覆膜和施氮肥對玉米產(chǎn)量和根層土壤硝態(tài)氮分布和去向的影響

王秀康，邢英英李占斌

（1延安大學生命科學學院，陜西延安 716000；2中國科學院水利部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊凌 712100）

覆膜和施氮肥對玉米產(chǎn)量和根層土壤硝態(tài)氮分布和去向的影響

王秀康1，2，邢英英1，李占斌2

（1延安大學生命科學學院，陜西延安 716000；2中國科學院水利部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊凌 712100）

【目的】采用大田覆膜栽培技術(shù)，研究西北黃土塬區(qū)覆膜和施肥量對玉米產(chǎn)量、根層土壤硝態(tài)氮分布和去向的影響，為西北黃土塬區(qū)合理施氮和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。【方法】試驗共設(shè)置6個處理，分別為：（1）對照組（CK）：不施肥、不覆膜；（2）覆膜和不施肥處理（MN0）；（3）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）和不覆膜處理（BN1）；（4）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN1）；（5）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和不覆膜處理（BN2）；（6）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN2），測定玉米產(chǎn)量、土壤水分、土壤硝態(tài)氮分布和玉米地上部氮素吸收量的差異?！窘Y(jié)果】玉米地上部干物質(zhì)積累量隨著生育期的推進呈持續(xù)增加的趨勢，干物質(zhì)積累速率也隨之增加，兩年的干物質(zhì)積累量主要表現(xiàn)為MN2＞BN2＞MN1＞BN1＞CK＞MN0；玉米產(chǎn)量隨著地上部干物質(zhì)積累量的增加而增加，覆膜和施肥顯著提高玉米產(chǎn)量，2012年，BN1和MN1處理的產(chǎn)量比CK處理分別提高了31.41%和38.33%，BN2和MN2處理的產(chǎn)量比CK處理分別提高了49.89%和79.06%；覆膜提高了玉米根層土壤水分含量，在整個生育期的影響程度為先增加、后降低；隨生育期推進，不施肥處理根層土壤硝態(tài)氮含量持續(xù)下降，土壤上層（0—50 cm）硝態(tài)氮含量略大于下層（50—100 cm），土壤上、下層間的硝態(tài)氮含量差異逐漸減弱；在施基肥和追肥處理下，覆膜有提高土壤硝態(tài)氮含量的作用；玉米地上部對根層氮素的吸收率與施肥量正相關(guān)，覆膜和施肥對玉米氮素吸收量影響顯著，在不施肥條件下，覆膜對氮素吸收量影響不顯著；覆膜處理的氮素去向表現(xiàn)為：植株地上部氮素吸收量＞氮素殘留量＞氮素表觀損失量；兩年的氮肥回收率表現(xiàn)為MN2＞BN2＞MN1＞BN1，覆膜可以顯著提高氮肥回收率?！窘Y(jié)論】綜合考慮玉米產(chǎn)量、氮素表觀損失和氮肥利用率，施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN2）顯著提高玉米產(chǎn)量、表層土壤含水量，以及減緩硝態(tài)氮向深層遷移速度、降低氮素表觀損失量和提高氮肥利用率，推薦MN2處理為最佳處理。

