2018, Vol. 26
玉米是华北地区乃至全国重要的粮食作物, 保障玉米高产稳产对国民经济发展具有举足轻重的作用。但该区干旱少雨, 水资源严重缺乏, 农业用水占地下水总开采量的78.82%, 合理开发利用水资源成为华北地区一项重要的战略选择[1]。滴灌施肥是借助施肥装置和灌溉系统将肥料随着灌水一起输送到植物根部土壤, 滴灌施肥(水肥一体化)能精确控制灌水和施肥量, 可根据土壤状况及作物生育阶段特性精准控制灌水和施肥的数量及比例, 充分发挥水肥耦合效应, 提高水肥利用效率, 减少养分损失。这项技术的应用为作物提供适宜的水肥条件, 改善了土壤微环境, 使作物产量大幅度提高。研究表明, 滴灌与传统灌溉相比可节水40%, 较喷灌节水30%[2-3], 滴灌施肥的氮利用效率可达75%～80%, 传统施肥只有40%[4]。滴灌施肥在以色列、美国、澳大利亚等农业发达国家已大面积应用[5-7], 而我国大田作物滴灌施肥技术仅在西北干旱地区部分应用, 在新疆滴灌施肥玉米产量超高产水平, 且氮素偏生产力和氮肥利用率分别提高到122 kg(N)·hm-2和45%[8]。华北地区玉米种植中应用滴灌施肥一体化技术较少, 研究华北地区玉米滴灌水肥一体化适宜的施氮量不仅减少环境污染, 还可节约宝贵的水资源。
氮素是影响玉米产量和品质的关键营养元素, 对玉米的生长发育极为重要, 适量适时的氮素供应不仅起到提质增效的作用, 还能避免或减少氮素淋失, 对保护生态环境具有意义。迄今, 诸多学者围绕玉米基因类型[9]、氮素类型[10]、施氮量[11]、施氮时期和次数、栽培方式[12-14]等方面探讨了玉米氮素的累积、分配及利用效率规律及氮素淋溶问题。如在东北吉林从玉米产量、氮肥利用率和土壤硝态氮累积情况考虑, 合理施氮量应控制在180～240 kg∙hm-2[15]; 华北平原黑龙港流域中部施氮量为180 kg∙hm-2时可满足玉米各器官对氮素的需求, 实现高产高效[16]; 新疆乌兰地区采用滴灌施肥研究表明玉米产量在17 109～17 138 kg∙hm-2, 最佳经济施氮量为427.9～467.7 kg·hm-2[8]。但目前有关华北地区施氮量对玉米氮素利用及环境效应方面的影响多集中在采用地面畦灌, 基、追氮肥各1次的条件下进行研究, 西北地区玉米种植虽然部分采用滴灌水肥一体化, 但光、温、气、热与华北地区存在较大差异。因此, 华北山前平原滴灌水肥一体化下玉米氮素吸收、利用及土壤硝态氮含量对施氮量的反应亟待明确。本研究通过2年田间试验, 研究了滴灌条件下不同氮肥用量对玉米干物质积累、产量、氮素吸收利用效率和土壤硝态氮含量的影响, 旨在建立河北山前平原滴灌水肥一体化玉米优化施肥技术, 为该区玉米高产协同水分资源、氮素养分高效利用提供技术支撑。
1 研究区概况与研究方法 1.1 试验区概况本试验于2014年和2015年在农业部鹿泉大河农业环境野外观测实验站进行(38°14′N, 114°38′E)。种植制度为冬小麦-夏玉米复种轮作, 2014年和2015年玉米季降雨量分别为246 mm和329 mm。该地区为华北平原山前平原, 土壤为黏壤质洪冲积石灰性褐土。该试验基础土壤0～20 cm的硝态氮11.28 mg·kg-1、速效磷14.6 mg·kg-1、速效钾85.0 mg·kg-1。2014年和2015年的供试玉米品种为‘郑单958’。
1.2 试验设计试验设计4个施氮处理, 施氮量分别为0 kg(N)·hm-2、120 kg(N)·hm-2、240 kg(N)·hm-2和360 kg(N)·hm-2, 记作N0、N1、N2和N3。随机区组排列, 重复3次, 小区面积64 m2。各处理的磷、钾肥用量一致, 分别为P2O5 105 kg·hm-2和K2O 270 kg·hm-2。供试肥料氮、钾肥的40%和磷肥的80%底施, 其余氮、磷、钾肥按照施肥量, 配成固体水溶性肥料, 分别在拔节期、吐丝期及灌浆期3个时期滴灌施肥, 每个追肥时期的追肥量分别占总追肥量的1/3。底肥供试氮肥为尿素, 磷肥为磷酸二铵, N0处理为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾。追肥滴灌水溶性肥料的氮肥为尿素, 磷肥为磷酸一铵, 钾肥为氯化钾。夏玉米全生育期灌溉4次, 灌溉量根据作物生育阶段和土壤墒情确定, 播种期灌溉量为450 m3·hm-2, 追肥灌溉量为150～180 m3·hm-2。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 植株干物质量每个小区分别在夏玉米拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期取长势均匀一致的5株植株, 分不同部位于105 ℃杀青30 min, 75 ℃烘至恒重, 计算单位面积干物质量。
