氮磷运筹对膜下滴灌玉米养分利用及产量的影响

2019-04-25马忠明陈玉梁

节水灌溉 2019年4期

杨钊，马忠明，陈玉梁

(1.甘肃省农业科学院黄羊麦类作物育种试验站，甘肃武威 733000；2.甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070)

玉米是我国三大粮食作物之一。在我国的粮食生产中占有重要地位，所以玉米的高产稳产对我们有着重要意义。朱金龙等[1]研究膜下滴灌春玉米氮素吸收规律，表明氮肥使用量的增加可以提高膜下滴灌玉米干物质积累和氮素吸收能力，但氮肥使用过量就会影响干物质及氮素积累，出现下降；玉米产量随氮肥使用量增加而增加，在300 kg/hm2时玉米产量最大，此时氮肥农学效率、氮肥利用率以及生理利用率达到最大。孙文涛等[2]研究了在滴灌施肥条件下玉米水、氮及磷的耦合效应，结果表明，影响玉米产量的最主要的因素是氮素，其次是灌水和磷素，其效应顺序为N-水大于P-水大于N-P,对膜下滴灌施肥具有指导意义。玉米的高产施肥技术，以及不同施肥方式是农业工作者研究较多的[3-5]，但是对河西灌区膜下滴灌氮磷运筹机制研究的较少。研究表明，滴灌施肥技术是现代农业生产中最重要的综合管理技术措施之一，因其灌溉施肥的准确性、均匀性及施肥时间和施肥次数的可控性等，可有效提高作物的产量、产品品质及养分利用率，减少对环境的污染等[6-8]。本试验结合氮磷肥的比例，在膜下滴灌条件下，充分发挥其潜在的效应，期望获得较单一肥力更高的产量。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省农业科学院张掖节水试验站进行。试验站位于河西走廊中部，北纬38°56′，东经100°26′，海拔1 570 m，土壤类型为灌漠土，年均降水130 mm，年蒸发量2 047 mm，干旱指数达10.3，年均气温7 ℃，是典型的大陆性干旱气候。≥0 ℃积温3 388 ℃，≥10 ℃积温2 896 ℃，无霜期153 d，具有良好的光热条件和较高的光温生产潜力，既是我国的传统优势农业区，也是没有灌溉就没有农业的典型干旱绿洲灌区，农业依靠祁连山雪水和地下水实施井河混灌，水资源不足和利用率不高是制约农业和农村经济发展的主要因素。其气候特征、土壤类型、农作制度和农业发展水平在中国西北干旱绿洲灌区具有很强的区域代表性。

1.2 试验设计

试验设在甘肃省农业科学院张掖节水试验站进行。供试玉米品种为先玉335。试验采用随机区组设计，共设10个处理，氮、磷施肥比例如表1，不施钾肥。每个处理3次重复，共计30个小区，每个小区面积3×20=60 (m2)。

供试土壤为灌漠土，0～20 cm基础土样，土壤有机质18.10 g/kg，全氮1.40 g/kg，速效磷22 mg/kg，田间最大体积含水量31.68%。

表1 不同时期氮磷分配比例表Tab.1 Nitrogen and phosphorus distribution ratio at different times

灌水处理：全生育期灌溉量27 778 m3/hm2，水表量水控制水量。滴灌小区中每两行玉米铺设1条滴灌带，滴灌带铺设于膜下正中，滴灌带要求各滴头滴水均匀，滴头间距30 cm，流量2 L/h。玉米拔节期开始灌溉头水，灌水频率约为平均每10 d一次，收获前20 d停水。灌水量分别为灌溉定额的10%:10%:15%:15%:15%:15%:10%:10%。

种植方法：种植密度99 000 株/hm2。玉米宽窄行覆膜种植，带幅宽100 cm，宽行70 cm，窄行30 cm，株距20 cm，播种深度4 cm。

水肥同步：施氮肥(纯N)：225 kg/hm2，氮磷比例如表1。氮肥用SODm尿素，磷肥用磷酸脲。每小区进口处配备施肥罐，不施基肥，所有肥料通过文丘里施肥器随水滴施，各处理施肥方式、时间均相同。

