夏玉米水肥異區(qū)交替灌溉施肥的產(chǎn)量與環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

王林權(quán)，周春菊

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院，陜西楊凌 712100）

夏玉米水肥異區(qū)交替灌溉施肥的產(chǎn)量與環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

王林權(quán)1，周春菊2

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院，陜西楊凌 712100）

水資源缺乏、污染嚴(yán)重、肥料利用率不高是我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村面臨的重要且亟待解決的問題。發(fā)展節(jié)水施肥技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。交替灌溉施肥技術(shù)是在虧缺灌溉或部分根區(qū)干燥灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種節(jié)水施肥技術(shù)，可有效減少灌水量，提高灌水利用效率，防止灌溉過程中氮素淋失。在適宜的水氮配合條件下，還可以減少氨揮發(fā)和氧化亞氮等氣態(tài)氮損失，增加作物產(chǎn)量。但是該技術(shù)的應(yīng)用效果與環(huán)境條件、灌水定額、施肥量、種植密度等密切相關(guān)，在應(yīng)用過程中應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行微調(diào)。另外水肥異區(qū)交替灌溉施肥條件下，水分、養(yǎng)分在農(nóng)田的時空分布規(guī)律，轉(zhuǎn)化特征，以及植物對養(yǎng)分、水分吸收利用和調(diào)控機(jī)制等還有待于深入研究。

水肥異區(qū)交替灌溉施肥；淋溶；氨揮發(fā)；氮肥利用率；水分利用率

水和肥是影響農(nóng)作物生長的兩個最重要因素，水離不開肥、肥離不開水，二者相互作用相互制約，共同決定作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量和品質(zhì)。營養(yǎng)元素必須溶解于水中才能在土壤中遷移、擴(kuò)散，被作物吸收利用。營養(yǎng)元素是植物的結(jié)構(gòu)物質(zhì)和生長基礎(chǔ)，作物在沒有營養(yǎng)元素的純水中不能生長發(fā)育或發(fā)育不良[1]。所以在植物營養(yǎng)生理研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥是不分家的，但是水分和養(yǎng)分的吸收過程又是相對獨(dú)立的。由于水肥吸收利用的復(fù)雜性和供給的多變性使得二者往往很難協(xié)調(diào)供應(yīng)，造成有限水肥資源的浪費(fèi)和一系列不良的生態(tài)環(huán)境問題。

灌溉消耗了全球70%的淡水資源[2]，灌溉農(nóng)田供應(yīng)了全球40%的食物[3]。水資源總量不足、時空分布不均，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，灌水利用率低下等嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。我國水資源總量為28億m3，人均水資源量約2200 m3，約為世界平均值的25%[4]。長江淮河以北地區(qū)的水資源只有全國的20%，許多地方人均水資源量低于1700 m3的缺水警戒線。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率只有1.0 kg/m3左右，旱地只有0.60～0.75 kg/m3，全國平均水分利用效率為0.8 kg/m3，遠(yuǎn)低于世界發(fā)達(dá)國家的水平[4]。Cai[5]模擬研究了美國里奧格蘭德河 (Rio-Grande River) 和科羅拉多河 (Colorada River) 的河谷平原，中國長江、淮河和海河平原，印度的印度河(Indus) 和恒河 (Ganges) 盆地等灌溉水資源供應(yīng)及其對食物生產(chǎn)的效應(yīng)，結(jié)果表明，由于水資源不足，基礎(chǔ)設(shè)施落后，及快速增長的工業(yè)及居民生活用水，灌溉水資源不足及其對食物生產(chǎn)的影響會越來越嚴(yán)重，抵御嚴(yán)重干旱的能力下降。因此，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高灌水效率，是我國乃至世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

