拔节期追肥及灌水对膜孔灌玉米农田硝态氮分布及累积的影响

董玉云，贾丽华，费良军

(1. 兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070 ； 2. 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室 兰州 730070；3. 陕西省农业工程勘察设计院 西安 710068；4.西安理工大学水资源研究所 西安 710048)

膜孔灌是一种节水、保肥、灌水质量高和灌溉水利用率高的地面灌水新技术，适用于蔬菜、棉花、玉米等作物[1,2]。玉米是我国北方地区主要的粮食作物，种植面积很大。拔节期是玉米用水关键时期，为了满足作物对土壤水分的需求，一般要进行拔节期灌水[3,4]。玉米作为一种高耗水耗肥的作物，在农业生产中，通常在拔节期或抽穗期进行肥料追施，以提高其籽粒产量。传统地面灌溉在作物的拔节期进行肥料追肥和灌水，追施的氮肥具有随拔节水向下淋洗的趋势，土壤中的硝态氮有可能淋洗出作物根系层，影响植物对氮素的吸收[5]。因此，如何制定合理的追肥量及灌水量，以减小硝态氮随土壤水分的下移，提高氮素的利用率，是人们普遍关注的问题。对于膜孔灌，在水肥运移方面，国内基本都是针对水氮耦合进行的研究，费良军、董玉云、朱兴华、穆红文等[6-11]通过室内试验及数值模拟研究了膜孔入渗土壤水氮运移特性及膜孔直径、土壤质地、土壤初始含水率、土壤容重、肥液浓度等对膜孔灌水氮运移特性的影响；费良军、脱云飞、曹俊等[12-14]研究了玉米膜孔灌氮素的运移与转化特性及土壤容重对膜孔灌氮素转化的影响。直到目前，较少见到国内外有关水肥协同效应对膜孔灌农田氮素分布及累积的影响的研究报道。

本文通过玉米小区种植试验，对膜孔灌条件下玉米拔节期不同灌水量和施肥量对土壤硝态氮分布及累积特性进行了研究，以期为膜孔灌玉米在不同时期的合理灌水和施肥及提高氮肥的有效利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

1.2 试验设计

玉米追肥及灌水试验，设两个追肥量和3个灌水量水平，所施肥料为氮肥，追肥期为玉米拔节期末，另有膜孔灌不追肥的对照试验，具体试验方案见表1。

表1 拔节期追肥及灌水试验方案设计Tab.1 Experimental designs of fertilizer and irrigation in jointing period

所播玉米品种为新户单4号，试验测坑面积为2.08 m2。测坑田面整平后，将地膜覆于测坑田面。在撒播种子处开直径为6 cm的作物放苗孔。5月30号进行播前灌水，灌水量为450 m3/hm2。6月11号播种，玉米株距为40 cm，行距为60 cm，采用穴播法，将玉米种子施于地表下5 cm处。由于播前灌水后遇到持续的高温天气，在6月11号播种后进行了一次出苗灌水，灌水量为450 m3/hm2。播种前将尿素(含N 46%)225 kg/hm2、过磷酸钙150 kg/hm2和硫酸钾120 kg/hm2作为基肥一次性施于地表下10 cm处。

1.3 观测内容

在玉米生育期用土钻取土，在土壤剖面上沿水平和垂直两个方向布设取土点。水平取土点为膜孔中心水平方向3、13、23 cm处；垂向取土深度为100 cm，每10 cm一层。所取土样分为两部分，一部分用烘干法测定土壤含水率，另一部分用紫外分光光度计测定硝态氮含量。

2 试验结果与分析

2.1 拔节期追肥、灌水对抽穗后期土壤中硝态氮分布的影响

2.1.1 不同追肥量对抽穗后期土壤硝态氮分布的影响

图1为在玉米拔节期追施肥料(施肥量为0、75和112 kg/hm2,灌水定额为525 m3/hm2)抽穗后期水平距离膜孔中心3 cm处硝态氮在土壤剖面的分布图。可以看出：在拔节期追肥肥料，不同的施肥量对抽穗后期土壤硝态氮分布影响较小。追肥量为75和112 kg/hm2的土壤硝态氮含量分布差异不大，在0～40 cm土层二者分布基本相同。硝态氮在土壤垂直剖面呈低—高—低的分布特性，集中分布在20～50 cm土层；施肥量小的土壤硝态氮浓度峰分布在20～40 cm土层，施肥量较大的硝态氮浓度峰分布在20～50 cm土层，且两个处理的土壤硝态氮浓度峰值均为40 mg/kg。灌水量相同时，不施肥处理的硝态氮浓度峰比施肥处理的小，浓度峰出现的土层较深且较小，为37 mg/kg，浓度峰的范围在30～60 cm土层， 60 cm以下的硝态氮含量较施肥的处理大。这是因为硝态氮随土壤水分运动，前期的几次灌水使得土壤中底肥向下移动，因而不施肥的处理下层土壤的浓度峰更大。