1.3.2 植株含氮量将用于测定不同时期干物重的5株植株不同部位烘干至恒重后粉碎。采用浓硫酸消煮, 凯氏定氮仪测定植株各器官的全氮含量, 再用加权法计算植株含氮量, 有关氮素吸收利用的计算公式[7-8, 10, 13]如下:
| $ 氮素累积量=含氮量\times 干物质质量 $ | (1) |
| $ 氮素收获指数(\%)=籽粒氮素吸收量/ 植株地上部 氮素积累量\times 100 $ | (2) |
| $ 氮肥当季回收率\left( \rm{kg} \cdot k{{g}^{-1}} \right)=\left( 收获期施氮区地上部总吸氮量-收获期不施氮地上部总吸氮量 \right)/施氮量 $ | (4) |
| $ 氮肥生产效率\left( \rm{kg} \cdot k{{g}^{-1}} \right)=籽粒产量/施氮量 $ | (5) |
| $ 氮素利用效率\left( \rm{kg} \cdot k{{g}^{-1}} \right)=籽粒产量/植株地上部氮素积累量 $ | (6) |
| $ 经济施氮量\left( \rm{kg} \cdot h{{m}^{-2}} \right)=-\left( b-Px/Py \right)/2a $ | (7) |
式中: a为产量和施氮量拟合一元二次方程的一次项系数, b为二次项系数, Px为氮肥价格4.96元∙kg-1, Py为玉米价格, 2.0元∙kg-1[17]。
1.3.3 土壤硝态氮含量夏玉米成熟期, 采用土钻法取0～100 cm土层土样, 每20 cm为一层, 取后立即装入自封袋中并置于-20 ℃冰冻保存。测定时将土壤样品解冻、混匀、过2 mm筛。称取12 g土壤样品, 采用1 mol∙L-1的KCl溶液50 mL浸提1 h, 浸提液用紫外分光光度计比色测定。同时测定土壤含水量, 计算干土硝态氮含量。
1.3.4 产量成熟期每小区取2个2 m2的玉米植株, 采用小型脱粒机脱粒, 风干, 测定籽粒含水量后折算成含水量为13%的产量。
1.4 数据处理数据处理分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0数据分析软件进行数据统计分析和差异显著性检验。
2 结果与分析 2.1 滴灌水肥一体化下施氮量对玉米干物质积累的影响玉米干物质积累量对施氮量的响应见图 1。2014年玉米拔节期N0干物质累积量较N1和N2处理显著降低, 与N3处理的干物质累积量无显著差异; 灌浆期N0处理干物质积累量显著低于N1、N2和N3处理, 但N1、N2和N3处理间无显著差异; 成熟期不同施氮处理间干物质积累与拔节期表现出相似趋势。2015年不同施氮处理对玉米干物质累积量的影响表现为拔节期N2和N3处理显著高于N0处理, 灌浆期和收获期表现为N1、N2和N3处理显著高于N0处理, 但N1、N2和N3处理的干物质累积量无显著差异。上述结果表明在滴灌水肥一体化条件下, 施氮量在0～120 kg·hm-2范围内随施氮量增加玉米干物重呈上升趋势, 但施氮量在120～360 kg·hm-2范围内玉米干物质积累对施氮量反应无显著差异。
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图 1 2014年和2015年滴灌水肥一体化下不同施氮量对夏玉米干物质累积量的影响 Figure 1 Effect of nitrogen application rate on summer maize dry weight accumulation under drip fertigation in 2014 and 2015 不同字母表示不同处理差异达5%显著水平。N0:不施氮; N1: 120 kg·hm-2; N2: 240 kg·hm-2; N3: 360 kg·hm-2。 Different letters mean significant differences among nitrogen treatments at 5% levels. N0: no nitrogen; N1: 120 kg·hm-2 nitrogen; N2: 240 kg·hm-2 nitrogen; N3: 360 kg·hm-2 nitrogen. |
