滴灌施肥对冬小麦农田土壤-N分布、累积及氮素平衡的影响

陈 静， 王迎春， 李 虎， 王立肖碧林

(1中国农科院农业资源与农业区划研究所，北京 100081; 2北京农业信息技术研究中心，北京 100097)

(1中国农科院农业资源与农业区划研究所，北京 100081; 2北京农业信息技术研究中心，北京 100097)

黄淮海平原是典型的冬小麦/夏玉米轮作区,属暖温带半湿润大陆季风气候区。由于冬小麦生长季节干旱少雨，为了获得可观的产量，高产麦田往往需要大量补充灌水。水肥资源的大量投入带来了一系列的问题，如水肥利用率低、 氮素损失量大等[14]。为了系统研究滴灌施肥措施下滴施后氮素在土壤中的运移规律、氮素利用效率和氮平衡，笔者在山东冬小麦大田内进行了滴灌施肥试验，以期为提高滴灌施肥系统的综合效率提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

表1 试验地基础土壤理化性质Table 1 Soil physical-chemical proprieties of experimental plots

1.2 试验设计与材料

试验设置4个施氮量处理即N 0(不施肥)、94.5kg/hm2(N1)、189 kg/hm2(N2)和270 kg/hm2(N3)。试验采用随机区组设计，每处理重复3次，试验小区面积=50 m2(5 m×10 m)。滴灌系统采用滴灌线，滴头间距30 cm，每行小麦布设1条毛管。每个小区配备一个压差式施肥罐和一个水表，以保证每个小区单独灌水和施肥的要求，灌溉总压力为0.3 Mpa，平均滴头流速为0.15 L/h。根据冬小麦的营养特性，各施肥处理的磷、钾肥用量相同，折纯P2O5和K2O的具体用量分别为84.7和118.3 kg/hm2。氮、钾肥全部滴施，磷肥20%作为底肥一次施入，80%滴施。其中滴施磷肥成分为磷酸一铵，底肥磷肥成分为过磷酸钙，三个处理滴施氮肥中均有N 13 kg/hm2来自磷酸一铵，其余来自于尿素。每次滴灌时按比例随水施肥，具体施肥比例为分蘖期15%，拔节期20%，孕穗期25%，扬花期25%，灌浆期15%。试验区根据冬小麦需水规律采用测墒补灌法进行滴灌，以田间持水量的75%和100%为灌水下限和上限，试验区地处半干旱区，土壤湿度相对干旱区较高，每个主要生育期实际灌水一次，灌水的同时随水施肥一次，具体的灌溉施肥时间和灌溉施肥量见表2。供试小麦品种为鲁原502，供试滴灌肥料为水溶性复合肥(新疆自治区农科院研制)，肥料成分为尿素、NH4H2PO4和KCl。

表2 试验区灌溉施肥管理Table 2 Irrigation and fertilizer management of experimental plots

1.3 取样与分析

1.3.1 土样取样与测定 根据滴灌后农田土壤不完全湿润，水分在滴头周围形成近似截顶椭球体分布区的特性，在拔节期、抽穗期和扬花期三次灌溉施肥24 h后在各小区内分别用土钻采取U、E和D三点的土壤样品。U点位于滴头正下方，E点和D点分别位于滴头周围湿润土体中离作物较远一侧边界内侧和外测5 cm范围内。根据滴灌量的不同，单个滴头周围的湿润土体水平半径为15—20 cm，具体见图1。取样层次为0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm，每个取样点、每个层次取1个土样。

另外，分别于冬小麦播前和收获后，在0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm的5个层次上用土钻取样，为了保证所取样品能够代表田间无机氮平均水平，每小区取两个样点，取样点分别在畦上两株冬小麦之间和滴头下方位置，然后将取自同一土层的土样于田间混合均匀。

1.3.2 植株取样与测定 冬小麦收获期根、茎、叶和籽粒四部分分别取样，烘干粉碎，并混合均匀，过0.5 mm筛，阴凉干燥处密封保存。植株样经H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏法测定全氮含量。

图1 取样点示意图Fig.1 Sample location schematic

1.3.3 计算公式及方法

氮表观矿化(kg/hm2)=不施氮区作物吸氮量+收获后土壤Nmin-播前土壤Nmin；

氮表观损失(kg/hm2)=播前氮Nmin+施氮量+表观矿化量-施氮区作物吸氮量-收获后Nmin

氮表观损失率(%)=氮表观损失量/施氮量×100 ；

氮素吸收利用率(%)=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100；

氮素农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)；

籽粒氮素吸收利用率(%)=(施氮区籽粒部分吸氮量-不施氮区籽粒部分吸氮量)/施氮量×100。

数据均采用SPSS19.0和 Excel2007 软件进行统计分析。

2 结果与分析

图2 施氮量与0—100 cm土层累积量的关系Fig.2 The relation of N fertilization rates and -N accumulation in 0-100 cm soil depths

