基于15N示踪技术的不同灌水方案玉米追肥氮素去向研究

张忠学 陈帅宏 陈 鹏 刘 明 尚文彬

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.农业部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

黑龙江省是全国重要的玉米生产基地之一，玉米播种面积占全国玉米总播种面积的10%，产量占全国玉米总产量的9%。肥料氮素是玉米生产过程中必需的营养元素，但目前我国氮肥利用率仅在35%左右[1]。由于东北地区气温较低，养分矿化速率慢，肥效较长，因此在玉米生产上，当地农民普遍采用一次性施用基肥而不施用追肥的施肥方式。但该地区土壤基本为黑土或黑钙土，土壤有机质含量较高，且随着生产力的提高，作物需氮总量逐年增加，使得玉米生育前期氮素用量偏大，而后期出现缺肥的情况，当前东北玉米种植区的氮肥损失率高达55%[2-3]。研究表明，在相同施氮量下增加追肥比例能够促进植株生育后期对氮素的吸收积累，提高氮素向果实中的转运率，增加果实产量；同时随追肥用量的增加，作物吸收利用肥料氮的比例增大，对土壤氮的吸收比例减小[4-5]。氮素的运输是随土壤中水分运移进行的，灌水量、灌水强度、灌水频率对氮肥利用率、土壤残留率和氮素损失率有较大影响[6]，因此在保证玉米高产和籽粒品质稳定的前提下，找出有助于氮素优化分配的灌水方案，以实现节水增效和减少氮肥损失的有机统一是东北地区节水灌溉研究的必然要求。

作物吸收积累的氮素来源于肥料氮素、土壤氮素以及大气氮沉降[7]等多个方面。相关学者对作物肥料利用特性的研究多集中在差值法上[8-9]，但由于肥料氮会对土壤氮素产生激发效应[10-11]，因此利用差值法得出的肥料利用率会较实际值偏大。在玉米生育期施用15N标记的尿素可以有效地确定植株中来源于肥料、土壤氮的含量，为平衡施氮量和作物生长期内需氮量提供必不可少的信息[12]。15N示踪技术已经广泛应用于相关农业研究之中，在水稻、小麦、玉米等粮食作物和葡萄等水果上已普遍得到运用。林晶晶等[13]研究发现，水稻全生育期吸收积累的氮素中，基肥的贡献占4.13%～10.59%，蘖肥占3.98%～11.75%，穗肥占13.32%～37.56%，土壤的贡献在45.71%～70.83%之间。沈其荣等[14]研究发现，小麦地上部分对叶面施用尿素的氮吸收率为54.5%～68.9%，玉米全株对叶面施用氮素的吸收率为59.9%～75.3%，且随生育期的推进，2种作物对叶面施用氮素的吸收率均逐渐增加。赵丰云等[15]等通过对葡萄幼苗进行根际注气研究得出，根际注气处理能够促进葡萄新生部位对硝态氮的吸收，同时抑制植株吸收铵态氮。相对于水稻、小麦等作物，15N示踪技术在玉米方面的研究报道较少，且大部分研究集中在水氮互作条件下植株氮素吸收分配规律以及施用氮肥后土壤氮在植株中贡献率的变化等方面[16-17]，而灌溉条件下水分变化对玉米生产中追肥氮素去向的影响研究鲜有报道。

本文采用田间设置微区试验的方法，通过在玉米拔节期施用15N标记尿素，研究不同灌水方案下玉米对追肥氮素的吸收、分配规律和氮肥利用率，以及玉米收获后追肥氮素的残留和损失情况，旨在进一步解释不同灌水量和灌水频次下追肥氮素在植株内部的迁移转化规律，找出符合东北地区玉米节水、高产要求，同时能够获得更高氮素利用率和更低氮素损失率的灌水方案，为该地区玉米生产提供理论支撑和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在黑龙江省大庆市肇州县农业技术推广中心进行。位于黑龙江省西南部(125°17′57.70″E，45°42′57.50″N)，松嫩平原腹地，属于大陆性温寒带气候，大于10℃活动积温2 845℃，无霜期138 d，多年平均降水量为463 mm，本试验各时期降雨量见图1。年风向多属于西南风和西北风，多风少雨，十年九春旱。试验供试农田土壤类型为碳酸盐黑钙土，基础理化性质：pH值6.4，耕层土壤(0～20 cm)基础肥力如下(均为质量比)：全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全钾19.86 g/kg、有机质28.73 g/kg、碱解氮110.17 mg/kg、速效磷44.71 mg/kg、速效钾220.16 mg/kg。

