玉米滴灌过程中施肥时段对氮肥利用效率的影响研究

麻玮青，范兴科,2(.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 7200 ；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 7200)

0 引 言

俗话说，有收无收在于水，收多收少在于肥，这句俗语明确地指出了水肥在农业生产中的重要地位。尤其是在干旱半干旱地区，水肥是影响农业生产的主要限制因素[1]。在我国西北地区，水资源短缺和严重浪费使得缺水问题更加恶化，同时一味地追求高产而采取高水高肥使得水肥利用效率低下，面源污染严重。要解决农业生产面临的这些问题，使生态环境得到良性循环，就要切实提高水肥利用效率[2,3]。

滴灌是一种灌水过程和灌水量可控的灌水技术，利用管道将灌溉水输送到作物根区附近，进行局部湿润土壤[4]；因此基于滴灌技术的水肥一体化灌溉施肥，可以根据作物生长对水肥的需求，适时适量的将水肥直接供应到作物根系附近的土壤，减少了水肥的渗漏、挥发等损失，显著提高水肥利用效率，既可节约水肥又能防止面源污染；与此同时，也可以实现水肥耦合，同步发挥作用，促进肥料的转化，有利于作物的吸收利用，体现了滴灌施肥节水、节肥、高产、高效的优点[5-7]。

国内外目前关于水肥一体化灌溉技术的研究多偏重于施肥制度和灌水制度的研究[8-13]，而对于灌水施肥后，肥力因素在土壤中的分布及运移变化研究较少，特别是灌水过程中不同时段施肥对养分在土壤剖面中的分布变化，肥料利用效率和对作物生长的影响研究更少。在此之前，王旭洋模拟了风干均质土壤在相同灌水施肥量条件下，施肥时段对氮素在土壤中分布的时空变化影响，得出不同施肥时段土壤湿润体内的氮素分布具有显著差异[14]。为了探索实际生产中，大田作物在水肥一体化滴灌条件下，不同施肥时段对作物水肥利用效率的影响，本研究以大田玉米为研究对象，在滴灌过程中分阶段施肥，分析土壤中主要养分(硝态氮)的时空分布特点、变化规律和利用率，为大田作物水肥高效利用提供技术支撑。

1 试验设计与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年在宁夏回族自治区吴忠市同心县王团镇旱作节水科技园实施。王团镇地处中温带半干旱大陆性气候，多年平均气温8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，无霜期120～218 d。多年平均降雨量272.6 mm，平均蒸发量2325 mm，地下水位埋深25～45 m。试验区土壤为砂壤土，土壤容重为1.43 g/cm3；玉米播种前测试验区土壤肥力本底值：全氮0.65 g/kg，全盐0.25 g/kg，有机质8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效钾170.00 mg/kg；pH7.83，田间持水率23.11%。

1.2 试验设计

试验以宁夏扬黄灌区春玉米为研究对象，采用水肥一体化滴灌施肥方式。玉米采取宽窄行播种，窄行间距40 cm，宽行间距80 cm，株距20 cm。滴灌带布设在窄行玉米中间，采取1管2行的布设方式，两侧分别距玉米种植行20 cm，滴灌带滴头间距30 cm，滴头出水流量2.7 L/h。根据研究内容和目标，试验共设计4个处理：A处理采用前1/2时段灌水施肥，后1/2时段灌水；B处理采用为前1/4时段灌水，接下来1/2时段灌水施肥，最后1/4时段灌水；C处理采用前1/2时段灌水，后1/2时段灌水施肥；D处理采用全时段灌水施肥。每个处理3次重复，每个小区长44 m，宽12 m，试验区面积为528 m2。

试验过程中氮磷钾肥全部作为追肥，本次试验灌水定额为 240 m3/hm2，施肥定额为：纯氮56 kg/hm2，磷(五氧化二磷)和钾(氧化钾)各施28 kg/hm2，在试验期间随水滴施。每个小区的灌水量和施肥量如表1所示，每个小区灌水时间为4 h，试验采用压差式施肥罐供肥，试验开始前先将所施肥料完全溶解于施肥罐中，连接于滴灌系统中备用，根据设计施肥时段打开施肥罐施肥。

