黃土高原半干旱區(qū)覆膜玉米農(nóng)田氮變化動(dòng)態(tài)研究

漆婧華，張峰，王鶯，孫國鈞＊

（1.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究所 蘭州大學(xué)干旱與草地生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000；2中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020）

氮是植物正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，同時(shí)也是土壤中含量較低而作物從土壤中吸收數(shù)量最多的營養(yǎng)元素［1］，因此氮素是提高生產(chǎn)能力的主要限制因子。氮以有機(jī)形態(tài)和無機(jī)形態(tài)存在于土壤中，耕層土壤氮素主要以有機(jī)形態(tài)存在。土壤氮的含量、形態(tài)及轉(zhuǎn)化是極其復(fù)雜的，許多因素和過程都會(huì)影響到氮的有效性和作物的吸收利用。其中無機(jī)氮（Nmin）包括硝態(tài)氮（NO3－－N）和銨態(tài)氮（NH4＋－N），NO3－－N是土壤中無機(jī)態(tài)氮的主要形態(tài)，也是植物氮素營養(yǎng)的直接給源［2］。許多研究結(jié)果表明，土壤剖面中殘留累積的NO3－－N與作物吸氮量有密切的關(guān)系。葉優(yōu)良和李生秀［2］就淋洗對土壤硝態(tài)氮含量和作物氮素吸收的差異研究表明，作物對硝態(tài)氮的利用程度和土壤硝態(tài)氮的濃度有關(guān)，土壤中起始NO3－－N含量是影響作物對氮素吸收的重要因素。李生秀和李世清［3］關(guān)于不同水肥處理對玉米（Zeamays）、小麥（Triticumaestivum）收獲后土壤氮磷速效養(yǎng)分的影響研究結(jié)果表明，NO3－－N能較靈敏地反映土壤的氮素動(dòng)態(tài)和供氮水平，而NH4＋－N或NH4＋－N與NO3－－N之和則不能，氮肥用量高或作物吸氮少者，第一料作物收獲后土壤中的NO3－－N含量高，否則相反，而且，土壤中的NO3－－N含量與后作產(chǎn)量和吸氮量高度相關(guān)。

地膜覆蓋是一種利用塑料薄膜覆蓋地面從而進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的栽培技術(shù)，能夠改善土壤水熱狀況［4－6］，活化土壤養(yǎng)分［7］，促進(jìn)土壤有機(jī)氮的礦化，提高養(yǎng)分有效性和水分利用效率［8］。由于其所具備的上述優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在我國早春低溫、有效積溫少或高寒的干旱半干旱地區(qū)得到了大面積的推廣及應(yīng)用［9］，并已成為這些地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)再上新臺(tái)階的重要舉措之一。李世清等［10］以春小麥為研究對象，對半干旱地區(qū)不同地膜覆蓋時(shí)期對土壤氮素有效性的影響研究表明，覆膜能夠增加土壤呼吸和有機(jī)氮的礦化，因而顯著影響土壤剖面中NO3－－N的累積，表現(xiàn)為全程覆膜易造成有機(jī)質(zhì)的大量礦化；半干旱地區(qū)地膜覆蓋對作物產(chǎn)量和氮效率的影響研究［11］結(jié)果表明，地膜覆蓋會(huì)顯著增加作物產(chǎn)量和吸N量。張仙梅等［12］對不同覆膜方式對玉米籽粒產(chǎn)量、氮肥利用效率的影響研究同樣表明覆膜顯著增強(qiáng)了植株對土壤氮的利用。

