噴灌施氮管理對(duì)春玉米產(chǎn)量及水氮利用的影響

李晶晶，臧文靜，黎耀軍，顧濤，嚴(yán)海軍*

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083; 2. 中國灌溉排水發(fā)展中心，北京100054)

氮素是玉米生長不可或缺的營養(yǎng)元素，根據(jù)作物需求，合理施用氮肥是提升春玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵.中國作為化肥消耗大國，不合理的施肥方式和傳統(tǒng)的施肥管理模式導(dǎo)致中國氮肥利用率低于歐美國家[1-2]，不僅降低了玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，還造成了肥料資源濫用和環(huán)境污染.東北地區(qū)玉米總產(chǎn)量約占全國玉米總產(chǎn)量的1/3[3].近年，國家提出東北地區(qū)的“節(jié)水增糧”行動(dòng)和“到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案”[4]，推廣和發(fā)展了噴灌工程43.7萬hm2，其中圓形噴灌機(jī)灌溉工程8.2萬hm2[5], 為東北地區(qū)推廣圓形噴灌機(jī)和發(fā)展水肥一體化技術(shù)提供了有力的支持，這對(duì)提高當(dāng)?shù)厮寿Y源高效利用，保障中國糧食生產(chǎn)具有重要意義.

然而，以往的研究多數(shù)集中在對(duì)滴灌水肥一體化施氮量、施氮次數(shù)的增產(chǎn)效應(yīng)、水肥耦合效應(yīng)以及土壤氮素分布影響上，關(guān)于噴灌水肥一體化條件下不同施氮管理方式對(duì)春玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的研究較少.尤其是在東北地區(qū)，圓形噴灌機(jī)的應(yīng)用面積較大，但相應(yīng)灌水施肥技術(shù)卻很缺乏[6]，導(dǎo)致噴灌水肥一體化技術(shù)在東北地區(qū)的應(yīng)用缺乏理論依據(jù)與技術(shù)支持.目前，當(dāng)?shù)厝匝赜脗鹘y(tǒng)的施氮管理方式，普遍存在肥料利用率低、施肥過量和施肥管理混亂等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，導(dǎo)致氮肥資源濫用、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)增加等諸多問題[7-8].為此，文中將根據(jù)春玉米不同生長時(shí)期的水肥需求規(guī)律，分析圓形噴灌機(jī)條件下開展不同氮肥管理對(duì)土壤水氮運(yùn)移，春玉米產(chǎn)量以及水氮利用效率的影響，提出適宜的噴灌水肥一體化施肥制度，為東北地區(qū)應(yīng)用噴灌水肥一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)春玉米的高產(chǎn)和水氮高效利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年5—10月進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省齊齊哈爾市克山縣北聯(lián)鎮(zhèn).該地處于松嫩平原的北部地區(qū)(125°10′57″—126°8′18″E，47°50′51″—48°33′47″N)，年平均氣溫2.4 ℃，10 ℃以上的有效積溫2 400 ℃，無霜期在122 d左右.該縣年平均降水量500 mm左右，降雨主要集中在6—8月，多年平均風(fēng)速約為4 m/s.試驗(yàn)地0～100 cm深度的土壤質(zhì)地均為粉壤土.土壤容重為1.39 g/cm3，平均飽和含水率為0.43 cm3/cm3，平均田間持水率(FC)為0.37 cm3/cm3，飽和導(dǎo)水率(Ks)為45.1 mm/d，凋萎系數(shù)(WP)0.21 cm3/cm3.玉米品種為瑞福爾，實(shí)測植株密度為85 000株/hm2.土壤pH為6.8.土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分情況：速效磷28.4 mg/kg、速效鉀 175.6 mg/kg、有機(jī)質(zhì)9.24 g/kg.播種前0～20 ，20～40 ，40～60，60～80，80～100 cm的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比分別為19.48，10.97，5.90，4.57，5.28 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)包含2個(gè)因素：施氮量w和不同時(shí)期的施氮比例(見表1)，p為噴施量.經(jīng)調(diào)查當(dāng)?shù)仄骄┑繛?00 kg/hm2，因此試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)總施氮量：N200(200 kg/hm2)，N160(160 kg/hm2)和N120(120 kg/hm2)，其中播種時(shí)隨底肥統(tǒng)一施入純氮60 kg/hm2，苗期統(tǒng)一施入純氮10 kg/hm2，其余在拔節(jié)期和灌漿期按照3種施氮比例T1(1∶0)，T2(2∶1)和T3(3∶1)施入，共9個(gè)處理，每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共27個(gè)小區(qū).

