暗管农田不同类型肥料对向日葵生长及土壤氮素分布的影响

祁茜，史海滨，闫建文*，李仙岳，高晓瑜，范理权，郝云凤

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.巴彦淖尔市农牧业科学研究院，内蒙古 巴彦淖尔 015400）

内蒙古河套灌区是中国3个特大型灌区之一，目前全灌区盐渍化耕地面积约39.4万hm，占总耕地面积的68.65%。由于灌区大面积灌溉、明沟排水不健全且塌坡严重，造成灌区排水及排盐能力较差，因此建立完善的排水体系成为灌区盐碱地改良的关键。暗管排水由于具有节省耕地、排盐效果好、有效控制地下水位等优点而成为研究热点。然而由于暗管的作用缩短了渗流的路径、加快了入渗速度，因而也显著增加了地下径流量和排水出流中营养物质的含量，改变了土壤养分分布，进而影响了作物的生长和产量。目前对于暗管排水大多是基于关键工程技术参数的研究，而与肥料组合进行源头调控的试验较少。因此在暗管排水条件下开展不同类型肥料施肥模式的筛选研究对促进作物生长、提高肥料利用率、降低环境污染风险具有重要意义。

氮素是植物生长的必需营养元素之一。以往研究表明，氮肥的适量施用在一定程度上能显著提高作物产量。近年来河套灌区的向日葵通常施用普通氮肥，普通氮肥没有控制养分释放的能力，容易造成养分流失。控释肥料由于具有控制养分释放速率、肥效长、氮素流失率低等特点而被广泛应用。大田试验证明，相比于传统一次性全量基施，控释肥的施加可以显著提高作物的光合速率、提高作物产量与氮肥利用率；同时，还可以减少氮素的流失和气体挥发，减轻对环境的污染。有机硅水溶性缓释肥也是近几年研发的一种多功能营养型全水溶/长效复合肥，可同时解决肥料水溶性与缓释性矛盾的问题，也被大量推广和使用。研究表明，施用有机硅水溶性缓释肥料在促进作物生长、改变土壤中氮素分布等方面也具有一定优势。因此通过研究暗管排水条件下不同肥料对向日葵生长、土壤氮素分布及氮素流失的响应关系，筛选出适合暗管排水农田向日葵种植的肥料，可为暗管排水工程大面积实施后肥料的配套和污染源头的防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区巴彦淖尔市农牧业科学研究院暗管排水试验场（40°79'N，107°28'E）。试验地属于中温带半干旱大陆性气候，年平均降雨量138.8 mm，蒸发量2 096.4 mm；地下水埋深在1.6～2.2 m之间变化；平均气温6.8℃，昼夜温差大，无霜期为130～150 d。试验田属于轻度盐渍化土壤，主要土质为粉土及粉壤土。试验区土壤理化性质见表1。

表1 试验区土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the test area

1.2 试验设计

试验设计暗管排水条件下3个不同施肥处理，分别为普通尿素（CK）、控释肥（CF）及有机硅水溶性缓释肥（OF）。每个处理试验面积约为25 000 m（500 m×50 m），由于处理面积较大，故选取3个测试点，每个测试区域面积约为2 670 m。暗管采用南北布设的方式，埋深1.2～1.7 m，间距25 m，坡度为0.1%。每个处理小区铺设3根暗管，选取中间暗管控制范围内进行监测与取样，以消除不同暗管排水的影响；小区1 m深土体四周以2层塑料薄膜相隔，防止水分和肥料侧渗。

供试作物为食葵，品种为“SH361”，2019年播种日期为5月31日，收获日期为10月2日，2020年播种日期为5月30日，收获日期为9月28日。采用1膜2行的常规种植模式，株距0.3 m、行距0.7 m，种植密度为28 000株·hm。试验区每年在春灌和秋浇时进行大面积的漫灌压盐，灌水量为当地优化灌溉定额（春灌约2 500 m·hm、秋浇约3 000 m·hm），现蕾期进行一次灌水，灌水量约为1 250 m·hm；灌溉利用黄河水（用梯形量水堰计量），矿化度约为0.54 g·L。各处理纯氮施用量均为225 kg·hm，其中普通尿素由鄂尔多斯市亿鼎生态农业开发有限公司生产（含N 46%）、控释肥由天津芦阳化肥股份有限公司提供（芦阳6代，含N 28%）、有机硅水溶性缓释肥由河北硅谷肥业有限公司生产（含N 18%）。控释肥、有机硅水溶性缓释肥和磷肥（磷酸二铵，含PO46%）于耕作前作为基肥一次性施入，追肥选用尿素，于向日葵现蕾期施入。各处理具体施氮量见表2。