不合理灌溉的另一個負(fù)面效應(yīng)是養(yǎng)分淋失與水源污染。作物生育期期間氮肥的淋溶損失達(dá)到25%[6]，玉米和小麥田的氮肥淋失率分別達(dá)到22%和15%[7]。在我國華北平原地區(qū)，由于過量施肥和不合理灌溉引起的土壤氮素淋失十分嚴(yán)重。灌溉和降雨是導(dǎo)致華北春玉米氮素淋失的主要因素，淋失量與施肥量成正比[8]。常規(guī)施肥灌水條件下，氮素?fù)p失量每季達(dá)到4.6～74.2 kg/hm2，優(yōu)化灌溉可大大降低氮素的淋溶損失[9]。保護(hù)地的肥料氮損失率達(dá)到67.2%～94.7%，其中大水漫灌造成的淋溶損失是主要途徑[10]。美國有些農(nóng)業(yè)地區(qū)的溪流和地下水中也發(fā)現(xiàn)了高濃度的硝態(tài)氮，其與農(nóng)田氮素總投入水平和灌溉等農(nóng)業(yè)措施有關(guān)[11]。在集約化灌溉地區(qū)地下水中的硝酸鹽每年增加1 mg/L[12]；有20%的井水中硝態(tài)氮含量超過了飲用水最高限量標(biāo)準(zhǔn) (10 mg/L)[13]。養(yǎng)分或溶質(zhì)隨灌溉水向地下水的遷移被認(rèn)為是非點(diǎn)源污染或面源污染[14]。地表水和地下水中硝酸鹽的增高趨勢日益受到人們的關(guān)注[15-16]。因此，優(yōu)化灌溉和和合理施肥是提高水、氮利用效率的重要途徑，也是防止淺層地下水和飲用水源污染的重要舉措。

1 交替灌溉施肥技術(shù)的起源

由于傳統(tǒng)灌溉的水分利用率低、養(yǎng)分淋失嚴(yán)重，因此人們提出了許多新型節(jié)水灌溉技術(shù)，如滴灌 (膜下滴灌、痕量灌溉、微潤灌溉和水肥一體化等)[17]、限水灌溉 (調(diào)虧灌溉、非充分灌溉)[4,21]、精準(zhǔn)灌溉[4]等。傳統(tǒng)的溝灌技術(shù)由于投入少，不需要特殊的設(shè)備，一直是農(nóng)田灌溉的主要方式，但為節(jié)約水資源、提高水分利用效率、減少養(yǎng)分淋失，需要對其進(jìn)行改進(jìn)和完善。交替灌溉或控制性分根交替灌溉就是在傳統(tǒng)溝灌技術(shù)上發(fā)展起來的一種田面節(jié)水灌溉技術(shù)。

溝灌常被用在干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)的條播作物，如玉米、大豆和棉花等。為了使末端作物根區(qū)得到充分濕潤，過量灌水經(jīng)常引起水分和養(yǎng)分的深層滲漏損失[18]。20世紀(jì)70年代，交替溝灌作為減少深層滲漏[19]、增加雨水貯存、減少灌水定額、提高水分利用效率的策略被提出并研究[20]?？到B忠等[21]在交替灌溉的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物水分生理學(xué)原理，提出了控制性分根交替灌溉的概念。部分根區(qū)不灌溉，使其得到干旱鍛煉，產(chǎn)生根源信號 (ABA)，控制葉片氣孔開度，在不降低光合效率的基礎(chǔ)上，降低蒸騰速率，提高水分利用效率[22–23]。

在交替灌溉條件下，將氮肥施到非灌溉溝可以減少硝態(tài)氮的淋失[18,20]。在此基礎(chǔ)上，我們提出交替灌溉施肥的概念，即在交替灌溉過程中，將氮肥施到非灌水溝，而在第二次灌溉施肥時，上一次的施肥溝變成灌水溝，而灌水溝變成施肥溝 (圖1)。既避免了氮肥淋失，也使得各溝的肥水供應(yīng)均勻[24]。