黃土高原位于中國西北部，總面積達(dá)62萬hm2，其中半干旱區(qū)約占我國國土面積的4.6%［13］，該地區(qū)80%的農(nóng)業(yè)屬于旱地農(nóng)業(yè)［14］。黃土丘陵溝壑區(qū)由于受地理位置、氣候條件、地形地貌、土壤以及人類活動(dòng)對植被的破壞等多種因素的影響［15］，地表水和地下水資源十分貧乏且降水稀少，土壤氮素含量很大程度上影響著作物的生長和產(chǎn)量，氮素利用效率低導(dǎo)致氮素已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素。黃土高原半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)石灰性土壤殘留NO3－－N的積累量平均占總礦質(zhì)氮積累量的75%以上，是土壤剖面中可浸取態(tài)礦質(zhì)氮的主體［16］。半干旱區(qū)降雨量較高的雨季，NO3－－N會(huì)向深層移動(dòng)，而在較干旱條件下即使土壤剖面深層NO3－－N，也可隨水分上移供根系利用，因此土壤剖面中積累的殘留NO3－－N顯著影響氮肥效果［17］。目前對于不同施氮水平［18］及覆膜條件［10，19－23］下土壤水熱變化、土壤硝態(tài)氮分布與積累、土壤氮素有效性及利用效率和玉米產(chǎn)量的研究較多，但對于不同覆膜管理下土壤氮素變化動(dòng)態(tài)及其機(jī)理研究鮮有報(bào)道。本文通過對黃土高原半干旱區(qū)不同覆膜農(nóng)田土壤氮素的研究，以期闡明氮素變化動(dòng)態(tài)及其機(jī)理，為指導(dǎo)合理應(yīng)用地膜及進(jìn)一步探究氮素循環(huán)變化機(jī)理提供有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在蘭州大學(xué)黃土高原半干旱生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于黃土高原西部丘陵溝壑區(qū)，甘肅省中部榆中縣中連川鄉(xiāng)中連川村（36°02′N，104°25′E），海拔2400m。該地區(qū)屬中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫6.5℃，月平均氣溫最高（7月）為19.0℃，最低（1月）為－8℃［19］。年平均自由水蒸發(fā)量為1300mm，年平均降雨量320mm左右，年降雨量季節(jié)性分布不均勻，約56%的降雨發(fā)生在7－9月份。地下水位在60m以下，遠(yuǎn)超過作物利用范圍，不具備補(bǔ)給能力。由于無任何可利用的地表水和地下水資源，天然降水是該區(qū)作物生長的主要水源，所以該地區(qū)屬典型的半干旱山地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤類型為黑麻土［20］，土壤初始NO3－－N含量為25 mg/kg，NH4＋－N含量為1.9mg/kg，土壤有機(jī)碳含量為5.61g C/kg，0～60cm 土壤平均容重為1.35g/cm3，田間持水量為22.9%，土壤pH值7.3～7.8。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取黃土高原半干旱區(qū)典型的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物夏玉米為研究對象。玉米播種時(shí)間為2011年4月25日，收獲時(shí)間為10月1日，全生育期共160d。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：1）FM，覆膜，2）CT，不覆膜。各小區(qū)在其余實(shí)驗(yàn)條件和農(nóng)業(yè)操作均保持一致的前提下，對覆全膜和不覆膜兩種方式下土壤及植株氮素變化規(guī)律進(jìn)行了研究。小區(qū)內(nèi)均不施氮肥，所有處理均使用過磷酸鈣作為磷肥，施用量為750kg/hm2，硫酸鉀作為鉀肥，施用量為450 kg/hm2。所有肥料作為底肥混合均勻后在2011年4月18日翻地時(shí)一次性施入。實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為5m×6m，小區(qū)間設(shè)0.5m保護(hù)行。玉米種植行距為0.55m，株距為0.4m。覆膜材料為透明塑料PE薄膜，覆膜方式為常規(guī)等間距齊壟覆膜。試驗(yàn)區(qū)常規(guī)管理。

1.3 樣品采集

土壤樣品利用土鉆分層法進(jìn)行采集。共采土樣18次，采樣深度為0～10cm，10～20cm，20～40cm，40～60 cm 4層；頻率為播種至抽雄期（4－7月）每兩周1次、籽粒形成期至成熟期（7－9月）每周1次。每小區(qū)隨機(jī)取3點(diǎn)采樣，將所有土樣進(jìn)行同層混合。將土樣風(fēng)干后分別過0.15和2.00mm篩備用。

