水氮互作对宁夏沙土春玉米产量与氮素吸收利用的影响

　　摘要：为探明滴灌不同水氮调控对宁夏沙土地区春玉米生长、产量、氮素吸收和根区土壤硝态氮分布及残留量的影响，设计灌水和施氮2因素，3个灌水量水平(W0.6，0.6KcET0;W0.8，0.8KcET0;W1.0，1.0KcET0，Kc为作物系数，ET0为潜在作物蒸发蒸腾量)和4个施氮量水平(N150，150kg/hm2;N225，225kg/hm2;N300，300kg/hm2;N375，375kg/hm2)，进行大田试验。结果表明：相同灌水条件下，地上部干物质累积速率和氮素累积速率(除W0.8灌水水平)均随施氮量的增加先增加后减小。快增期内，W1.0N300处理的地上部干物质累积速率和W0.8N375处理的氮素累积速率最大，分别为513.71、2.75kg/(hm2·d)。

　　春玉米地上部干物质累积量(W0.8N375除外)和产量随施氮量的增加先增加后减小，其中W0.8N300处理的产量最大，为16387kg/hm2。相比于其他灌水处理，W0.8灌水水平下的营养器官氮素转运量最大，为41.14kg/hm2。随着灌水量和施氮量的增加，60~100cm土层硝态氮累积量所占的比例逐渐增加，其中W0.6和W0.8灌水水平下，土壤残留的硝态氮分别主要聚集在0~60cm和0~90cm土层中。考虑试验区年际降雨量分布不均，选取灌水量与有效降雨量之和为532mm、施氮量为300kg/hm2为宁夏沙土地区适宜的滴灌灌水施肥制度。

　　关键词：春玉米;沙土地区;水氮;土壤硝态氮;滴灌

　　0引言

　　滴灌作为当今一种高效的节水灌溉技术，既能进行实时、精确的水肥供应，又能提高作物根区水肥分布的均匀度[1]，在干旱半干旱地区得到了广泛的应用[2-3]。研究表明，滴灌条件下适宜的氮肥供应能明显地促进玉米对氮素的吸收，提高作物产量和氮肥利用效率[4];但另一方面，水肥供应过多不仅会降低作物水肥利用效率和产量[5]，还会使大量土壤硝态氮淋移到深层土壤，造成地下水污染[6-8]。因此，了解和掌握滴灌施肥条件下作物的氮素吸收和养分分布情况，制定更合理的灌溉施肥制度，从而提高作物养分吸收及产量，减小水肥供应和地下水污染，促进我国农业可持续发展。应用田间试验手段研究滴灌水肥耦合对作物氮素吸收及土壤硝态氮残留量的影响是制定高效灌溉施肥制度的重要途径。目前，国内外在应用滴灌水肥一体化技术进行作物养分吸收方面已开展了诸多研究。

　　WANG等[9]和CHILUNDO等[10]研究表明滴灌能提高玉米的水氮利用效率，减小氮营养流失，降低土壤中硝态氮向深层土壤渗漏的风险。GHEYSARI等[11]研究发现150kg/hm2和200kg/hm2的施氮水平下，100%ETc(作物需水量)和113%ETc灌水水平的玉米氮素吸收量分别高于70%ETc和85%ETc。刘洋等[12]研究发现，滴灌玉米成熟期干物质量和氮素吸收量比地面灌溉高22%和23%，产量平均提高了9%。针对不同灌溉方式对土壤硝态氮含量及分布的影响研究中，王建东等[13]发现，相比地下滴灌，地表滴灌能降低土壤中硝态氮下渗的几率。韦彦等[14]研究表明，滴灌施肥条件下土壤硝态氮大多聚集在表层，淋洗量比畦灌减小85.9%。

　　玉米作为我国第一大粮食作物，在保障我国粮食安全及能源危机上有着重要的作用[15]。地处西北干旱半干旱地区的宁夏，是我国重要的春玉米生产基地之一，但水资源短缺和传统的地面灌溉方式使宁夏沙土地区的春玉米灌溉保证率较低，产量不稳和水肥利用效率低下等问题依然存在。本文采用水肥一体化滴灌技术，通过研究宁夏沙土地区不同水氮供应条件下春玉米产量、氮素吸收累积及其转运效率，探究收获后根区土壤硝态氮的分布残留情况，分析滴灌玉米的水氮耦合效应。结合该地区实际降雨情况，提出更适合该沙土地区的春玉米水氮管理方案，旨为干旱半干旱沙土地区玉米高产协同水分、养分高效利用及减小地下水污染提供理论依据和技术参考。

