喷灌施氮管理对春玉米产量及水氮利用的影响

李晶晶，臧文静，黎耀军，顾涛，严海军*

(1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083; 2. 中国灌溉排水发展中心，北京100054)

氮素是玉米生长不可或缺的营养元素，根据作物需求，合理施用氮肥是提升春玉米产量的关键.中国作为化肥消耗大国，不合理的施肥方式和传统的施肥管理模式导致中国氮肥利用率低于欧美国家[1-2]，不仅降低了玉米产量和品质，还造成了肥料资源滥用和环境污染.东北地区玉米总产量约占全国玉米总产量的1/3[3].近年，国家提出东北地区的“节水增粮”行动和“到2020年化肥使用量零增长行动方案”[4]，推广和发展了喷灌工程43.7万hm2，其中圆形喷灌机灌溉工程8.2万hm2[5], 为东北地区推广圆形喷灌机和发展水肥一体化技术提供了有力的支持，这对提高当地水肥资源高效利用，保障中国粮食生产具有重要意义.

然而，以往的研究多数集中在对滴灌水肥一体化施氮量、施氮次数的增产效应、水肥耦合效应以及土壤氮素分布影响上，关于喷灌水肥一体化条件下不同施氮管理方式对春玉米产量和水氮利用效率的研究较少.尤其是在东北地区，圆形喷灌机的应用面积较大，但相应灌水施肥技术却很缺乏[6]，导致喷灌水肥一体化技术在东北地区的应用缺乏理论依据与技术支持.目前，当地仍沿用传统的施氮管理方式，普遍存在肥料利用率低、施肥过量和施肥管理混乱等现象，严重降低了玉米产量和品质，导致氮肥资源滥用、环境污染风险增加等诸多问题[7-8].为此，文中将根据春玉米不同生长时期的水肥需求规律，分析圆形喷灌机条件下开展不同氮肥管理对土壤水氮运移，春玉米产量以及水氮利用效率的影响，提出适宜的喷灌水肥一体化施肥制度，为东北地区应用喷灌水肥一体化技术，实现春玉米的高产和水氮高效利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2017年5—10月进行，试验地点位于黑龙江省齐齐哈尔市克山县北联镇.该地处于松嫩平原的北部地区(125°10′57″—126°8′18″E，47°50′51″—48°33′47″N)，年平均气温2.4 ℃，10 ℃以上的有效积温2 400 ℃，无霜期在122 d左右.该县年平均降水量500 mm左右，降雨主要集中在6—8月，多年平均风速约为4 m/s.试验地0～100 cm深度的土壤质地均为粉壤土.土壤容重为1.39 g/cm3，平均饱和含水率为0.43 cm3/cm3，平均田间持水率(FC)为0.37 cm3/cm3，饱和导水率(Ks)为45.1 mm/d，凋萎系数(WP)0.21 cm3/cm3.玉米品种为瑞福尔，实测植株密度为85 000株/hm2.土壤pH为6.8.土壤基础养分情况：速效磷28.4 mg/kg、速效钾 175.6 mg/kg、有机质9.24 g/kg.播种前0～20 ，20～40 ，40～60，60～80，80～100 cm的土壤硝态氮质量比分别为19.48，10.97，5.90，4.57，5.28 mg/kg.

1.2 试验设计

本试验包含2个因素：施氮量w和不同时期的施氮比例(见表1)，p为喷施量.经调查当地平均施氮量为200 kg/hm2，因此试验设置了3个总施氮量：N200(200 kg/hm2)，N160(160 kg/hm2)和N120(120 kg/hm2)，其中播种时随底肥统一施入纯氮60 kg/hm2，苗期统一施入纯氮10 kg/hm2，其余在拔节期和灌浆期按照3种施氮比例T1(1∶0)，T2(2∶1)和T3(3∶1)施入，共9个处理，每处理设置3个重复，共27个小区.

表1 试验设计

试验布置如图1所示.其中每个试验小区为长方形，长度为15.0 m，宽度为8.8 m，面积为132.00 m2.每个小区包含8个大垄，垄宽1.1 m，垄上种植双行间距为0.4 m的春玉米.考虑到试验小区面积及喷灌均匀性等情况，所有试验小区均布置在圆形喷灌机的第四跨中部位置，高、中、低3个施肥处理穿插分布.

