不同滴灌施肥量對沙地玉米氮效率及硝態氮的影響

李娟娟，李利敏，馬理輝

（1．西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2．西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；3．西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

玉米是我國產量最高的重要的糧食作物，作為陜北主要的糧食作物，玉米種植面積不斷擴大［1］。由于陜北地處半干旱偏旱地區，降水少且時間分布不均，沙地土質特征保水保肥性差，當地農民為追求高產盲目施肥，造成肥料施用結構不合理，利用率低下，產生深層滲漏，對環境和糧食安全生產帶來隱患。

前人就滴灌條件下不同施氮量對玉米產量、氮肥利用效率和土壤硝態氮的影響進行了較多的研究報道［2-12］。郭丙玉等［5］在新疆研究發現，最佳經濟施氮量時，氮素偏生產力和氮肥利用率分別達N 122 kg·hm-2和45.0%。Tsai 等［4］試驗結果表明，中氮處理下（268 kg·hm-2）氮利用效率最大。張鵬飛等［8］研究發現追施氮肥120 kg·hm-2，并在30%、60%、100%葉齡指數時期氮肥追施比例為 3∶5∶2 時可對玉米氮素的吸收積累與分配起到良好的調控作用，使玉米在生育中后期各營養器官氮素含量仍維持較高水平，同時減少農田中0 ～100 cm 土層無機氮殘留量。

譚華等［9］試驗結果表明，水肥一體滴灌玉米隨灌水量和施氮量增加氮素利用率增加，超過限值則降低。郭麗等［10］研究發現，在 0 ～100 cm 土層范圍內，施氮處理的土壤硝態氮含量均表現為隨土層加深逐漸降低。王爽等［12］研究表明，0 ～80 cm土層硝態氮積累量隨氮肥施用量的增加而顯著增加，不同的施氮量對土壤銨態氮含量的影響主要在0 ～20 cm 土層。

當前研究主要集中在不同地區不同施氮量對玉米產量、氮素利用及土壤硝態氮的影響，對沙地滴灌條件下的相關研究鮮見報道。通過研究在沙地滴灌條件下，不同施肥對玉米氮素利用及施氮量對硝態氮的影響，旨在確定滴灌條件下沙地春玉米最佳施肥量及氮素利用效率，為當地春玉米滴灌施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2017 年5 月至10 月在陜西神木進行，該試驗地區位于毛烏素沙漠與黃土丘陵區的過渡地帶，東經110°51′、北緯38°83′，年平均日照2 875.9 h，年平均氣溫8.9℃，10℃以下天數195 d 左右，0℃以下天數115 d 左右，無霜期169 d。平均年降水量421.2 mm，年蒸發量為1 336.6 mm。

試驗土壤為風沙土，土質疏松。 0 ～20 cm 耕層土壤的基本性狀為:有機質為5.57 g·kg-1，硝態氮為15.96 mg·kg1，有效磷為13.85 mg·kg1，速效鉀為 81 mg·kg-1，pH 值為8.0。

1.2 試驗材料與設計

供試作物為“榆單1 號”春玉米，2017 年5月1 日播種，9 月28 日收獲，全生育期151 d。本試驗所選用的化肥種類及有效含量為:氮肥為尿素，含N 46.4%；磷肥為過磷酸鈣，含P2O512%；鉀肥為硫酸鉀，含K2O 52%。采用膜下滴灌的方式，地膜為聚乙烯薄膜，寬 1.2 m，厚度 0.008 mm。滴灌施肥系統由水源、水泵、首部和輸配水管道系統等組成。灌溉水源來自于地下水，管網由支管和毛管組成。滴灌帶滴頭間距30 cm，滴頭流量 2.0 L·h-1，滴頭工作壓力 0.1 MPa。

試驗采用三因素D 飽和最優設計，共10 個處理，3 個重復。根據統計學，將3 因素分別安排在結構矩陣x1、x2、x3 列上，水平編碼值對應自然變量，施肥用量的上下限極差如表1，試驗設計方案見表2。

田間采用隨機區組排列的方式，小區大小為24 m2（4 m×6 m），行距55 cm，株間距24 cm，種植密度為59 970 株·hm-2。播種時施入全部的磷肥和鉀肥，20%的氮肥，施肥方式為土施。拔節期和抽穗期各追氮肥40%；追肥時將設置的各個處理所需氮肥溶解在施肥罐中，開啟水泵施入，拔節期、抽雄期分別灌水300 m3·hm-2。試驗采用膜下穴播，鎮壓后進行土壤封閉除草、覆膜。待玉米出苗后進行間苗，保證每穴一株。其它田間管理均與當地農民習慣保持一致。