玉米；覆膜；施肥；硝態(tài)氮；氮肥利用率

0 引言

【研究意義】干旱半干旱地區(qū)耕作面積占全世界總耕地面積的45%，該地區(qū)的糧食生產(chǎn)在世界糧食安全中發(fā)揮了巨大的作用［1］。中國西北塬區(qū)屬典型的干旱半干旱區(qū)，玉米是該地區(qū)的主要農(nóng)作物之一［2-3］，然而，玉米在播種期和苗期因低溫、干旱顯著影響產(chǎn)量。實踐證明，覆膜是改善土壤溫度和濕度的有效措施，田間管理中常采用覆膜來提高玉米產(chǎn)量［4-6］。同時，氮素是土壤中比較活躍的營養(yǎng)元素之一，也是影響作物產(chǎn)量的主要因子［7］，玉米對根層土壤氮素的吸收、利用和轉(zhuǎn)運，將直接影響作物的產(chǎn)量，因而，研究作物對根層氮素吸收利用效率，對提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率有重要的研究意義。【前人研究進展】國內(nèi)外學者開展了大量的田間試驗，研究覆膜和施肥對作物產(chǎn)量、根層土壤水分和土壤硝態(tài)氮去向的影響［8-12］，結(jié)果表明覆膜顯著提高作物產(chǎn)量，但隨著施氮量的增加產(chǎn)量變化不大，主要體現(xiàn)在提高表層土壤水分和降低土壤硝態(tài)氮向下層土壤遷移的速度。梁錦秀等［13］在寧夏南部研究了覆膜對產(chǎn)量和土壤水分的影響，結(jié)果表明覆膜處理顯著提高了表層（0—40 cm）土壤儲水量，覆膜處理比對照處理（裸地）產(chǎn)量提高25.2%，水分利用效率提高28.0%；MURUNGU等［14］在南非地區(qū)連續(xù)開展兩年田間試驗，研究覆膜對大田玉米產(chǎn)量和土壤氮素分布的影響，結(jié)果表明覆膜處理顯著提高了0—50 cm土層深度的無機氮濃度，產(chǎn)量也顯著提高；JORDáN等［15］在西班牙南部開展3年田間試驗，研究秸稈覆蓋對土壤水分的影響，結(jié)果表明與裸地相比，覆蓋處理的土壤含水量顯著提高；ZAONGO等［16］在尼日爾薩赫爾草原研究覆膜和施肥量對作物產(chǎn)量和土壤水分的交互作用，結(jié)果表明覆膜和施肥單因素對作物產(chǎn)量分別增加17%和20%，覆膜處理提高灌溉水分利用效率9%—40%。國內(nèi)學者［17-20］也開展了有關(guān)玉米對氮素吸收利用和土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律的研究，氮肥施用量越高，根層土壤硝態(tài)氮含量越高，硝態(tài)氮向深層淋洗也越嚴重，玉米對肥料氮的吸收量隨施氮量的增加而增加，但對肥料的吸收率卻顯著下降。汪新穎等［21］研究表明，秸稈吸氮量高于玉米籽粒，且吸氮量隨著施氮量的增加而增加，土壤殘留量和施氮量也隨著施氮量的增加而增加。王宜倫等［22］在河南省鶴壁市對夏玉米的研究表明，夏玉米產(chǎn)量隨氮肥用量增加呈先增加后降低趨勢?！颈狙芯壳腥朦c】西北黃土塬區(qū)是典型的玉米耕作區(qū)，由于該地區(qū)干旱少雨，為了獲得更高的產(chǎn)量，往往投入過量的氮肥，氮肥投入過量會帶來一系列問題，如水肥利用率低、氮素損失量大等［23］，同時影響農(nóng)田的可持續(xù)利用［24］。作物在生長過程中主要吸收和利用土壤中的硝態(tài)氮［25］，從覆膜和施肥對土壤水分分布的影響入手，進一步研究硝態(tài)氮在玉米根層土壤的縱向分布，以及根層硝態(tài)氮濃度隨玉米生育期的變化過程和空間分布規(guī)律，可以揭示玉米產(chǎn)量與覆膜和施肥量之間的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】明確覆膜和施肥量對玉米產(chǎn)量的影響以及根層土壤硝態(tài)氮的分布規(guī)律，建立土壤氮素平衡關(guān)系，為減緩硝態(tài)氮淋洗和提高氮肥利用率等提供理論依據(jù)。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table1 Basic physico-chemical properties of experimental soil

1 材料與方法

試驗于2012—2013年在陜西省長武縣長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行。

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于東經(jīng)107°40'，北緯35°12'，試驗站海拔1 200 m，屬半干旱濕潤性季風氣候，年平均氣溫9.1℃，多年平均降水量592 mm，降水主要集中在7—9月，年平均蒸發(fā)量1 450 mm。試驗所在地土壤為黏壤質(zhì)黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土［26］，土層深厚，土質(zhì)疏松，肥力中等，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。在玉米的整個生育期，2012年降雨總量為351 mm，2013年降雨總量為369 mm，分別占全年降雨量的73.2%和67.2%。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置6個處理，分別為：（1）對照組（CK）：不施肥、不覆膜；（2）覆膜和不施肥處理（MN0）；（3）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）和不覆膜處理（BN1）；（4）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN1）；（5）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和不覆膜處理（BN2）；（6）施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN2）。

供試玉米品種為蠡玉18號，2012年4月21日播種，9月18日收獲；2013年4月29日播種，9月28日收獲。試驗采用完全隨機試驗設(shè)計，每個處理重復3次，每個小區(qū)的面積為4 m×8 m，在試驗開展前，對整個試驗田用犁地機進行35 cm翻耕，再用平地機平整。根據(jù)隨機分組結(jié)果，BN1、MN1、BN2和MN2處理施基肥，施肥方式為開溝覆膜前基施，氮肥采用尿素（含N 46%）、磷肥采用過磷酸鈣（含P2O516%），追肥在6月下旬用穴施，株距為30 cm，行距為60 cm。

1.3 樣品測定

1.3.1 地上部干物質(zhì)積累量 在2012年播種后31、68、105和134 d；2013年播種后20、53、88和125 d，隨機選取每個小區(qū)2株玉米進行破壞取樣，樣品于105℃下殺青1 h，75℃烘干至恒重后稱重。

