玉米滴灌過(guò)程中施肥時(shí)段對(duì)氮肥利用效率的影響研究

麻瑋青，范興科,2(.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 7200 ；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 7200)

0 引 言

俗話說(shuō)，有收無(wú)收在于水，收多收少在于肥，這句俗語(yǔ)明確地指出了水肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位。尤其是在干旱半干旱地區(qū)，水肥是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素[1]。在我國(guó)西北地區(qū)，水資源短缺和嚴(yán)重浪費(fèi)使得缺水問(wèn)題更加惡化，同時(shí)一味地追求高產(chǎn)而采取高水高肥使得水肥利用效率低下，面源污染嚴(yán)重。要解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的這些問(wèn)題，使生態(tài)環(huán)境得到良性循環(huán)，就要切實(shí)提高水肥利用效率[2,3]。

滴灌是一種灌水過(guò)程和灌水量可控的灌水技術(shù)，利用管道將灌溉水輸送到作物根區(qū)附近，進(jìn)行局部濕潤(rùn)土壤[4]；因此基于滴灌技術(shù)的水肥一體化灌溉施肥，可以根據(jù)作物生長(zhǎng)對(duì)水肥的需求，適時(shí)適量的將水肥直接供應(yīng)到作物根系附近的土壤，減少了水肥的滲漏、揮發(fā)等損失，顯著提高水肥利用效率，既可節(jié)約水肥又能防止面源污染；與此同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)水肥耦合，同步發(fā)揮作用，促進(jìn)肥料的轉(zhuǎn)化，有利于作物的吸收利用，體現(xiàn)了滴灌施肥節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、高效的優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于水肥一體化灌溉技術(shù)的研究多偏重于施肥制度和灌水制度的研究[8-13]，而對(duì)于灌水施肥后，肥力因素在土壤中的分布及運(yùn)移變化研究較少，特別是灌水過(guò)程中不同時(shí)段施肥對(duì)養(yǎng)分在土壤剖面中的分布變化，肥料利用效率和對(duì)作物生長(zhǎng)的影響研究更少。在此之前，王旭洋模擬了風(fēng)干均質(zhì)土壤在相同灌水施肥量條件下，施肥時(shí)段對(duì)氮素在土壤中分布的時(shí)空變化影響，得出不同施肥時(shí)段土壤濕潤(rùn)體內(nèi)的氮素分布具有顯著差異[14]。為了探索實(shí)際生產(chǎn)中，大田作物在水肥一體化滴灌條件下，不同施肥時(shí)段對(duì)作物水肥利用效率的影響，本研究以大田玉米為研究對(duì)象，在滴灌過(guò)程中分階段施肥，分析土壤中主要養(yǎng)分(硝態(tài)氮)的時(shí)空分布特點(diǎn)、變化規(guī)律和利用率，為大田作物水肥高效利用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年在寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)旱作節(jié)水科技園實(shí)施。王團(tuán)鎮(zhèn)地處中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均氣溫8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，無(wú)霜期120～218 d。多年平均降雨量272.6 mm，平均蒸發(fā)量2325 mm，地下水位埋深25～45 m。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，土壤容重為1.43 g/cm3；玉米播種前測(cè)試驗(yàn)區(qū)土壤肥力本底值：全氮0.65 g/kg，全鹽0.25 g/kg，有機(jī)質(zhì)8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效鉀170.00 mg/kg；pH7.83，田間持水率23.11%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)春玉米為研究對(duì)象，采用水肥一體化滴灌施肥方式。玉米采取寬窄行播種，窄行間距40 cm，寬行間距80 cm，株距20 cm。滴灌帶布設(shè)在窄行玉米中間，采取1管2行的布設(shè)方式，兩側(cè)分別距玉米種植行20 cm，滴灌帶滴頭間距30 cm，滴頭出水流量2.7 L/h。根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)處理：A處理采用前1/2時(shí)段灌水施肥，后1/2時(shí)段灌水；B處理采用為前1/4時(shí)段灌水，接下來(lái)1/2時(shí)段灌水施肥，最后1/4時(shí)段灌水；C處理采用前1/2時(shí)段灌水，后1/2時(shí)段灌水施肥；D處理采用全時(shí)段灌水施肥。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)44 m，寬12 m，試驗(yàn)區(qū)面積為528 m2。

