施肥对全膜双垄沟播玉米土壤养分动态变化的影响

2013-10-22徐振峰牛俊义高玉红李洋

草原与草坪 2013年3期

徐振峰　牛俊义　高玉红　李洋

摘要：采用大田随机区组试验法，研究了不同施肥水平下全膜双垄沟播玉米土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷的动态变化情况。结果表明：整个玉米生育时期0～20 cm土层各处理的土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷变化趋势与20～40 cm土层基本一致。土壤有机质和碱解氮含量随着玉米生育时期的推进而不断降低，且分别在抽雄期和灌浆期达到最低值，成熟期有机质和碱解氮含量又略有回升。全磷含量从苗期到成熟期逐渐降低。全氮和速效磷含量在玉米生长前期不断增加，且分别在抽雄期和拔节期达到最大值，之后随着生育期的推进而不断降低。两个土层的土壤养分含量存在着明显的垂直递减规律。西北干旱半干旱地区全膜双垄沟播玉米种植密度确定为6.75×104 株/hm-2时，最佳施肥量为纯N 210 kg/hm2、P2O5 168 kg/hm2。

关键词：全膜双垄沟播玉米；施肥；土壤养分；动态变化

随着现代农业的快速发展，人们大量使用各种化肥以求获得农产品的高产，满足众多人口的粮食需求。土壤养分是土壤中含有的植物生长发育所需要的营养物质，是土壤肥力的重要指标之一。土壤速效养分含量是评价土壤供肥能力的主要指标，体现着生态环境条件下土壤养分的转化能力和人们的施肥与管理水平[1]。土壤氮素是影响作物生长最重要的限制因子之一[2]，隽英华等[3]研究表明，施氮明显提高耕层土壤碱解氮的含量，随着生育期推进，表层土壤碱解氮和有效磷的含量呈先升高后降低的趋势。土壤有机质、全氮、全磷和速效氮含量随土壤深度的增加呈现下降的趋势[4-6]。地膜覆盖可以提高农业生态系统的氮素利用效率，使作物获得高产[7]。全膜双垄沟播玉米技术是我国农业科技人员对传统地膜覆盖栽培技术逐步改进的最新成果，该技术集垄面集流、覆膜抑蒸、垄沟种植技术于一体，大幅度提高了土壤水分的利用效率和降水保蓄率，促进了玉米对土壤养分的吸收，增产幅度达30%以上，被视为旱作农业的一项重大创新技术[8，9]。众多学者对全膜双垄沟播玉米增产机理进行了广泛深入的研究，并取得较多研究成果[10-14]。目前，对不同施肥处理及其他覆盖方式下土壤养分含量动态变化的研究已经很多，但对全膜双垄沟播种植模式下玉米土壤养分含量动态变化的研究报道较少。因此，根据我国西北地区气候特点，以全膜双垄沟播玉米田为研究对象，系统分析了不同氮磷施肥水平下全膜双垄沟播玉米土壤养分的动态变化特征，旨在充分了解全膜双垄沟播种植模式下土壤养分的特性，为该地区进一步改进和完善全膜双垄沟播玉米技术，提高玉米产量，增加种植效益提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2011年3～10月在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地进行，地理位置E 104°37′，N 35°35′。海拔1 896.7 m，属中温带半干旱区，大陆性季风气候。气候特点为光能较多，雨热同季，降水少蒸发率大，气候干燥。年均气温6.4 ℃，≥10 ℃积温 2 239.1 ℃，年均日照数2 500 h，年均太阳辐射591.89 KJ/cm2，年均无霜期146 d，年均降水量386.0 mm，主要集中在5～10月，占年降水量的86.9%。2011年降水量低于该区年均降水量（表1），为干旱年份。土壤质地为黄绵土，呈碱性（表2）。