1.3.2 全氮含量 玉米收獲時，每個處理收集有代表性的3株樣品，分別把玉米的葉部、莖部+葉鞘、苞葉、穗軸和籽粒單獨存放，所有樣品于105℃下殺青1 h，75℃烘干至恒重后稱重。烘干后的樣品粉碎均勻，選取各部位的樣品用凱氏定氮法測定其全氮含量。

1.3.3 土壤含水量 測定深度為0—100 cm，10 cm為一層；測定日期與地上部干物質(zhì)取樣相同，每個處理隨機選取3個測點，用土鉆進行取土，105℃烘干至恒重后稱重，取3組數(shù)據(jù)的均值。

1.3.4 土壤硝態(tài)氮含量 測定深度為0—100 cm，10 cm為一層；測定日期與地上部干物質(zhì)取樣相同；取樣位置從植株下方開始（測定地上部干物質(zhì)積累所破壞的植株），沿垂直深度每10 cm間距取至100 cm，水平方向以植株為中心，向溝處30 cm、向膜處30 cm分別取10個測點。土樣經(jīng)室內(nèi)風干磨細后，過5 mm篩，用2 mol·L-1KCl浸提后用紫外分光光度計法測定［27-28］。

1.3.5 產(chǎn)量 玉米收獲時，每個小區(qū)選取中間連續(xù)4行測產(chǎn)，稱量全部果穗鮮重，選取大小穗適當比例10穗在室內(nèi)考種，測籽粒含水量，以含水量15%計算各小區(qū)籽粒產(chǎn)量。

1.4 計算公式［29-32］

（1）氮肥利用率（NUE，kg·kg-1）=（施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-不施氮區(qū)玉米產(chǎn)量）/ 氮肥施用量；

（2）氮肥回收率（NRE，%）=（（土壤殘留無機氮量-土壤最初含氮量）+（施氮處理植株吸收氮總量-不施氮處理植株吸收氮總量））/ 氮肥施用量×100；

（3）肥料偏生產(chǎn)力（PFP，kg·kg-1）=施肥處理玉米產(chǎn)量/肥料施用總量；

（4）氮素表觀損失量（kg·hm-2）=施氮量+土壤最初含氮量+土壤氮素凈礦化量-作物吸收氮總量-土壤殘留無機氮量；

（5）土壤氮素凈礦化量=不施氮處理植株吸收氮總量+不施氮處理氮殘留量-不施氮處理土壤最初含氮量；

（6）植株吸收氮素總量為各生育期單位面積植株的葉部、莖部、葉鞘、苞葉、穗軸和籽粒對氮素的吸收量；

（7）土壤最初含氮量、土壤殘留無機氮量的計算公式如下：

式中，A為硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2），c為土壤礦物氮的含量（kg·hm-2），h為土層厚度（cm），BD為土壤容重（g·m-3）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用MS Excel 2010軟件和SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，用Duncan進行差異顯著性分析（P＜0.05）。采用Sigma plot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 覆膜和施氮肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

隨著生育期的增加玉米地上部干物質(zhì)積累量呈持續(xù)增加的趨勢，從播種后105 d（88 d）開始，玉米地上部干物質(zhì)積累速度迅速增加，干物質(zhì)積累的斜率大于播種前105 d（88 d），干物質(zhì)積累主要集中在玉米穗軸和籽粒部位。2012年播種后31 d，玉米地上部干物質(zhì)積累量變化范圍為443.1—506.7 kg·hm-2，覆膜和施肥對玉米干物質(zhì)積累影響不顯著；隨著生育期的推進，播種后68 d，玉米地上部干物質(zhì)迅速增加，玉米地上部干物質(zhì)日均積累量為79.2—106.5 kg·hm-2，施肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累量影響顯著（P＜0.05），CK和MN0處理間的干物質(zhì)積累量無顯著差異；播種后105 d，不同處理間的干物質(zhì)積累差異進一步增加，MN2處理的干物質(zhì)積累量最大，干物質(zhì)積累量為10.95×103kg·hm-2，比CK、MN0、BN1、MN1和BN2分別大22.23%、27.55%、21.29%、17.62%和5.99%，干物質(zhì)積累量主要表現(xiàn)為MN2＞BN2＞MN1＞BN1＞CK＞MN0；播種后134 d，玉米地上部干物質(zhì)日均積累量最大，日均增長范圍為121.1—346.4 kg·hm-2，MN2處理顯著大于BN2處理，但MN1與BN1無顯著差異，施肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累量影響極顯著（P＜0.01）。2013年與2012年有相似的變化規(guī)律，但在播種后125 d，MN0處理的地上部干物質(zhì)積累量比CK降低338.4 kg·hm-2（圖1）。

圖1 不同覆膜和施肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響Fig. 1 Effects of mulching and nitrogen fertilizer application on above-ground dry matter accumulation of maize