2.3 土壤-小麦体系中氮素平衡

每次滴灌施肥后氮素在土壤中的运移分布特征和均匀程度将影响土壤-小麦体系的氮素平衡和氮素利用效率。在氮平衡计算中,考虑到小麦根系有效利用土壤氮的范围,将土壤无机氮所在层次定为0—100 cm深度。从表3看出，土壤氮素矿化量加上起始无机氮的数量，土壤自身供氮量为237.8 kg/hm2，总输入量随氮肥施用量的增加而增加。

施氮量较少时，作物吸氮量随着施氮量的增加而增加，但是当施氮量增加到N3水平后，作物吸氮量不但没有增加，反而略有下降。冬小麦收获后Nmin残留随施氮量的增加而增加，当施氮量为270 kg/hm2时，残留量高达262.2 kg/hm2，这部分氮素如不能被后茬作物有效吸收,将淋洗出100 cm土体或通过反硝化途径损失，造成水体或大气污染。

2.4 冬小麦氮素利用率

如表4所示，随着施氮量的增加冬小麦籽粒产量呈现先增加后降低的趋势，施氮处理的籽粒产量显著高于不施氮处理，施氮量为189 kg/hm2时籽粒产量最高。综合氮肥吸收利用率、生理利用率、农学利用率和籽粒氮肥吸收利用率，最优的为N2处理。

3 讨论

图3 滴灌施肥24 h后不同位置不同层次土壤-N变化Fig.3 Variation of soil -N content in different depth 24 h after drip irrigation[注(Note)： U—滴头下方Under emitter; E—滴头周围湿润土体的边缘The edge of wet zone around emitter; D—滴头周围形成的湿润土体边缘以外的干燥区Dry zone near the wet zone around emitter. 图中误差线为三个空间重复的标准误差The vertical bars indicate standard errors of three replicates.]

图4 冬小麦收获后不同施氮水平下不同土层-N累积量Fig.-N accumulation after winter wheat harvest in different soil depths under different nitrogen fertilizer application rates[注(Note)： 柱上不同小写字母表示同一深度下不同施氮量处理差异显著性(P<0.05) Different letters above the bars of different soil depth groups mean significant among different N application rates at the P<0.05 level.]表3 冬小麦全生育期的0—100 cm氮素平衡(kg/hm2)Table 3 Nitrogen balance across the whole growing season in 0-100 cm soil layers

项目ItemN0N1N2N3氮输入Nitrogeninput 施氮量Nitrogenrate094.5189270 播前NminNminbeforesowing174.6174.6174.6174.6 矿化Netmineralization63.263.263.263.2 总投入Totalinput237.8332.3426.8507.8氮输出Nitrogenoutput 作物携出Cropuptake137.3c185.7b228.6a201.7ab 残留NminResidualNmin100.8c127.9bc166.2b262.7a表观损失Apparentlosses019.132.543.4

注(Note): 同一行数值后的不同小写字母分别表示处理间差异显著(P<0. 05) Values followed by different small letters within each row are significant among different treatments atP< 0. 05.

表4 施氮量对冬小麦籽粒产量及氮素利用率的影响Table 4 Effects of nitrogen supply levels on grain yield and nitrogen use efficiencies of winter wheat

注(Note): NRE—Nitrogen recovery efficiency; NPE—Nitrogen physiological efficiency; NAE—Nitrogen agronomic efficiency; GNRE—Grain nitrogen recovery efficiency同列数值后的不同小写字母表示处理间在P< 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters within each column are significant among different treatments atP< 0.05 level.

[1] Papadopoulos I. Nitrogen fertigation of greenhouse-grown cucumber[J]. Plant and Soil, 1986, 93(1): 87-93.

[2] Burt C, O’Connor K, Ruehr T. Fertigation[M]. San Luis Obispo: California Polytechnic State University irrigation training and research center, 1995.

[3] Haynes R J. Principles of fertilizer use for trickle irrigated crops[J]. Fertilizer Research, 1985, 6(3): 235-255.

[4] 农业部办公厅. 水肥一体化技术指导意见[EB/OL]. http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201303/t20130304_32369 67.htm, 2013. General Office of the Ministry of Agriculture. Fertigation technical guidance [EB/OL]. http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201303/t20130304_3236967.htm，2013.

