暗管農田不同類型肥料對向日葵生長及土壤氮素分布的影響

祁茜，史海濱，閆建文*，李仙岳，高曉瑜，范理權，郝云鳳

（1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市農牧業(yè)科學研究院，內蒙古 巴彥淖爾 015400）

內蒙古河套灌區(qū)是中國3個特大型灌區(qū)之一，目前全灌區(qū)鹽漬化耕地面積約39.4萬hm，占總耕地面積的68.65%。由于灌區(qū)大面積灌溉、明溝排水不健全且塌坡嚴重，造成灌區(qū)排水及排鹽能力較差，因此建立完善的排水體系成為灌區(qū)鹽堿地改良的關鍵。暗管排水由于具有節(jié)省耕地、排鹽效果好、有效控制地下水位等優(yōu)點而成為研究熱點。然而由于暗管的作用縮短了滲流的路徑、加快了入滲速度，因而也顯著增加了地下徑流量和排水出流中營養(yǎng)物質的含量，改變了土壤養(yǎng)分分布，進而影響了作物的生長和產量。目前對于暗管排水大多是基于關鍵工程技術參數(shù)的研究，而與肥料組合進行源頭調控的試驗較少。因此在暗管排水條件下開展不同類型肥料施肥模式的篩選研究對促進作物生長、提高肥料利用率、降低環(huán)境污染風險具有重要意義。

氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一。以往研究表明，氮肥的適量施用在一定程度上能顯著提高作物產量。近年來河套灌區(qū)的向日葵通常施用普通氮肥，普通氮肥沒有控制養(yǎng)分釋放的能力，容易造成養(yǎng)分流失。控釋肥料由于具有控制養(yǎng)分釋放速率、肥效長、氮素流失率低等特點而被廣泛應用。大田試驗證明，相比于傳統(tǒng)一次性全量基施，控釋肥的施加可以顯著提高作物的光合速率、提高作物產量與氮肥利用率；同時，還可以減少氮素的流失和氣體揮發(fā)，減輕對環(huán)境的污染。有機硅水溶性緩釋肥也是近幾年研發(fā)的一種多功能營養(yǎng)型全水溶/長效復合肥，可同時解決肥料水溶性與緩釋性矛盾的問題，也被大量推廣和使用。研究表明，施用有機硅水溶性緩釋肥料在促進作物生長、改變土壤中氮素分布等方面也具有一定優(yōu)勢。因此通過研究暗管排水條件下不同肥料對向日葵生長、土壤氮素分布及氮素流失的響應關系，篩選出適合暗管排水農田向日葵種植的肥料，可為暗管排水工程大面積實施后肥料的配套和污染源頭的防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)巴彥淖爾市農牧業(yè)科學研究院暗管排水試驗場（40°79'N，107°28'E）。試驗地屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降雨量138.8 mm，蒸發(fā)量2 096.4 mm；地下水埋深在1.6～2.2 m之間變化；平均氣溫6.8℃，晝夜溫差大，無霜期為130～150 d。試驗田屬于輕度鹽漬化土壤，主要土質為粉土及粉壤土。試驗區(qū)土壤理化性質見表1。

表1 試驗區(qū)土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the test area

1.2 試驗設計

試驗設計暗管排水條件下3個不同施肥處理，分別為普通尿素（CK）、控釋肥（CF）及有機硅水溶性緩釋肥（OF）。每個處理試驗面積約為25 000 m（500 m×50 m），由于處理面積較大，故選取3個測試點，每個測試區(qū)域面積約為2 670 m。暗管采用南北布設的方式，埋深1.2～1.7 m，間距25 m，坡度為0.1%。每個處理小區(qū)鋪設3根暗管，選取中間暗管控制范圍內進行監(jiān)測與取樣，以消除不同暗管排水的影響；小區(qū)1 m深土體四周以2層塑料薄膜相隔，防止水分和肥料側滲。

供試作物為食葵，品種為“SH361”，2019年播種日期為5月31日，收獲日期為10月2日，2020年播種日期為5月30日，收獲日期為9月28日。采用1膜2行的常規(guī)種植模式，株距0.3 m、行距0.7 m，種植密度為28 000株·hm。試驗區(qū)每年在春灌和秋澆時進行大面積的漫灌壓鹽，灌水量為當?shù)貎?yōu)化灌溉定額（春灌約2 500 m·hm、秋澆約3 000 m·hm），現(xiàn)蕾期進行一次灌水，灌水量約為1 250 m·hm；灌溉利用黃河水（用梯形量水堰計量），礦化度約為0.54 g·L。各處理純氮施用量均為225 kg·hm，其中普通尿素由鄂爾多斯市億鼎生態(tài)農業(yè)開發(fā)有限公司生產（含N 46%）、控釋肥由天津蘆陽化肥股份有限公司提供（蘆陽6代，含N 28%）、有機硅水溶性緩釋肥由河北硅谷肥業(yè)有限公司生產（含N 18%）。控釋肥、有機硅水溶性緩釋肥和磷肥（磷酸二銨，含PO46%）于耕作前作為基肥一次性施入，追肥選用尿素，于向日葵現(xiàn)蕾期施入。各處理具體施氮量見表2。