表2 各试验处理施氮量（kg·hm-2）Table 2 Nitrogen application rate of experimental treatments（kg·hm-2）

1.3 测定指标与方法[15-17]

1.3.1 向日葵生长指标及产量测定

生长指标测定：在每个小区随机选取10株长势良好的向日葵进行定株，分别在向日葵的主要生育期，即播前（5月25—31日）、苗期（6月15日—7月5日）、现蕾期（7月6—31日）、开花期（8月1日—9月5日）和成熟期（9月6日—10月10日）进行观测。用卷尺对株高进行测量，用长宽系数法（本试验中系数取值为0.75）测量每株向日葵所有叶片面积，并计算叶面积指数（LAI）。

光合指标测定：采用LI-6400便携式光合仪，于向日葵现蕾期晴朗无风天气的上午9：00—11：00，选择生长良好、主茎上正数第3片展开功能叶片测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO浓度（Ci），每小区测定10株向日葵。

产量测定：于成熟期在每个小区随机选取长势均匀的10株向日葵，脱粒、自然晾干后测定百粒质量和籽粒产量。

干物质及植株全氮测定：将测产10株向日葵地上各部分器官粉碎，于105℃杀青30 min，75℃烘干至质量恒定后测定干物质量。采用HSO-HO法消煮、凯氏定氮法测定各器官含氮量。

1.3.2 土壤无机氮测定

1.3.3 排水水样中电导率及氮素测定

1.4 计算方法[18-19]

（1）氮肥偏生产力

=/

式中：为氮肥偏生产力，kg·kg；为氮肥施用量，kg·hm；为产量，kg·hm。

（2）氮收获指数

=/×100%

式中：为氮收获指数，%；为籽粒吸氮量，kg·hm；为植株吸氮量，kg·hm。

（3）收获指数

=/100%

式中：为收获指数，%；为经济产量，kg·hm；为生物产量，kg·hm。

（4）硝态氮残留量

=×××10/100

式中：为土壤硝态氮残留量，kg·hm；为土层深度，cm；为土壤容重，g·cm；为土壤硝态氮含量，mg·kg。

（5）排水氮素流失量

式中：为排水氮素流失量，kg·hm；e为第次排水量，m·hm；f为第次排水中氮素浓度，mg·L。

1.5 数据处理与分析

采用Origin 2018和SPSS26.0对试验数据进行整理统计，利用LSD法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对向日葵株高、叶面积的影响

从图1（a）可以看出，不同时期向日葵株高整体表现为OF＞CF＞CK，且随着时间的推移呈先增加后减小的趋势。从7月2日至7月22日，各处理株高增长明显，OF、CF、CK处理下日增长速率分别达到6.31、6.21、5.53 cm·d。8月1日各处理株高达到全生育期最高，OF、CF分别为218.67、209.17 cm，较CK增加21.61%、15.46%。后期向日葵生殖生长旺盛，大量养分转移到花盘供作物籽实发育，导致株高无明显变化。综上所述，暗管排水条件下施用控释肥和有机硅水溶缓释肥在各生育期均不同程度促进了向日葵植株生长。

由图1（b）分析可得，不同时期向日葵叶片LAI整体表现为CF＞OF＞CK，但各处理之间无显著差异（＞0.05）。前期LAI迅速增加，至8月1日，各处理下LAI达到峰值，CF、OF分别较CK提高18.46%、10.42%。随着时间的推移，向日葵逐渐进入灌浆期，LAI开始减小，但仍以CF最高；与OF、CK相比，增幅分别为6.23%、21.33%。可见施用控释肥更加有利于向日葵的光合作用和籽粒灌浆，丰产潜力较大。

图1 不同处理下向日葵株高与LAI的变化Figure 1 Changes of plant height and LAIof sunflower under different treatments

2.2 不同施肥处理对向日葵光合性能的影响

有研究表明，向日葵现蕾期的光合作用是各个参数与Pn相关性最高的时期，Gs、Tr等因素的变化与Pn随光强变化最为协调，有利于光合作用合成更多的有机物质。因此，本试验测定了现蕾期不同施肥处理对向日葵光合指标的影响。

从表3分析可得，现蕾期3种施肥模式下，向日葵叶片的Pn、Tr、Gs均表现为CF＞OF＞CK，其中CF处理下Pn、Tr与CK之间均存在显著差异，较其分别增加了13.85%和19.21%。CF处理下Gs最大，为0.69 mol·m·s，三个处理之间差异均显著。OF与CF处理的Ci显著低于CK，降幅分别为12.05%和16.71%。综上说明，暗管排水条件下施用控释肥能更好地促进向日葵的光合作用，有利于有机物的积累。