图1 玉米各生育阶段降雨量Fig.1 Rainfall during maize growth stages

1.2 试验设计

1.2.1小区试验

试验采用灌水定额和灌水次数2因素试验，试验处理方案见表1。灌溉量设置3个水平，依次为800、700、600 m3/hm2。灌水次数设置3个水平，分别为灌水4次(苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期)、灌水3次(苗期、拔节期、抽雄期)和灌水2次(苗期、拔节期)。试验共计9个处理，以不灌水作为空白对照，3次重复，共计27个试验小区。小区采用随机区组布置，每个小区面积为104 m2(10 m×10.4 m)，试验区总面积为0.41 hm2。试验区每公顷保苗67 500株，每小区16条垄，垄宽65 cm，植株间距23 cm，保护区宽度5 m，保护行宽1 m。

表1 试验处理设计Tab.1 Design of experimental treatments

试验玉米品种为当地高产品种“大龙568”，于2017年4月21日施基肥，4月28日播种，6月13日进行苗期灌水，7月5日进行拔节期追肥和灌水，7月24日进行抽穗期灌水，8月25日进行灌浆期灌水，到9月25日成熟期结束，全生育期共150 d。4次灌水均在各生育阶段开始10～15 d进行，若该时段出现降雨，则灌水延后数日进行。试验所用的肥料为尿素(含氮质量分数46%)、磷酸二铵(含氮质量分数18%，含磷质量分数46%)和硫酸钾(含钾质量分数58%)。各处理的施肥量相同，折算成元素量为施纯氮225 kg/hm2，施纯磷90 kg/hm2，施纯钾90 kg/hm2，磷肥和钾肥全部作为基肥一次性施入，氮肥按照基肥∶拔节肥为2∶1的比例分施，各试验小区基肥尿素施用量为2.60 kg，采用人工方式将基肥均匀撒入垄沟中。

试验灌水方式为喷灌，采用5983型摇臂式喷头(喷洒半径9.0～14.0 m，流量0.74～1.02 m3/h)，喷头安装在长1.5 m的支管上。灌水时将4个喷头分别布置在小区四角上，逐一对各小区进行灌水。为防止各小区之间发生水分交换，调节喷头射程略微小于小区长度，且在各个小区之间设置30 cm宽的缓冲区。灌溉所用水源为当地地下水，用管道末端的水表控制灌水量。

1.2.2微区试验

为了研究不同灌水方案下玉米对追肥氮素的吸收及分配，在上述试验小区内设置15N示踪微区，每个试验小区内设置1个微区，每个处理下设3个微区作为试验重复。试验用微区采用长0.69 m、宽0.6 m、高0.4 m的无底矩形白铁皮框，于施用基肥尿素前将铁皮框埋入各个小区中，埋深至犁底层(深约30 cm)。为防止灌水后肥料的横向流失，铁皮框高出地面10 cm左右。微区内尿素采用上海化工研究院生产的15N标记尿素(丰度10.22%)，施用时将肥料溶于500 mL蒸馏水中，并用喷壶均匀喷洒在微区内，微区外使用普通尿素。氮肥、磷肥和钾肥施用量、灌水方案、灌水方式以及其余田间管理等同于微区所在试验小区。

1.3 观测内容与方法

1.3.1植株、土壤全氮含量与植株干物质量

于玉米成熟期从每个微区中取3株玉米，将地上部分分为叶片、茎秆、苞叶、籽粒和穗轴5部分，装入样品袋中，在105℃下杀青30 min，然后在70℃条件下干燥到质量恒定并称量各器官干物质量。于玉米收获后利用土钻在微区中钻取土样，取土深度为80 cm，分为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，共4层，将取出的土样自然阴干。将干燥后的植株和阴干后的土壤样品分别进行研磨，过80目筛后各自装入样品袋中密封保存。样品全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH, 德国，灵敏度0.001 AUFS)测定。

1.3.2氮原子百分比

稳定同位素参数在东北农业大学农业部水资源高效利用重点实验室内进行测量，采用元素分析仪(Flash 2000 HT型)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美国)联用的方法测定成熟期各器官中15N丰度。

植株中来自追肥氮的百分含量(Ndff)根据YANG等[18]的方法计算

(1)

