再生水水质对滴灌玉米生长和氮肥吸收的影响

郭利君，李久生，栗岩峰(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引 言

再生水不仅可以作为替代水源进行灌溉，而且和常规水相比，再生水含有更多的养分和有机质。因此，再生水灌溉可以促进作物生长、提高作物产量和改善土壤肥力，从而起到在一定程度上替代肥料的作用[1-3]。但是，再生水中过高的养分也会导致作物减产和品质下降[4]。另外，再生水灌溉采用常规的施肥制度容易导致养分在土壤中的大量累积[5]，土壤中累积的硝态氮容易随水运移而造成地下水污染，也容易发生硝化反硝化损失增加温室气体排放[6,7]。因此，如何高效利用再生水中的养分并有效避免再生水灌溉带来的不利影响是再生水灌溉需要研究的问题。采用较高污水处理工艺得到的高质量再生水可以有效降低再生水灌溉带来的不利影响[8,9]，但也大大增加了污水的处理成本，从而制约着再生水灌溉的发展。而采用一定比例的再生水和地下水混合后进行灌溉，能够有效减少污水处理成本，降低再生水灌溉造成的污染风险[10,11]。一些学者研究了不同比例再生水和地下水混合灌溉对作物生长、产量、品质和土壤环境等方面的影响，并确定适宜的再生水灌溉水质[12,13]。但较少从氮肥平衡的角度研究不同比例再生水和地下水混合进行灌溉对作物生长和氮肥吸收的影响，而研究不同再生水水质对氮肥平衡的影响不仅能为充分利用再生水中的养分和提高氮肥利用效率提供依据，也能有效评估再生水灌溉对环境造成的污染风险。

该文采用15N同位素示踪技术对比了不同再生水灌溉水质对玉米-土壤系统氮肥平衡的影响，分析了玉米生长和叶片相对叶绿素含量(SPAD值)对灌溉水质的响应特征，以确定充分利用再生水养分，有效提高氮肥利用效率和降低氮肥污染风险的再生水灌溉水质，为再生水灌溉发展提供参考。

1 材料与方法

盆栽试验在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验研究基地(N39°39′，E116°15′)遮雨棚内进行。盆栽土壤取自试验区0～60 cm土层，土壤为砂质壤土。将土风干后过3 mm筛，去除石块、根茬、植物残体及各种杂物等，然后将土样充分混匀，以确保供试土壤中养分分布及其他土壤参数均匀一致。土壤的平均田间持水率为0.30 cm3/cm3，平均密度为1.38 g/cm3。

1.1 试验设计和盆栽设计

供试作物为玉米(京科389)。试验设4个灌溉水质处理，再生水为二级再生水，按再生水所占的比例从低到高依次为地下水、再生水与地下水体积比分别为4∶2和5∶1的混合水、再生水，并按照再生水体积所占的比例0、67%、83%和100%分别记为G、S67%、S83%和S100%。每个处理设4个重复，一共16盆，盆栽随机布置。玉米于2015年5月5日播种，每盆播种3粒种子，3叶期定苗后每盆留1株。玉米于2015年8月23日收获，生育期为111 d。

盆为PVC材质，外径40 cm，高65 cm，底部用PVC板焊接而成。每个盆底有5个直径为1.5 cm的圆孔，并在底部铺设反滤层(7 cm)，以便排水和通气。按试验区土壤密度(1.38 g/cm3)在反滤层上方进行填土，以5 cm一层自下而上逐层填土，填土深度为55 cm。在遮雨棚内开挖深度为80 cm左右的沟，将盆放置于沟中，盆上沿高于地表3 cm左右，并在盆下放置接水容器以观测水分渗漏情况。

1.2 灌溉与施肥

氮肥选用上海化工研究院生产的丰度为10.19%的15N标记尿素。采用之前研究得到的玉米再生水滴灌适宜施氮量进行施肥[14]。即每盆施15N标记尿素3.76 g(140 kg/hm2)，分别在2015年6月4日、6月28日和7月24日施肥，每次施氮量分别为总施氮量的30%、40%和30%。施肥方式为先将15N标记尿素溶解后施在玉米植株旁，深度约为3 cm，施肥后用土覆盖以防氨挥发。磷肥和钾肥分别选用过磷酸钙和硫酸钾，均在填土时与表层0～20 cm土壤均匀混合，每盆分别施过磷酸钙10.47 g和硫酸钾2.42 g，折合P2O5和K2O均为100 kg/hm2。