1.3 土壤样品采集与处理

玉米拔节期到抽雄吐丝期为玉米植株快速生长期。进入抽雄期后，根系生长接近最大，叶面覆盖率较高，水分和养分需求较大，另外考虑到滴灌属于局部灌溉，灌水施肥结束后，土壤水分和养分有一个运移和再分布到接近稳定的过程，因此本试验选在玉米抽雄期间灌水施肥后第2 d和下次灌水前1 d(灌后第9 d)对玉米根系湿润区土壤分别取样，对土壤中的硝态氮含量进行测定分析。夏玉米根系分布研究结果表明，根干重密度随土壤深度增加而明显趋减，根群主要分布在表土层，0～20 cm 土层根干重比例约为70%左右，95%以上主要分布于0～40 cm的土层[15-17]。故本试验采样点确定为距离滴头出水点横向距离为10，20，30，40 cm处(距玉米植株0，10，20 cm)，如图1所示。纵向取样深度为地表以下0～10，10～20，20～30，30～40, 40～50 cm处。为了保持土样氮素稳定，所取土样先密封冷藏，最后统一进行样品处理；用KCl浸提处理，利用紫外分光光度计测定硝态氮的含量。所测试验数据用sigmaplot绘制等值线图，直观观测土壤剖面中硝态氮浓度的分布变化。

表1 灌水施肥处理设计

图1 试验采样点分布(单位：cm)

2 试验结果与分析

2.1 灌水后第2 d不同施肥时段硝态氮的分布特征

本试验4种处理均是在总灌水量和施肥量相同的条件下实施，对于同一地块，相同的灌水方式下，当灌水量一致时，可以认为各灌水点形成的湿润体范围基本一致。灌水施肥48 h后，不同处理下土壤湿润体剖面中硝态氮的含量在滴灌带一侧(玉米植株两侧)的分布情况如图2～图5所示。

图2 A处理土壤湿润体剖面中NO-3-N含量分布

图3 B处理土壤湿润体剖面中NO-3-N含量分布

图4 C处理土壤湿润体剖面中NO-3-N含量分布

图5 D处理土壤湿润体剖面中NO-3-N含量分布

从图2中可以看出，在试验灌水量条件下，对于先肥后水的A处理(灌水的前半段时间内水肥同施，后半段时间只灌水不施肥)。玉米根区分布在距滴水点径向距离10～30 cm，深度30 cm的土层范围内，土壤湿润体剖面中NO-3-N含量的高值区出现在玉米植株主要根区，也就是外侧根系的前端毛细根区，且土壤中NO-3-N含量整体以玉米植株附近为起点向外辐射降低。NO-3-N含量的高值区没有出现在土壤湿润体的中心区域，说明在灌水过程中，溶解在水中氮素随着水分在土壤中的运移发生迁移，且后续灌水可以使得土壤中硝态氮的高值区向外运移。土壤表层NO-3-N含量较高受两方面的影响，一是灌水前表层土壤含水率很低，土壤吸水能力较强，故水平运移速率大于垂直运移速率，因此水分在水平方向运移量相对较多，养分积累较多，二是表层土壤温度较高，加速了氮肥的分解。

从图3可以看出，在整个灌水过程的中间时段施肥，土壤湿润体剖面中NO-3-N含量的高值区主要分布在玉米植株主根区，近滴水点一侧硝态氮含量更高，距玉米植株越远，NO-3-N含量呈辐射状逐渐降低，但是由于表土层中对流作用强烈，水分对肥力的带动作用显著，养分在湿润体范围内水平运移强于垂直运移，因此NO-3-N含量在水平方向降低的幅度小于垂直方向。与A处理相同之处在于土壤中NO-3-N含量的高值区都出现在地表附近。