表1 氮、磷、鉀肥料用量的上、下限 （kg·hm-2）

表2 三因素D 飽和最優設計方案和施肥量

1.3 測定項目與方法

玉米播種前，試驗田取 0 ～20 cm 耕層土壤，按常規法測定土壤的基本理化性質［13］。pH 值用pH 計測讀（水土比為2.5∶1）；有機質用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定。有效磷用0.50 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀用1 mol·L-1醋酸銨浸提，火焰光度法測定。

全氮含量的測定:在拔節期、抽雄期、收獲期，每個小區選取長勢均勻的兩株植株，將所選取植株從莖基部與地下部分分離，分為葉片、葉鞘、莖稈、籽粒等，放入烘箱，將溫度設定在105℃，殺青0.5 ～2 h，控溫至75 ～80℃將植物樣烘干至恒重，將植物樣放入干燥器中冷卻至室溫，稱重。將封存的玉米生育期各部分樣品，粉碎磨細過篩，H2SO4-H2O2消煮后使用定氮儀測得植株各部分的全氮含量。

土壤硝態氮測定:在拔節期、抽雄期和收獲期，分別在滴頭處、垂直于滴灌帶距滴頭15、30 cm 處取土樣，分別記為A、B、C 3 點，測定深度分為0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm，風干后磨細過篩，1 mol·L-1KCl 浸提，用AA3 型流動分析儀測定。

在施肥對土壤硝態氮的影響分析中，分為施氮處理和不施氮處理，K3、P3和N0P2K23 個處理為磷鉀配施處理，取其均值；低氮處理為N1P3K3處理；中氮處理取N2P0K2和N2P2K0兩個處理的均值；高氮處理取N3P1K3、N3P3K1和N33 個處理的均值。

1.4 統計方法

試驗數據采用Excel 2010 和DPS 7.05 統計軟件處理。

1.5 有關統計指標與計算方法

氮素積累量（kg·hm-2）=非收獲物干重×非收獲物養分含量+收獲物干重×收獲物養分含量

氮素收獲指數（%）=籽粒氮素積累量/植株總氮素積累量×100

營養器官氮素貢獻率（%）= 營養器官氮素運轉量/成熟期籽粒氮素積累量×100

籽粒產量需氮量（kg·t-1）=植株地上部分氮素養分積累量/產量×1 000

偏生產力（kg·kg-1）=施氮區產量/施氮量轉運量（kg·kg-1）=抽雄時期營養體氮素積累量-成熟期營養體氮素滯留量

2 結果與分析

2.1 生育期整株氮積累變化

如表3 所示，生育期玉米整株氮積累呈現逐漸增加的趨勢。拔節期除K3、N0P2K2、N2P2K0處理外其余處理與CK 差異顯著；N3P3K1處理氮積累量最大，增加76.84%；其次是N3處理，增加45.77%；增加最少的是K3處理，僅增加4.27%。抽雄期植株進入快速生長的階段，氮素積累迅速增加。除K3、P3、N0P2K2處理外其余處理均與CK 差異顯著；N3P3K1、N3P1K3、N3處理增加率均超過了100%，分別為122.30%、116.73%、103.62%；增加最少的是K3處理，增加了24.27%。收獲期除P3處理、N0P2K2處理外其余處理與CK 差異顯著；N3P3K1處理氮積累量最大，比CK 增加94.65%；增加最少的是P3，為21.75%。整體來看，拔節期到抽雄期氮積累增加量較大，在45.56～129.42 kg·hm-2之間；抽雄期到收獲期氮積累增加較少，為19.63 ～68.76 kg·hm-2。

表3 生育期整株氮積累變化 （kg·hm-2）

2.2 葉片、莖、籽粒氮積累變化

如表4 所示，葉片氮積累隨生育期逐漸下降。整個生育期，高氮處理（N3、N3P1K3和N3P3K1處理）顯著高于其它處理。拔節期僅有K3、N0P2K2和N2P2K0處理與CK 無顯著差異；抽雄期3 個高氮處理和N2P2K0處理與CK 差異顯著；收獲期K3、N2P0K2、N3P3K1處理與CK 差異顯著。拔節期、抽雄期和收獲期均以N3P3K1處理氮積累量增加最多，分 別 比CK 增 加41.53%、71.05%和85.29%； 以N0P2K2處理增加最少，增量分別為1.11%、2.42%和11.74%。