2.2 覆膜和施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

覆膜和施肥對玉米產(chǎn)量的影響顯著，在施肥條件下，覆膜顯著提高玉米產(chǎn)量。CK處理的產(chǎn)量大于MN0處理，但差異不顯著。施基肥和追肥可以促進玉米籽粒產(chǎn)量的增加，當施氮量從80 kg·hm-2增加到160 kg·hm-2時，玉米籽粒產(chǎn)量也隨之增加。2012年BN1和MN1處理的產(chǎn)量比CK處理分別提高31.41%和38.33%，表明施肥可以顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量，MN1比BN1處理的產(chǎn)量提高5.01%，表明施肥量在80 kg·hm-2時，覆膜促進了玉米籽粒產(chǎn)量的積累；BN2和MN2處理的產(chǎn)量比CK處理分別提高49.89%和79.06%，MN2比BN2處理的產(chǎn)量提高16.29%，說明增加施肥量，覆膜對玉米籽粒產(chǎn)量的影響隨之增加。玉米產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)積累對覆膜和施氮響應(yīng)規(guī)律相似，但玉米地上部干物質(zhì)積累的差異小于玉米產(chǎn)量的差異，說明玉米產(chǎn)量的增加與地上部干物質(zhì)積累量增加并非同步。兩年的試驗結(jié)果表現(xiàn)出相似的規(guī)律（圖2）。

圖2 覆膜和施肥對玉米產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effects of mulching and nitrogen fertilizer on grain yield of maize

2.3 覆膜和施肥處理對根層土壤水分的影響

兩年的土壤水分變化規(guī)律相似，本文僅闡述2012年玉米根層土壤水分分布規(guī)律。播種后31 d，在相同施肥水平下，覆膜處理表層（0—30 cm）土壤含水量略大于不覆膜處理，差異不顯著，MN0處理含水量比CK高5.41%，MN1比BN1處理高2.08%，MN2比BN2處理高0.84%，MN1比BN1處理高2.34%，MN2比BN2處理高5.84%，在30—100 cm不同處理間的土壤水分變化規(guī)律不顯著。隨著生育期的推進，覆膜和不覆膜處理表層土壤含水量差異逐漸增加。播種后68 d，在不施肥條件下，覆膜比不覆膜處理的含水量均值高5.31%；MN1比BN1處理高6.61%，MN2比BN2處理高6.22%。播種后105 d，覆膜處理對土壤含水量的增加更加顯著，在不同施肥水平下，覆膜處理的平均土壤含水量比不覆膜處理高11.95%，根層土壤含水量均值主要表現(xiàn)為MN1＞MN2＞MN0＞BN1＞BN2＞CK。在播種后134 d，覆膜對土壤含水量的影響效果降低，覆膜比不覆膜處理的土壤含水量均值高3.77%。在整個生育期，覆膜對根層土壤水分含量有提高效果，影響的程度先增加、后降低（圖3）。

2.4 覆膜和施肥處理對玉米根層土壤硝態(tài)氮分布的影響

2012年不施肥處理根層土壤硝態(tài)氮含量縱向分布如圖4所示，在整個生育期，玉米根層土壤硝態(tài)氮持續(xù)下降，土壤上層（0—50 cm）硝態(tài)氮含量略大于下層（50—100 cm），隨生育期推進，土壤上下層間的硝態(tài)氮含量差異逐漸減弱。播種后31 d，玉米根層土壤硝態(tài)氮含量為8.29—43.82 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在根系下方30 cm處兩側(cè)，在80—100 cm硝態(tài)氮含量迅速下降。播種后68 d，覆膜處理的表層土壤（0—30 cm）硝態(tài)氮含量略高于不覆膜處理，但差異不顯著，玉米根層土壤硝態(tài)氮含量顯著下降，土壤硝態(tài)氮含量變化范圍為10.25—32.88 mg·kg-1，CK處理整個根層土壤剖面的硝態(tài)氮含量均值比播種后31 d低33.35%，MN0處理比播種后31 d低19.20%。播種后105 d，根層土壤硝態(tài)氮含量持續(xù)下降，但整個剖面的硝態(tài)氮總量下降速度減緩，土壤上層硝態(tài)氮含量與下層硝態(tài)氮含量差異減小，逐漸趨于均勻化分布，但根系生長范圍內(nèi)的硝態(tài)氮低于其他部位，土壤硝態(tài)氮含量為10.79—21.92 mg·kg-1。播種后134 d，玉米根層土壤剖面的硝態(tài)氮含量持續(xù)下降，CK處理根層剖面硝態(tài)氮平均值比播種后105 d降低37.91%，MN0降低35.21%。

圖3 不同覆膜和施肥處理對玉米根層土壤水分的影響（2012年）Fig. 3 Effects of mulching and nitrogen fertilizer on soil water content in root layer of maize （2012）