从图4可以看出，对于先水后肥的C处理(灌水的前半段时间内只灌水不施肥，后半段时间水肥同施)。该处理硝态氮浓度最大值略高于处理A和B，集中在滴水点附近，虽然土壤湿润体剖面中NO-3-N含量的高值区也分布在玉米植株主根区附近，但是C处理养分分布范围相对较小，主要集中在滴头附近，且硝态氮含量最高区距玉米根区相对稍远。与B处理相似的是，距玉米植株越远，NO-3-N含量呈辐射状逐渐降低，养分在湿润体范围内水平运移强于垂直运移。C处理养分分布范围都相对较小，因此玉米根区与硝态氮高值区的重合范围较小；说明不同肥水顺序会影响养分在湿润体内的分布范围，先水后肥一定程度上限制了养分的运移，缩小了养分的分布范围；对于本试验中的滴灌带布设方式而言，不利于玉米主要根区与养分分布的主要范围相重合，不利于玉米的吸收利用，故在生产实践中不建议先水后肥，以免造成肥力的浪费。

从图5可以看出，对于全程肥水同施的D处理，土壤湿润体剖面中养分分布范围大且均匀，但硝态氮含量的最大值相对较小。土壤湿润体剖面中NO-3-N含量的高值区也出现在靠近滴灌带一侧，硝态氮最高值出现在滴水点周围，也就是分布在玉米根区外围，向外呈辐射递减的趋势。另外与其他处理相类似的是，距玉米根系越远，NO-3-N含量呈辐射状降低，但D处理降低趋势更为缓慢均匀。

2.2 灌后第9 d不同施肥时段处理硝态氮的分布特征

大田玉米灌水施肥后，土壤养分会随水分运移发生迁移和再分布。在滴灌条件下水肥通常不会产生深层渗漏，所以其中的大部分养分将被玉米吸收利用，还有部分氮素会转化为氨气产生挥发，其余部分养分将残留在土壤中。土壤养分经过近10 d的转化和消耗，4种施肥处理下残留在土壤中的养分(NO-3-N)含量如图6～图9所示。

图6 A处理残留在土壤中的NO-3-N含量分布

图7 B处理残留在土壤中的NO-3-N含量分布

图8 C处理残留在土壤中的NO-3-N含量分布

图9 D处理残留在土壤中的NO-3-N含量分布

从图6可以看出，灌水后第9 d与灌后第2 d相比，A处理条件下残留在土壤中NO-3-N的含量明显降低，特别是在玉米根区附近，说明除过部分挥发以外，大部分硝态氮已被玉米根系吸收。但NO-3-N含量的相对高值区出现在玉米植株根系触及较少的表层和深层土壤，这主要是由于在这部分土层内玉米毛细根系分布少，吸收作用弱，故在此范围内硝态氮出现累积，残留量相对较多。

从图7可以看出，对于B处理，灌水施肥后第9 d，NO-3-N高值区逐渐运移到玉米植株附近，由于残留在地表，玉米根系吸收利用不上，硝态氮残留较多；随着距玉米植株根系越远，NO-3-N含量向外呈辐射状逐渐减小。同灌后第2 d对比，NO-3-N含量总体也相应降低但是降低的幅度较小，说明除了部分挥发，部分硝态氮被玉米吸收利用；就残留量同A处理比较，B处理明显残留更多，可见B处理没有A处理更有利于玉米对NO-3-N的吸收，该处理吸收利用率较低。

从图8可以看出，C处理条件下残留在土壤湿润体中的NO-3-N含量总体也明显降低，尤其是在距玉米植株10～20 cm范围内，故可见除了一定的挥发损失，大部分硝态氮被植株吸收利用。同处理A和B相比，C处理条件下先水后肥，毛管力和重力作用都相对削弱了，所以残留在土壤湿润体中的NO-3-N含量分布范围明显更小更集中于滴头附近。这是因为C处理先水后肥，肥力运移不甚强烈，主要集中在表层亚表层的滴头附近范围内，养分分布范围相对较小，距玉米植株根系相对较远，故不利于对硝态氮的吸收利用。

