不同滴灌施肥量对沙地玉米氮效率及硝态氮的影响

李娟娟，李利敏，马理辉

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2．西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；3．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

玉米是我国产量最高的重要的粮食作物，作为陕北主要的粮食作物，玉米种植面积不断扩大［1］。由于陕北地处半干旱偏旱地区，降水少且时间分布不均，沙地土质特征保水保肥性差，当地农民为追求高产盲目施肥，造成肥料施用结构不合理，利用率低下，产生深层渗漏，对环境和粮食安全生产带来隐患。

前人就滴灌条件下不同施氮量对玉米产量、氮肥利用效率和土壤硝态氮的影响进行了较多的研究报道［2-12］。郭丙玉等［5］在新疆研究发现，最佳经济施氮量时，氮素偏生产力和氮肥利用率分别达N 122 kg·hm-2和45.0%。Tsai 等［4］试验结果表明，中氮处理下（268 kg·hm-2）氮利用效率最大。张鹏飞等［8］研究发现追施氮肥120 kg·hm-2，并在30%、60%、100%叶龄指数时期氮肥追施比例为 3∶5∶2 时可对玉米氮素的吸收积累与分配起到良好的调控作用，使玉米在生育中后期各营养器官氮素含量仍维持较高水平，同时减少农田中0 ～100 cm 土层无机氮残留量。

谭华等［9］试验结果表明，水肥一体滴灌玉米随灌水量和施氮量增加氮素利用率增加，超过限值则降低。郭丽等［10］研究发现，在 0 ～100 cm 土层范围内，施氮处理的土壤硝态氮含量均表现为随土层加深逐渐降低。王爽等［12］研究表明，0 ～80 cm土层硝态氮积累量随氮肥施用量的增加而显著增加，不同的施氮量对土壤铵态氮含量的影响主要在0 ～20 cm 土层。

当前研究主要集中在不同地区不同施氮量对玉米产量、氮素利用及土壤硝态氮的影响，对沙地滴灌条件下的相关研究鲜见报道。通过研究在沙地滴灌条件下，不同施肥对玉米氮素利用及施氮量对硝态氮的影响，旨在确定滴灌条件下沙地春玉米最佳施肥量及氮素利用效率，为当地春玉米滴灌施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2017 年5 月至10 月在陕西神木进行，该试验地区位于毛乌素沙漠与黄土丘陵区的过渡地带，东经110°51′、北纬38°83′，年平均日照2 875.9 h，年平均气温8.9℃，10℃以下天数195 d 左右，0℃以下天数115 d 左右，无霜期169 d。平均年降水量421.2 mm，年蒸发量为1 336.6 mm。

试验土壤为风沙土，土质疏松。 0 ～20 cm 耕层土壤的基本性状为:有机质为5.57 g·kg-1，硝态氮为15.96 mg·kg1，有效磷为13.85 mg·kg1，速效钾为 81 mg·kg-1，pH 值为8.0。

1.2 试验材料与设计

供试作物为“榆单1 号”春玉米，2017 年5月1 日播种，9 月28 日收获，全生育期151 d。本试验所选用的化肥种类及有效含量为:氮肥为尿素，含N 46.4%；磷肥为过磷酸钙，含P2O512%；钾肥为硫酸钾，含K2O 52%。采用膜下滴灌的方式，地膜为聚乙烯薄膜，宽 1.2 m，厚度 0.008 mm。滴灌施肥系统由水源、水泵、首部和输配水管道系统等组成。灌溉水源来自于地下水，管网由支管和毛管组成。滴灌带滴头间距30 cm，滴头流量 2.0 L·h-1，滴头工作压力 0.1 MPa。

试验采用三因素D 饱和最优设计，共10 个处理，3 个重复。根据统计学，将3 因素分别安排在结构矩阵x1、x2、x3 列上，水平编码值对应自然变量，施肥用量的上下限极差如表1，试验设计方案见表2。

田间采用随机区组排列的方式，小区大小为24 m2（4 m×6 m），行距55 cm，株间距24 cm，种植密度为59 970 株·hm-2。播种时施入全部的磷肥和钾肥，20%的氮肥，施肥方式为土施。拔节期和抽穗期各追氮肥40%；追肥时将设置的各个处理所需氮肥溶解在施肥罐中，开启水泵施入，拔节期、抽雄期分别灌水300 m3·hm-2。试验采用膜下穴播，镇压后进行土壤封闭除草、覆膜。待玉米出苗后进行间苗，保证每穴一株。其它田间管理均与当地农民习惯保持一致。