图1 试验布置示意图

试验中底肥氮、磷、钾的施入量为N:60 kg/ hm2、P2O5:44 kg/ hm2、K2O:68 kg/ hm2，在播种时通过播种机埋施统一施入田间.除氮元素外，其他元素均统一基施不做处理.追施氮肥的肥料为尿素(总N≥46.4%)，均通过水肥一体化系统进行追施.每次施肥前，在肥料桶内提前配置需要的水肥溶液，搅拌溶解后，通过专用柱塞泵将水肥原液注入到圆形喷灌机中心支轴的立管内，与灌溉水稀释后最后通过喷头均匀喷施到田间.试验期间，各处理的灌水量均做统一处理，根据土壤平均水分状况适时补充灌溉，灌水下限为70%田间持水量，灌水上限为90%田间持水量.春玉米在5月2日播种，10月7日收获，其中关键生育期分别为苗期—拔节期：5月23日—7月6日，拔节期—抽雄期7月6日—7月26日，抽雄期—灌浆期：7月26日—8月11日，灌浆期—成熟期：8月11日—9月23日.

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 植株干物质及全氮含量的测定

每个小区选取代表性春玉米3株，将样品分器官称鲜质量，在105 ℃下进行0.5 h杀青处理后再在70 ℃下烘干至恒重，测定并计算干物质.随后将样品粉碎过0.05 mm筛后用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪分别测定生育期末春玉米各器官的全氮质量比(mg/kg).再用植株全氮质量比乘以相应的重量，得到计算植株的氮素吸收量(kg/hm2).

1.3.2 土壤水分及硝态氮的测定

用土壤水分传感器对土壤水分进行测定，并用烘干法进行率定.土壤水分传感器的探头埋设深度分别为30 ，50，70 ，90 cm，每隔15 min自动采集1次数据.在测定硝态氮时，土钻法取土的深度为1 m，每20 cm取1盒土样，将土样风干后研磨并过2 mm筛，用浓度为1 mol/L的氯化钾溶液浸提土样，再用流动分析仪(Auto Analyzer III, BRAN+LUEBBE, 德国)测定浸提液硝态氮的质量比(mg/kg)，最后折算为土壤中硝态氮的质量浓度(kg/hm2).

1.3.2 产量及产量指标的测定

测产时，在每个小区取3个样方.每个样方长5.0 m，宽2.2 m(含4行玉米植株)，测量穗长、秃尖长和穗粒数、百粒质量、含水率.最后根据样方平均玉米收获的籽粒重量，换算得到各小区在含水率为14%的标准产量(kg/hm2).

1.3.3 水氮分利用效率

水分利用效率的计算公式为

(1)

式中:WUE为水分利用效率，kg/m3；Ya为产量，kg/hm2；ETa为春玉米实际耗水量，mm，ETa的计算公式为

ETa=ΔSW+I+P+K-DP-R，

(2)

其中：ETa为作物实际耗水量，mm；ΔSW为生育期始末土层内土壤水分变化量，mm；I为灌水量，mm；P为降水量，mm；K为地下水补给量，mm；DP为由于降水或灌溉而产生的深层渗漏量，mm；R为由灌水或降雨产生的径流量，mm，因试验区地块较平坦，试验过程并没有观察到径流产生，故R=0 mm；DP的计算公式[9]为

(3)

式中：ΔZ为根系层深度，取1 000 mm；Δθ/Δt定义为土壤排水能力，m3/(m3·d)，与土壤含水量θ(cm3/cm3)和饱和导水率Ks(mm/d)有关，计算式为

(4)

其中：Δt为时间步长，d；θ为每天的土壤含水率情况，cm3/cm3，通过采集的传感器数据算出每天的土壤含水率平均值；θs为土壤饱和含水率；θFC为田间持水率；τ为土壤的排水特性，与Ks有关；Ks为土壤饱和导水率.

关于氮素利用效率的计算：氮素收获指数(NHI)=籽粒氮吸收量/地上部分氮吸收量×100%；氮肥偏生产力(PFPN)=施氮区籽粒产量/施肥纯氮量.

1.4 数据处理

使用SPSS 20.0、Office 2016等统计软件，对不同施氮管理下的玉米生长和产量指标、土壤硝态氮运移等试验数据进行方差分析和多重比较，采用Origin 9.0 进行绘图.

