摘要：為探明滴灌不同水氮調(diào)控對(duì)寧夏沙土地區(qū)春玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量、氮素吸收和根區(qū)土壤硝態(tài)氮分布及殘留量的影響，設(shè)計(jì)灌水和施氮2因素，3個(gè)灌水量水平(W0.6，0.6KcET0;W0.8，0.8KcET0;W1.0，1.0KcET0，Kc為作物系數(shù)，ET0為潛在作物蒸發(fā)蒸騰量)和4個(gè)施氮量水平(N150，150kg/hm2;N225，225kg/hm2;N300，300kg/hm2;N375，375kg/hm2)，進(jìn)行大田試驗(yàn)。結(jié)果表明：相同灌水條件下，地上部干物質(zhì)累積速率和氮素累積速率(除W0.8灌水水平)均隨施氮量的增加先增加后減小。快增期內(nèi)，W1.0N300處理的地上部干物質(zhì)累積速率和W0.8N375處理的氮素累積速率最大，分別為513.71、2.75kg/(hm2·d)。

　　春玉米地上部干物質(zhì)累積量(W0.8N375除外)和產(chǎn)量隨施氮量的增加先增加后減小，其中W0.8N300處理的產(chǎn)量最大，為16387kg/hm2。相比于其他灌水處理，W0.8灌水水平下的營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最大，為41.14kg/hm2。隨著灌水量和施氮量的增加，60~100cm土層硝態(tài)氮累積量所占的比例逐漸增加，其中W0.6和W0.8灌水水平下，土壤殘留的硝態(tài)氮分別主要聚集在0~60cm和0~90cm土層中。考慮試驗(yàn)區(qū)年際降雨量分布不均，選取灌水量與有效降雨量之和為532mm、施氮量為300kg/hm2為寧夏沙土地區(qū)適宜的滴灌灌水施肥制度。

　　關(guān)鍵詞：春玉米;沙土地區(qū);水氮;土壤硝態(tài)氮;滴灌

　　0引言

　　滴灌作為當(dāng)今一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，既能進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的水肥供應(yīng)，又能提高作物根區(qū)水肥分布的均勻度[1]，在干旱半干旱地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。研究表明，滴灌條件下適宜的氮肥供應(yīng)能明顯地促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收，提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率[4];但另一方面，水肥供應(yīng)過(guò)多不僅會(huì)降低作物水肥利用效率和產(chǎn)量[5]，還會(huì)使大量土壤硝態(tài)氮淋移到深層土壤，造成地下水污染[6-8]。因此，了解和掌握滴灌施肥條件下作物的氮素吸收和養(yǎng)分分布情況，制定更合理的灌溉施肥制度，從而提高作物養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量，減小水肥供應(yīng)和地下水污染，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。應(yīng)用田間試驗(yàn)手段研究滴灌水肥耦合對(duì)作物氮素吸收及土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊懯侵贫ǜ咝Ч喔仁┓手贫鹊闹匾�途徑。目前，�?guó)內(nèi)外在應(yīng)用滴灌水肥一體化技術(shù)進(jìn)行作物養(yǎng)分吸收方面已開展了諸多研究。

　　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，減小氮營(yíng)養(yǎng)流失，降低土壤中硝態(tài)氮向深層土壤滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。GHEYSARI等[11]研究發(fā)現(xiàn)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別高于70%ETc和85%ETc。劉洋等[12]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌玉米成熟期干物質(zhì)量和氮素吸收量比地面灌溉高22%和23%，產(chǎn)量平均提高了9%。針對(duì)不同灌溉方式對(duì)土壤硝態(tài)氮含量及分布的影響研究中，王建東等[13]發(fā)現(xiàn)，相比地下滴灌，地表滴灌能降低土壤中硝態(tài)氮下滲的幾率。韋彥等[14]研究表明，滴灌施肥條件下土壤硝態(tài)氮大多聚集在表層，淋洗量比畦灌減小85.9%。