共采集植物樣10次，采集頻率為籽粒形成期至成熟期（7月下旬－9月）每周1次，每小區(qū)隨機(jī)取3株植物樣，將植物樣分為莖葉和籽粒兩部分，105℃殺青0.5h后溫度降至80℃烘至恒重，稱植物樣各部分干重并粉碎備用。

1.4 樣品測定

土壤含水量：選用土鉆取樣、烘干法（105℃烘至恒重）對0～10cm，10～20cm層土壤含水量進(jìn)行測定。

土壤礦化氮：利用流動(dòng)分析注射儀測定。

植株莖稈和籽粒全氮含量：采用濃H2SO4－H2O2－擴(kuò)散法分別測定。

土壤全氮：采用凱氏消煮法測定［21］。

1.5 氮素平衡分析公式

1.6 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，差異顯著性分析利用SPSS軟件，圖形繪制利用Origin軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜管理對土壤無機(jī)氮的影響

2.1.1 土壤剖面無機(jī)氮分布特征 通過實(shí)驗(yàn)獲得土壤剖面無機(jī)氮（Nmin）含量數(shù)據(jù)。土壤剖面無機(jī)氮總平均含量0～10cm層為31.33mg/kg，10～20cm 層為29.34mg/kg，20～40cm 層為32.75mg/kg，40～60cm層為17.56mg/kg。圖1表 示 的 是 土 壤 剖 面 Nmin及 NO3－－N 和NH4＋－N的平均含量。從圖1可以看出，NO3－－N平均含量隨土壤剖面深度增加表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢：0～10cm 土層為 22.24mg/kg，10～20cm土層為19.61mg/kg，20～40cm土層含量最高為24.04mg/kg，40～60cm 土層僅為10.20mg/kg。其中0～40cm根區(qū)土壤中，生育期內(nèi)平均NO3－－N含量所占比例高達(dá)70%以上。從圖1中可以看出，NH4＋－N在土壤剖面中的分布較為均勻且含量較低，不同土層間變化較小且各土層均在7～10mg/kg之間。由此可見，玉米土壤剖面Nmin形態(tài)以NO3－－N為主。同時(shí)由于土壤NH4＋－N含量受礦物組成影響較大，其含量水平較為穩(wěn)定，受外界影響較小，所以在氮肥推薦或評價(jià)氮肥污染時(shí)往往可以忽略［25］，因此在以下研究中主要討論NO3－－N的分布。

圖1 土壤剖面無機(jī)氮分布Fig.1 Distribution of inorganic nitrogen of soil profile

2.1.2 土壤硝態(tài)氮時(shí)間變化特征 不同深度土層的土壤NO3－－N含量隨作物生育期和覆膜方式的變化而發(fā)生變化。由圖2可以看出，不同深度土層FM處理明顯增加了各時(shí)期土壤NO3－－N含量。隨著生育期的推進(jìn)，F(xiàn)M和CT處理間差異越來越小。這主要是由于玉米生長初期地膜覆蓋明顯改變了土壤中的水熱狀況，增加了土壤微生物量及其活性和土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)降解。由圖3可以看出，生育前期FM處理0～10cm和10～20cm的水分狀況明顯優(yōu)于CT處理。本結(jié)果與海龍［26］、李世清等［10］的研究結(jié)果一致。

從不同土壤剖面來看，F(xiàn)M處理表層0～10cm土壤NO3－－N含量最高，明顯高于CT處理。土壤NO3－－N含量主要集中在0～40cm層，且隨著土層深度的增加NO3－－N含量逐漸減少，40～60cm層NO3－－N含量最低且差異較小。這主要是由于植物根系的吸收及土壤NO3－－N的轉(zhuǎn)移補(bǔ)充進(jìn)而影響到土壤NO3－－N分布。

圖2 覆膜管理對土壤硝態(tài)氮時(shí)間變化的影響Fig.2 The impact of mulching to soil nitrate accumulation