1.3 测定项目与方法

分别于玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆中期和成熟期采集土壤样品。土壤水分用传统土钻取土，烘箱烘干法。测定部位：测定层次为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm。随机用土钻取两个点(滴头与玉米中心与相邻两株玉米之间各取一个点)同层混合，带回实验室先称鲜土重，各层土壤样品取鲜样200 g冷冻保存，用于分析硝态氮、速效磷，土壤硝态氮测定用紫外分光光度计法，常规法测土壤速效磷[9]。

2 结果与分析

2.1 氮磷运筹对膜下滴灌玉米氮素、磷素吸收的影响

从总体看，玉米的生长对氮素的吸收量表现为苗期较少，在苗期，对氮的吸收表现为0.66～4.30 kg/hm2，所占百分比也较小，为2.00%～8.43%，说明苗期玉米生长缓慢，各个器官生长缓慢。在拔节期过后，玉米吸收氮素量开始增加，大喇叭口期，玉米对氮素的吸收表现为9.39～16.59 kg/hm2，所占百分比也提高至28.49%～30.00%，此阶段随着玉米叶片的大量需求，吸氮量也较大的提高。在抽雄期，玉米对氮素的吸收达到14.44～21.42 kg/hm2，所占比例也相应提高，之后玉米对氮素的吸收趋于缓慢。

玉米在成熟期叶片和茎秆的氮素吸收量明显下降，表现为4.2～6.67 kg/hm2，前期的营养生长转化为生殖生长，玉米的生长需要的氮素吸收被苞叶、棒轴、籽粒等吸收，从而消耗大量氮素，叶片和茎秆的氮素积累出现下降趋势。由表2可知，不同生育时期，各处理间的氮素吸收差异显著。抽雄期玉米对氮素的吸收最大，为14.44～21.42 kg/hm2，其次就是大喇叭口期，为9.39～16.59 kg/hm2，在成熟期，玉米转为生殖生长，叶片和茎秆对氮素吸收量下降较大。在抽雄期，随着玉米穗的形成，对氮素的需求量也加大，这对营养生长具有重要作用。

表2 膜下滴灌条件下不同生育期玉米茎叶对氮的养分吸收 kg/hm2

注：同列数值后相同字母表示差异不显著(5%显著水平)，下同。

由表3可知，不同生育时期，各处理间的磷素吸收差异显著。玉米的生长对磷素的吸收量表现为苗期较少，这与玉米的生长对氮素的吸收比较相似。在苗期，对磷素的吸收表现为0.20～1.87 kg/hm2，所占百分比较小，为1.21%～8.02%，表明在苗期各个器官对磷素的吸收相对较少。在拔节期之后，玉米吸收磷素量开始增加，玉米对磷素的吸收表现为1.82～5.73 kg/hm2，所占百分比为10.97%～19.71%。大喇叭口期，玉米对磷素的吸收表现为4.08～7.95 kg/hm2，所占的百分比也提高至24.59%～30.75%，随着玉米的生长，对磷素的吸收比例也加大。在抽雄期，玉米对磷素的吸收达到7.37～11.70 kg/hm2，所占比例也得到了相应的提高。玉米在成熟期叶片和茎秆的磷素吸收量明显下降，表现为3.12～4.90 kg/hm2，所占的百分比18.81%～19.77%，表明前期的营养生长转化为生殖生长，玉米的生长需要的磷素吸收被苞叶、棒轴、籽粒等吸收，从而消耗大量磷素，叶片和茎秆的磷素积累也出现下降趋势。

表3 膜下滴灌条件下不同生育期玉米茎叶对磷的养分吸收 kg/hm2

由表3可知，抽雄期玉米对磷素的吸收最大，为7.37～11.70 kg/hm2，其次是大喇叭口期，为4.08～7.95 kg/hm2，在成熟期，玉米转为生殖生长，叶片和茎秆对磷素吸收量下降较大。在抽雄期，随着玉米穗的形成，对磷素的需求也加大，这对营养生长具有重要作用。