　　1材料与方法

　　1.1试验地概况

　　试验于2018年4—9月在宁夏回族自治区吴忠市盐池县冯记沟试验基地进行。试验地位于东经106°31'，北纬38°34'，海拔1204m，属典型的温带大陆性季风气候。试验区年日照时数为2867h，年平均气温8.5℃，大于等于10℃积温为2944.9℃，无霜期128d;年平均降雨量290mm，且年际变化大，多集中在7—9月，年蒸发量2179.8mm。试验区土壤为沙土，土壤容重1.55g/cm3，0~100cm田间持水率为27.10%(体积含水率)，pH值8.60，地下水埋深30m以上，基础肥力(质量比)为：有机质4.13g/kg，全氮0.30g/kg，全磷0.34g/kg，全钾19.24g/kg，速效磷5.48mg/kg，速效钾78.33mg/kg。试验区玉米生育期(4—9月)有效降雨量为205mm。

　　1.2试验材料与设计

　　供试春玉米品种为“先玉1225”，为当地推广的密植品种。2018年4月20日播种，2018年9月26日收获，共160d。肥料选用常用肥，分别为尿素(N质量分数为46.4%)、磷酸一铵(N质量分数为12%、P2O5质量分数为61%)和硫酸钾(K2O质量分数为52%)。滴灌施肥系统由水泵、过滤器、施肥罐和输配水管道系统等组成。滴灌带为内嵌式滴灌带，滴头间距30cm，滴头流量2.5L/h，滴头工作压力0.1MPa。试验设置灌水量和施氮量2因素，施氮量设置4个水平：N150、N225、N300、N375(150、225、300、375kg/hm2)，磷钾施用量均为150kg/hm2。

　　将试验区2000—2017年春玉米生育期内潜在作物蒸发蒸腾量(ET0)和作物系数Kc相结合，Kc根据作物生育阶段而定，苗期取0.7、拔节—灌浆期取1.2、乳熟—成熟期取0.6[16]。进而推算出试验区春玉米生育期内潜在充分耗水量(1.0KcET0)为450mm，记为W1.0。以此为依据，设3个滴灌水量W0.6(0.6W1.0)、W0.8(0.8W1.0)和W1.0，共12个处理，各处理3次重复。试验区为引黄(水库蓄水)灌区，需采取轮灌工作制度，因此采取10d作为设计灌水间隔[17]。为了控制春玉米苗期生长过快，促进根系生长，该地区在生产中一般采用玉米小苗末期开始灌水，但该地区春季极易发生春旱，导致出苗率降低;另外根据该地区历史气象资料，试验区年际降雨量变化较大，且多集中在7—9月。

　　因此，春玉米的灌溉制度需根据实际降雨情况进行灌水量和灌水日期的调整(主要调节灌水日期，即遇降雨灌水日期顺延[17])。2018年春玉米生育期内的实际灌水量分别为W0.6(253mm)、W0.8(327mm)、W1.0(409mm)。试验区采用水肥一体化的滴灌施肥方式，小区面积为132m2(20m×6.6m)，每个处理3次重复。春玉米采用宽窄行播种，宽行玉米间距为70cm，窄行玉米间距为40cm，玉米株距为20cm，种植密度为90945株/hm2。滴灌带铺设在窄行玉米中间，一条滴灌带控制2行春玉米灌水施肥，为保证灌水施肥的均匀性，采用横向供水方式[18]。根据春玉米的生长特性，整个生育期共施肥4次，每次施肥量占总施肥量分别为苗期(20%)、小喇叭口期(30%)、抽雄期(30%)和灌浆期(20%)[17]。

　　1.3测定内容和方法

　　1.3.1地上部干物质累积量与植株氮素吸收累积量测定

　　分别在春玉米播种后51、70、85、113、160d取样，每个小区选取有代表性的植株3株，从茎基部与地上部分离，去除表面污垢后按茎、叶片、苞叶+穗轴、籽粒4部分分离，放入干燥箱105℃杀青0.5h，75℃下干燥至恒定质量，采用电子天平称量并计算单株地上干物质量，最后换算成群体生物量(kg/hm2)。并称取各器官的干物质量后磨碎，用H2SO4-H2O2消煮，并用连续流动分析仪(AutoAnalyzer-III型，德国BranLuebbe公司)测定植物样品全氮含量[19]。