式中a——微区内植株样品的15N丰度，%

b——相同处理自然条件下15N丰度，%

c——15N标记尿素中15N丰度，%

d——自然15N丰度标准值(0.366 3%)

植株叶片、茎秆、苞叶、籽粒、穗轴的氮素积累量计算公式为

N(l,s,h,g,c)=W(l,s,h,g,c)N

(2)

式中W(l,s,h,g,c)——植株各器官干物质量，下标l、s、h、g、c分别表示叶片、茎秆、苞叶、籽粒和穗轴，g

N——植株各器官含氮率，%

植株各器官积累氮素来自追肥氮素的积累量(15N(l,s,h,g,c))计算公式为

15N(l,s,h,g,c)=N(l,s,h,g,c)Ndff

(3)

植株积累氮素来自追肥的总积累量(15Ntotal)为

15Ntotal=15Nl+15Ns+15Nh+15Ng+15Nc

(4)

式中15Nl、15Ns、15Nh、15Ng、15Nc——叶片、茎秆、苞叶、籽粒、穗轴中积累氮素来自追肥的质量，g

氮素在各器官中分配比率(NDR)为

(5)

追肥氮素植株吸收率(FNR)计算公式为

(6)

式中Nf——微区施用标记尿素中15N总量，g

各土层中氮素总量Tsoil计算公式为

Tsoil=γshNsoil

(7)

式中γ——土壤容重，g/cm3

s——土层面积，m2

h——土层厚度，m

Nsoil——土壤含氮率，%

追肥氮素土壤残留量(NR-soil)计算公式为

(8)

式中e——微区中土壤样品的15N丰度,%

追肥氮素土壤残留率(NR)计算公式为

(9)

追肥氮素损失率(FNL)为

FNL=1-FNR-NR

(10)

1.3.3产量

2017年9月25日进行玉米产量测算，按照对角线原则从每个试验小区中随机选取5个测点，取样在微区外进行，每个测点连续选取5株玉米分别测量单株穗长、穗粗、单株穗质量、秃尖长度和百粒鲜质量。

氮肥偏生产力(PFPN)计算公式为

(11)

式中Y——玉米籽粒产量(鲜质量)，kg/hm2

Ntotal——玉米全生育期总施氮量，kg/hm2

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013对试验数据进行收集与整理，运用SPSS 19.0(SPSS，Chicago，IL，美国)对不同处理之间各项数据进行统计分析，采用Duncan多重比较方法进行各处理的显著差异性分析，最后利用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水方案下玉米籽粒产量、地上部干物质总积累量和氮素总积累量

由表2可知，不同灌水处理下玉米籽粒产量和地上部干物质量变化范围分别为14 180.43～18 881.04 kg/hm2和18 730.98～28 744.37 kg/hm2，在灌水次数相同情况下，不同处理之间玉米地上部干物质量均表现出显著差异(P<0.05)，且各处理均显著大于CK处理。在灌水4次和2次的情况下，玉米地上部干物质量均随灌水量的降低而减小，但是当灌水次数为3次时，在中等灌水量情况下，即灌溉定额为700 m3/hm2所对应的L5处理玉米产量和地上部干物质量均最大。在灌溉定额相同的情况下，各处理之间玉米地上部干物质量未表现出显著差异，说明玉米地上部分干物质积累主要受到灌溉定额的影响，而对于灌水次数的变化不敏感。

成熟期玉米地上部氮素总积累量、追肥15N总积累量分别为146.30～344.36 kg/hm2和12.12～40.94 kg/hm2，其中籽粒氮素总积累量占植株氮素总积累量的45.50%～68.80%。不同灌水处理下成熟期玉米地上部氮素总积累量的8.14%～13.21%来自于追肥氮素，各处理之间15N占比差异显著且均显著高于CK处理(P<0.05)。在灌溉定额相同条件下，灌水4次和3次时处理之间氮素总积累量和肥料15N积累量未表现出显著差异，且均与灌水2次的情况差异显著(P<0.05)，表明在抽雄和灌浆期进行灌水有利于玉米植株吸收积累氮素。成熟期玉米地上部分氮素总积累量和追肥15N积累量的变化规律基本一致。在灌水4次和3次的条件下，植株氮素总积累量和追肥15N总积累量均在灌溉定额800 m3/hm2时出现最大值，但灌水2次时，处理L8的氮素总积累量和追肥15N总积累量最大。结果表明在苗期和拔节期大量灌水，但在玉米生育中后期尤其是在抽雄期严重缺水的情况对植株吸收积累氮素的抑制作用较为显著，虽然处理L7的籽粒产量和氮肥偏生产力均高于处理L8和处理L9，但玉米营养物质的形成和转化均受到影响，不利于提高果实的品质。