表2 各試驗處理施氮量（kg·hm-2）Table 2 Nitrogen application rate of experimental treatments（kg·hm-2）

1.3 測定指標與方法[15-17]

1.3.1 向日葵生長指標及產量測定

生長指標測定：在每個小區(qū)隨機選取10株長勢良好的向日葵進行定株，分別在向日葵的主要生育期，即播前（5月25—31日）、苗期（6月15日—7月5日）、現(xiàn)蕾期（7月6—31日）、開花期（8月1日—9月5日）和成熟期（9月6日—10月10日）進行觀測。用卷尺對株高進行測量，用長寬系數(shù)法（本試驗中系數(shù)取值為0.75）測量每株向日葵所有葉片面積，并計算葉面積指數(shù)（LAI）。

光合指標測定：采用LI-6400便攜式光合儀，于向日葵現(xiàn)蕾期晴朗無風天氣的上午9：00—11：00，選擇生長良好、主莖上正數(shù)第3片展開功能葉片測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO濃度（Ci），每小區(qū)測定10株向日葵。

產量測定：于成熟期在每個小區(qū)隨機選取長勢均勻的10株向日葵，脫粒、自然晾干后測定百粒質量和籽粒產量。

干物質及植株全氮測定：將測產10株向日葵地上各部分器官粉碎，于105℃殺青30 min，75℃烘干至質量恒定后測定干物質量。采用HSO-HO法消煮、凱氏定氮法測定各器官含氮量。

1.3.2 土壤無機氮測定

1.3.3 排水水樣中電導率及氮素測定

1.4 計算方法[18-19]

（1）氮肥偏生產力

=/

式中：為氮肥偏生產力，kg·kg；為氮肥施用量，kg·hm；為產量，kg·hm。

（2）氮收獲指數(shù)

=/×100%

式中：為氮收獲指數(shù)，%；為籽粒吸氮量，kg·hm；為植株吸氮量，kg·hm。

（3）收獲指數(shù)

=/100%

式中：為收獲指數(shù)，%；為經濟產量，kg·hm；為生物產量，kg·hm。

（4）硝態(tài)氮殘留量

=×××10/100

式中：為土壤硝態(tài)氮殘留量，kg·hm；為土層深度，cm；為土壤容重，g·cm；為土壤硝態(tài)氮含量，mg·kg。

（5）排水氮素流失量

式中：為排水氮素流失量，kg·hm；e為第次排水量，m·hm；f為第次排水中氮素濃度，mg·L。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 2018和SPSS26.0對試驗數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，利用LSD法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對向日葵株高、葉面積的影響

從圖1（a）可以看出，不同時期向日葵株高整體表現(xiàn)為OF＞CF＞CK，且隨著時間的推移呈先增加后減小的趨勢。從7月2日至7月22日，各處理株高增長明顯，OF、CF、CK處理下日增長速率分別達到6.31、6.21、5.53 cm·d。8月1日各處理株高達到全生育期最高，OF、CF分別為218.67、209.17 cm，較CK增加21.61%、15.46%。后期向日葵生殖生長旺盛，大量養(yǎng)分轉移到花盤供作物籽實發(fā)育，導致株高無明顯變化。綜上所述，暗管排水條件下施用控釋肥和有機硅水溶緩釋肥在各生育期均不同程度促進了向日葵植株生長。

由圖1（b）分析可得，不同時期向日葵葉片LAI整體表現(xiàn)為CF＞OF＞CK，但各處理之間無顯著差異（＞0.05）。前期LAI迅速增加，至8月1日，各處理下LAI達到峰值，CF、OF分別較CK提高18.46%、10.42%。隨著時間的推移，向日葵逐漸進入灌漿期，LAI開始減小，但仍以CF最高；與OF、CK相比，增幅分別為6.23%、21.33%。可見施用控釋肥更加有利于向日葵的光合作用和籽粒灌漿，豐產潛力較大。

圖1 不同處理下向日葵株高與LAI的變化Figure 1 Changes of plant height and LAIof sunflower under different treatments

2.2 不同施肥處理對向日葵光合性能的影響

有研究表明，向日葵現(xiàn)蕾期的光合作用是各個參數(shù)與Pn相關性最高的時期，Gs、Tr等因素的變化與Pn隨光強變化最為協(xié)調，有利于光合作用合成更多的有機物質。因此，本試驗測定了現(xiàn)蕾期不同施肥處理對向日葵光合指標的影響。

從表3分析可得，現(xiàn)蕾期3種施肥模式下，向日葵葉片的Pn、Tr、Gs均表現(xiàn)為CF＞OF＞CK，其中CF處理下Pn、Tr與CK之間均存在顯著差異，較其分別增加了13.85%和19.21%。CF處理下Gs最大，為0.69 mol·m·s，三個處理之間差異均顯著。OF與CF處理的Ci顯著低于CK，降幅分別為12.05%和16.71%。綜上說明，暗管排水條件下施用控釋肥能更好地促進向日葵的光合作用，有利于有機物的積累。