每个水质处理选用一个盆安装EM50连续观测土壤水分状况，每个盆埋设4个探头，深度分别为5、15、27.5和45 cm，分别代表0～10、10～20、20～35和35～55 cm 土层平均土壤含水率。灌水时间采用灌水下限控制，灌水下限为60%的田间持水率，灌水上限为95%田间持水率。灌水定额计算方法依据微灌工程技术规范[15]，苗期和成熟期的灌水定额为24 mm，其他生育期为36 mm。为保证玉米正常生长，所有盆栽在5月15日和5月25日分别灌15 mm地下水。苗期末施肥灌水(2015年6月4日)开始水质处理，玉米生育期灌溉定额为546 mm。灌溉方式采用医用输液管模拟滴灌，每个盆均在距地面2 m高处安装6 L的水桶作为水源，灌溉前将不同水质的灌溉水按设计比例均匀混合，经输液管滴灌到玉米根旁，流量控制在1.10 L/h左右。

1.3 样品采集和测定

分别在2015年6月5日、6月15日、6月23日、7月2日、7月10日、7月27日和8月19日测定了所有玉米的株高和叶面积指数(LAI)，玉米LAI用每株玉米所有绿叶面积之和除以盆面积得到。玉米叶片相对叶绿素含量(SPAD值)采用便携式叶绿素仪(SPAD-502，KONICA MINOL TASENSING，日本)测定，测定日期同株高和LAI(6月5日缺测)。拔节期测定第4片完全展开叶(最下层叶片为第1叶)，后期测量时测定穗位叶，测定位置为叶片中部，每个叶片SPAD值均为多次(≥4)测量的平均值。

玉米收获时采集植株样品，所有新鲜样品均在70 ℃下烘干至恒重。在8月24日玉米收获后用直径为2 cm土钻采集土壤样品，深度为0～10、>10～20、>20～35、>35～55 cm。将烘干后的玉米植株样品和风干后的土壤样品分别过100目筛，用以测定植株和土壤全氮及15N丰度。所有样品在采集和过筛等过程中注意清洁，防止样品间的15N交叉污染。玉米植株和土壤全氮及15N丰度委托中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所测试。测试仪器为元素分析仪-稳定同位素质谱仪(EA-IRMS，Elementar 公司 vario PYRO cube 元素分析仪+Isoprime 100主机)。

灌溉前采集再生水水样，每次采集3个水样。考虑到地下水水质变化较小，每月采集1次地下水水样，每次采集一个水样。所有样品均测试全氮、铵态氮和硝态氮，委托北京农林科学院植物营养研究所测试。G、S67%、S83%和S100%处理灌溉水全氮平均浓度分别为1.2、12.5、15.1和17.8 mg/L，硝态氮平均浓度分别为0.7、8.4、10.4和12.5 mg/L，铵态氮平均浓度分别为0.3、0.5、0.7和0.7 mg/L。

1.4 计算公式和统计方法

采用15N同位素示踪法计算氮肥的吸收量、残留量和损失量[16,17]。氮肥利用率为玉米吸收的氮肥占氮肥施入量的百分率，氮肥残留率为氮肥在土壤中的残留量占氮肥施入量的百分率，氮肥损失率由100减去氮肥吸收率和氮肥残留率得到。

各处理玉米株高、LAI、叶片SPAD值、氮肥平衡等数据计算和作图采用EXCEL 2010软件处理。

2 结果与分析

2.1 灌溉水质对玉米株高和叶面积的影响

玉米株高和叶面积指数(LAI)生育期变化分别见图1(a)和图1(b)。玉米株高和LAI均从6叶期(DAS 31)快速增长至抽雄期(DAS 66)，随后株高基本稳定，LAI由于玉米下层叶片枯萎而有不同程度的降低。成熟期(DAS 106)G、S67%、S83%和S100%处理玉米株高分别为250、252、252和253 cm，这说明灌溉水质对玉米株高影响不大。混合水和再生水灌溉处理玉米LAI均高于地下水灌溉，而且随灌溉水中再生水所占比例的提高，玉米LAI有增长趋势。例如，成熟期(DAS 106)S67%、S83%和S100%处理玉米LAI分别为4.1、4.4和4.5，较地下水灌溉玉米LAI(4.0)分别增加2%、9%和13%。这与黄冠华[18]等和Li[19]等研究再生水灌溉对作物株高和LAI影响的结果一致。再生水中较高的养分含量是混合水和再生水灌溉玉米LAI提高的主要原因。S67%、S83%和S100%处理灌溉水全氮平均浓度分别为12.5、15.1和17.8 mg/L，较地下水全氮浓度(1.2 mg/L)增幅分别为9.4、11.6和13.8倍。大量研究表明再生水中的氮素可以被作物吸收利用，促进作物生长[1]。另外，再生水灌溉玉米抽雄期至成熟期的LAI降幅小于地下水灌溉也能说明含有较高养分的再生水可以促进作物对养分的吸收，缓解玉米后期叶片的衰减。