表2 不同处理下成熟期玉米籽粒产量、地上部干物质量、氮素总积累量和追肥15N积累量Tab.2 Grain yield，dry matter accumulation，total N and fertilizer 15N accumulation of maize overground under different treatments at maturity

注：同一列不同小写字母表示处理之间在P<0.05水平差异显著，下同。

2.2 不同灌水方案下成熟期玉米各器官对追肥氮素的吸收分配

图2 不同处理成熟期追肥15N总积累量在玉米各器官中的分配百分比和各器官中15N积累量占该器官氮素总积累量百分比Fig.2 Distribution of fertilizer 15N, percentage of 15N to total N accumulation in maize organs under different treatment at maturity

由图2a可知，追肥15N在玉米各器官中的分配比例差异较大，在不同灌水处理下，成熟期玉米地上部积累的15N中有10.50%～27.73%分布在叶片中，3.02%～9.48%分布在茎秆中，5.22%～15.53%分布在穗轴中，苞叶中积累的15N最少，仅占总体的0.53%～2.35%，而籽粒中积累的追肥15N最多，占比47.95%～74.40%。在3种灌水次数水平下，成熟期玉米籽粒中追肥15N所占比例均随灌溉定额的减少呈现先减后增的变化趋势。在图2b中，不同灌水处理下玉米籽粒积累的总氮素量中来自追肥氮素的比例为4.80%～9.83%，叶片积累氮素总量的1.03%～2.86%来自追肥氮素，其余器官总氮素积累量中来源于追肥氮素的比例较小，为0.06%～1.78%。在灌水4次和2次的情况下，籽粒氮素总积累量中追肥15N占比随灌溉定额减小均呈先减后增抛物线趋势变化，而灌水3次时，籽粒中追肥15N占比随灌溉定额减小呈先增后减趋势变化，总体而言，随着灌水次数的减少，玉米籽粒中追肥15N积累量占其氮素总积累量的比例逐渐减小。

结合图2和表2可知，在灌水次数为2次，灌溉定额为800、700 m3/hm2所对应的处理L7、L8中，成熟期玉米籽粒氮素积累量分别仅比CK处理高出了15.01%、15.92%，远小于其余各处理籽粒氮素积累量高出CK处理的平均值61.71%(表2)，在灌水2次情况下，穗轴15N积累量占植株积累15N总量百分比处于较高水平，尤其处理L8中穗轴15N积累量占比显著大于其余各处理(图2a)，且该处理中籽粒15N占氮素总积累量的比例以及其占植株追肥15N总积累量的比例均显著小于CK处理，说明在玉米苗期和拔节期灌水量过大且在抽雄期和灌浆期缺水对植株吸收追肥氮素以及肥料氮素向籽粒进行转移等过程均产生了较为显著的不利影响，因此应在玉米抽雄和灌浆两个时期进行补充灌水以提高追肥氮素向籽粒转化率，提高追肥氮素利用效率。

2.3 不同灌水方案下植株对追肥氮素的吸收率

由表3可知，不同处理玉米成熟期植株15N总吸收率为19.16%～64.72%，各处理吸收率均显著高于CK处理(P<0.05)。在灌溉定额相同的情况下，处理L1、L2的植株15N总吸收率较处理L4、L5高出21.86%、10.95%，处理间差异显著(P<0.05)，同时处理L4、L5的15N总吸收率显著较处理L7、L8高出142.07%、40.27%，处理间差异显著(P<0.05)。在灌水2次的情况下，植株15N总吸收率随灌溉定额增加显著下降，且处理L9的15N总吸收率显著高于处理L6，但低于处理L3，表明在玉米生育后期尤其是灌浆期进行灌水可提高追肥氮素吸收率，但是在苗期和拔节期灌水量过大会显著降低氮肥的吸收率。