植株莖氮積累變化與葉類似，隨生育期逐漸下降。相比CK，3 個生育期以拔節期增加量最大，為14.12%～94.65%，其次是抽雄期，增加了17.57%～66.91%，增加最少的是收獲期，5.89%～56.42%。拔節期N0P2K2、N3P1K3和N3P3K1處理與CK 差異顯著；抽雄期僅有N3P1K3處理與CK 差異顯著；收獲期植株莖氮積累差異性不顯著，與CK 相比，N2P0K2處理增加最大，其次是N2P2K0處理，增加了54.96%，增加最少的是P3處理。

抽雄期籽粒氮積累量較大，收獲期較小；與CK 相比，抽雄期增加了11.13%～31.16%；收獲期增加量為2.15%～29.08%。抽雄期各處理之間差異不顯著，氮積累量最大的是N3P3K1處理，其次是N3處理，增加最少的是K3處理。收獲期K3、N2P0K2、N3P3K1、N3P1K3處理與CK 差異顯著；N3P3K1處理氮積累量最高，其次是K3處理，比CK增加了26.06%，增加最少的是N0P2K2處理。

表4 葉、莖、籽粒氮積累量 （g·kg-1）

2.3 葉、莖、籽粒氮積累占整株比例

如表5 所示，氮素在各器官中的分配隨生育期發生變化。葉片在整株氮積累量的比例與生育期葉片氮積累變化規律較為一致。拔節期比例最高，抽雄期降低，收獲期大多處理降低，少部分升高。拔節期CK 葉片氮積累占比例最高，除P3和N1P3K3處理外其它處理與CK 差異顯著；抽雄期葉片氮積累占整株比例顯著降低，施氮處理均與CK 差異顯著，N3P1K3處理最高；收獲期除CK、P3、K3處理比例略有增大，其余處理均有所降低，各處理間差異不顯著。

表5 葉、莖、籽粒氮積累占整株氮積累量比例 （%）

莖氮積累量所占比例變化與生育期莖氮積累規律不一致。拔節期比例最大，抽雄期降低，收獲期有所升高。拔節期除P3、N1P3K3處理，其它處理與CK 差異顯著，N0P2K2處理莖氮積累量占比例最高；抽雄期莖氮積累量占比例顯著下降，僅N3處理與CK 差異顯著，K3處理最高，N0P2K2處理下降幅度最大，達29.61%；收獲期莖占整株氮積累量比例各處理之間差異不顯著，除K3處理，其余處理均小幅度上升，N1P3K3處理增加幅度最大，達8.66%，N3P3K1處理增加幅度最小，僅有1.62%。

生育期籽粒占整株氮積累量比例較為穩定。抽雄期各處理無顯著差異，CK 最高，N3P3K1處理最低。收獲期僅N2P0K2、N2P2K0、N1P3K3處理與CK差異顯著；除N3、N3P1K3處理比例增加，其余處理均有所降低。

2.4 不同施肥處理的氮效率

如表6 所示，籽粒產量需氮量中，K3、N2P0K2、N1P3K3和N3P3K14 個處理與CK 差異顯著；CK 產量最少，達8 854 kg·hm-2，籽粒產量需氮量也最小；N3P1K3和N3P3K1處理的產量接近，N3P1K3處理的需氮量較少。

表6 不同施肥處理的氮效率

氮收獲指數各處理間無顯著差異，K3處理收獲指數最高，比CK 高10.00%；收獲指數最低的3 個處理均為高氮處理。

氮肥偏生產力表明，兩個中氮處理之間、3 個高氮處理之間差異不顯著；低氮處理偏生產力最高，其次是兩個中氮處理，最小的是3 個高氮處理。可見，氮肥偏生產力隨氮肥增加而降低。3個高氮處理中，N3P1K3處理略高于N3P3K1處理，N3處理較低；兩個中氮處理中，N2P0K2處理高于N2P2K0處理。

氮素轉運量指標中，除P3、N0P2K2和N2P0K23個處理外其余處理與CK 差異顯著；N3P1K3處理轉運量最大，比CK 高126.87%，其次是N3處理，高119.61%，N0P2K2處理最低，比CK 低27.52%。總體來看，施氮處理高于其它配施處理。

