不同水氮条件下灌溉方式对玉米干物质量和氮钾利用的影响

2014-12-22李伏生

生态学报 2014年18期

刘水，李伏生

(广西大学农学院，南宁 530005)

分根区交替灌溉(简记AI)是在作物整个生育期或某些生育期交替地对一半根区进行正常灌溉，而在另一半根区则不灌溉，通过干燥根系产生的ABA运送到叶片，调节气孔开度，降低植株蒸腾和土壤蒸发，从而达到节约灌水量和提高作物水肥利用效率的目的［1-6］。杨启良等［7］研究表明，与常规和固定沟灌相比，交替沟灌对玉米产量和植株氮含量分别提高3．5% 和 7．16%、3．7%和 7．1%。Li等［4］结果指出，与常规灌溉(CI)相比，分根交替灌溉节水29．1%，总干物质量和冠层干物质量仅分别减少6．3%和5．6%，而水分利用效率和氮肥表观利用率分别提高 24．3%和 16．4%。韩艳丽和康绍忠［8］研究表明，交替灌水方式较均匀灌水方式节水27．6%，水分利用效率提高5．3%，单位耗水量氮(N)、磷(P)利用效率也有所提高。Lehrsch等［9］研究了不同隔沟灌溉方式对玉米生长和硝态氮淋洗的影响，表明交替隔沟灌溉在维持作物产量的同时，可使土壤氮的吸收增加21%。张芮等［10］研究指出，苗期至拔节期水分胁迫对玉米产量影响甚微，持续或交替水分胁迫则显著降低产量。

目前有关不同生育时期分根区交替灌溉对作物生长研究亦有报导［11］。农梦玲等［12］将玉米不同生育期分根区交替灌溉和施肥水平结合起来进行研究，结果表明，与常规灌溉相比，苗期—拔节期根区局部灌溉总干物质降低不明显或略有增加，且不影响玉米对NK吸收量;而苗期—抽雄期根区局部灌溉明显降低玉米总干物质量和NK吸收量。在相同灌水方式下，中氮钾水平玉米干物质积累、水分利用效率和氮吸收利用较高［13］。

由于作物需水随生育期的变化，分根区交替灌溉的节水效果也会随生育期而发生变化，为进一步探明不同生育期分根区交替灌溉对玉米干物质积累和NK利用的影响，本研究是在不同灌水水平和有机无机N比例条件下，研究了不同生育期分根区交替灌溉对玉米干物质量、N、K含量和吸收量以及土壤碱解氮和速效钾含量，以期为分根区交替灌溉充分发挥其节水节肥效果奠定理论基础，并为玉米合理灌溉施肥提供参考。

1 材料与方法

1．1 试验地点和材料

盆栽试验在广西大学农学院网室大棚中进行，供试土壤采自本校农科教学基地第四纪红色黏土发育的赤红土(典型强淋溶土，FAO-|UNESCO系统)，其土壤质地是重黏土，田间持水量 29．0% θf(质量百分数)，pH 4．77，有机质 18．2 g/kg，碱解 N 76．9 mg/kg，速效 P 29．1 mg/kg 和速效 K 128．0 mg/kg。供试作物为玉米(甜糯518)。

1．2 试验方法

盆栽试验中灌水方式设常规灌溉(CI，每次对全部土壤均匀灌水)，和不同时期分根区交替灌溉(AI)(AI1、AI2、AI3，分别在苗期—灌浆初期(播后21—56d)、苗期—拔节期(播后21—31d)以及拔节期—抽雄期(播后31—46d)进行AI，即每次交替对1/2区域土壤灌水)。灌水水平设正常灌水(70%—80% θf，W1)和轻度缺水(60%—70% θf，W2)。有机无机氮(N)比例设100%无机N(F1)和70%无机N+30%有机N(F2)。施纯 N 0．15 g/kg土，无机N为尿素(分析纯，含N46%)，有机N用生物有机肥(含 N 2．82%、P2O50．46%、K2O7．06%)供给，其用量以含N量计算。施P2O50．1 g/kg土，施K2O 0．15 g/kg土，磷肥用磷酸二氢钾(分析纯，含 P2O552．2%，含K2O 34．6%)，磷酸二氢钾中钾不足时，用氯化钾(分析纯，含K2O 60%)补足。所有肥料在装盆时全部作基肥施入。试验共16个处理，每个处理重复3次，共48盆，随机区组排列。