不同灌水处理下成熟期玉米籽粒的15N吸收率为11.29%～47.17%，在灌溉定额为600 m3/hm2，灌水次数为4次的情况下籽粒对追肥15N的吸收率最高，为47.17%。灌水4次和3次情况下各处理籽粒15N吸收率均显著大于CK处理(P<0.05)，但灌水2次时，处理L7的籽粒15N吸收率与CK处理差异不显著，且随灌水量增加呈逐渐较小趋势。其余各部位追肥15N吸收率为0.29%～8.87%，各处理茎秆和穗轴的15N吸收率均显著大于CK处理，但L7处理的叶片15N吸收率显著小于CK处理，且该处理苞叶15N吸收率与CK处理差异不显著。表明在玉米生育后期进行灌水会促进追肥氮素向籽粒中转移，在生育前期灌水量过大会显著降低籽粒对追肥15N的吸收率。在灌水4次情况下，处理L1的植株15N总吸收率略微大于处理L3，同时L1处理的籽粒对15N的吸收率略微小于L3处理，差异均不显著。

表3 不同处理下成熟期玉米全植株以及不同器官15N吸收率Tab.3 15N recovery of whole plant and different organs of maize under different treatments at maturity %

2.4 不同灌水方案下追肥15N土壤残留及损失

由图3可知，不同灌水方案下玉米收获后0～80 cm土层中追肥15N总残留量为5.57～15.87 kg/hm2，其中CK处理的15N总残留量最大，L7处理的总残留量最小。随着灌水次数的减少，土壤15N残留量逐渐减少，这是由于单次灌水量过大会产生深层渗漏，使得土壤氮素随下渗水分淋失。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4个土层的15N残留量分别占总残留量的37.62%～66.36%、15.12%～26.04%、11.81%～25.14%、4.45%～16.75%，其中0～60 cm土层中15N残留量占总残留量的83.25%～95.55%，而60～80 cm土层中15N残留量仅占总残留量的4.45%～16.75%。不同灌水处理下，0～20 cm和20～40 cm土层15N残留量变化规律基本一致，均随灌水次数的减少呈逐渐减小趋势。在0～20 cm土层，灌水4次和2次的情况下，处理之间土壤15N残留量差异显著(P<0.05)，但在灌水3次时差异未达到显著水平。在20～40 cm土层，灌水3次和2次情况下，处理间土壤15N残留差异显著(P<0.05)，灌水4次时差异未达到显著水平。在40～60 cm土层，仅有少量处理之间的15N残留量差异达到显著水平(P<0.05)，在60～80 cm土层，各处理之间15N残留量差异均不显著，说明施用氮肥对40 cm以下土层的氮素水平影响较小，对60 cm以下土层基本不产生影响。

图3 玉米收获后不同土层追肥15N残留量Fig.3 Residual 15N in different soil layers after maize harvest

图4 玉米收获后土壤15N残留率和追肥15N损失率Fig.4 Residual rate and loss rate of 15N after maize harvest

由图4可知，各处理在0～80 cm土层追肥总残留率和损失率呈极显著负相关关系(R=-0.920，P<0.01)。各处理土壤15N残留率为8.81%～24.89%，其中处理L7的残留率最小，损失率最大，损失率达到了69.25%，处理L1的损失率最小，仅为12.16%。在灌溉定额相同的情况下，肥料15N损失率随灌水次数增加呈逐渐减小趋势，相应的土壤中15N残留率逐渐增大。结果表明在施肥后灌水量过大会产生水分的深层渗漏，使得大量氮素随水分淋溶损失；在玉米全生育期适当增加灌水次数，合理控制单次灌水量，增加土壤对肥料氮素的吸收率，减少追肥氮素损失率，有助于维持土壤氮库平衡。