在施基肥條件下，覆膜和不覆膜處理玉米根層土壤剖面硝態(tài)氮分布如圖5所示，在整個生育期，根層土壤剖面硝態(tài)氮含量變化趨勢與不施肥處理相似，下降速度為先增加后降低，覆膜有提高土壤硝態(tài)氮含量的作用。播種后31 d，表層（0—30 cm）土壤硝態(tài)氮含量顯著高于下層（30—100 cm）剖面的硝態(tài)氮含量，BN1和MN1處理的表層土硝態(tài)氮含量比下層分別高38.99%和53.52%，MN1處理的表層土硝態(tài)氮含量均值比BN1處理高25.46%。播種后68 d，表層土壤硝態(tài)氮向下層遷移，MN1和BN1處理的表層土硝態(tài)氮含量平均值比下層分別高33.04%和17.73%，不覆膜處理的硝態(tài)氮向下遷移量大于覆膜處理，土壤硝態(tài)氮含量分別為34.72—62.87和21.07—50.34 mg·kg-1。播種后105 d，整個剖面的硝態(tài)氮含量迅速下降，這與玉米地上部干物質(zhì)積累量同步變化，BN1和MN1處理在不同土層深度的硝態(tài)氮含量變化范圍分別為18.79—36.54和23.42—40.67 mg·kg-1；在相同生育期，BN1處理根層硝態(tài)氮平均值比CK高37.52%，MN1處理根層硝態(tài)氮平均值比BN0處理高42.66%。播種后134 d，玉米根層土壤硝態(tài)氮含量顯著下降，覆膜處理根層土壤硝態(tài)氮含量略高于不覆膜處理，在整個根層土壤剖面，硝態(tài)氮含量趨于均勻，在根系正下方略低于其他位置，不同土層深度的硝態(tài)氮含量變化范圍為14.92—23.37 mg·kg-1。

在施基肥和追肥條件下，覆膜和不覆膜處理玉米根層土壤剖面硝態(tài)氮分布如圖6所示，在整個生育期，根層土壤剖面硝態(tài)氮從上層（0—50 cm）逐漸向下層（50—100 cm）遷移，硝態(tài)氮含量均值變化趨勢為降低、增加、降低，覆膜處理根層土壤硝態(tài)氮向下遷移速度小于不覆膜處理。播種后31 d，BN2和MN2處理根層土壤硝態(tài)氮含量為35.96—91.38和27.52—99.97 mg·kg-1，上層（0—50 cm）硝態(tài)氮含量平均值比下層（50—100 cm）分別高28.03%和47.15%，覆膜處理的硝態(tài)氮向下層遷移的速度低于不覆膜處理。播種后68 d，上層硝態(tài)氮逐漸向下層遷移，BN2和MN2處理上層（0—50 cm）硝態(tài)氮含量均值比下層（50—100 cm）分別高17.08%和29.42%，不覆膜處理整個剖面的硝態(tài)氮分布逐漸趨于均勻化。播種后105 d，在追肥處理下，根層硝態(tài)氮含量又顯著增加，表層（0—30 cm）硝態(tài)氮濃度顯著增加，BN2處理表層硝態(tài)氮含量比播種后68 d高16.65%，MN2處理表層硝態(tài)氮含量比播種后68 d高24.94%，整個剖面的硝態(tài)氮含量比播種后68 d顯著增加，BN2處理增加15.56%，MN2增加18.98%，MN2處理剖面硝態(tài)氮均值比BN2處理的均值高3.61%。播種后134 d，整個剖面的硝態(tài)氮含量從土壤上層逐漸向下層遷移，上層土壤硝態(tài)氮含量和下層無顯著差異，土壤硝態(tài)氮含量為31.71—41.68 mg·kg-1，在相同生育期，BN2處理的硝態(tài)氮含量均值比BN1和CK分別高39.41%和59.24%，MN2處理硝態(tài)氮含量均值比MN1和MN0分別高40.46%和67.73%。

圖4 覆膜、不覆膜和不施肥處理對玉米根層土壤硝態(tài)氮含量分布的影響（2012年）Fig. 4 Effects of mulching， no mulching and no nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize （2012）

圖5 覆膜、不覆膜和施基肥處理對玉米根層土壤硝態(tài)氮含量分布的影響（2012年）Fig. 5 Effects of mulching， no mulching and basal nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize （2012）

圖6 覆膜、不覆膜、施基肥和追肥處理對玉米根層土壤硝態(tài)氮含量分布的影響（2012年）Fig. 6 Effects of mulching， no mulching， basal and top dressing nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize （2012）