表3 不同處理下向日葵的光合參數(shù)Table 3 Photosynthetic parametersof sunflower under different treatments

2.3 不同施肥處理對向日葵產量和構成因素的影響

由表4可以看出，相同施氮量下，兩年試驗百粒質量的變化范圍在20.15～27.20 g之間，CF與OF、CK之間存在顯著差異。從產量來看，兩年均以CF最高，分別為4 917.84、4 657.42 kg·hm，OF次之，二者較CK分別平均增產34.14%、20.72%。CF、OF的植株吸氮量較CK平均增加了47.47%、27.3%。從氮收獲指數(shù)來看，各處理之間無顯著差異，整體表現(xiàn)為CF＞OF＞CK，說明施用控釋肥更有利于向日葵籽粒對氮素的吸收。

表4 不同處理下向日葵的干物質量及產量Table 4 Dry matter quality and yield of sunflower under different treatments

氮肥偏生產力可以用來表征氮肥的利用效率。兩年試驗期間各處理的氮肥偏生產力整體表現(xiàn)為CF＞OF＞CK，CF較OF、CK平均提高了11.13%、34.18%。從收獲指數(shù)來看，2019年收獲指數(shù)的變化范圍為23.71%～26.75%，其 中CF、CK較OF分 別 增加 了12.82%、12.57%；2020年收獲指數(shù)的變化范圍為22.27%～25.40%。綜上所述，同等施氮量下施用控釋肥可以在一定程度上提高作物的氮肥偏生產力和收獲指數(shù)，促進作物對養(yǎng)分的吸收利用，保證作物高產。

2.4 不同施肥處理下土壤氮素動態(tài)變化

圖2 不同施肥處理下0～40 cm土層氮素動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of inorganic nitrogen in 0～40 cmsoil layer under different fertilization treatments

2.5 不同施肥處理對土壤-N殘留的影響

表5 不同施肥模式對土壤剖面中-N殘留的影響（kg·hm-2）Table 5 Effects of different fertilization patterns on -Nresidue in soil profile（kg·hm-2）

2.6 不同施肥處理下氮素流失量分析

表6 不同施肥模式下暗管排水中氮素流失量Table 6 Nloss in the drainage of concealed pipes under different fertilization modes

3 討論

暗管排水技術是鹽堿地改良、澇漬區(qū)排水、養(yǎng)分管理的重要技術之一。暗管在排水排鹽的過程中，也存在淋失土壤養(yǎng)分的情況，并且受到土壤質地的限制。合適的肥料可以促進作物對養(yǎng)分的吸收，提高肥料利用效率，同時更好地從源頭減少氮素的流失。

本試驗中控釋肥處理下向日葵在現(xiàn)蕾期的光合作用最為強烈。究其原因，主要是由于控釋氮肥具有控制氮素養(yǎng)分釋放速率、實現(xiàn)氮肥后移的特性，能有效地對光合特性進行生理調節(jié)，延長作物的光合功能期，延緩葉片衰老。因此本研究中控釋肥處理下的葉面積指數(shù)較其他處理也有所提高。但本試驗中有機硅水溶性緩釋肥使植株增高效果明顯，可能是由于硅（Si）在增強對生物和非生物脅迫的抗性中起重要作用，因此該肥料在促進植物根系生長的同時形成了硅化細胞使作物莖稈挺直，這與徐寧等的研究結果一致。然而也有研究發(fā)現(xiàn)施用硅肥可以有效降低向日葵株高，這可能是由于本試驗采用的暗管排水技術改善了土壤的通氣狀況，提高土壤礦化率，促進了潛在養(yǎng)分的轉化，最終促進了作物的生長。

作物氮素吸收是光合產物的基礎，與作物產量密切相關。王玉雯等的研究表明，較高的產量需要葉片保持持久的光合活性，而這大多依賴于后期氮累積和氮轉運的平衡，因而在本研究中控釋肥處理下向日葵的產量和百粒質量均顯著高于有機硅水溶性緩釋肥和普通尿素，與YANG等的研究結果基本一致。也是由于控釋肥緩慢的養(yǎng)分釋放速率可以保持作物旺盛生長，灌漿期促進干物質積累并向籽粒轉運，進而有效提高了作物的百粒質量和產量。另外，有研究發(fā)現(xiàn)調控作物后期吸收的氮向籽粒中轉運也是提高氮肥利用率的重要措施。本試驗中，播前一次性基施控釋肥可使收獲后向日葵植株吸氮量、氮肥偏生產力和氮收獲指數(shù)均有顯著提高，這與張建軍等和鄭圣先等的研究結果相符。

4 結論

（1）兩年試驗中，施純氮量相同條件下控釋肥和有機硅水溶性緩釋肥均有利于促進向日葵的生長，其中控釋肥通過控制養(yǎng)分的釋放速率來實現(xiàn)氮肥后移，其一次性基施有利于0～40 cm土層氮素持續(xù)有效供應，同時還可增加植株氮素積累量、提升氮肥偏生產力和氮收獲指數(shù)，更好地促進作物對養(yǎng)分的吸收利用，增產效果顯著。