3 讨论

余卫东等[19]发现，苗期和拔节期淹水对玉米的影响较为显著，连续淹水3 d，玉米产量显著下降。本研究中，全生育期灌水2次的条件下，产量同样出现大幅度下降，3个处理平均产量较4次灌水和3次灌水分别降低16.84%、15.96%。这是因为苗期淹水胁迫抑制了植株吸收水分和养分的能力，并且干物质过多地向穗部转移，降低了籽粒干质量[20]。这与马玉平等[21]对黄淮海地区玉米的研究结果一致。研究证明将灌溉水量较为均衡地分配给玉米生长的各个时期内，尤其是在抽雄—乳熟期期间进行适量的补充灌水有利于玉米的生长发育，促进产量的形成，达到高产的目的。前人研究发现，成熟期玉米籽粒氮素分配约占到植株氮素总积累量的2/3左右[22]，在本研究中，玉米成熟期不同灌水处理籽粒中氮素积累量占植株氮素总积累量的45.50%～68.80%，且随着灌水次数的减少呈逐渐减小趋势，说明在灌溉定额不变的情况下，适当的增加灌水次数，尤其是在玉米抽雄期适当地进行灌水有助于氮素向籽粒中转移，提高氮肥生产率。这与苗文芳等[23]对华北平原夏玉米的研究结果一致。这是因为玉米抽雄—乳熟期是营养生长和生殖生长最为旺盛的时期，植株对水分需求逐渐增加，然而在灌水2次情况下，抽雄期和灌浆期玉米会出现水分亏缺状况，抑制了根系从土壤中吸取水分的能力，植株运输氮素进入果实中的能力大幅下降，从而抑制了营养物质向果实中进行转移。同时玉米承受淹水的能力较弱[24]，因此在灌溉定额固定，仅灌水2次情况下，玉米生育前期植株处于一段时间的淹水状态，淹水过后植株吸收养分的能力减弱，从而导致产量大幅减少。

本研究采用15N示踪技术，对不同灌水方案下玉米对追肥氮素的吸收分配情况进行了试验研究，结果表明玉米成熟期地上部分积累氮素总量的8.14%～13.21%来自于追肥氮素，同时植株对追肥的总利用率为19.16%～64.72%，并且处理L7的追肥利用率仅高出CK处理1.76%，这是因为单次灌水量过大只是增加了氮素淋溶损失，对植株吸收利用肥料氮素未产生积极影响[25]。翟丙年等[26]研究发现，灌溉对小麦吸收利用氮素的影响不仅体现在灌水量上，同时与灌水量在作物各个生育期内的分配有关。在本研究中，灌溉定额不变的情况下，植株氮素总积累量和追肥15N总积累量均随灌水次数的减少呈逐渐减小趋势，同时籽粒氮素积累量和15N积累量也呈相同趋势，这是因为在玉米生育前中期分配过多的水量对植株生长发育产生不利影响，同时这种影响具有一定的后效作用，抑制了灌浆期植株籽粒的形成以及营养物质向籽粒中进行转移的过程。本研究还发现，15N在玉米各器官中分配比例由大到小依次为籽粒、叶片、茎秆、穗轴、苞叶，且各器官15N积累量占该器官氮素总积累量比例为4.80%～9.83%，这与张水勤等[27]对玉米的研究结果基本一致。ICHIR等[28]研究发现，灌水频率会影响肥料氮在植株中的再分配，灌水频率的增加会提高肥料氮在籽粒中的分配比例。本研究发现，在灌溉定额不变的条件下，随着灌水次数的增加，玉米籽粒中15N积累量占植株15N总积累量的比例逐渐增加，但增加幅度较小，除灌水2次外，灌水4次和3次对应处理间差异不显著。玉米生育前期为营养生长阶段，灌水2次的情况下，植株处于短暂的淹水状态，抑制根系吸收追肥氮素，植株营养器官贮存的氮素减少，同时在玉米生育中后期生殖生长阶段，土壤出现缺水状况，不利于前期贮存的追肥氮素向籽粒中进行再分配[29]，这与孟维伟等[30]的研究结果类似，说明在玉米生育各个时期合理分配灌水量，尤其是在抽雄期和灌浆期进行适量的补充灌水能够促进氮素的再分配。此外，本研究中成熟期15N标记尿素在土壤中的残留率为8.81%～24.89%，损失率为12.16%～69.25%，该结果与陈平等[31]的研究结果基本一致，但试验中15N标记尿素的吸收率为19.16%～64.72%，变化范围较大，与其研究结果不太一致，原因依然是不同的灌水方案对玉米吸收肥料氮素影响较大，更精确的灌水能够进一步提高肥料吸收率。

大量研究表明，作物收获后会有小部分肥料氮残留在土壤中，且灌水量、灌水次数、灌水强度是影响肥料氮残留量的主要因素[32]。GABRIEL等[33]研究发现，玉米收获后约4/5的氮肥残留在0～40 cm土层中，80 cm以下土层仅占总残留量的3.7%。在本研究中，玉米收获后0～60 cm土层中追肥氮残留量占总残留量的83.25%～95.55%，仅有4.45%～16.75%肥料氮残留在60～80 cm土层中，各处理在该土层残留量差异不显著。在0～20 cm土层，灌溉定额不变的条件下，增加灌水次数显著增加追肥氮在该层土壤中的残留量，这是因为单次灌水强度大于土壤入渗速率时，会形成优势流，使溶解在水中的氮素随水分渗漏快速向深层移动，产生淋溶损失。这与ELRICK 等[34]的研究结果一致，说明适当增加灌水次数，减少单次灌水量，能够有效地减少氮肥淋溶损失，同时提高氮肥利用率和土壤残留率，一定程度上起到维持土壤氮平衡的作用，满足节水灌溉的要求。