2 交替灌溉施肥的水肥利用效率

1999年我們比較了幾種交替灌溉方式的產(chǎn)量效應(yīng) (表1)，結(jié)果表明：與常規(guī)灌水施肥方式相比，非充分灌溉條件下不同水肥空間耦合的灌水量減少一半，玉米籽粒產(chǎn)量下降7%～16%，根系吸收養(yǎng)分能力、葉片光合速率、蒸騰效率則明顯增加，而葉面積、蒸騰速率和硝酸還原酶活性均無明顯變化。其中以水肥異區(qū)交替灌水的產(chǎn)量降低最少[24]。2000年我們比較了不同灌水量下不同交替灌溉模式的產(chǎn)量效應(yīng) (表1)，結(jié)果表明在全生育期灌水量為112.5 mm和60 mm的水平下，均勻施肥交替灌水、水肥同區(qū)交替灌水、水肥異區(qū)交替灌水3種水肥空間耦合方式的產(chǎn)量之間不存在顯著差異 (P ＞ 0.05)；玉米全生育期灌水量從225 mm下降到60 mm，玉米產(chǎn)量下降幅度小于15.26%；在相同灌水量下，水肥異區(qū)交替灌水和水肥同區(qū)交替灌水的根系活力、光合速率、產(chǎn)量和灌溉水利用效率較高。交替施肥灌溉的水分利用效率明顯高于其他處理[25]。2003～2004年，我們通過遮雨微區(qū)試驗(yàn)研究了交替施肥灌水的產(chǎn)量及其水、氮利用效率 (表1)，結(jié)果表明在低灌水量 (45 mm/次) 水平下水肥異區(qū)交替灌溉，施肥區(qū)和灌水區(qū)之間存在水勢梯度差異，兩區(qū)的NO3–-N含量也有差異；水肥異區(qū)交替灌溉的水分利用效率和肥料利用效率均高于均勻灌溉。 在高灌水量 (90 mm/次) 水平下，水肥異區(qū)交替灌水與常規(guī)均勻灌水差異不顯著，養(yǎng)分離子發(fā)生了強(qiáng)烈的淋洗[26]。低灌水量有利于提高水分利用效率[27]。在低灌水量條件下，水肥異區(qū)交替灌溉能使夏玉米保持較高的根系活力和正常生理代謝 (硝酸還原酶活性、光合作用等)，提高了葉片水分利用效率，從而達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的[28]。

圖1 水肥異區(qū)交替灌溉施肥示意圖Fig. 1 Diagram of alternating furrow irrigation with separated water and N fertilizer supply

由于交替灌溉施肥效應(yīng)與灌水量、施肥水平和環(huán)境效應(yīng)等有關(guān)，2006～2011年，我們采用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)研究了交替灌溉施肥條件下的灌水定額、施氮水平和種植密度等三因素的交互效應(yīng)。在低密度條件下 (39000株/hm2)，最高產(chǎn)量以及相應(yīng)水氮最佳配比為4076 kg/hm2、97.2 mm、N 230 kg/hm2。雖然產(chǎn)量略低于常規(guī)施肥灌水 (4698 kg/hm2)，但最高產(chǎn)量的水氮投入量遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)厣a(chǎn)中的常規(guī)灌水量(180 mm) 和施肥水平 (300 kg/hm2)，水肥異區(qū)交替灌溉施肥水分利用率和氮肥利用率則高于常規(guī)灌溉施肥[29]。在高密度下 (66667 株/hm2)，N 238～244 kg/hm2，配合95～106 mm灌水能夠取得最高產(chǎn)量[30]。氮肥對產(chǎn)量和水分利用率有正效應(yīng)；灌水可增加產(chǎn)量和氮素吸收利用，但降低水分利用效率；種植密度對產(chǎn)量、氮素吸收和水分利用效率具有正效應(yīng)。在交替灌溉施肥條件下，氮肥、灌水和密度的最佳配置為N 245～255 kg/hm2，灌水量98～100 mm和密度 58376～59467 株/hm2[31]。

3 交替灌溉施肥的環(huán)境效應(yīng)