2 结果与分析

2.1 土壤水分变化和氮残留的影响

如图2所示，整个生育期土壤含水量均保持在田间持水率70%以上，表明生育期内春玉米没有受到明显的水分胁迫.灌溉总量为55 mm，分别在6月30日、7月18日和8月11日灌水10，30，15 mm(如图3所示).

图2 生育期内土壤含水率的变化

图3 生育期内降水、灌溉和渗漏情况

生育期内降水量为407 mm，计算得到生育期的渗漏量为80 mm，渗漏发生的时间集中在6月中旬至7月初以及8月中旬.较大强度的降雨导致了渗漏量峰值的出现，在6月21日达到4.7 mm/d，降雨是该地区产生渗漏的主要原因.从图4中可以看出，1 m土层内硝态氮残留量ρN随着深度h的增加，整体呈现逐渐降低的趋势.随着施氮量的增加，土壤硝态氮残留量在各层均呈现增加的现象，在高氮处理下，土壤氮残留量主要集中在60 cm土层，中氮和低氮处理的氮残留主要集中在20 cm深度的土层中.表明施氮量的增加会增加每一层土壤硝态氮的残留量，硝态氮向下运移的可能性增加，从而增加深层土的氮残留量.

图4 相同施氮比例、不同施氮量处理下土壤硝态氮残留量的分布情况

图5为相同施氮量，不同施氮比例下土壤硝态氮残留分布情况.由图5a可以看出，在高施氮量处理下，不同的施氮比例对土壤硝态氮残留的分布影响较大，处理T1N200的硝态氮残留量均小于其他2个处理，处理T3N200的60～80 cm土层的硝态氮残留量最高.从图5b可以看出，处理T1N160土层中的硝态氮残留量最少.施氮量较低时不同施氮比例差异不明显.由上述分析可知，当施氮量为160～200 kg/hm2时，处理T1的硝态氮残留在各土层中均最低，这对减少环境污染有积极意义.

图5 相同施氮量、不同施氮比例处理下土壤硝态氮残留的分布情况

2.2 对春玉米生长及产量的影响

表2为不同处理下玉米产量及其构成要素，表中l为穗长，L为秃尖长，n为穗粒数，m为百粒质量，y为产量.由表2可以看出，随着施氮量的增加，玉米产量显著提升.处理N200和N160比N120的平均产量分别增长了9.8%和7.3%，但N200和N160的平均产量差异不具有统计学意义(P>0.05).不同施氮比例处理之间，产量差异不具有统计学意义(P>0.05).处理T1N200获得了最高产量12 489.6 kg/hm2.对产量与施氮量的关系进行回归分析得到：Y=-0.139 6X2+58.35X+6 130.2，R2=0.85，其中Y代表产量(kg/hm2)，X代表施氮量(kg/hm2).由该公式可知，当施氮量为210 kg/hm2时，理论最高产量为12 227.6 kg/hm2.

表2 不同处理下玉米产量及其构成要素

在相同施氮比例下，T1N200比T1N160和T1N120的产量高5.3%和8.8%，但T1N200与T1N160差异不具有统计学意义(P>0.05)，说明T1N160在减少施氮量20.0%的情况下，没有造成明显的产量损失，处理T1N160更利于节肥增产.不同的施氮量对玉米的穗长和穗粒数有显著性影响.在处理N200下的平均穗长最长，并且显著高于其他处理(P<0.05).处理N120的穗粒数显著低于处理N160和N200(P<0.05).因此施氮量在160～200 kg/hm2均可以促进穗粒数的形成和百粒质量的增加从而增加产量.

