滴灌施肥對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤-N分布、累積及氮素平衡的影響

陳 靜， 王迎春， 李 虎， 王立肖碧林

(1中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081; 2北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097)

(1中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081; 2北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097)

黃淮海平原是典型的冬小麥/夏玉米輪作區(qū),屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候區(qū)。由于冬小麥生長季節(jié)干旱少雨，為了獲得可觀的產(chǎn)量，高產(chǎn)麥田往往需要大量補(bǔ)充灌水。水肥資源的大量投入帶來了一系列的問題，如水肥利用率低、 氮素?fù)p失量大等[14]。為了系統(tǒng)研究滴灌施肥措施下滴施后氮素在土壤中的運(yùn)移規(guī)律、氮素利用效率和氮平衡，筆者在山東冬小麥大田內(nèi)進(jìn)行了滴灌施肥試驗(yàn)，以期為提高滴灌施肥系統(tǒng)的綜合效率提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

表1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical-chemical proprieties of experimental plots

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施氮量處理即N 0(不施肥)、94.5kg/hm2(N1)、189 kg/hm2(N2)和270 kg/hm2(N3)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)面積=50 m2(5 m×10 m)。滴灌系統(tǒng)采用滴灌線，滴頭間距30 cm，每行小麥布設(shè)1條毛管。每個(gè)小區(qū)配備一個(gè)壓差式施肥罐和一個(gè)水表，以保證每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌水和施肥的要求，灌溉總壓力為0.3 Mpa，平均滴頭流速為0.15 L/h。根據(jù)冬小麥的營養(yǎng)特性，各施肥處理的磷、鉀肥用量相同，折純P2O5和K2O的具體用量分別為84.7和118.3 kg/hm2。氮、鉀肥全部滴施，磷肥20%作為底肥一次施入，80%滴施。其中滴施磷肥成分為磷酸一銨，底肥磷肥成分為過磷酸鈣，三個(gè)處理滴施氮肥中均有N 13 kg/hm2來自磷酸一銨，其余來自于尿素。每次滴灌時(shí)按比例隨水施肥，具體施肥比例為分蘗期15%，拔節(jié)期20%，孕穗期25%，揚(yáng)花期25%，灌漿期15%。試驗(yàn)區(qū)根據(jù)冬小麥需水規(guī)律采用測(cè)墑補(bǔ)灌法進(jìn)行滴灌，以田間持水量的75%和100%為灌水下限和上限，試驗(yàn)區(qū)地處半干旱區(qū)，土壤濕度相對(duì)干旱區(qū)較高，每個(gè)主要生育期實(shí)際灌水一次，灌水的同時(shí)隨水施肥一次，具體的灌溉施肥時(shí)間和灌溉施肥量見表2。供試小麥品種為魯原502，供試滴灌肥料為水溶性復(fù)合肥(新疆自治區(qū)農(nóng)科院研制)，肥料成分為尿素、NH4H2PO4和KCl。

表2 試驗(yàn)區(qū)灌溉施肥管理Table 2 Irrigation and fertilizer management of experimental plots

1.3 取樣與分析

1.3.1 土樣取樣與測(cè)定 根據(jù)滴灌后農(nóng)田土壤不完全濕潤，水分在滴頭周圍形成近似截頂橢球體分布區(qū)的特性，在拔節(jié)期、抽穗期和揚(yáng)花期三次灌溉施肥24 h后在各小區(qū)內(nèi)分別用土鉆采取U、E和D三點(diǎn)的土壤樣品。U點(diǎn)位于滴頭正下方，E點(diǎn)和D點(diǎn)分別位于滴頭周圍濕潤土體中離作物較遠(yuǎn)一側(cè)邊界內(nèi)側(cè)和外測(cè)5 cm范圍內(nèi)。根據(jù)滴灌量的不同，單個(gè)滴頭周圍的濕潤土體水平半徑為15—20 cm，具體見圖1。取樣層次為0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm，每個(gè)取樣點(diǎn)、每個(gè)層次取1個(gè)土樣。

另外，分別于冬小麥播前和收獲后，在0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm的5個(gè)層次上用土鉆取樣，為了保證所取樣品能夠代表田間無機(jī)氮平均水平，每小區(qū)取兩個(gè)樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)分別在畦上兩株冬小麥之間和滴頭下方位置，然后將取自同一土層的土樣于田間混合均勻。

1.3.2 植株取樣與測(cè)定 冬小麥?zhǔn)斋@期根、莖、葉和籽粒四部分分別取樣，烘干粉碎，并混合均勻，過0.5 mm篩，陰涼干燥處密封保存。植株樣經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，用凱氏法測(cè)定全氮含量。

圖1 取樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sample location schematic