2.2 氮磷运筹对膜下滴灌玉米硝态氮时空分布、土壤速效磷含量的影响

由图1可知，不同氮磷比例配施对大喇叭期土壤硝态氮的含量影响不同，随土壤层次的增加，影响差异逐渐减小。整体来看，不同处理的不同土层的土壤硝态氮含量变化波动较大。随着配施不同氮磷比例的氮肥、磷肥，对不同处理的硝态氮含量也产生不同影响，土壤层次为0～10 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使得土壤硝态氮含量增加了51.27%～86.14%，不同处理差异显著，表明不同的氮磷比例在一定的范围可以显著提高土壤中的硝态氮含量。在土壤层次为10～20 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使得土壤硝态氮含量增加了26.44%～74.96%，土壤硝态氮含量差异较大。在大喇叭口期，玉米对土壤中的硝态氮的含量同样需求较大，随着玉米的生长发育，其对土壤不同层次的土壤硝态氮含量的要求也发生变化，由于根系位置的改变，对表层的土壤硝态氮含量要求相对较少，随着不同时期的灌水和追肥，玉米生长需要的硝态氮也随水肥一起进入到更深层次的土壤中。在此时期，在0～60 cm的土层中的土壤硝态氮变化范围较大，而在60～100 cm的土层中，土壤硝态氮含量变化较小，基本都小于15 mg/kg。

图1 氮磷运筹对大喇叭口期土壤硝态氮的影响Fig.1 Effects of different nitrogen and phosphorus treatments on soil content at bell-mouthed stage

由图2可知，不同氮磷比例配施对抽雄期土壤硝态氮的含量影响不同，随着土壤层次的增加，影响差异逐渐减小。在抽雄期，随着配施相同含量的氮肥，前期氮素积累较大，对不同处理的硝态氮含量产生较大的影响，土壤层次为0～10 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使土壤硝态氮含量增加了38.25%～84.45%，不同处理差异显著。在土壤层次为10～20 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使土壤硝态氮含量增加了18.21%～87.30%，表明在后期与对照不施肥比较，不同土壤层次的土壤硝态氮含量差异显著。土壤硝态氮在0～20 cm含量较多，表现为NP8>NP2>NP6>NP7>NP3>NP4>NP9>NP1>NP5。由此图可知，在0～30 cm的土壤层次中NP2、NP6、NP7、NP8的土壤硝态氮的含量变化波动较大，这可能与前期追肥造成的土壤积累有关。在0～30 cm的土壤层次中其他处理的土壤硝态氮变化较小。表明氮磷比例对玉米吸收硝态氮影响较小。

图2 氮磷运筹对抽雄期土壤硝态氮的影响Fig.2 Effects of different nitrogen and phosphorus treatments on soil content at tasseling stage

由图3可知，不同氮磷比例配施对成熟期土壤硝态氮的含量影响不同，随土壤层次增加，差异不显著。在成熟期，土壤层次为0～10 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使得土壤硝态氮含量增加了9.67%～69.60%，不同处理差异显著。在土壤层次为10～20 cm时，同对照CK进行比较，不同氮磷比例施肥使得土壤硝态氮含量增加了37.69%～79.01%，说明在后期与对照不施肥比较，不同土壤层次的土壤硝态氮含量差异显著。土壤硝态氮在0～20 cm含量较多，表现为NP9>NP4>NP7>NP5>NP1>NP8>NP2>NP6>NP3。整体来看，不同处理随着土壤层次的增加，呈现出缓慢下降的趋势，这与后期的玉米各个器官基本成熟，对土壤硝态氮的需求也发生了改变，玉米的生长进行生殖生长，各个器官对硝态氮的需求逐渐较小，最终土壤层次越低，土壤中的硝态氮含量也较低到了最小。

从不同时期的土壤硝态氮的不同土壤层次的含量变化可以看出，无论是不同的氮磷比例，还是单一追施氮肥，对增加土壤氮素，对土壤硝态氮含量影响显著。对玉米的生长，配合各个时期的灌水，可以有效提高氮素利用。另外，玉米不同时期由于根系的作用，对不同土层的土壤硝态氮的需求是不同的，合理的氮磷配施也能提高玉米对硝态氮的吸收作用，对玉米生长起到较大作用。

图3 氮磷运筹对成熟期土壤硝态氮的影响Fig.3 Effects of different nitrogen and phosphorus treatments on soil content at maturation stage