3.1 交替灌溉施肥對硝態(tài)氮淋失的影響

水氮在空間上的不均勻分布勢必影響水分和養(yǎng)分在土壤剖面中的遷移和分布。將肥料施到非灌水溝的主要目的是防止氮素與灌溉水的接觸，減少養(yǎng)分的淋失風(fēng)險[18,20,24]。Br–示蹤試驗(yàn)表明，與常規(guī)灌溉(每行均勻灌溉ERFI) 相比，交替灌溉施肥 (ARFI) 可以減少 Br–的移動性，在整個生育期，Br–保持在0—15 cm耕層，而常規(guī)灌溉條件下，Br–下移到0.6 m處；當(dāng)生育期遇到降雨時，ERFI處理的Br–下移到1.22 m，而ARFI處理的Br–只下移到0.6 m處[32]。與常規(guī)施肥灌水方式 (均勻施肥均勻灌水、全生育期灌水量為250 mm) 相比，全生育期灌水量為112.5 mm和60 mm的水平下，均勻施肥交替灌水、水肥同區(qū)交替灌水、水肥異區(qū)交替灌水3種不同水肥空間耦合方式玉米植株吸收氮量略有下降，但增加了肥料氮在60 cm以上土壤中的殘留量，從而減小了氮向下層土壤淋溶的風(fēng)險；相同灌水量下，60 cm以上層次土壤氮素殘留量大小順序?yàn)樗十悈^(qū)交替灌水處理 ＞ 水肥同區(qū)交替灌水處理 ＞ 均勻施肥交替灌水處理[32]。模擬試驗(yàn)表明，水肥異區(qū)隔溝灌溉、水肥同區(qū)隔溝灌溉兩種處理方式的灌溉水在剖面上均以垂直運(yùn)動為主，同時也存在水平側(cè)滲[33]。水肥同區(qū)隔溝灌溉處理的速效氮在剖面上垂直運(yùn)動明顯，處理后15天速效氮基本均勻地分布于0—100 cm土層內(nèi)，速效氮含量在施肥區(qū)和未施肥區(qū)之間差異較小；而水肥異區(qū)隔溝灌溉處理的速效氮垂直運(yùn)動程度小，速效氮主要分布在60 cm以上土層，速效氮深度達(dá)到70 cm，側(cè)滲距離達(dá)到了30 cm以上，因此側(cè)滲完全可以滿足肥料的溶解與養(yǎng)分?jǐn)U散需求。另外，交替灌溉施肥后，第一次施肥溝變成灌水溝，也有利于施肥溝的養(yǎng)分吸收。不同試驗(yàn)結(jié)果差異的原因可能與灌水量、灌水方式和氣候、土壤等條件的差異有關(guān)。例如早春低溫潮濕，秋季早霜凍使得玉米不能完成生育周期，生殖生長縮短等會減少交替灌溉施肥的植株吸氮量[39]。而在濕熱、沒有霜凍影響的地區(qū)水氮異區(qū)隔溝灌溉是一種較好的水肥耦合模式[40]。水平運(yùn)動不明顯，施肥區(qū)速效氮含量遠(yuǎn)高于未施肥區(qū)。水肥異區(qū)處理的養(yǎng)分淋溶深度較小，淋失的可能性小，有利于養(yǎng)分長期在剖面較淺層次中分布，為作物吸收利用創(chuàng)造了條件[34]。微區(qū)試驗(yàn)表明，在低灌水量 (45 mm/次) 水平下水肥異區(qū)交替灌溉，施肥區(qū)和灌水區(qū)之間存在水勢梯度差異；-N 含量也有差異，施肥區(qū)的硝態(tài)氮主要分布0—40 cm土層，灌水區(qū)的峰值出現(xiàn)在160～180 cm；在高灌水量 (90 mm/次) 水平下，水肥異區(qū)交替灌水與常規(guī)均勻灌水差異不顯著，-N發(fā)生了強(qiáng)烈的淋洗，說明交替灌溉已經(jīng)失去意義。收獲后，交替灌溉施肥殘留量比傳統(tǒng)灌溉要高，而水分殘留量則相反[26,48–49]。大田試驗(yàn)表明，交替灌溉條件下，玉米收獲后土壤剖面中-N的殘留與施肥量、灌水量和灌溉施肥模式有關(guān)。在不施肥和低施肥和低灌水條件下 (施N 100 kg/hm2，灌水40 mm)，土壤中的-N呈耗竭狀態(tài)。在中量施肥灌水 (施N 230 kg/hm2，灌水90 mm)和高量施肥灌水 (施N 300 kg/hm2，灌水180 mm) 條件下，土壤剖面有-N殘留；施氮量越高，殘留越大。其中交替施肥灌溉的-N主要?dú)埩粼?—60 cm土層，而常規(guī)施肥灌溉處理的-N在0.6—2 m土層殘留多[35]。說明交替灌溉施肥確實(shí)能減少氮素的淋溶風(fēng)險。