1.3.3 計(jì)算公式及方法

氮表觀礦化(kg/hm2)=不施氮區(qū)作物吸氮量+收獲后土壤Nmin-播前土壤Nmin；

氮表觀損失(kg/hm2)=播前氮Nmin+施氮量+表觀礦化量-施氮區(qū)作物吸氮量-收獲后Nmin

氮表觀損失率(%)=氮表觀損失量/施氮量×100 ；

氮素吸收利用率(%)=(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100；

氮素農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)；

籽粒氮素吸收利用率(%)=(施氮區(qū)籽粒部分吸氮量-不施氮區(qū)籽粒部分吸氮量)/施氮量×100。

數(shù)據(jù)均采用SPSS19.0和 Excel2007 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

圖2 施氮量與0—100 cm土層累積量的關(guān)系Fig.2 The relation of N fertilization rates and -N accumulation in 0-100 cm soil depths

2.3 土壤-小麥體系中氮素平衡

每次滴灌施肥后氮素在土壤中的運(yùn)移分布特征和均勻程度將影響土壤-小麥體系的氮素平衡和氮素利用效率。在氮平衡計(jì)算中,考慮到小麥根系有效利用土壤氮的范圍,將土壤無機(jī)氮所在層次定為0—100 cm深度。從表3看出，土壤氮素礦化量加上起始無機(jī)氮的數(shù)量，土壤自身供氮量為237.8 kg/hm2，總輸入量隨氮肥施用量的增加而增加。

施氮量較少時(shí)，作物吸氮量隨著施氮量的增加而增加，但是當(dāng)施氮量增加到N3水平后，作物吸氮量不但沒有增加，反而略有下降。冬小麥?zhǔn)斋@后Nmin殘留隨施氮量的增加而增加，當(dāng)施氮量為270 kg/hm2時(shí)，殘留量高達(dá)262.2 kg/hm2，這部分氮素如不能被后茬作物有效吸收,將淋洗出100 cm土體或通過反硝化途徑損失，造成水體或大氣污染。

2.4 冬小麥氮素利用率

如表4所示，隨著施氮量的增加冬小麥籽粒產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，施氮處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮處理，施氮量為189 kg/hm2時(shí)籽粒產(chǎn)量最高。綜合氮肥吸收利用率、生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率和籽粒氮肥吸收利用率，最優(yōu)的為N2處理。

3 討論

圖3 滴灌施肥24 h后不同位置不同層次土壤-N變化Fig.3 Variation of soil -N content in different depth 24 h after drip irrigation[注(Note)： U—滴頭下方Under emitter; E—滴頭周圍濕潤土體的邊緣The edge of wet zone around emitter; D—滴頭周圍形成的濕潤土體邊緣以外的干燥區(qū)Dry zone near the wet zone around emitter. 圖中誤差線為三個(gè)空間重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差The vertical bars indicate standard errors of three replicates.]

圖4 冬小麥?zhǔn)斋@后不同施氮水平下不同土層-N累積量Fig.-N accumulation after winter wheat harvest in different soil depths under different nitrogen fertilizer application rates[注(Note)： 柱上不同小寫字母表示同一深度下不同施氮量處理差異顯著性(P<0.05) Different letters above the bars of different soil depth groups mean significant among different N application rates at the P<0.05 level.]表3 冬小麥全生育期的0—100 cm氮素平衡(kg/hm2)Table 3 Nitrogen balance across the whole growing season in 0-100 cm soil layers

項(xiàng)目ItemN0N1N2N3氮輸入Nitrogeninput 施氮量Nitrogenrate094.5189270 播前NminNminbeforesowing174.6174.6174.6174.6 礦化Netmineralization63.263.263.263.2 總投入Totalinput237.8332.3426.8507.8氮輸出Nitrogenoutput 作物攜出Cropuptake137.3c185.7b228.6a201.7ab 殘留NminResidualNmin100.8c127.9bc166.2b262.7a表觀損失Apparentlosses019.132.543.4

注(Note): 同一行數(shù)值后的不同小寫字母分別表示處理間差異顯著(P<0. 05) Values followed by different small letters within each row are significant among different treatments atP< 0. 05.

表4 施氮量對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量及氮素利用率的影響Table 4 Effects of nitrogen supply levels on grain yield and nitrogen use efficiencies of winter wheat

注(Note): NRE—Nitrogen recovery efficiency; NPE—Nitrogen physiological efficiency; NAE—Nitrogen agronomic efficiency; GNRE—Grain nitrogen recovery efficiency同列數(shù)值后的不同小寫字母表示處理間在P< 0.05 水平差異顯著 Values followed by different small letters within each column are significant among different treatments atP< 0.05 level.

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Characteristics soil nitrate nitrogen distribution, accumulation and nitrogen balance in winter wheat field under drip fertigation

CHEN Jing1,2, WANG Ying-chun1*, LI Hu1, WANG Li-gang1,, XIAO Bi-lin1

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;2BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing10097,China)

2014-04-11 接受日期： 2015-03-17 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-05-08

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203012-4-4， 201103039)資助。

陳靜(1982—)，女，江西玉山人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究。E-mail: chenj@nercita.org.cn * 通信作者 E-mail: wangyingchun@caas.net.cn

S275.6； S512.1+1

A

1008-505X(2015)04-0927-09