表3 不同处理下向日葵的光合参数Table 3 Photosynthetic parametersof sunflower under different treatments

2.3 不同施肥处理对向日葵产量和构成因素的影响

由表4可以看出，相同施氮量下，两年试验百粒质量的变化范围在20.15～27.20 g之间，CF与OF、CK之间存在显著差异。从产量来看，两年均以CF最高，分别为4 917.84、4 657.42 kg·hm，OF次之，二者较CK分别平均增产34.14%、20.72%。CF、OF的植株吸氮量较CK平均增加了47.47%、27.3%。从氮收获指数来看，各处理之间无显著差异，整体表现为CF＞OF＞CK，说明施用控释肥更有利于向日葵籽粒对氮素的吸收。

表4 不同处理下向日葵的干物质量及产量Table 4 Dry matter quality and yield of sunflower under different treatments

氮肥偏生产力可以用来表征氮肥的利用效率。两年试验期间各处理的氮肥偏生产力整体表现为CF＞OF＞CK，CF较OF、CK平均提高了11.13%、34.18%。从收获指数来看，2019年收获指数的变化范围为23.71%～26.75%，其 中CF、CK较OF分 别 增加 了12.82%、12.57%；2020年收获指数的变化范围为22.27%～25.40%。综上所述，同等施氮量下施用控释肥可以在一定程度上提高作物的氮肥偏生产力和收获指数，促进作物对养分的吸收利用，保证作物高产。

2.4 不同施肥处理下土壤氮素动态变化

图2 不同施肥处理下0～40 cm土层氮素动态变化Figure 2 Dynamic changes of inorganic nitrogen in 0～40 cmsoil layer under different fertilization treatments

2.5 不同施肥处理对土壤-N残留的影响

表5 不同施肥模式对土壤剖面中-N残留的影响（kg·hm-2）Table 5 Effects of different fertilization patterns on -Nresidue in soil profile（kg·hm-2）

2.6 不同施肥处理下氮素流失量分析

表6 不同施肥模式下暗管排水中氮素流失量Table 6 Nloss in the drainage of concealed pipes under different fertilization modes

3 讨论

暗管排水技术是盐碱地改良、涝渍区排水、养分管理的重要技术之一。暗管在排水排盐的过程中，也存在淋失土壤养分的情况，并且受到土壤质地的限制。合适的肥料可以促进作物对养分的吸收，提高肥料利用效率，同时更好地从源头减少氮素的流失。

本试验中控释肥处理下向日葵在现蕾期的光合作用最为强烈。究其原因，主要是由于控释氮肥具有控制氮素养分释放速率、实现氮肥后移的特性，能有效地对光合特性进行生理调节，延长作物的光合功能期，延缓叶片衰老。因此本研究中控释肥处理下的叶面积指数较其他处理也有所提高。但本试验中有机硅水溶性缓释肥使植株增高效果明显，可能是由于硅（Si）在增强对生物和非生物胁迫的抗性中起重要作用，因此该肥料在促进植物根系生长的同时形成了硅化细胞使作物茎秆挺直，这与徐宁等的研究结果一致。然而也有研究发现施用硅肥可以有效降低向日葵株高，这可能是由于本试验采用的暗管排水技术改善了土壤的通气状况，提高土壤矿化率，促进了潜在养分的转化，最终促进了作物的生长。

作物氮素吸收是光合产物的基础，与作物产量密切相关。王玉雯等的研究表明，较高的产量需要叶片保持持久的光合活性，而这大多依赖于后期氮累积和氮转运的平衡，因而在本研究中控释肥处理下向日葵的产量和百粒质量均显著高于有机硅水溶性缓释肥和普通尿素，与YANG等的研究结果基本一致。也是由于控释肥缓慢的养分释放速率可以保持作物旺盛生长，灌浆期促进干物质积累并向籽粒转运，进而有效提高了作物的百粒质量和产量。另外，有研究发现调控作物后期吸收的氮向籽粒中转运也是提高氮肥利用率的重要措施。本试验中，播前一次性基施控释肥可使收获后向日葵植株吸氮量、氮肥偏生产力和氮收获指数均有显著提高，这与张建军等和郑圣先等的研究结果相符。

4 结论

（1）两年试验中，施纯氮量相同条件下控释肥和有机硅水溶性缓释肥均有利于促进向日葵的生长，其中控释肥通过控制养分的释放速率来实现氮肥后移，其一次性基施有利于0～40 cm土层氮素持续有效供应，同时还可增加植株氮素积累量、提升氮肥偏生产力和氮收获指数，更好地促进作物对养分的吸收利用，增产效果显著。