　　玉米作為我國(guó)第一大糧食作物，在保障我國(guó)糧食安全及能源危機(jī)上有著重要的作用[15]。地處西北干旱半干旱地區(qū)的寧夏，是我國(guó)重要的春玉米生產(chǎn)基地之一，但水資源短缺和傳統(tǒng)的地面灌溉方式使寧夏沙土地區(qū)的春玉米灌溉保證率較低，產(chǎn)量不穩(wěn)和水肥利用效率低下等問(wèn)題依然存在。本文采用水肥一體化滴灌技術(shù)，通過(guò)研究寧夏沙土地區(qū)不同水氮供應(yīng)條件下春玉米產(chǎn)量、氮素吸收累積及其轉(zhuǎn)運(yùn)效率，探究收獲后根區(qū)土壤硝態(tài)氮的分布?xì)埩羟闆r，分析滴灌玉米的水氮耦合效應(yīng)。結(jié)合該地區(qū)實(shí)際降雨情況，提出更適合該沙土地區(qū)的春玉米水氮管理方案，旨為干旱半干旱沙土地區(qū)玉米高產(chǎn)協(xié)同水分、養(yǎng)分高效利用及減小地下水污染提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)地概況

　　試驗(yàn)于2018年4—9月在寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣馮記溝試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于東經(jīng)106°31'，北緯38°34'，海拔1204m，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)年日照時(shí)數(shù)為2867h，年平均氣溫8.5℃，大于等于10℃積溫為2944.9℃，無(wú)霜期128d;年平均降雨量290mm，且年際變化大，多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2179.8mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為沙土，土壤容重1.55g/cm3，0~100cm田間持水率為27.10%(體積含水率)，pH值8.60，地下水埋深30m以上，基礎(chǔ)肥力(質(zhì)量比)為：有機(jī)質(zhì)4.13g/kg，全氮0.30g/kg，全磷0.34g/kg，全鉀19.24g/kg，速效磷5.48mg/kg，速效鉀78.33mg/kg。試驗(yàn)區(qū)玉米生育期(4—9月)有效降雨量為205mm。

　　1.2試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

　　供試春玉米品種為“先玉1225”，為當(dāng)?shù)赝茝V的密植品種。2018年4月20日播種，2018年9月26日收獲，共160d。肥料選用常用肥，分別為尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.4%)、磷酸一銨(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%)和硫酸鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%)。滴灌施肥系統(tǒng)由水泵、過(guò)濾器、施肥罐和輸配水管道系統(tǒng)等組成。滴灌帶為內(nèi)嵌式滴灌帶，滴頭間距30cm，滴頭流量2.5L/h，滴頭工作壓力0.1MPa。試驗(yàn)設(shè)置灌水量和施氮量2因素，施氮量設(shè)置4個(gè)水平：N150、N225、N300、N375(150、225、300、375kg/hm2)，磷鉀施用量均為150kg/hm2。

　　將試驗(yàn)區(qū)2000—2017年春玉米生育期內(nèi)潛在作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)和作物系數(shù)Kc相結(jié)合，Kc根據(jù)作物生育階段而定，苗期取0.7、拔節(jié)—灌漿期取1.2、乳熟—成熟期取0.6[16]。進(jìn)而推算出試驗(yàn)區(qū)春玉米生育期內(nèi)潛在充分耗水量(1.0KcET0)為450mm，記為W1.0。以此為依據(jù)，設(shè)3個(gè)滴灌水量W0.6(0.6W1.0)、W0.8(0.8W1.0)和W1.0，共12個(gè)處理，各處理3次重復(fù)。試驗(yàn)區(qū)為引黃(水庫(kù)蓄水)灌區(qū)，需采取輪灌工作制度，因此采取10d作為設(shè)計(jì)灌水間隔[17]。為了控制春玉米苗期生長(zhǎng)過(guò)快，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，該地區(qū)在生產(chǎn)中一般采用玉米小苗末期開始灌水，但該地區(qū)春季極易發(fā)生春旱，導(dǎo)致出苗率降低;另外根據(jù)該地區(qū)歷史氣象資料，試驗(yàn)區(qū)年際降雨量變化較大，且多集中在7—9月。