試驗(yàn)過(guò)程中氮磷鉀肥全部作為追肥，本次試驗(yàn)灌水定額為 240 m3/hm2，施肥定額為：純氮56 kg/hm2，磷(五氧化二磷)和鉀(氧化鉀)各施28 kg/hm2，在試驗(yàn)期間隨水滴施。每個(gè)小區(qū)的灌水量和施肥量如表1所示，每個(gè)小區(qū)灌水時(shí)間為4 h，試驗(yàn)采用壓差式施肥罐供肥，試驗(yàn)開(kāi)始前先將所施肥料完全溶解于施肥罐中，連接于滴灌系統(tǒng)中備用，根據(jù)設(shè)計(jì)施肥時(shí)段打開(kāi)施肥罐施肥。

1.3 土壤樣品采集與處理

玉米拔節(jié)期到抽雄吐絲期為玉米植株快速生長(zhǎng)期。進(jìn)入抽雄期后，根系生長(zhǎng)接近最大，葉面覆蓋率較高，水分和養(yǎng)分需求較大，另外考慮到滴灌屬于局部灌溉，灌水施肥結(jié)束后，土壤水分和養(yǎng)分有一個(gè)運(yùn)移和再分布到接近穩(wěn)定的過(guò)程，因此本試驗(yàn)選在玉米抽雄期間灌水施肥后第2 d和下次灌水前1 d(灌后第9 d)對(duì)玉米根系濕潤(rùn)區(qū)土壤分別取樣，對(duì)土壤中的硝態(tài)氮含量進(jìn)行測(cè)定分析。夏玉米根系分布研究結(jié)果表明，根干重密度隨土壤深度增加而明顯趨減，根群主要分布在表土層，0～20 cm 土層根干重比例約為70%左右，95%以上主要分布于0～40 cm的土層[15-17]。故本試驗(yàn)采樣點(diǎn)確定為距離滴頭出水點(diǎn)橫向距離為10，20，30，40 cm處(距玉米植株0，10，20 cm)，如圖1所示。縱向取樣深度為地表以下0～10，10～20，20～30，30～40, 40～50 cm處。為了保持土樣氮素穩(wěn)定，所取土樣先密封冷藏，最后統(tǒng)一進(jìn)行樣品處理；用KCl浸提處理，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定硝態(tài)氮的含量。所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用sigmaplot繪制等值線圖，直觀觀測(cè)土壤剖面中硝態(tài)氮濃度的分布變化。

表1 灌水施肥處理設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)采樣點(diǎn)分布(單位：cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 灌水后第2 d不同施肥時(shí)段硝態(tài)氮的分布特征

本試驗(yàn)4種處理均是在總灌水量和施肥量相同的條件下實(shí)施，對(duì)于同一地塊，相同的灌水方式下，當(dāng)灌水量一致時(shí)，可以認(rèn)為各灌水點(diǎn)形成的濕潤(rùn)體范圍基本一致。灌水施肥48 h后，不同處理下土壤濕潤(rùn)體剖面中硝態(tài)氮的含量在滴灌帶一側(cè)(玉米植株兩側(cè))的分布情況如圖2～圖5所示。