2.5 覆膜和施肥處理對玉米根層土壤氮素平衡的影響

玉米地上部對根層氮素的吸收率與施肥量正相關(guān)，覆膜和施肥對玉米氮素吸收量影響顯著，在不施肥條件下，覆膜對氮素吸收量影響不顯著。兩年植株地上部氮素吸收量表現(xiàn)為MN2＞BN2＞MN1＞BN1＞CK＞BN0，MN2處理植株地上部氮素吸收量最大，比CK處理高100.46%，當施肥量相同時，覆膜處理的氮素吸收量高于不覆膜處理。玉米根層氮素殘留量與施氮量正相關(guān)，施肥量對玉米根層土壤硝態(tài)氮殘留量影響顯著，MN2處理根層土壤硝態(tài)氮殘留量最大，覆膜對施基肥+追肥處理根層土壤硝態(tài)氮殘留量影響顯著（P＜0.05），對僅施基肥處理影響不顯著。玉米根層土壤氮素表觀損失量與施肥量呈正相關(guān)，在相同施肥條件下，覆膜處理顯著降低氮素表觀損失量，兩年的氮素表觀損失量最大值為均BN2處理，比MN2處理分別高42.55%和65.27%。覆膜處理的氮素去向表現(xiàn)為：植株地上部氮素吸收量＞氮素殘留量＞氮素表觀損失量，2013年BN2處理的氮素去向表現(xiàn)為植株地上部氮素吸收量＞氮素表觀損失量＞氮素殘留量（表2）。

2.6 覆膜和施肥處理對氮肥吸收利用效率的影響

氮肥回收率與施肥量呈正相關(guān)，兩年的氮肥回收率表現(xiàn)為MN2＞BN2＞MN1＞BN1，覆膜可以顯著促進氮肥回收率的提高，在僅施基肥處理下，兩年覆膜處理氮肥回收率分別提高了2倍以上，不覆膜處理根層硝態(tài)氮向下層遷移速度和干物質(zhì)積累量小于覆膜處理。氮肥利用率與施肥量呈負相關(guān)關(guān)系，兩年的氮肥利用率表現(xiàn)為MN1＞BN1＞MN2＞BN2，在相同施肥條件下，覆膜能提高氮肥利用率。兩年的肥料偏生產(chǎn)力有相似的規(guī)律，MN1肥料偏生產(chǎn)力最大，肥料偏生產(chǎn)力間差異小于氮肥利用率的差異（表3）。

表2 覆膜和施肥對植株地上部氮素吸收量、根層土壤氮素殘留量和表觀損失量的影響Table2 Effects of mulching and nitrogen fertilizer on nitrogen uptake rate， nitrogen residual and loss rate in root layer of maize

表3 覆膜和施肥對氮素回收率、利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響Table3 Effects of mulching and nitrogen fertilizer on nitrogen recovery rate， nitrogen use efficiency and partial factor productivity of fertilizer of maize

3 討論

本研究表明，覆膜和施肥顯著影響玉米產(chǎn)量，施肥量越大，覆膜處理對玉米產(chǎn)量的提高幅度越大，但在不施肥條件下，覆膜對玉米產(chǎn)量的影響不顯著，覆膜和施肥互作用可以提高玉米產(chǎn)量31.41%—83.61%，這一結(jié)果與LI等［33］研究結(jié)果相似，覆膜可以提高玉米產(chǎn)量8%—25%；LI等［34］研究表明覆膜和施肥可以提高玉米產(chǎn)量35%—60%；李雨繁等［35］研究表明施氮提高產(chǎn)量18.9%—24.1%。土壤氮素含量是土壤肥力的重要指標之一，土壤氮素含量與氮肥施用量正相關(guān)［36］。本研究表明，玉米地上部干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，玉米地上部干物質(zhì)積累量的增加速率與生育期呈正相關(guān)，MN2處理的地上部干物質(zhì)積累速率最大，兩年田間試驗具有最高的產(chǎn)量，分別為6 560.67和6 723.50 kg·hm-2，這與劉新宇等［37-38］研究結(jié)果相似，在氮肥施用量為150 kg·hm-2時，產(chǎn)量達到最大值，且增施氮肥不再增產(chǎn)。

氮肥施入土壤后的3個主要去向分別是作物吸收、土壤殘留和各種形式損失，其中，氮素表觀損失主要以氨揮發(fā)、硝化-反硝化、徑流和淋洗等途徑損失［39］。國內(nèi)外許多學者研究了土壤氮素的輸入和輸出，王寅等［40］研究表明施氮占土壤氮素輸入的63.5%，氮素輸出以植株吸收為主，平均占總輸出的80.7%，一部分殘留在土壤中，另一部分通過不同的途徑損失；JU等［41］研究表明氮素表觀損失量與殘留量隨施氮量的增加而增加，作物吸收量存在極限值；MICHALCZYK等［42］認為土壤中氮素損失的主要方式是氮素淋洗，主要影響因素為降雨量和灌水量。本研究中覆膜處理的表層土壤含水量比不覆膜處理的含水量高，即相同降雨量條件下，不覆膜處理的土壤水分下滲量大于覆膜處理。在相同施肥條件下，覆膜處理根層土壤硝態(tài)氮含量大于不覆膜處理，因而，隨生育期的推進，玉米根系從土壤中吸收的氮素量隨之增加，追肥處理的氮素回收率大于僅施基肥處理，這與根系生長范圍密切相關(guān)。