由图4知，不同氮磷比例对土壤速效磷含量的影响差异较大。在苗期，与CK比较，最多增加了31.19%，最少也增加了14.59%，差异显著。到拔节期，土壤速效磷含量均增加，其中NP2的值最大。在大喇叭口期，随着氮磷肥料施肥量的增加，速效磷含量增加较大，且表现出NP1的土壤速效磷含量最大，表明，氮肥量的增加，速效磷的含量增加较明显。抽雄期，随着氮肥继续追施，土壤速效磷含量继续增加，各处理差异显著。在成熟期，各处理差异不显著，均表现出下降趋势。表明在灌水相同条件下，氮是限制速效磷的主要因素，一定范围内增加氮肥对土壤速效磷含量有促进作用。

2.3 氮磷运筹对膜下滴灌玉米产量、水分利用、肥料利用的影响

试验结果表明(表4)，不同氮磷施肥水平对玉米产量具有重要影响，各处理之间差异显著。随着施磷肥量的增多，玉米的行粒数、百粒重等均较其他有增多趋势，同时，不同施磷肥量对株高影响较大，对穗长、穗粗及穗行数的影响并不明显，这可能与玉米的品种有一定关系。在低水平施磷条件下，随着磷肥比例的增加，玉米的穗长、穗粗及穗行数变化不大，其产量增加较明显分别增加3.01%、6.73%。在较高水平施磷条件下，随着磷肥比例的增加，玉米的穗长、穗行数有降低的趋势，产量也表现出降低趋势，分别降低1.63%、1.58%，这可能与氮磷配施对氮磷平衡产生了影响，导致玉米对养分和水分吸收出现了一定变化。在高水平施磷条件下，随着磷肥比例的增加，玉米的穗长、穗粗及穗行数变化不大，玉米的秃尖长、株高等变化不大，但产量有增加的趋势，分别增加3.48%、4.06%，说明氮磷的合理配施对玉米吸收养分、水分，以及最终产量意义重大。

图4 氮磷运筹对不同处理土壤速效磷的影响Fig.4 Effects of nitrogen phosphate on different treatments of soil speed phosphorus

表4 氮磷运筹对玉米的产量及构成Tab.4 Effects of different nitrogen and phosphorus treatments on yield and composition of maize

在施氮量相同条件下，随着施磷量的增多，对玉米的穗长、穗粗、穗行数、行粒数及百粒重影响较小，但对玉米株高影响较大，表明磷肥可能对玉米生长中的某些与品种有关的指标影响较小，对株高的影响也是由氮肥参与共同决定的。

从最终测产结果来看，不同处理相比较：NP9>NP8>NP3>NP4>NP6>NP5>NP7>NP2>NP1，与对照CK相比，分别增产22.78%、22.34%、21.52%、21.18%、19.91%、19.87%、19.64%、18.68%及16.23%，差异显著。表明在播种期，氮磷比例较高条件下，后期追施磷肥对玉米产量影响较大，但是在前期氮磷施肥磷肥比例较低情况下，追施磷肥，产量有所降低。在合理的氮磷比例条件下，玉米的生长只有在生长发育的特定时期及时补充其生长发育需要的营养元素，才能最终决定它的产量。

由表5可知，CK的水分利用效率最低，NP9的水分利用效率最高，NP9比CK高出4.97%。与CK比较，其他处理都处于20.00%左右，各处理的水分利用效率大小为NP9>NP8>NP3>NP4>NP6>NP5>NP7>NP2>NP1>CK。表明水分利用效率越高，它的产量也越高。在一定范围内，氮磷配施有利于提高作物水分利用效率，从而促进玉米进行生长发育。在一定范围内，氮磷配施，水分利用效率有所降低，但表现不明显。

表5 氮磷运筹对水分利用及肥料利用的影响Tab.5 The effect of nitrogen phosphate on water use and fertilizer use

由表5可知，肥料的投入量在一定范围内对产量的影响显著。从NP1、NP2、NP3这个阶梯式的递增表明在同等灌水条件下，随着氮肥投入量的增加，其氮肥农学效率表现出递增的趋势，相应的每公斤氮肥增加的玉米经济产量较明显。同时可以看到，NP7、NP8、NP9也有相似的结果，随着氮肥的投入，其氮肥农学效率递增。以上两组与其对应的水分利用效率进行对比发现，NP1、NP2、NP3的水分利用效率表现出递增的规律， NP7、NP8、NP9的水分利用效率也表现出递增的规律，表明在一定范围的氮磷比例可以提高氮肥农学效率，同时也能提高玉米的水分利用效率。NP4、NP5、NP6之间进行比较发现，NP4的水分利用效率、氮肥农学效率最大，NP5的这两个指标最小，NP6处于中间。表明只有合理进行氮磷配施，才能提高水分利用效率、氮肥农学效率，否则会打乱氮磷平衡，影响玉米的正常生长。