从图9可以看出，D处理条件下土壤湿润体中残留的NO-3-N含量显著降低，尤其是在玉米根区附近(距滴水点水平距离10～30 cm，垂直深度5～30 cm范围内)，该范围内玉米根系发达，吸收作用强，大部分的硝态氮已被玉米吸收利用。未能吸收利用的硝态氮残留高值区主要分布在表土层靠近玉米植株5 cm的范围内，贴近地表玉米细根系少，吸收利用弱，而该部分残留因为地表含水率低下，以至于肥力无法向下运移至玉米根系附近，故植株附近地表的NO-3-N残留很难被吸收利用。

3 不同施肥处理下玉米对土壤中硝态氮的利用效率

在水肥一体化灌溉施肥条件下，氮肥作为一种速效肥具有不稳定性，在土壤中会迅速分解为硝态氮和铵态氮，其含量会随着作物的吸收利用和挥发损耗呈现逐渐减小的趋势，铵态氮一般持续时间较短，硝态氮可持续7～10 d。本试验4种处理是在等量施肥的前提下进行的，通过施肥后第2 d和第9 d两次对土壤湿润区(包含玉米主要根系活动区)土壤硝态氮含量的测定结果分析，可以看出前1/2时段施肥明显比其他施肥方式的肥料利用效率更高，灌后土壤中残留的硝态氮更少。这与侯振安等的结论一致[19,20]。虽然施肥量相同，但是从灌后第9 d玉米未吸收利用的残留养分来看，C处理硝态氮含量残留较多，A处理则最低。同时从灌后第9 d土壤湿润体中残留的硝态氮分布范围(图6～图9)可以看出，A处理在玉米植株根系附近10～35 cm的土层范围内硝态氮残留显著降低，残留量少，玉米吸收利用彻底；而B处理和D处理在玉米植株外围10～25 cm的土层范围内残留相对较多，说明玉米吸收利用的并不彻底，肥力的利用效率相对较低；从C处理土壤湿润体剖面中可以看出，硝态氮残留的分布范围很集中于滴水点附近，距玉米植株根系稍远且根系附近分布的硝态氮含量本就较少，故造成了肥力的浪费，不利于玉米高效吸收利用肥力。综上所述，说明施肥时段会影响玉米的肥料利用率；不同施肥时段影响土壤剖面中的肥力分布，距离玉米根区的远近，是否易于玉米根系的吸收利用，最终影响玉米的肥料利用率。

4 结 语

玉米水肥一体化滴灌过程中采取不同时段施加氮肥，不同处理条件下土壤湿润体中硝态氮的高值区分布不同，不同的水肥次序会影响肥料在土壤湿润体中的运移，使得硝态氮的高值区距玉米植株根区的远近有所不同，从而影响玉米对硝态氮的吸收利用。

对于宽窄行种植的玉米水肥一体化滴灌，滴灌带在窄行布设，采取一管两行布设方式，玉米种植行距滴灌带20 cm时，采取先肥后水的灌水施肥方式有利于提高氮肥的利用效率。对于本试验，先肥后水的灌水施肥方式土壤湿润体内硝态氮的高值区主要集中在玉米根区附近，易于玉米植株吸收利用，由土壤湿润体中硝态氮的残留量可以看出，硝态氮的利用效率显然高于其他灌水施肥方式。

由此可见肥随水走，灌溉水对增施的肥力和养分有迁移作用；不同处理条件下，肥水的先后顺序影响肥力的运移进而影响作物对养分的利用和湿润体内的残留，故可根据作物种植与田间灌溉系统布设方式，合理安排灌溉施肥时间，进而实现水肥的高效利用以及农作物的优质高产。

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