總體而言，F(xiàn)M 和CT處理土壤 NO3－－N含量在0～60cm土壤剖面均表現(xiàn)出相似的變化趨勢。即隨著玉米生育期推進(jìn)表現(xiàn)出先升高后降低，然后又升高的趨勢。具體表現(xiàn)為播種至拔節(jié)期土壤NO3－－N含量持續(xù)升高，拔節(jié)期至蠟熟期迅速下降，蠟熟期至成熟期又有一個(gè)小幅的回升，呈現(xiàn)出近似斜“N”的變化規(guī)律。拔節(jié)期土壤NO3－－N含量較高，主要是由于該生育期土壤水分含量較低（FM處理為11.64%，CT 處 理 為 9.08%），土 壤 中NO3－－N不易隨水分淋溶損失造成。蠟熟期土壤NO3－－N含量很低，主要與玉米在籽粒形成過程中需要從土壤中吸收大量的氮素有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致該階段NO3－－N含量持續(xù)下降。蠟熟期至成熟期由于籽粒形成后期植物果穗中籽粒干重接近最大值，植株已基本停止?fàn)I養(yǎng)生長，而生殖生長所需養(yǎng)分主要由營養(yǎng)體轉(zhuǎn)移供給，所以土壤NO3－－N含量出現(xiàn)小幅回升。同時(shí)，土壤中隨著作物成熟而產(chǎn)生的凋落物不斷分解，可能也是導(dǎo)致土壤NO3－－N含量回升的潛在氮源。

圖3 土壤剖面含水量Fig.3 Moisture content of the soil profile

2.2 覆膜管理對作物氮素含量的影響

玉米氮素積累量隨玉米生長部位、生育期和覆膜方式不同表現(xiàn)出不同的變化趨勢。從圖4a中可以看出，植物莖葉隨生育期的推進(jìn)，F(xiàn)M和CT處理下氮素積累量表現(xiàn)出不同幅度的上升趨勢。具體來說，覆膜方式下玉米莖葉氮素積累量增幅較小，最高值成熟期（17.50kg N/hm2）為最低值籽粒形成期（9.64kg N/hm2）的1.8倍；CT方式下玉米莖葉氮素積累量增幅較大，最高值成熟期（34.41kg N/hm2）為最低值蠟熟期（16.12kg N/hm2）的2.13倍。籽粒形成期至成熟期，CT處理下的莖葉氮素積累量高于覆膜處理約2倍，且通過0.05的差異顯著性檢驗(yàn)分析，說明成熟期二者差異顯著。從以上數(shù)據(jù)可以看出，與FM處理相比，CT處理下處于成熟期的玉米從土壤中吸收的氮素更多的分配到了植物莖葉中。

圖4b表示的是籽粒形成期至成熟期玉米籽粒的氮素積累量。從圖中可以看出，F(xiàn)M和CT兩種處理籽粒氮素積累量都表現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢，最低值出現(xiàn)在籽粒形成期，分別為7.73和4.63kg N/hm2；最高值出現(xiàn)在成熟期，分別為72.49和51.65kg N/hm2，最高值和最低值的比值分別為9.4和11.2。整個(gè)生育期籽粒氮素積累量FM處理始終高于CT處理，且在成熟期FM處理籽粒氮素積累量是CT處理的1.4倍。氮素是蛋白質(zhì)組成中重要的元素之一，說明FM處理更有利于玉米籽粒中蛋白質(zhì)的形成，有助于提高玉米營養(yǎng)品質(zhì)。

圖4 植物樣氮素隨生育期變化規(guī)律Fig.4 With the growth period of plant－like variation of nitrogen

圖4c表示的是籽粒形成期至成熟期地上部分所含氮素積累量。從圖中可以看出，地上部分氮素積累量變化趨勢同籽?；疽恢?，整體呈現(xiàn)升高的趨勢。FM和CT處理下植物地上部分氮素積累量最低值出現(xiàn)在籽粒形成期，分別為17.36，20.75kg N/hm2；籽粒形成期至蠟熟期，F(xiàn)M處理地上部分氮素積累量高于CT處理；成熟期，F(xiàn)M和CT處理下植物地上部分氮素積累量均達(dá)最高值，分別為89.99，86.06kg N/hm2。