表1 氮、磷、钾肥料用量的上、下限 （kg·hm-2）

表2 三因素D 饱和最优设计方案和施肥量

1.3 测定项目与方法

玉米播种前，试验田取 0 ～20 cm 耕层土壤，按常规法测定土壤的基本理化性质［13］。pH 值用pH 计测读（水土比为2.5∶1）；有机质用重铬酸钾氧化外加热法测定。有效磷用0.50 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾用1 mol·L-1醋酸铵浸提，火焰光度法测定。

全氮含量的测定:在拔节期、抽雄期、收获期，每个小区选取长势均匀的两株植株，将所选取植株从茎基部与地下部分分离，分为叶片、叶鞘、茎秆、籽粒等，放入烘箱，将温度设定在105℃，杀青0.5 ～2 h，控温至75 ～80℃将植物样烘干至恒重，将植物样放入干燥器中冷却至室温，称重。将封存的玉米生育期各部分样品，粉碎磨细过筛，H2SO4-H2O2消煮后使用定氮仪测得植株各部分的全氮含量。

土壤硝态氮测定:在拔节期、抽雄期和收获期，分别在滴头处、垂直于滴灌带距滴头15、30 cm 处取土样，分别记为A、B、C 3 点，测定深度分为0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm，风干后磨细过筛，1 mol·L-1KCl 浸提，用AA3 型流动分析仪测定。

在施肥对土壤硝态氮的影响分析中，分为施氮处理和不施氮处理，K3、P3和N0P2K23 个处理为磷钾配施处理，取其均值；低氮处理为N1P3K3处理；中氮处理取N2P0K2和N2P2K0两个处理的均值；高氮处理取N3P1K3、N3P3K1和N33 个处理的均值。

1.4 统计方法

试验数据采用Excel 2010 和DPS 7.05 统计软件处理。

1.5 有关统计指标与计算方法

氮素积累量（kg·hm-2）=非收获物干重×非收获物养分含量+收获物干重×收获物养分含量

氮素收获指数（%）=籽粒氮素积累量/植株总氮素积累量×100

营养器官氮素贡献率（%）= 营养器官氮素运转量/成熟期籽粒氮素积累量×100

籽粒产量需氮量（kg·t-1）=植株地上部分氮素养分积累量/产量×1 000

偏生产力（kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量转运量（kg·kg-1）=抽雄时期营养体氮素积累量-成熟期营养体氮素滞留量

2 结果与分析

2.1 生育期整株氮积累变化

如表3 所示，生育期玉米整株氮积累呈现逐渐增加的趋势。拔节期除K3、N0P2K2、N2P2K0处理外其余处理与CK 差异显著；N3P3K1处理氮积累量最大，增加76.84%；其次是N3处理，增加45.77%；增加最少的是K3处理，仅增加4.27%。抽雄期植株进入快速生长的阶段，氮素积累迅速增加。除K3、P3、N0P2K2处理外其余处理均与CK 差异显著；N3P3K1、N3P1K3、N3处理增加率均超过了100%，分别为122.30%、116.73%、103.62%；增加最少的是K3处理，增加了24.27%。收获期除P3处理、N0P2K2处理外其余处理与CK 差异显著；N3P3K1处理氮积累量最大，比CK 增加94.65%；增加最少的是P3，为21.75%。整体来看，拔节期到抽雄期氮积累增加量较大，在45.56～129.42 kg·hm-2之间；抽雄期到收获期氮积累增加较少，为19.63 ～68.76 kg·hm-2。

表3 生育期整株氮积累变化 （kg·hm-2）

2.2 叶片、茎、籽粒氮积累变化

如表4 所示，叶片氮积累随生育期逐渐下降。整个生育期，高氮处理（N3、N3P1K3和N3P3K1处理）显著高于其它处理。拔节期仅有K3、N0P2K2和N2P2K0处理与CK 无显著差异；抽雄期3 个高氮处理和N2P2K0处理与CK 差异显著；收获期K3、N2P0K2、N3P3K1处理与CK 差异显著。拔节期、抽雄期和收获期均以N3P3K1处理氮积累量增加最多，分 别 比CK 增 加41.53%、71.05%和85.29%； 以N0P2K2处理增加最少，增量分别为1.11%、2.42%和11.74%。