圖2 A處理土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量分布

圖3 B處理土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量分布

圖4 C處理土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量分布

圖5 D處理土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量分布

從圖2中可以看出，在試驗(yàn)灌水量條件下，對(duì)于先肥后水的A處理(灌水的前半段時(shí)間內(nèi)水肥同施，后半段時(shí)間只灌水不施肥)。玉米根區(qū)分布在距滴水點(diǎn)徑向距離10～30 cm，深度30 cm的土層范圍內(nèi)，土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量的高值區(qū)出現(xiàn)在玉米植株主要根區(qū)，也就是外側(cè)根系的前端毛細(xì)根區(qū)，且土壤中NO-3-N含量整體以玉米植株附近為起點(diǎn)向外輻射降低。NO-3-N含量的高值區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)在土壤濕潤(rùn)體的中心區(qū)域，說(shuō)明在灌水過(guò)程中，溶解在水中氮素隨著水分在土壤中的運(yùn)移發(fā)生遷移，且后續(xù)灌水可以使得土壤中硝態(tài)氮的高值區(qū)向外運(yùn)移。土壤表層NO-3-N含量較高受兩方面的影響，一是灌水前表層土壤含水率很低，土壤吸水能力較強(qiáng)，故水平運(yùn)移速率大于垂直運(yùn)移速率，因此水分在水平方向運(yùn)移量相對(duì)較多，養(yǎng)分積累較多，二是表層土壤溫度較高，加速了氮肥的分解。

從圖3可以看出，在整個(gè)灌水過(guò)程的中間時(shí)段施肥，土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量的高值區(qū)主要分布在玉米植株主根區(qū)，近滴水點(diǎn)一側(cè)硝態(tài)氮含量更高，距玉米植株越遠(yuǎn)，NO-3-N含量呈輻射狀逐漸降低，但是由于表土層中對(duì)流作用強(qiáng)烈，水分對(duì)肥力的帶動(dòng)作用顯著，養(yǎng)分在濕潤(rùn)體范圍內(nèi)水平運(yùn)移強(qiáng)于垂直運(yùn)移，因此NO-3-N含量在水平方向降低的幅度小于垂直方向。與A處理相同之處在于土壤中NO-3-N含量的高值區(qū)都出現(xiàn)在地表附近。

從圖4可以看出，對(duì)于先水后肥的C處理(灌水的前半段時(shí)間內(nèi)只灌水不施肥，后半段時(shí)間水肥同施)。該處理硝態(tài)氮濃度最大值略高于處理A和B，集中在滴水點(diǎn)附近，雖然土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量的高值區(qū)也分布在玉米植株主根區(qū)附近，但是C處理養(yǎng)分分布范圍相對(duì)較小，主要集中在滴頭附近，且硝態(tài)氮含量最高區(qū)距玉米根區(qū)相對(duì)稍遠(yuǎn)。與B處理相似的是，距玉米植株越遠(yuǎn)，NO-3-N含量呈輻射狀逐漸降低，養(yǎng)分在濕潤(rùn)體范圍內(nèi)水平運(yùn)移強(qiáng)于垂直運(yùn)移。C處理養(yǎng)分分布范圍都相對(duì)較小，因此玉米根區(qū)與硝態(tài)氮高值區(qū)的重合范圍較?。徽f(shuō)明不同肥水順序會(huì)影響?zhàn)B分在濕潤(rùn)體內(nèi)的分布范圍，先水后肥一定程度上限制了養(yǎng)分的運(yùn)移，縮小了養(yǎng)分的分布范圍；對(duì)于本試驗(yàn)中的滴灌帶布設(shè)方式而言，不利于玉米主要根區(qū)與養(yǎng)分分布的主要范圍相重合，不利于玉米的吸收利用，故在生產(chǎn)實(shí)踐中不建議先水后肥，以免造成肥力的浪費(fèi)。

從圖5可以看出，對(duì)于全程肥水同施的D處理，土壤濕潤(rùn)體剖面中養(yǎng)分分布范圍大且均勻，但硝態(tài)氮含量的最大值相對(duì)較小。土壤濕潤(rùn)體剖面中NO-3-N含量的高值區(qū)也出現(xiàn)在靠近滴灌帶一側(cè)，硝態(tài)氮最高值出現(xiàn)在滴水點(diǎn)周圍，也就是分布在玉米根區(qū)外圍，向外呈輻射遞減的趨勢(shì)。另外與其他處理相類似的是，距玉米根系越遠(yuǎn)，NO-3-N含量呈輻射狀降低，但D處理降低趨勢(shì)更為緩慢均勻。