试验在聚乙烯塑料桶(高23 cm、直径30 cm)中进行，所有处理桶中间均用塑料薄膜隔开，以阻止两边水分交换，每桶两边各装入7 kg土，共14 kg。播种前保持土壤水分含量为80% θf。2010年9月18日每桶播5粒已催芽露白的玉米种子在塑料薄膜中央，9月29日选择长势均匀玉米苗进行间苗，每盆在塑料薄膜中央保留1株玉米苗。控水前所有处理均采用常规灌溉方式灌水，并保持土壤含水量在70%—80% θf。4—5片叶时(10月9日)对供试玉米按上述试验设计进行控水处理后，不同水氮条件下CI处理用称桶质量法确定每次灌水量，而AI处理则按CI处理灌水量的70%进行灌水，每次灌水用量筒量取灌水量，并记录各处理每次灌水量。12月7日(播后80d)试验结束。

1．3 样品采集和测定

试验结束时，分别采集玉米地上部和根系，洗净，在65℃下烘至恒质量，分别称地上部和根系干物质量，计算总干物质量。然后粉碎植株样品，用于测定植株养分含量。植株经H2SO4-H2O2湿灰化法消煮后，用流动化学分析仪测定全氮，用火焰光度法测定全钾含量。地上部和根系养分吸收量分别用地上部和根系全N或全K含量与其干物质量相乘所得，总氮或钾吸收量为地上部和根系氮或钾吸收量之和。

试验结束时采集土样，采土前用采土区土壤擦拭土钻1—2次，分别在湿润区和干燥区3点采集1—15 cm土层土壤，充分混匀，装袋，带回室内风干，磨碎后过18目筛备用。土壤碱解氮用1 mol/L NaOH碱解扩散法测定;速效磷用 0．5 mol/L NaHCO3法浸提后，用比色法测定;速效钾测定用1 mol/L中性NH4Ac法浸提后，用火焰光度法测定。

1．4 数据处理

采用Excel2003和SPSS13．0软件对试验数据进行分析，多重比较用Duncan法。

2 结果与分析

2．1 玉米干物质量

表1表明，AI1处理地上部、根系和总干物质量分别比 CI处理减少 9．6%—29．2%、10．0%—32．4%和11．9%—31．9%;AI2处理地上部、根系和总干物质量与CI处理之间的差异均不显著;F1下，AI3处理地上部、根系和总干物质量与CI处理之间的差异也不显著，而F2W2下，AI3处理地上部和总干物质量分别比CI处理增加29．6%和27．4%。因此，在轻度缺水和有机无机氮肥配施下，拔节期—抽雄期进行分根区交替灌溉有利于增加玉米地上部和总干物质量。

表1 不同水氮条件下灌溉方式对玉米干物质量的影响Table 1 Effect of irrigation method on maize dry mass under different water and nitrogen conditions

除F2CI下W2地上部和总干物质量分别减少21．1%和19．8%外，其他相同灌溉方式和施肥条件下，W2地上部、根系和总干物质量与W1之间的差异均不显著。在相同灌溉方式和灌水水平条件下，F2地上部、根系和总干物质量与F1之间的差异也不显著(表1)。

2．2 玉米氮含量和吸收量

表2表明，F1W2下AI1处理地上部和根系氮(N)含量分别比 CI处理增加 37．0%和 50．0%，F2W2下AI2处理地上部N含量比CI处理增加58．6%，而其他水氮条件下AI处理玉米地上部N含量与CI处理之间的差异不显著，玉米根系N含量比CI处理则略有增加。因此，在轻度缺水条件下，AI1和AI2有利于增加于玉米地上部N含量。在相同灌溉方式和施肥条件下，W2处理地上部和根系N含量比W1处理有所增加;与F1相比，W1AI2和W2AI2下F2处理地上部N含量分别增加54．1%和52．5%，而F2根系N含量与F1之间的差异不显著(表2)。

表2 不同水氮条件下灌溉方式对玉米氮含量和吸收量的影响Table 2 Effect of irrigation method on N content and uptake ofmaize under different water and nitrogen conditions

表2还表明，与CI处理相比，F2W1下AI1地上部和总N吸收量分别减少39．5%和38．4%，F2W2下AI2处理地上部和总N吸收量分别增加88．3%和84.3%，W2下AI3处理地上部和总N吸收量分别增加 41．2%—50．7%和 40．7%—50．4%，而其它条件下AI处理不显著影响地上部和总N吸收量。在相同水氮条件下，AI处理根系N吸收量与CI处理之间的差异也不显著。因此，轻度缺水条件下，拔节期—抽雄期进行分根区交替灌溉有利于增加玉米地上部和总N吸收量。在相同灌溉方式和施肥条件下，F2CI下W2处理地上部和总N吸收量显著低于W1，而AI3下W2处理地上部和总N吸收量显著高于W1。相同水分条件下，仅AI2处理时F2处理地上部和总N吸收量显著高于F1，其他水分条件下地上部和总N吸收量F2略高于F1或显著降低，而F2处理根系N吸收量与F1处理之间的差异不显著(表2)。