由圖4d可以看出，F(xiàn)M和CT處理下玉米地上部分氮素積累量的比值表現(xiàn)出倒“V”型變化，即籽粒形成期至蠟熟期比值增大，蠟熟期至成熟期二者比值減小。籽粒形成期二者比值為0.86小于1，這是由于籽粒形成期玉米進(jìn)入以生殖生長為主的階段，氮素的分配中心也開始由莖、葉轉(zhuǎn)向雌蕊并逐步以籽粒建成為中心［27－28］。研究表明，玉米粒重形成中氮39.7%～52.9%來源于營養(yǎng)體的再轉(zhuǎn)移，47.1%～60.3%由后期根系供應(yīng)［29］。FM處理水、熱條件優(yōu)于CT處理，故略早于CT處理開始籽粒建成。由于莖葉中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移，CT處理下莖葉中氮素積累量遠(yuǎn)高于FM處理約1.7倍（但二者差異并不顯著），造成FM處理地上部分氮素積累量低于CT處理。籽粒形成期至蠟熟期，二者比值呈上升趨勢且在蠟熟期為1.14大于1，這主要是由于該生育期FM處理籽粒氮素迅速積累，積累量高于CT處理，2種處理方式下莖葉中氮素積累量相差不大造成的。蠟熟期至成熟期二者比值下降，為1.05仍大于1。盧艷麗等［28］的研究表明，到成熟期籽粒中氮素分配量占全株總量的57%左右。而成熟期FM處理籽粒氮素積累量高于CT處理，故二者比值大于1。成熟期二者比值為1.05約等于1，說明在整個(gè)生育期不同覆膜處理下玉米從土壤中吸收的氮素總量相差不大，只是CT處理較多地將氮素分配到了莖葉中，而FM處理則較多地分配到營養(yǎng)器官的生長中，即FM更有利于植物將氮素分配到籽粒中。從覆膜處理可以改善土壤水熱狀況方面來看，王麗梅等［30］研究了玉米不施氮條件下的水分脅迫，研究結(jié)果表明：充分供水反而不利于葉片和莖鞘單位干重氮素累積；水、氮皆脅迫，由于長期水、氮缺乏，基部葉片中氮素向外轉(zhuǎn)移，以及生育后期葉片和莖鞘中氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，從而導(dǎo)致整個(gè)生育時(shí)期葉片和莖鞘氮素總積累量變化不大。同樣氮素水平下，充分供水可顯著提高生育后期干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量［31］。FM提高了土壤水分含量，在同等不施氮條件下減緩了干旱脅迫，將更多的物質(zhì)分配到生殖部位；而CT條件下水分脅迫的作用更為強(qiáng)烈，因此為維持正常的生長需求，作物需要將更多的N分配到莖葉中。

2.3 覆膜管理對土壤全氮變化的影響

圖5表示的是FM和CT處理下土壤剖面全氮含量。從圖中可以看出，土壤全氮含量隨玉米生育期、土層深度和覆膜處理的變化而變化，0～20cm和20～60cm土壤剖面土壤全氮變化趨勢基本一致，基本都表現(xiàn)出隨生育期先增加后減少、FM處理高于CT處理、成熟期高于三葉期的趨勢。對于土壤剖面不同深度土層而言，土壤全氮含量表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而升高的趨勢，但FM和CT處理土壤全氮含量差異并不顯著。0～60cm土壤剖面全氮含量最高值出現(xiàn)在40～60cm的抽雄期，F(xiàn)M和CT處理下分別為1.093和1.000g N/kg；最低值出現(xiàn)在0～10cm三葉期，分別為0.649和0.673g N/kg，F(xiàn)M和CT處理間差異不顯著。