　　因此，春玉米的灌溉制度需根據(jù)實(shí)際降雨情況進(jìn)行灌水量和灌水日期的調(diào)整(主要調(diào)節(jié)灌水日期，即遇降雨灌水日期順延[17])。2018年春玉米生育期內(nèi)的實(shí)際灌水量分別為W0.6(253mm)、W0.8(327mm)、W1.0(409mm)。試驗(yàn)區(qū)采用水肥一體化的滴灌施肥方式，小區(qū)面積為132m2(20m×6.6m)，每個(gè)處理3次重復(fù)。春玉米采用寬窄行播種，寬行玉米間距為70cm，窄行玉米間距為40cm，玉米株距為20cm，種植密度為90945株/hm2。滴灌帶鋪設(shè)在窄行玉米中間，一條滴灌帶控制2行春玉米灌水施肥，為保證灌水施肥的均勻性，采用橫向供水方式[18]。根據(jù)春玉米的生長(zhǎng)特性，整個(gè)生育期共施肥4次，每次施肥量占總施肥量分別為苗期(20%)、小喇叭口期(30%)、抽雄期(30%)和灌漿期(20%)[17]。

　　1.3測(cè)定內(nèi)容和方法

　　1.3.1地上部干物質(zhì)累積量與植株氮素吸收累積量測(cè)定

　　分別在春玉米播種后51、70、85、113、160d取樣，每個(gè)小區(qū)選取有代表性的植株3株，從莖基部與地上部分離，去除表面污垢后按莖、葉片、苞葉+穗軸、籽粒4部分分離，放入干燥箱105℃殺青0.5h，75℃下干燥至恒定質(zhì)量，采用電子天平稱量并計(jì)算單株地上干物質(zhì)量，最后換算成群體生物量(kg/hm2)。并稱取各器官的干物質(zhì)量后磨碎，用H2SO4-H2O2消煮，并用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer-III型，德國(guó)BranLuebbe公司)測(cè)定植物樣品全氮含量[19]。

　　1.4數(shù)據(jù)處理

　　采用MicrosoftExcel2016處理數(shù)據(jù);采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析;采用Origin9.0軟件作圖。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1水氮互作對(duì)春玉米地上部干物質(zhì)和氮素累積速率的影響

　　為地上部干物質(zhì)量、氮素累積量與生長(zhǎng)時(shí)間的Logistic函數(shù)的擬合方程，并對(duì)其求一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)。地上部干物質(zhì)和氮素累積速率均隨生長(zhǎng)時(shí)間的遞進(jìn)先增加后減小，各處理之間的差異隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推進(jìn)而加大。相同灌水情況下，地上部干物質(zhì)累積速率和氮素累積速率(除W0.8灌水水平)均隨施氮量的增加先增加后減小。

　　快增期內(nèi)，各灌水水平下的地上部干物質(zhì)平均累積速率最大值分別在W0.6N225、W0.8N300和W1.0N300處理，其中W1.0N300處理的地上部干物質(zhì)累積速率最大，為513.71kg/(hm2·d)，與其他兩個(gè)處理相比分別提高了32.56%和22.83%;各灌水水平下的氮素平均累積速率最大值分別在W0.6N225、W0.8N375和W1.0N300處理，其中W0.8N375處理的氮素累積速率最大，為2.75kg/(hm2·d)，與其他兩個(gè)處理相比分別提高了29.72%和30.95%。

　　2.2水氮互作對(duì)春玉米地上部干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

　　在W0.6和W1.0灌水水平條件下，當(dāng)施氮量分別高于225kg/hm2和300kg/hm2時(shí)會(huì)抑制該灌水條件下春玉米的生長(zhǎng)，從而降低了地上部干物質(zhì)量累積量，地上部干物質(zhì)累積量總體表現(xiàn)出隨施氮量增加先增加后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明施氮量過(guò)大會(huì)阻礙干物質(zhì)的累積，降低了籽粒干物質(zhì)的累積量。而在W0.8灌水水平條件下，該現(xiàn)象并不太明顯。在各處理之間籽粒干物質(zhì)累積量最大，分別占總累積量的52.69%～57.00%。