图1 不同施肥量土壤剖面硝态氮分布Fig.1 distribution for different fertilizer amount

对比分析表明：施肥量越大，土壤硝态氮浓度峰分布越宽；施肥量增加，硝态氮淋洗效应增强，并且这种影响在距离膜孔中心较近时明显。在灌水量为525 m3/hm2时，硝态氮并未因施肥量增加而增大向深层土壤的淋洗，主要是因为此时段正是玉米耗水较大的时期，对土壤水分和养分的需求较大，灌溉水在灌后很短的时间内入渗即达到稳定，随着土壤水分的逐渐消耗，作物根系的淋洗效应逐渐增强，下层土壤中的硝态氮随着土壤水分逐渐向作物根区运动，在20～50 cm土壤垂直深度累积，硝态氮主要存在于作物主根系层。

灌水定额为375和675 m3/hm2时，不同追肥量的玉米抽穗后期水平距离膜孔中心3 cm处硝态氮在土壤剖面的分布与图1的分布类似，不再赘述。

2.1.2 不同灌水量对抽穗后期土壤硝态氮分布的影响

图2表示在拔节期追施肥料后不同灌水量(灌水定额为375、525和675 m3/hm2，施肥量为112 kg/hm2)的玉米在抽穗后期土壤硝态氮在水平距离膜孔中心3 cm处土壤垂直剖面的分布特性。可以看出：在追施肥量相同的情况下，灌水量对土壤硝态氮分布的影响在高灌水量时较大。高灌水量的处理硝态氮含量在土壤上层小于其他两个处理，下层高于其他两个灌水处理，且土壤垂直剖面硝态氮浓度峰宽度较其他两个处理的小。在0～20 cm土层土壤硝态氮含量随着灌水量的增大而减小，这与硝态氮随灌溉水向下层土壤的迁移及灌水后根系的淋吸效应较弱有关。由于灌水量越大，灌溉水入渗时间越长，上层土壤硝态氮受对流—弥散机理的作用，随着土壤水分的迁移量越大而越大，而且灌水量越 大，土壤剖面的水分含量越高，根系对下层土壤的淋吸效应越弱。反之，灌水量小时，土壤上层水分消耗较快，作物根系对下层土壤水分的淋吸效应较强，硝态氮即随着土壤水分的向上运移，逐渐向表层迁移。灌水量为375和525 m3/hm2的土壤硝态氮分布差异较小。这主要与抽穗期作物的蒸腾耗水较大有关，经过一段时间的根系吸收，平衡了部分由于追肥量和灌水量不同所引起的硝态氮分布差异。膜孔灌在玉米生长比较旺盛的时期，可适当加大追肥量及灌水量，在本文试验条件下，灌水量525 m3/hm2，追肥量112 kg/hm2均不会造成硝态氮的深层淋洗；而在灌水量为675 m3/hm2时，土壤上层受灌水的影响硝态氮含量相对较小，影响作物根系的吸收利用，且深层土壤剖面硝态氮含量增加也比较明显。因此，本文建议灌水定额以不大于525 m3/hm2为宜。

图2 不同灌水量的土壤剖面硝态氮分布Fig.2 distribution for different irrigation quota

追肥量为75 kg/hm2时，不同灌水定额的玉米抽穗后期水平距离膜孔中心3 cm处硝态氮在土壤剖面的分布与图2的分布类似，不再赘述。

2.2 拔节期追施肥料及灌水对收获后硝态氮累积量的影响

2.2.1 不同追肥量对土壤硝态氮累积量的影响

图3表示灌水量相同、不同追肥量对收获后土壤剖面硝态氮累积量的影响。其中图3(a)～(c)分别表示距离膜孔中心3、13 cm、23 cm处土壤垂直剖面硝态氮累积量分布。