圖5 覆膜對土壤全氮含量變化的影響Fig.5 The impact of mulching to the soil nitrogen

為了直觀的反映出土壤剖面不同深度土層土壤全氮含量相對于不覆膜處理，覆膜處理下的變化規(guī)律，做了覆膜處理和不覆膜處理土壤全氮含量比值變化規(guī)律圖，如圖6所示。從圖6可以看出，不同深度土層FM和CT處理土壤全氮比值隨玉米生育期的推進(jìn)表現(xiàn)出相似的先減少再增加，后減少又再增加的“W”型變化規(guī)律。由于FM能夠明顯改善土壤中水、熱狀況，促進(jìn)種子的萌發(fā)和根系的生長，使得三葉期至拔節(jié)期從土壤中吸收的氮素大于CT處理，出現(xiàn)了下降趨勢；隨著生育期的推進(jìn)，拔節(jié)期至籽粒形成期，由于覆膜處理促進(jìn)水分蒸發(fā)的同時(shí)又有效地抑制損失，使土壤氮素隨水的蒸發(fā)而上移補(bǔ)充，進(jìn)而導(dǎo)致FM處理土壤全氮含量損失量低于CT處理，故出現(xiàn)了上升趨勢；籽粒形成期至成熟期，由于玉米籽粒的生長，植物由營養(yǎng)生長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L，植物地上部分總氮含量比值與土壤全氮比值恰好表現(xiàn)出相反的變化趨勢，說明該階段土壤中全氮變化與玉米的生長密切相關(guān)。

圖6 不同深度下覆膜與不覆膜處理土壤全氮間比值Fig.6 The soil total nitrogen between mulching and no－mulching ratio under different depths

隨土層深度的增加在生育前期“W”型變化規(guī)律出現(xiàn)了不同程度的滯后，籽粒形成期至成熟期FM和CT處理土壤全氮間比值變化規(guī)律保持完全一致。這主要與植株根的生長有關(guān)。由于生育前期作物剛開始萌發(fā)，根還較短，所以無法吸收到深層土壤中的氮素，故表層0～10cm土層首先開始出現(xiàn)變化。由于播種至三葉期植物的吸收導(dǎo)致0～10cm土層中全氮含量下降，深層土壤中氮素向上轉(zhuǎn)移。但由于根長度對吸收的限制導(dǎo)致全氮含量出現(xiàn)10～20cm土層上升、20～60cm土層下降的趨勢。隨著植物根的伸長，10～20cm土層從三葉期開始表現(xiàn)出“W”型變化規(guī)律，但更深層即20～60cm土層由于氮素的向上補(bǔ)充轉(zhuǎn)移而植物根系又利用不到該層的氮素出現(xiàn)了短暫的上升趨勢。20～60cm土層從拔節(jié)期開始也出現(xiàn)了“W”型變化規(guī)律。抽雄期由于植物節(jié)根層數(shù)、基部節(jié)間長度基本固定，所能吸收到的土壤中營養(yǎng)元素的深度相同，所以不同深度土壤全氮間比值均表現(xiàn)出完全一致的變化規(guī)律。

2.4 覆膜管理對氮素利用效率的影響

從表1可以看出，F(xiàn)M處理下籽粒產(chǎn)量是CT處理的2.1倍，且二者通過了0.05的差異性檢驗(yàn)，說明FM有利于玉米籽粒的生長。籽粒氮積累量差異不顯著，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)中所用玉米品種相同，籽粒氮積累量是作物本身屬性，與作物品種密切相關(guān)?？偵锪縁M和CT處理間差異不顯著。氮素利用效率在43.12%～45.13%，F(xiàn)M和CT處理間差異不顯著，這和朱兆良與文啟孝［32］報(bào)道的全國平均氮素利用率（30%～51%）相一致。吳永成等［33］認(rèn)為，夏玉米根系分布淺、土壤供氮能力強(qiáng)和難以避免的氮素淋洗下滲是造成夏玉米氮素利用率不高的重要原因。劉建安等［34］研究認(rèn)為，夏玉米氮收獲指數(shù)主要受玉米生育后期干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)移的影響。本試驗(yàn)中，F(xiàn)M處理的氮收獲指數(shù)（80.30%）是CT處理（60.24%）的1.3倍，說明FM條件下植株吸收的氮素更多地轉(zhuǎn)移到了籽粒中。