　　1.4数据处理

　　采用MicrosoftExcel2016处理数据;采用SPSS20.0统计分析软件对试验数据进行方差分析;采用Origin9.0软件作图。

　　2结果与分析

　　2.1水氮互作对春玉米地上部干物质和氮素累积速率的影响

　　为地上部干物质量、氮素累积量与生长时间的Logistic函数的拟合方程，并对其求一阶导数、二阶导数。地上部干物质和氮素累积速率均随生长时间的递进先增加后减小，各处理之间的差异随着生长时间的推进而加大。相同灌水情况下，地上部干物质累积速率和氮素累积速率(除W0.8灌水水平)均随施氮量的增加先增加后减小。

　　快增期内，各灌水水平下的地上部干物质平均累积速率最大值分别在W0.6N225、W0.8N300和W1.0N300处理，其中W1.0N300处理的地上部干物质累积速率最大，为513.71kg/(hm2·d)，与其他两个处理相比分别提高了32.56%和22.83%;各灌水水平下的氮素平均累积速率最大值分别在W0.6N225、W0.8N375和W1.0N300处理，其中W0.8N375处理的氮素累积速率最大，为2.75kg/(hm2·d)，与其他两个处理相比分别提高了29.72%和30.95%。

　　2.2水氮互作对春玉米地上部干物质累积量、产量和水分利用效率的影响

　　在W0.6和W1.0灌水水平条件下，当施氮量分别高于225kg/hm2和300kg/hm2时会抑制该灌水条件下春玉米的生长，从而降低了地上部干物质量累积量，地上部干物质累积量总体表现出随施氮量增加先增加后减小的趋势，说明施氮量过大会阻碍干物质的累积，降低了籽粒干物质的累积量。而在W0.8灌水水平条件下，该现象并不太明显。在各处理之间籽粒干物质累积量最大，分别占总累积量的52.69%～57.00%。

　　3讨论

　　前人在棉花[25]、甜瓜[26]、番茄[27]的水肥耦合研究结果表明，适宜的水肥条件下作物产量最高，当水肥供应超过一定阈值时，产量呈下降的趋势，本研究结果与之相似：施氮量低于225kg/hm2(或300kg/hm2)，W0.6(或W0.8、W1.0)下灌水水平，增加施氮量对提高作物产量和氮素吸收利用明显，但当施氮量高于225kg/hm2(或300kg/hm2)时，增产效果不显著且造成减产，同时也符合GHEYSARI等[28]表明的最佳施氮量会随灌水量的增加而增加的研究结果。另外本研究表明，相同灌水条件下，大多处理的地上部干物质和氮素累积速率均随施氮量的增加先增加后减小，其中在快增期内，W1.0N300处理的地上部干物质累积速率最大，为513.71kg/(hm2·d)，W0.8N375处理的氮素累积速率最大，为2.75kg/(hm2·d)。在中灌水(W0.8)和高灌水(W1.0)灌水条件下，水分利用效率随着灌水量的增加先增加后减小，并且低灌水(W0.6)条件下，N375处理的WUE也显著低于其他处理(P<0.05)。

　　本研究结果发现，抽雄期后，茎和叶的氮素吸收累积量随着生育期的递进逐渐减小，籽粒氮素累积量逐渐增加，说明抽雄期后植株营养器官中的氮素向籽粒中发生了转运[29]。各灌水水平下，施氮量为150kg/hm2处理的抽雄期后氮素吸收量均较低，可能是因为该施氮量不能有效地满足该地区春玉米后期对氮素的吸收利用。在W0.8灌水水平下的营养器官氮素转运量最大，为41.14kg/hm2，在低灌水(W0.6)水平下，N375处理的NRE最低，显著低于其他处理(P<0.05)，说明氮肥施用量过高对营养器官氮素的转运会产生抑制作用。另外，低灌水(W0.6)水平下，氮素利用效率(NUE)随着施氮量的增加呈先增加后减小，而中灌水(W0.8)水平和高灌水(W1.0)水平下，各施氮处理之间(除W1.0N150处理)的NUE却无明显差异(P>0.05)。相同灌水条件下，氮素吸收效率和氮肥利用率均与施氮量呈反比，与郭金金等[30]的研究结果相似。