　　3討論

　　前人在棉花[25]、甜瓜[26]、番茄[27]的水肥耦合研究結(jié)果表明，適宜的水肥條件下作物產(chǎn)量最高，當(dāng)水肥供應(yīng)超過(guò)一定閾值時(shí)，產(chǎn)量呈下降的趨勢(shì)，本研究結(jié)果與之相似：施氮量低于225kg/hm2(或300kg/hm2)，W0.6(或W0.8、W1.0)下灌水水平，增加施氮量對(duì)提高作物產(chǎn)量和氮素吸收利用明顯，但當(dāng)施氮量高于225kg/hm2(或300kg/hm2)時(shí)，增產(chǎn)效果不顯著且造成減產(chǎn)，同時(shí)也符合GHEYSARI等[28]表明的最佳施氮量會(huì)隨灌水量的增加而增加的研究結(jié)果。另外本研究表明，相同灌水條件下，大多處理的地上部干物質(zhì)和氮素累積速率均隨施氮量的增加先增加后減小，其中在快增期內(nèi)，W1.0N300處理的地上部干物質(zhì)累積速率最大，為513.71kg/(hm2·d)，W0.8N375處理的氮素累積速率最大，為2.75kg/(hm2·d)。在中灌水(W0.8)和高灌水(W1.0)灌水條件下，水分利用效率隨著灌水量的增加先增加后減小，并且低灌水(W0.6)條件下，N375處理的WUE也顯著低于其他處理(P<0.05)。

　　本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抽雄期后，莖和葉的氮素吸收累積量隨著生育期的遞進(jìn)逐漸減小，籽粒氮素累積量逐漸增加，說(shuō)明抽雄期后植株?duì)I養(yǎng)器官中的氮素向籽粒中發(fā)生了轉(zhuǎn)運(yùn)[29]。各灌水水平下，施氮量為150kg/hm2處理的抽雄期后氮素吸收量均較低，可能是因?yàn)樵撌┑�量不能有效地滿足該地區(qū)春玉米后期對(duì)氮素的吸收利用。在W0.8灌水水平下的營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最大，為41.14kg/hm2，在低灌水(W0.6)水平下，N375處理的NRE最低，顯著低于其他處理(P<0.05)，說(shuō)明氮肥施用量過(guò)高對(duì)營(yíng)養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)產(chǎn)生抑制作用。另外，低灌水(W0.6)水平下，氮素利用效率(NUE)隨著施氮量的增加呈先增加后減小，而中灌水(W0.8)水平和高灌水(W1.0)水平下，各施氮處理之間(除W1.0N150處理)的NUE卻無(wú)明顯差異(P>0.05)。相同灌水條件下，氮素吸收效率和氮肥利用率均與施氮量呈反比，與郭金金等[30]的研究結(jié)果相似。

　　硝態(tài)氮作為作物吸收利用的主要形態(tài)[31]，其分布情況和殘留量受作物氮素的吸收、灌水方法和施氮量的影響[32]，施氮量投入過(guò)高會(huì)顯著增加土壤中硝態(tài)氮的殘留[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌水量和施氮量對(duì)土壤硝態(tài)氮的分布和含量有顯著性影響：增加施氮量，硝態(tài)氮含量增大;隨著灌水量和施氮量的增加，深層土壤中硝態(tài)氮含量有逐漸增加的趨勢(shì);W0.6和W0.8灌水水平下滴頭下方40~60cm之間出現(xiàn)不同程度的硝態(tài)氮的累積區(qū)，該現(xiàn)象隨著施氮量的增加越明顯，這與李久生等[34]的研究結(jié)論比較相似。BADR等[6]的研究也表明硝態(tài)氮隨水分運(yùn)移向濕潤(rùn)鋒附近累積。