植株茎氮积累变化与叶类似，随生育期逐渐下降。相比CK，3 个生育期以拔节期增加量最大，为14.12%～94.65%，其次是抽雄期，增加了17.57%～66.91%，增加最少的是收获期，5.89%～56.42%。拔节期N0P2K2、N3P1K3和N3P3K1处理与CK 差异显著；抽雄期仅有N3P1K3处理与CK 差异显著；收获期植株茎氮积累差异性不显著，与CK 相比，N2P0K2处理增加最大，其次是N2P2K0处理，增加了54.96%，增加最少的是P3处理。

抽雄期籽粒氮积累量较大，收获期较小；与CK 相比，抽雄期增加了11.13%～31.16%；收获期增加量为2.15%～29.08%。抽雄期各处理之间差异不显著，氮积累量最大的是N3P3K1处理，其次是N3处理，增加最少的是K3处理。收获期K3、N2P0K2、N3P3K1、N3P1K3处理与CK 差异显著；N3P3K1处理氮积累量最高，其次是K3处理，比CK增加了26.06%，增加最少的是N0P2K2处理。

表4 叶、茎、籽粒氮积累量 （g·kg-1）

2.3 叶、茎、籽粒氮积累占整株比例

如表5 所示，氮素在各器官中的分配随生育期发生变化。叶片在整株氮积累量的比例与生育期叶片氮积累变化规律较为一致。拔节期比例最高，抽雄期降低，收获期大多处理降低，少部分升高。拔节期CK 叶片氮积累占比例最高，除P3和N1P3K3处理外其它处理与CK 差异显著；抽雄期叶片氮积累占整株比例显著降低，施氮处理均与CK 差异显著，N3P1K3处理最高；收获期除CK、P3、K3处理比例略有增大，其余处理均有所降低，各处理间差异不显著。

表5 叶、茎、籽粒氮积累占整株氮积累量比例 （%）

茎氮积累量所占比例变化与生育期茎氮积累规律不一致。拔节期比例最大，抽雄期降低，收获期有所升高。拔节期除P3、N1P3K3处理，其它处理与CK 差异显著，N0P2K2处理茎氮积累量占比例最高；抽雄期茎氮积累量占比例显著下降，仅N3处理与CK 差异显著，K3处理最高，N0P2K2处理下降幅度最大，达29.61%；收获期茎占整株氮积累量比例各处理之间差异不显著，除K3处理，其余处理均小幅度上升，N1P3K3处理增加幅度最大，达8.66%，N3P3K1处理增加幅度最小，仅有1.62%。

生育期籽粒占整株氮积累量比例较为稳定。抽雄期各处理无显著差异，CK 最高，N3P3K1处理最低。收获期仅N2P0K2、N2P2K0、N1P3K3处理与CK差异显著；除N3、N3P1K3处理比例增加，其余处理均有所降低。

2.4 不同施肥处理的氮效率

如表6 所示，籽粒产量需氮量中，K3、N2P0K2、N1P3K3和N3P3K14 个处理与CK 差异显著；CK 产量最少，达8 854 kg·hm-2，籽粒产量需氮量也最小；N3P1K3和N3P3K1处理的产量接近，N3P1K3处理的需氮量较少。

表6 不同施肥处理的氮效率

氮收获指数各处理间无显著差异，K3处理收获指数最高，比CK 高10.00%；收获指数最低的3 个处理均为高氮处理。

氮肥偏生产力表明，两个中氮处理之间、3 个高氮处理之间差异不显著；低氮处理偏生产力最高，其次是两个中氮处理，最小的是3 个高氮处理。可见，氮肥偏生产力随氮肥增加而降低。3个高氮处理中，N3P1K3处理略高于N3P3K1处理，N3处理较低；两个中氮处理中，N2P0K2处理高于N2P2K0处理。

氮素转运量指标中，除P3、N0P2K2和N2P0K23个处理外其余处理与CK 差异显著；N3P1K3处理转运量最大，比CK 高126.87%，其次是N3处理，高119.61%，N0P2K2处理最低，比CK 低27.52%。总体来看，施氮处理高于其它配施处理。