图1 玉米叶面积指数(LAI)生育期变化Fig.1 The variations of plant height and leaf area index (LAI) during the maize season

2.2 不同灌溉水质对玉米相对叶绿素含量的影响

不同处理玉米叶片相对叶绿素含量(SPAD值)生育期变化见表1。叶片SPAD值随时间增长至灌浆期(DAS 83)，随后降低至成熟期(DAS 106)。尽管灌溉水质没有对玉米SPAD值产生显著影响(P< 0.05)，混合水和再生水灌溉均表现出较高的SPAD值，而且叶片SPAD值随灌溉水中再生水比例的提高有增大的趋势。例如，成熟期G、S67%、S83%和S100%处理玉米SPAD值分别为51.1、53.9、54.1、55.4。这说明再生水中较高的氮素含量有利于促进玉米叶绿素的合成，提高光合作用，进而促进作物对养分的吸收利用[20]。

表1 玉米叶片SPAD值生育期变化Tab.1 The variations of SPAD during the maize season

2.3 不同灌溉水质对氮肥吸收、残留和损失的影响

不同处理玉米-土壤系统氮肥平衡见表2。和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均提高了玉米对氮肥的吸收利用，并且随着灌溉水中再生水比例的提高，玉米对氮肥的吸收量先增加后降低，S83%处理玉米对氮肥的吸收量最大。S67%、S83%、S100%处理玉米对氮肥的吸收量分别为1.17、1.21和1.09 g/plant，较地下水灌溉玉米对氮肥的吸收量(1.07 g/plant)分别增加9%、13%和2%。氮肥利用率和玉米对氮肥的吸收量随灌溉水质的变化规律相似，G、S67%、S83%和S100%处理氮肥利用率分别为61%、67%、69%和62%。这说明再生水中养分含量的提高可以促进作物对氮肥的吸收利用[14,21]。但是，和混合水灌溉相比，仅采用再生水灌溉的氮肥利用率较混合水灌溉有较大幅度的降低。这和李平等[22]研究得到的再生水灌溉下增加追氮量降低了氮肥利用率的结果相似，即无论是通过提高灌溉水中再生水的比例还是增加氮肥均提高了作物-土壤系统的氮素供给水平，促进了作物对氮素的吸收利用，但氮素供给超过作物对氮素的需求会造成养分失衡而降低氮肥的利用效率。

氮肥残留量和氮肥残留率均随灌溉水中再生水比例的提高先降低后增加，S67%处理氮肥残留量和氮肥残留率最小，S100%处理氮肥残留量和氮肥残留率最大。G、S67%、S83%和S100%氮肥残留量分别为0.43、0.40、0.43和0.54 g/pot，氮肥残留率分别为24%、22%、24%和30%。和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均可以降低氮肥损失量和氮肥损失率。G、S67%、S83%和S100%处理氮肥损失量分别为0.26、0.19、0.12和0.13 g/pot，氮肥损失率分别为15%、11%、7%和8%。

表2 不同处理玉米-土壤系统氮肥平衡Tab.2 Nitrogen balance of maize-soil system with different treatments

3 结 语

(1)和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均提高了玉米LAI和叶片SPAD值，并且随灌溉水中再生水所占比例的提高，玉米LAI和叶片SPAD值均有增大的趋势。玉米成熟期混合水和再生水处理较地下水LAI增加2%～13%，叶片SPAD值增加5%～8%。

(2)随灌溉水中再生水所占比例的提高，氮肥吸收量和氮肥利用率均先增加后降低，S83%处理达到最大值。G、S67%、S83%和S100%处理氮肥吸收量分别为1.07、1.17、1.21和1.09 g/plant，氮肥利用率分别为61%、67%、69%和62%。氮肥残留量和氮肥损失量均随灌溉水中再生水所占比例的提高先降低后增加，S100%处理氮肥残留量和氮肥残留率最大，S83%氮肥损失量和氮肥损失率最小。

(3)综合考虑不同灌溉水质对玉米生长、叶片SPAD值和氮肥吸收利用等指标的影响，再生水滴灌适宜的灌溉水质为S83%处理，即再生水和地下水按体积比5∶1混合进行灌溉。

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