2.2 灌后第9 d不同施肥時(shí)段處理硝態(tài)氮的分布特征

大田玉米灌水施肥后，土壤養(yǎng)分會(huì)隨水分運(yùn)移發(fā)生遷移和再分布。在滴灌條件下水肥通常不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏，所以其中的大部分養(yǎng)分將被玉米吸收利用，還有部分氮素會(huì)轉(zhuǎn)化為氨氣產(chǎn)生揮發(fā)，其余部分養(yǎng)分將殘留在土壤中。土壤養(yǎng)分經(jīng)過(guò)近10 d的轉(zhuǎn)化和消耗，4種施肥處理下殘留在土壤中的養(yǎng)分(NO-3-N)含量如圖6～圖9所示。

圖6 A處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖7 B處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖8 C處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖9 D處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

從圖6可以看出，灌水后第9 d與灌后第2 d相比，A處理?xiàng)l件下殘留在土壤中NO-3-N的含量明顯降低，特別是在玉米根區(qū)附近，說(shuō)明除過(guò)部分揮發(fā)以外，大部分硝態(tài)氮已被玉米根系吸收。但NO-3-N含量的相對(duì)高值區(qū)出現(xiàn)在玉米植株根系觸及較少的表層和深層土壤，這主要是由于在這部分土層內(nèi)玉米毛細(xì)根系分布少，吸收作用弱，故在此范圍內(nèi)硝態(tài)氮出現(xiàn)累積，殘留量相對(duì)較多。

從圖7可以看出，對(duì)于B處理，灌水施肥后第9 d，NO-3-N高值區(qū)逐漸運(yùn)移到玉米植株附近，由于殘留在地表，玉米根系吸收利用不上，硝態(tài)氮?dú)埩糨^多；隨著距玉米植株根系越遠(yuǎn)，NO-3-N含量向外呈輻射狀逐漸減小。同灌后第2 d對(duì)比，NO-3-N含量總體也相應(yīng)降低但是降低的幅度較小，說(shuō)明除了部分揮發(fā)，部分硝態(tài)氮被玉米吸收利用；就殘留量同A處理比較，B處理明顯殘留更多，可見(jiàn)B處理沒(méi)有A處理更有利于玉米對(duì)NO-3-N的吸收，該處理吸收利用率較低。

從圖8可以看出，C處理?xiàng)l件下殘留在土壤濕潤(rùn)體中的NO-3-N含量總體也明顯降低，尤其是在距玉米植株10～20 cm范圍內(nèi)，故可見(jiàn)除了一定的揮發(fā)損失，大部分硝態(tài)氮被植株吸收利用。同處理A和B相比，C處理?xiàng)l件下先水后肥，毛管力和重力作用都相對(duì)削弱了，所以殘留在土壤濕潤(rùn)體中的NO-3-N含量分布范圍明顯更小更集中于滴頭附近。這是因?yàn)镃處理先水后肥，肥力運(yùn)移不甚強(qiáng)烈，主要集中在表層亞表層的滴頭附近范圍內(nèi)，養(yǎng)分分布范圍相對(duì)較小，距玉米植株根系相對(duì)較遠(yuǎn)，故不利于對(duì)硝態(tài)氮的吸收利用。

從圖9可以看出，D處理?xiàng)l件下土壤濕潤(rùn)體中殘留的NO-3-N含量顯著降低，尤其是在玉米根區(qū)附近(距滴水點(diǎn)水平距離10～30 cm，垂直深度5～30 cm范圍內(nèi))，該范圍內(nèi)玉米根系發(fā)達(dá)，吸收作用強(qiáng)，大部分的硝態(tài)氮已被玉米吸收利用。未能吸收利用的硝態(tài)氮?dú)埩舾咧祬^(qū)主要分布在表土層靠近玉米植株5 cm的范圍內(nèi)，貼近地表玉米細(xì)根系少，吸收利用弱，而該部分殘留因?yàn)榈乇砗实拖拢灾劣诜柿o(wú)法向下運(yùn)移至玉米根系附近，故植株附近地表的NO-3-N殘留很難被吸收利用。

