滴灌施肥對冬小麥農田土壤-N分布、累積及氮素平衡的影響

陳 靜， 王迎春， 李 虎， 王立肖碧林

(1中國農科院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081; 2北京農業信息技術研究中心，北京 100097)

(1中國農科院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081; 2北京農業信息技術研究中心，北京 100097)

黃淮海平原是典型的冬小麥/夏玉米輪作區,屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候區。由于冬小麥生長季節干旱少雨，為了獲得可觀的產量，高產麥田往往需要大量補充灌水。水肥資源的大量投入帶來了一系列的問題，如水肥利用率低、 氮素損失量大等[14]。為了系統研究滴灌施肥措施下滴施后氮素在土壤中的運移規律、氮素利用效率和氮平衡，筆者在山東冬小麥大田內進行了滴灌施肥試驗，以期為提高滴灌施肥系統的綜合效率提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

表1 試驗地基礎土壤理化性質Table 1 Soil physical-chemical proprieties of experimental plots

1.2 試驗設計與材料

試驗設置4個施氮量處理即N 0(不施肥)、94.5kg/hm2(N1)、189 kg/hm2(N2)和270 kg/hm2(N3)。試驗采用隨機區組設計，每處理重復3次，試驗小區面積=50 m2(5 m×10 m)。滴灌系統采用滴灌線，滴頭間距30 cm，每行小麥布設1條毛管。每個小區配備一個壓差式施肥罐和一個水表，以保證每個小區單獨灌水和施肥的要求，灌溉總壓力為0.3 Mpa，平均滴頭流速為0.15 L/h。根據冬小麥的營養特性，各施肥處理的磷、鉀肥用量相同，折純P2O5和K2O的具體用量分別為84.7和118.3 kg/hm2。氮、鉀肥全部滴施，磷肥20%作為底肥一次施入，80%滴施。其中滴施磷肥成分為磷酸一銨，底肥磷肥成分為過磷酸鈣，三個處理滴施氮肥中均有N 13 kg/hm2來自磷酸一銨，其余來自于尿素。每次滴灌時按比例隨水施肥，具體施肥比例為分蘗期15%，拔節期20%，孕穗期25%，揚花期25%，灌漿期15%。試驗區根據冬小麥需水規律采用測墑補灌法進行滴灌，以田間持水量的75%和100%為灌水下限和上限，試驗區地處半干旱區，土壤濕度相對干旱區較高，每個主要生育期實際灌水一次，灌水的同時隨水施肥一次，具體的灌溉施肥時間和灌溉施肥量見表2。供試小麥品種為魯原502，供試滴灌肥料為水溶性復合肥(新疆自治區農科院研制)，肥料成分為尿素、NH4H2PO4和KCl。

表2 試驗區灌溉施肥管理Table 2 Irrigation and fertilizer management of experimental plots

1.3 取樣與分析

1.3.1 土樣取樣與測定 根據滴灌后農田土壤不完全濕潤，水分在滴頭周圍形成近似截頂橢球體分布區的特性，在拔節期、抽穗期和揚花期三次灌溉施肥24 h后在各小區內分別用土鉆采取U、E和D三點的土壤樣品。U點位于滴頭正下方，E點和D點分別位于滴頭周圍濕潤土體中離作物較遠一側邊界內側和外測5 cm范圍內。根據滴灌量的不同，單個滴頭周圍的濕潤土體水平半徑為15—20 cm，具體見圖1。取樣層次為0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm，每個取樣點、每個層次取1個土樣。

另外，分別于冬小麥播前和收獲后，在0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm的5個層次上用土鉆取樣，為了保證所取樣品能夠代表田間無機氮平均水平，每小區取兩個樣點，取樣點分別在畦上兩株冬小麥之間和滴頭下方位置，然后將取自同一土層的土樣于田間混合均勻。

1.3.2 植株取樣與測定 冬小麥收獲期根、莖、葉和籽粒四部分分別取樣，烘干粉碎，并混合均勻，過0.5 mm篩，陰涼干燥處密封保存。植株樣經H2SO4-H2O2消煮后，用凱氏法測定全氮含量。

圖1 取樣點示意圖Fig.1 Sample location schematic

1.3.3 計算公式及方法

氮表觀礦化(kg/hm2)=不施氮區作物吸氮量+收獲后土壤Nmin-播前土壤Nmin；

氮表觀損失(kg/hm2)=播前氮Nmin+施氮量+表觀礦化量-施氮區作物吸氮量-收獲后Nmin

氮表觀損失率(%)=氮表觀損失量/施氮量×100 ；

氮素吸收利用率(%)=(施氮區作物吸氮量-不施氮區作物吸氮量)/施氮量×100；

氮素農學利用率(kg/kg)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮區產量-不施氮區產量)/(施氮區作物吸氮量-不施氮區作物吸氮量)；