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)布置如圖1所示.其中每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為長方形，長度為15.0 m，寬度為8.8 m，面積為132.00 m2.每個(gè)小區(qū)包含8個(gè)大壟，壟寬1.1 m，壟上種植雙行間距為0.4 m的春玉米.考慮到試驗(yàn)小區(qū)面積及噴灌均勻性等情況，所有試驗(yàn)小區(qū)均布置在圓形噴灌機(jī)的第四跨中部位置，高、中、低3個(gè)施肥處理穿插分布.

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

試驗(yàn)中底肥氮、磷、鉀的施入量為N:60 kg/ hm2、P2O5:44 kg/ hm2、K2O:68 kg/ hm2，在播種時(shí)通過播種機(jī)埋施統(tǒng)一施入田間.除氮元素外，其他元素均統(tǒng)一基施不做處理.追施氮肥的肥料為尿素(總N≥46.4%)，均通過水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行追施.每次施肥前，在肥料桶內(nèi)提前配置需要的水肥溶液，攪拌溶解后，通過專用柱塞泵將水肥原液注入到圓形噴灌機(jī)中心支軸的立管內(nèi)，與灌溉水稀釋后最后通過噴頭均勻噴施到田間.試驗(yàn)期間，各處理的灌水量均做統(tǒng)一處理，根據(jù)土壤平均水分狀況適時(shí)補(bǔ)充灌溉，灌水下限為70%田間持水量，灌水上限為90%田間持水量.春玉米在5月2日播種，10月7日收獲，其中關(guān)鍵生育期分別為苗期—拔節(jié)期：5月23日—7月6日，拔節(jié)期—抽雄期7月6日—7月26日，抽雄期—灌漿期：7月26日—8月11日，灌漿期—成熟期：8月11日—9月23日.

1.3 測定項(xiàng)目與計(jì)算方法

1.3.1 植株干物質(zhì)及全氮含量的測定

每個(gè)小區(qū)選取代表性春玉米3株，將樣品分器官稱鮮質(zhì)量，在105 ℃下進(jìn)行0.5 h殺青處理后再在70 ℃下烘干至恒重，測定并計(jì)算干物質(zhì).隨后將樣品粉碎過0.05 mm篩后用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀分別測定生育期末春玉米各器官的全氮質(zhì)量比(mg/kg).再用植株全氮質(zhì)量比乘以相應(yīng)的重量，得到計(jì)算植株的氮素吸收量(kg/hm2).

1.3.2 土壤水分及硝態(tài)氮的測定

用土壤水分傳感器對(duì)土壤水分進(jìn)行測定，并用烘干法進(jìn)行率定.土壤水分傳感器的探頭埋設(shè)深度分別為30 ，50，70 ，90 cm，每隔15 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù).在測定硝態(tài)氮時(shí)，土鉆法取土的深度為1 m，每20 cm取1盒土樣，將土樣風(fēng)干后研磨并過2 mm篩，用濃度為1 mol/L的氯化鉀溶液浸提土樣，再用流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer III, BRAN+LUEBBE, 德國)測定浸提液硝態(tài)氮的質(zhì)量比(mg/kg)，最后折算為土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度(kg/hm2).

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量指標(biāo)的測定

測產(chǎn)時(shí)，在每個(gè)小區(qū)取3個(gè)樣方.每個(gè)樣方長5.0 m，寬2.2 m(含4行玉米植株)，測量穗長、禿尖長和穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、含水率.最后根據(jù)樣方平均玉米收獲的籽粒重量，換算得到各小區(qū)在含水率為14%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量(kg/hm2).