3 不同施肥處理下玉米對(duì)土壤中硝態(tài)氮的利用效率

在水肥一體化灌溉施肥條件下，氮肥作為一種速效肥具有不穩(wěn)定性，在土壤中會(huì)迅速分解為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，其含量會(huì)隨著作物的吸收利用和揮發(fā)損耗呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，銨態(tài)氮一般持續(xù)時(shí)間較短，硝態(tài)氮可持續(xù)7～10 d。本試驗(yàn)4種處理是在等量施肥的前提下進(jìn)行的，通過(guò)施肥后第2 d和第9 d兩次對(duì)土壤濕潤(rùn)區(qū)(包含玉米主要根系活動(dòng)區(qū))土壤硝態(tài)氮含量的測(cè)定結(jié)果分析，可以看出前1/2時(shí)段施肥明顯比其他施肥方式的肥料利用效率更高，灌后土壤中殘留的硝態(tài)氮更少。這與侯振安等的結(jié)論一致[19,20]。雖然施肥量相同，但是從灌后第9 d玉米未吸收利用的殘留養(yǎng)分來(lái)看，C處理硝態(tài)氮含量殘留較多，A處理則最低。同時(shí)從灌后第9 d土壤濕潤(rùn)體中殘留的硝態(tài)氮分布范圍(圖6～圖9)可以看出，A處理在玉米植株根系附近10～35 cm的土層范圍內(nèi)硝態(tài)氮?dú)埩麸@著降低，殘留量少，玉米吸收利用徹底；而B(niǎo)處理和D處理在玉米植株外圍10～25 cm的土層范圍內(nèi)殘留相對(duì)較多，說(shuō)明玉米吸收利用的并不徹底，肥力的利用效率相對(duì)較低；從C處理土壤濕潤(rùn)體剖面中可以看出，硝態(tài)氮?dú)埩舻姆植挤秶芗杏诘嗡c(diǎn)附近，距玉米植株根系稍遠(yuǎn)且根系附近分布的硝態(tài)氮含量本就較少，故造成了肥力的浪費(fèi)，不利于玉米高效吸收利用肥力。綜上所述，說(shuō)明施肥時(shí)段會(huì)影響玉米的肥料利用率；不同施肥時(shí)段影響土壤剖面中的肥力分布，距離玉米根區(qū)的遠(yuǎn)近，是否易于玉米根系的吸收利用，最終影響玉米的肥料利用率。

4 結(jié) 語(yǔ)

玉米水肥一體化滴灌過(guò)程中采取不同時(shí)段施加氮肥，不同處理?xiàng)l件下土壤濕潤(rùn)體中硝態(tài)氮的高值區(qū)分布不同，不同的水肥次序會(huì)影響肥料在土壤濕潤(rùn)體中的運(yùn)移，使得硝態(tài)氮的高值區(qū)距玉米植株根區(qū)的遠(yuǎn)近有所不同，從而影響玉米對(duì)硝態(tài)氮的吸收利用。

對(duì)于寬窄行種植的玉米水肥一體化滴灌，滴灌帶在窄行布設(shè)，采取一管兩行布設(shè)方式，玉米種植行距滴灌帶20 cm時(shí)，采取先肥后水的灌水施肥方式有利于提高氮肥的利用效率。對(duì)于本試驗(yàn)，先肥后水的灌水施肥方式土壤濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮的高值區(qū)主要集中在玉米根區(qū)附近，易于玉米植株吸收利用，由土壤濕潤(rùn)體中硝態(tài)氮的殘留量可以看出，硝態(tài)氮的利用效率顯然高于其他灌水施肥方式。

由此可見(jiàn)肥隨水走，灌溉水對(duì)增施的肥力和養(yǎng)分有遷移作用；不同處理?xiàng)l件下，肥水的先后順序影響肥力的運(yùn)移進(jìn)而影響作物對(duì)養(yǎng)分的利用和濕潤(rùn)體內(nèi)的殘留，故可根據(jù)作物種植與田間灌溉系統(tǒng)布設(shè)方式，合理安排灌溉施肥時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水肥的高效利用以及農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

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