营养器官的贡献率结果表明，除P3、K3、N3P3K13 个处理外其余处理与CK 差异显著；N3处理营养器官的贡献率最高，比CK 高46.13%，其次是N1P3K3处 理，为44.21%；N0P2K2和N2P0K2处 理贡献率比CK 低，可能因为N0P2K2处理转运量最低而影响贡献率。

2.5 施氮对土壤硝态氮的影响

由表7 可以看出，土壤硝态氮随生育期的推进，出现下降的趋势。总体而言，3 个生育期中，以0 ～20 cm A 处硝态氮含量最高，B、C 处略有差异；3 处硝态氮含量随深度增加逐渐下降，40 ～60 cm 最低。

拔节期施氮量对表层影响最大，硝态氮含量显著高于其他深度。表层各处理中，3 处高氮处理均与CK 差异显著，比CK 高0.40 ～2.39 倍；20 ～40 cm 深度中高氮处理差异仍然显著，A、C 处高氮处理比CK 高36.14%、38.26%；40 ～60 cm 深度中A、C 处无显著差异，B 处低氮、高氮处理差异显著，A、B 处高氮处理比CK 分别高28.09%、29.83%。

抽雄期表层硝态氮含量A 处差异不显著，以中氮处理最高，其次是高氮处理，分别比CK 高62.58%、41.43%；B 处仍以施氮处理高于不施氮处理，高氮处理最高，其次是低氮处理，分别高143.24%、97.35%；C 处施氮处理与不施氮处理差异不显著，硝态氮含量并未随着施氮发生变化，与是否施氮关系不明显。20 ～40 cm 深度硝态氮含量3 处均以高氮处理最高，分别高于CK 31.32%、30.12%、43.78%；中氮处理、低氮处理与不施氮处理没有显著差异，变化规律不明显。

收获期植株生长停滞，土壤中氮素大部分被植株吸收，硝态氮含量整体较低。表层各处硝态氮含量中氮处理和高氮处理高于其它处理，其中C 处增幅最大，A、B 处增加较小。各处理20 ～40 cm 深度硝态氮差异不显著，高氮处理含量最高，比CK高11.44%，其它处理间变化规律不明显。

表7 生育期不同位置硝态氮含量 （mg·kg-1）

3 讨论

3.1 不同施肥处理整株、不同器官氮积累及比例变化

玉米整株氮素积累随生育期呈现逐渐增加的趋势，拔节期至抽雄期增幅较大，抽雄期至收获期增加较少，收获期氮积累达130.34 ～253.71 kg·hm-2，氮积累随施氮量的增加而增加，磷钾配施对氮素积累影响不显著。高氮处理氮积累显著高于其它处理，以N3P3K1处理氮积累最高。陈天宇等［6］研究发现叶片氮素吸收量最大，达56.82 kg·hm-2，茎秆+叶鞘的氮素最大吸收量达36.63 kg·hm-2，子粒氮素最大吸收量154.58 kg·hm-2。王宜伦等［14］、晁晓乐［15］、朱金龙等［16］对玉米地上部分氮积累规律的研究结果与本文相似。

玉米拔节期以营养器官生长为主，抽雄期进入营养器官与生殖器官并重生长的阶段，收获期营养物质向籽粒转化，促进籽粒成熟［17］。本试验中，叶片、茎氮积累量随生育期逐渐下降，籽粒氮积累量增加，3 个生育期均以高氮处理显著高于其它处理。说明施氮240 kg·hm-2可以在玉米生育后期为籽粒提供充足的养分为玉米的高产奠定基础。杨明达等［7］探究在地下滴灌和地表滴灌的条件下夏玉米氮素情况，结果表明:滴灌模式对夏玉米氮素积累与转运的影响主要体现在吐丝后，地表滴灌获得更高的玉米植株及籽粒氮素积累量。

3.2 不同施肥处理对氮效率的影响

氮效率指标表明，氮收获指数和氮肥偏生产力随施氮量增加而降低，高氮有效促进氮素转运和营养器官对籽粒贡献率。张经廷等［18］的研究发现不施磷钾会限制氮素从营养器官向籽粒的转运，导致过多的氮素滞留在茎秆内，籽粒氮素积累量和氮收获指数显著降低。侯云鹏等［19］试验结果表明，氮肥偏生产力随施氮水平提高而明显降低。虽然低氮条件下的氮肥偏生产力较高，但玉米产量和氮素积累量下降。因此，协调玉米产量和氮肥偏生产力之间的矛盾，应以保证产量稳步提升为前提，将研究重心放在提高氮肥的利用效率，同时避免玉米对氮素养分的奢侈吸收。

