拔節(jié)期追肥及灌水對膜孔灌玉米農(nóng)田硝態(tài)氮分布及累積的影響

董玉云，賈麗華，費良軍

(1. 蘭州交通大學土木工程學院 蘭州 730070 ； 2. 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室 蘭州 730070；3. 陜西省農(nóng)業(yè)工程勘察設計院 西安 710068；4.西安理工大學水資源研究所 西安 710048)

膜孔灌是一種節(jié)水、保肥、灌水質(zhì)量高和灌溉水利用率高的地面灌水新技術，適用于蔬菜、棉花、玉米等作物[1,2]。玉米是我國北方地區(qū)主要的糧食作物，種植面積很大。拔節(jié)期是玉米用水關鍵時期，為了滿足作物對土壤水分的需求，一般要進行拔節(jié)期灌水[3,4]。玉米作為一種高耗水耗肥的作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常在拔節(jié)期或抽穗期進行肥料追施，以提高其籽粒產(chǎn)量。傳統(tǒng)地面灌溉在作物的拔節(jié)期進行肥料追肥和灌水，追施的氮肥具有隨拔節(jié)水向下淋洗的趨勢，土壤中的硝態(tài)氮有可能淋洗出作物根系層，影響植物對氮素的吸收[5]。因此，如何制定合理的追肥量及灌水量，以減小硝態(tài)氮隨土壤水分的下移，提高氮素的利用率，是人們普遍關注的問題。對于膜孔灌，在水肥運移方面，國內(nèi)基本都是針對水氮耦合進行的研究，費良軍、董玉云、朱興華、穆紅文等[6-11]通過室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬研究了膜孔入滲土壤水氮運移特性及膜孔直徑、土壤質(zhì)地、土壤初始含水率、土壤容重、肥液濃度等對膜孔灌水氮運移特性的影響；費良軍、脫云飛、曹俊等[12-14]研究了玉米膜孔灌氮素的運移與轉化特性及土壤容重對膜孔灌氮素轉化的影響。直到目前，較少見到國內(nèi)外有關水肥協(xié)同效應對膜孔灌農(nóng)田氮素分布及累積的影響的研究報道。

本文通過玉米小區(qū)種植試驗，對膜孔灌條件下玉米拔節(jié)期不同灌水量和施肥量對土壤硝態(tài)氮分布及累積特性進行了研究，以期為膜孔灌玉米在不同時期的合理灌水和施肥及提高氮肥的有效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

1.2 試驗設計

玉米追肥及灌水試驗，設兩個追肥量和3個灌水量水平，所施肥料為氮肥，追肥期為玉米拔節(jié)期末，另有膜孔灌不追肥的對照試驗，具體試驗方案見表1。

表1 拔節(jié)期追肥及灌水試驗方案設計Tab.1 Experimental designs of fertilizer and irrigation in jointing period

所播玉米品種為新戶單4號，試驗測坑面積為2.08 m2。測坑田面整平后，將地膜覆于測坑田面。在撒播種子處開直徑為6 cm的作物放苗孔。5月30號進行播前灌水，灌水量為450 m3/hm2。6月11號播種，玉米株距為40 cm，行距為60 cm，采用穴播法，將玉米種子施于地表下5 cm處。由于播前灌水后遇到持續(xù)的高溫天氣，在6月11號播種后進行了一次出苗灌水，灌水量為450 m3/hm2。播種前將尿素(含N 46%)225 kg/hm2、過磷酸鈣150 kg/hm2和硫酸鉀120 kg/hm2作為基肥一次性施于地表下10 cm處。

1.3 觀測內(nèi)容

在玉米生育期用土鉆取土，在土壤剖面上沿水平和垂直兩個方向布設取土點。水平取土點為膜孔中心水平方向3、13、23 cm處；垂向取土深度為100 cm，每10 cm一層。所取土樣分為兩部分，一部分用烘干法測定土壤含水率，另一部分用紫外分光光度計測定硝態(tài)氮含量。

