水肥配比对大枣氮素分布及利用效率的影响

2018-11-28刘洪光何新林阿尔娜古丽艾买提

节水灌溉 2018年11期

龚萍，刘洪光，何新林，阿尔娜古丽·艾买提

(1.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000 ；2.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000)

水分和氮素是影响大枣产量、品质和氮素利用率的关键因素，国内外的研究表明，水分养分的耦合作用对作物的生长发育、生理代谢、产量和品质均有十分显著的影响。近年来，国内外科研工作者关于水肥对于小麦、玉米、水稻、蔬菜、果树等生产的影响[1-7]，进一步证实了水分和氮素及其耦合作用在作物生长过程中的重要性。如何在考虑作物需求的基础上对氮肥进行优化管理，减少不必要的肥料浪费，提高氮肥利用率仍是目前研究的热点。

许多学者围绕水肥耦合对作物生长进行了广泛而又深入的研究，对甜茶、水稻、小麦、苹果、葡萄、草莓、烤烟等作物和果树采用15N示踪技术进行了不同水肥配比试验，研究了不同水肥配比对作物和果树产量、氮肥吸收、利用的影响[8-19]。可以看出，目前的研究多集中在水稻、玉米等一年生大田作物上，稳定性15N示踪技术在作物、蔬菜、苹果树、油桃、橡胶树、桑树、冬枣、甜樱桃等上均有应用，在枣树上的研究还较少，且大多数研究多致力于于氮肥施用量和施用时期对果树产量的影响，关于不同土壤水分状况和氮肥水平下水肥耦合对大枣氮素分布及氮素利用效率的影响等方面较少涉及。而果树与作物、蔬菜的生长特性有较大差别，水肥利用对枣树的氮素分布和利用与作物的不尽相同，需要进一步研究。因此，讨论不同水肥条件下大枣氮素吸收、分布及氮素利用效率的变化对优化水肥管理技术有重要意义。

针对上述问题，在前期研究基础上，以13 a树龄的大枣为研究对象，采用稳定同位素示踪技术，系统研究不同肥水配比对大枣氮肥利用率及其在植株体内分配的影响，进一步采取措施调控土壤氮素循环与供应，为干旱地区大枣水肥的合理施用，提高氮肥利用率，减少氮素损失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地点

试验于2014年在新疆生产建设兵团第十三师红星一场园艺二场4斗1垄(42°32′23″N， 94°11′08″E)进行(图1)，供试枣树树龄为13 a，平均树高为1.65 m，行株距为5 m×2 m。试验地年平均气温9.9 ℃，年平均降水量不足50 mm，年平均蒸发量3 000 mm，试验区土壤为沙土，土壤容重γ为1.5 g/cm3，田间持水率为16%(质量含水率)。

滴灌毛管采用单翼迷宫式滴灌带，滴头流量为3.2 L/h，滴头间距30 cm。滴灌带采用一行两管的布置方式，每条滴灌带均距离树干60 cm，如图2所示。

图1 试验区地理位置示意图Fig.1 The schematic diagram of the geographical location of the test area

图2 大枣滴灌布置示意图(单位：cm)Fig.2 The schematic diagram of jujube drip irrigation arrangement

1.2 试验设计

试验处理设置灌水量和施肥量2个因素，以田间持水量(FC)为标准设置3个灌水处理，分别为正常水量(70%～80%FC)、轻度水分亏缺(50%～60%FC)和中度水分亏缺(40%～50%FC)3个水平。施肥量参照当地施氮水平，设置高氮(3)、中氮(2)和低氮(1)3个水平，其中中氮水平与当地施肥量相同。每个处理设置3个重复，共9个水肥处理。同时在各处理中选择3株枣树进行微区实验，微区采用15N同位素示踪技术，同位素为15N标记尿素(丰度5%，上海化工研究院生产)。施肥量与所在处理相同，采用单穴施肥。具体实施方案见表1。

结合当地农户施肥及灌水经验，生育期内灌水12次，施肥7次，不包含春灌和底肥。其中各处理的春灌水量和底肥施用量是相同的。春灌在4月10日进行，灌溉水量为225 mm，施底肥为有机肥7.5 万kg/hm2，磷酸二铵225 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，过磷酸钙300 kg/hm2，硫酸钾镁30 kg/hm2。肥料施用比例按基肥∶追肥=7∶3 施用，根据大枣生育期需肥规律追加尿素、磷酸二铵、硫酸钾镁等肥料，采用滴灌施肥。大枣生育期的灌溉施肥制度见表2。