氮素表觀損失量與施肥量呈正相關(guān)，在相同施肥條件下，覆膜處理顯著降低氮素表觀損失量，BN2處理氮素表觀損失量最大，2012年和2013年分別為55.32和70.11 kg·hm-2，最小值為MN1處理。LI等［43］認為夏玉米根層土壤氮素淋洗主要發(fā)生在強降雨過程中，當施肥量＜110 kg·hm-2時，氮素淋洗可以忽略；WANG等［44］在考慮經(jīng)濟和環(huán)境方面，提出優(yōu)化氮肥施用量的建議，當大田玉米施肥量為171 kg·hm-2時，獲得最大的經(jīng)濟效益，同時，氮肥施用量降低28%，氮素表觀損失降低33%（N2O排放量降低29%，氮素淋洗降低44%，NH3揮發(fā)降低25%）；KIM等［45］研究了僅施基肥和施基、追肥處理對氮素吸收和損失的影響，結(jié)果表明施基肥和追肥處理可以顯著降低氮素損失，其中，N2O排放量降低35.6%，氮素淋洗降低45%，NH3揮發(fā)降低17.8%。本研究中MN1處理兩年氮素表觀損失量分別為21.18和24.52 kg·hm-2，MN2處理分別為31.78和24.35 kg·hm-2。實際的氮素表觀損失量應(yīng)大于以上數(shù)值，本研究在計算殘留量的時候，考慮0—100 cm深度范圍內(nèi)的硝態(tài)氮殘留量，下一季作物在吸收的過程中，根系生長到測定深度時，這個過程還會發(fā)生氮素的淋洗，以及其他途徑的損失。

根層土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律是描述氮肥施入土壤后的有效方法，在施肥初期，土壤硝態(tài)氮含量較高的區(qū)域分布在表層0—20 cm，隨著生育期的推進，土壤硝態(tài)氮將會向下層遷移，覆膜處理有減緩硝態(tài)氮向下層遷移速度的作用，覆膜處理對土壤硝態(tài)氮含量的影響范圍為0—40 cm［46］。本試驗表明，不施肥處理上層（0—50 cm）的硝態(tài)氮含量略大于下層（50—100 cm）硝態(tài)氮含量，隨著生育期的推進，土壤硝態(tài)氮含量逐漸降低；施基肥處理在播種后31 d，表層土（0—30 cm）的硝態(tài)氮含量顯著高于下層（30—100 cm）剖面的硝態(tài)氮含量；施基肥和追肥處理在整個生育期，根層土壤剖面硝態(tài)氮從上層（0—50 cm）逐漸向下層（50—100 cm）遷移，硝態(tài)氮含量均值變化趨勢為：降低→增加→降低。THORUP-KRISTENSEN［47］認為硝態(tài)氮在根層上層（0—50 cm）的含量與根系分布的相關(guān)性較弱，但下層（0—50 cm）的含量與根系參數(shù)有強相關(guān)關(guān)系；YUAN等［48］采用大水漫灌的方式研究硝態(tài)氮在土壤中的淋洗，結(jié)果表明土壤中硝態(tài)氮濃度在灌水后1周顯著高于灌水后2周；DAI等［49］認為氮素殘留主要與施氮量、施肥時間、降雨和根層硝態(tài)氮分布情況有關(guān)，在減少氮素殘留的最佳施肥量為66—92 kg·hm-2，原因在于作物生長過程中，主要靠根系吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，根系吸收土壤中的水分和養(yǎng)分后，根系附近的土壤養(yǎng)分和水分將遷移至根系表面，因此，根系周圍的硝態(tài)氮含量低于其他部位。本研究在玉米生育后期，根系生長范圍內(nèi)的硝態(tài)氮含量低于周圍區(qū)域，表明氮肥施入土壤后，作物吸收是氮肥的重要去向，作物吸收多少，通常用氮肥利用率來衡量。

本研究中氮肥利用率隨著施肥量的增加而下降，覆膜可以提高氮肥的利用效率，這與YAGIOKA等［50］的研究結(jié)果相似，隨著施氮量的增加，作物產(chǎn)量和作物對氮素的吸收量也隨之增加，氮肥利用率將下降。MN2處理連續(xù)兩年的氮肥利用率僅20.16%和18.14%，但產(chǎn)量顯著高于其他處理，同時，氮素表觀損失量為31.78和24.35 kg·hm-2。巨曉棠［51］為明確氮肥施用效果和環(huán)境的影響，提出了氮肥有效率的概念，同時提出氮肥殘留對土壤消耗補償效應(yīng)的相關(guān)建議，在合理施氮量和施氮方法的基礎(chǔ)上，達到目標產(chǎn)量，維持土壤氮素平衡，才是氮肥施用的最佳狀態(tài)。因此，從目標產(chǎn)量和環(huán)境角度考慮，推薦MN2為最佳處理。