1.2 试验设计

2011年3月15日覆地膜，地膜宽为120 cm、厚0.008 mm，由兰州绿园塑业有限公司生产。供试玉米品种承单20号。玉米播种密度为6.75×104 株/hm2。试验采用二因素随机区组设计方法。设施纯氮（N）、P2O5（P）2个因素。施肥梯度设置6个水平，ck不施NP、NP2 （N 120 kg/hm2，P 96 kg/hm2）、NP3（N 150 kg/hm2，P 120 kg/hm2）、NP4（N 180 kg/hm2，P 144 kg/hm2）、NP5（N 210 kg/hm2，P 168 kg/hm2）、NP6（N 240 kg/hm2，P 192 kg/hm2）。其中：氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%）。尿素60%作基肥施入，40%分别在拔节期和灌浆期追施；过磷酸钙全部作基肥施入。每个处理3次重复，共18个试验小区。小区面积3.3 m×7 m，小区间分别留40 cm、60 cm宽走道。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集试验样品2011年3～10月采集，3月15日采集基础土样，之后于玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期分别采集0～20和20～40 cm土层土样，采样按5点采样法采集，然后把各土层的土样分别混合均匀，剔除石砾和植物残根等杂物，分别装入自封袋中带回实验室，样品风干后过1 mm筛备测。

1.3.2 测定方法土壤全氮用半微量凯氏法测定；土壤全磷采用H2SO4（浓）-HClO4消煮，钼锑抗显色，分光光度法测定；有机质采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮采用氢氧化钠-硼酸碱解扩散法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法测定[15]。

1.4 数据处理

试验数据利用Excel软件进行整理，利用SPSS20.0软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤有机质含量的动态变化的影响

整个生育期内全膜双垄沟播玉米2个土层各处理土壤有机质含量的动态变化趋势基本一致（表3），均是在苗期有机质含量较高，随着玉米生育期的进行，拔节期和抽雄期2个土层各处理的土壤有机质含量逐渐下降，到灌浆期、成熟期2个土层各处理的土壤有机质含量得到回升，成熟期时各处理的有机质含量较灌浆期时变化不大，但各处理的土壤有机质含量与苗期相比，均略有下降。苗期玉米靠自身的营养生长，很少吸收土壤养分，故各处理的土壤有机质含量均比较高，拔节期玉米营养生长迅速，抽雄期玉米由营养生长向生殖生长转变，均需要从土壤中吸取大量的养分，故这2个时期各处理的土壤有机质含量均较低。而玉米生长后期根系开始衰退，从土壤中吸取的养分逐渐减少，促使土壤有机质不断得到回升。全膜双垄沟播玉米全生育期内2个土层均是NP5处理土壤有机质含量最高，ck处理最低。其中，0～20 cm土层5个生育期NP5处理土壤有机质含量分别比ck处理提高了17.82%、19.12%、32.35%、19.23%和25.39%；20～40 cm土层5个生育期NP5处理土壤有机质含量分别比ck处

理提高了19.20%、32.20%、29.08%、36.01%和29.29%。土壤有机质含量存在着明显的垂直递减的变化趋势，总体上5个生育时期0～20 cm土层各处理的有机质含量比20～40 cm土层高出了0.01～3.42 g/kg。

2.2 施肥对土壤全氮含量动态变化的影响

整个生育期内全膜双垄沟播玉米2个土层各处理土壤全氮含量的变化幅度相对较小，动态变化趋势基本一致，从苗期到拔节期之间2个土层各处理的土壤全氮含量均出现不同程度的增长，拔节期、抽雄期、灌浆期时2个土层各处理的土壤全氮量处在一个相对稳定的高峰时期，3个时期2个土层各处理的土壤全氮量均以抽雄期最高，而成熟期时2个土层各处理的土壤全氮含量与前面其他4个生育期相比出现了比较明显的下降。苗期玉米植株较小，根系不发达，对土壤养分的吸收相对较小，而拔节期、抽雄期和灌浆期属玉米的生长旺盛期，需要从土壤中吸取大量的养分来满足生长，此时段由于地表温度较高且覆盖了地膜，促使地下水分不断向地表集聚，使得土壤下层有效氮上移至表层，补充了表层土壤可被植株吸收的有效氮的含量。此时土壤全氮含量较高，很好的满足了植株生长的养分需求。玉米前期从土壤吸取了大量的养分，成熟期土壤养分没有从外界得到有效的补充、玉米根系的衰老也不利于深层土壤氮素向地表的集聚等原因导致了成熟期全膜双垄沟播玉米2个土层各处理土壤全氮含量出现了明显下降。全膜双垄沟播玉米全生育期2个土层均是NP5处理土壤全氮含量最高，ck处理最低。说明适度的增施氮磷肥料能有效促进土壤全氮的含量。其中，0～20 cm土层5个生育期NP5处理土壤全氮含量分别比ck处理提高了21.98%、9.40%、15.25%、9.32%和25.32%；20～40 cm土层5个生育期NP5处理土壤全氮含量分别比ck处理提高了15.47%、15.12%、21.98%，6.59%和23.61%。土壤全氮含量存在着明显的垂直递减的变化趋势，总体上5个生育时期0～20 cm土层各处理的全氮含量比20～40 cm土层高出了0.06～0.39 g/kg。