　　這是因?yàn)橄鯌B(tài)氮極易溶于水并隨水流運(yùn)動(dòng)，根系的向水性使較多的水分在進(jìn)入土壤后沿水平方向運(yùn)動(dòng)，在濕潤(rùn)體的橫向邊緣產(chǎn)生累積，而滴頭的正下方由于含水量較高，阻礙了硝態(tài)氮的垂直運(yùn)動(dòng)，并且滴頭正下方由于長(zhǎng)期保持較高的含水量，使得該處通氣狀況較差，有利于反硝化作用的形成[35]，導(dǎo)致該處硝態(tài)氮含量較低。另外研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的增加，60~100cm土層硝態(tài)氮累積殘留量所占的比例逐漸增加，而W0.8灌水水平下殘留的硝態(tài)氮主要分布在0~90cm土層，能較好地滿足春玉米大部分根系對(duì)水分及養(yǎng)分的吸收利用[17]。相比而言，W1.0灌水水平硝態(tài)氮的殘留累積區(qū)有下移的趨勢(shì)，說(shuō)明灌水量過(guò)多會(huì)產(chǎn)生重力水下滲，使得硝態(tài)氮向深層土壤淋失，增加地下水污染的幾率[36]。

　　因此，合理的灌水量和施氮量，能夠減緩硝態(tài)氮往深層土壤的運(yùn)移，從而降低了地下水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮產(chǎn)量、氮素利用效率和土壤硝態(tài)氮?dú)埩衾鄯e量及分布規(guī)律，W0.8N300處理的產(chǎn)量最高，并且氮素吸收累積量與最高氮素吸收累積量W1.0N300處理無(wú)顯著性差異;N150處理的氮素吸收利用效率雖然獲得最大值，但嚴(yán)重影響產(chǎn)量，不符合實(shí)際高產(chǎn)目標(biāo)。高灌水(W1.0)處理增加了土壤硝態(tài)氮向深層滲漏的幾率，而中灌水(W0.8)處理的土壤硝態(tài)氮分布在0~90cm土層，較好地滿足了春玉米根系對(duì)水分及養(yǎng)分的吸收利用。另外，考慮到試驗(yàn)區(qū)年際降雨量分布不均，具體的灌水量應(yīng)根據(jù)實(shí)際降雨量為參考而進(jìn)行調(diào)整。因此，灌水量與有效降雨量之和為532mm、施氮量為300kg/hm2是寧夏沙土地區(qū)適宜的滴灌灌水施氮組合。

　　4結(jié)論

　　(1)相同灌水條件下，地上部干物質(zhì)累積速率和氮素累積速率(除W0.8灌水水平)均隨施氮量的增加先增加后減小。在快增期內(nèi)，W1.0N300處理的地上部干物質(zhì)累積速率和W0.8N375處理的氮素累積速率最大，分別為513.71kg/(hm2·d)和2.75kg/(hm2·d)。(2)春玉米地上部干物質(zhì)累積量(除W0.8N375處理)和產(chǎn)量會(huì)隨施氮量的增加先增加后減小，W0.6灌水水平的最佳施氮量明顯低于W0.8和W1.0灌水水平。W0.8N300處理的產(chǎn)量最大，為16387kg/hm2。

　　(3)W0.6和W1.0灌水水平下，植株氮素吸收量均隨施氮量的增加先增加后減小;而W0.8灌水水平下，除W0.8N150處理，其余處理無(wú)顯著性差異。另外，W0.8N300的營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最大，為41.14kg/hm2。(4)0~100cm土層中的硝態(tài)氮累積量與施氮量成正比，與灌水量成反比。W0.6和W0.8灌水水平下，土壤殘留的硝態(tài)氮分別主要聚集在0~60cm和0~90cm土層中，W1.0灌水水平的硝態(tài)氮有下移的趨勢(shì)。(5)考慮試驗(yàn)區(qū)年降雨量分配不均，本研究選取灌水量與有效降雨量之和為532mm，施氮量為300kg/hm2為寧夏沙土地區(qū)適宜的滴灌灌水施肥制度。

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