籽粒氮素吸收利用率(%)=(施氮區籽粒部分吸氮量-不施氮區籽粒部分吸氮量)/施氮量×100。

數據均采用SPSS19.0和 Excel2007 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

圖2 施氮量與0—100 cm土層累積量的關系Fig.2 The relation of N fertilization rates and -N accumulation in 0-100 cm soil depths

2.3 土壤-小麥體系中氮素平衡

每次滴灌施肥后氮素在土壤中的運移分布特征和均勻程度將影響土壤-小麥體系的氮素平衡和氮素利用效率。在氮平衡計算中,考慮到小麥根系有效利用土壤氮的范圍,將土壤無機氮所在層次定為0—100 cm深度。從表3看出，土壤氮素礦化量加上起始無機氮的數量，土壤自身供氮量為237.8 kg/hm2，總輸入量隨氮肥施用量的增加而增加。

施氮量較少時，作物吸氮量隨著施氮量的增加而增加，但是當施氮量增加到N3水平后，作物吸氮量不但沒有增加，反而略有下降。冬小麥收獲后Nmin殘留隨施氮量的增加而增加，當施氮量為270 kg/hm2時，殘留量高達262.2 kg/hm2，這部分氮素如不能被后茬作物有效吸收,將淋洗出100 cm土體或通過反硝化途徑損失，造成水體或大氣污染。

2.4 冬小麥氮素利用率

如表4所示，隨著施氮量的增加冬小麥籽粒產量呈現先增加后降低的趨勢，施氮處理的籽粒產量顯著高于不施氮處理，施氮量為189 kg/hm2時籽粒產量最高。綜合氮肥吸收利用率、生理利用率、農學利用率和籽粒氮肥吸收利用率，最優的為N2處理。

3 討論

圖3 滴灌施肥24 h后不同位置不同層次土壤-N變化Fig.3 Variation of soil -N content in different depth 24 h after drip irrigation[注(Note)： U—滴頭下方Under emitter; E—滴頭周圍濕潤土體的邊緣The edge of wet zone around emitter; D—滴頭周圍形成的濕潤土體邊緣以外的干燥區Dry zone near the wet zone around emitter. 圖中誤差線為三個空間重復的標準誤差The vertical bars indicate standard errors of three replicates.]

圖4 冬小麥收獲后不同施氮水平下不同土層-N累積量Fig.-N accumulation after winter wheat harvest in different soil depths under different nitrogen fertilizer application rates[注(Note)： 柱上不同小寫字母表示同一深度下不同施氮量處理差異顯著性(P<0.05) Different letters above the bars of different soil depth groups mean significant among different N application rates at the P<0.05 level.]表3 冬小麥全生育期的0—100 cm氮素平衡(kg/hm2)Table 3 Nitrogen balance across the whole growing season in 0-100 cm soil layers

項目ItemN0N1N2N3氮輸入Nitrogeninput 施氮量Nitrogenrate094.5189270 播前NminNminbeforesowing174.6174.6174.6174.6 礦化Netmineralization63.263.263.263.2 總投入Totalinput237.8332.3426.8507.8氮輸出Nitrogenoutput 作物攜出Cropuptake137.3c185.7b228.6a201.7ab 殘留NminResidualNmin100.8c127.9bc166.2b262.7a表觀損失Apparentlosses019.132.543.4

注(Note): 同一行數值后的不同小寫字母分別表示處理間差異顯著(P<0. 05) Values followed by different small letters within each row are significant among different treatments atP< 0. 05.

表4 施氮量對冬小麥籽粒產量及氮素利用率的影響Table 4 Effects of nitrogen supply levels on grain yield and nitrogen use efficiencies of winter wheat

注(Note): NRE—Nitrogen recovery efficiency; NPE—Nitrogen physiological efficiency; NAE—Nitrogen agronomic efficiency; GNRE—Grain nitrogen recovery efficiency同列數值后的不同小寫字母表示處理間在P< 0.05 水平差異顯著 Values followed by different small letters within each column are significant among different treatments atP< 0.05 level.

[1] Papadopoulos I. Nitrogen fertigation of greenhouse-grown cucumber[J]. Plant and Soil, 1986, 93(1): 87-93.

[2] Burt C, O’Connor K, Ruehr T. Fertigation[M]. San Luis Obispo: California Polytechnic State University irrigation training and research center, 1995.

[3] Haynes R J. Principles of fertilizer use for trickle irrigated crops[J]. Fertilizer Research, 1985, 6(3): 235-255.

[4] 農業部辦公廳. 水肥一體化技術指導意見[EB/OL]. http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201303/t20130304_32369 67.htm, 2013. General Office of the Ministry of Agriculture. Fertigation technical guidance [EB/OL]. http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201303/t20130304_3236967.htm，2013.