2.3 施肥对土壤全磷含量动态变化的影响

土壤全磷是土壤磷素总体水平的体现，是土壤无机磷素和有机磷素的总和，能反映土壤磷库大小和潜在的供磷能力。全膜双垄沟播玉米整个生育期2个土层各处理的土壤全磷含量变化幅度均相对较小，且变化趋势基本一致（表5），从苗期到成熟期之间2个土层各处理的土壤全磷含量均逐渐降低，各处理的土壤全磷含量均为苗期最高，成熟期最低。其中，0～20 cm土层各处理土壤全磷含量成熟期分别比苗期降低了17.24%、14.44%、7.69%、10.31%、12.01%和18.37%；20～40 cm土层各处理土壤全磷含量成熟期分别比苗期降低了19.18%、20.51%、17.28%、11.11%、12.79%和15.19%。全膜双垄沟播玉米全生育期内两个土层均是NP5处理土壤全磷含量最高，ck处理最低。其中0～20 cm土层5个生育期NP5处理土壤全磷含量分别比ck处理提高了14.94%、20.73%、13.42%、14.29%和22.22%；20～40 cm土层5个生育期NP5处理土壤全磷含量分别比ck处理提高了17.81%、15.94%、16.42%、28.33%和27.12%。土壤全磷含量存在着明显的垂直递减的变化趋势，总体上5个生育时期0～20 cm土层各处理的全磷含量比20～40 cm土层高出了0.11～0.18 g/kg。

2.4 施肥对土壤碱解氮含量动态变化的影响

整个生育期内全膜双垄沟播玉米2个土层各处理的土壤碱解氮含量变化趋势基本一致，且呈现出较强的规律性（表6），即整个生育期内2个土层各处理的土壤碱解氮含量从苗期到拔节期迅速下降，而拔节期到抽雄期、抽雄期到灌浆期之间也呈下降趋势，但下降幅度要低于苗期至拔节期之间。灌浆期到成熟期时各处理的土壤碱解氮含量又出现略微的回升。苗期时玉米植株相对较小，根系也不发达，植株从土壤中吸取的养分相对较少，从而有利于土层内有效氮的集聚，而拔节期到抽雄期这一段时间是玉米营养生长和生殖生长并进阶段，从抽雄期到灌浆期是玉米的生殖生长阶段，这些时期玉米的生长均需要消耗大量的养分，因此拔节期到灌浆期时2个土层各处理的土壤碱解氮含量较低符合玉米这两个时期需肥量多、吸收速度快的营养特点，全生育期内全膜双垄沟播玉米整个耕层内各施肥处理土壤碱解氮含量均大于ck处理，表明氮肥施入有效地提高了土壤有效氮的含量。其中各施肥处理中以NP5处理的效果尤为显著。5个生育期全膜双垄沟播玉米0～20 cm土层NP5处理土壤碱解氮含量分别比ck处理提高了38.08%、50.05%、43.95%、59.34%、54.08%。20～40 cm土层NP5处理土壤碱解氮含量分别比ck处理提高了49.49%、68.95%、33.37%、38.01%、51.26%。土壤碱解氮含量存在着明显的垂直递减的变化的趋势，总体上5个生育时期内0～20 cm土层各处理的碱解氮含量比20～40 cm土层高出了4.90～10.42 mg/kg。