4 結(jié)論

在干旱半干旱地區(qū)，覆膜和施肥處理對玉米產(chǎn)量的提高有顯著影響，覆膜可以提高表層土壤含水量，減緩硝態(tài)氮向土壤下層遷移的速度，從而提高氮肥利用率和作物對土壤氮素的吸收量。追肥可以顯著提高玉米產(chǎn)量，覆膜、施基肥和追肥處理可提高玉米產(chǎn)量31.41%—83.61%。就氮肥利用率而言，雖然追肥降低了氮肥利用率并增加了土壤中氮素的殘留量，但可以獲得較高的肥料偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量，以及較低的氮素表觀損失量。綜上所述，推薦施基肥（氮肥80 kg·hm-2，磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜處理（MN2）為最佳處理。

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（責任編輯 岳梅）

Effect of Mulching and Nitrogen Fertilizer on Maize Yield，Distribution and Fate of Nitrogen in Root Layer

WANG Xiu-kang1，2， XING Ying-ying1， LI Zhan-bin2
（1College of Life Science， Yan’an University， Yan’an 716000， Shaanxi；2Institute of Soil and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Yangling 712100， Shaanxi）

【Objective】 The objective of this study is to investigate the effect of mulching and nitrogen fertilizer application rate on root zoon nitrogen distribution， fate and maize yield for rational application of fertilizer and agricultural sustainable development in the Loess Plateau of Northwest China. 【Method】 Six treatments were designed and applied: （1） A flat plot with no basal fertilizer，no top dressing and no mulching （CK）； （2） Plastic film mulching with no basal fertilizer and no top dressing （MN0）； （3） Basal N （80kg·hm-2） and P （80 kg·hm-2） with no top dressing and no mulching （BN1）； （4） Plastic film mulching and basal N （80 kg·hm-2） and P（80 kg·hm-2） with no top dressing （MN1）； （5） Basal N （80 kg·hm-2） and P （80 kg·hm-2） and top dressing N （80 kg·hm-2） with no mulching （BN2）； and （6） Plastic film mulching with basal N （80 kg·hm-2） and P （80 kg·hm-2） fertilizer and top dressing N （80 kg·hm-2）（MN2）. The effect of mulching and nitrogen fertilizer on maize yield， soil water content， soil nitrate-N distribution and the uptake of nitrogen of above-ground part of maize were analyzed.【Result】 The shoot dry matter accumulation of maize was increased with the increase of growth period， and the rate of dry matter accumulation was also increased. The shoot dry matter accumulation showed mainly the MN2＞BN2＞MN1＞BN1＞CK＞MN0. The more the shoot dry matter accumulated， the higher the grain yield of maize. Mulching and nitrogen fertilizer application had a significant effect on grain yield of maize. The yields of BN1 and MN1 treatments were 31.41% and 38.33% higher than the CK treatment， and the yields of BN2 and MN2 treatments were 49.89% and 79.06% higher than the CK treatment in 2012. Mulching was significantly increased the soil water content， the soil water content was increased first，and then reduced. The soil nitrate-N content decreased with the advance of growing period in no nitrogen fertilizer treatment. The upper soil nitrate-N content was slightly larger than subsoil layer， and the difference in quantity was decreased with the advance of growing period. Mulching had the function of slow the migration of soil nitrate-N move to sub soil layer in basal and top-dressing nitrogen fertilizer treatment. The nitrogen uptake rate of above ground dry matter accumulation was positively correlated with the level of nitrogen fertilizer. Mulching and nitrogen fertilizer application had a significant effect on the nitrogen uptake rate. There was no significant difference in nitrogen uptake rate in no-fertilizer treatment. The fate of nitrogen in mulching treatment showed mainly the nitrogen uptake rate＞nitrogen residual＞nitrogen loss rate. Nitrogen application significantly improved the nitrogen recovery rate， which was showed mainly that the MN2＞BN2＞MN1＞BN1 in both years.【Conclusion】The MN2 treatment significantly increased the maize yield and soil water content in top soil layers， and reduced the speed of nitrate-N from top soil layers to subsoil layers. Meanwhile， the MN2 treatment also reduced the nitrogen loss rate and improved the nitrogen use efficiency and nitrogen uptake rate.

maize； mulching； fertilizer application； nitrate-N； nitrogen use efficiency

2016-04-21；接受日期：2016-07-01

國家科技支撐計劃（2011BAD31B01）、國家自然科學基金（51669034）、延安大學博士啟動基金（205040119，205040123）

聯(lián)系方式：王秀康，E-mail：wangxiukang@126.com