表1 试验设计Tab.1 Test design

表2 2014年哈密大枣生育期划分及灌水施肥时间Tab.2 The growth period of the Hami jujube and the schedule of irrigation and fertilization in 2014

1.3 测定项目与方法

(1)生育期开始前进行土壤基本物理性质的测定。

(2)土壤中全氮含量与植株中15N同位素丰度测定。完熟期土壤取样：0～60 cm土层范围内的土壤取样深度间隔为10 cm；每个处理选择3株枣树，分别采集根、枝、叶、果实样品，所有样品采用清水和去离子水多次清洗，105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘干至恒重，称重，然后粉碎过1 mm筛，送往上海化工研究院进行全氮含量以及15N丰度测定。

15N原子百分超=样品或15N标记肥料的15N丰度-15N天然丰度

(1)

氮肥利用率%=植株吸收氮量/施氮量×100

(2)

氮肥偏生产力=大枣产量/氮肥的施用量

(3)

肥料15N利用率%=(植株干重×植株全N%×植株全15N原子百分超)/(施标记肥量×肥料N%×肥料15N原子百分超)×100

(4)

植物吸收肥料中的氮含量占植株总氮量的百分率(Ndff)=(植物样品中15N丰度%-自然丰度% ) /(肥料中15N丰度%-自然丰度%)×100

(5)

1.4 数据处理与分析

试验结果同处理间参数的差异显著性采用SPSS19.0软件中的DUN-CANS新复极差多重比较，图表绘制采用Microsoft Excel 2010 软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同水肥配比对枣树氮素含量的影响

不同处理下大枣吸收、积累氮素及在不同器官间分配的主要结果见表3。由表3可知，不同处理对植株各器官的全氮及15N丰度的影响不尽相同。

植株各器官中全氮含量存在显著差异，根据上述数据显示，叶片中的全氮含量要显著高于其他器官中全氮的含量，其中B2处理的达到3.46%，为最大值。大枣和根系次之，枝条最小。说明氮素主要分布和积累在叶片和根系中，其次分布在果实中，而枝条中较少。整体来看，所有处理均以叶片的全氮含量最高，明显高于大枣植株的其他器官，在大枣生育期内，叶片不断地积累氮素，保证一定的氮含量，可提高叶片的净光合速率，增加叶面积，进而提高水分亏缺条件下植株的抗旱性。

表3 不同处理大枣植株各部位氮素含量的比较 %Tab.3 The comparison of nitrogen content in different treatments of jujube plants

植株各器官中的15N丰度也存在显著差异，从各器官中15N丰度来看，枝条、叶片中15N丰度较低，大枣果实中15N丰度较高。由此可见，肥料氮主要分布和积累大枣果实和根系当中，而枝条和叶片中较少。叶片中15N丰度整体较低，不同的肥水配比对其影响较小，由于此时植株的叶片已经开始衰老，养分逐渐回流，更多养分贮藏于根系中，肥水处理对叶片的影响效应开始减弱。

2.2 不同水肥条件对植株器官中全氮含量和 15N丰度的影响

不同水肥条件下各器官中全氮含量和15N丰度含量结果见图3。

图3 各处理大枣植株器官中氮素平均含量Fig.3 The average nitrogen content of jujube plant organs in each treatment

由图3可知，不同处理对植株各器官中氮素积累的影响存在显著差异。

从图3(a)可以看出，枝条A2处理的全氮含量最高，显著高于A1、C3处理，而与其他各处理差异不显著，A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2处理间无明显差异。由此可见，轻度水分亏缺有利于枝条氮素的积累。枝条A2处理的15N丰度显著高于A1、A3、B1、B3、C1、C3处理，A2、B2、C2处理间无显著性差异。可见在3种水分条件下，供应适量氮素可以有效提高枝条中15N的积累，少量和过量施用均不利于植株的15N积累，而水分胁迫对15N的积累没有造成明显的影响。