2.5 施肥对土壤速效磷含量动态变化的影响

整个耕层内全膜双垄沟播玉米各施肥处理的土壤速效磷含量从苗期到拔节期逐渐升高，各处理在拔节期时土壤速效磷含量均达到最大值，抽雄期时各处理

的土壤速效磷含量与拔节期时相比略有下降，之后灌浆期和成熟期逐渐下降，且成熟期时各处理的土壤速效磷含量最低（表7）。苗期之后土壤磷素存在明显的活化作用。一方面，可能是随着温度的升高，有机磷矿化和无机磷转化加强而导致土壤磷素表现出明显的温度效应[16]；另一方面，玉米植株的不断生长，玉米根系不断发达延伸，植物根系分泌物以及土壤里的微生物等对土壤磷素的活化作用也有重要影响。玉米中前期的生长消耗了大量磷素，成熟期玉米根系逐渐老化，温度也不断下降，导致了各处理的土壤速效磷出现了明显下降。在整个生育时期内，两个土层全膜双垄沟播玉米均以NP5处理的土壤速效磷含量最高，ck处理最低。NP5处理土壤速效磷含量与其他处理之间差异显著。其他处理土壤速效磷含量与ck处理相比均有不同程度的提高，说明使用磷肥能迅速有效地在土壤中建立起有效的磷库，满足植株生长对磷素的需求。5个生育期内0～20 cm土层NP5处理土壤速效磷含量分别比ck处理提高了21.88%、21.58%、20.74%、27.84%、23.93%。20～40 cm土层NP5处理土壤速效磷含量分别比ck处理提高了21.87%、32.99%、23.41%、23.19%、28.86%。土壤碱解氮含量存在着明显的垂直递减的变化趋势，总体上5个生育时期0～20 cm土层各处理的碱解氮含量比20～40 cm土层高出了大约3.66～8.22 mg/kg。

3 讨论与结论

已有研究表明土壤水分和地温对土壤养分有重要影响[17]，而全膜双垄沟播种植方式增加了土壤含水量，提高了土壤温度，改变了土壤微环境，因此全膜双垄沟播种植模式必然对土壤养分产生重要影响。舒英杰等[18]研究发现，地膜覆盖可以显著提高土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效磷含量，而本研究结果表明，施肥在一定程度上改变了全膜双垄沟播玉米土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量，不同玉米生长时期变化不尽相同。在玉米生长前期，有机质和碱解氮含量均呈现快速降低趋势，其中有机质含量在抽雄期达到最低值，碱解氮含量在灌浆期达到最低值。由于覆盖了地膜，以及地温的不断升高，土壤微生物活性提高，土壤有机质不断被分解、矿化，而玉米生育前期植株生长旺盛，需肥量大，对土壤速效养分的消耗量大，导致土壤有机质和碱解氮含量消耗大于积累。而成熟期时，有机质和碱解氮含量又略有回升，这是玉米叶片逐渐枯黄，根系逐渐衰老，代谢功能和养分吸收能力降低的结果[19]。此次试验玉米全生育期内各处理土壤全氮含量从苗期到抽雄期不断升高，之后略有下降。而全磷含量则是从苗期到成熟期呈现出逐渐降低的趋势。总体上整个生育时期土壤全氮、全磷含量变化幅度相对较小，由于土壤全氮和全磷代表了整个土壤的氮源和碳源，所以很难通过一季作物的施肥就能取得巨大的变化。整个生育时期，土壤速效磷含量呈现出先升高后降低的趋势，在拔节期达到最大值，成熟期时含量最低。随着温度的升高，有机磷矿化和无机磷转化加强，从而使得土壤速效磷含量不断升高。但玉米植株相对较大，从土壤中吸收的养分多，最终使得土壤速效磷的积累大于消耗，导致土壤速效磷的下降[16，20]。土壤有机质、碱解氮、速效磷均在玉米生长旺盛的时期出现明显下降，这与玉米需肥规律相一致，很好的满足了植株生长对土壤养分的需求，为玉米最后的高产稳产奠定了良好的基础。

本研究结果表明，在整个生育期内，各施肥处理的土壤养分含量均大于不施肥处理，这与程东娟等[21]的研究结果相一致。研究结果表明，0～20 cm土层各处理的土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量均高于20～40 cm土层。证实了土壤养分存在着随土壤深度的增加而垂直递减的规律。

此次研究结果表明，全膜双垄沟播玉米种植密度确定为6.75×104株/hm2时，NP5处理土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量的动态变化最有利于玉米生长，说明在西北干旱半干旱地区，全膜双垄沟播玉米的最佳施肥量为纯N 210 kg/hm2和P2O5 168 kg/hm2，可在生产上大面积推广应用。

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