[5] Li J S, Zhang J J, Rao M J. Wetting patterns and nitrogen distributions as affected by fertigation strategies from a surface point source[J]. Agricultural Water Management, 2004, 67: 89-104.

[6] 李久生, 張建君, 任理. 滴灌點源施肥灌溉對土壤氮素分布影響的試驗研究[J]. 農業工程學報, 2002, 18(5): 61-66. Li J S, Zhang J J, Ren L. Nitrogen distributions in soil under fertigation from a point source[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(5): 61-66．

[7] 李久生, 張建君, 薛克宗. 滴灌施肥灌溉原理與應用[M]. 北京: 中國農業科學技術出版社, 2003. Li J S, Zhang J J, Xue K Z. Principles and applications of fertigation through drip irrigation systems[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2003.

[8] Haynes R J. Movement and transformations of fertigated nitrogen below trickle emitters and their effects on pH in the wetted soil volume[J]. Fertilizer Research, 1990, 23: 105-112.

[10] Hanson B, Simunek J, Hopmans J. Evaluation of urea-ammonium-nitrate fertigation with drip irrigation using numerical modeling[J]. Agricultural Water Management, 2006, 86: 102-113.

[11] 習金根, 周建斌, 趙滿興, 等. 滴灌施肥條件下不同種類氮肥在土壤中遷移轉化特性的研究[J]. 植物營養與肥料學報, 2004,10(4): 337-342. Xi J G, Zhou J B, Zhao M Xetal. Leaching and transforming characteristics of different nitrogen fertilizers added by fertigation[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(4): 337-342.

[12] Hajrasuliha S, Rolston D E, Louie D T. Fate of15N fertilizer applied to trickle-irrigated grapevines[J]. American Journal of Enology and Viticulture, 1998, 49: 191-198.

[13] Rajput T B S, Patel N. Water and nitrate movement in drip-irrigated onion under fertigation and irrigation treatments[J]. Agricultural Water Management, 2006, 79(3): 293-311.

[14] 陳健, 宋春梅, 劉云慧. 黃淮海平原旱田氮素損失特征及其環境影響研究[J]. 中國生態農業學報, 2006,14(2): 99-102. Chen J, Song C M, Liu Y H. Characteristics of N loss and its environmental effects in the dryland of Huang-Huai-Hai plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14(2): 99-102.

[15] 陳靜, 王迎春, 李虎, 等. 滴灌施肥對免耕冬小麥水分利用及產量的影響[J]. 中國農業科學, 2014, 47(10): 1966-1975. Chen J, Wang Y C, Li Het.al. Effects of drip fertigation with no-tillage on water use efficiency and yield of winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(10): 1966-1975.

[18] 趙俊曄, 于振文, 李延奇, 等. 施氮量對土壤無機氮分布和微生物量氮含量及小麥產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2006,12(4): 466-472. Zhao J Y, Yu Z W, Li Y Qetal. Effects of nitrogen application rate on soil inorganic nitrogen distribution, microbial biomass nitrogen content and yield of wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006,12(4): 466-472.

[19] 韓燕來, 葛東杰, 汪強, 等. 施氮量對豫北潮土區不同肥力麥田氮肥去向及小麥產量的影響[J]. 水土保持學報, 2007, 21(5): 141-154. Han Y L, Ge D J, Wang Qetal. Effect of N fertilizer rate on fate of labeled nitrogen and winter wheat yield on different soil fertility fields in chao soil area in North Henan[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(5): 141-154.

[20] 林琪, 侯立白, 韓偉. 不同肥力土壤下施氮量對小麥子粒產量和品質的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2004, 10(6): 561-567. Lin Q, Hou L B, Han W. Effects of nitrogen rates on grain yield and quality of wheat in different soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(6): 561-567.

[22] 巨曉棠, 劉學軍, 張福鎖. 冬小麥與夏玉米輪作體系中氮肥效應及氮素平衡研究[J]. 中國農業科學, 2002, 35(11): 1361-1368. Ju X T, Liu X J, Zhang F S. Study on Effect of nitrogen fertilizer and nitrogen balance in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultural Sinica, 2002, 35(11): 1361-1368.

Characteristics soil nitrate nitrogen distribution, accumulation and nitrogen balance in winter wheat field under drip fertigation

CHEN Jing1,2, WANG Ying-chun1*, LI Hu1, WANG Li-gang1,, XIAO Bi-lin1

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;2BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing10097,China)

2014-04-11 接受日期： 2015-03-17 網絡出版日期： 2015-05-08

公益性行業(農業)科研專項(201203012-4-4， 201103039)資助。

陳靜(1982—)，女，江西玉山人，博士，主要從事農業環境生態研究。E-mail: chenj@nercita.org.cn * 通信作者 E-mail: wangyingchun@caas.net.cn

S275.6； S512.1+1

A

1008-505X(2015)04-0927-09