2 試驗結果與分析

2.1 拔節(jié)期追肥、灌水對抽穗后期土壤中硝態(tài)氮分布的影響

2.1.1 不同追肥量對抽穗后期土壤硝態(tài)氮分布的影響

圖1為在玉米拔節(jié)期追施肥料(施肥量為0、75和112 kg/hm2,灌水定額為525 m3/hm2)抽穗后期水平距離膜孔中心3 cm處硝態(tài)氮在土壤剖面的分布圖?？梢钥闯觯涸诎喂?jié)期追肥肥料，不同的施肥量對抽穗后期土壤硝態(tài)氮分布影響較小。追肥量為75和112 kg/hm2的土壤硝態(tài)氮含量分布差異不大，在0～40 cm土層二者分布基本相同。硝態(tài)氮在土壤垂直剖面呈低—高—低的分布特性，集中分布在20～50 cm土層；施肥量小的土壤硝態(tài)氮濃度峰分布在20～40 cm土層，施肥量較大的硝態(tài)氮濃度峰分布在20～50 cm土層，且兩個處理的土壤硝態(tài)氮濃度峰值均為40 mg/kg。灌水量相同時，不施肥處理的硝態(tài)氮濃度峰比施肥處理的小，濃度峰出現(xiàn)的土層較深且較小，為37 mg/kg，濃度峰的范圍在30～60 cm土層， 60 cm以下的硝態(tài)氮含量較施肥的處理大。這是因為硝態(tài)氮隨土壤水分運動，前期的幾次灌水使得土壤中底肥向下移動，因而不施肥的處理下層土壤的濃度峰更大。

圖1 不同施肥量土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.1 distribution for different fertilizer amount

對比分析表明：施肥量越大，土壤硝態(tài)氮濃度峰分布越寬；施肥量增加，硝態(tài)氮淋洗效應增強，并且這種影響在距離膜孔中心較近時明顯。在灌水量為525 m3/hm2時，硝態(tài)氮并未因施肥量增加而增大向深層土壤的淋洗，主要是因為此時段正是玉米耗水較大的時期，對土壤水分和養(yǎng)分的需求較大，灌溉水在灌后很短的時間內(nèi)入滲即達到穩(wěn)定，隨著土壤水分的逐漸消耗，作物根系的淋洗效應逐漸增強，下層土壤中的硝態(tài)氮隨著土壤水分逐漸向作物根區(qū)運動，在20～50 cm土壤垂直深度累積，硝態(tài)氮主要存在于作物主根系層。

灌水定額為375和675 m3/hm2時，不同追肥量的玉米抽穗后期水平距離膜孔中心3 cm處硝態(tài)氮在土壤剖面的分布與圖1的分布類似，不再贅述。

2.1.2 不同灌水量對抽穗后期土壤硝態(tài)氮分布的影響

圖2表示在拔節(jié)期追施肥料后不同灌水量(灌水定額為375、525和675 m3/hm2，施肥量為112 kg/hm2)的玉米在抽穗后期土壤硝態(tài)氮在水平距離膜孔中心3 cm處土壤垂直剖面的分布特性。可以看出：在追施肥量相同的情況下，灌水量對土壤硝態(tài)氮分布的影響在高灌水量時較大。高灌水量的處理硝態(tài)氮含量在土壤上層小于其他兩個處理，下層高于其他兩個灌水處理，且土壤垂直剖面硝態(tài)氮濃度峰寬度較其他兩個處理的小。在0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量隨著灌水量的增大而減小，這與硝態(tài)氮隨灌溉水向下層土壤的遷移及灌水后根系的淋吸效應較弱有關。由于灌水量越大，灌溉水入滲時間越長，上層土壤硝態(tài)氮受對流—彌散機理的作用，隨著土壤水分的遷移量越大而越大，而且灌水量越 大，土壤剖面的水分含量越高，根系對下層土壤的淋吸效應越弱。反之，灌水量小時，土壤上層水分消耗較快，作物根系對下層土壤水分的淋吸效應較強，硝態(tài)氮即隨著土壤水分的向上運移，逐漸向表層遷移。灌水量為375和525 m3/hm2的土壤硝態(tài)氮分布差異較小。這主要與抽穗期作物的蒸騰耗水較大有關，經(jīng)過一段時間的根系吸收，平衡了部分由于追肥量和灌水量不同所引起的硝態(tài)氮分布差異。膜孔灌在玉米生長比較旺盛的時期，可適當加大追肥量及灌水量，在本文試驗條件下，灌水量525 m3/hm2，追肥量112 kg/hm2均不會造成硝態(tài)氮的深層淋洗；而在灌水量為675 m3/hm2時，土壤上層受灌水的影響硝態(tài)氮含量相對較小，影響作物根系的吸收利用，且深層土壤剖面硝態(tài)氮含量增加也比較明顯。因此，本文建議灌水定額以不大于525 m3/hm2為宜。