东北地区玉米生产长期采用氮肥全部作为基肥一次施用的方法，氮肥前期流失较大，利用效率偏低。相关研究表明：相较于仅施用基肥氮素，在作物生育期内追施氮肥可以显著增加产量，提高作物地上部干物质量和氮素总积累量，同时能够提高土壤脲酶和转化酶活性[35-36]。因此在该地区进行追肥氮素利用及损失研究势在必行。目前在氮肥利用方面的研究多集中在水肥配施[37-38]和多次施氮[39]等条件下作物吸收利用氮素规律，对灌水强度影响作物吸收利用追肥氮素的机理仍不明确。野外试验中研究结果受到外界温度[40]、风速等环境因素以及土壤结构等因素的影响较大，本研究仅关注了灌水量和灌水次数对玉米吸收利用追肥氮素的影响，不同环境因素和土壤类型对玉米氮肥利用特性以及土壤氮素残留的影响需要进一步研究。此外本研究设置灌水量水平和灌水梯度均较少，未考虑玉米氮肥吸收利用特性发生突变的水量临界值，应增加梯度以进一步研究节水灌溉条件下玉米的肥料氮素吸收利用特征，制定出满足该地区节水、省肥、高产要求的最优灌水方案。

4 结论

(1)在灌溉定额不变的条件下，玉米地上部干物质量均随灌水次数的减少呈逐渐下降趋势。不同灌水处理下成熟期玉米籽粒氮素积累量、追肥15N积累量分别占两者总积累量的45.50%～68.80%、47.90%～74.40%。处理L1的籽粒产量以及氮素积累量均最大，处理L3的籽粒追肥15N积累量最大，但与处理L1差异不显著，综合考虑玉米产量和籽粒中追肥15N积累量，得出灌溉定额为800 m3/hm2，分别在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期进行灌水，共灌水4次的灌水方案符合玉米节水、高产同时提高肥料利用率的灌溉要求。

(2)不同灌水处理下成熟期玉米地上部氮素总积累量的8.14%～13.21%来自于追肥氮素，其中成熟期玉米籽粒中积累的追肥15N最多，占比47.95%～74.40%，其余地上部分各器官中15N分配比例由大到小依次为叶片、茎秆、穗轴、苞叶。不同灌水处理下玉米籽粒积累的总氮素量中来自追肥氮素的比例为4.80%～9.83%，其余器官总氮素积累量中来源于追肥氮素的比例很小。随着灌水次数的减少，玉米在相同灌溉定额条件下籽粒中追肥15N积累量占其氮素总积累量的比例逐渐减小。

(3)不同灌水处理下玉米成熟期植株15N总吸收率为19.16%～64.72%，其中成熟期玉米籽粒的15N吸收率为11.29%～47.17%，其余各部位追肥15N吸收率为0.29%～8.87%。处理L1的植株15N总吸收率最大，为64.72%，处理L3的籽粒15N吸收率最大，为47.17%，但在两个处理之间差异均不显著。在灌水2次的条件下，植株15N总吸收率随灌溉定额增加显著下降，表明在生育前期单次灌水量过大会抑制玉米吸收肥料氮素，降低氮肥吸收率。

(4)玉米收获后8.81%～24.89%的追肥氮素残留在土壤中，其中83.25%～95.55%的15N残留在0～60 cm土层中，60 cm以下15N残留量仅占4.45%～16.75%，并且施用氮肥对40 cm以下土层中氮素水平影响较小，对60 cm以下土层的氮素水平基本不产生影响。随着灌水次数的减少，土壤15N残留量逐渐减少，追肥损失率大幅度增加，因此在灌溉定额不变的情况下，单次灌水量过大会造成土壤中氮素的淋溶损失，适当增加灌水次数，减少单次灌水量能够有效地降低氮肥损失，提高肥料氮素残留率，在一定程度上起到维持土壤氮平衡的作用。