玉米滴灌過程中施肥時段對氮肥利用效率的影響研究

麻瑋青，范興科,2(.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 7200 ；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 7200)

0 引 言

俗話說，有收無收在于水，收多收少在于肥，這句俗語明確地指出了水肥在農業生產中的重要地位。尤其是在干旱半干旱地區，水肥是影響農業生產的主要限制因素[1]。在我國西北地區，水資源短缺和嚴重浪費使得缺水問題更加惡化，同時一味地追求高產而采取高水高肥使得水肥利用效率低下，面源污染嚴重。要解決農業生產面臨的這些問題，使生態環境得到良性循環，就要切實提高水肥利用效率[2,3]。

滴灌是一種灌水過程和灌水量可控的灌水技術，利用管道將灌溉水輸送到作物根區附近，進行局部濕潤土壤[4]；因此基于滴灌技術的水肥一體化灌溉施肥，可以根據作物生長對水肥的需求，適時適量的將水肥直接供應到作物根系附近的土壤，減少了水肥的滲漏、揮發等損失，顯著提高水肥利用效率，既可節約水肥又能防止面源污染；與此同時，也可以實現水肥耦合，同步發揮作用，促進肥料的轉化，有利于作物的吸收利用，體現了滴灌施肥節水、節肥、高產、高效的優點[5-7]。

國內外目前關于水肥一體化灌溉技術的研究多偏重于施肥制度和灌水制度的研究[8-13]，而對于灌水施肥后，肥力因素在土壤中的分布及運移變化研究較少，特別是灌水過程中不同時段施肥對養分在土壤剖面中的分布變化，肥料利用效率和對作物生長的影響研究更少。在此之前，王旭洋模擬了風干均質土壤在相同灌水施肥量條件下，施肥時段對氮素在土壤中分布的時空變化影響，得出不同施肥時段土壤濕潤體內的氮素分布具有顯著差異[14]。為了探索實際生產中，大田作物在水肥一體化滴灌條件下，不同施肥時段對作物水肥利用效率的影響，本研究以大田玉米為研究對象，在滴灌過程中分階段施肥，分析土壤中主要養分(硝態氮)的時空分布特點、變化規律和利用率，為大田作物水肥高效利用提供技術支撐。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年在寧夏回族自治區吳忠市同心縣王團鎮旱作節水科技園實施。王團鎮地處中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均氣溫8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，無霜期120～218 d。多年平均降雨量272.6 mm，平均蒸發量2325 mm，地下水位埋深25～45 m。試驗區土壤為砂壤土，土壤容重為1.43 g/cm3；玉米播種前測試驗區土壤肥力本底值：全氮0.65 g/kg，全鹽0.25 g/kg，有機質8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效鉀170.00 mg/kg；pH7.83，田間持水率23.11%。

1.2 試驗設計

試驗以寧夏揚黃灌區春玉米為研究對象，采用水肥一體化滴灌施肥方式。玉米采取寬窄行播種，窄行間距40 cm，寬行間距80 cm，株距20 cm。滴灌帶布設在窄行玉米中間，采取1管2行的布設方式，兩側分別距玉米種植行20 cm，滴灌帶滴頭間距30 cm，滴頭出水流量2.7 L/h。根據研究內容和目標，試驗共設計4個處理：A處理采用前1/2時段灌水施肥，后1/2時段灌水；B處理采用為前1/4時段灌水，接下來1/2時段灌水施肥，最后1/4時段灌水；C處理采用前1/2時段灌水，后1/2時段灌水施肥；D處理采用全時段灌水施肥。每個處理3次重復，每個小區長44 m，寬12 m，試驗區面積為528 m2。