滴灌水肥一体化下玉米植株不同时期氮含量及氮累积量对施氮量的反应见表 1。2014年不同生育期植株氮含量均表现为N0处理显著低于N1、N2和N3处理, N1、N2和N3处理间表现为拔节期植株氮含量无显著差异, 吐丝期、灌浆期和成熟期N3处理显著高于N1处理、但与N2处理差异不显著。2015年不同生育期施氮处理植株氮含量均显著高于N0处理, N1、N2和N3处理植株氮含量表现为拔节期、灌浆期和成熟期无显著差异, 吐丝期为N1 < N2 < N3处理, 且呈显著性差异。尽管不同年份间玉米植株氮含量存在一定差异, 但总体表现为随施氮量的增加而上升的趋势。
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表1 2014年和2015年滴灌水肥一体化下施氮量对夏玉米植株氮含量及氮累积量的影响 Table 1 Effects of nitrogen application rate on nitrogen content and accumulation amount in summer maize under drip fertigation in 2014 and 2015 |
2014年不同生育期玉米植株氮累积量表现为N0显著低于施氮处理。施氮处理间相比较(表 1), 拔节期N1、N2和N3无显著差异; 吐丝期、灌浆期和成熟期N3处理显著高于N1处理, N2和N3处理无显著差异。2015年不同生育期N0处理玉米植株氮累积量显著低于施氮处理; N1、N2和N3比较表现为拔节期和灌浆期无显著差异, 吐丝期N1处理显著低于N3处理, 成熟期N3处理植株氮累积量最高, 与N1和N2处理差异显著。综上所述, 2014年和2015年玉米不同生育期氮累积量总体表现为随施氮量的增加而增加, 但施氮量高于120 kg·hm-2时, 随施氮量的增加植株氮累积效应逐渐降低。
2.3 滴灌水肥一体化下施氮量对玉米籽粒产量和氮素利用效率的影响2014年的玉米产量表现为N0处理显著低于N1和N2处理(表 2); 氮收获指数N0和N1处理显著高于N2和N3处理, N2和N3处理间无显著差异; 氮肥当季回收率和氮肥农学效率表现为N2和N3处理显著低于N1处理, N2和N3处理间差异不显著; 氮肥生产效率以N1处理最高; 氮利用效率表现为随施氮量增加而降低的趋势。2015年玉米籽粒产量表现为N1处理最高, 显著高于N0, 但N1与N2和N3处理无显著差异; 氮收获指数表现为N0和N1处理显著高于N2和N3处理; 氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率与2014年趋势一致, 氮肥利用效率表现为随施氮量的增加而降低。上述结果表明, 连续2年在120～360 kg·hm-2施氮范围内的玉米产量和氮收获指数表现为随施氮量增加呈先增加后降低的抛物线趋势; 随施氮量的增加, 氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率及氮利用效率表现为逐渐降低趋势。
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表2 2014年和2015年滴灌水肥一体化下施氮量对夏玉米籽粒产量和氮素利用效率的影响 Table 2 Effects of nitrogen application rate on grain yield and nitrogen use efficiency of summer maize under drip fertigation in 2014 and 2015 |
收获期0～100 cm土层土壤硝态氮含量对施氮量的响应见图 2。2014年玉米收获季, 0～20 cm土层, N2和N3处理硝态氮含量显著高于N0和N1处理, N2和N3处理间无显著差异; 40 cm以下各土层不同处理间土壤硝态氮含量均表现为随施氮量的增加而上升趋势; 同一施氮水平下不同土层硝态氮含量的变化表现为随土壤层次加深而逐渐降低。2015年, 同一土层深度下土壤硝态氮含量变化与2014年有相同趋势, 施氮量越高, 土壤硝态氮含量越高; 相同施氮量不同土壤层次硝态氮含量变化表明, N0处理随土壤层次加深土壤硝态氮含量逐渐降低, N1和N2处理在0～60 cm土层逐渐减少, 60～100 cm土层土壤硝态氮含量呈增加趋势, N3处理随土壤层次加深土壤硝态氮含量增加, 且60～100 cm土层土壤硝态氮含量显著增加。综上所述, 2014年同一施氮量在0～100 cm土壤范围内硝态氮含量逐渐降低, 2015年施氮量240 kg·hm-2和360 kg·hm-2的土壤硝态氮在100 cm土层深度达到累积峰。可见, 经过2年种植后, 施氮量在240 kg·hm-2和360 kg·hm-2时, 土壤硝态氮淋洗加剧。