1.3.3 水氮分利用效率

水分利用效率的計(jì)算公式為

(1)

式中:WUE為水分利用效率，kg/m3；Ya為產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為春玉米實(shí)際耗水量，mm，ETa的計(jì)算公式為

ETa=ΔSW+I+P+K-DP-R，

(2)

其中：ETa為作物實(shí)際耗水量，mm；ΔSW為生育期始末土層內(nèi)土壤水分變化量，mm；I為灌水量，mm；P為降水量，mm；K為地下水補(bǔ)給量，mm；DP為由于降水或灌溉而產(chǎn)生的深層滲漏量，mm；R為由灌水或降雨產(chǎn)生的徑流量，mm，因試驗(yàn)區(qū)地塊較平坦，試驗(yàn)過程并沒有觀察到徑流產(chǎn)生，故R=0 mm；DP的計(jì)算公式[9]為

(3)

式中：ΔZ為根系層深度，取1 000 mm；Δθ/Δt定義為土壤排水能力，m3/(m3·d)，與土壤含水量θ(cm3/cm3)和飽和導(dǎo)水率Ks(mm/d)有關(guān)，計(jì)算式為

(4)

其中：Δt為時(shí)間步長，d；θ為每天的土壤含水率情況，cm3/cm3，通過采集的傳感器數(shù)據(jù)算出每天的土壤含水率平均值；θs為土壤飽和含水率；θFC為田間持水率；τ為土壤的排水特性，與Ks有關(guān)；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率.

關(guān)于氮素利用效率的計(jì)算：氮素收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮吸收量/地上部分氮吸收量×100%；氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施肥純氮量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 20.0、Office 2016等統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)不同施氮管理下的玉米生長和產(chǎn)量指標(biāo)、土壤硝態(tài)氮運(yùn)移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較，采用Origin 9.0 進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分變化和氮?dú)埩舻挠绊?/h3>

如圖2所示，整個(gè)生育期土壤含水量均保持在田間持水率70%以上，表明生育期內(nèi)春玉米沒有受到明顯的水分脅迫.灌溉總量為55 mm，分別在6月30日、7月18日和8月11日灌水10，30，15 mm(如圖3所示).

圖2 生育期內(nèi)土壤含水率的變化

圖3 生育期內(nèi)降水、灌溉和滲漏情況

生育期內(nèi)降水量為407 mm，計(jì)算得到生育期的滲漏量為80 mm，滲漏發(fā)生的時(shí)間集中在6月中旬至7月初以及8月中旬.較大強(qiáng)度的降雨導(dǎo)致了滲漏量峰值的出現(xiàn)，在6月21日達(dá)到4.7 mm/d，降雨是該地區(qū)產(chǎn)生滲漏的主要原因.從圖4中可以看出，1 m土層內(nèi)硝態(tài)氮?dú)埩袅喀袾隨著深度h的增加，整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).隨著施氮量的增加，土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅吭诟鲗泳尸F(xiàn)增加的現(xiàn)象，在高氮處理下，土壤氮?dú)埩袅恐饕性?0 cm土層，中氮和低氮處理的氮?dú)埩糁饕性?0 cm深度的土層中.表明施氮量的增加會(huì)增加每一層土壤硝態(tài)氮的殘留量，硝態(tài)氮向下運(yùn)移的可能性增加，從而增加深層土的氮?dú)埩袅?

圖4 相同施氮比例、不同施氮量處理下土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康姆植记闆r

圖5為相同施氮量，不同施氮比例下土壤硝態(tài)氮?dú)埩舴植记闆r.由圖5a可以看出，在高施氮量處理下，不同的施氮比例對(duì)土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻姆植加绊戄^大，處理T1N200的硝態(tài)氮?dú)埩袅烤∮谄渌?個(gè)處理，處理T3N200的60～80 cm土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅孔罡?從圖5b可以看出，處理T1N160土層中的硝態(tài)氮?dú)埩袅孔钌?施氮量較低時(shí)不同施氮比例差異不明顯.由上述分析可知，當(dāng)施氮量為160～200 kg/hm2時(shí)，處理T1的硝態(tài)氮?dú)埩粼诟魍翆又芯畹?，這對(duì)減少環(huán)境污染有積極意義.