2.5 覆膜管理對氮素平衡的影響

對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算得出整個(gè)生育期氮素平衡情況，如表2所示。從表中可以看出，F(xiàn)M條件下植株吸氮量比CT略有增加，但二者差異不明顯。本試驗(yàn)中，播種前土壤中殘留礦化氮為210.94kg N/hm2，殘留全氮為3720.65kg N/hm2，凈礦化能力較低，土壤本身供氮能力在180.76～188.27kg N/hm2，高于當(dāng)季作物的吸氮量85.71～89.72kg N/hm2。收獲后土壤殘留礦化氮FM 處理（98.55kg N/hm2）略高于 CT處理（95.05kg N/hm2），土壤殘留全氮FM 處理（4420.92kg N/hm2）也略高于CT處理（3962.19kg N/hm2）。FM 和CT處理氮素表觀損失均為0。整個(gè)試驗(yàn)過程中未加任何氮肥，作物吸收利用的氮肥完全來自于土壤本身，氮素表觀損失均為0，說明土壤中氮素除作物吸收利用外基本都留在了土壤中，其他損失很少可以忽略。覆膜處理下氮盈余量略高于不覆膜處理，說明覆膜條件更有利于土壤氮素轉(zhuǎn)化為供作物吸收利用的狀態(tài)。

表1 收獲期FM與CT處理下氮肥利用Table 1 Nitrogen use of mulching and no－mulching in physiological maturity

表2 整個(gè)生育期氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of growth period kg N/hm2

3 討論

由于0～60cm土壤剖面土壤全氮含量比值變化規(guī)律一致，故以表層0～10cm層為例進(jìn)行討論。FM和CT處理間土壤全氮含量比值隨生育期的推進(jìn)可以分為如下4個(gè)階段：第1階段，三葉期至拔節(jié)期比值呈下降趨勢；第2階段，拔節(jié)期至籽粒形成期出現(xiàn)上升趨勢；第3階段，籽粒形成期至蠟熟期又呈現(xiàn)出下降趨勢；第4階段，蠟熟期至成熟期再次出現(xiàn)上升趨勢。

第1階段比值出現(xiàn)了下降的趨勢，這主要是由于植物種子的萌發(fā)與水、熱條件密切相關(guān)。FM改善了土壤中的水、熱狀況，促進(jìn)了種子的萌發(fā)和根系的生長，使得從土壤中吸收的氮素大于CT處理。根系是植物體吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，植物體與環(huán)境間的物質(zhì)和能量交換，在很大程度上是通過根系完成的［35－36］。研究表明，覆膜不僅有利于促進(jìn)植物根系早期生長，增加根長、根數(shù)和根重，改善根系在土壤中的分布，而且還能增加根系活性和吸收能力［34］。據(jù)報(bào)道［37－38］，地膜覆蓋能顯著增加冬小麥根系的墑流量、根系對氮素的吸收能力和根系的合成能力；地膜覆蓋番茄（Salanumlycopersicum），根系的墑流量比對照高3～4倍；地膜覆蓋棉花（Gossypiumhirsutum），根系對硝態(tài)氮的吸收能力比對照提高35.1%，根系的呼吸強(qiáng)度比對照提高19.1%，單株干物質(zhì)積累為對照的2.3倍［39－40］；用春小麥進(jìn)行的試驗(yàn)表明，覆蓋地膜后有利于根系早扎、快生［39］。第2階段比值出現(xiàn)了上升趨勢，主要是由于覆膜能夠提高土壤溫度促進(jìn)土壤水分的蒸發(fā)，同時(shí)又有效地阻止了水分向大氣中的擴(kuò)散，使得土壤水分FM高于CT處理。而NO3－－N隨水分上移使覆膜條件下土壤中氮素一定程度上得以補(bǔ)充，損失的氮素少于CT造成的。夏玉米生長季節(jié)水熱條件較好，有利于土壤有機(jī)氮礦化，因此土壤氮素供應(yīng)常常過量［41］。范亞寧等［18］對半濕潤地區(qū)農(nóng)田夏玉米氮肥利用率及土壤NO3－－N動(dòng)態(tài)變化研究表明，在拔節(jié)期到喇叭口期土壤NO3－－N累積量增加。本試驗(yàn)中土壤表層0～10cm土壤NO3－－N含量也表現(xiàn)出上升的趨勢。整個(gè)試驗(yàn)過程均未進(jìn)行灌溉，因此水分含量的變化主要取決于當(dāng)季降雨量和蒸散量，由于NO3－－N易隨水移動(dòng)而流失，因此水分含量的變化可能導(dǎo)致氮素向下淋失或者隨水分上移，從而影響其在土壤剖面的空間分布［18］。高亞軍等［27］也認(rèn)為，累積的NO3－－N最終是否通過淋溶損失主要取決于灌水量（降雨量）。本試驗(yàn)中，土壤表層0～20cm水分含量為6.11%～19.3%，均＜20%（土壤最佳田間持水量約23%），因此NO3－－N隨水分向下層土壤遷移的可能性不大。