2.3 对春玉米水氮利用效率的影响

表3为不同施氮处理对玉米成熟期地上部分氮素吸收量和水氮利用的影响，表中ASN为茎氮素吸收量，ALN为叶氮素吸收量，AGN为籽氮素吸收量，AN为总氮素吸收量，INH为氮素收获指数，PPFN为氮肥偏生产力.从表3中可以看出，施氮量越大，WUE的平均值越大.在施氮量相同的条件下，处理T1的WUE平均值较高.施氮量的增加在一定程度上能够提高作物水分利用效率，而在拔节到抽雄期追施完所有氮肥的处理T1具有较高的水分利用效率.作物氮素吸收总量受氮肥施用量的影响具有统计学意义(P<0.05).其中，N200和N160的总氮素吸收量显著高于处理N120，分别比处理N120高25.0%和13.5%，表明施氮量增加能够促进春玉米的氮吸收量，施氮量较低时会降低作物的氮吸收，进而影响作物生长.根据氮素吸收的器官，在不同的施氮处理下，玉米各器官的氮积量从大到小表现为籽粒，叶，茎.但施氮量从160 kg/hm2升至200 kg/hm2，籽粒氮素吸收量差异不具有统计学意义(P>0.05).施氮比例对偏肥生产力的增长影响不具有统计学意义(P>0.05)，但T1获得了最高的氮肥偏生产力、氮素收获指数和水分利用效率.所有处理中氮肥偏生产力最大的处理是T1N120，其产量分别比T1N200和T1N160降低了8.8%和3.3%，并且显著低于处理T1N200(P<0.05).不同的施氮量和施氮比例对氮素收获指数影响不具有统计学意义(P>0.05).在所有处理中，氮素收获指数最大的处理为T1N160，达到了74.98 kg/kg，显著高于处理T3N160，T1N120和T2N120 (P<0.05).

表3 不同施氮处理对玉米成熟期地上部分氮素吸收量和水氮利用的影响

3 讨 论

本试验只进行了1 a，结论受气象条件影响较大，尤其是降水量的影响，试验期间春玉米整个生育期的降水量为407.7 mm，比历史同期(1980—2014年)平均降雨量少10.9%，降雨年型属于正常年型.整个生育期土壤水分的渗漏量占降水和灌溉总量的17.3%，可见试验地渗漏量是一部分不可忽略的损失.有研究表明硝态氮淋失量的大小主要取决于土壤中硝态氮的含量以及渗漏出根系区的水量[10].文中发现土壤硝态氮的残留深度随着施氮量的增加而增加，而试验中灌浆初期施肥时恰逢当地连续降雨，渗漏可能加剧了硝态氮的淋失.有研究表明，多次施肥有利于玉米在生育期后期的氮素吸收和干物质累积以及产量的形成[11-12]，本试验中未能观测到增加灌浆期施氮比例对生育期末的植株氮素积累和籽粒产量方面的明显的促进作用，可能是由于本试验中施氮比例的梯度相差较小，未能造成明显差异.本试验中，在吐丝前分次追施完所有氮肥的处理T1，降低了玉米收获后土壤的硝态氮含量并有较高的氮肥利用效率，这与侯云鹏等[13]提出的春玉米开花期前分2次使用氮肥有利于养分供应、减少土壤矿氮残留的研究结果一致.因此在开展喷灌水肥一体化施肥时，当降雨量过大或土壤含水量处于较高状态，水肥一体追施氮肥应尽量减少灌溉水量，同时施肥时期应尽量避开降雨高峰期.

4 结 论

1) 施氮量的增加有利于促进春玉米产量增加、干物质的积累以及地上部分的氮素吸收，特别是在拔节到抽雄期，促进作用更加明显.施氮量在160 kg/hm2和200 kg/hm2均促进了穗粒数的形成和百粒质量的增加，从而增加了春玉米的产量.作物产量和施氮量呈正相关关系，施氮量的增加在一定程度上促进了作物的水分利用效率，但是氮肥偏生产力随着施氮量的增加而减少.

2) 施氮比例对春玉米产量没有显著影响，但处理T1下春玉米的穗长、百粒质量和产量相对较高，并且T1获得了最高的氮肥偏生产力、氮素收获指数和水分利用效率.处理T2和T3在生育后期茎叶氮素累积量较高，但对籽粒的产量并没有明显的促进作用.

3) 0～100 cm土层内硝态氮残留量随着施氮量的增加而增多，并随之向土层深处运移.处理T1的平均硝态氮残留量最少，且处理T1N200和T1N160的硝态氮残留在相同施氮量的各土层中均为最低，降低了硝态氮残留的风险.因此考虑春玉米增产和减少氮素淋失风险，建议在抽雄前分次追施氮肥，减少后期的施氮比例.

综上所述，在东北半湿润区应用圆形喷灌机种植春玉米时，推荐总施氮量为160～200 kg/hm2，其中播种期基肥60 kg/hm2，苗期追施10 kg/hm2，剩余在拔节期追施；苗期和拔节期均采用喷灌水肥一体化.