从图3(b)可以看出，叶片B2处理的全氮含量最高，显著高于C1处理，而与其他各处理差异不显著。叶片A2处理的15N丰度显著低于其他处理，除A2的其他所有处理间无显著性差异。可见在叶片中，不同水肥处理对15N积累的影响较小。

从图3(c)可以看出，根系C2处理的全氮含量最高，显著高于A3和B1处理，而与其他各处理差异不显著。可见，充足的水分和适量的肥料对根系中全氮的积累有明显的影响。A1、A2、B2、B3、C1、C3处理间无显著性差异。根系C1处理的15N丰度显著高于A3、B3、C3处理，A1、A2、B1、B2、C2处理间无显著性差异。在根系中，不论是哪种水分条件，施入过量的肥料均不利于15N的积累，在施入适量的肥料时，水分对15N积累的影响较小。可见，根系中15N的积累依赖于合理的水肥配比，不论哪个过量均不利于15N的积累。

从图3(d)可以看出，大枣C3处理的全氮含量最高，显著高于B2和B3处理，而与其他各处理差异不显著。可见，充足的水分对大枣中全氮的积累有明显的影响。A1、A3、B1、C1、C2处理间无显著性差异。大枣A1处理的15N丰度显著高于A3、B1、C2处理，A2、B2、B3、C1、C3处理间无显著性差异。可见，在大枣中，中度水分亏缺有利于大枣中15N的积累。

由此可见，不同肥料配比下，轻中度的土壤水分亏缺可以增强植株对氮素的吸收、积累，这与吴海卿等研究结果相近[20]。在相同水分条件下，不同肥料配比对15N丰度影响较小，差异未达到显著水平。15N来源于所施氮肥，可见，土壤水分状况对肥料的吸收影响较大。

2.3 不同水肥配比对矮化密植大枣氮素利用率与肥料贡献率的影响

氮肥偏生产力是施用肥料下的作物产量与施肥量的比值，它是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。氮肥利用率是指施用的氮肥被当季作物吸收的百分数，是最常用的一个综合评价指标。肥料15N利用率是采用示踪法反映植株从肥料中吸收的15N的百分数，是用来测定植株吸收肥料中的氮素的比例。这些指标从不同的侧面描述了作物对氮肥的利用率。

从表4可以看出，不同水肥处理对大枣氮肥利用率的影响存在显著性差异，处理A、B、C之间存在显著性差异，而相同水分条件下，不同肥料配比对氮肥利用率影响较小。B3处理的氮肥利用率最高，为55.49%，显著高于A1、A2、A3、C1处理，A3处理的氮肥利用率最低，24.04%。从灌水量的角度按照氮肥利用率高低来排序，A处理

表4 氮肥利用率计算表Tab.4 Calculation of nitrogen use efficiency

不同水肥处理对氮肥偏生产力影响存在显著性差异，C1处理的氮肥偏生产力最高，显著高于A2、A3处理，其他各处理间无显著性差异。相同肥料条件下，氮肥偏生产力随水分含量的增加而增加，可见水分对肥料偏生产力的提高影响较大。相同水分条件下，肥料偏生产力与肥料的关系不显著。

不同水肥处理对肥料15N利用率影响差异不显著，C1处理的肥料15N利用率最高，显著高于A2、C2处理，其他各处理间无显著性差异。相同肥料配比情况下，肥料15N利用率随水分含量增加先增大后减小；相同水分条件下，不同肥料配比对肥料15N利用率的影响不显著。

肥料贡献率(Ndff)指植株器官从肥料中吸收分配到的15N 量对该器官全氮量的贡献率，反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力。计算结果见表5。

表5 各器官 15N贡献率Ndff %Tab.5 The contribution rate of each organ 15N Ndff

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

植株各器官对15N的竞争能力存在一定的差异(表5)。从各器官中来自肥料的比例关系来看，肥料贡献率Ndff依次从高到低排序为：大枣>根>叶片>枝条。各器官中15N贡献率Ndff在灌水(A、B、C)和施氮量(1、2、3)交互影响下存在显著性差异(p<0.05)，从表4可以看出，轻度水分亏缺处理A的各器官15N贡献率均大于中水处理B和高水处理C的各器官15N贡献率，可见，轻中度水分胁迫可以增强植株对氮肥的吸收能力，高器官Ndff值。枝条和叶片中的15N贡献率Ndff在各处理间差异显著(p<0.05)，枝条中A2处理的Ndff值最高，显著高于A1、A3、B1、B2、B3、C2、C3处理，其他各处理间无显著性差异。说明在中度水分亏缺，施入适量的肥料时，枝条对15N有较强的征调能力。叶片中A3处理的Ndff值最高，显著高于其他所有处理，其他各处理间无显著性差异。说明在中度水分亏缺，施入大量的肥料时，叶片对15N有较强的征调能力。