由表5可知，氮磷运筹对膜下滴灌玉米磷肥利用率的影响差异显著，NP1的磷肥利用率最高，表明在相同灌水量条件下，磷肥的利用效率主要决定于氮肥的施用量，NP1的氮肥施用量最大，有效促进了玉米对磷肥的吸收，从NP4、NP7的磷肥利用率来看，在前期氮肥、磷肥施肥量相同条件下，随着磷肥的施用量增加，氮肥施用量的减少，磷肥利用率反而出现了下降的趋势，表明磷肥施用量的增加不能对磷肥利用效率产生促进作用，进而表明氮肥在磷肥利用效率上起到了主要作用。NP6的磷肥利用效率最低，表明在此处理下，氮磷比例失去平衡，抑制了玉米对磷素的吸收，氮磷比例只有控制在一定范围内才能促进玉米吸收养分。

3 结论与讨论

本试验表明，玉米的叶片、茎秆对氮素、磷素均表现出苗期吸收量较少的现象，在抽雄期氮素、磷素的吸收达到最大，之后其吸收量下降，从营养生长转化为生殖生长，玉米的生长需要的氮素、磷素被苞叶、玉米芯、籽粒等吸收，从而消耗大量氮素、磷素。玉米的养分吸收主要集中于叶片，其次是茎秆，成熟期主要是籽粒、苞叶、玉米芯等，在吸收氮素、磷素过程中，氮素起了决定性作用。叶片的最大吸氮量为12.12～15.86 kg/hm2，最大吸磷量为4.84～6.89 kg/hm2，茎秆的最大吸氮量为4.65～5.71 kg/hm2，最大吸磷量为3.59～4.88 kg/hm2。

由不同时期的土壤硝态氮的不同土壤层次的含量变化规律得出，无论是不同的氮磷比例，还是单一追施氮肥，对增加土壤氮素，对土壤硝态氮含量影响显著，土壤硝态氮含量变化主要集中在0～40 cm土层。对玉米的生长，配合各个时期的灌水，可以有效提高氮素利用。另外，玉米不同时期由于根系的作用，对不同土层的土壤硝态氮的需求是不同的，合理的氮磷配施也能提高玉米对硝态氮的吸收作用，对玉米生长起到较大作用。在灌水相同条件下，氮是限制速效磷的主要因素，一定范围内增加氮肥对土壤速效磷含量有促进作用。

不同氮磷施肥对玉米穗长、穗粗及穗行数影响较小，随着氮磷比例中磷肥中后期的增加，玉米的行粒数、百粒重均增加，秃顶长出现减小的趋势，株高明显增加。同样，施磷量的增加也可以促进各产量指标的增大。土壤水分利用效率范围在16.86～21.83 kg/hm2/mm2之间。氮肥农学效率最高的是NP9，磷肥利用率最高的是NP1，磷肥的利用效率主要决定于氮肥的施用量。试验研究结果表明，中后期增施氮磷肥均促进产量增加，各处理的产量高低依次为NP9>NP8>NP3>NP4>NP6>NP5>NP7>NP2>NP1>CK，最高产量的氮磷施用量分别为225 kg/hm2(纯N)、123.7 kg/hm2(P2O5)，产量为14 167 kg/hm2。

关义新等[15]认为，产量超过15 000 kg/hm2的高产典型案例中，群体粒数是实现超高产的关键。本试验结果表明，在氮磷比例较高条件下，后期追施肥料中磷肥比例较大时，玉米的行粒数最大为36.8，因此，采用合理的氮磷比例运筹提高玉米群体的行粒数可以实现玉米的超高产。

本试验是从膜下滴灌条件下不同氮磷运筹对玉米生长及产量的影响为出发点的，研究了河西地区不同氮磷比例对膜下滴灌玉米养分吸收、生长、土壤硝态氮的影响，结果如预期的一样。本试验研究时间较短，有些方面还需进一步深入探讨、研究。