對于第3、4階段而言，從籽粒形成期開始植株基本停止?fàn)I養(yǎng)體的生長，而進(jìn)入以生殖生長為中心的階段。植物地上部分總氮含量比值出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，恰好和土壤全氮比值表現(xiàn)出相反的規(guī)律，說明該階段土壤中全氮變化與玉米的生長密切相關(guān)。籽粒形成期至蠟熟期，植物全田60%以上植株果穗中部籽粒體積基本建立，F(xiàn)M方式下植物地上部分總氮含量由籽粒形成期低于CT處理增加至蠟熟期高于CT處理。在該階段植物積累的氮素FM處理大于CT處理，土壤中全氮含量損失量FM處理高于CT處理，所以表現(xiàn)出下降的趨勢。蠟熟期至成熟期，全田60%以上植株果穗中籽粒干重接近最大值，該階段FM和CT處理下植物地上部分總氮的增加量相差不大，但二者比值呈現(xiàn)下降趨勢且大于1。說明FM處理較早于CT處理到達(dá)成熟期，該階段由于CT處理還未完全到達(dá)成熟狀態(tài)故從土壤中吸收多于FM處理的氮素，使得土壤中FM處理全氮損失量低于CT處理，二者比值呈上升的趨勢。該階段FM和CT處理下土壤全氮間比值基本都大于1，說明該階段FM條件下土壤損失的N素低于CT方式，但成熟時(shí)植物所積累的總氮含量要高于CT方式。

4 結(jié)論

1）0～40cm玉米根區(qū)土壤剖面無機(jī)氮形態(tài)以NO3－－N為主，所占比例高達(dá)70%以上。對于土壤剖面不同土層而言，隨生育期均表現(xiàn)出播種至拔節(jié)期持續(xù)升高，拔節(jié)期至蠟熟期迅速下降，蠟熟期至成熟期小幅回升近似斜“N”型的變化趨勢。

2）玉米植株氮素積累量隨植株部位、生育期和覆膜方式的不同表現(xiàn)出不同的變化趨勢。隨生育期的推進(jìn)，不同覆膜處理莖葉和籽粒氮素積累量均表現(xiàn)出上升的趨勢。成熟期，覆膜和不覆膜處理下玉米地上部分氮素總積累量相差不大，但不覆膜處理較多地將氮素用于營養(yǎng)器官的生長，而覆膜處理則更多地用于生殖器官的生長，進(jìn)而提高玉米的營養(yǎng)品質(zhì)和產(chǎn)量。

3）不同土壤剖面全氮含量基本都表現(xiàn)出隨生育期先增加后減少的趨勢，且成熟期高于三葉期。覆膜處理土壤全氮含量在各生育期基本都高于不覆膜處理。對于不同土壤剖面不覆膜處理土壤全氮而言，覆膜處理隨玉米生育期的推進(jìn)都表現(xiàn)出相似的“W”型變化規(guī)律，且隨土壤深度的增加，變化規(guī)律有所延遲。

4）覆膜處理顯著影響籽粒產(chǎn)量，具有增產(chǎn)效益。覆膜和不覆膜處理間籽粒氮積累量和氮素利用效率差異不顯著。覆膜處理氮收獲指數(shù)是不覆膜處理的1.3倍，說明覆膜條件下植株吸收的氮素更多地用于生殖生長，覆膜處理氮盈余量略高于不覆膜處理。

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