李晶晶，臧文靜，黎耀軍，顧濤，嚴海軍*

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，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”行動和“到2020年化肥使用量零增長行動方案”[4]，推廣和發(fā)展了噴灌工程43.7萬hm2，其中圓形噴灌機灌溉工程8.2萬hm2[5], 為東北地區(qū)推廣圓形噴灌機和發(fā)展水肥一體化技術(shù)提供了有力的支持，這對提高當?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)集中在對滴灌水肥一體化施氮量、施氮次數(shù)的增產(chǎn)效應、水肥耦合效應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)，圓形噴灌機的應用面積較大，但相應灌水施肥技術(shù)卻很缺乏[6]，導致噴灌水肥一體化技術(shù)在東北地區(qū)的應用缺乏理論依據(jù)與技術(shù)支持.目前，當?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，嚴重降低了玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，導致氮肥資源濫用、環(huán)境污染風險增加等諸多問題[7-8].為此，文中將根據(jù)春玉米不同生長時期的水肥需求規(guī)律，分析圓形噴灌機條件下開展不同氮肥管理對土壤水氮運移，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)應用噴灌水肥一體化技術(shù)，實現(xiàn)春玉米的高產(chǎn)和水氮高效利用提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2017年5—10月進行，試驗地點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，多年平均風速約為4 m/s.試驗地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 試驗設計

本試驗包含2個因素：施氮量w和不同時期的施氮比例(見表1)，p為噴施量.經(jīng)調(diào)查當?shù)仄骄┑繛?00 kg/hm2，因此試驗設置了3個總施氮量：N200(200 kg/hm2)，N160(160 kg/hm2)和N120(120 kg/hm2)，其中播種時隨底肥統(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個處理，每處理設置3個重復，共27個小區(qū).

表1 試驗設計

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

圖1 試驗布置示意圖

試驗中底肥氮、磷、鉀的施入量為N:60 kg/ hm2、P2O5:44 kg/ hm2、K2O:68 kg/ hm2，在播種時通過播種機埋施統(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補充灌溉，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 測定項目與計算方法

1.3.1 植株干物質(zhì)及全氮含量的測定

每個小區(qū)選取代表性春玉米3株，將樣品分器官稱鮮質(zhì)量，在105 ℃下進行0.5 h殺青處理后再在70 ℃下烘干至恒重，測定并計算干物質(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)量比乘以相應的重量，得到計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土壤水分進行測定，并用烘干法進行率定.土壤水分傳感器的探頭埋設深度分別為30 ，50，70 ，90 cm，每隔15 min自動采集1次數(shù)據(jù).在測定硝態(tài)氮時，土鉆法取土的深度為1 m，每20 cm取1盒土樣，將土樣風干后研磨并過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)量指標的測定

測產(chǎn)時，在每個小區(qū)取3個樣方.每個樣方長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%的標準產(chǎn)量(kg/hm2).

1.3.3 水氮分利用效率

水分利用效率的計算公式為

(1)

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

ETa=ΔSW+I+P+K-DP-R，

(2)

其中：ETa為作物實際耗水量，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，因試驗區(qū)地塊較平坦，試驗過程并沒有觀察到徑流產(chǎn)生，故R=0 mm；DP的計算公式[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)和飽和導水率Ks(mm/d)有關(guān)，計算式為

(4)

其中：Δt為時間步長，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為土壤飽和導水率.

關(guān)于氮素利用效率的計算：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)計軟件，對不同施氮管理下的玉米生長和產(chǎn)量指標、土壤硝態(tài)氮運移等試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較，采用Origin 9.0 進行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分變化和氮殘留的影響

如圖2所示，整個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，計算得到生育期的滲漏量為80 mm，滲漏發(fā)生的時間集中在6月中旬至7月初以及8月中旬.較大強度的降雨導致了滲漏量峰值的出現(xiàn)，在6月21日達到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)氮殘留量ρN隨著深度h的增加，整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.隨著施氮量的增加，土壤硝態(tài)氮殘留量在各層均呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象，在高氮處理下，土壤氮殘留量主要集中在60 cm土層，中氮和低氮處理的氮殘留主要集中在20 cm深度的土層中.表明施氮量的增加會增加每一層土壤硝態(tài)氮的殘留量，硝態(tài)氮向下運移的可能性增加，從而增加深層土的氮殘留量.

圖4 相同施氮比例、不同施氮量處理下土壤硝態(tài)氮殘留量的分布情況

圖5為相同施氮量，不同施氮比例下土壤硝態(tài)氮殘留分布情況.由圖5a可以看出，在高施氮量處理下，不同的施氮比例對土壤硝態(tài)氮殘留的分布影響較大，處理T1N200的硝態(tài)氮殘留量均小于其他2個處理，處理T3N200的60～80 cm土層的硝態(tài)氮殘留量最高.從圖5b可以看出，處理T1N160土層中的硝態(tài)氮殘留量最少.施氮量較低時不同施氮比例差異不明顯.由上述分析可知，當施氮量為160～200 kg/hm2時，處理T1的硝態(tài)氮殘留在各土層中均最低，這對減少環(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)氮殘留的分布情況

2.2 對春玉米生長及產(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)計學意義(P>0.05).不同施氮比例處理之間，產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05).處理T1N200獲得了最高產(chǎn)量12 489.6 kg/hm2.對產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系進行回歸分析得到：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，當施氮量為210 kg/hm2時，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)計學意義(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 對春玉米水氮利用效率的影響

表3為不同施氮處理對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)計學意義(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春玉米的氮吸收量，施氮量較低時會降低作物的氮吸收，進而影響作物生長.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)計學意義(P>0.05).施氮比例對偏肥生產(chǎn)力的增長影響不具有統(tǒng)計學意義(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氮素收獲指數(shù)影響不具有統(tǒng)計學意義(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

本試驗只進行了1 a，結(jié)論受氣象條件影響較大，尤其是降水量的影響，試驗期間春玉米整個生育期的降水量為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，而試驗中灌漿初期施肥時恰逢當?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]，本試驗中未能觀測到增加灌漿期施氮比例對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作用，可能是由于本試驗中施氮比例的梯度相差較小，未能造成明顯差異.本試驗中，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、減少土壤礦氮殘留的研究結(jié)果一致.因此在開展噴灌水肥一體化施肥時，當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盡量減少灌溉水量，同時施肥時期應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，促進作用更加明顯.施氮量在160 kg/hm2和200 kg/hm2均促進了穗粒數(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，但對籽粒的產(chǎn)量并沒有明顯的促進作用.

3) 0～100 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮殘留量隨著施氮量的增加而增多，并隨之向土層深處運移.處理T1的平均硝態(tài)氮殘留量最少，且處理T1N200和T1N160的硝態(tài)氮殘留在相同施氮量的各土層中均為最低，降低了硝態(tài)氮殘留的風險.因此考慮春玉米增產(chǎn)和減少氮素淋失風險，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)應用圓形噴灌機種植春玉米時，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.