試驗過程中氮磷鉀肥全部作為追肥，本次試驗灌水定額為 240 m3/hm2，施肥定額為：純氮56 kg/hm2，磷(五氧化二磷)和鉀(氧化鉀)各施28 kg/hm2，在試驗期間隨水滴施。每個小區的灌水量和施肥量如表1所示，每個小區灌水時間為4 h，試驗采用壓差式施肥罐供肥，試驗開始前先將所施肥料完全溶解于施肥罐中，連接于滴灌系統中備用，根據設計施肥時段打開施肥罐施肥。

1.3 土壤樣品采集與處理

玉米拔節期到抽雄吐絲期為玉米植株快速生長期。進入抽雄期后，根系生長接近最大，葉面覆蓋率較高，水分和養分需求較大，另外考慮到滴灌屬于局部灌溉，灌水施肥結束后，土壤水分和養分有一個運移和再分布到接近穩定的過程，因此本試驗選在玉米抽雄期間灌水施肥后第2 d和下次灌水前1 d(灌后第9 d)對玉米根系濕潤區土壤分別取樣，對土壤中的硝態氮含量進行測定分析。夏玉米根系分布研究結果表明，根干重密度隨土壤深度增加而明顯趨減，根群主要分布在表土層，0～20 cm 土層根干重比例約為70%左右，95%以上主要分布于0～40 cm的土層[15-17]。故本試驗采樣點確定為距離滴頭出水點橫向距離為10，20，30，40 cm處(距玉米植株0，10，20 cm)，如圖1所示。縱向取樣深度為地表以下0～10，10～20，20～30，30～40, 40～50 cm處。為了保持土樣氮素穩定，所取土樣先密封冷藏，最后統一進行樣品處理；用KCl浸提處理，利用紫外分光光度計測定硝態氮的含量。所測試驗數據用sigmaplot繪制等值線圖，直觀觀測土壤剖面中硝態氮濃度的分布變化。

表1 灌水施肥處理設計

圖1 試驗采樣點分布(單位：cm)

2 試驗結果與分析

2.1 灌水后第2 d不同施肥時段硝態氮的分布特征

本試驗4種處理均是在總灌水量和施肥量相同的條件下實施，對于同一地塊，相同的灌水方式下，當灌水量一致時，可以認為各灌水點形成的濕潤體范圍基本一致。灌水施肥48 h后，不同處理下土壤濕潤體剖面中硝態氮的含量在滴灌帶一側(玉米植株兩側)的分布情況如圖2～圖5所示。

圖2 A處理土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量分布

圖3 B處理土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量分布

圖4 C處理土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量分布

圖5 D處理土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量分布

從圖2中可以看出，在試驗灌水量條件下，對于先肥后水的A處理(灌水的前半段時間內水肥同施，后半段時間只灌水不施肥)。玉米根區分布在距滴水點徑向距離10～30 cm，深度30 cm的土層范圍內，土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量的高值區出現在玉米植株主要根區，也就是外側根系的前端毛細根區，且土壤中NO-3-N含量整體以玉米植株附近為起點向外輻射降低。NO-3-N含量的高值區沒有出現在土壤濕潤體的中心區域，說明在灌水過程中，溶解在水中氮素隨著水分在土壤中的運移發生遷移，且后續灌水可以使得土壤中硝態氮的高值區向外運移。土壤表層NO-3-N含量較高受兩方面的影響，一是灌水前表層土壤含水率很低，土壤吸水能力較強，故水平運移速率大于垂直運移速率，因此水分在水平方向運移量相對較多，養分積累較多，二是表層土壤溫度較高，加速了氮肥的分解。

從圖3可以看出，在整個灌水過程的中間時段施肥，土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量的高值區主要分布在玉米植株主根區，近滴水點一側硝態氮含量更高，距玉米植株越遠，NO-3-N含量呈輻射狀逐漸降低，但是由于表土層中對流作用強烈，水分對肥力的帶動作用顯著，養分在濕潤體范圍內水平運移強于垂直運移，因此NO-3-N含量在水平方向降低的幅度小于垂直方向。與A處理相同之處在于土壤中NO-3-N含量的高值區都出現在地表附近。