2．3 玉米钾含量和吸收量

表3表明，AI处理玉米地上部和根系钾(K)含量与CI处理之间的差异均不显著。相同灌溉方式和施肥水平下，W2玉米地上部和根系K含量与W1之间的差异也不显著。相同水分条件下，F2处理在W1AI1、W2AI1和 W2AI3下地上部 K含量以及在W1CI和W1AI3下根系K含量显著低于F1处理，而在其他条件下地上部和根系K含量均有不同程度的减少，但差异不显著。

表3 不同水氮条件下灌溉方式对玉米钾含量和吸收量的影响Table 3 Effect of irrigation method on K content and uptake ofmaize under different water and nitrogen conditions

与CI相比，F2时AI1处理地上部和总K吸收量分别减少30．3%和29．9%，W2时 AI1处理根系 K吸收量显著减少31．7%，而在其他水肥条件下AI处理玉米地上部、根系和总K吸收量变化不显著。因此，在有机无机N肥配施条件下，苗期—灌浆初期分根区交替灌溉不利于玉米K吸收量的增加(表3)。在相同灌溉方式和施肥条件下，W2处理地上部、根系和总K吸收量与W1处理之间的差异不显著。与F1处理相比，仅W1AI1和W2AI1下F2处理地上部和总K吸收量显著降低，而其他水分条件下降低不显著(表3)。

2．4 土壤碱解氮和速效钾含量

表4表明，与 CI相比，F1W2下 AI1，AI2和 AI3处理土壤碱解N含量分别增加22．2%，16．1%和12.7%，而在其他水肥条件下AI处理土壤碱解氮含量与CI处理之间的差异不显著。另外，W2处理土壤碱解氮含量与W1处理之间的差异不显著。与F1相比，F2处理土壤碱解N含量分别在W1CI、W2AI1和 W2AI2下降低 21．6%、21．1% 和 19．8%，而在其他水分条件下仅略有降低(表4)。

表4 不同水氮条件下灌溉方式对土壤碱解氮和速效钾含量的影响Table 4 Effect of irrigation method on soil available N and K contents under different water and nitrogen conditions

表4还表明，与CI相比，F1W1下AI1处理土壤速效K含量降低14．8%，F1W2下AI3处理土壤速效K含量却增加26．7%，而其他水肥条件下AI处理土壤速效K含量与CI处理之间的差异不显著。相同灌溉方式和施肥处理下，与W1处理相比，AI2下W2处理速效钾含量减少，而其他水氮条件下略有增加。另外，W1AI2和W2AI3下F2处理土壤速效钾含量比F1处理分别减少15．7%和13．7%，而在其他水分条件下，它们之间的速效钾含量差异不显著(表4)。

3 讨论

前人研究表明，与常规灌溉(CI)相比，分根区交替灌溉(AI)一般降低玉米干物质总量［4，13-14］。本研究表明，与CI处理相比，AI1处理地上部、根系和总干物质量均明显减少，但在F2W2下，AI3处理地上部和总干物质量都有明显增加，原因可能是AI3处理在拔节期—抽雄期进行分根区交替灌溉，适当的水分胁迫促进根系生长，提高吸水能力，减少叶片水分蒸腾，并可以保证植物光合作用的正常进行，后期恢复常规灌溉后，玉米生长有较强的补偿能力，从而促使玉米植株快速生长。说明轻度缺水和有机无机氮肥配施下，AI3处理有利于增加玉米地上部和总干物质量。另外，与F1相比，F2玉米地上部和总干物质量一般提高，根系质量却略有降低，这与谷洁等［15］的结论相似。

据报道，分根区交替灌溉有利于提高作物养分吸收［11，16-17］。农梦玲等［12］研究发现苗期—拔节期根区局部灌溉不降低玉米植株N含量，而苗期—抽雄期根区局部灌溉地上部N含量有所下降。本试验表明，不同生育期交替灌溉增加根系氮含量不显著，在轻度缺水(W2)下，AI1、AI2和AI3处理均在不同程度上增加地上部N含量，且此条件下AI3处理地上部和总N吸收量显著提高，这与AI3处理促进玉米总干物质量的原因相似。说明轻度缺水时AI3处理有利于提高玉米地上部和总N吸收量。AI1处理玉米地上部和总K吸收量比CI处理明显降低，与农梦玲等［12］的结果一致，他们也发现苗期—抽雄期根区局部灌溉会降低玉米对K的吸收量，说明苗期—灌浆初期交替灌溉(AI1)不利于提高玉米对K的吸收。