營養器官的貢獻率結果表明，除P3、K3、N3P3K13 個處理外其余處理與CK 差異顯著；N3處理營養器官的貢獻率最高，比CK 高46.13%，其次是N1P3K3處 理，為44.21%；N0P2K2和N2P0K2處 理貢獻率比CK 低，可能因為N0P2K2處理轉運量最低而影響貢獻率。

2.5 施氮對土壤硝態氮的影響

由表7 可以看出，土壤硝態氮隨生育期的推進，出現下降的趨勢。總體而言，3 個生育期中，以0 ～20 cm A 處硝態氮含量最高，B、C 處略有差異；3 處硝態氮含量隨深度增加逐漸下降，40 ～60 cm 最低。

拔節期施氮量對表層影響最大，硝態氮含量顯著高于其他深度。表層各處理中，3 處高氮處理均與CK 差異顯著，比CK 高0.40 ～2.39 倍；20 ～40 cm 深度中高氮處理差異仍然顯著，A、C 處高氮處理比CK 高36.14%、38.26%；40 ～60 cm 深度中A、C 處無顯著差異，B 處低氮、高氮處理差異顯著，A、B 處高氮處理比CK 分別高28.09%、29.83%。

抽雄期表層硝態氮含量A 處差異不顯著，以中氮處理最高，其次是高氮處理，分別比CK 高62.58%、41.43%；B 處仍以施氮處理高于不施氮處理，高氮處理最高，其次是低氮處理，分別高143.24%、97.35%；C 處施氮處理與不施氮處理差異不顯著，硝態氮含量并未隨著施氮發生變化，與是否施氮關系不明顯。20 ～40 cm 深度硝態氮含量3 處均以高氮處理最高，分別高于CK 31.32%、30.12%、43.78%；中氮處理、低氮處理與不施氮處理沒有顯著差異，變化規律不明顯。

收獲期植株生長停滯，土壤中氮素大部分被植株吸收，硝態氮含量整體較低。表層各處硝態氮含量中氮處理和高氮處理高于其它處理，其中C 處增幅最大，A、B 處增加較小。各處理20 ～40 cm 深度硝態氮差異不顯著，高氮處理含量最高，比CK高11.44%，其它處理間變化規律不明顯。

表7 生育期不同位置硝態氮含量 （mg·kg-1）

3 討論

3.1 不同施肥處理整株、不同器官氮積累及比例變化

玉米整株氮素積累隨生育期呈現逐漸增加的趨勢，拔節期至抽雄期增幅較大，抽雄期至收獲期增加較少，收獲期氮積累達130.34 ～253.71 kg·hm-2，氮積累隨施氮量的增加而增加，磷鉀配施對氮素積累影響不顯著。高氮處理氮積累顯著高于其它處理，以N3P3K1處理氮積累最高。陳天宇等［6］研究發現葉片氮素吸收量最大，達56.82 kg·hm-2，莖稈+葉鞘的氮素最大吸收量達36.63 kg·hm-2，子粒氮素最大吸收量154.58 kg·hm-2。王宜倫等［14］、晁曉樂［15］、朱金龍等［16］對玉米地上部分氮積累規律的研究結果與本文相似。

玉米拔節期以營養器官生長為主，抽雄期進入營養器官與生殖器官并重生長的階段，收獲期營養物質向籽粒轉化，促進籽粒成熟［17］。本試驗中，葉片、莖氮積累量隨生育期逐漸下降，籽粒氮積累量增加，3 個生育期均以高氮處理顯著高于其它處理。說明施氮240 kg·hm-2可以在玉米生育后期為籽粒提供充足的養分為玉米的高產奠定基礎。楊明達等［7］探究在地下滴灌和地表滴灌的條件下夏玉米氮素情況，結果表明:滴灌模式對夏玉米氮素積累與轉運的影響主要體現在吐絲后，地表滴灌獲得更高的玉米植株及籽粒氮素積累量。

3.2 不同施肥處理對氮效率的影響

氮效率指標表明，氮收獲指數和氮肥偏生產力隨施氮量增加而降低，高氮有效促進氮素轉運和營養器官對籽粒貢獻率。張經廷等［18］的研究發現不施磷鉀會限制氮素從營養器官向籽粒的轉運，導致過多的氮素滯留在莖稈內，籽粒氮素積累量和氮收獲指數顯著降低。侯云鵬等［19］試驗結果表明，氮肥偏生產力隨施氮水平提高而明顯降低。雖然低氮條件下的氮肥偏生產力較高，但玉米產量和氮素積累量下降。因此，協調玉米產量和氮肥偏生產力之間的矛盾，應以保證產量穩步提升為前提，將研究重心放在提高氮肥的利用效率，同時避免玉米對氮素養分的奢侈吸收。