從圖4可以看出，對于先水后肥的C處理(灌水的前半段時間內只灌水不施肥，后半段時間水肥同施)。該處理硝態氮濃度最大值略高于處理A和B，集中在滴水點附近，雖然土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量的高值區也分布在玉米植株主根區附近，但是C處理養分分布范圍相對較小，主要集中在滴頭附近，且硝態氮含量最高區距玉米根區相對稍遠。與B處理相似的是，距玉米植株越遠，NO-3-N含量呈輻射狀逐漸降低，養分在濕潤體范圍內水平運移強于垂直運移。C處理養分分布范圍都相對較小，因此玉米根區與硝態氮高值區的重合范圍較小；說明不同肥水順序會影響養分在濕潤體內的分布范圍，先水后肥一定程度上限制了養分的運移，縮小了養分的分布范圍；對于本試驗中的滴灌帶布設方式而言，不利于玉米主要根區與養分分布的主要范圍相重合，不利于玉米的吸收利用，故在生產實踐中不建議先水后肥，以免造成肥力的浪費。

從圖5可以看出，對于全程肥水同施的D處理，土壤濕潤體剖面中養分分布范圍大且均勻，但硝態氮含量的最大值相對較小。土壤濕潤體剖面中NO-3-N含量的高值區也出現在靠近滴灌帶一側，硝態氮最高值出現在滴水點周圍，也就是分布在玉米根區外圍，向外呈輻射遞減的趨勢。另外與其他處理相類似的是，距玉米根系越遠，NO-3-N含量呈輻射狀降低，但D處理降低趨勢更為緩慢均勻。

2.2 灌后第9 d不同施肥時段處理硝態氮的分布特征

大田玉米灌水施肥后，土壤養分會隨水分運移發生遷移和再分布。在滴灌條件下水肥通常不會產生深層滲漏，所以其中的大部分養分將被玉米吸收利用，還有部分氮素會轉化為氨氣產生揮發，其余部分養分將殘留在土壤中。土壤養分經過近10 d的轉化和消耗，4種施肥處理下殘留在土壤中的養分(NO-3-N)含量如圖6～圖9所示。

圖6 A處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖7 B處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖8 C處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

圖9 D處理殘留在土壤中的NO-3-N含量分布

從圖6可以看出，灌水后第9 d與灌后第2 d相比，A處理條件下殘留在土壤中NO-3-N的含量明顯降低，特別是在玉米根區附近，說明除過部分揮發以外，大部分硝態氮已被玉米根系吸收。但NO-3-N含量的相對高值區出現在玉米植株根系觸及較少的表層和深層土壤，這主要是由于在這部分土層內玉米毛細根系分布少，吸收作用弱，故在此范圍內硝態氮出現累積，殘留量相對較多。

從圖7可以看出，對于B處理，灌水施肥后第9 d，NO-3-N高值區逐漸運移到玉米植株附近，由于殘留在地表，玉米根系吸收利用不上，硝態氮殘留較多；隨著距玉米植株根系越遠，NO-3-N含量向外呈輻射狀逐漸減小。同灌后第2 d對比，NO-3-N含量總體也相應降低但是降低的幅度較小，說明除了部分揮發，部分硝態氮被玉米吸收利用；就殘留量同A處理比較，B處理明顯殘留更多，可見B處理沒有A處理更有利于玉米對NO-3-N的吸收，該處理吸收利用率較低。

從圖8可以看出，C處理條件下殘留在土壤濕潤體中的NO-3-N含量總體也明顯降低，尤其是在距玉米植株10～20 cm范圍內，故可見除了一定的揮發損失，大部分硝態氮被植株吸收利用。同處理A和B相比，C處理條件下先水后肥，毛管力和重力作用都相對削弱了，所以殘留在土壤濕潤體中的NO-3-N含量分布范圍明顯更小更集中于滴頭附近。這是因為C處理先水后肥，肥力運移不甚強烈，主要集中在表層亞表層的滴頭附近范圍內，養分分布范圍相對較小，距玉米植株根系相對較遠，故不利于對硝態氮的吸收利用。