刘小刚等［18］研究表明，灌水量对玉米植株氮吸收量的影响不显著，本研究结果基本一致，但在AI3处理时W2玉米地上部和总氮吸收量显著高于W1，说明AI3处理下轻度缺水有利于提高玉米地上部和总氮吸收量。另外，相同水分条件下，有机无机氮肥配施有利于玉米地上部N含量和吸收量的增加;反之，玉米植株K含量和吸收量有所减少。

余江敏等［19］研究表明，在相同施肥水平下，AI处理拔节期土壤碱解N比CI略高，而大喇叭口期和灌浆期土壤碱解N与CI处理相近。本研究表明，F1W2下AI1和AI3处理土壤碱解N和速效K含量明显高于CI处理，说明在单施无机氮肥和轻度缺水下，苗期—灌浆初期(AI1)和拔节期—抽雄期(AI3)分根区交替灌溉不利于玉米从土壤中吸收N和K。此外，相同水分条件下，F2处理土壤碱解N和速效K含量均显著低于F1处理，因为有机氮一般要通过矿化作用转化为无机氮后才能被玉米吸收，但是这个过程需要较长时间，因此在短期的盆栽试验中施有机N肥对土壤碱解N的增加相对缓慢，但是5年后有机肥与有机无机肥配施处理土壤碱解N含量水平才全面超过无机 N 肥处理［20］，彭娜等［21］和侯红乾等［22］的研究结果也说明了这点。

4 结论

(1)在轻度缺水和有机无机氮肥配施下，拔节期—抽雄期分根区交替灌溉(AI3)有利于玉米总干物质量和总N吸收量的增加，而苗期—灌浆初期分根区交替灌溉不利于玉米K吸收的提高。

(2)AI3下轻度缺水和有机无机氮肥配施有利于玉米氮吸收总量的提高，从而降低土壤碱解N含量。

［1］ Kang SZ，Pan Y H，Shi P Z，Zhang JH．Controlled root-divided alternative irrigation- Theory and experiments．Journal of Hydraulic Engineering，2001，32(11):80-86．

［2］ Li F S，WeiCH，Zhang FC，Zhang JH，Nong M L，Kang SZ．Water-use efficiency and physiological responses of maize under partial root-zone irrigation． Agricultural Water Management，2010，97(8):1156-1164．

［3］ Buttar G S，Thind H S，Aujla M S．Methods of planting and irrigation at various levels of nitrogen affect the seed yield and water use efficiency in transplanted oilseed rape(Brassica napus．L)．AgriculturalWater Management，2006，85(3):253-260．

［4］ Li F S，Liang JH，Kang S Z，Zhang JH．Benefits of alternate partial root-zone irrigation on growth，water and nitrogen use efficienciesmodified by fertilization and soilwater status inmaize．Plant and Soil，2007，295(1/2):279-291．

［5］ Liu X G，Zhang F C，Yang Q L，Tian Y F．Effects of controlled root-divided irrigation on transport and utilization of water and nitrogen in maize rootzone soil．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25(11):62-67．

［6］ Liang H L，Li F S，Nong M L．Effects of alternate partial rootzone irrigation on yield and water use of sticky maize with fertigation． Agricultural Water Management， 2013， 116:242-247．

［7］ Yang Q L，Zhang F C，Liu X G，Ge Z Y．Effects of different furrow irrigation patterns，water and nitrogen supply levels on hydraulic conductivity and yield of maize．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27(1):15-21．

［8］ Han Y L，Kang SZ．Effects of controlled root-divided alternative irrigation on nutrient uptake in maize．Irrigation and Drainage，2001，20(2):5-7．

［9］ Lehrsch G A，Sojka R E，Westermann D T．Nitrogen placement，row spacing，and furrow irrigation water positioning effects on corn yield．Agronomy Journal，2000，92(6):1266-1275．

［10］ Zhang R，Cheng Z Y，Li Y X．Effect of regulated deficit drip irrigation on growth characteristic and yield of plastic film mulched corn for seed．Agricultural Research in the Arid Areas，2009，27(2):125-128．

［11］ Liu Y X，Li F S，Nong M L，Wei JY，Wang J L．Effects of alternate partial root-zone irrigation on growth and nutrient content of the flue-cured tobacco during differentgrowth period．Journal of Irrigation and Drainage，2007，26(6):102-105，109-109．