表 1 交替施肥灌溉條件下的夏玉米產(chǎn)量及其水、氮肥利用效率Table 1 Yields, water and fertilizer N use efficiency in AFISWN (alternating furrow irrigation with separated water and N fertilizer supply) practices

盡管將肥料施在非灌水溝可降低氮素的淋失風(fēng)險，但有可能減少作物對硝態(tài)氮的吸收。像硝態(tài)氮這樣移動性強(qiáng)的養(yǎng)分主要靠質(zhì)流在土壤中向根系遷移[36]，因此在水分有效性低的條件下會減少-N的吸收[37]。在干旱年份，將肥料施在非灌水溝，減少玉米吸氮量50%；在濕潤年份，交替灌溉與常規(guī)灌溉的吸氮量無顯著差異。常規(guī)灌溉處理生殖生長期的吸氮量只有總吸氮量的6%，而交替灌溉處理生殖生長期的吸氮量達(dá)到35%[38]。Skinner等研究表明交替溝灌并將肥料施于干溝內(nèi)，可減少肥料淋溶的可能性，但作物對氮的吸收也減少；與普通灌溉相比，交替溝灌施肥條件下，土壤硝酸根含量在生殖生長期較高[39]。說明將肥料施到非灌水溝有延緩作物吸收的效應(yīng)。

我們的研究并沒有發(fā)現(xiàn)水肥異區(qū)交替灌溉施肥會顯著減少植株氮素吸收。原因可能是施肥溝的水分有效性不會降低到影響氮素的運(yùn)輸和遷移的程度，因?yàn)楣嗨疁系乃执嬖趥?cè)向遷移，有部分水分可以側(cè)滲到非灌水溝。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn) (圖2)。灌水在入滲的同時，還發(fā)生了明顯的側(cè)滲過程，經(jīng)過15 h的入滲過程，入滲

圖2 模擬灌水中的水分入滲與側(cè)滲趨勢(灌水量為378 mm)Fig. 2 Infiltration and lateral diffusion trend of irrigation water in simulated irrigation (irrigation quota of 378 mm)

3.2 交替灌溉施肥對氣態(tài)氮損失的影響

水肥空間分布的異質(zhì)性和不均勻性勢必造成土壤水分、養(yǎng)分、熱量和微生物活性等的不均勻分布，使得根系生長與活性[41–43]、土壤微生物活性和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[44]等發(fā)生變化。水肥異區(qū)交替灌溉施肥，肥料施在非灌水溝，減少養(yǎng)分淋失的風(fēng)險，但是養(yǎng)分在耕層的聚集，是否會造成氨揮發(fā)或其它氣態(tài)氮的損失增加？與常規(guī)灌水施肥處理相比，水肥異區(qū)交替灌溉施肥可明顯減少氨揮發(fā)損失[45]。但氨揮發(fā)受生育期及其氣候條件、灌水量和施肥量的影響，玉米拔節(jié)期追肥灌水的氨揮發(fā)量和損失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抽雄期。在水肥異區(qū)交替灌溉條件下，當(dāng)灌水量35 mm、氮施用量256 kg/hm2時的氨揮發(fā)量最低[46]。