大枣和根系中的15N贡献率Ndff在各处理间差异显著(p<0.05)，大枣中A1处理的Ndff最高，显著高于A2、A3、B2、B3、C2、C3，可见，水分亏缺有利于提高大枣对氮肥的征调能力。根系中C1处理的Ndff值最高，C1处理与C2处理差异不显著，与其他处理均存在显著性差异。大枣和根系中的Ndff变化规律相似，在低水处理时，Ndff随施肥量的增加降低，在中水处理时，Ndff随施肥量的增加而增加，在高水处理时，Ndff随施肥量的增加降低，可见水分的多少对肥料的吸收利用起关键性作用，适宜的水肥配比对植株吸收利用氮素影响较大。

从整个植株15N贡献率Ndff来看，各处理组内Ndff差异较小，组间差异较大，低水处理的Ndff均较高，与中水和高水处理间差异显著，可见在水分亏缺情况下，施用一定量的氮肥，可以改善植株对水肥的吸收情况。

3 讨论

根系吸收水分和养分虽然是两个相对独立的过程，但是土壤中水分状况会对土壤中的各种微生物、理化活动以及植物的生理活动产生较大影响，从而使土壤水分和养分相互密切的联系在一起，当水分和肥料的配比相匹配，充分利用它们之间的耦合作用，水氮利用效果较好。前人研究结果指出，水氮耦合对氮素利用效率呈互作效应，适宜的水肥配比能显著提高水肥利用效率[21,22]。

水分胁迫对作物的氮素利用和积累会产生较大的影响。本试验研究发下，不同水肥处理的Ndff值均表现出统一的变化规律，根系、大枣果实贮藏器官中Ndff值较高，而叶片、枝条等营养器官中的Ndff较低。表明根系、大枣贮藏器官有较强的15N征调能力，而叶片、枝条等营养器官对15N的征调能力则较弱。这与李洪波等在嘎啦苹果地上部新生器官Ndff值增长明显的结果相反[13]；同时与管长志等的研究结果也相反[16]。分析其原因可能与作物种类品种、树龄、处理条件等因素有关，也可能是由于本试验中各植株器官的取样时期均在完熟期，而不同生长时期各器官的氮素含量会有较大差别[2]，完熟期植株各器官营养物质主要由营养器官转化至贮藏器官(根系)中，从而保证树体的营养，以便果树越冬和供给来年的生长。具体原因有待进一步深入研究。

同时试验表明，土壤水分含量的影响对植株各器官的肥料氮素吸收影响较大，在相同的肥料施用量条件下，轻中度水分胁迫可以增加大枣植株对氮肥的吸收利用，提高器官Ndff值。这与房祥吉、管长志等研究结果基本相似[8,16]。

植株对养分的吸收很重要的一方面是受到水肥用量的影响，同时水肥用量也明显影响各个器官中养分的积累。不同处理的植株各器官全氮含量分布趋势基本一致，表现为叶片中全氮含量最高，大枣和根系次之，枝条最小，这与史祥宾(2011年)的研究结果相近。氮素在植株各器官的分配关系的试验结果表明，大枣体内肥料氮素主要分配积累在贮藏器官中，以保证充足的营养越冬和供给来年的生长，这与大枣的实际生长发育状况相一致。果树土施氮肥的利用率较低，施氮肥利用率在25%～35%[23-27]；赵琳等研究早春土施氮肥，氮肥的当年利用率为27.54%[28]。本试验研究结果表明，按照氮肥当季利用率计算，不同处理间氮肥利用率在24.04%～55.49%之间，与前人研究结果相似。同时发现，不同肥料配比处理中，轻度水分胁迫下的植株氮肥利用率最高。