　　硝态氮作为作物吸收利用的主要形态[31]，其分布情况和残留量受作物氮素的吸收、灌水方法和施氮量的影响[32]，施氮量投入过高会显著增加土壤中硝态氮的残留[33]。本研究发现，灌水量和施氮量对土壤硝态氮的分布和含量有显著性影响：增加施氮量，硝态氮含量增大;随着灌水量和施氮量的增加，深层土壤中硝态氮含量有逐渐增加的趋势;W0.6和W0.8灌水水平下滴头下方40~60cm之间出现不同程度的硝态氮的累积区，该现象随着施氮量的增加越明显，这与李久生等[34]的研究结论比较相似。BADR等[6]的研究也表明硝态氮随水分运移向湿润锋附近累积。

　　这是因为硝态氮极易溶于水并随水流运动，根系的向水性使较多的水分在进入土壤后沿水平方向运动，在湿润体的横向边缘产生累积，而滴头的正下方由于含水量较高，阻碍了硝态氮的垂直运动，并且滴头正下方由于长期保持较高的含水量，使得该处通气状况较差，有利于反硝化作用的形成[35]，导致该处硝态氮含量较低。另外研究发现，随着灌水量的增加，60~100cm土层硝态氮累积残留量所占的比例逐渐增加，而W0.8灌水水平下残留的硝态氮主要分布在0~90cm土层，能较好地满足春玉米大部分根系对水分及养分的吸收利用[17]。相比而言，W1.0灌水水平硝态氮的残留累积区有下移的趋势，说明灌水量过多会产生重力水下渗，使得硝态氮向深层土壤淋失，增加地下水污染的几率[36]。

　　因此，合理的灌水量和施氮量，能够减缓硝态氮往深层土壤的运移，从而降低了地下水质污染的风险。综合考虑产量、氮素利用效率和土壤硝态氮残留累积量及分布规律，W0.8N300处理的产量最高，并且氮素吸收累积量与最高氮素吸收累积量W1.0N300处理无显著性差异;N150处理的氮素吸收利用效率虽然获得最大值，但严重影响产量，不符合实际高产目标。高灌水(W1.0)处理增加了土壤硝态氮向深层渗漏的几率，而中灌水(W0.8)处理的土壤硝态氮分布在0~90cm土层，较好地满足了春玉米根系对水分及养分的吸收利用。另外，考虑到试验区年际降雨量分布不均，具体的灌水量应根据实际降雨量为参考而进行调整。因此，灌水量与有效降雨量之和为532mm、施氮量为300kg/hm2是宁夏沙土地区适宜的滴灌灌水施氮组合。

　　4结论

　　(1)相同灌水条件下，地上部干物质累积速率和氮素累积速率(除W0.8灌水水平)均随施氮量的增加先增加后减小。在快增期内，W1.0N300处理的地上部干物质累积速率和W0.8N375处理的氮素累积速率最大，分别为513.71kg/(hm2·d)和2.75kg/(hm2·d)。(2)春玉米地上部干物质累积量(除W0.8N375处理)和产量会随施氮量的增加先增加后减小，W0.6灌水水平的最佳施氮量明显低于W0.8和W1.0灌水水平。W0.8N300处理的产量最大，为16387kg/hm2。

　　(3)W0.6和W1.0灌水水平下，植株氮素吸收量均随施氮量的增加先增加后减小;而W0.8灌水水平下，除W0.8N150处理，其余处理无显著性差异。另外，W0.8N300的营养器官氮素转运量最大，为41.14kg/hm2。(4)0~100cm土层中的硝态氮累积量与施氮量成正比，与灌水量成反比。W0.6和W0.8灌水水平下，土壤残留的硝态氮分别主要聚集在0~60cm和0~90cm土层中，W1.0灌水水平的硝态氮有下移的趋势。(5)考虑试验区年降雨量分配不均，本研究选取灌水量与有效降雨量之和为532mm，施氮量为300kg/hm2为宁夏沙土地区适宜的滴灌灌水施肥制度。

　　参考文献

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　　[2]李云开,冯吉,宋鹏,等.低碳环保型滴灌技术体系构建与研究现状分析[J/OL].农业机械学报,2016,47(6):83-92.

　　农艺师论文投稿刊物：农业机械学报促进农业工程和农业机械学科科研水平的提高、加强国际交流、推动科技进步和促进经济发展、培养和造就一批本行业的高科技人才、实现农业机械化和农业现代化发挥了很好的作用。主要刊登农业机械与农业工程、拖拉机、农用动力和能源、农产品及食品加工技术、农业机械化以及有关边缘的基础理论、设计制造、材料工艺、测试仪器与手段的研究成果及发展动向。