交替灌溉條件下，2008和2009年大田氨揮發(fā)通量分別為N 4.8～17.0 kg/hm2和6.2～20.6 kg/hm2，作物產(chǎn)量和氨揮發(fā)通量隨施氮量的增加而增加，反之亦然。在低灌水施肥條件下 (N 100 kg/hm2+40 mm灌水)，交替灌溉施肥可以降低氨揮發(fā)，中等灌水施肥條件下 (N 230 kg/hm2+90 mm灌水)，交替灌溉施肥與常規(guī)灌溉施肥無差異，而在高施肥灌溉條件下 (N 300 kg/hm2+180 mm灌水)，交替灌溉施肥的氨揮發(fā)量大于常規(guī)灌溉施肥[35]。原因是：低灌水量時側(cè)滲到施肥溝的水分少，減少了尿素的水解，因此減少了氨揮發(fā)，而高灌水量時，側(cè)滲水增加了尿素水解，但淋溶少，因此增加了氨揮發(fā)。氨揮發(fā)強(qiáng)度 (單位籽粒產(chǎn)量氨揮發(fā)通量) 是反映氮肥環(huán)境效應(yīng)的一個指標(biāo)，值越低說明生產(chǎn)單位糧食的環(huán)境效應(yīng)越好，在交替灌溉施肥條件下，2008和2009年的氨揮發(fā)強(qiáng)度分別為每噸籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生-N 1.2～3.0 kg和1.1～3.2 kg，模型模擬結(jié)果表明只要水氮配比適宜就可以降低氨揮發(fā)強(qiáng)度而維持產(chǎn)量不降低[46]，降低施肥對環(huán)境的負(fù)面影響。關(guān)于交替灌溉施肥條件下的硝化–反硝化研究較少。Han等[47]報(bào)道交替灌溉施肥的氧化亞氮釋放通量為N 2.0～50.0 g/(hm2·d)，累積釋放量為N 1277 g/(hm2·季)，而常規(guī)灌溉施肥的釋放通量N 2.4～68.4 g/(hm2·d)，累積釋放量為N 1695 g/(hm2·季)。在交替灌溉施肥條件下，優(yōu)化施肥和灌水可以顯著降低氧化亞氮釋放而不降低產(chǎn)量。

4 交替灌溉施肥的適用性

交替灌溉作為一種節(jié)水灌溉方式，在節(jié)約一半灌水量的情況下，產(chǎn)量小幅度下降，因此可以大幅度提高灌水效率。水肥異區(qū)交替灌溉施肥可以減少氮肥淋溶損失的潛在風(fēng)險，防止地下水污染。適宜的水氮配比不但不降低產(chǎn)量，還可以增加產(chǎn)量，提高水分及養(yǎng)分利用效率，減少氮素淋溶風(fēng)險和氣態(tài)氮損失，因此具有良好的應(yīng)用前景。但是其效應(yīng)受環(huán)境條件、氣候條件和灌水定額等的影響，因此有一定適用范圍與條件。由于肥料處于干溝，在干旱年份會影響作物對養(yǎng)分的吸收利用。另外，施肥區(qū)的水分有效性比較差，肥效遲緩，進(jìn)入生殖生長期仍然有35%的吸收量，如果生育后期有霜凍等因素，縮短了玉米生育期，就會大大減少氮素的吸收利用。在小麥–玉米輪作中夏玉米無晚霜凍的影響，因此適宜于水肥異區(qū)交替灌溉的實(shí)施。另外在濕熱的夏玉米生長季，交替灌溉施肥有利于吸納雨水，減少肥料淋失，可以充分發(fā)揮水肥異區(qū)交替灌溉的優(yōu)勢。

交替灌溉施肥就是利用水分和肥料在空間上的錯位與不均勻分布，實(shí)現(xiàn)減少養(yǎng)分淋失，將養(yǎng)分保留在根系吸收層[17,33,47–48]，增加養(yǎng)分吸收的可能性。在適宜的水肥配合條件下，可以提高產(chǎn)量、減少養(yǎng)分淋失，提高水分、養(yǎng)分利用效率。但是如果灌水過多，灌水溝的水分向施肥溝大量測滲，兩溝失去水分差異，一方面起不到鍛煉根系、產(chǎn)生根源信號(ABA) 的作用，另一方面也起不到減少養(yǎng)分淋失的作用，反而增加施肥溝的氨揮發(fā)風(fēng)險。因此水肥耦合尤為重要，找到適宜的灌水量是保證水肥異區(qū)交替灌溉效應(yīng)的前提條件。在本研究區(qū)域 (陜西關(guān)中冬小麥夏玉米一年兩熟區(qū)) 的適宜灌水量為每次不能超過45～60 mm[48]。在實(shí)行交替灌溉施肥的時候，還要充分考慮種植密度或降雨情況。