圖5 相同施氮量、不同施氮比例處理下土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻姆植记闆r

2.2 對(duì)春玉米生長及產(chǎn)量的影響

表2為不同處理下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素，表中l(wèi)為穗長，L為禿尖長，n為穗粒數(shù)，m為百粒質(zhì)量，y為產(chǎn)量.由表2可以看出，隨著施氮量的增加，玉米產(chǎn)量顯著提升.處理N200和N160比N120的平均產(chǎn)量分別增長了9.8%和7.3%，但N200和N160的平均產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).不同施氮比例處理之間，產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).處理T1N200獲得了最高產(chǎn)量12 489.6 kg/hm2.對(duì)產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析得到：Y=-0.139 6X2+58.35X+6 130.2，R2=0.85，其中Y代表產(chǎn)量(kg/hm2)，X代表施氮量(kg/hm2).由該公式可知，當(dāng)施氮量為210 kg/hm2時(shí)，理論最高產(chǎn)量為12 227.6 kg/hm2.

表2 不同處理下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

在相同施氮比例下，T1N200比T1N160和T1N120的產(chǎn)量高5.3%和8.8%，但T1N200與T1N160差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，說明T1N160在減少施氮量20.0%的情況下，沒有造成明顯的產(chǎn)量損失，處理T1N160更利于節(jié)肥增產(chǎn).不同的施氮量對(duì)玉米的穗長和穗粒數(shù)有顯著性影響.在處理N200下的平均穗長最長，并且顯著高于其他處理(P<0.05).處理N120的穗粒數(shù)顯著低于處理N160和N200(P<0.05).因此施氮量在160～200 kg/hm2均可以促進(jìn)穗粒數(shù)的形成和百粒質(zhì)量的增加從而增加產(chǎn)量.

2.3 對(duì)春玉米水氮利用效率的影響

表3為不同施氮處理對(duì)玉米成熟期地上部分氮素吸收量和水氮利用的影響，表中ASN為莖氮素吸收量，ALN為葉氮素吸收量，AGN為籽氮素吸收量，AN為總氮素吸收量，INH為氮素收獲指數(shù)，PPFN為氮肥偏生產(chǎn)力.從表3中可以看出，施氮量越大，WUE的平均值越大.在施氮量相同的條件下，處理T1的WUE平均值較高.施氮量的增加在一定程度上能夠提高作物水分利用效率，而在拔節(jié)到抽雄期追施完所有氮肥的處理T1具有較高的水分利用效率.作物氮素吸收總量受氮肥施用量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).其中，N200和N160的總氮素吸收量顯著高于處理N120，分別比處理N120高25.0%和13.5%，表明施氮量增加能夠促進(jìn)春玉米的氮吸收量，施氮量較低時(shí)會(huì)降低作物的氮吸收，進(jìn)而影響作物生長.根據(jù)氮素吸收的器官，在不同的施氮處理下，玉米各器官的氮積量從大到小表現(xiàn)為籽粒，葉，莖.但施氮量從160 kg/hm2升至200 kg/hm2，籽粒氮素吸收量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).施氮比例對(duì)偏肥生產(chǎn)力的增長影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但T1獲得了最高的氮肥偏生產(chǎn)力、氮素收獲指數(shù)和水分利用效率.所有處理中氮肥偏生產(chǎn)力最大的處理是T1N120，其產(chǎn)量分別比T1N200和T1N160降低了8.8%和3.3%，并且顯著低于處理T1N200(P<0.05).不同的施氮量和施氮比例對(duì)氮素收獲指數(shù)影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).在所有處理中，氮素收獲指數(shù)最大的處理為T1N160，達(dá)到了74.98 kg/kg，顯著高于處理T3N160，T1N120和T2N120 (P<0.05).