[5] Li J S, Zhang J J, Rao M J. Wetting patterns and nitrogen distributions as affected by fertigation strategies from a surface point source[J]. Agricultural Water Management, 2004, 67: 89-104.

[6] 李久生, 张建君, 任理. 滴灌点源施肥灌溉对土壤氮素分布影响的试验研究[J]. 农业工程学报, 2002, 18(5): 61-66. Li J S, Zhang J J, Ren L. Nitrogen distributions in soil under fertigation from a point source[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(5): 61-66．

[7] 李久生, 张建君, 薛克宗. 滴灌施肥灌溉原理与应用[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2003. Li J S, Zhang J J, Xue K Z. Principles and applications of fertigation through drip irrigation systems[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2003.

[8] Haynes R J. Movement and transformations of fertigated nitrogen below trickle emitters and their effects on pH in the wetted soil volume[J]. Fertilizer Research, 1990, 23: 105-112.

[10] Hanson B, Simunek J, Hopmans J. Evaluation of urea-ammonium-nitrate fertigation with drip irrigation using numerical modeling[J]. Agricultural Water Management, 2006, 86: 102-113.

[11] 习金根, 周建斌, 赵满兴, 等. 滴灌施肥条件下不同种类氮肥在土壤中迁移转化特性的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2004,10(4): 337-342. Xi J G, Zhou J B, Zhao M Xetal. Leaching and transforming characteristics of different nitrogen fertilizers added by fertigation[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(4): 337-342.

[12] Hajrasuliha S, Rolston D E, Louie D T. Fate of15N fertilizer applied to trickle-irrigated grapevines[J]. American Journal of Enology and Viticulture, 1998, 49: 191-198.

[13] Rajput T B S, Patel N. Water and nitrate movement in drip-irrigated onion under fertigation and irrigation treatments[J]. Agricultural Water Management, 2006, 79(3): 293-311.

[14] 陈健, 宋春梅, 刘云慧. 黄淮海平原旱田氮素损失特征及其环境影响研究[J]. 中国生态农业学报, 2006,14(2): 99-102. Chen J, Song C M, Liu Y H. Characteristics of N loss and its environmental effects in the dryland of Huang-Huai-Hai plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14(2): 99-102.

[15] 陈静, 王迎春, 李虎, 等. 滴灌施肥对免耕冬小麦水分利用及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2014, 47(10): 1966-1975. Chen J, Wang Y C, Li Het.al. Effects of drip fertigation with no-tillage on water use efficiency and yield of winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(10): 1966-1975.

[18] 赵俊晔, 于振文, 李延奇, 等. 施氮量对土壤无机氮分布和微生物量氮含量及小麦产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2006,12(4): 466-472. Zhao J Y, Yu Z W, Li Y Qetal. Effects of nitrogen application rate on soil inorganic nitrogen distribution, microbial biomass nitrogen content and yield of wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006,12(4): 466-472.

[19] 韩燕来, 葛东杰, 汪强, 等. 施氮量对豫北潮土区不同肥力麦田氮肥去向及小麦产量的影响[J]. 水土保持学报, 2007, 21(5): 141-154. Han Y L, Ge D J, Wang Qetal. Effect of N fertilizer rate on fate of labeled nitrogen and winter wheat yield on different soil fertility fields in chao soil area in North Henan[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(5): 141-154.

[20] 林琪, 侯立白, 韩伟. 不同肥力土壤下施氮量对小麦子粒产量和品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(6): 561-567. Lin Q, Hou L B, Han W. Effects of nitrogen rates on grain yield and quality of wheat in different soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(6): 561-567.

[22] 巨晓棠, 刘学军, 张福锁. 冬小麦与夏玉米轮作体系中氮肥效应及氮素平衡研究[J]. 中国农业科学, 2002, 35(11): 1361-1368. Ju X T, Liu X J, Zhang F S. Study on Effect of nitrogen fertilizer and nitrogen balance in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultural Sinica, 2002, 35(11): 1361-1368.

Characteristics soil nitrate nitrogen distribution, accumulation and nitrogen balance in winter wheat field under drip fertigation

CHEN Jing1,2, WANG Ying-chun1*, LI Hu1, WANG Li-gang1,, XIAO Bi-lin1

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;2BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing10097,China)

2014-04-11 接受日期： 2015-03-17 网络出版日期： 2015-05-08

公益性行业(农业)科研专项(201203012-4-4， 201103039)资助。

陈静(1982—)，女，江西玉山人，博士，主要从事农业环境生态研究。E-mail: chenj@nercita.org.cn * 通信作者 E-mail: wangyingchun@caas.net.cn

S275.6； S512.1+1

A

1008-505X(2015)04-0927-09