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图 2 2014年和2015年滴灌水肥一体化下施氮量对0～100 cm剖面土壤硝态氮含量的影响 Figure 2 Effect of nitrogen application rate on soil NO3--N content in 0-100 cm depth soil maize under drip fertigation in 2014 and 2015 |
合理施用氮肥是玉米提高产量的关键, 采用一元二次方程研究籽粒产量和施氮量的关系, 计算获得最高产量的施氮量和经济施氮量(图 3)。2014年的拟合方程决定系数为0.886, 相关系数为0.940, 2015年拟合方程的决定系数为0.748, 相关系数0.860。可见, 一元二次方程较好地反映了玉米产量与滴灌施氮量之间的关系。经拟合方程得出: 2014年和2015年玉米最高产量的施氮量分别为208.7 kg·hm-2、199.8 kg·hm-2, 经济施氮量分别为186.4 kg·hm-2、174.2 kg·hm-2。综上所述, 在该试验土壤肥力条件下, 山前平原滴灌玉米的最高产量施氮量为199～209 kg·hm-2; 从经济效益及生态环境角度考虑, 经济施氮量为174～187 kg·hm-2。
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图 3 2014年和2015年滴灌水肥—体化下夏玉米产量与施氮量的关系 Figure 3 Relations between yield and nitrogen application rate of summer maize under drip fertigation in 2014 and 2015 |
滴灌条件下, 玉米产量、施氮量及氮素利用效率各指标的相关分析见表 3。施氮量与氮肥当季回收率、氮肥农学效率及氮肥生产效率呈极显著负相关, 与氮肥利用效率呈显著负相关; 吸氮量与氮肥生产效率呈极显著负相关, 与氮肥农学效率、氮肥利用效率呈显著负相关。施氮量与吸氮量极显著正相关; 氮收获指数与氮肥农学效率呈显著正相关, 与氮肥生产效率、氮肥利用效率极显著正相关; 氮当季回收率与氮肥农学效率呈极显著正相关, 与氮肥生产效率呈显著相关; 农学生产效率与氮肥生产效率呈极显著正相关; 氮肥生产效率与氮肥利用效率呈显著正相关; 其他各指标相关性不显著。可见, 施氮量与植株吸氮量具有显著正相关, 而对氮当季回收率、农学效率、生产效率、利用效率呈负相关。
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表3 滴灌水肥一体化下夏玉米产量及氮吸收利用指标间的相关性 Table 3 Correlation analysis between yield and indexes of nitrogen absorption and utilization of summer maize under drip fertigation |
滴灌水肥一体化与传统灌溉相比, 实现了由浇地向浇作物的转变、土壤施肥向植株施肥的转变、水肥分开向水肥同步的转变、单一管理方式向综合管理方式转变、传统农业种植向现代农业种植转变。因此, 发展水肥一体化是作物高产优质、水肥利用高效、生态环境安全的现代农业重大技术[4]。华北地区水资源匮乏, 传统大水漫灌已不能满足生产需要, 采用滴灌水肥一体化的灌溉施肥方式, 能使该区有限的水资源高效利用。
迄今, 国内外生产实践证实, 增施氮磷钾养分可提高夏玉米光合产物, 尤其是氮素, 对提高作物光合产物至关重要[18-19]。研究表明, 江苏地区施氮量在0～540 kg·hm-2范围内玉米干物质积累呈单峰曲线变化, 以施氮450 kg·hm-2时光合干物质累积量最高[20-21]; 东北吉林春玉米表现为施氮量超过240 kg·hm-2后各玉米干物质累积和吸氮量差异不显著, 但与不施氮相比, 施氮极显著地促进了玉米地上部氮素的吸收[15]。但上述结果均是在畦灌和传统施肥条件下进行研究的。本研究采用滴灌水肥一体化结果表明, 华北山前平原滴灌条件下施氮量0～120 kg·hm-2范围内夏玉米干物质量呈直线上升趋势, 施氮量120～360 kg·hm-2时干物质积累无显著差异; 在施氮量0～360 kg·hm-2范围玉米植株氮累积量逐渐增加, 特别是施氮量在0～120 kg·hm-2范围内对玉米植株氮积累量的影响较大, 在施氮量为120～360 kg·hm-2时, 随施氮量的增加对玉米植株氮累积量的调控效应逐渐降低, 且不同年际间表现为相似趋势。这一结果与已有研究结果存在一定差异, 可能是由于施肥、灌溉方式及地域差异等原因引起的。