從圖9可以看出，D處理條件下土壤濕潤體中殘留的NO-3-N含量顯著降低，尤其是在玉米根區附近(距滴水點水平距離10～30 cm，垂直深度5～30 cm范圍內)，該范圍內玉米根系發達，吸收作用強，大部分的硝態氮已被玉米吸收利用。未能吸收利用的硝態氮殘留高值區主要分布在表土層靠近玉米植株5 cm的范圍內，貼近地表玉米細根系少，吸收利用弱，而該部分殘留因為地表含水率低下，以至于肥力無法向下運移至玉米根系附近，故植株附近地表的NO-3-N殘留很難被吸收利用。

3 不同施肥處理下玉米對土壤中硝態氮的利用效率

在水肥一體化灌溉施肥條件下，氮肥作為一種速效肥具有不穩定性，在土壤中會迅速分解為硝態氮和銨態氮，其含量會隨著作物的吸收利用和揮發損耗呈現逐漸減小的趨勢，銨態氮一般持續時間較短，硝態氮可持續7～10 d。本試驗4種處理是在等量施肥的前提下進行的，通過施肥后第2 d和第9 d兩次對土壤濕潤區(包含玉米主要根系活動區)土壤硝態氮含量的測定結果分析，可以看出前1/2時段施肥明顯比其他施肥方式的肥料利用效率更高，灌后土壤中殘留的硝態氮更少。這與侯振安等的結論一致[19,20]。雖然施肥量相同，但是從灌后第9 d玉米未吸收利用的殘留養分來看，C處理硝態氮含量殘留較多，A處理則最低。同時從灌后第9 d土壤濕潤體中殘留的硝態氮分布范圍(圖6～圖9)可以看出，A處理在玉米植株根系附近10～35 cm的土層范圍內硝態氮殘留顯著降低，殘留量少，玉米吸收利用徹底；而B處理和D處理在玉米植株外圍10～25 cm的土層范圍內殘留相對較多，說明玉米吸收利用的并不徹底，肥力的利用效率相對較低；從C處理土壤濕潤體剖面中可以看出，硝態氮殘留的分布范圍很集中于滴水點附近，距玉米植株根系稍遠且根系附近分布的硝態氮含量本就較少，故造成了肥力的浪費，不利于玉米高效吸收利用肥力。綜上所述，說明施肥時段會影響玉米的肥料利用率；不同施肥時段影響土壤剖面中的肥力分布，距離玉米根區的遠近，是否易于玉米根系的吸收利用，最終影響玉米的肥料利用率。

4 結 語

玉米水肥一體化滴灌過程中采取不同時段施加氮肥，不同處理條件下土壤濕潤體中硝態氮的高值區分布不同，不同的水肥次序會影響肥料在土壤濕潤體中的運移，使得硝態氮的高值區距玉米植株根區的遠近有所不同，從而影響玉米對硝態氮的吸收利用。

對于寬窄行種植的玉米水肥一體化滴灌，滴灌帶在窄行布設，采取一管兩行布設方式，玉米種植行距滴灌帶20 cm時，采取先肥后水的灌水施肥方式有利于提高氮肥的利用效率。對于本試驗，先肥后水的灌水施肥方式土壤濕潤體內硝態氮的高值區主要集中在玉米根區附近，易于玉米植株吸收利用，由土壤濕潤體中硝態氮的殘留量可以看出，硝態氮的利用效率顯然高于其他灌水施肥方式。

由此可見肥隨水走，灌溉水對增施的肥力和養分有遷移作用；不同處理條件下，肥水的先后順序影響肥力的運移進而影響作物對養分的利用和濕潤體內的殘留，故可根據作物種植與田間灌溉系統布設方式，合理安排灌溉施肥時間，進而實現水肥的高效利用以及農作物的優質高產。

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