表3 不同施氮處理對(duì)玉米成熟期地上部分氮素吸收量和水氮利用的影響

3 討 論

本試驗(yàn)只進(jìn)行了1 a，結(jié)論受氣象條件影響較大，尤其是降水量的影響，試驗(yàn)期間春玉米整個(gè)生育期的降水量為407.7 mm，比歷史同期(1980—2014年)平均降雨量少10.9%，降雨年型屬于正常年型.整個(gè)生育期土壤水分的滲漏量占降水和灌溉總量的17.3%，可見試驗(yàn)地滲漏量是一部分不可忽略的損失.有研究表明硝態(tài)氮淋失量的大小主要取決于土壤中硝態(tài)氮的含量以及滲漏出根系區(qū)的水量[10].文中發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮的殘留深度隨著施氮量的增加而增加，而試驗(yàn)中灌漿初期施肥時(shí)恰逢當(dāng)?shù)剡B續(xù)降雨，滲漏可能加劇了硝態(tài)氮的淋失.有研究表明，多次施肥有利于玉米在生育期后期的氮素吸收和干物質(zhì)累積以及產(chǎn)量的形成[11-12]，本試驗(yàn)中未能觀測到增加灌漿期施氮比例對(duì)生育期末的植株氮素積累和籽粒產(chǎn)量方面的明顯的促進(jìn)作用，可能是由于本試驗(yàn)中施氮比例的梯度相差較小，未能造成明顯差異.本試驗(yàn)中，在吐絲前分次追施完所有氮肥的處理T1，降低了玉米收獲后土壤的硝態(tài)氮含量并有較高的氮肥利用效率，這與侯云鵬等[13]提出的春玉米開花期前分2次使用氮肥有利于養(yǎng)分供應(yīng)、減少土壤礦氮?dú)埩舻难芯拷Y(jié)果一致.因此在開展噴灌水肥一體化施肥時(shí)，當(dāng)降雨量過大或土壤含水量處于較高狀態(tài)，水肥一體追施氮肥應(yīng)盡量減少灌溉水量，同時(shí)施肥時(shí)期應(yīng)盡量避開降雨高峰期.

4 結(jié) 論

1) 施氮量的增加有利于促進(jìn)春玉米產(chǎn)量增加、干物質(zhì)的積累以及地上部分的氮素吸收，特別是在拔節(jié)到抽雄期，促進(jìn)作用更加明顯.施氮量在160 kg/hm2和200 kg/hm2均促進(jìn)了穗粒數(shù)的形成和百粒質(zhì)量的增加，從而增加了春玉米的產(chǎn)量.作物產(chǎn)量和施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，施氮量的增加在一定程度上促進(jìn)了作物的水分利用效率，但是氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加而減少.

2) 施氮比例對(duì)春玉米產(chǎn)量沒有顯著影響，但處理T1下春玉米的穗長、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量相對(duì)較高，并且T1獲得了最高的氮肥偏生產(chǎn)力、氮素收獲指數(shù)和水分利用效率.處理T2和T3在生育后期莖葉氮素累積量較高，但對(duì)籽粒的產(chǎn)量并沒有明顯的促進(jìn)作用.

3) 0～100 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮?dú)埩袅侩S著施氮量的增加而增多，并隨之向土層深處運(yùn)移.處理T1的平均硝態(tài)氮?dú)埩袅孔钌?，且處理T1N200和T1N160的硝態(tài)氮?dú)埩粼谙嗤┑康母魍翆又芯鶠樽畹?，降低了硝態(tài)氮?dú)埩舻娘L(fēng)險(xiǎn).因此考慮春玉米增產(chǎn)和減少氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)，建議在抽雄前分次追施氮肥，減少后期的施氮比例.

綜上所述，在東北半濕潤區(qū)應(yīng)用圓形噴灌機(jī)種植春玉米時(shí)，推薦總施氮量為160～200 kg/hm2，其中播種期基肥60 kg/hm2，苗期追施10 kg/hm2，剩余在拔節(jié)期追施；苗期和拔節(jié)期均采用噴灌水肥一體化.