籽粒产量需氮量随产量增加而增加，CK 产量最少，籽粒需氮量也最小；N3P1K3和N3P3K1处理的产量接近，N3P1K3处理的需氮量较少。有研究表明，磷、钾肥均促进玉米对氮、钾的吸收、营养器官的转运量和转运率，且氮、磷、钾积累具有明显的一致性［20-21］。但王雁敏［22］指出，在氮肥用量一定的情况下，随着施磷量的增加，养分收获指数变化不明显。本试验中在高氮处理下，高钾低磷配施比高磷低钾配施更有效促进氮素吸收利用，从而促进产量增加，具体机理还有待研究。

3.3 不同施氮处理对土壤硝态氮的影响

土壤0 ～60 cm 硝态氮随生育期的推进逐渐下降。由于玉米拔节期植株较小，土壤硝态氮养分含量较低；抽雄期玉米植株生长旺盛，大量的土壤氮素被吸收，土壤中硝态氮含量显著下降。到了成熟期，作物需要的供应籽粒的营养增加，土壤中硝态氮含量继续降低。张翠翠等［23］研究表明0 ～60 cm 硝态氮随玉米生育期变化规律与本试验一致。3 个生育期均以滴头处0 ～20 cm 硝态氮含量最高。水平方向，同一生育期变化不明显。垂直方向上，拔节期、抽雄期随深度增加逐渐降低；收获期仅滴头处表层硝态氮含量较高。李久生等［24］试验研究发现，在滴灌条件下，含水率变化在垂直方向随灌水量增加而增加，水平方向变化不明显，湿润体范围以垂直方向为主，而硝态氮极易溶于水，且不被颗粒吸附，主要通过对流随水在土壤中运动，所以硝态氮在湿润锋附近累积。

生育期施氮对土壤硝态氮含量影响显著，本试验中主要影响0 ～40 cm 深度，40 ～60 cm 没有显著差异，规律不明显；水平方向上拔节期和抽雄期影响滴头至15 cm 处，收获期影响滴头至30 cm 处

。拔节期施肥处理均与CK 差异显著，抽雄期和收获期中氮处理和高氮处理对硝态氮影响显著。这可能是因为拔节期植株较小，对氮素不敏感，相关研究表明，氮素吸收的高峰期在灌浆期［17］。刘瑞等［11］认为在0 ～200 cm 土层，随着土层深度的增加，土壤硝态氮含量呈下降后升高的趋势。随着氮肥用量的提高，土壤硝态氮累积量明显增加。当施氮量为90 ～150 kg·hm-2时，土壤氮素基本达到平衡；当施氮量达270 ～450 kg·hm-2时，土壤氮素有明显盈余。王爽等［12］研究发现，土壤硝态氮随氮肥施肥量增加而显著增加，0 ～40 cm 深度最高。马琳［25］的研究结果表明，生育期总体以表层0 ～30 cm 深度土壤硝态氮含量较高。本试验中，由于采用膜下滴灌的方式，且在生育期追肥，硝态氮遵循“水随盐走”的规律，所以硝态氮主要集中在灌水器周围。

4 结论

施肥有效促进玉米增产，氮积累增加、氮素转运量等指标增加。本试验条件下，高氮处理显著高于其他处理，虽然较高的施氮量降低了氮收获指数和氮肥偏生产力，但高氮处理有效促进氮素转运和营养器官对籽粒贡献率，为高产奠定基础，同时高氮处理中土壤0 ～60 cm 硝态氮含量与播前基本一致，维持了土壤硝态氮的平衡。N3P1K3处理产量最高，达13 875 kg·hm-2，其次是N3P3K1处理，产量为13 540 kg·hm-2。相 比N3P3K1处 理，N3P1K3处理籽粒产量需氮量更低，偏生产力、氮素转运量、营养器官贡献率更高。综合产量、氮效率及土壤硝态氮平衡方面的考虑，膜下滴灌条件下，陕北风沙滩地玉米合理施肥为N3P1K3处理，即施氮肥240 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2，钾肥225 kg·hm-2。