圖2 不同灌水量的土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.2 distribution for different irrigation quota

追肥量為75 kg/hm2時，不同灌水定額的玉米抽穗后期水平距離膜孔中心3 cm處硝態(tài)氮在土壤剖面的分布與圖2的分布類似，不再贅述。

2.2 拔節(jié)期追施肥料及灌水對收獲后硝態(tài)氮累積量的影響

2.2.1 不同追肥量對土壤硝態(tài)氮累積量的影響

圖3表示灌水量相同、不同追肥量對收獲后土壤剖面硝態(tài)氮累積量的影響。其中圖3(a)～(c)分別表示距離膜孔中心3、13 cm、23 cm處土壤垂直剖面硝態(tài)氮累積量分布。

可以看出：對于施肥的處理，拔節(jié)期不同追肥量對收獲后土壤剖面硝態(tài)氮累積量的影響不明顯，且水平方向距膜孔中心距離越大，各施肥量硝態(tài)氮累積量差異性越小,硝態(tài)氮的峰值在40 kg/hm2。隨著水平方向距膜孔中心距離的增加，土壤剖面硝態(tài)氮累積量減小。距離膜孔中心3 cm處，土壤硝態(tài)氮累積量較大，峰值出現(xiàn)在土壤垂直剖面40 cm左右，施肥量大的處理硝態(tài)氮累積量略高于施肥量小的處理。13 cm處，土壤垂直剖面硝態(tài)氮累積量較水平距膜孔中心3 cm處的減小，40～60 cm土層硝態(tài)氮累積量相對較大。在23 cm處土壤垂直剖面硝態(tài)氮累積量很小，且在土壤剖面分布較均勻。對于不施肥的處理，距離膜孔中心3 cm處，在0～20 cm土層，不施肥的處理硝態(tài)氮含量較?。?0～30 cm土層，施肥與不施肥的處理相差較??；30～50 cm土層不施肥的處理硝態(tài)氮含量明顯偏??；50 cm以下，不施肥的處理硝態(tài)氮含量高于施肥的處理。這是因為玉米生長期未施肥，土壤剖面上層的硝態(tài)氮被作物吸收較多，加之灌水后土壤中的硝態(tài)氮隨水分的入滲向下遷移，致使土壤上層0～50 cm的硝態(tài)氮含量比施肥的處理小，硝態(tài)氮的峰值比施肥處理的小10 kg/hm2，50 cm以下，上層土壤的硝態(tài)氮由于淋吸作用反而比施肥的處理大。在距膜孔中心13 cm處，0～55 cm土層，施肥的處理比不施肥處理的處理硝態(tài)氮含量大，55 cm以下，施肥的處理比不施肥的處理的硝態(tài)氮含量小。距膜孔中心23 cm處，不施肥的處理在0～50 cm的硝態(tài)氮含量較施肥處理的小，在50～75 cm，不施肥的處理硝態(tài)氮的含量比施肥處理的稍大，75 cm以下，各處理的硝態(tài)氮含量相差較小。