［12］ Nong M L，Li F S，Liu S．Effects of Partial root-zone irrigation and N，K levels on dry mass accumulation，water and nutrients use of maize．Plant Nutrition and Fertilizer Science，2010，16(6):1539-1545．

［13］ Nong M L，Wei G Y，Li F S．Effectof partial root-zone irrigation at different growth stages on drymass accumulation and water and nitrogen use ofmaize．Journal of Maize Sciences，2012，20(5):115-120．

［14］ Li C X，Chen X F，Wang T L，Yang G F，Zheng SH，Wang M X．Effects of controlled alternative irrigation on water redistribution of root zoon and yield ofmaize．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2007，23(11):59-64．

［15］ Gu J，Li S X，Gao H，Li M L，Qin Q J，Cheng K．Effect of organic-inorganic fertilizers on the water use efficiency of crops in dry land．Agricultural Research in the Arid Areas，2004，22(1):142-145，151-151．

［16］ Hu T T，Kang SZ，Li Z J，Zhang FC．Uptake and allocation of nitrogen from different root zones ofmaize under local irrigation．Plant Nutrition and Fertilizer Science，2009，15(1):105-113．

［17］ Hu T T，Kang S Z，Zhang F C．Effects of local irrigation on absorption and use of nitrogen from different root zones ofmaize．Scientia Agricultura Sinica，2005，38(11):2290-2295．

［18］ Liu X G，Zhang FC，Tian Y F，Li Z J．Effects of irrigation and fertilization treatments on transfer and utilization of water and nitrogen inmaize root zone．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2008，24(11):19-24．

［19］ Yu JM，Li F S，LeiW J，Nong M L．Effect of partial root-zone irrigation and ratio of organic to inorganic N on maize water use and soil N and P contents．Chinese Journal of Soil Science，2011，42(1):22-26．

［20］ Tang JW，Lin Z A，Xu JX，Qi J，Wang Y H．Effect of organic manure and chemical fertilizer on soil nutrient．Soil and Fertilizer Sciences in China，2006，(3):44-47．

［21］ Peng N，Wang K F．Effects of long-term integrated fertilization with organic manure and chemical fertilizers on soil nutrients．Hubei Agricultural Sciences，2009，48(2):310-313．

［22］ Hou H Q，Liu XM，Liu GR，Li ZZ，Liu Y R，Huang Y L，Ji J H，Shao C H，Wang F Q．Effects of long-term located organicinorganic fertilizer application on rice yield and soil fertility in red soil area of china．Scientia Agricultura Sinica，2011，44(3):516-523．

参考文献:

［1］康绍忠，潘英华，石培泽，张建华．控制性作物根系分区交替灌溉的理论与试验．水利学报，2001，32(11):80-86．

［5］刘小刚，张富仓，杨启良，田育丰．控制性分根区灌溉对玉米根区水氮迁移和利用的影响．农业工程学报，2009，25(11):62-67．

［7］杨启良，张富仓，刘小刚，戈振杨．沟灌方式和水氮对玉米产量和水分传导的影响．农业工程学报，2011，27(1):15-21．

［8］韩艳丽，康绍忠．控制性分根区交替灌溉对玉米养分吸收的影响．灌溉排水，2001，20(2):5-7．

［10］张芮，成自勇，李有先．水分亏缺对膜下滴灌制种玉米生长及产量的影响．干旱地区农业研究，2009，27(2):125-128．

［11］刘永贤，李伏生，农梦玲，韦建玉，汪加林．不同生育时期分根区交替灌溉对烤烟生长和氮钾含量的影响．灌溉排水学报，2007，26(6):102-105，109-109．

［12］农梦玲，李伏生，刘水．根区局部灌溉和氮、钾水平对玉米干物质积累和水肥利用的影响．植物营养与肥料学报，2010，16(6):1539-1545．

［13］农梦玲，魏贵玉，李伏生．不同时期根区局部灌溉对玉米干物质积累和水氮利用的影响．玉米科学，2012，20(5):115-120．

［14］李彩霞，陈晓飞，王铁良，杨国范，郑淑红，王明霞．控制性交替灌溉对玉米根系层水分再分布与产量的影响．农业工程学报，2007，23(11):59-64．

［15］谷洁，李生秀，高华，李鸣雷，秦清军，程逵．有机无机复混肥对旱地作物水分利用效率的影响．干旱地区农业研究，2004，22(1):142-145，151-151．

［16］胡田田，康绍忠，李志军，张富仓．局部湿润方式下玉米对不同根区氮素的吸收与分配．植物营养与肥料学报，2009，15(1):105-113．