可以看出：对于施肥的处理，拔节期不同追肥量对收获后土壤剖面硝态氮累积量的影响不明显，且水平方向距膜孔中心距离越大，各施肥量硝态氮累积量差异性越小,硝态氮的峰值在40 kg/hm2。随着水平方向距膜孔中心距离的增加，土壤剖面硝态氮累积量减小。距离膜孔中心3 cm处，土壤硝态氮累积量较大，峰值出现在土壤垂直剖面40 cm左右，施肥量大的处理硝态氮累积量略高于施肥量小的处理。13 cm处，土壤垂直剖面硝态氮累积量较水平距膜孔中心3 cm处的减小，40～60 cm土层硝态氮累积量相对较大。在23 cm处土壤垂直剖面硝态氮累积量很小，且在土壤剖面分布较均匀。对于不施肥的处理，距离膜孔中心3 cm处，在0～20 cm土层，不施肥的处理硝态氮含量较小；20～30 cm土层，施肥与不施肥的处理相差较小；30～50 cm土层不施肥的处理硝态氮含量明显偏小；50 cm以下，不施肥的处理硝态氮含量高于施肥的处理。这是因为玉米生长期未施肥，土壤剖面上层的硝态氮被作物吸收较多，加之灌水后土壤中的硝态氮随水分的入渗向下迁移，致使土壤上层0～50 cm的硝态氮含量比施肥的处理小，硝态氮的峰值比施肥处理的小10 kg/hm2，50 cm以下，上层土壤的硝态氮由于淋吸作用反而比施肥的处理大。在距膜孔中心13 cm处，0～55 cm土层，施肥的处理比不施肥处理的处理硝态氮含量大，55 cm以下，施肥的处理比不施肥的处理的硝态氮含量小。距膜孔中心23 cm处，不施肥的处理在0～50 cm的硝态氮含量较施肥处理的小，在50～75 cm，不施肥的处理硝态氮的含量比施肥处理的稍大，75 cm以下，各处理的硝态氮含量相差较小。

图3 收获后土壤剖面硝态氮分布Fig.3 Distribution of in soil profile after harvest

以上结果表明：在膜孔灌条件下，适当的增加施肥量，对收获后土壤剖面硝态氮累积量的影响较小。原因是施肥量越大，土壤溶液中硝态氮的浓度越高，迁移到主根系的养分越多，玉米吸收利用的也就越多。玉米是高耗水耗肥的作物，为了提高玉米的产量，且高追肥量与低追肥量对收获后土壤硝态氮累积的影响相差较小，本文试验条件下建议氮肥以高追肥量112 kg/hm2为宜。

2.2.2 不同灌水量对土壤硝态氮累积量的影响

图4表示拔节期追肥后，不同灌水量对收获后土壤剖面中硝态氮累积量的影响。

可以看出：收获后土壤垂直剖面硝态氮累积量分布为:在水平方向，距膜孔中心越远，土壤硝态氮累积量越小。在相同的追肥量、不同的灌水量下，硝态氮累积量曲线在增加区差异相对较小，在硝态氮累积量减小区相差较大。在硝态氮累积量减小区，灌水量越大硝态氮累积量越大，在高灌水量时表现得尤为突出。灌水量对硝态氮累积量的影响，随着水平距膜孔中心距离的增加逐渐减小。在距膜孔中心3 cm处各灌水处理相差最大，到23 cm处各灌水处理硝态氮累积量分布差异较小。

图4 不同灌水量对土壤硝态氮累积量的影响Fig.4 Effect of different irrigation amount to soil accumulation at harvest

结果表明：灌水量越大，下层土壤硝态氮累积量越大，距膜孔中心水平距离越近累积作用越明显。一方面是由于灌水量越大，灌水时被淋洗到土壤剖面深层的硝态氮含量越大；另一方面是由于在作物生育期中，根系对硝态氮的吸收主要以溶于水中的硝态氮随土壤水分向根系迁移，迁移的动力是植物蒸腾吸收水分，使作物根系附近的水分下降，使土体与根系产生水位差，促使养分随水分向根系迁移，进而被作物所吸收利用。在高灌水量下，作物根系附近的水分在较长时间内维持较高的值，因而远根系土壤水分向近根系的迁移量减小，土壤硝态氮即在土壤深层累积。土壤上层各处理硝态氮累积量差异较小，与作物生育期中的根系吸养有较大的关系。灌水定额为675 m3/hm2时，收获后土壤垂直剖面80～100 cm土层硝态氮累积较大。因此，在追施肥料后灌水定额以不高于525 m3/hm2为宜。

3 结 语

(1)膜孔灌玉米拔节期追肥灌水对后期土壤硝态氮的影响在近施肥点较大。施肥量越大，土壤硝态氮浓度峰分布越宽；灌水量越大，膜孔中心土壤垂直剖面上层硝态氮含量越小，下层硝态氮含量越大。拔节期灌水量对硝态氮的影响大于追肥量，是造成氮素淋洗损失的主要因素。

(2)施肥量适量增加，对收获后深层土壤硝态氮累积量影响较小；灌水量增加，下层土壤硝态氮累积量增大。在本文试验条件下，建议膜孔灌玉米在拔节期可追施氮肥约为112 kg/hm2，灌水定额不大于525 m3/hm2。

(3)本文只设置了两个追肥量水平，最佳施肥量则需更多施肥水平并结合产量和经济效益来确定。

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