圖3 收獲后土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.3 Distribution of in soil profile after harvest

以上結果表明：在膜孔灌條件下，適當?shù)脑黾邮┓柿?，對收獲后土壤剖面硝態(tài)氮累積量的影響較小。原因是施肥量越大，土壤溶液中硝態(tài)氮的濃度越高，遷移到主根系的養(yǎng)分越多，玉米吸收利用的也就越多。玉米是高耗水耗肥的作物，為了提高玉米的產(chǎn)量，且高追肥量與低追肥量對收獲后土壤硝態(tài)氮累積的影響相差較小，本文試驗條件下建議氮肥以高追肥量112 kg/hm2為宜。

2.2.2 不同灌水量對土壤硝態(tài)氮累積量的影響

圖4表示拔節(jié)期追肥后，不同灌水量對收獲后土壤剖面中硝態(tài)氮累積量的影響。

可以看出：收獲后土壤垂直剖面硝態(tài)氮累積量分布為:在水平方向，距膜孔中心越遠，土壤硝態(tài)氮累積量越小。在相同的追肥量、不同的灌水量下，硝態(tài)氮累積量曲線在增加區(qū)差異相對較小，在硝態(tài)氮累積量減小區(qū)相差較大。在硝態(tài)氮累積量減小區(qū)，灌水量越大硝態(tài)氮累積量越大，在高灌水量時表現(xiàn)得尤為突出。灌水量對硝態(tài)氮累積量的影響，隨著水平距膜孔中心距離的增加逐漸減小。在距膜孔中心3 cm處各灌水處理相差最大，到23 cm處各灌水處理硝態(tài)氮累積量分布差異較小。

圖4 不同灌水量對土壤硝態(tài)氮累積量的影響Fig.4 Effect of different irrigation amount to soil accumulation at harvest

結果表明：灌水量越大，下層土壤硝態(tài)氮累積量越大，距膜孔中心水平距離越近累積作用越明顯。一方面是由于灌水量越大，灌水時被淋洗到土壤剖面深層的硝態(tài)氮含量越大；另一方面是由于在作物生育期中，根系對硝態(tài)氮的吸收主要以溶于水中的硝態(tài)氮隨土壤水分向根系遷移，遷移的動力是植物蒸騰吸收水分，使作物根系附近的水分下降，使土體與根系產(chǎn)生水位差，促使養(yǎng)分隨水分向根系遷移，進而被作物所吸收利用。在高灌水量下，作物根系附近的水分在較長時間內(nèi)維持較高的值，因而遠根系土壤水分向近根系的遷移量減小，土壤硝態(tài)氮即在土壤深層累積。土壤上層各處理硝態(tài)氮累積量差異較小，與作物生育期中的根系吸養(yǎng)有較大的關系。灌水定額為675 m3/hm2時，收獲后土壤垂直剖面80～100 cm土層硝態(tài)氮累積較大。因此，在追施肥料后灌水定額以不高于525 m3/hm2為宜。

3 結 語

(1)膜孔灌玉米拔節(jié)期追肥灌水對后期土壤硝態(tài)氮的影響在近施肥點較大。施肥量越大，土壤硝態(tài)氮濃度峰分布越寬；灌水量越大，膜孔中心土壤垂直剖面上層硝態(tài)氮含量越小，下層硝態(tài)氮含量越大。拔節(jié)期灌水量對硝態(tài)氮的影響大于追肥量，是造成氮素淋洗損失的主要因素。

(2)施肥量適量增加，對收獲后深層土壤硝態(tài)氮累積量影響較??；灌水量增加，下層土壤硝態(tài)氮累積量增大。在本文試驗條件下，建議膜孔灌玉米在拔節(jié)期可追施氮肥約為112 kg/hm2，灌水定額不大于525 m3/hm2。

(3)本文只設置了兩個追肥量水平，最佳施肥量則需更多施肥水平并結合產(chǎn)量和經(jīng)濟效益來確定。

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