长提供较为充足的无机养分。

作物氮素积累、分配及氮素利用效率与最终籽粒产量形成关系密切。本研究表明，随着土壤盐分增加，作物吸氮量降低，这是因为根系土壤盐分过高导致土壤或者营养液渗透势减小，从而抑制作物对氮的吸收能力[45]。左青松等[46]研究发现，盐分含量增加，会导致植株氮素向籽粒的转运效率降低，这可能也是本研究中度盐分土壤氮收获指数低于轻度盐分土壤氮收获指数的原因。合理调配生育期氮素供应过程对于提高氮素利用效率尤为重要。本研究结果显示，轻度盐渍化土壤以有机无机肥各半配施处理氮素利用效率较高，而中度盐渍化土壤则呈现出随有机肥施入比例越大氮素利用效率越高的趋势，原因在于：盐分较低时，盐度对作物生长抑制较小，在玉米生长前期需要无机肥供应适量的无机氮满足其发育所需，但过量施入无机肥又会造成浪费，因此，施用有机肥来替代部分无机肥可以减少前期矿质氮过量累积造成挥发、淋洗等损失，进入作物生育后期，有机肥持续矿化又能稳定地释放无机氮供作物吸收利用；在盐度较高的条件下，盐分会影响植物正常的营养吸收，抑制其生长[47]，过量施入无机化肥并不能被作物有效吸收，且本研究发现，盐分显著降低了无机肥的有效性，导致有机肥和无机肥所产生的土壤矿质氮含量在生育前期并无显著性差异，而在生育中后期则呈现出随着有机肥施入比例越大土壤矿质氮含量越多的态势。有机肥中大量疏松的有机物质可以降低土壤压实指数及改善土壤结构[48-49]，易于盐分淋洗的同时还能抑制盐分随水分蒸发产生表聚效应，从而可以起到降低土壤盐分的作用，促进作物对养分的吸收，这也可能是本研究中度盐渍化土壤中增加有机肥施入比例对于提高肥料利用效率优势更加明显的原因。研究表明，玉米在生育前期氮素积累量较少，在生育中后期出现氮素吸收高峰[50]，本研究2种盐分条件下配施50%以上有机肥处理土壤矿质氮含量在作物生育后期显著高于施入无机肥比例较大的处理，这也是配施有机肥可以提高肥料利用效率的重要原因之一。

本研究表明，同一盐分条件下，各有机无机肥配施处理之间土壤耗水量并无显著差异，这是因为虽然有机肥的施入可以提高土壤含水率[51]，但同时也给作物提供了良好的水肥环境，对土壤水分造成较大的消耗，导致各处理之间土壤贮水量变化差异并不明显。本研究结果显示，随着土壤盐渍化程度增大作物水分利用效率降低，这是因为土壤盐分过高时，土壤溶液渗透压也随之提高，从而导致水分有效性降低，使植物吸水困难。也有可能因为盐分浓度过高致使作物出现生理干旱现象，抑制作物生长，造成作物减产[52]。LEA-COX等[53]研究发现，在盐分胁迫条件下，作物对氮素吸收的减少与其对水分利用的减少具有极大相关性，盐渍化土壤中这种复杂的机制也是导致作物水肥利用效率降低的直接原因。已有研究表明[54]，施有机肥可以显著提高作物水分利用效率，这与本试验研究结果基本一致，这是因为施入有机肥使土壤总空隙度及土壤养分状况得到明显改善，利于作物生长及水分利用率的提高[55-56]。有机无机肥配施对作物的产量效应受土壤基础地力的影响较大[57]，本试验初始土壤肥力较好，土壤本身可提供的无机养分较多，这可能也是导致增大有机肥施入比例对于增产及提高作物水氮利用效率效果明显的直接原因。

4 结论

(1)土壤盐分水平由0.460 dS/m增至0.951 dS/m时，各处理土壤氮素矿化量显著减少；盐分水平为0.460 dS/m时，无机肥施入比例越多,氮素释放速度越快，有机无机肥配施能更好地调节生育期土壤氮素释放；盐分水平升至0.951 dS/m时，在生育前期各处理土壤矿质氮含量无明显差异，增大有机肥施入比例可以显著提高玉米生育后期土壤矿质氮含量。

(2)不同盐分条件下，有机无机肥配施对作物产量及水分利用效率影响不同。盐分水平为0.460 dS/m时，有机肥替代50%化肥可获得最高产量(12 141.97 kg/hm2)及水分利用效率(2.94 kg/m3)，比单施化肥分别高12.63%、11.84%；盐分水平为0.951 dS/m时，有机肥替代100%化肥处理产量最高(8 582.22 kg/hm2)，同时可以获得较高的水分利用效率(2.20 kg/m3)，比单施化肥分别高30.48%、27.68%。

(3)随着土壤盐分增加，同一处理植株吸氮量及氮收获指数显著降低，下降幅度分别达到13.68%～44.59%和12.47%～29.76%。盐分水平为0.460、0.951 dS/m时，分别以有机肥替代50%化肥、有机肥替代100%化肥处理可以获得较高的氮素利用效率。

(4)通过有机肥替代化肥比例对生育期土壤供氮特性、玉米产量、水氮利用及环境友好等进行综合评判得出，在施氮总量为240 kg/hm2时，灌区轻度盐渍化土壤应该采用有机肥替代50%化肥的施肥方式，中度盐渍化土壤以有机肥替代100%化肥较优，这种施肥管理模式可以达到增加产量效益、降低氮素污染的目的。