適宜的水肥配合條件下，水肥異區(qū)交替灌溉施肥可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)，如增加玉米產(chǎn)量、提高水分和氮肥吸收利用效率，減少NO3–-N淋溶、N2O排放和氨揮發(fā)等。但模擬試驗(yàn)表明，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)之間存在互蝕作用 (trade-off)。當(dāng)玉米收獲后0.6—2.0 m土層中硝態(tài)氮最少，也就是說對地下水影響最小或肥料氮?dú)埩糇钌贂r，需要的灌水量比最佳經(jīng)濟(jì)效益的灌水量應(yīng)該減少32%～36%，收入降低14%。采用農(nóng)田氨揮發(fā)降到最低時的播種密度、灌水量和施肥量，經(jīng)濟(jì)收入將下降35%～37%。相反，要使得產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)收入最大化，玉米收獲后的0.6—2.0 m土層深度-N殘留 N 38～40 kg/hm2，氨揮發(fā)增加48%～56%[49]。因此如何才能使得交替灌溉施肥的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)相一致，還需要做更多的工作。

另外也需要大量模擬實(shí)驗(yàn)與大田試驗(yàn)探尋水肥異區(qū)交替灌溉施肥條件下水分、養(yǎng)分吸收利用機(jī)理，為進(jìn)一步優(yōu)化肥水管理提供科學(xué)指導(dǎo)；實(shí)踐上應(yīng)進(jìn)一步明確水肥異區(qū)交替灌溉施肥的適用范圍，為大范圍推廣這一技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

水肥異區(qū)交替灌溉施肥可以節(jié)約灌溉水，提高灌水利用效率和氮肥利用效率；增加肥料在耕層存留，有利于當(dāng)季和下一季作物吸收利用，減少肥料隨水流失的風(fēng)險。在適宜的水氮耦合條件下水肥異區(qū)交替灌溉施肥具有增產(chǎn)效應(yīng)，同時可以減少農(nóng)田氣態(tài)氮損失。該技術(shù)適宜于在沒有霜凍、比較濕熱的春/夏玉米地區(qū)推廣應(yīng)用。

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Advances in researches of yield and environmental effect of alternate furrow
irrigation with separated water and N fertilizer supply on summer maize

WANG Lin-quan1, ZHOU Chun-ju2
( 1 College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 College of Life Sciences, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China )

Water shortage, lower fertilizer use efficiency, contaminant of ground and surface water have become serious issues in agricultural production and countryside ecosystem safety, needing to be worked out urgently in China now. Developing water saving and fertilization efficient techniques are attempted as effective solutions to these issues. In this paper, we introduced the origin, developing history of alternate furrow irrigation with separated water and N fertilizer (AFISWN), as well as the economic and environmental effects. AFISWN is one of water saving techniques, based on the deficit irrigation or part root drying irrigation. It effectively cuts down irrigating quota, increases water use efficiency and prevents nitrate deep leaching etc. It also mitigates the ammonia volatilization and N2O emission, and enhances yields under optima water and N rate. However, the effects of AFISWN are closely related with the irrigating quota, N rate, plant density and environmental conditions, such as rainfall and frost etc. The technique parameters need to be modified in the practices for specific area. For this purpose, temporal and spatial distribution and transformation of water and nutrients in soil need to be investigated more carefully; the mechanism of water and nutrient uptake and regulating by plants also needs to be comprehensive studied.

AFISWN; leaching; ammonia volatilization; N use efficiency; water use efficiency

2017–07–20 接受日期：2017–10–19

國家行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503124）資助。

王林權(quán)（1964—），男，陜西鳳翔人，教授，主要從事植物營養(yǎng)與施肥、水肥高效利用等研究。E-mail：linquanw@nwsuaf.edu.cn