籽粒產量需氮量隨產量增加而增加，CK 產量最少，籽粒需氮量也最小；N3P1K3和N3P3K1處理的產量接近，N3P1K3處理的需氮量較少。有研究表明，磷、鉀肥均促進玉米對氮、鉀的吸收、營養器官的轉運量和轉運率，且氮、磷、鉀積累具有明顯的一致性［20-21］。但王雁敏［22］指出，在氮肥用量一定的情況下，隨著施磷量的增加，養分收獲指數變化不明顯。本試驗中在高氮處理下，高鉀低磷配施比高磷低鉀配施更有效促進氮素吸收利用，從而促進產量增加，具體機理還有待研究。

3.3 不同施氮處理對土壤硝態氮的影響

土壤0 ～60 cm 硝態氮隨生育期的推進逐漸下降。由于玉米拔節期植株較小，土壤硝態氮養分含量較低；抽雄期玉米植株生長旺盛，大量的土壤氮素被吸收，土壤中硝態氮含量顯著下降。到了成熟期，作物需要的供應籽粒的營養增加，土壤中硝態氮含量繼續降低。張翠翠等［23］研究表明0 ～60 cm 硝態氮隨玉米生育期變化規律與本試驗一致。3 個生育期均以滴頭處0 ～20 cm 硝態氮含量最高。水平方向，同一生育期變化不明顯。垂直方向上，拔節期、抽雄期隨深度增加逐漸降低；收獲期僅滴頭處表層硝態氮含量較高。李久生等［24］試驗研究發現，在滴灌條件下，含水率變化在垂直方向隨灌水量增加而增加，水平方向變化不明顯，濕潤體范圍以垂直方向為主，而硝態氮極易溶于水，且不被顆粒吸附，主要通過對流隨水在土壤中運動，所以硝態氮在濕潤鋒附近累積。

生育期施氮對土壤硝態氮含量影響顯著，本試驗中主要影響0 ～40 cm 深度，40 ～60 cm 沒有顯著差異，規律不明顯；水平方向上拔節期和抽雄期影響滴頭至15 cm 處，收獲期影響滴頭至30 cm 處

。拔節期施肥處理均與CK 差異顯著，抽雄期和收獲期中氮處理和高氮處理對硝態氮影響顯著。這可能是因為拔節期植株較小，對氮素不敏感，相關研究表明，氮素吸收的高峰期在灌漿期［17］。劉瑞等［11］認為在0 ～200 cm 土層，隨著土層深度的增加，土壤硝態氮含量呈下降后升高的趨勢。隨著氮肥用量的提高，土壤硝態氮累積量明顯增加。當施氮量為90 ～150 kg·hm-2時，土壤氮素基本達到平衡；當施氮量達270 ～450 kg·hm-2時，土壤氮素有明顯盈余。王爽等［12］研究發現，土壤硝態氮隨氮肥施肥量增加而顯著增加，0 ～40 cm 深度最高。馬琳［25］的研究結果表明，生育期總體以表層0 ～30 cm 深度土壤硝態氮含量較高。本試驗中，由于采用膜下滴灌的方式，且在生育期追肥，硝態氮遵循“水隨鹽走”的規律，所以硝態氮主要集中在灌水器周圍。

4 結論

施肥有效促進玉米增產，氮積累增加、氮素轉運量等指標增加。本試驗條件下，高氮處理顯著高于其他處理，雖然較高的施氮量降低了氮收獲指數和氮肥偏生產力，但高氮處理有效促進氮素轉運和營養器官對籽粒貢獻率，為高產奠定基礎，同時高氮處理中土壤0 ～60 cm 硝態氮含量與播前基本一致，維持了土壤硝態氮的平衡。N3P1K3處理產量最高，達13 875 kg·hm-2，其次是N3P3K1處理，產量為13 540 kg·hm-2。相 比N3P3K1處 理，N3P1K3處理籽粒產量需氮量更低，偏生產力、氮素轉運量、營養器官貢獻率更高。綜合產量、氮效率及土壤硝態氮平衡方面的考慮，膜下滴灌條件下，陜北風沙灘地玉米合理施肥為N3P1K3處理，即施氮肥240 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2，鉀肥225 kg·hm-2。