张经廷等[16]研究表明, 华北低平原区180 kg·hm-2的施氮量可实现高产与高效并举。在河北曲周, 徐明杰等[22]采用15N同位素示踪技术探讨肥料氮、土壤氮、作物氮之间的关系, 发现优化施肥方式中夏玉米施氮量为185 kg·hm-2时, 玉米达到高产水平且氮肥的利用率高。本研究表明, 籽粒产量和氮收获指数呈单峰曲线变化, 氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率和氮肥利用效率表现为随施氮量增加而降低趋势。通过分析氮肥利用参数的相关关系, 表明施氮量与吸氮量呈正相关, 而施氮量和吸氮量与氮农学效率、氮生产效率、氮利用效率呈负相关。由此可见, 随着施氮量和植株氮吸收总量的增加, 植株对氮素的需求逐渐降低, 而过量氮肥超出了植株对氮素运转及利用能力, 导致植株对氮素的奢侈吸收, 从而降低了氮利用效率。
利用一元二次方程分析两年的施氮量与玉米籽粒产量的关系, 根据边际收益等于边际成本的原则, 确定2014年和2015年的经济施氮量分别为174 kg·hm-2和187 kg·hm-2。根据产量和氮收获指数试验结果, 结合方程拟合得出的经济施氮量, 从经济效益和生态环境两方面综合考虑, 该区玉米适宜氮肥用量为174～187 kg·hm-2。虽然这一结果与张经廷等[16]和徐明杰等[22]研究不同施氮量的试验结果基本一致, 但本试验基础地力较低, 且本试验籽粒产量高于已有的研究结果, 因此, 滴灌水肥一体化试验条件下氮肥利用效率相对提高。
氮肥过量施入导致硝态氮在土壤中大量累积, 增加了硝态氮淋溶风险。研究已表明, 玉米种植中各层土壤硝态氮含量基本随施氮量的增加而升高[23]。华北平原旱作条件下, 土壤氮矿化和硝化能力比较强, 未被作物利用的大量盈余氮素主要以硝态氮的形式累积于土壤中, 在集中降雨和灌溉情况下淋洗出作物根区, 成为氮素损失的一个主要途径[24-25]。徐明杰等[22]采用15N标记的方法研究发现施氮250 kg·hm-2的土壤硝态氮含量显著高于施氮180 kg·hm-2, 且土壤深层硝态氮含量明显增加, 有向下淋洗的趋势。本研究表明, 在滴灌水肥一体化下, 2014年同一土壤层次硝态氮含量表现为随施氮量的增加而上升, 均表现为0～20 cm土层硝态氮含量最高, 不同施氮处理均表现为随着土壤层次加深硝态氮含量逐渐减少; 2015年不同施氮量处理间同一土壤层次硝态氮含量与2014年表现为相同趋势, 但不同土壤层次硝态氮含量因施氮量不同而异, 在施氮量0～120 kg·hm-2范围内土壤不同层次间变化较小, 但施氮量在240～360 kg·hm-2范围内60～100 cm土层硝态氮含量变化较大, 表现为随土层深度增加而上升。综上所述, 滴灌水肥一体化下夏玉米种植中第1年过量施氮在生长季降雨量为249 mm条件下未导致硝态氮淋溶, 但第2年过量施氮在生长季降雨量为329 mm条件下土壤硝态氮向下淋溶明显。因此, 适宜的施氮量在降雨的影响下减少了硝态氮的淋溶, 亦达到节肥、增效和保护生态环境的目标。
由于不同种植年限间夏玉米各生育阶段的降雨量、光照和温度存在差异, 对氮肥利用效率及硝态氮的淋溶存在一定影响, 因此, 该区不同年际间施氮量对玉米100 cm土层以下的硝态氮运移的影响需进一步研究。
4 结论研究表明, 在本试验土壤肥力下, 滴灌水肥一体化条件下玉米不同时期氮累积量总体表现为随施氮量的增加而增加, 但施氮量高于120 kg·hm-2时, 随施氮量的增加植株氮累积效应逐渐降低。夏玉米收获后土壤硝态氮积累量随施氮量增加而上升, 施氮量大于240 kg(N)·hm-2时, 土层深度100 cm处硝态氮大量积累。结合玉米籽粒产量、氮肥利用效率和土壤硝态氮含量综合考虑, 在华北山前平原采用滴灌水肥一体化条件下玉米的经济施氮量为174～187 kg·hm-2。
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